JP6380962B1 - ハイドロゲルの電気化学的な作製方法、細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法、ハイドロゲル作製装置及びトランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解液中に設置された電極で電気化学的に生成された電極生成物が電解液内で誘起する反応によってハイドロゲルが形成される、ハイドロゲルの電解析出を利用したハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、底面に複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた電解液槽と、電解液槽の内部に設置される対極とを有する装置を用意し、ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質を含んだ電解液を電解液槽に収容し、複数の作用極の2次元的なアレイのうちの1つ以上の選択された作用極に所定の電位を印加して選択された作用極の配置に対応する2次元的に画成されたパターンを有するハイドロゲルを前記底面上に形成する。
【選択図】図5
Description
1)分散質の架橋によるゲル化
2)荷電高分子の静電的相互作用による凝集
3)モノマーの重合による高分子化
のような類型がある。図3はこの3類型のうち架橋反応によってハイドロゲルが作製される様子をキトサンを例に示したものである。
・ゼラチン:10%(w/v)溶液(4M NaCl,pH5.6に調整した10mM酢酸バッファー)
この発明によるハイドロゲルの作製方法は電極反応によって開始される、溶液中分子の架橋、静電的相互作用及び重合のうちの何れか一つの反応によってハイドロゲルを形成する過程を利用するものであり、つまり電解液中に設置された電極で電気化学的に生成された電極生成物が電解液内で誘起する反応によってハイドロゲルが生成されるハイドロゲルの電解析出を利用するものである。
1つ以上の選択された作用極としての第1の作用極群に所定の電位としての第1の電位を印加して、2次元的に画成された第1のパターンを有するハイドロゲルを形成する。
1つ以上の選択された作用極としての第2の作用極群に所定の電位としての第2の電位を印加して、2次元的に画成された第2のパターンを有するハイドロゲルを形成する。
V1モード:0V,20s→0.95V,10s
V2モード:0.95V,30s
の2つのモードとして2つのモードを同時に開始するものとし、図2C中のハッチングを付したセル82の作用極20に先行する20秒間の0Vと後行する10秒間の0.95Vとに分かれた印加電位を適用するV1モードの電位を印加し、ドットを付したセル82の作用極20に30秒間の定電位0.95VであるV2モードの電位を印加した。換言すれば、先行する20秒間は図2C中のドットを付したセル82の作用極20にのみ0.95Vの電位が印加され、後行する10秒間は図2C中のハッチング及びドットを付したセル82の作用極20に0.95Vの電位が印加された。
対極30:Pt
参照極40:Ag/AgCl
ところで、前述した2層構造のような層構造を採用して所望の形状を有するハイドロゲルの3次元的に画成されたパターンを良好に得るためには、電解液槽の底面と平行に対向する貼着面を有するとともに底面に垂直なZ方向に変位可能なZステージを用いてハイドロゲルを形成するのが好ましい。この発明によるハイドロゲル作製装置の第1の実施形態及びトランスデューサの第1の実施形態は図1及び図2にそれぞれ示した構成に加え、このようなZステージを具備することを特徴とする。なお、図2に示したトランスデューサは電解液槽10の底面10aに位置する造形領域81と平行に対向するように装備可能なZステージを例えば別部品として具備するものとする。
1)第1の工程と第2の工程とによる方法
2)第1の工程と第2の工程の何れか一方が第1のサブ工程と第2のサブ工程とを含む方法
等があり、第1の工程と第2の工程との何れか一方において、電解液としてハイドロゲルの電解析出を生起する物質と共に所定の細胞のうちの1種類の細胞を含んだ懸濁液を用いることで、第1のパターンを有するハイドロゲルと第2のパターンを有するハイドロゲルの何れか一方を所定の1種類の細胞が播種された状態とすることができる。
11 電解液 12 穴
20,201〜203,20’ 作用極 25 絶縁層
30 対極 40 参照極
50 ポテンショスタット 51 可変電源
52 電圧計 53 電流計
60 スイッチ 70 塩橋
80 LSIチップ 81 造形領域
82 セル 90 基板
91 配線パターン 92 ボンディングワイヤ
100〜107,105’〜107’ ハイドロゲル
110 Zステージ 110a 貼着面
120〜122 電極 130 発振器
Claims (35)
- 電解液中に設置された電極で電気化学的に生成された電極生成物が前記電解液内で誘起する反応によってハイドロゲルが形成される、ハイドロゲルの電解析出を利用したハイドロゲルの電気化学的な作製方法であって、
底面に複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた電解液槽と、前記電解液槽の内部に設置される対極とを有する装置を用意し、ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質を含んだ電解液を前記電解液槽に収容する準備工程と、
前記複数の作用極の2次元的なアレイのうちの1つ以上の選択された作用極としての第1の作用極群に所定の電位としての第1の電位を印加して、前記選択された作用極の配置に対応する2次元的に画成された第1のパターンを有するハイドロゲルを前記底面上に形成する第1の工程と、
前記複数の作用極の2次元的なアレイのうちの1つ以上の選択された作用極としての第2の作用極群に所定の電位としての第2の電位を印加して、前記選択された作用極の配置に対応する2次元的に画成された第2のパターンを有するハイドロゲルを前記底面上に形成する第2の工程とを有し、
前記第1の工程よりも後に前記第2の工程が行われ、
前記第1のパターンの前記底面側である下方に前記第2のパターンが重畳してなる2層を少なくとも含む3次元的に画成されたパターンを有するハイドロゲルを形成することを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記第1の工程と前記第2の工程の少なくとも何れか一方は、第1のサブ工程と第2のサブ工程とを含み、対応する前記第1の作用極群と前記第2の作用極群の何れか一方は、第1のサブ作用極群と第2のサブ作用極群とを含み、対応する前記第1の電位と前記第2の電位の何れか一方は、第1のサブ電位と第2のサブ電位とを含み、対応する前記第1のパターンと前記第2のパターンの何れか一方は、第1のサブパターンと第2のサブパターンとを含み、
前記第2のサブ作用極群は、前記第1のサブ作用極群に属しない前記作用極のみで構成され、
前記第1のサブ作用極群に前記第1のサブ電位を印加することで前記第1のサブパターンを有するハイドロゲルが形成され、前記第2のサブ作用極群に前記第2のサブ電位を印加することで前記第2のサブパターンを有するハイドロゲルが形成されることを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項2に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記第2のサブ工程では、所定の条件で溶解するハイドロゲルを形成し、
少なくとも前記第1のサブ工程及び前記第2のサブ工程よりも後に、前記第2のサブパターンを有するハイドロゲルに前記所定の条件を与えることで、前記第2のサブパターンを有するハイドロゲルを溶解させて選択的に除去するサブパターン除去工程を更に有することを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1から請求項3の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記底面と平行に対向する貼着面を有するとともに前記底面に垂直なZ方向に変位可能なZステージを更に用意し、
前記第1の工程を、前記貼着面が前記底面から第1の距離だけ離間するように前記Zステージを前記電解液中に位置させて行い、前記Z方向に垂直な2つの面のうち前記底面から遠い側である上面が前記貼着面に貼着した状態の前記第1のパターンを有するハイドロゲルを形成し、
その後、前記第1のパターンの上面が前記貼着面に貼着した前記Zステージを前記底面から離れる向きに変位させて、前記第1のパターンの前記Z方向に垂直な2つの面のうち前記底面に近い側である下面を前記底面から第2の距離だけ離間させ、
前記第2の工程を、前記下面が前記底面から前記第2の距離だけ離間するように前記第1のパターンを前記電解液中に位置させて行い、前記第1のパターンの前記下面と接続した前記第2のパターンを有するハイドロゲルを形成することを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項4に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記貼着面は、親水性とする処理が施されていることを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1から請求項5の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記第1の作用極群のすべては前記第2の作用極群に含まれ、
前記3次元的に画成されたパターンは、前記第1のパターンが前記第2のパターンによって前記下方から支持される構造をもつことを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項4または請求項5に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記第2の作用極群のすべては前記第1の作用極群に含まれ、
前記3次元的に画成されたパターンは、前記第2のパターンが前記第1のパターンによって前記貼着面側である上方から懸下支持される構造をもつことを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1から請求項7の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記2次元的なアレイを構成する前記複数の作用極は、すべて前記底面から突出しており、その突出したそれぞれの作用極の側面は、前記作用極と共に前記底面から突出するように形成された絶縁層に囲繞されていることを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1から請求項8の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記底面の前記作用極の表面以外の部位に、撥水処理が施されていることを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 請求項1から請求項9の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法において、
前記選択された作用極に前記所定の電位を印加して前記選択された作用極の配置に対応する前記2次元的に画成されたパターンを有するハイドロゲルを前記底面上に形成し、
その後、その形成された該ハイドロゲルが前記選択された作用極と接触した状態にある時に、前記選択された作用極に前記所定の電位とは異なるハイドロゲル剥離用電位を印加して該ハイドロゲルの前記選択された作用極との接触部位を溶解させ、該ハイドロゲルの前記選択された作用極からの剥離を促す工程を更に有することを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - 電解液中に設置された電極で電気化学的に生成された電極生成物が前記電解液内で誘起する反応によってハイドロゲルが形成される、ハイドロゲルの電解析出を利用したハイドロゲルの電気化学的な作製方法であって、
底面に複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた電解液槽と、前記電解液槽の内部に設置される対極とを有する装置を用意し、ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質を含んだ電解液を前記電解液槽に収容する準備工程と、
前記複数の作用極の2次元的なアレイのうちの1つ以上の選択された作用極に所定の電位を印加して前記選択された作用極の配置に対応する2次元的に画成されたパターンを有するハイドロゲルを前記底面上に形成するハイドロゲル形成工程と、
ハイドロゲル形成工程の後、その形成された該ハイドロゲルが前記選択された作用極と接触した状態にある時に、前記選択された作用極に前記所定の電位とは異なるハイドロゲル剥離用電位を印加して該ハイドロゲルの前記選択された作用極との接触部位を溶解させ、該ハイドロゲルの前記選択された作用極からの剥離を促す剥離促進工程と
を有することを特徴とするハイドロゲルの電気化学的な作製方法。 - ハイドロゲルのスカフォールドに所定の細胞を播種してなる、細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法であって、
請求項1から請求項11の何れかに記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法を、前記ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質を含んだ電解液として、更に前記所定の細胞も含んだ懸濁液を用いて行うことで、前記所定の細胞が播種された状態のハイドロゲルを前記電解液槽の前記底面上に形成することを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - ハイドロゲルのスカフォールドに所定の細胞を播種してなる、細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法であって、
前記所定の細胞には1種類以上の細胞が含まれ、
請求項1に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法を、前記第1の工程と前記第2の工程との何れか一方において、当該の前記電解液として当該の前記ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質と共に前記所定の細胞のうちの1種類の細胞を含んだ懸濁液を用いて行う工程を有することを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項13に記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記第1の工程と前記第2の工程との他方において、当該の前記電解液として当該の前記ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質と共に前記所定の細胞のうちの前記1種類の細胞とは異なるもう1種類の細胞を含んだ懸濁液を用いて行う工程を有することを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - ハイドロゲルのスカフォールドに所定の細胞を播種してなる、細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法であって、
前記所定の細胞には1種類以上の細胞が含まれ、
請求項2に記載のハイドロゲルの電気化学的な作製方法を、前記第1のサブ工程と前記第2のサブ工程との何れか一方において、当該の前記電解液として当該の前記ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質と共に前記所定の細胞のうちの1種類の細胞を含んだ懸濁液を用いて行うことを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項15に記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記第1のサブ工程と前記第2のサブ工程との他方において、当該の前記電解液として当該の前記ハイドロゲルの電解析出を生起する溶質と共に前記所定の細胞のうちの前記1種類の細胞とは異なるもう1種類の細胞を含んだ懸濁液を用いて行うことを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項12から請求項16の何れかに記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記懸濁液を前記電解液槽に収容した状態で、前記選択された作用極に前記所定の電位を印加してハイドロゲルを形成する工程の前に、前記選択された作用極に所定の周波数の交流電位を印加し、前記所定の細胞を誘電泳動によって前記選択された作用極の上に高密度に分布させる誘電泳動工程を有することを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項17に記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記誘電泳動工程においては、前記底面と平行に前記底面の前記複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた領域と対向する電極面を有する電極を用いることを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項17に記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記誘電泳動工程においては、前記複数の作用極の2次元的なアレイのそれぞれのまわりに位置するように前記底面に設けられている電極を用いることを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 請求項12から請求項16の何れかに記載の細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法において、
前記懸濁液を前記電解液槽に収容した状態で、前記選択された作用極に前記所定の電位を印加してハイドロゲルを形成する工程の前に、前記選択された作用極に所定の直流電位を印加し、前記所定の細胞を電気泳動によって前記選択された作用極の上に高密度に分布させる電気泳動工程を有することを特徴とする細胞がパターニングされたハイドロゲルの作製方法。 - 底面に複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた電解液槽と、前記電解液槽の内部に設置される対極とを有し、前記複数の作用極の2次元的なアレイのうちの1つ以上の選択された作用極に所定の電位を印加することができるハイドロゲル作製装置であって、
前記底面と平行に対向する貼着面を有するとともに前記底面に垂直なZ方向に変位可能なZステージを備えることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項21に記載のハイドロゲル作製装置において、
前記貼着面は、親水性とする処理が施されていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項21または請求項22に記載のハイドロゲル作製装置において、
前記2次元的なアレイを構成する前記複数の作用極は、すべて前記底面から突出しており、その突出したそれぞれの作用極の側面は、前記作用極と共に前記底面から突出するように形成された絶縁層に囲繞されていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項21から請求項23の何れかに記載のハイドロゲル作製装置において、
前記底面の前記作用極の表面以外の部位に、撥水処理が施されていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項21から請求項24の何れかに記載のハイドロゲル作製装置において、
前記選択された作用極に所定の周波数の交流電位を印加することができる発振器を備えていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項25に記載のハイドロゲル作製装置において、
前記電解液槽に装備されるかまたは装備可能な誘電泳動用電極を更に備え、
前記誘電泳動用電極は、その電極面が、前記底面と平行に前記底面の前記複数の作用極の2次元的なアレイが設けられた領域と対向するように前記電解液槽に装備されるかまたは装備可能とされていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 請求項25に記載のハイドロゲル作製装置において、
前記電解液槽は誘電泳動用電極を更に備え、
前記誘電泳動用電極は、前記複数の作用極の2次元的なアレイのそれぞれのまわりに位置するように前記底面に設けられていることを特徴とするハイドロゲル作製装置。 - 電解液と前記電解液中で電解析出されるハイドロゲルとを収容することができる電解液槽がLSIチップ上に搭載されてなり、パターニングされたハイドロゲルの電気化学的な作製に用いるトランスデューサであって、
前記電解液槽の底面に画定された造形領域には、2次元的なアレイ状に配列されて、前記LSIチップに設けられている複数の第1の電極が位置しており、
前記電解液槽に装備可能とされる、貼着面を有するZステージを具備し、
前記Zステージは、前記貼着面が前記底面の前記造形領域と平行に対向するように、前記底面に垂直なZ方向に変位可能に前記電解液槽に装備することができるものとされていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項28に記載のトランスデューサにおいて、
前記貼着面は、親水性とする処理が施されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項28または請求項29に記載のトランスデューサにおいて、
前記複数の第1の電極は、すべて前記底面から突出しており、その突出したそれぞれの第1の電極の側面は、前記第1の電極と共に前記底面から突出するように形成された絶縁層に囲繞されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項28から請求項30の何れかに記載のトランスデューサにおいて、
前記造形領域の前記第1の電極の表面以外の部位に、撥水処理が施されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項28から請求項30の何れかに記載のトランスデューサにおいて、
前記造形領域には、前記複数の第1の電極のそれぞれのまわりに位置するように前記LSIチップに設けられている第2の電極が更に位置していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項32に記載のトランスデューサにおいて、
前記第2の電極は、前記第1の電極と導通することなく前記造形領域に全面形成されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項32または請求項33に記載のトランスデューサにおいて、
前記造形領域の前記第1の電極の表面及び前記第2の電極の表面以外の部位に、撥水処理が施されていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項28から請求項31の何れかに記載のトランスデューサにおいて、
前記電解液槽に装備されるかまたは装備可能な第2の電極を更に具備し、
前記第2の電極は、その電極面が、前記底面の前記造形領域と平行に対向するように前記電解液槽に装備されるかまたは装備可能とされていることを特徴とするトランスデューサ。
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F. OZAWA: "電解析出ハイドロゲルマイクロウェルを用いた三次元培養法の開発 Three-dimensional cell culture usin", 電気化学会講演要旨集 創立80周年記念大会, JPN6018015112 * |
小沢 文智 F. OZAWA F. OZAWA: "電解析出ハイドロゲルマイクロウェルを用いた三次元培養法の開発 Three-dimensional cell culture usin", 電気化学会講演要旨集 創立80周年記念大会, JPN6018015112 * |
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