JP4900827B2 - 再セット可能な微小液滴の配列装置 - Google Patents

Description

本発明は、微小化学工学・ドラッグデリバリー・細胞培養・再生医工学などのバイオ分野のみならず、ディスプレイ産業などマイクロビーズを配置して利用する産業への応用が期待される、再セット可能な微小液滴の配列装置に関するものである。

セルの研究、ドラッグの選択、及び検出／診断応用においては、化学的刺激下で生体セルのような微小液滴の継続的な観察を行うことができる集積されたマニピュレーションシステムは大きな需要がある（下記非特許文献１参照）。そのようなシステムは、微小液滴の移送及び固定、試薬の注入、反応の観察、選択した微小液滴の解放など多くの機能を有することが必要である。

本願発明者らは流体力学と光学的アプローチの組合せを通じて上記した機能の全てを達成した（下記非特許文献２参照）。このシステムにより短時間で微小液滴を配列することが可能であり、同様に、マイクロアレイ応用のために、選択された液滴を解放することができる。

図６はかかる従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を解放（選択）する様子を示す模式図である。チャンバー１０１の右側に位置する１μｍ□のアルミニウム板１０２にレーザー１０３をフォーカスして、アルミニウム板１０２及びその回りの溶液を加熱する。アルミニウム板１０２の温度が、その回りの溶液の沸点に到達した時、チャンバー１０１内に泡１０５が生じる。その泡１０５は、捕捉されている微小液滴１０４をメインの流路内に押し出し、微小液滴１０４は解放（選択）される。
Ｒｏｂｉｎｓｏｎ ＷＨ，ＤｉＧｅｎｎａｒｏ Ｃ，Ｈｅｕｂｅｒ Ｗ，Ｈａａｂ ＢＢ，Ｋａｍａｃｈｉ Ｍ，Ｄｅａｎ ＥＪ，Ｆｏｕｒｎｅｌ Ｓ，Ｆｏｎｇ Ｄ，Ｇｅｎｏｖｅｓｅ ＭＣ，Ｎｅｕｍａｎ ｄｅ Ｖｅｇｖａｒ ＨＥ，ｅｔ ａｌ．，"Ａｕｔｏａｎｔｉｇｅｎ ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｃｈｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａｕｔｏａｎｔｉｂｏｄｙ ｒｅａｐｏｎｓｅｓ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｖｏｌ．８，ｐｐ．２９５−３０１，２００２ Ｗ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ，"Ａ Ｔｒａｐ−ａｎｄ−ｒｅｌｅａｓｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ＰＮＡＳ，ｖｏｌ．１０４，Ｎｏ．４，ｐｐ．１１４６−１１５１，２００７ Ｗ．Ｔａｎ，Ｓ．Ｔａｋｅｕｃｈｉ"Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ Ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏａｒｒａｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，ｉｎ Ｄｉｇｅｓｔ Ｔｅｃｈ．Ｐａｐｅｒｓ μＴＡＳ‘０６ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｔｏｋｙｏ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ５−９，２００６，ｐｐ．５０９−５１１ Ｃ．Ａｍａｄｏｒ，Ａ．Ｇａｖｒｉｉｌｉｄｉｓ，Ｐ．Ａｎｇｅｌｉ，"Ｆｌｏｗ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｉｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒ Ｓｃａｌｅ−ｏｕｔ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｅｓ Ａｎｄ Ｔｈｅ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓ Ａｎｄ Ｃｈａｎｎｅｌ Ｂｌｏｃｋａｇｅ"，Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｊｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．１０１，ｐｐ３７９−３９０，２００４

しかしながら、上記した従来のシステムは、一度に全ての捕捉された微小液滴を解放し、その装置をリセットするという機能を持たなかった。上記非特許文献３において報告されているように、光学的解放マイクロ流体方法を用いて捕捉された全ての微小液滴を１個ずつ解放することによりこのような装置をリセットすることは可能であるが、この方法は時間を消費し、高密度（＞１０００）マイクロアレイにとっては実用的ではない。セル研究及びドラッグ選別では、有意義な結論を引き出すために膨大な数のデータの獲得が求められる。そのためには、繰り返し使用のための再設定可能な配列装置が望まれる。

図７は従来技術の問題点を説明する図である。

図７（ａ）では液体２００の前進方向の流れにより、微小液滴２０１が狭窄領域２０２に捕捉されている。液体２００が前進方向に導入される場合、流れは２つの流れに分割される。Ｑ１として流量が示される捕捉流れと、Ｑ２として流量が示される主な流れである。その流量比（Ｑ１／Ｑ２）はチャンネルの構造によってのみ決定される。そして、導入される流体の材料やその流量によって変わることはない（上記非特許文献４参照）。もし、流量比（Ｑ１／Ｑ２）が１より大きければ、微小液滴の質量の中心は捕捉流れ領域に含まれ、そして、微小液滴は、狭窄領域に捕捉される。そこで、図７（ｂ）に示すように、液体２００を逆の方向に導入する逆流操作により、狭窄領域２０２に捕捉されている微小液滴２０１を解放させるようにすると、狭窄領域２０２の後方に連通する微小通路２０３の出口２０４に微小液滴２０２が捕捉されてしまう。つまり、流量比Ｑ₁ ／Ｑ₂ ＞１の場合、図７（ａ）に示すように捕捉された微小液滴２０１を、図７（ｂ）に示すように液体２００を逆流させる逆流操作によって解放することは不可能であるといった問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みて、狭窄領域（ベッド）を水平方向に複数個配置し、微小液滴をアレイ化して配置する再セット可能な微小液滴の配列装置において、微小液滴の捕捉が容易であり、また微小液滴の解放（放出）を確実にし、かつ高速化することができる再セット可能な微小液滴の配列装を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕液体が流れる流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、微小液滴をアレイ化して配置する再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の出口側に配置される制御部材とを備え、前記流路に流れる液体の逆流操作により前記制御部材が作用して前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に解放することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材が前記微小通路の出口側を覆うように円弧状に配列され、流通スペースを有する複数の棒状部材からなることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材が前記流路内の微小液滴を前記狭窄領域にガイドする機能を有することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材がバルブ機構であることを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記バルブ機構は前記液体が前進方向の流れの場合に開き、前記液体の逆流操作により閉じることを特徴とする。

〔６〕上記〔１〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記微小液滴がゲルビーズであることを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記微小液滴が生体セルであるであることを特徴とする。

本発明によれば、単一の装置内で液体を逆流操作することにより、捕捉された微小液滴を一斉に解放し、装置のリセットを簡便に、かつ高速に行うことができる。

本発明の再セット可能な微小液滴の配列装置は、液体が流れる流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、微小液滴をアレイ化して配置する再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、前記微小通路の出口側に配置される制御部材とを備え、前記流路に流れる液体の逆流操作により前記制御部材が作用して前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に解放する。

なお、本発明において、微小液滴とは、マイクロビーズ、ゲルビーズ、または細胞などの生体セルなどを言う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示す再セット可能な微小液滴の配列装置の要部の模式図である。

図１（ａ）に示すように、液体１の前進方向の流れにより、微小液滴２が狭窄領域（ベッド）４に捕捉される。本発明ではさらに、狭窄領域４の後方に連通する微小通路５の出口６側をカバーする制御部材（障害物）７を流れる流路３内に設置することにより、流量比Ｑ₁ ／Ｑ₂ が減少するように設計し、図１（ｂ）に示すように、液体１の流れを逆流させる逆流操作によって、狭窄領域４に捕捉された微小液滴２を一斉に解放するようにした。

本発明の装置は、たとえ流量比Ｑ₁ ／Ｑ₂ ＜１でも、図１（ａ）に示すように、全ての微小液滴２を制御部材（障害物）７が案内するように構成されており、微小液滴２を確実に狭窄領域（ベッド）４に捕捉することができる。一方、液体１を逆流させる逆流操作により、微小液滴１は制御部材（障害物）７によって狭窄領域（ベッド）４の後方に連通する微小通路５の出口６側から離れて導かれる。その結果、液体１を逆流操作すると、微小液滴２は微小通路５の出口６側に捕捉されることなく、狭窄領域（ベッド）４から離れる。この装置における低い流量比Ｑ₁ ／Ｑ₂ は、より小さい捕捉力（捕捉を通じてより小さい流れによる）へ変換される。そしてこれは、特に、デリケートな生体セルの捕捉に対して利点がある。

図２は本発明の実施例を示す１００μｍ微小液滴を捕捉及び解放するための制御部材（障害物）の構造を示す図である。

本実施例では、１００μｍ微小液滴を操作するための装置を設計した。

ここでは、流路３の幅を２４７μｍとして、その流路３内に狭窄領域（ベッド）４の後方に連通する微小通路５の出口６側を覆うように、略円弧状に４０μｍ□の複数の棒状の制御部材７を配置する。なお、ここでは、略円弧状に配置する例を示したが、これに限定されるものではなく、その他の形状、例えば、三角形状などとするようにしてもよい。

図３（ａ）は、液体の前進方向の流れによる微小液滴の捕捉の様子を示すスーパーインポーズイメージを、図３（ｂ）は液体の逆流操作による微小液滴の解放の様子を示している。

これらの図により、微小液滴の捕捉とその捕捉された微小液滴の解放の様子が良く理解できる。

図４は本発明の実施例を示す１０００個の微小液滴（φ１５μｍ）を操作するために設計された単一の装置で行った２つの実験の様子を示している。

まず、図４（ａ）に示すように、その装置に微小液滴としてのビオチン−ポリスチレン（ｂｉｏｔｉｎ−ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）ビーズとビオチン化されていないポリスチレン（ｎｏｎｂｉｏｔｉｎｙｌａｔｅｄ ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ）ビーズを捕捉し、アレクサ（Ａｌｅｘａ）４８８ストレプトアビジン（ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ）溶液を流路内に導入した。すると、図４（ｂ）に示すように、ビオチン−ストレプトアビジン反応によってビーズに緑色の蛍光反応が観察された。また、ビーズが蛍光反応を示したか否かによって、ビオチン−ポリスチレンビーズとビオチン化されていないポリスチレンビーズとが区別できる。そこで、流路のアレクサ（Ａｌｅｘａ）４８８ストレプトアビジン（ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ）溶液の流れを逆流操作することにより、図４（ｃ）に示すように、この装置の狭窄領域（ベッド）４に捕捉されていた微小液滴としてのビーズを一斉に解放した。その後、その装置内に前進方向の流れにより上記した２種類の新しいビーズを導入するようにした。

次に、そのリセットされた装置に、アレクサ（Ａｌｅｘａ）５４６ストレプトアビジン（ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ）溶液を導入した。すると、図４（ｄ）に示すように、ビオチン−ストレプトアビジン反応によってビオチン−ポリスチレンビーズに赤色の蛍光反応が起こった。

この単純なストレプトアビジン分析実験によって、複数の実験を単一の装置で、コストと時間を節約して容易に行うことができることが分かった。

本発明の再セット可能な微小液滴の配列装置は、捕捉された微小液滴へのストレスを小さくすることで、特に、生体セルの生体に影響を与えることなく、それらを直接に捕捉することができる。このような装置は、ビーズや生体セルを有する複数の薬品及び医療品の同時選別に適用することができる。

本発明は、微小液滴（ビーズやセルなど）の捕捉、選別及び観察を大規模で、かつ反復して行うことのできる簡便な再セット可能な微小液滴の配列装置を提供することができる。本発明では、単純な流体の逆流操作によって、捕捉された狭窄領域からの解放を行う。この装置は、操作が簡単で、丈夫な高い効率を有する。１０００微小ベッドを配列することができ、これらを数分で解放することができる。

次に、本発明の他の実施例について説明する。

図５は本発明の他の実施例を示すバルブ機構を用いた再セット可能な微小液滴の配列装置の模式図であり、図５（ａ）は液体の前進方向の流れでバルブが解放されて微小液滴が捕捉される様子を示す模式図、図５（ｂ）は液体の逆流操作によりバルブが閉じられて微小液滴が解放される状態を示す模式図である。

図５（ａ）では、液体１０が流路１１に連通する狭窄領域（ベッド）１２の後方に位置する微小通路１３の出口１４側にバルブ１５が配置され、液体１０の前進方向の流れによりそのバルブ１５が開いているため、流量比（Ｑ１／Ｑ２）＞１となり、微小液滴１６が狭窄領域１２に捕捉される。一方、図５（ｂ）では、液体１０の流れの方向を逆にする逆流操作により、狭窄領域（ベッド）１２の後方に位置する微小通路１３の出口１４側に配置されるバルブ１５は閉じ、狭窄領域１２の後方に配置される微小通路１３の出口１４側への流量Ｑ１の流れを阻害するため、流量比（Ｑ１／Ｑ２）＜１となり、微小液滴１６は狭窄領域１２に捕捉されることなく、流路１１へと解放される。

以上のように構成することにより、狭窄領域（ベッド）への捕捉は確実になり、また捕捉された微小液滴は簡単な液体の逆流操作により、一斉に解放することが可能になり、繰り返し使用される配列装置の微小液滴の再設定を容易にかつ迅速に行うことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の再セット可能な微小液滴の配列装置は、再生医工学、細胞研究、創薬などのバイオ分野のみならずディスプレイ産業などにも有効利用できる。

本発明の実施例を示す再セット可能な微小液滴の配列装置の要部の模式図である。 本発明の実施例を示す１００μｍ微小液滴を捕捉及び解放するための制御部材（障害物）の構造を示す図である。 液体の前進方向又は逆流操作による微小液滴の捕捉又は一斉解放の様子を示すスーパーインポーズイメージである。 本発明の実施例を示す１０００個の微小液滴（φ１５μｍ）を操作するために設計された単一の装置で行った２つの実験の様子を示す図である。 本発明の他の実施例を示すバルブ機構を用いた再セット可能な微小液滴の配列装置の模式図である。 従来の光学的アプローチを用いて捕捉された微小液滴を解放（選択）する様子を示す模式図である。 従来技術の問題点を説明する図である。

符号の説明

１，１０ 液体
２，１６ 微小液滴
３，１１ 流路
４，１２ 狭窄領域（ベッド）
５，１３ 微小通路
６，１４ 微小通路の出口
７ 制御部材（障害物）
１５ バルブ

Claims (7)

1. 液体が流れる流路に連通する狭窄領域を水平方向に複数個配置し、微小液滴をアレイ化して配置する再セット可能な微小液滴の配列装置において、
   （ａ）前記狭窄領域の後方に連通する微小通路と、
   （ｂ）前記狭窄領域に捕捉される微小液滴と、
   （ｃ）前記微小通路の出口側に配置される制御部材とを備え、
   （ｄ）前記流路に流れる液体の逆流操作により前記制御部材が作用して前記捕捉された微小液滴を前記狭窄領域から一斉に解放することを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
2. 請求項１記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材が前記微小通路の出口側を覆うように円弧状に配列され、流通スペースを有する複数の棒状部材からなることを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
3. 請求項１記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材が前記流路内の微小液滴を前記狭窄領域にガイドする機能を有することを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
4. 請求項１記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記制御部材がバルブ機構であることを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
5. 請求項４記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記バルブ機構は前記液体が前進方向の流れの場合に開き、前記液体の逆流操作により閉じることを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
6. 請求項１記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記微小液滴がゲルビーズであることを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。
7. 請求項１記載の再セット可能な微小液滴の配列装置において、前記微小液滴が生体セルであるであることを特徴とする再セット可能な微小液滴の配列装置。