ハイドロゲルの力学特性評価｜引張・圧縮試験に対応するCellScale社 UniVert
ハイドロゲルの力学特性は、組織工学、再生医療、3Dバイオプリンティング、ドラッグデリバリー、ソフトロボティクスなど、幅広い研究分野で材料設計を左右する重要な評価項目です。
弾性率だけでなく、圧縮強度、引張強度、破断ひずみ、応力緩和、クリープ、繰り返し負荷に対する応答などを調べることで、ハイドロゲルが目的の用途に適した力学的挙動を示すかを定量的に検討できます。
CellScale社 UniVertは、ハイドロゲルや軟組織をはじめとする柔らかいバイオマテリアルの評価に対応した、卓上型の1軸材料試験システムです。引張試験と圧縮試験を基本に、適切なロードセル、治具、液中測定用バス、イメージングシステムなどを組み合わせ、研究目的とサンプルに応じた試験系を構成できます。
ハイドロゲルの材質、形状、寸法、予想荷重、測定環境、評価したい指標をお知らせください。オレンジサイエンスが、装置・ロードセル・治具・オプションの選定をご提案します。
ハイドロゲルの力学特性が重要な理由
ハイドロゲルは、水を多く含む三次元の高分子ネットワークです。コラーゲン、ゼラチン、GelMA、アルギン酸、アガロース、フィブリンなどの天然由来材料から、PEG系やポリアクリルアミド系などの合成材料、ナノ材料や繊維を組み込んだ複合材料まで、さまざまなハイドロゲルが研究されています。
その力学特性は、主に次の条件によって変化します。
高分子の種類と濃度
架橋方法と架橋密度
ネットワーク構造と配向性
含水率、膨潤状態、測定溶液
温度、pH、イオン強度
細胞、粒子、繊維などの添加物
培養、分解、保存などの経時変化
例えば、細胞を封入するハイドロゲルでは、マトリックスの力学環境が細胞の接着、伸展、移動、分化などに関係します。足場材料では、培養中や使用中に必要な形状と強度を維持できるかが重要です。薬物送達材料では、力学的安定性を分解速度や放出挙動と併せて評価する必要があります。
そのため、材料の「硬さ」を一つの数値だけで表すのではなく、使用時の負荷と環境を想定し、複数の試験から力学特性を評価することが重要です。
ハイドロゲルの力学特性評価で測定できる項目
目的に応じて試験方法を選ぶことで、ハイドロゲルの異なる力学的側面を評価できます。
研究目的 | 主な試験方法 | 主な評価項目 | UniVertでの構成例 |
|---|---|---|---|
配合や架橋条件による硬さの比較 | 1軸圧縮試験 | 圧縮応力–ひずみ曲線、圧縮弾性率、圧縮強度 | 圧縮プラテン＋荷重域に合うロードセル |
伸びや破断までの挙動の評価 | 1軸引張試験 | 引張弾性率、引張強度、破断ひずみ、靭性 | サンプル形状に合う引張グリップ＋イメージング |
時間依存性の評価 | 応力緩和試験 | 一定ひずみ下での応力低下、緩和挙動 | 変位制御によるランプ・保持プロトコル |
長時間荷重に対する変形の評価 | クリープ試験 | 一定荷重下でのひずみ増加、回復挙動 | 荷重制御による保持・回復プロトコル |
繰り返し使用時の挙動の評価 | 繰り返し負荷試験 | ヒステリシス、エネルギー散逸、残留ひずみ、剛性変化 | 多段階・繰り返し試験プロトコル |
表面や局所領域のばらつきの評価 | インデンテーション試験 | 局所弾性率、位置ごとの力学特性 | インデンテーション治具＋Eclipse＋XYステージ |
「剛性」「弾性率」「硬さ」は同じではありません
荷重–変位曲線から得られる剛性は、材料だけでなく、サンプルの寸法や形状にも影響されます。一方、応力–ひずみ曲線から算出する弾性率は、形状の影響を補正して材料間を比較するための指標です。硬さは、押込み試験などで評価される局所的な抵抗を指す場合があります。
特にハイドロゲルは非線形性や粘弾性を示すことが多いため、「弾性率」を報告する際には、試験方法、ひずみ範囲、変形速度、近似方法を明示する必要があります。同じサンプルでも、測定条件や解析範囲が異なれば、得られる値は変わります。
ハイドロゲルの試験で生じやすい課題
微小な荷重を十分な感度で捉える必要がある
柔らかいハイドロゲルでは、発生する力が小さく、センサーの測定容量が大きすぎると、配合や処理による微小な差がノイズに埋もれることがあります。一方、容量が小さすぎるセンサーでは、予想外のピーク荷重による過負荷に注意が必要です。
UniVertは、想定荷重に応じてロードセルを選択できます。さらに超低荷重領域では、Eclipse（エクリプス）超低荷重向けフォースセンサーを組み合わせることで、引張・圧縮・インデンテーション試験に対応できます。
柔らかく滑りやすいサンプルを安定して保持する必要がある
ハイドロゲルの引張試験では、グリップ部での滑り、損傷、応力集中が測定結果に影響します。試験部以外で破断した場合、材料本来の破壊挙動を評価できないこともあります。UniVertでは、サンプルの柔らかさ、厚さ、表面状態、形状に合わせた治具を選択できます。試験前に固定方法を検討し、滑りや治具近傍の破断がないかを画像で確認することが、再現性の向上につながります。
含水状態と温度を一定に保つ必要がある
ハイドロゲルは、乾燥、膨潤、温度変化によって力学特性が変化します。測定中の水分蒸発や、試料ごとの平衡化時間の違いは、結果のばらつきにつながります。UniVertは、オプションの温度制御付き液中測定用バスに対応しています。PBS、培地、その他の試験溶液中でサンプルの含水状態を維持しながら、引張、圧縮、応力緩和などの試験を行えます。生理環境を模した試験や、乾燥の影響を抑えた比較に有用です。
装置の移動量とサンプルの実ひずみが一致しないことがある
柔らかい材料では、グリップ部の滑り、治具のなじみ、局所変形などにより、装置の移動量だけではサンプル中央部の実際のひずみを正確に表せない場合があります。UniVertのScientific Imaging Systemを使用すると、画像からサンプルの変形を追跡するひずみ制御試験や、デジタル画像相関法（DIC）による非接触ひずみ計測に対応できます。不均一な変形や局所的なひずみ集中を確認したいハイドロゲルにも有用です。
UniVertがハイドロゲルの力学特性評価に適している理由
引張と圧縮を一つのプラットフォームで実施
UniVertは、ハイドロゲルの基本的な力学特性評価である1軸引張試験と1軸圧縮試験に対応します。治具や構成を追加することで、3点曲げ、インデンテーション、穿刺、剥離などの試験へ拡張することも可能です。
低荷重から高荷重まで研究対象に合わせて構成
CellScale社の現行仕様では、UniVert Sは最大200 N、UniVert 1kNは最大1,000 Nに対応し、適切なセンサー構成では約0.02 Nからの測定が可能です。極めて柔らかいハイドロゲルにはEclipseを組み合わせるなど、予想荷重と必要な分解能に応じて構成を選択できます。
※測定範囲、分解能、最大荷重は、モデル、ロードセル、治具、オプションによって異なります。実際の選定時にはサンプル情報と試験条件をご確認ください。
粘弾性・繰り返し試験に対応するプロトコル設定
付属ソフトウェアでは、変位制御と荷重制御、ランプ、保持、多段階シーケンス、繰り返し負荷などの試験プロトコルを設定できます。リアルタイムで測定結果を確認し、取得したデータから応力–ひずみ解析や粘弾性指標の検討を行えます。
液中測定と画像計測を組み合わせられる
温度制御付き液中測定用バスにより含水状態を維持し、イメージングシステムにより変形を観察できます。ハイドロゲルのように環境条件と固定方法の影響を受けやすい材料では、荷重データと画像情報を併せて確認できることが、結果の解釈に役立ちます。
卓上型で、研究内容の変化に合わせて拡張可能
UniVertはコンパクトな卓上型システムです。ロードセル、治具、液中測定環境、イメージング、XYステージなどを研究内容に合わせて追加できるため、単純な配合比較から、局所マッピングや複数段階の試験まで、用途を広げられます。
UniVertで評価できるハイドロゲルの例
コラーゲンハイドロゲル
ゼラチン、GelMAハイドロゲル
アルギン酸、アガロース、フィブリンハイドロゲル
PEG系、ポリアクリルアミド系ハイドロゲル
光架橋型ハイドロゲル
細胞封入ハイドロゲル
バイオインク、3Dバイオプリント構造体
繊維強化・粒子複合ハイドロゲル
刺激応答性ハイドロゲル
接着性ハイドロゲル、バイオグルー
組織模倣ファントム
ハイドロゲルを用いた足場材料やソフトデバイス
サンプルが非常に小さい場合や、発生荷重が極めて小さい細胞封入構造体では、UniVert＋EclipseまたはMicroTesterが候補になります。薄いシート状試料の面内異方性を2軸で評価したい場合は、BioTesterが適することがあります。サンプルサイズと試験目的に応じて装置を選択してください。
再現性の高いハイドロゲル力学試験を設計する5ステップ
1．研究目的と評価指標を決める
「配合間の弾性率を比較したい」「生体組織に近い圧縮応答を確認したい」「破断までの伸びを調べたい」「培養中の力学特性変化を追跡したい」など、まず研究上の問いを明確にします。目的に応じて、圧縮、引張、応力緩和、クリープ、繰り返し負荷などの試験を選びます。
2．サンプル形状と前処理をそろえる
直径、厚さ、ゲージ長、断面積などの形状を統一します。膨潤時間、測定溶液、温度、架橋後の経過時間、保存条件もそろえ、試験開始時の状態をできるだけ一定にします。
3．ロードセルと治具を選ぶ
予想される最大荷重だけでなく、比較したい差を十分に分解できる感度を考慮してロードセルを選びます。引張試験では滑りや損傷を抑えるグリップを、圧縮試験ではサンプル径と形状に合うプラテンを選択します。
4．試験条件と環境を固定する
予荷重、変形速度またはひずみ速度、最大ひずみ、保持時間、繰り返し回数、回復時間を定義します。必要に応じて液中で温度を管理し、測定中の乾燥を防ぎます。粘弾性材料では、速度や保持時間の違いが結果に大きく影響するため、全試料で同じ条件を使用します。
5．解析条件と報告項目を統一する
弾性率を算出するひずみ範囲、近似方法、サンプル寸法の測定方法を統一します。荷重–変位データだけでなく、応力–ひずみ曲線、試験環境、試験速度、予荷重、サンプル数、除外基準などを記録することで、研究内・研究間の比較がしやすくなります。
CellScale社 UniVertを使用したハイドロゲル研究例
セルロースナノクリスタル配向による異方性ハイドロゲルの引張評価
2023年にNature Communicationsで発表された研究では、セルロースナノクリスタルを組み込んだ双性イオンハイドロゲルナノコンポジットが開発されました。UniVertによる1軸引張試験を配向方向とその垂直方向で行い、弾性率、引張強度、異方性、損傷後の力学的回復を評価しています。
この研究は、配向構造と力学特性の関係を明らかにし、刺激応答性ハイドロゲルを用いたソフトロボティクス材料の設計に力学試験を活用した例です。
論文：Nasseri R, Bouzari N, et al. “Programmable nanocomposites of cellulose nanocrystals and zwitterionic hydrogels for soft robotics.” Nature Communications. 2023.https://doi.org/10.1038/s41467-023-41874-7
アルギン酸–ペクチンハイドロゲルの組成と圧縮特性の比較
2025年の研究では、バイオメディカル用途を想定したアルギン酸–ペクチン系ハイドロゲルについて、組成、分解性、薬物放出挙動が評価されました。円柱状サンプルをUniVertで1軸圧縮し、配合やマイクロスフェア添加による圧縮強度の違いを比較しています。
この例は、材料組成の最適化において、力学的安定性を分解挙動や薬物放出と併せて評価する方法を示しています。
論文：Velázquez-González CY, Aguilar-Reyes EA, et al. “Mechanical properties, biodegradability, and drug release of polymeric hydrogels.” Journal of Physics: Conference Series. 2025.https://doi.org/10.1088/1742-6596/3164/1/012002
3DプリントされたGelMA複合ハイドロゲルの圧縮評価
2026年にACS Applied Materials & Interfacesで発表された研究では、骨格筋の形成を支援する、圧電性と生物学的指示性を備えた3Dプリントハイドロゲルプラットフォームが開発されました。UniVertを用いた1軸圧縮試験により、GelMA、PAA、チタン酸バリウムを組み合わせた各構造体の応力–ひずみ挙動、圧縮強度、ヤング率を比較しています。
この研究は、3Dバイオプリント材料が目的組織に適した力学特性と圧縮耐久性を備えているかを確認するうえで、UniVertを活用した例です。
論文：Ozhava D, Sonaye SY, et al. “Flexible 3D-Printed Piezoelectric and Bioinstructive Platforms for Skeletal Muscle Development and Organization.” ACS Applied Materials & Interfaces. 2026.https://doi.org/10.1021/acsami.6c11224
これらの研究では、評価する材料と目的に応じて、試験モード、ロードセル、サンプル形状、変形速度などが個別に設定されています。論文の条件をそのまま転用するのではなく、ご自身の研究目的とサンプルに適したプロトコルを設計することが重要です。
ハイドロゲルの力学特性評価に関するよくある質問
ハイドロゲルでは圧縮試験と引張試験のどちらを選ぶべきですか？
実際の用途で材料に加わる負荷と、確認したい力学特性によって選びます。圧縮荷重を受ける足場材料や円柱・ディスク状のサンプルでは圧縮試験が行いやすく、伸展性、破断、異方性を調べる場合は引張試験が適しています。材料を総合的に評価するため、両方を行うこともあります。
UniVertでハイドロゲルの弾性率を測定できますか？
はい。サンプル寸法と荷重・変位データから応力–ひずみ曲線を作成し、定義した範囲の傾きから圧縮弾性率や引張弾性率を算出できます。ただし、ハイドロゲルは非線形性や時間依存性を示すため、試験モード、ひずみ範囲、速度、解析方法を明記してください。
非常に柔らかいハイドロゲルも測定できますか？
予想荷重とサンプルサイズに応じて構成を検討します。UniVertにEclipse超低荷重向けフォースセンサーを組み合わせることで、通常のロードセルでは捉えにくい微小荷重の引張・圧縮・インデンテーション試験に対応できます。極小サンプルや細胞封入構造体では、MicroTesterが適する場合もあります。
PBSや培地中で試験できますか？
オプションの液中測定用バスを使用することで、PBS、培地、その他の適合する溶液中で試験できます。温度制御にも対応し、サンプルの乾燥を抑えた測定や、生理環境に近い条件での評価に利用できます。使用する溶液や温度、治具との適合性は事前にご確認ください。
応力緩和試験やクリープ試験はできますか？
はい。一定変形を保持して応力の低下を測定する応力緩和試験や、一定荷重を保持して変形の増加を測定するクリープ試験を設定できます。保持時間、負荷速度、温度、含水状態を統一することが、条件間比較では重要です。
引張試験中の滑りを確認できますか？
標準イメージングで試験中のサンプルを記録できます。さらにScientific Imaging Systemを追加すると、画像追跡によるひずみ制御やDICに対応できます。グリップ間の移動量だけに依存せず、試験部の変形を確認したい場合に有用です。
異なる論文の弾性率をそのまま比較できますか？
慎重な判断が必要です。圧縮と引張の違いに加え、サンプル形状、ひずみ範囲、変形速度、含水状態、温度、境界条件、解析モデルによって弾性率は変わります。数値を比較する前に、各論文の試験条件と弾性率の定義が一致しているかをご確認ください。
装置構成はどのように決めればよいですか？
少なくとも、ハイドロゲルの材質、サンプル形状と寸法、予想される荷重または弾性率、試験モード、測定溶液、温度、評価したい指標を整理してください。これらの情報から、UniVertのモデル、ロードセル、治具、液中測定、イメージングなどの必要な構成を検討できます。
ハイドロゲルの力学特性評価をご相談ください
ハイドロゲルの測定では、装置の最大荷重だけでなく、低荷重域の感度、サンプルの固定方法、含水状態、温度、試験速度、解析方法まで含めて試験系を設計する必要があります。
オレンジサイエンスでは、CellScale社 UniVertをはじめ、超低荷重向けEclipse、微小サンプル向けMicroTester、2軸試験向けBioTester、周期的な圧縮の機械的刺激を与えるMechanoCulture TXを取り扱っています。試験したいサンプルと研究目的を確認し、適切な装置構成をご提案します。
お問い合わせの際は、可能な範囲で次の情報をお知らせください。
サンプルの材質と配合
サンプルの形状、寸法、作製可能な個数
予想される荷重、弾性率、または参考文献
圧縮、引張、応力緩和など希望する試験
大気中または液中、溶液の種類、測定温度
評価したい力学特性と研究目的
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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