JP6435520B2 - インクジェットヘッドおよびインクジェット装置 - Google Patents

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Description

本発明は、特に医療、創薬、バイオテクノロジー分野におけるインクジェットヘッドおよびインクジェット装置に関する。
近年、医療、創薬、バイオテクノロジー分野において、薬液や試薬を供給するために、あるいは、細胞を用いた３次元形状のパターニングをするために、高速に液を吐出ができるインクジェット方法が用いられてきている。
特許文献１では、単一のノズルを用いて細胞を含む溶液を吐出させている。ところが、単一のノズルを用いたパターニングでは生産性が悪いという課題を有していた。近年、生産性向上のために、複数のノズルを用いて吐出することが望まれている。
また、細胞等の粒子を含む溶液は、粒子の沈降が発生しやすい。粒子の沈降が発生し、長時間同じ場所に留まってしまうと、粒子同士が密着して大きな粒となったり、粒子を含む溶液が不均一なったりする。
そこで、特許文献２では、粒子を含む溶液を循環することにより、粒子の沈降を抑制する循環方法が提案されている。
特に、細胞等の粒子を含む溶液をインクジェットヘッドで吐出する場合には、粒子の沈降を抑制しながら、細胞が均一に分散している状態の溶液を作り、その溶液を吐出して溶液の密度を均一化する必要がある。また、複数のノズルにて細胞を含む溶液を吐出する場合には、複数のノズル間での細胞密度を均一化させる必要もある。
日本国特許第５５４０３０４号公報 日本国特許第５３７１６７８号公報
本発明は、複数のノズルを有し、細胞の沈降を抑制すると共に、各ノズルに細胞を均一に供給するインクジェットヘッドを提供する。
本発明のインクジェットヘッドは、インク流路と連通された圧力室と、圧力室に連結されたダイアフラムと、ダイアフラムに連結された圧電素子と、圧力室に連通されたノズルと、を含む。そして、インク流路に設置され、かつ、供給したインクを遥動させる遥動機構を有する。
この構成により、圧力室へ、ダイアフラムを介して、圧電素子の駆動力を伝達し、細胞を含む溶液を吐出させることが可能となる。
また、細胞を含む溶液を遥動させる機構を有することにより、細胞を含む溶液を遥動させ、沈殿した細胞を攪拌させ、溶液中で均一に分散させることが可能となる。
図１Ａは、実施の形態１のインクジェットヘッドの断面図である。 図１Ｂは、実施の形態１のインクジェットヘッドの断面図である。 図２は、実施の形態２のインクジェットヘッドの断面図である。 図３は、実施の形態３のインクジェットヘッドの断面図である。 図４Ａは、実施の形態４のインクジェットヘッドの断面図である。 図４Ｂは、実施の形態４のインクジェットヘッドの断面図である。 図５は、実施の形態５のインクジェット装置の断面図である。
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来のインクジェットヘッドにおける問題点を簡単に説明する。従来のインクジェットヘッドの複数のノズルを用いて細胞等を含む溶液を吐出しようとする場合に、細胞等の粒子等を含む溶液は、溶液を放置していると沈降が発生してしまう。また、インクジェットヘッド内の複数のノズルに対して均一に細胞を供給することが難しい。
そこで、溶液中の粒子の沈降を抑制するために、溶液の濃度を変更し粒子の沈殿を抑制し、粒子を含む溶液を循環する方法も提案されている。
ところが、細胞のような硬度の低いものは、循環時のポンプに細胞が挟みこまれやすい。ポンプに挟みこまれると、細胞がダメージを受ける。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態の遥動式のインクジェットヘッド１００を示す。図１Ｂは、インクジェットヘッド１００の線１４における断面図である。
＜構成＞
本実施の形態のインクジェットヘッド１００は、パイプ状の容器２と、容器２から分岐した複数の流路１５と、それぞれの流路１５を介して容器２に接続された複数の圧力室９と、それぞれの圧力室９の出口側に繋がる流路１７と、流路１７の出口であるノズル１３と、制御部１８とを有する。
パイプ状の容器２は、インクが流れる流路（インク流路）であり、インクを保持し、複数の流路１５のそれぞれにインクを供給する。圧力室９は、インクを外部へ吐出させる圧力をインクへ印加する部屋である。
図１Ｂに示すように、圧電素子２１が、ダイアフラム２０を介して、各々の圧力室９に取り付けられている。また、パイプ状の容器２の両端部にはシリンダー３，４が配置されている。シリンダー３、４は、容器２の両端部の位置を変更する遥動機構を構成している。また、パイプ状の容器２にはバルブ１２から溶液１を供給することが可能である。
＜プロセス条件＞
シリンダー３，４を移動（遥動）させる速度は、０．０１〜１００ｍｍ／ｓ程度であることが好ましい。特に０．１１〜１０ｍｍ／ｓ程度で使うことが好ましい。０．１ｍｍ／ｓより小さいと、細胞１０が十分に動かない。１００ｍｍ／ｓより大きいと、細胞１０にダメージを与える。
シリンダー３は、図１Ａにおける左端の流路１５の位置の直前まで移動させることが好ましい。また、シリンダー４も、図１Ａにおける右端の流路１５の位置の直前まで移動させることが好ましい。流路１５の位置を越えると、流路１５に空気などが入り、細胞１０によくない。
また、細胞１０の遥動の状態を見るためにパイプ状の容器２は透明部材で形成し、ビデオカメラで攪拌状態をモニタリングすることが好ましい。実際に、シリンダー３，４の移動で、細胞１０が移動するか確認ができる。細胞１０の種類、濃度によって、移動条件を設定できる。
また、細胞１０の攪拌は、溶液１の吐出時に行うことができる。吐出された溶液１の中に細胞１０が含まれにくくなった場合にのみ、シリンダー３，４を移動させてもよい。容器２と流路１７とは、離れて位置し、シリンダー３，４の移動は、インクジェットヘッド１００の吐出に影響がない。
細胞１０を遥動させる理由は、時間の経過と共にパイプ状の容器２に細胞１０が沈殿して吸着するのを抑制するためである。従って、パイプ状の容器２に細胞１０が吸着していない場合は積極的に移動を行う必要はない。
実験的に用いる細胞１０は、マウスの細胞を用いることができる。その細胞の大きさは１０〜２０μｍ程度である。細胞１０の濃度は１０４〜１０８個／ｍｌ程度が好ましい。細胞１０を混入させている溶液１は培養液を用いており、その粘度は１〜５ｍＰａ・ｓとなっている。
細胞１０の濃度が、１０４個／ｍｌより低い濃度であると、インクジェットヘッド１００の吐出で細胞１０が出てくる確率が低くなり、濃度が１０８個／ｍｌより高い濃度であると、細胞１０同士がぶつかりあい、細胞１０が破損する可能性も高くなり、インクジェットヘッド１００のノズル１３が詰まり易くなる。
シリンダーを用いた遥動運動は、濃度が濃いほど、遥動運動をすることが好ましい。望ましくは、細胞の濃度が１０６個／ｍｌ以上で遥動運動をすることが望ましい。
なお、制御部１８は、シリンダー３の移動、圧電素子２１の動作などインクジェットヘッド１００を制御する。制御部１８は、半導体素子を含む制御装置である。
＜プロセス＞
バルブ１２より細胞１０を含む溶液１をパイプ状の容器２に注入する。バルブ１２の後に、フィルターを用いてもよい。細胞サイズが２０μｍ以下の場合には、フィルターは例えば２０μｍ以下のフィルターを用いる。フィルターを用いることにより、２０μｍ以下大きさの細胞を注入することが可能となる。
シリンダー３，４を溶液１と接触させる際、気泡等が混入する恐れがあるが、気泡がある場合は、バルブ１２あるいは、インクジェットヘッドのノズル１３より気泡あるいは気泡を含む溶液１を排出する。気泡あるいは気泡を含む溶液１を排出後、注入した溶液１にシリンダー３、４を接触させる。
シリンダー３が矢印５の方向に移動すると、シリンダー４も連動して矢印６の方向に移動する。また、シリンダー３が矢印７の方向に移動するとシリンダー４は矢印８の方向に移動する。このようにシリンダー３，４を連動して同じ方向に移動させることにより、細胞１０を含む溶液１に圧力がかからないようにする。圧力が低くなった場合には、溶液１に気泡が混入しやすくなり、圧力が高くなった場合にはインクジェットヘッドのノズル１３から溶液１がしみ出し、インクジェットヘッドのノズル１３からの吐出が不安定になる可能性が高くなる。つまり、シリンダー３，４を同じ方向に移動させることにより、細胞１０を攪拌することが可能となる。細胞１０を攪拌することにより、細胞１０が沈降するのを抑制することが可能となる。
また、インクジェットヘッドにおいて複数の圧力室９が存在する場合、各々の圧力室９に均一な密度の細胞を含む溶液１を供給することが可能となる。
また、本実施の形態では、溶液１に圧力変化がおきにくいシリンダー３，４が移動する遥動運動を用いているので、細胞１０にダメージを与えることがない。一般に、チューブを押し出すチューブポンプ、ダイアフラムポンプ等で循環等を行うとポンプ回転時に細胞をつぶす恐れがある。
シリンダー３，４等の遥動運動により均一化された細胞１０を含む溶液１は、流路１５を介して圧力室９に入り、ノズル１３より吐出される。
本実施の形態では、ノズル１３を精密に加工したノズルプレート１１をインクジェット本体部１６に取り付けている。細胞１０を含む溶液１を使用したものは使い捨てのものが望まれるためにインクジェット本体部１６の材質は樹脂であることが望ましい。
樹脂はアクリル、ポリエチレン、ＣＯＰ材料（シクロオレフィンポリマー）等が望ましい。また、ノズルプレート１１もインクジェット本体部１６と同一の樹脂材料であることが望ましい。これは、同一の樹脂材料にすることにより、融着等のプロセスにより、インクジェット本体部１６とノズルプレート１１を接合することができるためである。
流路１５、１７は、ドリル等で穴加工することで形成してもよい。また、ノズルプレート１１には、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４等）の金属等にノズルを精密加工で形成してもよい。レーザを用いることにより、精密なノズル加工を行うことができるためである。ノズルプレート１１を金属で加工した場合には、インクジェット本体部１６とは接着等により接合させることが好ましい。例えば、細胞の大きさが直径２０μｍの場合、ノズル１３の直径の大きさは５０〜７０μｍ程度あることが好ましい。直径５０μｍより小さい場合は細胞が詰まり易く、直径７０μｍより大きい場合は、細胞を含む液滴を着弾させた際に吐出精度が悪くなるためである。
図１Ｂに示すように、圧力室９の後ろには、ダイアフラム２０を介して圧電素子２１が接触している。ダイアフラム２０は樹脂を用いてもいいし、ニッケル、ニッケルコバルト、パラジウム等の金属を用いてもよい。圧電素子２１を駆動させることによりダイアフラム２０がたわみ圧力室９の体積が変動しノズル１３から溶液１が吐出される。圧電素子２１は、薄膜のＰＺＴをスパッタ等により接着したものでも、バルクの圧電素子のように積層したものを用いてもよい。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の遥動式のインクジェットヘッド２００を示す。実施の形態１との相違点は、シリンダー３，４が同一方向の移動で拘束するためにジョイント３０で結合されていることである。その他、説明しない事項は実施の形態１と同様である。
結合されたジョイント３０は、モータとカップリング結合したボールネジ３１に装着されている。ボールネジ３１を前後（図２では左右）に移動させることにより、ジョイント３０を移動させることができる。ジョイント３０を移動させることにより、シリンダー３、４を移動することができ、細胞１０を含む溶液１を攪拌することができ、細胞１０の沈降を抑制することが可能となる。
この方法は、物理的に、シリンダー３とシリンダー４とをつなぎ、同時に移動する方法である。記載しない事項は実施の形態１と同様である。
（実施の形態３）
図３は実施の形態３のインクジェットヘッド３００の断面図を示す。実施の形態１，２と異なり、実施の形態３では、パイプ状の容器４１の内部に圧力室４２に通ずる流路の上部にくぼみ４０を設ける。すなわち、くぼみ４０は、共通インク室である容器４１から複数の圧力室４２に通じる流路の入口部に設けられている。くぼみ４０の形状は円錐、角錐、円柱、角柱のいずれであってもいい。下部へいくにしたがい、水平面での断面積が小さくなればよい。くぼみ４０の形状は、円錐形状が望ましい。
シリンダー４３、４４により細胞４５を含む溶液４６を遥動させることにより、細胞４５がくぼみ４０に入る可能性が高くなる。そのため、一定量の細胞４５が、各圧力室４２の入口部に均一に溜まる。くぼみ４０に入らなかった細胞４５は、溶液４６の中にただよう。くぼみ４０に入った細胞については圧力室４２に導かれ、ノズル１３から吐出される。くぼみ４０を設けることにより、くぼみ４０の中に細胞４５が入り易くなり、くぼみ４０の中に細胞４５を一定量均一に溜めることで圧力室４２に均一に細胞４５を供給することが可能となる。記載しない事項は実施の形態１、２と同様である。
また、容器４１に細胞４５を含む溶液を遥動させる機構であるシリンダー４３、４４を有することにより、細胞４５を含む溶液を遥動させ、くぼみ４０以外に沈殿した細胞４５を攪拌させ、溶液中で均一に分散させることができる。
（実施の形態４）
図４Ａ、図４Ｂは、実施の形態４のインクジェットヘッド４００の断面図である。図４Ｂは、図４Ａの線５５のところでの断面図である。
実施の形態１から３と異なり、圧力室５０の壁を透明の材質にすることにより、圧力室５０の状態をカメラ５３にて観測する。観察に基づき、圧電素子５４を制御する。観察の結果は、制御部１８へ入力され、制御部１８により圧電素子５４を制御する。
その他、説明しない事項は実施の形態１と同様である。流路５１付近の入口部、すなわち、圧力室５０と流路５１の境界に細胞５２が存在する場合には、圧電素子５４を駆動させ、細胞５２を含む溶液５６を吐出させる。圧力室５０と流路５１の間には、くぼみ（図示せず）を設けて細胞が溜まり易くしてもよい。
図４Ｂにおいて、細胞５２が存在しない場合には、圧電素子５４を吐出させない程度に振動させ、圧力室５０内の溶液５６を攪拌させる。あるいは、細胞５２がない場合には圧電素子５４を振動させず、待機させておいてもよい。また、細胞５２がない場合にも圧電素子５４により、捨て打ちを行ってもよい。捨て打ちとは細胞を含まない溶液５６を本来打たせるところとは別のところに吐出させることである。
このように所望の細胞５２を所望の場所に吐出させることにより、細胞５２を３次元的に立体形成することが可能となる。本実施例では、細胞５２を吐出させるインクジェットヘッド４００であったが、細胞５２を含む溶液５６を吐出させた後、細胞外マトリックスについてもインクジェットヘッド４００で吐出してもよい。細胞吐出後に細胞外マトリックスも吐出させることで細胞５２と細胞５２との結合を促進することが可能となる。
ここで、細胞外マトリックスとは、細胞の接着における足場の役割をする。細胞外マトリックスは、細胞をしっかり固定する。
細胞外マトリックスの例として、基底膜やフィブロネクチンがある。
また、３次元の細胞形成時には複数の細胞５２の吐出が必要となる。複数の細胞５２の吐出が必要となる場合には、細胞５２ごとにインクジェットヘッド４００を用意して、それぞれのインクジェットヘッド４００に異なった種類の細胞５２をいれ、任意の細胞５２を吐出させて３次元形状を形成することが可能となる。
また、本実施例では、同一種類の細胞５２を１つのインクジェットヘッド４００に入れて細胞５２を含む溶液５６を吐出させることをしているが、複数の種類の細胞５２を１つのインクジェットヘッド４００に入れて細胞５２を含む溶液５６を吐出させてもよい。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５におけるインクジェット装置６００である。インクジェット装置６００は、インクジェットヘッド５００と、被対象物移動機構７００とを含む。
インクジェットヘッド５００は、上記実施の形態のインクジェットヘッド１００を用いている。インクジェットヘッド１００、２００、３００、４００のいずれか１つまたは複数を用いることができる。
被対象物移動機構７００には、被対象物である試験管３０５と、試験管ホルダー３０６と、試験管ホルダー移動機構３０７とを含む。
この装置では、複数の試験管３０５へインクが同時に供給される。試験管３０５は、試験管ホルダー３０６とともに移動する。
被対象物移動機構７００の代わりに、インクジェットヘッド５００を移動させてもよい。被対象物移動機構７００とインクジェットヘッド５００とを相対的に移動させる機構があればよい。しかし、インクジェットヘッド５００は、機構が複雑なため、固定した方が好ましい。
インクジェット装置６００は、インクジェットヘッド５００と、被対象物を保持する保持部である試験管３０５および試験管ホルダー３０６と、インクジェットヘッド５００と保持部とを相対的に移動する移動機構である試験管ホルダー移動機構３０７と、これら各部を制御する制御部８００とで構成されている。
上記インクジェットヘッドを用いて各種溶液を塗布する装置を実現できる。なお、以上説明した実施の形態は、それぞれ組み合わせることができる。
本発明のインクジェットヘッドを用いることにより、細胞を含む溶液中の細胞が沈殿するのを抑制し、複数ノズルを有するインクジェットヘッドにおいてもそれぞれのノズルに均一に細胞を供給することが可能となる。本発明のインクジェットヘッドは、細胞以外の粒子を含む溶液の塗布や複数溶液の塗布においても、利用されうる。
１，４６，５６ 溶液
２ 容器
３，４ シリンダー
５，６，７ 矢印
８ 矢印
９ 圧力室
１０ 細胞
１１ ノズルプレート
１２ バルブ
１３ ノズル
１４ 線
１５ 流路
１６ インクジェット本体部
１７ 流路
１８ 制御部
２０ ダイアフラム
２１ 圧電素子
３０ ジョイント
３１ ボールネジ
４０ くぼみ
４１ 容器
４２ 圧力室
４３，４４ シリンダー
４５ 細胞
５０ 圧力室
５１ 流路
５２ 細胞
５３ カメラ
５４ 圧電素子
５５ 線
１００，２００，３００，４００，５００ インクジェットヘッド
３０５ 試験管
３０６ 試験管ホルダー
３０７ 試験管ホルダー移動機構
６００ インクジェット装置
７００ 被対象物移動機構
８００ 制御部

Claims (5)

  1. インク流路と連通された圧力室と、
    前記圧力室に連結されたダイアフラムと、
    前記ダイアフラムに連結された圧電素子と、
    前記圧力室に連通されたノズルと、
    前記インク流路に設置され、かつ、供給したインクを遥動させる遥動機構と、を備え、
    前記遥動機構は、前記インクに圧力をかけず、
    前記遥動機構は、前記インク流路の両端部のそれぞれにシリンダーがあり、前記インク流路の両端部の位置を変更する機構であり、
    前記遥動機構は、前記それぞれのシリンダーをつないだインクジェットヘッド。
  2. インク流路と連通された圧力室と、
    前記圧力室に連結されたダイアフラムと、
    前記ダイアフラムに連結された圧電素子と、
    前記圧力室に連通されたノズルと、
    前記インク流路に設置され、かつ、供給したインクを遥動させる遥動機構と、を備え、
    前記遥動機構は、前記インク流路の両端部の位置を同時に同じ方向に連動して、前記インク流路に対して変更し、前記インクに圧力がかからないようにする機構である、
    インクジェットヘッド。
  3. インク流路と連通された圧力室と、
    前記圧力室に連結されたダイアフラムと、
    前記ダイアフラムに連結された圧電素子と、
    前記圧力室に連通されたノズルと、
    前記インク流路に設置され、かつ、供給したインクを遥動させる遥動機構と、を備え、
    透明の前記圧力室の前記インクをカメラで観察する観察部と、
    前記観察部の結果により前記圧電素子を制御する制御部と、をさらに備えた、
    インクジェットヘッド。
  4. 前記インクとして細胞を含んでいる、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドと、
    被塗布物を保持する保持部と、
    前記インクジェットヘッドと前記保持部とを相対的に移動する移動機構と、
    前記インクジェットヘッドと前記保持部と前記移動機構を制御する制御部と、を備えた、
    インクジェット装置。
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