マイクロスケール
マイクロスケールとは
マイクロスケールは、1マイクロメートル (μm) から数ミリメートル (mm) 程度のスケール・サイズのことを指し、マイクロスケールは、通常の人間の目では見えない微小なサイズの範囲のことを指します。マイクロスケールは、現代の材料科学、電子工学、生物学、医学、ナノテクノロジーなどの分野で重要な役割を果たしています。
例えば、材料科学では、マイクロスケールの材料の物理的・化学的性質を研究することで、材料の強度、硬度、耐久性などを向上させることができます。また、電子工学では、集積回路の微細化によって高密度な電子部品を実現しており、その際にマイクロスケールの加工技術が必要となります。生物学や医学では、細胞や微生物の構造や機能を理解するために、マイクロスケールの観察や測定が必要となります。
マイクロスケールの技術は、微小な構造や現象を理解することで、新たな材料、製品、医療技術などの開発に繋がる可能性があります。
マイクロスケール試験とは
マイクロスケール試験は、マイクロスケールの寸法や形状を持つ試験片に対して、材料力学的性質を評価するための試験手法です。マイクロスケール試験には、以下のような種類があります。
マイクロスケール圧縮試験
マイクロスケール圧縮試験は、マイクロスケールの試験片に対して、圧縮荷重を与え、その応力-歪曲線を測定することで、材料の圧縮強度や圧縮変形挙動を評価する試験です。
マイクロスケール引張試験
マイクロスケール引張試験は、マイクロスケールの試験片に対して、引っ張り荷重を与え、その応力-歪曲線を測定することで、材料の引張強度や引張変形挙動を評価する試験です。
マイクロスケール硬度試験
マイクロスケール硬度試験は、マイクロスケールの試験片に対して、微小なインジェクションピンやダイヤモンドペンなどで表面に荷重を与え、その深さを測定することで、材料の硬度を評価する試験です。
マイクロスケール剪断試験
マイクロスケール剪断試験は、マイクロスケールの試験片に対して、剪断荷重を与え、その応力-歪曲線を測定することで、材料の剪断強度や剪断変形挙動を評価する試験です。
マイクロスケール圧縮強度測定とは
マイクロスケール圧縮強度測定は、微小な試験片の圧縮強度を測定する技術です。この技術は、医療分野や材料科学分野、物理学、生命科学、微細加工技術などで広く用いられています。
マイクロスケール圧縮強度測定のやり方
マイクロスケール圧縮強度測定では、一般的には次の手順を踏みます。
試験片の準備
マイクロスケールの試験片を作成します。試験片は、直径数百μmから数mm程度の円柱状や立方体状のものなどが使用されます。
試験装置の準備
マイクロスケール圧縮試験装置を準備し、マイクロスケールの試験片を挿入します。一般的には、圧縮試験機により圧縮荷重を与え、その荷重-変位曲線を測定することで、試験片の圧縮強度を算出します。
測定の実施
圧縮試験を実施し、荷重-変位曲線を測定します。試験片が破壊されるまで、荷重を増加させることで、圧縮強度を算出します。試験中は、荷重センサーや変位計などの高精度なセンサーで測定を行います。
マイクロスケール圧縮強度測定は、試験片の作成方法や測定条件などによって異なる結果が得られることがあります。試験片の形状や大きさ、荷重速度、温度条件などが、測定結果に影響を与え可能性があるため、それらの影響を最小限にするように、適切な試験条件を設定する必要があります。
マイクロスケール測定技術は、試料の性質や測定したい寸法に応じて選択され、様々な分野で活用されています。
マイクロスケール測定の例（サンプル）
プレートでの圧縮
300µm hydrogel microsphere (30KPa)
Peak Force: 20mN
プレートでの圧縮
2mm diameter hydrogel cylinder (12KPa) Peak Force: 20mN
Bend-Induced Tension
spider silk Peak Force: 2mN
ワイヤーでの繊維押込み
20µm thick by 4mm wide foil strip (70MPa) Peak Force: 3mN
球状での押込み試験
1.5mm diameter indenter into hydrogel (2KPa) Peak Force: 12mN
Puncture-Attached Tension
3.5mm wide by 1.5mm thick hydrogel (0.5KPa) Peak Force: 1.4mN
マイクロスケール測定に関連する動画
ハイドロゲル微小球の圧縮試験デモ
マイクロスケールメカニカルテスト事例
論文の紹介
ここでは、弾性率測定に MicroTester が使われた論文を紹介します。
化粧品、インプラント、その他の消費財から、日々私たちの体内に混入する、様々なナノパーティクルの危険性を十分理解する必要があります。
NCATSUの Bhattarrai Lab の研究者は、静電カプセル化を利用して、合成繊維、自然繊維のナノファイバー構造体を持つハイドロゲルベースのスフェロイドを作成しています。彼らのミッションは、ハイスループットの３D in vivo プラットフォームを作ることで、最初のアプリケーションは一般的なナノパーティクルの毒性を研究することでした。
これまでの研究では、PLGAナノファイバーでスフェロイドを作成し、エレクトロスプレーやその他の製造パラメータの最適化に焦点を当てていました。
先月発表された彼らの新しい研究では、キチンナノフィブリルをスフェロイドに添加した結果、安定性、均一性、長期的な物理的完全性が向上することが分かりました。
この、300～500μmのスフェロイドの機械的特性を評価するために、CellScale社の MicroTester G2 が使用されました。スフェロイドを圧縮し、15～45 kPa の範囲の弾性率を測定するには、10～40 uN のピーク力が必要ですが、MircoTester G2 は、小さな力の分解能、温度制御された液体中でのサンプルの操作、リアルタイムでの試験の可視化というユニークな機能を備えており、この研究には理想的でした。
マイクロスケール強度測定
オレンジサイエンスは、生体サンプルの粘弾性測定に特化したマイクロスケール強度測定試験機であるセルスケール社のMicroTesterを提供しています。MicroTesterは研究者によって開発され、1㎜以下の直径を持つビーム（カンチレバー）とプレートを使用して、直接サンプルに接触し、非破壊的な粘弾性測定が可能な装置です。この装置は、生体サンプルの試験に特化しており、工業用の試験機では実現できないコンパクトさと広い試験レンジを実現しています。そのため、高い精度で試験・解析が可能になっています。より小さなサンプル、より優れた力分解能、より簡単な試験セットアップ、そして優れた視覚性。測定用途としては、小さな組織サンプル、ハイドロゲルマイクロスフィア、細胞スフェロイド、人工のマイクロ組織などがあります。お客様のニーズに合わせて、2つのバージョンをご用意しています。
下の写真は、マイクロテスターG2が、ユーザーテストのプロトコルに沿って、2枚の平行なプレートの間で微小球を圧縮しているところです。荷重と変位のデータ、および試験中の時間相関画像が出力されます。
MicroTesterによるマイクロスケール測定
MicroTesterは、細いワイヤーが取り付けられた力覚センサーによって微小な変化を検知し、サンプルにかかる負荷を測定することができます。また、高解像度カメラがチャンバー前方に取り付けられており、サンプルの変位の画像解析も可能です。MicroTesterは、マイクロスケールの微粒子計測器であり、小さな組織サンプルやハイドロゲルマイクロスフィア、細胞スフェロイド、人工のマイクロ組織などの計測用途に適しています。MicroTester G2とMicroTester LTの2つのバージョンがあり、それぞれマイクロスケールの引張試験機と圧縮試験機として使用できます。どちらのバージョンも、マイクロワイヤの小さな変化を検知することで、従来の機械的試験システムよりもはるかに小さな力と変位を測定することができます。また、温度制御された液槽や高品質な光学系が組み込まれており、10nNまでの力分解能と0.1μm〜1µmまでの空間分解能が可能です。制御ソフトウェアは、力制御と変位制御の両方のユーザープロトコルをサポートすることができます。
マイクロスケール測定時のソフトウェア画面
マイクロスケール測定時の動画
ヒト線維芽細胞100%で作成した
細胞ブロック（厚さ0.5~1.4㎜）を測定
Tissue By Net社提供
0.4㎜径のワイヤーに4㎟のプレートを取り付け、通常のCompress, Hold, Recoverの流れで測定しました。
iPS心筋チューブを測定
CellFiber社提供
200µm径のチューブを0.4㎜径のワイヤーで押し込み、通常Compress, Hold, Recoverの流れで測定しますが、この場合はHoldのフェーズを長く設定し、心筋チューブが自発収縮する際にワイヤーを押し返す力を測定しました。
Tissue By Net社では、簡単に3D 培養ができるキットを販売しております。ご興味のある方は下記リンクからご確認ください。
マイクロスケール測定 - MicroTesterの強み
コンパクトなパッケージであらゆる場所で簡単に微粒子測定試験を実施できます。幅広い試験用途に対応でき、コンポーネントやビーム（カンチレバー）の交換も簡単にできます。
ソフトウェアを使用し、リアルタイムでテストプロトコルをグラフ化・モニタリングでき、高品質で費用対効果の高い圧縮試験を実施できます。
また、測定チャンバー正面には高解像度のカメラが搭載されておりますので、測定時の画像を記録することも可能です。
MicroTesterの特徴
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高品質で費用対効果の高い試験をコンパクトなパッケージで実施できます
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コンポーネントやビーム（カンチレバー）の交換が簡単にでき、幅広い試験用途に対応できます
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高解像度カメラにより、測定の画像を記録できます
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ソフトウェアを使用し、リアルタイムでテストプロトコルをグラフ化・モニタリング
MicroTesterで測定可能なサンプル
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スキャフォールド
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ハイドロゲル
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３D培養モデル
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細胞スフェロイド
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弾性物（ポリマーなど）
など
MicroTester ソフトウェア
MicroTesterのソフトウェアは、HPから無償でダウンロードできます。このソフトウェアによって、テストプロトコルの総合的な管理が可能となります。リアルタイムでのグラフ化やモニタリングによって、テスト中のフィードバックが見れるだけでなく、力と変位のデータの記録を残すこともできるので、後の分析も可能です。
ソフトウェアもモジュラーコンポーネントも簡単に使用でき、特別なトレーニングは必要ありません。
マイクロスケール測定 - ビーム
微粒子測定の際に使用するビームはタングステンで出来ており、径0.07～1.57㎜の中から選べます。ビームの径により、測定できる力が変わってきますので、ビームの選定は下記の表を参考にして下さい。
動画
クライアントレビュー
ジャスティン・リュー博士 - Justin Liu, PHD Candidate
カリフォルニア大学サンディエゴ校 - Shaochen Chen Lab, University of California San Diego
組織工学アプリケーションのためのソフトハイドロゲルのマイクロ／ナノスケールの3Dプリントに焦点を当てています。MicroTester は、他の方法では正確に測定することが難しいサンプルを、正確に測定することができるユニーク な装置です。提供されるソフトウェアは使いやすく、ラボの多様なニーズに柔軟に対応します。
レアンダ・バプティスタ教授 - Prof. Leandra S. Baptista
リオデジャネイロ大学 - Federal University of Rio de Janeiro
Delivery of Human Adipose Stem Cells Spheroids into Lockyballs.
MicroTester は、多機能な光学システムと、機械特性試験により、細胞スフェロイドの測定を可能にするユニークな装置です。また、CellScaleのカスタマーサポートにも大変満足しています。
ローラン・フィン博士 - Lauren Flynn, Ph.D., P.Eng
ウエスタン大学 - Western University
CellScale 社の装置（MicroTester, UniVertなど）は、私たちの研究を大きく前進させ、さまざまな人工バイオフレームの特性を生理的条件下で正確に測定することを可能にしました。このシステムは堅牢で使いやすく、測定できる生体材料や組織の種類に柔軟性があります。また、様々なサポートや、質問にも常に迅速に対応してくれます。
デモ機貸し出しについて
MicroTesterは無料にてデモが可能です。実際の実験環境や使用環境でお試しいただき、MicroTesterの機能や性能、使いやすさ、製品の大きさ等を事前にご確認いただけます。デモ可能な機種や貸出期間等につきましてはお問い合わせください。
オレンジサイエンスについて
私たちは、ライフサイエンスの中でも
細胞生物学分野に関する研究機器に特化して
販売およびサポートをしています。
多種多様な装置を取り扱うのではなく、装置とその用途について深い知識を持ち、ユーザの皆様の研究をよりよく理解することを心掛けています。研究者の皆様への技術サポートを通じて、ライフサイエンスの発展に貢献することを目指す会社です。
この分野の装置は、日本が常に一番というわけではありません。日本では国内メーカーの製品が好まれていますが、おそらくアフターサービスの良さが大きな要因だと考えられます。欧米で、より顕著な発展を見せている研究機器を国内メーカーと同じレベルのサポート体制でお使いいただければ、皆様の研究をさらに効率化することができるはずです。
オレンジサイエンスのスタッフは日本で研究する皆様の研究の効率化を実現するために、アメリカとヨーロッパから研究に有用な製品の情報を収集し横浜オフィスに集めています。横浜のスタッフは、各地のメーカーを訪れて技術力を向上させています。皆様の御研究が実を結び、我々が間接的にでも多くの人々のクオリティーオブライフの向上に貢献できることを願っております。