利用報告書 / User's Report | ARIM Japan公式ホームページ_マテリアル先端リサーチインフラ

【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.07.02】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23HK0016

利用課題名 / Title

コラーゲン人工腱の開発

利用した実施機関 / Support Institute

北海道大学

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）計測・分析/Advanced Characterization（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）次世代バイオマテリアル/Next-generation biomaterials（副 / Sub）-

キーワード / Keywords

電子顕微鏡/ Electronic microscope,生分解性材料/ Biodegradable material

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

柚木俊二

所属名 / Affiliation

北海道大学産学・地域協働推進機構　バイオマテリアル構造設計部門

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

近藤英司

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

山崎郁乃

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

HK-404：超高分解能電界放出形走査電子顕微鏡

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

関節外科領域で行われる自家腱移植を人工材料に置き換えるため、生体腱に類似したコラーゲン階層構造体を開発することを目的とした。延伸工程を組み込んだコラーゲンマイクロファイバー（コラーゲンMF）の湿式紡糸法を開発し、直径が25 µmのコラーゲンMFの高速紡糸を実現した。MF内部の線維整列は外部機関の透過型電子顕微鏡を活用したが、延伸によるMFの断面形状変化および断面積変化、表面形態の平滑化、およびMFを2,000本束にしたテスト人工腱の断面形態をARIM所有の走査型電子顕微鏡（SEM）で確認した。

実験 / Experimental

延伸紡糸法でコラーゲンMFを紡糸し、熱架橋で安定化した後にSEM観察へ供し、断面・表面形態観察を行った。さらに、MFを2,000本束にしたテスト人工腱も観察へと供し、断面および表面の形態を観察した。

結果と考察 / Results and Discussion

コラーゲン溶液を内径180 µmのブラント針から押し出す際の線速度（V_e）とその巻き取り線速度（V_w）の比V_w/V_eを増加させ、延伸工程とそれに引き続く大気乾燥工程を含むコラーゲンMFの紡糸を行った（Figure１）。コラーゲンMF横断面のSEM像から、V_w/V_eの増加（1.0から 3.1）にともなってMFが細くなり、断面形状が歪んだ形状から楕円形へと変化することが観察された(Figure２ A～D)。断面積から決定された延伸倍率はV_w/V_eに比例して増加した（Figure２ E）。V_w/V_e =3.1のときの延伸倍率は4.39 ± 0.25に達し、ＭＦの計算直径（d_cal；断面積が真円と仮定したときの直径）は未延伸と比べて46.7 ± 1.9 から 22.3 ± 0.7 µm に減少した（Figure２F）。V_w/V_e が 3.1 に達すると巻き取り中にＭＦが頻繁に破断したため、人工腱用ＭＦの量産実験ではV_w/V_e = 2.6 (延伸倍率: 3.33) を使用しました。この条件下でＭＦ製造の線速度は 171 m h⁻¹まで増加した。
コラーゲンMF2,000の撚りを行い、テスト人工腱を作製した（Figure３Ａ）。撚りは化学架橋とそれに続く熱架橋（物理架橋）により安定化し、水和後も維持された。断面のSEM観察から、コラーゲンMFから構成される緻密な内部構造が確認された（Figure３Ｂ）。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Figure 1. Overview of stretching method for producing collagen microfiber

Figure 2. Results of collagen MF spinning using the stretching method. (A)–(D) SEM images of cross sections of microfibers produced at V_w/V_e = 1.0 (A), 1.3 (B), 2.6 (C), and 3.1 (D). Scale bars in Figures A and B represent 50 µm. Scale bars in figures C and D indicate 20 µm. (E) Stretch ratio as a function of V_w/V_e. The stretch ratios were determined from the cross-sectional areas of the microfibers. (F) Relationship between the calculated microfiber diameter (d_cal) and stretch ratio.

Figure 3. Appearance and interior morphology of 2,000 bundle of collagen MF. (A) Appearance of 2,000 bundle of collagen MF as a test artificial tendon. (B) Cross-sectional morphology of the test artificial tendon observed by SEM. The collagen MF was produced by the stretching method at V_w/V_e = 2.6.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

Yunoki S, Kondo E et al. High-speed spinning of collagen microfibers comprising aligned fibrils for creating artificial tendons. Biomed. Mater. 19 (2024) 045010.

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

Shunji Yunoki, High-speed spinning of collagen microfibers comprising aligned fibrils for creating artificial tendons, Biomedical Materials, 19, 045010(2024).
DOI: 10.1088/1748-605X/ad49f6

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

Yunoki S, Kondo E et al. High speed production of stretched collagen microfibers comprised of aligned collagen fibrils for creating artificial tendons. World Biomaterial Congress 2024 (2024/5/26-31, Korea)

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件