JP2013116045A - Method for creating three-dimensional cell aggregate, three-dimensional gel carrier for cell cultivation used in the same, and three-dimensional cell aggregate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for creating an arbitrary shaped three-dimensional cell aggregate without using a complex procedure.SOLUTION: There is provided the method for creating the three-dimensional cell aggregate. A three-dimensional article molded from a hydrophilic polymer gel capable of volume changes is used as a carrier. The carrier is inoculated with cells and the cells are cultured. The carrier volume changes, and the cultured cells thereby imparted with a three-dimensional structure is peeled off as a three-dimensional cell aggregate. A temperature-responsive polymer gel is used as the hydrophilic polymer gel. The hydrophilic polymer gel has a lower critical solution temperature (LCST), which contracts at critical temperature (Tc) or higher, cultivation of the cells is performed at lower critical consolute temperature or higher, and the cultured cells are peeled off from the hydrophilic polymer gel at the lower critical solution temperature or below.

Description

本発明は、三次元細胞集合体の作製方法およびそれに用いる細胞培養用三次元ゲル担体並びに三次元細胞集合体に関する。   The present invention relates to a method for producing a three-dimensional cell aggregate, a three-dimensional gel carrier for cell culture used therefor, and a three-dimensional cell aggregate.

従来の再生医療では、細胞とスキャフォールドとを体外で複合化し、体の中に埋入することで、生体内で組織再生を誘導する方法が取られてきた。しかし、使用するスキャフォールド材料は、多くの場合、非自己であるため、生体への為害性が懸念される。また、組織再生の遅延の原因となる場合もある。   In conventional regenerative medicine, a method of inducing tissue regeneration in vivo by combining cells and scaffolds outside the body and implanting them in the body has been employed. However, in many cases, the scaffold material to be used is non-self, and there is a concern about harm to the living body. It may also cause a delay in tissue regeneration.

これに対し、組織再生の誘導に、スキャフォールドを用いず、細胞シートを用いる方法が開発された(特許文献1)。特許文献1の方法は、水に対する上限臨界溶解温度または下限臨界溶解温度が0〜80℃の範囲にあるポリマーもしくはコポリマーで表面を被覆した支持体材料を用いて細胞を培養し、上限臨界溶解温度以上もしくは下限臨界溶解温度以上の温度で支持体材料から剥離して細胞シートを回収している。   On the other hand, a method using a cell sheet for the induction of tissue regeneration without using a scaffold has been developed (Patent Document 1). In the method of Patent Document 1, cells are cultured using a support material whose surface is coated with a polymer or copolymer whose upper critical solution temperature or lower critical solution temperature is in the range of 0 to 80 ° C., and the upper critical solution temperature. The cell sheet is recovered by peeling from the support material at a temperature equal to or higher than the lower critical solution temperature.

しかし、この方法で得られる細胞シートは、単層であるため強度が弱く、その取り扱いが困難であるという問題がある。そのため、臨床応用における効能の点から、近年、積層化した細胞シートを使用することが多くなっている。   However, since the cell sheet obtained by this method is a single layer, its strength is weak and its handling is difficult. Therefore, in recent years, a laminated cell sheet has been frequently used from the viewpoint of efficacy in clinical application.

特公平6−104061号公報Japanese Patent Publication No. 6-104061

しかしながら、細胞シートの積層にあたり、1層ずつの細胞シートを作製したうえで、それらの取り出したシートを重ね合わせるという煩雑な操作が必要であるという問題があった。また、作製される細胞シートは、シート作製用ディッシュの形状に依存するため、任意形状のシートを作製することが不可能であるという問題もあった。さらに、細胞培養ディッシュ表面から得られるものは、あくまでも二次元の細胞シートであり、生体組織を再現できるような三次元細胞集合体を作製できる技術ではないという問題もあった。   However, when stacking cell sheets, there is a problem that a complicated operation is required in which cell sheets are produced one by one and then the taken out sheets are stacked. In addition, since the cell sheet to be produced depends on the shape of the dish for producing the sheet, there is a problem that it is impossible to produce a sheet having an arbitrary shape. Further, what is obtained from the surface of the cell culture dish is a two-dimensional cell sheet, and there is a problem that it is not a technique capable of producing a three-dimensional cell aggregate capable of reproducing a living tissue.

そこで、本発明は、上記課題を解決し、煩雑な操作を有することなく任意形状の組織再生用移植材として使用できる三次元細胞集合体を提供することが可能な三次元細胞集合体の作製方法およびそれに用いる細胞培養用三次元ゲル担体並びにその作製方法により得られる任意形状の三次元細胞集合体を提供することを目的とした。   Therefore, the present invention solves the above problems and provides a method for producing a three-dimensional cell aggregate that can provide a three-dimensional cell aggregate that can be used as a tissue regeneration transplant material having any shape without complicated operations. Another object of the present invention is to provide a three-dimensional gel carrier for cell culture used therefor and a three-dimensional cell aggregate of an arbitrary shape obtained by the production method thereof.

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討した結果、体積変化可能な親水性ポリマーゲルの成形体上に細胞を播種して培養し、その親水性ポリマーゲルの体積を変化させることにより、培養した細胞を三次元細胞集合体として剥離することが可能なことを見出して本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明の三次元細胞集合体の作製方法は、体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体を担体とし、該担体上に細胞を播種して培養し、該担体の体積を変化させることにより三次元構造が付与された培養細胞を三次元細胞集合体として剥離することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors have intensively studied. As a result, cells are seeded and cultured on a molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume, and the volume of the hydrophilic polymer gel is changed. The present invention has been completed by finding that cultured cells can be detached as a three-dimensional cell aggregate.
That is, the method for producing a three-dimensional cell assembly of the present invention uses a three-dimensional molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume as a carrier, seeds and cultures the cells on the carrier, and changes the volume of the carrier. In this case, the cultured cells to which the three-dimensional structure is imparted are detached as a three-dimensional cell aggregate.

本発明の作製方法においては、上記親水性ポリマーゲルに温度応答性ポリマーゲルを用いることが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable to use a temperature-responsive polymer gel as the hydrophilic polymer gel.

また、本発明の作製方法においては、上記温度応答性ポリマーゲルが、臨界温度(Tc)以上で収縮する下限臨界共溶温度(LCST)を有する親水性ポリマーゲルであり、該下限臨界共溶温度より高い温度で細胞を培養し、該下限臨界共溶温度以下の温度で培養細胞を親水性ポリマーゲルから剥離することが好ましい。また、その温度応答性ポリマーゲルには、N−アルキル置換(メタ)アクリルアミドの単独重合体または共重合体の架橋体を用いることが好ましい。   In the production method of the present invention, the temperature-responsive polymer gel is a hydrophilic polymer gel having a lower critical solution temperature (LCST) that shrinks at a critical temperature (Tc) or higher, and the lower critical solution temperature. It is preferable that the cells are cultured at a higher temperature, and the cultured cells are detached from the hydrophilic polymer gel at a temperature equal to or lower than the lower critical solution temperature. In addition, it is preferable to use a homopolymer or a crosslinked copolymer of N-alkyl-substituted (meth) acrylamide for the temperature-responsive polymer gel.

また、本発明の作製方法においては、上記親水性ポリマーゲルを、三次元印刷法を用いて作製した樹脂製母型を用いて成形することが好ましい。   In the production method of the present invention, the hydrophilic polymer gel is preferably molded using a resin matrix produced by using a three-dimensional printing method.

また、本発明の作製方法においては、細胞を播種するに先立って、上記親水性ポリマーゲルの表面に細胞接着を促進する有機質を塗布することが好ましい。   In the production method of the present invention, it is preferable to apply an organic substance that promotes cell adhesion to the surface of the hydrophilic polymer gel prior to seeding the cells.

さらに、本発明の別の発明は、上記の三次元細胞集合体の作製方法に用いる細胞培養用三次元ゲル担体を提供するものであり、体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体からなり、培養細胞に三次元構造を付与する鋳型として用いることを特徴とする。   Furthermore, another invention of the present invention provides a three-dimensional gel carrier for cell culture used in the above-mentioned method for producing a three-dimensional cell aggregate, and comprises a three-dimensional molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume. It is characterized by being used as a template for imparting a three-dimensional structure to cultured cells.

本発明の三次元ゲル担体においては、上記親水性ポリマーゲルが温度応答性ポリマーゲルであることが好ましい。   In the three-dimensional gel carrier of the present invention, the hydrophilic polymer gel is preferably a temperature-responsive polymer gel.

また、本発明の三次元ゲル担体においては、上記温度応答性ポリマーゲルが、N−アルキル置換(メタ)アクリルアミドの単独重合体または共重合体の架橋体であることが好ましい。   In the three-dimensional gel carrier of the present invention, the temperature-responsive polymer gel is preferably a homopolymer or a crosslinked copolymer of N-alkyl-substituted (meth) acrylamide.

さらに、本発明の別の発明は、上記の三次元細胞集合体の作製方法を用いて作製した三次元細胞集合体を提供するものであり、体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体を鋳型として培養され、該鋳型により三次元構造を付与された細胞の集合体からなることを特徴とする。   Furthermore, another invention of the present invention provides a three-dimensional cell aggregate produced by using the above-described method for producing a three-dimensional cell aggregate, and a three-dimensional molded article of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume. It is characterized by comprising an aggregate of cells that are cultured with a template and given a three-dimensional structure by the template.

本発明の作製方法によれば、親水性ポリマーゲルを膨張させることにより培養した細胞を三次元細胞集合体として剥離することができるので、煩雑な操作を有することなく三次元細胞集合体の作製が可能となる。また、親水性ポリマーゲルは任意形状に成形することができるので、その親水性ポリマーゲルを担体として用いることにより、任意形状の三次元細胞集合体を作製することが可能となる。また、生体組織を再現することの可能な三次元細胞集合体を作製することができる。   According to the production method of the present invention, the cultured cells can be detached as a three-dimensional cell aggregate by expanding the hydrophilic polymer gel, so that the three-dimensional cell aggregate can be produced without complicated operations. It becomes possible. Further, since the hydrophilic polymer gel can be formed into an arbitrary shape, a three-dimensional cell aggregate having an arbitrary shape can be produced by using the hydrophilic polymer gel as a carrier. In addition, a three-dimensional cell aggregate capable of reproducing a living tissue can be produced.

本発明に用いる親水性ポリマーゲルの外観を示す写真であり、Aはポリエチレングリコールジメタクリレート(PEG−DMA)を架橋剤に用いたゲル、BはN,N’−ビスアクリルアミド(MBAA)を架橋剤に用いたゲルを示す。It is a photograph which shows the external appearance of the hydrophilic polymer gel used for this invention, A is the gel which used polyethyleneglycol dimethacrylate (PEG-DMA) for the crosslinking agent, B is a crosslinking agent with N, N'-bisacrylamide (MBAA). Shows the gel used. 図1のAで示した親水性ポリマーゲルの膨潤度と温度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the swelling degree of the hydrophilic polymer gel shown by A of FIG. 1, and temperature. 図1のAで示した親水性ポリマーゲルの長さ基準膨張率と時間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of length standard expansion coefficient of hydrophilic polymer gel shown by A of FIG. 1, and time. 図1のAで示した親水性ポリマーゲルの膨潤・収縮を示す写真である。左が25℃、右が37℃での状態を示している。It is a photograph which shows swelling and shrinkage | contraction of the hydrophilic polymer gel shown by A of FIG. The left shows a state at 25 ° C. and the right shows a state at 37 ° C. 図1のAで示した親水性ポリマーゲルの25℃と37℃における気泡の接触角を示すグラフである。It is a graph which shows the contact angle of the bubble in 25 degreeC and 37 degreeC of the hydrophilic polymer gel shown by A of FIG. 図1のAで示した親水性ポリマーゲル表面の細胞の状態を示す光学顕微鏡であり、Aはコントロール(細胞接着を促進する有機質を塗布せず)であり、Bはゼラチン(1重量%)を塗布したもの、CはFNを1μg/mlの濃度で塗布したもの、DはFNを2μg/mlの濃度で塗布したものを示す。It is an optical microscope which shows the state of the cell of the hydrophilic polymer gel surface shown by A of FIG. 1, A is a control (the organic substance which promotes cell adhesion is not apply | coated), B is gelatin (1 weight%). What was applied, C was applied with FN at a concentration of 1 μg / ml, and D was applied with FN at a concentration of 2 μg / ml. 培養時における細胞数と時間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the cell number at the time of culture | cultivation, and time. グラフィックモデリングソフトウェアを用いて作製した母型のモデル図であり、複数の平行凸条を有する母型と、複数の半球状凸部を有する母型を示している。It is a model figure of the mother block produced using graphic modeling software, and shows the mother die which has a plurality of parallel ridges, and the mother die which has a plurality of hemispherical convex parts. 三次元印刷法を用いて作製した樹脂製母型の外観を示す写真であり、上側が複数の平行凸条を有する母型と、下側が複数の半球状凸部を有する母型を示している。It is the photograph which shows the external appearance of the resin-made mother mold produced using the three-dimensional printing method, and the upper mold shows the mother mold which has a plurality of parallel ridges, and the lower mold which has a plurality of hemispherical convex parts. . 樹脂製母型中で重合させ、その樹脂製母型から取り出したゲルの成形体の外観を示す写真であり、上側が複数の平行溝を有する鋳型、下側が複数の半球状凹部を有する鋳型を示している。It is a photograph showing the appearance of a gel molded body polymerized in a resin mold and taken out from the resin mold, with a mold having a plurality of parallel grooves on the upper side and a mold having a plurality of hemispherical recesses on the lower side Show. 培養細胞を含むゲル鋳型の外観を示す写真である。It is a photograph which shows the external appearance of the gel casting_mold | template containing a cultured cell. ゲル鋳型から取り出した細胞集合体の外観を示す写真であり、上側は棒状、下側は半球状の細胞集合体を示している。It is the photograph which shows the external appearance of the cell aggregate | assembly taken out from the gel casting_mold | template, the upper side has shown the rod shape and the lower side has shown the hemispherical cell aggregate. ゲル鋳型にFNを塗布した場合と塗布しなかった場合の、棒状細胞集合体の長さの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the length of a rod-shaped cell aggregate when not applying with the case where FN is applied to a gel mold.

以下、本発明の実施の形態を図面等を参照して説明する。
本発明の三次元細胞集合体の作製方法は、三次元構造を有し体積変化可能な親水性ポリマーゲルの成形体を担体とし、該担体上に細胞を播種して培養し、該担体の体積を変化させることにより該三次元構造が付与された培養細胞を三次元細胞集合体として剥離することを特徴とするものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The method for producing a three-dimensional cell aggregate of the present invention uses a molded article of a hydrophilic polymer gel having a three-dimensional structure and a changeable volume as a carrier, seeded and cultured on the carrier, and the volume of the carrier. The cultured cells to which the three-dimensional structure is imparted are peeled off as a three-dimensional cell aggregate by changing the above.

本明細書で用いる「三次元細胞集合体」とは、単層以上の厚みを有し、任意の三次元形状を有する細胞の集合体を指す。任意の三次元形状とは、フィルムやシート等の平面状、矩形状、球状、柱状、湾曲状等を含むあらゆる形状を指す。   As used herein, “three-dimensional cell aggregate” refers to an aggregate of cells having a thickness of a single layer or more and having an arbitrary three-dimensional shape. Arbitrary three-dimensional shapes refer to all shapes including planar shapes such as films and sheets, rectangular shapes, spherical shapes, columnar shapes, curved shapes, and the like.

一方、本明細書で用いる「細胞シート」とは、単層の細胞の集合体であり、二次元的な広がりのみを有するものを指す。   On the other hand, the “cell sheet” used in the present specification refers to a single-layered cell aggregate having only a two-dimensional spread.

(ポリマーゲル)
本発明で用いる親水性ポリマーゲルは、親水性ポリマーを架橋剤を用いて架橋したものであり、三次元構造を有し体積変化可能なものである。本発明で用いる親水性ポリマーゲルは、細胞を培養する際の担体としてだけでなく、培養細胞に三次元構造を付与する鋳型としての役割も有する。
ここで、体積変化可能とは、水溶液中において、外部刺激に対して応答し、その刺激を受ける前と後で体積が変化することをいう。その外部刺激としては、温度変化、光照射、電場印加、pH変化、溶質濃度変化、溶媒組成変化等を挙げることができる。外部刺激としては温度変化が好ましい。細胞への影響が少なく、また周囲温度を制御するだけで良く操作が簡単だからである。
(Polymer gel)
The hydrophilic polymer gel used in the present invention is obtained by crosslinking a hydrophilic polymer with a crosslinking agent, and has a three-dimensional structure and can be changed in volume. The hydrophilic polymer gel used in the present invention serves not only as a carrier for culturing cells but also as a template for imparting a three-dimensional structure to cultured cells.
Here, “volume changeable” means that in an aqueous solution, the volume changes in response to an external stimulus and before and after receiving the stimulus. Examples of the external stimulus include temperature change, light irradiation, electric field application, pH change, solute concentration change, solvent composition change and the like. A temperature change is preferable as the external stimulus. This is because it has little effect on cells and is easy to operate by simply controlling the ambient temperature.

本明細書においては、温度変化に対応して、形状および/または性質が変化するポリマーゲルを温度応答性ポリマーゲルという。水溶液中で、温度変化に応答して、体積が変化する温度応答性ポリマーゲルとしては、臨界温度(Tc)以上で収縮する下限臨界共溶温度(LCST)を有する親水性ポリマーゲルと、Tc以上で膨張する上限臨界共有温度(UCST)を有する親水性ポリマーゲルが知られている。ここで、LCSTを有する親水性ポリマーゲルは、臨界温度よりも低温側で親水性となり膨潤し、逆に臨界温度よりも高温側で疎水性で収縮した状態となることが知られている。一方、UCSTを有する親水性ポリマーゲルは、臨界温度よりも高温側で親水性となり膨潤し、逆に臨界温度よりも低温側で疎水性で収縮した状態となることが知られている。   In the present specification, a polymer gel whose shape and / or properties change in response to a temperature change is referred to as a temperature-responsive polymer gel. As a temperature-responsive polymer gel whose volume changes in response to a temperature change in an aqueous solution, a hydrophilic polymer gel having a lower critical solution temperature (LCST) that shrinks at a critical temperature (Tc) or higher, and a Tc or higher temperature Hydrophilic polymer gels having an upper critical shared temperature (UCST) that swells at a known temperature are known. Here, it is known that a hydrophilic polymer gel having LCST becomes hydrophilic and swells at a temperature lower than the critical temperature, and conversely becomes hydrophobic and contracted at a temperature higher than the critical temperature. On the other hand, it is known that a hydrophilic polymer gel having UCST becomes hydrophilic and swells on the higher temperature side than the critical temperature, and conversely becomes hydrophobic and contracted on the lower temperature side than the critical temperature.

本発明においては、LCSTを有する親水性ポリマーゲルおよびUCSTを有する親水性ポリマーゲルのいずれも使用することができる。細胞培養温度よりも高温側でポリマーゲルから細胞集合体を剥離する場合には、UCSTを有する親水性ポリマーゲルを用いることができる。また、細胞培養温度よりも低温側でポリマーゲルから細胞集合体を剥離する場合には、LCSTを有する親水性ポリマーゲルを用いることができる。好ましくは、LCSTを有する親水性ポリマーゲルである。一般的な細胞培養温度が37℃であり、室温(20℃±5℃)でポリマーゲルから細胞集合体を剥離することができるからである。   In the present invention, both a hydrophilic polymer gel having LCST and a hydrophilic polymer gel having UCST can be used. When the cell aggregate is peeled from the polymer gel at a temperature higher than the cell culture temperature, a hydrophilic polymer gel having UCST can be used. Further, when the cell aggregate is peeled from the polymer gel at a temperature lower than the cell culture temperature, a hydrophilic polymer gel having LCST can be used. A hydrophilic polymer gel having LCST is preferable. This is because the general cell culture temperature is 37 ° C., and the cell aggregate can be detached from the polymer gel at room temperature (20 ° C. ± 5 ° C.).

ここで、LCSTは、2相分離を目視観察することにより求めることができる。すなわち、親水性ポリマーゲルを水溶液中に浸漬し、温度を徐々に上げることによりあるいは下げることにより、透明から白色、あるいは白色から透明へ変化する温度を求める。あるいは、ゲルのサイズや重量を測定し、サイズもしくは重量が変化する温度を求める方法を用いることもできる。   Here, LCST can be determined by visually observing two-phase separation. That is, the temperature at which the hydrophilic polymer gel is changed from transparent to white or from white to transparent is determined by immersing the hydrophilic polymer gel in an aqueous solution and gradually increasing or decreasing the temperature. Alternatively, a method can be used in which the size and weight of the gel are measured and the temperature at which the size or weight changes is obtained.

LCSTを有する親水性ポリマーゲルとしては、以下の水溶性モノマーの単独重合体または共重合体の架橋体を用いることができる。その水溶性モノマーとしては、N−アルキル置換(メタ)アクリルアミドやN,N−ジアルキル置換(メタ)アクリルアミドを挙げることができる。ここでアルキル基は炭素数1から4である。これら水溶性モノマーの具体例としては、N−イソプロピルアクリルアミド(32℃)、N−イソプロピルメタアクリルアミド(43℃)、N−n−プロピルアクリルアミド(22℃)、N−n−プロピルメタアクリルアミド(27℃)、N−シクロプロピルアクリルアミド(43℃)、N−シクロプロピルメタクリルアミド(60℃)、N−エトキシエチルアクリルアミド(35℃)、N−エトキシエチルメタクリルアミド(45℃)、N−エチルアクリルアミド(72℃)、N,N−ジエチルアクリルアミド(32℃)等を挙げることができる。なお、上記の括弧内の温度は、単独重合体のLCSTを示す。   As the hydrophilic polymer gel having LCST, the following water-soluble monomer homopolymers or cross-linked copolymers can be used. Examples of the water-soluble monomer include N-alkyl-substituted (meth) acrylamide and N, N-dialkyl-substituted (meth) acrylamide. Here, the alkyl group has 1 to 4 carbon atoms. Specific examples of these water-soluble monomers include N-isopropylacrylamide (32 ° C), N-isopropylmethacrylamide (43 ° C), Nn-propylacrylamide (22 ° C), Nn-propylmethacrylamide (27 ° C). ), N-cyclopropylacrylamide (43 ° C), N-cyclopropylmethacrylamide (60 ° C), N-ethoxyethylacrylamide (35 ° C), N-ethoxyethylmethacrylamide (45 ° C), N-ethylacrylamide (72 ° C), N, N-diethylacrylamide (32 ° C) and the like. In addition, the temperature in said parenthesis shows LCST of a homopolymer.

これらの親水性モノマーを共重合させることにより、および/または架橋剤の種類および濃度を調整することにより、LCSTを調整することができる。LCSTは37℃〜0℃の範囲が好ましい。0℃より低いと、細胞増殖速度が極端に低下するか、細胞が死滅するからである。また、37℃より高いと、培養時に剥離し易くなるからである。   LCST can be adjusted by copolymerizing these hydrophilic monomers and / or by adjusting the type and concentration of the crosslinking agent. LCST is preferably in the range of 37 ° C to 0 ° C. This is because if the temperature is lower than 0 ° C., the cell growth rate is extremely reduced or the cells are killed. Moreover, it is because it will become easy to peel at the time of culture | cultivation when it is higher than 37 degreeC.

共重合体は、上記水溶性モノマーを2種以上含むものを挙げることができ、例えば、N−イソプロピルアクリルアミドとN,N−ジエチルアクリルアミドの組合せを挙げることができる。   Examples of the copolymer include those containing two or more of the above water-soluble monomers, and examples thereof include a combination of N-isopropylacrylamide and N, N-diethylacrylamide.

また、共重合体には、上記の水溶性モノマーに加え、必要に応じ、アクリルアミド、アクリロイルモルフォリン、N,N−ジメチルアミノプロピルアクリルアミド等の水溶性モノマーを含有させることもできる。   Moreover, in addition to said water-soluble monomer, a copolymer can also contain water-soluble monomers, such as acrylamide, acryloyl morpholine, N, N- dimethylaminopropyl acrylamide, as needed.

本発明に用いる親水性ポリマーゲルは、上記のN−アルキル置換(メタ)アクリルアミドやN,N−ジアルキル置換(メタ)アクリルアミド等の水溶性モノマーを架橋剤および重合開始剤存在下で重合することに得ることができる。架橋剤としては二官能性架橋剤や三官能性架橋剤を用いることができる。二官能性架橋剤としては、N,N−メチレンビス(メタ)アクリルアミド、N,N−プロピレンビス(メタ)アクリルアミド等の二官能性アクリルアミド、エチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ジエチレングリコールジ(メタ)アクリレート、ポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等のアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートまたはポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートを挙げることができる。また、三官能性架橋剤としては、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート等を挙げることができる。   The hydrophilic polymer gel used in the present invention is obtained by polymerizing water-soluble monomers such as N-alkyl-substituted (meth) acrylamide and N, N-dialkyl-substituted (meth) acrylamide in the presence of a crosslinking agent and a polymerization initiator. Can be obtained. As a crosslinking agent, a bifunctional crosslinking agent or a trifunctional crosslinking agent can be used. As the bifunctional crosslinking agent, bifunctional acrylamides such as N, N-methylenebis (meth) acrylamide, N, N-propylenebis (meth) acrylamide, ethylene glycol di (meth) acrylate, diethylene glycol di (meth) acrylate, Mention may be made of alkylene glycol di (meth) acrylates such as polyethylene glycol di (meth) acrylate or polyalkylene glycol di (meth) acrylates. Examples of the trifunctional crosslinking agent include triallyl cyanurate and triallyl isocyanurate.

架橋剤の種類と濃度を変えることにより、親水性ポリマーゲルのLCST、透明性および膨張性を調整することができる。   By changing the type and concentration of the crosslinking agent, the LCST, transparency and expandability of the hydrophilic polymer gel can be adjusted.

一般的に、架橋剤濃度を高くすれば、LCSTを下げることができるので、LCSTが培養温度より低くなるように、架橋剤濃度を調整する。もちろん、LCSTは、上記の親水性モノマーを共重合させるモノマー種を選択することにより調整することもできる。例えば、より疎水性のモノマーと共重合させれば、LCSTを下げることができる。   Generally, if the crosslinker concentration is increased, the LCST can be lowered. Therefore, the crosslinker concentration is adjusted so that the LCST is lower than the culture temperature. Of course, the LCST can be adjusted by selecting a monomer species for copolymerizing the hydrophilic monomer. For example, LCST can be lowered by copolymerizing with a more hydrophobic monomer.

また、本発明において、ゲルの透明性とは、細胞培養温度における波長500nmにおける光透過率をいう。一般的に、架橋剤濃度を高くすると、透明性は低下する。ゲルの透明性は必ずしも必須ではないが、光透過率が高い程、細胞培養期間における細胞の状態を観察することが容易となるので好ましい。光透過率は、70%以上、好ましくは90%以上である。このような透明性を付与する架橋剤としては、アルキレングリコールジ(メタ)アクリレートまたはポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートが好ましい。   In the present invention, the transparency of the gel refers to the light transmittance at a wavelength of 500 nm at the cell culture temperature. Generally, when the crosslinker concentration is increased, the transparency is lowered. The transparency of the gel is not always essential, but the higher the light transmittance, the easier it is to observe the state of the cells during the cell culture period. The light transmittance is 70% or more, preferably 90% or more. As the crosslinking agent imparting such transparency, alkylene glycol di (meth) acrylate or polyalkylene glycol di (meth) acrylate is preferable.

また、本発明において、ゲルの膨張性とは、LCSTを有する親水性ポリマーゲルのLCST前後の温度におけるゲルの体積の膨張の程度をいい、膨潤度で表すことができる。本発明においては、LCSTより高温の温度AからLCST以下の温度Bに温度を下げた場合、膨潤度は以下の式で表すことができる。
膨潤度=(温度Bにおけるゲル重量/温度Aにおけるゲル重量)
ここで、温度A>温度Bである。
Moreover, in this invention, the expansibility of a gel means the degree of expansion | swelling of the volume of the gel in the temperature before and behind LCST of the hydrophilic polymer gel which has LCST, and can represent it with a swelling degree. In the present invention, when the temperature is lowered from a temperature A higher than LCST to a temperature B lower than LCST, the degree of swelling can be expressed by the following equation.
Swelling degree = (gel weight at temperature B / gel weight at temperature A)
Here, temperature A> temperature B.

本発明においては、細胞培養温度を37℃とし、細胞集合体をゲルから剥離する温度を25℃とした場合、膨潤度は1.1以上が好ましい。より好ましくは1.1〜5である。   In the present invention, when the cell culture temperature is 37 ° C. and the temperature at which the cell aggregate is peeled from the gel is 25 ° C., the degree of swelling is preferably 1.1 or more. More preferably, it is 1.1-5.

また、ゲルの膨張には、異方的な膨張と等方的な膨張が含まれるが、等方的な膨張が好ましい。異方的な膨張では、ゲルの特定方向のみが膨張する結果、剥離時に細胞が破損し易くなるからである。等方的な膨張は、ゲルの長さの変化またはゲルの表面積の変化で表すことができる。本発明においては、矩形シート状のゲルについて、以下の式で表される長さ基準膨張率または表面積基準膨張率を用いる。ここで、長さとは、矩形シートのx軸方向またはy軸方向の長さを意味し、表面積とは矩形シートのx軸方向の長さおよびy軸方向の長さで規定される二次元平面の面積をいう。

長さ基準膨張率=(温度Bにおけるゲル長さ/温度Aにおけるゲル長さ)×100(%)

表面積基準膨張率=(温度Bにおけるゲル表面積/温度Aにおけるゲル表面積)×100(%)

長さ基準膨張率は、110%〜200%が好ましい。また、表面積基準膨張率も同様であり、110%〜200%が好ましい。いずれの場合も200%を越えると細胞が破損し易くなるからである。また、細胞集合体が破損する可能性があるので、急激に膨張することは好ましくない。少なくとも温度を変化させてから1分以上かけて長さ基準膨張率または表面積基準膨張率が110%以上となることが好ましい。このような等方的な膨張性を付与する架橋剤としては、アルキレングリコールジ(メタ)アクリレートまたはポリアルキレングリコールジ(メタ)アクリレートが好ましい。
Further, the expansion of the gel includes anisotropic expansion and isotropic expansion, but isotropic expansion is preferable. This is because, in anisotropic expansion, only the specific direction of the gel expands, and as a result, the cells are easily damaged at the time of peeling. Isotropic expansion can be represented by a change in gel length or a change in gel surface area. In the present invention, a length-based expansion coefficient or a surface area-based expansion coefficient represented by the following formula is used for a rectangular sheet-like gel. Here, the length means the length of the rectangular sheet in the x-axis direction or the y-axis direction, and the surface area means a two-dimensional plane defined by the length of the rectangular sheet in the x-axis direction and the length in the y-axis direction. The area.

Length standard expansion coefficient = (Gel length at temperature B / Gel length at temperature A) × 100 (%)

Surface area expansion coefficient = (Gel surface area at temperature B / Gel surface area at temperature A) × 100 (%)

The length standard expansion coefficient is preferably 110% to 200%. Moreover, the surface area reference | standard expansion coefficient is also the same, and 110%-200% are preferable. In any case, if it exceeds 200%, the cells are easily damaged. Further, since there is a possibility that the cell aggregate is damaged, it is not preferable to expand rapidly. It is preferable that the length-based expansion coefficient or the surface area-based expansion coefficient becomes 110% or more over at least 1 minute after changing the temperature. As such a crosslinking agent imparting isotropic expansibility, alkylene glycol di (meth) acrylate or polyalkylene glycol di (meth) acrylate is preferable.

本発明に用いる親水性ポリマーゲルは、公知の水溶液ラジカル重合により合成することができる。上記の親水性モノマー等のモノマーと上記の架橋剤および重合開始剤の存在下で重合容器中で合成する。重合容器には、親水性ポリマーゲルに鋳型としての三次元構造を付与するために、所定の三次元構造を有する後述の母型中で重合させることが好ましい。重合開始剤としては、水溶性ラジカル開始剤として一般的に知られているものを用いることができる。例えば、過酸化水素、過硫酸アンモニウムや過硫酸カリウム等の過硫酸塩、t−ブチルハイドロパーオキサイド等のハイドロパーオキサイド類を挙げることができる。重合開始剤の濃度は、水溶性モノマーに対して、0.01〜10mmol%である。   The hydrophilic polymer gel used in the present invention can be synthesized by a known aqueous solution radical polymerization. The polymerization is carried out in a polymerization vessel in the presence of a monomer such as the above hydrophilic monomer, the above crosslinking agent, and a polymerization initiator. In order to impart a three-dimensional structure as a template to the hydrophilic polymer gel, the polymerization container is preferably polymerized in a matrix described later having a predetermined three-dimensional structure. As the polymerization initiator, those generally known as water-soluble radical initiators can be used. Examples include hydrogen peroxide, persulfates such as ammonium persulfate and potassium persulfate, and hydroperoxides such as t-butyl hydroperoxide. The concentration of the polymerization initiator is 0.01 to 10 mmol% with respect to the water-soluble monomer.

本発明における、特に好ましい親水性ポリマーゲルとしては、N−イソプロピルアクリルアミドの単独重合体に、架橋剤としてポリエチレングリコールジメタアクリレートを用いたものであり、架橋剤濃度は、N−イソプロピルアクリルアミドモノマーに対して、0.5mmol%〜5mmol%である。0.5mmol%より少ないとゲルが白濁し、5mmol%を越えると温度応答性が消失するからである。架橋剤濃度が3.5mmol%のとき、この親水性ポリマーゲルは、37℃の細胞培養温度において光透過率が94%であり、高い透明性を有する。また、37℃から25℃に温度を下げると、等方的に膨張して細胞集合体が容易に剥離する。   A particularly preferred hydrophilic polymer gel in the present invention is a homopolymer of N-isopropylacrylamide and polyethylene glycol dimethacrylate as a crosslinking agent, and the concentration of the crosslinking agent is based on that of N-isopropylacrylamide monomer. And 0.5 mmol% to 5 mmol%. This is because if the amount is less than 0.5 mmol%, the gel becomes cloudy, and if it exceeds 5 mmol%, the temperature responsiveness is lost. When the crosslinking agent concentration is 3.5 mmol%, this hydrophilic polymer gel has a light transmittance of 94% at a cell culture temperature of 37 ° C., and has high transparency. Further, when the temperature is lowered from 37 ° C. to 25 ° C., the cell aggregates are easily exfoliated due to isotropic expansion.

(ポリマーゲルの成形)
親水性ポリマーゲルの成形は、三次元構造を有する重合容器中で重合させる方法や、重合したゲルを切削加工する方法を用いることができるが、三次元構造を有する重合容器中で重合させる方法を用いることが好ましい。三次元構造を有する重合容器には、注型法、圧縮法、射出成形法、押し出し法、三次元印刷法等の公知の樹脂成形法により成形した樹脂製母型を用いることができるが、三次元印刷法で作製した樹脂製母型を用いることが好ましい。三次元印刷法は、薄層の材料を連続的に堆積ないし形成することにより三次元構造体を作製する方法である。例えば、液体または粉末のモノマーを基板上に吹き付け、段面パターンに基づいて印刷ヘッドを移動させインクジェットにより硬化剤を吹き付けて一層を作製し、同様の手順を繰り返し多層を積層して所定の三次元構造を有する樹脂製母型を作製する。この三次元印刷法によれば、複雑な形状を有する母型であっても、従来に比べより、高精度かつ低コストで作製することができる。そのため、三次元細胞集合体に対し、欠損部位等の移植部位の微細形態の再現することや、任意形状を正確に付与することが可能となる。
(Polymer gel molding)
For the formation of the hydrophilic polymer gel, a method of polymerizing in a polymerization vessel having a three-dimensional structure or a method of cutting the polymerized gel can be used, but a method of polymerizing in a polymerization vessel having a three-dimensional structure is used. It is preferable to use it. For the polymerization vessel having a three-dimensional structure, a resin matrix molded by a known resin molding method such as a casting method, a compression method, an injection molding method, an extrusion method, a three-dimensional printing method can be used. It is preferable to use a resin matrix produced by the original printing method. The three-dimensional printing method is a method for producing a three-dimensional structure by continuously depositing or forming a thin layer material. For example, a liquid or powder monomer is sprayed onto a substrate, a print head is moved based on a stepped pattern, and a curing agent is sprayed by ink jet to produce a single layer, and the same procedure is repeated to laminate a plurality of layers in a predetermined three-dimensional manner. A resin matrix having a structure is produced. According to this three-dimensional printing method, even a matrix having a complicated shape can be manufactured with higher accuracy and lower cost than in the past. Therefore, it becomes possible to reproduce the fine form of the transplanted site such as the defect site and accurately give the arbitrary shape to the three-dimensional cell aggregate.

樹脂製母型には、三次元印刷法に使用されている公知の熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を用いることができる。   As the resin matrix, a known thermosetting resin or photocurable resin used in the three-dimensional printing method can be used.

(三次元細胞集合体の作製)
細胞の培養は、親水性ポリマーゲルの成形体からなる担体上に、細胞を播種し、所定の培地にて所定の期間培養することにより行う。三次元細胞集合体を作製するためには、細胞を高密度で培養する必要があり、細胞濃度が0.5×10〜2×10個/ml、好ましくは1×10個/ml〜2×10個/mlである培養液をポリマーゲルの三次元ゲル担体上に播種する。培地や培養条件は、培養する細胞の種類に応じて選択することができる。
(Production of three-dimensional cell aggregates)
The cells are cultured by seeding the cells on a carrier made of a molded body of a hydrophilic polymer gel and culturing the cells in a predetermined medium for a predetermined period. In order to produce a three-dimensional cell aggregate, it is necessary to culture cells at a high density, and the cell concentration is 0.5 × 10 6 to 2 × 10 6 cells / ml, preferably 1 × 10 6 cells / ml. A culture solution of ˜2 × 10 6 cells / ml is seeded on a three-dimensional gel carrier of polymer gel. The medium and culture conditions can be selected according to the type of cells to be cultured.

培養細胞は、担体である親水性ポリマーゲルの体積を変化させることにより三次元細胞集合体として剥離する。例えば、臨界温度(Tc)以上で収縮する下限臨界共溶温度(LCST)を有する親水性ポリマーゲルを用いる場合、Tcが培養温度(例えば37℃)より低い親水性ポリマーゲルを用いる。培養終了後、LCSTより低い温度まで親水性ポリマーゲルの温度を下げると、親水性ポリマーゲルが膨張し、それに伴い培養細胞は剥離する。具体例を挙げると、親水性ポリマーゲルにポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)ゲル(LCST:32℃)を用いた場合、37℃で培養し、ゲルの温度をLCSTより低い温度、すなわち32℃以下に下げることにより、培養細胞がゲルから剥離する。   The cultured cells are detached as a three-dimensional cell aggregate by changing the volume of the hydrophilic polymer gel as a carrier. For example, when a hydrophilic polymer gel having a lower critical solution temperature (LCST) that shrinks at a critical temperature (Tc) or higher is used, a hydrophilic polymer gel having a Tc lower than the culture temperature (for example, 37 ° C.) is used. When the temperature of the hydrophilic polymer gel is lowered to a temperature lower than the LCST after completion of the culture, the hydrophilic polymer gel swells and the cultured cells are detached accordingly. As a specific example, when a poly (N-isopropylacrylamide) gel (LCST: 32 ° C.) is used as the hydrophilic polymer gel, the gel is cultured at 37 ° C., and the gel temperature is lower than the LCST, that is, 32 ° C. or lower. By lowering, the cultured cells are detached from the gel.

本発明を用いて培養可能な細胞としては、ES細胞(Embryonic stem cells)、iPS細胞(induced pluripotent stem cells)、間葉系幹細胞といった幹細胞、また、各種上皮系、間葉系の体細胞や、腫瘍細胞など、すべての動物細胞である。また、動物細胞に加えて、昆虫、植物、あるいは細菌など、真核、原核を問わず、すべての細胞について培養可能である。   Cells that can be cultured using the present invention include ES cells (Embryonic stem cells), iPS cells (induced pluripotent stem cells), stem cells such as mesenchymal stem cells, various epithelial systems, mesenchymal somatic cells, All animal cells, such as tumor cells. In addition to animal cells, all cells can be cultured regardless of eukaryotic or prokaryotic, such as insects, plants or bacteria.

また、細胞を播種するに先立って、成形した親水性ポリマーゲルの表面に、細胞接着を促進する有機質を塗布することが好ましい。親水性ポリマーゲルの表面に細胞接着を促進する有機質を付着させることにより、親水性ポリマーゲルに対する細胞の接着を促進させて、成長を促進することができる。また、作製する細胞集合体の成形精度を高めることができる。細胞接着を促進する有機質は、細胞同士または細胞と細胞外マトリックスとの接着に関与する物質で、ラミニン、コラーゲン、フィブロネクチン、ゼラチンの他、RGD、IKVAV、YIGSR等各種ペプチドを挙げることができる。本発明においては、フィブロネクチンまたはゼラチンが好ましい。フィブロネクチンの濃度は、0.5μg/ml以上、好ましくは1.0μg/ml以上である。   Further, prior to seeding cells, it is preferable to apply an organic substance that promotes cell adhesion to the surface of the formed hydrophilic polymer gel. By attaching an organic substance that promotes cell adhesion to the surface of the hydrophilic polymer gel, cell adhesion to the hydrophilic polymer gel can be promoted to promote growth. Moreover, the molding accuracy of the cell aggregate to be produced can be increased. The organic substance that promotes cell adhesion is a substance involved in adhesion between cells or between cells and extracellular matrix, and includes laminin, collagen, fibronectin, gelatin, and various peptides such as RGD, IKVAV, and YIGSR. In the present invention, fibronectin or gelatin is preferred. The concentration of fibronectin is 0.5 μg / ml or more, preferably 1.0 μg / ml or more.

(三次元細胞集合体)
本発明の作製方法を用いて得られる三次元細胞集合体は、三次元構造を有し体積変化可能な親水性ポリマーゲルの成形体を鋳型として培養され、該鋳型により該三次元構造を付与された細胞の集合体からなる。
(Three-dimensional cell assembly)
A three-dimensional cell aggregate obtained by using the production method of the present invention is cultured using a molded article of a hydrophilic polymer gel having a three-dimensional structure and having a variable volume as a template, and the three-dimensional structure is imparted by the template. It consists of an aggregate of cells.

本発明の三次元細胞集合体の大きさや厚さは特に限定されず、用途に応じて適宜選定することができる。   The size and thickness of the three-dimensional cell aggregate of the present invention are not particularly limited, and can be appropriately selected according to the application.

本発明の三次元細胞集合体には、例えば以下の用途が考えられる。
(1)組織再生用移植材料
1種類もしくは複数種類の細胞をもとに、欠損部位の大きさや形態を反映した移植材料として用いることができる。組織再生を誘導する移植材料としても用いることができる。
(2)iPS細胞やES細胞をもとにした人工胚の作製用材料
一定数の細胞をもとに、特定サイズの人工初期胚を作製できる可能性がある。
(3)組織形態形成過程のin vitro検討用ツール
ES細胞等を用いた初期胚だけでなく、ある程度分化の進んだ細胞を用い、それを用いて細胞集合塊を作製することで、組織形態形成の検討用ツールとして用いることが可能である。
(4)人工腫瘍組織の構築材料
腫瘍細胞をもとに人工腫瘍組織を構築、移植部位における血管新生の状態や、転移の起こり易さ等を再現性良く検討できるツールとして用いることも可能である。
(5)薬剤スクリーニング用ツール
各種細胞由来の構造体を作製、薬剤の種類や量、投与期間における細胞への影響を三次元的環境で検討するためのツールとして用いることが可能である。また、細胞集合塊の大きさや細胞数の制御が容易であり、多くの検体に対して適用することが可能である。
(6)人工バイオフィルムの構築材料
生体への感染性を示す細菌をもとに人工バイオフィルム(細菌叢)を作製する。特殊環境での細菌や感染のメカニズムを知るためのツールとしての適用が可能である。
For example, the following uses are considered for the three-dimensional cell aggregate of the present invention.
(1) Transplant material for tissue regeneration Based on one or more types of cells, it can be used as a transplant material reflecting the size and form of the defect site. It can also be used as a transplant material that induces tissue regeneration.
(2) Artificial embryo production material based on iPS cells and ES cells There is a possibility that an artificial early embryo of a specific size can be produced based on a certain number of cells.
(3) Tool for in vitro examination of tissue morphogenesis process Tissue morphogenesis by using not only early embryos using ES cells, but also cells that have undergone differentiation to some extent and using them to produce cell aggregates It can be used as a study tool.
(4) Materials for constructing artificial tumor tissue It is also possible to construct an artificial tumor tissue based on tumor cells and use it as a tool for reproducibly examining the state of neovascularization at the transplant site and the likelihood of metastasis. .
(5) Drug screening tool It is possible to produce various cell-derived structures and use them as a tool for examining the effect on cells in the type and amount of drug and administration period in a three-dimensional environment. In addition, it is easy to control the size of the cell aggregate and the number of cells, and it can be applied to many specimens.
(6) Artificial biofilm construction material An artificial biofilm (bacteria flora) is prepared based on bacteria that exhibit infectivity to living bodies. It can be applied as a tool to know the mechanism of bacteria and infection in special environments.

本発明を実施例を用いてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
合成例1.
(ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)ゲルの作製)
N−イソプロピルアクリルアミド(NIPAAm)(興人社製)をヘキサンで再結晶して用いた。架橋剤として、ポリエチレングリコールジメタクリレート(PEG−DMA)(シグマ社製)を用いた。NIPAAm 0.79gを超純水10mlに溶解させ、次いで開始剤として過硫酸アンモニウム(APS)(ナカライテスク社製)を16mg(全モノマーに対し1mol%)およびN,N,N,N−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)(ナカライ社製)を10μl添加した。その混合液をガラス製のモールド(大きさ:100×100×1mm)に注ぎ、インキュベータ中で37℃、2時間放置した。重合したゲルをモールドから取り出し、蒸留水で72時間、次いでアルコール(70%溶液)で48時間洗浄した。得られたゲルは、LCSTが32℃であった。
EXAMPLES Although this invention is demonstrated further in detail using an Example, this invention is not limited to a following example.
Synthesis Example 1
(Preparation of poly (N-isopropylacrylamide) gel)
N-isopropylacrylamide (NIPAAm) (manufactured by Kojin Co., Ltd.) was recrystallized from hexane and used. As a crosslinking agent, polyethylene glycol dimethacrylate (PEG-DMA) (manufactured by Sigma) was used. 0.79 g of NIPAAm was dissolved in 10 ml of ultrapure water, and then 16 mg of ammonium persulfate (APS) (manufactured by Nacalai Tesque) as an initiator (1 mol% based on the total monomers) and N, N, N, N-tetramethylethylenediamine 10 μl of (TEMED) (manufactured by Nacalai) was added. The mixed solution was poured into a glass mold (size: 100 × 100 × 1 mm) and left in an incubator at 37 ° C. for 2 hours. The polymerized gel was removed from the mold and washed with distilled water for 72 hours and then with alcohol (70% solution) for 48 hours. The resulting gel had an LCST of 32 ° C.

合成例2.
架橋剤として、PEG−DMAに代えてN,N’−ビスアクリルアミド(MBAA)(シグマ社製)を用いた以外は、合成例1と同様の方法により、ゲルを作製した。得られたゲルはLCSTが32℃であった。
Synthesis Example 2
A gel was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1 except that N, N′-bisacrylamide (MBAA) (manufactured by Sigma) was used as the crosslinking agent instead of PEG-DMA. The resulting gel had an LCST of 32 ° C.

(ゲルの特性評価)
ゲルの光透過性を評価するため、紫外可視分光光度計(日本分光社製V−550)を用い、500nmでの光透過率を測定した。
(Characteristic evaluation of gel)
In order to evaluate the light transmittance of the gel, the light transmittance at 500 nm was measured using an ultraviolet-visible spectrophotometer (V-550 manufactured by JASCO Corporation).

細胞集合体のゲルからの剥離し易さを評価するために、ゲルの膨潤性を測定した。ゲルの温度を25℃〜37℃の範囲で変化させ、以下の式を用いて膨潤度を算出した。
膨潤度=(37℃を除く各温度でのゲル重量/37℃でのゲル重量)
In order to evaluate the ease of peeling of the cell aggregate from the gel, the swelling property of the gel was measured. The gel temperature was changed in the range of 25 ° C. to 37 ° C., and the degree of swelling was calculated using the following formula.
Swelling degree = (gel weight at each temperature except 37 ° C./gel weight at 37 ° C.)

ゲルの親疎水性を評価するため、接触角計(協和界面科学社製Drop Master 500)を用いて、気泡の接触角を水中気型法により測定した。水中気型法では、ゲルを水中に浸したまま、下方から10μlの空気を接触させ、室温下で、30秒経過後の接触角を測定した。   In order to evaluate the hydrophilicity / hydrophobicity of the gel, the contact angle of bubbles was measured by an underwater gas method using a contact angle meter (Drop Master 500 manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). In the underwater gas method, 10 μl of air was contacted from below while the gel was immersed in water, and the contact angle after 30 seconds was measured at room temperature.

実験例1(ゲル上での細胞培養の最適条件検討)
ゲル上での細胞培養の最適条件を検討するため、細胞には骨芽細胞MC3T3−E1(理研、日本)を用い、表面に細胞接着を促進する有機質を塗布したゲル上で培養した。インキュベータ以外での操作は、すべて37℃に制御したホットプレート上で行った。
Experimental Example 1 (Examination of optimal conditions for cell culture on gel)
In order to examine the optimum conditions for cell culture on the gel, osteoblast MC3T3-E1 (RIKEN, Japan) was used as the cell, and the cell was cultured on a gel coated with an organic substance that promotes cell adhesion. All operations other than the incubator were performed on a hot plate controlled at 37 ° C.

ゲルには合成例1で合成したゲルを用いた。細胞接着を促進する有機質には、ヒトフィビロネクチン(FN)(0〜2μg/ml、BDバイオサイエンス社製)またはゼラチン(1重量%/ml、和光純薬社製)を用いた。FNまたはゼラチンを溶解させたリン酸緩衝生理食塩水(PBS)溶液にゲルを浸漬し、6時間インキュベートした。   The gel synthesized in Synthesis Example 1 was used as the gel. As the organic substance that promotes cell adhesion, human fibronectin (FN) (0 to 2 μg / ml, manufactured by BD Biosciences) or gelatin (1% by weight / ml, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. The gel was immersed in a phosphate buffered saline (PBS) solution in which FN or gelatin was dissolved, and incubated for 6 hours.

次に、2×10個/mlの細胞を、細胞接着を促進する有機質でプレコートしたゲルの表面に37℃で播種した。培地には、10%ウシ胎児血清を含むダルベッコ変法イーグル培地(DMEM)を用い、飽和湿度および5%CO雰囲気で10日間、細胞を培養した。 Next, 2 × 10 4 cells / ml of cells were seeded at 37 ° C. on the surface of an organic pre-coated gel that promotes cell adhesion. Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM) containing 10% fetal calf serum was used as the medium, and the cells were cultured for 10 days in a saturated humidity and 5% CO 2 atmosphere.

培養時の細胞付着および増殖の状態を評価するために、ヘモサイトメーターを用いて細胞数を測定した。   In order to evaluate the state of cell attachment and proliferation during culture, the number of cells was measured using a hemocytometer.

付着した細胞およびゲルから剥離した細胞シートを、CCDカメラを備えた光学顕微鏡(ニコン社製TE2000、CoolSNAP)を用いて観察した。   The adhered cells and the cell sheet detached from the gel were observed using an optical microscope (Nikon TE2000, CoolSNAP) equipped with a CCD camera.

得られた細胞シートにおいて細胞とマトリックスとの接着を確認するため、FNの蛍光免疫染色を抗FN、シグマ社製を用い、得られた細胞シートの底面と、細胞シートを剥離したゲル表面の両方について行った。ゲル鋳型および細胞集合体のデジタル画像を撮影し、画像解析ソフトウェア(Image J,NIH)を用いて解析した。   In order to confirm the adhesion between the cells and the matrix in the obtained cell sheet, both the bottom surface of the obtained cell sheet and the gel surface from which the cell sheet was peeled off were used using anti-FN and Sigma fluorescent immunostaining of FN. Went about. Digital images of gel templates and cell aggregates were taken and analyzed using image analysis software (Image J, NIH).

(統計処理)
データは、ANOVA検定で統計処理した。比較のため、99%の信頼区間でステューデントt検定を用いた。グラフ中のデータ点とエラーバーは、各実験における平均値と標準偏差を示す。
(Statistical processing)
Data were statistically processed with the ANOVA test. For comparison, the Student t test was used with a 99% confidence interval. Data points and error bars in the graph indicate the mean and standard deviation in each experiment.

細胞シートのゲルとの付着面を走査型電子顕微鏡(日本電子製JEOL6350)により観察した。   The adhesion surface of the cell sheet with the gel was observed with a scanning electron microscope (JEOL 6350, manufactured by JEOL Ltd.).

(結果)
(1)ゲル特性
一般的な細胞培養温度である37℃における、ゲルの透明性を調べた。図1中のAとBは、それぞれPEG−DMAを架橋剤に用いたゲルとMBAAを架橋剤に用いたゲルの外観写真である。また、表1は、AとBのゲルの波長500nmにおける透過率の値を示す。
(result)
(1) Gel characteristics The transparency of the gel at 37 ° C., which is a general cell culture temperature, was examined. A and B in FIG. 1 are external photographs of a gel using PEG-DMA as a crosslinking agent and a gel using MBAA as a crosslinking agent, respectively. Table 1 shows the transmittance values of the A and B gels at a wavelength of 500 nm.

PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルは、37℃において透明であり光透過率は94%であった。一方、MBAAを用いたゲルは、15℃から37℃に温度を上げると透明から白色に変化した。   The gel using PEG-DMA as a crosslinking agent was transparent at 37 ° C. and the light transmittance was 94%. On the other hand, the gel using MBAA changed from transparent to white when the temperature was raised from 15 ° C to 37 ° C.

これより、PEG−DMAを架橋剤に用いた場合、通常の培養温度37℃において、透明性を確保できることがわかった。   From this, it was found that when PEG-DMA is used as a cross-linking agent, transparency can be secured at a normal culture temperature of 37 ° C.

図2Aは、PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルの、温度と膨潤度の関係を示すグラフであり、膨潤度は37℃でのゲル重量を基準にして算出している。このグラフから25℃における膨潤度は約4であった。   FIG. 2A is a graph showing the relationship between the temperature and the degree of swelling of a gel using PEG-DMA as a crosslinking agent, and the degree of swelling is calculated based on the gel weight at 37 ° C. From this graph, the degree of swelling at 25 ° C. was about 4.

図2Bは、温度25℃における、PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルの長さ基準膨張率と時間の関係を示すグラフである。ゲルの長さ基準膨張率は、1分で約110%、10分で120%、20分で約130%となり、60分程度経過すると概ね一定となり約137%となった。   FIG. 2B is a graph showing the relationship between the length-based expansion coefficient of gel using PEG-DMA as a crosslinking agent and time at a temperature of 25 ° C. The gel-length expansion coefficient was about 110% in 1 minute, 120% in 10 minutes, about 130% in 20 minutes, and became almost constant after about 60 minutes, and was about 137%.

図2Cは、PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルの可逆的な膨張・収縮の状態を示す外観写真であり、左が25℃、右が37℃での状態を示している。この写真から算出した、37℃から25℃への温度変化に伴う表面積基準膨張率は約140%であった。   FIG. 2C is an appearance photograph showing a reversible expansion / contraction state of a gel using PEG-DMA as a cross-linking agent, with the left side at 25 ° C. and the right side at 37 ° C. The surface area standard expansion coefficient accompanying the temperature change from 37 ° C. to 25 ° C. calculated from this photograph was about 140%.

図2Dは、PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルの25℃と37℃における気泡の接触角を示すグラフである。接触角は、25℃から37℃の間で変化せず、約150度という大きな角度を有していた。接触角は、材料表面の親疎水性の程度を示すが、この結果は、25℃から37℃の間では、ゲル表面の親疎水性に大きな変化がないことを示している。   FIG. 2D is a graph showing the contact angle of bubbles at 25 ° C. and 37 ° C. of a gel using PEG-DMA as a cross-linking agent. The contact angle did not change between 25 ° C. and 37 ° C. and had a large angle of about 150 degrees. The contact angle indicates the degree of hydrophilicity / hydrophobicity of the material surface, and this result indicates that there is no significant change in the hydrophilicity / hydrophobicity of the gel surface between 25 ° C and 37 ° C.

以上の結果から、PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルは、37℃から25℃に温度を下げる場合、大きな膨張率を示すが、その際ゲル表面の親疎水性には変化がないことがわかった。   From the above results, it can be seen that the gel using PEG-DMA as a crosslinking agent shows a large expansion coefficient when the temperature is lowered from 37 ° C. to 25 ° C., but there is no change in the hydrophilicity / hydrophobicity of the gel surface. It was.

(2)細胞接着を促進する有機質の効果
図3は、ゲル表面の細胞の状態を示す光学顕微鏡像であり、Aはコントロール(細胞接着を促進する有機質を塗布せず)であり、Bはゼラチン(1重量%)を塗布したもの、CはFNを1μg/mlの濃度で塗布したもの、DはFNを2μg/ml塗布したものを示す。また、図4は、時間と細胞数の関係を示すグラフであり、◇はA、○はB、△はC、□はDの場合の結果を示す。10日経過後では概ね同一の細胞数となるが、FNまたはゼラチンをゲル表面に塗布することにより、ゲルに接着する細胞数がより短い日数で増加させることができることがわかった。さらに、ゼラチンよりもFNが細胞数を増加させる効果が大きいことがわかった。FNの場合、1μg/ml以上の濃度で十分な効果が得られるため、以降の実験には、FNを1μg/mlの濃度で塗布したゲルを用いた。
(2) Effect of organic substance that promotes cell adhesion FIG. 3 is an optical microscope image showing the state of cells on the gel surface, A is a control (without applying organic substance that promotes cell adhesion), and B is gelatin. (1 wt%) applied, C applied FN at a concentration of 1 μg / ml, and D applied FN 2 μg / ml. FIG. 4 is a graph showing the relationship between time and the number of cells, where ◇ indicates A, ○ indicates B, Δ indicates C, and □ indicates the result for D. FIG. After 10 days, the number of cells was almost the same, but it was found that the number of cells adhered to the gel can be increased in a shorter number of days by applying FN or gelatin to the gel surface. Furthermore, it has been found that FN has a greater effect of increasing the number of cells than gelatin. In the case of FN, a sufficient effect can be obtained at a concentration of 1 μg / ml or more. Therefore, a gel coated with FN at a concentration of 1 μg / ml was used in the subsequent experiments.

(3)細胞シート
PEG−DMAを架橋剤に用いたゲルを担体として用いて、細胞シートを作製した。
播種された細胞がゲル上でコンフルエントになったあと、ゲルの温度を37℃から25℃に下げると、細胞シートをその形状を損なうことなくゲルから剥離することができた。
(3) Cell sheet A cell sheet was prepared using a gel using PEG-DMA as a crosslinking agent as a carrier.
When the seeded cells were confluent on the gel and the gel temperature was lowered from 37 ° C. to 25 ° C., the cell sheet could be detached from the gel without losing its shape.

また、免疫蛍光染色法により、ゲル表面と、細胞シートのゲルとの接着面を観察したところ、FNは細胞シートの底面のみに検出され、ゲル表面には検出されなかった。これは、本発明の作製方法によれば培養した細胞集合体を傷つけることなく剥離して回収できること、回収した細胞集合体は細胞外基質を完全に含んでいることを示している。   Further, when the adhesion surface between the gel surface and the gel of the cell sheet was observed by immunofluorescent staining, FN was detected only on the bottom surface of the cell sheet and not on the gel surface. This shows that according to the production method of the present invention, the cultured cell aggregate can be detached and recovered without damaging, and the recovered cell aggregate completely contains the extracellular matrix.

実験例2(三次元細胞集合体の作製)
三次元の細胞集合体を作製するための鋳型となるゲルは、樹脂製鋳型を用いて作製した。樹脂製鋳型は、グラフィックモデリングソフトウェア(FreeForm,Sensable,MA)を用いて設計し、三次元印刷システム(Eden,Objet,Israel)を用いて作製した。
Experimental Example 2 (Production of three-dimensional cell aggregate)
A gel serving as a template for preparing a three-dimensional cell aggregate was prepared using a resin mold. The resin mold was designed using graphic modeling software (FreeForm, Sensable, MA), and produced using a three-dimensional printing system (Eden, Objet, Israel).

図5Aは、上記のグラフィックモデリングソフトウェアを用いて作製した母型のモデル図であり、複数の平行凸条を有する母型と、複数の半球状凸部を有する母型を示している。また、図5Bは、上記の三次元印刷システムを用いて作製した光硬化性樹脂製の母型の外観を示す写真であり、上側が複数の平行凸条を有する母型、下側が複数の半球状凸部を有する母型を示している。また、図5Cは、その樹脂製母型中で重合させ、その樹脂製母型から取り出したゲルの成形体(以下、ゲル鋳型ともいう。)の外観を示す写真であり、母型の形状が転写されている。上側が複数の平行溝を有する鋳型、下側が複数の半球状凹部を有する鋳型を示している。   FIG. 5A is a model diagram of a mother die produced using the graphic modeling software described above, and shows a mother die having a plurality of parallel ridges and a mother die having a plurality of hemispherical protrusions. FIG. 5B is a photograph showing the appearance of a matrix made of a photocurable resin produced using the above-described three-dimensional printing system, with the upper side having a plurality of parallel protrusions and the lower side having a plurality of hemispheres. A matrix having a convex portion is shown. FIG. 5C is a photograph showing the appearance of a gel molded body (hereinafter also referred to as a gel mold) which is polymerized in the resin mold and taken out from the resin mold. It has been transcribed. The upper side shows a mold having a plurality of parallel grooves, and the lower side shows a mold having a plurality of hemispherical recesses.

図5Cに示す複数の平行溝を有するゲル鋳型に、骨芽細胞MC3T3−E1を細胞濃度1×10個/mlで播種し、37℃で48時間培養し、温度を25℃に下げて細胞集合体をゲル鋳型から剥離して、棒状の細胞集合体を得た。なお、ゲル鋳型にはFNを塗布したものと塗布しなかったものを用いた。 Osteoblast MC3T3-E1 is seeded at a cell concentration of 1 × 10 6 cells / ml in a gel template having a plurality of parallel grooves shown in FIG. 5C, cultured at 37 ° C. for 48 hours, and the temperature is lowered to 25 ° C. The aggregate was peeled from the gel mold to obtain a rod-shaped cell aggregate. The gel mold used was one with and without FN coating.

(結果)
図5Dは、培養細胞を含むゲル鋳型の外観を示す写真である。また、図5Eは、ゲル鋳型から取り出した細胞集合体の外観を示す写真であり、上側は棒状、下側は種々の大きさの半球状の細胞集合体を示している。
(result)
FIG. 5D is a photograph showing the appearance of a gel template containing cultured cells. FIG. 5E is a photograph showing the appearance of the cell aggregate taken out from the gel mold, in which the upper side shows a rod-like shape and the lower side shows hemispherical cell aggregates of various sizes.

図5Gは、ゲル鋳型にFNを塗布した場合と塗布しなかった場合の、棒状細胞集合体の長さの変化を示すグラフである(図中の「長さ(%)」は、ゲル鋳型の長さに対する棒状細胞集合体の長さの比率を表す)。ゲル鋳型にFNを塗布した場合、棒状細胞集合体の長さはゲル鋳型の溝の長さの91%であるのに対し、FNを塗布しない場合には65%であった。これより、ゲル鋳型の形状に合わせて細胞集合体を作製するためには、ゲル鋳型にFNを塗布することが好ましいことがわかった。   FIG. 5G is a graph showing changes in the length of rod-shaped cell aggregates when FN is applied to a gel template and when FN is not applied (“length (%)” in the figure indicates the gel template). Represents the ratio of the length of rod-shaped cell aggregate to the length). When FN was applied to the gel template, the length of the rod-shaped cell aggregate was 91% of the length of the groove of the gel template, whereas it was 65% when FN was not applied. From this, it was found that in order to produce a cell aggregate in accordance with the shape of the gel template, it is preferable to apply FN to the gel template.

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、従来は作製が困難であった任意形状の三次元細胞集合体を容易に作製することが可能になる。本発明により得られる三次元細胞集合体は、新しい組織再生用ツールを提供するだけでなく、擬似的な腫瘍組織や細菌感染モデルの構築、薬剤スクリーニング用のツールとしても利用することが可能である。   As is apparent from the above description, according to the present invention, it is possible to easily produce a three-dimensional cell aggregate having an arbitrary shape, which has been difficult to produce. The three-dimensional cell aggregate obtained by the present invention not only provides a new tissue regeneration tool, but can also be used as a tool for pseudo-tumor tissue and bacterial infection model construction and drug screening. .

Claims (11)

体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体を担体とし、該担体上に細胞を播種して培養し、該担体の体積を変化させることにより三次元構造が付与された培養細胞を三次元細胞集合体として剥離する、三次元細胞集合体の作製方法。   A three-dimensional molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing the volume is used as a carrier, cells are seeded and cultured on the carrier, and a cultured cell to which a three-dimensional structure is imparted by changing the volume of the carrier is three-dimensional. A method for producing a three-dimensional cell aggregate that peels as a cell aggregate. 上記親水性ポリマーゲルに温度応答性ポリマーゲルを用いる請求項1記載の作製方法。   The method according to claim 1, wherein a temperature-responsive polymer gel is used as the hydrophilic polymer gel. 上記温度応答性ポリマーゲルが、臨界温度(Tc)以上で収縮する下限臨界共溶温度(LCST)を有する親水性ポリマーゲルであり、該下限臨界共溶温度より高い温度で細胞を培養し、該下限臨界共溶温度以下の温度で培養細胞を親水性ポリマーゲルから剥離する請求項2記載の作製方法。   The temperature-responsive polymer gel is a hydrophilic polymer gel having a lower critical solution temperature (LCST) that shrinks at a critical temperature (Tc) or higher, culturing cells at a temperature higher than the lower critical solution temperature, The production method according to claim 2, wherein the cultured cells are peeled from the hydrophilic polymer gel at a temperature equal to or lower than the lower critical solution temperature. 上記温度応答性ポリマーゲルが、N−アルキル置換(メタ)アクリルアミドの単独重合体または共重合体の架橋体である請求項3記載の作製方法。   The production method according to claim 3, wherein the temperature-responsive polymer gel is a homopolymer or copolymer cross-linked product of N-alkyl-substituted (meth) acrylamide. 上記親水性ポリマーゲルを、三次元印刷法を用いて作製した樹脂製母型を用いて成形する請求項1記載の作製方法。   The production method according to claim 1, wherein the hydrophilic polymer gel is molded using a resin matrix produced using a three-dimensional printing method. 細胞を播種するに先立って、上記ポリマーゲルの表面に細胞接着を促進する有機質を塗布する請求項1記載の作製方法。   The preparation method according to claim 1, wherein an organic substance that promotes cell adhesion is applied to the surface of the polymer gel prior to seeding the cells. 体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体からなり、培養細胞に三次元構造を付与する鋳型として用いる細胞培養用三次元ゲル担体。   A three-dimensional gel carrier for cell culture, comprising a three-dimensional molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume and used as a template for imparting a three-dimensional structure to cultured cells. 上記親水性ポリマーゲルが温度応答性ポリマーゲルである請求項7記載の細胞培養用三次元ゲル担体。   The three-dimensional gel carrier for cell culture according to claim 7, wherein the hydrophilic polymer gel is a temperature-responsive polymer gel. 上記温度応答性ポリマーゲルが、N−アルキル置換(メタ)アクリルアミドの単独重合体または共重合体の架橋体である請求項8記載の細胞培養用三次元ゲル担体。   The three-dimensional gel carrier for cell culture according to claim 8, wherein the temperature-responsive polymer gel is a homopolymer or a crosslinked product of N-alkyl-substituted (meth) acrylamide. 表面に細胞接着を促進する有機質を付着させてなる請求項7記載の細胞培養用三次元ゲル担体   The three-dimensional gel carrier for cell culture according to claim 7, wherein an organic substance that promotes cell adhesion is attached to the surface. 体積変化可能な親水性ポリマーゲルの三次元成形体を鋳型として培養され、該鋳型により三次元構造を付与された細胞の集合体からなる、三次元細胞集合体。   A three-dimensional cell assembly comprising a collection of cells cultured with a three-dimensional molded body of a hydrophilic polymer gel capable of changing volume as a template and provided with a three-dimensional structure by the template.
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