JP2017079722A - Anisotropic hydrogels, microbeads, production method of microbeads, scaffolds and production methods of scaffolds - Google Patents

Anisotropic hydrogels, microbeads, production method of microbeads, scaffolds and production methods of scaffolds Download PDF

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide anisotropic hydrogels, microbeads, production methods of microbeads, scaffolds and production methods of scaffolds which can perform cell cultures which was difficult by conventional techniques, such as the differentiation induction of each stem cell and co-culture between different types of cells.SOLUTION: Microbeads having an anisotropy by containing a plurality of varieties of components which are compartmented in a single particle is produced, wherein at least one of the plurality of varieties components is a biogenic component. For example, as a plurality of varieties of components, the microbeads containing a plurality of collagens 1a and 1b which have different properties each other are produced. At this time, each of the plurality of collagens 1a and 1b is different in at least one of molecular modification, concentration and type.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、異方性ハイドロゲル、この異方性ハイドロゲルを用いたマイクロビーズ、マイクロビーズの製造方法、異方性ハイドロゲルを利用した足場及び足場の製造方法に関する。   The present invention relates to an anisotropic hydrogel, microbeads using the anisotropic hydrogel, a method for producing microbeads, a scaffold using the anisotropic hydrogel, and a method for producing the scaffold.

コラーゲンは、細胞外基質(Extracellular matrix(ECM))の一種であり、細胞の機能や分化等の活動を支援する物質として広く知られている。このコラーゲンにより作製されるマイクロビーズ(以下、「コラーゲンビーズ」とも呼ぶ)は、試験管内(in vitro)において生体内(in vivo)環境を再現した細胞培養を行うためのきわめて重要な材料の一つとなっている。また、近年では、その操作性の良さから細胞培養だけでなく、3次元組織の構築等の組織工学の分野においても広く用いられており特に注目を集めている。
コラーゲンビーズの製造方法としては、例えば、コラーゲン溶液をタンニン溶液に滴下してコラーゲンビーズを形成する方法がある(例えば、特許文献1参照)。また、コラーゲン溶液を油に滴下してコラーゲンビーズを形成する方法等も知られている。
Collagen is a kind of extracellular matrix (ECM) and is widely known as a substance that supports activities such as cell function and differentiation. Microbeads made of collagen (hereinafter also referred to as “collagen beads”) are one of the most important materials for cell culture that reproduces the in vivo environment in vitro. It has become. In recent years, it has been widely used not only for cell culture but also in the field of tissue engineering such as construction of a three-dimensional tissue because of its excellent operability.
As a method for producing collagen beads, for example, there is a method of forming collagen beads by dropping a collagen solution into a tannin solution (see, for example, Patent Document 1). A method of forming a collagen bead by dropping a collagen solution into oil is also known.

特開平06−141822号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-141822

本発明の発明者等は、単一粒子内において、個々の幹細胞の分化誘導や、異種細胞間の共培養等を行うといった、従来のコラーゲンビーズでは困難であった細胞培養法を実施可能とするために、異方性を有するコラーゲンビーズを作製することを考えるにいたった。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、異方性を有するコラーゲンビーズの作製は困難であった。その理由は、コラーゲンはゾルからゲルに転移して形が固まるものであるが、ゲル化に時間が非常にかかる(早くても数分〜30分程かかる)ためである。例えば、コラーゲン溶液をタンニン溶液や油の中に左右別々の濃度で配置することで、右半球と左半球とで性質の異なるコラーゲンビーズを作製しようとしても、固まる前にコラーゲン溶液(コラーゲン)が拡散して混合してしまうため、右半球のコラーゲンと左半球のコラーゲンとを明確に分けられない。また、例えば、コラーゲン溶液をインクジェットノズルから放出することで、右半球と左半球とで性質の異なるコラーゲンビーズを作製しようとしても、やはりコラーゲンのゲル化が間に合わず、コラーゲン溶液(コラーゲン)が混合してしまうため、右半球のコラーゲンと左半球のコラーゲンとを明確に分けられない。
The inventors of the present invention can implement a cell culture method that has been difficult with conventional collagen beads, such as inducing differentiation of individual stem cells or co-culturing between different cells in a single particle. Therefore, it came to consider producing anisotropy collagen beads.
However, with the technique described in Patent Document 1, it has been difficult to produce collagen beads having anisotropy. The reason is that collagen transitions from sol to gel and hardens, but it takes a very long time for gelation (it takes several minutes to 30 minutes at the earliest). For example, by placing collagen solutions in tannin solution or oil at different concentrations on the left and right sides, even when trying to produce collagen beads with different properties in the right and left hemispheres, the collagen solution (collagen) diffuses before it hardens Therefore, the right hemisphere collagen and the left hemisphere collagen cannot be clearly separated. In addition, for example, even when trying to produce collagen beads with different properties in the right and left hemispheres by discharging the collagen solution from the inkjet nozzle, the gelation of the collagen is still in time and the collagen solution (collagen) is mixed. Therefore, the collagen in the right hemisphere and the collagen in the left hemisphere cannot be clearly separated.

したがって、従来は、異方性を有するコラーゲンビーズを作製することができず、試験管内(in vitro)において生体内(in vivo)における異方的な微小環境を再現することはできなかった。
本発明は、上記のような点に着目したもので、個々の幹細胞の分化誘導や異種細胞間の共培養等の従来の手法では困難であった細胞培養法を実施できる異方性ハイドロゲル、この異方性ハイドロゲルを用いたマイクロビーズ、マイクロビーズの製造方法、異方性ハイドロゲルを利用した足場及び足場の製造方法を提供することを目的とする。
Therefore, conventionally, an anisotropic collagen bead cannot be produced, and an anisotropic microenvironment in a living body (in vivo) cannot be reproduced in a test tube (in vitro).
The present invention pays attention to the above points, and an anisotropic hydrogel capable of performing a cell culture method that has been difficult with conventional techniques such as differentiation induction of individual stem cells and co-culture between different cells, It aims at providing the manufacturing method of the microbead using this anisotropic hydrogel, the manufacturing method of a microbead, the scaffold using an anisotropic hydrogel, and a scaffold.

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、単一粒子内に区画化された複数種類の成分を含有することで異方性を有し、複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分である。例えば、本発明の一態様に係るマイクロビーズは、複数種類の成分として、性質が異なる複数のコラーゲンを含有するマイクロビーズであることを要旨とする。
また、本発明の他の態様は、(a)コラーゲンとアルギン酸とを混合した混合溶液を生成し、(b)この混合溶液に含有されるアルギン酸のゲル化により、ゲル化していないコラーゲンを含む混合ビーズを作製し、(c)混合ビーズの表面に薄膜を形成し、(d)混合ビーズの内部においてアルギン酸のゲルの溶解とコラーゲンのゲル化とを行うマイクロビーズの製造方法であることを要旨とする。
In order to solve the above problems, one embodiment of the present invention has anisotropy by containing a plurality of types of components partitioned in a single particle, and at least one of the plurality of types of components is It is a biological component. For example, the gist of the microbead according to one embodiment of the present invention is a microbead containing a plurality of collagens having different properties as a plurality of types of components.
In another aspect of the present invention, (a) a mixed solution in which collagen and alginic acid are mixed is generated, and (b) a mixture containing ungelatinized collagen by gelation of alginic acid contained in the mixed solution. The gist is that the method is a microbead manufacturing method in which a bead is produced, (c) a thin film is formed on the surface of the mixed bead, and (d) the gel of alginic acid and the gelation of collagen are performed inside the mixed bead. To do.

本発明のさらに他の態様は、(a) マイクロチャンバー内に区画化された複数種類の成分を含有し、(b)複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であり、(c)複数種類の成分間の境界面の法線方向がマイクロチャンバーの底面の法線方向と交差している足場(培養環境)であることを要旨とする。
本発明のさらに他の態様は、(a)コラーゲンとアルギン酸とを混合した混合溶液を生成し、(b)混合溶液に含有されるアルギン酸のゲル化により、ゲル化していないコラーゲンを含む混合ビーズを作製し、(c)混合ビーズをマイクロチャンバーに収容し、(d)マイクロチャンバーの内部においてアルギン酸のゲルの溶解とコラーゲンのゲル化とを行う足場の製造方法であることを要旨とする。
Still another embodiment of the present invention includes (a) a plurality of types of components partitioned in the microchamber, (b) at least one of the plurality of types of components is a biological component, and (c) a plurality of components. The gist is that the normal direction of the boundary surface between the types of components is a scaffold (culture environment) intersecting the normal direction of the bottom surface of the microchamber.
Still another embodiment of the present invention provides (a) a mixed solution in which collagen and alginic acid are mixed, and (b) mixed beads containing ungelatinized collagen by gelation of alginic acid contained in the mixed solution. The gist of the present invention is a method of manufacturing a scaffold, in which (c) mixed beads are housed in a microchamber, and (d) the gel of alginic acid and the gelation of collagen are performed inside the microchamber.

本発明のさらに他の態様は、境界面で囲まれた立体形状としての占有領域を有し、この占有領域が複数種類の成分のそれぞれを含有する複数の領域に互いに区画化され、複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であることを特徴とする異方性ハイドロゲルであることを要旨とする。   Still another aspect of the present invention has an occupied area as a three-dimensional shape surrounded by a boundary surface, and the occupied area is partitioned into a plurality of areas each containing a plurality of types of components, The gist of the invention is an anisotropic hydrogel characterized in that at least one of the components is a biological component.

本発明によれば、個々の幹細胞の分化を誘導することや、高い生存率で単一粒子内に細胞を共培養させることが可能になる異方性ハイドロゲル、この異方性ハイドロゲルを用いたマイクロビーズ、マイクロビーズの製造方法、異方性ハイドロゲルを利用した足場及び足場の製造方法を提供することができる。   According to the present invention, an anisotropic hydrogel capable of inducing differentiation of individual stem cells and co-culturing cells in a single particle with high survival rate, and using this anisotropic hydrogel Microbeads, microbead manufacturing methods, scaffolds using anisotropic hydrogels, and scaffold manufacturing methods can be provided.

第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズの構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the collagen Janus bead which concerns on 1st Embodiment. コラーゲンヤヌスビーズを作製するためのマイクロ流体デバイスの構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structural example of the microfluidic device for producing collagen Janus bead. コラーゲンヤヌスビーズの製造方法について説明するための概念図である。(a)〜(c)は作製の過程を示す図である。(d)は内部Aを示す図である。(e)は内部Bを示す図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the manufacturing method of a collagen Janus bead. (A)-(c) is a figure which shows the process of preparation. (D) is a diagram showing the interior A. FIG. (E) is a diagram showing the interior B. FIG. コラーゲンヤヌスビーズを利用した細胞の培養方法について説明するための概念図である。(a)は分化誘導を示す図である。(b)は共培養を示す図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the culture method of the cell using a collagen Janus bead. (A) is a figure which shows differentiation induction. (B) is a diagram showing co-culture. 第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを用いた足場の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the scaffold using the anisotropic hydrogel which concerns on 2nd Embodiment. 足場の変形例の構成を示す概念図である。(a)はコラーゲンの比率を等分した図である。(b)はコラーゲンの比率を変更した図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the modification of a scaffold. (A) is the figure which equally divided the ratio of collagen. (B) is the figure which changed the ratio of collagen. 足場を作製するためのマイクロチャンバーアレイの構成例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structural example of the micro chamber array for producing a scaffold. 足場の製造方法について説明するための概念図である。(a)〜(c)は作製の過程を示す図である。(d)は内部Cを示す図である。(e)は内部Dを示す図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the manufacturing method of a scaffold. (A)-(c) is a figure which shows the process of preparation. (D) is a diagram showing the interior C. FIG. (E) is a diagram showing the interior D. FIG. コラーゲン−アルギン酸混合ビーズの形状を説明するための概念図である。(a)は扁球上を示す図である。(b)は長球状を示す図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the shape of a collagen-alginate mixed bead. (A) is a figure which shows on an oblate ball. (B) is a figure which shows an oblong shape. シータ管の先端部の形状を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the shape of the front-end | tip part of a theta pipe | tube. 足場の製造方法について説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the manufacturing method of a scaffold. 足場を利用した細胞の培養方法について説明するための概念図である。(a)は分化誘導を示す図である。(b)は共培養を示す図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the culture | cultivation method of the cell using a scaffold. (A) is a figure which shows differentiation induction. (B) is a diagram showing co-culture. 培養した細胞の観察方法について説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the observation method of the cultured cell. 足場を利用した細胞の培養の実験結果について説明するための画像である。(a)は培養前を示す図である。(b)は培養後を示す図である。It is an image for demonstrating the experimental result of the culture | cultivation of the cell using a scaffold. (A) is a figure which shows before culture | cultivation. (B) is a figure which shows after culture | cultivation. 従来の足場を利用した観察方法について説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the observation method using the conventional scaffold.

次に、図面を参照して、本発明の第1及び第2実施形態について説明する。
以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な構成要素については以下の説明を参酌して判断すべきものである。
また、以下に示す第1及び第2実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための構造や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成要素の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。さらに、以下の説明では、本発明の第1及び第2実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の細部について記載されるが、かかる特定の細部がなくても1つ以上の実施態様が実施できることは明らかである。他にも図面を簡潔にするために、周知の構造及び装置が略図で示されている。
Next, first and second embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Therefore, specific components should be determined in consideration of the following description.
In addition, the first and second embodiments described below exemplify structures and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the shape of a component, The structure and arrangement are not specified as follows. The technical idea of the present invention can be variously modified within the technical scope defined by the claims described in the claims. Furthermore, in the following description, numerous specific details are set forth to provide a thorough understanding of the first and second embodiments of the present invention, but one or more implementations may be provided without such specific details. Obviously, embodiments can be implemented. In other instances, well-known structures and devices are schematically shown in order to simplify the drawing.

<第1実施形態>
第1実施形態に係る異方性ハイドロゲルは、図1に示すように、境界面(外形面)で囲まれた立体形状としての占有領域(1a,1b)を有し、この占有領域が複数種類の成分のそれぞれを含有する複数の領域1a,1bに互いに区画化され、複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であり、且つ異方性を有するハイドロゲルである。第1実施形態に係る異方性ハイドロゲルを用いたマイクロビーズとしては、ビーズ材料としてコラーゲンを採用した、異方性を有しているコラーゲンヤヌスビーズ10を例示的に説明する。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, the anisotropic hydrogel according to the first embodiment has occupied areas (1a, 1b) as a three-dimensional shape surrounded by a boundary surface (outer surface), and there are a plurality of occupied areas. A plurality of regions 1a and 1b containing each of the types of components are partitioned from each other, and at least one of the types of components is a biological component and is an anisotropy hydrogel. As the microbeads using the anisotropic hydrogel according to the first embodiment, collagen Janus beads 10 having anisotropy using collagen as a bead material will be described as an example.

(コラーゲンヤヌスビーズの構成)
図1に示すように、第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズ10は、単一粒子内において、内部に区画化された2つのコラーゲン(以下、「第1のコラーゲン1a」、「第2のコラーゲン1b」とも呼ぶ)を含んで異方性を有しており、表面全体が薄膜2で被覆されている。なお、図1では、説明のため、表面の薄膜2の一部を破断して開放し、内部の第1のコラーゲン1aと、第2のコラーゲン1bとを図示している。また、図1では、説明のため、薄膜2を厚めに記載しているが、実際には薄膜2の厚さは極薄となっている。
(Composition of collagen Janus beads)
As shown in FIG. 1, a collagen Janus bead 10 according to the first embodiment includes two collagens (hereinafter referred to as “first collagen 1a” and “second collagen” divided inside in a single particle. 1b ”) and the entire surface is covered with the thin film 2. In FIG. 1, for the sake of explanation, a part of the thin film 2 on the surface is broken and opened, and the first collagen 1a and the second collagen 1b inside are shown. In FIG. 1, the thin film 2 is shown as being thicker for the sake of explanation, but the thickness of the thin film 2 is actually extremely thin.

第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとは、互いに性質が異なるコラーゲンである。コラーゲンの性質としては、例えば、分子修飾、濃度、及び型(種類)のうち少なくとも1つを用いることができる。分子修飾としては、例えば、蛍光染色が挙げられる。また、型としては、例えば、コラーゲンの分類を表すI型、II型、III型が挙げられる。
なお、第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズ10として、内部に2種類のコラーゲンを有する事例について説明するが、2種類に限定されない。3種類以上のコラーゲンを有するコラーゲンヤヌスビーズ10を作製することも技術的に可能である。
The first collagen 1a and the second collagen 1b are collagens having different properties from each other. As the properties of collagen, for example, at least one of molecular modification, concentration, and type (type) can be used. Examples of the molecular modification include fluorescent staining. Examples of the type include type I, type II, and type III representing the classification of collagen.
In addition, although the example which has two types of collagen inside is demonstrated as the collagen Janus bead 10 which concerns on 1st Embodiment, it is not limited to two types. It is technically possible to produce collagen Janus beads 10 having three or more types of collagen.

また、第1実施形態に係る異方性ハイドロゲルの種類としては、コラーゲンを想定しているが、コラーゲンに限定されない。例えば、コラーゲン以外にも、キトサンゲル、ゼラチン、ヒアルロン酸ゲル、ラミニンゲル、ペプチドゲル、フィブリンゲル、或いはこれらの混合物等を基材とするハイドロゲルを用いることができる。市販されている製品として、例えば、マトリゲル(日本ベクトン・ディッキンソン株式会社)を用いても良い。また、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマーに紫外線や放射線を照射して形成することができるハイドロゲル等を用いても良い。また、第1実施形態に係る異方性ハイドロゲルとして、超分子ハイドロゲル等を用いても良い。超分子ハイドロゲルは、モノマー分子が自己集合した非共有結合性のハイドロゲルであり、松本真治他著、「スマートバイオマテリアルとしての超分子ハイドロゲル」、ドージンニュース(DojinNews)、第118巻、p.1-17、2006年に具体的に説明されている。   Moreover, although the collagen is assumed as a kind of anisotropic hydrogel which concerns on 1st Embodiment, it is not limited to collagen. For example, in addition to collagen, a hydrogel based on chitosan gel, gelatin, hyaluronic acid gel, laminin gel, peptide gel, fibrin gel, or a mixture thereof can be used. For example, Matrigel (Nippon Becton Dickinson Co., Ltd.) may be used as a commercially available product. Moreover, you may use the hydrogel etc. which can be formed by irradiating ultraviolet-ray or a radiation to water-soluble polymers, such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, and polyvinylpyrrolidone. Further, supramolecular hydrogel or the like may be used as the anisotropic hydrogel according to the first embodiment. Supramolecular hydrogel is a non-covalent hydrogel with self-assembled monomer molecules, Shinji Matsumoto et al., “Supramolecular hydrogel as smart biomaterial”, DojinNews, Vol. 118, p. .1-17, specifically explained in 2006.

すなわち、第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズ10は、コラーゲン以外の異方性ハイドロゲルを有するマイクロビーズとすることも可能である。例えば、第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとのうち少なくとも一方を、コラーゲン以外の異方性ハイドロゲルに変更することも可能である。
また、上記の異方性ハイドロゲルの調製にあたっては、水と混じりあう性質を有する水性有機溶媒、エタノール、アセトン、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等を添加しても良い。異方性ハイドロゲルの強度を高めるために適宜の成分や溶媒を配合することもできる。このような観点から、例えば、ポリビニルアルコール異方性ハイドロゲルの調製のために溶媒としてジメチルスルホキシドを添加することも可能である。
That is, the collagen Janus beads 10 according to the first embodiment can be microbeads having anisotropic hydrogel other than collagen. For example, at least one of the first collagen 1a and the second collagen 1b can be changed to an anisotropic hydrogel other than collagen.
In preparing the anisotropic hydrogel, an aqueous organic solvent having a property of mixing with water, ethanol, acetone, ethylene glycol, propylene glycol, glycerin, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, or the like may be added. In order to increase the strength of the anisotropic hydrogel, an appropriate component or solvent can be blended. From such a viewpoint, for example, dimethyl sulfoxide can be added as a solvent for preparing a polyvinyl alcohol anisotropic hydrogel.

薄膜2は、ポリ−L−リジン(Poly-L-lysine(PLL))膜である。なお、ポリカチオン性の高分子により形成された膜を用いても良い。詳細については後述するが、第1実施形態に係るマイクロビーズ製造方法では、コラーゲンヤヌスビーズ10の作製の前段階としてコラーゲン溶液とアルギン酸ナトリウム溶液との混合溶液を用いてコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を作製する。このとき、表面が負に帯電したアルギン酸に正に帯電したポリマー(ポリ−L−リジン(PLL))が静電力で結合して、薄膜2が形成される。   The thin film 2 is a poly-L-lysine (PLL) film. A film formed of a polycationic polymer may be used. Although details will be described later, in the microbead manufacturing method according to the first embodiment, the collagen-alginate mixed beads 6 are prepared using a mixed solution of a collagen solution and a sodium alginate solution as a pre-stage of the production of the collagen Janus beads 10. To do. At this time, a polymer (poly-L-lysine (PLL)) that is positively charged is bonded to alginic acid whose surface is negatively charged by electrostatic force, and the thin film 2 is formed.

(マイクロ流体デバイスの構成)
第1実施形態に係るマイクロビーズの製造方法では、コラーゲンヤヌスビーズ10を作製するために、遠心力を駆動源としたマイクロ流体デバイス20を用いる。マイクロ流体デバイス20としては、例えば特開2012−176374号公報に記載の液体ゲル化装置を使用することができる。
(Configuration of microfluidic device)
In the microbead manufacturing method according to the first embodiment, the microfluidic device 20 using a centrifugal force as a drive source is used to produce the collagen Janus beads 10. As the microfluidic device 20, for example, a liquid gelation apparatus described in JP 2012-176374 A can be used.

図2に示すように、マイクロ流体デバイス20は、マイクロチューブ21と、シータ管22a、22bとを備える。
マイクロチューブ21は、円筒状の胴体部21aと、胴体部21aの一端に形成され、ゲル化剤液4を収容している液室21bと、胴体部21aの内部に配置され、胴体部21aの中心軸位置にシータ管22a、22bをゲル化剤液4と予め定めた距離Lを隔てて固定する固定部21cとを備えている。ゲル化剤液4としては、例えば、コラーゲン溶液(後述)を含んだゲル化対象溶液5a、5bをゲル化可能な液体を用いることができる。
As shown in FIG. 2, the microfluidic device 20 includes a microtube 21 and theta tubes 22a and 22b.
The microtube 21 is formed in a cylindrical body portion 21a, a liquid chamber 21b formed at one end of the body portion 21a, containing the gelling agent liquid 4, and the body portion 21a. A fixing portion 21c for fixing the theta tubes 22a and 22b to the gelling agent liquid 4 at a predetermined distance L is provided at the central axis position. As the gelling agent liquid 4, for example, a liquid capable of gelling the gelation target solutions 5a and 5b including a collagen solution (described later) can be used.

シータ管22a、22bは、液室21b側の一端(先端)が先細りとなっている毛細管(キャピラリ)である。そして、ゲル化対象溶液5a、5bを後端から内部に充填可能とし、そのゲル化対象溶液5a、5bを先端からゲル化剤液4内に放出可能となっている。
マイクロ流体デバイス20では、マイクロチューブ21の内部に複数のシータ管22a、22bが固定される。例えば、複数のシータ管22a、22bを束ねたマルチバレル管を固定する。若しくは、一本のシータ管の内部の空洞を複数系統に区画化することで、擬似的に複数のシータ管22a、22bとしても良い。実際には、シータ管22a、22bに限定されるものではなく、少なくとも、複数種類のゲル化対象溶液5a、5bが同時に先端から放出されることで、放出されたゲル化対象溶液5a、5b同士が互いに接触する構造であれば良い。図2の例では、2本(2系統)のシータ管22a、22bを用いて、コラーゲン溶液(コラーゲン)を含んだゲル化対象溶液5a、5bを2種類放出できるように構成している。すなわち、シータ管22a、22bの本数(系統数)を増やすことで、放出後に互いに接触するゲル化対象溶液5a、5bの種類を増やすことができる。
Theta tubes 22a and 22b are capillaries (capillaries) whose one ends (tips) on the liquid chamber 21b side are tapered. Then, the gelation target solutions 5a and 5b can be filled inside from the rear end, and the gelation target solutions 5a and 5b can be released into the gelling agent liquid 4 from the front end.
In the microfluidic device 20, a plurality of theta tubes 22 a and 22 b are fixed inside the microtube 21. For example, a multi-barrel tube in which a plurality of theta tubes 22a and 22b are bundled is fixed. Alternatively, a plurality of theta tubes 22a and 22b may be simulated by dividing a cavity inside one theta tube into a plurality of systems. Actually, the present invention is not limited to the theta tubes 22a and 22b, and at least a plurality of types of gelation target solutions 5a and 5b are simultaneously released from the tip, thereby releasing the gelation target solutions 5a and 5b. As long as the structures are in contact with each other. In the example of FIG. 2, two types (two systems) of theta tubes 22a and 22b are used so that two types of gelation target solutions 5a and 5b containing a collagen solution (collagen) can be released. That is, by increasing the number of theta tubes 22a and 22b (number of lines), the types of gelation target solutions 5a and 5b that come into contact with each other after release can be increased.

図示しないが、マイクロチューブ21は、小型の遠心機に取り付けられ、シータ管22a、22b内のゲル化対象溶液5a、5bに遠心力が印加される。この遠心力により、シータ管22a、22bの先端からゲル化対象溶液5a、5bが放出され、このゲル化対象溶液5a、5bがマイクロチューブ21内のゲル化剤液4と接触してゲル化し、ビーズが形成される。第1実施形態に係るマイクロビーズの製造方法では、コラーゲン溶液とアルギン酸ナトリウム溶液とを混合した混合溶液をゲル化対象溶液5a、5bとして用いることで、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6が形成される。コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の詳細については後述する。   Although not shown, the microtube 21 is attached to a small centrifuge, and centrifugal force is applied to the gelation target solutions 5a and 5b in the theta tubes 22a and 22b. Due to this centrifugal force, the gelation target solutions 5a and 5b are released from the tips of the theta tubes 22a and 22b. Beads are formed. In the microbead manufacturing method according to the first embodiment, the collagen-alginate mixed beads 6 are formed by using the mixed solution obtained by mixing the collagen solution and the sodium alginate solution as the gelation target solutions 5a and 5b. Details of the collagen-alginate mixed beads 6 will be described later.

また、小型で高遠心力の遠心機により遠心力が印加され、シータ管22a、22bの先端からゲル化対象溶液5a、5bが放出されることにより、従来の手法では作製することが困難であった直径20μm以上200μm以下のコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を作製することができる。特に、直径80μm以上120μm以下のコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を作製することができる。そのため、例えば、直径100μm程度の極めて微小なコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6(コラーゲンヤヌスビーズ10)を作製することができる。従来の手法では、直径100μm程度の微小なサイズのコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を作製することはできなかった。コラーゲンヤヌスビーズ10内部で細胞や組織を培養する場合、直径100μm程度の大きさであると非常に価値がある。例えば、コラーゲンヤヌスビーズ10のサイズが大きいと、受動的な拡散により内部に栄養が入っていかないため、中心部では細胞や組織が死滅してしまう傾向にある。しかし、直径100μm程度の大きさであれば、受動的な拡散により内部に栄養が入っていくため、中心部まで十分に栄養が行き渡る。遠心力を高くすることや、シータ管22a、22bの先端径を小さくすることで、より微小なサイズのコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を作製することも可能である。なお、単細胞の大きさが直径10μm程度であるため、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の大きさは直径20μm以上であると好ましい。   Further, since centrifugal force is applied by a small and high centrifugal force centrifuge and the gelation target solutions 5a and 5b are discharged from the tips of the theta tubes 22a and 22b, it is difficult to produce by the conventional method. Collagen-alginate mixed beads 6 having a diameter of 20 μm or more and 200 μm or less can be produced. In particular, a collagen-alginic acid mixed bead 6 having a diameter of 80 μm or more and 120 μm or less can be produced. Therefore, for example, extremely minute collagen-alginate mixed beads 6 (collagen Janus beads 10) having a diameter of about 100 μm can be produced. In the conventional method, it was not possible to produce a collagen-alginate mixed bead 6 having a minute size of about 100 μm in diameter. When cells or tissues are cultured inside the collagen Janus beads 10, it is very valuable to have a diameter of about 100 μm. For example, when the size of the collagen Janus bead 10 is large, no nutrient is contained in the inside due to passive diffusion, and thus cells and tissues tend to die at the center. However, if the diameter is about 100 μm, nutrients enter the inside by passive diffusion, so that the nutrients are sufficiently distributed to the center. It is also possible to produce collagen-alginic acid mixed beads 6 having a smaller size by increasing the centrifugal force or by reducing the tip diameters of the theta tubes 22a and 22b. Since the size of the single cell is about 10 μm in diameter, the size of the collagen-alginate mixed beads 6 is preferably 20 μm or more in diameter.

(コラーゲンヤヌスビーズの製造方法)
まず、ゲル化対象溶液5a、5bとして、コラーゲン溶液(5[mg/mL])と5%([w/w])のアルギン酸ナトリウム溶液とを3:2([v/v])で混合した混合溶液を生成する。アルギン酸は、コラーゲンに比べると非常にゲル化しやすく、ゲル化剤液4に接触すると瞬時に固まる。それゆえ、ゲル化対象溶液5a、5b同士が混合してしまう前に、ゲル化対象溶液5a、5b内の各コラーゲンをアルギン酸で固めることができる。そのため、コラーゲンのゲル化の完了を待たずに、コラーゲンを一旦固めておくことが可能となる。
(Method for producing collagen Janus beads)
First, as gelation target solutions 5a and 5b, a collagen solution (5 [mg / mL]) and a 5% ([w / w]) sodium alginate solution were mixed at 3: 2 ([v / v]). A mixed solution is produced. Alginic acid is very easy to gel as compared with collagen, and instantly hardens when it comes into contact with the gelling agent solution 4. Therefore, before the gelation target solutions 5a and 5b are mixed with each other, each collagen in the gelation target solutions 5a and 5b can be hardened with alginic acid. Therefore, the collagen can be temporarily solidified without waiting for the completion of collagen gelation.

また、蛍光染色の異なる複数のコラーゲンを有するコラーゲンヤヌスビーズ10を作製する場合には、異なる蛍光染色を施した複数種類の混合溶液を用いる。例えば、青色の蛍光染色を施した混合溶液と、赤色の蛍光染色を施した混合溶液との2種類の混合溶液とをゲル化対象溶液5a、5bとして用いることで、赤く蛍光染色したコラーゲンからなる半球(コラーゲン半球)と、青く蛍光染色したコラーゲンからなる半球(コラーゲン半球)とを有し、擬似的に異方性を有するコラーゲンヤヌスビーズ10を作製可能である。   Moreover, when producing the collagen Janus beads 10 having a plurality of collagens with different fluorescent stains, a plurality of types of mixed solutions subjected to different fluorescent stains are used. For example, two types of mixed solutions, a mixed solution that has been subjected to blue fluorescent staining and a mixed solution that has been subjected to red fluorescent staining, are used as the gelation target solutions 5a and 5b, thereby forming collagen that has been fluorescently stained red. Collagen Janus beads 10 having a hemisphere (collagen hemisphere) and a hemisphere (collagen hemisphere) made of collagen fluorescently stained in blue and having pseudo anisotropy can be produced.

また、濃度や型の異なる複数のコラーゲンを有するコラーゲンヤヌスビーズ10を作製する場合には、コラーゲン溶液に含有されるコラーゲンの濃度又は型や、混合溶液に含有されるコラーゲン溶液の比率等を変更した複数種類の混合溶液を用いる。例えば、ゲル化対象溶液5a、5bそれぞれのコラーゲンの濃度を変更することで、ゲル化後のコラーゲンの機械強度を変更することができる。これにより、硬いコラーゲン半球と、軟らかいコラーゲン半球とを有し、異方性を有するコラーゲンヤヌスビーズ10が作製可能である。   Further, when producing the collagen Janus beads 10 having a plurality of collagens having different concentrations and types, the concentration or type of collagen contained in the collagen solution, the ratio of the collagen solution contained in the mixed solution, etc. were changed. Multiple types of mixed solutions are used. For example, the mechanical strength of the collagen after gelation can be changed by changing the collagen concentration of each of the gelation target solutions 5a and 5b. Thereby, the collagen Janus bead 10 which has a hard collagen hemisphere and a soft collagen hemisphere, and has anisotropy is producible.

次に、上記の混合溶液(ゲル化対象溶液5a、5b)をシータ管22a、22bに充填し、このシータ管22a、22bを、ゲル化剤液4を入れたマイクロチューブ21内に固定し、このマイクロチューブ21に遠心機を用いて遠心力を印加する。この遠心力により、シータ管22a、22b内の混合溶液(ゲル化対象溶液5a、5b)が、マイクロチューブ21内のゲル化剤液4に向かって放出される。遠心力としては、2000[G]を3分間印加する。また、ゲル化剤液4としては、塩化カルシウム溶液(500[mM])を80[μL]用いる。この塩化カルシウム溶液により、混合溶液(ゲル化対象溶液5a、5b)に含まれるアルギン酸ナトリウムがアルギン酸カルシウムのハイドロゲルとなって固まり、図3(a)に示すようにコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6が形成される。   Next, the mixed solution (the gelation target solutions 5a and 5b) is filled into the theta tubes 22a and 22b, and the theta tubes 22a and 22b are fixed in the microtube 21 containing the gelling agent solution 4, Centrifugal force is applied to the microtube 21 using a centrifuge. By this centrifugal force, the mixed solution (gelation target solutions 5a and 5b) in the theta tubes 22a and 22b is released toward the gelling agent solution 4 in the microtube 21. As the centrifugal force, 2000 [G] is applied for 3 minutes. As the gelling agent solution 4, a calcium chloride solution (500 [mM]) is used at 80 [μL]. By this calcium chloride solution, sodium alginate contained in the mixed solution (gelation target solutions 5a and 5b) becomes a calcium alginate hydrogel and hardens, and collagen-alginate mixed beads 6 are formed as shown in FIG. 3 (a). Is done.

図3(a)に示したコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部Aの詳細を、図3(d)に示す。図3(d)に示すように、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部Aでは、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を構成するゲル化対象溶液5a、5bのうちの、第1のコラーゲン1a及び第2のコラーゲン1bは未だゲル化していないが、アルギン酸7はゲル化してアルギン酸カルシウムのハイドロゲルのネットワークを形成し、ゲル化していない第1のコラーゲン1a及び第2のコラーゲン1bを保持した状態となっている。   The details of the interior A of the collagen-alginate mixed beads 6 shown in FIG. 3A are shown in FIG. As shown in FIG. 3D, in the inside A of the collagen-alginate mixed bead 6, the first collagen 1a and the second collagen among the gelation target solutions 5a and 5b constituting the collagen-alginate mixed bead 6 are used. Collagen 1b is not yet gelled, but alginic acid 7 is gelled to form a calcium alginate hydrogel network and retains the non-gelled first collagen 1a and second collagen 1b. .

次に、形成されたコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を塩化ナトリウム溶液(150[mM])で洗浄した後、ポリ−L−リジン(PLL)溶液に浸漬する。このポリ−L−リジン(PLL)溶液への浸漬により、図3(b)に示すように、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の表面に、ポリ−L−リジン(PLL)膜が薄膜2として形成される。
次に、薄膜2が形成されたコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を生理食塩水で洗浄した後、その生理食塩水内にアルギン酸リアーゼ溶液を最終濃度200[μg/mL]となるように加え37[℃]で10分間温めて、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6にアルギナーゼ処理を行う。生理食塩水としては、例えば、ダルベッコリン酸緩衝生理食塩水を用いる。このアルギナーゼ処理により、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6内の、アルギン酸カルシウムのハイドロゲルの溶解(溶融)と、コラーゲンのゲル化とが行われる。そして、表面に薄膜2が形成されたコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部からアルギン酸カルシウムのハイドロゲルが除去され、内部にゲル化した第1のコラーゲン1a及び第2のコラーゲン1bが残され、図3(c)に示すように、コラーゲンヤヌスビーズ10が作製(製造)される。なお、図3(c)では、説明のため、コラーゲンヤヌスビーズ10の表面の薄膜2の一部を破断して開放し、内部の第1のコラーゲン1aを図示している。
Next, the formed collagen-alginic acid mixed beads 6 are washed with a sodium chloride solution (150 [mM]) and then immersed in a poly-L-lysine (PLL) solution. By dipping in this poly-L-lysine (PLL) solution, a poly-L-lysine (PLL) film is formed as a thin film 2 on the surface of the collagen-alginic acid mixed beads 6 as shown in FIG. The
Next, the collagen-alginate mixed beads 6 on which the thin film 2 is formed are washed with physiological saline, and then an alginate lyase solution is added to the physiological saline to a final concentration of 200 [μg / mL]. ] For 10 minutes, and the collagen-alginate mixed beads 6 are treated with arginase. As the physiological saline, for example, Dulbecco's phosphate buffered physiological saline is used. By this arginase treatment, the dissolution (melting) of the hydrogel of calcium alginate in the collagen-alginate mixed beads 6 and the gelation of collagen are performed. Then, the hydrogel of calcium alginate is removed from the inside of the collagen-alginic acid mixed beads 6 having the thin film 2 formed on the surface, and the gelled first collagen 1a and second collagen 1b are left inside, as shown in FIG. As shown in (c), collagen Janus beads 10 are produced (manufactured). In FIG. 3C, for the sake of explanation, a part of the thin film 2 on the surface of the collagen Janus bead 10 is broken and opened to show the first collagen 1a inside.

図3(c)に示したコラーゲンヤヌスビーズ10の内部Bの詳細を、図3(e)に示す。図3(e)に示すように、コラーゲンヤヌスビーズ10の内部Bでは、アルギン酸7(アルギン酸カルシウムのハイドロゲル)は完全に除去され、第1のコラーゲン1a及び第2のコラーゲン1bのゲル化が完了し、コラーゲンヤヌスビーズ10の内部に第1のコラーゲン1a及び第2のコラーゲン1bのファイバネットワークが構築されている。   Details of the interior B of the collagen Janus beads 10 shown in FIG. 3C are shown in FIG. As shown in FIG. 3 (e), alginic acid 7 (calcium alginate hydrogel) is completely removed in the interior B of the collagen Janus beads 10, and the gelation of the first collagen 1a and the second collagen 1b is completed. A fiber network of the first collagen 1a and the second collagen 1b is constructed inside the collagen Janus beads 10.

上記の各手順に従うことで、単一粒子内において、内部に区画化された第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとを有し、表面が薄膜2(ポリ−L−リジン(PLL)膜)で被覆されている状態のコラーゲンヤヌスビーズ10を作製することができる。
なお、マイクロ流体デバイス20によるコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の射出形成、ポリ−L−リジン(PLL)膜のコーティング、及びアルギン酸リアーゼによるアルギン酸カルシウムのハイドロゲルの溶解という上記の各手順におけるビーズ(コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6、コラーゲンヤヌスビーズ10)の直径はおよそ均一である。
By following each of the above procedures, a single particle has a first collagen 1a and a second collagen 1b partitioned inside, and the surface is a thin film 2 (poly-L-lysine (PLL) film) The collagen Janus beads 10 in a state of being coated with () can be produced.
It should be noted that the beads (collagen-alginate beads 6 in the above-described procedures of injection formation of collagen-alginate mixed beads 6 by microfluidic device 20, coating of poly-L-lysine (PLL) membrane, and dissolution of calcium alginate hydrogel by alginate lyase The diameters of the alginate mixed beads 6 and the collagen Janus beads 10) are approximately uniform.

また、最終的に作製されたコラーゲンヤヌスビーズ10は2つの異なるコラーゲン半球を有しており、それぞれのコラーゲン半球においてコラーゲン(第1のコラーゲン1a、第2のコラーゲン1b)の異方的なコラーゲンゲルファイバネットワークが構築されている。すなわち、このコラーゲンヤヌスビーズ10は、単一粒子内において複数のコラーゲンが区画化されて異方的なファイバネットワークが実現されている。   The finally produced collagen Janus beads 10 have two different collagen hemispheres, and each collagen hemisphere has an anisotropic collagen gel of collagen (first collagen 1a, second collagen 1b). A fiber network has been established. That is, the collagen Janus bead 10 has an anisotropic fiber network in which a plurality of collagens are partitioned within a single particle.

区画化されている複数のコラーゲン(第1のコラーゲン1a、第2のコラーゲン1b)の各々は、均一サイズのゲルである。そのため、細胞層を含む生体内の細胞表面状態を模倣することも可能である。また、ゲル内部に少なくとも1種類の細胞を封入して培養することも可能である。また、コラーゲンヤヌスビーズ10内部で複数の異なる細胞層を構成し、複数の細胞層により形成される異方的な組織を模倣することも可能である。更に、複数のコラーゲンの境界上で、複数の異なる異方的な細胞境界環境を模倣することも可能である。   Each of the plurality of compartmentalized collagens (first collagen 1a, second collagen 1b) is a gel of uniform size. Therefore, it is possible to imitate the cell surface state in the living body including the cell layer. It is also possible to encapsulate and culture at least one type of cell inside the gel. In addition, it is possible to configure a plurality of different cell layers inside the collagen Janus beads 10 and imitate an anisotropic tissue formed by the plurality of cell layers. Furthermore, it is also possible to mimic a plurality of different anisotropic cell boundary environments on the boundaries of multiple collagens.

(コラーゲンヤヌスビーズを利用した細胞の培養)
上述したように、コラーゲンヤヌスビーズ10は、図4(a)、(b)に示すように、第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとのそれぞれに細胞8a、8bを添加して培養できる。なお、図4(a)、(b)では薄膜2については図示及び説明を省略する。
(Culture of cells using collagen Janus beads)
As described above, the collagen Janus beads 10 can be cultured by adding the cells 8a and 8b to the first collagen 1a and the second collagen 1b, respectively, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b). . 4A and 4B, illustration and description of the thin film 2 are omitted.

図4(a)の例では、第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとのそれぞれに細胞8a、8bを添加して培養することで細胞の分化誘導を行っている。この場合、第1のコラーゲン1aに添加して培養した細胞8aは第1のタイプの細胞となり、第2のコラーゲン1bに添加して培養した細胞8bは第2のタイプの細胞となり、互いに異なるタイプの細胞に変化する。また、図4(b)の例では、第1のコラーゲン1aと第2のコラーゲン1bとの境界上で層状培養することで異種細胞8a、8b間の共培養を行っている。この場合、第1のコラーゲン1aに添加して培養した細胞8aと、第2のコラーゲン1bに添加して培養した細胞8bとが結合して、細胞8a、8bのネットワークが形成される。   In the example of FIG. 4A, cell differentiation is induced by adding cells 8a and 8b to each of the first collagen 1a and the second collagen 1b and culturing them. In this case, the cells 8a cultured by adding to the first collagen 1a become the first type cells, and the cells 8b cultured by adding to the second collagen 1b become the second type cells, which are different types. Changes to cells. Further, in the example of FIG. 4B, co-culture between the heterogeneous cells 8a and 8b is performed by performing layered culture on the boundary between the first collagen 1a and the second collagen 1b. In this case, the cell 8a cultured after being added to the first collagen 1a and the cell 8b cultured after being added to the second collagen 1b are combined to form a network of cells 8a, 8b.

このように、第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズ10を用いることにより、個々の細胞8a、8b(幹細胞)の分化誘導や、単一粒子内における異種細胞8a、8b間の共培養等の従来の手法では困難であった異方的なコラーゲンゲルファイバネットワークを用いた細胞培養法を実施することが可能になる。   Thus, by using the collagen Janus beads 10 according to the first embodiment, differentiation induction of individual cells 8a and 8b (stem cells), co-culture between different cells 8a and 8b in a single particle, and the like are conventional. It becomes possible to carry out a cell culture method using an anisotropic collagen gel fiber network, which was difficult with this method.

また、コラーゲンヤヌスビーズ10を作製する際に、分子修飾として、赤色の蛍光染色を施した細胞8aと青色の蛍光染色を施した細胞8bとを混合してコラーゲンヤヌスビーズ10を作製する場合、青く蛍光染色したコラーゲン半球には赤く蛍光染色した細胞8aを封入し、赤く蛍光染色したコラーゲン半球には青く蛍光染色した細胞8bを封入する。細胞8a、8bとして、例えば、蛍光染色を施したNIH/3T3細胞を用いる。コラーゲン半球や、封入される細胞8a、8bを、蛍光染色により視覚的に識別可能にすることで、細胞8a、8bの封入を制御し、選択的に微小環境に細胞8a、8bを封入することが可能となる。また、封入した細胞8a、8bに対し生死判定を行ったところ、細胞8a、8bの生存率は約86%であり、非常に高い生存率で封入をすることが可能となる。   Further, when the collagen Janus beads 10 are produced, as a molecular modification, when the collagen Janus beads 10 are produced by mixing the cells 8a subjected to red fluorescent staining and the cells 8b subjected to blue fluorescent staining as a molecular modification, the color is blue. The fluorescently stained collagen hemisphere is encapsulated in red fluorescently stained cells 8a, and the red fluorescently stained collagen hemisphere is encapsulated in blue fluorescently stained cells 8b. For example, NIH / 3T3 cells subjected to fluorescent staining are used as the cells 8a and 8b. Collagen hemisphere and cells 8a and 8b to be encapsulated can be visually discriminated by fluorescent staining to control the encapsulation of cells 8a and 8b and selectively encapsulate cells 8a and 8b in a microenvironment. Is possible. When the encapsulated cells 8a and 8b are determined to be alive, the survival rate of the cells 8a and 8b is about 86%, and it becomes possible to encapsulate with a very high survival rate.

なお、上記の説明では、コラーゲンヤヌスビーズ10に細胞8a、8bを封入する事例について説明したが、コラーゲンヤヌスビーズ10内部には、細胞、タンパク質、脂質、糖類、核酸類、抗体等の生体成分を1種以上添加することができる。細胞8a、8bの種類は、特に限定されないが、例えば、分化万能性を有するES細胞やiPS細胞、分化多能性を有する各種の幹細胞(造血幹細胞、神経幹細胞、間葉系幹細胞等)、分化単一性を有する幹細胞(肝幹細胞、生殖幹細胞等)等の他、分化した各種の細胞、例えば、骨格筋細胞や心筋細胞等の筋細胞、神経細胞、線維芽細胞、上皮細胞、肝細胞、膵β細胞、皮膚細胞等を挙げることができる。もっとも細胞や生体成分は、上記に例示したものに限定されることはない。また、コラーゲンヤヌスビーズ10には、同時に非生体成分を添加しても良い。例えば、カーボンナノファイバ等の繊維類、触媒物質等の無機物質類、抗体等で被覆されたビーズ類、マイクロチップ等の人工物を添加することも可能である。   In the above description, the case where the cells 8a and 8b are encapsulated in the collagen Janus beads 10 has been described. However, in the collagen Janus beads 10, biological components such as cells, proteins, lipids, saccharides, nucleic acids, and antibodies are contained. One or more kinds can be added. The types of cells 8a and 8b are not particularly limited. For example, ES cells and iPS cells having pluripotency, various stem cells having pluripotency (hematopoietic stem cells, neural stem cells, mesenchymal stem cells, etc.), differentiation In addition to stem cells having a unity (hepatic stem cells, reproductive stem cells, etc.), various types of differentiated cells such as muscle cells such as skeletal muscle cells and cardiomyocytes, nerve cells, fibroblasts, epithelial cells, hepatocytes, Examples thereof include pancreatic β cells and skin cells. Of course, the cells and biological components are not limited to those exemplified above. Moreover, you may add a non-biological component to the collagen Janus bead 10 simultaneously. For example, fibers such as carbon nanofibers, inorganic substances such as a catalyst substance, beads coated with an antibody or the like, or an artificial object such as a microchip can be added.

(第1実施形態の効果)
第1実施形態に係るマイクロビーズの製造方法によれば、遠心力を駆動源としたマイクロ流体デバイス20を用いることにより、従来の手法では作製することが困難であった、異方性を有するコラーゲンヤヌスビーズ10を作製することができる。また、細胞8a、8bに対して毒性を有する油や有機溶媒等の試薬を用いることなく、直径100μm程度のきわめて微小なコラーゲンヤヌスビーズ10を大量に作製することができる。
(Effect of 1st Embodiment)
According to the microbead manufacturing method according to the first embodiment, by using the microfluidic device 20 using a centrifugal force as a driving source, collagen having anisotropy, which has been difficult to produce by a conventional method, is used. Janus beads 10 can be produced. In addition, a very small amount of collagen Janus beads 10 having a diameter of about 100 μm can be produced in large quantities without using reagents such as oils and organic solvents that are toxic to the cells 8a and 8b.

また、作製されたコラーゲンヤヌスビーズ10は、表面のポリ−L−リジン(PLL)膜の薄膜2と、内部の2種類のコラーゲン(第1のコラーゲン1a、第2のコラーゲン1b)半球とを有しており、それぞれのコラーゲン半球において、コラーゲン(第1のコラーゲン1a、第2のコラーゲン1b)のファイバネットワークを確認することができる。
また、コラーゲンヤヌスビーズ10内部の異なる2種類のコラーゲン半球を視覚的に識別可能にすることで、異なる蛍光染色を施した複数の細胞8a、8b(例えば、NIH/3T3細胞)を用いて、封入対象となるそれぞれの細胞8a、8bをコラーゲンヤヌスビーズ10内部の異なる複数のコラーゲン半球に選択的に封入可能である。その際、細胞8a、8bの生存率は86%となり、非常に高い生存率で封入可能であった。
また、第1実施形態に係るコラーゲンヤヌスビーズ10を用いることで、異方性を有した微小環境における細胞8a、8bの挙動の更なる理解と、これに基づく細胞培養や組織工学等の工学的な応用が期待される。
Further, the produced collagen Janus beads 10 have a thin film 2 of a poly-L-lysine (PLL) film on the surface and two types of collagen (first collagen 1a, second collagen 1b) hemisphere inside. In each collagen hemisphere, a fiber network of collagen (first collagen 1a, second collagen 1b) can be confirmed.
In addition, by making it possible to visually distinguish two different types of collagen hemispheres inside the collagen Janus beads 10, encapsulation is performed using a plurality of cells 8a and 8b (for example, NIH / 3T3 cells) that have undergone different fluorescent staining. Each target cell 8a, 8b can be selectively encapsulated in a plurality of different collagen hemispheres inside the collagen Janus beads 10. At that time, the survival rate of the cells 8a and 8b was 86%, and the cells could be encapsulated with a very high survival rate.
Further, by using the collagen Janus beads 10 according to the first embodiment, further understanding of the behavior of the cells 8a and 8b in an anisotropic microenvironment, and engineering such as cell culture and tissue engineering based on the understanding. Application is expected.

<第2実施形態>
第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルは、図5に示すように、境界面(外形面)で囲まれた立体形状としての占有領域(3a,3b)を有し、この占有領域が複数種類の成分のそれぞれを含有する複数の領域3a,3bに互いに区画化され、複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であり、且つ異方性を有するハイドロゲルである。第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを用いた足場30及びその製造方法では、第1実施形態に係るマイクロビーズ(コラーゲンヤヌスビーズ10)の薄膜2に代えて、マイクロチャンバー42を用いて微少な異方性ハイドロゲル(例えば、コラーゲン)の塊(占有領域)を保持する構成とした点が、第1実施形態に係るマイクロビーズ及びその製造方法と異なる。
Second Embodiment
As shown in FIG. 5, the anisotropic hydrogel according to the second embodiment has occupied regions (3a, 3b) as a three-dimensional shape surrounded by a boundary surface (outer surface), and a plurality of the occupied regions. A plurality of regions 3a and 3b containing each of the types of components are partitioned from each other, and at least one of the types of components is a biological component and is a hydrogel having anisotropy. In the scaffold 30 using the anisotropic hydrogel according to the second embodiment and the manufacturing method thereof, the microchamber 42 is used instead of the thin film 2 of the microbeads (collagen Janus beads 10) according to the first embodiment. The microbeads according to the first embodiment and the method for manufacturing the microbeads are different from each other in that the anisotropic hydrogel (for example, collagen) mass (occupied region) is held.

(足場の構成)
図5に示すように、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを用いた足場30は、マイクロチャンバー42内において、内部に区画化された2つのコラーゲン(以下「第1のコラーゲン3a」、「第2のコラーゲン3b」とも呼ぶ)からなる異方性ハイドロゲルの微少な塊(占有領域)を有しており、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとの境界面3cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差している。図5の例では、境界面3cの法線方向は底面42bの法線方向と直交している。第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとは互いに性質が異なる異方的なコラーゲンである。
(Structure of the scaffold)
As shown in FIG. 5, the scaffold 30 using the anisotropic hydrogel according to the second embodiment includes two collagens (hereinafter referred to as “first collagen 3 a”) inside the microchamber 42. And a normal line of the boundary surface 3c between the first collagen 3a and the second collagen 3b (also referred to as “second collagen 3b”). The direction intersects the normal direction of the bottom surface 42 b of the microchamber 42. In the example of FIG. 5, the normal direction of the boundary surface 3c is orthogonal to the normal direction of the bottom surface 42b. The first collagen 3a and the second collagen 3b are anisotropic collagens having different properties.

なお、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを用いた足場30として、内部に2種類のコラーゲンを有する異方的・複合的な事例について説明するが、2種類に限定されない。図6(a)、(b)に示すように、3種類以上のコラーゲンを有する足場30を作製することも技術的に可能である。また、各コラーゲンの比率を変更することも可能である。図6(a)の例では、3種類のコラーゲン(第1のコラーゲン3a、第2のコラーゲン3b、第3のコラーゲン3d)を有し、各コラーゲンの比率が互いに等しくなっている。また、図6(b)の例では、同様に3種類のコラーゲンを有するが、1つのコラーゲン(第3のコラーゲン3d)の比率が他の2つのコラーゲンの比率よりも大きくなっている。   In addition, although the anisotropic and composite example which has two types of collagen inside is demonstrated as the scaffold 30 using the anisotropic hydrogel which concerns on 2nd Embodiment, it is not limited to two types. As shown in FIGS. 6A and 6B, it is technically possible to produce a scaffold 30 having three or more types of collagen. It is also possible to change the ratio of each collagen. In the example of FIG. 6A, there are three types of collagen (first collagen 3a, second collagen 3b, and third collagen 3d), and the ratios of the collagens are equal to each other. Further, in the example of FIG. 6B, similarly, there are three types of collagen, but the ratio of one collagen (third collagen 3d) is larger than the ratio of the other two collagens.

また、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルの種類としては、コラーゲンを想定しているが、コラーゲンに限定されない。例えば、コラーゲン以外にも、キトサンゲル、ゼラチン、ヒアルロン酸ゲル、ラミニンゲル、ペプチドゲル、フィブリンゲル、マトリゲル、超分子ハイドロゲル或いはそれらの混合物等を基材とするハイドロゲルを用いることができる。また、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン等の水溶性ポリマーに紫外線や放射線を照射して形成可能なハイドロゲルを用いても良い。   Moreover, although the collagen is assumed as a kind of anisotropic hydrogel which concerns on 2nd Embodiment, it is not limited to collagen. For example, in addition to collagen, a hydrogel based on chitosan gel, gelatin, hyaluronic acid gel, laminin gel, peptide gel, fibrin gel, matrigel, supramolecular hydrogel, or a mixture thereof can be used. Moreover, you may use the hydrogel which can be formed by irradiating water-soluble polymers, such as polyvinyl alcohol, polyethylene oxide, and polyvinylpyrrolidone, with an ultraviolet-ray or a radiation.

(マイクロチャンバーアレイの構成)
第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを利用した足場30の製造方法では、異方的・複合的な足場30を作製するために、マイクロチャンバーアレイ40を用いる。図7に示すように、マイクロチャンバーアレイ40は、平板状の本体プレート41と、本体プレート41の一方の面にアレイ状に配列された複数のマイクロチャンバー42とを備える。
(Configuration of micro chamber array)
In the method for manufacturing the scaffold 30 using the anisotropic hydrogel according to the second embodiment, the microchamber array 40 is used to manufacture the anisotropic / complex scaffold 30. As shown in FIG. 7, the microchamber array 40 includes a plate-shaped main body plate 41 and a plurality of microchambers 42 arranged in an array on one surface of the main body plate 41.

マイクロチャンバー42は、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を1個だけ収容可能な断面円形状の凹部である。マイクロチャンバー42の直径は、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の直径よりも若干大きめである。例えば、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の直径が100[μm]程度である場合には、マイクロチャンバー42の直径は150[μm]程度とする。マイクロチャンバーアレイ40の材質としては、第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bの付着し易さを考慮すると、シリコンゴムが好ましい。   The microchamber 42 is a recess having a circular cross section that can accommodate only one collagen-alginate mixed bead 6. The diameter of the microchamber 42 is slightly larger than the diameter of the collagen-alginate mixed beads 6. For example, when the diameter of the collagen-alginate mixed beads 6 is about 100 [μm], the diameter of the microchamber 42 is about 150 [μm]. As a material of the microchamber array 40, silicon rubber is preferable in consideration of easy adhesion of the first collagen 3a and the second collagen 3b.

(足場の製造方法)
まず、第1実施形態に係る異方性ハイドロゲルの製造方法と同様の手順で、マイクロ流体デバイス20を用い、図8(a)に示すように、境界面(外形面)で囲まれた異方性ハイドロゲルの塊(占有領域)としてのコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を形成する。
図8(a)に示したコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部Cの詳細を、図8(d)に示す。図8(d)に示すように、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部Cでは、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を構成するゲル化対象溶液5a、5bのうちの、第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bは未だゲル化していないが、アルギン酸7はゲル化してアルギン酸カルシウムのハイドロゲルのネットワークを形成し、ゲル化していない第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bを保持した状態となっている。
(Manufacturing method of scaffold)
First, in the same procedure as the method for manufacturing the anisotropic hydrogel according to the first embodiment, the microfluidic device 20 is used and, as shown in FIG. Collagen-alginate mixed beads 6 are formed as a mass (occupied region) of isotropic hydrogel.
Details of the interior C of the collagen-alginate mixed beads 6 shown in FIG. 8A are shown in FIG. As shown in FIG. 8D, in the inside C of the collagen-alginic acid mixed bead 6, the first collagen 3a and the second of the gelation target solutions 5a and 5b constituting the collagen-alginic acid mixed bead 6 are used. Collagen 3b is not yet gelled, but alginic acid 7 is gelled to form a calcium alginate hydrogel network and retains the non-gelled first collagen 3a and second collagen 3b. .

また、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6は、図9(a)に示すように、ゲル化対象溶液5a、5b間の境界面5cの法線方向と交差する方向に潰れている扁球状(球が扁平化した形状)の微少な塊や、図9(b)に示すように、境界面5cの法線方向に伸びている長球状(球が伸長した形状)の微少な塊となるように形成する。図9(a)の例では、境界面5cの法線方向と直交する方向に潰れている扁球状の微少な塊となっている。また、図9(b)の例では、境界面5cの法線方向と平行な方向に伸びている長球状の微少な塊となっている。なお、「扁球状」や「長球状」には、完全な扁球形状や長球形状だけでなく、これら扁球形状や長球形状を組合せた形状等の近似した形状等も含まれる。   In addition, as shown in FIG. 9A, the collagen-alginate mixed beads 6 are oblate (spheroids are flattened) crushed in a direction intersecting the normal direction of the boundary surface 5c between the gelation target solutions 5a and 5b. 9 (b), or a small lump of an oval shape (a shape in which a sphere is elongated) extending in the normal direction of the boundary surface 5c, as shown in FIG. 9B. . In the example shown in FIG. 9A, the shape is a small oblate sphere that is crushed in a direction perpendicular to the normal direction of the boundary surface 5c. Moreover, in the example of FIG. 9B, it is a fine oval lump extending in a direction parallel to the normal direction of the boundary surface 5c. Note that “oblong shape” and “ellipsoid” include not only a perfect oblate shape or an oblong shape, but also an approximate shape such as a combination of the oblate shape and the oblong shape.

コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の扁平の度合いを調整する方法としては、例えば、シータ管22a、22bの先端とゲル化剤液4の液面との間の距離L(図2参照)を調整する方法を採用できる。この方法では、距離Lが長くなるほど、ゲル化対象溶液5a、5bがゲル化剤液4に衝突する際の速度が増大するため、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を扁平化することができる。また、例えば、図10に示すように、シータ管22a、22bの先端部の空洞を、シータ管22a、22b間を区画化する境界部22cの法線方向に伸長することで、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を伸長することができる。   As a method for adjusting the flatness of the collagen-alginate mixed beads 6, for example, a method for adjusting the distance L (see FIG. 2) between the tips of the theta tubes 22 a and 22 b and the liquid level of the gelling agent solution 4. Can be adopted. In this method, as the distance L becomes longer, the speed at which the gelation target solutions 5a and 5b collide with the gelling agent solution 4 increases, so that the collagen-alginate mixed beads 6 can be flattened. Further, for example, as shown in FIG. 10, the collagen-alginate mixture is obtained by extending the cavity at the tip of the theta tubes 22a and 22b in the normal direction of the boundary portion 22c that partitions the theta tubes 22a and 22b. The beads 6 can be extended.

次に、図11に示すように、マイクロチャンバー42が形成された面を上方に向けた、複数のマイクロチャンバーアレイ40をシャーレ50内に載置し、シャーレ50内に緩衝液51を注入して、すべてのマイクロチャンバーアレイ40を緩衝液51下に沈める。緩衝液51としては、例えば、ダルベッコリン酸緩衝生理食塩水(DPBS)を用いる。
次に、緩衝液51に沈めた各マイクロチャンバーアレイ40上に、複数のコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を撒いて、図8(b)に示すように各マイクロチャンバー42にコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6を異方性ハイドロゲルの微少な塊として収容させる。その際、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6は、ゲル化対象溶液5a、5b間の境界面5cの法線方向と交差する方向に潰れている扁球状や、境界面5cの法線方向に伸びている長球状となっているため、第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bの境界面5cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差した状態になる。図8(b)の例では、境界面5cの法線方向は底面42bの法線方向と直交している。
Next, as shown in FIG. 11, a plurality of microchamber arrays 40 are placed in the petri dish 50 with the surface on which the microchambers 42 are formed facing upward, and a buffer solution 51 is injected into the petri dish 50. Submerge all the microchamber arrays 40 under the buffer 51. As the buffer solution 51, for example, Dulbecco's phosphate buffered saline (DPBS) is used.
Next, a plurality of collagen-alginate mixed beads 6 are spread on each microchamber array 40 submerged in buffer 51, and collagen-alginate mixed beads 6 are placed in each microchamber 42 as shown in FIG. 8 (b). It is accommodated as a fine mass of anisotropic hydrogel. At that time, the collagen-alginic acid mixed beads 6 extend in the normal direction of the boundary surface 5c or the oblate shape collapsed in the direction intersecting the normal direction of the boundary surface 5c between the gelation target solutions 5a and 5b. Since the shape is oblong, the normal direction of the boundary surface 5c between the first collagen 3a and the second collagen 3b intersects the normal direction of the bottom surface 42b of the microchamber 42. In the example of FIG. 8B, the normal direction of the boundary surface 5c is orthogonal to the normal direction of the bottom surface 42b.

次に、緩衝液51が注入されたシャーレ50内にアルギン酸リアーゼ溶液を最終濃度200[μg/mL]となるように加え37[℃]で10分間温めて、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6にアルギナーゼ処理を行う。このアルギナーゼ処理により、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6内のアルギン酸カルシウムのハイドロゲルのネットワークの溶解と、コラーゲンのゲル化とが行われる。そして、マイクロチャンバー42に収容されたコラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6の内部からアルギン酸カルシウムのハイドロゲルが除去され、コラーゲン−アルギン酸混合ビーズ6内部にゲル化した第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bが残される。すると、図8(c)に示すように、区画化が保たれた状態で第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bがマイクロチャンバー42内に広がり、シャーレ50内のマイクロチャンバーアレイ40のマイクロチャンバー42それぞれに異方的・複合的な足場30が作製される。このような足場30を細胞等の培養対象の培養及び観察に用いることで、培養対象の観察を、より効率よく行うことが可能となる。   Next, an alginate lyase solution is added to the petri dish 50 into which the buffer solution 51 is injected so that the final concentration becomes 200 [μg / mL], and the mixture is warmed at 37 [° C.] for 10 minutes, and the collagen-alginate mixed beads 6 are treated with arginase. I do. By this arginase treatment, the dissolution of the calcium alginate hydrogel network in the collagen-alginate mixed beads 6 and the gelation of the collagen are performed. Then, the hydrogel of calcium alginate is removed from the inside of the collagen-alginate mixed beads 6 accommodated in the microchamber 42, and the first collagen 3a and the second collagen 3b gelled inside the collagen-alginate mixed beads 6 are formed. Left behind. Then, as shown in FIG. 8C, the first collagen 3a and the second collagen 3b spread into the microchamber 42 in a state where the compartmentation is maintained, and the microchambers of the microchamber array 40 in the petri dish 50 are spread. An anisotropic / composite scaffold 30 is produced for each 42. By using such a scaffold 30 for culturing and observing a culture target such as a cell, the culture target can be observed more efficiently.

図8(c)に示した足場30の内部Dの詳細を、図8(e)に示す。図8(e)に示すように、足場30の内部Dでは、アルギン酸7(アルギン酸カルシウム)は完全に除去され、第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bがゲル化し、足場30の内部に第1のコラーゲン3a及び第2のコラーゲン3bのファイバネットワークが構築されている。
上記の各手順に従うことで、マイクロチャンバー42内において、内部に区画化された第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとからなる異方的・複合的な異方性ハイドロゲルの微少な塊を有し、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとの境界面3cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差している状態の足場30を作製することができる。区画化されている複数のコラーゲンの各々は均一サイズの異方性ハイドロゲルからなる。そのため、細胞層を含む生体内の細胞表面状態を模倣することも可能である。また、ハイドロゲル内部に少なくとも1種類の細胞を封入して培養することも可能である。また、足場30内部で複数の異なる細胞層を構成し、複数の細胞層により形成される異方的な組織を模倣することも可能である。更に、複数のコラーゲンの境界上で、複数の異なる異方的な細胞境界環境を模倣することも可能である。
Details of the interior D of the scaffold 30 shown in FIG. 8C are shown in FIG. As shown in FIG. 8 (e), in the inside D of the scaffold 30, the alginate 7 (calcium alginate) is completely removed, the first collagen 3 a and the second collagen 3 b gel, and the first inside the scaffold 30. A fiber network of one collagen 3a and second collagen 3b is constructed.
By following each of the above procedures, in the microchamber 42, a minute mass of anisotropic / complex anisotropic hydrogel composed of the first collagen 3a and the second collagen 3b partitioned inside. The scaffold 30 in a state where the normal direction of the boundary surface 3c between the first collagen 3a and the second collagen 3b intersects the normal direction of the bottom surface 42b of the microchamber 42 can be produced. . Each of the plurality of compartmentalized collagens consists of an anisotropic hydrogel of uniform size. Therefore, it is possible to imitate the cell surface state in the living body including the cell layer. It is also possible to encapsulate and culture at least one type of cell inside the hydrogel. It is also possible to configure a plurality of different cell layers inside the scaffold 30 and imitate an anisotropic tissue formed by the plurality of cell layers. Furthermore, it is also possible to mimic a plurality of different anisotropic cell boundary environments on the boundaries of multiple collagens.

(異方性ハイドロゲルを利用した細胞の培養)
上述したように、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルは、図12(a)、(b)に示すように、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとのそれぞれに細胞8a、8bを添加して、異方的な微小環境で培養する足場30として利用できる。細胞8a、8bの添加方法としては、例えば、ゲル化対象溶液5a、5bに細胞8a、8bを混合する方法や、足場30の形成後に足場30に細胞8a、8bを撒く方法を用いることができる。
(Cell culture using anisotropic hydrogel)
As described above, the anisotropic hydrogel according to the second embodiment, as shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), has the cells 8a and 8a in each of the first collagen 3a and the second collagen 3b. 8b can be added and used as a scaffold 30 for culturing in an anisotropic microenvironment. As a method for adding the cells 8a and 8b, for example, a method of mixing the cells 8a and 8b with the gelation target solutions 5a and 5b, or a method of spreading the cells 8a and 8b on the scaffold 30 after the formation of the scaffold 30 can be used. .

図12(a)の例では、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとのそれぞれに細胞8a、8bを添加して培養することで細胞の分化誘導を行っている。この場合、第1のコラーゲン3aに添加して培養した細胞8aは第1のタイプの細胞となり、第2のコラーゲン3bに添加して培養した細胞8bは第2のタイプの細胞となり、互いに異なるタイプの細胞に変化する。また、図12(b)の例では、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとの境界面3c上で層状培養することで異種細胞8a、8b間の共培養を行っている。この場合、第1のコラーゲン3aに添加して培養した細胞8aと、第2のコラーゲン3bに添加して培養した細胞8bとが結合して、細胞のネットワークが形成される。   In the example of FIG. 12A, cell differentiation is induced by adding cells 8a and 8b to each of the first collagen 3a and the second collagen 3b and culturing them. In this case, the cells 8a cultured by adding to the first collagen 3a become the first type cells, and the cells 8b cultured by adding to the second collagen 3b become the second type cells, which are different types. Changes to cells. In the example of FIG. 12B, co-culture between the heterogeneous cells 8a and 8b is performed by layered culture on the boundary surface 3c between the first collagen 3a and the second collagen 3b. In this case, the cell 8a cultured by adding to the first collagen 3a and the cell 8b cultured by adding to the second collagen 3b are combined to form a cell network.

このように、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを利用した異方的な足場30を用いることにより、個々の細胞8a、8b(幹細胞)の分化誘導や、単一粒子内における異種細胞(細胞8a、8b)間の共培養等の従来の手法では困難であった細胞培養法を実施することが可能になる。
また、培養した細胞8a、8bの観察は、図13に示すように、マイクロチャンバー42の形成面と反対側に配置され、マイクロチャンバー42内の第1及び第2のコラーゲン3a、3bの細胞8a、8bを拡大表示するマイクロスコープ60で行うことができる。
Thus, by using the anisotropic scaffold 30 using the anisotropic hydrogel according to the second embodiment, differentiation induction of individual cells 8a and 8b (stem cells) and heterogeneous cells in a single particle are performed. It becomes possible to carry out a cell culturing method that has been difficult with conventional techniques such as co-culture between (cells 8a, 8b).
As shown in FIG. 13, the cultured cells 8a and 8b are observed on the side opposite to the formation surface of the microchamber 42, and the cells 8a of the first and second collagens 3a and 3b in the microchamber 42 are observed. , 8b can be enlarged with a microscope 60.

上述したように、足場30は、境界面3cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差(例えば、直交)している。それゆえ、マイクロスコープ60では、境界面3cの法線方向と交差する方向から、境界面3c付近での細胞8a、8bを拡大して観察することができる。その結果、境界面3c付近での細胞8a、8bの状態をより詳細に観察することが可能となる。そのため、特に、がん細胞の遊走試験、不均一なマイクロ環境化における幹細胞の分化誘導試験、神経細胞の突起進展試験等に好適である。   As described above, in the scaffold 30, the normal direction of the boundary surface 3 c intersects (for example, orthogonal) with the normal direction of the bottom surface 42 b of the microchamber 42. Therefore, in the microscope 60, the cells 8a and 8b near the boundary surface 3c can be enlarged and observed from the direction intersecting the normal direction of the boundary surface 3c. As a result, the state of the cells 8a and 8b in the vicinity of the boundary surface 3c can be observed in more detail. Therefore, it is particularly suitable for cancer cell migration tests, stem cell differentiation induction tests in heterogeneous microenvironment, and neuronal cell protrusion development tests.

ちなみに、図15に示すように、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとの境界面3cの法線方向とマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向とが交差していない足場30、つまり境界面3cと底面42bとが平行である従来の足場30では、マイクロスコープ60は、境界面3cの法線方向から細胞8a、8bを表示することになる。そのため、境界面3c付近での細胞8a、8bの状態を詳細に観察することが困難となる。   Incidentally, as shown in FIG. 15, the scaffold 30 in which the normal direction of the boundary surface 3c between the first collagen 3a and the second collagen 3b and the normal direction of the bottom surface 42b of the microchamber 42 do not intersect, that is, In the conventional scaffold 30 in which the boundary surface 3c and the bottom surface 42b are parallel, the microscope 60 displays the cells 8a and 8b from the normal direction of the boundary surface 3c. Therefore, it becomes difficult to observe in detail the state of the cells 8a and 8b in the vicinity of the boundary surface 3c.

また、足場30を作製する際に、分子修飾として、赤色の蛍光染色を施した細胞8aと青色の蛍光染色を施した細胞8bとを混合して足場30を作製する場合、青く蛍光染色した第1のコラーゲン3aには赤く蛍光染色した細胞8aを封入し、赤く蛍光染色した第2のコラーゲン3bには青く蛍光染色した細胞8bを封入する。細胞8a、8bとしては、例えば、蛍光染色を施したNIH/3T3細胞を用いる。第1及び第2のコラーゲン3a、3bや細胞8a、8bを蛍光染色により視覚的に識別可能にすることで、細胞8a、8bの封入を制御し、選択的に微小環境に細胞8a、8bを封入することが可能となる。   Further, when the scaffold 30 is prepared by mixing the cells 8a having been subjected to red fluorescent staining and the cells 8b having been subjected to blue fluorescent staining as a molecular modification when the scaffold 30 is prepared, the second fluorescently stained first Cells 8a stained with red fluorescence are encapsulated in one collagen 3a, and cells 8b stained blue are encapsulated in second collagen 3b stained red. As the cells 8a and 8b, for example, NIH / 3T3 cells subjected to fluorescent staining are used. By making the first and second collagens 3a, 3b and the cells 8a, 8b visually distinguishable by fluorescent staining, the encapsulation of the cells 8a, 8b is controlled, and the cells 8a, 8b are selectively placed in the microenvironment. It becomes possible to encapsulate.

なお、上記の説明では、足場30に細胞8a、8bを封入する事例について説明したが、足場30内部には、細胞、タンパク質、脂質、糖類、核酸類、抗体等の生体成分を1種以上添加することができる。細胞8a、8bの種類は、特に限定されないが、例えば、分化万能性を有するES細胞やiPS細胞、分化多能性を有する各種の幹細胞、分化単一性を有する幹細胞等の他、分化した各種の細胞、例えば、骨格筋細胞や心筋細胞等の筋細胞、神経細胞、線維芽細胞、上皮細胞、肝細胞、膵β細胞、皮膚細胞等を挙げることができる。もっとも細胞や生体成分は、上記に例示したものに限定されることはない。また、足場30には、同時に非生体成分を添加しても良い。例えば、カーボンナノファイバ等の繊維類、触媒物質等の無機物質類、抗体等で被覆されたビーズ類、マイクロチップ等の人工物を添加することも可能である。   In the above description, the case where the cells 8a and 8b are enclosed in the scaffold 30 has been described. However, one or more biological components such as cells, proteins, lipids, saccharides, nucleic acids, and antibodies are added to the scaffold 30. can do. The types of cells 8a and 8b are not particularly limited. For example, ES cells and iPS cells having pluripotency, various stem cells having pluripotency, stem cells having differentiation unity, and other various differentiated cells. Examples thereof include muscle cells such as skeletal muscle cells and cardiomyocytes, nerve cells, fibroblasts, epithelial cells, hepatocytes, pancreatic β cells, skin cells and the like. Of course, the cells and biological components are not limited to those exemplified above. Moreover, you may add a non-biological component to the scaffold 30 simultaneously. For example, fibers such as carbon nanofibers, inorganic substances such as a catalyst substance, beads coated with an antibody or the like, or an artificial object such as a microchip can be added.

(第2実施形態の効果)
第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを利用した足場及びその製造方法によれば、マイクロチャンバー42内において、内部に区画化された第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとを有して異方的・複合的な微小環境を実現しており、第1のコラーゲン3aと第2のコラーゲン3bとの境界面3cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差している異方的・複合的な構造を有した足場30を作製できる。また、細胞8a、8bに対して毒性を有する油や有機溶媒等の試薬を用いることなく、直径150μm程度のきわめて微小な足場30をアレイ状に大量に作製することができる。
(Effect of 2nd Embodiment)
According to the scaffold using the anisotropic hydrogel and the manufacturing method thereof according to the second embodiment, the microchamber 42 has the first collagen 3a and the second collagen 3b partitioned inside. An anisotropic and complex microenvironment is realized, and the normal direction of the boundary surface 3c between the first collagen 3a and the second collagen 3b intersects the normal direction of the bottom surface 42b of the microchamber 42. A scaffold 30 having an anisotropic / complex structure can be produced. In addition, a very small scaffold 30 having a diameter of about 150 μm can be produced in a large amount in an array without using a reagent such as an oil or an organic solvent that is toxic to the cells 8a and 8b.

また、作製された足場30は、2種類のコラーゲン(第1のコラーゲン3a、第2のコラーゲン3b)を有しており、それぞれのコラーゲンにおいて、コラーゲン(第1のコラーゲン3a、第2のコラーゲン3b)のファイバネットワークを確認することができる。
また、足場30内部の異なる2種類のコラーゲンを視覚的に識別可能にすることで、異なる蛍光染色を施した複数の細胞8a、8bを用いて、封入対象となるそれぞれの細胞8a、8bを足場30内部の異なる複数のコラーゲンに選択的に封入することができる。
The prepared scaffold 30 has two types of collagen (first collagen 3a and second collagen 3b), and in each collagen, the collagen (first collagen 3a and second collagen 3b). ) Fiber network can be confirmed.
In addition, by making two different types of collagen inside the scaffold 30 visually identifiable, a plurality of cells 8a and 8b that have undergone different fluorescence staining are used to scaffold each cell 8a and 8b to be encapsulated. 30 can be selectively encapsulated in a plurality of different collagens.

また、図14(a)に示すように、細胞8a、8bとしてNIH/3T3細胞を足場30に撒いた後、二酸化炭素で満たした環境で、37[℃]で24時間温める実験を行った。この実験により、図14(b)に示すように、NIH/3T3細胞を培養できることを確認できた。なお、図14(a)、(b)では、コラーゲン(第1のコラーゲン3a、第2のコラーゲン3b)には蛍光染色を施されていないため、いずれも同一色となっている。   Further, as shown in FIG. 14A, an experiment was performed in which NIH / 3T3 cells were seeded on the scaffold 30 as cells 8a and 8b and then heated at 37 [° C.] for 24 hours in an environment filled with carbon dioxide. This experiment confirmed that NIH / 3T3 cells can be cultured as shown in FIG. 14 (b). In FIGS. 14A and 14B, the collagen (the first collagen 3a and the second collagen 3b) is not fluorescently stained, so that both have the same color.

また、第2実施形態に係る異方性ハイドロゲルを利用した異方的な足場30を用いることで、異なる2種類のコラーゲンの境界面3cの法線方向がマイクロチャンバー42の底面42bの法線方向と交差しているため、培養した細胞8a、8bを、境界面3cの法線方向と交差する方向から観察できる。それゆえ、境界面3c付近での細胞8a、8bの状態を異方的な微小環境としてより詳細に観察することができる。   Further, by using the anisotropic scaffold 30 using the anisotropic hydrogel according to the second embodiment, the normal direction of the boundary surface 3c of two different types of collagen is normal to the bottom surface 42b of the microchamber 42. Since it intersects the direction, the cultured cells 8a and 8b can be observed from the direction intersecting the normal direction of the boundary surface 3c. Therefore, the state of the cells 8a and 8b in the vicinity of the boundary surface 3c can be observed in more detail as an anisotropic microenvironment.

以上、第1及び第2実施形態を参照して本発明を説明したが、これらの説明によって発明を限定することを意図するものではない。本発明の説明を参照することにより、当業者には、開示された実施形態の種々の変形例とともに本発明の別の実施形態も明らかである。したがって、特許請求の範囲は、本発明の範囲及び要旨に含まれるこれらの変形例又は実施形態も網羅すると解すべきである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated with reference to 1st and 2nd embodiment, it is not intending limiting invention by these description. From the description of the invention, other embodiments of the invention will be apparent to persons skilled in the art, along with various variations of the disclosed embodiments. Therefore, it is to be understood that the claims encompass these modifications and embodiments that fall within the scope and spirit of the present invention.

1a…第1のコラーゲン、1b…第2のコラーゲン、2…薄膜、3a…第1のコラーゲン、3b…第2のコラーゲン、3c…境界面、3d…第3のコラーゲン3d、4…ゲル化剤液、5a…ゲル化対象溶液、5b…ゲル化対象溶液、5c…境界面、6…アルギン酸混合ビーズ、7…アルギン酸、8a,8b…細胞、10…コラーゲンヤヌスビーズ、20…マイクロ流体デバイス、21…マイクロチューブ、21a…胴体部、21b…液室、21c…固定部、22a…シータ管、22b…シータ管、22c…境界部、30…足場、40…マイクロチャンバーアレイ、41…本体プレート、42…マイクロチャンバー、42a…内周面、42b…底面、50…シャーレ、51…緩衝液、60…マイクロスコープ   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a ... 1st collagen, 1b ... 2nd collagen, 2 ... Thin film, 3a ... 1st collagen, 3b ... 2nd collagen, 3c ... Interface, 3d ... 3rd collagen 3d, 4 ... Gelling agent Solution, 5a ... Gelation target solution, 5b ... Gelation target solution, 5c ... Interface, 6 ... Alginic acid mixed beads, 7 ... Alginic acid, 8a, 8b ... Cells, 10 ... Collagen Janus beads, 20 ... Microfluidic device, 21 ... Microtube, 21a ... Body part, 21b ... Liquid chamber, 21c ... Fixing part, 22a ... Theta tube, 22b ... Theta tube, 22c ... Boundary part, 30 ... Scaffolding, 40 ... Microchamber array, 41 ... Main body plate, 42 ... Microchamber, 42a ... Inner peripheral surface, 42b ... Bottom, 50 ... Petri dish, 51 ... Buffer, 60 ... Microscope

Claims (18)

単一粒子内に区画化された複数種類の成分を含有することで異方性を有し、前記複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であることを特徴とするマイクロビーズ。   A microbead having anisotropy by containing a plurality of types of components partitioned in a single particle, wherein at least one of the plurality of types of components is a biological component. 前記複数種類の成分として、互いに性質が異なる複数のコラーゲンを含有する請求項1に記載のマイクロビーズ。   The microbead according to claim 1, comprising a plurality of collagens having different properties as the plurality of types of components. 前記複数のコラーゲンの各々は、均一サイズのゲルであり、生体内の細胞表面状態を模倣し、前記ゲルの内部に少なくとも1種類の細胞を封入して培養することにより更に生体内の組織表面状態を模倣する請求項2に記載のマイクロビーズ。   Each of the plurality of collagens is a gel having a uniform size, imitates a cell surface state in a living body, and encapsulates and cultures at least one type of cells in the gel to further increase the tissue surface state in the living body. The microbead according to claim 2, which mimics ビーズ内部で複数の異なる細胞層を構成し、複数の細胞層により形成される組織を模倣する請求項3に記載のマイクロビーズ。   The microbead according to claim 3, wherein a plurality of different cell layers are formed inside the bead to mimic a tissue formed by the plurality of cell layers. 前記複数のコラーゲンの境界上で、複数の異なる細胞境界環境を模倣する請求項3又は4に記載のマイクロビーズ。   The microbead according to claim 3 or 4, which mimics a plurality of different cell boundary environments on the boundary of the plurality of collagens. 直径20μm以上200μm以下である請求項1から5のいずれか一項に記載のマイクロビーズ。   The microbead according to any one of claims 1 to 5, which has a diameter of 20 µm to 200 µm. コラーゲンとアルギン酸とを混合した混合溶液を生成し、
前記混合溶液に含有される前記アルギン酸のゲル化により、ゲル化していない前記コラーゲンを含む混合ビーズを作製し、
前記混合ビーズの表面に薄膜を形成し、
前記混合ビーズの内部において前記アルギン酸のゲルの溶解と前記コラーゲンのゲル化とを行うことを特徴とするマイクロビーズの製造方法。
Produce a mixed solution of collagen and alginic acid,
By the gelation of the alginic acid contained in the mixed solution, a mixed bead containing the non-gelled collagen is produced,
Forming a thin film on the surface of the mixed beads;
A method for producing microbeads, comprising dissolving the gel of alginic acid and gelling the collagen in the mixed beads.
複数種類の前記混合溶液を生成し、
複数種類の前記混合溶液の各々を個別に毛細管に充填し、
遠心力により前記毛細管の先端からゲル化剤液に向かって複数種類の前記混合溶液の各々を放出し、
前記毛細管の先端から放出された複数種類の前記混合溶液の各々が互いに接触した状態で、前記ゲル化剤液の中でゲル化して前記混合ビーズを作製する請求項7に記載のマイクロビーズの製造方法。
Producing a plurality of types of the mixed solution,
Capillary tubes are individually filled with each of a plurality of types of the mixed solution,
Each of a plurality of types of the mixed solution is released from the tip of the capillary tube toward the gelling agent solution by centrifugal force,
The microbead manufacturing method according to claim 7, wherein the mixed beads are produced by gelation in the gelling agent solution in a state where each of the plurality of types of the mixed solutions released from the tip of the capillary is in contact with each other. Method.
複数種類の前記混合溶液はそれぞれ性質が異なる前記コラーゲンを含有する請求項7又は8に記載のマイクロビーズの製造方法。   The method for producing microbeads according to claim 7 or 8, wherein the plurality of types of the mixed solutions contain the collagen having different properties. マイクロチャンバー内に区画化された複数種類の成分を含有し、前記複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であり、前記複数種類の成分間の境界面の法線方向が前記マイクロチャンバーの底面の法線方向と交差していることを特徴とする足場。   The microchamber contains a plurality of types of components partitioned, at least one of the plurality of types of components is a biological component, and a normal direction of a boundary surface between the plurality of types of components has a normal direction of the microchamber. A scaffold characterized by intersecting the normal direction of the bottom. 前記複数種類の成分として、互いに性質が異なる複数のコラーゲンを含有する請求項10に記載の足場。   The scaffold according to claim 10, comprising a plurality of collagens having different properties as the plurality of types of components. コラーゲンとアルギン酸とを混合した混合溶液を生成し、
前記混合溶液に含有される前記アルギン酸のゲル化により、ゲル化していない前記コラーゲンを含む混合ビーズを作製し、
前記混合ビーズをマイクロチャンバーに収容し、
前記マイクロチャンバーの内部において前記アルギン酸のゲルの溶解と前記コラーゲンのゲル化とを行うことを特徴とする足場の製造方法。
Produce a mixed solution of collagen and alginic acid,
By the gelation of the alginic acid contained in the mixed solution, a mixed bead containing the non-gelled collagen is produced,
Storing the mixed beads in a microchamber;
A method for producing a scaffold, comprising dissolving the gel of alginic acid and gelling the collagen inside the microchamber.
複数種類の前記混合溶液を生成し、
複数種類の前記混合溶液の各々を個別に毛細管に充填し、
遠心力により前記毛細管の先端からゲル化剤液に向かって複数種類の前記混合溶液の各々を放出し、
前記毛細管の先端から放出された複数種類の前記混合溶液の各々が互いに接触した状態で、前記ゲル化剤液の中でゲル化して、ゲル化した複数種類の前記混合溶液間の境界面の法線方向と交差する方向に潰れている扁球状、又は前記境界面の法線方向に伸びている長球状の前記混合ビーズを作製する請求項12に記載の足場の製造方法。
Producing a plurality of types of the mixed solution,
Capillary tubes are individually filled with each of a plurality of types of the mixed solution,
Each of a plurality of types of the mixed solution is released from the tip of the capillary tube toward the gelling agent solution by centrifugal force,
A method of a boundary surface between a plurality of types of the mixed solution that has been gelled in the gelling agent solution in a state where each of the plurality of types of the mixed solution released from the tip of the capillary is in contact with each other. The manufacturing method of the scaffold of Claim 12 which produces the oblate spherical shape which is crushed in the direction which cross | intersects a linear direction, or the oval shape extended in the normal line direction of the said interface.
前記毛細管の先端と前記ゲル化剤液との距離を調整することで、前記混合ビーズの扁平の度合いを調整する請求項13に記載の足場の製造方法。   The manufacturing method of the scaffold of Claim 13 which adjusts the flatness degree of the said mixing bead by adjusting the distance of the front-end | tip of the said capillary, and the said gelatinizer liquid. 複数種類の前記混合溶液はそれぞれ性質が異なる前記コラーゲンを含有する請求項12から14のいずれか1項に記載の足場の製造方法。   The method for manufacturing a scaffold according to any one of claims 12 to 14, wherein a plurality of types of the mixed solutions contain the collagen having different properties. 境界面で囲まれた立体形状としての占有領域を有し、
前記占有領域が複数種類の成分のそれぞれを含有する複数の領域に互いに区画化され、
前記複数種類の成分のうち少なくとも1つは生体成分であることを特徴とする異方性ハイドロゲル。
It has an occupied area as a three-dimensional shape surrounded by a boundary surface,
The occupied area is partitioned into a plurality of areas each containing a plurality of types of components;
An anisotropic hydrogel, wherein at least one of the plurality of types of components is a biological component.
前記占有領域の全体が薄膜で被覆されていることを特徴とする請求項16に記載の異方性ハイドロゲル。   The anisotropic hydrogel according to claim 16, wherein the entire occupied region is covered with a thin film. 前記占有領域がマイクロチャンバー内に収納され、前記複数種類の成分間の境界面の法線方向が前記マイクロチャンバーの底面の法線方向と交差していることを特徴とする請求項16に記載の異方性ハイドロゲル。   The occupied region is accommodated in a micro chamber, and a normal direction of a boundary surface between the plurality of types of components intersects a normal direction of a bottom surface of the micro chamber. Anisotropic hydrogel.
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