水和状態・温度制御下での力学試験｜軟組織・ハイドロゲルを液中で評価
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試料本来の状態に近い環境で、力学特性を測定する
軟組織、ハイドロゲル、スキャフォールド、細胞を含む組織構築物などの力学特性は、水和状態や温度によって変化します。試料を液体から取り出して空気中で測定すると、試験中の乾燥、表面硬化、収縮、膨潤状態の変化などが生じ、得られた応力、弾性率、破断特性、粘弾性応答に影響する可能性があります。
水和状態・温度制御下での力学試験では、試料をPBS、培地、生理食塩水、人工体液、評価対象となる溶液などに浸漬し、目的に応じた温度を維持しながら測定します。生体試料では37℃付近、温度応答性材料では研究目的に応じた所定温度を設定することで、測定環境を明確に定義できます。
CellScale社の卓上型材料試験システム「UniVert」は、オプションの温度制御メディアバスを用いた液中試験に対応しています。引張、圧縮、繰り返し負荷、応力緩和などを、水和状態を維持したまま実施できるため、生体材料・軟組織・ソフトマテリアルの評価に活用できます。
水和状態・温度制御下での力学試験とは
水和状態・温度制御下での力学試験とは、試験片を所定の液体中または湿潤環境に保持し、温度を管理しながら機械的応答を測定する方法です。英語では「hydrated mechanical testing」「submerged mechanical testing」「temperature-controlled mechanical testing」などと表現されます。
重要なのは、単に試料を濡らしておくことではありません。試験中を通して、次の条件を可能な限り一定に保ち、測定条件として記録することが重要です。
液体の種類、組成、濃度、pH
設定温度と試料付近の実測温度
試験前の浸漬時間・平衡化時間
水和後の試験片寸法
試験時間と空気への曝露時間
荷重速度またはひずみ速度
予備負荷、予備調整の有無と条件
グリップ、プラテンなどの治具と固定方法
生体材料やハイドロゲルの測定値は、材料固有の値であると同時に、液組成、温度、時間、変形速度などに依存する「条件付きの値」です。したがって、環境条件を定義して記録することが、群間比較や別施設での追試を行ううえで重要になります。
なぜ水和状態と温度の管理が重要なのか
1. 乾燥によるアーティファクトを抑えるため
水分を多く含む試料は、空気中に置かれると表面から水分を失います。乾燥に伴って収縮や表面硬化が生じると、見かけの剛性や強度が変化し、試料が本来示す挙動と異なる結果になる可能性があります。液中で試験することにより、試験中の乾燥を防ぎ、試料の水和状態を維持しやすくなります。特に、薄い膜、微小な組織片、含水率の高いゲルでは、空気への短時間の曝露も条件差になり得るため注意が必要です。
2. ハイドロゲルの膨潤平衡を保つため
ハイドロゲルの体積、含水率、剛性、粘弾性は、溶媒の組成や膨潤状態に依存します。平衡膨潤させた試料を空気中で測定すると、測定中に状態が変化する可能性があります。試験液中で平衡化し、同じ液体中で測定することで、配合、架橋密度、処理条件などによる差を、より一貫した水和条件で比較できます。
3. 温度依存性を評価・管理するため
軟組織、ポリマー、ハイドロゲル、接着材料などでは、温度によって弾性、粘性、緩和速度、接着挙動などが変化する場合があります。室温で得た結果が、37℃付近の条件や実使用環境での挙動と同じとは限りません。温度制御下で測定することで、生体温度付近での評価、異なる温度条件間の比較、温度応答性材料の特性評価が可能になります。
4. 長時間試験の条件を安定させるため
応力緩和、クリープ、繰り返し負荷、疲労試験などでは、測定が数十分から数時間に及ぶことがあります。長時間になるほど、乾燥や室温変動による影響を受けやすくなります。液体と温度を管理した試験環境は、時間依存的な材料応答と、環境変化によるドリフトを区別しやすくするうえで役立ちます。
空気中試験と水和・温度制御試験の違い
比較項目 | 空気中での試験 | 水和・温度制御下での試験 |
|---|---|---|
試料の含水状態 | 時間とともに変化する可能性がある | 所定の液体中で維持しやすい |
表面状態 | 乾燥や表面硬化が生じる可能性がある | 乾燥に起因する変化を抑えやすい |
温度 | 室温や装置周辺環境の影響を受ける | 目的に応じた温度条件を設定できる |
ハイドロゲル | 膨潤平衡が変化する可能性がある | 平衡化した液中条件を維持しやすい |
長時間測定 | 乾燥と温度変動が交絡要因になり得る | クリープ、応力緩和、繰り返し試験の環境を安定化しやすい |
主な用途 | 乾燥状態・室温状態での材料評価 | 軟組織、生体材料、ゲル、湿潤環境で使用する材料の評価 |
空気中試験と液中試験のどちらが常に優れているということではありません。重要なのは、研究目的や実使用環境に合う条件を選び、異なる条件の結果を同一の物性値として混同しないことです。
対象となる主な試料
ハイドロゲル・粘弾性ポリマーネットワーク
膨潤率、架橋密度、溶媒組成によって力学応答が変化するゲル材料では、平衡化条件と試験液を揃えることが重要です。引張、圧縮、応力緩和、繰り返し負荷などにより、弾性率、強度、破断伸び、ヒステリシス、時間依存性を評価できます。
軟骨・骨軟骨組織
軟骨は高い含水率と時間依存性を持つため、液中での圧縮試験、クリープ試験、応力緩和試験が適しています。健常・疾患・修復組織間の比較や、組織工学的に作製した軟骨様組織の成熟度評価に活用できます。
心臓・血管・心臓弁などの軟組織
血管、弁、心筋、人工血管などでは、引張強度、破断特性、コンプライアンスに関連する力学応答を、生理食塩水やPBS中、目的温度下で評価できます。
角膜・強膜などの眼組織
薄く、水分変化の影響を受けやすい眼組織では、試料の水和状態と空気曝露時間を管理することが重要です。引張や圧縮による力学特性の比較に利用できます。
再生組織・細胞含有構造体・スキャフォールド
細胞含有ハイドロゲル、3Dバイオプリント構造体、脱細胞化ECM、再生医療用スキャフォールドなどを、培養条件や使用環境を考慮した液中で評価できます。培養期間、材料配合、架橋条件、薬剤処理などによる力学特性の差を比較する用途に適しています。
膜・薄膜・温度依存性材料
水分によって軟化する膜、湿潤状態で使用する接着材料、温度応答性ポリマーなどでは、液組成と温度を試験変数として扱うことができます。
水和・温度制御環境で評価できる主な項目
試験方法 | 主な評価項目 | 使用例 |
|---|---|---|
引張試験 | 応力–ひずみ曲線、弾性率、最大引張強度、破断伸び | 血管、腱、膜、ハイドロゲル、スキャフォールド |
圧縮試験 | 圧縮弾性率、剛性、降伏挙動、荷重–変位特性 | 軟骨、ゲル、再生組織、足場材料 |
応力緩和試験 | 一定変形下での荷重低下、緩和時間 | 軟組織、粘弾性ゲル、ECM材料 |
クリープ試験 | 一定荷重下での時間依存変形 | 軟骨、ハイドロゲル、粘弾性材料 |
繰り返し負荷試験 | ヒステリシス、残留変形、回復、耐久性 | 人工靭帯、エラストマー、組織工学材料 |
破断試験 | 破断荷重、破断応力、破壊位置、破断ひずみ | 人工血管、縫合部、膜、軟組織 |
必要な荷重レンジ、試験速度、治具、試験片形状は、試料と研究目的によって異なります。特に柔らかい試料では、ロードセル容量が大きすぎると必要な変化を十分な分解能で捉えにくくなるため、想定荷重に合うセンサー選定が重要です。
CellScale UniVertによる液中・温度制御試験
CellScale社の「UniVert」は、ソフトマテリアルや生体材料の一軸力学試験に対応する卓上型システムです。オプションの温度制御メディアバスを組み合わせることで、試料を液体に浸漬したまま、引張、圧縮、時間依存試験を行えます。
横型・縦型のメディアバス
試験方法、試料形状、治具、観察方向に応じて、横型または縦型の液中試験構成を選択できます。例えば、横型構成では試験片を液中に保持した引張試験、縦型構成では液中での圧縮試験など、研究目的に合わせて構成を検討できます。
最大40℃までの温度制御に対応
UniVertは、メディアバスを用いて最大40℃までの水和・温度制御条件に対応しています。生体試料を37℃付近で評価する場合や、室温と生体温度付近を比較する場合に利用できます。
運用上の注意： メディアバスのヒーターは、設定温度への急速な加温よりも温度の制御・維持を目的としています。試験開始前に、液体だけでなく試料付近の温度が安定したことを確認してください。
※温度範囲や対応試験は、モデル、治具、メディアバスなどの構成により異なる場合があります。導入時には試験条件に合わせた仕様確認が必要です。
試料に合わせて荷重センサーと治具を選択
UniVertでは、目的荷重に応じて交換可能なロードセルを選択できます。柔らかい組織やハイドロゲルから、より高い荷重を必要とする材料まで、試料の予想荷重に合わせて構成を検討できます。極めて柔らかい材料では、オプションのEclipse超低荷重センサーを組み合わせることで、微小荷重領域の測定にも対応できます。
画像を用いたひずみ評価
柔らかく滑りやすい試験片では、アクチュエータの移動量が、試料中央部の実際のひずみと一致しない場合があります。グリップ部の滑り、局所変形、不均一なひずみが生じるためです。UniVertはイメージングシステムやデジタル画像相関法（DIC）を組み合わせた構成に対応しており、試料の変形を観察しながら、関心領域のひずみやひずみ分布を評価できます。液中環境でも、光学アクセスと試料表面の視認性を事前に確認することで、力データと画像データを組み合わせた解析が可能です。
多段階・時間依存プロトコルに対応
付属ソフトウェアでは、試験プロトコルの設定、試験中のグラフ表示、力・変位データの記録を行えます。予備負荷、保持、回復、繰り返し負荷などを組み合わせ、応力緩和やクリープを含む多段階の試験フローを構築できます。
試験計画を立てる5つのステップ
STEP 1：評価したい状態を定義する
まず、「生体内に近い条件」「製品の実使用条件」「材料間を比較する共通条件」など、試験環境を選ぶ目的を明確にします。生体試料であっても、37℃・PBSが常に唯一の正解ではありません。研究課題、既報論文、試験規格、試料の保存履歴に合わせて条件を決めます。
STEP 2：液組成と平衡化条件を決める
PBS、培地、生理食塩水、人工体液、脱イオン水、酵素溶液などから、研究目的に合う液体を選択します。必要に応じてpH、イオン強度、添加物、浸透圧も管理します。試験前の平衡化時間を定め、同じ方法で処理した試料を比較してください。ハイドロゲルでは、膨潤後の寸法を測定し、応力算出に用いる断面積の定義を統一することが重要です。
STEP 3：荷重センサー、治具、試験方向を選ぶ
想定される最大荷重だけでなく、評価したい最小の差、試料の滑りやすさ、破損しやすさ、形状を考慮します。引張試験ではグリップ部での滑りや破断、圧縮試験ではプラテンとの接触条件や平行度が結果へ影響します。横型・縦型バスの選択も、試験方法、固定方法、カメラの観察方向を含めて検討します。
STEP 4：温度を安定させ、初期条件をそろえる
あらかじめ目的温度に調整した液体をバスへ入れ、試料付近の温度が安定してから試験を開始します。設定値だけでなく、可能であれば実測温度と測定位置も記録します。予備負荷、接触判定、標点間距離、予備調整サイクルを統一し、試験開始時の状態をそろえます。
STEP 5：試験条件と解析方法を一緒に記録する
得られた力学データとともに、試料履歴、液組成、温度、平衡化時間、試験速度、治具、ロードセル、寸法測定法、ひずみ算出法を記録します。別の条件や論文結果と比較するときは、数値だけでなく測定条件の違いも確認します。
再現性を高める試験条件チェックリスト
記録項目 | 確認する内容 |
|---|---|
試料履歴 | 採取から測定までの時間、保存温度、凍結融解回数、培養日数、処理条件 |
試験液 | 名称、組成、濃度、pH、添加物、ロット、交換の有無 |
水和平衡 | 浸漬時間、平衡化温度、膨潤が安定したか |
温度 | 設定値、試料付近の実測値、安定化時間、測定位置 |
試験片寸法 | 水和前・水和後のどちらを用いるか、厚さ・幅・標点間距離の測定方法 |
荷重条件 | 予備負荷、負荷速度、ひずみ速度、最大変形、保持時間、サイクル数 |
治具 | グリップまたはプラテンの種類、固定圧、滑り止め、試験方向、アライメント |
センサー | ロードセル容量、校正状態、ゼロ点、データ取得レート |
予備調整 | サイクル数、振幅、速度、回復時間 |
ひずみ算出 | アクチュエータ変位、標点間変位、画像計測、DICのいずれを使用したか |
除外基準 | グリップ部破断、滑り、気泡、温度逸脱、試料損傷をどう扱うか |
液中測定では、試料や治具に付着した気泡が接触状態や画像観察に影響する場合があります。試験開始前に、試料表面、圧縮プラテン、観察窓周辺の気泡も確認してください。
UniVertを用いた水和・温度制御試験の研究例
ヒト血管とバイオハイブリッド人工血管の引張試験
Heitzerらの研究では、ヒト橈骨動脈に接続したバイオハイブリッド人工血管と静脈グラフトの力学性能が評価されました。縫合した血管–グラフト構造をUniVertへ取り付け、10 Nロードセルを使用して、PBSへ完全に浸漬した37℃条件下で引張試験を実施しています。試料は管状形状を保つためのカスタムロッドへ固定され、ISO 7198に基づく条件で破断まで試験されました。この研究例は、試験液と温度だけでなく、試料形状を維持する治具、荷重レンジ、試験規格を一体として設計する重要性を示しています。
Heitzer M, Andre D, Winnand P, et al. Biohybrid microvascular interponates with integrated elastin-like recombinamers – validation of stability and biomimetic elasticity in human vessels. Scientific Reports. 2025;15:44632. https://doi.org/10.1038/s41598-025-33635-x
酵素溶液中におけるハイドロゲル分解のリアルタイム評価
Zannatらの研究では、平衡膨潤させたペプチド架橋tetra-PEGハイドロゲルをUniVertの横型構成に取り付け、10 Nロードセルを用いて評価しました。試料を酵素を含む分解溶液へ浸漬し、37℃に維持しながら、伸長状態における応力の時間変化を測定しています。この研究例は、水和・温度制御試験が、単回の破断強度測定だけでなく、溶液中で進行する分解と力学特性の変化をリアルタイムに追跡する用途にも活用できることを示しています。
Zannat A, Lopez A, Cheng Y, et al. Mechanical strain-regulated hydrogel biodegradation for biological scaffolds with programmable lifetime. Journal of Materials Chemistry B. 2025;13. https://doi.org/10.1039/D5TB01056J
※上記は研究例であり、同じ条件がすべての試料に適するわけではありません。試料、研究目的、適用規格に合わせてプロトコルを設計してください。
研究目的に合う試験構成をご提案します
水和・温度制御下での力学試験では、装置本体だけでなく、試験液、温度、荷重レンジ、治具、試験方向、測定時間、画像計測の有無をまとめて検討する必要があります。
オレンジサイエンスでは、次の情報をもとに、CellScale社UniVertのモデル、ロードセル、メディアバス、治具、イメージング構成をご提案します。
試料の種類と研究目的
試料の形状・寸法・本数
想定される荷重または既存データ
引張、圧縮、繰り返し、応力緩和などの試験方法
使用する液体と目標温度
1回の試験時間と必要なサイクル数
適用したい試験規格または参考論文
画像計測・DICの必要性
将来追加したい試験方法
「想定荷重が分からない」「液中で試料を固定できるか確認したい」「論文と同様の条件を再現したい」といった段階でもご相談いただけます。
よくあるご質問
水和状態での力学試験とは何ですか？
試料をPBS、培地、生理食塩水、水、人工体液などの所定液体中に保持し、含水状態を維持しながら引張・圧縮などを行う試験です。試料の乾燥や膨潤状態の変化による影響を抑え、定義した環境で力学特性を評価します。
液中試験と湿度制御試験は同じですか？
同じではありません。液中試験では試料を液体へ浸漬します。湿度制御試験では、空気中の相対湿度を管理します。試料の使用環境や研究目的に応じて選択します。
PBSや培地中で測定できますか？
UniVertのオプションメディアバスを用いることで、PBSや培地などの液体中での試験が可能です。ただし、液体と接触する治具・部材との適合性、洗浄方法、長時間使用時の条件については、事前確認が必要です。
37℃での引張試験・圧縮試験はできますか？
温度制御メディアバスを用いることで、37℃付近での試験に対応できます。メーカー資料では最大40℃までの温度制御に対応しています。液体はあらかじめ温め、試料付近の温度が安定してから試験を開始することを推奨します。
水和・温度制御下では、どのような試験ができますか？
構成に応じて、引張、圧縮、繰り返し負荷、応力緩和、クリープなどを実施できます。試験方法に合う治具、ロードセル、バスの向きを選択します。
液中で測定すれば、生体内と同じ条件になりますか？
液中・37℃という条件だけで、生体内環境を完全に再現できるわけではありません。pH、浸透圧、液組成、ガス環境、試料の生存状態、荷重様式なども生体内挙動に影響します。液中試験は、研究目的に関係する環境因子を定義し、生理条件へ近づけるための方法として位置付けることが適切です。
柔らかく滑りやすい試料も固定できますか？
試料形状に合うグリップや固定方法を選ぶことで対応できます。ただし、滑り、グリップ部の損傷、局所的な締め付けは測定誤差の原因になります。試験前に固定条件を検討し、カメラで試料の滑りや破断位置を確認することが重要です。
液中で長時間の応力緩和・クリープ試験はできますか？
UniVertは時間依存プロトコルと温度制御メディアバスを組み合わせた試験に対応しています。長時間試験では、温度安定性、液量、蒸発、液組成の変化、センサーのドリフトを含めて試験計画を立ててください。
液中でも画像によるひずみ測定はできますか？
透明なバスとイメージング構成を用いることで、試料を観察しながら測定できます。高度な構成ではDICによるひずみ分布評価にも対応します。液体の濁り、気泡、反射、試料表面の特徴量が画質へ影響するため、実際の試料と液体を用いた事前確認が推奨されます。
参考資料・論文
CellScale Biomaterials Testing. Hydrated Mechanical Testing & Temperature Controlled Testing
CellScale Biomaterials Testing. UniVert Uniaxial Mechanical Testing System
Heitzer M, Andre D, Winnand P, et al. Biohybrid microvascular interponates with integrated elastin-like recombinamers – validation of stability and biomimetic elasticity in human vessels. Scientific Reports. 2025;15:44632. https://doi.org/10.1038/s41598-025-33635-x
Zannat A, Lopez A, Cheng Y, et al. Mechanical strain-regulated hydrogel biodegradation for biological scaffolds with programmable lifetime. Journal of Materials Chemistry B. 2025;13. https://doi.org/10.1039/D5TB01056J
製品のご紹介
CellScale社 UniVert／卓上 引張・圧縮・3点曲げ試験機
生体サンプルから工業製品の試験に
CellScale社のUniVertは、生体サンプルなどのバイオマテリアル試験に最適です。クリップやプレートなど様々なアタッチメントに対応し、生体組織、ゲル、フィルム、ファイバーなどの多様なサンプルでの強度測定に優れています。
圧縮、引張、3点曲げなどのモードがあり、ロードセルは着脱式で、4.5N～200N（*1Kgモデルは1Kgまで）での測定が可能です。また、オプションのバスを取り付けることにより、横型、縦型での液中での測定も可能です。
MicroTester
マイクロスケール圧縮強度測定装置
MicroTesterはマイクロスケール生体サンプルや微粒子の粘弾性測定に特化した粘弾性測定装置です。
1㎜以下径のビーム（カンチレバー）とプレートで直接サンプルに接触して、非破壊で約0.005~500µNの粘弾性試験が可能です。生体サンプルの試験に特化し工業用の試験機では実現できないコンパクトさ、試験レンジを実現し、精度の高い試験・解析が可能となりました。チャンバー前方に取り付けられた高解像度カメラにより、サンプルの変位の画像解析も可能です。
オレンジサイエンスが取り扱うその他の製品
オレンジサイエンスでは、測定機器の他にも伸展刺激装置・圧縮刺激装置を取り扱っております。ご不明点や取り扱い装置に関する詳細など、お気軽にお問い合わせください。
CellScale／セルスケール社
Mechano Cultureシリーズの機械的刺激培養装置はモデルにより、360度伸展、シリコンチャンバー伸展、マテリアル伸展、流体圧縮、機械的圧縮＋データ測定、マテリアル伸展＋データ測定が可能です。
STREX／ストレックス社
独自のシリコンチャンバーを伸展させることにより、チャンバー上の細胞に伸展刺激を与えることが可能です。顕微鏡搭載モデルは、倒立顕微鏡での伸展細胞の観察も可能です。
IonOptix／イオンオプティクス社
C-Stretchシステムはシリコンチャンバーを採用した伸展培養装置です。C-Pace EMシステムと使用することにより、伸展刺激と同時に、電気刺激を与えることも可能です。
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