JP2010207793A - ディスポ構造を有するインクジェット機構 - Google Patents

Abstract

【課題】微小な流路を有する流路部に液体もしくは微粒子を含んだ液体を流し、その流路の一部に設けたノズル部近傍を振動させることで流路外へ液滴として安定して高速に打ち出すことが可能なインクジェット機構部を有し、このインクジェット機構部が、前記流路部と容易に組み付け取り外しが可能であることを特徴とする微小液滴噴出装置を提供する。
【解決手段】流路部５、６、７、８の材質よりも高いヤング率を有する材質層４（例えばガラスや金属）が流路部５、６、７、８とインクジェット機構部３の間に設けられている。インクジェット機構部３は流路部５、６、７、８と容易に組み付け、取り外し可能になるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本特許は、医療分野、品種改良といったバイオ系産業分野や化学工業分野において、溶液もしくは細胞や菌などの微粒子を含んだ液滴を打ち出す、ディスポ構造を有する微小液滴噴出装置に関する技術である。

従来、バイオチップ内での卵子、細胞、菌などのバイオ操作は顕微鏡から得られる画像情報に基づいて行われることがほとんどであったが、人的にバイオチップを操作することによる外乱の影響をふせぐために、チップ内での非接触操作が必要となり、近年マイクロ流路内で非接触操作方法が着目されている。しかしバイオチップ内の操作後、対象物を用いて定量的な実験を行うには培養環境へ対象物を供給する必要がある。現在はこの処理を手作業で行っているため、再現性やコンタミなどの問題が生じ、バイオチップを用いた定量的な実験は行うことが出来ないという欠点があった。本発明はバイオチップ内の細胞などの微粒子を含んだ液体をインクジェット機構部によって流路外へ打ち出す装置に関するもので、微小な液滴を安定して高速に噴出し、液滴の連続生成を可能とする。また、従来の微小液滴噴出装置では駆動する部分と溶液が噴出するノズル部分が一体化した構造となっている。このような機構であるとバイオ材料を使用する際にはコンタミ等の問題を防止するため、装置の洗浄・機構全体の交換の必要があり、手間とコストがかかってしまうという欠点があった。本発明はインクジェット機構部が流路部と容易に組み付け取り外しが容易である利点があり、流路部に相当するバイオチップのみを試験ごとに容易に交換可能であるため、コンタミ等の問題が生じにくい。また従来の微小液滴噴出装置より安価であり、システムに組み込みやすいという利点があり、応用範囲が広い。

特願２００８−１２７５５８号 Ｍａｋｏｔｏ Ｎａｋａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ．"Ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ Ｉｎｋｊｅｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｄｅｓｉｇｎｅｄ Ｓｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ Ｌｉｖｉｎｇ Ｃｅｌｌｓ"，Ｔｉｓｓｕｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．１１（１１−１２），ｐ．１６５８−１６６６，（Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００５）；ｄｏｉ：１０．１０８９／ｔｅｎ．２００５．１１．１６５８．

微小な流路を有する流路部に液体もしくは微粒子を含んだ液体を流し、その流路の一部に設けたノズル部近傍を振動させることで流路外へ液滴として安定して高速に打ち出すことが可能なインクジェット機構部を有し、このインクジェット機構部が、前記流路部と容易に組み付け取り外しが可能であることを特徴とする微小液滴噴出装置を提供する。

流路部の材質よりも高いヤング率を有する材質層（例えばガラスや金属）が流路部とインクジェット機構部の間に設けられている。インクジェット機構部は流路部と容易に組み付け、取り外し可能になるように構成されている。インクジェット機構部により押し込まれた流路部および材質層は変形しやすく、特に材質層は高い弾性により復元しやすいことを特色とし、液滴を連続的に生成しやすくする効果を生む。またインクジェット機構部のピンと材質層とは接着やプリ圧縮の微調整が不要となるため、容易に組み付け、取り外しが可能となる効果を生む。また、流路部の注入口及び排出口からの液体の吸入・排出量を制御できるように構成する。これにより、ノズルから液滴が溢れて液滴生成の阻害になることを防止できる効果を生む。また、ノズルの出口を疎水性の材料もしくは疎水性の表面にすることで、液体がノズルから漏れ出ることを防止でき、液滴の連続生成を安定化させる効果を生む。

微小な流路を有する流路部に液体もしくは微粒子を含んだ液体を流し、その流路の一部に設けたノズル部近傍を振動させることで、流路外へ液滴として打ち出し、微小液を安定して高速に噴出することを実現できた。インクジェット機構部は流路部と容易に組み付け、取り外し可能になるように構成されている。インクジェット機構部により押し込まれた流路部および材質層は変形しやすく、特に材質層は高い弾性により復元しやすいことを特色とし、液滴を連続的に生成しやすくする効果を生む。インクジェット機構部のピンと材質層とは接着やプリ圧縮の微調整が不要となるため、容易に組み付け、取り外しが可能となる効果を生む。材質層や流路部が透明であることより、インクジェット機構部のピンと流路部のノズル孔との高精度な位置決め及び組み付けが実現できた。また流路部の注入口及び排出口からの液体の吸入・排出量を制御できるように構成することでノズルから液滴が溢れて液滴生成の阻害になることを防止できる効果を確認した。また、ノズルの出口を疎水性の材料もしくは疎水性の表面にすることで、液体がノズルから漏れ出ることを防止でき、液滴の連続生成を安定化させる効果を確認した。

以下、本発明の微小液滴噴出装置の好ましい実施形態について、実施例に基づき添付の図面に基づいて詳細に説明する。各図の説明において同一符号は同じものを示す。なお、微小液滴噴出装置が処理する対象物として、卵子（卵細胞）をはじめとした細胞を例にとって以下に説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、本発明の微小液滴噴出装置は、植物細胞もしくは動物細胞をはじめとする微粒子、有機もしくは無機微粒子、菌、結晶体、微生物、ＤＮＡ分子、ナノチューブ、ナノ材料等を含んだ液滴に対しても応用可能である。また、液体は水、水溶液、有機溶媒、生理食塩水、培養液、細胞成長因子など、流動性を有するものには応用可能である。以下実施例に基づき、本発明の利用例を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

図１および図２は、本発明を実施するための第１の実施の形態の微小液滴噴出装置である。ピエゾ素子１に例えば直径１ｍｍの金属製もしくは、ガラス製もしくは樹脂製のピン２を固定し、ピエゾ素子１とピン２をあわせて、インクジェット機構部３とする。図１（ｂ）における、流路部の材質よりも高いヤング率を有する材質層（４。例えばガラスや金属）は流路部（５、６、７、８）に接するように置かれ、材質層４（例えば厚さ１２０−１７０μｍ）の上部にインクジェット機構部３が設置される。インクジェット機構部３のピン２と材質層４とは接着やプリ圧縮の微調整が不要となるため、容易に組み付け、取り外しが可能となる効果を生む。

流路部（５、６、７、８）及び流路部の材質よりも高いヤング率を有する材質層（４。例えばガラスや金属）は透明であり、インクジェット機構部３のピン２と流路部のノズル７（例えば直径１００μｍ）との位置決めを容易に行うことができる。

ノズル７は例えばフォトレジスト（ＳＵ−８など）の樹脂製であり、例えば樹脂の疎水性などを利用して液溜りやサテライト液滴の発生を防ぐことにより、微小液滴打ち出し位置精度を±２００μｍの範囲内に噴出することができる。

図２は、微小液滴噴出装置１２より微粒子１０を含んだ液滴１１の生成を実施した例を示す。インクジェット機構部３により押し込まれた流路部（５、６、７、８）および材質層４は変形しやすく、特に材質層４は高い弾性により復元しやすいこと（例えばガラス材質層により１４倍の復元力の向上）を特色とし、液滴１１を連続的に生成しやすくする効果を生む。

流路部（５、６、７、８）の注入口及び排出口からの液体の吸入・排出量を制御できるように構成し、ノズル７から液滴が溢れて液滴生成の阻害になることを防止できる。

図３は、微小液滴噴出装置１２内の流路部（５、６、７、８）において、溶液内の微粒子１０が内包された液滴を打ち出すためにノズル付近のマイクロ流路内をシースフロー（層流）で挟み込み、打ち出す微粒子の位置決めを正確に行った例を示す。微粒子の内包された液滴はノズル孔１４から打ち出すことができる。

図４は、磁気駆動マイクロツール（ＭＭＴ）による細胞選別・操作・分注・培養システムにおける分注・培養部分に本発明を実施した例である。例えばチップへ投入された微粒子は１個１個送る機能を持つＭＭＴローダー１６によってチップ内に送られ、画像センシング機能がついた分離機能を持つＭＭＴソーティングシステム１７によって選別される。ある条件下に選別された細胞を微小液滴噴出装置１２によって、チップ内から培養ウェルへ１個１個の細胞を内包した液滴を打ち出すことができる。

インクジェットシステム１５は微粒子を含む液滴を１個１個正確に打ち出すためのシステムの一例である。微粒子の識別手段は例えばＬＥＤセンサ１８と、ＡＣ／ＤＣ変換器１９と、コンピュータ２０とＤＣ／ＡＣ変換器２１とピエゾ素子１から成っている。この場合、まず例えばＬＥＤセンサ１８で微小流路を流れる微粒子をセンシングし、その微粒子の信号をＡＣ／ＤＣ変換器１９を介してコンピュータ２０に入力する。コンピュータ２０で、その入力された信号を識別し、ＤＣ／ＡＣ変換機２１と信号増幅アンプ２２を介してピエゾ素子１を駆動し、制御可能になっている。

バイオ技術分野の発展に伴い、バイオ関連微粒子のオンチップ操作に関する需要は加速度的に増加すると考えられる。本発明によれば、安価で小型かつディスポーサブルなマイクロ流体チップに、微小液滴噴出機能を付加できる。また、個々の細胞をチップ外に排出する機能を付加できる利点がある。このとき、排出された細胞を受け止めるプレートを置き、このプレートと前記チップとの相対位置を調整することで、プレート上に細胞を規則的に分配することが容易に実現できる。本発明は、産業的にも充分な処理能力を有しており、バイオ産業・化学産業の発展に貢献することができる。

本発明の第１の実施の形態の微小液滴噴出装置を示す。（ａ）インクジェット機構部の正面図。（ｂ）高いヤング率を有する材質層と流路部の側面図。 本発明の第１の実施の形態の微小液滴噴出装置の（ａ）液滴生成前の状態を示す図、（ｂ）液滴生成後の状態を示す図である。 図２に示す微小液滴噴出装置において、微粒子の含んだ流体をシースフロー（層流）で挟込み微粒子の位置を固定し、ノズル孔より打ち出す流路部の平面図である。 本発明の第２の実施の形態の微小液滴噴出装置を用いた細胞選別・操作・分注・培養システムを示す図であり、磁気駆動マイクロツール（ＭＭＴ）によりチップに投入された微粒子を１個１個順々に送り（ローディング機能）、その後センサにより分離され、一定条件のもとに選別された微粒子を本発明の微小液滴噴出装置により流路外へ液滴として１個１個打ち出すワンチップシステム図である。微小液滴噴出装置のシステムは図３に示すシースフロー（層流）を用いて微粒子を挟み込み位置決めを行い、光センサによりでタイミングを合わせてピエゾ素子を駆動させ、微粒子内包液滴を打ち出すシステムとなっている。

１ ピエゾ素子。
２ ピン。
３ インクジェット機構部。
４ 高いヤング率を有する材質層（例えばガラスや金属）。
５ 樹脂製（例えばＰＤＭＳ）薄膜（流路部）。
６ 樹脂性もしくは厚膜レジスト（例えばＳＵ−８）性の流路（横から見た図）（流路部）。
７ ノズル（例えばＳＵ−８などの厚膜レジスト（横から見た図））（流路部）。
８ 基板（流路部）。
９ 溶液。
１０ 微粒子。
１１ 液滴。
１２ 微小液滴噴出装置。
１３ シースフロー（層流）（上から見た図）。
１４ ノズル孔（上から見た図）。
１５ インクジェットシステム図。
１６ 磁気駆動マイクロツール（ＭＭＴ）によるローディング（投入）機構。
１７ 磁気駆動マイクロツール（ＭＭＴ）によるソーティング（分離）機構。
１８ ＬＥＤセンサ。
１９ ＡＣ／ＤＣ変換器。
２０ コンピュータ。
２１ ＤＣ／ＡＣ変換器。
２２ 増幅アンプ。

Claims (4)

1. 微小な流路を有する流路部に液体もしくは微粒子を含んだ液体を流し、その流路の一部に設けたノズル部近傍を振動させることで流路外へ液滴として打ち出すためのインクジェット機構部を有し、このインクジェット機構部が、前記流路部と容易に組み付け取り外しが可能であることを特徴とする微小液滴噴出装置。
2. 前記流路部の材質よりも高いヤング率を有する材質層を流路部と前記インクジェット機構部との間に設けることで、微小液を安定して高速に噴出できることを特徴とする請求項１記載の微小液滴噴出装置。
3. 前記微小流路内に供給する流体を注入口から加圧し、排出口から吸引することにより、吸入量および排出量を調整することによって、前記ノズルでの液滴の連続生成を安定化させることを特徴とする請求項１記載の微小液滴噴出装置。
4. 前記ノズルの出口を疎水性の材料もしくは疎水性の表面にすることで液滴の連続生成を安定化させることを特徴とする請求項１記載の微小液滴噴出装置。