JP2022046538A - プロペラ及びプロペラを移動させる方法 - Google Patents
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Abstract
Description
「ナノヘリックスから磁気作動されるマイクロドリルまで:低レイノルズ数の生物学的環境における最小の非連結式マイクロロボットシステムのいくつかのためのユニバーサルプラットフォーム」ナノメートルからミリメートル規模の大きさのロボットシステム及び応用:vol 8336, I Paprotny and S Bergbreiter, 1st ed Berlin: Springer, pp 53-65, 2014)は、斜め蒸着法(GLAD)によるコルクスクリュー状プロペラの製造及び微量射出成形による従来のスクリューにより類似するプロペラの製造を記載している。この文献も、プロペラが回転磁場によって作動する時のアガロースゲル内のプロペラの移動を記載している。
の前述の課題の1つ又は複数に対処することができる。
」という用語は、変形を受けると粘性特性及び弾性特性の両方を示す媒体を意味する。特に好ましい媒体は、加えられたせん断周波数(又はせん断応力)において粘性特性が弾性特性よりも支配的な粘弾性流体、例えば、関節液、ガラス体液、粘液である。他の特に好ましい媒体は、印加されたせん断周波数(又はせん断応力)において弾性特性が粘性特性よりも支配的な粘弾性固体、例えば、結合組織、脳組織、マトリゲル(Matrigel(登録商標))である。
本発明によるプロペラ1の達成可能な利点は、プロペラ1が粘弾性媒体、例えば、生物学的組織内を効率的に自己推進することである。図2には、プロペラを検証するための組織モデルとして用いられるヒドロゲルであるマトリゲル(Matrigel(登録商標))のゲル媒体内に完全に入り込んだ本発明によるプロペラ1が示されている。Gibco(登録商標)又はLife Technologies(登録商標)から市販されているマトリゲル(Matrigel)は、マウス肉腫細胞から分泌されたゼラチン蛋白混合物に対する商標名である。マトリゲルは、多くの組織に見い出される複合細胞外基質(EMC)に類似しており、細胞3D培養、腫瘍細胞転移研究、及び癌薬剤スクリーニングのための生体外モデルとして広く受け入れられている。ここでは、マトリゲルは、プロペラ1が通る結合組織のモデルとしてのゲル媒体2の役割を果たすことになる。マトリゲル溶液は、氷冷状態で納入され、37℃のインキュベータ内に一時間保持されることによって、ゲル化された。
本発明者は、他の権利に影響を及ぼすことなく、本発明によるプロペラ1は、粘弾性媒体内において用いられる時、先行技術に記載されるような粘性流体における推進の機構と異なる新規の推進機構を有効利用したものであると考えている。図6(a)及び図6(b)は、粒子画像流速測定法(PIV)による実験の結果を示している。この実験では、ゲル媒体2の運動、特に、変形を示すために、15μm直径の蛍光ポリスチレンビーズ(FluoSpheres(登録商標),Life Technologies)がトレーサ粒子として用いられ、マトリゲルのゲル媒体2内に混合されている。532nmの波長を有するグリーンレーザーのビームが円筒レンズによってレーザーシートに拡大され、次いで、マトリゲルのゲル媒体2の薄シート上に導かれるようになっている。プロペラ1及びトレーサ粒子の運動がロングパスフィルタ(OD4-550nm、Edmund Optics)を備える顕微鏡及びビデオカメラによって記録された。トレーサ粒子の位置がMatlab(R2014b, Mathworks)の特別仕様のスクリプトによって解析され、ビデオの各フレームに円として記入された。これらの円は、図6(a)に示され、図6(b)において拡大されている。1つのトレーサ粒子13の軌道が図6(b)に示されている。粒子3は、プロペラ1の多数回の回転の期間にわたって閉鎖した本質的に楕円状の軌道14を辿っている。回転軸からの距離rに対する半径方向の変位dの割合から、正規化された変形を計算することができる。
図11の光学顕微鏡写真は、実際の生物学的軟組織内を移動する能力を実証するために豚の脳組織内を通る本発明によるプロペラを示している。氷冷状態で貯蔵された新鮮な豚の脳を地方の畜殺場から受け取った。脳の約25×25×8mm3の部分を切除し、プロペラ1がピンセットによって挿入された。この脳組織が比較的薄いので、白色光のバックライトを用いることによって、脳組織内におけるプロペラの移動が観察された。破線は、プロペラ1の初期位置を示している。約1Hzの回転周波数によって、略35μmの平均推進速度が測定された。プロペラ1の形状に起因し、プロペラ1の回転を制限された磁気トルクによって作動させることができた。実験では、プロペラ1を脳組織サンプル内を通って駆動させるのに、100-300Gの磁場で十分であった、この磁場は、通常の磁場生成器、例えば、電気コイル又は以下に更に詳細に検討する永久磁石機構によって印加可能である。
本発明によるプロペラ1を製造する方法が、図12に示されている。機械加工アプローチによって、プロペラ1を銅から作製した。50μmの直径を有する銅ワイヤを機械的に圧延し、255μmの幅及び13μmの厚みを有する平プレート18を得た。図12に示されるように、プレート17を互いに回転させることが可能な2つの同心クランプ18,19間に取り付けた。クランプの一方19を静止させ、クランプの他方18を回転させることによって、プレート17を捩ってキラル構造体を得た。捻っている間、法線力が軸方向vに生じるので、2つのクランプ18,19間の距離をこれに応じて調整した。このプロセス中、力及びトルクを測定するために、センサが用いられてもよい。クランプの距離及び角位置は、コンピュータ付きのモータによって制御されてもよい。このようにして、プロペラのピッチ寸法及びキラルティを制御することができる。続いて、捻られた長尺のプレート17を2mmの所望長さを有する個別のプロペラ1に切断した。最後に、200μmの直径及び長さ400μmの長さを有する小型磁石をプロペラ1の一方の先端に取り付けた。
回転磁場によってプロペラ内に回転を誘発させる適切な機構は、例えば、前述の非特許文献4(T Qiu, J Gibbs, D Schamel, A Mark, U Choudhury, and P Fischer)から知られている。この文献の関連する部分は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
Claims (15)
- プロペラ(1)を少なくとも部分的に包囲する媒体(2)に対して前記プロペラ(1)を移動させる方法であって、アクチュエータが前記媒体(2)に対する前記プロペラ(1)の回転軸(4)を中心とする前記プロペラ(1)の回転を誘発し、前記プロペラ(1)がその回転運動を前記媒体(2)に対する前記プロペラ(1)の移動に変換させる方法において、前記プロペラ(1)の少なくとも1つの断面(5)であって、前記プロペラ(1)の回転軸に関連付けられた断面(5)のアスペクト比が3以上であることを特徴とする方法。
- プロペラ(1)を少なくとも部分的に包囲する媒体(2)に対して前記プロペラ(1)を移動させる方法であって、アクチュエータが前記媒体(2)に対する前記プロペラ(1)の回転軸(4)を中心とする前記プロペラ(1)の回転を誘発し、前記プロペラ(1)がその回転運動を前記媒体(2)に対する前記プロペラ(1)の移動に変換する方法において、前記プロペラ(1)と前記プロペラ(1)の回転によって前記媒体(2)の残りから切り離されて前記プロペラ(1)と共に回転する前記媒体(2)の部分(10)とを含む回転体の少なくとも1つの断面(5)であって、前記回転体の回転軸に関連付けられた断面(5)のアスペクト比が3以上であることを特徴とする方法。
- 前記プロペラ(1)は、キラル又は一般化されたキラルであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記プロペラ(1)は、螺旋状又は変更された螺旋状であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記プロペラの前端は、前方テーパを備えることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記プロペラ(1)は、非連結式であることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記プロペラ(1)の回転は、磁場によって遠隔的に誘発されることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記媒体(2)は、粘弾性流体、粘弾性固体、又は生理学的組織の少なくとも1つであることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 前記プロペラ(1)の回転は、前記媒体(2)に歪みを誘発し、これによって、前記歪が前記媒体の弾性エネルギーを変化させ、前記プロペラ(1)の平行移動を生じさせることを特徴とする、先行する請求項のいずれか1つに記載の方法。
- 螺旋状又は変更された螺旋状プロペラ(1)であって、前記プロペラ(1)を少なくとも部分的に包囲する媒体に対して前記プロペラ(1)の回転運動を前記プロペラ(1)の移動に変換させる螺旋状又は変更された螺旋状プロペラ(1)において、前記プロペラ(1)の少なくとも1つの断面(5)であって、前記プロペラ(1)の螺旋軸に関連付けられた断面(5)のアスペクト比が3以上であることを特徴とする、螺旋状又は変更された螺旋状プロペラ。
- 前記プロペラ(1)の回転軸(4)と直交する前記プロペラ(1)の任意の断面(5)の最大半径(6)が5mm以下であることを特徴とする、請求項10に記載のプロペラ(1)。
- 前記プロペラ(1)の回転軸(4)と直交する前記プロペラ(1)の任意の断面(5)の最小半径(7)が300μm以下であることを特徴とする、請求項10又は11に記載のプロペラ(1)。
- 真っ直ぐな螺旋軸を定めるステップと、
前記螺旋軸に沿って延在するプレート(17)を準備するステップであって、前記プレート(17)の少なくとも1つの断面(5)であって、前記螺旋軸に関連付けられた断面(5)のアスペクト比が3以上である、ステップと、
前記プレート(17)に前記螺旋軸に沿ってトルクを加え、これによって、前記プレート(17)を螺旋形状に捻るステップと
を含むことを特徴とするプロペラを製造する方法。 - 所望の幾何学的形状を有する第1の構造体を準備するステップと、
前記第1の構造体を第2の材料内に射込み、前記第2の材料から前記第1の構造体を取外し、前記第1の構造体の雌型レプリカを生成するステップと、
成形材料を前記雌型内に注入し、所定の物理学的及び化学的条件下で前記成形材料を硬化させ、第2の固体構造体を形成するステップと、
前記雌型から前記第2の固体構造体を離脱させ、これによって、所定のプロペラを得るステップと
を含むことを特徴とするプロペラを製造する方法。 - 前記成形材料は、少なくとも2種類の成分材料の混合物であることを特徴とする、請求項14に記載の方法。
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