JP6768319B2 - 細胞立体物形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、タンパク質、細胞、生体組織その他の生物学的試料を、ハイドロゲルで固定し、立体的に形成する細胞立体物形成装置に関する。

特許文献１によると、ハイドロゲルを形成するモノマーの組み合わせを適切に選択し、これらを微小液滴の状態で、かつハイドロゲル化促進剤の共存下で接触させることで、生物学的試料（例えば、タンパク質結晶、細胞、生体組織など）をハイドロゲルで高速固定する方法が提案されている。また、少なくとも２つの吐出ノズルから、ハイドロゲルを形成する微小液滴を実質的に同時に、または連続して、１点に向けて吐出し、これらの溶液を接触させて生物学的試料をハイドロゲルで高速固定する方法も提案されている。さらに、吐出位置を制御しながら連続的に移動させて、微小液滴を吐出することによって、生物学的試料をハイドロゲルで立体的に固定する生物学的試料の立体物形成装置も考案されている。

特許文献１によれば、微小液滴の吐出位置とハイドロゲルの形成位置とは必ずしも対応せず、また、微小液滴で形成されるハイドロゲルの形状も安定しないので、微小液滴の吐出毎に、吐出位置を特定し制御する必要がある。そこで、特許文献１の立体物形成装置では、生物学的試料の位置を検出して微小液滴の吐出位置を特定するために、光学的手段（例えば、ＣＣＤカメラと画像解析装置など）が用いられている。しかし、光学的手段を用いる場合には、吐出位置の特定に時間を要し吐出の時間間隔を短縮できない、立体物形成装置のコストが高くなる、透明なハイドロゲルに対して吐出位置を安定して特定できない、といった問題があった。

国際公開第２０１５／１４７１４７号

本発明は、かかる実情を鑑みてなされたもので、タンパク質、細胞、生体組織その他の生物学的試料を、ハイドロゲルで精密かつ高速に固定し、短時間で安定して立体的に形成する立体形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１の細胞立体物形成装置は、生物学的試料を含んで混合されることでハイドロゲルが形成される溶液を、液滴にして吐出する少なくとも２つの液滴吐出ノズルと、空気を放出する空気ノズルと、該空気ノズルから立体物に空気を放出して該流量を測定する流量測定部と、該流量測定部から出力される流量信号に基づいて、前記空気ノズルと前記立体物との隙間寸法を計測する計測制御部と、を備えたことを特徴としている。

また、請求項２の細胞立体物形成装置は、前記計測制御部が、前記空気ノズルおよび前記液滴吐出ノズルを前記立体物に対して相対的に移動させる三次元移動機能と、該三次元移動機能により前記空気ノズルを移動したときの前記空気ノズルと前記立体物との隙間寸法から、前記立体物の形状を計測する立体物計測機能と、を備えることを特徴としている。

また、請求項３の細胞立体物形成装置は、前記流量測定部が、オリフィスと、該オリフィスの前記空気ノズル側に設けられた第１空気圧室と、該第１空気圧室内の圧力を測定する第１圧力計と、前記オリフィスの空気圧力発生源側に設けられた第２空気圧室と、該第２空気圧室内の圧力を測定する第２圧力計と、を備え、前記流量信号として前記第１圧力計および前記第２圧力計からの圧力信号を出力することを特徴としている。

また、請求項４の細胞立体物形成装置は、前記三次元移動機能を構成し可動部分である三次元移動機構が密閉構造体に収容されていることを特徴としている。

本発明の立体物形成装置によれば、タンパク質、細胞、生体組織その他の生物学的試料を、ハイドロゲルで精密かつ高速に固定し、短時間で安定して立体的に形成することができる。また、この立体物形成装置は、高価な画像計測装置を必要とせず、簡単で安価な空気マイクロメータにより、立体物の形状を計測することができる。さらに、この立体物形成装置の可動部分である三次元移動機構が密閉構造体に収容されているので、立体物形成装置の滅菌等を容易に行うことができる。

本発明に係る立体物形成装置の本体部１０の斜視図 本発明に係る立体物形成装置の本体部１０の概略正面図（実体顕微鏡３０および支持部３１の一部を省略） 本発明に係る立体物形成装置の本体部１０（実体顕微鏡３０および支持部３１を除く）の概略上面図 本発明に係る立体物形成装置の流量測定部１００の概略構成図

本発明の生物学的試料をハイドロゲルで立体的に固定する立体形成装置の実施形態を以下に図面に基づいて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。

本発明の立体物形成装置は、本体部１０、流量測定部１００と、計測制御部５０と、ハイドロゲルを形成する溶液を貯蔵する溶液タンクと、該溶液タンクから溶液を汲み出す溶液ポンプと、を備える。溶液タンクと溶液ポンプについては図示せず、また、ハイドロゲルを形成する溶液については特許文献１等に記載されているので、ここでは説明を省略する。

図１、図２、および、図３は、それぞれ、本体部１０の斜視図、概略正面図、および、実体顕微鏡３０および支持部３１を除いた概略上面図である。本体部１０は、ハイドロゲルを形成する溶液を液滴にして吐出する液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂと、これらの液滴でハイドロゲル化したものを積み上げて立体物を形成するための台である立体物形成台１５と、空気を放出する空気ノズル１２と、立体物形成台１５に対して液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂおよび空気ノズル１２の位置を相対的に移動させるＸＹＺ軸直動ステージ２０と、立体物を観察するための実体顕微鏡３０と、を備える。ＸＹＺ軸直動ステージ２０は、後述する三次元移動機能を構成し可動部分である三次元移動機構である。

本実施形態では、液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂおよび空気ノズル１２を固定して、立体物形成台１５をＸＹＺ軸直動ステージ２０により移動させる構造となっているが、立体物形成台１５を固定して、液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂおよび空気ノズル１２をＸＹＺ軸直動ステージ２０により移動させる構造であってもよい。

ＸＹＺ軸直動ステージ２０の固定側は、ベース板２１に固定して取り付けられている。一方、ＸＹＺ軸直動ステージ２０の可動側には、円形支柱２３を介して、立体物形成台１５が取り付けられている。立体物形成台１５は、六角支柱２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを介して、ベース板２１に固定して取り付けられている。柔軟性のあるジャバラ２４が、円形支柱２３を覆い、かつ、立体物形成台１５とノズル基板２５との間に挿入され、これらを密封するように取り付けられている。また、カバー２６が、ＸＹＺ軸直動ステージ２０を囲い、かつ、ノズル基板２５とベース板２１との間を密封するように、それらの間に取り付けられている。立体物形成台１５と、ジャバラ２４と、ノズル基板２５と、カバー２６と、ベース板２１とは、ＸＹＺ軸直動ステージ２０を完全に覆う密閉構造体となっている。すなわち、三次元移動機構であるＸＹＺ軸直動ステージ２０は、密閉構造体に収容されている。これにより、ＸＹＺ軸直動ステージ２０の可動部の潤滑剤等から発生する塵埃が、立体物形成台１５の上に降り注ぐことを防ぎ、立体物を汚染しない。また、立体物形成台１５の洗浄や滅菌を容易に行うことができる。

液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂと空気ノズル１２とは、ノズル角度が調整できるノズル取付板１３ａ，１３ｂ，１３ｃに取付けられている。ノズル取付板１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、ノズル支柱１４ａ，１４ｂ，１４ｃを介して、ノズル基板２５に取り付けられている。空気ノズル１２は、屈曲自在な配管を介して流量測定部１００に接続される。液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂは、屈曲自在な配管を介して溶液ポンプ（図示せず）に接続される。液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂは、計測制御部５０からの吐出信号により、液滴を吐出するもので、具体的には、ノズル内に圧電素子が組み込まれたインクジェット素子が好ましい。

次に、流量測定部１００について、図４の概略構成図を用いて説明する。流量測定部１００は、オリフィス１１０と、該オリフィス１１０の空気ノズル１２側に設けられた第１空気圧室１２０と、該第１空気圧室１２０内の圧力を測定する第１圧力計１２１と、オリフィス１１０の他方の側（空気圧力発生源１４０側）に設けられた第２空気圧室１３０と、該第２空気圧室１３０内の圧力を測定する第２圧力計１３１と、を備える。なお、第２圧力計１３１を備えず、第１圧力計１２１のみを備えたものであっても良い。この場合、空気圧力発生源１４０は、発生圧力を安定化するレギュレータを備えることが好ましい。

空気ノズル１２は、屈曲自在な配管を介してと第１空気圧室１２０に接続される。第２空気圧室１３０は、配管を介して空気圧力発生源１４０に接続される。第１圧力計１２１から出力される第１圧力信号と第２圧力計１３１から出力される第２圧力信号とは、計測制御部５０に出力される。

計測制御手段５０は、流量測定部１００からの流量信号として、第１圧力計１２１と第２圧力計１３１から出力される第１圧力信号と第２圧力信号を入力して、空気ノズル１２と立体物との隙間寸法を計測する隙間寸法計測機能５１と、液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂに吐出信号を出力して液滴を吐出させる吐出制御機能５２と、ＸＹＺ軸直動ステージ２０を三次元的に移動させる三次元移動機能５３と、隙間寸法計測機能５１および三次元移動機能５３を組み合せた、立体物の形状を計測する立体物計測機能５４と、吐出制御機能５２と三次元移動機能５３および立体物計測機能５４を組み合せた、立体物を形成する立体物形成機能５５、および、その他の機能を備える。

計測制御手段５０が備える機能は、アナログデジタル変換器、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＭＰＵ、デジタルアナログ変換器などの個別ＩＣで構成したもの、あるいは、これらの個別ＩＣを集積したワンチップマイコンで容易に構成できる。また、シーケンサなどで構成しても良い。

隙間寸法計測機能５１は、ＭＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて、アナログデジタル変換器により第１圧力計１２１からの第１圧力信号と第２圧力計１３１からの第２圧力信号とをアナログデジタル変換した後、それらの圧力差分あるいは他の演算処理によりデジタル空気流量および隙間寸法を算出する。例えば、第１圧力信号と第２圧力信号の差分は、空気流量および隙間寸法の関数であるから、予め、既知の空気流量および既知の隙間寸法で校正して計測制御部に記憶させておき、その記憶している校正値との比較から空気流量および隙間寸法を算出することができる。

空気圧力発生源１４０が発生する空気圧力がレギュレータで安定化されている場合は、第２圧力計１３１は不要となり、第１圧力計１２１からの第１圧力信号の大きさのみを、予め、既知の空気流量および既知の隙間寸法で校正して計測制御部に記憶させておき、その記憶している校正値との比較から空気流量および隙間寸法を算出することができる。また、他の算出方法を用いても良い。

吐出制御機能５２は、溶液ポンプによって溶液タンクからハイドロゲルを形成する溶液を汲み出し、液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂから液滴を吐出させる機能である。吐出制御機能５２は、例えば、ノズル内に圧電素子が組み込まれたインクジェット素子に吐出信号を出力して、液滴吐出ノズル１１ａ，１１ｂから液滴を吐出させる。

三次元移動機能５３は、ＸＹＺ軸直動ステージ２０を三次元的に移動させる機能である。具体的には、計測制御部５０を構成するＭＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて、移動パルスを３軸モータドライバに送出し、この３軸モータドライバがＸＹＺ軸直動ステージ２０に取り付けたモータを駆動する。

立体物計測機能５４は、立体物の形状を計測する機能であって、隙間寸法計測機能５１および三次元移動機能５３を組み合せて実現できる。具体的には、計測制御部５０を構成するＭＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて、上述の隙間寸法計測機能５１および三次元移動機能５３を組み合せて、立体物の形状を計測し、その計測結果をＲＡＭに記憶させたり、あるいは、外部機器に出力したりする。

立体物形成機能５５は、立体物を形成する機能であって、吐出制御機能５２と三次元移動機能５３および立体物計測機能５４を組み合せて実現できる。具体的には、計測制御部５０を構成するＭＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムに基づいて、上述の吐出制御機能５２と三次元移動機能５３および立体物計測機能５４を組み合せて、外部機器から入力した立体物の形状データ、あるいは、ＲＡＭに記憶した形状データに基づいて、立体物計測機能５４により立体物の形状を確認しながら、吐出制御機能５２と三次元移動機能５３により立体物を形成する。

１０ 本体部
１１ａ，１１ｂ 液滴吐出ノズル
１２ 空気ノズル
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ ノズル取付板
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ ノズル支柱
１５ 立体物形成台
２０ ＸＹＸ軸直動ステージ
２１ ベース板
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ 六角支柱
２３ 円形支柱
２４ ジャバラ
２５ ノズル基板
２６ カバー
３０ 実体顕微鏡
３１ 支持部
１００ 流量測定部
１１０ オリフィス
１２０ 第１空気圧室
１２１ 第１圧力計
１３０ 第２空気圧室
１３１ 第２圧力計
１４０ 空気圧力発生源

Claims (3)

1. 生物学的試料を含んでハイドロゲルの立体物を形成する立体物形成装置であって、
   生物学的試料を含んで混合されることでハイドロゲルが形成される溶液を、液滴にして吐出する少なくとも２つの液滴吐出ノズルと、
   空気を放出する空気ノズルと、
   オリフィスと、
   該オリフィスの前記空気ノズル側に設けられた第１空気圧室と、
   該第１空気圧室内の圧力を測定する第１圧力計と、
   前記オリフィスの空気圧力発生源側に設けられた第２空気圧室と、
   該第２空気圧室内の圧力を測定する第２圧力計と、
   を備え、
   流量信号として前記第１圧力計および前記第２圧力計からの圧力信号を出力する流量測定部と、
   該流量測定部から出力される流量信号に基づいて、前記空気ノズルと前記立体物との隙間寸法を計測する計測制御部と、
   を備えたことを特徴とする細胞立体物形成装置
2. 請求項１において、前記計測制御部が、
   前記空気ノズルおよび前記液滴吐出ノズルを前記立体物に対して相対的に移動させる三次元移動機能と、
   該三次元移動機能により前記空気ノズルを移動したときの前記空気ノズルと前記立体物との隙間寸法から、前記立体物の形状を計測する立体物計測機能と、
   を備えたことを特徴とする細胞立体物形成装置
3. 請求項２において、前記三次元移動機能を構成し可動部分である三次元移動機構が密閉構造体に収容されていることを特徴とする細胞立体物形成装置
   

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