JP2018510776A - 空間的な収束、操作、およびパターニングのための定在波場の高調波変調用システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 組織工学、微細加工、治療措置、および診断学的検査に有用な定在波場を生成するため、多周波数波源（１３０２）と、槽（１３０４）と、制御モジュール（１３０６）と、解析モジュール（１３０８）とを使って、粒子、細胞、粉末、エアロゾル、コロイド、および固体を空間的に収束させ、操作し、パターン化するための定在波場の高調波変調システムおよび方法が開示される。組織工学の方法も開示される。【選択図】 図１３

Description

本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２０１５年１月１９日付で出願されたＴｉｍｏｔｈｙ Ｅｄｗｉｎ Ｄｏｙｌｅにより仮特許出願第６２／１２５，４７４号「Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅｆｉｅｌｄｓ ｆｏｒ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｎｄ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ」（空間的な収束およびパターニングのための定在波場の高調波変調）の優先権を主張するものであり、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、定在波場による浮揚に関し、より具体的には、複数の高調波定在波場を使って構造化された浮揚に関する。

組織工学および組織再生における著しい課題は、複雑な生体構造を伴う人工組織の成長を容易にすることである。細胞は、多くの場合、２次元（２Ｄ）および３次元（３Ｄ）の組織培養物中でランダムな稠密構造に成長する。ただし、自然な生体構造は通常、入り組んだ層、面、小管、導管、小葉、および腔として構成された細胞から成る。そのような構造の例としては、肺胞および腎小体などがある。そのように複雑な３次元構造を伴い、かつ、人体内で機能する人工組織を生成することは、現在、組織工学において最も大きな課題の１つである。そのため、組織テンプレートを使って細胞を誘導し、複雑な組織微細構造を形成する。

これまで、組織工学用テンプレートのほとんどは、細胞が成長するための基板を提供する２Ｄの表面または３Ｄの足場のどちらかを有していた。これらのテンプレートは、人工材料、例えばポリマーメッシュ、および天然材料、例えば動物またはヒトドナー由来の組織の細胞を除去した細胞外マトリックスの双方を含む。これらの方法における問題としては、基板材料の生体適合性、２Ｄの表面または３Ｄの足場の幾何学的限界、足場または表面が永続的な場合における人工組織の機能性、分解性または生体吸収性の基板に起因する生化学的および生体力学的な問題、そして前記表面または足場に微生物のバイオフィルムが成長する可能性などがある。

音響放射力は、過去数十年にわたり、生細胞を操作するためさまざまな形態で使用されてきた。音響ピンセットは、顕微鏡観察および生物学的研究における単一細胞の操作用に提案および実証されてきた。また定在波の音響トラップも同様な用途で開発されており、非常に単純な定在波パターンで細胞の集合体を流体中に浮遊させられることが実証されている。音響定在波を使用するマイクロ流体装置は、血中の赤血球、血小板、または脂質粒子の分離といった医療用途について研究されてきた。生きた生体細胞（赤血球）の集合体に定在波音響場を長時間（>１５分間）適用しても細胞に損傷を与えないことが実証済みで、より幅広い生物医学的用途がこの技術にある可能性を示している。音響放射力および圧電装置は、インクジェット技術を使った組織工学アプローチの開発にも応用されてきている。このアプローチでは、複雑なパターンで基板に細胞を噴霧して人工組織を生成する。ただし、このアプローチはいまだ基板を要し、各スキャンにより細胞の２Ｄ層を積層するため、２Ｄの表面および３Ｄのテンプレートを使用するアプローチと同じ欠点を多数抱えている。

音響定在波は生物医学研究、特にバイオセンシング用途およびマイクロ流体装置で活発な分野である。基本的な定在波パターンは、単純な平面的幾何構造で組織および生体材料を設計するため使用されてきた。しかし音響場を使って組織工学用に複雑な非物質的または仮想的なテンプレートを生成するには、培地中に複雑な波場パターンを生成する必要があり、これはまだ実現されていない。

これまで、音響波および電磁波は以下の方法で空間収束されてきた。１）伝達要素の表面を特定形状に構成し、例えば音波を１点に収束させる凹状面を伴うよう音響トランスデューサを製作する。２）波を屈折させ若しくは反射する要素、例えばレンズまたは鏡を組み込んで、望ましい位置またはパターンに波を収束させる。３）複数の伝達源を異なる位置で使って、望ましいパターンの波場を生じる干渉パターンを生成する。４）複数の伝達源をアレイとして使用し、各伝達源から伝達される波の位相を変化させて、フェーズドアレイ撮像のように焦点を操作できる波場を生成する。利便性を高め煩雑さを軽減した方法を使った、より精確で効果的な電磁波の焦点合わせが必要とされている。

以上の説明から、組織工学その他の用途のため、電磁波および／または音響波を効果的かつ効率的に収束させて複雑な非物質的または仮想的なテンプレートを生成するシステムおよび方法が必要とされていることが明確に理解されるべきである。有利なことに、そのようなシステムおよび方法は、粒子、細胞、固体、および他の材料に対応し、各種構造用にプログラムでき、波源の物理的構成に変更を加える必要もなく機能する。

本発明は、現在の技術水準に対応して開発されたものであり、特に現在利用可能な組織工学、ならびにマイクロマニピュレーションおよびパターニング技術では完全に解決されていない当該技術分野の問題およびニーズに対応して開発されたものである。このように、本発明は、上述した当該技術分野の難点の多くまたは全てを克服する非物質的または仮想的なテンプレートを生成するシステムおよび方法を提供するように開発された。

本明細書で提供するのは、定在波場（ａ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅｆｉｅｌｄ）を空間的に収束させ、パターン化するシステムである。特定の実施形態において、当該システムは、少なくとも１つの多周波数波源と、定在波場を生成するように構成された槽と、望ましい波場パターンを生成するため個々の高調波の振幅を変調する制御モジュールと、望ましい波場パターン、材料構造、または材料形状に対応する個々の高調波の振幅を計算する解析モジュールとを有する。

一部の実施形態において、前記槽の形状は定在波場を生成するように構成され、前記定在波場は、立方体、円筒形、球形、円錐形、回転楕円体、円錐形、多面体、角柱形、菱面体、または他の幾何学形状を有する。前記多周波数波源は、送波器、振動子、音響トランスデューサ、電磁アンテナ、レーザー高調波周波数発生器、および／またはメーザー高調波周波数発生器を有することができる。前記多周波数波源は、場合により、小型化した多成分高周波（ＲＦ）発生器、高調波周波数機能を伴うマイクロ波アンテナ、および／または音響メタマテリアルを有する音響フィルターを有する。一部の実施形態において、前記多周波数波源は、放射の誘導放出による音増幅（Ｓｏｕｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ：ＳＡＳＥＲ）を、小型開口部から単一周波数の平面波を音響散乱させたより高次の非線形高調波生成および／または高調波生成のうちの少なくとも１つと併用したもの、および／または調節可能な狭帯域フィルタを広帯域の電磁波源または光学源と併用したものを有する。

前記振動子は、場合により、互いに電気的に絶縁された積層圧電素子を有する圧電トランスデューサを有する。第１の積層圧電素子は、第２の積層圧電素子と異なる厚さにでき、一意の高調波周波数に素子を調整するように構成できる。特定の実施形態において、前記積層圧電素子は、電圧源により協動的に駆動されて多周波数波場を生成する。一部の実施形態において、前記音響トランスデューサは、任意の波形発生器で駆動されて特定の定在波パターンを直接生成する広帯域音響トランスデューサを有する。

本発明の方法は、定在波場の空間的な収束およびパターン化についても提供される。本明細書に開示する実施形態における方法は、説明したシステムの動作について以上に示した機能を実施するために必要な工程を、実質的に含む。一実施形態において、前記方法は、少なくとも１つの多周波数波源を提供する工程と、定在波場を生成するように構成された少なくとも１つの槽を提供する工程と、個々の高調波の振幅を変調して望ましい定在波場パターンを生成する少なくとも１つの制御モジュールを提供する工程と、少なくとも１つの望ましい定在波場パターンを特定する工程と、前記望ましい定在波場パターンに基づいて少なくとも１つの定在波を生成する工程と、前記望ましい定在波場パターンに基づいて少なくとも１つの高調波定在波を生成する工程と、生成された合成多周波数定在波場を前記望ましい定在波場パターンと比較する工程と、前記定在波を必要に応じて調整する工程と、前記多周波数定在波を必要に応じて微調整する工程とを含む。

一部の実施形態において、前記波場は、流体中の音波、固体中の音波に対応する応力−ひずみ場、電磁場、粒子密度場（例えば、プラズマ、金属、またはイオン伝導体中のイオンまたは電子）などを有する。本明細書の方法は、場合により、電磁および光による浮揚および操作のため安定した節領域を生成する工程を有する。前記安定した節領域により、固体材料、流体材料、および／または浮揚する微小粒子状物質の製造を容易にすることができる。前記浮揚する微小粒子状物質は、生体細胞、非生物材料、コロイド、エアロゾル、および／または粉末を有することができる。

前記望ましい定在波場パターンは、場合により、液体中の強化されたキャビテーション、ソノルミネッセンス、ソノケミストリー、組織工学または癌治療における組織焼灼、ｉｎ ｖｉｖｏでの神経細胞の超音波刺激、および／または物理的、化学的、および生物学的工程のうちの少なくとも１つの開始を生じるよう構成された高度に局所的な高音圧を伴う腹領域を生成する。種々の実施形態において、前記望ましい定在波場パターンは、ｉｎ ｖｉｖｏでの神経細胞の電磁刺激、超解像光学顕微鏡用の局所的集光、加熱または検出のためのＲＦまたはマイクロ波収束、電離プラズマの制御のための電磁収束、および／または物理的、化学的、および生物学的工程のうちの少なくとも１つの開始を生じるため使用できる、高度に局所的な高電磁場強度を伴う腹領域を生成する。

本明細書の方法の前記望ましい波場パターンは、場合により、生物材料または非生物材料において適切に画成されたチャネルおよび／または適切に画成されたキャビティを生成するように構成された高度に局所化した高音圧の腹領域を生成する。一部の実施形態において、本明細書で提供される方法は、組織工学のための写実的な組織構造への細胞のパターニングを有する。種々の実施形態において、前記方法は、複雑な形状を有した部品および装置を製造するための粒子のパターニング、統合、および結合、および／または超音波、光、または他の非侵襲的手段による非破壊試験のための音響定在波槽またはチャネル内における細胞または粒子層の安定化を有する。当該方法は、場合により、医療、化学、または産業工程のための細胞または粒子の精製分離、ならびに固定されたチャネルおよび槽を伴う従来のマイクロ流体装置が不要な細胞または粒子のマイクロ流体制御を有する。

本明細書の方法は、フーリエ解析、ウェーブレット解析、および／または他の波形解析方法を使った波場の計算モデル化により、定在波の節または腹領域を収束させる工程、複雑な節−腹パターンを定在波に生成する工程、および／または周波数セットおよび源位置を選択することで特定された粒子構造を生成する工程を有することができる。一部の実施形態は、複数の音源を生成する工程を有し、それら複数の音源は複数の区別可能な周波数から成る音波を生成する能力を有し、これにより重なり合う（加算される）定在波を形成して、安定し高度に画成された節面を伴う複雑な定在波場構造を生成し、この複雑な定在波場構造は、複雑で安定性が高く高度に細分化されたパターンで粒子を保持する仮想テンプレートとして機能する。前記定在波場構造は、平面状、円筒状、球状、回転楕円状、または他の幾何学構造を有した１次元、２次元、または３次元のパターンを有することができる。特定の実施形態において、前記定在波場構造は節面の複雑な組み合わせを生成し、当該節面の複雑な組み合わせは、二重壁形状、三重壁形状、他の複数壁特徴、および他の節面幾何構成のうちの少なくとも１つを形成する。

本明細書では、さらに、空間的な収束およびパターン化のために定在波場の高調波変調を使って細胞または組織をモデル化する方法が提供される。本明細書に開示する実施形態における方法は、説明したシステムの動作について以上に示した機能を実施するために必要な工程を、実質的に含む。一実施形態では、前記方法は、目標組織を選択する工程と、前記目標組織の構造を解析する工程と、前記目標組織の構造を模倣する定在波場をモデル化する工程と、前記定在波場を生成するために必要な波を生成するために少なくとも１つの多周波数送波器をプログラムする工程と、定在波場を生成するように構成された槽を提供する工程と、前記槽内に適切な媒体を提供する工程と、選択された細胞を前記媒体に加える工程と、前記定在波場を生成するために必要な波を生成する工程と、前記槽に前記波を適用する工程と、細胞に十分な時間を与えて、前記定在波場により決定される形態へと組織化させる工程とを含む。一部の実施形態において、前記方法は、さらに、複雑な組織の場合は他の細胞種をパターン化するため前記工程を反復する工程を有する。

特定の実施形態では、正方形、長方形、三角形、または菱面体対称性を伴う周期的な３次元チャネル用のテンプレートを生成するため、複数の多周波数波源が互いに９０°および１２０°のうちの少なくとも１つの向きに配置される。一部の実施形態は、５回（１０８°）、７回（１２８．５７°）、および８回（１３５°）対称性を伴う複数の音源を有し、これにより組織微細構造に類似した非周期およびランダム細胞構造、および／または原子構造における無秩序または準結晶性パターンのためのテンプレートとして定在波を生成する。前記多周波数波源は、互いに他の角度になるよう配置される場合もある。

前記槽は、場合により、円柱形、円錐形、立方体、多面体、球形、回転楕円体、菱面体、角柱形、または他の幾何学形状を有する。本明細書の方法では、場合により、細胞または粒子を、当該細胞または粒子が流れる仮想チャネルおよび／または槽に閉じ込める力場として、音響定在波場を生成する。前記目標組織の微細構造は３Ｄフーリエ解析で解析でき、これは組織試料をミクロトームでスライスして連続スライスを撮像する工程、３Ｄ顕微鏡コンピュータ断層撮影法（マイクロＣＴ）、および／または他の３Ｄ画像再構成法により行う。

特定の実施形態において、前記生成された定在波は振幅スパイクを有し、これらの振幅スパイクは、連続的な流路（導管、毛細血管、細気管支）および空洞（肺胞）を伴う組織構造が形成可能な腹領域と、規則的な細胞クラスター（小葉）およびシート（組織層、内膜、壁、および膜）などの組織構造が形成可能な節領域とに対応する。

本明細書全体にわたり、特徴、利点、または同様な文言に言及している場合は、本発明で実現可能な前記特徴および利点のすべてが本発明の任意の単一の一実施形態であるべきで、またそうであると示唆するものではない。むしろ、それら特徴および利点に言及する文言は、一実施形態に関し記述された特定の特徴、利点、または特性が、少なくとも本発明の一実施形態に含まれることを意味すると理解すべきである。そのため、本明細書全体にわたる前記特徴および優位性の説明と、同様な文言とは、同じ実施形態をいう場合もあるが、必ずしもそうとは限らない。

さらに、本発明の特徴、利点、および特性は、１若しくはそれ以上の実施形態において、いかなる適切な態様でも組み合せることができる。当業者であれば、特定の実施形態の具体的な特徴または利点のうち１若しくはそれ以上がなくとも、本発明を実施できることが理解できるであろう。他の場合では、一定の実施形態に見られる付加的な特徴および利点が、すべての本発明の実施形態に見られない場合もある。

本発明のこれらの特徴および利点は、以下の説明および添付の請求項からより完全に理解され、あるいは下記のように本発明を実施することにより学べるであろう。

以上、本発明を簡潔に説明したが、以下では、本発明の利点を容易に理解するため、添付の図面に例示した具体的な実施形態を参照し、より具体的に説明する。これらの図面は単に本発明の一般的な実施形態を示しているだけであるため、これらの図面が本発明の範囲を限定すると見なすべきではない点を踏まえた上で、以下、添付の図面により付加的な特定性および詳細事項とともに本発明について説明する。
図１Ａ〜１Ｃは、本発明に基づき、高調波の変調または合成を使って生成できる定在波パターンの例を示した図である。 図１Ａ〜１Ｃは、本発明に基づき、高調波の変調または合成を使って生成できる定在波パターンの例を示した図である。 図１Ａ〜１Ｃは、本発明に基づき、高調波の変調または合成を使って生成できる定在波パターンの例を示した図である。 図２Ａ〜２Ｄは、本発明に基づき、基本定在波モード図２Ａの高調波変調を例示した図であり、２次２Ｂ、４次２Ｃ、および７次２Ｄの高調波で方形波を近似生成している。 図２Ａ〜２Ｄは、本発明に基づき、基本定在波モード図２Ａの高調波変調を例示した図であり、２次２Ｂ、４次２Ｃ、および７次２Ｄの高調波で方形波を近似生成している。 図２Ａ〜２Ｄは、本発明に基づき、基本定在波モード図２Ａの高調波変調を例示した図であり、２次２Ｂ、４次２Ｃ、および７次２Ｄの高調波で方形波を近似生成している。 図２Ａ〜２Ｄは、本発明に基づき、基本定在波モード図２Ａの高調波変調を例示した図であり、２次２Ｂ、４次２Ｃ、および７次２Ｄの高調波で方形波を近似生成している。 図３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施形態に基づき、互いに９０°（３Ａ〜Ｂ）および１２０°（３Ｃ）の向きに配置した２つの音源の高調波変調を使って、正方形３Ａ、長方形３Ｂ、および六角形３Ｃの対称性で生成される周期的３次元チャネル（流路）のコンピュータシミュレーションの実施形態を示した図である。 図３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施形態に基づき、互いに９０°（３Ａ〜Ｂ）および１２０°（３Ｃ）の向きに配置した２つの音源の高調波変調を使って、正方形３Ａ、長方形３Ｂ、および六角形３Ｃの対称性で生成される周期的３次元チャネル（流路）のコンピュータシミュレーションの実施形態を示した図である。 図３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施形態に基づき、互いに９０°（３Ａ〜Ｂ）および１２０°（３Ｃ）の向きに配置した２つの音源の高調波変調を使って、正方形３Ａ、長方形３Ｂ、および六角形３Ｃの対称性で生成される周期的３次元チャネル（流路）のコンピュータシミュレーションの実施形態を示した図である。 図４Ａ〜４Ｂは、本発明に基づき、液体培地中で浮遊する細胞の層を音響浮揚を使って生成する装置の実施形態を示した図である。 図４Ａ〜４Ｂは、本発明に基づき、液体培地中で浮遊する細胞の層を音響浮揚を使って生成する装置の実施形態を示した図である。 図５Ａ〜５Ｃは、本発明の実施形態に係る超音波定在波場のパターンおよび節のコンピュータモデルを示した図である。 図５Ａ〜５Ｃは、本発明の実施形態に係る超音波定在波場のパターンおよび節のコンピュータモデルを示した図である。 図５Ａ〜５Ｃは、本発明の実施形態に係る超音波定在波場のパターンおよび節のコンピュータモデルを示した図である。 図６Ａ〜６Ｂは、本発明に基づき、水中で中性浮力状態の細胞模倣マイクロスフェアを使って、複数の高調波周波数による節収束の一実施形態の実験証明を示した図である。 図６Ａ〜６Ｂは、本発明に基づき、水中で中性浮力状態の細胞模倣マイクロスフェアを使って、複数の高調波周波数による節収束の一実施形態の実験証明を示した図である。 図７Ａ〜７Ｃは、本発明に基づき、複数源（２つのトランスデューサ）と、複数の周波数と、その結果生じる干渉パターンとの組み合わせを使った複雑な３Ｄ節パターン（黒い線）の生成の実施形態を示した図である。 図７Ａ〜７Ｃは、本発明に基づき、複数源（２つのトランスデューサ）と、複数の周波数と、その結果生じる干渉パターンとの組み合わせを使った複雑な３Ｄ節パターン（黒い線）の生成の実施形態を示した図である。 図７Ａ〜７Ｃは、本発明に基づき、複数源（２つのトランスデューサ）と、複数の周波数と、その結果生じる干渉パターンとの組み合わせを使った複雑な３Ｄ節パターン（黒い線）の生成の実施形態を示した図である。 図８Ａ〜８Ｃは、本発明に基づき、２つのトランスデューサおよび高調波周波数の種々の組み合わせを使った他種の複雑な節パターン（黒い線）生成の実施形態を示した図である。 図８Ａ〜８Ｃは、本発明に基づき、２つのトランスデューサおよび高調波周波数の種々の組み合わせを使った他種の複雑な節パターン（黒い線）生成の実施形態を示した図である。 図８Ａ〜８Ｃは、本発明に基づき、２つのトランスデューサおよび高調波周波数の種々の組み合わせを使った他種の複雑な節パターン（黒い線）生成の実施形態を示した図である。 図９Ａ〜９Ｂは、本発明に基づいて、９Ａでは１次元の単純な単一周波数波場の実施形態を示し、９Ｂでは９Ａに示すような単純な定在波場を３つ重ね合わせたものから工学的に生成された３次元組織構造の２次元図の実施形態を示した図である。 図９Ａ〜９Ｂは、本発明に基づいて、９Ａでは１次元の単純な単一周波数波場の実施形態を示し、９Ｂでは９Ａに示すような単純な定在波場を３つ重ね合わせたものから工学的に生成された３次元組織構造の２次元図の実施形態を示した図である。 図１０Ａ〜１０Ｂは、本発明に基づき、１０Ａでは圧力振幅スパイクを生成するように設計された１次元の複雑な高調波変調済み定在波場の実施形態を示し、１０Ｂでは１０Ａに示すような複雑な定在波場を３つ重ね合わせて工学的に生成した３次元組織構造の２次元図を示したものである。 図１０Ａ〜１０Ｂは、本発明に基づき、１０Ａでは圧力振幅スパイクを生成するように設計された１次元の複雑な高調波変調済み定在波場の実施形態を示し、１０Ｂでは１０Ａに示すような複雑な定在波場を３つ重ね合わせて工学的に生成した３次元組織構造の２次元図を示したものである。 図１１は、本発明に基づいて高調波変調した音響定在波場を使って肺胞および細気管支の構造を再現するように工学的に生成された組織構造の一実施形態の概略的な線画である。 図１２Ａ〜１２Ｄは、本発明に基づき、振幅スパイクを生成するように設計された高調波変調した複雑な定在波場の実施形態を示した図である。 図１２Ａ〜１２Ｄは、本発明に基づき、振幅スパイクを生成するように設計された高調波変調した複雑な定在波場の実施形態を示した図である。 図１２Ａ〜１２Ｄは、本発明に基づき、振幅スパイクを生成するように設計された高調波変調した複雑な定在波場の実施形態を示した図である。 図１２Ａ〜１２Ｄは、本発明に基づき、振幅スパイクを生成するように設計された高調波変調した複雑な定在波場の実施形態を示した図である。 図１３は、本発明に基づき、定在波場の高調波変調を使った空間的な収束およびパターニング用のシステムの実施形態を示した図である。 図１４は、本発明に基づき、定在波場の高調波変調を使った空間的な収束およびパターニング用の方法の実施形態を示した図である。 図１５は、本発明に基づき、空間的な収束およびパターニングのための定在波場の高調波変調を使った細胞または組織モデリング用の方法の実施形態を示した図である。

この明細書全体において「一実施形態」、「実施形態」、または同様な表現は、その実施形態と関連して説明する特定の形状、構造、または特徴が、少なくとも本発明の一実施形態に含まれることを意味する。そのため、前記「一実施形態」、「実施形態」、および同様な表現が本明細書全体にわたり見られた場合は、同じ実施形態をいう場合もあるが、必ずしもそうとは限らない。

さらに、本発明の形状、構造、および特徴は、１若しくはそれ以上の実施形態において、いかなる適切な態様でも組み合せることができる。以下の説明では、本発明の実施形態の完全な理解を助けるよう具体的な詳細事項を多数提供する。ただし、当業者であれば、本発明は、前記具体的な詳細事項のうち１若しくはそれ以上を伴わなくても、または他の方法、構成要素、材料などを伴っても、実施できることが理解できるであろう。他の場合、周知の構造、材料、または動作については、本発明の態様を曖昧にしないよう図示または詳述を省いている。

本明細書に含めた概略的な方法図は、全般的に論理フローチャートとして記載したものである。したがって、図示した順序および表示した工程は当該方法の一実施形態を示している。例示した方法の１若しくはそれ以上の工程、またはその一部と機能、論理、または効果が同等である他の工程および方法も考えられる。また、使用した形式および記号は当該方法の論理工程を説明するために提供したものであり、当該方法の範囲を限定しないものと理解すべきである。フローチャートには種々の矢印タイプと線タイプを使用する場合があるが、それらは対応する方法の範囲を限定しないものと理解すべきである。実際、一部の矢印または他の連結体は当該方法の論理の流れを示すためだけに使用される場合がある。例えば、矢印は、図示した方法について列挙した工程間の、時間長を特定しない待機または監視期間を示すことができる。また、特定の方法が実施される順序は、それに対応して示した工程の順序に厳密に従っても従わなくてもよい。

図１Ａ〜１Ｃは、高調波の変調または合成を使って生成できる定在波パターンの例を示したものである。図示したように、音波１００とその圧力場１０２は、トランスデューサ１０６により生成され、流体（図示せず）中で伝達されて、硬質面または反射体１０８で反射される。図１Ａは、方形波パターンの典型的な例を示している。この例において、節または粒子浮揚領域１０４は、これら節の圧力場勾配が大きいため不安定である。図１ａは、トランスデューサ（固定されていない端部）１０６と、増加する圧力勾配１０２と、不安定な浮揚領域１０４と、反射体（固定された端部）１０８とを示している。この圧力場（曲線）は、高調波変調で理想的な方形波が生成された状態における空洞内の音響定在波から生じたもので、圧力の急勾配が生まれることにより不安定な節または浮揚領域を生じている。図１Ｂは、修正されたのこぎり波１１０を生成する高調波変調の一実施形態を例示しており、この修正のこぎり波１１０は、平坦な圧力勾配１１４で安定した節または浮揚領域１１２を生じる。前記平坦な領域１１２では、粒子（図示せず）に圧力勾配１０２がかからないため、前記のこぎり波１１０の節で浮揚領域が安定する。図１Ｃは、波場圧力１１４を局在化させる理想的なスパイク波１１６を生成する高調波変調の一実施形態を例示したものである。鋭い圧力スパイク１１８は、波腹の位置で生じる。浮揚条件が最適な一実施形態は圧力の「井戸」（ｗｅｌｌ）を有し、２つの隣接しあう圧力スパイク１１８間で粒子を強固に閉じ込めることができる。図１Ｂおよび１Ｃは理論的な波場の実施形態を例示しており、この波場の生成には非常に高い周波数までの周波数範囲を含む非常に多くの高調波モードが必要とされる。実際に図１Ａの方形波例などの良好な近似値を生成するには、少数の高調波モードのみ必要となる。

図２Ａ〜２Ｄは、本発明に基づいて、基本波モード図２Ａの高調波変調２００を例示している。図示したように図２Ｂは２つ、図２Ｃは４つ、図２Ｄは７つの高調波モードを使って、方形波の近似値２０６、２０８、および２１０を生成している。例示した実施形態では、トランスデューサ１０６と、定在波２０２と、浮揚点を形成する節２０４領域と、反射体１０８とを各変調について図示している。

音響定在波は、閉じ込められた流体中で生成できる。例えば、流体で満たした立方槽面の１つに抗して音源を配置すると、前記立方体のサイズに反比例した周波数で、前記流体中に縦方向の定在波が生成される。前記音源が単一周波数を発する場合、前記定在波２０２の圧力場は余弦波（コサイン波）で記述でき、前記節２０４領域は前記立方体面に平行な平面として記述できる。音響放射力および圧力は前記節２０４領域でゼロになるため、細胞または粒子はこの節２０４領域に集まる。ただし、音圧は純粋な余弦関数であり、節２０４面から遠ざかるに従って徐々に増加するため、節２０４領域が適切に画成されない場合もある。このため、動きを伴う細胞および粒子は前記節２０４面を中心として振動し、適切に画成されていない節領域２０４を生じる。

ただし、複数の周波数を伴う音波を使うと、前記節２０４領域をより鋭く画成して粒子構造を得ることができる。例えば、より高次の高調波を使用すると、定在波２０２の形状を修正して、細胞および粒子をより強固に前記節２０４領域に閉じ込めることができる。一部の実施形態では、定在波２０２の余弦波形を高調波で修正して、節２０４点に圧力井戸を伴う方形波１００、修正のこぎり波１１０、または二重スパイク構造１１６にできる。そのような波修正を使用すると、はるかに幅狭で適切に画成された節２０４領域を生成でき、その節２０４領域は、節２０４（音圧ゼロ）面から遠ざかるに従って音圧が急激に増加すると同時に、圧力についてポテンシャルの井戸を生じることにより細胞または粒子を強固に結合する。このため、動きを伴う細胞および粒子は前記節２０４面により強固に拘束されて、適切に画成された節２０４領域を生じる。前記節２０４領域の画成度が高まることにより、粒子運動および複合粒子構造の形状に関する安定性も増す。例えば、平面状の節２０４面における粒子は、より低い頻度で節２０４領域内外において振動し、節２０４面は、より適切に画成された平面幾何学構造を保つ。

本明細書で提供する技術の種々の実施形態は、複数の明確に区別できる周波数を生成できる音源または電磁波源を使用している。圧電トランスデューサは、積層した圧電素子を有することができる。トランスデューサは、厚さの異なる圧電素子を積層したものを有する場合があり、一部の実施形態では、素子を電気的に相互絶縁してそれぞれ固有の周波数で独立して電気的に励起することを容易にしている。各素子の厚さが異なることにより、各素子が異なる高調波周波数を伴うよう調整できる。電圧源により協動的に駆動すると、素子の組み合わせは本明細書の図３、６、７、８、９、および１０に例示したコンピュータシミュレーションで使用される理想的な波場の構造により近い多周波数波場を生じる。広帯域の音響トランスデューサは任意の波形発生器で駆動できるため、望ましい定在波パターンを直接生成できる。一部の実施形態では、広帯域圧電トランスデューサを１若しくはそれ以上の狭帯域音響フィルタと併用する。広帯域トランスデューサには、高いパルス反復周波数でパルスを適用できる。前記音響フィルタは、場合により音響メタマテリアルで作製される。特定の実施形態では、ＳＡＳＥＲ（Ｓｏｕｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ：放射の誘導放出による音増幅）を、より高次の非線形高調波生成と併用する。一部の実施形態では、小さい開口部から単一周波数の平面波を音響散乱させて高調波を生成する。種々の実施形態では、非線形光学における周波数混合工程と同様な現象を呈する新しい音響メタマテリアルを使用する。

種々の実施形態において、多周波数の電磁波源は、レーザーにおける高調波周波数生成と、メーザーにおける高調波周波数生成と、高調波周波数機能を伴う小型化した多成分高周波（ＲＦ）およびマイクロ波アンテナと、調節可能な狭帯域フィルタとしてのメタマテリアル使用と広帯域の電磁波源または光学源とを併用したものとを有する。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明に基づき、互いに９０°（３Ａ〜Ｂ）および１２０°（３Ｃ）の向きに配置した２つの音源の高調波変調を使って、正方形３Ａ、長方形３Ｂ、および六角形３Ｃの対称性で生成される周期的３次元チャネル（流路）のコンピュータシミュレーションの実施形態３００を示したものである。この高調波変調により、適切に画成された多層チャネル壁、または異なるチャネルサイズを伴うインターレースされたチャネル構造が生成される。

複数源および複数周波数の音波を使うと、広範囲で複雑な構造の定在波を生成できる。種々の実施形態では、互いに９０°および１２０°に配向した音源配置を使って、正方形、長方形、三角形、および菱面体対称性を伴う周期的な３次元チャネルを生成することができる。５回（１０８°）、７回（１２８．５７°）、および８回（１３５°）対称性の音源配置を使うと、非周期構造を生成できる。このような対称性では２次元空間および３次元空間をタイル配置できないため、このような定在波から得られる細胞構造は非周期でランダムなものとなり、多くの組織微細構造のようになる。原子構造では、５回対称性および７回対称性は不整合状態になり、無秩序な若しくは準結晶性のパターンが形成される。他の配置を使用して他の特殊パターンまたは構造を生成する場合もある。

特定の実施形態では、円筒槽内の細胞または粒子の懸濁液中で複雑な構造が生成される。その結果生じる定在波は円筒形の波関数により記述でき、異なる定在波モードの励起を使って、当該槽の軸周囲に束ねられた軸方向チャネルとそれらのチャネルを取り囲む直方形の槽とを伴う構造を生成することができる。そのような複合細胞構造を使うと、小葉タイプの組織微細構造、例えば肺（肺胞）または腎臓（糸球体）に見られるものを工学的に生成できる。

樹状の胞状構造は、円錐形の閉じ込め槽および複数の周波数を使ってパターン化できる。その場合の定在波は円錐形の共振モードで円錐対称性を伴い、円錐座標系に沿って円錐波関数でモデル化および表現できる可能性がある。

一部の実施形態では、固定されたチャネルおよび槽を伴う従来のマイクロ流体装置を必要とすることなく、細胞または粒子のマイクロ流体制御が実現される。音響定在波場を力場として使うと、細胞または粒子を、それらが流れる仮想チャネルおよび槽に閉じ込めることができる。種々の実施形態では、音響波場構造の周波数成分、音源位置、および位相を修正して、音響波場構造を修正する。これにより、仮想マイクロ流体装置をすばやく再構成して多種多様な関数を実行できる。

特定の実施形態は、定在波の腹領域をスパイク状に収束させる。そのような実施形態は、流体中の音響キャビテーションと、ソノケミストリーと、ソノルミネッセンスと、組織工学または癌治療における組織焼灼と、ｉｎ ｖｉｖｏでの神経細胞の超音波および電磁刺激と、超解像光学顕微鏡用の局所的集光と、加熱または検出のためのＲＦまたはマイクロ波収束とを有する。

図４Ａ〜４Ｂは、本発明に基づき、液体培地４０６中で浮遊する細胞の層４０８を音響浮揚を使って生成する装置４００の実施形態を示したものである。図４Ａは、前記装置４００の一実施形態を示した概略的な線画であって、この装置４００は、５０ＭＨｚプローブトランスデューサ４０２と、円筒形の井戸４０４と、流体４０６と、定在波４０５と、節２０４と、腹４０７と、細胞層４０８と、薄いプラスチックフィルム４１０と、２００ｋＨｚ浮揚トランスデューサ４１２とを有する。図４Ｂは、水４０６の中の円筒形の井戸４０４において中性浮力状態の細胞模倣マイクロスフェア４１４の音響浮揚を実証している当該装置４００の写真の線画であり、上方トランスデューサ４０２および下方トランスデューサ４１２を使用している。前記マイクロスフェア４１４は、定在波節で層４１６を形成する。このような層４１６は、高周波超音波でプロービングを行い、コヒーレントなパルス反射を得るのに必要である。一部の実施形態では、次に高周波超音波で前記細胞層４１６を高周波プロービングして、培養皿による反射および付着力に干渉することなく細胞の生体力学特性を取得できる。

組織工学を目的とした音響定在波の使用は、音響浮揚現象に依存する。音響浮揚において、定在波４０５は、閉じた空洞４０４または音響領域内で、定在波４０５を生じる特定の周波数に調整された超音波を使って生成される。このような定在波４０５は、波の圧力が変化しない節２０４と、波の圧力が最大変動を呈する腹４０７とを有する。流体（空気または液体）４０６中の粒子４１４は、この変化する圧力のため、前記腹４０７から離れる方向へ付勢され、前記節領域２０４に蓄積して層を形成する。図４は、高周波数（５０ＭＨｚ）超音波試験用に、マイクロ粒子４１４および細胞４０８を流体４０６中で浮揚させる音響浮揚を例示したものである。

組織工学に適用する場合、成長培地４０６（流体またはゲル）中の細胞４０８は音響定在波４０５にばく露される。それらの細胞４０８は前記節領域２０４に蓄積し、そこで繁殖し続けるとともに、タンパク質および他の生体分子を放出して互いに付着し、細胞外マトリックスを産出する。前記細胞４０６の層４１６はこのように組織化され、層状の組織構造を形成する。複数の周波数から成る定在波４０５は、この工程を容易にする。定在波４０５の特徴を保つよう、それらの周波数は基本波の高調波または最低の定在波周波数である。前記複数の周波数により生じる干渉パターンにより、定在波の変調とその特性のカスタマイズが可能になる。例えば、図４Ｂでは、前記トランスデューサ４０２、４１２を方形波電圧パターンで駆動して、基本波および最初の４つの奇数次の高調波の波周波数を生成させている。４Ｂに示したように、この周波数の組み合わせにより、４Ａに示した単純な正弦波で生成するものよりはるかに収束した（薄く高度に画成された）節領域２０４が生成される。前記節２０４付近の圧力勾配は４Ｂのほうが４Ａより大きいため、浮揚するマイクロ粒子４１４または細胞４０８は、４Ｂのほうがはるかに安定し、適切に画成された層４１６を形成する。

図５Ａ〜５Ｃは、本発明に係る超音波定在波場に関する節の収束効果コンピュータモデル５００の一実施形態を示したものである。図示した実施形態は６つの節による節収束効果を示したもので、節は濃い色の線として示しており、それぞれ単一周波数の正弦波５Ａ、３つの周波数（基本波および最初の２つの奇数次の高調波）から生成された方形波５Ｂ、および５つの周波数（基本波および最初の４つの奇数次の高調波）から生成された方形波５Ｃである。このモデルでは、単一周波数でトランスデューサを駆動した単純な正弦波５Ａ、３つの超音波周波数を放射するようにトランスデューサを駆動した方形波５Ｂ、および５つの超音波周波数を放射するようにトランスデューサを駆動した方形波５Ｃについて圧力場および節の絶対値を表示している。図示したように、節領域は周波数を追加するに伴い、より薄く適切に画成され、５Ａと比べ、５Ｂおよび５Ｃの節の鮮明度および画成は高まっている。高調波周波数の振幅を変化させると、他の節パターンも生成できる。そのようなパターンとしては、二重または三重の薄い節層、または薄い腹領域で分離された厚い節層などがある。

図６Ａ〜６Ｂは、本発明に基づき、高調波周波数を使って定在波を変調し節領域を収束させ、水４０６中で中性浮力状態の細胞模倣マイクロスフェア４１４を使った実験的検証の実施形態６００を示したものである。図６Ａでは、正弦波電圧源（単一周波数）で超音波トランスデューサを駆動している。図６Ｂでは、方形波電圧源（基本周波数および奇数次の高調波）で駆動した超音波トランスデューサを使って、６Ａより鮮明で画成度の高い細胞層を生成した。

薄いプラスチックシート４１０を底部に接着したアクリル製シリンダー４０４に水４０６を入れ、その中で中性浮力状態のポリエチレンマイクロスフェア４１４を浮揚させた。２００ｋＨｚトランスデューサ４１２を前記シリンダーの下に配置し、超音波ゲルで前記プラスチックの底部に音響的に結合した。図６Ａでは、純粋な正弦波電圧を前記トランスデューサ４１２に適用して単一周波数の定在波を生成した。図５Ａに示したモデルで予測されたとおり、前記マイクロスフェア４１４は節で厚い層４１６を形成し、多くのマイクロスフェア４１４が節２０４間に浮揚して残った。図６Ｂでは、方形波電圧を前記トランスデューサに適用して、より高次の高調波周波数を生成した。図５Ｂおよび５Ｃに示したモデルで予測されたとおり、前記マイクロスフェア４１４は節２０４でより薄い層を形成し、節２０４間のマイクロスフェア４１４ははるかに少数であった。

より薄く高度に画成された層４１６を形成したことに加え、方形波電圧源を使った実験６Ｂでは、正弦波電圧源を使った実験６Ａより迅速に層４１６が生成された。さらに６Ｂの層４１６は、より安定しており、溶液中でより長く持続した。図５のコンピュータモデリングおよびここでの実験の結果、異なる周波数からなる定在波で生成された１次元干渉パターンを使用すると、音響浮揚工程を微調整および改善できることが実証された。これらの干渉パターンを形成する工程はフーリエ合成としても知られており、周波数が異なる一式の正弦波の組み合わせから任意の波形を生成する能力がある。

例えば、実験動物由来、例えばマウス由来の組織微細構造は、３Ｄフーリエ解析で分析される。組織の領域、例えば肺胞構造の３Ｄ微細構造は、組織試料をミクロトームでスライスし、連続スライスを撮像して得られる。次にそれらの画像スライスをコンピュータプログラムで積み重ねて当該組織微細構造の３Ｄ表現へと再構築する。最後に前記３Ｄ画像に３Ｄフーリエ解析を行って、主な空間周波数と各々の振幅を得る。超音波干渉パターンは、１次元から２次元および３次元まで拡張する場合があり、人体に見られる微細構造を模倣した微細構造での組織工学に使用できる複雑なパターンを形成する。

図７Ａ〜７Ｃは、本発明に基づき、２つのトランスデューサ１０６と、複数の周波数と、その結果生じる干渉パターンとの組み合わせを使った複雑な３Ｄ節パターン（黒い線）の生成７００の実施形態を示したものである。図７Ａは、複雑な３Ｄ節パターンを生成するシステム７００を示した概略的な線画であり、このシステム７００は槽７０２内の成長培地７０４中で定在波７０６を生成する２つの超音波トランスデューサ１０６の構成を有する。前記トランスデューサ１０６を互いに直交するように配向させると、前記定在波７０６が互いに干渉して生体材料および組織の構築に有用なパターンを生じるようにできる。図７Ｂは、２つの単純な正弦波および節平面の交線から生成される正方形のチャネルを示したもので、前記トランスデューサ１０６から伝達された２つの単純な正弦波の干渉パターンがいかに干渉しあって節平面の正方格子（濃い色の線）を生じるかをモデルにより生成した画像である。この節格子に沿って細胞が組織壁へと成長すると、微細構造中に延びる正方チャネルが生成される可能性がある。図７Ｃは、各トランスデューサからの複数の高調波周波数を使って生成される複雑な形状のチャネルおよび平面（濃い色の線）の格子を示したものである。この格子は、基本周波数および最初の３つの高調波だけを使って生成され、形状およびサイズの異なる平行なチャネルを有する。最初の２つのトランスデューサに直交する第３のトランスデューサを加えると、これよりさらに複雑な節の微細構造を生成できる。前記超音波に追加する高調波周波数により、多種多様で複雑な節格子を生成することができる。このように、高調波周波数の振幅を変調すると、超音波干渉パターンでほぼ無限に多様な組織微細構造を生成できる。例えば、そのような微細構造には、肺胞および細気管支のように袋状構造にチャネルが入り組んだものも含まれる。

図８Ａ〜８Ｃは、本発明に基づき、２つのトランスデューサと、高調波周波数の各種組み合わせとを使って生成された他種の複雑な節パターン（黒い線）の実施形態を示したものである。一部の実施形態では、３Ｄフーリエ解析を使って身体由来の実際の組織微細構造を解析して、その構造の空間周波数を取得できる可能性がある。次に、これら空間周波数の振幅は、超音波干渉パターンの生成に使用する高調波周波数の組み合わせ調整に使用される。この方法では、干渉しあう波場の原理を使って写実的なパターンを空間に生成するという組織工学へのホログラフィックアプローチを採用している。

図９Ａ〜９Ｂは、１次元の単純な単一周波数波場９Ａ、ならびに９Ａに示すような単純な定在波場を３つ重ね合わせたものから工学的に生成された３次元組織構造の２次元図９Ｂの例９００を示したものである。薄い色と濃い色の領域は腹領域で、この図面の内外にわたり当該構造全体に延長する連続的なチャネルを形成する。不明瞭で徐変する振幅変動により、特定サイズの組織構造の成長を予測または制御することは難しい。

図１０Ａ〜１０Ｂは、本発明に基づき、鋭く区別可能な圧力振幅スパイクを形成するように高調波周波数の特定の重ね合わせから構成された複雑な定在波１０Ａ、ならびに１０Ａに示すような複雑な平面定在波を３つ重ね合わせて六角形の断面を伴う空洞内に閉じ込めたものによる３次元組織構造内のチャネルの三角形格子構造１０Ｂとの実施形態１０００を例示したものである。１０Ｂでは、鋭く画成された三角形格子を形成する薄い色の領域だけが腹領域であり、これらの腹領域は、この図面の内外にわたり、またこの微細構造全体にわたり三角形格子として延長する連続的なチャネルを形成する。これらの腹は、１０Ａにおける振幅のスパイクに対応する。薄い色の線の間の三角形の濃い色の領域は節領域で、低圧振幅（?０．２）を伴う波形の領域に対応する。組織構造、例えば規則的な細胞クラスター（小葉）は、これらの節領域で形成できる。

このように、特定の実施形態では、高調波変調した複雑な定在波場により、細動脈、毛細血管、および組織内の他の管状構造の構造に、より類似した組織構造において明瞭かつ適切に画成されたチャネルが生成される。規則的な三角形、長方形、または六角形の細胞クラスターへと細胞を分割しても、体内の多くの組織微細構造、例えば肝小葉に、より類似させることができる。他の器官組織も、図１１に示すように、このような幾何学的に規則的な構造単位、例えば肺胞および細気管支から工学的に生成できる。

図１１は、本発明に基づいて高調波変調した音響定在波場を使って肺胞１１０２および細気管支１１０４の構造を再現するように工学的に生成された組織構造１１００の一実施形態の概略的な線画である。このような規則的幾何構造は、図１０に示したものと同様な態様で生成できるが、前記六角形領域の内部は空の肺胞１１０２および細気管支１１０４空洞にできるため、前記定在波場の腹領域から生成できる。前記肺胞を取り囲む薄い領域は、前記肺胞１１０２および細気管支１１０４の上皮、エラスチン、および毛細血管の壁１１０６にでき、大部分、定在波場の節領域から生成できる。

図１２Ａ〜１２Ｄは、本発明に基づき、高度に局所化した振幅スパイク１２０２を生成するように設計された高調波変調した複雑な定在波場１２００の実施形態を示したものである。一部の実施形態において、前記波場１２００は流体中の音波を有する。この波場１２００は、場合により、固体中の音波に対応する応力−ひずみ場、電磁場、粒子密度場（例えば、プラズマ、金属、またはイオン伝導体中のイオンまたは電子）などを有する。

このようなスパイク１２０２は、組織構成内のチャネルおよび空洞をパターン化する場合に組織工学で有用となる。特定の実施形態では、他の各種用途、例えば音響キャビテーションおよびソノルミネッセンスを強化する、電磁ピンチ効果または閉じ込め効果を生成してプラズマの安定性および融合反応率を改善する、レーザー空洞で高電界効果を誘発する、または液体および固体の電解質中で電気音響効果および音響イオン効果を強化するといった用途にも使用できる。

図１３は、本発明に係る定在波場の高調波変調を使った空間的な収束およびパターニング用のシステム１３００の実施形態を示したものである。図示したように、この実施形態は、複数の周波数で波を伝達する送波器１３０２と、定在波を生成するように構成された槽または空洞１３０４と、望ましい波場パターンを生成するように個々の高調波の振幅を変調する制御モジュール１３０６と、望ましい波場パターン、材料構造、または材料形状に対応する個々の高調波の振幅を計算する解析モジュール１３０８とを有する。一部の実施形態において、前記送波器１３０２は、音響トランスデューサ、電磁アンテナ、またはレーザーを有する。伝達される複数の周波数は、具体的には、基本波（最低）周波数モードと、基本周波数の高調波とを有することができる。特定の実施形態において、前記送波器１３０２は、１次元、２次元、または３次元で複雑で適切に画成されたパターンへと波場構造をさらに収束させるための複数の波場源を有する。前記定在波は、平面状、円筒状、球状、または定在波をもたらす波関数を生成する他の多くの幾何学構造の１つ、例えば回転楕円状にできる。

本明細書の技術の各種実施形態では、フーリエの定理の原理を使って定在波の節または腹領域を収束させ、あるいはより複雑な節−腹パターンを定在波に生成する。フーリエの定理によれば、いかなる複雑な周期振動も周波数成分の高調波アレイへと構築することが可能である。したがってフーリエの定理を使用すると単一周波数の波より複雑な周期的な波を構築でき、ひいては節または腹領域で音圧または電磁場をより鋭く収束させることができる。

一部の実施形態では、多周波数の単一伝達源で波場を空間的に収束させる。このようなシステムでは、広範囲の任意の複雑な波場パターンを生成できるため、特殊な形状の設計または波を収束させる面を伴う送波器が不要になる。同様に、複数の周波数を使ったこの波場空間収束（「周波数収束」）は、物理的な収束要素、例えばレンズまたは鏡に依存しない。

種々の実施形態では、高度に画成された節領域の生成により粒子の動きを閉じ込める度合いが高まり、浮揚体の安定性が増す。より高度に画成された腹領域―スパイク―を生成すると、波場強度の局所化が高まり、高強度現象、例えば流体中でのキャビテーション、熱焼灼、ソノケミストリー、または生物中の神経細胞の刺激が起こる。

特定の実施形態では、複数の周波数からなる複数源１３０２からの波場を使って、３次元粒子浮揚を伴う定在波を生成する。粒子は前記定在波の節領域に引き付けられ、そこで保持される。複数の周波数および波源１３０２を使うと、鋭く画成され、複雑に構造化された節領域を生成できる。この節領域の鋭い画成は、節領域内での粒子の動きと振動を抑制することにより、粒子構造をさらに安定させる。

そのため、一部の実施形態では、複数周波数および複数源を有する音響波場を使って、複雑で安定性が高く高度に細分化されたパターンで粒子を保持する仮想テンプレートとして機能する定在波を生成する。粒子構造を生成するための周波数セットおよび源位置の選択に、波場の計算モデル化が使用される場合もある。一部の実施形態では、各音源が、複数の区別可能な周波数から成る音波を生成する能力を有する。これら区別可能な周波数の音波は、重なり合う（加算される）定在波を形成することにより、安定し高度に画成された節面を伴う複雑な定在波構造を生成することができる。また、「二重壁」および「三重壁」形状を形成する節面の複雑な組み合わせを生成することもできる。本明細書の技術では、さらに複数のこれら多周波数源を使って複雑な幾何構成の節面を生成する。これらの構成は、浮揚粒子をパターン化する仮想または音響力テンプレートとして使用することができる。

図１４は、本発明に係る定在波場の高調波変調を使った空間的な収束およびパターニングの方法１４００の実施形態を示したものであり、開始する工程（１４０１）と、少なくとも１つの送波器を提供する工程（１４０２）と、少なくとも１つの槽または空洞を提供する工程（１４０４）と、少なくとも１つの制御器を提供する工程（１４０６）と、少なくとも１つの望ましい波パターンを特定する工程（１４０８）と、前記望ましい波パターンに基づいて少なくとも１つの定在波を生成する工程（１４１０）と、前記望ましい波パターンに基づいて少なくとも１つの追加定在波を生成する工程（１４１２）と、結果的に生じた合成波を前記望ましい波パターンと比較する工程（１４１４）と、前記結果的に生じた合成波パターンが前記望ましい波パターンに近似しない場合、工程１４１０に戻り、前記結果的に生じた合成波が前記望ましい波パターンに近似する場合、前記望ましい波パターンにさらに近似させた微調整済み波パターンを生成するため前記結果的に生じた合成波を微調整する工程（１４１６）と、前記微調整済み波パターンを前記望ましい波パターンと比較する工程（１４１８）と、前記微調整済み波パターンが前記望ましい波パターンに十分近似しない場合、工程１４１６に戻り、前記微調整済み波パターンが前記望ましい波パターンに十分近似する場合、終了する工程（１４２０）とを有する。

特定の実施形態において、生成された波は電磁波である。前記生成された波は、場合により音響波である。一部の実施形態において、前記方法では、高調波（より高周波数の波、ここで、周波数とは最低または基本周波数の整数値で波場を変調することにより、定在波場の節および腹領域を空間的に収束させ、パターン化する
種々の実施形態は、音響、電磁、または光による浮揚のための安定性の高い節領域の生成と、生体細胞、コロイド、エアロゾル、および粉末を含む浮揚微小粒子状物質の操作とを含むが、これに限定されるものではない。一部の実施形態では、組織工学用の生物材料または製造用の非生物材料をパターン化するため複雑に構造化された節領域を生成する。前記提供した方法では、流体中のキャビテーション、ソノルミネッセンス、またはソノケミストリーを強化するため高度に局所化した高音圧の腹領域を生成することができる。前記方法では、場合により、生物材料または非生物材料において適切に画成されたチャネルまたはキャビティを生成するため高度に局所化した高音圧の腹領域を生成する。特定の実施形態において、前記方法では、新規性のある物理的、化学的、または生物学的工程を開始するため、高度に局所化した高電磁場強度の腹領域を生成する。

図１５は、空間的な収束およびパターニング用に定在波場の高調波変調を使って細胞または組織をモデル化する方法１５００の実施形態を示したものであり、目標組織を選択する工程（１５０２）と、前記目標組織の構造を解析する工程（１５０４）と、前記目標組織の構造を模倣する定在波場をモデル化する工程（１５０６）と、前記特定の定在波場を生成するため１若しくはそれ以上の多周波数送波器をプログラムする工程（１５０８）と、定在波を生成するように構成された槽を提供する工程（１５１０）と、前記槽内に適切な媒体を提供する工程（１５１２）と、前記選択された細胞を前記媒体に加える工程（１５１４）と、前記槽に前記波場を適用する工程（１５１６）と、細胞に十分な時間を与えて、前記定在波場により決定される形態へと組織化させる工程（１５１８）と、複雑な組織の場合は他の細胞種をパターン化するため前記工程を反復する工程（１５２０）とを有する。

この技術の実施形態は、組織工学のための写実的な組織構造への細胞のパターニングと、複雑な形状を有した部品および装置を製造するための粒子のパターニング、統合、および結合と、超音波、光、または他の非侵襲的手段による非破壊試験のための音響定在波槽またはチャネル内における細胞または粒子層の安定化と、医療、化学、または産業工程のための細胞または粒子の精製分離と、固定されたチャネルおよび槽を伴う従来のマイクロ流体装置が不要な細胞または粒子のマイクロ流体制御とを含むが、これに限定されるものではない。

本発明は、その本質および基本的特徴から逸脱しない範囲で他の形態でも実施可能である。以上説明した実施形態は限定を目的としたものではなく、あらゆる点で単に例示的なものと見なすべきである。したがって、本発明の範囲は、以上の説明ではなく添付の請求項により示されるものである。添付の請求項の均等物の意味および範囲内に含まれる変更は、すべて当該請求項の範囲内に包含される。

Claims (24)

1. 定在波場（ａ ｓｔａｎｄｉｎｇ ｗａｖｅｆｉｅｌｄ）を空間的に収束させ、パターン化するシステムであって、
   少なくとも１つの多周波数波源と、
   定在波を生成するように構成された槽と、
   個々の高調波の振幅を変調して望ましい波場パターンを生成するように構成された制御モジュールと、
   望ましい波場パターン、材料構造、または材料形状に対応する個々の高調波の振幅を計算する解析モジュールと
   を有するシステム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、前記定在波を生成するように構成された槽の形状は、立方体、円筒形、球形、円錐形、回転楕円体、円錐形、多面体、角柱形、菱面体、および他の幾何学形状のうちの少なくとも１つを有するものであるシステム。
3. 請求項１記載のシステムにおいて、前記多周波数波源は、送波器、振動子、音響トランスデューサ、電磁アンテナ、レーザー高調波周波数発生器、メーザー高調波周波数発生器、小型化した多成分高周波（ＲＦ）発生器、高調波周波数機能を有するマイクロ波アンテナ、音響メタマテリアルを有する音響フィルター、小型開口部から単一周波数の平面波を音響散乱させたより高次の非線形高調波生成および高調波生成のうちの少なくとも１つを伴う放射の誘導放出による音増幅（Ｓｏｕｎｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｂｙ Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ：ＳＡＳＥＲ）、および広帯域の電磁波源または光学源を伴う調整可能な狭帯域フィルタ、のうちの少なくとも１つを有するものであるシステム。
4. 請求項３記載のシステムにおいて、前記振動子は、互いに電気的に絶縁された積層圧電素子を有する圧電トランスデューサを有し、第１の積層圧電素子は、第２の積層圧電素子と厚さが異なり、一意の高調波周波数に当該素子を調整するように構成され、前記積層圧電素子は、電圧源により協動的に駆動されることで多周波数波場を生成するものであるシステム。
5. 請求項３記載のシステムにおいて、前記音響トランスデューサは、任意の波形発生器により駆動されて特定の定在波パターンを直接生成する広帯域音響トランスデューサを有するものであるシステム。
6. 定在波場を空間的に収束させ、パターン化する方法であって、
   ａ．少なくとも１つの多周波数波源を提供する工程と、
   ｂ．定在波場を生成するように構成された少なくとも１つの槽を提供する工程と、
   ｃ．個々の高調波の振幅を変調して望ましい定在波場パターンを生成するように構成された少なくとも１つの制御モジュールを提供する工程と、
   ｄ．少なくとも１つの望ましい定在波場パターンを特定する工程と、
   ｅ．前記望ましい定在波場パターンに基づいて少なくとも１つの定在波を生成する工程と、
   ｆ．前記望ましい定在波場パターンに基づいて少なくとも１つの高調波定在波を生成する工程と、
   ｇ．生成された合成多周波数定在波場を前記望ましい定在波場パターンと比較する工程と、
   ｈ．前記生成された定在波を必要に応じて調整する工程と、
   ｉ．前記多周波数定在波を必要に応じて微調整する工程と、
   を有する方法。
7. 請求項６記載の方法において、前記定在波場は、流体中の音波、固体中の音波に対応する応力−ひずみ場、電磁場、およびプラズマ、金属、またはイオン伝導体中のイオンまたは電子を含む粒子密度場のうちの少なくとも１つを有するものである方法。
8. 請求項６記載の方法において、さらに、
   固体材料、流体材料、および浮揚微小粒子状物質のうちの少なくとも１つについて音響、電磁、および光による浮揚、操作、および製造のうちの少なくとも１つを行うために、安定した節領域を生成する工程を有するものである方法。
9. 請求項８記載の方法において、前記浮揚微小粒子状物質は、生体細胞、非生物材料、コロイド、エアロゾル、および粉末のうちの少なくとも１つを有するものである方法。
10. 請求項６記載の方法において、前記望ましい定在波場パターンは、液体中の強化されたキャビテーション、ソノルミネッセンス、ソノケミストリー、組織工学または癌治療における組織焼灼、生体内（ｉｎ ｖｉｖｏ）での神経細胞の超音波刺激、物理的、化学的、または生物学的工程のうちの少なくとも１つの開始、および生物または非生物材料に適切に形成されたチャネルおよび適切に形成されたキャビティのうちの少なくとも１つ、のうちの少なくとも１つを生じるさせるように構成された局所的な高音圧を有する腹領域を生成するものである方法。
11. 請求項６記載の方法において、前記望ましい定在波場パターンは、局所的な高電磁場強度を有する腹領域を生成することで、生体内（ｉｎ ｖｉｖｏ）での神経細胞の電磁刺激、超解像光学顕微鏡用の局所的集光、加熱のためのＲＦ収束、検出のためのＲＦ収束、加熱のためのマイクロ波収束、検出のためのマイクロ波収束、電離プラズマの制御のための電磁収束、および物理的、化学的、または生物学的工程のうちの少なくとも１つの開始、のうちの少なくとも１つを生じさせるものである方法。
12. 請求項６記載の方法において、さらに、
    組織工学のために写実的な組織構造に細胞をパターン化すること、複雑な形状を有しる部品および装置を製造するための粒子をパターン化、統合、および接合すること、超音波、光、または他の非侵襲的手段による非破壊試験のために音響定在波槽またはチャネル内の細胞または粒子層を安定化させること、医療、化学、または産業工程のために細胞または粒子を精製分離すること、固定されたチャネルおよび槽を有する従来のマイクロ流体装置を必要としない細胞および／または粒子のマイクロ流体制御、のうちの少なくとも１つを有するものである方法。
13. 請求項６記載の方法において、さらに、
    フーリエ解析、ウェーブレット解析、および他の波形解析方法のうちの少なくとも１つを使った波場の計算モデル化により、定在波の節または腹領域を収束させる工程、複雑な節−腹パターンを定在波に生成する工程、および周波数セットおよび源位置を選択することで特定された粒子構造を生成する工程、のうちの少なくとも１つを有するものである方法。
14. 請求項６記載の方法において、さらに、
    各々が複数の区別可能な周波数から成る音波を生成する能力を有する複数の音源を生成する工程を有し、これにより、重なり合う（加算される）定在波が形成され、安定し高度に画成された節面を有する複雑な定在波場構造が生成されるものであり、この複雑な定在波場構造は、複雑で安定性が高く高度に細分化されたパターンによって粒子を保持する仮想テンプレートとして機能するものである方法。
15. 請求項１４記載の方法において、前記定在波場構造は、１次元、２次元、および３次元のうちの少なくとも１つのパターンを有し、前記定在波場は、平面状、円筒状、球状、回転楕円状、および他の幾何学構造のうちの少なくとも１つである方法。
16. 請求項１５記載の方法において、前記定在波場構造は節面の複雑な組み合わせを生成し、当該節面の複雑な組み合わせは、二重壁形状、三重壁形状、他の複数壁特徴、および他の節面幾何構成のうちの少なくとも１つを形成するものである方法。
17. 空間的な収束およびパターン化のために定在波場の高調波変調を使って細胞または組織をモデル化する方法であって、
    ａ．目標組織を選択する工程と、
    ｂ．前記目標組織の構造を解析する工程と、
    ｃ．前記目標組織の構造を模倣する定在波場パターンをモデル化する工程と、
    ｄ．前記定在波場パターンを生成するために必要な波を生成するために１若しくはそれ以上の多周波数送波器をプログラムする工程と、
    ｅ．定在波場を生成するように構成された槽を提供する工程と、
    ｆ．前記槽内に適切な媒体を提供する工程と、
    ｇ．前記選択された細胞を前記媒体に加える工程と、
    ｈ．前記定在波場パターンを生成するために必要な波を生成する工程と、
    ｉ．前記槽に前記波を適用する工程と、
    ｉ．細胞に十分な時間を与えて、前記定在波場により決定される形態へと組織化させる工程と
    を有する方法。
18. 請求項１７記載の方法において、さらに、
    複雑な組織用に異なる細胞種で前記工程を反復する工程を有するものである方法。
19. 請求項１７記載の方法において、正方形、長方形、三角形、および菱面体対称性のうちの少なくとも１つを伴う周期的な３次元チャネル用のテンプレートを生成するため、複数の多周波数波源が互いに９０°および１２０°のうちの少なくとも１つの向きに配置されるものである方法。
20. 請求項１７記載の方法において、さらに、
    ５回（１０８°）、７回（１２８．５７°）、および８回（１３５°）対称性を有する複数の音源を提供する工程を有し、これにより組織微細構造に類似した非周期およびランダム細胞構造、および／または原子構造における無秩序または準結晶性パターンのテンプレートとしての定在波が生成されるものである方法。
21. 請求項１７記載の方法において、さらに、前記槽は、円柱形、円錐形、立方体、球形、回転楕円体、菱面体、多面体、角柱形、および他の幾何学形状のうちの少なくとも１つを有するものである方法。
22. 請求項１７記載の方法において、さらに、
    細胞または粒子を当該細胞または粒子が流れる仮想チャネルおよび／または槽に閉じ込める力場として音響定在波場を生成する工程を有するものである方法。
23. 請求項１７記載の方法において、さらに、
    ３Ｄフーリエ解析で前記目標組織の微細構造を解析する工程を有し、前記解析する工程は、３Ｄ顕微鏡コンピュータ断層撮影法（マイクロＣＴ）および他の３Ｄ画像再構成法のうちの少なくとも１つを用いて、組織試料をミクロトームでスライスし、連続スライスを撮像することにより行なわれるものである方法。
24. 請求項１８記載の方法において、さらに、
    振幅スパイクを有する定在波を生成する工程を有し、この振幅スパイクは、導管、毛細血管、および細気管支を含む連続的な流路と、肺胞を含む空洞とを含む組織構造が形成可能な腹領域、および小葉を含む規則的な細胞クラスターと、組織層、内膜、壁、および膜を含むシートとを含む組織構造が形成可能な節領域に対応するものである方法。

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