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剪断試験（Shear testing）

  • Orange Science
  • 15 分前
  • 読了時間: 16分

剪断試験（Shear testing）とは

剪断試験（Shear testing）とは、材料や生体試料に水平方向の力（剪断力）を加え、その変形挙動や破断特性を評価するための試験方法です。引張試験や圧縮試験が「軸方向の変形」を測定するのに対し、剪断試験は「ずれ方向の変形（滑り）」に対する材料の強さや剛性を明らかにします。


特に、細胞・組織工学、バイオマテリアル、食品科学、ポリマー材料、医療デバイス研究といった分野では、材料が外力によってどのようにせん断されるかを定量的に把握することが、設計・評価において重要な指標となります。


剪断試験で評価できる主な項目

  • 剪断応力（Shear stress）：材料に対して加えられる単位面積当たりの剪断力

  • 剪断ひずみ（Shear strain）：力に対する材料の変形量

  • 剪断弾性率（Shear modulus）：剪断応力に対する材料の剛性

  • 最大剪断強度（Shear strength）：破壊に至るまでに耐えられる最大応力

  • 粘弾性特性：ゲルや生体材料の時間依存性の変形挙動


研究分野における剪断試験の重要性

  1. 生体組織・細胞外マトリクス（ECM）の力学特性解析 組織やハイドロゲルの剪断剛性は、細胞の機械受容や組織再生に大きく関与します。

  2. 医療デバイス材料の比較評価 接着材、コーティング、柔軟性材料などの強度評価に利用されます。

  3. バイオマテリアル開発（ハイドロゲル、ポリマー） スキャフォールドの設計や耐久性評価に不可欠です。

  4. 食品科学・材料科学 ゲル食品や柔軟材料のテクスチャー特性を定量化できます。


剪断試験に用いられる代表的な装置例

  • 単軸試験機（tensile/compression tester）に専用治具を装着したシステム 例：プレート間に試料を固定し、一方向にずらして載荷する方式。

  • レオメーター（Rheometer） ハイドロゲルや粘弾性材料の剪断モジュラス測定に使用。

  • マイクロメカニカルテスター（Microtester） 小型サンプル（組織片、オルガノイド、バイオマテリアル）の低荷重領域を高精度で計測可能。



剪断試験の主な種類

剪断試験には、試料の形状・材料特性・目的に応じて複数の方式があります。ここでは、工学材料からバイオマテリアル（ゲル、組織、細胞外マトリクス）まで広く利用される代表的な手法を紹介します。


1. 単純剪断試験（Simple shear test）

最も基本となる剪断試験です。 試料を上下のプレートまたは治具で挟み、上部プレートを水平方向へずらすことで剪断変形を与えます。

特徴

  • 剪断応力と剪断ひずみを直接評価できる

  • ハイドロゲルや軟組織などの低弾性材料に適している

  • マイクロメカニカルテスターやカスタム治具で使用される方式


2. 二重剪断試験（Double shear test）

試料を二か所で同時に剪断する方式。力の分布が均一化されるため、材料の純粋な剪断強度を高い精度で評価できます。

特徴

  • 材料の破断強度評価に適する

  • サイズの大きい試料の強度比較によく利用される


3. 単剪断試験（Single shear test）

ボルト・接合部材・接着材などに用いられる方式で、一点で剪断力を受ける構造を評価します。

特徴

  • 医療デバイス、材料接着、バイオメディカル材料の強度比較に利用

  • 接着界面やフィルム材料の破断挙動の評価が可能


4. ねじり剪断（Torsional shear / Shear from torsion）

軸方向に試料をねじり、そのトルクから剪断応力を算出する方式です。レオメーターやトーションテスターで測定されます。

特徴

  • 円柱・円筒形試料に適する

  • 粘弾性材料（ハイドロゲル、細胞外マトリクス）の剪断弾性率（G’/G’’）評価に使用

  • 生体試料の力学モデル化に多用される


5. 剪断流動試験（Shear flow / Shear rheology）

液体や半固体材料を対象としたレオロジー試験で、プレート間またはコーン＆プレートで流動を発生させ、剪断粘度や剪断弾性を評価します。

特徴

  • ハイドロゲル前駆体、バイオインク、粘性材料に広く利用

  • 剪断速度依存性（shear-thinning / shear-thickening）の解析が可能


6. パンチ剪断試験（Punch shear test）

円形パンチで材料を押し込み、リング状の隙間で剪断破壊を誘導する方式。軟組織や食品ゲルの破壊特性評価に利用されます。

特徴

  • 試料の形状依存性が低く、準備が容易

  • 小型試料でも安定した破断解析が可能


7. マイクロスケール剪断試験（Micro-shear / Micro-indentation-based shear）

オルガノイド、薄い組織片、微小材料など、低荷重で微細サンプルを評価するための手法です。

特徴

  • マイクロメカニカルテスターやカンチレバー型装置で使用

  • 生体材料の微小領域の剛性・破断挙動を定量化

  • 細胞スフェロイドや局所 ECM の剪断特性分析に応用


研究分野別の典型的な利用例

  • 細胞・組織工学：ECM やハイドロゲルの剪断弾性率測定

  • オルガノイド研究：球状組織の局所剛性評価

  • 医療デバイス：接着・被膜材料の剪断強度試験

  • 食品科学：ゲル食品・ゼラチンのテクスチャー評価

  • 材料科学：ポリマー、フィルム、複合材の破断強度測定



剪断試験の目的

剪断試験の主な目的は、材料や生体試料が“ずれ方向の力”を受けた際にどのように変形し、どの程度の強度を保持できるかを定量的に評価することです。引張試験や圧縮試験では得られない、剪断特有の力学応答を測定することで、材料の実使用環境での挙動をより精密に理解できます。


1. 剪断強度の評価（Shear strength）

材料が破断するまでに耐えられる最大剪断応力を測定します。接着材料、ポリマー、薄膜、医療デバイスの構造材料では、設計の基礎データとして不可欠です。


2. 剪断弾性率（Shear modulus）の測定

材料の「ずれ変形」に対する剛性を明らかにします。ハイドロゲル、細胞外マトリクス（ECM）、組織片などの軟材料では、力学特性を示す最も重要な指標の一つです。


3. 粘弾性特性の解析（Viscoelastic behavior）

時間依存性の変形（クリープ、応力緩和）を評価し、材料が力を受けた際の応答の速さ・粘性・弾性成分を明らかにします。

用途例

  • 細胞培養用ハイドロゲルの最適硬さ設計

  • 生体組織のモデル化（G' / G'' の評価）

  • バイオインクの押出性・安定性の検証


4. 接着界面や層間強度の評価（Interface shear behavior）

接着剤、コーティング、積層材料などの界面の剥離耐性を調べます。

用途例

  • 医療デバイスの接着評価

  • ポリマー薄膜の接合強度

  • 表面処理後の接着性向上の効果検証


5. 材料の破壊挙動の理解（Failure mechanism）

剪断荷重下での破断モード（脆性破壊・延性破壊・層間剥離）を観察し、安全性や耐久性の設計に活用します。


6. 変形メカニズムのモデル化（Constitutive modeling）

材料の構成則（応力‐ひずみ関係）を確立するためのデータ取得に使用されます。

特に重要な分野

  • 生体組織の力学モデル

  • ハイドロゲルやバイオマテリアルの設計

  • 医用材料のシミュレーション（FEM）


7. 実際の使用環境を模した評価（Real-world performance）

多くの材料は、現実の環境で「剪断」状態に近い力を受けます。そのため剪断試験は、引張や圧縮だけでは評価しきれない実使用時の性能確認として重要です。

例

  • 培養中の細胞スフェロイドが外力を受ける状況

  • 医療デバイスの装着時のスライド摩擦

  • ゲル食品や粘性材料のテクスチャー特性


剪断試験の目的は以下に集約されます。

  1. 剪断強度・剛性などの基本力学特性を定量化する

  2. 界面接着や層間強度の評価

  3. 粘弾性挙動の解析

  4. 破断挙動や構成則モデル化の基礎データ取得

  5. 実際の使用環境での材料挙動の再現と検証



剪断試験が活用される主な研究分野

剪断試験は、材料が「ずれ方向の力」に対してどのように変形・破壊するかを評価するため、多様な研究領域で利用されています。特に、軟材料や生体組織を扱う分野では欠かせない試験法です。


1. 生体材料・バイオマテリアル（Biomaterials）

ハイドロゲル、スキャフォールド、細胞外マトリクス（ECM）、バイオポリマーなど、軟材料の力学評価に広く使用されます。

代表的用途

  • ハイドロゲルの剪断弾性率（G）の測定

  • 再生医療用スキャフォールドの機械特性評価

  • 生体組織に近い力学モデルの構築


2. 組織工学・再生医療（Tissue engineering / Regenerative medicine）

生体組織は剪断応力を受けやすく、剪断特性の定量化は細胞振る舞いの理解や組織設計に不可欠です。

用途例

  • 軟骨・腱・肌組織の剪断強度測定

  • ECM の剛性（stiffness）が細胞分化に与える影響解析

  • オルガノイド・スフェロイドの局所力学評価


3. 生体組織力学（Biomechanics）

実際の生体組織は、引張よりも剪断応力を受ける状況が多く、力学モデル化に活用されます。

対象例

  • 脳組織・肝臓・腎臓など軟組織の剪断応答

  • 創傷治癒過程での力学環境の評価


4. 医療デバイス・医療材料研究

医療現場で使用される多くの材料は、摩擦、装着、接着などで剪断力を受けます。

用途例

  • 接着剤・コーティング材料の界面強度測定

  • 血管ステント、カテーテルなど柔軟材料の評価

  • フィルム材料やポリマー製デバイスの耐久性評価


5. マテリアルサイエンス（Materials science）

ポリマー、複合材料、薄膜、接着層など、多くの工業材料で剪断特性は重要な設計パラメータとなります。

用途例

  • ポリマーやエラストマーの剪断弾性率

  • 積層材料の層間せん断強度（ILSS）

  • 接着剤・複合材界面の評価


6. レオロジー（Rheology）

液体・ゲル・バイオインクなどの流動特性を研究する分野では、剪断流動（shear flow）による粘度・粘弾性解析が必須です。

用途例

  • バイオインクの押し出し特性

  • 細胞懸濁液の剪断耐性

  • ハイドロゲル前駆体のゲル化挙動解析


7. 食品科学（Food science）

ゼラチン、ゲル食品、乳製品など、軟質食品のテクスチャー解析に剪断試験が使用されます。

用途例

  • ゲル食品の破断強度

  • テクスチャープロファイル分析

  • 加工条件による剪断粘度・硬さの変化評価


8. 化学・高分子化学（Polymer & chemical engineering）

高分子の架橋度、結晶化、熱処理による力学性能の変化を評価するために活用されます。


剪断試験は、以下のような幅広い研究分野で利用されています。

  • 生体材料

  • 組織工学・再生医療

  • 生体組織力学

  • 医療デバイス材料

  • ポリマー・複合材料研究

  • レオロジー

  • 食品科学

  • 高分子化学

軟材料から工業材料まで、多岐にわたる領域で必須となる評価手法です。



剪断試験の主なアプリケーション例（研究用途）


1. ハイドロゲル・バイオマテリアルの力学特性評価

ハイドロゲルや生体模倣材料（ECM 代替材料）は、剪断弾性率（G）や粘弾性特性が細胞挙動に大きく影響するため、剪断試験によって材料設計が行われます。

アプリケーション例

  • ハイドロゲルの硬さ（shear modulus）の測定

  • 架橋度やゲル化条件による力学性能の比較

  • 再生医療用スキャフォールドの強度・粘弾性評価


2. オルガノイド・スフェロイドの局所力学評価

オルガノイドや細胞スフェロイドは微小で軟らかいため、引張や圧縮より剪断変形を用いた評価が適しています。

アプリケーション例

  • オルガノイドの表面層の剪断剛性評価

  • スフェロイド成熟度に伴う力学特性の変化解析

  • 疾患モデルオルガノイドの組織硬化度評価


3. 生体組織（脳、肝臓、腎臓など軟組織）の粘弾性解析

剪断応力に対する応答は、生体組織のモデル化や病態評価に不可欠です。

アプリケーション例

  • 脳組織の剪断弾性率測定（外傷研究、神経科学）

  • 肝臓・腎臓の疾患進行による硬さ変化（繊維化など）の解析

  • ECM 変性による剪断強度の低下評価


4. 医療デバイス・界面接着の評価

医療現場では、材料が「滑る」「ずれる」状況が多いため、剪断特性の評価が重要です。

アプリケーション例

  • カテーテル・ガイドワイヤーなど柔軟材料の摩擦・耐久評価

  • コーティング材料の界面剥離試験

  • 医療用接着剤の剪断強度比較


5. ポリマー材料・複合材料の構造評価

工学材料では、層間の剥離や界面の破壊挙動を理解するために剪断試験が利用されます。

アプリケーション例

  • CFRP、GFRP の層間せん断強度（ILSS）測定

  • フィルム材料の界面接着評価

  • 高分子材料の加工条件（溶融温度、押出速度）に伴う剪断粘度変化の測定


6. レオロジー（Shear rheology）による粘度・粘弾性評価

液体〜半固体試料の剪断流動を解析し、加工性や流動性を評価します。

アプリケーション例

  • バイオインクの押出成形性（shear thinning）の解析

  • ハイドロゲル前駆体の流動特性測定（ゲル化挙動の把握）

  • 細胞懸濁液の流動性評価（shear-induced cell damage の解析）


7. 食品科学におけるテクスチャー評価

ゲル食品、乳製品、ゼラチンなど軟材料の食感を定量的に評価するために利用されます。

アプリケーション例

  • ゼラチンやプリンの剪断破断強度評価

  • 加熱・冷却処理によるゲル構造の変化解析

  • 食品加工条件による粘度・硬さ変化の測定


8. 表面処理・コーティング技術の評価

表面改質や薄膜処理によって、界面強度や摩擦特性がどの程度変化したかを剪断試験で確認します。

アプリケーション例

  • プラズマ処理後の接着強度測定

  • 生体材料（PDMS、ポリマー）への薄膜形成の効果評価

  • 表面粗さ・化学修飾による界面剥離挙動解析


剪断試験のアプリケーションは以下のように非常に広範です。

  • ハイドロゲル・バイオマテリアル

  • オルガノイド・生体組織

  • 医療デバイス・接着界面

  • ポリマー・複合材料

  • レオロジー・粘弾性解析

  • 食品科学

  • 表面処理・材料工学

生体材料から工業材料まで、実使用環境に近い“ずれ方向の力学挙動”を正確に評価できる点が、剪断試験の大きな強みです。



力学試験の比較表（剪断・引張・圧縮）

項目

剪断試験（Shear test）

引張試験（Tensile test）

圧縮試験（Compression test）

主に与える力の方向

面に平行に“ずれ方向”の力を加える

軸方向に引き延ばす力

軸方向に押しつぶす力

評価できる主な特性

・剪断応力 / 剪断ひずみ


・剪断弾性率（G）


・界面接着力


・粘弾性（G′ / G″）

・引張強度


・ヤング率（E）


・破断伸び

・圧縮強度


・圧縮弾性率（E）


・クリープ / 弾塑性挙動

得られる情報の特徴

実使用に近い“滑り・ずれ”の挙動を評価できる

材料がどこまで伸びるか、どれほどの力に耐えるか

つぶれやすさ、支持力、変形抵抗性を評価

得意な材料・試料

ハイドロゲル、粘弾性材料、軟組織、スフェロイド、接着界面、薄膜材料

フィルム、ポリマー、金属、繊維、生体材料（一部）

ハイドロゲル、軟組織、フォーム材、食品、ポリマー

主な研究分野

バイオマテリアル、組織工学、医療デバイス、レオロジー、食品科学

材料工学、ポリマー、繊維、医用材料、構造材料

生体組織力学、食品科学、材料評価、ゲル物性

メリット

・軟材料の特性が出やすい


・界面や層間の評価が可能


・粘弾性解析に最適

・応力‐ひずみ関係が明確に取れる


・破断特性を正確に取得

・サンプル準備が容易


・軟らかい材料でも高精度に測定

デメリット / 注意点

・治具や試験法で条件が変わりやすい


・試料固定の工夫が必要

・軟材料はつかみにくく破断しやすい

・厚い試料は均一変形が取りにくい

主な装置

マイクロメカニカルテスター、レオメーター、専用剪断治具

万能試験機、マイクロテスター、フィルムグリップ

万能試験機、マイクロテスター、圧縮治具



CellScale社 UniVert による剪断試験


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CellScale 社 UniVert は、微小荷重から軟材料の変形挙動を高精度に測定できる卓上型マイクロメカニカルテスターで、引張・圧縮だけでなく、適切な治具を組み合わせることで剪断試験（Shear testing）にも対応します。


精密な低荷重剪断試験が可能

UniVert は、微小荷重の計測に対応したロードセルを搭載でき、軟材料の剪断評価に適しています。

活用例

  • ゲルの剪断弾性率の測定

  • ECM や軟組織の局所剛性解析

  • バイオマテリアルのせん断強度の比較


専用治具を用いた「単純剪断」試験

CellScale 製の各種アクセサリー・治具を用いることで、以下のような単純剪断試験が可能です。

実施例

  • 上下プレート間に試料を挟み、上部治具を水平方向に変位させ剪断する

  • 薄膜・接着界面・ゲル片の剪断破断試験

  • 低速、高精度の変位制御による粘弾性挙動の可視化


二重剪断や界面接着試験への応用

治具設計を変更することで、接着層・薄膜・コーティング材料の界面剝離挙動の解析にも用いることができます。

測定できる項目

  • 接着界面の剪断強度

  • 表面処理（プラズマ、化学改質）による接着力変化

  • 多層材料の層間剥離挙動




CellScale社 UniVert


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「CellScale社 UniVert」は、軟材料から生体組織まで幅広いサンプルに対応し、高精度な剪断試験（Shear testing）を実現する卓上型メカニカルテスターです。微小荷重領域の計測性能と高い変位制御精度を備えており、ゲル、ゴム、細胞外マトリクス（ECM）、オルガノイド、接着界面、柔らかい三次元材料といった、従来評価が難しかった試料の力学特性を正確に定量化できます。


生体材料は柔らかく、滑りやすく、不規則な形状を持つことが多いため、最適な結果を得るには専用の治具が必要です。接着性は温度や湿度の影響を受けやすいですが、UniVertは必要な環境制御アクセサリーを効率的に装備できます。


専用治具と柔軟な試験設定により、単純剪断から界面剥離評価まで多様なShear testingに対応。材料の剪断弾性率、破断挙動、粘弾性応答といった重要パラメータを高再現性で取得でき、バイオマテリアル研究、組織工学、医療デバイス開発など、精密な力学解析を求める研究者に最適です。


軟材料の力学評価を研究の基盤とするラボにおいて、CellScale社 UniVertはコンパクトな設計でありながら、信頼性の高い剪断試験を可能にする強力なソリューションとして、研究の精度向上と効率化に大きく貢献します。


「CellScale社のUniVert」は、バイオマテリアル研究における精密な力学解析を実現し、研究開発の品質と効率を飛躍的に高める理想的なソリューションです。









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



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　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。



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