JP2012078871A - 細胞マニピュレータ - Google Patents
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Abstract
段で実施すること。
【解決手段】細胞に針を挿入するインジェクションピペット34と、インジェクションピ
ペット34の位置を制御するXY軸テーブル36およびZ軸テーブル38を備え、インジ
ェクションピペット34を支持するZ軸テーブル38に微動機構44を内蔵し、微動機構
44は、印加電圧に応じてインジェクションピペット34の長手方向に沿って伸縮する圧
電素子54と、圧電素子54に対する印加電圧を制御する制御回路を有し、圧電素子54
は、微動用電圧の印加に応答してインジェクションピペット34をその長手方向に沿って
微動駆動し、インジェクション用電圧の印加に応答してインジェクションピペット34に
針を挿入するための押圧力を付与する。
【選択図】図1
Description
胞に核などを注入する技術に関する。
どを注入する細胞マニピュレータとして、マイクロマニピュレータシステムが知られてい
る(特許文献1参照)。このマイクロマニピュレータシステムにおいては、マニピュレー
タ用微小器具を細胞に挿入する際に、細胞が大きく変形して、細胞にダメージを与えるの
を防止するために、マニピュレータ用微小器具を固定状態で保持する保持部材を移動体に
固定するとともに、保持部材に圧電・電歪素子を直接取り付ける構成が採用されている。
微小器具を保持する保持部材を移動体に固定するとともに、保持部材に圧電・電歪素子を
直接取り付けるようにしているので、マニピュレータ用微小器具を細胞に挿入する際に、
細胞にダメージを与えるのを防止することができる。
が、マニピュレータ用微小器具を微動駆動する構成が採用されていないので、マニピュレ
ータ用微小器具を高精度に位置決めするための微動機構を別に設けたのでは、制御軸数が
増加するとともに、配線処理が困難となる。
ションピペットに対する微動動作とインジェクション動作を同一の手段で実施することに
ある。
トと、前記インジェクションピペットを駆動対象として、前記細胞を含む三次元空間を移
動領域として前記インジェクションピペットの位置を制御する三次元軸移動テーブルとを
備え、前記ナノポジショナは、前記三次元軸移動テーブルのいずれかの軸の移動テーブル
に配置されて、印加電圧に応じて前記インジェクション方向に沿って伸縮する圧電アクチ
ュエータと、前記圧電アクチュエータに対する印加電圧を制御する制御回路を含み、前記
圧電アクチュエータは、前記制御回路の印加電圧に応じて前記インジェクションピペット
に対してインジェクション動作または微動動作をさせてなる細胞マニピュレータを構成し
たものである。
調整することで、インジェクションピペットに対してインジェクション動作または微動動
作をさせることができ、構成の簡素化を図ることができるとともに、インジェクションピ
ペットに対する位置決めを高精度に行うことができる。
ョンピペットと、前記インジェクションピペットを駆動対象として前記インジェクション
ピペットに連結されたナノポジショナと、前記ナノポジショナを支持する支持部材と、前
記支持部材を伴って二次元空間を移動して前記インジェクションピペットの位置を制御す
る二次元軸テーブルとを備え、前記ナノポジショナは、印加電圧に応じて前記インジェク
ションピペットの長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエ
ータに対する印加電圧を制御する制御回路を含み、前記圧電アクチュエータは、前記制御
回路からの印加電圧に応じて前記インジェクションピペットに対してインジェクション動
作または微動動作をさせることができる。この場合、前記支持部材は、前記ナノポジショ
ナを前記インジェクションピペットの設置角度と平行に配置することができる。
。(1)前記圧電アクチュエータは、インジェクション用電圧の印加に応答して、前記細
胞に針を挿入するための押圧力を前記インジェクションピペットに付与してなる。(2)
前記圧電アクチュエータは、前記制御回路からの微動用電圧の印加に応答して前記インジ
ェクションピペットを微動駆動してなる。
トに対する位置決めを高精度に行うことができる。
示す細胞マニピュレータの構成図である。図1において、マニピュレータシステム10は
、顕微鏡観察下で細胞等の対象物に人工操作を実施するためのシステムとして、顕微鏡ユ
ニット12と、ホールディング用マニピュレータ14と、インジェクション用マニピュレ
ータ16とを備えており、顕微鏡ユニット12の両側にマニピュレータ12、14が分か
れて配置されている。
2の上方に顕微鏡20が配置され、顕微鏡20にはカメラ18が連結されている。ベース
22上には細胞等の対象物が載置されるようになっており、ベース22上の細胞(図示せ
ず)に顕微鏡20から光が照射されるようになっている。ベース22上の細胞で反射した
光が顕微鏡20に入射すると、細胞に関する光学像は、顕微鏡20で拡大された後カメラ
18で撮像されるようになっており、カメラ18の撮像による画像を基に細胞を観察する
ことができる。
ルディングピペット24、XY軸テーブル26、Z軸テーブル28、XY軸テーブル26
を駆動する駆動装置30、Z軸テーブル28を駆動する駆動装置32を備えて構成されて
おり、ホールディングピペット24は、Z軸テーブル28に連結され、Z軸テーブル28
はXY軸テーブル26上に上下動自在に配置されている。XY軸テーブル26は、駆動装
置30の駆動により、X軸またはY軸に沿って移動するように構成され、Z軸テーブル2
8は、駆動装置32の駆動により、Z軸に沿って(鉛直軸方向に沿って)移動するように
構成されている。Z軸テーブル28に連結されたホールディングピペット24は、XY軸
テーブル26とZ軸テーブル28の移動に従って三次元空間を移動領域として移動し、ベ
ース22上の細胞等を保持するように構成されている。
ンジェクションピペット34、XY軸テーブル36、Z軸テーブル38、XY軸テーブル
36を駆動する駆動装置40、Z軸テーブル38を駆動する駆動装置42を備えて構成さ
れており、インジェクションピペット34は、Z軸テーブル38に連結され、Z軸テーブ
ル38はXY軸テーブル36上に上下動自在に配置されている。XY軸テーブル36は、
駆動装置40の駆動により、X軸またはY軸に沿って移動するように構成され、Z軸テー
ブル38は、駆動装置42の駆動により、Z軸に沿って(鉛直軸方向に沿って)移動する
ように構成されているとともに、ベース22上の細胞等を、針を挿入するための挿入対象
とするインジェクションピペット34に連結されている。すなわち、XY軸テーブル36
とZ軸テーブル38は、駆動装置40、42の駆動により、ベース22上の細胞等を含む
三次元空間を移動領域として移動し、インジェクションピペット34の位置、例えば、イ
ンジェクションピペット34の先端側からベース22上の細胞に対して、針を挿入するた
めの挿入位置を制御する三次元軸移動テーブルとして構成されている。
の機能を備え、インジェクションピペット34を往復動自在に支持するととともに、イン
ジェクションピペット34をその長手方向(軸方向)に沿って微動駆動するように構成さ
れている。
、または図3に示す微動機構46が付加(内蔵)されている。
略円筒状に形成されたハウジング48内には、ねじ軸50が挿通されているとともに、円
筒状の圧電素子54、円筒状の間座56がねじ軸50の外周側に収納されており、軸受5
8、60が内輪間座62を間にしてねじ軸50にロックナット66により固定されて収納
されている。
a、60aと外輪58b、60b間に挿入されたボール58c、60cを備え、各内輪5
8a、60aがねじ軸50の外周面に内輪間座62を介し嵌合され、各外輪58b、60
bがハウジング48の内周面に嵌合され、ねじ軸50を回転可能に支持するようになって
いる。軸受58は、ハウジング48の内周面に嵌合された間座56との当接により、圧電
素子を介してふた64を締めつけることによって予圧が付与される。ハウジング48の一
端側には圧電素子に電圧を印加するための信号線を通すための孔48a、48bが形成さ
れている。
力を与える。これにより、軸受58、60に所定の予圧が付与され、軸受58、60の外
輪間に軸方向間距離としての間隙63が形成される。
て制御回路(図示せず)に接続されており、制御回路からの電圧に応じてインジェクショ
ンピペット34のインジェクション方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータの一要素と
して構成されている。例えば、圧電素子54は、制御回路からインジェクション用電圧と
して、例えば、図4に示すような矩形波状の電圧V1が印加されたときには、この印加電
圧V1に応答して、インジェクションピペット34の先端側からベース22上の細胞に対
して、針を挿入するための押圧力をインジェクションピペット34に付与したり、あるい
は、制御回路から微動用電圧が印加されたときには、この印加電圧に応答して、ねじ軸5
0をその長手方向(軸方向)に沿って微動させて、インジェクションピペット34の位置
を微調整したりするようになっている。
ように、時間勾配を有する台形波状の電圧V2を用いることができる。この場合、電圧V
2を、初期値から最大印加電圧に達するまでの時間t1と最大電圧から初期値になるまで
の時間t2がそれぞれ同じになるように設定することで、インジェクションの際に、細胞
へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜くときの速度をそれぞれ同じにすることがで
きる。また、電圧V2の代わりに、図5(b)に示すように、初期値から最大印加電圧に
達するまでの時間t3と最大電圧から初期値になるまでの時間t4がそれぞれ異なる電圧
V3を用い、インジェクションの際に、細胞へ針を挿入するときの速度と細胞から針を抜
くときの速度をそれぞれ個別に設定することもできる。さらに、インジェクション用電圧
としては、図6に示すように、三角波状の電圧V4を用いることができる。この場合も、
初期値から最大印加電圧に達するまでの時間t5と最大電圧から初期値になるまでの時間
t6を任意に設定することができる。
、電圧の振幅や電圧の波形を調整することが望ましい。
略円筒状に形成されたハウジング74内には、ねじ軸76の軸方向一端側と、、圧電素子
80、間座82、軸受84、86が収納されている。圧電素子80は、ねじ軸76の延長
線上に、間座82を介してねじ軸76と直列になって配置されており、間座82は、ねじ
軸76の軸方向端部に噛合されたロックナット88を囲むように配置されている。軸受8
4と軸受86は内輪間座90を間にしてねじ軸76の外周側に配置されている。
a、86aと外輪84b、86b間に挿入されたボール84c、86cを備え、各内輪8
4a、86aがねじ軸76の外周面に嵌合され、各外輪84b、86bがハウジング74
の内周面に嵌合され、ねじ軸76を回転可能に支持するようになっている。
規制する蓋94が固定されている。蓋94には凹部94aが形成されているとともに、孔
94b、94cが形成されており、蓋94の凹部94aと間座82の凹部82aとの間に
圧電素子80が挿入されている。
力を与える。これにより、軸受84、86に所定の予圧が付与され、軸受84、86の外
輪間に軸方向間距離としての間隙93が形成される。
8を介して制御回路(図示せず)に接続されており、制御回路からの電圧に応じてインジ
ェクションピペット34の長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータとして構成され
ている。圧電素子80は、制御回路からインジェクション用電圧、例えば、図4に示す電
圧V1が印加されたときには、この印加電圧V1に応答して、インジェクションピペット
34の先端側からベース22上の細胞に対して、針を挿入するための押圧力をインジェク
ションピペット34に付与したり、あるいは、制御回路から微動用電圧が印加されたとき
には、この印加電圧に応答して、ねじ軸76をその長手方向(軸方向)に沿って微動させ
て、インジェクションピペット34の位置を微調整したりするようになっている。この場
合も、インジェクション用電圧としては、電圧V1の代わりに、図5または図6に示すよ
うに、電圧V2、V3、V4を用いることができる。
Y軸テーブル36とZ軸テーブル38を粗動駆動して、インジェクションピペット34を
ベース22上の細胞に近づけて位置決めした後、微動機構44または微動機構46を用い
てインジェクションピペット34を微動駆動することとしている。
て、粗動指令200としてパルス信号を印加すると、粗動用モータのうちX軸用モータ、
Y軸用モータ、Z軸用モータがパルス信号に応答して回転駆動し、XY軸テーブル36が
X軸またはY軸方向に沿って漸次ベース22に近づく方向に移動するととともに、Z軸テ
ーブル38がZ軸に沿って漸次ベース22に近づく方向に移動する。この場合、粗動用モ
ータとして、ステッピングモータが用いられたときには、粗動指令200は、X、Y、Z
軸用モータを設定回転数で回転させるために必要な角度ステップ数に相当するパルス信号
を出力することになる。また、微動機構44の圧電素子54または微動機構46の圧電素
子80には、初期設定電圧Vsが印加されているだけであり、圧電素子54は、軸受58
、60の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態に、圧電素子80は、軸受84、86
の予圧の反力による圧縮荷重が作用した状態にある。
34が粗動用目標位置に到達すると、XY軸テーブル36とZ軸テーブル38の駆動が停
止され、その後、駆動装置42に微動指令202が印加される。駆動装置42に微動指令
202が印加されると、微動機構44の圧電素子54または微動機構46の圧電素子80
に、微動指令202に従った微動用電圧V0が印加され、インジェクションピペット34
がその長手方向に沿って微動し、ベース22上の細胞に対する挿入位置に位置決めされる
。
変位量がインジェクションピペット34の微動変位量に設定されていることから、圧電素
子54には、微動変位量の2倍の変位を与えるための制御電圧と初期設定電圧Vsとを加
算した微動用電圧V0が印加されることになる。
力は微動制御を行う前の予圧荷重に加えて軸受外輪を押圧し、軸受58、60の各外輪5
8b、60b間の間隙63が2x分更に狭くなってねじ軸がX変位する。
れxずつ減少し、間隙63が拡がる方向に、2x変位することになり、ねじ軸がX変位す
る。
58、60を互いに押圧する力がバランスしたときに、スペーサ52に嵌合している軸受
58、60の内輪58a、60aがねじ軸50とともに軸方向にx変位する。これにより
、ねじ軸50に連結されているインジェクションピペット34が軸方向にxだけ変位する
。つまり、圧電素子54の2xの変位の半分の変位量がインジェクションピペット34の
微動変位量となって、インジェクションピペット34が挿入位置に位置決めされる。
したとして、微動機構44の圧電素子54または微動機構46の圧電素子80に、微動指
令202に従ったインジェクション用電圧として、例えば、電圧V1が印加され、ベース
22上の細胞に対して、インジェクションピペット34の先端側から針が挿入される。
に対する印加電圧を調整することで、インジェクションピペット34に対してインジェク
ション動作または微動動作をさせることができ、構成の簡素化を図ることができるととも
に、インジェクションピペット34に対する位置決めを高精度に行うことができる。
用マニピュレータ14とインジェクション用マニピュレータ16を、直交3軸構成のマニ
ピュレータとして用いる代わりに、Z軸をピペット設置角度と平行に配置したマニピュレ
ータとして用いたものであり、他の構成は、前記実施形態で同様である。
角度調整治具100とナノポジショナ102を用いて構成されており、ナノポジショナ1
02は、駆動装置32に連結された状態で角度調整治具100に、Y軸に平行な軸に対し
て回動自在に固定され、ナノポジショナ102にはホールディングピペット24が固定さ
れている。すなわち、ホールディングピペット24の延在する方向(長手方向)をZ軸と
したときに、ナノポジショナ102がホールディングピペット24の設置角度と平行に配
置されている。
して用いるが、Z軸テーブル38の代わりに、角度調整治具(支持部材)104とナノポ
ジショナ106を用いて構成されており、ナノポジショナ106は、駆動装置42に連結
された状態で、Z軸と平行に配置された角度調整治具104に対して回動自在に固定され
、ナノポジショナ106にはインジェクションピペット34が固定されている。すなわち
、ナノポジショナ106は、インジェクションピペット34の設置角度と平行に配置され
た状態で角度調整治具104に支持されている。
、駆動装置40、42を微動機構44または微動機構46を駆動することで、すなわち、
XY軸テーブル36を粗動駆動して、インジェクションピペット34をベース22上の細
胞に近づけて位置決めした後、微動機構44または微動機構46を用いてインジェクショ
ンピペット34を微動駆動することで、インジェクションピペット34を、ベース22上
の細胞に対する挿入位置に位置決めすることができる。インジェクションピペット34が
挿入位置に位置決めされたときには、位置決めが完了したとして、微動機構44の圧電素
子54または微動機構46の圧電素子80に、微動指令202に従ったインジェクション
用電圧として、例えば、電圧V1を印加することで、ベース22上の細胞に対して、イン
ジェクションピペット34の先端側から針を挿入することができる。
に対する印加電圧を調整することで、インジェクションピペット34に対してインジェク
ション動作または微動動作をさせることができ、構成の簡素化を図ることができるととも
に、インジェクションピペット34に対する位置決めを高精度に行うことができる。
ョンピペット34を設置するための角度)と平行に配置したので、X軸とY軸による移動
領域にXYテーブル36を用い、Z軸の移動領域のみにナノポジショナ106を用いるこ
とができる。
したものについて述べたが、X軸、Y軸およびZ軸の全ての軸にナノポジショナ構造のサ
ポート軸受を適用することができる。
電素子80に基づいた微動動作が必要でないときには、圧電素子54または圧電素子80
をインジェクションピペット34に対するインジェクション動作のみに使用することもで
きる。
12 顕微鏡ユニット
14 ホールディング用マニピュレータ
16 インジェクション用マニピュレータ
18 カメラ
20 顕微鏡
22 ベース
34 インジェクションピペット
36 XY軸テーブル
38 Z軸テーブル
40、42 駆動装置
44、46 微動機構
54、80 圧電素子
Claims (5)
- 細胞を挿入対象とするインジェクションピペットと、前記インジェクションピペットを
駆動対象として前記インジェクションピペットに連結されたナノポジショナと、前記ナノ
ポジショナを伴って三次元空間を移動して前記インジェクションピペットの位置を制御す
る三次元軸移動テーブルとを備え、前記ナノポジショナは、前記三次元軸移動テーブルの
いずれかの軸の移動テーブルに配置されて、印加電圧に応じて前記インジェクションピペ
ットの長手方向に沿って伸縮する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに対す
る印加電圧を制御する制御回路を含み、前記圧電アクチュエータは、前記制御回路からの
印加電圧に応じて前記インジェクションピペットに対してインジェクション動作または微
動動作をさせてなる細胞マニピュレータ。 - 細胞を挿入対象とするインジェクションピペットと、前記インジェクションピペットを
駆動対象として前記インジェクションピペットに連結されたナノポジショナと、前記ナノ
ポジショナを支持する支持部材と、前記支持部材を伴って二次元空間を移動して前記イン
ジェクションピペットの位置を制御する二次元軸テーブルとを備え、前記ナノポジショナ
は、印加電圧に応じて前記インジェクションピペットのインジェクション方向に沿って伸
縮する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータに対する印加電圧を制御する制御
回路を含み、前記圧電アクチュエータは、前記制御回路からの印加電圧に応じて前記イン
ジェクションピペットに対してインジェクション動作または微動動作をさせてなる細胞マ
ニピュレータ。 - 前記支持部材は、前記ナノポジショナを前記インジェクション角度と平行に配置してな
ることを特徴とする請求項2項に記載の細胞マニピュレータ。 - 前記圧電アクチュエータは、前記制御回路からのインジェクション用電圧の印加に応答
して、前記細胞に針を挿入するための押圧力を前記インジェクションピペットに付与して
なることを特徴とする請求項1、2または3のうちいずれか1項に記載の細胞マニピュレ
ータ。 - 前記圧電アクチュエータは、前記制御回路からの微動用電圧の印加に応答して前記イン
ジェクションピペットを微動駆動してなることを特徴とする請求項1、2、3または4の
うちいずれか1項に記載の細胞マニピュレータ。
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---|---|---|---|
JP2012003492A JP2012078871A (ja) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | 細胞マニピュレータ |
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