JP4997522B2 - Method for producing single diameter alginate microbeads and apparatus for producing the same - Google Patents

Method for producing single diameter alginate microbeads and apparatus for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、微小化学工学・ドラッグデリバリー・細胞培養・再生医工学などの分野に用いられる単一直径アルギン酸マイクロビーズ(MAB)の作製方法及びその製造装置に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing method and manufacturing equipment of a single diameter alginate microbeads used in the fields such as micro-chemical engineering, drug delivery, cell culture and regeneration medical engineering (MAB).

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化など用途の多い材料である。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は多い。
ところで、ヒドロゲル中にセルをカプセル化することはセルに保護を与えるものであり、バイオリアクターや組織工学と関連する(下記非特許文献1参照)。アルギン酸はその生体適合性、入手の容易さ、比較的低いコストから、最も良く用いられ、研究されるヒドロゲルである。アルギン酸中にセルをカプセル化し、アレイを形成することができれば、セルを保護膜中に包み込みながら、多くのセルを同時に視覚化し分析することができるようになるので、診断研究、薬理学的研究やセロミクスの研究に多く応用されるだろう。
Alginic acid polymers have good biocompatibility and are versatile materials such as food and cell encapsulation. There are many examples of using this for drug delivery and regenerative medical engineering materials.
By the way, encapsulating a cell in a hydrogel provides protection to the cell and is related to bioreactor and tissue engineering (see Non-Patent Document 1 below). Alginic acid is the most commonly used and studied hydrogel because of its biocompatibility, availability and relatively low cost. If cells can be encapsulated in alginic acid to form an array, many cells can be visualized and analyzed simultaneously while encapsulating the cells in a protective film. There will be many applications in the study of cellomics.

微小な単一直径(単分散)カプセルの生成は、良く研究されるものの一つである(下記非特許文献2参照)。セルをマイクロビーズ中にカプセル化すれば、カプセルへ栄養を与え不要物を排出する交換が拡散によって短時間にできるようになり、カプセル化されたセルの生存可能性を向上させることができる(下記非特許文献3参照)。さらに、マイクロビーズを単分散化することによって、個々のマイクロビーズ中のカプセル化されたセルの数を、より正確に制御することができるようになる。   The production of fine single-diameter (monodisperse) capsules is one that has been well studied (see Non-Patent Document 2 below). When cells are encapsulated in microbeads, the exchange of nutrients to the capsules and the discharge of unwanted materials can be accomplished in a short time by diffusion, improving the viability of the encapsulated cells (see below). Non-Patent Document 3). Furthermore, by monodispersing the microbeads, the number of encapsulated cells in each microbead can be controlled more accurately.

マイクロデバイス中でアルギン酸ナトリウムと塩化カルシウム液滴を用いて、セルをカプセル化するために微小な不均一直径(多分散)のアルギン酸マイクロビーズを形成することは、Sugiuraら(下記非特許文献4参照)によって報告されている。
WO 02/068104 A1 M.M.Stevens et al.,”A Rapid−Curing Alginate Gel System:Utility in Periosteum−derived Cartilage Tissue Engineering”,Biomaterials,25,pp.887−894,2004. G.Orive et al.,”Cell Encapsulation:Promise and Progress” Nature Medicine,9,pp.104−107,2003. W.M.Ku(uはウムラウト付き)htreiber,R.P.Lanza,and W.L.Chick,Cell encapsulation technology and therapeutics,Birkha(aはウムラウト付き)user Boston,1999. S.Sugiura,T.Oda,Y.Izumida,Y.Aoyagi,M.Satake,A.Ochiai,N.Ohkohchi,M.Nakajima,”Size Control of Calcium Alginate Beads containing Living Cells using Micro−Nozzle Array”,Biomaterials,26,pp.3327−3331,2005. D.Poncelet,”Production of Alginate Beads by Emulsification/Internal Gelation”,2001,Annals of the New York Academy of Sciences,944,pp.74−82. A Tixier−Mita,Y.Mita,K.Cozic,F.M.,B.LePioufle,and H.Fujita,”To place cells an array using aspiration technique,”Micro Total Analysis Systems,Nara,Japan,2002. B.Le.Pioufle,P.Surbled,H.Nagai,Y.Murakami,H.S.Chun,E.Tamiya,and H.Fujita,”Living cells captured on a biomicrosystem devoted to DNA injection,”Materials Science and Engineering:C,vol.12,pp.77−81,2000. B.M.Taff and J.Voldman,”A Scalable Row/Column− Addressable Dielectrophoretic Cell−Trapping Array”,Micro Total Analysis Systems,Boston,USA,pp.865−867,2005. F.M.White, Fluid Mechanics,3rd ed.,New York,NY:McGraw Hill,1994 Stefan Fiedler et al.,”Dielectrophoretic Sorting of Particles and Cells in a Microsystem”,Anal.Chem.1998,70,pp.1909−1915
The formation of small non-uniform diameter (polydisperse) alginate microbeads to encapsulate cells using sodium alginate and calcium chloride droplets in a microdevice is described by Sugiura et al. (See Non-Patent Document 4 below). ).
WO 02/068104 A1 M.M. M.M. Stevens et al. , "A Rapid-Curning Alginate Gel System: Utility in Perioseum-Derived Cartridge Tissue Engineering", Biomaterials, 25, pp. 887-894, 2004. G. Olive et al. "Cell Encapsulation: Promise and Progress" Nature Medicine, 9, pp. 104-107, 2003. W. M.M. Ku (u is an umlaut) htriber, R .; P. Lanza, and W.L. L. Chick, Cell encapsulation technology and therapeutics, Birkha (a with umlaut) user Boston, 1999. S. Sugiura, T .; Oda, Y .; Izumida, Y. et al. Aoyagi, M .; Satake, A.M. Ochiai, N .; Ohchichi, M .; Nakajima, “Size Control of Calcium Alginate Beads Containing Living Cells using Micro-Nozzle Array”, Biomaterials, 26, pp. 228 3327-3331, 2005. D. Poncelet, “Production of Alginate Beads by Emulsification / Internal Gelation”, 2001, Anals of the New York Academy of Sciences, 944. 74-82. A Tixier-Mita, Y. et al. Mita, K.M. Cozic, F.M. M.M. , B. LePioufle, and H.M. Fujita, “To place cells an array using aspirate technique,” Micro Total Analysis Systems, Nara, Japan, 2002. B. Le. Piofull, P.M. Surbled, H.M. Nagai, Y .; Murakami, H .; S. Chun, E .; Tamiya, and H.M. Fujita, “Living cells captured on a biosystem developed to DNA injection,” Materials Science and Engineering: C, vol. 12, pp. 77-81, 2000. B. M.M. Taff and J.M. Voldman, "A Scalable Row / Column- Addressable Dielectricphoretic Cell-Tapping Array", Micro Total Analysis Systems, Boston, USA, pp. 865-867, 2005. F. M.M. White, Fluid Mechanics, 3rd ed. , New York, NY: McGraw Hill, 1994. Stefan Fielder et al. , “Dielectricphoretic Sorting of Particles and Cells in a Microsystem”, Anal. Chem. 1998, 70, pp. 1909-1915

しかしながら、マイクロビーズの均一性とサイズ分布を向上するために、以下の2つの問題を解決する必要がある。すなわち、(1)ゲル化のために微小アルギン酸ナトリウム液滴に外部から多価陽イオンが添加されるときの変形の問題と、(2)ゲル化前のアルギン酸ナトリウム液滴の不要な融合の問題、である。
そこで、本発明では、これまでに提案された内部ゲル化法(上記非特許文献5参照)とT字交差路液滴生成法(上記特許文献1参照)をも参照し研究を重ねながら、アルギン酸マイクロビーズ(MAB)を生成するようにした。
However, in order to improve the uniformity and size distribution of microbeads, it is necessary to solve the following two problems. That is, (1) the problem of deformation when polyvalent cations are externally added to the fine sodium alginate droplets for gelation, and (2) the problem of unnecessary fusion of the sodium alginate droplets before gelation .
Therefore, in the present invention, alginic acid is repeatedly studied with reference to the previously proposed internal gelation method (see Non-Patent Document 5) and the T-shaped intersection droplet generation method (see Patent Document 1). Microbeads (MAB) were generated.

さらに、セルアセイのためMAB中にセルをカプセル化することも試みる。吸引法(上記非特許文献6参照)のようなフルイディック法や、金表面へのケミカルパターニングのような生化学的手法(上記非特許文献7参照)や、誘電泳動トラップ(捕捉)(上記非特許文献8参照)に基づくセルアレイがこれまでに報告されている。しかしながら、これらのセルアレイの多くは、複雑な作成手順と制御を必要としている。   It also attempts to encapsulate cells in MAB for cell assay. Fluidic methods such as the suction method (see Non-Patent Document 6), biochemical techniques such as chemical patterning on the gold surface (see Non-Patent Document 7), dielectrophoretic traps (capturing) (Non-Patent Document 6) A cell array based on Patent Document 8) has been reported so far. However, many of these cell arrays require complex creation procedures and controls.

そこで、本発明者らは、「1トラップあたり1ビーズ」の固定化を達成するために、パッシブマイクロフルイディックトラップデバイス(マイクロチャンネルからなるマイクロビーズ捕捉装置)を提案する。単一直径アルギン酸マイクロビーズ(MAB)を生成する技術だけでなく、穏やかで扱い易い、マイクロビーズベースのセルアセイシステムの開発に向けて研究を行っている。   Therefore, the present inventors propose a passive microfluidic trap device (a microbead capturing device comprising microchannels) in order to achieve the fixation of “one bead per trap”. Research is being conducted towards the development of microbead-based cell assay systems that are gentle and easy to handle, as well as techniques for producing single-diameter alginate microbeads (MAB).

上記したように、従来は、マイクロサイズで、直径が均等に揃ったアルギン酸のマイクロビーズを作製することは困難であった。
本発明は、上記状況に鑑みて、マイクロフルイディクスを用いて均質なマイクロビーズを作製することができる単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法及びその製造装置を提供することを目的とする。
As described above, conventionally, it has been difficult to produce microbeads of alginic acid having a micro size and a uniform diameter.
The present invention is, in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a manufacturing method and a manufacturing equipment of a single diameter alginate microbeads can be produced a homogeneous micro beads using microfluidics.

本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、連続相である油と、分散相であるph7以上の水溶液に溶けない物質を含むアルギン酸ナトリウム溶液を、交差させて前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴を生成させ、前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴と、両親媒性分子及び酢酸を含む油とを、二路合流チャンバーで合流させて単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成させ、混合及び反応チャンネルで前記マイクロビーズのゲル化を促進することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a method for producing single-diameter alginate microbeads, a sodium alginate solution containing an oil that is a continuous phase and a sodium alginate solution that contains a substance that is insoluble in an aqueous solution of ph7 or more that is a dispersed phase is crossed from A droplet composed of sodium alginate containing the substance and an oil containing amphiphilic molecules and acetic acid are merged in a two-way merging chamber to produce single-diameter alginate microbeads and mixed. And promoting the gelation of the microbeads in the reaction channel.

〔2〕上記〔1〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記物質がカルシウムからなる化合物であることを特徴とする。
〔3〕上記〔1〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記物質がバリウムからなる化合物であることを特徴とする。
〔4〕上記〔1〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記アルギン酸ナトリウムからなる液滴を、前記連続相と分散相をT字交差路で交差させることにより生成することを特徴とする。
[2] The method for producing single-diameter alginate microbeads according to [1] above, wherein the substance is a compound composed of calcium.
[3] The method for producing single-diameter alginate microbeads according to [1] above, wherein the substance is a compound composed of barium.
[4] The method for producing single-diameter alginate microbeads according to [1], wherein the droplets made of sodium alginate are generated by intersecting the continuous phase and the dispersed phase at a T-shaped intersection. And

〔5〕上記〔1〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成する際、この単一直径アルギン酸マイクロビーズに細胞を導入しカプセル化することを特徴とする。
〔6〕上記〔〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記細胞が癌化した肝臓細胞であることを特徴とする。
[5] The method for producing single-diameter alginate microbeads according to [1] above, wherein when the single-diameter alginate microbeads are produced, cells are introduced into the single-diameter alginate microbeads and encapsulated. And
[6] The method for producing single-diameter alginate microbeads according to [ 5 ] above, wherein the cells are cancerous liver cells.

〔7〕単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、連続相である油を流す第1のマイクロチャンネルと、分散相であるph7以上の水溶液に溶けない物質を含むアルギン酸ナトリウム溶液を流す第2のマイクロチャンネルと、前記第1のマイクロチャンネルと前記第2のマイクロチャンネルが交差する交差路と、この交差路で形成される前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴と、両親媒性分子及び酢酸を含む油が流れる第3のマイクロチャンネルと、前記第1のマイクロチャンネルと前記第3のマイクロチャンネルが合流し、単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成させる二路合流チャンバーと、この二路合流チャンバーに連通し、該二路合流チャンバーにて形成されるマイクロビーズをゲル化する混合及び反応チャンネルとを具備することを特徴とする。 [7] In the apparatus for producing single-diameter alginate microbeads, a first microchannel for flowing oil as a continuous phase and a second alginate solution containing a substance that is insoluble in an aqueous solution of ph7 or more as a dispersed phase. A microchannel, an intersection where the first microchannel and the second microchannel intersect, a droplet made of sodium alginate containing the substance formed at the intersection, an amphipathic molecule and acetic acid. A third microchannel through which the oil containing flows, a two-way merging chamber in which the first microchannel and the third microchannel merge to produce single-diameter alginate microbeads, and the two-way merging chamber communicated and, mixing and reaction to gel micro beads formed in the two-path joint chamber Characterized by comprising a Yan'neru.

〔8〕上記〔7〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記物質がカルシウムからなる化合物であることを特徴とする。
〔9〕上記〔7〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記物質がバリウムからなる化合物であることを特徴とする。
〔10〕上記〔7〕記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記交差路はT字交差路であることを特徴とする。
[8] The apparatus for producing single-diameter alginate microbeads according to [7] above, wherein the substance is a compound composed of calcium.
[9] The apparatus for producing single-diameter alginate microbeads according to [7] above, wherein the substance is a compound composed of barium.
[10] The apparatus for producing single-diameter alginate microbeads according to [7] above, wherein the intersection is a T-shaped intersection.

本発明によれば、大きさの均一なアルギン酸ビーズがマイクロスケールで作製できる。これに細胞を導入したり、このマイクロビーズをチップ上にアレイ化させることも可能である。   According to the present invention, alginate beads having a uniform size can be produced on a micro scale. It is possible to introduce cells into this, or to array the microbeads on a chip.

本発明の単一直径アルギン酸マイクロビーズの作製方法及びその製造装置は、連続相である油を流す第1のマイクロチャンネルと、分散相であるph7以上の水溶液に溶けない物質を含むアルギン酸ナトリウム溶液を流す第2のマイクロチャンネルと、前記第1のマイクロチャンネルと前記第2のマイクロチャンネルが交差する交差路と、この交差路で形成される前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴と、両親媒性分子及び酢酸を含む油が流れる第3のマイクロチャンネルと、前記第1のマイクロチャンネルと前記第3のマイクロチャンネルが合流し、単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成させる二路合流チャンバーと、この二路合流チャンバーに連通し、該二路合流チャンバーにて形成されるマイクロビーズをゲル化する混合及び反応チャンネルとを具備する。 Sodium alginate solution containing a manufacturing method and a manufacturing apparatus of a single diameter alginate microbeads, a first microchannel to flow the oil is a continuous phase, a substance which is insoluble in ph7 more aqueous solutions of the dispersed phase of the present invention A second microchannel through which the first microchannel and the second microchannel intersect, a droplet made of sodium alginate containing the substance formed at the intersection, an amphiphile A third microchannel through which an oil containing a sex molecule and acetic acid flows, a two-way confluence chamber in which the first microchannel and the third microchannel merge to form a single-diameter alginate microbead; The microbead formed in the two-way merge chamber is gelled in communication with the two-way merge chamber. Comprising a coupling and reaction channels.

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MAB製造装置の模式図である。
この図において、1は連続相である油2を流す第1のマイクロチャンネル(例えば幅は直径150μm、高さは55μm)、3は分散相であるCaCO3 粉末を含むアルギン酸ナトリウム溶液4を流す第2のマイクロチャンネル(例えば幅は直径50μm、高さは55μm)、5はその第1のマイクロチャンネル1と第2のマイクロチャンネル3が交差するT字交差路、6はそのT字交差路5で形成されるCaCO3 粉末を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴、7はレシチン(lecithin:燐脂質の一種)及び酢酸を含む油8が流れる第3のマイクロチャンネル、9は第1のマイクロチャンネル1と第3のマイクロチャンネルが合流する二路合流チャンバー、10は二路合流チャンバー9にて形成されるマイクロビーズ(μ液滴)、11はその二路合流チャンバー9に連通する混合及び反応チャンネル、12はゲル化が進んだマイクロビーズ(μ液滴)である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a schematic view of a MAB manufacturing apparatus showing an embodiment of the present invention.
In this figure, 1 is a first microchannel (for example, having a diameter of 150 μm and a height of 55 μm) for flowing oil 2 as a continuous phase, and 3 is a flow of sodium alginate solution 4 containing CaCO 3 powder as a dispersed phase. 2 microchannels (for example, the diameter is 50 μm, the height is 55 μm), 5 is a T-shaped intersection where the first microchannel 1 and the second microchannel 3 intersect, and 6 is the T-shaped intersection 5. A droplet made of sodium alginate containing CaCO 3 powder to be formed, 7 is a third microchannel through which oil 8 containing lecithin and acetic acid flows, and 9 is the first microchannel 1 and the first microchannel. two-way merging chamber 3 microchannel 7 are merged, microbeads 10 are formed by a two-path joint chamber 9 (mu droplets), 1 mixing and reaction channels communicating with the two-way merging chamber 9, 12 is a microbead advanced gelation (mu droplets).

ここで、不溶性炭酸カルシウム粒子を含んだアルギン酸ナトリウム溶液4をT字交差路5で油2の流れに流すと、液滴6が生成される。次いで、レシチンと酢酸を含む油8が第3のマイクロチャンネル7から下流に加えられる。次いで、曲がりくねったチャンネルからなる混合及び反応チャンネル11で、酸性油、つまりレシチンと酢酸を含む油8とメインストリームを流れる油2との混合が促進される。CaCO3 粉末を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴6は、ペーハー(ph)値が減少し、Ca2+(カルシウムイオン)が組み合わされるとゲル化が起こり、下流にアルギン酸カルシウムゲルが形成される。つまり、pH値の減少により、不溶性カルシウム錯体からCa2+が放出されて、ゲル化が起こる。続いて、MABはマイクロチューブで捕捉され、さらにゲル化を進めるため遠心力により水性塩化カルシウム水溶液中に分離される。 Here, when a sodium alginate solution 4 containing insoluble calcium carbonate particles is caused to flow in the flow of oil 2 through a T-shaped intersection 5, droplets 6 are generated. An oil 8 containing lecithin and acetic acid is then added downstream from the third microchannel 7. Then, in the mixing and reaction channel 11 consisting of tortuous channels, the mixing of the acidic oil, ie the oil 8 containing lecithin and acetic acid, and the oil 2 flowing in the main stream is promoted. The droplet 6 made of sodium alginate containing CaCO 3 powder has a reduced pH (ph) value, and when Ca 2+ (calcium ions) are combined, gelation occurs, and a calcium alginate gel is formed downstream. That is, due to the decrease in pH value, Ca 2+ is released from the insoluble calcium complex, and gelation occurs. Subsequently, the MAB is captured by the microtube and further separated into an aqueous calcium chloride aqueous solution by centrifugal force for further gelation.

この単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置を用いると、セルをアルギン酸ナトリウム溶液に加えるだけで、セルをMABにカプセル化することができる。しかしながら、この場合、溶液は浸透圧に合わせて、水の代わりに生理食塩水を用いて調節される必要がある。
なお、上記実施例では、分散相として不溶性CaCO3 粉末を含んだアルギン酸ナトリウム溶液について述べたが、ph7以上の水溶液に溶けない物質であればよい。例えばバリウム化合物粉末などであってもよい。
Using this single diameter alginate microbead manufacturing device, the cell can be encapsulated in MAB simply by adding the cell to the sodium alginate solution. In this case, however, the solution needs to be adjusted to the osmotic pressure using saline instead of water.
In the above embodiment, a sodium alginate solution containing insoluble CaCO 3 powder as a dispersed phase has been described. However, any substance that does not dissolve in an aqueous solution of ph7 or higher may be used. For example, barium compound powder may be used.

また、交差路は、T字交差路に限らず、フローフォーカシング(flow focusing)によってもよい。
さらに、界面活性剤としては、レシチンに限られるものではなく、両親媒性分子であれば、他のものであってもよい。
図2は本発明の実施例を示すMABの図面代用真であり、図2(a)は完全にゲル化される前の油を、図2(b)は完全にゲル化された後の水中における状態を示す図、図3は本発明にかかる完全にゲル化する前後におけるMABの直径分布を示す図である。
Further, the intersection is not limited to a T-shaped intersection, and may be flow focusing.
Furthermore, the surfactant is not limited to lecithin, and may be other as long as it is an amphiphilic molecule.
Figure 2 is a MAB drawing-substitute photographs of illustrating an embodiment of the present invention, prior to FIG. 2 (a) is completely gelled oil, FIG. 2 (b) after being fully gelled The figure which shows the state in water, FIG. 3 is a figure which shows the diameter distribution of MAB before and behind gelatinizing completely concerning this invention.

変動係数(C.V.)は直径の標準偏差と平均径の比として定義される。平均径と変動係数(C.V.)は、完全ゲル化前はそれぞれ116.93μmと1.9%であり、完全ゲル化後はそれぞれ81.91μmと2.7%であった。生成されたMABの8.9%は球形ではなく、計測に含まれなかった。T字交差路を用いた液滴形成によって、単一直径のアルギン酸ナトリウム液滴を生成することが可能となった。界面活性剤(レシチン)を加えることによって、形成された液滴間の不要な癒着を防ぎ、マイクロビーズが徐々にゲル化していく間もマイクロビーズの単一直径を維持することができた。この手法で、ゲルは遠心分離による水相への分離前に硬化した。その結果、マイクロビーズ(MAB)は球形であり、サイズ分布も小さかった。Ca2+濃度とpHのような微調整パラメータによって、不良は低減または除去される。 The coefficient of variation (CV) is defined as the ratio of the standard deviation of diameters to the average diameter. The average diameter and coefficient of variation (CV) were 116.93 μm and 1.9% before complete gelation, and 81.91 μm and 2.7% after complete gelation, respectively. 8.9% of the produced MAB was not spherical and was not included in the measurement. Droplet formation using a T-shaped intersection has made it possible to produce single diameter sodium alginate droplets. By adding a surfactant (lecithin), unnecessary adhesion between the formed droplets was prevented, and the single diameter of the microbead could be maintained while the microbead gradually gelled. In this way, the gel hardened before separation into an aqueous phase by centrifugation. As a result, the microbeads (MAB) were spherical and had a small size distribution. By fine tuning parameters such as Ca 2+ concentration and pH, defects are reduced or eliminated.

形成されたマイクロビーズの直径はチャンネルの深さ(55μm)よりも大きかった。これは、ゲル化が緩やかなプロセスであり、アルギン酸ナトリウム液滴が装置内では完全に硬化しないためである。これら液滴は装置を出て、完全にゲル化する前にマイクロチューブ中で球形をとる。
図3から明らかなように、その直径はゲル化中に29.9%だけ減少している。
The diameter of the formed microbeads was larger than the channel depth (55 μm). This is because gelation is a slow process and the sodium alginate droplets do not cure completely in the apparatus. These droplets exit the device and take a spherical shape in the microtube before fully gelling.
As is apparent from FIG. 3, the diameter decreases by 29.9% during gelation.

図4は本発明にかかるMAB中にカプセル化されたHep G2セル(ヒト肝癌由来細胞)を示す図である。
この図には、MAB16中でカプセル化に成功したHep G2セル15が示されている。このように、内部ゲル化法とT字交差路液滴生成法を組み合わせることで、単一直径MAB16を生成し、Hep G2セル15をMAB16中にカプセル化することに成功した。MAB中でカプセル化されたセルの数は、アルギン酸ナトリウムにおけるセルの密度を調整することにより制御することができる。
FIG. 4 is a diagram showing a Hep G2 cell (human hepatoma-derived cell) encapsulated in MAB according to the present invention.
In this figure, a Hep G2 cell 15 successfully encapsulated in MAB 16 is shown. Thus, by combining the internal gelation method and the T-shaped intersection drop generation method, a single diameter MAB 16 was generated, and the Hep G2 cell 15 was successfully encapsulated in the MAB 16 . The number of cells encapsulated in MAB can be controlled by adjusting the cell density in sodium alginate.

図5は本発明の参考例を示すマイクロビーズ(μ液滴)捕捉装置(マイクロアレイ)の模式図である。
この図において、21はマイクロビーズ(μ液滴)、22は直線状チャンネル、23は方形波形状のチャンネル、24は直線状チャンネル22に形成される狭窄領域、である。なお、図5において、太い矢印はメインストリームを、小さい矢印はサブストリームを示している。
FIG. 5 is a schematic diagram of a microbead (μ droplet) capturing device (microarray) showing a reference example of the present invention.
In this figure, 21 is a microbead (μ droplet), 22 is a linear channel, 23 is a square wave channel, and 24 is a constricted region formed in the linear channel 22. In FIG. 5, a thick arrow indicates a main stream, and a small arrow indicates a substream.

そこで、マイクロビーズ(μ液滴)の捕捉装置は、直線状チャンネル22と交差するように形成された方形波形状のチャンネル23からなり、マイクロビーズ(μ液滴)21の捕捉は、直線状チャンネル22に沿った狭窄領域24で行われる。マイクロビーズ(μ液滴)21が捕捉されておらず狭窄領域24が空の場合、直線状チャンネル22から狭窄領域24への流れに対する抵抗は、方形波形状のチャンネル23沿いの流れに対する抵抗よりも低い、つまり、メインストリーム(太い矢印)は直線状チャンネル22から狭窄領域24に沿って流れ、マイクロビーズ(μ液滴)21は直線状チャンネル22から狭窄領域24へ移動しやすくなる。したがって、流れの中のマイクロビーズ(μ液滴)21は、メインストリーム(太い矢印)によって狭窄領域24捕捉される(トラップモード)。一旦、マイクロビーズ(μ液滴)21が捕捉され、狭窄領域24が埋まると、直線状チャンネル22から狭窄領域24への流れに対する抵抗は大幅に上昇し、メインストリームは方形波形状のチャンネル23沿いへと方向が変更される。従って、次のマイクロビーズ(μ液滴)は、埋められた狭窄領域24をバイパスして方形波形状のチャンネル23沿いに運ばれる(バイパスモード)。直線状チャンネル22と狭窄領域24の幅はそれぞれ150μmと35μmである。チャンネルの高さはそれぞれ85μmである。 Therefore, the microbead (μ droplet) capturing device includes a square-wave channel 23 formed so as to intersect the linear channel 22, and the microbead (μ droplet) 21 is captured by the linear channel. This is done in a stenosis region 24 along 22. When the microbead (μ droplet) 21 is not captured and the constriction region 24 is empty, the resistance to the flow from the linear channel 22 to the constriction region 24 is more than the resistance to the flow along the square-wave channel 23. The low, that is, the main stream (thick arrow) flows along the constricted region 24 from the linear channel 22, and the microbead (μ droplet) 21 easily moves from the linear channel 22 to the constricted region 24. Thus, microbeads (mu droplets) 21 in the stream is captured confinement region 24 by the main stream (thick arrow) (trapping mode). Once the microbeads (μ droplets) 21 are captured and the stenosis region 24 is filled, the resistance to flow from the straight channel 22 to the stenosis region 24 is greatly increased, and the main stream is along the square-wave channel 23. The direction is changed. Accordingly, the next microbead (μ droplet) is carried along the square-wave channel 23 (bypass mode), bypassing the buried constriction region 24. The widths of the straight channel 22 and the constricted region 24 are 150 μm and 35 μm, respectively. Each channel height is 85 μm.

このように、マイクロビーズ(μ液滴)21は流される順番に直線状チャンネル22に形成された狭窄領域24を塞いでいくため、結果として、マイクロビーズ(μ液滴)21をアレイ化して配置することができる。
次に、上記した装置の作製について説明する。
ラピッドプロトタイピングが可能であること、作製の容易さ、そして最も重要な、生体適合性を有するといった利点があるため、MAB製造装置とマイクロアレイ装置の両方の作製には、エラストマーPDMS(Dow Corning社製シリコーンエラストマー Sylgard)を用いたソフトリソグラフィーが選択される。まず、シリコンウエハ上に通常のリソグラフィ技術を用いてSU−8金型を形成する。次いでPDMS膜をSU−8のマスター金型から成形する。注入口及び排出口用のアクセスホールがPDMS板に開けられる。PDMSをペトリ皿で硬化させることで別のPDMS板を生成する。最後に、2つのPDMS板の表面を酸素プラズマで処理し、恒久的に接着する。
In this way, the microbeads (μ droplets) 21 block the constricted region 24 formed in the linear channel 22 in the flowing order, and as a result, the microbeads (μ droplets) 21 are arranged in an array. can do.
Next, production of the above-described apparatus will be described.
Due to the advantages of being capable of rapid prototyping, ease of fabrication, and most importantly biocompatibility, elastomer PDMS (manufactured by Dow Corning, Inc.) can be used to fabricate both MAB and microarray devices. Soft lithography using a silicone elastomer (Sylgard) is selected. First, a SU-8 mold is formed on a silicon wafer using a normal lithography technique. Next, a PDMS film is formed from a SU-8 master mold. Access holes for inlets and outlets are opened in the PDMS plate. Another PDMS plate is produced by curing PDMS in a Petri dish. Finally, the surfaces of the two PDMS plates are treated with oxygen plasma and permanently bonded.

次にこの装置で用いられる材料について説明する。
この装置では、アルギン酸ナトリウム及びトウモロコシ油、大豆から抽出したレシチン(和光純薬工業株式会社製)を用いた。さらに、塩化カルシウム(CaCl2 )、塩化ナトリウム(NaCl)、及びTween20(関東化学株式会社製)を用いた。また、酢酸(ナカライテスク株式会社製)を用いた。炭酸カルシウム(CaCo3 )粉末はYHNANO co.,Ltd.から提供を受けた。全ての化学薬品及び試薬は入手したままの状態で、更なる精製は行わずに使用した。全ての実験に用いた超純水は18MΩ・cmの比抵抗を有するミリポアシステムから得た。
Next, materials used in this apparatus will be described.
In this apparatus, sodium alginate and corn oil, with lecithin extracted from soybean (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). Furthermore, calcium chloride (CaCl 2 ), sodium chloride (NaCl), and Tween 20 (manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) were used. In addition, acetic acid (manufactured by Nacalai Tesque) was used. Calcium carbonate (CaCo 3 ) powder is available from YHNANO co. , Ltd., Ltd. Provided by. All chemicals and reagents were used as received and without further purification. The ultrapure water used in all experiments was obtained from a Millipore system having a specific resistance of 18 MΩ · cm.

次に、MABの生成手順について説明する。
全ての相の流速の制御にはシリンジポンプ(図示なし)を用いた。連続相はトウモロコシ油(メインストリーム)、及びレシチン(2wt%)と酢酸(0.67μl/ml)を含んだトウモロコシ油を用いた。CaCO3 粒子を含んだアルギン酸ナトリウム(2wt%)溶液を分散相として用いた。メインストリームのトウモロコシ油と、酢酸により酸性化されたトウモロコシ油、及びCaCO3 入りアルギン酸懸濁液の流速はそれぞれ0.25ml/h、0.25ml/h、及び0.018ml/hであった。
Next, the MAB generation procedure will be described.
A syringe pump (not shown) was used to control the flow rate of all phases. As the continuous phase, corn oil (main stream) and corn oil containing lecithin (2 wt%) and acetic acid (0.67 μl / ml) were used. A sodium alginate (2 wt%) solution containing CaCO 3 particles was used as the dispersed phase. The flow rates of mainstream corn oil, corn oil acidified with acetic acid, and alginate suspension with CaCO 3 were 0.25 ml / h, 0.25 ml / h, and 0.018 ml / h, respectively.

作製されたマイクロビーズはマイクロチューブ中で捕捉した。マイクロチューブは遠心分離にかけられ、上澄みは除去された。マイクロビーズはそっとピペット操作して、CaCl2 (2wt%)溶液(1wt% Tween20)で洗浄された。次いで、混合物は再度遠心分離された。この洗浄処理はあと2回繰り返された。MABの写真はVH−Z450 高倍率ズームレンズ(450X)とKeyence VHX−100 デジタルマイクロスコープシステムで撮影された。直径はKeyence イメージソフトウェアで計測された。 The produced microbeads were captured in a microtube. The microtube was centrifuged and the supernatant was removed. The microbeads were gently pipetted and washed with a CaCl 2 (2 wt%) solution (1 wt% Tween 20). The mixture was then centrifuged again. This washing process was repeated two more times. MAB photographs were taken with a VH-Z450 high magnification zoom lens (450X) and a Keyence VHX-100 digital microscope system. Diameter was measured with Keyence image software.

次に、セルをカプセル化するMABの生成について説明する。
MABの手順と同様だが、セルの生存可能性を維持するために、全ての溶液は浸透圧に合わせて調節されなければならなかった。アルギン酸ナトリウム(2wt%)溶液は、水の代わりにNaCl(0.9wt%)溶液を用いて調製された。洗浄には、CaCl2 (155mM)溶液(1wt% Tween20)が用いられた。最終洗浄には培地を使用した。
Next, generation of MAB that encapsulates a cell will be described.
Similar to the MAB procedure, but to maintain cell viability, all solutions had to be adjusted for osmotic pressure. A sodium alginate (2 wt%) solution was prepared using a NaCl (0.9 wt%) solution instead of water. For the cleaning, a CaCl 2 (155 mM) solution (1 wt% Tween 20) was used. Medium was used for the final wash.

次に、マイクロアレイへのマイクロビーズの捕捉について説明する。
上記手順で調製されたMABはシリンジポンプを用いてマイクロアレイに導入された。実験は逆さにしたNikon顕微鏡(Nicon eclipse,TE300)上に搭載したCCDカメラ(Hamamatsu C5405−05)を用いて視覚化した。
図6は本発明の参考例の実験例を示すマイクロビーズ(μ液滴)の捕捉アレイで捕捉されるMABの図面代用真である。
Next, capture of microbeads on the microarray will be described.
The MAB prepared by the above procedure was introduced into the microarray using a syringe pump. Experiments were visualized using a CCD camera (Hamamatsu C5405-05) mounted on an inverted Nikon microscope (Nicon Eclipse, TE300).
6 is a MAB drawing substitute photograph of which is captured in capture arrays of microbeads showing an experimental example of the exemplary embodiment of the present invention (mu droplets).

ここで、マイクロビーズ(μ液滴)捕捉アレイは直列に100液滴の捕捉を行うことができる。
図6(a)はマイクロビーズ(μ液滴)捕捉アレイにマイクロビーズ(μ液滴)が捕捉された状態を、図6(b)はバイパスモードのスーパーインポーズ画像を、図6(c)は捕捉モードのスーパーインポーズ画像をそれぞれ示している。
Here, the microbead (μ droplet) capture array can capture 100 droplets in series.
6A shows a state in which microbeads (μ droplets) are captured on a microbead (μ droplet) capture array, FIG. 6B shows a superimposed image in bypass mode, and FIG. 6C. Indicates superimposed images in the capture mode.

この図から明らかなように、マイクロビーズ(μ液滴)は既に他のマイクロビーズ(μ液滴)がある狭窄領域には捕捉されなかった。この捕捉の効率はほぼ100%なので、少数のマイクロビーズ(μ液滴)を捕捉しアレイ化するのに好適である。図6(a)の四角で囲まれた領域はそれぞれバイパスモードと捕捉モード示している。この装置は、マイクロビーズ(μ液滴)を固定することができ、この捕捉を連続してつなげることでマイクロアレイが形成された。 As is clear from this figure, the microbeads (μ droplets) were not captured in the constricted region where other microbeads (μ droplets) were already present. Since the efficiency of this capture is almost 100%, it is suitable for capturing and arraying a small number of microbeads (μ droplets). Regions enclosed by squares in FIG. 6A indicate the bypass mode and the capture mode , respectively. This device was able to immobilize microbeads (μ droplets), and a microarray was formed by continuously connecting these captures.

このように、連続したマイクロフルイディックトラップを用いることで、マイクロビーズが固定され、アレイ化された。単一直径MABを生成することができることで、セロミクス研究と治療目的の両方でアルギン酸の利用を促進することができる。ここで提案されたパッシブマイクロフルイディックトラップは、操作が簡単かつロバストであり、高効率である。セルをカプセル化した、トラップされたマイクロビーズを壊すことなく、上流に薬品/医薬品を簡単に導入することができ、セルアセイのために有用なツールとなる。さらに、セルをアルギン酸中にカプセル化することで、非接着細胞だけでなく、より難しい接着細胞も扱うことができるようになる。   Thus, the microbeads were fixed and arrayed by using a continuous microfluidic trap. The ability to generate single diameter MAB can facilitate the use of alginic acid for both cellomics research and therapeutic purposes. The proposed passive microfluidic trap is simple to operate, robust and highly efficient. Drugs / pharmaceuticals can be easily introduced upstream without breaking the trapped microbeads encapsulating the cell, making it a useful tool for cell assay. Furthermore, by encapsulating the cells in alginic acid, not only non-adherent cells but also more difficult adherent cells can be handled.

本発明によれば、薬剤等を均一直径のマイクロビーズに導入することによって、内部に混入している薬剤の量を調整できる。また、インシュリンなどの有益な物質を放出したり、分解したりする細胞をカプセル化し、体内に導入すれば、体内に入れた場合の免疫反応を防ぎつつ活用させることができる。
以下、マイクロチャンネル中の圧力低下について説明する。
According to the present invention, by introducing a drug or the like into microbeads having a uniform diameter, the amount of the drug mixed inside can be adjusted. In addition, if cells that release or decompose beneficial substances such as insulin are encapsulated and introduced into the body, they can be utilized while preventing an immune reaction when placed in the body.
Hereinafter, the pressure drop in the microchannel will be described.

Darcy−Weisbachの式を用いてマイクロチャンネル中の圧力低下あるいは圧力差を割り出し、Hagen−Poiseuille流れの問題のための連続方程式及び運動量方程式を解くことで、以下の式(1)が得られた。
Δp=(fL/D)・(ρV2 /2) …(1)
ここで、Δpは圧力差、fはDarcy摩擦係数、Lはチャンネル長、Dは流体直径、ρは流体密度、Vは流体の平均速度である。
The following equation (1) was obtained by determining the pressure drop or pressure difference in the microchannel using the Darcy-Weisbach equation and solving the continuity equation and momentum equation for the problem of the Hagen-Poiseille flow.
Δp = (fL / D) · (ρV 2/2) ... (1)
Where Δp is the pressure difference, f is the Darcy friction coefficient, L is the channel length, D is the fluid diameter, ρ is the fluid density, and V is the average velocity of the fluid.

マイクロチャンネルの流体直径Dは、
D=4A/P …(2)
ここで、Aはマイクロチャンネルの断面積、Pはマイクロチャンネルの潤辺である。
図7に示される幅を有する長方形チャンネル(Wは幅、Hは高さ)の断面積及び潤辺は次のように示される。
The fluid diameter D of the microchannel is
D = 4A / P (2)
Here, A is the cross-sectional area of the microchannel, and P is the wet side of the microchannel.
The cross-sectional area and rim of the rectangular channel (W is the width, H is the height) having the width shown in FIG. 7 are shown as follows.

A=WH …(3)
P=2(W+H) …(4)
Darcy摩擦係数fはReynolds数Re、及びアスペクト比αに関連する。アスペクト比αは、高さ/幅あるいは幅/高さのどちらかで定義され、0≦α≦1となる。Darcy摩擦係数f及びReynolds数Reの積は、アスペクト比に依存する定数であるか、また、
f・Re=C(α) …(5)
であり、ここでC(α)はαの関数である定数Cであり、Reは
Re=ρVD/μ …(6)
でも表され、μは流体粘性である。
A = WH (3)
P = 2 (W + H) (4)
The Darcy friction coefficient f is related to the Reynolds number Re and the aspect ratio α. The aspect ratio α is defined by either height / width or width / height, and 0 ≦ α ≦ 1. The product of the Darcy friction coefficient f and the Reynolds number Re is a constant depending on the aspect ratio, and
f · Re = C (α) (5)
Where C (α) is a constant C which is a function of α, and Re is Re = ρVD / μ (6)
However, μ is fluid viscosity.

次に、様々なアスペクト比の長方形チャンネルの層流摩擦係数について説明する。
表1はWhite(上記非特許文献9参照)によって与えられた解である。
Next, laminar friction coefficients of rectangular channels having various aspect ratios will be described.
Table 1 shows the solutions given by White (see Non-Patent Document 9 above).

式(5)及び(6)を式(1)に代入すると、下記式(7)が得られる。
Δp=〔C(α)/2)〕・(μLV/D2 ) …(7)
流体の平均速度Vは
V=Q/A …(8)
で表され、ここでQは体積流量である。
Substituting Equations (5) and (6) into Equation (1) yields Equation (7) below.
Δp = [C (α) / 2)] · (μLV / D 2 ) (7)
The average velocity V of the fluid is V = Q / A (8)
Where Q is the volumetric flow rate.

式(2)と式(8)を式(7)に代入すると、下記式(9)が得られる。
Δp=〔C(α)/32)〕・(μLQP2 /A3 ) …(9)
図8は本発明の参考例を示すマイクロ液滴トラップの詳細な説明図である。
上記したが、マイクロ液滴の捕捉は直線状チャンネルに形成された方形波チャンネル(ループチャンネル)で行われる。マイクロ液滴のトラップは直線状チャンネルに沿った狭窄領域でなされ、トラップが空であると、直線状チャンネルに沿った流体抵抗はループチャンネルに沿った流体抵抗よりも低くなる。流れにおけるビーズはメインストリームによって運ばれ捕捉される(捕捉モード)。捕捉されると流体抵抗は直線状チャンネルに沿って急激に増加し、そして、そのメインストリームはループチャンネルに向きが変えられ、続いてビーズは埋められたトラップをバイパスすることによりループチャンネルに沿って運ばれる。
Substituting Equation (2) and Equation (8) into Equation (7) yields Equation (9) below.
Δp = [C (α) / 32)] · (μLQP 2 / A 3 ) (9)
FIG. 8 is a detailed explanatory view of a micro droplet trap showing a reference example of the present invention.
As described above, the capture of the micro droplet is performed by the square wave channel (loop channel) formed in the linear channel. Microdroplet traps are made in a constricted region along the straight channel, and if the trap is empty, the fluid resistance along the straight channel is lower than the fluid resistance along the loop channel. The beads in the stream are carried and captured by the main stream (capture mode). When trapped, the fluid resistance increases rapidly along the straight channel, and its main stream is redirected to the loop channel, followed by the beads along the loop channel by bypassing the buried trap. Carried.

ここで、図8(b)にその捕捉の簡略化された回路図を示す。図8(b)における2つの交差路A,Bは図8(a)の中でXによってマークされた交差路に対応する。交差路Aの流体は、流路1又は流路2を介して交差路Bへ流れる。曲がり、幅の拡張等による小さなロスを無視すると、流路1及び流路2の圧力差は式(9)で計算される。どちらの流路も圧力低下は同じなので、両方の式を等しいとして、以下の式(10)が得られる。 Here, FIG. 8B shows a simplified circuit diagram of the capture. Two intersections A and B in FIG. 8B correspond to the intersections marked by X in FIG. 8A. The fluid in the intersection A flows to the intersection B via the channel 1 or the channel 2. If a small loss due to bending, expansion of width, etc. is ignored, the pressure difference between the channel 1 and the channel 2 is calculated by the equation (9). Since both channels have the same pressure drop, the following equation (10) is obtained assuming that both equations are equal.

1 /Q2 =〔C2 (α2 )/C1 (α1 )〕・(L2 /L1 )・
(P2 /P1 2 ・(P2 /P1 2 ・(A1 /A2 3 …(10)
ここで、添字の1及び2はそれぞれ流路1及び流路2を示す。流路1については、分析を簡略化するために、長さL1 の幅を狭くしたチャンネルの長さとすることに注意されたい。大半の圧力低下は幅を狭くしたチャンネル沿いに起こるので、これは有効である。
Q 1 / Q 2 = [C 22 ) / C 11 )] · (L 2 / L 1 ) ·
(P 2 / P 1 ) 2 · (P 2 / P 1 ) 2 · (A 1 / A 2 ) 3 (10)
Here, the subscripts 1 and 2 indicate the flow channel 1 and the flow channel 2, respectively. Note that the channel 1 has the length of the channel with the width of the length L 1 narrowed in order to simplify the analysis. This is effective because most pressure drops occur along narrow channels.

面積と周囲の関係は以下の通りであり、
1 =W1 H …(11)
2 =W2 H …(12)
1 =2(W1 +H) …(13)
2 =2(W2 +H) …(14)
高さHが両方の流路において同じであることに留意されたい。
The relationship between the area and the surrounding area is as follows:
A 1 = W 1 H (11)
A 2 = W 2 H (12)
P 1 = 2 (W 1 + H) (13)
P 2 = 2 (W 2 + H) (14)
Note that the height H is the same in both channels.

上記の関係を式(10)に代入すると、以下の式(15)が得られる。
1 /Q2 =〔C2 (α2 )/C1 (α1 )〕・(L2 /L1 )・
〔(W2 +H)/(W1 +H)〕2 ・(W1 /W2 3 …(15)
捕捉が動作するためには、流路1沿いの体積流量は流路2沿いの体積流量よりも大きくなくてはならない。すなわち、
1 /Q2 ≧1
または
〔C2 (α2 )/C1 (α1 )〕・(L2 /L1 )・
〔(W2 +H)/(W1 +H)〕2 ・(W1 /W2 3 ≧1 …(16)
である。
Substituting the above relationship into equation (10) yields the following equation (15).
Q 1 / Q 2 = [C 22 ) / C 11 )] · (L 2 / L 1 ) ·
[(W 2 + H) / (W 1 + H)] 2 · (W 1 / W 2 ) 3 (15)
In order for capture to work, the volumetric flow along channel 1 must be greater than the volumetric flow along channel 2. That is,
Q 1 / Q 2 ≧ 1
Or [C 22 ) / C 11 )] • (L 2 / L 1 ) •
[(W 2 + H) / (W 1 + H)] 2 · (W 1 / W 2 ) 3 ≧ 1 (16)
It is.

上記式が流速の項を含まないことに留意されたい。換言すれば、正しく設計された捕捉は層流中で全ての速度で行われる。
図9は本発明の参考例を示す体積流量比Q1 /Q2 が3.66で設計されたマイクロ液滴の捕捉装置中に捕捉されたビーズを示す図である。
このマイクロ液滴の装置31においては、体積流量比Q1 /Q2 は1よりも大きく、結果的に、メインストリームは直線状チャンネル32沿いであり、ビーズ(15μm)34を直線状チャンネル32の狭窄領域33に捕捉し、アレイ状に配置することができた。
Note that the above equation does not include a flow rate term. In other words, correctly designed trapping takes place at all speeds in laminar flow.
FIG. 9 is a diagram showing beads captured in a micro droplet capturing apparatus designed with a volume flow ratio Q 1 / Q 2 of 3.66 according to a reference example of the present invention.
In this micro-droplet device 31, the volume flow rate ratio Q 1 / Q 2 is greater than 1, so that the main stream is along the straight channel 32 and the beads (15 μm) 34 are connected to the straight channel 32. It was captured in the stenosis region 33 and arranged in an array.

なお、体積流量比Q1 /Q2 が0.76で設計されたマイクロ液滴の捕捉装置中に捕捉しようと試みたが、体積流量比Q1 /Q2 が1より小さく、結果的に、メインストリームはループチャンネル(方形波チャンネル)沿いであり、捕捉することはできなかった。
図10は本発明の参考例を示す捕捉されたビーズの解放(リリース)装置(その1)を示す図であり、図10(a)はそのビーズの捕捉した状態を示す図、図10(b)はその捕捉されたビーズを解放する状態を示す図である。
In addition, although it tried to capture in the micro droplet capturing apparatus designed with the volume flow ratio Q 1 / Q 2 of 0.76, the volume flow ratio Q 1 / Q 2 is smaller than 1, and as a result, The main stream was along the loop channel (square wave channel) and could not be captured.
FIG. 10 is a view showing a captured bead releasing (release) apparatus (part 1) showing a reference example of the present invention, and FIG. 10 (a) is a view showing a captured state of the bead, FIG. ) Is a diagram showing a state in which the captured beads are released.

図10(a)に示すように、直線状チャネル41の狭窄領域42の終端部にアルミニウム43がパターニングされており、その狭窄領域42にビーズ44が捕捉されている。そこで、図10(b)に示すように、その狭窄領域42の終端部のアルミニウム43にレーザー(例えば、出力1.5W)45を照射する。すると、その狭窄領域42の終端部に泡46が生成されて、狭窄領域42に捕捉されていたビーズ44を狭窄領域42から解放することができる。 As shown in FIG. 10 (a), the end of the confinement region 42 of the straight tea down channel 41 aluminum 43 is patterned, the bead 44 is trapped in the narrowed region 42. Therefore, as shown in FIG. 10B, a laser (for example, output 1.5 W) 45 is irradiated to the aluminum 43 at the end of the constricted region 42. Then, bubbles 46 are generated at the end of the stenosis region 42, and the beads 44 captured in the stenosis region 42 can be released from the stenosis region 42.

なお、上記実施例では、パターニングされたアルミニウム43にレーザー45を照射するようにしたが、狭窄領域の終端部をターゲットとしてそのターゲットとなる基板をレーザーで照射することにより泡46を発生させることができればよい。
このように、レーザーを用いた狭窄領域の終端部の加熱により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。
In the above embodiment, the patterned aluminum 43 is irradiated with the laser 45, but the bubble 46 may be generated by irradiating the target substrate with the laser at the end of the constricted region. I can do it.
In this manner, the beads once captured are released by generating bubbles by heating the end of the constriction region using a laser. In other words, the beads once captured can be rearranged freely.

また、マイクロシステムにおいてビーズ及びセルを分類するために誘電泳動を用いるようにしたもの(上記非特許文献10参照)が提案されている。
図11は本発明の参考例を示す捕捉されたビーズの解放装置(その2)の動作を示す図、図12はそのビーズの解放装置とその動作を示す図であり、図12(a)はビーズ(セル)が捕捉された状態を、図12(b)は試薬の吹き込み状態を、図12(c)はビーズ(セル)が選択された状態を、図12(d)は電極への電位の印加状態を、図12(e)はビーズ(セル)が解放された状態を示す図である。
In addition, a device that uses dielectrophoresis to classify beads and cells in a microsystem has been proposed (see Non-Patent Document 10 above).
FIG. 11 is a view showing the operation of the captured bead release device (part 2) showing a reference example of the present invention, FIG. 12 is a view showing the bead release device and the operation thereof, and FIG. FIG. 12 (b) shows a state where a bead (cell) is captured, FIG. 12 (b) shows a state where a reagent is blown, FIG. 12 (c) shows a state where a bead (cell) is selected, and FIG. 12 (d) shows a potential applied to an electrode. FIG. 12E shows a state where the beads (cells) are released.

図11に示すように、第1電極51は直角三角形状をなし、斜辺52,水平辺53及び垂直辺54を有している。一方、第2電極55も直角三角形状をなし、斜辺56,水平辺57及び垂直辺58を有している。これらの第1電極51の斜辺52と第2電極55の垂直辺58とは対向している。
そこで、図11(a)に示すように、第1電極51に+電位が、第2電極55に−電位が印加されると、第1電極51の斜辺52と水平辺53が交わった下部先端部59は尖っており、一方、第2電極55の垂直辺58は平坦となっているので、第1電極51と第2電極55との間には不平等電界が生成される。つまり、下部先端部59には傾斜度の大きい電界が生成され、第2電極55の垂直辺58には傾斜度の小さい電界が生成される。このように第1電極51と第2電極55との間には不平等電界が生成されるので、図11(b)に示すように、下部先端部59の近傍にビーズ(セル)60が配置される場合には、矢印のように誘電泳動力61が働くことになり、ビーズ(セル)60は傾斜度の大きい電界が生じている下部先端部59から傾斜度の小さい電界が生じている第2電極55の垂直辺58へと吸引されることになる。
As shown in FIG. 11, the first electrode 51 has a right triangle shape, and has an oblique side 52, a horizontal side 53, and a vertical side 54. On the other hand, the second electrode 55 also has a right triangle shape, and has an oblique side 56, a horizontal side 57, and a vertical side 58. The oblique side 52 of the first electrode 51 and the vertical side 58 of the second electrode 55 face each other.
Therefore, as shown in FIG. 11A, when a positive potential is applied to the first electrode 51 and a negative potential is applied to the second electrode 55, the lower end where the hypotenuse 52 and the horizontal side 53 of the first electrode 51 cross each other. Since the portion 59 is pointed, and the vertical side 58 of the second electrode 55 is flat, an unequal electric field is generated between the first electrode 51 and the second electrode 55. That is, an electric field with a large inclination is generated at the lower tip portion 59, and an electric field with a small inclination is generated on the vertical side 58 of the second electrode 55. As described above, since an unequal electric field is generated between the first electrode 51 and the second electrode 55, beads (cells) 60 are arranged in the vicinity of the lower end portion 59 as shown in FIG. In this case, the dielectrophoretic force 61 A acts as shown by an arrow, and the bead (cell) 60 generates an electric field with a small inclination from the lower tip 59 where an electric field with a large inclination is generated. The suction is performed to the vertical side 58 of the second electrode 55.

このような誘電泳動力を生じさせる手段を、上記したビーズ(セル)の捕捉装置において、捕捉状態から解放するために用いることができる。
以下、具体的に説明する。
まず、図12(a)に示すように、マイクロビーズの捕捉アレイ装置でビーズ(セル)65を捕捉する。その捕捉アレイ装置には、上記した第1電極と第2電極からなる電極64が直線状チャンネル61の狭窄領域63に配置されている。
Such means for generating a dielectrophoretic force can be used in the above-described bead (cell) capturing device to release it from the capturing state.
This will be specifically described below.
First, as shown in FIG. 12A, beads (cells) 65 are captured by a microbead capturing array device. In the capture array device, the electrode 64 composed of the first electrode and the second electrode described above is disposed in the narrowed region 63 of the linear channel 61.

次に、図12(b)に示すように、試薬66がビーズ(セル)65の捕捉アレイ装置へ導入され、ビーズ(セル)65の試薬66に対する反応が観察される。
次に、図12(c)に示すように、解放したい所望のビーズ(セル)65′がある場合は、そのビーズ(セル)65′を解放するために電極64′を選択して電極64′へ任意の電圧を印加する。
Next, as shown in FIG. 12B, the reagent 66 is introduced into the capture array device of the bead (cell) 65, and the reaction of the bead (cell) 65 with respect to the reagent 66 is observed.
Next, as shown in FIG. 12 (c), when there is a desired bead (cell) 65 'to be released, the electrode 64' is selected to release the bead (cell) 65 'and the electrode 64' is selected. Apply an arbitrary voltage to

次に、図12(d)に示すように、電極64′への電圧の印加により、電極64′間には不平等電界が生成されるので、ビーズ(セル)65′は誘電泳動力により直線状チャンネル61の狭窄領域63から解放される。
次に、図12(e)に示すように、解放されたビーズ(セル)65′はメインストリーム67に乗り、方形波形状のチャンネル62を流れていくことになる。
Next, as shown in FIG. 12 (d), since an unequal electric field is generated between the electrodes 64 'by applying a voltage to the electrodes 64', the beads (cells) 65 'are linearly moved by the dielectrophoretic force. From the constricted region 63 of the channel 61.
Next, as shown in FIG. 12 (e), the released beads (cells) 65 ′ ride on the main stream 67 and flow through the square-wave channel 62.

その解放されたビーズ(セル)65′は、この捕捉アレイ装置から運ばれ、更なる分析のために収集される。誘電泳動力を生じさせるための電位は5−15Vである。
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。
The released beads (cells) 65 'are transported from the capture array device and collected for further analysis. The potential for generating the dielectrophoretic force is 5-15V.
In addition, this invention is not limited to the said Example, Based on the meaning of this invention, a various deformation | transformation is possible and these are not excluded from the scope of the present invention.

本発明の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法及びその製造装置として利用可能であるThe present invention can be used as a method for producing single-diameter alginate microbeads and a production apparatus thereof.

本発明の実施例を示すMAB製造装置の模式図である。It is a schematic diagram of the MAB manufacturing apparatus which shows the Example of this invention. 本発明の実施例を示すMABの図面代用真である。 A MAB drawing substitute photograph of showing an embodiment of the present invention. 本発明の実施例を示す完全ゲル化の前後におけるMABの直径分布を示す図である。It is a diagram showing a diameter distribution of the MAB before and after the complete gelling of an embodiment of the present invention. 本発明にかかるMAB中にカプセル化されたHep G2セル示す図である。During MAB according to the present invention is a diagram showing an encapsulated Hep G2 cells. 本発明の参考例を示すマイクロビーズ(μ液滴)の捕捉装置(マイクロアレイ)の模式図である。It is a schematic diagram of a microbead (μ droplet) capturing device (microarray) showing a reference example of the present invention. 本発明の参考例の実験例を示すマイクロビーズ(μ液滴)の捕捉アレイで捕捉されるMABの図面代用真である。 Substituting a drawing photographs of MAB captured in capture arrays of microbeads showing an experimental example of the reference example (mu droplets) of the present invention. 本発明の参考例の長方形のマイクロチャンネルの断面図である。It is sectional drawing of the rectangular microchannel of the reference example of this invention. 本発明の参考例を示すマイクロ液滴トラップの詳細な説明図である。It is detailed explanatory drawing of the micro droplet trap which shows the reference example of this invention. 本発明の参考例を示す体積流量比Q1 /Q2 が3.66で設計されたマイクロ液滴の捕捉装置中に捕捉されたビーズを示す図である。Volumetric flow rate ratio Q 1 / Q 2 showing a reference example of the present invention is a diagram showing the beads trapped in the trapping device designed microdroplets 3.66. 本発明の参考例を示す捕捉されたビーズの解放(リリース)装置(その1)を示す図である。It is a figure which shows the releasing (release) apparatus (the 1) of the capture | acquired bead which shows the reference example of this invention. 本発明の参考例を示す捕捉されたビーズの解放装置(その2)の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of the releasing apparatus (the 2) of the capture | acquired bead which shows the reference example of this invention. 本発明の参考例を示す捕捉されたビーズの解放装置(その2)とその動作を示す図である。It is a figure which shows the releasing apparatus (the 2) of the capture | acquired bead which shows the reference example of this invention, and its operation | movement.

1 第1のマイクロチャンネル
2 油(連続相)
3 第2のマイクロチャンネル
4 CaCO3 粉末を含むアルギン酸ナトリウム溶液(分散相)
5 T字交差路
6 CaCO3 粉末を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴
7 第3のマイクロチャンネル
8 レシチン及び酢酸を含む油
9 二路合流チャンバー
10 二路合流チャンバーにて形成されるマイクロビーズ(μ液滴)
11 混合及び反応チャンネル
12 ゲル化が進んだマイクロビーズ(μ液滴)
15 Hep G2セル
16,21 マイクロビーズ(μ液滴)
22,32,41,61 直線状チャンネル
23,62 方形波形状のチャンネル
24,33,42,63 直線状チャンネルに形成される狭窄領域
31 マイクロ液滴の装置
34 ビーズ(15μm)
43 アルミニウム
44 ビーズ
45 レーザー
46 泡
51 第1電極
52,56 斜辺
53,57 水平辺
54,58 垂直辺
55 第2電極
59 下部先端部
60,65 ビーズ(セル)
61 誘電泳動力
64 第1電極と第2電極からなる電極
64′ 電圧を印加したい電極
65′ 解放したい所望のビーズ(セル)
66 試薬
67 メインストリーム
1 First microchannel 2 Oil (continuous phase)
3 Second microchannel 4 Sodium alginate solution containing CaCO 3 powder (dispersed phase)
5 T-shaped intersection 6 Droplet made of sodium alginate containing CaCO 3 powder 7 Third microchannel 8 Oil containing lecithin and acetic acid 9 Two-way merge chamber 10 Microbeads formed in the two-way merge chamber (μ solution drop)
11 Mixing and reaction channel 12 Micro-beads with advanced gelation (μ droplet)
15 Hep G2 cell
16 , 21 Micro beads (μ droplet)
22, 32, 41, 61 Linear channel 23, 62 Square wave channel 24, 33, 42, 63 Constriction region formed in linear channel 31 Micro droplet device 34 Bead (15 μm)
43 Aluminum 44 Bead 45 Laser 46 Bubble 51 First electrode 52, 56 Oblique side 53, 57 Horizontal side 54, 58 Vertical side 55 Second electrode 59 Lower tip 60, 65 Bead (cell)
61 A Dielectrophoretic force 64 Electrode composed of first electrode and second electrode 64 ′ Electrode to apply voltage 65 ′ Desired bead (cell) to be released
66 Reagents 67 Mainstream

Claims (10)

(a)連続相である油と、分散相であるph7以上の水溶液に溶けない物質を含むアルギン酸ナトリウム溶液を、交差させて前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴を生成させ、
(b)前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴と、両親媒性分子及び酢酸を含む油とを、二路合流チャンバーで合流させて単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成させ、
(c)混合及び反応チャンネルで前記マイクロビーズのゲル化を促進することを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。
(A) Crossing an oil that is a continuous phase and a sodium alginate solution containing a substance that is insoluble in an aqueous solution of ph7 or more that is a dispersed phase to form droplets made of sodium alginate containing the substance,
(B) A droplet made of sodium alginate containing the substance and an oil containing an amphiphilic molecule and acetic acid are joined in a two-way merging chamber to produce single diameter alginate microbeads,
(C) A method for producing single-diameter alginate microbeads, which promotes gelation of the microbeads in a mixing and reaction channel.
請求項1記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記物質がカルシウムからなる化合物であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。   2. The method for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 1, wherein the substance is a compound comprising calcium. 請求項1記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記物質がバリウムからなる化合物であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。   The method for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 1, wherein the substance is a compound comprising barium. 請求項1記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記アルギン酸ナトリウムからなる液滴を、前記連続相と分散相をT字交差路で交差させることにより生成することを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。   The method for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 1, wherein the droplets made of sodium alginate are generated by intersecting the continuous phase and the dispersed phase at a T-shaped intersection. Method for producing diameter alginate microbeads. 請求項1記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成する際、該単一直径アルギン酸マイクロビーズに細胞を導入しカプセル化することを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。   The method for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 1, wherein when the single-diameter alginate microbeads are produced, cells are introduced into the single-diameter alginate microbeads and encapsulated. Method for producing diameter alginate microbeads. 請求項記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法において、前記細胞が癌化した肝臓細胞であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造方法。 6. The method for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 5 , wherein the cells are cancerous liver cells. (a)連続相である油を流す第1のマイクロチャンネルと、
(b)分散相であるph7以上の水溶液に溶けない物質を含むアルギン酸ナトリウム溶液を流す第2のマイクロチャンネルと、
(c)前記第1のマイクロチャンネルと前記第2のマイクロチャンネルが交差する交差路と、
(d)該交差路で形成される前記物質を含むアルギン酸ナトリウムからなる液滴と、両親媒性分子及び酢酸を含む油が流れる第3のマイクロチャンネルと、
(e)前記第1のマイクロチャンネルと前記第3のマイクロチャンネルが合流し、単一直径アルギン酸マイクロビーズを生成させる二路合流チャンバーと、
(f)該二路合流チャンバーに連通し、該二路合流チャンバーにて形成されるマイクロビーズをゲル化する混合及び反応チャンネルとを具備することを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置。
(A) a first microchannel through which oil that is a continuous phase flows;
(B) a second microchannel in which a sodium alginate solution containing a substance that is not soluble in an aqueous solution of ph7 or higher that is a dispersed phase is passed;
(C) an intersection where the first microchannel and the second microchannel intersect;
(D) a droplet made of sodium alginate containing the substance formed at the intersection, a third microchannel through which an oil containing an amphiphilic molecule and acetic acid flows;
(E) a two-way merge chamber in which the first microchannel and the third microchannel merge to produce single diameter alginate microbeads;
(F) An apparatus for producing single-diameter alginate microbeads comprising a mixing and reaction channel that communicates with the two-way merging chamber and gels the microbeads formed in the two-way merging chamber. .
請求項7記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記物質がカルシウムからなる化合物であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置。   8. The apparatus for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 7, wherein the substance is a compound made of calcium. 請求項7記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記物質がバリウムからなる化合物であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置。   8. The apparatus for producing single-diameter alginate microbeads according to claim 7, wherein the substance is a compound made of barium. 請求項7記載の単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置において、前記交差路はT字交差路であることを特徴とする単一直径アルギン酸マイクロビーズの製造装置。   8. The apparatus for producing single diameter alginate microbeads according to claim 7, wherein the intersection is a T-shaped intersection.
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