JP4973993B2 - マイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法 - 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や微粒子を配置して利用する産業への応用が期待される、マイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法に関するものである。

本願発明者らは図１１に示すようなマイクロビーズ（ＭＡＢ）の配列装置における解放装置、つまり、単一直径アルギン酸マイクロビーズ（ＭＡＢ）の配列装置における解放装置を提案している（下記特許文献１参照）。
図１１はかかるＭＡＢの配列装置における解放装置を示す模式図であり、捕捉されたマイクロビーズを解放する状態を表している。

図１１に示すように、直線状チャネル１０１の狭窄領域１０２の終端部にアルミニウム１０３がパターニングされており、その狭窄領域１０２にマイクロビーズ１０４が捕捉されている。その狭窄領域１０２の終端部のアルミニウム１０３にレーザー（例えば、出力１．５Ｗ）１０５を照射する。すると、その狭窄領域１０２の終端部に泡１０６が生成されて、狭窄領域１０２に捕捉されていたマイクロビーズ１０４を狭窄領域１０２から解放することができる。

このように、狭窄領域の終端部をレーザーを用いて加熱し、泡を発生させることによって、一度捕捉したビーズを解放する。つまり、一旦捕捉したビーズの並べ換えを自在に行うことができる。
特願２００６−５９２３号

上記した配列装置は、狭窄領域１０２をチップの水平方向に複数個配置し、前記マイクロビーズ１０４をチップ上にアレイ化して配置するようにしている。そのため、チップの水平方向に解放装置を配列するとその寸法が大きくなり、膨大なマイクロビーズを配列するにあたり、１つのマイクロビーズに対する１個のベッドを提供するアレイとしては難があった。

また、上記の装置では、マイクロビーズ１０４を高速に解放するにも工夫が必要であった。
さらに、配列装置における解放装置を配置する場合に、狭窄領域を清浄化する際にも問題があった。
本発明は、上記状況に鑑みて、捕捉流路が連通する狭窄領域をチップの水平方向に複数個配置し、マイクロビーズをチップ上にアレイ化して配置する解放装置において、マイクロビーズの解放（放出）を確実にし、かつ高速化するとともに、チップの水平方向の寸法を低減することができ、さらにその解放装置の設定を確実にするマイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法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〕チップ上にマイクロチャンネルが水平方向に蛇行して形成され、このマイクロチャンネルをバイパスするように狭窄領域とこの狭窄領域の後部に水平方向に対して傾斜して連通する捕捉流路を介して前記マイクロチャンネルに通じる流路を複数個配置し、前記マイクロチャンネル中のマイクロビーズを前記狭窄領域に捕捉して前記チップ上にアレイ化して配置するマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記狭窄領域に連通する微小通路と、この微小通路を介して配置される膨らんだ形状の液体の貯蔵部と、前記狭窄領域に前記捕捉流路により捕捉されるマイクロビーズと、前記貯蔵部に形成されるレーザー光が照射される受光部と、この受光部にレーザー光を照射するレーザー光照射装置とを備え、前記受光部へのレーザー光の照射による前記貯蔵部中の液体の泡の発生により、前記狭窄領域に捕捉されているマイクロビーズを前記狭窄領域より解放することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記マイクロビーズは単一直径のアルギン酸からなることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記受光部がアルミニウムからなることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記受光部は、表面に形成された窪みを具備することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記貯蔵部にフロロカーボンを注入することを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記貯蔵部は前記チップの垂直方向に配置すると共に、前記微小通路を屈曲微小通路となし、この屈曲微小通路を介して前記狭窄領域に連通して配置し、前記屈曲微小通路の先端部を前記チップの水平方向に形成して前記チップの水平方向の幅が小さくなるように配置することを特徴とする。

〔７〕上記〔１〕から〔６〕の何れか一項記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置を用いた、マイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、 前記配列装置の出口からフロロカーボンを注入し、前記貯蔵部にフロロカーボンをトラップした後に、このフロロカーボンをあらかた除去し、残余のフロロカーボンを除去するために、前記配列装置に遠心力を加え、その後、装置中に残された少量のフロロカーボンを置き換えるために装置内にエタノール液を導入して洗浄し、装置の清浄化を行うことを特徴とする。

〔８〕上記〔７〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、前記狭窄領域に連通するマイクロチャンネルには連続相である油を流すことを特徴とする。
〔９〕上記〔７〕記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、前記狭窄領域に連通するマイクロチャンネルには連続相である水を流すことを特徴とする。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）貯蔵部に配置された受光部の表面に窪みを形成するようにしたので、液体中における泡の発生を確実に行うことができると共に高速化することができ、マイクロビーズの解放を迅速に行うことができる。
（２）貯蔵部はチップの垂直方向に配置し、この貯蔵部と前記狭窄領域の間に形成される屈曲微小通路の先端部をチップの水平方向に形成することにより、チップの水平方向の幅が小さくなるように配置した。

（３）貯蔵部にフロロカーボンを注入し、このフロロカーボンの狭窄領域への残留をエタノールで洗浄し、装置の清浄化を行うことができる。

本発明のマイクロビーズの配列装置における解放装置は、チップ上にマイクロチャンネルが水平方向に蛇行して形成され、このマイクロチャンネルをバイパスするように狭窄領域とこの狭窄領域の後部に水平方向に対して傾斜して連通する捕捉流路を介して前記マイクロチャンネルに通じる流路を複数個配置し、前記マイクロチャンネル中のマイクロビーズを前記狭窄領域に捕捉して前記チップ上にアレイ化して配置するマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記狭窄領域に連通する微小通路と、この微小通路を介して配置される膨らんだ形状の液体の貯蔵部と、前記狭窄領域に前記捕捉流路により捕捉されるマイクロビーズと、前記貯蔵部に形成されるレーザー光が照射される受光部と、この受光部にレーザー光を照射するレーザー光照射装置とを備え、前記受光部へのレーザー光の照射による前記貯蔵部中の液体の泡の発生により、前記狭窄領域に捕捉されているマイクロビーズを前記狭窄領域より解放する。

なお、本発明において、マイクロビーズとは、ゲルビーズ、微粒子または細胞などの微小玉状体を言う。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
アルギン酸高分子は生体適合性が良く、食材や細胞のカプセルに用いられるなどその用途が多い材料であり、これを利用して、ドラッグデリバリーや、再生医工学の材料に使う例が多い。ここでは、主として、かかる単一直径アルギン酸マイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法について述べるが、これに限定されるものではなく、バイオ分野のみならずディスプレイ産業など、マイクロビーズや微粒子を配置して利用する産業への応用が期待されるマイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法に適用することができる。

図１は本発明の実施例を示すマイクロビーズの配列装置における解放装置の模式図である。
この図において、チップ１にマイクロチャンネル２が形成され、このマイクロチャンネル２に連通する狭窄領域（マイクロビーズのベッド）３が形成されている。この狭窄領域３には、捕捉流路１１が形成されると共に、屈曲微小通路（流路）６を介して、液体５が入った膨らんだ形状の貯蔵部（チャンバー）４が連通して配置されている。なお、貯蔵部４は捕捉流路１１とは独立して構成されている。

その貯蔵部４の一部にはレーザー光８が照射される窪み７Ｃを有する受光部（レーザー光のターゲット）７が形成され、この受光部７にはレーザー光照射装置（図示なし）よりレーザー光８が照射されるように構成されている。
そこで、貯蔵部４の受光部７にレーザー光照射装置（図示なし）よりレーザー光８が照射されると、貯蔵部４内の液体５には泡９が生じることになる。この泡９によって、狭窄領域３に捕捉されているマイクロビーズ１０は、マイクロチャネル２へと解放されることになる。

このように構成したので、従来の狭窄領域の終端部を加熱することにより行っていたマイクロビーズの解放を、貯蔵部４の一部に形成される受光部７をターゲットにしてレーザー光８を照射することにより確実に行うことができる。
図２は図１に示すマイクロビーズの配列装置における解放装置においてレーザー光のターゲットとなる受光部のＡ−Ａ線断面図、図３はそのレーザー光のターゲットの形成方法を示す図、図４はレーザー照射による機械的窪みを示す写真、図５は図２に示すターゲットの形成方法によって得られたレーザー光のターゲットを示す写真である。

図２に示すように、貯蔵部４（図示なし）にはガラス７Ａにアルミニウム７Ｂからなる窪み７Ｃを有する受光部（レーザー光のターゲット）７を形成するようにしている。
このように構成することにより、レーザー光８が窪み７Ｃを有するアルミニウム７Ｂに照射されると泡９がすばやく発生する。平坦な面のアルミニウムにレーザー光が照射された場合に比べて泡の発生を大幅に高速化することができる。

ここで、受光部（レーザー光のターゲット）７の形成方法は、まず、図３（ａ）に示すようなガラス２１を用意し、レーザー照射とエタノールを用いて機械的微小キャビティ２２を形成する〔図３（ｂ）〕。この機械的微小キャビティ２２が、図４に示されている。次に、ピラーニャ溶液（ｐｉｒａｎｈａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）で、ガラス２１の表面を清浄化し、図３（ｃ）に示すようにその表面にアルミニウム層２３を蒸着する。次に、図３（ｄ）に示すように、その表面にスピンコート２４を形成する。そして、図３（ｅ）に示すように、マスク２５を配置して露光を行う。次に、図３（ｆ）に示すように、ＰＲ層２６を形成し、次いで、図３（ｇ）に示すように、アルミニウム層２３の部分エッチングを行う。最後に、図３（ｈ）に示すように、ＰＲ層２６を除去する。

すると、図５に示すように、アルミニウム層２３で覆われた窪み２７が形成されることが分かる。
図６は本発明の実施例を示すマイクロビーズの配列装置における解放装置の動作を示す図であり、図６（ａ）はマイクロビーズを左下方に解放する例を示す屈曲微小通路を示す図、図６（ｂ）は図１に示すマイクロビーズを水平方向に解放する例を示す屈曲微小通路を示す図である。

図６（ａ）の場合には、マイクロビーズを左下方に解放するのに対して、図６（ｂ）の場合には、マイクロビーズを水平方向に解放するので、屈曲微小通路６の先端部６Ａは、図６（ｂ）のように水平方向に配置するのがより望ましい。
図７は本発明に係るマイクロビーズの配列装置における解放装置の貯蔵部での泡の生成特性を示す図であり、図７（ａ）は水中への泡の生成特性を、図７（ｂ）はフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）中への泡の生成特性を示す図である。

これらの図に示すように、貯蔵部（チャンバー）３１の水３２中へ泡３４を生成させるには、図７（ａ）に示すように、大きなレーザーパワーを必要とするのに対して、貯蔵部３１のフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）３３中へ泡を生成させるには、図７（ｂ）に示すように、水中に生成するのに比べて小さなレーザーパワーで足りることが分かる。
図８は本発明に係る狭窄領域をチップの水平方向に複数個配置し、マイクロビーズをチップ上にアレイ化して配置するマイクロビーズの配列装置における解放装置を示す写真であり、図８（ａ）は全体構成図、図８（ｂ）は図８（ａ）を部分拡大した写真である。

このように、チップ４１にマイクロチャンネル４２が形成され、さらにこのマイクロチャンネル４２に連通する狭窄領域（マイクロビーズのベッド）４３が形成されており、その狭窄領域４３には捕捉流路４８によってマイクロビーズ４７が捕捉される。また、この狭窄領域４３には屈曲微小通路４６を介して液体４５が入った膨らんだ形状の貯蔵部（チャンバー）４４が連通して配置されている。なお、貯蔵部４４は捕捉流路４８とは独立して構成されている。

図９は本発明に係るマイクロビーズの配列装置における解放装置でのマイクロビーズの解放動作を示す写真である。
この図においては、チップ５１にマイクロチャンネル５２が形成され、このマイクロチャンネル５２に連通する狭窄領域（マイクロビーズのベッド）５３が形成されており、その狭窄領域５３には捕捉流路６１によってマイクロビーズ６０が捕捉されるように構成されている。また、チップ５１には、狭窄領域５３と屈曲微小通路５６を介して連通する、液体５５が入った膨らんだ形状の貯蔵部５４を配設している。なお、貯蔵部５４は捕捉流路６１とは独立して構成されている。

その貯蔵部５４の一部にはレーザー光５８が照射される窪み５７Ａを有する受光部（レーザー光のターゲット）５７が形成されている。この受光部５７にはレーザー光照射装置（図示なし）よりレーザー光５８が照射されるように構成されている。
まず、図９（ａ）に示すように、マイクロビーズ６０は狭窄領域（マイクロビーズのベッド）５３に捕捉流路６１によって捕捉されている。次に、図９（ｂ）に示すように、貯蔵部５４中の受光部５７にレーザー光５８が照射されると、貯蔵部５４中の液体５５中には泡５９が発生する。貯蔵部５４中の液体５５中に泡５９が発生すると、液体５５の膨張によりマイクロビーズ６０は少しずつ狭窄領域５３から押し出される〔図９（ｃ）〕。そして、図９（ｄ）〜（ｆ）へと、マイクロビーズ６０は次第に狭窄領域５３から解放される。図９（ｇ）に至るとマイクロビーズ６０は完全に狭窄領域５３から解放される。そこで、貯蔵部５４中の受光部５７に照射されるレーザー光５８を弱めていくと、図９（ｈ）に示すように、液体５５は貯蔵部５４中へと再び収納されて行き、図９（Ｉ）に至ると、液体５５は貯蔵部５４中へと完全に収納され、原状に戻る。つまり、狭窄領域５３は空きとなり、再びマイクロビーズ６０を捕捉できるようになる。

図１０は本発明に係るマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法を示す図である。
この図において、７１はチップ、７２はマイクロチャンネル、７３は狭窄領域、７４は貯蔵部である。
まず、図１０（ａ）に示すように、出口からデバイス内にフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）を注入する。すると、図１０（ｂ）に示すように、貯蔵部（チャンバー）にフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）がトラップされ、２〜３分後に、図１０（ｃ）に示すように、泡が消える。次に、図１０（ｄ）に示すように、残余のフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）を除去するために、スピンコーターを用いて装置に遠心力を加える。その後、図１０（ｅ）〜（ｆ）に示すように、まだ装置中に残された少量のフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）を置き替えるために、入口から装置内にエタノールを導入する。次に、図１０（ｇ）〜（ｉ）に示すように、装置内に水を導入する。

このように、水を導入する前に、エタノールを導入することにより、貯蔵部（チャンバー）内にトラップされたフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）以外の残された少量のフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）を除去することができる。
以上のように構成することにより、貯蔵部（チャンバー）の出口付近に残り易いフロロカーボン（ＰＦ−５０６０）を確実に除去することができ、配列装置における解放装置の操作を確実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。

本発明のマイクロビーズの配列装置における解放装置及びその解放装置の設定方法は、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マイクロビーズ、つまり、微粒子や細胞などを含む微小玉状体を配置して利用する産業などで有効利用できる。

本発明の実施例を示すマイクロビーズの配列装置における解放装置の模式図である。 図１に示すマイクロビーズの配列装置における解放装置においてレーザー光のターゲットとなる受光部のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の実施例を示すマイクロビーズの配列装置における解放装置のレーザー光のターゲットの形成方法を示す図である。 レーザー光のターゲットの形成におけるレーザー照射による機械的窪みを示す写真である。 図２に示すターゲットの形成方法によって得られたレーザー光のターゲットを示す写真である。 本発明の実施例を示すマイクロビーズの配列装置における解放装置の動作を示す図である。 本発明に係るマイクロビーズの配列装置における解放装置の貯蔵部での泡の生成特性を示す図である。 本発明に係る狭窄領域をチップの水平方向に複数個配置し、マイクロビーズをチップ上にアレイ化して配置するマイクロビーズの配列装置における解放装置を示す写真である。 本発明に係るマイクロビーズの配列装置でのマイクロビーズの解放動作を示す写真である。 本発明に係るマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法を示す図である。 ＭＡＢの配列装置における解放装置を示す模式図である。

１，４１，５１，７１ チップ
２，４２，５２，７２ マイクロチャンネル
３，４３，５３，７３ 狭窄領域（マイクロビーズのベッド）
４，３１，４４，５４，７４ 貯蔵部（チャンバー）
５，４５，５５ 液体
６，４６，５６ 屈曲微小通路
６Ａ 屈曲微小通路の先端部
７，５７ 受光部（レーザー光のターゲット）
７Ａ，２１ ガラス
７Ｂ アルミニウム
７Ｃ，２７，５７Ａ 窪み
８，５８ レーザー光
９，３４，５９ 泡
１０，４７，６０ マイクロビーズ
１１，４８，６１ 捕捉流路
２２ 機械的微小キャビティ
２３ アルミニウム層
２４ スピンコート
２５ マスク
２６ ＰＲ層
３２ 水
３３ フロロカーボン（ＰＦ−５０６０）

Claims (9)

1. チップ上にマイクロチャンネルが水平方向に蛇行して形成され、該マイクロチャンネルをバイパスするように狭窄領域と該狭窄領域の後部に水平方向に対して傾斜して連通する捕捉流路を介して前記マイクロチャンネルに通じる流路を複数個配置し、前記マイクロチャンネル中のマイクロビーズを前記狭窄領域に捕捉して前記チップ上にアレイ化して配置するマイクロビーズの配列装置における解放装置において、
   （ａ）前記狭窄領域に連通する微小通路と、
   （ｂ）該微小通路を介して配置される膨らんだ形状の液体の貯蔵部と、
   （ｃ）前記狭窄領域に前記捕捉流路により捕捉されるマイクロビーズと、
   （ｄ）前記貯蔵部に形成されるレーザー光が照射される受光部と、
   （ｅ）該受光部にレーザー光を照射するレーザー光照射装置とを備え、
   （ｆ）前記受光部へのレーザー光の照射による前記貯蔵部中の液体の泡の発生により、前記狭窄領域に捕捉されているマイクロビーズを前記狭窄領域より解放することを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
2. 請求項１記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記マイクロビーズは単一直径のアルギン酸からなることを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
3. 請求項１記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記受光部がアルミニウムからなることを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
4. 請求項１記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記受光部は表面に形成された窪みを具備することを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
5. 請求項１記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記貯蔵部にフロロカーボンを注入することを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
6. 請求項１記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置において、前記貯蔵部は前記チップの垂直方向に配置すると共に、前記微小通路を屈曲微小通路となし、該屈曲微小通路を介して前記狭窄領域に連通して配置し、前記屈曲微小通路の先端部を前記チップの水平方向に形成して前記チップの水平方向の幅が小さくなるように配置することを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置。
7. 請求項１から６の何れか一項記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置を用いた、マイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、 前記配列装置の出口からフロロカーボンを注入し、前記貯蔵部にフロロカーボンをトラップした後に、該フロロカーボンをあらかた除去し、残余のフロロカーボンを除去するために、前記配列装置に遠心力を加え、その後、装置中に残された少量のフロロカーボンを置き換えるために装置内にエタノール液を導入して洗浄し、装置の清浄化を行うことを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法。
8. 請求項７記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、前記狭窄領域に連通するマイクロチャンネルには連続相である油を流すことを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法。
9. 請求項７記載のマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法において、前記狭窄領域に連通するマイクロチャンネルには連続相である水を流すことを特徴とするマイクロビーズの配列装置における解放装置の設定方法。