JP7217521B2 - microfluidic device - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 頒布日 平成31年1月11日(発行日 平成31年1月吉日) 刊行物 細胞アッセイ研究会2019年シンポジウム「細胞アッセイ技術の現状と将来」 講演予稿集 Application of Article 30,
特許法第30条第2項適用 開催日 平成31年1月30日 集会名、開催場所 細胞アッセイ研究会2019年シンポジウム「細胞アッセイ技術の現状と将来」国立研究開発法人 産業技術総合研究所つくばセンター共用講堂(茨城県つくば市東1丁目1-1) Application of Article 30,
特許法第30条第2項適用 ウェブサイトの掲載日 平成31年3月1日から平成31年3月14日 ウェブサイトのアドレス https://gakkai-web.net/iee/program/2019/ Application of Article 30,
特許法第30条第2項適用 頒布日 平成31年3月1日および同年3月15日(発行日 平成31年3月吉日) 刊行物 平成31年電気学会全国大会 講演論文集を記録したDVD-ROM Application of Article 30,
特許法第30条第2項適用 開催日 平成31年3月13日 集会名、開催場所 平成31年電気学会全国大会 北海道科学大学 (北海道札幌市手稲区前田7条15丁目4-1)Article 30,
本発明は、経上皮電気抵抗(TEER)の測定に用いるマイクロ流体デバイスに関する。 The present invention relates to microfluidic devices for use in measuring transepithelial electrical resistance (TEER).
経上皮電気抵抗(TEER:Trans-epithelial electric resistance)は、細胞単層のバリア機能を非侵襲的かつ経時的に測定可能な指標であり、創薬スクリーニングにおける重要な評価項目のひとつである。 Trans-epithelial electric resistance (TEER) is a non-invasive, chronologically measurable index of the barrier function of cell monolayers, and is one of the important evaluation items in drug discovery screening.
これまで、TEER測定には細胞培養ウェルプレートが主に使用されてきたが、近年ではマイクロ流体デバイスを用いた方法も報告されている。このマイクロ流体デバイスを用いる方法によれば、マイクロ流体デバイス内の微小空間で細胞を培養することによって膜組織特異性の発現が促されるため、ヒトの体内の生理的条件に近い環境下でインピーダンスを測定することができる。 Until now, cell culture well plates have been mainly used for TEER measurement, but in recent years, methods using microfluidic devices have also been reported. According to the method using this microfluidic device, expression of membrane tissue specificity is promoted by culturing cells in a microspace within the microfluidic device. can be measured.
例えば下記特許文献1には、細胞の非侵襲的な品質評価に用いるウェル型の細胞培養容器が開示されている。下記特許文献2には、体組織の機能を模倣および試験するために用いるマイクロ流体デバイスが開示されている。また例えば、下記非特許文献1ないし非特許文献3には、TEER測定に用いるマイクロ流体デバイスが開示されている。
For example,
非特許文献1においても言及されているように、マイクロ流体デバイスであっても、デバイスを構成する電極や細胞培養チャンバの配置によって、同一の細胞種を用いても測定値が異なることが問題となっている。マイクロ流体デバイスの微小空間内では電流密度不均一性の影響を受けやすく、デバイス構成に依存してTEER測定値のばらつきを生じやすい。
As mentioned in Non-Patent
本発明は、TEER測定の精度を向上させるためのマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a microfluidic device for improving the accuracy of TEER measurement.
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を進めていたところ、マイクロ流体デバイスにおいて、細胞培養チャンバが電極に被覆されている領域を広くすることにより、TEER測定の感度変動が大幅に抑えられることを見出した。また、本発明者は、作用電極と参照電極とを密に配置することにより、TEER測定の感度の急激な変動が抑えられることを見出した。 The present inventors have made intensive studies to achieve the above object, and found that by widening the area in which the cell culture chamber is covered with electrodes in a microfluidic device, the sensitivity fluctuation of TEER measurement is greatly reduced. I found that it can be suppressed. In addition, the inventors have found that by arranging the working electrode and the reference electrode closely together, rapid fluctuations in the sensitivity of the TEER measurement can be suppressed.
すなわち、上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
細胞培養チャンバと、
前記細胞培養チャンバの上側に配置される第1の電極および第2の電極と、
前記細胞培養チャンバの下側に配置される第3の電極および第4の電極と、
を備え、
前記第1の電極と前記第3の電極との間、および、前記第2の電極と前記第4の電極との間に、電圧が印加可能であり、
平面視において、前記第1の電極または前記第2の電極が前記細胞培養チャンバと重なる面積は、前記第1の電極または前記第2の電極が前記細胞培養チャンバと重ならない面積よりも広い、マイクロ流体デバイス。
(項2)
表面に前記第1の電極および前記第2の電極が配置された第1の透明基板と、
前記第1の透明基板に対向して設けられ、表面に前記第3の電極および前記第4の電極が配置された第2の透明基板と、
をさらに備え、
前記細胞培養チャンバは、前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に設けられ、
前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に設けられ、表面に細胞が載置される透過膜と、
前記第1の透明基板および前記透過膜の間に設けられ、前記細胞を培養するための培地が送液される第1の流路と、
前記第2の透明基板および前記透過膜の間に設けられ、前記培地が送液される第2の流路と、
を備え、
平面視において、前記第1の電極または前記第2の電極が前記第1の流路と重なる面積は、前記第1の電極または前記第2の電極が前記第1の流路と重ならない面積よりも広い、項1に記載のマイクロ流体デバイス。
(項3)
平面視において、前記第3の電極または前記第4の電極が前記第2の流路と重なる面積は、前記第3の電極または前記第4の電極が前記第2の流路と重ならない面積よりも広い、項2に記載のマイクロ流体デバイス。
(項4)
前記第1の電極および前記第2の電極が交互に配置された複数の組は、前記第1の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、
前記第1の流路が前記第1の電極により覆われる領域は、前記第1の流路が前記第2の電極により覆われる領域よりも広く、
前記第3の電極および前記第4の電極が交互に配置された複数の組は、前記第2の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、
前記第2の流路が前記第3の電極により覆われる領域は、前記第2の流路が前記第4の電極により覆われる領域よりも広い、項2または3に記載のマイクロ流体デバイス。
(項5)
複数の前記第1の電極は、前記第1の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、前記第2の電極は前記複数の第1の電極の間に配置されており、
複数の前記第3の電極は、前記第2の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、前記第4の電極は前記複数の第3の電極の間に配置されている、項2または3に記載のマイクロ流体デバイス。
(項6)
隣り合う前記第1の電極および前記第2の電極の組が、前記第1の透明基板の表面に複数配置されている、項2または3に記載のマイクロ流体デバイス。
(項7)
隣り合う前記第3の電極および前記第4の電極の組が、前記第2の透明基板の表面に複数配置されている、項6に記載のマイクロ流体デバイス。
(項8)
前記第2の透明基板の略中央に、前記第3の電極および前記第4の電極が配置されない領域が設けられている、項7に記載のマイクロ流体デバイス。
(項9)
前記第3の電極および前記第4の電極が交互に配置された複数の組は、前記第2の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、
前記第2の流路が前記第3の電極により覆われる領域は、前記第2の流路が前記第4の電極により覆われる領域よりも広い、項6に記載のマイクロ流体デバイス。
(項10)
蛍光標識された前記細胞から放出される蛍光が、前記第3の電極および前記第4の電極が配置されない前記領域を通じて放出される、項4、8および9のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
(項11)
平面視において、前記細胞培養チャンバの面積に対する、前記第1の電極または前記第2の電極が前記細胞培養チャンバと重なる面積の割合は、約65%から約95%の範囲内である、項1から3のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
That is, the present invention for achieving the above object includes, for example, the following aspects.
(Section 1)
a cell culture chamber;
a first electrode and a second electrode positioned above the cell culture chamber;
a third electrode and a fourth electrode positioned on the underside of the cell culture chamber;
with
a voltage can be applied between the first electrode and the third electrode and between the second electrode and the fourth electrode;
In a plan view, the area where the first electrode or the second electrode overlaps the cell culture chamber is larger than the area where the first electrode or the second electrode does not overlap the cell culture chamber. fluidic device.
(Section 2)
a first transparent substrate on which the first electrode and the second electrode are arranged;
a second transparent substrate provided opposite to the first transparent substrate and having the third electrode and the fourth electrode disposed on the surface thereof;
further comprising
the cell culture chamber is provided between the first transparent substrate and the second transparent substrate;
a permeable membrane provided between the first transparent substrate and the second transparent substrate, on which cells are placed;
a first flow channel provided between the first transparent substrate and the permeable membrane, through which a medium for culturing the cells is fed;
a second flow path provided between the second transparent substrate and the permeable membrane, through which the culture medium is fed;
with
In plan view, the area where the first electrode or the second electrode overlaps the first flow path is larger than the area where the first electrode or the second electrode does not overlap the first flow path.
(Section 3)
In a plan view, the area where the third electrode or the fourth electrode overlaps the second flow path is larger than the area where the third electrode or the fourth electrode does not overlap the second flow path.
(Section 4)
A plurality of sets in which the first electrodes and the second electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the first transparent substrate,
The area where the first flow path is covered by the first electrode is wider than the area where the first flow path is covered by the second electrode, and
A plurality of sets in which the third electrodes and the fourth electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate,
(Section 5)
The plurality of first electrodes are arranged substantially symmetrically on the surface of the first transparent substrate at intervals, and the second electrode is arranged between the plurality of first electrodes. ,
The plurality of third electrodes are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate, and the fourth electrode is arranged between the plurality of third electrodes. 3. The microfluidic device according to
(Section 6)
(Section 7)
Item 7. The microfluidic device according to
(Section 8)
Item 8. The microfluidic device according to item 7, wherein a region in which the third electrode and the fourth electrode are not arranged is provided substantially in the center of the second transparent substrate.
(Section 9)
A plurality of sets in which the third electrodes and the fourth electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate,
Item 7. The microfluidic device according to
(Section 10)
10. The microfluidic device of any of
(Item 11)
本発明によると、TEER測定の精度を向上させるためのマイクロ流体デバイスを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a microfluidic device for improving the accuracy of TEER measurement.
以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。
[装置の構成]
<マイクロ流体デバイス>
Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, the same reference numerals denote the same or similar components, and redundant description of the same or similar components will be omitted.
[Device configuration]
<Microfluidic device>
図1は、本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す図である。(A)は斜視図であり(B)は上面図である。図2は、図1に示すマイクロ流体デバイスの分解斜視図である。図3は、図1に示すマイクロ流体デバイスの空間領域RのX-X線に沿う断面図である。なお、図1に示す空間領域Rに適用する解析モデルについては、後述する図4から図9を参照して説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a microfluidic device according to one embodiment of the present invention. (A) is a perspective view and (B) is a top view. 2 is an exploded perspective view of the microfluidic device shown in FIG. 1. FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view of the spatial region R of the microfluidic device shown in FIG. 1 along line XX. An analysis model applied to the spatial region R shown in FIG. 1 will be described later with reference to FIGS. 4 to 9. FIG.
本発明の一実施形態に係るマイクロ流体デバイス10は、細胞培養チャンバ6と、上部作用電極11と、下部作用電極12と、上部参照電極13と、下部参照電極14と、を備えている。上部作用電極11および上部参照電極13は、細胞培養チャンバ6の上側に配置され、下部作用電極12および下部参照電極14は、細胞培養チャンバ6の下側に配置されている。
A
後述する4端子測定法によりTEER測定を実現するために、TEER測定時には、上部作用電極11と下部作用電極12との間、および、上部参照電極13と下部参照電極14との間に電圧が印加される。作用電極11,12は電流運搬用(電圧印加用)の電極であり、参照電極13,14は電圧測定用の電極である。
In order to realize TEER measurement by the four-terminal measurement method described later, a voltage is applied between the upper working
なお、当業者には理解されるように、図面に複数の電極が記載されている場合、同じ参照符号を付して説明する同種の電極には、同じ大きさの電圧が印加されている。また、当業者には理解されるように、4種類の平面電極(上部作用電極11、下部作用電極12、上部参照電極13および下部参照電極14)は、互いに電気的に接触することがないように、所定の間隔を空けて配置される。
As will be understood by those skilled in the art, when a drawing shows a plurality of electrodes, the same voltage is applied to electrodes of the same type described with the same reference numerals. Also, as will be appreciated by those skilled in the art, the four planar electrodes (top working
本実施形態では、マイクロ流体デバイス10はさらに、上部透明基板1と、下部透明基板2とを備えている。下部透明基板2は上部透明基板1に対向して設けられており、上部透明基板1と、細胞培養チャンバ6と、下部透明基板2とは積層されている。上部作用電極11および上部参照電極13は、上部透明基板1の表面に配置されている。下部作用電極12および下部参照電極14は、下部透明基板2の表面に配置されている。
In this embodiment, the
細胞培養チャンバ6は、上部透明基板1および下部透明基板2の間に設けられており、透過膜5と、培養層3に設けられた第1の流路15と、測定層4に設けられた第2の流路16とを備えている。なお、以下の説明では、第1の流路15は培養層流路15とも呼び、第2の流路16は測定層流路16とも呼ぶ。
The
培養層3は、上部透明基板1および透過膜5の間に設けられている。測定層4は、下部透明基板2および透過膜5の間に設けられている。透過膜5は、培養層3および測定層4の間に設けられており、表面には細胞90が載置される。透過膜5は、第1の流路15および第2の流路16に送液される培地を透過可能に、第1の流路15および第2の流路16を隔てている。
上部透明基板1、培養層3および透過膜5には、第1の流路15に連通する貫通孔21と、第2の流路16に連通する貫通孔22とが設けられている。第1の流路15には、貫通孔21を通じて、細胞90を培養するための培地が送液される。第2の流路16には、貫通孔22を通じて培地が送液される。
The upper
上部透明基板1には貫通孔23が設けられている。上部透明基板1、培養層3および測定層4には、貫通孔24が設けられている。TEER測定時には、貫通孔23,24にはTEER測定用の電極ターミナル(図示せず)が挿入される。上部作用電極11および上部参照電極13は、貫通孔23に通されるケーブルを通じて、TEER測定用の電極ターミナルと電気的に接続される。下部作用電極12および下部参照電極14は、貫通孔24に通されるケーブルを通じて、TEER測定用の電極ターミナルと電気的に接続される。なお、これら電極11~14が上部透明基板1に設けられた貫通孔23,24を通じて電極ターミナルと電気的に接続される態様は一例である。電極ターミナルは、下部透明基板2に設けられた貫通孔を介してマイクロ流体デバイス10の下部から挿入されてもよいし、マイクロ流体デバイス10の側部から挿入されてもよい。貫通孔23,24は任意の構成であり、TEER測定時には、これら電極11~14は電極ターミナルと電気的に接続されればよい。
A through
本実施形態に係るマイクロ流体デバイス10では、TEER測定の精度を向上させるために、平面視において、上部作用電極11または上部参照電極13が細胞培養チャンバ6と重なる面積(電極11または電極13によって細胞培養チャンバ6が覆われている領域)は、上部作用電極11または上部参照電極13が細胞培養チャンバ6と重ならない面積(電極11または電極13によって細胞培養チャンバ6が覆われていない領域)よりも広くなるように構成されている。好ましくは、平面視において、細胞培養チャンバ6の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が細胞培養チャンバ6と重なる面積の割合は、約65%から約95%の範囲内である。また、好ましくは、平面視において、上部作用電極11が細胞培養チャンバ6と重なる面積は、上部参照電極13が細胞培養チャンバ6と重なる面積よりも広くなるように構成されている。
In the
具体的には、平面視において、上部作用電極11または上部参照電極13が第1の流路15と重なる面積(電極11または電極13によって第1の流路15が覆われている領域)は、上部作用電極11または上部参照電極13が第1の流路15と重ならない面積(電極11または電極13によって第1の流路15が覆われていない領域)よりも広くなるように構成されている。好ましくは、平面視において、第1の流路15の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が第1の流路15と重なる面積の割合は、約65%から約95%の範囲内である。また、好ましくは、平面視において、上部作用電極11が第1の流路15と重なる面積は、上部参照電極13が第1の流路15と重なる面積よりも広くなるように構成されている。
Specifically, in plan view, the area where the upper working
また、好ましくは、平面視において、下部作用電極12または下部参照電極14が第2の流路16と重なる面積(電極12または電極14によって第2の流路16が覆われている領域)は、下部作用電極12または下部参照電極14が第2の流路16と重ならない面積(電極12または電極14によって第2の流路16が覆われていない領域)よりも広くなるように構成されている。好ましくは、平面視において、第2の流路16の面積に対する、下部作用電極12または下部参照電極14が第2の流路16と重なる面積の割合は、約65%から約95%の範囲内である。また、好ましくは、平面視において、下部作用電極12が第2の流路16と重なる面積は、下部参照電極14が第2の流路16と重なる面積よりも広くなるように構成されている。
Also, preferably, in plan view, the area where the lower working
本実施形態に係るマイクロ流体デバイス10は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)を作製する技術で製造することができる。マイクロ流体デバイス10は、MEMS技術以外にも他の微細加工技術により製造することができる。上部透明基板1および下部透明基板2は、熱可塑性プラスチックまたはガラス等の透明な材質で形成されており、本実施形態ではポリカーボネートで形成されている。上部作用電極11、下部作用電極12、上部参照電極13および下部参照電極14の4つの電極は、金、銀、銅またはアルミニウム等の導電性金属で形成されており、本実施形態では金で形成されている。本実施形態では、これら4つの電極は薄膜状に形成されている。培養層3および測定層4は、透明な材質で形成されており、本実施形態ではポリジメチルシロキサン(PDMS)で形成されている。透過膜(または物質透過膜)5は、細胞90が浸潤せず物質の拡散が可能(例えば、代謝物や薬物が透過可能)な膜または層である。例示的には、透過膜5には、多孔質構造を有する透明な材質を用いることができる。他の実施形態では、線状の多数の貫通穴で構成される透明な材質を透過膜5に用いることができる。本発明の実施形態の一例として示す本実施形態では、透過膜5は多孔質膜であり、透明なポリエチレンテレフタラートで形成されている。
The
上部透明基板1および下部透明基板2の例示的な厚さは、どちらも約0.1mmから約2mmであり、好ましくはどちらも約1mmである。培養層3および測定層4の例示的な厚さは、どちらも約10μmから約1000μmであり、好ましくはどちらも約150μmである。透過膜5の例示的な厚さは、約1μmから約100μmであり、好ましくは約12μmである。
<TEER測定の概要>
Exemplary thicknesses of the upper
<Overview of TEER measurement>
TEER測定では、まず透過膜上で目的の細胞組織を培養する。その後、細胞単層の上下に設けた電極間に電圧を印加してインピーダンスを測定し、等価回路に基づいてTEERを算出する。本実施形態では、TEER測定には、作用電極および参照電極の2種類の電極をそれぞれ1組ずつ組み込むことで測定誤差の影響を低減することができる4端子測定法を用いる。4端子測定法は、接触インピーダンスなどの影響を排除することができ、高精度なインピーダンス測定を可能とする測定方法である。 In TEER measurement, the target cell tissue is first cultured on a permeable membrane. After that, a voltage is applied between electrodes provided above and below the cell monolayer, impedance is measured, and TEER is calculated based on an equivalent circuit. In this embodiment, the TEER measurement uses a four-terminal measurement method that can reduce the influence of measurement errors by incorporating two types of electrodes, one set each of a working electrode and a reference electrode. The four-terminal measurement method is a measurement method that can eliminate the influence of contact impedance and the like and enables highly accurate impedance measurement.
TEER測定系で得られる電気抵抗は、内部流体抵抗、電極‐流体界面抵抗、細胞培養に用いる透過膜の抵抗などを含んだ全抵抗Rtotalであるため、Rtotal自体を細胞による電気抵抗とみなすことはできない。この問題を解決するため、細胞を導入する前に、同一のデバイスにおいて内部流体や電気抵抗測定系などその他の条件が全く同じ状態で電気抵抗測定を実施し、得られた全抵抗をRblankとする。すると、細胞に起因する電気抵抗Rcellsは、以下の式(1)で表される。
また、電気抵抗は細胞培養面積Acultに反比例する。異なる細胞培養面積のマイクロ流体デバイスやトランスウェル間で測定結果を比較するため、TEER値は正規化により次の式(2)で定義される。
したがって、TEER測定のためには、細胞を導入する前後それぞれの全抵抗と細胞培養面積がわかればよい。 Therefore, for TEER measurement, it is sufficient to know the total resistance and the cell culture area before and after cell introduction.
なお、上記した説明では、単一の周波数でTEER測定を行う場合を一例として想定しており、細胞を導入する前のデバイスについて電気抵抗を測定しているが、TEER測定の方法は上記例示したものに限定されない。TEER測定装置には、種々の市販のTEER測定装置を用いることができる。また、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、また市販のTEER測定装置に限らず、インピーダンス測定装置においても利用可能である。
[装置の評価方法および評価結果]
In the above description, the case of performing TEER measurement at a single frequency is assumed as an example, and the electrical resistance is measured for the device before introducing cells, but the method of TEER measurement is exemplified above. not limited to Various commercially available TEER measuring devices can be used as the TEER measuring device. Moreover, the microfluidic device according to the present invention can be used not only in commercially available TEER measurement devices but also in impedance measurement devices.
[Apparatus evaluation method and evaluation results]
以下ではまず、有限要素法によりマイクロ流体デバイス内の電流密度の解析を行う。次に、電極形状に依存したデバイス内の感度の分布を比較することにより、マイクロ流体デバイスの感度分析を行い、TEER測定に適したマイクロ流体デバイスの電極形状を評価する。
<解析モデル>
First, the current density in the microfluidic device is analyzed by the finite element method. Next, the sensitivity analysis of the microfluidic device is performed by comparing the distribution of the sensitivity in the device depending on the electrode shape, and the electrode shape of the microfluidic device suitable for TEER measurement is evaluated.
<Analysis model>
図4は、図1に示すマイクロ流体デバイスの空間領域Rに適用する解析モデルの一例を示す斜視図である。 FIG. 4 is a perspective view showing an example of an analysis model applied to the spatial region R of the microfluidic device shown in FIG.
電流密度の解析は、図1に示すマイクロ流体デバイス10において一点鎖線で示す空間領域Rを対象とする。図4に例示するように、解析モデル50(51~56)は、4種類の平面電極(上部作用電極11、下部作用電極12、上部参照電極13および下部参照電極14)と、細胞培養チャンバ6(透過膜5、培養層流路15および測定層流路16)と、細胞単層90とを含んでいる。なお、培養層流路15および測定層流路16には、細胞90を培養するための培地が満たされている。解析モデル50(51~56)の長軸方向の寸法Lは約4000μmであり、短軸方向の寸法Wは約1000μmである。
The analysis of the current density targets the spatial region R indicated by the dashed line in the
本実施形態では、解析モデル50(51~55)は、平面電極の形状が異なる5つを準備する。電流密度の解析は、図5から図9に示す種々の電極形状を有する5つの解析モデル51~55のそれぞれについて、例えばCOMSOL Multiphysics等の解析ソフトウェアを用いて行う。 In this embodiment, five analytical models 50 (51 to 55) having different shapes of planar electrodes are prepared. The current density analysis is performed for each of the five analysis models 51-55 having various electrode shapes shown in FIGS. 5-9 using analysis software such as COMSOL Multiphysics.
なお、以下において図5から図9を参照して説明する電極形状の種々のパターンの表記方法について、パターンα-βとは、解析モデルの上面における電極形状(細胞培養チャンバ6の上側に配置される電極の形状)がパターンαであり、下面における電極形状(細胞培養チャンバ6の下側に配置される電極の形状)がパターンβであることを意味する。 5 to 9, the pattern α-β refers to the electrode shape on the upper surface of the analysis model (arranged on the upper side of the cell culture chamber 6). It means that the shape of the electrode on the lower surface (the shape of the electrode arranged on the lower side of the cell culture chamber 6) is the pattern β.
図5は、パターンA-Aの電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。 FIG. 5 is a diagram showing the electrode shape of pattern AA. (A) is a top view, and (B) is a bottom view.
解析モデル51は、パターンA-Aの電極形状を有している。パターンAは、細胞培養チャンバ6の両端の領域を電極で覆う従来の配置である。細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は狭く、電極で覆われていない領域が電極で覆われている領域よりも広くなっている。
The
図5(A)に示す解析モデル51の上面において、上部作用電極11および上部参照電極13は、上部透明基板1の図中左側の表面に、間隔を空けて配置されており、培養層流路15の左側を覆っている。下面においても上面と同様である。図5(B)に示す解析モデル51の下面において、下部作用電極12および下部参照電極14は、下部透明基板2の図中右側の表面に、間隔を空けて配置されており、測定層流路16の右側を覆っている。
On the upper surface of the
上部作用電極11、下部作用電極12、上部参照電極13、下部参照電極14の図中横方向の例示的な寸法は約200μmである。培養層流路15または測定層流路16のこれら電極間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル51の上面において、培養層流路15の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が培養層流路15と重なる面積の割合は約10%であり、解析モデル51の下面において、測定層流路16の面積に対する、下部作用電極12または下部参照電極14が測定層流路16と重なる面積の割合は約10%である。
An exemplary lateral dimension of upper working
図6は、パターンB-Bの電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。 FIG. 6 is a diagram showing the electrode shape of pattern BB. (A) is a top view, and (B) is a bottom view.
解析モデル52は、パターンB-Bの電極形状を有している。パターンBは、蛍光による細胞観察を可能にするために、電極を設けない領域(以下、細胞観察領域とも呼ぶ)を備え、細胞培養チャンバ6の大部分を電極で覆う配置である。細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、電極で覆われていない領域よりも広くなっている。例示的には、解析モデル52では、細胞培養チャンバ6の略中央に約1×1mm2の細胞観察領域15c,16cが設けられており、電極幅が約200μmの上部参照電極13および下部参照電極14が設けられている。
The
図6(A)に示す解析モデル52の上面において、上部透明基板1の表面では、上部作用電極11および上部参照電極13が配置されない領域15cを境とする一方側の領域および他方側の領域のそれぞれにおいて、上部作用電極11および上部参照電極13が配置されている。上部透明基板1の一方側における上部作用電極11および上部参照電極13の配置の形態と、他方側における上部作用電極11および上部参照電極13の配置の形態とは、略対称なものとされている。
On the upper surface of the
すなわち、解析モデル52の上面において、上部作用電極11および上部参照電極13が交互に配置された複数の組は、上部透明基板1の表面に間隔を空けて略対象に(図示する態様では、略左右対称に)配置されている。培養層流路15が上部作用電極11により覆われる領域は、培養層流路15が上部参照電極13により覆われる領域よりも広くなるように構成されている。
That is, on the upper surface of the
上部作用電極11および上部参照電極13の図中横方向の例示的な寸法はそれぞれ、約1200μmおよび約200μmである。培養層流路15の上部参照電極13,13間に位置する領域15cの図中横方向の例示的な寸法は約1000μmである。培養層流路15の上部作用電極11と上部参照電極13との間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル52の上面において、培養層流路15の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が培養層流路15と重なる面積の割合は約70%である。
Exemplary lateral dimensions of upper working
下面においても上面と同様である。図6(B)に示す解析モデル52の下面において、下部透明基板2の表面では、下部作用電極12および下部参照電極14が配置されない領域16cを境とする一方側の領域および他方側の領域のそれぞれにおいて、下部作用電極12および下部参照電極14が配置されている。下部透明基板2の一方側における下部作用電極12および下部参照電極14の配置の形態と、他方側における下部作用電極12および下部参照電極14の配置の形態とは、略対称なものとされている。
The bottom surface is the same as the top surface. On the lower surface of the
すなわち、解析モデル52の下面において、下部作用電極12および下部参照電極14が交互に配置された複数の組は、下部透明基板2の表面に間隔を空けて略対象に(図示する態様では、略左右対称に)配置されている。測定層流路16が下部作用電極12により覆われる領域は、測定層流路16が下部参照電極14により覆われる領域よりも広くなるように構成されている。
That is, on the lower surface of the
下部作用電極12および下部参照電極14の図中横方向の例示的な寸法はそれぞれ、約1200μmおよび約200μmである。下部参照電極14,14間に位置する領域16cの図中横方向の例示的な寸法は約1000μmである。測定層流路16の下部作用電極12と下部参照電極14との間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル52の下面において、測定層流路16の面積に対する、下部作用電極12または下部参照電極14が測定層流路16と重なる面積の割合は約70%である。
Exemplary lateral dimensions of lower working
図7は、パターンC-Cの電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。 FIG. 7 is a diagram showing the electrode shape of pattern CC. (A) is a top view, and (B) is a bottom view.
解析モデル53は、パターンC-Cの電極形状を有している。パターンCは、電気的等価を保ったまま電極を分割する電極配置である。細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、電極で覆われていない領域よりも広くなっており、細胞培養チャンバ6の大部分を覆うように、作用電極11,12と参照電極13,14とが交互に配置されている。細胞観察領域は設けられていない。作用電極11,12と参照電極13,14とは順番に交互に配置されることが好ましく、作用電極11,12の幅と参照電極13,14の幅とは、概ね均等であることが好ましい。
The
例示的には、解析モデル53では、上部作用電極11、上部参照電極13、下部作用電極12、および下部参照電極14の図中横方向の例示的な寸法は、約200μmである。培養層流路15または測定層流路16のこれら電極間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル53の上面において、培養層流路15の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が培養層流路15と重なる面積の割合は約65%であり、解析モデル53の下面において、測定層流路16の面積に対する、下部作用電極12または下部参照電極14が測定層流路16と重なる面積の割合は約65%である。
Illustratively, in
図7(A)に示す解析モデル53の上面において、隣り合う上部作用電極11および上部参照電極13の組が、上部透明基板1の表面に複数配置されている。下面においても上面と同様である。図7(B)に示す解析モデル53の下面において、隣り合う下部作用電極12および下部参照電極14の組が、下部透明基板2の表面に複数配置されている。
In the upper surface of the
図8は、パターンD-Dの電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。 FIG. 8 is a diagram showing the electrode shape of pattern DD. (A) is a top view, and (B) is a bottom view.
解析モデル54は、パターンD-Dの電極形状を有している。パターンDは、細胞培養チャンバ6が電極で覆われる領域を極大化した配置である。細胞培養チャンバ6の大部分は電極で覆われており、細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、電極で覆われていない領域よりも広くなっている。細胞観察領域は設けられていない。
The
図8(A)に示す解析モデル54の上面において、上部透明基板1の表面では、上部参照電極13が配置される領域を境とする一方側の領域および他方側の領域のそれぞれに、上部作用電極11が配置されている。上部透明基板1の一方側に配置される上部作用電極11の形状と、上部透明基板1の他方側に配置される上部作用電極11の形状とは、略対称である。
On the upper surface of the
すなわち、解析モデル54の上面において、複数の上部作用電極11は、上部透明基板1の表面に間隔を空けて略対象(図示する態様では、略左右対称)に配置されており、上部参照電極13は複数の上部作用電極11の間に配置されている。
That is, on the upper surface of the
例示的には、上部参照電極13の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。培養層流路15の上部作用電極11と上部参照電極13との間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル54の上面において、培養層流路15の面積に対する、上部作用電極11または上部参照電極13が培養層流路15と重なる面積の割合は約95%である。
Illustratively, an exemplary lateral dimension of the
下面においても上面と同様である。図8(B)に示す解析モデル54の下面において、測定層流路16の表面では、下部参照電極14が配置される領域を境とする一方側の領域および他方側の領域のそれぞれに、下部作用電極12が配置されている。下部透明基板2の一方側に配置される下部作用電極12の形状と、下部透明基板2の他方側に配置される下部作用電極12の形状とは、略対称である。
The bottom surface is the same as the top surface. On the lower surface of the
すなわち、解析モデル54の下面において、複数の下部作用電極12は、下部透明基板2の表面に間隔を空けて略対象(図示する態様では、略左右対称)に配置されており、下部参照電極14は複数の下部作用電極12の間に配置されている。
That is, on the lower surface of the
例示的には、下部参照電極14の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。測定層流路16の下部作用電極12と下部参照電極14との間に位置する領域の図中横方向の例示的な寸法は約100μmである。例示する態様では、解析モデル54の下面において、測定層流路16の面積に対する、下部作用電極12または下部参照電極14が測定層流路16と重なる面積の割合は約95%である。
Illustratively, an exemplary lateral dimension of the
図9は、パターンC-Bの電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。 FIG. 9 is a diagram showing the electrode shape of pattern CB. (A) is a top view, and (B) is a bottom view.
解析モデル55はパターンC-Bの電極形状を有している。パターンC-Bでは、細胞培養チャンバ6の一方側(図示する態様では下面側)の略中央に細胞観察領域が設けられている。細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、電極で覆われていない領域よりも広くなっている。また、細胞観察領域が設けられている細胞培養チャンバ6の一方側において、細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、細胞観察領域よりも広くなるよう構成されている。
The
図9(A)に示す解析モデル55の上面において、隣り合う上部作用電極11および上部参照電極13の組が、上部透明基板1の表面に複数配置されている。
In the upper surface of the
図9(B)に示す解析モデル55の下面において、下部透明基板2の表面では、下部作用電極12および下部参照電極14が配置されない領域16cを境とする一方側の領域および他方側の領域のそれぞれにおいて、下部作用電極12および下部参照電極14が配置されている。下部透明基板2の一方側における下部作用電極12および下部参照電極14の配置の形態と、他方側における下部作用電極12および下部参照電極14の配置の形態とは、略対称なものとされている。
On the lower surface of the
すなわち、解析モデル55の下面において、下部作用電極12および下部参照電極14が交互に配置された複数の組は、下部透明基板2の表面に間隔を空けて略対象に(図示する態様では、略左右対称に)配置されている。測定層流路16が下部作用電極12により覆われる領域は、測定層流路16が下部参照電極14により覆われる領域よりも広くなるように構成されている。
<感度分析の概要および評価基準>
That is, on the lower surface of the
<Summary of sensitivity analysis and evaluation criteria>
電気抵抗測定において、測定対象の全領域が等しく測定される抵抗値に寄与するわけではなく、電極間や電極近傍の領域ほど測定値に大きく影響を与える。これは、電極の形状や配置によって測定対象内の電流密度分布が異なるためである。そのため、これらを適切に設計し、測定対象を流れる電流を制御することが求められる。 In electrical resistance measurement, not all regions of the object to be measured equally contribute to the measured resistance value, and the regions between the electrodes and in the vicinity of the electrodes have a greater effect on the measured value. This is because the current density distribution in the object to be measured differs depending on the shape and arrangement of the electrodes. Therefore, it is required to appropriately design them and control the current flowing through the object to be measured.
有限要素法を用いた電流密度解析においては、各微小要素の測定値に対する寄与の尺度として、感度sが定義される。感度は、微小要素ごとに、その微小要素における電流密度から計算され、以下の式(3)で表される。
ここで、ベクトルJ1は作用電極間に電流Iを印加したときの各微小要素における電流密度であり、ベクトルJ2は参照電極間に電流Iを印加したときの電流密度である。図10は、感度分析時におけるTEER測定系の回路図を示す模式図である。(A)はJ1測定時を示しており、(B)はJ2測定時を示している。本実施形態では、図中の測定対象99は、細胞90および培地がセットされた細胞培養チャンバ6を意味する。測定対象99は、具体的には、培地を含む培養層流路15が設けられた培養層3と、表面に細胞90が載置された透過膜5と、培地を含む測定層流路16が設けられた測定層4、を含む構成を意味する。測定される電気抵抗Rは、体積をV、微小要素dvにおける電気抵抗率をρとして、次の式(4)で表される。
これらの式は、感度の絶対値が大きいほど、その微小要素が測定値に与える影響が大きいことを示す。 These equations show that the greater the absolute value of sensitivity, the greater the influence of that minute element on the measured value.
TEERは、欠陥のない単層の細胞に均一な電流密度分布が形成されているという仮定のもとで評価される。実際には、必ずしも均一に細胞培養が実現するわけではなく、これは上式(4)における電気抵抗率の変化に対応する。そのため、ある微小要素に対応する領域において細胞の培養状態が周辺領域と異なると、この微小要素における電気抵抗率が変化することになるが、測定値への影響はその微小要素における感度の分だけ増減される。例えば、大きな感度をもつ微小要素において細胞が密集し電気抵抗率が高くなれば,測定される電気抵抗は非常に大きくなる。つまり、細胞状態に起因する測定の不確かさとデバイス構造に起因する系統誤差とが複合的に測定値を変動させ、TEERの測定誤差となる。したがって、感度を細胞培養チャンバの全領域にわたって一定にすることにより、デバイス構造に起因した測定の誤りを回避することができ、精度の高いTEER測定を実現することができる。これは、次の式(5)で表現できる。
すなわち、全領域にわたって感度が一定となる形状が、理想形状である。このとき、各微小要素は、等しく測定値に影響を与える。また、細胞培養チャンバの或る微小要素において極端な値の感度をとると、先に述べたように測定の大きな誤りを招くため、避けなければならない。そのため、感度の最大値と最小値との差が小さいほうが望ましい。したがって、形状の優劣を評価する基準を感度変動s*とし、次の式(6)で定義する。
ここで、smax、sminおよびsaveはそれぞれ、感度の最大値、最小値および平均値である。電極形状に依存する電流密度の不均一性が大きいと、TEERの測定精度に問題が生じる。
<解析結果および考察>
where s max , s min and save are the maximum, minimum and average sensitivity, respectively. The large non-uniformity of the current density, which depends on the electrode shape, causes a problem in the measurement accuracy of TEER.
<Analysis results and discussion>
図11は、種々の電極形状について行った感度分析の結果を示すグラフである。図12および図13は、感度分析の結果を種々の電極形状毎に示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the results of sensitivity analysis performed on various electrode shapes. 12 and 13 are graphs showing the results of sensitivity analysis for various electrode shapes.
分析結果を細胞培養チャンバ6の軸方向の中心線に沿った感度分布として図11から図13に示す。分析結果を参照すると、細胞培養チャンバ6が電極(作用電極11,12または参照電極13,14)に被覆されている領域では感度が安定しているが、作用電極11,12および参照電極13,14間の境界において感度の急激な変化が生じていることが確認される。
The analysis results are shown in FIGS. 11 to 13 as sensitivity distributions along the axial centerline of the
それぞれの電極形状について分析結果を参照すると、特に作用電極11,12と参照電極13,14とを密に配置したパターンC-Cでは、感度変動が0.97%と優れている。また、パターンB-BおよびパターンD-Dにおける感度変動も概ね10%以下となっており、従来の配置であるパターンA-Aによる感度変動よりも大幅に感度が向上していることが確認される。パターンB-Bは細胞観察領域を備えており、細胞の蛍光染色観察を容易に行うことができる点においても有用である。
Looking at the analysis results for each electrode shape, the pattern CC in which the working
このように、パターンB-B、パターンC-C、パターンD-Dのいずれの電極形状も、感度変動は抑えられており、従来のパターンA-Aよりも感度が向上していることが確認される。 In this way, it is confirmed that the sensitivity fluctuation is suppressed in all electrode shapes of pattern BB, pattern CC, and pattern DD, and the sensitivity is improved compared to the conventional pattern AA. be done.
一方で、パターンC-Cは、感度変動が最も少なく優れてはいるものの、細胞観察領域に相当する領域を電極が被覆しているため、細胞の蛍光染色観察を行うことは容易ではない。多くのケースでは、細胞の染色観察に倒立顕微鏡を用いるためである。よって、パターンC-Cのマイクロ流体デバイスの下面部に細胞観察領域が設けられたパターンC-Bによると、感度変動を大幅に抑えることができ、かつ細胞の蛍光染色観察も可能となり有用である。このパターンC-Bは感度変動が4.51%であり、5%未満の感度変動も達成されている。また、パターンC-Cの感度変動とパターンC-Bの感度変動との比較により、細胞培養チャンバ6の上面側または下面側のどちらか一方がパターンCの電極形状であると、大幅に感度が向上することが確認される。
On the other hand, pattern CC has the least variation in sensitivity and is excellent, but since the electrode covers the area corresponding to the cell observation area, fluorescence staining observation of cells is not easy. This is because, in many cases, an inverted microscope is used for staining observation of cells. Therefore, according to the pattern CB in which the cell observation area is provided on the lower surface of the microfluidic device of the pattern CC, the sensitivity fluctuation can be greatly suppressed, and the fluorescence staining observation of the cells is also possible, which is useful. . This pattern CB has a sensitivity variation of 4.51%, achieving a sensitivity variation of less than 5%. In addition, by comparing the sensitivity variation of the pattern CC and the sensitivity variation of the pattern CB, it was found that if either the upper surface side or the lower surface side of the
以上の考察により、細胞培養チャンバ6が電極に被覆されている領域を広くすることにより、感度変動は大幅に抑えられる。また、作用電極11,12と参照電極13,14とを密に配置することにより、感度の急激な変動が抑えられる。
Based on the above considerations, sensitivity fluctuations can be greatly suppressed by widening the area where the
これにより、マイクロ流体デバイス10の電極形状を設計する指針として、上部作用電極11または上部参照電極13が細胞培養チャンバ6を覆う領域を、上部作用電極11または上部参照電極13が細胞培養チャンバ6を覆わない領域よりも広くするように構成することが示された。下面についても上面と同様である。
[その他の形態]
As a guideline for designing the electrode shape of the
[Other forms]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。 Although the present invention has been described in terms of specific embodiments, the present invention is not limited to the embodiments described above.
上記した実施形態では、一例としてマイクロ流体デバイス10の用途を経上皮電気抵抗(TEER)の測定としているが、マイクロ流体デバイス10の用途はこれに限定されない。マイクロ流体デバイス10は、経上皮電気抵抗(TEER)の測定に限らず、上皮細胞、血管内皮細胞(endothelial cell)等の種々の細胞層の電気抵抗の測定にも用いることができる。
In the above-described embodiment, as an example, the application of the
上記したパターンC-Cの電極形状を有する解析モデル53において、細胞観察領域を設けてもよい。
A cell observation area may be provided in the
図14は、パターンC-Cをさらに改良した電極形状を示す図である。(A)は上面図であり、(B)は下面図である。図14に示す解析モデル56は、パターンC-Cの電極形状を有する解析モデル53の一方側(図示する態様では下面側)の略中央に細胞観察領域が設けられたモデルである。細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、電極で覆われていない領域よりも広くなっている。また、細胞観察領域16cが設けられている細胞培養チャンバ6の一方側(下側)において、細胞培養チャンバ6が電極で覆われている領域は、細胞観察領域16cよりも広くなるよう構成されている。細胞観察領域は、細胞培養チャンバ6の一方側(下側)に設けてもよく、他方側(上側)に設けてもよく、両側(上側・下側)に設けてもよい。例示的には、解析モデル56では、細胞培養チャンバ6の下側において、略中央に約1×1mm2の細胞観察領域16cが設けられている。
FIG. 14 is a diagram showing an electrode shape further improved from pattern CC. (A) is a top view, and (B) is a bottom view. The
上記したパターンCの電極形状では、図7に示すように、隣り合う上部作用電極11および上部参照電極13で構成される組の全てが、電極11,13の並び順が、電極11および電極13の順に統一されているが(電極11および電極13の順は、図7の左側からみたときの順序である)、隣り合う組において、上部作用電極11および上部参照電極13の並び順は異なっていてもよい。例えば、第1の組では電極11および電極13の順番で電極11,13を配置し、第2の組では電極13および電極11の順番で電極11,13を配置し、第1の組と第2の組とが隣り合って配置されていてもよい。下部作用電極12および下部参照電極14についても同様である。
In the electrode shape of pattern C described above, as shown in FIG. (The order of
細胞培養チャンバ6を覆う領域の4種類の平面電極(上部作用電極11、下部作用電極12、上部参照電極13および下部参照電極14)の形状は、図示する短冊状に限られない。例えば上記したパターンCの電極形状について、平面電極の形状は、図示する短冊状の上部作用電極11および上部参照電極13を交互に配置することに限られず、略同心円状に配置された、円形状、楕円形状または矩形状の上部作用電極11および上部参照電極13を交互に配置してもよい。また、電極の形状も平面に限定されず、細胞培養チャンバ6の大部分を覆う限り、三次元の立体形状であってもよい。
The shape of the four types of planar electrodes (upper working
以下では有限要素法による電流密度解析の具体的な方法を記載する。電流密度解析のソフトウェアには、COMSOL Multiphysics version 5.4、AC/DC moduleを使用した。解析手順は以下の手順1から手順4の通りである。
A specific method of current density analysis by the finite element method is described below. COMSOL Multiphysics version 5.4, AC/DC module was used as software for current density analysis. The analysis procedure is as follows from
手順1:COMSOL内にて解析モデルの形状を設定する。 Step 1: Set the shape of the analysis model in COMSOL.
解析モデルの要素(電極×多数、培地×2、透過膜、細胞層)は、すべて直方体要素の組み合わせとした。各要素の寸法および物性は次の通り。
・電極 200×1000×0.29[μm]、σ=61.6E6[S/m]、ε=1(寸法、電気伝導率、比誘電率)
・培地 4000×100×150[μm]、σ=1.5[S/m]、ε=78
・透過膜 4000×1000×12[μm]、Rm=30[Ωcm2]、ε=3
・細胞層 4000×1000×10[μm]、TEER=250[Ωcm2]、ε=10
The elements of the analysis model (electrodes x many,
・Electrode 200×1000×0.29[μm], σ=61.6E6[S/m], ε=1 (dimensions, electrical conductivity, dielectric constant)
・Medium 4000×100×150[μm], σ=1.5[S/m], ε=78
・Permeable membrane 4000×1000×12[μm], R m =30[Ωcm 2 ], ε=3
・Cell layer 4000×1000×10[μm], TEER=250[Ωcm 2 ], ε=10
手順2:境界条件を設定する。 Step 2: Set boundary conditions.
・作用電極(+側)
ターミナル(+側の複数の作用電極の合計で1Aになるように設定)
例えば、上面に作用電極が5つあるなら、それぞれを0.2Aのターミナルとして設定。
・作用電極(-側)
接地(0V)
・参照電極
いずれも浮遊電位
・Working electrode (+ side)
Terminal (set so that the total of multiple working electrodes on the + side becomes 1A)
For example, if there are 5 working electrodes on the top surface, set each as a 0.2A terminal.
・Working electrode (- side)
Ground (0V)
・Reference electrode Floating potential
なお、電気的に等電位である電極面については、拘束条件を与え等電位とした。例えば、上面に作用電極が5つあるなら、それらの電位をVnとしてV1=V2=V3=V4=V5と設定。 In addition, the electrode surface which is electrically equipotential was made to be equipotential by giving a restraining condition. For example, if there are five working electrodes on the top surface, set their potentials as Vn as V1=V2=V3=V4=V5.
手順3:解析モデルをメッシュに分割し、解析を実施する。 Step 3: Divide the analysis model into meshes and perform analysis.
手順4:細胞層のz方向中央断面における感度の最小値、最大値および平均値から、感度変動を計算する。 Step 4: Calculate the sensitivity variation from the minimum, maximum and mean values of the sensitivity in the z-direction central section of the cell layer.
1 上部透明基板(第1の透明基板)
2 下部透明基板(第2の透明基板)
3 培養層
4 測定層
5 透過膜
6 細胞培養チャンバ
10 マイクロ流体デバイス
11 上部作用電極(第1の電極)
12 下部作用電極(第3の電極)
13 上部参照電極(第2の電極)
14 下部参照電極(第4の電極)
15 培養層流路(第1の流路)
16 測定層流路(第2の流路)
21~24 貫通孔
50(51~55) 解析モデル
90 細胞(細胞単層)
1 upper transparent substrate (first transparent substrate)
2 lower transparent substrate (second transparent substrate)
3
12 lower working electrode (third electrode)
13 upper reference electrode (second electrode)
14 lower reference electrode (fourth electrode)
15 culture layer channel (first channel)
16 measurement layer channel (second channel)
21-24 through-hole 50 (51-55)
Claims (11)
前記細胞培養チャンバの上側に配置される第1の電極および第2の電極と、
前記細胞培養チャンバの下側に配置される第3の電極および第4の電極と、
を備え、
前記第1の電極と前記第3の電極との間、および、前記第2の電極と前記第4の電極との間に、電圧が印加可能であり、
平面視において、前記第1の電極または前記第2の電極が前記細胞培養チャンバと重なる面積は、前記第1の電極または前記第2の電極が前記細胞培養チャンバと重ならない面積よりも広い、マイクロ流体デバイス。 a cell culture chamber;
a first electrode and a second electrode positioned above the cell culture chamber;
a third electrode and a fourth electrode positioned on the underside of the cell culture chamber;
with
a voltage can be applied between the first electrode and the third electrode and between the second electrode and the fourth electrode;
In a plan view, the area where the first electrode or the second electrode overlaps the cell culture chamber is larger than the area where the first electrode or the second electrode does not overlap the cell culture chamber. fluidic device.
前記第1の透明基板に対向して設けられ、表面に前記第3の電極および前記第4の電極が配置された第2の透明基板と、
をさらに備え、
前記細胞培養チャンバは、前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に設けられ、
前記第1の透明基板および前記第2の透明基板の間に設けられ、表面に細胞が載置される透過膜と、
前記第1の透明基板および前記透過膜の間に設けられ、前記細胞を培養するための培地が送液される第1の流路と、
前記第2の透明基板および前記透過膜の間に設けられ、前記培地が送液される第2の流路と、
を備え、
平面視において、前記第1の電極または前記第2の電極が前記第1の流路と重なる面積は、前記第1の電極または前記第2の電極が前記第1の流路と重ならない面積よりも広い、請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 a first transparent substrate on which the first electrode and the second electrode are arranged;
a second transparent substrate provided opposite to the first transparent substrate and having the third electrode and the fourth electrode disposed on the surface thereof;
further comprising
the cell culture chamber is provided between the first transparent substrate and the second transparent substrate;
a permeable membrane provided between the first transparent substrate and the second transparent substrate, on which cells are placed;
a first flow channel provided between the first transparent substrate and the permeable membrane, through which a medium for culturing the cells is fed;
a second flow path provided between the second transparent substrate and the permeable membrane, through which the culture medium is fed;
with
In plan view, the area where the first electrode or the second electrode overlaps the first flow path is larger than the area where the first electrode or the second electrode does not overlap the first flow path. 2. The microfluidic device of claim 1, wherein the is also wide.
前記第1の流路が前記第1の電極により覆われる領域は、前記第1の流路が前記第2の電極により覆われる領域よりも広く、
前記第3の電極および前記第4の電極が交互に配置された複数の組は、前記第2の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、
前記第2の流路が前記第3の電極により覆われる領域は、前記第2の流路が前記第4の電極により覆われる領域よりも広い、請求項2または3に記載のマイクロ流体デバイス。 A plurality of sets in which the first electrodes and the second electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the first transparent substrate,
The area where the first flow path is covered by the first electrode is wider than the area where the first flow path is covered by the second electrode, and
A plurality of sets in which the third electrodes and the fourth electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate,
4. The microfluidic device according to claim 2, wherein the area covered by the third electrode of the second channel is wider than the area covered by the fourth electrode of the second channel.
複数の前記第3の電極は、前記第2の透明基板の表面に間隔を空けて略対象に配置されており、前記第4の電極は前記複数の第3の電極の間に配置されている、請求項2または3に記載のマイクロ流体デバイス。 The plurality of first electrodes are arranged substantially symmetrically on the surface of the first transparent substrate at intervals, and the second electrode is arranged between the plurality of first electrodes. ,
The plurality of third electrodes are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate, and the fourth electrode is arranged between the plurality of third electrodes. , a microfluidic device according to claim 2 or 3.
前記第2の流路が前記第3の電極により覆われる領域は、前記第2の流路が前記第4の電極により覆われる領域よりも広い、請求項6に記載のマイクロ流体デバイス。 A plurality of sets in which the third electrodes and the fourth electrodes are alternately arranged are arranged substantially symmetrically at intervals on the surface of the second transparent substrate,
7. The microfluidic device according to claim 6, wherein the area of said second channel covered by said third electrode is larger than the area of said second channel covered by said fourth electrode.
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