JP2014521350A - 電場印加装置を用いて組織を構築するシステム及び方法 - Google Patents
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Abstract
時空間的に制御された電場を印加することによって細胞又は他の物体から組織を構築する方法及び装置が供される。電場印加装置は、処理媒体(28)に影響を及ぼすように制御された電場に基板(32)を曝すことで、前記基板(32)上での組織の構築への処理効果を実現する。電気的バイアスが、前記処理媒体(28)の双極子特性と相互作用するように選ばれる。それにより前記処理媒体(28)中又は前記基板(30)での懸濁した誘電泳動細胞又は他の粒子の運動が制御される。懸濁した粒子の運動は、各異なる特性を有する懸濁した粒子が、前記処理媒体(28)中で各異なる経路に追随するように影響を受ける。前記運動は、前記懸濁した粒子を分類するのに用いることができる。前記処理媒体(28)及び電気的バイアスは、前記基板(30)上の1層以上の層の構造又は配向に影響を及ぼすように選ばれて良い。
Description
本発明は、特にナノメートルからミクロンメートルの縮尺の対象物を用いた基板上での膜の生成によるパターン又は構造の形成に関し、より詳細には、組織の形成に電場印加装置を用いる装置及び方法に関する。
ナノテクノロジーの発展−つまり1nm〜100nmのスケールでの物質の操作−は、数例を挙げると医療、エレクトロニクス、及びエネルギーの生成に応用可能な材料やデバイスをもたらしてきた。従来、ナノテクノロジーにおける継続した発展に向けて2つの方法が存在してきた。それはボトムアップとトップダウンである。ボトムアップ法は、ナノ成分を複雑な集合体に配置するもので、分子集合体、原子間力顕微鏡、及びDNA工学において有用である。トップダウン法は、大きな装置の影響を利用することによって小さな装置を生成する。たとえば原子層堆積(“ALD”)は、半導体素子が原子層スケールで構築される方法である。
しかしこれら従来のナノテクノロジー法及び装置は、所望の分子間相互作用を容易にするように、時空間電場分布を改善又は抑制するようにすぐに適応できない。電場の空間分解能が改善されることで、ナノ対象物の操作は、バイオプリンティング、バイオセンサ作製、及び組織の形成にとってより信頼性のあり、かつ効率的なものとなる。
本発明は、組織形成の既知の従来方法の上記問題や他の問題や課題を解決する。本発明がある実施例に関連させて説明されるが、本発明がこれらの実施例に限定されないことに留意して欲しい。対照的に本発明は、本発明の技術的範囲内に含まれうるすべての代替型、修正型、及び均等型を含む。
本発明によると、マイクロ若しくはナノ細胞又は他の対象物を用いた基板上での組織の構築は、電場の印加及び制御によって改善される。本発明のある実施例では、前記基板基板上での組織の構築は、時空間的に制御された電場の印加及び制御によって改善される。
本発明の様々な実施例によると、前記基板上に組織を構築しながら電場による影響を受ける処理媒体を受けるように構成される処理チャンバ、及び、前記処理チャンバ内で処理される基板を保持する基板ホルダを有する処理装置が供されている。当該装置には少なくとも1つの電場印加装置が供される。前記少なくとも1つの電場印加装置は、前記組織の構築中の基板を前記電場に曝すように動作可能である。前記電場は時空間電場であって良い。前記電場印加装置が電気的バイアスによって電気的にエネルギーを付与される場合、前記電場は、前記処理媒体、該処理媒体中に懸濁する対象物−たとえば細胞−又は前記基板に影響を及ぼすことができる。前記電場印加装置は、制御装置によってアドレス指定可能であり、かつ、相互に交換可能である。電気的バイアスと前記少なくとも1つの電場印加装置とを結合することで前記電場印加装置にエネルギーを付与する分配結合ユニットが供される。
前記の印加した電場の特性を制御して前記処理媒体に影響を及ぼすことで前記基板上での組織の構築への処理効果を実現するように当該装置を動作させる制御装置が供される。前記処理媒体は気体又は液体であって良い。電場印加装置は、前記処理チャンバ外部に設けらた状態で前記電場を前記基板へ与えて良い。あるいは電場印加装置は、前記処理チャンバ内部に−たとえば前記基板に隣接して−設けられても良い。
本発明のある実施例では、基板を処理しながら電場による影響を受ける双極子特性を有する処理媒体を受けるように構成された処理チャンバ、及び、前記処理チャンバ内の処理される基板を保持する基板ホルダを有する処理装置が供される。当該装置には少なくとも1つの電場印加装置が供される。前記少なくとも1つの電場印加装置は、前記組織の構築中の基板を前記電場に曝すように動作可能である。前記電場は時空間電場であって良い。前記電場印加装置が、前記処理媒体又は該処理媒体中の粒子の双極子特性と相互作用するように選ばれた電気的バイアスによって電気的にエネルギーを付与される場合、前記電場は、前記処理媒体、該処理媒体中の粒子、又は前記基板に影響を及ぼすことができる。前記電場印加装置は、制御装置によってアドレス指定可能であり、かつ、相互に交換可能である。電気的バイアスと前記少なくとも1つの電場印加装置とを結合することで、前記処理媒体又は前記粒子に影響を及ぼすように前記電場印加装置にエネルギーを付与する分配結合ユニットが供される。前記の印加した電場の特性を制御して前記処理媒体に影響を及ぼすことで所望の処理効果を実現するように当該装置を動作させる制御装置が供される。前記処理媒体は気体又は液体であって良い。
電場印加装置は、前記処理チャンバ外部に設けらた状態で前記電場を前記基板へ与えて良い。あるいは電場印加装置は、前記処理チャンバ内部に−たとえば前記基板に隣接して−設けられても良い。前記電場印加装置は、前記基板のサイズの実質的に同一のサイズであってよく、又は、前記基板のサイズよりも小さいサイズであって前記基板を走査するように構成されても良い。前記電場印加装置が前記基板のサイズと同一の場合、前記電場印加装置は、当該装置の静止部であって、かつ、適切な時空間ドメインアルゴリズムに従ってグリッド構造若しくは他の論理回路によって始動又はアドレス指定されて良い。前記電場印加装置が前記基板のサイズよりも小さい場合、前記電場印加装置は、前記アルゴリズム及び前記基板に対する運動によって制御されて良い。
本発明のある実施例によると、前記電場処理は放射線源−たとえばマイクロ波放射線源、紫外放射線源、又は赤外放射線源−を含んで良い。さらに前記電気バイアスは、DC電位成分、AC若しくはRF電位、切り換えられたDC電位、他の時間変化する波形、又は上記の組み合わせを含んで良い。前記電位は、直接的電気コンタクトを介した分配結合ユニットによって又は容量結合若しくは誘導結合によって前記電場に印加されて良い。当該装置は、前記ナノ対象物にさらに影響を及ぼす磁場発生装置、音響場発生装置、又は光学力発生装置を含んで良い。
当該処理装置のある実施例では、前記処理媒体と電気バイアスは、前記基板上で層を選択的に局在化して堆積するように構成されて良い。前記時間変化する電気的バイアスは多くの実施例において、10000Hz未満−典型的には1000Hz未満−で変化する。
本発明のある方法によると、基板の電場処理は、処理装置によって実行される。チャンバ内で処理される基板を支持する工程、細胞又は他の粒子を有して前記細胞又は他の粒子を運ぶ処理媒体を前記チャンバへ導入する工程によって実行される。前記処理媒体及び粒子は、適切な電場を受けたときの双極子の配置を占める。続いて電気バイアス−たとえば時空間的に変化する電気バイアス−が、少なくとも1つの電場印加装置に印加されて、前記処理媒体又は該処理媒体中の粒子に影響を及ぼすことで、前記基板の表面（付近）にて所望の方法で前記組織が構築されて良い。前記処理は、たとえば前記基板上に1層以上の細胞の層を構築することで多層組織を構築する工程、又は、前記媒体中若しくは前記基板上に懸濁した誘電泳動細胞粒子の運動を制御する工程を含んで良い。一部の実施例では、懸濁した粒子の運動は、各異なる特性を有する懸濁した粒子が、前記処理媒体中で各異なる経路に追随するように影響を受ける。前記運動は、前記懸濁した粒子を分類するのに用いることができる。さらに前記懸濁粒子は病原体であって良い。懸濁粒子の運動は、前記基板上の所定の位置で前記懸濁粒子を堆積するように、静的又は時間変化する電気バイアスを印加することによって部分的に制御されて良い。
一部の実施例では、前記基板の照射がたとえば、マイクロ波放射線源、紫外放射線源、又は赤外放射線源によって実行されて良い。前記基板上での層の堆積又は前記基板上の層の改質が実行されても良い。一部の実施例では、前記処理媒体及び電気バイアスは、前記基板上の第1堆積層の構造及び/又は配向に影響を及ぼすように選ばれて良く、かつ、前記基板上の各異なる層に各異なるように影響を及ぼして良い。
本発明の実施例では、細胞から組織を構築する電場処理システムが供される。当該電場処理システムは処理チャンバを有する。前記処理チャンバは、該処理チャンバの一端で基板を受けるように構成される。前記基板上では前記組織が構築される。電場印加装置が、前記チャンバ内の基板付近−たとえば必ず層でなければならないわけではないが前記基板に対向する前記チャンバの端部−に設けられる。前記電場印加装置は、前記基板及び該基板付近の前記処理チャンバの処理領域に電場を印加するように構成される。前記電場印加装置はグリッド電極を有して良い。当該装置はまた、前記電場印加装置に電気バイアスを供給するように構成される分配バイアスユニット、前記組織を構築するのに用いられる細胞と流体を供給する流体供給システム、及び、前記分配バイアスユニットへ電力を供給する少なくとも1つの電源をも有する。前記電場印加装置には、前記基板に対して前記電場印加装置を位置設定するマニピュレータが供されて良い。前記電場印加装置、マニピュレータ、及び前記少なくとも1つの電源を制御システムがさらに供される。
本発明の実施例では、前記電場印加装置は、所定の挙動を前記細胞及び/又は流体へ与えるように構成され、かつ、実施例によっては、異なる挙動を前記細胞及び/又は流体へ与えるように構成された他の電場印加装置と交換可能であって良い。当該処理システムは、前記流体供給システムと流体をやり取りするように結合して前記組織を構築するように前記細胞を供する1つ以上の細胞容器、前記流体供給システムへヒドロゲルを供するヒドロゲル容器、前記流体供給システムへ安定化液体を供する安定化液体容器、及び、前記流体供給システムへ洗浄液体を供する洗浄液体容器を有する。当該システムはまた、前記基板及び/又は組織を照射するように構成された少なくとも1つの電磁放射線源をも有して良い。前記少なくとも1つの電磁放射線源は、1つ以上の赤外放射線源、1つ以上の紫外放射線源、1つ以上の可視放射線源、及び/又は1つ以上のマイクロ波放射線源を含んで良い。当該システムはまた、前記基板及び/又は前記組織の温度を時空間的に変化させる温度制御システムをも有して良い。前記温度制御システムは、当該装置の制御システムによって制御されて良い。
本発明の実施例では、前記流体供給システムは少なくとも1つのマイクロ流体装置を有して良い。また前記マニピュレータは、前記電場印加装置と前記基板との間の距離及び/又は前記基板に対する前記電場印加装置の方位方向を変化させるように構成されて良い。さらに前記電場印加装置は複数のマイクロ電極を有して良い。前記複数のマイクロ電極は前記処理領域から電気的に絶縁されて良い。それに加えて前記電場は時間変化及び/又は空間変化して良い。
当該システムの実施例は、流体供給システムを介して処理領域へ処理媒体を供給し、前記流体供給システムを介して前記処理領域へ細胞を供給し、かつ、電気バイアスを少なくとも1つの電場印加装置へ印加することで電場を発生させることによって細胞から組織を構築するように動作して良い。前記電場は、前記処理領域内の細胞を制御可能なように選択、輸送、配向の設定、配置、又は操作することで前記基板上に前記組織を構築するように構成される。当該方法はさらに、第2電気バイアスを少なくとも1つの電場印加装置へ印加することで第2電場を発生させる工程をさらに有する。前記第2電場は、前記第1電場とは異なり、かつ、前記処理領域内の細胞を制御可能かつ異なるように選択、輸送、配向の設定、配置、又は操作することで前記基板上に前記組織を構築するように構成される。それに加えて、当該方法は、マニピュレータを用いることによって前記基板から所定の位置にて及び/又は前記基板に対して所定の方位方向にて1つ以上の前記電場印加装置の位置設定を行う工程を有して良い。
当該方法はまた、赤外放射線、可視光放射線、紫外放射線、及びマイクロ波放射線のうちの少なくとも1つによって前記組織を照射する工程をも有して良い。
本発明の上記及び他の実施例は以降の詳細な説明からすぐに明らかとなる。
ここで図1と図2を参照すると、本発明の一の実施例による動的組織作製システム20が示されている。組織作製システム20は、処理空間26を取り囲むチャンバ壁24を有する処理チャンバ22を含む。処理空間26は、以降で詳述するマイクロ流体システム30によって供される処理媒体28によって充填されて良い。処理空間26のサイズも同様に特定の用途に依存するので変化する。しかし処理空間26の体積は約0.1L乃至数Lの範囲が一般的であって良い。
支持体34上に存在する基板32は、処理空間26と該処理空間26内に含まれる処理媒体28に曝され、かつ、上で組織の作製と成長を支援するように構成される。必須ではないが、基板32は、約800μmの厚さを有する直径約300mmのウエハであって良い。
マイクロ流体システム30は電場印加装置(“EFA”)ヘッド36内部に組み込まれた1つ以上の容器38を有して良い。1つ以上の容器38は、マイクロ流体チャネル40を介して流体をやり取りするように処理空間26と結合し、かつ、複数のマイクロ流体供給ライン44を介して流体をやり取りするように1つ以上の流体供給体42,42b,42c,42dと結合して良い。マイクロ流体チャネル40及びマイクロ流体供給ライン44は、MEMSに基づく技術を用いて作製及び操作されて良い。
流体供給体42,42b,42c,42dを介して供される流体は、処理チャンバ22内で成長する特定の細胞の分布に基づいて変化して良い。流体供給体42,42b,42c,42dを介して供される流体は、42a内の懸濁した細胞、42b内の（複数の）ヒドロゲル（組織作製の支持体を供するポリマー）、42c内の安定化流体、42d内の洗浄流体等を有して良い。1つ以上のバルブ46a,46b,46c,46dは、制御システム48と動作可能なように結合し、かつ、組織作成中に適切な流体を供するように選択的に制御されて良い。
ここで詳細に図2を参照すると、EFAヘッド36−処理空間26内であって基板32の付近で電場を発生させるように構成される−が、1つ以上の電極50及び該電極50に係るバイアスコネクタ52を有する。これらは、処理チャンバ22に結合される恒久的な固定体であって良いし、又は、特定の使用法や用途向けに相互交換するため処理チャンバ22に取り外し可能なように結合しても良い。バイアスコネクタ52によって、電極50は、電源54（図1）と動作可能なように結合する。電源54は、選択された波形を有する時間依存電流（AC又はスイッチングDC）を発生させるように構成される。
電極50の形状、サイズ、及び配置は、具体的用途及び組織作製において用いられる細胞ラインに基づいて変化するが、概略的には特許文献1に記載されている。簡潔に説明すると、電極50は、基板32のサイズと一致するグリッド様パターンに配置されて良い。電極50のうちの1つ以上は、複数の領域55（図5）を画定するように選択的に動作可能である。各領域55（図5）は、別個の力が細胞に印加されうる領域である（図8C）。必要であれば、同一（均一）の電場又は各異なる（不均一な）電場を有する2つ以上の隣接する領域55（図5）が、細胞57上に選択された力を発生させるように動作可能な部分群を画定して良い（図8C）。
電極50（又はその部分群）は、作製された組織を含む細胞の操作、運動、配向、及び位置合わせを制御するように構成される。必要な場合には、追加的なエネルギー源−たとえば放射線源を含む−もまた、さらなる制御に用いられても良い。放射線源の波長は、具体的な所望の化学物質（たとえば活性化又は不活性化）、処理媒体の透明度、基板を含む材料等に基づいて選ばれて良い。一般的には波長は、電磁スペクトルのUV、IR、マイクロ波部分の範囲内であって良い。放射線はウエハの上方又は下方から印加されて良い。たとえば石英は約200nm〜約2μmの範囲の波長を有する放射線に対して透明である。他方シリコンは、IR範囲（約2μm〜約10μm）内の波長に対してほとんど透明である。ただし吸収率は温度に依存する。約1μm〜約10μmの範囲のIR放射線と等価なエネルギー準位は約1.24eV〜約0.12eVである。
電極50は、薄膜又はMEMS技術によって生成されて良く、かつ、たとえばシリコン基板内、セラミック内、テフロン（登録商標）内、又はガラス内に組み込まれて良い。EFAヘッド36は、恒久的（組み込み）で良いし、又は、同一の組織作製システム20内部の様々な電極構成を利用するために交換可能であっても良い。EFAヘッド36は、自動化されたロボットシステム（図示されていない）を介して交換であって良いし、又は、手動で交換可能であっても良い。
再度図1を参照すると、EFAヘッド36はさらに、Z軸モータ56と動作可能なように結合して良い。Z軸モータ56は、EFAヘッド36を基板32に対して移動させ、かつ、EFAヘッド36と基板32との間の処理空間を変化させるように構成される。既知の装置が、距離を調節するのに用いられて良い。距離の調節は、連続的に実現されても良いし、又は、ステップ状に実現されても良い。
電源54、Z軸モータ56、バルブ46a,46b,46c,46d、及びバイアス接続52のうちの1つ以上が制御システム48によって動作可能なように制御されて良い。制御システム48は、図3に図示されているようにコンピュータ58を有する。図3に図示されているように、コンピュータ58は、本発明の実施例に従って用いられるのに適したコンピュータ、コンピュータシステム、コンピューティングシステム、サーバ、ディスクアレイ、又はプログラマブルデバイス（たとえばマルチユーザーコンピュータ、シングルユーザーコンピュータ、ハンドヘルドコンピュータ、ネットワークデバイス、又は埋め込みデバイス）等であって良い。コンピュータ58は、1つ以上のネットワーク62を用いた1つ以上のネットワークコンピュータ60−たとえばネットワークインターフェース（「ネットワークI/F」64と表記されている）を介したクラスタ又は他の分配コンピューティングシステム−によって実装されて良い。コンピュータ58は、簡明を期すために「コンピュータ」と指称される。ただし「コンピューティングシステム」もまた、本発明の実施例と合致する他の適切なプログラマブル電子デバイスを含んで良いことに留意して欲しい。
コンピュータ58は一般的に、複数の様々な種類の周辺装置−たとえば1つ以上のデータベースを備える大容量記憶装置、入出力インターフェース（「入出力I/F」72と表記されている）及びネットワークI/F64−と共にメモり68と結合する少なくとも1つの処理ユニット（”CPU”66と表記されている）を一般的には有する。メモリ68は、ダイナミックランダムアクセスメモリ(“DRAM”)、スタティックランダムアクセスメモリ(“SRAM”)、不揮発性ランダムアクセスメモリ(“NVRAM”)、永続メモリ、フラッシュメモリ、少なくとも1つのハードディスクドライブ、及び/又は他のデジタル記憶媒体を含んで良い。大容量記憶装置70は一般的には、図示されているように、少なくとも1つのハードディスクドライブで、かつ、コンピュータ58の外部−たとえば別個の筐体内、1つ以上のネットワークコンピュータ内、1つ以上のネットワーク記憶装置（たとえばテープ又は光学ドライブを含む）内、及び/又は1つ以上の他のネットワーク装置（たとえばサーバ74を含む）内−に設けられて良い。
CPU66は、様々な実施例では、当業者に周知であるように、単一スレッド、多重スレッド、マルチコア、及び/又は多重素子処理ユニット（図示されていない）であって良い。代替実施例では、コンピュータ58は複数の処理ユニットを有して良い。前記複数の処理ユニットは、当業者に周知であるように、単一スレッド処理ユニット、多重スレッド処理ユニット、マルチコア処理ユニット、多重素子処理ユニット、及び/又はこれらの結合であって良い。同様にメモり68は、1つ以上のレベルのデータ、命令、及び/又は組み合わせのキャッシュを有して良い。キャッシュは、当業者に周知であるように、個々の処理ユニット又は多重処理ユニット（図示されていない）に役立つ。
コンピュータ58のメモリ68は、1つ以上のアプリケーション（「プログラムコード」76と表記されている）又は他のソフトウエアプログラムを有して良い。前記1つ以上のアプリケーション（「プログラムコード」76と表記されている）又は他のソフトウエアプログラムは、大容量記憶装置70の（複数の）データベースからのさらなる情報又はデータへのアクセスにかかわらず、動作システム78と共に実行し、かつ、電極50、バイアス接続52、電源54等を制御するのに必要な処理を実行するように構成される。
当業者は、図3に示された環境が本発明を限定することを意図しないことを理解する。特に当業者は、他の代替ハードウエア及び/又はソフトウエア環境が、本発明の技術的範囲を逸脱することなく用いられ得ることを理解する。
図4は、選択された組織を作製するための命令、処理、プロトコル、手順等に関する情報の流れの概略図である。その点では、大容量記憶装置70は、上述したようにデータベースを有して良い。前記データベースはたとえば、制御システム48とマイクロ流体システム84（制御システム48に組み込まれても良い）へ送られる命令を有する1つ以上の構造及び/又はアーキテクチャ設計モデル82を含む内蔵ライブラリ80であって良い。ユーザーからの入力86もまた受け取られ、マイクロ流体システム制御装置84へ送られて良い。必要な場合には、新たなモデルが、たとえば新たな記述を生成することによって、ライブラリ80に保存されて良いし、又は、ライブラリ80に送られても良い。材料及び流体供給命令は、バルブ46a,46b,46c,46dを介した流体供給体42a,42b,42c,42dからの流体の放出を選択的に制御するマイクロ流体システム30へ送られる。
選択されたモデル82に基づいて、流体供給体42a,42b,42c,42dとバルブ46a,46b,46c,46dは処理コマンドごとに始動する。前記処理コマンドは、プログラムコード76によって駆動される。処理コマンドは、アルゴリズムによって決定される特定の幾何学配置に従って電極50にバイアス印加する。さらに処理コマンドは、細胞の分布と処理流体を処理空間26へ輸送する稼働及び不稼働バルブ46a,46b,46c,46dと基板32に対するEFAヘッド36の位置を示す。
電極50の配置（EFA幾何学構造選択88）、バイアス電位の波形と制御（間隔と繰り返し周波数を含む）、Z軸モータ及び/又は他のモータ（運動制御装置92）に関する他の命令が、該他の命令に従って物理的組織を作製する（物理的構造の作製93）組織作製システム20へ送られて良い。
図5は、個々の電極にバイアス印加する論理回路を供する本発明の一の実施例による単純化された電子回路94の詳細を表している。回路94は、アルゴリズムを電極アレイに適用するプログラマブル制御装置96を有する。バイアス印加されるように選択された電極の位置の各々は、具体的なx軸上とy軸上の座標及び印加された電圧の極性と振幅を有する。グリッドに電位を印加する必要のある回路は既知の技術である。表示装置上の画素にエネルギーを付与するのに用いられる複数の知られた方法は、領域に電位を印加するのに用いられて良い。たとえばEFAの電極は、複数の領域を画定するように選択的に動作可能である。回路はプログラマブル制御装置を有して良い。前記プログラマブル制御装置はコンピュータ48であって良い。各領域は、各独立した電極であって良いし、又は、複数の電極による影響を受ける領域であっても良い。前記複数の電極内では、別個の力が粒子及び/又は媒体に印加されて良い。必要であれば、同一（均一）の電場又は各異なる（不均一な）電場を有する2つ以上の隣接する領域が、粒子に選択された力を発生させるように動作可能な部分群を画定して良い。実現されるべき機能を特定することによって、電気設計の技術者は、適切な論理回路を供することが可能となる。従って係る制御法についてはここでは詳述しない。
その結果、時間依存するマクロパターン110a、110b、110c、110d、110e、110fが生成されて良い。図6A〜図6Fは、本発明の様々な実施例によるマクロパターンを表している。図中、白抜きの画素は電圧が印加されていないことを表し、暗い画素は正の電位を表し、かつ、影付けされた画素は負の電圧を表す。マクロパターン110a、110b、110c、110d、110e、110fは、時間変化する電場を生成して、誘電泳動力を与えることによって選ばれたモデルに従って細胞を操作するように動作可能である。従って細胞は、運動して最適位置に位置合わせする。それにより複数の細胞の群は近接する。その結果、凝集が速く進み、組織の迅速な成長が促進される。
ある程度組織作製システム20の詳細について説明してきたが、ここで図7〜図8Pに移ると、本発明の一の実施例による組織作製方法が記載されている。図7は、本発明の一の実施例による組織を作製する一方法を表すフローチャート108である。前記作製は図8A〜図8Pにて概略的に示されている。その点では、工程112では、EFAヘッド36が、Z軸モータ56を用いることによって基板32に連動されて良い。図8Aと図8Bに示されているように、下方の運動は矢印113によって表される。図8Cに図示されているように、基板32に対して第1距離に位置するEFAヘッド36によって、細胞72は、ブロック114では、細胞流体供給体42aからバルブ46aを介してマイクロ流体チャネル40及び処理空間26へ注入される。細胞57には外力が印加されないので、細胞57は周囲の条件下で処理空間全体に拡散する。
工程116では、EFAヘッド36の電極50は、マクロパターン110aを生成するように、時空間バイアスアルゴリズム90に従ってバイアス印加されて良い。電極50がバイアス印加された結果の電場は、各細胞内に双極子を誘起する。その結果正味の力が細胞に印加されることで、その細胞は処理媒体内で移動する。さらに継続してバイアス印加すると工程118では、図8Eに図示されているように、細胞がさらに凝集して、隣接する細胞間に結合が生成されることで、作製された組織に初期支持体が供される。必要であれば、任意工程120において、ヒドロゲルが任意で、適切な供給体42bとバルブ46bから処理空間へ注入されることで、細胞の配列をさらに支持して良い。
工程122では、組織の構築が完了したか否かが判断される。さらなる構築が必要な場合（判断工程122の”No”の分岐）、処理は工程112に戻る。そのときEFAヘッド36は、基板32及び凝集した細胞と適切に連動されて良い。図8Fに図示されているように、組織の構築が完了していない場合、EFAヘッド36は凝集した細胞から離れ、追加の細胞が処理媒体28に注入される。図8G〜図8Hは、工程116と工程118で供されているように、（図8Dと同一のマクロパターン110aを有する）電極50の始動と細胞57の凝集を表している。再度図8Iでは、組織の構築が未完了であると判断される。そのときEFAヘッド36は連動され、かつ、細胞72は再度処理媒体28に加えられる。
図8J〜図8Kに図示されているように、電極50は他のマクロパターンに従って再度始動される。その結果細胞は、凝集して、先に凝集した細胞の一とは異なる位置で結合する。マクロパターンの順序は本願で与えられた例に限定されないことに留意して欲しい。
図8L〜図8Nは、さらに反復してEFAヘッド36を連動させている様子を表している。そのようにEFAヘッド36が連動されることで、電極50は選択されたマクロパターンに従って始動され、かつ、細胞の凝集と結合が誘起される。
図8Pに図示されているように組織の構築が完了するとき（判断工程122の”Yes”の分岐）、処理は任意で、適切な流体供給体42aからの安定剤の注入を含んで良い。前記安定剤が注入されることで、3次元組織構造における細胞の凝集の結合がさらに促進される。
本明細書で詳細が与えられたように、組織作製システムは、高処理能力で組織を作製しながら電場に敏感なナノ対象物（タンパク質、ウイルス、細胞等）を迅速に操作するように構成される。当該システムは、多目的で、限定された可動部を有し、ナノ対象物と電極との間での接触を限定し、縮尺変更が可能で、かつ、標準的なCMOS製造法、回路、様々な種類のナノ対象物との相性が良い。
Claims (25)
- 細胞から組織を構築する電場処理システムであって：
上で前記組織が構築される基板を受ける第1端部を有する処理チャンバ；
前記基板付近に設けられて、前記基板と該基板付近の処理チャンバの領域に電場を印加するように構成される電場印加装置；
前記電場印加装置の少なくとも1つに電気バイアスを供給するように構成される分配バイアスユニット；
前記組織を構築する際に用いられる細胞と流体を供給する流体供給システム；
前記基板に対する前記電場印加装置の位置を設定するマニピュレータ；
前記分配バイアスユニットに電力を供する少なくとも1つの電源；並びに、
前記電場印加装置、前記マニピュレータ、及び前記少なくとも1つの電源を制御する制御システム；
を有する処理システム。 - 前記電場印加装置が、前記基板の反対側である前記処理チャンバの第2端部に設けられる、請求項1に記載の処理システム。
- 前記電場印加装置の少なくとも1つが、所定の挙動を前記細胞及び/又は流体へ与えるように構成され、かつ、前記細胞及び/又は流体とは異なる挙動を与える他の電場印加装置と交換可能である、請求項1又は2に記載の処理システム。
- 前記組織を構築する細胞を供するために前記流体供給システムと流体をやり取りする細胞容器をさらに有する、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記流体供給システムへヒドロゲルを供するヒドロゲル容器をさらに有する、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記流体供給システムへ安定化液体を供する安定化液体容器をさらに有する、請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記流体供給システムへ洗浄液体を供する洗浄液体容器をさらに有する、請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記基板及び/又は組織を照射するように構成される少なくとも1つの電磁放射線源をさらに有する、請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線源が赤外放射線源である、請求項8に記載の処理システム。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線源が紫外放射線源である、請求項8又は9に記載の処理システム。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線源が可視光放射線源である、請求項8乃至10のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記少なくとも1つの電磁放射線源がマイクロ波放射線源である、請求項8乃至11のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記基板及び/又は細胞の温度を時空間的に変化させる温度制御システムをさらに有する、請求項1乃至12のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記制御システムが前記温度制御システムを制御する、請求項13に記載の処理システム。
- 前記流体供給システムが少なくとも1つのマイクロ流体デバイスを含む、請求項1乃至14のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記マニピュレータが、前記電場印加装置と前記基板との間の距離を変化させるように構成される、請求項1乃至15のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記マニピュレータが、前記基板に対する前記電場印加装置の方位方向を変化させるように構成される、請求項1乃至16のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記前記電場印加装置の少なくとも1つが、前記処理領域から電気的に絶縁される複数のマイクロ電極を有する、請求項1乃至17のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記電場が時間変化及び/又は空間変化する、請求項1乃至18のうちいずれか一項に記載の処理システム。
- 前記流体供給システムを介して前記処理領域へ処理媒体を供給する工程；
前記流体供給システムを介して前記処理領域へ細胞を供給する工程；及び、
前記電場印加装置の少なくとも1つに第1電気バイアスを印加することで、前記処理領域内の細胞を制御可能なように選択、輸送、配向、配列、又は操作することで前記基板上に前記組織を構築するように構成される第1電場を発生させる段階；
を有する方法。 - 電場印加装置を供する段階をさらに有する請求項20に記載の方法であって、
前記電場処理システムは：
上で前記組織が構築される基板を受ける第1端部を有する処理チャンバ；
前記基板付近に設けられて、前記基板と該基板付近の処理チャンバの領域に電場を印加するように構成される電場印加装置；
前記電場印加装置の少なくとも1つに電気バイアスを供給するように構成される分配バイアスユニット；
前記組織を構築する際に用いられる細胞と流体を供給する流体供給システム；
前記基板に対する前記電場印加装置の位置を設定するマニピュレータ；
前記分配バイアスユニットに電力を供する少なくとも1つの電源；並びに、
前記電場印加装置、前記マニピュレータ、及び前記少なくとも1つの電源を制御する制御システム；
を有する、
方法。 - 前記電場印加装置の少なくとも1つに電気バイアスを印加することで、前記処理領域内の細胞を制御可能なように選択、輸送、配向、配列、又は操作することで前記基板上に前記組織を構築するように構成される前記第1電場とは異なる第2電場を発生させる工程をさらに有する、請求項20又は21に記載の方法。
- 前記マニピュレータを用いることによって前記基板から所定の距離で前記電場印加装置を位置設定する工程をさらに有する、請求項20乃至22のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記マニピュレータを用いることによって前記基板に対して所定の方位方向に前記電場印加装置を位置設定する工程をさらに有する、請求項20乃至23のうちいずれか一項に記載の方法。
- 赤外放射線、可視光放射線、紫外放射線、及びマイクロ波放射線のうちの少なくとも1つを前記組織に照射する工程をさらに有する、請求項24に記載の方法。
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