JP3412014B2

JP3412014B2 - ハイドロゲルの製造方法および細胞培養支持体

Info

Publication number: JP3412014B2
Application number: JP2000385662A
Authority: JP
Inventors: 靖玉田
Original assignee: National Institute of Agrobiological Sciences
Current assignee: National Institute of Agrobiological Sciences
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2003-06-03
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP2002186847A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイドロゲルの製
造方法とそのハイドロゲルを含有する細胞培養支持体に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ハイドロゲルは、コンタクトレンズや創
傷被覆材、薬剤徐放担体等の医療分野や、紙おむつや生
理用品等の生活日用品分野、あるいは土壌保水剤、食品
加工用シート等の農林水産分野等の産業上広い分野に利
用されている。これらの分野に利用されるハイドロゲル
を構成する材料は、ポリビニルアルコール、ポリアクリ
ルアミドやポリアクリル酸等の水溶性高分子あるいはそ
れらの共重合体の架橋物からなるものや、アガロース、
アルギン酸やゼラチン等の天然高分子からなるものが知
られている。

【０００３】近年、ハイドロゲルは、その重要な利用用
途として、組織工学や再生医工学という先端医療分野に
おける細胞培養支持体や組織再生支持体として注目を集
めている。これらの用途に利用するためには、生体安全
性や生体親和性が要求されるため、主として生体由来の
コラーゲンを主体としたハイドロゲルが利用されてい
る。しかしながら、コラーゲンは動物組織からの抽出に
より生産され、かつオートクレーブ滅菌が不可能である
ことから、未知病原体による汚染等の可能性も否定でき
ない。また、コラーゲンハイドロゲルは、その分解速度
が速すぎるため、化学的や物理的な架橋処理が必要であ
る。一般的に、化学的架橋剤は、細胞毒性を示すものが
多く、残存架橋剤による毒性が否定出来ず、また、物理
的な架橋では放射線や紫外線照射施設等の設備が必要と
なり、簡便には生産できない。さらに、もっとも重大な
問題として、コラーゲンでは力学的強度に優れたハイド
ロゲルを生産できないことが指摘されている。すなわ
ち、組織工学や再生医工学用素材として力学的強度が要
求される部位、例えば軟骨組織再生や骨膜組織再生等に
利用することが出来ないという制限がある。そこで、力
学的強度をもち、生体安全性や生体親和性に優れたハイ
ドロゲルの開発が求められている。

【０００４】絹フィブロインタンパク質（以下、「絹フ
ィブロイン」と称する。）は、手術用縫合糸としても使
用されており、生体親和性に優れた材料の一つである。
また、最近の研究結果から、精練した絹糸は免疫反応を
惹起することがなく（Opthalmology,91,479-483(198
4)）、また、絹フィブロイン材料の炎症性は高くない
（J.Biomed.Mater.Res.,46,382-389(1999)）ことが報告
されている。さらに、絹フィブロインフィルム上では、
細胞付着や増殖が良好であり（J.Biomed.Mater.Res.,8
9,1215-1211(1995)）、表皮細胞の増殖活性化効果があ
る（特開平11-253155）ことが報告されている。このよ
うに、絹フィブロイン材料は、組織工学や再生医工学用
材料として優れた材料である。

【０００５】絹フィブロインを用いたハイドロゲルの製
造方法も種々開示されている。例えば、絹フィブロイン
溶液に絹フィブロインの貧溶媒であるアルコール等を大
量に加えて沈殿させゲル化する方法が広く知られている
が、得られたゲルはもろく十分な強度をもったゲルは製
造出来ない。絹フィブロイン水溶液のpHを等電点以下に
低下させて沈殿させゲル化する方法が開示されているが
（特開平1-118544）、この製造方法によっても得られる
ゲルはもろく十分な強度をもったゲルは製造できない。
また、絹フィブロイン溶液を徐々に乾燥することにより
ゲル化する方法も知られているが、得られたゲルは柔軟
性がなく、製造に長時間かかる。さらに、濃厚フィブロ
イン溶液に対し凍結と融解を繰り返すことによりハイド
ロゲルを作製する方法も開示されている(特開平1-30843
1)が、強度あるゲルを作製するためにはフィブロインの
濃厚溶液が必要であり、細胞培養支持体や組織工学・再
生医工学用素材としての十分な含水率をもったゲルの作
製が困難であり、また強度あるゲルを作製する場合は凍
結・融解操作を繰り返す必要があり、工程は非常に煩雑
になる欠点を有している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような状況をふま
えて、本発明は、上記の従来技術がかかえる問題点を解
決することを課題とした。すなわち、本発明は、組織工
学や再生医工学用素材として求められる生体親和性や力
学的強度に優れたハイドロゲルの簡便な製造技術を提供
することを課題としている。さらに、組織工学や再生医
工学用素材に要求される優れた細胞増殖や細胞維持特性
を有する細胞培養支持体を提供することも課題とした。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決するために鋭意研究を進めた結果、絹フィブロイ
ン水溶液に水溶性有機溶媒を添加し、これを凍結した
後、融解するという簡便な方法により、高含水率であ
り、かつ力学的強度に優れたハイドロゲルを製造できる
技術を見出し、また、このハイドロゲルが優れた細胞増
殖機能を有する優れた細胞培養支持体として有用である
ことを見出し、本発明を完成するに至った。

【０００８】本発明のハイドロゲルの製造方法は、絹フ
ィブロイン水溶液に対して０．０５〜１０容量％の水溶
性有機溶媒を添加したものを一定時間凍結させ、次いで
融解してハイドロゲルを得ることからなる。絹フィブロ
イン水溶液の濃度は、０．１〜１０重量％である。

【０００９】本発明の細胞培養支持体は、このようにし
て製造されたハイドロゲルを含有することからなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００１１】本発明で用いる絹フィブロインとしては、
家蚕、野蚕、天蚕等の蚕から生産されるものであればい
ずれでもよく、その製造方法としては、繭からの抽出、
絹糸腺からの抽出等のような既知の如何なる方法を用い
ても良い。特に、製造工程の簡便性から家蚕の繭からの
抽出が好ましい。本発明では、絹フィブロインを水溶液
として用いるが、その方法は公知の如何なる方法を用い
てもよく、例えば臭化リチウム水溶液に溶解した絹フィ
ブロインを水に対して透析する方法が挙げられる。この
絹フィブロイン水溶液をハイドロゲル製造のための原料
として用いるわけであるが、組織工学・再生医工学用素
材や細胞培養支持体として用いる場合は、この段階にて
通常のオートクレーブ滅菌処理をしてもよい。用いる絹
フィブロイン水溶液の濃度は、使用目的に合わせて自由
に選択できるが、好ましくは０．１重量％〜１０重量
％、特に好ましくは０．５重量％〜５重量％である。
０．１％重量未満では、十分な強度を持ったハイドロゲ
ルが製造できない場合があり、また１０重量％を超える
と、原料水溶液の調製が困難であったり、製造したハイ
ドロゲルが組織や細胞の増殖や維持に対して不利になる
場合がある。

【００１２】本発明によれば、この絹フィブロイン水溶
液に水溶性有機溶媒を添加して、所定時間凍結処理し、
次いで融解処理することにより、ハイドロゲルを製造す
る。添加する水溶性有機溶媒は、水に対して部分的にで
も混和できればよい。例えば、メタノール、エタノー
ル、プロパノール、イソプロパノール、ブタノール、イ
ソブタノール、sec−ブタノール、ｔ−ブタノール、イ
ソアミルアルコール、グリセロール、アセトン、アセト
ニトリル、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチル
スルホキシド（ＤＭＳＯ）、ピリジン等が挙げられる。
細胞保存用溶媒として広く使用されているグリセロール
やジメチルスルホキシドを用いると、生体組織や細胞に
対する危険性が少なく好ましく使用できる。添加する量
は、絹フィブロイン水溶液にこれらの有機溶媒を添加し
たときに絹フィブロインが沈殿しない範囲ならば特に制
限はないが、好ましくは０．０５容量％〜１０容量％、
特に好ましくは０．１容量％〜５容量％である。０．０
５容量％未満では、ハイドロゲルを形成しない場合もあ
り、１０容量％を超えると、絹フィブロインの沈殿の危
険性があり、また、十分な機械的強度を持ったハイドロ
ゲルを製造できない。凍結温度は特に制限されないが、
設備の簡便性から考えて、通常のフリーザー等が利用で
きる温度を用いればよい。凍結時間は、十分に凍結する
ことのできる時間であればよく、好ましくは４時間以
上、特に好ましくは６時間以上である。４時間未満であ
ると、フリーザーの種類にもよるが、ハイドロゲルが製
造出来なかったり、製造したハイドロゲルの機械的強度
が十分でない場合がある。凍結した絹フィブロイン水溶
液を、そのまま融解することでハイドロゲルが製造でき
る。融解は加温して行ってもよいが、通常、室温下で放
置すれば、より簡便にハイドロゲルが製造できる。得ら
れたハイドロゲルを組織工学・再生医工学用素材や細胞
培養支持体として用いる場合は、水や燐酸緩衝生理食塩
水（ＰＢＳ）のような生理的緩衝溶液等中で添加した水
溶性有機溶媒を置換したのち、通常のオートクレーブ滅
菌処理を行う。

【００１３】ハイドロゲルに、コラーゲンや細胞成長因
子を混合したり、あるいは生理活性物質を付与した改変
絹フィブロイン等を混合することもできる。この場合
は、絹フィブロイン水溶液あるいはあらかじめオートク
レーブ滅菌処理した絹フィブロイン水溶液に、コラーゲ
ン、細胞成長因子、あるいは改変絹フィブロインを混合
し、上記と同様の製造工程を経ることで、これらの分子
を含んだハイドロゲルを製造できる。また、絹フィブロ
イン分子にタンパク質工学的手法により各種の生理活性
分子や機能性分子を融合したキメラフィブロイン分子等
も同様に混合して、上記と同様の処理を行うことによ
り、これらの分子を含んだハイドロゲルを製造できる。
組織工学や再生医工学用素材や細胞培養支持体として用
いる場合は、あらかじめオートクレーブ滅菌した絹フィ
ブロイン水溶液を用いる方が安全性等の面から好まし
い。

【００１４】製造したハイドロゲルを細胞培養支持体と
して用いる場合は、絹フィブロイン水溶液と細胞浮遊液
とを混合し、細胞に対して傷害を与えないような水溶性
溶媒、たとえばグリセロールやジメチルスルホキシド
（ＤＭＳＯ）を添加して、上記のハイドロゲル製造工程
によりゲル化することで３次元的な培養が可能となる。
また、もっと簡便には、あらかじめ製造したハイドロゲ
ル上へ細胞浮遊液を添加することで、徐々に細胞がゲル
内部へ進入して３次元的な培養が可能となる。３次元細
胞培養支持体として広く利用されているコラーゲンに比
較して、本発明のハイドロゲルは、そのゲルの空隙率や
孔径を制御しやすく、また経時的なゲル体積の縮小もな
く、より効率的に細胞を培養できる特色がある。

【００１５】

【実施例】以下に実施例を示して、本発明を具体的に説
明する。（実施例１）精錬した絹糸を９Ｍ臭化リチウム水溶液中
に溶解した後、蒸留水に対して十分に透析して絹フィブ
ロイン水溶液を調製した。１重量％および２重量％絹フ
ィブロイン水溶液中に、表１に示した各種水溶性有機溶
媒を全量に対して１容量％になるように添加し、よく混
合したのち、−２０℃のフリーザー中で１２時間凍結し
た。凍結したサンプルを室温下で放置し、ゲル化の状態
を観察した。

【００１６】

【表１】（注）＋＋＋：堅いゲル、＋＋：柔らかいゲル、＋：もろいゲ
ル、−：ゲル化せず表１から明らかなように、溶媒未添加の場合はゲル化し
なかった。また、溶媒の種類によりゲルの状態をコント
ロールすることができる。

【００１７】また、上記のようにして得られたヒドロゲ
ルの力学的強度は、次のようであった。３重量％に調製
した絹フィブロイン水溶液に１容量％になるようにｔ−
ブタノールを添加しよく混合した後、９０ｍｍ径のシャ
ーレ中に厚み２ｍｍになるように絹フィブロイン水溶液
をを添加し、−２０℃のフリーザー中で１２時間凍結
し、その後室温下に放置することでヒドロゲル板を作製
した。この試料をダンベル片に打ち抜き、引っ張り強度
を測定した。また、同じ絹フィブロイン水溶液を同じシ
ャーレ中に２ｍｍ厚になるように入れ、−２０℃のフリ
ーザー中１２時間、室温下に１２時間の凍結−融解を５
回繰り返してヒドロゲルを作製して同様のダンベル片を
作製して、引っ張り強度試験の対照とした。測定は４回
繰り返し、その結果の平均を表２に纏めた。

【００１８】

【表２】表２から明らかなように、本発明の製造方法で得られた
ヒドロゲルは、凍結−融解を繰り返して得たヒドロゲル
よりも優れた力学的強度を持っていることが分かる。（実施例２）実施例１と同様に調製した種々の濃度（重
量％）の絹フィブロイン水溶液に対して、０．５容量％
から２容量％までのＤＭＳＯを添加して、−２０℃のフ
リーザー中で１２時間凍結した後、室温下で放置してハ
イドロゲルを作製した。このハイドロゲルを蒸留水中に
数日間浸漬して平衡状態まで含水させ、重量を測定した
（Ｗａ）。このゲルを６０℃の減圧乾燥機中で十分に乾
燥させ、ゲルの乾燥重量を測定した（Ｗｂ）。次式に従
って含水率を算出し、表２に示した。

【００１９】含水率（％）＝（Ｗａ−Ｗｂ）×１００／Ｗｂ

【００２０】

【表３】表２から明らかなように、絹フィブロイン水溶液濃度や
添加溶媒濃度を変動させることにより、含水率をコント
ロールすることができる。（実施例３）実施例１と同様に調製した絹フィブロイン
水溶液に対し、１２１℃、２０分間オートクレーブ滅菌
を行い、２重量％濃度の滅菌絹フィブロイン水溶液を得
た。無菌条件下で、このフィブロイン水溶液に滅菌ＤＭ
ＳＯを１容量％になるように添加し、−２０℃のフリー
ザー中で１２時間凍結した後、取り出して室温下で放置
し、ハイドロゲルを調製した。このハイドロゲルを無菌
ＰＢＳ中に浸漬した後、９６穴マルチウェルに入れ、５
×１０⁵個／ｍＬの細胞浮遊液を１００ｍＬ添加して、
３７℃、５％ＣＯ₂環境下で培養した。所定時間ごとに
ゲルを取り出し、ＬＤＨ法により細胞数を計数した。得
られた結果を図１に示した。（比較例１）新田ゼラチン製のCellMatrix Ａ（コラー
ゲン）を用いて、実施例３と同じ細胞数の添加されたコ
ラーゲンゲル中で、実施例３と同様の培養条件下で細胞
培養評価を行った。得られた結果を図１に示した。

【００２１】図１から、本発明の方法で製造したハイド
ロゲル（実施例３）に対しては、極めて良好な細胞増殖
が観察され、優れた細胞培養支持体であり、従来のコラ
ーゲンゲル（比較例１）に比較して、細胞増殖効果が極
めて優れていることがわかる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、生体親和性に優れた絹
フィブロインを用いてハイドロゲルを製造する際に、水
溶性有機溶媒の添加と凍結・融解のみの簡便な製造工程
により、力学的特性に優れたハイドロゲルを製造するこ
とができる。また、この製造方法により得られたハイド
ロゲルは、従来のコラーゲンゲルよりも細胞増殖性が高
く、力学的特性に優れているため、細胞培養支持体とし
て、あるいは組織工学や再生医工学用素材としても好適
に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により得られたハイドロゲルの細胞増
殖効果を、従来のコラーゲンゲルと比較して示すグラ
フ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絹フィブロイン水溶液に対して０．０５
〜１０容量％の水溶性有機溶媒を添加したものを一定時
間凍結させ、次いで融解してハイドロゲルを得ることを
特徴とするハイドロゲルの製造方法。
【請求項２】前記絹フィブロイン水溶液の濃度が０．
１〜１０重量％であることを特徴とする請求項１記載の
ハイドロゲルの製造方法。
【請求項３】請求項１又は２記載の製造方法で製造し
たハイドロゲルを含有することを特徴とする細胞培養支
持体。