JP5849792B2 - Method and apparatus for evaluating cell culture substrate, and method for producing cell culture substrate - Google Patents
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- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Description
本発明は、基材上に機能性層を備える細胞培養基材の評価方法及び評価装置、並びにそのような細胞培養基材の製造方法に関する。 The present invention relates to a method and an apparatus for evaluating a cell culture substrate having a functional layer on the substrate, and a method for producing such a cell culture substrate.
細胞をシート状に培養し、トリプシン等の酵素を使用せずに例えば温度を低下させるだけで細胞をシート状に回収する「細胞シート工学」という技術が再生医療分野で注目されている。本技術によって得られる細胞シートは、角膜や歯周組織等の再生医療で既に一定の治療効果が確認され、欧州で既に臨床研究や治験が進められている。また、複数の種類の細胞シートを積層させることによる三次元組織モデルの作製や、血管組織を伴う成熟した組織を生体外で作製することも可能であり、本技術をベースにした研究開発や治療が今後ますます期待される。 A technique called “cell sheet engineering”, in which cells are cultured in a sheet form and the cells are recovered in a sheet form simply by lowering the temperature without using an enzyme such as trypsin, has attracted attention in the field of regenerative medicine. The cell sheet obtained by this technology has already been confirmed to have a certain therapeutic effect in regenerative medicine such as the cornea and periodontal tissue, and clinical research and clinical trials are already underway in Europe. It is also possible to create a three-dimensional tissue model by laminating multiple types of cell sheets, and to create mature tissue with vascular tissue in vitro. Research and development and treatment based on this technology Is expected more and more in the future.
培養した細胞シートの接着、脱着の制御は、例えば、基材上に固定したポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm)等の機能性層を介して行われる。このポリマーは、主に温度に応答して水和能が変化する材料であり、臨界溶解温度未満の温度では周囲の水に対する親和性が向上し、ポリマーが水を取り込み膨潤して表面に細胞を接着しにくくする性質(細胞非接着性)を示し、同温度以上の温度ではポリマーから水が脱離することでポリマーが収縮し表面に細胞を接着しやすくする性質(細胞接着性)を示すものである。細胞の脱接着性は、上記PIPAAmの固定化密度や鎖長に影響を受けることが知られており、したがって、細胞の脱接着性の良否を検討するため、機能性層の状態を評価する手法の開発が望まれている。 Control of adhesion and desorption of the cultured cell sheet is performed, for example, via a functional layer such as poly-N-isopropylacrylamide (PIPAAm) fixed on a substrate. This polymer is a material whose hydration ability changes mainly in response to temperature. At a temperature lower than the critical dissolution temperature, the affinity for surrounding water is improved, and the polymer takes up water and swells, so that cells are swelled on the surface. It exhibits the property of making it difficult to adhere (cell non-adhesiveness), and the property that makes it easier for cells to adhere to the surface due to water detaching from the polymer at temperatures above the same temperature (cell adhesion) It is. It is known that cell deadhesion is affected by the immobilization density and chain length of the above PIPAAm. Therefore, in order to examine the quality of cell deadhesion, a method for evaluating the state of the functional layer Development is desired.
基材上に機能性層を設けた細胞培養基材を評価する従来の方法として、(特許文献1)が知られている。(特許文献1)には、0〜80℃の温度範囲で水和力が変化するポリ−N−イソプロピルアクリルアミド等の温度応答性ポリマーを被覆した細胞培養基材の表面上に、細胞を播種後、48時間以内に蛋白質加水分解酵素を使わずに温度処理だけで細胞を当該基材表面から剥離して回収し、生細胞と反応する試薬を用いて分光計で定量する、温度応答性細胞培養基材の評価方法が開示されている。培養細胞は、基材表面積当たり100〜10000個/cm2となるように個々の状態で基材表面上に付着していることが必要とされる。すなわち、細胞をシートの状態で回収すると、細胞間接着によって細胞が引っ張られる力の影響が無視できないため、(特許文献1)では個々の状態(まばらな状態)で基材上に播種することにより細胞間接着の影響を排除し、基材と細胞との相互作用のみを反映した結果を得ている。 As a conventional method for evaluating a cell culture substrate provided with a functional layer on the substrate, (Patent Document 1) is known. In (Patent Document 1), cells are seeded on the surface of a cell culture substrate coated with a temperature-responsive polymer such as poly-N-isopropylacrylamide whose hydration power changes in a temperature range of 0 to 80 ° C. In 48 hours, temperature-responsive cell culture in which cells are detached and recovered from the substrate surface by temperature treatment without using protein hydrolase and quantified with a spectrometer using a reagent that reacts with living cells A method for evaluating a substrate is disclosed. The cultured cells are required to be attached on the surface of the base material in an individual state so as to be 100 to 10,000 cells / cm 2 per surface area of the base material. That is, when cells are collected in a sheet state, the influence of the force of pulling the cells due to cell-cell adhesion cannot be ignored. Therefore, in (Patent Document 1), by seeding on a substrate in individual states (sparse state) The result of eliminating the influence of cell-cell adhesion and reflecting only the interaction between the substrate and the cells is obtained.
上記(特許文献1)に記載の評価方法は、細胞培養を実施するため、評価を行うために少なくとも数時間〜数十時間を要するという問題点があった。 The evaluation method described in the above (Patent Document 1) has a problem in that it takes at least several hours to several tens of hours to perform the evaluation in order to perform cell culture.
そこで本発明は、上記従来の状況に鑑み、細胞培養を実施する必要がなく、短時間でPIPAAm等からなる機能性層の状態を評価することができる方法、及びその方法を実施するための評価装置を提供することを目的とする。また、上記評価方法を利用して、機能性層の状態が良であるような細胞培養基材を製造する方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above-described conventional situation, the present invention eliminates the need for cell culture and can evaluate the state of the functional layer composed of PIPAAm and the like in a short time, and evaluation for implementing the method. An object is to provide an apparatus. Another object of the present invention is to provide a method for producing a cell culture substrate having a good functional layer state using the above evaluation method.
本発明者らは、PIPAAm等の、細胞を培養するための機能性層の状態に依存して、その機能性層の表面に供給した液滴の蒸発挙動が異なる点に着目した。そして、液滴が蒸発する過程における液滴と機能性層との接触領域の減少速度を測定し、その速度値を指標として機能性層の状態を評価できることを見出し、本発明を完成した。すなわち、本発明は以下の発明を包含する。 The present inventors paid attention to the fact that the evaporation behavior of droplets supplied to the surface of the functional layer differs depending on the state of the functional layer for culturing cells, such as PIPAAm. Then, the rate of decrease in the contact area between the droplet and the functional layer during the process of evaporation of the droplet was measured, and it was found that the state of the functional layer could be evaluated using the velocity value as an index, thereby completing the present invention. That is, the present invention includes the following inventions.
(1)基材と、前記基材上に設けられた、細胞を培養するための機能性層とを有する細胞培養基材の評価方法であって、
機能性層の表面に液滴を供給する工程と、
供給した液滴が蒸発する過程における、液滴及び機能性層が接触する接触領域の減少速度を測定する工程と、
を有し、
測定した減少速度に基づいて、機能性層の状態の評価を行う前記細胞培養基材の評価方法。
(2)供給した液滴が蒸発する過程における、液滴の接触角の変化を測定する工程をさらに有し、
接触角の変化が、接触角が減少する区間と、その後に略一定の接触角を維持する区間と、その後に接触角が再び減少する区間とを含み、接触領域の減少速度は、前記略一定の接触角を維持する区間における減少速度である上記(1)に記載の細胞培養基材の評価方法。
(3)機能性層が、温度変化により細胞接着性が変化する温度応答性ポリマーを含む上記(1)又は(2)に記載の細胞培養基材の評価方法。
(4)上記(1)に記載の評価方法を実施するための装置であって、
細胞培養基材が配置されるステージと、
ステージ上に配置された細胞培養基材の機能性層の表面に液滴を供給するための液滴供給手段と、
液滴を蒸発させるための蒸発誘導手段と、
蒸発する液滴を撮影するための撮像手段と、
撮像手段により撮影した画像に基づき液滴接触領域の減少速度を算出する減少速度算出部と、
を有する細胞培養基材の評価装置。
(5)上記(2)に記載の評価方法を実施するための装置であって、
細胞培養基材が配置されるステージと、
ステージ上に配置された細胞培養基材の機能性層の表面に液滴を供給するための液滴供給手段と、
液滴を蒸発させるための蒸発誘導手段と、
蒸発する液滴を撮影するための撮像手段と、
撮像手段により撮影した画像に基づき液滴接触領域の減少速度を算出する減少速度算出部と、
撮像手段により撮影した画像に基づき液滴の接触角を算出する接触角算出部と、
を有する細胞培養基材の評価装置。
(6)基材と、前記基材上に設けられた、細胞を培養するための機能性層とを有する細胞培養基材を準備する工程と、
準備した細胞培養基材について、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の評価方法を実施する工程と、
を有し、
評価の結果、機能性層の状態が良と判定されたものとを製品とする細胞培養基材の製造方法。
(1) A method for evaluating a cell culture substrate having a substrate and a functional layer for culturing cells provided on the substrate,
Supplying droplets to the surface of the functional layer;
Measuring the rate of decrease of the contact area where the droplet and the functional layer contact in the process of evaporation of the supplied droplet;
Have
The method for evaluating a cell culture substrate, wherein the state of the functional layer is evaluated based on the measured decrease rate.
(2) The method further includes a step of measuring a change in the contact angle of the droplet in the process of evaporating the supplied droplet,
The change in the contact angle includes a section in which the contact angle decreases, a section in which the contact angle is maintained thereafter, and a section in which the contact angle decreases again thereafter. The method for evaluating a cell culture substrate according to the above (1), which is a rate of decrease in a section in which the contact angle is maintained.
(3) The method for evaluating a cell culture substrate according to the above (1) or (2), wherein the functional layer contains a temperature-responsive polymer whose cell adhesiveness changes due to temperature change.
(4) An apparatus for carrying out the evaluation method according to (1) above,
A stage on which the cell culture substrate is placed;
A droplet supply means for supplying droplets to the surface of the functional layer of the cell culture substrate disposed on the stage;
Evaporation induction means for evaporating the droplets;
Imaging means for photographing the evaporating droplets;
A reduction rate calculation unit that calculates a reduction rate of the droplet contact area based on an image captured by the imaging unit;
An apparatus for evaluating a cell culture substrate.
(5) An apparatus for carrying out the evaluation method according to (2) above,
A stage on which the cell culture substrate is placed;
A droplet supply means for supplying droplets to the surface of the functional layer of the cell culture substrate disposed on the stage;
Evaporation induction means for evaporating the droplets;
Imaging means for photographing the evaporating droplets;
A reduction rate calculation unit that calculates a reduction rate of the droplet contact area based on an image captured by the imaging unit;
A contact angle calculation unit that calculates a contact angle of a droplet based on an image photographed by an imaging unit;
An apparatus for evaluating a cell culture substrate.
(6) preparing a cell culture substrate having a substrate and a functional layer for culturing cells provided on the substrate;
For the prepared cell culture substrate, a step of performing the evaluation method according to any one of (1) to (3) above,
Have
The manufacturing method of the cell culture substratum which uses what the state of the functional layer was judged to be good as a result of evaluation.
本発明により、細胞培養を実施する必要がなく、短時間で細胞培養基材における細胞の脱接着性等を評価することができる。また、細胞の脱接着性に優れる細胞培養基材を効率的に製造することができる。 According to the present invention, it is not necessary to perform cell culture, and it is possible to evaluate the de-adhesiveness of cells on the cell culture substrate in a short time. In addition, it is possible to efficiently produce a cell culture substrate excellent in cell de-adhesiveness.
以下、図面に基づき本発明を詳細に説明する。まず、本発明の評価対象である細胞培養基材の構成について述べる。
細胞培養基材は、基材上(通常は、基材の片面側)に、細胞を培養するための機能性層を設けて構成される。基材と機能性層の間は、一般には直接密着しているが、必要に応じて、機能性層の固定化を容易にするプライマー層等の中間層が介在していても良い。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the structure of the cell culture substrate which is the evaluation target of the present invention will be described.
The cell culture substrate is configured by providing a functional layer for culturing cells on a substrate (usually, one side of the substrate). In general, the substrate and the functional layer are in direct contact with each other, but an intermediate layer such as a primer layer for facilitating the fixation of the functional layer may be interposed as necessary.
細胞培養基材は、細胞及び培地を収容する細胞培養容器の内底面に設置されて使用される。したがって、基材は、細胞培養容器の底板を兼ねていても良いし、底板や側壁等から形成された容器の内底面に、後から基材及び機能性層の積層体を接合させる形態であっても良い。容器に後から接合させる積層体の形態である場合、基材は板状又はフィルム状であり、基材の、機能性層が設けられた側と反対側には、細胞培養容器の底板に接合させるための粘着剤層及び剥離シートを適宜設けることができる。 The cell culture substrate is used by being installed on the inner bottom surface of a cell culture container that contains cells and a medium. Therefore, the base material may also serve as the bottom plate of the cell culture container, or the laminate of the base material and the functional layer is later joined to the inner bottom surface of the container formed from the bottom plate and the side wall. May be. When it is in the form of a laminate to be subsequently joined to the container, the substrate is plate-like or film-like, and the side opposite to the side on which the functional layer is provided is joined to the bottom plate of the cell culture vessel A pressure-sensitive adhesive layer and a release sheet can be appropriately provided.
基材の材料は特に限定されない。具体的には、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスチレン(PS)、ポリカーボネート(PC)、TAC(トリアセチルセルロース)、ポリイミド(PI)、ナイロン(Ny)、低密度ポリエチレン(LDPE)、中密度ポリエチレン(MDPE)、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、アクリル樹脂等の樹脂材料や、ガラス、石英等の無機材料が挙げられ、樹脂材料が好ましく用いられる。 The material of the substrate is not particularly limited. Specifically, polyethylene terephthalate (PET), polystyrene (PS), polycarbonate (PC), TAC (triacetyl cellulose), polyimide (PI), nylon (Ny), low density polyethylene (LDPE), medium density polyethylene (MDPE) ), Resin materials such as polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, polyphenylene sulfide, polyether sulfone, polyethylene naphthalate, polypropylene, acrylic resin, and inorganic materials such as glass and quartz, and resin materials are preferably used.
基材の、機能性層が設けられる側の表面は、易接着処理された表面であることができる。「易接着処理」とは、例えば、ポリエステル、アクリル酸エステル、ポリウレタン、ポリエチレンイミン、シランカップリング剤、ペルフルオロオクタンスルホン酸(PFOS)等の易接着剤による処理を指す。 The surface of the substrate on the side where the functional layer is provided can be a surface subjected to an easy adhesion treatment. “Easy adhesion treatment” refers to treatment with an easy adhesive such as polyester, acrylic ester, polyurethane, polyethyleneimine, silane coupling agent, perfluorooctane sulfonic acid (PFOS), and the like.
機能性層を構成する材料としては、細胞を培養することができる機能を有するものであれば特に限定されない。例えば、静電相互作用により細胞との接着性を示す材料として、ポリリジン等の塩基性ポリマー、アミノプロピルトリエトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン等の塩基性化合物及びそれらを含む縮合物等が挙げられる。また、生物学的特性により細胞との接着性を示す材料として、フィブロネクチン、ラミニン、テネイシン、ビトロネクチン、RGD(アルギニン−グリシン−アスパラギン酸)配列含有ペプチド、YIGSR(チロシン−イソロイシン−グリシン−セリン−アルギニン)配列含有ペプチド、コラーゲン、アテロコラーゲン、ゼラチン等が挙げられる。 The material constituting the functional layer is not particularly limited as long as it has a function of culturing cells. For example, basic materials such as polylysine, basic polymers such as polylysine, aminopropyltriethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, etc., as materials showing adhesion to cells by electrostatic interaction Examples thereof include compounds and condensates containing them. In addition, as materials exhibiting adhesiveness to cells due to biological characteristics, fibronectin, laminin, tenascin, vitronectin, RGD (arginine-glycine-aspartic acid) sequence-containing peptide, YIGSR (tyrosine-isoleucine-glycine-serine-arginine) Examples include sequence-containing peptides, collagen, atelocollagen, gelatin and the like.
その中でも、細胞を培養後、基材から細胞を脱着させるため、あるいは細胞をシート状に回収するために細胞培養基材を利用する場合には、機能性層として、所定の刺激により細胞接着性が変化する機能を有するものを採用することができる。例えば、刺激を加えることにより細胞接着性から細胞非接着性へと変化する刺激応答性ポリマーを含むことができる。刺激応答性ポリマーとしては、温度応答性ポリマー、pH応答性ポリマー、イオン応答性ポリマー、光応答性ポリマー等を挙げることができ、作製しようとする細胞シートに適したものを適宜選択することができる。特に、温度応答性ポリマーが、温度変化により細胞接着性が変化し、刺激の付与が容易であることから好ましい。 Among them, when a cell culture substrate is used to detach cells from the substrate after cell culture or to collect cells in a sheet form, the cell adhesion by a predetermined stimulus is used as a functional layer. Those having a function of changing can be adopted. For example, a stimulus-responsive polymer that changes from cell adhesiveness to non-cell adhesiveness upon application of a stimulus can be included. Examples of the stimulus responsive polymer include a temperature responsive polymer, a pH responsive polymer, an ion responsive polymer, a photoresponsive polymer, and the like, and a polymer suitable for the cell sheet to be produced can be appropriately selected. . In particular, a temperature-responsive polymer is preferable because cell adhesion changes due to temperature change and stimulation is easily applied.
温度応答性ポリマーとして、例えば、細胞を培養する温度では細胞接着性を示し、作製した細胞シートを剥離する時の温度では細胞非接着性を示すものを用いると良い。具体的には、臨界溶解温度未満の温度では周囲の水に対する親和性が向上し、ポリマーが水を取り込んで膨潤して表面に細胞を接着しにくくする性質(細胞非接着性)を示し、同温度以上の温度ではポリマーから水が脱離することでポリマーが収縮して表面に細胞を接着しやすくする性質(細胞接着性)を示すものを用いると良い。このような臨界溶解温度は、下限臨界溶解温度と呼ばれる。下限臨界溶解温度Tが0℃〜80℃、さらに好ましくは0℃〜50℃である温度応答性ポリマーを用いると良い。Tが0℃〜80℃であると、細胞を安定的に培養できるからである。 As the temperature-responsive polymer, for example, a polymer that exhibits cell adhesion at a temperature at which cells are cultured and exhibits cell non-adhesion at a temperature at which the produced cell sheet is peeled may be used. Specifically, at a temperature lower than the critical dissolution temperature, the affinity for surrounding water is improved, and the polymer takes in water and swells to show the property of making it difficult for cells to adhere to the surface (cell non-adhesiveness). It is preferable to use a material that exhibits a property (cell adhesion) that makes it easier for cells to adhere to the surface due to water detaching from the polymer at a temperature higher than the temperature. Such a critical solution temperature is called a lower critical solution temperature. A temperature-responsive polymer having a lower critical solution temperature T of 0 ° C. to 80 ° C., more preferably 0 ° C. to 50 ° C. may be used. This is because the cells can be stably cultured when T is 0 ° C to 80 ° C.
好適な温度応答性ポリマーとしては、アクリル系ポリマー又はメタクリル系ポリマーが挙げられる。より具体的には、例えばポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(T=32℃)、ポリ−N−n−プロピルアクリルアミド(T=21℃)、ポリ−N−n−プロピルメタクリルアミド(T=32℃)、ポリ−N−エトキシエチルアクリルアミド(T=約35℃)、ポリ−N−テトラヒドロフルフリルアクリルアミド(T=約28℃)、ポリ−N−テトラヒドロフルフリルメタクリルアミド(T=約35℃)、及びポリ−N,N−ジエチルアクリルアミド(T=32℃)等が挙げられる。 Suitable temperature-responsive polymers include acrylic polymers or methacrylic polymers. More specifically, for example, poly-N-isopropylacrylamide (T = 32 ° C.), poly-Nn-propyl acrylamide (T = 21 ° C.), poly-Nn-propyl methacrylamide (T = 32 ° C.) Poly-N-ethoxyethyl acrylamide (T = about 35 ° C.), poly-N-tetrahydrofurfuryl acrylamide (T = about 28 ° C.), poly-N-tetrahydrofurfuryl methacrylamide (T = about 35 ° C.), and Examples include poly-N, N-diethylacrylamide (T = 32 ° C.).
これらのポリマーを形成するためのモノマーとしては、放射線照射によって重合し得るモノマーを用いることができる。モノマーとしては例えば、(メタ)アクリルアミド化合物、N−(もしくはN,N−ジ)アルキル置換(メタ)アクリルアミド誘導体、環状基を有する(メタ)アクリルアミド誘導体、及びビニルエーテル誘導体等が挙げられ、これらの1種以上を使用することができる。モノマーが一種類単独で使用された場合、基材上に形成されるポリマーはホモポリマーとなり、モノマーが複数種一緒に使用された場合、基材上に形成されるポリマーはヘテロポリマーとなるが、本発明においてはいずれの形態も適用可能である。 As a monomer for forming these polymers, a monomer that can be polymerized by irradiation with radiation can be used. Examples of the monomer include (meth) acrylamide compounds, N- (or N, N-di) alkyl-substituted (meth) acrylamide derivatives, (meth) acrylamide derivatives having a cyclic group, and vinyl ether derivatives. More than seeds can be used. When a single monomer is used alone, the polymer formed on the substrate is a homopolymer, and when multiple monomers are used together, the polymer formed on the substrate is a heteropolymer. Any form can be applied in the present invention.
また、増殖細胞の種類によってTを調節する必要がある場合や、機能性層の親水・疎水性のバランスを調整する必要がある場合等には、上記以外の他のモノマー類をさらに加えて共重合しても良い。さらに、上記ポリマーとその他のポリマーとのグラフト又はブロック共重合体、あるいは上記ポリマーと他のポリマーとの混合物を用いて機能性層を構成しても良い。また、ポリマー本来の性質が損なわれない範囲で架橋することも可能である。 In addition, when it is necessary to adjust T depending on the type of proliferating cells, or when it is necessary to adjust the hydrophilic / hydrophobic balance of the functional layer, other monomers other than those described above may be further added and used in combination. Polymerization may be performed. Furthermore, you may comprise a functional layer using the graft | grafting or block copolymer of the said polymer and another polymer, or the mixture of the said polymer and another polymer. Moreover, it is also possible to crosslink within a range where the original properties of the polymer are not impaired.
温度応答性ポリマー等を含む機能性層は、従来知られた手法を適宜採用して基材上に形成することができる。例えば、重合により目的の刺激応答性ポリマーを形成するモノマーと、該モノマーを溶解しうる有機溶媒と含む塗布用組成物を調製し、これを慣用の塗布方法に従って、基材の表面に塗布して塗膜を形成し、次に、該塗膜に放射線照射等の適当な手段により塗膜中のモノマーを重合してポリマーを形成するとともに、基材の表面とポリマーとの間にグラフト化反応を生じさせることにより形成することができる。 A functional layer containing a temperature-responsive polymer or the like can be formed on a substrate by appropriately adopting a conventionally known technique. For example, a coating composition containing a monomer that forms a target stimulus-responsive polymer by polymerization and an organic solvent capable of dissolving the monomer is prepared, and this is applied to the surface of a substrate according to a conventional coating method. A coating film is formed, and then the monomer in the coating film is polymerized by an appropriate means such as radiation irradiation to form a polymer, and a grafting reaction is performed between the surface of the substrate and the polymer. It can be formed by generating.
機能性層の膜厚は、例えば、0.5nm〜300nmの範囲内とすると良く、特に1nm〜100nmの範囲内であることが好ましいが、これに限定されるものではない。 The film thickness of the functional layer is, for example, preferably in the range of 0.5 nm to 300 nm, and particularly preferably in the range of 1 nm to 100 nm, but is not limited thereto.
次に、本発明の細胞培養基材の評価方法及び評価装置について述べる。本発明の評価方法は、機能性層の表面に液滴を供給する工程と、供給した液滴が蒸発する過程における、液滴及び機能性層が接触する接触領域の減少速度を測定する工程とを有することを特徴とする。 Next, the cell culture substrate evaluation method and evaluation apparatus of the present invention will be described. The evaluation method of the present invention includes a step of supplying a droplet to the surface of the functional layer, a step of measuring a decrease rate of a contact area where the droplet and the functional layer are in contact with each other in a process in which the supplied droplet evaporates, and It is characterized by having.
具体的には、まず、図1及び図2に示すように、基材10及び機能性層20を含む細胞培養基材1における機能性層20の表面に液滴Lを供給する。そして、細胞培養基材1を介して間接的に液滴Lを加熱するか、又は液滴Lを直接的に加熱する方法、あるいは雰囲気の圧力を低下させる方法等の適宜方法により液滴Lを蒸発させ、その蒸発過程における液滴Lと機能性層20との接触領域の減少をCCDカメラ等の撮像手段により観測する。本発明者らは、このとき、液滴Lと機能性層20との接触領域の減少速度が機能性層20の状態を反映することから、減少速度の値に基づいて機能性層20の状態を評価可能であることを見出した。なお、液滴Lと機能性層20との接触領域を示す値としては、例えば、液滴Lを上方から観測したときの液滴Lが占める領域の面積値を採用することができる。あるいは、液滴Lは機能性層20上において水平方向に等方的に広がり、上方から見て円形状であるとみなせるため、接触領域の面積値と対応する接触半径r等、領域の面積値に対応する値の変化速度をもって接触領域の減少速度としても良い。なお、液滴Lとしては通常水が用いられるが、場合によりアルコール等の他の液体を用いても良い。具体的には、エタノール、イソプロピルアルコール、メタノール等を使用することができる。また、液滴Lを加熱する場合の温度は、測定効率との兼ね合いで適宜設定される。例えば、液滴Lが水である場合には通常30℃〜60℃程度とすることが好ましい。より好ましくは40℃〜50℃程度である。
Specifically, first, as shown in FIGS. 1 and 2, a droplet L is supplied to the surface of the
図1に示すように、例えば機能性層20がポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm)等の温度応答性ポリマーを含み、且つその固定化量が少ない場合には、機能性層20の表面の疎水性が相対的に高くなり、その場合、液滴Lと機能性層20との間の相互作用の影響は小さくなるため、液滴Lはその形状を維持しながら(相似形を保ちつつ)図1の(a)〜(c)のように蒸発し、接触領域に対応する接触半径rはなだらかに、すなわち小さい速度で減少することとなる。一方、図2に示すように、例えば機能性層20がPIPAAm等の温度応答性ポリマーを含み、且つその固定化量が多い場合には、機能性層20の表面の疎水性は相対的に低くなる(親水性が高くなる)。その場合、液滴Lと機能性層20との間の相互作用の影響が大きくなるため、液滴Lは、蒸発過程の初期において、接触半径rを維持したまま接触角θのみが減少する(図2の(a)から(b)の過程)。その後、さらに液滴Lの蒸発が進むと、液滴Lと機能性層20との間に働く相互作用の力が液滴Lの表面張力に抗しきれなくなり、接触角θがほとんど変化しないまま、接触領域に対応する接触半径rが急速に、すなわち大きい速度で減少することとなる(図2の(b)から(c)の過程)。なお、上記の説明並びに図1及び図2は、液滴Lと機能性層20との相互作用が弱い場合及び強い場合の傾向を誇張して示したものであり、実際には接触半径r及び接触角θの変化は複合的に進行する。
As shown in FIG. 1, for example, when the
さらに、液滴Lが蒸発する過程における、液滴Lの接触角θの変化を測定した場合には、蒸発過程の初期段階で接触角が減少する区間と、その後に略一定の接触角を維持する区間と、その後に接触角が再び減少する区間とを経て蒸発が進行することが多い。このように異なる挙動を示す複数の区間を経て蒸発する理由は定かではないが、液滴Lと機能性層20との間の相互作用による力、液滴Lの表面張力、重力等が総合的に作用する結果と考えられる。この場合、機能性層20の状態の評価の基礎とする接触領域の減少速度の値として、略一定の接触角を維持する区間における接触領域の減少速度を採用することが好ましい。ここで、略一定とは、前後の区間における接触角の変化率の絶対値に比べ、接触角の変化率の絶対値が相対的に小さく一定とみなせる状態を指す。この区間は、蒸発による液滴Lの容量減少の影響が少なく、液滴L及び機能性層20の相互作用(すなわち評価対象である機能性層の状態)と接触領域の減少速度との相関が最も良いと考えられるからである。無論、上記の3つの区間が明確に観測されない場合や、より簡易的な評価を行う場合等には、蒸発過程の全体にわたる接触領域の平均減少速度等、別の手法により算出した減少速度を基に評価を行っても良い。
Further, when the change in the contact angle θ of the droplet L during the process of evaporating the droplet L is measured, the interval in which the contact angle decreases in the initial stage of the evaporation process and the substantially constant contact angle thereafter are maintained. In many cases, the evaporation proceeds through a section where the contact angle decreases and thereafter a section where the contact angle decreases again. The reason for evaporation through a plurality of sections exhibiting different behaviors is not clear, but the force due to the interaction between the droplet L and the
液滴Lの量は、液滴Lの蒸発過程を適切に観測できれば良く特に限定されない。例えば、1μL〜1mL程度とすることができる。複数の細胞培養基材を評価する場合は、供給する液滴Lは細胞培養基材間で同一の量とすることが好ましい。 The amount of the droplet L is not particularly limited as long as the evaporation process of the droplet L can be appropriately observed. For example, it can be about 1 μL to 1 mL. When evaluating a plurality of cell culture substrates, it is preferable that the supplied droplets L have the same amount between the cell culture substrates.
以上の評価方法を細胞培養基材の製造工程において利用することにより、機能性層の状態(固定化量、細胞の脱接着性)が良好な細胞培養基材を効率的に製造することができる。具体的には、例えば、予めいくつかの細胞培養基材を用いて細胞培養を行い、その細胞培養結果と接触領域の減少速度との相関を調べて減少速度の好適な範囲(又は閾値)を求めておき、それ以降に量産される他の細胞培養基材の減少速度の値が上記の好適な範囲(又は閾値)に含まれるか否かをもって製品の良否の判定作業を行うことができる。この場合、細胞培養基材の量産工程においては、評価のために従来のような細胞培養を実施しないため、極めて短時間で評価を行うことができ、細胞培養基材の量産工程の大幅な効率化を図ることができる。一例として、基材がポリスチレンからなり、機能性層が温度応答性ポリマーであるポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm)を含み、機能性層の表面に1μLの水を供給し40℃で蒸発させる場合、略一定の接触角を維持する区間における接触半径rの減少速度が0.015μm/msec〜0.020μm/msecの範囲内であれば、PIPAAmの固定化量及び細胞の脱接着性の観点から、機能性層の状態が良好であると判定することができる。 By using the above evaluation method in the cell culture substrate production process, it is possible to efficiently produce a cell culture substrate in which the state of the functional layer (immobilization amount, cell de-adhesiveness) is good. . Specifically, for example, cell culture is performed in advance using several cell culture substrates, and a correlation between the cell culture result and the reduction rate of the contact area is examined to determine a suitable range (or threshold value) of the reduction rate. The quality of the product can be determined based on whether or not the value of the decrease rate of other cell culture substrates to be mass-produced thereafter is included in the above preferable range (or threshold). In this case, in the mass production process of the cell culture substrate, since conventional cell culture is not performed for the evaluation, the evaluation can be performed in an extremely short time, and the mass production process of the cell culture substrate is greatly efficient. Can be achieved. As an example, when the substrate is made of polystyrene, the functional layer contains poly-N-isopropylacrylamide (PIPAAm), which is a temperature-responsive polymer, and 1 μL of water is supplied to the surface of the functional layer and evaporated at 40 ° C. If the decrease rate of the contact radius r in the section maintaining a substantially constant contact angle is within the range of 0.015 μm / msec to 0.020 μm / msec, from the viewpoint of the immobilized amount of PIPAAm and the cell debonding property It can be determined that the state of the functional layer is good.
図3に、上述の評価方法を実施するための装置の一実施形態を示す。この評価装置は、細胞培養基材1が配置されるステージ11と、ステージ11上に配置された細胞培養基材1の機能性層の表面に液滴Lを供給するためのシリンジ等の液滴供給手段12と、液滴Lを蒸発させるための蒸発誘導手段13と、蒸発する液滴Lを撮影するための撮像手段14と、それらの撮像手段により撮影した画像に基づき接触領域の減少速度を算出する減少速度算出部15aとを有している。蒸発過程における液滴Lの接触角の変化も測定する場合には、撮影した画像に基づき液滴Lの接触角を算出する接触角算出部15bをさらに備えることができる。蒸発誘導手段13としては、液滴Lを間接的又は直接的に加熱するためのヒーターや、雰囲気の圧力を低下させるための真空ポンプ等が挙げられる。
FIG. 3 shows an embodiment of an apparatus for carrying out the above-described evaluation method. This evaluation apparatus includes a
ステージ11上の細胞培養基材1は、拡散板17を通過させた光源16からの光で照明される。撮像手段14は、蒸発する液滴を捉えることができれば良く、具体的にはCCD等を備える高速度カメラが好適に用いられる。図3に示すようにステージ11の側方から液滴Lを撮影し、液滴Lの接触半径rの減少速度を測定することができるが、その他、ステージ11の上方又は下方に撮像手段を設置して液滴Lを平面的に観測し、液滴Lの接触領域の面積を測定しても良い。撮像手段14がステージ11の側方にある場合には、接触領域の減少速度と液滴Lの接触角とを1つの撮像手段で同時に計測可能となり、装置の構成が簡便なものとなる。また、液滴供給手段12は、設定した量の液滴Lを滴下できるよう設定されている。さらに、減少速度算出部15a及び接触角算出部15bは、撮像手段により取得される画像を解析し、接触領域の減少速度及び接触角を算出する機能を有している。
The
次に、実施例に基づき本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.
(実施例1)
・細胞培養基材の製造
ポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(アルドリッチ社)を2%含み、N−イソプロピルアクリルアミドを、最終モノマー濃度が30重量%となるようにイソプロピルアルコール(IPA)に溶解させて溶液を調製した。続いて、基材として細胞培養用ポリスチレン製の円形ディッシュ(製品名:TCPS、ベクトンディッキンソン社製)を用い、この円形ディッシュの内側底面に前記のN−イソプロピルアクリルアミド溶液をコーティングし、電子線照射装置を用いて電子線照射を行い、円形ディッシュの内側底面にポリ−N−イソプロピルアクリルアミド(PIPAAm)からなる機能性層をグラフト重合により形成した。その後、円形ディッシュを5℃のイオン交換水を用いて洗浄し、乾燥して細胞培養基材を得た。
Example 1
-Production of
・細胞培養基材の評価
製造した細胞培養基材を、接触角測定装置DM−501(商品名、協和界面科学社製)のステージに載置し、ヒーター温度をポリ−N−イソプロピルアクリルアミドの下限臨界溶解温度(T=32℃)以上である40℃に設定した。続いて、マイクロシリンジにより機能性層の表面に純水を1μL滴下した。滴下後、液滴を側方からCCDカメラで測定間隔5000msecの条件で撮影し、ソフトウェアFAMAS(商品名、協和界面科学社製)により液滴の接触半径及び接触角を算出した。測定結果を図4に示す。
・ Evaluation of cell culture substrate The produced cell culture substrate was placed on the stage of a contact angle measuring device DM-501 (trade name, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.), and the heater temperature was the lower limit of poly-N-isopropylacrylamide. The temperature was set to 40 ° C., which is higher than the critical dissolution temperature (T = 32 ° C.). Then, 1 microliter of pure water was dripped at the surface of the functional layer with the micro syringe. After dropping, the droplets were photographed from the side with a CCD camera at a measurement interval of 5000 msec, and the contact radius and contact angle of the droplets were calculated by software FAMAS (trade name, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). The measurement results are shown in FIG.
(実施例2)
最終モノマー濃度が35重量%となるように溶解させた溶液を用いて機能性層を形成した以外は、上記実施例1と同様にして液滴の接触半径及び接触角を算出した。測定結果を図5に示す。
(Example 2)
The contact radius and contact angle of the droplets were calculated in the same manner as in Example 1 except that the functional layer was formed using a solution in which the final monomer concentration was 35% by weight. The measurement results are shown in FIG.
(実施例3)
最終モノマー濃度が40重量%となるように溶解させた溶液を用いて機能性層を形成した以外は、上記実施例1と同様にして液滴の接触半径及び接触角を算出した。測定結果を図6に示す。
(Example 3)
The contact radius and contact angle of the droplets were calculated in the same manner as in Example 1 except that the functional layer was formed using a solution in which the final monomer concentration was 40% by weight. The measurement results are shown in FIG.
(実施例4)
細胞培養基材として、細胞培養用のポリスチレン製円形ディッシュ(商品名:TCPS、ベクトンディッキンソン社製)を用いた。上記実施例1と同様にして、液滴の接触半径及び接触角を算出した。測定結果を図7に示す。
Example 4
As a cell culture substrate, a polystyrene circular dish (trade name: TCPS, manufactured by Becton Dickinson) for cell culture was used. In the same manner as in Example 1, the contact radius and contact angle of the droplet were calculated. The measurement results are shown in FIG.
図4〜7に示すように、実施例1〜4はいずれも、測定開始後、接触角が減少する区間(区間1)で接触半径は略一定の値を維持し、略一定の接触角を維持する区間(区間2)で接触半径は減少し、接触角が再び減少する区間(区間3)で接触半径はさらに減少するという特徴が見られた。区間2における接触半径の変化から接触半径の減少速度を算出し、その結果を図8に示す。また、測定開始時点における接触角(静的接触角)と区間2における略一定の接触角(平均値)との差Δθを算出し、その結果を図9に示す。
As shown in FIGS. 4 to 7, in all of Examples 1 to 4, the contact radius is maintained at a substantially constant value in the section (section 1) in which the contact angle decreases after the measurement is started, and the substantially constant contact angle is maintained. The contact radius decreased in the section to be maintained (section 2), and the contact radius further decreased in the section in which the contact angle decreased again (section 3). The decrease rate of the contact radius is calculated from the change of the contact radius in the
図8及び図9の結果より、実施例1〜4の細胞培養基材は、接触半径の減少速度、接触角差ともに顕著な差が見られた。特に、PIPAAmの固定化量のみが異なる実施例1〜3の細胞培養基材を明確に区別することができた。実施例3の細胞培養基材は、実施例1及び2に比べてPIPAAmの固定化量が多く、液滴Lと機能性層との相互作用が強いため、実施例3では接触角θがより小さくなるまで接触半径が維持され、測定開始時点での静的接触角と区間2での略一定の接触角との差Δθが大きくなったものと考えられる。
From the results of FIGS. 8 and 9, the cell culture substrates of Examples 1 to 4 showed significant differences in both the contact radius reduction rate and the contact angle difference. In particular, the cell culture substrates of Examples 1 to 3 that differ only in the amount of PIPAAm immobilized could be clearly distinguished. Since the cell culture substrate of Example 3 has a larger amount of immobilized PIPAAm than Examples 1 and 2 and the interaction between the droplet L and the functional layer is strong, the contact angle θ is higher in Example 3. The contact radius is maintained until it becomes smaller, and it is considered that the difference Δθ between the static contact angle at the start of measurement and the substantially constant contact angle in the
次に、実施例1〜4で作製した細胞培養基材に、10%FBS含有DMEM培地を満たし、3TS Swiss Albino細胞を6.25×103cell/cm2の条件で播種した。37℃下で18時間培養した後に、20℃の低温インキュベーターに移し、30分間のインキュベート後、剥離して浮遊した細胞の様子を観察した。その結果、実施例3の細胞培養基材では細胞の剥離性(脱着性)が良好であったのに対し、実施例1及び2の細胞培養基材では細胞が一部剥離せず、剥離性が良好といえるものではなかった。実施例4の細胞培養基材では全く細胞が剥離していなかった。これらの結果から、液滴が蒸発する過程における液滴接触領域の減少速度及び接触角差を指標として、細胞の脱接着性が良好な細胞培養基材を効率的に製造することができることが分かった。 Next, the cell culture substrate prepared in Examples 1 to 4 was filled with DMEM medium containing 10% FBS, and 3TS Swiss Albino cells were seeded under conditions of 6.25 × 10 3 cells / cm 2 . After culturing at 37 ° C. for 18 hours, the cells were transferred to a low-temperature incubator at 20 ° C. After incubation for 30 minutes, the state of detached and floating cells was observed. As a result, the cell culture substrate of Example 3 had good cell detachability (removability), whereas the cell culture substrate of Examples 1 and 2 did not exfoliate part of the cells. Was not good. In the cell culture substrate of Example 4, no cells were detached. From these results, it was found that a cell culture substrate with good cell de-adhesiveness can be efficiently produced by using the decrease rate and contact angle difference of the droplet contact area in the process of droplet evaporation as an index. It was.
1 細胞培養基材
10 基材
11 ステージ
12 液滴供給手段
13 蒸発誘導手段
14 撮像手段
15a 減少速度算出部
15b 接触角算出部
16 光源
17 拡散板
20 機能性層
L 液滴
r 接触半径
θ 接触角
DESCRIPTION OF
Claims (6)
機能性層の表面に液滴を供給する工程と、
供給した液滴が蒸発する過程における、液滴及び機能性層が接触する接触領域の減少速度を測定する工程と、
を有し、
測定した減少速度に基づいて、機能性層の状態の評価を行う前記細胞培養基材の評価方法。 A cell culture substrate evaluation method comprising a substrate and a functional layer for culturing cells provided on the substrate,
Supplying droplets to the surface of the functional layer;
Measuring the rate of decrease of the contact area where the droplet and the functional layer contact in the process of evaporation of the supplied droplet;
Have
The method for evaluating a cell culture substrate, wherein the state of the functional layer is evaluated based on the measured decrease rate.
接触角の変化が、接触角が減少する区間と、その後に略一定の接触角を維持する区間と、その後に接触角が再び減少する区間とを含み、接触領域の減少速度は、前記略一定の接触角を維持する区間における減少速度である請求項1に記載の細胞培養基材の評価方法。 Measuring the change in the contact angle of the droplet in the process of evaporating the supplied droplet;
The change in the contact angle includes a section in which the contact angle decreases, a section in which the contact angle is maintained thereafter, and a section in which the contact angle decreases again thereafter. The method for evaluating a cell culture substrate according to claim 1, wherein the rate is a decrease rate in a section where the contact angle is maintained.
細胞培養基材が配置されるステージと、
ステージ上に配置された細胞培養基材の機能性層の表面に液滴を供給するための液滴供給手段と、
液滴を蒸発させるための蒸発誘導手段と、
蒸発する液滴を撮影するための撮像手段と、
撮像手段により撮影した画像に基づき接触領域の減少速度を算出する減少速度算出部と、
を有する細胞培養基材の評価装置。 An apparatus for carrying out the evaluation method according to claim 1,
A stage on which the cell culture substrate is placed;
A droplet supply means for supplying droplets to the surface of the functional layer of the cell culture substrate disposed on the stage;
Evaporation induction means for evaporating the droplets;
Imaging means for photographing the evaporating droplets;
A reduction rate calculation unit that calculates a reduction rate of the contact area based on an image captured by the imaging unit;
An apparatus for evaluating a cell culture substrate.
細胞培養基材が配置されるステージと、
ステージ上に配置された細胞培養基材の機能性層の表面に液滴を供給するための液滴供給手段と、
液滴を蒸発させるための蒸発誘導手段と、
蒸発する液滴を撮影するための撮像手段と、
撮像手段により撮影した画像に基づき接触領域の減少速度を算出する減少速度算出部と、
撮像手段により撮影した画像に基づき液滴の接触角を算出する接触角算出部と、
を有する細胞培養基材の評価装置。 An apparatus for carrying out the evaluation method according to claim 2,
A stage on which the cell culture substrate is placed;
A droplet supply means for supplying droplets to the surface of the functional layer of the cell culture substrate disposed on the stage;
Evaporation induction means for evaporating the droplets;
Imaging means for photographing the evaporating droplets;
A reduction rate calculation unit that calculates a reduction rate of the contact area based on an image captured by the imaging unit;
A contact angle calculation unit that calculates a contact angle of a droplet based on an image photographed by an imaging unit;
An apparatus for evaluating a cell culture substrate.
準備した細胞培養基材について、請求項1〜3のいずれかに記載の評価方法を実施する工程と、
を有し、
評価の結果、機能性層の状態が良と判定されたものとを製品とする細胞培養基材の製造方法。 Preparing a cell culture substrate having a substrate and a functional layer for culturing cells provided on the substrate;
For the prepared cell culture substrate, a step of performing the evaluation method according to any one of claims 1 to 3,
Have
The manufacturing method of the cell culture substratum which uses what the state of the functional layer was judged to be good as a result of evaluation.
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