JP2004283088A - バイオマイクロアクチュエーター - Google Patents
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Abstract
【課題】物理的作用と生体細胞の機能とを融合し、流体マイクロポンプやマイクロバルブ等としての有用な、新しいバイオマイクロアクチュエーターを提供する。
【解決手段】柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させてバイオマイクロアクチュエーターとする。
【選択図】 図２
【解決手段】柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させてバイオマイクロアクチュエーターとする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明はバイオマイクロアクチュエーターに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロ人工臓器デバイスとして有用な新しいバイオマイクロアクチュエーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロチップ内微小空間を利用して、これまでに様々な分析や合成の高効率なマイクロ化学プロセスを実現されている。しかし、これらは物理的な微小空間のサイズ効果のみを利用しているため、さらに複雑で高機能な化学プロセスを構築することは難しい。このためにはより高度な化学反応系や流体駆動法が必要である。
【０００３】
一方、分子生物学や遺伝学の研究の発展にともなう生物化学反応や分析技術の展開のために、マイクロチップ内で細胞を培養することが試みられている。しかし、これらの試みは、分析やハイスループットな検査システムへの応用として考えられているにすぎない（文献１）。
【０００４】
マイクロチップ技術の発展のためには、物理的作用効果と生物機能とを高度に融合した新しい発想と具体的な展開が必要とされている。
【０００５】
特に、これまでのマイクロマシン技術では、シリコン基板、プラスチック、ガラス基板上に様々なアクチュエータ、マイクロポンプ、マイクロバルブが開発されてきているが、制作上、物理的な限界があり、また生体適合性、エネルギー供給などの問題があることから、実際にこのような機能を微小空間内で実現している生体細胞を活用することが考えられる。電力を要する機械的ポンプを集積化するかわりに、生体内で流体の駆動源となっている心筋細胞のポンプ機能に着目し、化学エネルギーだけで駆動するバイオマイクロアクチュエーターの創製が考えられる。
【０００６】
しかしながら、現状においては、このような着想やこれを具体化するための手がかりと展望は知られていないのが実情である。
【０００７】
【文献１】
Ｃａｒｌｏ Ｄ． Ｍｏｎｔｅｍａｇｎｏ， ｅｔ ａｌ．， （２００２） Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ ＭＥＭＳ，ｐｐ−１−５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この出願の発明は以上のような背景を踏まえ、これまでの技術的限界を克服して、物理的作用と生体細胞の機能とを融合し、流体マイクロポンプやマイクロバルブ等としての有用な新しいバイオマイクロアクチュエーターを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを提供する。
【００１０】
また、この出願の発明は、第２には、筋細胞が心筋細胞であることを特徴とする上記のバイオマイクロアクチュエーターを提供し、第３には、作動体がハイドロゲルであることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを、第４には、作動体がマイクロチップの流路に配置されて、流体の駆動が行われることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
この出願のバイオマイクロアクチュエーターにおいて特徴的なことは、前記のとおり、柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させることである。
【００１３】
ここでの筋細胞としては、形態学的に横紋筋に属する心筋細胞や骨格筋、そして平滑筋の細胞が考慮される。なかでも心筋細胞は好適なものの一つである。そしてこれらの筋細胞を培養、接着させる作動体については、柔軟な組織体として、かつ突起部を有するものとする。この場合の突起部については、アクチュエーターの目的、用途等によって適宜な形状、構造とすることができる。たとえば柱状（ピラー）、帯状等のものが考慮される。
【００１４】
作動体の組織については、特に限定的ではないが、好適なものとしてハイドロゲルやゲルタンパク質等を例示することができる。合成高分子によるハイドロゲルを簡便に作製できるものとして好ましいものの一つである。これら作動体への筋細胞の接着には、必要であれば細胞接着剤を用いてもよい。たとえば細胞接着性のペプチドである。
【００１５】
筋細胞の培養や接着のためには、これまでに知られているものをはじめ各種の手段が採用されてよいことは言うまでもない。
【００１６】
たとえば、この出願の発明においては、微小な心臓類似の機能を実現するものとして、図１に例示したように、ポンプ機能、インジェクション機能、逆止弁機能、リアクター機能の一部または全部を上記の作動体として構成し、また、図１のピラー（柱状体）として作動体を構成して、流体駆動を行うことが可能となる。
【００１７】
この出願の発明のバイオマイクロアクチュエーターは、マイクロチップの流路（チャンネル）に配置することもできる。これによってマイクロチップの流体駆動が実現される。
【００１８】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。
【００１９】
もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００２０】
【実施例】
材料の加工形状は心筋細胞の伸縮によって可動なマイクロピラー構造体とした（図２）。そして、鋳型を用いてピラーの形状を作製した。まず、シリコン基板にダイシングソーで格子状の微細溝を５００本、ピッチ１００μｍで加工した。マイクロピラーの大きさは５０μｍ２×高さ２２０μｍである。これにＰＤＭＳの原料を流し込んで固め、鋳型をとりこれにモノマー（アクリル酸３０ｍｏｌ％＋ジメチルアクリルアミド７０ｍｏｌ％）３０ｗｔ％エタノール溶液を流し込んで反応させ、ハイドロゲルのピラーを作製した（図３）。次に、ゲルの細胞接着性向上のための表面の化学修飾を行った。ゲルを水で洗浄し、末反応モノマーを除去後、ゲル構造体をウェルプレート中へ入れ、細胞接着性ペプチドＲＧＤＳ（アルギニン・グリシン・アスパラギン酸・セリン）１００ｍｇ／μｌ水溶液を１００μｌ／ウェル加え、室温でアクリル酸のカルボキシ基と２４時間反応させ、ペプチド結合によるＲＧＤＳ修飾を行った。さらに水で洗浄し、紫外線滅菌後、ラット（ウィスター新生児・０日齢）から摘出した心臓から遊離した心筋細胞の培養液（２×１０６個／ｍｌ）を１００μｌ／ウェル加え、３７℃、５％ＣＯ２で培養した。
【００２１】
培養開始３日後の様子を図４に示す。写真ＣＣＤカメラ付き倒立顕微鏡を用いて撮影したものである。図のピラー周辺に接着した細胞が見られ、約５０μｍの心筋組織を培養できたことがわかる。約１０秒に１回、ピラーの上部とゲル基板面に接着した心筋細胞が収縮することによってピラー上部を動かしているのが観察された。ピラー上部の収縮時の変位は約１０μｍであった。本実験により、ハイドロゲルなどの柔軟な材料のマイクロ構造物を、心筋細胞を用いて動かせることがわかり、バイオマイクロアクチュエーターの基本構想を検証できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、これまでの技術的限界を克服して、物理的作用と生体細胞の機能とを融合し、流体マイクロポンプやマイクロバルブ等としての有用な、新しいバイオマイクロアクチュエーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオマイクロアクチュエーターの構成概要例を示した図である。
【図２】実施例としてのアクチュエーターの構成を例示した断面概要図である。
【図３】実施例における作動体としてのハイドロゲルピラーを例示した顕微鏡写真である。
【図４】実施例における培養細胞の状態を例示した顕微鏡写真である。
【発明の属する技術分野】
この出願の発明はバイオマイクロアクチュエーターに関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、マイクロ人工臓器デバイスとして有用な新しいバイオマイクロアクチュエーターに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロチップ内微小空間を利用して、これまでに様々な分析や合成の高効率なマイクロ化学プロセスを実現されている。しかし、これらは物理的な微小空間のサイズ効果のみを利用しているため、さらに複雑で高機能な化学プロセスを構築することは難しい。このためにはより高度な化学反応系や流体駆動法が必要である。
【０００３】
一方、分子生物学や遺伝学の研究の発展にともなう生物化学反応や分析技術の展開のために、マイクロチップ内で細胞を培養することが試みられている。しかし、これらの試みは、分析やハイスループットな検査システムへの応用として考えられているにすぎない（文献１）。
【０００４】
マイクロチップ技術の発展のためには、物理的作用効果と生物機能とを高度に融合した新しい発想と具体的な展開が必要とされている。
【０００５】
特に、これまでのマイクロマシン技術では、シリコン基板、プラスチック、ガラス基板上に様々なアクチュエータ、マイクロポンプ、マイクロバルブが開発されてきているが、制作上、物理的な限界があり、また生体適合性、エネルギー供給などの問題があることから、実際にこのような機能を微小空間内で実現している生体細胞を活用することが考えられる。電力を要する機械的ポンプを集積化するかわりに、生体内で流体の駆動源となっている心筋細胞のポンプ機能に着目し、化学エネルギーだけで駆動するバイオマイクロアクチュエーターの創製が考えられる。
【０００６】
しかしながら、現状においては、このような着想やこれを具体化するための手がかりと展望は知られていないのが実情である。
【０００７】
【文献１】
Ｃａｒｌｏ Ｄ． Ｍｏｎｔｅｍａｇｎｏ， ｅｔ ａｌ．， （２００２） Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＥＥＥ ＭＥＭＳ，ｐｐ−１−５
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この出願の発明は以上のような背景を踏まえ、これまでの技術的限界を克服して、物理的作用と生体細胞の機能とを融合し、流体マイクロポンプやマイクロバルブ等としての有用な新しいバイオマイクロアクチュエーターを提供することを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを提供する。
【００１０】
また、この出願の発明は、第２には、筋細胞が心筋細胞であることを特徴とする上記のバイオマイクロアクチュエーターを提供し、第３には、作動体がハイドロゲルであることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを、第４には、作動体がマイクロチップの流路に配置されて、流体の駆動が行われることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーターを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１２】
この出願のバイオマイクロアクチュエーターにおいて特徴的なことは、前記のとおり、柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させることである。
【００１３】
ここでの筋細胞としては、形態学的に横紋筋に属する心筋細胞や骨格筋、そして平滑筋の細胞が考慮される。なかでも心筋細胞は好適なものの一つである。そしてこれらの筋細胞を培養、接着させる作動体については、柔軟な組織体として、かつ突起部を有するものとする。この場合の突起部については、アクチュエーターの目的、用途等によって適宜な形状、構造とすることができる。たとえば柱状（ピラー）、帯状等のものが考慮される。
【００１４】
作動体の組織については、特に限定的ではないが、好適なものとしてハイドロゲルやゲルタンパク質等を例示することができる。合成高分子によるハイドロゲルを簡便に作製できるものとして好ましいものの一つである。これら作動体への筋細胞の接着には、必要であれば細胞接着剤を用いてもよい。たとえば細胞接着性のペプチドである。
【００１５】
筋細胞の培養や接着のためには、これまでに知られているものをはじめ各種の手段が採用されてよいことは言うまでもない。
【００１６】
たとえば、この出願の発明においては、微小な心臓類似の機能を実現するものとして、図１に例示したように、ポンプ機能、インジェクション機能、逆止弁機能、リアクター機能の一部または全部を上記の作動体として構成し、また、図１のピラー（柱状体）として作動体を構成して、流体駆動を行うことが可能となる。
【００１７】
この出願の発明のバイオマイクロアクチュエーターは、マイクロチップの流路（チャンネル）に配置することもできる。これによってマイクロチップの流体駆動が実現される。
【００１８】
そこで以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。
【００１９】
もちろん、以下の例によって発明が限定されることはない。
【００２０】
【実施例】
材料の加工形状は心筋細胞の伸縮によって可動なマイクロピラー構造体とした（図２）。そして、鋳型を用いてピラーの形状を作製した。まず、シリコン基板にダイシングソーで格子状の微細溝を５００本、ピッチ１００μｍで加工した。マイクロピラーの大きさは５０μｍ２×高さ２２０μｍである。これにＰＤＭＳの原料を流し込んで固め、鋳型をとりこれにモノマー（アクリル酸３０ｍｏｌ％＋ジメチルアクリルアミド７０ｍｏｌ％）３０ｗｔ％エタノール溶液を流し込んで反応させ、ハイドロゲルのピラーを作製した（図３）。次に、ゲルの細胞接着性向上のための表面の化学修飾を行った。ゲルを水で洗浄し、末反応モノマーを除去後、ゲル構造体をウェルプレート中へ入れ、細胞接着性ペプチドＲＧＤＳ（アルギニン・グリシン・アスパラギン酸・セリン）１００ｍｇ／μｌ水溶液を１００μｌ／ウェル加え、室温でアクリル酸のカルボキシ基と２４時間反応させ、ペプチド結合によるＲＧＤＳ修飾を行った。さらに水で洗浄し、紫外線滅菌後、ラット（ウィスター新生児・０日齢）から摘出した心臓から遊離した心筋細胞の培養液（２×１０６個／ｍｌ）を１００μｌ／ウェル加え、３７℃、５％ＣＯ２で培養した。
【００２１】
培養開始３日後の様子を図４に示す。写真ＣＣＤカメラ付き倒立顕微鏡を用いて撮影したものである。図のピラー周辺に接着した細胞が見られ、約５０μｍの心筋組織を培養できたことがわかる。約１０秒に１回、ピラーの上部とゲル基板面に接着した心筋細胞が収縮することによってピラー上部を動かしているのが観察された。ピラー上部の収縮時の変位は約１０μｍであった。本実験により、ハイドロゲルなどの柔軟な材料のマイクロ構造物を、心筋細胞を用いて動かせることがわかり、バイオマイクロアクチュエーターの基本構想を検証できた。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、これまでの技術的限界を克服して、物理的作用と生体細胞の機能とを融合し、流体マイクロポンプやマイクロバルブ等としての有用な、新しいバイオマイクロアクチュエーターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオマイクロアクチュエーターの構成概要例を示した図である。
【図２】実施例としてのアクチュエーターの構成を例示した断面概要図である。
【図３】実施例における作動体としてのハイドロゲルピラーを例示した顕微鏡写真である。
【図４】実施例における培養細胞の状態を例示した顕微鏡写真である。
Claims (4)
- 柔軟な突起部を有する作動体上で筋細胞を培養し、接着した筋細胞の伸長と収縮にともなって突起部を変位させることを特徴とするバイオマイクロアクチュエーター。
- 筋細胞が心筋細胞であることを特徴とする請求項１のバイオマイクロアクチュエーター。
- 作動体がハイドロゲルであることを特徴とする請求項１または２のバイオマイクロアクチュエーター。
- 作動体がマイクロチップの流路に配置されて、流体の駆動が行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかのバイオマイクロアクチュエーター。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003079506A JP2004283088A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | バイオマイクロアクチュエーター |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003079506A JP2004283088A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | バイオマイクロアクチュエーター |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004283088A true JP2004283088A (ja) | 2004-10-14 |
Family
ID=33293603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003079506A Pending JP2004283088A (ja) | 2003-03-24 | 2003-03-24 | バイオマイクロアクチュエーター |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004283088A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1800824A1 (en) | 2005-12-20 | 2007-06-27 | Korea Institute Of Science And Technology | Apparatus and method of manufacturing a bio-activator |
| JP2012120474A (ja) * | 2010-12-08 | 2012-06-28 | Dainippon Printing Co Ltd | マイクロ流路チップ及びその製造方法 |
-
2003
- 2003-03-24 JP JP2003079506A patent/JP2004283088A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1800824A1 (en) | 2005-12-20 | 2007-06-27 | Korea Institute Of Science And Technology | Apparatus and method of manufacturing a bio-activator |
| JP2012120474A (ja) * | 2010-12-08 | 2012-06-28 | Dainippon Printing Co Ltd | マイクロ流路チップ及びその製造方法 |
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