JP2014178121A - Hydrogel array substrate and manufacturing method of the substrate, and bimolecular lipid membrane array substrate and manufacturing method of the substrate - Google Patents

Hydrogel array substrate and manufacturing method of the substrate, and bimolecular lipid membrane array substrate and manufacturing method of the substrate Download PDF

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あや 田中
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吉晃 樫村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogel array substrate and a manufacturing method of the substrate which are capable of developing vesicles without using metal cation and arranging a bimolecular lipid membrane on hole portions filled with hydrogel, and a bimolecular lipid membrane array substrate in which the bimolecular lipid membrane is arranged on the hole portions and a manufacturing method of the membrane.SOLUTION: There are provided: [1] a hydrogel array substrate which includes at least a substrate 10, a plurality of hole portions 20 arrayed on a surface of the substrate, and hydrogel 21 having electric charges which are filled in the hole portions; [2] the hydrogel array substrate in which the hole portions filled with hydrogel having positive electric charges and the hole portions filled with hydrogel having negative electric charges are severally arrayed on the same substrate; and [3] a bimolecular lipid membrane array substrate 4 in which the bimolecular lipid membrane 30 having electric charges opposite from the electric charges of the hydrogel filled in the hole portion is arranged so as to cover an opening portion 25 of the hole portion.

Description

本発明は、ハイドロゲルアレイ基板及び前記基板の製造方法、並びに脂質二分子膜アレイ基板及び前記基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a hydrogel array substrate, a method for producing the substrate, a lipid bilayer array substrate, and a method for producing the substrate.

今日までのナノテクノロジーの発展によって、その微細加工レベルは10ナノメートルオーダーまで到達しており、その微細加工技術を用いて、基板上に生体分子をアレイ化したバイオチップの作製が盛んに行われている。バイオチップの用途である、生体に対する薬剤の影響を確認するための薬剤スクリーニングは、創薬の開発に欠くことのできない技術である。創薬の標的として膜タンパク質が注目されており、様々な病気の発生やその治療に関連する膜タンパク質をアレイ化したバイオチップはハイスループットな薬剤スクリーニング基板として期待できる(非特許文献1)。   With the development of nanotechnology to date, the level of microfabrication has reached the order of 10 nanometers, and biochips in which biomolecules are arrayed on a substrate have been actively produced using the microfabrication technology. ing. Drug screening for confirming the influence of a drug on a living body, which is an application of a biochip, is an indispensable technique for drug discovery development. Membrane proteins are attracting attention as targets for drug discovery, and biochips in which membrane proteins related to the occurrence and treatment of various diseases are arrayed can be expected as high-throughput drug screening substrates (Non-patent Document 1).

生体分子を基板上にアレイ化する方法としては、物理吸着や化学結合を介して生体分子を基板上に固定化する方法がある。しかし、特にタンパク質を基板上に固定化した場合、物理吸着と化学結合の何れの固定化方法であっても、当該タンパク質を変性させてしまうことがあった。特に、膜タンパク質は脂質二分子膜内でその活性を保持するため、脂質二分子膜から単離した膜タンパク質を基板へ固定化することは、その活性を著しく損なわせてしまうという問題があった。そのため、生体分子、特に膜タンパク質の活性を保持したまま、それをアレイ化する(高密度に並べて配置する)技術が求められている。   As a method of arraying biomolecules on a substrate, there is a method of immobilizing biomolecules on a substrate through physical adsorption or chemical bonding. However, in particular, when a protein is immobilized on a substrate, the protein may be denatured by any of the physical adsorption and chemical bonding methods. In particular, since the membrane protein retains its activity in the lipid bilayer membrane, there is a problem that immobilizing the membrane protein isolated from the lipid bilayer membrane on the substrate significantly impairs its activity. . Therefore, there is a demand for a technique for arraying (arranging and arranging biomolecules, in particular, membrane proteins) while keeping the activity of the membrane proteins.

従来の膜タンパク質を固定化する方法として、脂質分子をn−デカンなどの有機溶媒に溶解し、水溶液中で該有機溶媒をプラスチック板等に設けられた小孔に塗りつけることにより形成した黒膜に、膜タンパク質を融合させる方法(非特許文献2)が知られている。この黒膜化法では、形成された黒膜に残る有機溶媒や黒膜の不均一性が、膜タンパク質の機能および形態に影響を与える可能性が指摘されている。   As a conventional method for immobilizing membrane proteins, a black membrane formed by dissolving lipid molecules in an organic solvent such as n-decane and applying the organic solvent to a small hole provided in a plastic plate or the like in an aqueous solution. A method for fusing membrane proteins (Non-patent Document 2) is known. In this black film formation method, it has been pointed out that the organic solvent remaining in the formed black film and the non-uniformity of the black film may affect the function and form of the membrane protein.

これらの問題を改善するために、本発明者らは、基板上に穴部を備え、前記穴部の開口部にオーバーハング形状を有する基板を用いる方法を提案している(非特許文献3)。具体的には、前記穴部にハイドロゲルを充填し、そのハイドロゲルの上部に、球状の脂質二分子膜であるベシクル(巨大ベシクル)を展開することにより、膜タンパク質を含有する脂質二分子膜を、ハイドロゲルの上部に配置した基板を提案している。   In order to improve these problems, the present inventors have proposed a method of using a substrate having a hole on the substrate and having an overhang shape at the opening of the hole (Non-Patent Document 3). . Specifically, a lipid bilayer membrane containing a membrane protein is prepared by filling the hole with a hydrogel and expanding a vesicle (giant vesicle) which is a spherical lipid bilayer membrane on the hydrogel. Has proposed a substrate that is placed on top of a hydrogel.

以前に提案した基板においては、穴部に充填したハイドロゲルが脂質二分子膜を支持することができるので、当該脂質二分子膜が浸透圧や温度変化によって受ける影響を低減することができる。また、ベシクルを基板上に展開することによって脂質二分子膜を基板上に配置できるので、従来の黒膜化法では有機溶媒が脂質二分子膜に残留してしまう問題を解決することができる。   In the substrate proposed previously, since the hydrogel filled in the hole can support the lipid bilayer membrane, the influence of the lipid bilayer membrane on osmotic pressure and temperature change can be reduced. In addition, since the lipid bilayer can be arranged on the substrate by spreading the vesicle on the substrate, the conventional black film forming method can solve the problem that the organic solvent remains on the lipid bilayer.

Drews J. Science, 287: 1960-1964 (2000)Drews J. Science, 287: 1960-1964 (2000) 「新パッチクランプ実験技術法」岡田泰伸 編 (2001年,吉岡書店)"New Patch Clamp Experiment Method" edited by Yasunobu Okada (2001, Yoshioka Shoten) 「細胞質構造を模倣したゲル化マイクロホール配列」田中ら(2012年、第33回応用物理学会秋季学術講演会、講演番号12p−H4−5)“Gelated microhole array mimicking cytoplasmic structure” Tanaka et al. (2012, 33rd JSAP Autumn Meeting, No. 12p-H4-5)

前記穴部に充填されたハイドロゲルの上部に脂質二分子膜を配置させる方法は、当該ハイドロゲルの上部にベシクルを含む水溶液を配置した後、カルシウムイオンやナトリウムイオン等の金属陽イオンを前記水溶液中に加えることによって、ベシクルと基板との間に静電引力を与え、ベシクルを基板表面およびハイドロゲルに密着させた状態でベシクルを展開することにより行われる。   The method of disposing a lipid bilayer on the hydrogel filled in the hole portion includes disposing an aqueous solution containing vesicles on the hydrogel, and then adding a metal cation such as calcium ion or sodium ion to the aqueous solution. By adding the inside, an electrostatic attractive force is applied between the vesicle and the substrate, and the vesicle is developed in a state where the vesicle is in close contact with the substrate surface and the hydrogel.

しかしながら、ハイドロゲルが充填された穴部の上部では、金属陽イオンがハイドロゲル内部を拡散してしまうため、基板表面で得られる静電引力と比べて、ハイドロゲル上で得られる静電引力の方が弱くなる。この結果、ベシクルの展開が起こりにくくなり、脂質二分子膜の形成効率が悪化するという課題があった。さらに、ベシクルを展開するために添加する金属陽イオンは、穴部内のイオン組成を変化させ、更に穴部内のイオン強度を高めてしまうため、当該穴部の上に配置された脂質二分子膜中の膜タンパク質の機能等にも影響を与えるという課題があった。   However, in the upper part of the hole filled with the hydrogel, the metal cation diffuses inside the hydrogel, so that the electrostatic attractive force obtained on the hydrogel is higher than the electrostatic attractive force obtained on the substrate surface. Will be weaker. As a result, there is a problem that the development of vesicles hardly occurs and the formation efficiency of the lipid bilayer film is deteriorated. Furthermore, the metal cation added to develop the vesicle changes the ionic composition in the hole and further increases the ionic strength in the hole. There was a problem of affecting the function of the membrane protein.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、金属陽イオンを用いずにベシクルを展開し、ハイドロゲルが充填された穴部上に脂質二分子膜を配置することが可能なハイドロゲルアレイ基板及びその製造方法、並びに、前記穴部上に脂質二分子膜が配置された脂質二分子膜アレイ基板及びその製造方法の提供を目的としている。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a hydrogel capable of developing a vesicle without using a metal cation and disposing a lipid bilayer membrane on a hole filled with the hydrogel. An object of the present invention is to provide an array substrate and a manufacturing method thereof, and a lipid bilayer array substrate in which a lipid bilayer is disposed on the hole and a manufacturing method thereof.

[1] 基板と、前記基板の表面に配列された複数の穴部と、前記穴部に充填された電荷を有するハイドロゲルと、が少なくとも備えられていることを特徴とするハイドロゲルアレイ基板。 [1] A hydrogel array substrate comprising at least a substrate, a plurality of holes arranged on the surface of the substrate, and a hydrogel having a charge filled in the holes.

[2] 正電荷を有するハイドロゲルが充填された前記穴部と、負電荷を有するハイドロゲルが充填された前記穴部と、がそれぞれ同一基板上に配列されていることを特徴とする
前記[1]に記載のハイドロゲルアレイ基板。
この構成によれば、異なる電気的性質を有するハイドロゲルを同一基板上にアレイ化することができる。
[2] The hole filled with a hydrogel having a positive charge and the hole filled with a hydrogel having a negative charge are respectively arranged on the same substrate. 1].
According to this configuration, hydrogels having different electrical properties can be arrayed on the same substrate.

[3] 前記[1]又は[2]に記載のハイドロゲルアレイ基板に脂質二分子膜が備えられた脂質二分子膜アレイ基板であって、前記穴部に充填されている前記ハイドロゲルの電荷とは反対の電荷を有する脂質二分子膜が、前記穴部の開口部を覆うように配置されていることを特徴とする脂質二分子膜アレイ基板。 [3] A lipid bilayer membrane array substrate comprising the lipid bilayer membrane provided on the hydrogel array substrate according to [1] or [2], wherein the charge of the hydrogel filled in the hole portion A lipid bilayer membrane substrate, wherein a lipid bilayer membrane having a charge opposite to that of the hole portion is arranged so as to cover the opening of the hole.

前記脂質二分子膜アレイ基板の開口部において、前記ハイドロゲルと前記脂質二分子膜とが接触していることが好ましい。また、前記開口部に露出している前記ハイドロゲルの上面(上部)全体が前記脂質二分子膜に接触していることがより好ましい。この構成であると、前記脂質二分子膜の膜構造を前記ハイドロゲルによって支持することにより、膜構造をより安定に保持することができる。   It is preferable that the hydrogel and the lipid bilayer membrane are in contact with each other at the opening of the lipid bilayer membrane array substrate. More preferably, the entire upper surface (upper part) of the hydrogel exposed in the opening is in contact with the lipid bilayer membrane. With this configuration, the membrane structure of the lipid bilayer membrane is supported by the hydrogel, whereby the membrane structure can be more stably maintained.

前記ハイドロゲルは、ポリマー同士が共有結合により架橋された化学ゲルであることが好ましい。前記ハイドロゲルとして化学ゲルを用いることにより、脂質二分子膜をより安定に支持できると共に、化学ゲル内に水分や蛍光物質等を安定に保持することができる。また、化学ゲルには多用な機能及び性質を付与することができるので、同一基板において機能や性質の異なるハイドロゲルをパターニングする(配置する)ことができる。   The hydrogel is preferably a chemical gel in which polymers are crosslinked by covalent bonds. By using a chemical gel as the hydrogel, the lipid bilayer can be more stably supported, and moisture, a fluorescent substance, and the like can be stably held in the chemical gel. Moreover, since various functions and properties can be imparted to the chemical gel, hydrogels having different functions and properties can be patterned (arranged) on the same substrate.

前記ハイドロゲルには、蛍光分子(蛍光色素)等の蛍光物質が含有されていてもよい。例えば個々の穴部に充填さたハイドロゲルに、異なる種類の蛍光分子を含有させることにより、基板上に配置された穴部及びハイドロゲルのパターンを蛍光観察により確認することができる。さらに、前記穴部及びハイドロゲル上に脂質二分子膜及び膜タンパク質を配置することにより、前記膜タンパク質の機能を蛍光観察により計測することもできる。   The hydrogel may contain a fluorescent substance such as a fluorescent molecule (fluorescent dye). For example, by including different types of fluorescent molecules in the hydrogel filled in each hole, the hole and the hydrogel pattern arranged on the substrate can be confirmed by fluorescence observation. Furthermore, by arranging a lipid bilayer membrane and a membrane protein on the hole and hydrogel, the function of the membrane protein can be measured by fluorescence observation.

前記穴部内に電極が配置されていてもよい。基板上の複数の穴部に対して、個々の電極同士が電気的に独立した電極を個々の穴部に配置してもよいし、個々の電極同士が電気的に接続された電極を個々の穴部に配置してもよい。前記穴部内に電極を配置することにより、穴部内の環境を電気的に計測(モニター)することができる。さらに、前記穴部及びハイドロゲル上に脂質二分子膜及び膜タンパク質を配置することにより、前記膜タンパク質の機能を電気的に計測することもできる。   An electrode may be disposed in the hole. With respect to a plurality of holes on the substrate, electrodes that are electrically independent from each other may be disposed in each hole, or electrodes that are electrically connected to each other may be individually arranged. You may arrange | position in a hole. By disposing the electrode in the hole, the environment in the hole can be electrically measured (monitored). Furthermore, the function of the membrane protein can be electrically measured by disposing a lipid bilayer membrane and a membrane protein on the hole and the hydrogel.

[4] 前記[1]又は[2]に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法であって、前記ハイドロゲルを構成するモノマーを含む溶液を前記穴部に充填する充填工程と、前記溶液中の前記モノマーをゲル化させて、前記穴部内に前記ハイドロゲルを形成するゲル化工程と、を有することを特徴とするハイドロゲルアレイ基板の製造方法。 [4] The method for producing a hydrogel array substrate according to [1] or [2], wherein a filling step of filling the hole with a solution containing a monomer constituting the hydrogel, and in the solution And a gelling step of gelling the monomer to form the hydrogel in the hole.

[5] 前記[1]又は[2]に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法であって、第一のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第一溶液を前記複数の穴部に充填する第一充填工程と、前記複数の穴部のうち第一群の穴部において第一溶液中の前記モノマーをゲル化させて(重合させて)、第一群の穴部内に第一のハイドロゲルを形成する第一ゲル化工程と、前記複数の穴部のうち第一群とは異なる第二群の穴部に、第二のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第二溶液を充填する第二充填工程と、第二群の穴部において第二溶液中の前記モノマーをゲル化させて(重合させて)、第二群の穴部内に第二のハイドロゲルを形成する第二ゲル化工程と、を有することを特徴とするハイドロゲルアレイ基板の製造方法。 [5] The method for manufacturing a hydrogel array substrate according to [1] or [2], wherein the first solution containing the monomer constituting the first hydrogel is filled in the plurality of holes. Filling and gelling (polymerizing) the monomer in the first solution in the first group of the plurality of holes to form the first hydrogel in the first group of holes And a second filling step of filling a second group of holes different from the first group out of the plurality of holes with a second solution containing a monomer constituting the second hydrogel. And a second gelation step of gelling (polymerizing) the monomer in the second solution in the second group of holes to form a second hydrogel in the second group of holes. A method for producing a hydrogel array substrate, comprising:

前記製造方法によれば、同一基板上に備えられた複数の穴部のうち、任意の一群(第一群)を構成する例えば1〜100個の穴部に第一のハイドロゲルを充填し、先の一群とは異なる別の任意の一群(第二群)を構成する例えば1〜500個の穴部に第二のハイドロゲルを充填することができる。ここでは、基板上に設けられた複数の穴部を第一群と第二群に分けた場合を説明したが、さらに多数の群に分けて、例えば第一群〜第十群に分けてもよい。10群(10グループ)に分けた穴部のそれぞれに異なる種類のハイドロゲルを充填すれば、10種のハイドロゲルを同一基板上にパターニングすることができる。なお、2群よりも多い群に分けた場合の製造方法は、その多数の群の中に前記第一群及び第二群が含まれるため、上記[5]に記載の製造方法に該当する。   According to the manufacturing method, among a plurality of holes provided on the same substrate, for example, 1 to 100 holes constituting an arbitrary group (first group) are filled with the first hydrogel, For example, 1 to 500 holes constituting another arbitrary group (second group) different from the previous group can be filled with the second hydrogel. Here, the case where the plurality of holes provided on the substrate are divided into the first group and the second group has been described, but it is further divided into a large number of groups, for example, the first group to the tenth group. Good. If different types of hydrogels are filled in the holes divided into 10 groups (10 groups), 10 types of hydrogels can be patterned on the same substrate. In addition, since the said 1st group and the 2nd group are contained in the many groups, the manufacturing method at the time of dividing into a group larger than 2 groups corresponds to the manufacturing method as described in said [5].

[6] 前記モノマーを含む溶液に光重合開始剤を含有させ、前記溶液が充填された穴部に光を照射することにより、前記モノマーをゲル化させる(重合させる)ことを特徴とする前記[4]又は[5]に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法。 [6] The photopolymerization initiator is contained in a solution containing the monomer, and the monomer is gelled (polymerized) by irradiating the hole filled with the solution with light. 4] or the method for producing a hydrogel array substrate according to [5].

前記ハイドロゲルは、光照射によってゲル化する光硬化性ゲルであることが好ましい。光硬化性ゲルを用いれば、基板上に複数ある前記穴部のうち、任意の穴部内の前記溶液を任意のタイミングでゲル化させることが容易である。また、2種類以上の光硬化性ゲルを用いれば、基板上に高密度で配置された複数の穴部のうち、任意の穴部に任意の種類の光硬化性ゲルを形成することができる。つまり、ハイドロゲルアレイをパターニングすることができる。精度良く高効率で、基板の局所に光を照射するためには、従来のレジスト膜の形成で用いられるようなフォトマスクを使用してもよい。フォトマスクを用いることにより、基板上穴部の全てを一度の光照射でパターニングすることができる。   The hydrogel is preferably a photocurable gel that gels upon irradiation with light. If a photocurable gel is used, it is easy to make the solution in an arbitrary hole portion gelled at an arbitrary timing among the plurality of hole portions on the substrate. Moreover, if two or more types of photocurable gels are used, arbitrary types of photocurable gels can be formed in arbitrary hole portions among the plurality of hole portions arranged at high density on the substrate. That is, the hydrogel array can be patterned. In order to irradiate light to the local area of the substrate with high accuracy and high efficiency, a photomask used in the formation of a conventional resist film may be used. By using a photomask, it is possible to pattern all the holes on the substrate with a single light irradiation.

[7] 前記[4]又は[5]に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法が有する各工程と、前記ハイドロゲルが充填された前記穴部の上に、ベシクルを含む溶液を載せ、前記ベシクルを沈降させ、前記穴部の開口部の上又は近傍で前記ベシクルを展開し、前記開口部を脂質二分子膜で覆う脂質二分子膜形成工程と、を有することを特徴とする脂質二分子膜アレイ基板の製造方法。 [7] A solution containing a vesicle is placed on each step of the method for producing a hydrogel array substrate according to [4] or [5] above, and the hole filled with the hydrogel, and the vesicle And a lipid bilayer membrane forming step of spreading the vesicle on or near the opening of the hole and covering the opening with a lipid bilayer. A method for manufacturing an array substrate.

[8] 前記ハイドロゲルの電荷とは反対の電荷を有する脂質分子によって構成される前記ベシクルを用いることを特徴とする前記[7]に記載の脂質二分子膜アレイ基板の製造方法。 [8] The method for producing a lipid bilayer array substrate according to [7], wherein the vesicle composed of lipid molecules having a charge opposite to that of the hydrogel is used.

ハイドロゲルとベシクルの電荷が互いに異なる場合、基板上で両者間の静電引力(相互作用)が起きるため、ベシクルの展開効率が向上し、脂質二分子膜を穴部及びハイドロゲル上に配置する効率を格段に向上させることができる。   When the charge of hydrogel and vesicle is different from each other, electrostatic attractive force (interaction) occurs between the two on the substrate, so that the efficiency of vesicle deployment is improved and the lipid bilayer is placed on the hole and hydrogel. Efficiency can be improved significantly.

本発明において、ベシクルの大きさは特に制限されない。ここで「ベシクル」という用語は、一般に用いられる「巨大ベシクル」を含む用語であると定義する。一般に、比較的大きい直径のベシクルを巨大ベシクルと呼ぶが、実験者の主観によって巨大であるか否かの判断が分かれるので、本明細書及び特許請求の範囲においては、特に明記しない限り、ベシクルと巨大ベシクルを区別しない。   In the present invention, the size of the vesicle is not particularly limited. Here, the term “vesicle” is defined as a term including a commonly used “giant vesicle”. In general, a vesicle having a relatively large diameter is referred to as a giant vesicle, but the determination of whether or not the vesicle is giant depends on the subjectivity of the experimenter. Therefore, in the present specification and claims, unless otherwise specified, Does not distinguish huge vesicles.

本発明の脂質二分子膜アレイ基板の製造方法おいて、前記穴部の開口部を効率よく被覆するために直径が大きいベシクル(即ち、巨大ベシクル)を用いることが好ましい。   In the method for producing a lipid bilayer array substrate of the present invention, it is preferable to use a vesicle having a large diameter (that is, a giant vesicle) in order to efficiently cover the opening of the hole.

本発明のハイドロゲル基板を用いれば、電荷を有するハイドロゲルを穴部内に有しているため、前記穴部の上又は近傍にベシクルを沈降させ、前記ハイドロゲルと前記ベシクルを相互作用させることにより、従来必要であった金属陽イオンを用いることなく、前記ベシクルを展開して、脂質二分子膜を前記穴部上に配置することができる。この結果、穴部内のハイドロゲルに金属陽イオンが浸透して、後の使用に影響を与える問題は生じない。また、電荷を有さないハイドロゲルが充填されている従来品と比べて、本発明にかかるハイドロゲルアレイ基板においてはベシクルを展開する効率が向上しているため、ハイドロゲル基板に脂質二分子膜を配置する効率(脂質二分子膜により穴部を被覆する効率)を向上させることができる。任意の位置にある穴部に任意の種類のハイドロゲルを充填することにより、任意のパターンで基板上にハイドロゲルをアレイ化することができる。   If the hydrogel substrate of the present invention is used, since the charged hydrogel is contained in the hole portion, the vesicle is settled on or near the hole portion, and the hydrogel and the vesicle are allowed to interact with each other. The vesicle can be developed and the lipid bilayer membrane can be disposed on the hole without using a metal cation that has been conventionally required. As a result, the metal cation penetrates into the hydrogel in the hole, and there is no problem that affects subsequent use. In addition, the hydrogel array substrate according to the present invention has an improved efficiency of deploying vesicles compared to conventional products filled with a hydrogel having no charge. Can be improved (efficiency of covering the hole with the lipid bilayer membrane). By filling any kind of hydrogel into the hole at an arbitrary position, the hydrogel can be arrayed on the substrate in an arbitrary pattern.

本発明の脂質二分子膜アレイ基板によれば、前記ハイドロゲルが前記脂質二分子膜の膜構造を安定に支持することができる。このため、前記穴部の開口部のサイズ(直径)が従来よりも大きい場合においても、前記開口部を前記脂質二分子膜によって被覆することができる。また、前記ハイドロゲルによって脂質二分子膜を支持することにより、脂質二分子膜の安定性が向上し、浸透圧やpH等の化学的な変化や、振動等の物理的な衝撃に対する脂質二分子膜の耐性を向上させることができる。膜安定性が向上した脂質二分子膜に、例えば膜タンパク質を配置することによって、その膜タンパク質の機能解析を安定に行えるようになり、信頼性の高いデータを得ることができる。   According to the lipid bilayer membrane array substrate of the present invention, the hydrogel can stably support the membrane structure of the lipid bilayer membrane. For this reason, even when the size (diameter) of the opening of the hole is larger than before, the opening can be covered with the lipid bilayer membrane. In addition, by supporting the lipid bilayer membrane with the hydrogel, the stability of the lipid bilayer membrane is improved, and the lipid bimolecule to chemical changes such as osmotic pressure and pH, and physical impact such as vibration The resistance of the film can be improved. By arranging, for example, a membrane protein on a lipid bilayer membrane with improved membrane stability, functional analysis of the membrane protein can be performed stably, and highly reliable data can be obtained.

本発明のハイドロゲルアレイ基板の製造方法によれば、穴部内に容易にハイドロゲルを充填することができる。
本発明の脂質二分子膜アレイ基板の製造方法によれば、ハイドロゲルが電荷を有するため、従来よりも効率よくベシクルを展開し、基板上に脂質二分子膜を容易に配置することができる。
According to the method for producing a hydrogel array substrate of the present invention, the hole can be easily filled with hydrogel.
According to the method for producing a lipid bilayer array substrate of the present invention, since the hydrogel has a charge, the vesicle can be developed more efficiently than before and the lipid bilayer membrane can be easily arranged on the substrate.

本発明にかかる基板の第一実施形態の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of a substrate according to the present invention. 本発明にかかる基板の第二実施形態の模式断面図である。It is a schematic cross section of a second embodiment of a substrate according to the present invention. 本発明にかかる基板の第三実施形態の模式断面図である。It is a schematic cross section of a third embodiment of a substrate according to the present invention. 本発明にかかる基板の第四実施形態の模式断面図である。It is a schematic cross section of 4th embodiment of the board | substrate concerning this invention. 本発明にかかる基板の第五実施形態の模式断面図である。It is a schematic cross section of 5th embodiment of the board | substrate concerning this invention. 本発明にかかる基板の第六実施形態の模式断面図である。It is a schematic cross section of 6th embodiment of the board | substrate concerning this invention. 穴部20からはみ出しているハイドロゲル21の上部を、基板上面11aと平行な方向に押すことにより、前記上部を除去する様子を示す模式断面図である。It is a schematic cross section which shows a mode that the said upper part is removed by pushing the upper part of the hydrogel 21 protruding from the hole part 20 in the direction parallel to the board | substrate upper surface 11a. 実施例1で作製した脂質二分子膜アレイ基板の上面の蛍光観察像である。(a)はカルセインが発した蛍光のみを観察した結果であり、(b)はカルセインとローダミンの両方が発した蛍光を観察した結果である。2 is a fluorescence observation image of the upper surface of a lipid bilayer array substrate prepared in Example 1. FIG. (A) is the result of observing only the fluorescence emitted by calcein, and (b) is the result of observing the fluorescence emitted by both calcein and rhodamine. 実施例2で作製したハイドロゲルアレイ基板の上面の蛍光観察像である。(a)はカルセインが発した蛍光のみを観察した結果であり、(b)はカルセインとローダミンの両方が発した蛍光を観察した結果である。6 is a fluorescence observation image of the upper surface of the hydrogel array substrate produced in Example 2. FIG. (A) is the result of observing only the fluorescence emitted by calcein, and (b) is the result of observing the fluorescence emitted by both calcein and rhodamine. 実施例4で作製した脂質二分子膜アレイ基板の上面に形成された、脂質二分子膜アレイの様子を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing a state of a lipid bilayer array formed on the upper surface of a lipid bilayer array substrate produced in Example 4. FIG.

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明するが、本発明はかかる実施形態に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings based on preferred embodiments, but the present invention is not limited to such embodiments.

<<ハイドロゲルアレイ基板;第一実施形態>>
本発明の第一実施形態の基板として、図1に示すハイドロゲルアレイ基板1を例示する。ハイドロゲルアレイ基板1は、基板本体(基板)10と、基板の表面11aに配列された複数の穴部(マイクロキャビティ)20と、穴部20に充填された電荷を有するハイドロゲル21と、が少なくとも備えられている。
<< Hydrogel Array Substrate; First Embodiment >>
The hydrogel array substrate 1 shown in FIG. 1 is illustrated as a substrate of the first embodiment of the present invention. The hydrogel array substrate 1 includes a substrate body (substrate) 10, a plurality of holes (microcavities) 20 arranged on the surface 11 a of the substrate, and a hydrogel 21 having a charge filled in the holes 20. At least.

基板本体10の材料は特に制限されず、例えば、シリコン、ガラス、プラスチックなどが挙げられる。また、基板本体10の厚みや形状は用途に応じて適宜調整される。基板本体10の厚みとしては、例えば0.1μm〜10mmとすることができる。基板本体10の形状としては、例えば平板状が挙げられる。   The material of the substrate body 10 is not particularly limited, and examples thereof include silicon, glass, and plastic. Moreover, the thickness and shape of the substrate body 10 are appropriately adjusted according to the application. The thickness of the substrate body 10 can be set to 0.1 μm to 10 mm, for example. Examples of the shape of the substrate body 10 include a flat plate shape.

基板本体10の材料として疎水性材料を用いた場合、基板本体10の表面(上面)10aに親水性の層(親水層)11が配置されていることが好ましい。本実施形態のハイドロゲルアレイ基板1には、親水層11が形成されている。基板本体10にガラス等の親水性材料を用いた場合、親水層11は配置されていなくてもよい。   When a hydrophobic material is used as the material of the substrate body 10, it is preferable that a hydrophilic layer (hydrophilic layer) 11 is disposed on the surface (upper surface) 10 a of the substrate body 10. A hydrophilic layer 11 is formed on the hydrogel array substrate 1 of the present embodiment. When a hydrophilic material such as glass is used for the substrate body 10, the hydrophilic layer 11 may not be disposed.

ハイドロゲルアレイ基板1に設けられた穴部20の開口部25の形状は、特に限定されない。開口部25を基板の上面側から見た場合の形状としては、例えば円形、楕円形、三角形、矩形、多角形等の形状が挙げられる。   The shape of the opening 25 of the hole 20 provided in the hydrogel array substrate 1 is not particularly limited. Examples of the shape when the opening 25 is viewed from the upper surface side of the substrate include shapes such as a circle, an ellipse, a triangle, a rectangle, and a polygon.

穴部20の開口部25の口径(直径)或いは開口部25を構成する多角形の対角線のうち最長の長さ又は前記多角形の外接円の直径は、特に制限されないが、0.1μm〜10μm程度が好ましい。
上記範囲の下限値0.1μm以上とすることにより、穴部20の内部にハイドロゲル21を容易に充填することができる。また、後述する第四実施形態において、穴部20の上部に配置する脂質二分子膜30内に充分な量の膜タンパク質31を配置し、当該膜タンパク質の機能をより容易に測定することができる。
上記範囲の上限値10μm以下とすることにより、穴部20内部にハイドロゲル21を安定に保持して、穴部20からハイドロゲル21が脱落することを確実に抑制できる。
The diameter (diameter) of the opening 25 of the hole 20 or the longest length of the polygonal diagonal lines constituting the opening 25 or the diameter of the circumscribed circle of the polygon is not particularly limited, but is 0.1 μm to 10 μm. The degree is preferred.
By setting the lower limit of the above range to 0.1 μm or more, the hydrogel 21 can be easily filled into the hole 20. In a fourth embodiment to be described later, a sufficient amount of membrane protein 31 can be disposed in the lipid bilayer membrane 30 disposed above the hole portion 20, and the function of the membrane protein can be measured more easily. .
By setting the upper limit of 10 μm or less in the above range, it is possible to stably hold the hydrogel 21 inside the hole 20 and reliably prevent the hydrogel 21 from dropping from the hole 20.

穴部20の深さは特に制限されず、開口部25のサイズや穴部20の内部に充填するハイドロゲル21の体積に応じて適宜設計すればよい。前記深さは、例えば0.1μm〜10μmとすることができる。   The depth of the hole 20 is not particularly limited, and may be appropriately designed according to the size of the opening 25 and the volume of the hydrogel 21 filled in the hole 20. The depth can be, for example, 0.1 μm to 10 μm.

基板本体10に設けられた穴部20の数は特に限定されず、例えば1〜10000個とすることができる。   The number of holes 20 provided in the substrate body 10 is not particularly limited, and may be, for example, 1 to 10,000.

穴部20に充填するハイドロゲル21は、水溶液中で電荷を有するものであれば特に制限されない。後述する脂質二分子膜30の形成を阻害しないハイドロゲル21であることが好ましい。前記電荷は、正電荷であってもよいし、負電荷であってもよい。また、ハイドロゲル21を構成するポリマーの官能基が有する電荷としては、1〜3価の正電荷又は−1〜−3の負電荷が好ましい。   The hydrogel 21 filled in the hole 20 is not particularly limited as long as it has a charge in the aqueous solution. It is preferable that the hydrogel 21 does not inhibit the formation of the lipid bilayer membrane 30 described later. The charge may be a positive charge or a negative charge. Moreover, as a charge which the functional group of the polymer which comprises the hydrogel 21 has, 1-3 positive charges or -1 to -3 negative charges are preferable.

ハイドロゲル21は、親水性ポリマーであることが好ましい。前記親水性ポリマーとしては、例えば(メタ)アクリル樹脂が挙げられる。前記アクリル樹脂として、電荷を有するモノマーである、負電荷を有するアクリル酸又は正電荷を有するジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド(DMAPMA)1種類のみを重合させたアクリル樹脂が挙げられる。   The hydrogel 21 is preferably a hydrophilic polymer. Examples of the hydrophilic polymer include (meth) acrylic resins. Examples of the acrylic resin include an acrylic resin obtained by polymerizing only one kind of charged monomer, acrylic acid having a negative charge or dimethylaminopropylmethacrylamide (DMAPMA) having a positive charge.

また、電荷を有する前記モノマーと、アクリルアミド、N,N’−ジメチルアクリルアミドまたはN−イソプロピルアクリルアミド等の中性のアクリルモノマーを1種類若しくは2種類以上とをモノマーとして併用し、これらのモノマーを共重合させると共に、メチレンビス(メタ)アクリルアミドまたはポリエチレングリコールジ(メタ)アクリレート等の多官能性単量体で架橋したアクリル樹脂をハイドロゲル21として用いることができる。また、前記モノマーの誘導体を用いてハイドロゲル21を構成してもよい。   In addition, the monomer having a charge and one or more neutral acrylic monomers such as acrylamide, N, N′-dimethylacrylamide or N-isopropylacrylamide are used as monomers, and these monomers are copolymerized. In addition, an acrylic resin crosslinked with a polyfunctional monomer such as methylene bis (meth) acrylamide or polyethylene glycol di (meth) acrylate can be used as the hydrogel 21. Moreover, you may comprise the hydrogel 21 using the derivative | guide_body of the said monomer.

ハイドロゲル21を構成するモノマーの一つとして、電荷を有さないモノマーを、電荷を有する他のモノマーと共に併用してもよい。   As one of the monomers constituting the hydrogel 21, a monomer having no charge may be used in combination with another monomer having a charge.

ハイドロゲル21の含水量は特に制限されず、用途に応じて適宜調整される。ハイドロゲル21の全重量に対する、当該ハイドロゲル21に含まれる水の含有量は、例えば1〜99重量%の範囲で調整すればよい。前記含有量は50〜99重量%が好ましく、70〜95重量%がより好ましく、85〜95重量%がさらに好ましい。これらの好適な含水量であると、ハイドロゲル21が、生体を構成する細胞の細胞質又は細胞外マトリックスを模することができる。   The water content of the hydrogel 21 is not particularly limited and is appropriately adjusted according to the application. What is necessary is just to adjust content of the water contained in the said hydrogel 21 with respect to the total weight of the hydrogel 21, for example in the range of 1 to 99 weight%. The content is preferably 50 to 99% by weight, more preferably 70 to 95% by weight, and still more preferably 85 to 95% by weight. With these preferable water contents, the hydrogel 21 can imitate the cytoplasm or extracellular matrix of the cells constituting the living body.

ハイドロゲルアレイ基板1において、穴部20の全体積に対する、当該穴部内のハイドロゲル21の体積は50〜100%であることが好ましく、80〜100%であることがより好ましく、90〜100%であることが更に好ましい。ハイドロゲル21は穴部20の底部から開口部25(上面11aの高さ)まで充填されていることが好ましい。開口部25まで充填されていることにより、上面11aの高さにおいて、ハイドロゲル21が脂質二分子膜30を支持することができる。   In the hydrogel array substrate 1, the volume of the hydrogel 21 in the hole portion with respect to the total volume of the hole portion 20 is preferably 50 to 100%, more preferably 80 to 100%, and more preferably 90 to 100%. More preferably. The hydrogel 21 is preferably filled from the bottom of the hole 20 to the opening 25 (height of the upper surface 11a). By filling up to the opening 25, the hydrogel 21 can support the lipid bilayer membrane 30 at the height of the upper surface 11a.

穴部20の開口部25におけるハイドロゲル21の上面(ハイドロゲル21が基板の上面11a側に露出する部分)は、平坦であってもよいし、平坦でなくてもよい。例えば前記上面が上方へ膨らんでいてもよい。表面張力等の影響でハイドロゲル21の上面が上方へ膨らんだり凹んだりする場合がある。その非平坦性の程度が軽微であれば、脂質二分子膜30をハイドロゲル21の上に形成する際に問題は殆ど生じない。   The upper surface of the hydrogel 21 in the opening 25 of the hole 20 (the portion where the hydrogel 21 is exposed to the upper surface 11a side of the substrate) may be flat or not flat. For example, the upper surface may swell upward. The upper surface of the hydrogel 21 may bulge upward or be depressed due to the influence of surface tension or the like. If the degree of non-flatness is slight, there is almost no problem in forming the lipid bilayer 30 on the hydrogel 21.

ハイドロゲルアレイ基板1に備えられた個々の穴部20には、同じ種類のハイドロゲル21が充填されていてもよいし、異なる種類のハイドロゲル21が充填されていてもよい。例えば、ハイドロゲルアレイ基板1の第一の領域に設けられた穴部20には正電荷を有するカチオン性のハイドロゲルが充填され、同一基板の第二の領域に設けられた穴部20には負電荷を有するアニオン性のハイドロゲルが充填された構成を例示できる。   Each hole 20 provided in the hydrogel array substrate 1 may be filled with the same type of hydrogel 21 or may be filled with different types of hydrogel 21. For example, the hole 20 provided in the first region of the hydrogel array substrate 1 is filled with a cationic hydrogel having a positive charge, and the hole 20 provided in the second region of the same substrate The structure filled with the anionic hydrogel which has a negative charge can be illustrated.

このように、同一基板上において電荷が互いに異なるハイドロゲルが各領域に配置されている又はパターニングされていることにより、異なる種類の脂質二分子膜を各領域にそれぞれ配置することができる。具体的には、単一のハイドロゲルアレイ基板において、正電荷を有するハイドロゲルが充填された第一の穴部の上部には負電荷を有する脂質二分子膜を配置し、負電荷を有するハイドロゲルが充填された第二の穴部の上部に正電荷を有する脂質二分子膜を配置した脂質二分子膜アレイ基板が挙げられる。ハイドロゲル上に脂質二分子膜を配置した脂質二分子膜アレイ基板の詳細については後述する。   In this way, different types of lipid bilayers can be arranged in each region by placing or patterning hydrogels having different charges on the same substrate in each region. Specifically, in a single hydrogel array substrate, a lipid bilayer membrane having a negative charge is arranged above the first hole filled with a hydrogel having a positive charge, and the hydrogel having a negative charge is disposed. Examples thereof include a lipid bilayer membrane array substrate in which a lipid bilayer membrane having a positive charge is arranged on the upper part of a second hole filled with a gel. Details of the lipid bilayer membrane array substrate in which the lipid bilayer membrane is arranged on the hydrogel will be described later.

<<ハイドロゲルアレイ基板の製造方法>>
本発明にかかるハイドロゲルアレイ基板の製造方法として、第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1を製造する方法を例示する。
<< Method for producing hydrogel array substrate >>
As a method for manufacturing a hydrogel array substrate according to the present invention, a method for manufacturing the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment will be exemplified.

まず、所望の材料からなる基板本体10の表面10aに親水性の層(親水層)11を形成する。親水層11の形成方法は特に制限されず、例えば、基板本体10がシリコン製の場合は熱酸化による酸化シリコン層(親水層)を形成する方法が挙げられ、基板本体10がプラスチック製の場合はプラズマクリーニングによる親水層の形成が挙げられる。   First, the hydrophilic layer (hydrophilic layer) 11 is formed on the surface 10a of the substrate body 10 made of a desired material. The method for forming the hydrophilic layer 11 is not particularly limited. For example, when the substrate body 10 is made of silicon, a method of forming a silicon oxide layer (hydrophilic layer) by thermal oxidation is exemplified. When the substrate body 10 is made of plastic, An example is formation of a hydrophilic layer by plasma cleaning.

表面10aに親水層11が形成された基板本体10に穴部20を形成する方法は特に制限されず、例えば、フォトリソグラフィ法、電子ビームリソグラフィ法、ドライエッチング法等の微細加工技術を適用することができる。具体的には、親水層11上に所定のレジストパターンを形成した後、ドライエッチング又はウェットエッチングを行うことにより、所望の大きさの穴部20を所望の数で形成することができる。図1では説明を簡略化するために1つの穴部20のみを描いているが、実際には複数の穴部20が配列したアレイが形成されている。   The method for forming the hole 20 in the substrate body 10 having the hydrophilic layer 11 formed on the surface 10a is not particularly limited. For example, a fine processing technique such as a photolithography method, an electron beam lithography method, or a dry etching method is applied. Can do. Specifically, after a predetermined resist pattern is formed on the hydrophilic layer 11, a desired number of holes 20 having a desired size can be formed by performing dry etching or wet etching. In FIG. 1, only one hole 20 is drawn for the sake of simplicity, but an array in which a plurality of holes 20 are arranged is actually formed.

穴部20にハイドロゲル21を充填する方法は特に限定されず、例えば、穴部20の内部にゲル化する前のハイドロゲル21のモノマーを含む溶液を充填し、必要に応じて重合開始剤を添加した後、ゲル化する前に前記溶液(ハイドロゲル溶液)を基板の表面11a上に滴下して、穴部20に前記溶液を充填し、穴部20内の前記溶液をゲル化させる方法が挙げられる。   The method of filling the hole 20 with the hydrogel 21 is not particularly limited. For example, the hole 20 is filled with a solution containing the monomer of the hydrogel 21 before gelation, and a polymerization initiator is added as necessary. After the addition, before gelling, the solution (hydrogel solution) is dropped on the surface 11a of the substrate, the hole 20 is filled with the solution, and the solution in the hole 20 is gelled. Can be mentioned.

前記ハイドロゲル溶液としては、例えば後述するモノマーを含む水溶液が挙げられる。ゲル化後に、穴部20からはみ出した余剰のハイドロゲル21を取り除くことにより、第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1が得られる。ハイドロゲル21が乾燥することを防ぐために、基板の表面11aに溶液Lを載せておいてもよいし、樹脂フィルム等を貼り付けることにより基板の表面11aの全面をシールしてもよい。   As said hydrogel solution, the aqueous solution containing the monomer mentioned later is mentioned, for example. After the gelation, the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment is obtained by removing the excess hydrogel 21 protruding from the hole 20. In order to prevent the hydrogel 21 from drying, the solution L may be placed on the surface 11a of the substrate, or the entire surface 11a of the substrate may be sealed by attaching a resin film or the like.

前記モノマーを重合させてハイドロゲル21を合成するための重合反応を開始する方法は特に限定されず、例えば、前記モノマーを含む組成物中に重合開始剤を添加して重合させる方法が挙げられる。重合開始剤とその重合方法としては、例えば、前記モノマーを含む水溶液に、過硫酸アンモニウム(APS)およびN、N、N’、N’−tetramethylethylenediamine(TEMED)を添加する方法、azobisisobutronitrile(AIBN)などを前記組成物中で熱分解する方法、リボフラビン等の光反応性重合開始剤を前記組成物に添加して光照射する方法が挙げられる。   The method for initiating a polymerization reaction for synthesizing the hydrogel 21 by polymerizing the monomer is not particularly limited, and examples thereof include a method in which a polymerization initiator is added to the composition containing the monomer for polymerization. Examples of the polymerization initiator and the polymerization method thereof include a method of adding ammonium persulfate (APS) and N, N, N ′, N′-tetramethylethylenediamine (TEMED) to an aqueous solution containing the monomer, an azobisisobutronitrile (AIBN), and the like. Examples thereof include a method of thermally decomposing in the composition, and a method of adding a photoreactive polymerization initiator such as riboflavin to the composition and irradiating with light.

水溶液中で重合して得られたポリマーには水が含まれるため、そのままハイドロゲル21として使用することができる。また、ハイドロゲル21に含まれる水溶液の組成を変えるために、所望の組成を有する水溶液を前記ポリマーに含浸させて使用してもよい。水を含まない溶液中で重合して得られたポリマーに対しては、所望の溶液を当該ポリマーに含浸させることにより、ハイドロゲル21として使用することができる。   Since the polymer obtained by polymerization in an aqueous solution contains water, it can be used as it is as the hydrogel 21. Moreover, in order to change the composition of the aqueous solution contained in the hydrogel 21, an aqueous solution having a desired composition may be impregnated into the polymer. A polymer obtained by polymerization in a solution not containing water can be used as the hydrogel 21 by impregnating the polymer with a desired solution.

ハイドロゲルアレイ基板1の個々の穴部20に対して、異なる種類のハイドロゲル21を充填する場合には、光照射による重合方法(ゲル化方法)を適用することが好ましい。光照射によるゲル化方法は特に制限されず、例えば、レーザー光とフォトマスクを用いて、任意の穴部のみをゲル化させる方法が挙げられる。   In the case where different types of hydrogels 21 are filled into the individual hole portions 20 of the hydrogel array substrate 1, it is preferable to apply a polymerization method (gelation method) by light irradiation. The gelation method by light irradiation is not particularly limited, and examples thereof include a method of gelling only an arbitrary hole using a laser beam and a photomask.

ゲル化方法の具体例としては、まず、複数の穴部20が設けられた基板表面11aの全体に、第一のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第一の溶液を滴下し、複数の穴部に第一の溶液を充填する。次に、フォトマスク等を用いて所望の穴部だけに光を照射し、所望の穴部においてのみ第一のハイドロゲルを形成する。続いて、光照射していない穴部内にある第一の溶液を洗い流し、第二のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第二の溶液を滴下し、第一のハイドロゲルが形成されていない穴部に第二の溶液を充填する。フォトマスク等を用いて穴部内の第二の溶液に光を照射することにより、第一のハイドロゲルが形成されていない所望の穴部において第二のハイドロゲルを形成する。このように、光照射による段階的な重合方法を適用することにより、複数の穴部が高密度で配列されたアレイにおいても、個々の穴部に種々のハイドロゲルを形成することができる。   As a specific example of the gelation method, first, a first solution containing a monomer constituting the first hydrogel is dropped on the entire substrate surface 11a provided with a plurality of holes 20, and a plurality of holes are formed. Is filled with the first solution. Next, only a desired hole is irradiated with light using a photomask or the like to form the first hydrogel only in the desired hole. Subsequently, the first solution in the hole not irradiated with light is washed away, the second solution containing the monomer constituting the second hydrogel is dropped, and the hole in which the first hydrogel is not formed Fill the second solution. By irradiating the second solution in the hole with light using a photomask or the like, the second hydrogel is formed in the desired hole where the first hydrogel is not formed. In this way, by applying a stepwise polymerization method by light irradiation, various hydrogels can be formed in individual holes even in an array in which a plurality of holes are arranged at high density.

ハイドロゲル21の含水量は、その用途や機能解析する膜タンパク質の種類等に応じて、適宜調整すればよい。ハイドロゲル21を構成するモノマーの前記溶液における濃度や、その重合方法を検討することによって、用途に応じた最適な含水量のハイドロゲル21を形成できる。例えば、アクリルアミド及びDMAPMAからなるハイドロゲル21を穴部20に充填する場合は、これら2種のモノマーを含む溶液における当該2種のモノマーの合計の濃度は、前記溶液の総質量に対して、1〜30重量%で調整する方法が挙げられる。この濃度は、好適には3〜20重量%であり、より好適には5〜15重量%である。   What is necessary is just to adjust the water content of the hydrogel 21 suitably according to the kind etc. of the membrane protein to analyze the use and function. By examining the concentration of the monomer constituting the hydrogel 21 in the solution and the polymerization method thereof, it is possible to form the hydrogel 21 having an optimal water content according to the application. For example, when the hole 20 is filled with the hydrogel 21 composed of acrylamide and DMAPMA, the total concentration of the two monomers in the solution containing these two monomers is 1 with respect to the total mass of the solution. The method of adjusting at -30 weight% is mentioned. This concentration is preferably 3 to 20% by weight, more preferably 5 to 15% by weight.

ハイドロゲル21を構成するモノマーとして、1種のモノマーを単独で用いてもよいし、2種以上のモノマーを併用してもよい。   As a monomer constituting the hydrogel 21, one type of monomer may be used alone, or two or more types of monomers may be used in combination.

ハイドロゲル21を構成するモノマーが2種類以上である場合、それぞれの配分比(配合比)は特に制限されず、ハイドロゲルに付与する所望の特性に応じて、適宜調整すればよい。後述する脂質二分子膜アレイ基板を作製する目的においては、全モノマーの合計の重量に対する電荷を有するモノマーの重量比が1〜20重量%とすることが好ましい。   When the number of monomers constituting the hydrogel 21 is two or more, the respective distribution ratios (blending ratios) are not particularly limited, and may be appropriately adjusted according to desired properties to be imparted to the hydrogel. For the purpose of producing a lipid bilayer array substrate to be described later, it is preferable that the weight ratio of the charged monomer to the total weight of all monomers is 1 to 20% by weight.

本発明にかかるハイドロゲルアレイ基板の製造方法としては、以下に説明する充填工程とゲル化工程をこの順で行う方法が好ましい。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、ここで挙げた2つの工程以外の、他の工程を追加してもよい。   As a manufacturing method of the hydrogel array substrate concerning this invention, the method of performing the filling process and gelation process which are demonstrated below in this order is preferable. Further, other steps than the two steps mentioned here may be added unless departing from the gist of the present invention.

[充填工程]
充填工程は、親水層11を配置した基板10の上面11aにハイドロゲル21を構成するモノマーを含む溶液を注いで、基板の上面11aに設けられた穴部20の中に前記溶液を充填する工程である。
[Filling process]
The filling step is a step of pouring a solution containing a monomer constituting the hydrogel 21 onto the upper surface 11a of the substrate 10 on which the hydrophilic layer 11 is disposed, and filling the solution into the hole 20 provided on the upper surface 11a of the substrate. It is.

ハイドロゲル21を構成するモノマーは、重合前の(未重合の)モノマーである。前記モノマーを溶解又は分散させる溶媒は特に制限されず、水系溶媒が好ましい。モノマーの濃度は、ハイドロゲル21の硬度及び含水量に応じて適宜調整される。   The monomer constituting the hydrogel 21 is a monomer that has not been polymerized (unpolymerized). The solvent for dissolving or dispersing the monomer is not particularly limited, and an aqueous solvent is preferable. The monomer concentration is appropriately adjusted according to the hardness and water content of the hydrogel 21.

基板10の上面11aに注ぐ前記溶液の量は、穴部20を充填できる量であれば特に制限されないが、上面11aの上方にも溢れさせることができる量、すなわち上面11aの上方に当該溶液が溜まる状態にしうる量を注ぐことが好ましい。   The amount of the solution poured onto the upper surface 11a of the substrate 10 is not particularly limited as long as the hole 20 can be filled, but the amount that can overflow the upper surface 11a, that is, the solution above the upper surface 11a. It is preferable to pour an amount that can be accumulated.

基板10の上面11aに前記溶液を注ぐ方法は特に制限されず、ピペット等で上面11aに前記溶液を滴下した後、必要に応じて当該基板および溶液を超音波処理又は真空処理等することによって、穴部20から気泡を排出させて、穴部20に当該溶液を充填することが可能である。   The method of pouring the solution onto the upper surface 11a of the substrate 10 is not particularly limited, and after dropping the solution onto the upper surface 11a with a pipette or the like, by subjecting the substrate and the solution to ultrasonic treatment or vacuum treatment as necessary, It is possible to discharge bubbles from the hole 20 and fill the hole 20 with the solution.

[ゲル化工程]
ゲル化工程は、前記溶液中のハイドロゲル21のモノマーをゲル化させて、穴部20内にハイドロゲル21を形成する工程である。
モノマーを重合させる方法は、前述のとおりである。充填工程の後、ハイドロゲル21のモノマーを含む溶液が穴部20の外部にある場合、次の2つの方法(方法A,B)を例示できる。方法Aは、穴部20の外部にある前記溶液を除去して、穴部20の内部のみでハイドロゲル21のモノマーをゲル化させる方法である。方法Bは、穴部20の外部にあるハイドロゲル21のモノマーを含む溶液を除去せずに、穴部20の内外でハイドロゲル21のモノマーをゲル化させる方法である。前者の場合(方法Aの場合)には、穴部20の外部溶液を、例えばハイドロゲル21のモノマーと水が溶解しない(穴部20から流出しない)溶媒で置換した後で、穴部20内に残された前記溶液をゲル化する方法を例示できる。後者の場合(方法Bの場合)、穴部20の外部(上方)でゲル化したハイドロゲル21の上部を、ゆっくり剥がす等の適当な方法により除去し、穴部20の内部にだけハイドロゲル21を残すことができる(図7参照)。ハイドロゲル21の前記上部の除去は、基板の上面11aを生理的塩類溶液等の適当な外部溶液Lで覆った状態で行うことが好ましい。
[Gelling process]
The gelation step is a step of forming the hydrogel 21 in the hole 20 by gelling the monomer of the hydrogel 21 in the solution.
The method for polymerizing the monomer is as described above. When the solution containing the monomer of the hydrogel 21 is outside the hole 20 after the filling step, the following two methods (methods A and B) can be exemplified. Method A is a method in which the solution outside the hole 20 is removed and the monomer of the hydrogel 21 is gelled only inside the hole 20. Method B is a method in which the monomer of the hydrogel 21 is gelled inside and outside the hole 20 without removing the solution containing the monomer of the hydrogel 21 outside the hole 20. In the former case (in the case of method A), after replacing the external solution of the hole 20 with a solvent in which, for example, the monomer of the hydrogel 21 and water do not dissolve (do not flow out of the hole 20), the inside of the hole 20 Examples of the method for gelling the solution remaining in (1). In the latter case (method B), the upper part of the hydrogel 21 that has gelled outside (above) the hole 20 is removed by an appropriate method such as slowly peeling off, and the hydrogel 21 is only inside the hole 20. Can be left (see FIG. 7). The removal of the upper portion of the hydrogel 21 is preferably performed in a state where the upper surface 11a of the substrate is covered with an appropriate external solution L such as a physiological salt solution.

<<ハイドロゲルアレイ基板;第二実施形態>>
図2に示すように、本発明の第二実施形態として、ハイドロゲルアレイ基板2が挙げられる。ハイドロゲルアレイ基板2は、第一実施形態の構成に加えて、穴部20の内部のハイドロゲル21に蛍光物質22(蛍光分子22)が含まれている。
この構成以外は、前述した第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
<< Hydrogel Array Substrate; Second Embodiment >>
As shown in FIG. 2, the hydrogel array substrate 2 is mentioned as 2nd embodiment of this invention. In addition to the configuration of the first embodiment, the hydrogel array substrate 2 includes a fluorescent material 22 (fluorescent molecules 22) in a hydrogel 21 inside the hole 20.
Other than this configuration, since it is the same as the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment described above, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

蛍光物質22は、穴部20の内部の状態変化が起こった場合に蛍光を発する水溶性の蛍光分子であることが好ましい。前記蛍光分子としては、穴部20の内部のイオン濃度の変化に伴って、その蛍光強度が変化する蛍光分子がより好ましい。具体的には、例えば、カルシウムイオン濃度変化を検出可能なFluo‐4、Fura‐2、Fluo‐3等を例示できる。   The fluorescent material 22 is preferably a water-soluble fluorescent molecule that emits fluorescence when a state change inside the hole 20 occurs. The fluorescent molecule is more preferably a fluorescent molecule whose fluorescence intensity changes as the ion concentration inside the hole 20 changes. Specifically, for example, Fluo-4, Fura-2, Fluo-3 and the like capable of detecting a change in calcium ion concentration can be exemplified.

<<ハイドロゲルアレイ基板;第三実施形態>>
図3に示すように、本発明の第三実施形態として、ハイドロゲルアレイ基板3が挙げられる。ハイドロゲルアレイ基板3は、第一実施形態の構成に加えて、穴部20の中に電極40を備え、穴部20の外部溶液Lの中に対向電極41を備えている。
この構成以外は、前述した第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
<< Hydrogel array substrate; Third embodiment >>
As shown in FIG. 3, the hydrogel array substrate 3 is mentioned as 3rd embodiment of this invention. In addition to the configuration of the first embodiment, the hydrogel array substrate 3 includes an electrode 40 in the hole 20 and a counter electrode 41 in the external solution L in the hole 20.
Other than this configuration, since it is the same as the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment described above, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

電極40の配置方法としては、例えば、ハイドロゲルアレイ基板3の製造時に、スパッタリング等の成膜法によって金属層40aを形成し、エッチング等により金属層40aを適宜パターニングして、当該金属層40aのうち穴部20の内部に露出する部分を除く領域を絶縁層13(第二の絶縁層13)で被覆することによって、電極40を穴部20の内部に露出するように埋め込んで配置することができる。   As an arrangement method of the electrode 40, for example, when the hydrogel array substrate 3 is manufactured, the metal layer 40a is formed by a film forming method such as sputtering, and the metal layer 40a is appropriately patterned by etching or the like. The electrode 40 may be embedded and disposed so as to be exposed inside the hole 20 by covering the region excluding the portion exposed inside the hole 20 with the insulating layer 13 (second insulating layer 13). it can.

金属層40aを基板本体10に埋め込んで形成する場合、金属層40aを電気的に絶縁する必要がある。絶縁する方法として、例えばシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナ、酸化タンタル、樹脂等の絶縁体を基板本体の材料として用いる方法が挙げられる。また、基板本体10が半導体又は導電体である場合は、当該基板本体10の上面10aに第一の絶縁層12(基板絶縁層12)を形成し、その第一の絶縁層の上面に金属層40を配置すればよい。第一の絶縁層12及び第二の絶縁層13の材料は特に制限されず、例えばシリコン酸化物やシリコン窒化物、アルミナ、酸化タンタル等が挙げられる。第一の絶縁層12と第二の絶縁層13を構成する材料は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。金属層40a(電極40)の材料としては、銀、塩化銀や、金、白金などが例示できる。   When the metal layer 40a is formed by being embedded in the substrate body 10, the metal layer 40a needs to be electrically insulated. Examples of the insulating method include a method in which an insulator such as silicon oxide, silicon nitride, alumina, tantalum oxide, or resin is used as a material for the substrate body. When the substrate body 10 is a semiconductor or a conductor, a first insulating layer 12 (substrate insulating layer 12) is formed on the upper surface 10a of the substrate body 10, and a metal layer is formed on the upper surface of the first insulating layer. 40 may be arranged. The material of the first insulating layer 12 and the second insulating layer 13 is not particularly limited, and examples thereof include silicon oxide, silicon nitride, alumina, and tantalum oxide. The material which comprises the 1st insulating layer 12 and the 2nd insulating layer 13 may be the same, and may differ. Examples of the material of the metal layer 40a (electrode 40) include silver, silver chloride, gold, and platinum.

<<脂質二分子膜アレイ基板;第四実施形態>>
図4に示すように、本発明の第四実施形態として、脂質二分子膜アレイ基板4が挙げられる。脂質二分子膜アレイ基板4は、第一実施形態の構成に加えて、穴部20に充填されたハイドロゲル21の上部を覆うように脂質二分子膜30が配置されている。
この構成以外は、前述した第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
以下に、第四実施形態の脂質二分子膜アレイ基板4が第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1と相違する点を説明する。
<< Lipid Bilayer Array Substrate; Fourth Embodiment >>
As shown in FIG. 4, as a fourth embodiment of the present invention, a lipid bilayer array substrate 4 is exemplified. In addition to the configuration of the first embodiment, the lipid bilayer membrane array substrate 4 is provided with a lipid bilayer membrane 30 so as to cover the upper part of the hydrogel 21 filled in the hole 20.
Other than this configuration, since it is the same as the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment described above, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
Below, the point from which the lipid bilayer membrane array substrate 4 of 4th embodiment differs from the hydrogel array substrate 1 of 1st embodiment is demonstrated.

脂質二分子膜30を構成する脂質分子の種類は、脂質二分子膜(脂質二重膜)を形成できるものであれば特に制限されず、例えばホスファチジルコリン(PC)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)、ホスファチジルセリン(PS)、ホスファチジルイノシトール(PI)、ホスファチジルイノシトールホスフェイト(PIP)、ホスファチジン酸(PA)、ホスファチジルグリセロール(PG)、スフィンゴ脂質などが挙げられる。これらの脂質は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を併用してもよい。   The type of lipid molecule constituting the lipid bilayer membrane 30 is not particularly limited as long as it can form a lipid bilayer membrane (lipid bilayer membrane). For example, phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidyl Examples include serine (PS), phosphatidylinositol (PI), phosphatidylinositol phosphate (PIP), phosphatidic acid (PA), phosphatidylglycerol (PG), and sphingolipid. These lipids may be used alone or in combination of two or more.

脂質二分子膜30は、穴部20内のハイドロゲル21が有する電荷と反対の電荷を有する脂質分子によって構成された脂質二分子膜であることが好ましい。具体的には、ハイドロゲル21が正電荷を有する場合には、負電荷を有する脂質二分子膜を当該ハイドロゲル21の上部に配置することが好ましく、ハイドロゲル21が負電荷を有する場合には、正電荷を有する脂質二分子膜を当該ハイドロゲル21の上部に配置することが好ましい。このようにハイドロゲル21と脂質二分子膜30の電荷が反対であると、両者の静電相互作用によって、ハイドロゲル21上に脂質二分子膜30を容易に配置することが可能となり、更に、ハイドロゲル21上に脂質二分子膜30をより安定に保持することができる。   The lipid bilayer membrane 30 is preferably a lipid bilayer membrane composed of lipid molecules having a charge opposite to that of the hydrogel 21 in the hole 20. Specifically, when the hydrogel 21 has a positive charge, it is preferable to dispose a lipid bilayer membrane having a negative charge on the hydrogel 21, and when the hydrogel 21 has a negative charge, It is preferable to arrange a lipid bilayer membrane having a positive charge on the hydrogel 21. Thus, when the charges of the hydrogel 21 and the lipid bilayer membrane 30 are opposite, the lipid bilayer membrane 30 can be easily disposed on the hydrogel 21 by electrostatic interaction between the two, The lipid bilayer membrane 30 can be more stably held on the hydrogel 21.

前記静電相互作用による脂質二分子膜の配置及び安定化を利用すれば、複数の穴部を有する単一の基板において、正電荷を有するハイドロゲルと負電荷を有するハイドロゲルがそれぞれ任意の穴部に充填され、更に、各穴部のハイドロゲルの電荷とは反対の電荷を有する脂質二分子膜が各穴部のハイドロゲルの上に配置された脂質二分子膜アレイ基板が得られる。この際、互いに異なる電荷を有する脂質二分子膜毎に、それぞれ異なる種類の膜タンパク質を含有させることにより、複数種類の膜タンパク質が所定の位置に配置された(固定化された)膜タンパク質アレイ基板が得られる。   If the arrangement and stabilization of the lipid bilayer membrane by the electrostatic interaction are utilized, the positively charged hydrogel and the negatively charged hydrogel each have arbitrary holes in a single substrate having a plurality of holes. Further, a lipid bilayer array substrate is obtained in which lipid bilayer membranes filled in the portions and having a charge opposite to the charge of the hydrogel in each hole portion are arranged on the hydrogel in each hole portion. In this case, a membrane protein array substrate in which a plurality of types of membrane proteins are arranged (immobilized) at predetermined positions by containing different types of membrane proteins for each lipid bilayer membrane having different charges. Is obtained.

水溶液等の溶液中で正電荷を有する脂質二分子膜としては、例えばN‐(1‐(2、3‐ジオレイオキシ)プロピル)‐N、N、N‐トリメチル‐アンモニウムクロライドなどの合成カチオン性脂質、ジフィタニルホスファチジルコリン(DPhPC)等によって構成された脂質二分子膜が挙げられる。
水溶液等の溶液中で負電荷を有する脂質二分子膜としては、例えばホスファチジルセリン(PS)等によって構成された脂質二分子膜が挙げられる。
Examples of lipid bilayer membranes having a positive charge in a solution such as an aqueous solution include synthetic cationic lipids such as N- (1- (2,3-dioleooxy) propyl) -N, N, N-trimethyl-ammonium chloride, Examples thereof include a lipid bilayer composed of diphytanyl phosphatidylcholine (DPhPC) or the like.
Examples of the lipid bilayer membrane having a negative charge in a solution such as an aqueous solution include a lipid bilayer membrane composed of phosphatidylserine (PS) or the like.

前記脂質二分子膜にはコレステロール分子が含有されていてもよい。また、前記脂質二分子膜を構成する脂質分子は、1種類であってもよいし、2種類以上であってもよい。また、前記脂質二分子膜には、溶液中で電荷を有さない中性の脂質分子が含まれていてもよい。中性の脂質分子としては、例えばホスファチジルコリン(PC)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)、スフィンゴ脂質などが挙げられる。   The lipid bilayer membrane may contain cholesterol molecules. Moreover, the lipid molecule constituting the lipid bilayer membrane may be one type or two or more types. The lipid bilayer membrane may contain neutral lipid molecules having no charge in the solution. Examples of the neutral lipid molecule include phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), sphingolipid, and the like.

脂質二分子膜30の形成方法としては、例えば、その直径が10μm以上のベシクル(巨大ベシクル(巨大脂質ベシクル))をハイドロゲル21及び基板の表面11a上で展開する方法が挙げられる。   Examples of the method of forming the lipid bilayer membrane 30 include a method of developing a vesicle (giant vesicle (giant lipid vesicle)) having a diameter of 10 μm or more on the hydrogel 21 and the surface 11a of the substrate.

ベシクルを形成する代表的な手法としては、静置水和法やエレクトロスウェリング法(電界形成法)が例示できる。ベシクルの作製手法は特に限定されないが、巨大ベシクルを作製しやすく、反応時間や反応プロセスが簡易であるという観点から、電界形成法を採用することが好ましい。電界形成法は、酸化インジウムスズ(ITO)などの電極上に、リン脂質を薄膜化した後、交流電場をかけて水溶液中にベシクルを形成する手法である。サイズのそろったベシクルを得るためには、ITO基板上に厚さ数十nm〜数μmの均一なリン脂質分子からなる膜を形成することが好ましい。   Typical methods for forming vesicles include a static hydration method and an electro-swelling method (electric field forming method). The method for producing the vesicle is not particularly limited, but it is preferable to adopt an electric field forming method from the viewpoint of easy production of a huge vesicle and simple reaction time and reaction process. The electric field forming method is a method of forming a vesicle in an aqueous solution by applying an alternating electric field after forming a thin film of phospholipid on an electrode such as indium tin oxide (ITO). In order to obtain vesicles of uniform size, it is preferable to form a film made of uniform phospholipid molecules having a thickness of several tens of nm to several μm on the ITO substrate.

ハイドロゲル21に含まれる水には、脂質二分子膜30が安定に維持される範囲であれば、pH緩衝剤、各種イオン、酸化防止剤、界面活性剤等が含まれていてもよい。ハイドロゲル21に含まれる水には、膜タンパク質31の機能が最適に発揮されるために必要な成分を含有させることが好ましい。   The water contained in the hydrogel 21 may contain a pH buffer, various ions, an antioxidant, a surfactant and the like as long as the lipid bilayer membrane 30 is stably maintained. It is preferable that the water contained in the hydrogel 21 contains a component necessary for the function of the membrane protein 31 to be optimally exhibited.

本実施形態においては、穴部20に充填されたハイドロゲル21の上部(上面)を被覆する脂質二分子膜30に、膜タンパク質31が配置されている。したがって、本発明にかかる「脂質二分子膜アレイ基板4」は、「膜タンパク質アレイ基板4」と読み換えることができる。脂質二分子膜30は穴部20の外部にある外部溶液Lによって覆われている。例えば、外部溶液Lに医薬候補物質等を添加することにより、膜タンパク質31の機能を解析することができる。   In the present embodiment, the membrane protein 31 is disposed on the lipid bilayer membrane 30 that covers the upper part (upper surface) of the hydrogel 21 filled in the hole 20. Therefore, “lipid bilayer array substrate 4” according to the present invention can be read as “membrane protein array substrate 4”. The lipid bilayer membrane 30 is covered with an external solution L outside the hole 20. For example, the function of the membrane protein 31 can be analyzed by adding a drug candidate substance or the like to the external solution L.

脂質二分子膜30に、機能測定対象となる膜タンパク質31を再構成する方法は、公知の方法を用いることができ、例えば、ベシクルフュージョン法が挙げられる。具体的には、プロテオリポソームと呼ばれる膜タンパク質を含有するベシクルを、脂質二分子膜30上に添加することにより、プロテオリポソームと脂質二分子膜30が融合し、膜タンパク質31が脂質二分子膜30中に再構成される。   A known method can be used as a method for reconstituting the membrane protein 31 to be a function measurement target in the lipid bilayer membrane 30, and examples thereof include a vesicle fusion method. Specifically, by adding a vesicle containing a membrane protein called a proteoliposome onto the lipid bilayer membrane 30, the proteoliposome and the lipid bilayer membrane 30 are fused, and the membrane protein 31 becomes the lipid bilayer membrane 30. Reconfigured inside.

脂質二分子膜30に融合する膜タンパク質31としては、脂質二分子膜30に保持され、かつ、当該脂質二分子膜30が境界になり、穴部20の内部と外部のイオン濃度を変化させる機能を有する膜タンパク質が好ましい。このような膜タンパク質31としては、例えば、イオンチャネル型受容体が挙げられる。   The membrane protein 31 fused to the lipid bilayer membrane 30 is a function that is held in the lipid bilayer membrane 30 and changes the ion concentration inside and outside the hole 20 with the lipid bilayer membrane 30 as a boundary. A membrane protein having is preferred. Examples of such membrane protein 31 include an ion channel type receptor.

イオンチャネル型受容体としては、例えば、細胞間情報伝達や温度の感受、炎症や痛みに関与するTRP(transient receptor potential)チャネル、細胞間情報伝達や痛みに関与するATP受容体、細胞間情報伝達や情動に関与するセロトニン受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するNMDA受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するAMPA受容体、細胞間情報伝達や興奮性神経伝達に関与するカイニン酸受容体、細胞間情報伝達や抑制性神経伝達に関与するGABA受容体等が挙げられる。   Examples of ion channel receptors include intercellular information transmission, temperature sensing, TRP (transient receptor potential) channels involved in inflammation and pain, intercellular information transmission and pain-related ATP receptors, and intercellular information transmission. Serotonin receptor involved in sexuality and emotion, NMDA receptor involved in intercellular communication and excitatory neurotransmission, AMPA receptor involved in intercellular communication and excitatory neurotransmission, intercellular communication and excitatory neurotransmission And kainic acid receptor involved in cell transfer, GABA receptor involved in intercellular signal transmission and inhibitory neurotransmission, and the like.

穴部20の内部および外部に電解質溶液を配置する場合、その電解質溶液は、膜タンパク質31を埋め込んだ脂質二分子膜30が安定に保持されるものが好ましい。前記電解質溶液としては、例えば、100mM NaCl, 5mM KCl, 2mM CaCl2, 10mM Tris-HCl (pH7.4)を含む水溶液などが挙げられる。前記内部と外部に配置する電解質溶液の組成は、同じ組成であってもよく、異なる組成であってもよい。 When the electrolyte solution is disposed inside and outside the hole 20, the electrolyte solution is preferably one in which the lipid bilayer membrane 30 in which the membrane protein 31 is embedded is stably held. Examples of the electrolyte solution include an aqueous solution containing 100 mM NaCl, 5 mM KCl, 2 mM CaCl 2 , and 10 mM Tris-HCl (pH 7.4). The composition of the electrolyte solution disposed inside and outside may be the same or different.

<<脂質二分子膜アレイ基板の製造方法>>
本発明にかかる脂質二分子膜アレイ基板の製造方法として、図4に示す第四実施形態の脂質二分子膜アレイ基板4を製造する方法を例示する。
その製造方法としては、充填工程、ゲル化工程、及び脂質二分子膜形成工程、をこの順で行う方法が好ましい。また、本発明の趣旨を逸脱しない限り、ここで挙げた3つの工程以外の、他の工程を追加しても良い。
<< Method for producing lipid bilayer array substrate >>
As a method for producing a lipid bilayer array substrate according to the present invention, a method for producing the lipid bilayer array substrate 4 of the fourth embodiment shown in FIG. 4 will be exemplified.
The production method is preferably a method in which the filling step, the gelation step, and the lipid bilayer formation step are performed in this order. In addition, other steps other than the three steps listed here may be added without departing from the spirit of the present invention.

脂質二分子膜アレイ基板の製造方法における充填工程とゲル化工程は、前述したハイドロゲルアレイ基板の製造方法の充填工程とゲル化工程と同じであるため、ここではその説明を省略する。   Since the filling step and the gelation step in the method for producing the lipid bilayer array substrate are the same as the filling step and the gelation step in the method for producing the hydrogel array substrate described above, description thereof is omitted here.

[脂質二分子膜形成工程]
脂質二分子膜形成工程は、基板10の上面11a上にある溶液Lにベシクルを添加し、前記ベシクルを基板10の上面11aに沈降させ、穴部20の近傍において前記ベシクルを展開し、穴部20の開口部25を脂質二分子膜30で覆う工程である。
[Lipid bilayer formation process]
In the lipid bilayer formation step, a vesicle is added to the solution L on the upper surface 11a of the substrate 10, the vesicle is settled on the upper surface 11a of the substrate 10, the vesicle is developed in the vicinity of the hole 20, and the hole This is a step of covering 20 openings 25 with a lipid bilayer membrane 30.

ベシクルは、前述した方法で調製したものを使用できる。ベシクルの大きさ(直径)は、開口部25よりも充分に大きいものであることが好ましい。例えば、10μm〜100μmの大きさのベシクル(巨大ベシクル)を使用することができるが、この大きさの範囲に限定されず、他の大きさのベシクルを使用しても構わない。   As the vesicle, those prepared by the method described above can be used. The size (diameter) of the vesicle is preferably sufficiently larger than the opening 25. For example, vesicles having a size of 10 μm to 100 μm (giant vesicles) can be used, but the size is not limited to this range, and vesicles having other sizes may be used.

ベシクルを基板10の上面11aの上にある溶液Lに添加する方法は特に制限されず、例えば、ベシクルを含むベシクル分散液を調製して、前記ベシクル分散液を溶液Lに添加する方法が挙げられる。   The method for adding the vesicle to the solution L on the upper surface 11a of the substrate 10 is not particularly limited, and examples thereof include a method of preparing a vesicle dispersion containing vesicles and adding the vesicle dispersion to the solution L. .

溶液Lに添加したベシクルを上面11aに接触するように沈降させる方法は特に制限されない。通常、溶液Lよりもベシクルの比重が重いため、ベシクルを溶液Lに添加した後、自然に沈降するのを待てば、ベシクルを基板の上面11aに沈降させることができる。   The method for causing the vesicles added to the solution L to settle so as to contact the upper surface 11a is not particularly limited. Usually, since the specific gravity of the vesicle is heavier than that of the solution L, after adding the vesicle to the solution L and waiting for it to settle naturally, the vesicle can be settled on the upper surface 11a of the substrate.

前記ベシクル分散液におけるベシクルの濃度の目安としては、添加したベシクルが、基板10の上面11aの広い領域、例えば上面11aの80%以上の領域、を占有して拡がる程度の濃度であることが好ましい。前記ベシクル分散液の濃度は、例えば、0.1mM〜10mMの濃度に調整して使用することができるが、この濃度範囲に限定されず、他の濃度で使用しても構わない。   As a standard of the concentration of the vesicle in the vesicle dispersion, it is preferable that the added vesicle has such a concentration that it occupies a wide area of the upper surface 11a of the substrate 10, for example, an area of 80% or more of the upper surface 11a. . The concentration of the vesicle dispersion can be adjusted to, for example, a concentration of 0.1 mM to 10 mM, but is not limited to this concentration range, and may be used at other concentrations.

<<脂質二分子膜アレイ基板;第五実施形態>>
図5に示すように、本発明の第五実施形態として、脂質二分子膜アレイ基板5が挙げられる。脂質二分子膜アレイ基板5は、第四実施形態の構成に加えて、穴部20の内部のハイドロゲル21に蛍光物質22(蛍光分子22)が含まれている。
この構成以外は、前述した第四実施形態のハイドロゲルアレイ基板4と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。なお、第一実施形態のハイドロゲルアレイ基板1の脂質二分子膜の下面と同様に、本実施形態の脂質二分子膜の下面30aはハイドロゲル21の上面に接触している。
<< Lipid Bilayer Array Substrate; Fifth Embodiment >>
As shown in FIG. 5, a lipid bilayer array substrate 5 is mentioned as a fifth embodiment of the present invention. In addition to the configuration of the fourth embodiment, the lipid bimolecular membrane array substrate 5 includes a fluorescent substance 22 (fluorescent molecule 22) in the hydrogel 21 inside the hole 20.
Other than this configuration, since it is the same as the hydrogel array substrate 4 of the fourth embodiment described above, the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. Note that the lower surface 30 a of the lipid bilayer membrane of the present embodiment is in contact with the upper surface of the hydrogel 21 in the same manner as the lower surface of the lipid bilayer membrane of the hydrogel array substrate 1 of the first embodiment.

本実施形態の脂質二分子膜アレイ基板5を用いれば、例えばイオン透過性の膜タンパク質31を脂質二分子膜30に配置して、その膜タンパク質31を介して、穴部20内のハイドロゲル21へイオンが流入した際に又はハイドロゲル21からイオンが流出した際に、ハイドロゲル21内に含まれる蛍光分子22の蛍光強度が変化したことを蛍光顕微鏡等によって検出することができる。すなわち、膜タンパク質31の機能をハイドロゲル21内の蛍光分子の蛍光強度の変化として検出することができる。   If the lipid bilayer membrane array substrate 5 of the present embodiment is used, for example, an ion permeable membrane protein 31 is arranged on the lipid bilayer membrane 30 and the hydrogel 21 in the hole 20 is interposed through the membrane protein 31. It can be detected by a fluorescence microscope or the like that the fluorescence intensity of the fluorescent molecules 22 contained in the hydrogel 21 has changed when ions have flowed into or when the ions have flowed out of the hydrogel 21. That is, the function of the membrane protein 31 can be detected as a change in the fluorescence intensity of the fluorescent molecules in the hydrogel 21.

<<脂質二分子膜アレイ基板;第六実施形態>>
図6に示すように、本発明の第六実施形態として、脂質二分子膜アレイ基板6が挙げられる。脂質二分子膜アレイ基板6は、第三実施形態の構成に加えて、穴部20及びハイドロゲル21の上に、膜タンパク質31を含む脂質二分子膜30が配置されている。
この構成以外は、前述した第三実施形態のハイドロゲルアレイ基板3と同様であるので、同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
<< Lipid Bilayer Array Substrate; Sixth Embodiment >>
As shown in FIG. 6, a lipid bilayer array substrate 6 is mentioned as a sixth embodiment of the present invention. In addition to the configuration of the third embodiment, the lipid bilayer membrane array substrate 6 has a lipid bilayer membrane 30 including a membrane protein 31 disposed on the hole 20 and the hydrogel 21.
Other than this configuration, since it is the same as the hydrogel array substrate 3 of the third embodiment described above, the same portions are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本実施形態の脂質二分子膜アレイ基板6を用いれば、例えば、膜タンパク質31としてイオンチャンネル型タンパク質を配置した場合には、イオンチャンネル型タンパク質を透過したイオン電流を、電極40及び/又は対向電極41に接続された電気計測計で計測することにより、膜タンパク質31の機能測定を電気生理学的手法によって行うことができる。すなわち、膜タンパク質31の機能を穴部20内外の電位差又は電流値の変化として検出することができる。   By using the lipid bilayer array substrate 6 of the present embodiment, for example, when an ion channel protein is arranged as the membrane protein 31, an ionic current that has passed through the ion channel protein is converted into the electrode 40 and / or the counter electrode. By measuring with an electrometer connected to 41, the function of the membrane protein 31 can be measured by an electrophysiological technique. That is, the function of the membrane protein 31 can be detected as a potential difference inside or outside the hole 20 or a change in current value.

以上で説明したとおり、本発明の脂質二分子膜アレイ基板を作製する際、脂質二分子膜とハイドロゲル間に静電引力を働かせることにより、金属陽イオンを添加すること無しに、ハイドロゲルが充填された穴部の上に脂質二分子膜を容易に形成することができる。この結果、脂質二分子膜によって隔離される穴部20内のイオン組成及び外部溶液Lのイオン組成を任意に設定することができる。加えて、光硬化性ゲルとフォトマスクを用いることにより、正電荷を有するハイドロゲルと負電荷を有するハイドロゲルを、任意のパターンで同一基板上にアレイ化したハイドロゲルアレイ基板を作製することができる。このハイドロゲルアレイ基板を用いれば、正電荷を有する脂質二分子膜と負電荷を有する脂質二分子膜のアレイを簡便に作製することができる。また、脂質二分子膜アレイを形成させる際に、膜タンパク質を導入したベシクルを用いることによって、薬剤スクリーニングに有用な膜タンパク質アレイ基板の簡便かつ効率的な提供が可能である。   As described above, when producing the lipid bilayer membrane array substrate of the present invention, the hydrogel can be produced without adding a metal cation by applying an electrostatic attraction between the lipid bilayer membrane and the hydrogel. A lipid bilayer can be easily formed on the filled hole. As a result, the ionic composition in the hole 20 and the ionic composition of the external solution L that are separated by the lipid bilayer membrane can be arbitrarily set. In addition, by using a photocurable gel and a photomask, it is possible to produce a hydrogel array substrate in which a positively charged hydrogel and a negatively charged hydrogel are arrayed on the same substrate in an arbitrary pattern. it can. If this hydrogel array substrate is used, a lipid bilayer membrane having a positive charge and a lipid bilayer membrane having a negative charge can be easily produced. Further, when forming a lipid bilayer membrane array, a membrane protein array substrate useful for drug screening can be provided simply and efficiently by using a vesicle into which a membrane protein has been introduced.

次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited by these examples.

《実施例1》
以下に、図4に示す脂質二分子膜アレイ基板4の作製の具体例を示す。
<穴部の形成>
基板本体10には、シリコン基板を用いた。基板本体10の上面10aに、120nmの厚さのシリコン酸化膜層(親水層)11を、熱酸化法により形成した。さらに、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、円形状の開口部25(直径4μm)を有する穴部20を複数形成した。各穴部20の深さは、1μmとした。
Example 1
Below, the specific example of preparation of the lipid bilayer membrane array board | substrate 4 shown in FIG. 4 is shown.
<Formation of hole>
A silicon substrate was used as the substrate body 10. A silicon oxide film layer (hydrophilic layer) 11 having a thickness of 120 nm was formed on the upper surface 10a of the substrate body 10 by a thermal oxidation method. Further, a plurality of hole portions 20 having circular openings 25 (diameter 4 μm) were formed by using a photolithography method and a dry etching method. The depth of each hole 20 was 1 μm.

<巨大ベシクルの準備>
脂質二分子膜30は以下のようにして形成した。
ジフィタニルホスファチジルコリン(DPhPC)とジオレイルホスファチジルセリン(DOPS)とコレステロールの合計濃度が2.5mMとなるように、DPhPC:DOPS:コレステロール=7:2:1(モル比)の割合で、クロロホルムに溶かした混合クロロホルム溶液を得た。さらに、この混合クロロホルム溶液に、蛍光ラベル剤であるローダミン‐ジヘキサデカニルホスファチジルエタノールアミン(Rhod−DHPE)を25μMとなるように溶かした混合クロロホルム溶液を調製した。
<Preparation of huge vesicle>
The lipid bilayer membrane 30 was formed as follows.
Chloroform in a ratio of DPhPC: DOPS: cholesterol = 7: 2: 1 (molar ratio) so that the total concentration of diphytanylphosphatidylcholine (DPhPC), dioleylphosphatidylserine (DOPS) and cholesterol is 2.5 mM. A dissolved mixed chloroform solution was obtained. Furthermore, a mixed chloroform solution was prepared by dissolving rhodamine-dihexadecanylphosphatidylethanolamine (Rhod-DHPE), which is a fluorescent labeling agent, in this mixed chloroform solution so as to be 25 μM.

続いて、SiO上に膜厚100nmの酸化インジウムスズからなる薄膜が成膜された基板(ITO基板)(サイズ:40×40mm、抵抗:50〜100Ω/sq)上に、前記混合クロロホルム溶液200μLを均一に塗布した。この基板を、室温で2時間、減圧乾燥して、溶媒のクロロホルムを完全に除去することによって、均一なリン脂質薄膜をITO基板上に形成した。そのリン脂質薄膜上に、窓部を有するシリコーンゴムを密着して配置し、窓部の内側に200mMのスクロース水溶液を400μL滴下した。さらに、シリコーンゴムの上部に別のITO基板を載せて、シリコーンゴムの窓部の内側にあるスクロース水溶液を2枚のITO基板で挟み込んで密閉した。前記窓部を有するシリコーンゴムは、外寸30×30mm、厚さ1mmのシリコーンゴムを20×20mmのサイズでくり貫いて形成された窓部を備えている。 Subsequently, 200 μL of the mixed chloroform solution is formed on a substrate (ITO substrate) (size: 40 × 40 mm, resistance: 50-100 Ω / sq) on which a thin film made of indium tin oxide having a thickness of 100 nm is formed on SiO 2. Was applied uniformly. This substrate was dried under reduced pressure at room temperature for 2 hours to completely remove chloroform as a solvent, thereby forming a uniform phospholipid thin film on the ITO substrate. On the phospholipid thin film, silicone rubber having a window portion was placed in close contact, and 200 μL of 200 mM sucrose aqueous solution was dropped inside the window portion. Furthermore, another ITO substrate was placed on top of the silicone rubber, and the sucrose aqueous solution inside the silicone rubber window was sandwiched between the two ITO substrates and sealed. The silicone rubber having the window portion includes a window portion formed by punching out silicone rubber having an outer size of 30 × 30 mm and a thickness of 1 mm in a size of 20 × 20 mm.

次に、各ITO基板にクリップ電極を接合し、60℃のホットプレート上で、交流電場(正弦波、1V、10Hz)を2時間印加することよって、電界形成法により負の電荷を有する巨大ベシクル(以下、アニオン性巨大ベシクルと呼ぶ。)を含む分散液を作製した。   Next, a clip electrode is joined to each ITO substrate, and an alternating electric field (sine wave, 1 V, 10 Hz) is applied on a hot plate at 60 ° C. for 2 hours, thereby forming a large vesicle having a negative charge by an electric field forming method. A dispersion containing (hereinafter referred to as an anionic giant vesicle) was prepared.

<ハイドロゲルの形成>
ハイドロゲル21のモノマー水溶液として、第一のモノマーであるアクリルアミド(12重量%)、第二のモノマーであるジメチルアミノプロピルメタアクリルアミド(DMAPMA)(3重量%)、ビスアクリルアミド(前記2種のモノマーの合計の重量に対して1/29重量%)、及び、カルセイン(100μM)を、それぞれ括弧内の濃度になるように200mMグルコース水溶液に溶解して得たモノマー水溶液(以下、カチオン性モノマー水溶液と呼ぶ。)を調製した。その後、使用する直前に、更に、APSとTEMEDを微量添加して、充填用水溶液を準備した。
<Formation of hydrogel>
As the monomer aqueous solution of the hydrogel 21, acrylamide (12 wt%) as the first monomer, dimethylaminopropylmethacrylamide (DMAPMA) (3 wt%) as the second monomer, bisacrylamide (of the two monomers) Monomer aqueous solution (hereinafter referred to as cationic monomer aqueous solution) obtained by dissolving calcein (100 μM) in a 200 mM glucose aqueous solution so as to have a concentration in parentheses, respectively. .) Was prepared. Thereafter, immediately before use, a small amount of APS and TEMED was further added to prepare an aqueous solution for filling.

この充填用水溶液を基板10の上面11aに滴下し、複数の穴部20内に充填すると共に、上面11aの上方にも充分に溢れさせた。15分以上静置して、モノマーが重合し、更に共有結合によって架橋されたポリマーからなるハイドロゲル21を形成した。その後、外部溶液Lを200mMグルコース水溶液に置換し、図7の模式図に示すように、穴部20の外部でゲル化した余剰なハイドロゲル21を、基板と水平方向(図7の矢印の方向)に軽く押すことによって、余剰のハイドロゲルを除去し、穴部20の内部にだけハイドロゲル21が充填された状態にした。次に、アニオン性巨大ベシクルを含む前記分散液を外部溶液Lに添加し、金属陽イオンを含まない環境(外部溶液L)で10分以上室温に静置した後、余剰のアニオン性巨大ベシクルを取り除いた。この状態における脂質二分子膜アレイ基板の蛍光観察結果を図8に示す。   The filling aqueous solution was dropped onto the upper surface 11a of the substrate 10 to fill the plurality of holes 20 and sufficiently overflow above the upper surface 11a. The mixture was allowed to stand for 15 minutes or longer to form a hydrogel 21 composed of a polymer obtained by polymerizing monomers and further crosslinked by covalent bonds. Thereafter, the external solution L is replaced with a 200 mM glucose aqueous solution, and as shown in the schematic diagram of FIG. 7, the excess hydrogel 21 that has gelled outside the hole 20 is placed in the horizontal direction (in the direction of the arrow in FIG. 7). ), The excess hydrogel was removed and only the inside of the hole 20 was filled with the hydrogel 21. Next, the dispersion containing the anionic giant vesicle is added to the external solution L, and allowed to stand at room temperature for 10 minutes or more in an environment not containing the metal cation (external solution L), and then the excess anionic giant vesicle is added. Removed. FIG. 8 shows the result of fluorescence observation of the lipid bilayer array substrate in this state.

図8aはカルセイン由来の蛍光のみ、図8bはカルセインとローダミンの両方からの蛍光を示している。図8aと図8bは同一視野である。図8aの蛍光像において、ハイドロゲル21が充填されていて且つ脂質二分子膜30に覆われている穴部20b(20)からだけでなく、ハイドロゲル21が充填されていて且つ脂質二分子膜30に覆われていない穴部20a(20)からも、ハイドロゲルに含有されたカルセイン由来の蛍光が観察されている。この結果から、ハイドロゲル21が脂質二分子膜30によって覆われていない場合でも、ハイドロゲル21内では蛍光分子22が安定に保持され、穴部20の内部から外部溶液へ蛍光分子22が拡散することが抑制されていることが分かる。   FIG. 8a shows the fluorescence from calcein only, and FIG. 8b shows the fluorescence from both calcein and rhodamine. 8a and 8b are the same field of view. In the fluorescence image of FIG. 8 a, not only from the hole 20 b (20) filled with the hydrogel 21 and covered with the lipid bilayer membrane 30, but also filled with the hydrogel 21 and the lipid bilayer membrane. Fluorescence derived from calcein contained in the hydrogel is also observed from the hole 20a (20) not covered with 30. From this result, even when the hydrogel 21 is not covered by the lipid bilayer membrane 30, the fluorescent molecule 22 is stably held in the hydrogel 21, and the fluorescent molecule 22 diffuses from the inside of the hole 20 to the external solution. It can be seen that this is suppressed.

図8bの蛍光像から、脂質二分子膜30が穴部20b(20)を覆うように形成されていることが分かる。また、穴部20bから発せられた蛍光は穴部20aから発せられた蛍光よりも強い強度を有することが観察された。この結果から、穴部20a及び穴部20bの内部にハイドロゲル21が充填され、穴部20aの開口部は脂質二分子膜30に覆われておらず、穴部20bの開口部は脂質二分子膜30によって覆われていることが分かる。   From the fluorescence image of FIG. 8b, it can be seen that the lipid bilayer membrane 30 is formed so as to cover the hole 20b (20). Further, it was observed that the fluorescence emitted from the hole 20b has a stronger intensity than the fluorescence emitted from the hole 20a. From this result, the inside of the hole 20a and the hole 20b is filled with the hydrogel 21, the opening of the hole 20a is not covered with the lipid bilayer membrane 30, and the opening of the hole 20b is lipid bimolecular. It can be seen that the film 30 is covered.

上記方法で作製した脂質二分子膜アレイ基板4において、脂質二分子膜30に、膜タンパク質31を配置することによって、本発明にかかる脂質二分子膜アレイ基板を膜タンパク質アレイ基板とすることができる。膜タンパク質31を脂質二分子膜30へ配置する方法は、ベシクルフュージョン法等の公知の方法を適用できる。   In the lipid bilayer array substrate 4 produced by the above method, the lipid bilayer array substrate according to the present invention can be used as the membrane protein array substrate by arranging the membrane protein 31 on the lipid bilayer membrane 30. . As a method of arranging the membrane protein 31 on the lipid bilayer membrane 30, a known method such as a vesicle fusion method can be applied.

《実施例2》
実施例1では、ハイドロゲル21が正電荷を有し、脂質二分子膜30が負電荷を有する場合を例示した。実施例2においては、ハイドロゲル21と脂質二分子膜30の電荷が同じ場合を例示する。
ハイドロゲル21の材料であるカチオン性モノマー水溶液における、前記第一のモノマーと前記第二のモノマーの合計の濃度を15重量%に変更し、DOPSをエチルジオレイルフォスファチジルコリン(EDOPC)に変更した以外は、実施例1と同様の方法によって、脂質二分子膜アレイ基板の作製を試みた。
Example 2
In Example 1, the case where the hydrogel 21 has a positive charge and the lipid bilayer membrane 30 has a negative charge was illustrated. In Example 2, the case where the charge of the hydrogel 21 and the lipid bilayer membrane 30 is the same is illustrated.
In the cationic monomer aqueous solution that is the material of the hydrogel 21, the total concentration of the first monomer and the second monomer is changed to 15% by weight, and DOPS is changed to ethyl dioleylphosphatidylcholine (EDOPC). Except for this, an attempt was made to prepare a lipid bilayer array substrate by the same method as in Example 1.

基板上にカチオン性巨大ベシクルを沈殿させたハイドロゲルアレイ基板の蛍光観察結果を図9に示す。図9aはカルセイン由来の蛍光のみ、図9bはカルセインとローダミンの両方からの蛍光を示している。図9aと図9bは同一視野である。図9aの蛍光像において、実施例1と同様に、ハイドロゲル21が充填されている穴部20a(20)から、カルセイン由来の蛍光が観察されている。   FIG. 9 shows the result of fluorescence observation of the hydrogel array substrate in which cationic giant vesicles were precipitated on the substrate. FIG. 9a shows the fluorescence from calcein only, and FIG. 9b shows the fluorescence from both calcein and rhodamine. 9a and 9b are the same field of view. In the fluorescence image of FIG. 9a, similarly to Example 1, fluorescence derived from calcein is observed from the hole 20a (20) filled with the hydrogel 21.

図9bの蛍光像において、カチオン性巨大ベシクルVは、穴部20aの上に配置されているにも関わらず、ベシクルの形状で基板上に存在している。つまり、カチオン性巨大ベシクルVは展開されず、脂質二分子膜として基板上に配置されていなかった。カチオン性ハイドロゲルとカチオン性巨大ベシクルは同じ電荷を有しているので、両者間で静電反発が起こり、巨大ベシクルが基板上に展開できなかったためであると考えられる。この結果から、金属陽イオンが存在しない環境下においては、巨大ベシクルを展開して基板上に脂質二分子膜を配置するためには、ハイドロゲルと巨大ベシクル間の静電引力が必要であることが分かる。   In the fluorescent image of FIG. 9b, the cationic giant vesicle V is present on the substrate in the shape of a vesicle even though it is disposed on the hole 20a. That is, the cationic giant vesicle V was not developed and was not disposed on the substrate as a lipid bilayer. This is probably because the cationic hydrogel and the cationic giant vesicle have the same charge, and electrostatic repulsion occurred between them, and the giant vesicle could not be developed on the substrate. From this result, in an environment where there is no metal cation, electrostatic attraction between the hydrogel and the giant vesicle is required to deploy the giant vesicle and place the lipid bilayer on the substrate. I understand.

《実施例3》
図6に示す脂質二分子膜アレイ基板6の作製例を以下に具体的に説明する。
Example 3
A production example of the lipid bilayer array substrate 6 shown in FIG. 6 will be specifically described below.

まず、厚さ200nmの熱酸化膜からなる絶縁層で被覆されたSiウエハー10の上に、チタン、金、白金の順に金属層40aを堆積して、この金属層40aをフォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、厚さ約60nmの電極40を形成した。この電極40は、例えば300μm四方の大きさのパッド部(不図示)に接続され、外部の電気生理測定装置へ接続することが可能である。   First, a metal layer 40a is deposited in the order of titanium, gold, and platinum on the Si wafer 10 covered with an insulating layer made of a thermal oxide film having a thickness of 200 nm, and the metal layer 40a is patterned by photolithography. As a result, an electrode 40 having a thickness of about 60 nm was formed. The electrode 40 is connected to a pad portion (not shown) having a size of 300 μm square, for example, and can be connected to an external electrophysiological measurement device.

つぎに、金属層40aを形成したSiウエハー10の上に、絶縁層13としてシリコン窒化膜をプラズマCVD法により1μm堆積した。この絶縁層13の上に、スパッタ法を用いてシリコン酸化膜11を厚さ200nmで堆積した。
このように形成した基板本体10に、フォトリソグラフィ法とドライエッチング法により穴部20を形成した。このエッチングは、穴部20の底面に電極40(金属層40a)が露出するまで行った。穴部20の形成後に、レジスト膜を除去して洗浄することにより、電極40を穴部20に備えた基板を得た。
Next, 1 μm of a silicon nitride film was deposited as an insulating layer 13 on the Si wafer 10 on which the metal layer 40a was formed by a plasma CVD method. A silicon oxide film 11 was deposited on the insulating layer 13 with a thickness of 200 nm by sputtering.
A hole 20 was formed in the thus formed substrate body 10 by photolithography and dry etching. This etching was performed until the electrode 40 (metal layer 40a) was exposed on the bottom surface of the hole 20. After forming the hole 20, the resist film was removed and washed to obtain a substrate having the electrode 40 in the hole 20.

この実施例において、穴部20と電極40の個数比は、1:1とすることが望ましい。1つの電極40に対して複数の穴部20を設けてもよいが、この構成の場合、当該1つの電極40で測定する際に、全ての穴部20を脂質二分子膜30で覆う必要があるため、測定準備や測定条件が煩雑となる。よって、一つの穴部20には、他の電極とは電気的に独立した一つの電極40を形成することが望ましい。   In this embodiment, the number ratio between the hole 20 and the electrode 40 is preferably 1: 1. A plurality of holes 20 may be provided for one electrode 40, but in this configuration, it is necessary to cover all the holes 20 with the lipid bilayer membrane 30 when measuring with the one electrode 40. Therefore, measurement preparation and measurement conditions are complicated. Therefore, it is desirable to form one electrode 40 that is electrically independent from the other electrodes in one hole 20.

電極40を穴部20に備えた基板の上に、実施例1の場合と同様に、カチオン性ハイドロゲル21を充填し、アニオン性巨大ベシクルを展開して脂質二分子膜30を配置することにより、穴部20の開口部を脂質二分子膜30で覆った。すなわち、金属陽イオンを使用せずに巨大ベシクルを展開することができた。脂質二分子膜の下面30aはハイドロゲル21の上面に接触していた。さらに、脂質二分子膜30に膜タンパク質31としてα−ヘモリシンを配置し、電極40と対向電極41の間に電圧を印加した時にその間に流れる電流を計測することにより、α−ヘモリシンを介したイオンの膜透過を定量的に検出することができる。   As in the case of Example 1, the cationic hydrogel 21 is filled on the substrate provided with the electrode 40 in the hole portion 20, the anionic giant vesicle is developed, and the lipid bilayer membrane 30 is disposed. The opening of the hole 20 was covered with a lipid bilayer membrane 30. That is, a huge vesicle could be developed without using a metal cation. The lower surface 30 a of the lipid bilayer membrane was in contact with the upper surface of the hydrogel 21. Furthermore, by arranging α-hemolysin as a membrane protein 31 in the lipid bilayer membrane 30 and measuring a current flowing between the electrode 40 and the counter electrode 41 when the voltage is applied, ions via α-hemolysin are measured. Can be quantitatively detected.

《実施例4》
カチオン性モノマー水溶液として、実施例1と同じ水溶液を準備した。また、実施例1のカチオン性水溶液を構成する第二のモノマーであるDMAPMAをアクリル酸に変更した以外は当該カチオン性水溶液と同じ組成を有する、アニオン性モノマー水溶液を調製した。各モノマー水溶液を用いて、カチオン性ハイドロゲルが充填された複数の穴部とアニオン性ハイドロゲルが充填された複数の穴部を、同一基板上にアレイ化した。
Example 4
As the cationic monomer aqueous solution, the same aqueous solution as in Example 1 was prepared. Moreover, the anionic monomer aqueous solution which has the same composition as the said cationic aqueous solution except having changed the DMAPMA which is the 2nd monomer which comprises the cationic aqueous solution of Example 1 to acrylic acid was prepared. Using each monomer aqueous solution, a plurality of holes filled with a cationic hydrogel and a plurality of holes filled with an anionic hydrogel were arrayed on the same substrate.

前述した電界形成法により、カチオン性巨大ベシクルを分散した分散液Aと、アニオン性巨大ベシクルを分散した分散液Bをそれぞれ調製した。
各分散液に含まれる巨大ベシクルを、同一基板における複数の穴部に充填されたアニオン性ハイドロゲルとカチオン性ハイドロゲルの上にそれぞれ展開することにより、ハイドロゲルの電荷と脂質二分子膜の電荷を静電相互作用により引き合わせた。この方法により、アニオン性ハイドロゲルが充填された穴部の上にカチオン性脂質二分子膜を配置し、カチオン性ハイドロゲルが充填された穴部の上にアニオン性脂質二分子膜を配置した脂質二分子膜アレイ基板(以下、パターン化アレイ基板と呼ぶことがある。)を、簡便に作製することができた。以下、更に詳細に説明する。
Dispersion A in which cationic giant vesicles were dispersed and Dispersion B in which anionic giant vesicles were dispersed were prepared by the electric field forming method described above.
By spreading the giant vesicles contained in each dispersion on an anionic hydrogel and a cationic hydrogel filled in a plurality of holes in the same substrate, the hydrogel charge and the lipid bilayer charge Were attracted by electrostatic interaction. By this method, a lipid having a cationic lipid bilayer membrane disposed on a hole filled with an anionic hydrogel, and an anionic lipid bilayer membrane disposed on a hole filled with a cationic hydrogel. A bilayer array substrate (hereinafter sometimes referred to as a patterned array substrate) could be easily produced. This will be described in more detail below.

まず、実施例1と同様に、穴部を形成した基板を準備した。この基板上に、カチオン性モノマー水溶液に最終濃度で10μg/mlとなるようにリボフラビンを加えた水溶液を滴下した。次に、共焦点顕微鏡を用いて、基板上の任意の箇所に局所的にUV光を照射して、照射部をゲル化させた。この後、200mMグルコース水溶液を用いて基板上をリンスして、未反応のカチオン性モノマー水溶液を取り除いた。   First, in the same manner as in Example 1, a substrate in which holes were formed was prepared. On this substrate, an aqueous solution obtained by adding riboflavin to a cationic monomer aqueous solution so as to have a final concentration of 10 μg / ml was dropped. Next, using a confocal microscope, arbitrary portions on the substrate were locally irradiated with UV light to gel the irradiated portion. Thereafter, the substrate was rinsed with a 200 mM glucose aqueous solution to remove the unreacted cationic monomer aqueous solution.

次に、この基板上に、アニオン性モノマー水溶液に最終濃度で10μg/mlとなるようにリボフラビンを加えた水溶液を滴下し、UV光を任意の箇所に局所的に照射して、アニオン性モノマーをゲル化し、カチオン性ハイドロゲルが充填されていない穴部に、アニオン性ハイドロゲルを形成した。その後、200mMグルコース水溶液で基板上をリンスして、未反応のアニオン性モノマーを取り除いた。   Next, on this substrate, an aqueous solution in which riboflavin is added to an anionic monomer aqueous solution so as to have a final concentration of 10 μg / ml is dropped, and UV light is irradiated locally at an arbitrary position, whereby the anionic monomer is applied. An anionic hydrogel was formed in the hole that was gelled and not filled with the cationic hydrogel. Thereafter, the substrate was rinsed with a 200 mM glucose aqueous solution to remove unreacted anionic monomers.

得られたハイドロゲル基板上の外部溶液にアニオン性巨大ベシクルを含む分散液Bを添加して、10分以上放置した。その後、200mMグルコース水溶液で外部溶液Lを置換した後、カチオン性巨大ベシクルを含む分散液Aを添加して、10分以上室温で静置した。その後、所定の組成を有する外部溶液Lに置換し、基板上をリンスした。この結果、ハイドロゲルと巨大ベシクルの静電引力により、カチオン性ハイドロゲルが充填された穴部上にはアニオン性脂質二分子膜が配置され、アニオン性ハイドロゲルが充填された穴部上にはカチオン性脂質二分子膜が配置された、脂質二分子膜アレイ基板を作製することができた。すなわち、金属陽イオンを使用せずに巨大ベシクルを展開することができた。図10に当該基板の模式図を示す。   Dispersion B containing an anionic giant vesicle was added to the external solution on the obtained hydrogel substrate, and allowed to stand for 10 minutes or longer. Then, after substituting the external solution L with 200 mM glucose aqueous solution, the dispersion liquid A containing a cationic giant vesicle was added, and it left still at room temperature for 10 minutes or more. Thereafter, the external solution L having a predetermined composition was substituted, and the substrate was rinsed. As a result, due to the electrostatic attraction of the hydrogel and the giant vesicle, an anionic lipid bilayer membrane is disposed on the hole filled with the cationic hydrogel, and on the hole filled with the anionic hydrogel. A lipid bilayer membrane array substrate on which a cationic lipid bilayer membrane was arranged could be produced. That is, a huge vesicle could be developed without using a metal cation. FIG. 10 shows a schematic diagram of the substrate.

このような脂質二分子膜アレイ基板において、アニオン性巨大ベシクルとカチオン性巨大ベシクルにそれぞれ異なる膜タンパク質を挿入しておくことにより、簡便に膜タンパク質アレイ基板を作製することができる。   In such a lipid bilayer array substrate, a membrane protein array substrate can be easily prepared by inserting different membrane proteins into an anionic giant vesicle and a cationic giant vesicle, respectively.

以上で説明した各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は各実施形態によって限定されることはなく、請求項(クレーム)の範囲によってのみ限定される。   The configurations and combinations thereof in the embodiments described above are examples, and the addition, omission, replacement, and other modifications of the configurations can be made without departing from the spirit of the present invention. Further, the present invention is not limited by each embodiment, and is limited only by the scope of the claims.

本発明にかかる基板は、生体分子の機能測定の分野に広く適用可能である。   The substrate according to the present invention is widely applicable in the field of functional measurement of biomolecules.

1〜3…ハイドロゲルアレイ基板、4〜6…脂質二分子膜アレイ基板(膜タンパク質アレイ基板)、10…基板本体、10a…基板本体の上面、11…親水層、11a…親水層の上面(基板の上面)、12…第一の絶縁層、13…第二の絶縁層、20…穴部、20a…脂質二分子膜で覆われていない穴部,20b…脂質二分子膜で覆われている穴部、21…ハイドロゲル、22…蛍光分子、30…脂質二分子膜(脂質二重膜)、30a…脂質二分子膜の下面、31…膜タンパク質、40…電極、40a…金属層(電極層)、41…対向電極、L…外部溶液、V…カチオン性巨大ベシクル、P…ゲルを押す方向 1-3 ... Hydrogel array substrate, 4-6 ... Lipid bilayer array substrate (membrane protein array substrate), 10 ... Substrate body, 10a ... Upper surface of substrate body, 11 ... Hydrophilic layer, 11a ... Upper surface of hydrophilic layer ( Top surface of substrate), 12 ... first insulating layer, 13 ... second insulating layer, 20 ... hole, 20a ... hole not covered with lipid bilayer, 20b ... covered with lipid bilayer 21 ... hydrogel, 22 ... fluorescent molecule, 30 ... lipid bilayer membrane (lipid bilayer membrane), 30a ... lower surface of lipid bilayer membrane, 31 ... membrane protein, 40 ... electrode, 40a ... metal layer ( Electrode layer), 41 ... counter electrode, L ... external solution, V ... cationic giant vesicle, P ... direction of pushing the gel

Claims (8)

基板と、
前記基板の表面に配列された複数の穴部と、
前記穴部に充填された電荷を有するハイドロゲルと、
が少なくとも備えられていることを特徴とするハイドロゲルアレイ基板。
A substrate,
A plurality of holes arranged on the surface of the substrate;
A hydrogel having a charge filled in the hole;
A hydrogel array substrate comprising:
正電荷を有するハイドロゲルが充填された穴部と、
負電荷を有するハイドロゲルが充填された穴部と、
がそれぞれ同一基板上に配列されていることを特徴とする
請求項1に記載のハイドロゲルアレイ基板。
A hole filled with a hydrogel having a positive charge;
A hole filled with a hydrogel having a negative charge;
The hydrogel array substrate according to claim 1, wherein each is arranged on the same substrate.
請求項1又は2に記載のハイドロゲルアレイ基板に脂質二分子膜が備えられた脂質二分子膜アレイ基板であって、
前記穴部に充填されている前記ハイドロゲルの電荷とは反対の電荷を有する脂質二分子膜が、前記穴部の開口部を覆うように配置されていることを特徴とする脂質二分子膜アレイ基板。
A lipid bilayer array substrate comprising a lipid bilayer membrane on the hydrogel array substrate according to claim 1 or 2,
A lipid bilayer membrane, wherein a lipid bilayer membrane having a charge opposite to the charge of the hydrogel filled in the hole is arranged so as to cover the opening of the hole substrate.
請求項1又は2に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法であって、
前記ハイドロゲルを構成するモノマーを含む溶液を前記穴部に充填する充填工程と、
前記溶液中の前記モノマーをゲル化させて、前記穴部内に前記ハイドロゲルを形成するゲル化工程と、
を有することを特徴とするハイドロゲルアレイ基板の製造方法。
A method for producing a hydrogel array substrate according to claim 1 or 2,
A filling step of filling the hole with a solution containing a monomer constituting the hydrogel;
Gelling the monomer in the solution to form the hydrogel in the hole; and
A method for producing a hydrogel array substrate, comprising:
請求項1又は2に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法であって、
第一のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第一溶液を前記複数の穴部に充填する第一充填工程と、
前記複数の穴部のうち第一群の穴部において第一溶液中の前記モノマーをゲル化させて、第一群の穴部内に第一のハイドロゲルを形成する第一ゲル化工程と、
前記複数の穴部のうち第一群とは異なる第二群の穴部に、第二のハイドロゲルを構成するモノマーを含む第二溶液を充填する第二充填工程と、
第二群の穴部において第二溶液中の前記モノマーをゲル化させて、第二群の穴部内に第二のハイドロゲルを形成する第二ゲル化工程と、
を有することを特徴とするハイドロゲルアレイ基板の製造方法。
A method for producing a hydrogel array substrate according to claim 1 or 2,
A first filling step of filling the plurality of holes with a first solution containing a monomer constituting the first hydrogel;
The first gelation step of gelling the monomer in the first solution in the first group of holes among the plurality of holes to form a first hydrogel in the first group of holes,
A second filling step of filling a second group of holes different from the first group among the plurality of holes with a second solution containing a monomer constituting the second hydrogel;
A second gelation step of gelling the monomer in the second solution in the second group of holes to form a second hydrogel in the second group of holes;
A method for producing a hydrogel array substrate, comprising:
前記モノマーを含む溶液に光重合開始剤を含有させ、前記溶液が充填された穴部に光を照射することにより、前記モノマーをゲル化させることを特徴とする請求項4又は5に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法。 6. The hydrogel according to claim 4 or 5, wherein a photopolymerization initiator is contained in the solution containing the monomer, and the monomer is gelled by irradiating light to the hole filled with the solution. A method for producing a gel array substrate. 請求項4又は5に記載のハイドロゲルアレイ基板の製造方法が有する各工程と、
前記ハイドロゲルが充填された前記穴部の上に、ベシクルを含む溶液を載せ、前記ベシクルを沈降させ、前記穴部の開口部の上又は近傍で前記ベシクルを展開し、前記開口部を脂質二分子膜で覆う脂質二分子膜形成工程と、
を有することを特徴とする脂質二分子膜アレイ基板の製造方法。
Each process which the manufacturing method of the hydrogel array substrate according to claim 4 or 5 has,
A solution containing vesicles is placed on the holes filled with the hydrogel, the vesicles are allowed to settle, the vesicles are developed on or near the openings of the holes, and the openings are made lipid-free. A process of forming a lipid bilayer covering with a molecular membrane;
A method for producing a lipid bilayer array substrate, comprising:
前記ハイドロゲルの電荷とは反対の電荷を有する脂質分子によって構成される前記ベシクルを用いることを特徴とする請求項7に記載の脂質二分子膜アレイ基板の製造方法。 The method for producing a lipid bilayer array substrate according to claim 7, wherein the vesicle composed of lipid molecules having a charge opposite to that of the hydrogel is used.
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