JP2024067012A - 人工筋構造体の製造装置、人工筋構造体の製造キット、人工筋アクチュエータ、ロボット、および人工筋構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも制御性が向上した人工筋構造体を製造し、従来よりも制御性が向上した人工筋アクチュエータおよびロボットを提供する。【解決手段】実施形態に係る人工筋構造体の製造装置は、筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造装置であって、人工筋部材の一端部を支持可能な第１ホルダと、人工筋部材の他端部を支持可能な第２ホルダと、を備え、第１ホルダおよび第２ホルダの少なくとも一方は、第１形態と第２形態との間で変形可能であり、第１形態において、第１ホルダおよび第２ホルダは、一つまたは複数の人工筋部材を、培養のための第１配置で支持することができ、第２形態において、第１ホルダおよび第２ホルダは、一つまたは複数の人工筋部材を、一つまたは複数の人工筋部材が束ねられた第２配置で支持することができる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、人工筋構造体の製造装置、人工筋構造体の製造キット、人工筋アクチュエータ、ロボット、および人工筋構造体の製造方法に関する。
本願は、２０２２年１１月２日に出願された米国特許仮出願６３／３８１，９５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、骨格筋組織が組み込まれることによって筋収縮で動作可能なバイオハイブリッドアクチュエータが提案されている（非特許文献１を参照）。

Voluntary Movement Controlled by the Surface EMG Signal for Tissue-Engineered Skeletal Muscle on a Gripping Tool, Tissue Engineering Part A, 2013, Vol. 19, No. 15-16, p. 1695-1703

しかしながら、上記のような人工筋アクチュエータは、出力を得るために多数の筋線維が融合した一本の太い骨格筋組織を駆動源とするため、その機能は１次元的な運動に限定されており、制御可能性が十分ではなかった。

本発明が解決しようとする課題は、従来よりも制御性が向上した人工筋構造体を製造し、従来よりも制御性が向上した人工筋アクチュエータを提供することである。

本発明が解決しようとする別の課題は、従来よりも出力および／または収縮力が向上した人工筋構造体を製造し、従来よりも出力および／または収縮力が向上した人工筋アクチュエータを提供することである。

本発明が解決しようとする別の課題は、従来よりも耐久性が向上した人工筋構造体を製造し、従来よりも耐久性が向上した人工筋アクチュエータを提供することである。

ただし、本発明が解決しようとする課題は上記に限定されない。本発明が解決しようとする他の課題は、当業者によって以下の説明から理解される。

本発明は、以下の態様を含み得る。
［１］筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造装置であって、人工筋部材の一端部を支持可能な第１ホルダと、人工筋部材の他端部を支持可能な第２ホルダと、を備え、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、第１形態と第２形態との間で変形可能であり、前記第１形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を、培養のための第１配置で支持することができ、前記第２形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を、前記一つまたは複数の人工筋部材が束ねられた第２配置で支持することができる、製造装置。
［２］前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、前記第１形態では展開されており、前記第２形態では巻き取られている、［１］に記載の製造装置。
［３］前記第１ホルダおよび前記第２ホルダにより支持された前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間で第１方向に延在し、前記第２形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、前記第１方向に直交する平面視において、渦巻状に巻き取られている、［２］に記載の製造装置。
［４］前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、人工筋部材の端部を支持可能な複数の保持ユニットを備え、前記複数の保持ユニットのうち隣り合う保持ユニットは、互いに枢動可能に連結される、［１］～［３］のいずれか１つに記載の製造装置。
［５］前記第１ホルダおよび前記第２ホルダにより支持された前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間で第１方向に延在し、前記第２形態では、前記第１方向に直交する平面への射影において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を取り囲む、［１］～［４］のいずれか１つに記載の製造装置。
［６］前記一つまたは複数の人工筋部材は、細長い形状を有する複数の人工筋部材を含む、［１］～［５］のいずれか１つに記載の製造装置。
［７］前記第１配置における前記一つまたは複数の人工筋部材は、実質的に同一平面内に配置され、前記第２配置における前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記同一平面内に配置されない、［１］～［６］のいずれか１つに記載の製造装置。
［８］前記第１ホルダは、人工筋部材の一端部を固定するアンカーを保持することができ、前記第２ホルダは、人工筋部材の他端部を固定するアンカーを保持することができる、［１］～［７］のいずれか１つに記載の製造装置。
［９］前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、別体の部材である、［１］～［８］のいずれか１つに記載の製造装置。
［１０］筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造キットであって、人工筋部材を固定可能な複数のアンカーと、前記複数のアンカーを設置可能な複数のアンカー設置部と、前記複数のアンカー設置部のうち２つのアンカー設置部の間に形成され、細胞を培養する培養空間を形成する培養部と、を備えるモールドと、［８］に記載の装置と、を備える製造キット。
［１１］第１方向に延在する、筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材と、前記一つまたは複数の人工筋部材が束ねられた状態で、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダによって前記一つまたは複数の人工筋部材の両端部を支持する、［１］～［９］のいずれか１つに記載の装置と、を備える、人工筋アクチュエータ。
［１２］前記一つまたは複数の人工筋部材の一部または全部に対して電場を印加する電場印加部材をさらに備える、［１１］に記載の人工筋アクチュエータ。
［１３］［１１］に記載の人工筋アクチュエータと、前記人工筋アクチュエータによって直接的または間接的に駆動される可動ユニットと、を備える、ロボット。
［１４］筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造方法であって、前記一つまたは複数の人工筋部材の両端がホルダに保持された状態で、前記筋組織を培養する筋組織培養ステップと、前記筋組織培養ステップの後、前記ホルダを変形させることによって、前記一つまたは複数の人工筋部材を束ねる変形ステップと、を含む、方法。
［１５］前記筋組織培養ステップにおいて、前記一つまたは複数の人工筋部材は、実質的に同一平面内に配置される、［１４］に記載の方法。
［１６］前記ホルダで保持可能な一対のアンカーの間で筋芽細胞を培養することによって、両端が前記一対のアンカーに固定された人工筋部材を形成する細胞培養ステップをさらに備える、［１４］または［１５］に記載の方法。

本発明によれば、従来よりも制御性が向上した人工筋構造体を製造するための装置、製造キット、および製造方法を提供するとともに、従来よりも制御性が向上した人工筋アクチュエータおよびロボットを提供することができる。ただし、本発明は、上記の効果を奏するものに限定されない。本発明の他の効果は、当業者によって以下の説明から理解される。

実施形態に係る製造キット１を示す斜視図。 実施形態に係る製造装置３０の第２形態Ｆ２を示す斜視図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図。 実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００を示す斜視図。 実施形態に係る製造装置３０の第２形態Ｆ２を示す側面図。 実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００の動作を示す模式図。 実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００の動作を示す模式図。 実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００の動作を示す模式図。 実施形態に係るロボットハンド３００を示す側面図。 実施例４で製造したロボットハンドの写真。 評価例１における人工筋部材１１０の数に対する人工筋アクチュエータ２００の収縮力の測定結果を示すグラフ。 評価例２における人工筋部材１１０の太さに対する単位断面積あたりの収縮力の測定結果を示すグラフ。 評価例３における人工筋部材１１０の培養方法に対する人工筋アクチュエータ２００の収縮力の測定結果を示すグラフ。

以下、図１～図７を参照して、一実施形態に係る人工筋構造体の製造装置、人工筋構造体の製造キット、人工筋アクチュエータ、ロボット、および人工筋構造体の製造方法を説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。また、図面に示すｘｙｚ座標は、説明の便宜上定義されたものであり、発明を限定するものではない。

［人工筋構造体１００の製造キット１］
まず、図１および図２を参照して、人工筋構造体１００を製造するための製造キット１について説明する。

図１は、本実施形態に係る人工筋構造体１００の製造キット１を示す斜視図である。図に示すように、製造キット１は、モールド１０、アンカー２０、人工筋構造体の製造装置３０、および培養台７０を備える。製造キット１の各構成要素を組み合わせることにより、筋芽細胞から出発して、筋組織を含む人工筋構造体１００を製造することができる。

（モールド１０）
モールド１０は、筋芽細胞を培養するとともに、人工筋構造体１００の構成要素である人工筋部材１１０を形成する。モールド１０は、モールド本体１２を備える。モールド本体１２の上面には、複数のアンカー設置部１４および複数の溝１６（「培養部」の一例）が形成されている。複数のアンカー設置部１４が対をなすようにモールド本体１２の上面の両側に凹部として形成される。溝１６の各々は、一対のアンカー設置部１４を連結する。アンカー設置部１４は、後述のアンカー２０の装着部２６を受け入れる装着穴を有し、アンカー２０を収容する。溝１６は、細胞の培養空間として機能する。筋芽細胞を溝１６内で培養することによって形成される人工筋部材１１０は、その両端でアンカー設置部１４に設置されたアンカー２０に固定される。溝１６は、人工筋部材１１０の外形輪郭を成形する。各溝１６で人工筋部材１１０を培養することにより、人工筋部材１１０の各々が互いに離間した状態で培養されるので、細長い人工筋部材１１０が別々に形成される。

溝１６の長さ（すなわち、一対のアンカー設置部１４の間の距離）は、たとえば２ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、好ましくは４ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。溝１６の幅は、たとえば１００μｍ以上２０ｍｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以上１０ｍｍ以下である。溝１６の深さは、たとえば１００μｍ以上２０ｍｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以上１０ｍｍ以下である。

（アンカー２０）
アンカー２０は、人工筋部材１１０の両端を固定するための部材である。アンカー２０は、モールド１０のアンカー設置部１４に着脱可能に装着されるように構成される。アンカー２０の形状は、アンカー設置部１４に装着可能である限り特に限定されない。本実施形態では、アンカー２０は、直方体のアンカー本体２２と、アンカー本体２２の一端部に設けられた組織固定部２４と、アンカー本体２２の他端部に設けられた装着部２６と、を備える。組織固定部２４は、筋組織やゲルと容易に固着するように、互いに略直交する２つの半楕円形状の湾曲フレームからなる先細形状を有する。装着部２６は、アンカー本体２２の他端部の下面から下方に突出する。

アンカー２０が各アンカー設置部１４に装着された状態で、筋芽細胞を含む溶液を溝１６に投入して筋芽細胞を培養することにより、両端がアンカー２０に結合した筋組織が形成される。筋組織の両端に位置する一対のアンカー２０は、それぞれモールド１０の一対のアンカー設置部１４に固定装着されているので、筋芽細胞が組織化する過程で筋組織が長手方向に縮むのを抑制する。

（人工筋構造体１００の製造装置３０）
製造装置３０は、モールド１０で筋芽細胞を培養して得られる筋組織から人工筋構造体１００を製造するための装置である。製造装置３０は、筋組織を培養するための第１形態Ｆ１と、人工筋構造体１００を形成するための第２形態Ｆ２との間で変形可能である。図２は、本実施形態に係る製造装置３０の第２形態Ｆ２を示す斜視図である。本実施形態では、製造装置３０の第１形態Ｆ１は、図１に示すような展開された形態であり、第２形態Ｆ２は、図２に示すような巻き取られた形態である。

図１に示すように、本実施形態に係る製造装置３０は、一対のホルダ４０、巻き取り部材５０、および一対の形態維持部材６０を備える。具体的には、ホルダ４０が、第１形態Ｆ１と第２形態Ｆ２との間で変形可能であり、巻き取り部材５０および形態維持部材６０は、ホルダ４０の変形を補助する部材である。ホルダ４０は、アンカー２０を保持することができ、アンカー２０を介して人工筋部材１１０を保持することができる。

一対のホルダ４０は、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを有する。本実施形態では、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは同じ構造を有しているので、以下、共通の特徴について説明するときは単に「ホルダ４０」という。同様に、一対の形態維持部材６０は、第１形態維持部材６０Ａおよび第２形態維持部材６０Ｂからなる。第１形態維持部材６０Ａおよび第２形態維持部材６０Ｂも同じ構造を有しているので、以下、共通の特徴について説明するときは単に「形態維持部材６０」という。

第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは、それぞれアンカー２０を保持することができる。具体的には、ホルダ４０は、５つの保持ユニット４２を備える。保持ユニット４２は、アンカー２０を保持することができる。図１に示すように、５つの保持ユニット４２は、直列に連結されている。隣り合う２つの保持ユニット４２は、ジョイント４４を介して互いに枢動可能に連結されている。ジョイント４４の形態は特に限定されない。たとえば、ジョイント４４は、隣り合う保持ユニット４２の間に物理的な機械要素として設けられてもよく、各保持ユニット４２を連結するシートを保持ユニット４２の背面に設けたり、単に各保持ユニット４２を接着手段で連結したりすることによって実現されてもよい。

保持ユニット４２は、第１保持ユニット４２Ａ、第２保持ユニット４２Ｂ、第３保持ユニット４２Ｃ、第４保持ユニット４２Ｄ、および第５保持ユニット４２Ｅを備える。第１保持ユニット４２Ａ～第４保持ユニット４２Ｄは、平板形状を有する。第５保持ユニット４２Ｅは、フック形状をなすように連結された第１平板４２Ｅ１、第２平板４２Ｅ２、および第３平板４２Ｅ３で構成される。図１において、第１保持ユニット４２Ａのｙ方向の長さは、第３保持ユニット４２Ｃと略等しい。第４保持ユニット４２Ｄのｙ方向の長さは、第２保持ユニット４２Ｂより小さい。第５保持ユニット４２Ｅのｙ方向の長さ（すなわち、第１平板４２Ｅ１のｙ方向の長さ）は、第１保持ユニット４２Ａおよび第３保持ユニット４２Ｃより小さい。第５保持ユニット４２Ｅのｚ方向の長さ（すなわち、第２平板４２Ｅ２のｚ方向の長さ）は、第４保持ユニット４２Ｄより小さい。第３平板４２Ｅ３のｙ方向の長さは、第１平板４２Ｅ１より小さい。各保持ユニット４２の大きさがこのような関係にあるので、ホルダ４０は、巻き取られることによって、第１形態Ｆ１から図２のような第２形態Ｆ２に変形することができる。図２に示すように、第２形態Ｆ２において、保持ユニット４２は、ｙｚ平面視において渦巻状に巻き取られている。

図１に示すように、第５保持ユニット４２Ｅは、第１平板４２Ｅ１、第２平板４２Ｅ２、および第３平板４２Ｅ３で囲まれる空間Ｓを形成する。ホルダ４０を第１形態Ｆ１から第２形態Ｆ２に変形させる際には、巻き取り部材５０を第５保持ユニット４２Ｅが形成する空間Ｓに挿入して、手前側に転がすようにホルダ４０を巻き取ることができる。

各保持ユニット４２には、アンカー保持穴４６および／または形態維持穴４８が形成されている。図１に示すように、アンカー保持穴４６は、保持ユニット４２のｘ方向中央部に形成される。形態維持穴４８は、保持ユニット４２のｘ方向側部に形成される。具体的には、第１保持ユニット４２Ａは、ｙ方向に並んだ３つのアンカー保持穴４６およびその両側の２つの形態維持穴４８を有する。第２保持ユニット４２Ｂは、ｙ方向に並んだ２つのアンカー保持穴４６を有する。第３保持ユニット４２Ｃは、ｙ方向に並んだ２つのアンカー保持穴４６およびその両側の２つの形態維持穴４８を有する。第４保持ユニット４２Ｄは、中央部に形成された１つのアンカー保持穴４６を有する。第５保持ユニット４２Ｅの第１平板４２Ｅ１は、ｘ方向において両側に形成された２つの形態維持穴４８を有する。第５保持ユニット４２Ｅの第３平板４２Ｅ３は、ｘ方向において両側に形成された２つの形態維持穴４８を有する。ただし、アンカー保持穴４６および形態維持穴４８は上記例に限定されず、任意の数および配置のアンカー保持穴４６および／または形態維持穴４８が各保持ユニット４２に形成されてよい。

アンカー保持穴４６は、アンカー２０の装着部２６を受け入れることによって、アンカー２０を保持する。形態維持穴４８は、図２に示すように、形態維持部材６０を受け入れることによって、ホルダ４０を第２形態Ｆ２に維持する。形態維持部材６０は、第１保持ユニット４２Ａ、第３保持ユニット４２Ｃ、第１平板４２Ｅ１、および第３平板４２Ｅ３の形態維持穴４８すべてを挿通する。これにより、ホルダ４０の形態を簡便に維持することができる。なお、ホルダ４０の形態を維持する方法は上記の形態維持部材６０に限定されず、任意の方法が利用可能である。また、本実施形態では、ホルダ４０だけでは第２形態Ｆ２を維持することが難しい構成であるので形態維持部材６０を利用しているが、ホルダ４０のみで第２形態Ｆ２を維持できるような構造および／または材質を採用してもよい。

本実施形態では、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは、互いに別体の部材である。図１に示すように、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは、同一の構造を有し得る。これにより、製造コストが低減されるとともに、２つのホルダ４０Ａ、４０Ｂを巻き取り部材５０で同時に巻き取ることが容易になる。

（培養台７０）
培養台７０は、ホルダ４０によって保持された筋組織を培養するための部材である。培養台７０は、ベース７２およびストッパ７４を備える。ベース７２は、ホルダ４０を支持する土台である。ストッパ７４は、ベース７２に着脱可能に装着されて、ホルダ４０を位置決めする。ベース７２およびストッパ７４によって、ホルダ４０を装着するための空間として一対のホルダ装着部７６が形成される。

モールド１０、アンカー２０、ホルダ４０、巻き取り部材５０、形態維持部材６０、および培養台７０の材質は、細胞や組織に大きな悪影響を及ぼさない限り、特に限定されない。たとえば、これらは、生体適合性樹脂やポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などの生体適合性材料からなる。

［人工筋構造体の製造方法］
次いで、図３Ａ～図３Ｆを参照して、製造キット１を使用して人工筋構造体１００を製造する方法について説明する。
図３Ａ～図３Ｆは、本実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法を示す図である。

一実施形態に係る人工筋構造体１００の製造方法は、筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材１１０を備える人工筋構造体１００の製造方法であって、一つまたは複数の人工筋部材１１０の両端がホルダ４０に保持された状態で、筋組織を培養する筋組織培養ステップと、筋組織培養ステップの後、ホルダ４０を変形させることによって、一つまたは複数の人工筋部材１１０を束ねる変形ステップと、を含む。

一実施形態によれば、上記方法は、ホルダ４０で保持可能な一対のアンカー２０の間で筋芽細胞Ｍを培養することによって、両端が一対のアンカー２０に固定された人工筋部材１１０を形成する細胞培養ステップをさらに備える。

（細胞）
本実施形態では、培養対象の細胞として筋芽細胞が使用される。細胞は、既知の方法により調製することができる。例えば、細胞は、生体由来の組織を分解酵素で処理して得た細胞であってよい。細胞は、食肉やヒトもしくは非ヒト動物の生体から採取した細胞、またはこれを培養した細胞であってもよい。細胞は、ＥＳ細胞、ｉＰＳ細胞などの多能性幹細胞や体性幹細胞から分化誘導した細胞であってもよい。細胞は、遺伝子改変された細胞であってもよく、遺伝子改変されていない細胞であってもよい。なお、細胞は上記例に限定されず、上記の細胞の代わりに、または上記の細胞に加えて、血管内皮細胞、運動神経細胞、腱線維芽細胞など任意の一つ以上の細胞を使用してもよい。各種の細胞は任意に組み合わされてもよい。後述の人工筋アクチュエータ２００を製造するためには、筋芽細胞を含むことが好ましい。本実施形態では、筋芽細胞を培養することによって筋組織を得る。筋組織の例として、骨格筋組織、心筋組織、および平滑筋組織が挙げられる。

（細胞培養ステップ）
まず、図３Ａに示すように、モールド１０の上面の両側に形成されたアンカー設置部１４にアンカー２０を設置する。アンカー２０は、装着部２６をアンカー設置部１４の装着穴に挿入することによって、組織固定部２４がｘ方向内側を向くようにアンカー設置部１４に装着される。

次いで、図３Ｂに示すように、筋芽細胞Ｍを含むハイドロゲル溶液Ｈを溝１６に流し込む。ゲル溶液を固化（ゲル化）させた後、図３Ｃに示すように、モールド１０を載置したシャーレ８０に培地を入れて、筋芽細胞Ｍを培養する。筋芽細胞Ｍは、ｘ方向に延在するハイドロゲル内で増殖し、組織化する。これにより、両端がアンカー２０に固定され、溝１６に沿った細長い形状を有する人工筋部材１１０が形成される。人工筋部材１１０は、筋芽細胞Ｍから構築された骨格筋組織およびハイドロゲルで構成される。

ハイドロゲル溶液Ｈ用のハイドロゲルとしては、たとえば、細胞外マトリックス成分を使用することができる。細胞外マトリックス成分としては、特に限定されないが、たとえば、フィブリン、コラーゲン（Ｉ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型、Ｖ型、ＸＩ型など）、マウスＥＨＳ腫瘍抽出物（ＩＶ型コラーゲン、ラミニン、ヘパラン硫酸プロテオグリカンなどを含む）より再構成された基底膜成分（商品名：マトリゲル（登録商標））、ゼラチン、寒天、アガロース、グリコサミノグリカン、ヒアルロン酸、プロテオグリカンなどを例示することができる。

ハイドロゲル溶液Ｈにおける細胞の濃度は、形成される人工筋部材１１０がその機能を発揮するように調整され得る。人工筋部材１１０の機能とは、たとえば、電気刺激に応答して収縮運動をする機能であり得る。このような電気刺激に応答した収縮運動は、筋組織が発揮する機能である。すなわち、人工筋部材１１０が、十分に成熟した筋組織を形成している場合には、電気刺激の印加に応答して収縮運動が観察される。したがって、細胞ファイバ調製ステップにおける各種濃度は、最終的に得られる細胞ファイバが上記の収縮運動をするように調整されてよい。具体的には、ハイドロゲル溶液Ｈにおける細胞の濃度は、たとえば、１×１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍＬ以上１×１０^８ｃｅｌｌｓ／ｍＬ以下である。ハイドロゲル溶液Ｈにおける細胞の濃度が１×１０^６ｃｅｌｌｓ／ｍＬ未満である場合には、ゲル中の細胞間の距離が十分でなく、細胞の多核化による組織形成が十分に進行せず、収縮運動をする程度まで筋組織が成熟しない可能性がある。ハイドロゲル溶液Ｈにおける細胞の濃度は、細胞壊死が起こらない範囲であれば特に具体的な上限はない。

（筋組織培養ステップ）
次いで、第１形態Ｆ１の第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを培養台７０のホルダ装着部７６に装着する。その後、図３Ｄに示すように、アンカー２０の対を、その間に形成された人工筋部材１１０とともにモールド１０から取り外し、培養台７０上のホルダ４０に装着する。人工筋部材１１０の一端のアンカー２０は、第１ホルダ４０Ａのアンカー保持穴４６に装着され、他端のアンカー２０は、第２ホルダ４０Ｂのアンカー保持穴４６に装着される。第１形態Ｆ１では、ホルダ４０は、培養のための第１配置で、複数の人工筋部材１１０を支持する。

アンカー２０をホルダ４０に装着した後、図３Ｅに示すように、製造装置３０をシャーレ８０（モールド１０を載置したシャーレとの異同は問わない。）に入れて、筋組織をさらに培養する。このとき、ホルダ４０は平面的な第１形態Ｆ１を有しているので、ホルダ４０によって保持される人工筋部材１１０の各々は、略同一平面上に配置される。適当なタイミングで培地を分化培地に入れ替えて、筋組織を分化させる。筋組織が十分に成熟したら、筋組織の培養を完了する。ここで、第１形態Ｆ１では、隣接する人工筋部材１１０同士は接触してもよいが、培養中の人工筋部材１１０が互いに細胞レベルで融合するのを確実に抑制するためには、ホルダ４０は、人工筋部材１１０の各々が互いに離間した配置で人工筋部材１１０を保持してもよい。

（変形ステップ）
上記の筋組織培養ステップにより、第１形態Ｆ１のホルダ４０に保持された複数の人工筋部材１１０が形成される。人工筋部材１１０の各々は、成熟した筋組織およびゲルを含む。次いで、図３Ｆに示すように、ホルダ４０を第１形態Ｆ１から第２形態Ｆ２に変形させる。本実施形態では、第１形態Ｆ１の第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを巻き取ることによって、図２に示すような第２形態Ｆ２に変形させる。具体的には、図３Ｆに示すように、巻き取り部材５０を各ホルダ４０Ａ、４０Ｂの第５保持ユニット４２Ｅの空間Ｓに挿入する。巻き取り部材５０を手前に転がすことにより、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを並行して巻き取ることができる。なお、ホルダ４０を巻き取る方法は上記例に限定されず、手で巻き取ってもよく、他の任意の方法を使用してもよい。

図４は、本実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００を示す斜視図である。上記のようにホルダ４０Ａ、４０Ｂを第２形態Ｆ２に変形させることによって、図４に示すように、人工筋部材１１０の各々が第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとの間で３次元的に配置されて束になった人工筋構造体１００を得ることができる。ここで、「３次元的に配置される」とは、実質的に同一平面内に配置されていない３以上の人工筋部材１１０を含むことを意味する。人工筋構造体１００は、その両端を保持する第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂとともに、人工筋アクチュエータ２００を構成する。

第１形態Ｆ１では実質的に同一平面（ｘｙ平面）内に配置されていた複数の人工筋部材１１０が、第２形態Ｆ２では同一平面内に配置されなくなる。具体的には、第２形態Ｆ２では、ホルダ４０は、複数の人工筋部材１１０が第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとの間で束ねられた第２配置で、人工筋部材１１０を支持する。ここで、複数の人工筋部材１１０を「束ねる」とは、複数の人工筋部材１１０を、同一平面内に配置せず、略向きを揃えた状態で互いに近接して配置することを意味する。「近接して配置する」とは、少なくとも２つの人工筋部材１１０間の距離（たとえば、任意の２つの人工筋部材１１０間の距離のうち最小の距離）が、第２形態Ｆ２において第１形態Ｆ１よりも小さくなることを意味する。束ねられた複数の人工筋部材１１０は、互いに直接接触してもよく、互いに離間してもよい。また、接触している人工筋部材１１０と離間している人工筋部材１１０とが併存してもよく、人工筋部材１１０同士の間に別の部材が存在してもよい。

図５は、本実施形態に係る製造装置３０の第２形態Ｆ２を示す側面図である。図５に示すように、第２形態Ｆ２では、人工筋部材１１０が延在するｘ方向に直交するｙｚ平面への射影において、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは、複数の人工筋部材１１０を取り囲む。ここで「取り囲む」とは、ｙｚ平面への射影において、人工筋部材１１０の四方（図５の上下左右）のうち少なくとも三方以上にホルダ４０が位置することを意味する。

［人工筋構造体１００］
次いで、製造装置３０によって製造される人工筋構造体１００について説明する。
上記のとおり、人工筋構造体１００は、細長い形状を有する複数の人工筋部材１１０の束を有する。複数の人工筋部材１１０は、互いに実質的に同じ第１方向（ここではｘ方向）に延在するとともに、３次元的に配置される。

複数の人工筋部材１１０は、互いに接触してもよく、離間してもよい。ただし、人工筋部材１１０の各々は、互いに細胞レベルで融合していない。これは、図３Ｃのように分化誘導前の細胞培養の段階で各人工筋部材１１０が互いに離間されているので、人工筋部材１１０同士の細胞融合が起こり得ないためである。

人工筋部材１１０は、細胞が培養されて形成された筋組織およびハイドロゲルを含む。ハイドロゲルについては、筋組織の収縮能力に悪影響を及ぼさない限り特に限定されないが、上記のとおり種々の細胞外マトリックス成分を使用可能である。

人工筋部材１１０の長さは、たとえば０．５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、好ましくは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。長さがアンカー２０間の幅よりも著しく短い（たとえば０．５ｍｍ未満）と、細胞の配向性が崩れてしまい、アクチュエータとして十分な収縮が生じない可能性がある。長さが１５０ｍｍ超であると、外力に応じてアンカー２０との接触部に加わる負荷が強くなり、切れる可能性が高くなってしまう。

人工筋部材１１０が細長い形状を有する場合、人工筋部材１１０の太さは、たとえば１００μｍ以上２０ｍｍ以下であり、好ましくは５００μｍ以上１０ｍｍ以下である。太さが１００μｍ未満であると、十分な筋力を得ることができない可能性がある。太さが２０ｍｍ超であると、各筋組織の中心部での壊死が起こりやすくなる。

［人工筋アクチュエータ２００］
次いで、図４を参照して、人工筋構造体１００を用いた人工筋アクチュエータ２００について説明する。
図４に示すように、人工筋アクチュエータ２００は、ｘ方向に延在する、筋組織を含む複数の人工筋部材１１０と、複数の人工筋部材１１０が互いに融合せずに束ねられた状態で、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂによって複数の人工筋部材１１０の両端部を支持する、上記の製造装置３０と、を備える。すなわち、人工筋アクチュエータ２００は、上記の人工筋構造体１００と、人工筋構造体１００の両端を支持する第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを備える。

人工筋アクチュエータ２００を構成する人工筋部材１１０の数は、特に限定されない。後述の評価例２に記載するように、人工筋部材１１０の数に応じて人工筋アクチュエータ２００全体の収縮力が変動するので、必要な出力または収縮力に応じて、人工筋部材１１０の数を適宜選択することができる。

図４に示すように、人工筋アクチュエータ２００は、複数の人工筋部材１１０の一部または全部に対して電場を印加する電場印加部材２１０をさらに備える。たとえば、電場印加部材２１０は、複数の人工筋部材１１０のうち一つ以上の人工筋部材１１０に対して選択的に電場を印加することができる。電場印加部材２１０は、互いに反対の極性を有する第１電極２２０および第２電極２３０を備える。第１電極２２０は、導電部２２２および絶縁部２２４を有する。導電部２２２は、絶縁部２２４の先端部に設けられる。同様に、第２電極２３０は、導電部２３２および絶縁部２３４を有する。導電部２３２は、絶縁部２３４の先端部に設けられる。電場印加部材２１０は、第１電極２２０と第２電極２３０との間に電場を発生させることができる。人工筋アクチュエータ２００は、電場印加部材２１０により印加された電場によって、人工筋部材１１０に対して選択的に電気的刺激を与えることができる。なお、絶縁部２２４および絶縁部２３４は、たとえば人工筋アクチュエータ２００を培養液中で動作させる場合において、第１電極２２０および第２電極２３０の導電部２２２および導電部２３２を培養液中で被覆するために設けられる。人工筋アクチュエータ２００の用途、動作環境、使用する培養液の種類といった使用条件によっては、絶縁部２２４および絶縁部２３４が省略されてもよい。

図６Ａ～図６Ｃは、本実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００の動作を示す模式図である。図６Ａに示すように、第１電極２２０および第２電極２３０の両方を人工筋アクチュエータ２００の左側に配置すると、人工筋構造体１００を構成する複数の人工筋部材１１０のうち、第１電極２２０および第２電極２３０に近い左側の人工筋部材１１０のみが収縮する（収縮している人工筋部材１１０をドットで示す。以下同じ）。その結果、人工筋アクチュエータ２００の第２ホルダ４０Ｂが左に移動する（ここでは第１ホルダ４０Ａの位置は固定されているものとする。）。図６Ｂに示すように、第１電極２２０および第２電極２３０の両方を人工筋アクチュエータ２００の手前（紙面前方）に配置すると、第１電極２２０および第２電極２３０に近い手前の人工筋部材１１０のみが収縮する。その結果、第２ホルダ４０Ｂが手前に移動する。図６Ｃに示すように、第１電極２２０と第２電極２３０とを人工筋アクチュエータ２００の両側に配置すると、第１電極２２０と第２電極２３０との間に挟まれたすべての人工筋部材１１０が収縮する。その結果、第２ホルダ４０Ｂが第１ホルダ４０Ａに近づくように移動する。このようにして、人工筋アクチュエータ２００に対する第１電極２２０および第２電極２３０の配置の仕方に応じて、紙面の左右方向（図６Ａ）、紙面の前後方向（図６Ｂ）、紙面の上下方向（図６Ｃ）という３次元の運動を選択的に実現することができる。したがって、人工筋アクチュエータ２００は、電場印加部材２１０によって所望の運動を行うアクチュエータとして機能する。

［ロボット］
次いで、図７を参照して、人工筋アクチュエータ２００を利用したロボットの原理について説明する。
図７は、本実施形態に係るロボットハンド３００の側面図である。

ロボットハンド３００は、上記の人工筋アクチュエータ２００と、人工筋アクチュエータ２００によって直接的または間接的に駆動される可動ユニットと、を備える。具体的には、図７に示すように、ロボットハンド３００は、人工筋アクチュエータ２００、操作可能なフィンガ３１０（「可動ユニット」の一例）、および人工筋アクチュエータ２００とフィンガ３１０とを接続するワイヤ３２０を備える。本実施形態では、フィンガ３１０は、互いに枢動可能なジョイントで連結された４つのパーツを有する。ワイヤ３２０の一端は、第１ホルダ４０Ａの第１形態維持部材６０Ａに固定されており、ワイヤ３２０の他端は、フィンガ３１０の先端に固定されている。

電場印加部材２１０によって人工筋構造体１００に電場を印加すると、人工筋部材１１０がｘ方向に収縮することにより、第１形態維持部材６０Ａに固定されたワイヤ３２０が＋ｘ方向に引かれる。これに伴って、フィンガ３１０の先端がワイヤ３２０によって＋ｘ方向に引かれることにより、フィンガ３１０がジョイントのところで枢動して曲がる。このようにして、電場印加部材２１０によって人工筋アクチュエータ２００を駆動することによって、フィンガ３１０を動かすことができる。なお、図７では、すべての人工筋部材１１０を収縮させることによってフィンガ３１０の曲げ動作を実現しているが、電場印加部材２１０の配置に応じて、フィンガ３１０全体を任意に動かすこともできる。

上記の動作制御は単なる例示であり、本実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００によれば、これ以外にも様々な機械要素を駆動して３次元的に運かすことができることは当業者であれば理解できる。このような人工筋アクチュエータ２００の動作を適宜組み合わせることによって、人間の手を模したロボットハンド３００を自在に駆動することができる。同様にして、ロボットの腕部、胴部、頭部、脚部、足部といった機械要素を自在に駆動することができる。したがって、人工筋アクチュエータ２００を駆動源としたロボットを製造することができ、所望の動作をするように人工筋アクチュエータ２００によって当該ロボットを制御することができる。当然ながら、人工筋アクチュエータ２００を用いたロボットは、人を模したものに限定されず、動作の制御が必要な任意の形態の機械であってよい。

＜効果＞
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００によれば、複数の人工筋部材１１０のうち特定の人工筋部材１１０に電場を印加することによって、動作を３次元的に制御可能なバイオハイブリット機構を実現することができる。これにより、静音性および自己修復性に優れたバイオハイブリット機構において、従来よりも柔軟な動作制御が可能となる。また、生体筋肉と同様に、複数の人工筋部材１１０を束ねて使用することにより、人工筋アクチュエータ２００の出力および収縮量を向上させることができる。これにより、従来よりも生体に近くダイナミックな動きを実現することができる。

本実施形態に係る人工筋アクチュエータ２００は、細長い人工筋部材１１０が集合した人工筋構造体１００を備える。このような人工筋構造体１００によれば、複数の細い筋組織が融合せずに束を形成しているので、人工筋構造体１００全体としての断面積を増やしつつ、一本一本の筋組織を細く形成することができる。各筋組織が細いので、筋組織における中心部壊死を抑制することができる。また、筋組織を細く形成するほど、細胞の配向性を向上させることができるので、単位断面積あたりの出力および収縮量を向上させることができる。

本実施形態に係る製造キット１は、上記のような人工筋構造体１００および人工筋アクチュエータ２００を製造することができる。具体的には、製造装置３０が、人工筋部材１１０を培養するための第１形態Ｆ１と、人工筋アクチュエータ２００を形成するための第２形態Ｆ２との間で変形できるので、人工筋アクチュエータ２００を容易に製造することができる。すなわち、人工筋部材１１０の培養後、ホルダ４０を第１形態Ｆ１から第２形態Ｆ２に変形させるだけで、簡便に人工筋構造体１００を形成することができる。人工筋構造体１００は、その両端に第２形態Ｆ２のホルダ４０を取り付けた状態で、人工筋アクチュエータ２００として使用することができる。

本実施形態では、人工筋部材１１０の培養中に、人工筋部材１１０の両端を一対のホルダ４０に保持されたアンカー２０で固定する。これにより、培養中に人工筋部材１１０が長手方向に縮んで組織長が短くなることを抑制することができる。これにより、人工筋部材１１０が収縮運動をする余地を確保することができる。

本実施形態では、ホルダ４０は、互いに枢動可能に連結された複数の保持ユニット４２を備える。これにより、展開された第１形態Ｆ１と折り畳まれた第２形態Ｆ２との間で変形可能なホルダ４０を、簡便な構成で実現することができる。

本実施形態では、第２形態Ｆ２のホルダ４０は、人工筋部材１１０が延在するｘ方向に直交するｙｚ平面視において、渦巻状に巻き取られる。人工筋部材１１０に固定されたアンカー２０は、それぞれホルダ４０の保持ユニット４２に保持されるので、ホルダ４０を渦巻状に巻き取られる構成とすることによって、より多くの人工筋部材１１０を束ねることができる。すなわち、渦巻状に巻き取られたホルダ４０の中心部に位置する第５保持ユニット４２Ｅが、他の保持ユニット４２と同様にアンカー２０を保持できるので、単にホルダ４０が一周巻かれた場合と比べて、ホルダ４０の中央空間においても人工筋部材１１０を配置することができる。これにより、人工筋構造体１００の密度を向上させることができる。

本実施形態では、第２形態Ｆ２のホルダ４０は、人工筋部材１１０が延在するｘ方向に直交するｙｚ平面への射影において、すべての人工筋部材１１０を取り囲む。これにより、アンカー２０および人工筋部材１１０の端部がｙｚ平面視でホルダ４０の外殻より内側に配置されるので、誤操作または他の構成との衝突によって人工筋部材１１０が損傷したりホルダ４０から外れたりすることを抑制できる。

本実施形態では、第１形態Ｆ１の４０に保持された複数の人工筋部材１１０は、実質的に同一平面内に配置される。このような平面培養により、各筋組織と液面との間の距離が略均一になるので、各筋組織を均一な培養環境に置くことができる。これにより、各筋組織に酸素および栄養分を均一かつ十分に供給できる。

＜変形例＞
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されない。上記例において示した各構成要素の構造、形状、組合せなどは単なる一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

たとえば、ホルダ４０の第１形態Ｆ１と第２形態Ｆ２との間の変形は、上記例に限定されず、任意の機構で実現されてよい。たとえば、ホルダ４０の一部または全部が可撓性材料で形成されることにより、平面状の第１形態Ｆ１と巻き取られた形状の第２形態Ｆ２との間で変形可能であってもよい。ホルダ４０は、複数の硬質部分と、硬質部分同士を連結する可撓性部分とを備えてもよい。この場合、可撓性部分を変形させることによって第１形態Ｆ１と第２形態Ｆ２との間の変形を実現可能である。その他、任意の変形機構が利用可能である。

ホルダ４０は、第１形態Ｆ１から第２形態Ｆ２への変形時に、必ずしも渦巻状に巻き取られなくてもよい。たとえば、ホルダ４０は、第２形態Ｆ２において、第１形態Ｆ１における一端と他端とが一致した筒状構造を有してもよい。この場合、一端と他端とは連結されてもよく、連結されなくてもよい。一例として、両端に対応する磁石を設けて、一端と他端とが磁力で連結する構造としてもよい。また、第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとが第１形態Ｆ１において共通の同一平面上に配置されなくてもよい。たとえば、第１形態Ｆ１の第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとが縦置きされて向かい合わせになった状態で、人工筋部材１１０の培養を行ってもよい。また、必ずしも第２形態Ｆ２でホルダ４０を巻き取らなくてもよい。たとえば、ホルダ４０は、平面状の第１形態Ｆ１を複数回折り返すことによって波状の第２形態Ｆ２に変形可能であってもよい。このような波状の第２形態Ｆ２を有するホルダ４０も、複数の人工筋部材１１０を３次元的に配置することができる。

第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂの一方のみが変形してもよい。たとえば、第２ホルダ４０Ｂを第２形態Ｆ２のまま維持しながら、第１ホルダ４０Ａのみを変形させることができる。たとえば、複数の人工筋部材１１０は、第１形態Ｆ１の第１ホルダ４０Ａと第２形態Ｆ２の第２ホルダ４０Ｂとの間で放射状に支持された状態で培養され、第１ホルダ４０Ａが第２形態Ｆ２に変形されると、第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとの間で束ねられて人工筋構造体１００を形成することができる。

第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとは、互いに連結されてもよい。たとえば、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂは、任意の連結部材によって、互いに移動可能に連結され得る。人工筋アクチュエータ２００の収縮運動が可能である限り、第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとは、一体に形成されてもよい。

アンカー２０は、ホルダ４０の一部として構成されてもよい。この場合、たとえば、ホルダ４０は、モールド１０に装着可能に構成され得る。モールド１０に装着された第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとの間で細胞を培養した後、人工筋部材１１０を支持した状態のホルダ４０をモールド１０から取り外して、人工筋部材１１０をさらに培養し、第２形態Ｆ２への変形によって人工筋アクチュエータ２００を製造することができる。

上記実施形態では、人工筋アクチュエータ２００の駆動源として電場印加部材２１０の電極対２２０、２３０を使用したが、筋組織に刺激を与えて収縮運動を引き起こすものであれば任意の機構が使用可能である。たとえば、所望の人工筋部材１１０に直接電流を流す構成を採用してもよい。

上記実施形態では、複数の細長い人工筋部材１１０が人工筋構造体１００を構成する例を説明したが、人工筋部材１１０の形態は上記例に限定されない。たとえば、１枚または複数枚のシート状の人工筋部材１１０が人工筋構造体１００を構成してもよい。このようなシート状の人工筋部材１１０を用いる場合、人工筋部材１１０の厚さは、たとえば１００μｍ以上２０ｍｍ以下であってよく、好ましくは５００μｍ以上１０ｍｍ以下であってよい。人工筋部材１１０の幅は、特に限定されないが、たとえば０．５ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であり、好ましくは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。シート状の人工筋部材１１０は、薄く形成されることによって、細長い人工筋部材１１０と同様に、筋組織における中心部壊死を抑制することができる。また、多数の筋線維が密に融合して一本の太い筋組織を構成する従来の人工筋アクチュエータと異なり、シート状の人工筋部材１１０は、筋線維が専ら２次元方向に広がっているので、シート上の所望の部位のみに電場を印加することによって、局所的な収縮を実現することができる。したがって、上記実施形態と同様に、シート状の人工筋部材１１０を用いた人工筋アクチュエータ２００においても、動作を３次元的に制御可能なバイオハイブリット機構を実現することができる。ここで、人工筋構造体１００が一つのシート状の人工筋部材１１０からなる場合に、一つの人工筋部材１１０を「束ねる」とは、シート状の人工筋部材１１０を、同一平面内に配置せず、三次元的な形状を有するように変形させることを意味する。たとえば、上記実施形態に係る製造装置３０をシート状の人工筋部材１１０に適用すると、第１形態Ｆ１では、シート状の人工筋部材１１０が平面的に配置され、第２形態Ｆ２では、シート状の人工筋部材１１０が所定の軸（上記のｘ軸）を中心に巻かれて丸められる。シート状の人工筋部材１１０は、一周または複数周分巻かれてもよいし、所定の軸を中心とした一周の一部分のみにわたって巻かれてもよい。ただし、束ねられた人工筋部材１１０の三次元的な形状は、上記例に限定されず、たとえば複数回の折り返しを有する形状などでもよい。なお、この「束ねる」の定義は、人工筋部材１１０が一つだけである場合に限られる。すなわち、人工筋部材１１０がシート状であるか否かにかかわらず、二つ以上の人工筋部材１１０が人工筋構造体１００を形成する場合における「束ねる」とは、上記実施形態で説明したとおり、複数の人工筋部材１１０を、同一平面内に配置せず、略向きを揃えた状態で互いに近接して配置することを意味する。

以下、実験例を示して本発明の具体例について説明する。以下の説明では、理解を容易にするために上記の実施形態で用いた参照符号を使用するが、本発明は以下の実験例に限定されない。

［実施例１：製造キットの製造］
まず、図１に示す製造キット１を製造した。モールド１０および培養台７０のベース７２は、まず３Ｄプリンタ（ＡＧＩＬＩＳＴＡ－３２００、キーエンス）でそれぞれの鋳型を造形し、各鋳型に流し込んだ液状ＰＤＭＳを加熱固化させることにより製造した。構築した筋組織を分離しやすくするために、モールド１０に対してＭＰＣポリマーコーティングおよびＢＳＡコーティングを行った。ＭＰＣポリマーコーティングについては、ＭＰＣポリマー（ＬＩＰＩＤＵＲＥ－ＣＭ５２０６、日油株式会社）のエタノール溶液をモールド１０に流し込んで３０秒ほど接触させた後、加熱することにより、ＭＰＣポリマーの膜をモールド１０の表面上に形成した。ＢＳＡコーティングについては、ウシ血清アルブミン（ＢＳＡ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）のＰＢＳ溶液を滅菌した後、モールド１０に流し込んで静置し、ＰＢＳで洗浄することにより、ＢＳＡの膜をモールド１０の表面上に形成した。

アンカー２０は、光造形機（ｍｉｃｒｏＡｒｃｈ Ｓ１４０、ＢＭＦ社）を使用して、生体適合性樹脂（ＢＩＯ）で造形した。培養台７０のストッパ７４は、３Ｄプリンタ（ＡＧＩＬＩＳＴＡ－３２００、キーエンス）で造形した。保持ユニット４２および形態維持部材６０は、３ＤプリンタＤＷＳ（ＤｉｇｉｔａｌＷａｘ ０２８Ｊ、シーフォース株式会社）で造形した。３Ｄプリンタで製造した各造形物は、洗浄して、真空蒸着装置（ＬＡＢＣＯＴＥＲ ＰＤＳ２０１０、日本パリレン）でその表面に厚さ２μｍのパリレンＣを蒸着した。

次いで、ガラス板に蒸着した厚さ５μｍのパリレンＣを剥がすことにより、パリレンシートを得た。得られたパリレンシートを５つの保持ユニット４２の裏面に貼り付けることにより、保持ユニット４２を連結して、ホルダ４０を製造した。

［実施例２：筋組織の構築および培養］
上記の製造キット１を用いて、継代数３回以内のヒト骨格筋芽細胞（Ｃｅｌｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ）の培養を行った。まず、細胞懸濁液を、セルカウント後に１１１０ｒｐｍで５分間遠沈した。上澄みを除去して得られた細胞に、ｓｋｅｌｅｔａｌ ｍｕｓｃｌｅ ｃｅｌｌ ｇｒｏｗｔｈ ｍｅｄｉｕｍ－２（ＳｋＧＭ－２、Ｌｏｎｚａ）培地およびヒト血漿由来トロンビン（Ｐｒｏｔｈｒｏｍｂｉｎ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）を混合して、Ａ液を用意した。次いで、ウシ血漿由来フィブリノーゲン（Ｆｉｂｒｉｎｏｇｅｎ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）、マトリゲル基底膜マトリックス（Ｍａｔｒｉｇｅｌ Ｍａｔｉｘ，Ｃｏｒｎｉｎｇ）、ＳｋＧＭ－２培地を混合して、Ｂ液を用意した。Ａ液とＢ液とを混合することにより、筋芽細胞を含むハイドロゲル溶液Ｈを得た。

図３Ａに示すように、アンカー２０をモールド１０の各アンカー設置部１４に装着した。図３Ｂに示すように、上記で得られた筋芽細胞のハイドロゲル溶液Ｈを、モールド１０の溝１６に流し込んだ。モールド１０を載置したシャーレ８０を３７℃のインキュベータに３０分間静置して、ゲル溶液を固めた。次いで、図３Ｃに示すように、３００ｍｇ／ｍＬの６－アミノカプロン酸（ＡＣＡ、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈ）を添加したＳｋＧＭ－２培地をシャーレ８０に入れて、インキュベータ内で培養した。溝１６内で筋芽細胞が筋組織を構築することにより、モールド１０上で、筋組織およびハイドロゲルから構成された人工筋部材１１０が得られた。免疫染色像の観察により、成熟した組織が得られること、および筋線維が充分に配向していることを確認した。

組織構築の日をｄａｙ０として、ｄａｙ２で、形成された人工筋部材１１０をアンカー２０とともにモールド１０から取り外し、図３Ｄに示すように、培養台７０に載置したホルダ４０に装着した。具体的には、人工筋部材１１０の両端のアンカー２０の装着部２６を、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂの各アンカー保持穴４６に挿入し、人工筋部材１１０が両ホルダ４０の間で保持されるようにした。ホルダ４０には、８本の人工筋部材１１０およびその各々の両端の１６個のアンカー２０を装着した。その後、図３Ｅに示すように、人工筋部材１１０に含まれる筋組織をシャーレ８０内で培養した。２日間に一回、培地の全量交換を行った。培養２日目以降は、使う培地を分化培地に変えた。分化培地は、ＤＭＥＭ ｌｏｗ ｇｌｕｃｏｓｅ（Ｄｕｌｂｅｃｃｏ’ｓ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｅａｇｌｅ’ｓ Ｍｅｄｉｕｍ－ｌｏｗ ｇｌｕｃｏｓｅ、富士フイルム）に２％のウマ血清（ＨＳ、Ｉｎｖｉｔｒｏｇｅｎ）、１％のＰｅｎｉｃｉｌｌｉｎ／Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｉｎ（Ｐ／Ｓ）、２００ｍｇ／ｍＬのＡＣＡ，１０ｎｇ／ｍＬのインスリン様成長因子１（Ｒｅｃｏｍｂｉｎａｎｔ Ｈｕｍａｎ ＩＧＦ－Ｉ、ＰｅｐｒｏＴｅｃｈ）、５μｍのＳＢ４３１５４２（Ｃａｙｍａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ）を加えたものを使用した。分化をかけてから２週間静置し、両端にアンカー２０が固着された８本の人工筋部材１１０を得た。

［実施例３：人工筋アクチュエータの製造］
次いで、以下のようにして８本の人工筋部材１１０を束ねることにより、人工筋構造体１００を備える人工筋アクチュエータ２００を製造した。まず、巻き取り部材５０として角柱状のガラス棒を用意した。培養台７０のストッパ７４を取り外し、各ホルダ４０Ａ、４０Ｂの第３平板４２Ｅ３の空間Ｓに巻き取り部材５０を挿入した。図３Ｆに示すように、巻き取り部材５０を手前に回転させることにより、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂを巻き取り、ホルダ４０を第２形態Ｆ２に変形させた。巻き取り部材５０を取り外し、第１ホルダ４０Ａおよび第２ホルダ４０Ｂの各形態維持穴４８に、それぞれ第１形態維持部材６０Ａおよび第２形態維持部材６０Ｂを挿入することにより、各ホルダ４０Ａ、４０Ｂを第２形態Ｆ２に維持させた。これにより、第１ホルダ４０Ａと第２ホルダ４０Ｂとの間に８本の人工筋部材１１０が束ねられた状態で保持された人工筋構造体１００が形成された。このようにして、図４に示すように、第１ホルダ４０Ａ、第２ホルダ４０Ｂ、およびその間の人工筋構造体１００を備える人工筋アクチュエータ２００が得られた。

得られた２００に対して電極対２２０、２３０で電場を印加し、筋組織を選択的に収縮させることを試みた。その結果、人工筋アクチュエータ２００に対する電極対２２０、２３０の配置に応じて、図６Ａおよび図６Ｂに示すような左右方向および前後方向の回転運動と、図６Ｃに示すような直線運動とを選択的に実現できることを確認した。

［実施例４：人工筋アクチュエータを備えるロボットハンドの製造］
図７に示すような人工筋アクチュエータ２００とフィンガ３１０とがワイヤ３２０で接続された構造を組み合わせて、５本指のロボットハンドを製造した。図８は、製造したロボットハンドの写真である。ロボットハンドの各パーツは、３Ｄプリンタ（ＡＧＩＬＩＳＴＡ－３２００、キーエンス）で造形した。透明培地中で、人工筋アクチュエータ２００の各々に個別に電気刺激を与えることによって、ロボットハンドの各フィンガを独立して動かすことができることを確認した。

［評価例１：人工筋アクチュエータの収縮力の評価］
実施例３で製造した人工筋アクチュエータ２００の第１ホルダ４０Ａを固定し、第２ホルダ４０Ｂに力センサを接続した。人工筋アクチュエータ２００に対して電場印加部材２１０による電気刺激を与えたときの力センサの出力を調べることによって、電気刺激に対する人工筋アクチュエータ２００の収縮力の応答を調べた。

図９は、人工筋部材１１０の数に対する人工筋アクチュエータ２００の収縮力の測定結果を示すグラフである。ここでは、ホルダ４０で支持する人工筋部材１１０の数を１本～８本の範囲で１本ずつ増やして人工筋アクチュエータ２００の収縮力を測定し、人工筋部材１１０の数に対する収縮力の変化を調べた。モールド１０は、溝１６の幅が４ｍｍ、高さが１．５ｍｍのものを使用した。図９の縦軸は、人工筋部材１１０が１本の場合の収縮力を１とした相対収縮力を示す。図９に示すように、人工筋アクチュエータ２００の収縮力は、人工筋部材１１０の数に概ね比例して増加することが確認された。

［評価例２：人工筋部材の太さに対する収縮力の評価］
太さ１．５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、および５ｍｍの人工筋部材１１０をそれぞれ製造し、人工筋部材１１０の収縮力に対する太さの影響を調べた。具体的には、電極間距離２ｃｍで配置した電極対を用いて、陽極と陰極とを交互に入れ替えながら、人工筋部材１１０に対してパルス電場を印加し、人工筋部材１１０の収縮力を力センサで測定した。図１０は、人工筋部材１１０の太さに対する単位断面積あたりの収縮力の測定結果を示すグラフである。図１０において、「２０Ｖｐｐ」は１０Ｖの振幅のパルスを印加した結果を示し、「６０Ｖｐｐ」は３０Ｖの振幅のパルスを印加した結果を示す。図１０に示すように、人工筋部材１１０の単位断面積あたりの収縮力は、人工筋部材１１０が細くなるほど増加することが確認された。ここで、人工筋部材１１０の断面積は、使用したモールド１０の溝１６の断面積で近似した。

［評価例３：人工筋部材の培養方法に対する収縮力の評価］
図３Ｅのように平面状の第１形態Ｆ１で培養する代わりに、ホルダ４０を第２形態Ｆ２とした状態で人工筋部材１１０の培養を行った点を除き、実施例２～３と同様にして、８本の人工筋部材１１０を備える人工筋アクチュエータ２００を製造した。モールド１０は、溝１６の幅が１．５ｍｍ、高さが１．５ｍｍのものを使用した。第２形態Ｆ２の培養で得られた人工筋アクチュエータ２００の収縮力を、第１形態Ｆ１の培養で得られた実施例３の人工筋アクチュエータ２００の収縮力と比較した。図１１は、人工筋部材１１０の培養方法に対する人工筋アクチュエータ２００の収縮力の測定結果を示すグラフである。図中の「平面培養」は、実施例３における第１形態Ｆ１での培養方法を示し、「立体培養」は、第２形態Ｆ２での培養方法を示す。図１１に示すように、平面培養によって得られた人工筋アクチュエータ２００の収縮力は、立体培養によって得られた人工筋アクチュエータ２００よりも大きいことが確認された。

１…製造キット、１０…モールド、２０…アンカー、３０…製造装置、４０…ホルダ、４０Ａ…第１ホルダ、４０Ｂ…第２ホルダ、４２…保持ユニット、５０…巻き取り部材、６０…形態維持部材、７０…培養台、８０…シャーレ、１００…人工筋構造体、１１０…人工筋部材、２００…人工筋アクチュエータ、２１０…電場印加部材、３００…ロボットハンド、３１０…フィンガ（可動ユニット）。

Claims (15)

1. 筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造装置であって、
   人工筋部材の一端部を支持可能な第１ホルダと、
   人工筋部材の他端部を支持可能な第２ホルダと、
   を備え、
   前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、第１形態と第２形態との間で変形可能であり、
   前記第１形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を、培養のための第１配置で支持することができ、
   前記第２形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を、前記一つまたは複数の人工筋部材が束ねられた第２配置で支持することができる、
   製造装置。
2. 前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、前記第１形態では展開されており、前記第２形態では巻き取られている、
   請求項１に記載の製造装置。
3. 前記第１ホルダおよび前記第２ホルダにより支持された前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間で第１方向に延在し、
   前記第２形態において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、前記第１方向に直交する平面視において、渦巻状に巻き取られている、
   請求項２に記載の製造装置。
4. 前記第１ホルダおよび前記第２ホルダの少なくとも一方は、人工筋部材の端部を支持可能な複数の保持ユニットを備え、
   前記複数の保持ユニットのうち隣り合う保持ユニットは、互いに枢動可能に連結される、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の製造装置。
5. 前記第１ホルダおよび前記第２ホルダにより支持された前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記第１ホルダと前記第２ホルダとの間で第１方向に延在し、
   前記第２形態では、前記第１方向に直交する平面への射影において、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダは、前記一つまたは複数の人工筋部材を取り囲む、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の製造装置。
6. 前記一つまたは複数の人工筋部材は、細長い形状を有する複数の人工筋部材を含む、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の製造装置。
7. 前記第１配置における前記一つまたは複数の人工筋部材は、実質的に同一平面内に配置され、
   前記第２配置における前記一つまたは複数の人工筋部材は、前記同一平面内に配置されない、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の製造装置。
8. 前記第１ホルダは、人工筋部材の一端部を固定するアンカーを保持することができ、
   前記第２ホルダは、人工筋部材の他端部を固定するアンカーを保持することができる、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の製造装置。
9. 筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造キットであって、
   人工筋部材を固定可能な複数のアンカーと、
   前記複数のアンカーを設置可能な複数のアンカー設置部と、前記複数のアンカー設置部のうち２つのアンカー設置部の間に形成された、細胞を培養する培養空間を形成する培養部と、を備えるモールドと、
   請求項８に記載の装置と、
   を備える製造キット。
10. 第１方向に延在する、筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材と、
    前記一つまたは複数の人工筋部材が束ねられた状態で、前記第１ホルダおよび前記第２ホルダによって前記一つまたは複数の人工筋部材の両端部を支持する、請求項１～３のいずれか一項に記載の装置と、
    を備える、
    人工筋アクチュエータ。
11. 前記一つまたは複数の人工筋部材の一部または全部に対して電場を印加する電場印加部材をさらに備える、
    請求項１０に記載の人工筋アクチュエータ。
12. 請求項１０に記載の人工筋アクチュエータと、
    前記人工筋アクチュエータによって直接的または間接的に駆動される可動ユニットと、
    を備える、ロボット。
13. 筋組織を含む一つまたは複数の人工筋部材を備える人工筋構造体の製造方法であって、
    前記一つまたは複数の人工筋部材の両端がホルダに保持された状態で、前記筋組織を培養する筋組織培養ステップと、
    前記筋組織培養ステップの後、前記ホルダを変形させることによって、前記一つまたは複数の人工筋部材を束ねる変形ステップと、
    を含む、方法。
14. 前記筋組織培養ステップにおいて、前記一つまたは複数の人工筋部材は、実質的に同一平面内に配置される、
    請求項１３に記載の方法。
15. 前記ホルダで保持可能な一対のアンカーの間で筋芽細胞を培養することによって、両端が前記一対のアンカーに固定された人工筋部材を形成する細胞培養ステップをさらに備える、
    請求項１３または１４に記載の方法。

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