JP3035608B2 - Microcapillary array, method for manufacturing the same, and substance injection device - Google Patents

Microcapillary array, method for manufacturing the same, and substance injection device

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JP3035608B2
JP3035608B2 JP10193931A JP19393198A JP3035608B2 JP 3035608 B2 JP3035608 B2 JP 3035608B2 JP 10193931 A JP10193931 A JP 10193931A JP 19393198 A JP19393198 A JP 19393198A JP 3035608 B2 JP3035608 B2 JP 3035608B2
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array
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microcapillary
thin film
hole
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佑二 菊池
教錫 全
洋 年吉
博之 藤田
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農林水産省食品総合研究所長
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、細胞に遺伝子等を
注入するのに使用されるマイクロインジェクションアレ
イシステムと、それに使用されるマイクロキャピラリー
アレイ及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microinjection array system used for injecting genes and the like into cells, a microcapillary array used therefor, and a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、生物学、医学、薬学、生化学、遺
伝子工学などを基礎として急速に進歩しつつあるいわゆ
るバイオテクノロジーの研究と開発は、日進月歩のスピ
ードで進んでおり、組織や細胞レベルでの研究からDN
Aレベルでの生物機能の解明へと進展している。なかで
も、将来バイオテクノロジーの応用面で中核技術と目さ
れている遺伝子組換えDNA技術は、当初の微生物を対
象とした医薬品生産から発展し、農作物、家畜などの高
等動植物の改良、食品素材や化学品の生産、遺伝子治
療、さらには動物複製(cloning)など広範多岐にわた
った研究開発が進められている。このようなバイオテク
ノロジーの研究では、細胞、核、染色体、DNA、タン
パクなどの生体高分子のハンドリングに対するニーズが
高く、また生物の持っている優れた機能を工学的にある
いは産業的に応用しようとする試みも数多くなされてい
る。
2. Description of the Related Art In recent years, research and development of so-called biotechnology, which is rapidly progressing on the basis of biology, medicine, pharmacy, biochemistry, genetic engineering, and the like, are progressing at an ever-increasing speed, at the tissue and cell level. Research from DN
Progress is being made to elucidate biological functions at the A level. Above all, genetically modified DNA technology, which is considered to be a core technology in the future of biotechnology application, has evolved from pharmaceutical production targeting the original microorganisms, improving higher animals and plants such as crops and livestock, food materials and A wide variety of research and development is underway, including chemical production, gene therapy, and even animal cloning. In such biotechnology research, there is a high need for the handling of biological macromolecules such as cells, nuclei, chromosomes, DNA, and proteins, and it is necessary to apply the superior functions of living organisms to engineering or industrial applications. Many attempts have been made to do so.

【0003】細胞にDNA等の物質を注入する方法とし
ては、エレクトロポレーション法、パーティクルガン
法、マイクロインジェクション法、膜融合法などが知ら
れている。エレクトロポレーション法は、細胞に電場パ
ルスをかけてその細胞を一時的に透過性にする方法であ
る。パーティクルガン法は、DNA等の物質を付着させ
た金属粒子を加速して細胞に当て、細胞内に打ち込む方
法、マイクロインジェクション法は細胞にマイクロキャ
ピラリーを刺入してDNA等の物質を注入する方法、膜
融合法は物質を封入したリポソーム等をポリエチレング
リコール等の化学物質を用いて細胞膜に融合させ細胞と
一体化させる方法である。細胞は数μmから数十μmと
マイクロメータサイズの大きさを持つので、これらの微
細な対象を上手に扱うには、対象にあわせた微細なツー
ルが必要となる。細胞に遺伝子を注入するツールとして
は、上記の方法が用いられている。
As a method for injecting a substance such as DNA into cells, an electroporation method, a particle gun method, a microinjection method, a membrane fusion method and the like are known. Electroporation is a method in which an electric field pulse is applied to a cell to make the cell temporarily permeable. The particle gun method is a method in which metal particles having a substance such as DNA attached thereto are accelerated and applied to cells, and are driven into cells. The microinjection method is a method in which a microcapillary is inserted into cells to inject a substance such as DNA. The membrane fusion method is a method in which a liposome or the like in which a substance is encapsulated is fused to a cell membrane using a chemical substance such as polyethylene glycol and integrated with cells. Since cells have a micrometer size of several μm to several tens μm, a fine tool suitable for the target is required to handle these fine targets well. The above method is used as a tool for injecting a gene into cells.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】バイオテクノロジーの
研究に当っては細胞に遺伝子を注入することから作業が
始まるが、現在まで、多数の細胞に効率よく遺伝子を注
入することの出来る方法あるいはツールは開発されてい
ない。前述のエレクトロポレーション法は、細胞を個別
的ではなく集団として扱って注入を行う方法であるた
め、細胞の無駄遣いが多く、また遺伝子導入操作の効率
が非常に悪いという問題があった。パーティクルガン法
も同様である。マイクロインジェクション法は確実に遺
伝子導入を行える方法ではあるが、一回に一個の細胞に
しか遺伝子導入ができないので遺伝子導入操作の効率が
非常に悪いという問題があった。
[0006] In biotechnology research, work is started by injecting a gene into cells, but until now, methods or tools that can efficiently inject a gene into a large number of cells have not been developed. Not developed. The above-described electroporation method is a method of injecting cells by treating the cells as a group rather than individually, and thus has a problem that a large amount of cells are wasted and the efficiency of the gene transfer operation is extremely low. The same applies to the particle gun method. The microinjection method is a method that can surely carry out gene transfer, but has a problem that the efficiency of the gene transfer operation is extremely low because the gene can be transferred only to one cell at a time.

【0005】本発明は、このように細胞を個別的にかつ
正確にハンドリングできる操作ツールや操作技術が確立
されていない現状に鑑みてなされたもので、細胞を個別
的にかつ正確にハンドリングすることのできる操作ツー
ルを提供することを目的とする。本発明は、また、個別
操作の特性を保持した上で大量の細胞を処理することの
できる処理方法を提供することを目的とする。
[0005] The present invention has been made in view of the current situation in which operating tools and operating techniques capable of handling cells individually and accurately have not been established, and an object of the present invention is to handle cells individually and accurately. The purpose of the present invention is to provide an operation tool that can perform the operation. Another object of the present invention is to provide a processing method capable of processing a large amount of cells while maintaining the characteristics of individual operation.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、半導体デバイ
スの製造などに用いられている微細加工技術を利用して
微細キャピラリーをアレイ化することにより、細胞の個
別的な操作と同時に多くの細胞を対象として遺伝子導入
操作の一括処理が可能なマイクロインジェクションアレ
イシステムを開発し、遺伝子導入作業の効率向上を図る
ものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an array of microcapillaries using microfabrication technology used in the manufacture of semiconductor devices and the like, so that individual cells can be individually manipulated and many cells can be simultaneously processed. The purpose of this study is to develop a micro-injection array system capable of batch processing of gene transfer operations, and to improve the efficiency of gene transfer work.

【0007】図1は、本発明のマイクロインジェクショ
ンアレイシステムによる遺伝子注入法の概念図である。
本発明のマイクロインジェクションアレイシステムは、
マイクロチャンバーアレイ10とマイクロキャピラリー
アレイ15を備える。マイクロチャンバーアレイ10
は、一個一個の細胞13を個別に保持することのできる
多数のマイクロチャンバー11を備える。マイクロチャ
ンバー11は表面から窪んだピットとピットの底部に連
通する連通孔12からなり、ピットの大きさを細胞13
の直径より少し小さめに作れば、一個の細胞だけの捕捉
が可能となる。細胞捕捉の時は、マイクロチャンバー1
1の上に細胞が入った浮遊液を流し、そして連通孔12
を介して背後からピットに陰圧をかけてやると一つのチ
ャンバー11に一個の細胞13が負圧吸引固定される。
マイクロチャンバーをアレイ化することにより、多くの
細胞を一括してアレイ状に配列、固定することができ
る。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a gene injection method using the microinjection array system of the present invention.
The microinjection array system of the present invention
A micro chamber array 10 and a micro capillary array 15 are provided. Micro chamber array 10
Is provided with a large number of microchambers 11 capable of holding individual cells 13 individually. The microchamber 11 is composed of a pit depressed from the surface and a communication hole 12 communicating with the bottom of the pit.
If it is made slightly smaller than the diameter of, only one cell can be captured. When capturing cells, use microchamber 1
The suspension containing the cells is flowed over 1
When a negative pressure is applied to the pit from behind through the, one cell 13 is fixed to one chamber 11 by negative pressure suction.
By forming microchambers into an array, many cells can be arranged and fixed in an array at once.

【0008】マイクロキャピラリーアレイ15は、マイ
クロチャンバー11の配列と同じ配列でアレイ状に並べ
て形成された外径2〜10μm程度の先端を有する多数
のマイクロキャピラリー16を備え、そのマイクロキャ
ピラリー16を用いて、マイクロチャンバー11に保持
されたすべての細胞13に対してDNA等の物質注入を
一括して行なう。本発明によるマイクロキャピラリーア
レイは、外径2〜10μmの複数の中空キャピラリー
が、基板を貫通し、基板の一方の表面から突出して設け
られていることを特徴とする。
The microcapillary array 15 has a large number of microcapillaries 16 each having a tip having an outer diameter of about 2 to 10 μm and arranged in an array in the same arrangement as the arrangement of the microchambers 11. A substance such as DNA is injected into all the cells 13 held in the microchamber 11 at a time. The microcapillary array according to the present invention is characterized in that a plurality of hollow capillaries having an outer diameter of 2 to 10 μm penetrate the substrate and protrude from one surface of the substrate.

【0009】本発明によるマイクロキャピラリーアレイ
は、また、基板表面に形成される薄膜材質からなる複数
の中空キャピラリーが、基板を貫通し、基板の一方の表
面から突出して設けられていることを特徴とする。基板
はシリコン基板とすることができ、薄膜材質は酸化シリ
コン又は窒化シリコンとすることができる。中空キャピ
ラリーの先端部は、最先端部以外の部分で外部と連通し
ているのが好ましい。
The microcapillary array according to the present invention is characterized in that a plurality of hollow capillaries made of a thin film material formed on the substrate surface are provided so as to penetrate the substrate and protrude from one surface of the substrate. I do. The substrate can be a silicon substrate and the thin film material can be silicon oxide or silicon nitride. The distal end of the hollow capillary preferably communicates with the outside at a portion other than the distal end.

【0010】本発明によるマイクロキャピラリーの作製
方法は、基板の一方の表面から内部に向かって細穴を加
工する工程と、穴の内壁に薄膜を形成する工程と、穴を
加工した表面と反対側の表面から基板をエッチングして
細穴の内壁に形成した薄膜からなる中空構造を露出させ
る工程と、薄膜からなる中空構造の先端部を開口させる
工程とを含むことを特徴とする。先端部を開口させる工
程では、中空構造の最先端部を残して開口させるのが好
ましい。
[0010] The method for producing a microcapillary according to the present invention comprises a step of forming a fine hole from one surface of a substrate to the inside, a step of forming a thin film on an inner wall of the hole, and a side opposite to the surface on which the hole is formed. And a step of exposing a hollow structure made of a thin film formed on the inner wall of the small hole by etching the substrate from the surface of the thin film, and opening a tip portion of the hollow structure made of the thin film. In the step of opening the distal end, it is preferable to open the distal end of the hollow structure while leaving it open.

【0011】本発明によるマイクロキャピラリーアレイ
の作製方法は、また、基板の一方の表面から内部に向か
って所定の配列で複数の細穴を加工する工程と、複数の
細穴の内壁に薄膜を形成する工程と、細穴を加工した表
面と反対側の表面から基板をエッチングして細穴の内壁
に形成した薄膜からなる複数の中空構造を露出させる工
程と、薄膜からなる複数の中空構造の先端部を開口させ
る工程とを含むことを特徴とする。先端部を開口させる
工程では、中空構造の最先端部を残して開口させるのが
好ましい。複数の細穴を加工する工程及び中空構造の先
端部を開口させる工程は集束イオンビーム加工、あるい
はICP・RIE加工によって行うことができる。
The method for producing a microcapillary array according to the present invention also includes a step of processing a plurality of small holes in a predetermined arrangement from one surface of the substrate to the inside, and forming a thin film on the inner wall of the plurality of small holes. And exposing the substrate from the surface opposite to the surface on which the fine hole has been machined to expose a plurality of hollow structures composed of a thin film formed on the inner wall of the fine hole, and a tip of the plurality of hollow structures composed of the thin film Opening the part. In the step of opening the distal end, it is preferable to open the distal end of the hollow structure while leaving it open. The step of processing a plurality of small holes and the step of opening the tip of the hollow structure can be performed by focused ion beam processing or ICP / RIE processing.

【0012】基板はシリコン基板とすることができ、薄
膜は酸化シリコン又は窒化シリコンで形成することがで
きる。薄膜は、蒸着等の方法で形成した金属薄膜として
もよい。本発明による物質注入装置は、複数の細胞を所
定のピッチ配列で保持する細胞保持手段と、先端が基板
から突出した外径2〜10μmの複数の中空キャピラリ
ーを前記所定のピッチ配列で備えるマイクロキャピラリ
ーアレイと、マイクロキャピラリーアレイに物質を吸入
あるいは吐出させるための手段と、細胞保持手段と前記
マイクロキャピラリーアレイとを相対的に駆動する手段
とを含むことを特徴とする。
The substrate can be a silicon substrate, and the thin film can be formed of silicon oxide or silicon nitride. The thin film may be a metal thin film formed by a method such as vapor deposition. The substance injection device according to the present invention is a microcapillary comprising a cell holding means for holding a plurality of cells in a predetermined pitch arrangement, and a plurality of hollow capillaries having an outer diameter of 2 to 10 μm whose tips project from the substrate in the predetermined pitch arrangement. It is characterized by including an array, means for inhaling or discharging a substance into and from the microcapillary array, and means for relatively driving the cell holding means and the microcapillary array.

【0013】また、本発明による物質注入方法は、複数
の細胞を所定のピッチで保持するステップと、前記所定
のピッチで配列されたマイクロキャピラリーアレイに物
質を吸引するステップと、物質を吸引したマイクロキャ
ピラリーアレイの先端を各キャピラリーに対応する細胞
に突き刺すステップと、キャピラリー中の物質を細胞に
注入するステップとを含むことを特徴とする。
Further, in the method for injecting a substance according to the present invention, a step of holding a plurality of cells at a predetermined pitch, a step of sucking a substance into the microcapillary array arranged at the predetermined pitch, The method includes a step of piercing a tip of the capillary array into cells corresponding to each capillary, and a step of injecting a substance in the capillary into the cells.

【0014】本発明による物質注入方法は、また、複数
の細胞を所定のピッチで保持するステップと、前記所定
のピッチで配列されたマイクロキャピラリーアレイの先
端を各キャピラリーに対応する細胞に突き刺すステップ
と、キャピラリーを突き刺された細胞中の物質をキャピ
ラリー中に吸引するステップと、キャピラリー中に吸引
された物質を他の細胞に注入するステップとを含むこと
を特徴とする。本発明は、また、前述の方法によって物
質を注入された細胞及びその細胞から分裂増殖した細胞
である。本発明は、また、前述の方法によって物質を注
入された細胞から分裂増殖して得られた成体である。
The method for injecting a substance according to the present invention also includes a step of holding a plurality of cells at a predetermined pitch, and a step of piercing a tip of the microcapillary array arranged at the predetermined pitch into a cell corresponding to each capillary. Aspirating the substance in the cell pierced into the capillary into the capillary, and injecting the substance aspirated into the capillary into other cells. The present invention also relates to a cell to which a substance has been injected by the above-mentioned method and a cell which has been multiplied and proliferated from the cell. The present invention also relates to an adult obtained by dividing and proliferating a cell into which a substance has been injected by the above-mentioned method.

【0015】本発明の物質注入装置あるいは物質注入方
法は、細胞にDNAや蛋白質等の生体高分子、標識用の
蛍光色素等を注入するために利用することができ、動植
物の人工的改良・育種に利用することができる。本発明
によると、遺伝子導入機構のアレイ化により、多くの細
胞を対象とした遺伝子導入操作が可能となり、作業効率
やDNA導入効率を大幅に向上することができる。ま
た、本発明の遺伝子注入法は、直接注入方式であるた
め、他の方式と比べ遺伝子導入を確実に行うことができ
る。
The substance injection apparatus or the substance injection method of the present invention can be used to inject biopolymers such as DNA and protein, fluorescent dyes for labeling, etc. into cells, and artificially improve and breed animals and plants. Can be used for According to the present invention, an array of gene transfer mechanisms enables a gene transfer operation to be performed on many cells, thereby greatly improving work efficiency and DNA transfer efficiency. In addition, since the gene injection method of the present invention is a direct injection method, gene transfer can be performed more reliably than in other methods.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。最初に、図2〜図4を用いてマイ
クロキャピラリーアレイの作製方法について説明する。
図2は、マイクロキャピラリーが形成されるシリコン基
板の加工工程を示すものである。図2(a)のように、
例えば厚さ200〜400μm程度のシリコン基板20
を用意し、それに図2(b)に示すように、2〜10μ
m程度の外径を有し、50μm以上の深さを有する多数
の穴21を格子状に整列させて形成する。この穴21を
形成する工程は、例えば集束イオンビーム(Focused Io
n Beam:FIB)を用いた加工によって、あるいは高密
度プラズマエッチング(Inductively Coupled Plasma R
eactive Ion Etching:ICP−RIE)によって行う
ことができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, a method for manufacturing a microcapillary array will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 shows a processing step of a silicon substrate on which a microcapillary is formed. As shown in FIG.
For example, a silicon substrate 20 having a thickness of about 200 to 400 μm
2 to 10 μm as shown in FIG.
A large number of holes 21 having an outer diameter of about m and a depth of 50 μm or more are formed in a grid pattern. The step of forming the hole 21 is performed, for example, by using a focused ion beam (Focused Io).
n Beam: Processing using FIB or high-density plasma etching (Inductively Coupled Plasma R)
eactive Ion Etching (ICP-RIE).

【0017】FIBによる加工は、シリコン基板20を
精密ステージでステップ的に移動させながら穴21を1
個ずつ開けるため、加工に時間を要するものの、穴の先
端部が尖った構造を形成することができる。その結果、
後述の工程を経て、先端部の曲率半径が約0.1μmと
鋭く尖ったマイクロキャピラリーを作製することができ
る。遺伝子導入用のキャピラリー構造としては当然なが
ら先端部が鋭く尖った方が望ましい。
In the processing by the FIB, the silicon substrate 20 is moved stepwise on a precision stage, and the hole 21 is formed in one step.
Since the holes are opened one by one, it takes a long time to process, but it is possible to form a structure in which the tip of the hole is sharp. as a result,
Through the steps described later, a sharply pointed microcapillary having a tip with a radius of curvature of about 0.1 μm can be manufactured. As a matter of course, it is desirable that the tip of the capillary structure for gene introduction be sharp and sharp.

【0018】また、ICP−RIEによる加工は、シリ
コン基板表面に塗布したフォトレジストにフォトリソグ
ラフィ工程によって穴のパターンを形成し、そのフォト
レジストをマスクとして反応性イオンの高密度プラズマ
によるエッチングで穴を形成するものである。ICP−
RIE法は、短時間の処理で多数の穴を一度に形成する
ことができるが、FIB加工のようには穴の先端を細く
することができない。
In the processing by ICP-RIE, a pattern of holes is formed by a photolithography process on a photoresist applied to the surface of a silicon substrate, and the holes are formed by etching with a high-density plasma of reactive ions using the photoresist as a mask. To form. ICP-
According to the RIE method, a large number of holes can be formed at once by a short-time processing, but the tip of the hole cannot be thinned unlike FIB processing.

【0019】穴を形成したシリコン基板20に対して、
その後、熱酸化、ヘビードープ、気相堆積法、スパッタ
リング等の方法を用いて薄膜形成を行う。例えば、図2
(c)に示すように、全面を酸化させて、穴21の内壁
部分も含めて酸化シリコン(SiO2)膜22で覆う。
基板表面及び穴21の内壁への酸化シリコン膜22の形
成は、例えば酸素雰囲気中でシリコン基板を1150℃
程度に加熱することで行うことができる。1時間の加熱
で0.2μm程度の厚さの酸化膜が形成され、10時間
の加熱で1μm程度の厚さの酸化膜を形成することがで
きる。最終的に形成されるマイクロキャピラリーの強度
を確保するためには、酸化シリコン膜22の膜厚は1μ
m程度とする必要がある。酸化シリコン膜に代えて窒化
シリコン膜を形成する場合には、低圧気相堆積法(LP
CVD)でSiH4とアンモニアを混合して800℃で
反応させることにより形成することができる。
With respect to the silicon substrate 20 having the holes formed,
Thereafter, a thin film is formed using a method such as thermal oxidation, heavy doping, vapor deposition, or sputtering. For example, FIG.
As shown in (c), the entire surface is oxidized and covered with a silicon oxide (SiO 2 ) film 22 including the inner wall portion of the hole 21.
The silicon oxide film 22 is formed on the substrate surface and the inner wall of the hole 21 by, for example, heating the silicon substrate at 1150 ° C. in an oxygen atmosphere.
It can be carried out by heating to a degree. An oxide film having a thickness of about 0.2 μm is formed by heating for 1 hour, and an oxide film having a thickness of about 1 μm can be formed by heating for 10 hours. In order to secure the strength of the finally formed microcapillary, the thickness of the silicon oxide film 22 should be 1 μm.
m. When a silicon nitride film is formed instead of a silicon oxide film, a low-pressure vapor deposition method (LP
It can be formed by mixing SiH 4 and ammonia by CVD and reacting at 800 ° C.

【0020】次に、図3に示すように、ガラス基板を加
工する。図3(a)に示すように、厚さ0.5mm程度
のガラス基板30を用意する。そのガラス基板30をク
ロム・金をレジストとしてフッ酸中でエッチングするこ
とにより、図3(b)に示すように、片面に周縁部31
を残して凹部32を形成して、皿状に加工する。更に、
図3(c)に示すように、ガラス基板30の中心付近
に、ドリルあるいは超音波加工によって凹部32から基
板の反対側の面まで連通する貫通孔33を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, the glass substrate is processed. As shown in FIG. 3A, a glass substrate 30 having a thickness of about 0.5 mm is prepared. The glass substrate 30 is etched in fluoric acid using chromium / gold as a resist to form a peripheral portion 31 on one surface as shown in FIG.
The recess 32 is formed leaving a portion, and is processed into a dish shape. Furthermore,
As shown in FIG. 3C, a through hole 33 communicating from the concave portion 32 to the surface on the opposite side of the substrate is formed near the center of the glass substrate 30 by drilling or ultrasonic processing.

【0021】次に、図4に示すように、図2の工程で作
製したシリコン基板20と、図3の工程で作製したガラ
ス基板30とを接合し、更に加工してマイクロキャピラ
リーアレイを作製する。まず、図4(a)に示すよう
に、図2の工程で作製したシリコン基板20の穴21が
開口している側の面と、図3の工程で作製したガラス基
板30の凹部32が形成された側の面を合わせ、陽極接
合する。次に、図4(b)に示すように、シリコン基板
20を、穴21が開口している側と反対側の面24から
TMAHが薄く含まれている有機アルカリ溶液を用いて
大きくエッチングする。酸化シリコンあるいは窒化シリ
コンはエッチングされないので、図示するように、酸化
シリコンあるいは窒化シリコンからなる中空針を基板か
ら突出させることができる。しかしながら、酸化シリコ
ンあるいは窒化シリコン膜も少しずつエッチングされて
しまうので、酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜22
に対する保護膜が必要である。シリコン基板20の穴2
1が開口している側の面に接合したガラス基板30は、
この保護膜の役割を果たす。また、エッチング後、シリ
コン基板20の厚さが非常に薄くなるので、シリコン基
板20の保持の面からもガラス基板30は必要である。
Next, as shown in FIG. 4, the silicon substrate 20 produced in the step of FIG. 2 and the glass substrate 30 produced in the step of FIG. 3 are joined and further processed to produce a microcapillary array. . First, as shown in FIG. 4A, the surface of the silicon substrate 20 manufactured in the process of FIG. 2 on the side where the hole 21 is opened and the concave portion 32 of the glass substrate 30 manufactured in the process of FIG. 3 are formed. The surfaces on the side are joined together and anodically bonded. Next, as shown in FIG. 4B, the silicon substrate 20 is largely etched from the surface 24 opposite to the side where the hole 21 is opened, using an organic alkali solution containing TMAH thinly. Since silicon oxide or silicon nitride is not etched, a hollow needle made of silicon oxide or silicon nitride can be projected from the substrate as shown in the figure. However, the silicon oxide or silicon nitride film is also etched little by little.
Requires a protective film. Hole 2 in silicon substrate 20
The glass substrate 30 bonded to the surface on the side where 1 is open,
It plays the role of this protective film. In addition, since the thickness of the silicon substrate 20 becomes very thin after the etching, the glass substrate 30 is necessary from the viewpoint of holding the silicon substrate 20.

【0022】こうして、シリコン基板20から多数の酸
化シリコンあるいは窒化シリコン膜製の袋状中空針25
が突出した状態となる。ただし、この段階では袋状中空
針25は有底であり、上面のみが開放している。なお、
シリコンをエッチングしていく間に酸化シリコンあるい
は窒化シリコン膜22も次第に薄くなっていくので、中
空針25の長さを充分に確保するためには、図2(c)
の工程で形成する酸化シリコンあるいは窒化シリコン膜
22を充分厚くしておかなければならない。
In this manner, a plurality of bag-like hollow needles 25 made of silicon oxide or silicon nitride film are formed from the silicon substrate 20.
Is projected. However, at this stage, the bag-shaped hollow needle 25 has a bottom and only the upper surface is open. In addition,
Since the silicon oxide or silicon nitride film 22 gradually becomes thinner while the silicon is being etched, in order to secure a sufficient length of the hollow needle 25, it is necessary to use FIG.
The silicon oxide or silicon nitride film 22 formed in the step must be made sufficiently thick.

【0023】酸化シリコンあるいは窒化シリコン以外の
薄膜を用いる場合も同様であり、薄膜材質に比べてシリ
コンのエッチング速度が十分に速くなる条件でエッチン
グを行う。それによって、薄膜材質からなる中空針を基
板から突出させて形成することができる。酸化シリコン
あるいは窒化シリコン以外の薄膜としては、例えば蒸着
によって形成した金属薄膜などがある。続いて、図4
(c)に示すように、袋状中空針25の先端付近に穴2
6を開けて軸方向に連通するキャピラリー27とする。
この袋状中空針25の穴開け加工について、次に説明す
る。この穴開け加工の方法としては、FIB加工あるい
はRIE加工を利用することができる。
The same applies to the case where a thin film other than silicon oxide or silicon nitride is used, and the etching is performed under the condition that the etching rate of silicon is sufficiently higher than the material of the thin film. Thereby, the hollow needle made of a thin film material can be formed so as to protrude from the substrate. Examples of the thin film other than silicon oxide or silicon nitride include a metal thin film formed by vapor deposition. Subsequently, FIG.
As shown in (c), a hole 2 is formed near the tip of the bag-shaped hollow needle 25.
6 is opened to form a capillary 27 communicating in the axial direction.
The punching of the bag-shaped hollow needle 25 will be described below. FIB processing or RIE processing can be used as a method of this drilling processing.

【0024】図5は、FIB加工によって袋状中空針に
穴を開ける方法の説明図である。FIB加工装置は、試
料に対して弱いイオンビームを走査することで試料から
放出される二次電子を検出して走査イオン顕微鏡(SI
M)像を観察することができる。SIM像によって袋状
中空針50を観察しながら、所定の位置で照射するFI
B51を強くして、図5(a)に示すように袋状中空針
25の先端付近に穴52を開ける。この方法によると、
図示したように袋状中空針50の先端位置を外して側面
に穴52を開けることができる。そのため、図5(b)
に模式的に示すように、中空針50の先端部の鋭さを維
持することができ、細胞に刺しやすいマイクロキャピラ
リー55を形成することができる。
FIG. 5 is an explanatory view of a method of forming a hole in the bag-shaped hollow needle by FIB processing. The FIB processing apparatus scans a sample with a weak ion beam to detect secondary electrons emitted from the sample, and scans the sample with a scanning ion microscope (SI
M) The image can be observed. FI for irradiating at a predetermined position while observing the bag-shaped hollow needle 50 with a SIM image
B51 is strengthened, and a hole 52 is formed near the tip of the bag-shaped hollow needle 25 as shown in FIG. According to this method,
As shown in the figure, a hole 52 can be formed in the side surface by removing the distal end position of the bag-shaped hollow needle 50. Therefore, FIG.
As schematically shown in FIG. 7, the sharpness of the distal end of the hollow needle 50 can be maintained, and the microcapillary 55 that can easily stab cells can be formed.

【0025】図6は、RIE加工によって袋状中空針に
穴を開ける方法の説明図である。この場合には、まず図
6(a)に示すように、シリコン基板20の酸化シリコ
ン膜22からなる袋状中空針25が突出している側に、
袋状中空針25が埋まるまでレジスト63を塗布する。
次いで、図6(b)に示すように、レジスト63を塗布
したシリコン基板20を電極66,67間に配置して、
RIEでレジスト65をエッチングしていく。袋状中空
針25の先端が出ると、レジスト63とともに袋状中空
針25の先端もエッチングする。レジスト層63の厚さ
を計測しながらエッチングしていき、袋状中空針25の
先端に穴が開いた段階でエッチングを停止する。こうし
て図6(c)に断面模式図を示し、図6(d)に模式的
に斜視図を示すように、先端に穴62が開いて、軸方向
に連通したマイクロキャピラリー65を形成することが
できる。RIE加工によると、多数の袋状中空針25に
一度に穴を開けることができる利点がある。
FIG. 6 is an explanatory view of a method of forming a hole in the bag-shaped hollow needle by RIE processing. In this case, first, as shown in FIG. 6A, the side of the silicon substrate 20 where the bag-shaped hollow needle 25 made of the silicon oxide film 22 protrudes,
The resist 63 is applied until the bag-like hollow needle 25 is filled.
Next, as shown in FIG. 6B, the silicon substrate 20 coated with the resist 63 is disposed between the electrodes 66 and 67,
The resist 65 is etched by RIE. When the tip of the bag-shaped hollow needle 25 comes out, the tip of the bag-shaped hollow needle 25 is etched together with the resist 63. Etching is performed while measuring the thickness of the resist layer 63, and the etching is stopped when a hole is formed at the tip of the bag-shaped hollow needle 25. In this way, as shown in a schematic cross-sectional view in FIG. 6C and a schematic perspective view in FIG. 6D, a hole 62 is opened at the tip to form a microcapillary 65 communicating in the axial direction. it can. According to the RIE process, there is an advantage that a large number of bag-shaped hollow needles 25 can be punched at once.

【0026】以上のようにして、マイクロキャピラリー
アレイが作製される。このマイクロキャピラリーアレイ
は、マイクロチャンバーアレイと対で用いられる。マイ
クロチャンバーアレイは、遺伝子導入操作の際に対象細
胞が逃げないように特定の場所に保持する微細ツールで
ある。以下に、マイクロチャンバーアレイの作製方法を
説明する。
As described above, a microcapillary array is manufactured. This microcapillary array is used as a pair with a microchamber array. The microchamber array is a fine tool that holds a target cell at a specific location so as not to escape during a gene transfer operation. Hereinafter, a method for manufacturing a microchamber array will be described.

【0027】図7は、マイクロチャンバーアレイの作製
方法の一例を説明する工程図である。まず、図7(a)
に示すように、厚さ約100μmの石英基板70を用意
し、表面及び裏面に金属レジスト層71a,71bを形
成する。表面側のレジスト層71aはフォトリソグラフ
ィー工程により、マイクロキャピラリーアレイの配列ピ
ッチと同じピッチで直径10μm程度の円形領域のレジ
ストを除去しておく。このレジスト層71a,71bが
形成された石英基板70をフッ酸で図7(b)に示すよ
うに異方性エッチングする。異方性エッチング終了後、
レジスト層71a,71bを除去すると、図7(c)に
示すように、マイクロキャピラリーアレイの配列ピッチ
と同じピッチでテーパ状の貫通孔(マイクロチャンバ
ー)72が形成された石英基板が得られる。
FIG. 7 is a process chart for explaining an example of a method for manufacturing a micro-chamber array. First, FIG.
As shown in FIG. 7, a quartz substrate 70 having a thickness of about 100 μm is prepared, and metal resist layers 71a and 71b are formed on the front and back surfaces. The resist in the circular region having a diameter of about 10 μm is removed from the resist layer 71a on the front surface side by a photolithography process at the same pitch as the arrangement pitch of the microcapillary array. The quartz substrate 70 on which the resist layers 71a and 71b are formed is anisotropically etched with hydrofluoric acid as shown in FIG. After anisotropic etching,
When the resist layers 71a and 71b are removed, as shown in FIG. 7C, a quartz substrate having tapered through holes (microchambers) 72 formed at the same pitch as the arrangement pitch of the microcapillary array is obtained.

【0028】次に、図7(d)に示すように、このテー
パ状の貫通孔72が形成された石英基板70に、図3に
示したのと同様の工程で作製された凹部75及び貫通孔
76を有する下地ガラス基板74を接着する。その後、
図7(e)に示すように、下地ガラス基板74の下面に
ガラスもしくは透明プラスチック材料からなるポンプ接
続部材77を接着する。ポンプ接続部材77は、下地ガ
ラス基板74の貫通孔76を図示しないポンプに連通さ
せるためのものであり、貫通孔76に連通る流路78
と、側面にその流路78に接続する接続部79を有する
板状の部材である。接続部79とポンプの間をチューブ
90で接続して吸引することにより、図7(e)に模式
的に示すように、細胞91を1個ずつ石英基板70のテ
ーパ状の貫通孔72の中に吸引して保持することができ
る。部材74と部材77は別体とせず、一体化した1つ
の部材としても良い。マイクロチャンバーアレイの基板
として石英基板70を用いると、石英基板は透明である
ため、後述のように基板の下面から倒立顕微鏡を用いた
位置決めが可能となり、位置合わせが容易になるという
利点がある。
Next, as shown in FIG. 7 (d), a concave portion 75 and a penetrating hole 75 formed in the same process as that shown in FIG. A base glass substrate 74 having holes 76 is bonded. afterwards,
As shown in FIG. 7E, a pump connecting member 77 made of glass or a transparent plastic material is bonded to the lower surface of the base glass substrate 74. The pump connecting member 77 is for connecting the through hole 76 of the base glass substrate 74 to a pump (not shown), and a flow path 78 communicating with the through hole 76.
And a plate-shaped member having a connection portion 79 on the side surface connected to the flow path 78. By connecting the connection portion 79 and the pump with the tube 90 and sucking, as shown schematically in FIG. 7E, the cells 91 are placed one by one in the tapered through-hole 72 of the quartz substrate 70. Can be sucked and held. The member 74 and the member 77 may be formed as one integrated member instead of being separated. When the quartz substrate 70 is used as the substrate of the microchamber array, since the quartz substrate is transparent, positioning using an inverted microscope can be performed from the lower surface of the substrate as described later, and there is an advantage that the positioning is facilitated.

【0029】図8は、マイクロチャンバーアレイの作製
方法の他の例を説明する工程図である。この例では、基
板として図8(a)に示すように、(100)方位の単
結晶シリコン基板80を用いる。このシリコン基板80
の表面及び裏面にレジスト層81a,81bを形成す
る。表面側のレジスト層81aはフォトリソグラフィー
の工程により、マイクロキャピラリーアレイの配列ピッ
チと同じピッチで直径20μm角程度の角形領域のレジ
ストを除去しておく。このレジスト層81a,81bを
形成したシリコン基板80をKOH溶液に浸漬して、図
8(b)に示すように異方性エッチングする。異方性エ
ッチング終了後、レジスト層81a,81bを除去する
と、図8(c)に示すように、マイクロキャピラリーア
レイの配列ピッチと同じピッチでテーパ状のピット82
が形成されたシリコン基板80が得られる。
FIG. 8 is a process chart for explaining another example of a method for manufacturing a micro-chamber array. In this example, as shown in FIG. 8A, a (100) oriented single crystal silicon substrate 80 is used as the substrate. This silicon substrate 80
The resist layers 81a and 81b are formed on the front surface and the back surface. In the resist layer 81a on the front surface side, the resist in the square region having a diameter of about 20 μm square is removed at the same pitch as the arrangement pitch of the microcapillary array by a photolithography process. The silicon substrate 80 on which the resist layers 81a and 81b are formed is immersed in a KOH solution and anisotropically etched as shown in FIG. After the completion of the anisotropic etching, when the resist layers 81a and 81b are removed, as shown in FIG. 8C, tapered pits 82 are formed at the same pitch as the arrangement pitch of the microcapillary array.
Is obtained on which the silicon substrate 80 is formed.

【0030】次に、表面側にテーパ状のピット82が形
成されたシリコン基板80の裏面側にレジスト層を形成
し、テーパ状のピット82の真下に相当する部分のレジ
スト層を直径2〜5μm程度除去する。そして、このレ
ジスト層をマスクとしてIPC−RIEで加工すること
により、図8(d)に示すように、シリコン基板80の
裏面から表面のテーパ状のピット82に至る基板貫通孔
83を形成する。
Next, a resist layer is formed on the back surface side of the silicon substrate 80 having the tapered pits 82 formed on the front surface side, and a portion of the resist layer just below the tapered pits 82 is formed to have a diameter of 2 to 5 μm. Remove to the extent. Then, by processing the resist layer as a mask by IPC-RIE, as shown in FIG. 8D, a substrate through-hole 83 is formed from the back surface of the silicon substrate 80 to the tapered pits 82 on the front surface.

【0031】続いて、図8(e)に示すように、貫通孔
83が形成されたシリコン基板80に、図3に示したの
と同様の工程で作製された凹部85及び貫通孔86を有
する下地ガラス基板84を陽極接合法により接着する。
更に、下地ガラス基板84の下面にガラスもしくは透明
プラスチック材料からなるポンプ接続部材87を接着す
る。ポンプ接続部材87は、下地ガラス基板84の貫通
孔86を外部のポンプに連通させるためのものであり、
貫通孔86に連通する流路88を有し、側面にその流路
88に連通する接続部89を有する板状の部材である。
接続部89とポンプの間をチューブ90で接続して吸引
することにより、図8(e)に模式的に示すように、細
胞93を1個ずつシリコン基板80のテーパ状のピット
82の中に吸引して保持することができる。部材84と
部材87は別体とせず、一体化した一つの部材としても
良い。
Subsequently, as shown in FIG. 8E, the silicon substrate 80 in which the through-hole 83 is formed has a concave portion 85 and a through-hole 86 manufactured in the same process as that shown in FIG. The base glass substrate 84 is bonded by anodic bonding.
Further, a pump connecting member 87 made of glass or a transparent plastic material is bonded to the lower surface of the base glass substrate 84. The pump connecting member 87 is for connecting the through hole 86 of the base glass substrate 84 to an external pump,
It is a plate-shaped member having a flow passage 88 communicating with the through hole 86 and a connecting portion 89 on the side surface communicating with the flow passage 88.
By connecting the connection portion 89 and the pump with a tube 90 and sucking, as shown schematically in FIG. 8E, the cells 93 are placed one by one into the tapered pits 82 of the silicon substrate 80. Can be held by suction. The member 84 and the member 87 may be formed as one integrated member instead of being separated.

【0032】マイクロチャンバーアレイの基板としてシ
リコン基板80を用いた場合には、細胞93を保持する
テーパ状のピット82に接続する貫通孔83の径を小さ
くできるため、小さな細胞でも保持することができると
いう利点がある。
When the silicon substrate 80 is used as the substrate of the microchamber array, the diameter of the through-hole 83 connected to the tapered pit 82 for holding the cell 93 can be reduced, so that even a small cell can be held. There is an advantage.

【0033】図9は、本発明によるマイクロインジェク
ションアレイシステムの一例の全体構成図である。この
システムは、石英基板によって構成されたマイクロチャ
ンバーアレイ100とDNA容器150を載置して2次
元方向に移動可能な透明XYステージ110、XYステ
ージ110上でマイクロキャピラリーアレイ120を上
下方向(Z方向)に移動操作可能なマニピュレータ13
0を備える。マイクロチャンバーアレイ100は圧電ア
クチュエータ160上に配置されている。マイクロチャ
ンバーアレイ100にはチューブ111を介してポンプ
112が接続されており、マイクロキャピラリーアレイ
120にはチューブ121を介してシリンジ122が接
続されている。XYステージ110の下方には、位置合
わせのための倒立顕微鏡140が配置されている。図9
に示したマイクロインジェクションアレイシステムを用
いた細胞へのDNA注入操作は、以下の手順に従って行
われる。
FIG. 9 is an overall configuration diagram of an example of the microinjection array system according to the present invention. This system mounts a microchamber array 100 composed of a quartz substrate and a DNA container 150 on a transparent XY stage 110 that can move in a two-dimensional direction, and moves the microcapillary array 120 on the XY stage 110 in the vertical direction (Z direction). ) Manipulator 13 that can be moved to
0 is provided. The micro-chamber array 100 is disposed on the piezoelectric actuator 160. A pump 112 is connected to the microchamber array 100 via a tube 111, and a syringe 122 is connected to the microcapillary array 120 via a tube 121. Below the XY stage 110, an inverted microscope 140 for positioning is arranged. FIG.
The operation of injecting DNA into cells using the microinjection array system shown in (1) is performed according to the following procedure.

【0034】(1) マイクロチャンバーアレイ上に細胞浮
遊液を流し、ポンプ112によって負圧をかけて各チャ
ンバーに細胞115を1個ずつ吸引固定する。固定され
なかった細胞は流し去る。 (2) XYステージ110を移動してDNA容器150を
マイクロキャピラリーアレイ120の下方に位置決めす
る。 (3) マニピュレータ130を操作してマイクロキャピラ
リーアレイ120を下方に移動し、DNA容器150の
溶液中に浸漬する。
(1) The cell suspension is flowed on the microchamber array, and a negative pressure is applied by the pump 112 to aspirate and fix the cells 115 one by one into each chamber. Unfixed cells are washed away. (2) Move the XY stage 110 to position the DNA container 150 below the microcapillary array 120. (3) The microcapillary array 120 is moved downward by operating the manipulator 130, and is immersed in the solution of the DNA container 150.

【0035】(4) シリンジ122を操作してマイクロキ
ャピラリーアレイ120にDNA容器150中のDNA
溶液を吸引する。DNA溶液は個々のキャピラリーの内
部に吸引される。DNA容器中のDNA濃度を適当に調
整することにより、全てのマイクロキャピラリーにDN
Aが吸引されるようにすることは十分可能である。 (5) マニピュレータ130を操作してマイクロキャピラ
リーアレイ120を上方に移動し、XYステージ110
を移動してマイクロキャピラリーアレイ120の下方に
マイクロチャンバーアレイ100を位置づける。 (6) 倒立顕微鏡140を用いてXYステージ110の下
方からマイクロチャンバーアレイ100とマイクロキャ
ピラリーアレイ120を観察しながらXYステージ11
0を微動させて両者を正確に位置合わせする。
(4) The DNA in the DNA container 150 is stored in the microcapillary array 120 by operating the syringe 122.
Aspirate the solution. DNA solutions are aspirated into individual capillaries. By appropriately adjusting the DNA concentration in the DNA container, DN can be added to all microcapillaries.
It is quite possible for A to be aspirated. (5) The microcapillary array 120 is moved upward by operating the manipulator 130, and the XY stage 110 is moved.
To position the microchamber array 100 below the microcapillary array 120. (6) The XY stage 11 is observed while observing the microchamber array 100 and the microcapillary array 120 from below the XY stage 110 using the inverted microscope 140.
By slightly moving 0, both are accurately aligned.

【0036】(7) マニピュレータ130を操作してマイ
クロキャピラリーアレイ120を下方に移動し、マイク
ロキャピラリーアレイ120の先端をマイクロチャンバ
ーアレイ100に保持されている個々の細胞115に突
き刺す。このとき、マイクロチャンバーアレイ100を
載せている圧電アクチュエータ160を駆動してマイク
ロチャンバーアレイ100に吸着されている細胞115
を振動させることで、細胞にマイクロキャピラリーを刺
す操作が容易になる。 (8) マイクロチャンバーアレイ100に吸着されている
各細胞115にマイクロキャピラリー120のマイクロ
キャピラリーが突き刺さっている状態でシリンジ122
を操作して、マイクロキャピラリー中のDNAを細胞1
15に注入する。
(7) The manipulator 130 is operated to move the microcapillary array 120 downward, and the tip of the microcapillary array 120 is pierced into the individual cells 115 held in the microchamber array 100. At this time, the piezoelectric actuator 160 on which the microchamber array 100 is mounted is driven to drive the cells 115 adsorbed on the microchamber array 100.
By vibrating, the operation of piercing the microcapillary into the cells becomes easy. (8) Syringe 122 with microcapillary 120 piercing microcapillary 120 into each cell 115 adsorbed to microchamber array 100
To transfer the DNA in the microcapillary to cells 1
Inject into 15.

【0037】(9)マニピュレータ130を操作してマイ
クロキャピラリーアレイ120を上方に移動し、XYス
テージ110を例えば図10に矢印で示す方向に移動し
て、マイクロチャンバーアレイ100の別のブロックの
新しい細胞をマイクロキャピラリーアレイ120の下方
に位置づける。 (10)前記(6)から(9)の操作を繰り返し、必要に応じてD
NA容器150からDNAを補充しながら、マイクロチ
ャンバーアレイ100に吸着されている全ての細胞に対
してDNA注入操作を行う。 (11)すべての細胞にDNA注入を行った後、ポンプ11
2を逆転駆動することでマイクロチャンバーアレイに正
圧を与えて細胞の吸引固定を解除し、DNAが注入され
た細胞を回収する。このような操作により、大量の細胞
に対して個々に確実にDNAを注入することができる。
(9) The manipulator 130 is operated to move the microcapillary array 120 upward, and the XY stage 110 is moved, for example, in the direction indicated by the arrow in FIG. Is located below the microcapillary array 120. (10) Repeat the above operations (6) to (9), and if necessary,
While replenishing the DNA from the NA container 150, the DNA injection operation is performed on all the cells adsorbed on the microchamber array 100. (11) After injecting DNA into all cells, pump 11
By driving 2 in reverse, a positive pressure is applied to the microchamber array to release the cells from suction and fixation, and the cells into which DNA has been injected are collected. By such an operation, DNA can be reliably and individually injected into a large amount of cells.

【0038】また、マイクロチャンバーアレイ100に
保持した細胞115にマイクロキャピラリーを突き刺
し、細胞内の核を含む物質を吸引した後、マイクロチャ
ンバーアレイ110に他の細胞を保持し、マイクロキャ
ピラリーを突き刺してキャピラリー中に吸引した物質を
注入することで、核を含む物質を細胞間で移植すること
ができる。その際、1つのマイクロチャンバーアレイ1
00で細胞を交換しながら作業を行うこともできるが、
図9のDNA容器150の代わりにXYステージ110
上にもう一つのマイクロチャンバーアレイを置いて上記
の手順で作業を行えば、作業効率を高めることができ
る。
Further, a microcapillary is pierced into the cells 115 held in the microchamber array 100, and a substance containing a nucleus in the cells is sucked. Then, another cell is held in the microchamber array 110, and the microcapillary is pierced into the capillary. By injecting the substance aspirated therein, a substance containing a nucleus can be transplanted between cells. At that time, one micro-chamber array 1
Although you can work while changing cells at 00,
XY stage 110 instead of DNA container 150 in FIG.
If another micro-chamber array is placed on top and work is performed according to the above procedure, work efficiency can be improved.

【0039】なお、図9に示した例では、マイクロチャ
ンバーアレイ100とマイクロキャピラリーアレイ12
0の位置決めを、透明なXYステージ110の下方から
倒立顕微鏡140を用いて行った。しかし、マイクロチ
ャンバーアレイとマイクロキャピラリーアレイの位置決
め方法は倒立顕微鏡を用いた方法だけに限定されるもの
ではない。例えば、図11に示すように、マイクロチャ
ンバーアレイ100のブロック101毎に位置合わせマ
ーク102を設けておき、マイクロキャピラリーアレイ
側に設置された正立顕微鏡で位置合わせマーク102を
確認することで両者の位置合わせを行うこともできる。
あるいは、送り精度の高いXYステージを用いること
で、マイクロチャンバーアレイとマイクロキャピラリー
アレイ位置合わせを顕微鏡による確認を必要とせずに行
うことも可能である。
In the example shown in FIG. 9, the micro-chamber array 100 and the micro-capillary array 12
The positioning of 0 was performed using the inverted microscope 140 from below the transparent XY stage 110. However, the positioning method of the microchamber array and the microcapillary array is not limited to a method using an inverted microscope. For example, as shown in FIG. 11, an alignment mark 102 is provided for each block 101 of the micro-chamber array 100, and the alignment mark 102 is confirmed by an upright microscope installed on the microcapillary array side. Alignment can also be performed.
Alternatively, by using an XY stage having high feeding accuracy, the alignment of the microchamber array and the microcapillary array can be performed without requiring confirmation by a microscope.

【0040】また、図9に示したシステムでは、マイク
ロキャピラリーアレイ中120のキャピラリーの数をマ
イクロチャンバーアレイ100中のチャンバー数より少
なく設定し、マイクロキャピラリーアレイ120に対し
てマイクロチャンバーアレイ100を相対的に移動させ
ながら、マイクロチャンバーアレイのブロック毎に順番
にDNAを注入した。しかし、マイクロキャピラリーア
レイ中のキャピラリーの数とマイクロチャンバーアレイ
中のチャンバー数とを等しく設定すると、一度の操作で
マイクロチャンバーアレイに保持された全ての細胞にD
NAを注入することができる。
In the system shown in FIG. 9, the number of capillaries in the microcapillary array 120 is set smaller than the number of chambers in the microchamber array 100, and the microchamber array 100 is moved relative to the microcapillary array 120. , DNA was sequentially injected into each block of the microchamber array. However, when the number of capillaries in the microcapillary array and the number of chambers in the microchamber array are set to be equal, all the cells held in the microchamber array can be treated by one operation.
NA can be injected.

【0041】また、図9に示したシステムでは、マイク
ロチャンバーアレイ100をX,Y方向に移動させ、マ
イクロキャピラリーアレイ120を上下方向(Z方向)
に駆動するようにしたが、マイクロチャンバーアレイ1
00は固定とし、マイクロキャピラリーアレイ120を
上下方向と共にX,Y方向にも移動可能とすることで、
マイクロチャンバーアレイ100に吸引固定されたすべ
ての細胞にDNA注入を行うことも勿論可能である。
In the system shown in FIG. 9, the micro-chamber array 100 is moved in the X and Y directions, and the micro-capillary array 120 is moved in the vertical direction (Z direction).
The micro chamber array 1
00 is fixed, and the microcapillary array 120 can be moved in the X and Y directions together with the vertical direction.
It is, of course, possible to inject DNA into all cells suction-fixed to the microchamber array 100.

【0042】300μm間隔、50×50配列のマイク
ロキャピラリーアレイ、マイクロチャンバーアレイを組
み込んだ本発明による装置で、ポプラプロトプラストを
用いた実験では、細胞1個の捕捉率は30%、蛍光色素
を用いた注入試験では注入率は30%であった。従っ
て、一度の操作で約200個の細胞に物質を注入するこ
とができた。所用時間は約1分である。従来のマイクロ
インジェクション法では、ほぼ同じ時間で1個の細胞へ
の注入処理を行うのが限度であるから、本発明によって
処理効率が従来法に比較して約200倍向上したことに
なる。
In an experiment using poplar protoplasts in a device according to the present invention incorporating a microcapillary array and a microchamber array having a 50 × 50 array at 300 μm intervals, the capture rate of one cell was 30%, and a fluorescent dye was used. In the injection test, the injection rate was 30%. Therefore, the substance could be injected into about 200 cells by one operation. The required time is about 1 minute. In the conventional microinjection method, it is limited that the injection treatment into one cell is performed in substantially the same time. Therefore, the present invention improves the processing efficiency by about 200 times as compared with the conventional method.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明によると、細胞に物質を注入する
ためのマイクロキャピラリーアレイを作製することが可
能になり、そのマイクロキャピラリーアレイを用いるこ
とにより大量の細胞に対して個々に確実に物質を導入す
ることが可能になる。
According to the present invention, it is possible to prepare a microcapillary array for injecting a substance into cells, and by using the microcapillary array, a substance can be individually and reliably applied to a large number of cells. It becomes possible to introduce.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のマイクロインジェクションアレイシス
テムによる遺伝子注入法の概念図。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a gene injection method using the microinjection array system of the present invention.

【図2】マイクロキャピラリーが形成されるシリコン基
板の加工工程を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a processing step of a silicon substrate on which a microcapillary is formed.

【図3】ガラス基板加工工程の説明図。FIG. 3 is an explanatory view of a glass substrate processing step.

【図4】シリコン基板とガラス基板を接合してマイクロ
キャピラリーアレイを作製する工程の説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a step of manufacturing a microcapillary array by bonding a silicon substrate and a glass substrate.

【図5】FIB加工によって中空針に穴を開ける方法の
説明図。
FIG. 5 is an explanatory view of a method of making a hole in a hollow needle by FIB processing.

【図6】RIE加工によって中空針に穴を開ける方法の
説明図。
FIG. 6 is an explanatory view of a method of forming a hole in a hollow needle by RIE processing.

【図7】マイクロチャンバーアレイの作製方法の一例を
説明する工程図。
FIG. 7 is a process chart illustrating an example of a method for manufacturing a microchamber array.

【図8】マイクロチャンバーアレイの作製方法の他の例
を説明する工程図。
FIG. 8 is a process chart illustrating another example of a method for manufacturing a microchamber array.

【図9】本発明のマイクロインジェクションアレイシス
テムによる遺伝子注入操作を説明する概念図。
FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating a gene injection operation by the microinjection array system of the present invention.

【図10】マイクロキャピラリーアレイとマイクロチャ
ンバーアレイの位置関係を説明する図。
FIG. 10 illustrates a positional relationship between a microcapillary array and a microchamber array.

【図11】マイクロキャピラリーアレイとマイクロチャ
ンバーアレイの位置合わせ方法の一例を説明する図。
FIG. 11 illustrates an example of a method for aligning a microcapillary array and a microchamber array.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…マイクロチャンバーアレイ、11…マイクロチャ
ンバー、12…連通孔、13…細胞、15…マイクロキ
ャピラリーアレイ、16…マイクロキャピラリー、20
…シリコン基板、21…穴、22…酸化シリコン膜、2
5…袋状中空針、26…穴、27…キャピラリー、30
…ガラス基板、31…周縁部、32…凹部、33…貫通
孔、50…袋状中空針、51…FIB、52…穴、55
…マイクロキャピラリー、62…穴、63…レジスト、
65…マイクロキャピラリー、66,67…電極、70
…石英基板、71a,71b…レジスト層、72…テー
パ状の貫通孔、74…下地ガラス基板、75…凹部、7
6…貫通孔、77…ポンプ接続部材、78…流路、79
…接続部、80…単結晶シリコン基板、81a,81b
…レジスト層、82…テーパ状のピット、83…貫通
孔、84…下地ガラス基板、85…凹部、86…貫通
孔、87…ポンプ接続部材、88…流路、89…接続
部、90…チューブ、91…細胞、93…細胞、100
…マイクロチャンバーアレイ、101…ブロック、10
2…位置合わせマーク、110…XYステージ、111
…チューブ、112…ポンプ、115…細胞、120…
マイクロキャピラリーアレイ、121…チューブ、12
2…シリンジ、130…マニピュレータ、140…倒立
顕微鏡、150…DNA容器、160…圧電アクチュエ
ータ
10 microchamber array, 11 microchamber, 12 communication hole, 13 cells, 15 microcapillary array, 16 microcapillary, 20
... Silicon substrate, 21 ... Hole, 22 ... Silicon oxide film, 2
5: hollow hollow needle, 26: hole, 27: capillary, 30
... glass substrate, 31 ... peripheral part, 32 ... concave part, 33 ... through hole, 50 ... bag-shaped hollow needle, 51 ... FIB, 52 ... hole, 55
... microcapillary, 62 ... hole, 63 ... resist,
65: microcapillary, 66, 67: electrode, 70
... quartz substrate, 71a, 71b ... resist layer, 72 ... tapered through-hole, 74 ... base glass substrate, 75 ... recess, 7
6 ... through-hole, 77 ... pump connecting member, 78 ... flow path, 79
... Connection part, 80 ... Single-crystal silicon substrate, 81a, 81b
... Resist layer, 82 ... Tapered pit, 83 ... Through hole, 84 ... Base glass substrate, 85 ... Concave part, 86 ... Through hole, 87 ... Pump connection member, 88 ... Flow path, 89 ... Connection part, 90 ... Tube , 91 ... cells, 93 ... cells, 100
... micro chamber array, 101 ... block, 10
2 ... alignment mark, 110 ... XY stage, 111
... tube, 112 ... pump, 115 ... cell, 120 ...
Microcapillary array, 121 ... tube, 12
2: Syringe, 130: Manipulator, 140: Inverted microscope, 150: DNA container, 160: Piezoelectric actuator

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C12N 15/00 A (56)参考文献 特開 平1−112976(JP,A) 横田 崇、新井賢一編集、実験医学別 冊バイオマニュアルシリーズ4 遺伝子 導入と発現・解析法、株式会社 羊土 社、1994年4月20日、p.36 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C12M 1/00 C12N 15/09 BIOSIS(DIALOG) WPI(DIALOG)Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI C12N 15/00 A (56) References JP-A 1-112976 (JP, A) Edited by Takashi Yokota, Kenichi Arai, Biomanual Series for Experimental Medicine 4 Gene Transfer and Expression / Analysis Methods, Yodosha Co., Ltd., April 20, 1994, p. 36 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C12M 1/00 C12N 15/09 BIOSIS (DIALOG) WPI (DIALOG)

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】外径2〜10μmの薄膜材質からなる複数
の中空キャピラリーが、基板を貫通し、前記基板の一方
の表面から突出して2次元アレイ状に設けられているこ
とを特徴とするマイクロキャピラリーアレイ。
A plurality of hollow capillaries made of a thin film material having an outer diameter of 2 to 10 μm are provided in a two-dimensional array so as to penetrate the substrate and protrude from one surface of the substrate. Capillary array.
【請求項2】前記基板はシリコン基板であり、前記薄膜
材質は酸化シリコン又は窒化シリコンであることを特徴
とする請求項記載のマイクロキャピラリーアレイ。
Wherein said substrate is a silicon substrate, a micro capillary array according to claim 1, wherein the thin film material is characterized in that it is a silicon oxide or silicon nitride.
【請求項3】前記中空キャピラリーの先端部は、最先端
部以外の部分で外部と連通していることを特徴とする請
求項1又は2記載のマイクロキャピラリーアレイ。
Wherein the tip of the hollow capillary claim 1 or 2 microcapillary array according to, characterized in that it communicates with the outside at a portion other than the cutting edge portion.
【請求項4】基板の一方の表面から内部に向かって細穴
を加工する工程と、 前記穴の内壁に薄膜を形成する工程と、 前記穴を加工した表面と反対側の表面から前記基板をエ
ッチングして前記細穴の内壁に形成した薄膜からなる中
空構造を露出させる工程と、 前記薄膜からなる中空構造の先端部を開口させる工程と
を含むことを特徴とするマイクロキャピラリーの作製方
法。
4. A step of forming a fine hole from one surface of the substrate toward the inside, a step of forming a thin film on an inner wall of the hole, and a step of forming the substrate from a surface opposite to the surface on which the hole is processed. A method for producing a microcapillary, comprising: a step of exposing a hollow structure made of a thin film formed on an inner wall of the small hole by etching; and a step of opening a tip portion of the hollow structure made of the thin film.
【請求項5】前記先端部を開口させる工程は、前記中空
構造の最先端部を残して開口させることを特徴とする請
求項記載のマイクロキャピラリーの作製方法。
5. The method according to claim 4 , wherein, in the step of opening the tip, the tip is opened while leaving the tip of the hollow structure.
【請求項6】基板の一方の表面から内部に向かって所定
の配列で複数の細穴を加工する工程と、 前記複数の細穴の内壁に薄膜を形成する工程と、 前記細穴を加工した表面と反対側の表面から前記基板を
エッチングして前記細穴の内壁に形成した薄膜からなる
複数の中空構造を露出させる工程と、 前記薄膜からなる複数の中空構造の先端部を開口させる
工程とを含むことを特徴とするマイクロキャピラリーア
レイの作製方法。
6. A step of processing a plurality of small holes in a predetermined arrangement from one surface of the substrate to the inside, a step of forming a thin film on inner walls of the plurality of small holes, and processing the small holes. A step of exposing the plurality of hollow structures made of a thin film formed on the inner wall of the fine hole by etching the substrate from the surface opposite to the surface, and a step of opening the tips of the plurality of hollow structures made of the thin film; A method for producing a microcapillary array, comprising:
【請求項7】前記先端部を開口させる工程は、前記中空
構造の最先端部を残して開口させることを特徴とする請
求項記載のマイクロキャピラリーアレイの作製方法。
7. The method according to claim 6 , wherein, in the step of opening the distal end portion, the opening is made while leaving the tip end of the hollow structure.
【請求項8】前記複数の細穴を加工する工程及び中空構
造の先端部を開口させる工程は集束イオンビーム加工に
よって行うことを特徴とする請求項又は記載のマイ
クロキャピラリーアレイの作製方法。
8. The method for manufacturing a micro-capillary array according to claim 6 or 7, wherein the step of opening the distal portion of the process and the hollow structure for processing the plurality of small holes is characterized by performing the focused ion beam.
【請求項9】前記複数の細穴を加工する工程及び中空構
造の先端部を開口させる工程はICP・RIE加工によ
って行うことを特徴とする請求項又は記載のマイク
ロキャピラリーアレイの作製方法。
9. A method for manufacturing a micro-capillary array according to claim 6 or 7, wherein the step of opening the distal portion of the process and the hollow structure for processing the plurality of small holes is characterized by performing the ICP · RIE processing.
【請求項10】前記基板はシリコン基板であり、前記薄
膜は酸化シリコン又は窒化シリコンからなることを特徴
とする請求項4〜9のいずれか1項記載のマイクロキャ
ピラリーアレイの作製方法。
Wherein said substrate is a silicon substrate, a method for manufacturing a micro-capillary array according to any one of claims 4-9 wherein the thin film is characterized by comprising silicon oxide or silicon nitride.
【請求項11】複数の細胞を所定のピッチ配列で2次元
アレイ状に保持する細胞保持手段と、 先端が基板から突出した外径2〜10μmの薄膜材質か
らなる複数の中空キャピラリーを前記所定のピッチ配列
2次元アレイ状に備えるマイクロキャピラリーアレイ
と、 前記マイクロキャピラリーアレイに物質を吸入あるいは
吐出させるための手段と、 前記細胞保持手段と前記マイクロキャピラリーアレイと
を相対的に駆動する手段とを含むことを特徴とする物質
注入装置。
11. A plurality of cells are two-dimensionally arranged in a predetermined pitch arrangement.
And cell holding means for holding an array, or a thin film material having an outer diameter of 2~10μm tip is projected from the substrate
A microcapillary array comprising a plurality of hollow capillaries in a two-dimensional array at the predetermined pitch arrangement; a unit for sucking or discharging a substance into the microcapillary array; the cell holding unit and the microcapillary array; Means for relatively driving the material.
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