在宅で行う細胞ファイバ研究

1. は じ め に 細胞はマイクロオーダーの超高性能素材であり，細胞組 織を用いたモノ作りは，医療，創薬分野のみならずセンサ や培養肉など工業分野においても注目を集めている．近年 はこの組織を塊状やシート状にする研究が進められている が，その中でも繊維状の「細胞ファイバ」は操作性に優れ， 3 次元組織に組み立てが可能であるため，様々な分野での 応用，特にバイオリアクター（微小培養空間）としての利 用が期待される . しかし，新型コロナウイルス感染症の感染拡大によって 大学における研究活動が制限されており，同技術を用いた 新たな研究が誕生しにくい状況が続いている．そこで，本 研究は，自宅にいながら，簡便に「細胞ファイバ」を作製 する方法を構築したので報告する . 2. コアシェルファイバの構造 「細胞ファイバ」と呼ばれる繊維状三次元の人工組織は， 一般的に「コアシェル」と呼ばれる二層構造になっており （図 1a），内側の細胞を外側のアルギン酸ゲルが包み込む 構造をとる．アルギン酸ナトリウムはカルシウムイオンに 触れると素早く架橋しアルギン酸ゲルを形成する．本研究 ではこの反応を利用して，マイクロ流体デバイスに材料の アルギン酸ナトリウム水溶液を流し込んで層流を作り ,「コ アシェルファイバ」を作製する．マイクロ流体デバイスの 造形には市販の 3D プリンターを使用した . 3. 3D プリンターで造形する流体デバイス 本研究では，まず家庭での汎用性の高い 3D プリンター （Kingroon, KP3-3DP180） （ 図 1b） と PLA （Polylactic acid）

フィラメント（直径 1.75 mm）を用いて , 単純な Y 字型流 体デバイス（直径 1.5 mm）を造形した（図 2a）．次に，造 形した流体デバイスでヤヌスと呼ばれる左右に二層構造に なった単純なファイバを作製した． Y 字型デバイスの上部の 2 つの注入口から，それぞれ別 の色のインク（PILOT, INK350-BB, R）で着色した 1.5 wt% のアルギン酸ナトリウム（Marugo20）水溶液をシリンジ （TERUMO, SS-20ESZ）で流し込み，液体の出口を 50 mM の塩化カルシウム（松葉薬品）水溶液に入れて出てくるア ルギン酸ナトリウムを固めると，2 液が層状となってゲル 化したファイバ（ヤヌスファイバ）が作製できた（図 2b）． この結果，本研究で使用した家庭用 3D プリンターで層流 を作れる流体デバイスが造形可能であることが確認された． 続いてヤヌスファイバ作製時に用いたY 字型の流体デ バイスをもとに新たなデバイスを造形し（図 3a）, コアシ ェルファイバの作製を試みた．コア材とシェル材はそれぞ れ異なる色のインクで着色したアルギン酸ナトリウムを使 用した．結果は，一見するとコアシェルファイバが作製で きたように見えるが，切断してみると断面が一定ではなく， コア部分が中央からずれてしまっていた． そこで , 中央の注入口からコア材を，両側の 2 つの注入 口からシェル材を注入可能な構造へデバイスの改良を行い （図 3b），これを使用して再度コアシェルファイバを作製 した．コア材の注入口はノズルを差し込める型にし，ノズ (a) (b) 図 1　（a） コアシェルファイバ . （b） 使用した 3D プリンター (a) (b) 図 2　（a）ヤヌスファイバ作製の概念図 . （b） ヤヌスファイバ Title:73_165.indd　p21　2021/06/15/ 火 17:33:30 生 産 研 究 研 究 速 報 21 73 巻 3 号 （2021） 165 ＊_{名古屋市立向陽高等学校} ＊＊_{情報理工学系研究科} ＊＊＊_{生産技術研究所}

在宅で行う細胞ファイバ研究

井 澤 智 優

_{・趙　　炳　郁}

_{・竹 内 昌 治}

Jiwoo IZAWA, Byeongwook JO and Shoji TAKEUCHI

ルの直径は 1.4 mm のものを使用した． 完成したファイバは 5 cm ごとに切断して（図 3c）， そ の断面におけるコアとシェルの割合を計測した（図 3d）. コアシェル度（コアのファイバの中心からのずれを表す値） による評価も行った．材料を注入し始めた後，安定した層 流が形成され始めた 20 cm 辺りからコアシェル度が高く なり，それがファイバの中央部分で維持できていることが 確認できた（図 3e）. 4. バイオリアクターとしての可能性 最後に，3D プリンターで造形したデバイスを利用して 作製したコアシェルファイバ（図 4a）が本当に細胞ファ イバとして機能し得るか確かめるため，コア材に生体材料 のイースト菌を入れ，上記の方法で細胞ファイバを作製し た．その後，ファイバ中のイースト菌の生存の可否を確か めるため，イースト菌入りファイバを塩化カルシウムとス クロ―スの混合溶液（塩化カルシウム 50 mM，スクロー ス 3.0 wt%）中で培養したところ，12 時間後に細胞ファイ バ内部に多くの気泡が出現し，ファイバがふくらんで変形 していることを確認した（図 4b）．また，細胞ファイバを 入れているビーカーからはアルコール臭を感知した． 5. 考 察 本研究ではまず家庭用 3D プリンターで造形した Y 字型 流体デバイスを用いてヤヌスファイバの作製に成功したこ とから，この装置で層流を作る程度の精度が得られること が分かった．続いて，このデバイスをもとに改良型のデバ イスを作り，コアシェルファイバの作製を試みたが，層流 が形成されず，コアシェル構造の形成に至らなかった．そ こでこのデバイスにシェル材の注入口を追加し，中央のコ ア材の注入口を両側から挟む形でシェル材の注入口を配置 したところ，均質なコアシェルファイバを作製できた． また，作製したコアシェルファイバにイースト菌を入れ てスクロース溶液（3.0 wt%）中で培養すると，イースト菌 はファイバ内で生存し，アルコールを生成したことも確認 された．実験は 30 日で中止したが，その時点でも新しく気 泡が発生していたことから，本研究で作製したコアシェル ファイバがバイオリアクターとして機能したと考えられる． 6. お わ り に 本研究では，これまで研究室でしか作製できないと考え られていた細胞ファイバであるが，アルギン酸ナトリウム と塩化カルシウムの 2 種類の試材と，ネット通販などで購 入可能な廉価な家庭用 3D プリンターで作ったマイクロ流 体デバイスがあれば，自宅でも簡単に細胞ファイバが作製 できることを示した．また，作製したファイバがバイオリ アクターとして機能することも確認できた．現在 3D プリ ンターの性能は日進月歩であり，さらに解像度の高いプリ ンターの出現によって，より細いファイバの作製が期待で きる．また，ここでは手動でファイバを作製したが，簡易 シリンジポンプを用いれば，さらに均質で再現性のよいフ ァイバを自宅で作製することができると考えられる . 謝 辞 本研究は，JST グローバルサイエンスキャンパス（GSC） イノベーションを創出するグローバル科学技術人材の育成 プログラムにおいて，東京大学生産技術研究所UTokyo GSC の研究活動の一環として行われたものである． （2021 年 3 月 26 日受理） 参 考 文 献 1) 尾上弘晃，竹内昌治，生物物理，55, 4（2015）， pp206-207 2) H.Onoe, et al., Nature Materials, 12, (2013), pp584-590

3) M.Akbari, et al., Microfluidics for Medical applications, (2014), pp1-18 (a) (b) (c) (d) (e) 図 3 （a） コアシェルファイバ作製デバイス . （b） 改良後のデバイ ス . （c） コアシェルファイバの断面 . （d） コアとシェルの直 径 . （e） コアシェル度 (b) (a) 図 4 （a） コアシェルファイバ．（b） イースト菌入りコアシェル ファイバ（16 時間後） Title:73_165.indd　p22　2021/06/15/ 火 17:33:30 研 究 速 報 生 産 研 究 22 73 巻 3 号 （2021） 166