JP7717364B2 - Organism-on-a-Chip - Google Patents
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Description
本発明は、生体機能チップに関する。 The present invention relates to a biofunction chip.
一般的な新薬開発では、臨床試験前に細胞培養又は動物実験等を行って、薬の安全性を確認している。しかしながら、培養された細胞は実際の人体細胞とは異なるため、薬の作用について適切な評価を得られないおそれがあり、また安全性が確認されていない薬を投与して行う動物実験には、動物愛護の観点から批判がある。したがって、従来とは異なる実験プラットフォームが必要とされている。 In general, new drug development involves conducting cell culture or animal testing before clinical trials to confirm the drug's safety. However, because cultured cells are different from actual human cells, there is a risk that an appropriate assessment of the drug's effects may not be obtained. In addition, animal testing involving the administration of drugs whose safety has not been confirmed has been criticized from the perspective of animal welfare. Therefore, a new experimental platform is needed.
これに対し、特許文献1には、新規な実験プラットフォームとなりうるマイクロチップ型の生体機能チップが開示されている。特許文献1の生体機能チップによれば、中央の多孔質メンブレンの上側に肺胞上皮細胞、下側に血管内皮細胞を培養し、そのメンブレンに垂直な壁面を左右から真空ポンプで駆動することで、周期的な伸縮を生み出し、培養した細胞に伸展による力学的な刺激を与え,生体内の肺胞の細胞環境を再現できる。 In response to this, Patent Document 1 discloses a microchip-type biofunctional chip that could serve as a novel experimental platform. According to the biofunctional chip in Patent Document 1, alveolar epithelial cells are cultured on the upper side of a central porous membrane, and vascular endothelial cells on the lower side. By driving the walls perpendicular to the membrane from the left and right with a vacuum pump, periodic expansion and contraction is generated, providing the cultured cells with a mechanical stimulus through stretching, thereby recreating the cellular environment of alveoli in vivo.
特許文献1の生体機能チップ自体は比較的小さいが、真空ポンプやシリンジポンプ等の周辺機器及び配管が必要であり、これらを装着することにより大型化した生体機能チップを含むユニットが、インキュベータに収まらない等の課題がある。このため、ポンプまで含めて、より小型化された生体機能チップが必要とされている。 The biofunction chip in Patent Document 1 itself is relatively small, but it requires peripheral equipment such as a vacuum pump and syringe pump, as well as piping, and the addition of these devices poses issues such as the unit containing the enlarged biofunction chip not being able to fit into an incubator. For this reason, there is a need for a more compact biofunction chip that includes the pump.
近年、機能性流体を利用したマイクロポンプの研究が進められている。機能性流体とは、外的刺激により特有の機能性を発現する流体の総称である。機能性流体には、磁性流体、磁気粘性流体、電気粘性流体、電界共役流体などがあり、これらを用いたアクチュエータは工業製品などに既に使用されている。 In recent years, research has been progressing on micropumps that use functional fluids. Functional fluids are a general term for fluids that exhibit specific functionality in response to external stimuli. Functional fluids include magnetic fluids, magnetorheological fluids, electrorheological fluids, and electroconjugate fluids, and actuators using these fluids are already being used in industrial products.
機能性流体の一つである電界共役流体(Electro-conjugate fluid:以下、ECFという)は、直流電圧の印加によって活発な流動を発生する機能性流体である。ECFを用いたポンプは、機械的構成を必要とせずに微小な電極への電圧印加だけで流動を発生できることから、小型の流体配給システムに適した液圧源として期待されている。 Electro-conjugate fluids (ECFs), one type of functional fluid, are functional fluids that generate active flow when a direct current voltage is applied. Pumps using ECFs can generate flow simply by applying voltage to tiny electrodes, without requiring any mechanical configuration, and are therefore expected to serve as a hydraulic pressure source suitable for small fluid distribution systems.
そこで本発明は、ECFを用いたマイクロポンプを内蔵した小型の生体機能チップを提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a small biofunction chip with a built-in micropump that uses ECF.
上記目的を達成するために、代表的な本発明の生体機能チップの一つは、
細胞を培養可能な面を備えた第1弾性膜と、
前記第1弾性膜を保持する保持板と、
前記保持板内に形成された圧力室と、
前記圧力室に接続された駆動路と、
前記圧力室及び前記駆動路内に注入された作動流体と、
前記駆動路内に配置された電極ユニットと、を有し、
前記電極ユニットに直流電圧が印加されたとき、前記駆動路内を作動流体が移動して前記圧力室の圧力が変化することにより、前記第1弾性膜に引っ張り応力を付与する、ことにより達成される。
In order to achieve the above object, one representative biofunction chip of the present invention is:
a first elastic membrane having a surface on which cells can be cultured;
a holding plate that holds the first elastic membrane;
a pressure chamber formed in the holding plate;
a drive path connected to the pressure chamber;
a working fluid injected into the pressure chamber and the drive path;
an electrode unit disposed within the drive path;
This is achieved by applying a DC voltage to the electrode unit, causing the working fluid to move within the drive path and changing the pressure in the pressure chamber, thereby applying a tensile stress to the first elastic membrane.
本発明によれば、ECFを用いたマイクロポンプを内蔵した小型の生体機能チップを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
According to the present invention, it is possible to provide a small biofunction chip incorporating a micropump using ECF.
Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of the embodiments.
以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。 The following describes specific embodiments of the present invention.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態にかかる生体機能チップ10の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図2は、生体機能チップ10を分解して示す斜視図である。図3は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。第1実施形態の生体機能チップ10は、単軸引っ張り両側ポンプ駆動タイプである。
(First embodiment)
Fig. 1 is a perspective view of a biofunction chip 10 according to a first embodiment, with the internal structure indicated by dotted lines. Fig. 2 is an exploded perspective view of the biofunction chip 10. Fig. 3 is a perspective view of the upper plate, showing the internal structure. The biofunction chip 10 of the first embodiment is a single-axis tension, double-sided pump-driven type.
生体機能チップ10は、例えば縦6cm×横4cm程度のサイズを持つ薄形の略矩形板形状であって、上板11と、弾性膜(ここでは第1弾性膜とする)12と、下板13と、ポンプ基板14とから構成される。上板11と下板13とで保持板を構成する。生体機能チップ10は、半導体製造工程を使用して形成されると、微細な構成を有するにも関わらず大量生産が可能である。またその製造方法は、特定の製造方法に限定されるものではない。 The biofunction chip 10 is a thin, roughly rectangular plate with dimensions of, for example, 6 cm long x 4 cm wide, and is composed of an upper plate 11, an elastic membrane (referred to here as the first elastic membrane) 12, a lower plate 13, and a pump substrate 14. The upper plate 11 and lower plate 13 form a holding plate. When the biofunction chip 10 is formed using semiconductor manufacturing processes, it can be mass-produced despite its fine structure. Furthermore, the manufacturing method is not limited to any particular method.
図2において、シリコンゴムなどの可撓性の素材から製作される上板11には、長手方向の両端近傍に形成された第1入口孔11p、第2入口孔11q、第1出口孔11s、第2出口孔11tが、それぞれ上下方向に貫通するように形成されている。 In Figure 2, the upper plate 11 is made of a flexible material such as silicone rubber, and has a first inlet hole 11p, a second inlet hole 11q, a first outlet hole 11s, and a second outlet hole 11t formed near both ends of the longitudinal direction, each penetrating the plate in the vertical direction.
また上板11の下面には、図3に示すように、矩形断面の上左溝11aと、上中溝11bと、上右溝11cが長手方向に沿って平行して延在するように形成されている。上左溝11aと上中溝11bとの間には、第1上隔壁11dが形成され、また上中溝11bと上右溝11cとの間には、第2上隔壁11eが形成されている。 As shown in Figure 3, the lower surface of the upper plate 11 is formed with an upper left groove 11a, an upper middle groove 11b, and an upper right groove 11c, each with a rectangular cross section, extending parallel to one another in the longitudinal direction. A first upper partition wall 11d is formed between the upper left groove 11a and the upper middle groove 11b, and a second upper partition wall 11e is formed between the upper middle groove 11b and the upper right groove 11c.
上左溝11aと、上中溝11bと、上右溝11cは、第1入口孔11pの近傍から、第1出口孔11sの近傍まで延在している。上中溝11bと第1入口孔11pとは、上側流路溝11gを介して連結されており、また上中溝11bと第1出口孔11sとは、上側流路溝11hを介して連結されている。 The upper left groove 11a, the upper middle groove 11b, and the upper right groove 11c extend from near the first inlet hole 11p to near the first outlet hole 11s. The upper middle groove 11b and the first inlet hole 11p are connected via the upper flow path groove 11g, and the upper middle groove 11b and the first outlet hole 11s are connected via the upper flow path groove 11h.
さらに上板11には、第1注入孔11i、第2注入孔11j、第3注入孔11k、第4注入孔11mが、それぞれ上下方向に貫通するように形成されている。第1注入孔11iは、上左溝11aの一端に注入用溝11nを介して連結され、第2注入孔11jは、上左溝11aの他端に注入用溝11oを介して連結されている。また、第3注入孔11kは、上右溝11cの一端に注入用溝11rを介して連結され、第4注入孔11mは、上右溝11cの他端に注入用溝11uを介して連結されている。 The upper plate 11 is further formed with a first injection hole 11i, a second injection hole 11j, a third injection hole 11k, and a fourth injection hole 11m, each of which penetrates vertically. The first injection hole 11i is connected to one end of the upper left groove 11a via injection groove 11n, and the second injection hole 11j is connected to the other end of the upper left groove 11a via injection groove 11o. The third injection hole 11k is connected to one end of the upper right groove 11c via injection groove 11r, and the fourth injection hole 11m is connected to the other end of the upper right groove 11c via injection groove 11u.
上左溝11aと、上中溝11bと、上右溝11cを挟んだ両側において、上板11に、第1矩形開口11vと第2矩形開口11wが上下方向に貫通して形成されている。上板11の第1矩形開口11vと第2矩形開口11wの周囲上面に、可撓性の膜部材15a,15bがそれぞれ接着され、第1矩形開口11vと第2矩形開口11wの上端を閉鎖している。 A first rectangular opening 11v and a second rectangular opening 11w are formed in the upper plate 11 on both sides of the upper left groove 11a, upper middle groove 11b, and upper right groove 11c, penetrating the upper plate 11 in the vertical direction. Flexible membrane members 15a and 15b are adhered to the upper surfaces of the first rectangular opening 11v and the second rectangular opening 11w, respectively, closing the upper ends of the first rectangular opening 11v and the second rectangular opening 11w.
第1矩形開口11vと第2矩形開口11wに隣接して、上板11の下面に、第1凹部111と第2凹部113とが形成されている。第1矩形開口11vと第1凹部111とは、連通溝11xにより連結され、第2矩形開口11wと第2凹部113とは、連通溝11yにより連結されている。 A first recess 111 and a second recess 113 are formed on the underside of the upper plate 11, adjacent to the first rectangular opening 11v and the second rectangular opening 11w. The first rectangular opening 11v and the first recess 111 are connected by a communicating groove 11x, and the second rectangular opening 11w and the second recess 113 are connected by a communicating groove 11y.
次に、下板13について説明する。下板13も、シリコンゴムなどの可撓性の素材から製作される。図2において、上板11と同一の外形を有する下板13の上面には、上板11の第2入口孔11qに対応して入口側凹部13qが形成され、また第2出口孔11tに対応して、出口側凹部13tが形成されている。 Next, we will explain the lower plate 13. The lower plate 13 is also made of a flexible material such as silicone rubber. In Figure 2, the upper surface of the lower plate 13, which has the same outer shape as the upper plate 11, has an inlet-side recess 13q formed in correspondence with the second inlet hole 11q of the upper plate 11, and an outlet-side recess 13t formed in correspondence with the second outlet hole 11t.
また下板13の上面には、矩形断面の下左溝13aと、下中溝13bと、下右溝13cが、それぞれ上左溝11aと、上中溝11bと、上右溝11cに対応して形成されている。さらに下左溝13aと下中溝13bとの間には、第1下隔壁13dが形成され、また下中溝13bと下右溝13cとの間には、第2下隔壁13eが形成されている。 The upper surface of the lower plate 13 is formed with a lower left groove 13a, a lower middle groove 13b, and a lower right groove 13c, each with a rectangular cross section, corresponding to the upper left groove 11a, the upper middle groove 11b, and the upper right groove 11c, respectively. Furthermore, a first lower partition wall 13d is formed between the lower left groove 13a and the lower middle groove 13b, and a second lower partition wall 13e is formed between the lower middle groove 13b and the lower right groove 13c.
下中溝13bと入口側凹部13qとは、下側流路溝13gを介して連結されており、また下中溝13bと出口側凹部13tとは、下側流路溝13hを介して連結されている。 The lower central groove 13b and the inlet recess 13q are connected via the lower flow path groove 13g, and the lower central groove 13b and the outlet recess 13t are connected via the lower flow path groove 13h.
下左溝13aと、下中溝13bと、下右溝13cを挟んだ両側において、上下に貫通するようにして第1孔131及び第1凹部132と、第2孔133及び第2凹部134とが形成されている。第1凹部132は、第1溝135を介して下左溝13aに連通し、また第2凹部134は、第2溝136を介して下右溝13cに連通している。 A first hole 131 and a first recess 132, as well as a second hole 133 and a second recess 134, are formed on both sides of the lower left groove 13a, the lower middle groove 13b, and the lower right groove 13c, penetrating vertically. The first recess 132 is connected to the lower left groove 13a via the first groove 135, and the second recess 134 is connected to the lower right groove 13c via the second groove 136.
次に弾性膜12について説明する。上板11と下板13とに挟持される弾性膜12には、上板11の第2入口孔11qに対応して貫通孔12qが形成され、第2出口孔11tに対応して貫通孔12tが形成されている。また、弾性膜12には、下板13の第1孔131に対応して貫通孔121が形成され、第2孔133に対応して貫通孔123が形成されている。 Next, the elastic membrane 12 will be described. The elastic membrane 12 is sandwiched between the upper plate 11 and the lower plate 13. A through-hole 12q is formed in the elastic membrane 12 corresponding to the second inlet hole 11q of the upper plate 11, and a through-hole 12t is formed in the elastic membrane 12 corresponding to the second outlet hole 11t. Furthermore, a through-hole 121 is formed in the elastic membrane 12 corresponding to the first hole 131 of the lower plate 13, and a through-hole 123 is formed in the elastic membrane 12 corresponding to the second hole 133.
弾性膜12の上中溝11bと下中溝13bとに挟持される領域は、微細な孔が多数形成された多孔質部125となっている。多孔質部125の上面には、例えば肺胞上皮細胞が培養され、その下面には血管内皮細胞が培養される。 The area sandwiched between the upper and lower grooves 11b and 13b of the elastic membrane 12 forms a porous portion 125 with numerous fine pores. For example, alveolar epithelial cells are cultured on the upper surface of the porous portion 125, and vascular endothelial cells are cultured on the lower surface.
多孔質部125の両側には、上左溝11aおよび下左溝13aに対応する第1開口部12aと、上右溝11cおよび下右溝13cに対応する第2開口部12cとが形成されている。 On both sides of the porous portion 125, a first opening 12a corresponding to the upper left groove 11a and the lower left groove 13a, and a second opening 12c corresponding to the upper right groove 11c and the lower right groove 13c, are formed.
図2において、上板11の下面に弾性膜12が接着されたとき、上中溝11bの開放する下端が弾性膜12により遮蔽される。このとき、第1上隔壁11dと第2上隔壁11eが、多孔質部125を挟むようにして弾性膜12に接合され、これにより上中溝11bが密封される。また上側流路溝11g、11hの下端が弾性膜12により遮蔽される。 In Figure 2, when the elastic membrane 12 is bonded to the underside of the upper plate 11, the open lower end of the upper-middle groove 11b is blocked by the elastic membrane 12. At this time, the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e are joined to the elastic membrane 12 so as to sandwich the porous portion 125, thereby sealing the upper-middle groove 11b. In addition, the lower ends of the upper flow channel grooves 11g and 11h are blocked by the elastic membrane 12.
上中溝11bと弾性膜12とにより囲われる空間を上側試験流路UPとし、上側流路溝11g、11hと弾性膜12により囲われる空間を、それぞれ上側連通路UP1,UP2とする。多孔質部125の上面に培養された肺胞上皮細胞は、上側試験流路UPを通過する液体に接触可能である。ここで、第1入口孔11pが、上側連通路UP1を介して上側試験流路UPに接続され、また第1出口孔11sが、上側連通路UP2を介して上側試験流路UPに接続される。 The space enclosed by the upper-middle groove 11b and the elastic membrane 12 is the upper test flow path UP, and the spaces enclosed by the upper flow path grooves 11g and 11h and the elastic membrane 12 are the upper communication paths UP1 and UP2, respectively. Alveolar epithelial cells cultured on the upper surface of the porous portion 125 can come into contact with liquid passing through the upper test flow path UP. Here, the first inlet hole 11p is connected to the upper test flow path UP via the upper communication path UP1, and the first outlet hole 11s is connected to the upper test flow path UP via the upper communication path UP2.
図2において、上板11の下面に弾性膜12が接着されたとき、第1矩形開口11vと連通溝11xの下端が弾性膜12により遮蔽される。上端及び下端が遮蔽された第1矩形開口11vが、第1リザーバRV1を構成する。 In Figure 2, when the elastic membrane 12 is adhered to the underside of the upper plate 11, the first rectangular opening 11v and the lower end of the communication groove 11x are blocked by the elastic membrane 12. The first rectangular opening 11v with its upper and lower ends blocked constitutes the first reservoir RV1.
さらに、上板11の下面に弾性膜12が接着されたとき、第2矩形開口11wと連通溝11yの下端が弾性膜12により遮蔽される。上端及び下端が遮蔽された第2矩形開口11wが、第2リザーバRV2を構成する。 Furthermore, when the elastic membrane 12 is adhered to the underside of the upper plate 11, the second rectangular opening 11w and the lower end of the communication groove 11y are blocked by the elastic membrane 12. The second rectangular opening 11w with its upper and lower ends blocked constitutes the second reservoir RV2.
さらに、上板11の下面に弾性膜12が接着されたとき、下端が遮蔽された連通溝11xが、後述する第1駆動路DP1の一部を構成し、また下端が遮蔽された連通溝11yが、後述する第2駆動路DP2の一部を構成する。 Furthermore, when the elastic membrane 12 is adhered to the lower surface of the upper plate 11, the communication groove 11x with its lower end blocked forms part of the first drive path DP1, which will be described later, and the communication groove 11y with its lower end blocked forms part of the second drive path DP2, which will be described later.
また、上板11の下面に弾性膜12が接着されたとき、第1注入孔11iと注入用溝11nの開放する下端、および第2注入孔11jと注入用溝11oの開放する下端が弾性膜12により遮蔽され、後述する第1圧力室PC1に連通する注入路PP1、PP2がそれぞれ形成される。また、第3注入孔11kと注入用溝11rの開放する下端、および第4注入孔11mと注入用溝11uの開放する下端が弾性膜12により遮蔽され、後述する第2圧力室PC2に連通する注入路PP3,PP4が形成される。 When the elastic membrane 12 is bonded to the underside of the upper plate 11, the open lower ends of the first injection hole 11i and injection groove 11n, and the open lower ends of the second injection hole 11j and injection groove 11o are blocked by the elastic membrane 12, forming injection paths PP1 and PP2 that communicate with the first pressure chamber PC1, which will be described later. The open lower ends of the third injection hole 11k and injection groove 11r, and the open lower ends of the fourth injection hole 11m and injection groove 11u are blocked by the elastic membrane 12, forming injection paths PP3 and PP4 that communicate with the second pressure chamber PC2, which will be described later.
図2において、さらに下板13の上面に弾性膜12が接着されたとき、下中溝13bの開放する上端が弾性膜12により遮蔽される。このとき、第1上隔壁11dと第2上隔壁11eに対向する第1下隔壁13dと第2下隔壁13eが、多孔質部125を挟むようにして弾性膜12に接合され、これにより下中溝13bが密封される。また下側流路溝13g、13hの上端が弾性膜12により遮蔽される。 In Figure 2, when an elastic membrane 12 is further bonded to the upper surface of the lower plate 13, the open upper end of the lower center groove 13b is blocked by the elastic membrane 12. At this time, the first lower partition 13d and the second lower partition 13e, which face the first upper partition 11d and the second upper partition 11e, are joined to the elastic membrane 12 so as to sandwich the porous portion 125, thereby sealing the lower center groove 13b. The upper ends of the lower flow channel grooves 13g and 13h are also blocked by the elastic membrane 12.
下中溝13bと弾性膜12とにより囲われる空間を下側試験流路LPとし、下側流路溝13g、13hと弾性膜12により囲われる空間を、それぞれ下側連通路LP1,LP2とする。多孔質部125の下面に培養された血管内皮細胞は、下側試験流路LPを通過する液体に接触可能である。 The space surrounded by the lower-middle groove 13b and the elastic membrane 12 is referred to as the lower test flow path LP, and the spaces surrounded by the lower flow path grooves 13g and 13h and the elastic membrane 12 are referred to as the lower communication paths LP1 and LP2, respectively. Vascular endothelial cells cultured on the lower surface of the porous portion 125 can come into contact with liquid passing through the lower test flow path LP.
弾性膜12の第1開口部12aを介して、上左溝11aと下左溝13aが連通し、また上右溝11cと下右溝13cが連通する。また、第1溝135及び第2溝136の上端が、弾性膜12により遮蔽される。上左溝11aと下左溝13aとにより、第1圧力室PC1が形成され、上右溝11cと下右溝13cとにより、第2圧力室PC2が形成される。 Through the first opening 12a in the elastic membrane 12, the upper left groove 11a and the lower left groove 13a communicate with each other, and the upper right groove 11c and the lower right groove 13c communicate with each other. The upper ends of the first groove 135 and the second groove 136 are blocked by the elastic membrane 12. The upper left groove 11a and the lower left groove 13a form a first pressure chamber PC1, and the upper right groove 11c and the lower right groove 13c form a second pressure chamber PC2.
また、弾性膜12により遮蔽された第1溝135が、第1圧力室PC1と第1凹部132を連通するようにして、第1駆動路DP1の一部を構成し、弾性膜12により遮蔽された第2溝136が、第2圧力室PC2と第2凹部134を連通するようにして、第2駆動路DP2の一部構成する。 Furthermore, the first groove 135, which is shielded by the elastic membrane 12, connects the first pressure chamber PC1 and the first recess 132, thereby constituting part of the first drive path DP1, and the second groove 136, which is shielded by the elastic membrane 12, connects the second pressure chamber PC2 and the second recess 134, thereby constituting part of the second drive path DP2.
弾性膜12の両面が上板11と下板13とに接着された状態で、第2入口孔11qと入口側凹部13qとは貫通孔12qを介して連通して、また第2出口孔11tと出口側凹部13tとは貫通孔12tを介して連通する。第2入口孔11qは、下側連通路LP1を介して下側試験流路LPに連通し、第2出口孔11tは、下側連通路LP2を介して下側試験流路LPに連通する。 With both sides of the elastic membrane 12 bonded to the upper plate 11 and lower plate 13, the second inlet hole 11q and the inlet-side recess 13q communicate via the through-hole 12q, and the second outlet hole 11t and the outlet-side recess 13t communicate via the through-hole 12t. The second inlet hole 11q communicates with the lower test flow path LP via the lower communication path LP1, and the second outlet hole 11t communicates with the lower test flow path LP via the lower communication path LP2.
次に、ポンプ基板14について説明する。ポンプ基板14は、例えば上下に貫通した溝や孔を形成した板と、平板とを組み合わせた例を示しているが、1枚の板材から形成されていてもよい。後述する実施形態においても同様である。 Next, the pump substrate 14 will be described. While the pump substrate 14 is shown as an example made up of a combination of a plate with vertically extending grooves or holes and a flat plate, it may also be made from a single plate. This also applies to the embodiments described below.
ポンプ基板14の上面には、蛇行した第1蛇行溝147と第2蛇行溝148とが形成されている。第1蛇行溝147及び第2蛇行溝148には、直列に配置された複数の電極ユニット16と、給電用の配線(不図示)が形成されている。ポンプ基板14の上面に下板13を接合することで、駆動路DP1,DP2が形成され、電極ユニット16は、駆動路DP1,DP2内に配置されることとなる。ECFが充填された駆動路DP1,DP2と、電極ユニット16とによりマイクロポンプを構成する。 A first serpentine groove 147 and a second serpentine groove 148 are formed on the top surface of the pump substrate 14. A plurality of electrode units 16 arranged in series and power supply wiring (not shown) are formed in the first serpentine groove 147 and the second serpentine groove 148. By joining the lower plate 13 to the top surface of the pump substrate 14, drive paths DP1 and DP2 are formed, and the electrode units 16 are disposed within the drive paths DP1 and DP2. The drive paths DP1 and DP2 filled with ECF and the electrode units 16 form a micropump.
第1蛇行溝147の一端には凹部141が形成され、その他端に凹部142が形成されており、また第2蛇行溝148の一端には凹部143が形成され、その他端に凹部144が形成されている。 A recess 141 is formed at one end of the first serpentine groove 147 and a recess 142 is formed at the other end, and a recess 143 is formed at one end of the second serpentine groove 148 and a recess 144 is formed at the other end.
ポンプ基板14を下板13に接合したときに、凹部141が、下板13の第1孔131及び弾性膜12の貫通孔121を介して、第1凹部111と連通するため、第1駆動路DP1の一端は、第1リザーバRV1に接続される。また、凹部142が、第1凹部132に連通するため、第1駆動路DP1の他端は、第1圧力室PC1に接続される。 When the pump substrate 14 is bonded to the lower plate 13, the recess 141 communicates with the first recess 111 via the first hole 131 in the lower plate 13 and the through-hole 121 in the elastic membrane 12, so one end of the first drive path DP1 is connected to the first reservoir RV1. Furthermore, the recess 142 communicates with the first recess 132, so the other end of the first drive path DP1 is connected to the first pressure chamber PC1.
また、ポンプ基板14を下板13に接合したときに、凹部143が、下板13の第2孔133及び弾性膜12の貫通孔123を介して、第2凹部113と連通するため、第2駆動路DP2の一端は、第2リザーバRV2に接続される。また、凹部144が、第2凹部134に連通するため、第2駆動路DP2の他端は、第2圧力室PC2に接続される。 Furthermore, when the pump substrate 14 is joined to the lower plate 13, the recess 143 communicates with the second recess 113 via the second hole 133 in the lower plate 13 and the through-hole 123 in the elastic membrane 12, so one end of the second drive path DP2 is connected to the second reservoir RV2. Furthermore, the recess 144 communicates with the second recess 134, so the other end of the second drive path DP2 is connected to the second pressure chamber PC2.
図4は、第1駆動路DP1及び第2駆動路DP2内に配置された電極ユニット16を模式的に示す図である。電極ユニット16は、スリット電極(正電極ともいう)16aと、三角柱電極(負電極ともいう)16bとを有する。他の電極ユニット16も同様の構成を有する。第1駆動路DP1の内壁を構成するポンプ基板14、及び下板13(図4にて不図示)は、それぞれ絶縁体から形成されている。 Figure 4 is a schematic diagram showing the electrode units 16 arranged in the first drive path DP1 and the second drive path DP2. The electrode unit 16 has a slit electrode (also called a positive electrode) 16a and a triangular prism electrode (also called a negative electrode) 16b. The other electrode units 16 have a similar configuration. The pump substrate 14 and lower plate 13 (not shown in Figure 4), which form the inner wall of the first drive path DP1, are each made of an insulator.
スリット電極16aは、駆動路DP1(またはDP2)の軸線を挟んで両側に、隙間を開けて配置されている。一方、三角柱電極16bは、尖った先端をスリット電極16aの隙間に向けている。 The slit electrodes 16a are arranged on both sides of the axis of the drive path DP1 (or DP2), with a gap between them. On the other hand, the triangular prism electrode 16b has its pointed tip facing the gap between the slit electrodes 16a.
直流電源から、スリット電極16aと、三角柱電極16bに対し、数十V~数十kVの高電圧である直流電圧を印加可能である。スリット電極16aは正極側に接続され、三角柱電極16bは負極側に接続される。 A high DC voltage of several tens of volts to several tens of kV can be applied from a DC power supply to the slit electrode 16a and the triangular prism electrode 16b. The slit electrode 16a is connected to the positive electrode, and the triangular prism electrode 16b is connected to the negative electrode.
図2において、ポンプ基板14、下板13、弾性膜12、および上板11を積層して接合することにより、生体機能チップ10が形成される。まず、膜部材15a、15bを接着する前の状態で、以下のようにして圧力室PC1,PC2にECFを注入する。 In Figure 2, the biofunction chip 10 is formed by stacking and bonding the pump substrate 14, lower plate 13, elastic membrane 12, and upper plate 11. First, before bonding the membrane members 15a and 15b, ECF is injected into the pressure chambers PC1 and PC2 as follows.
図1を参照して、注入孔11iからECFを注入すると、注入されたECFは、注入路PP1を介して第1圧力室PC1を満たし、さらに第1駆動路DP1を介して第1リザーバRV1に至る。余剰のECFは、第1圧力室PC1から注入路PP2を通過して注入孔11jより外部に溢れ出る。注入が完了した後に、注入孔11iと注入孔11jを、クランプなどを用いて閉じるとともに、第1リザーバRV1の上部を膜部材15aにより遮蔽する。ただし、注入ポートを閉じる手法は以上に限られない。 Referring to FIG. 1, when ECF is injected through injection hole 11i, the injected ECF fills the first pressure chamber PC1 via injection path PP1 and then reaches the first reservoir RV1 via the first drive path DP1. Excess ECF passes from the first pressure chamber PC1 through injection path PP2 and overflows to the outside through injection hole 11j. After the injection is complete, injection holes 11i and 11j are closed using a clamp or the like, and the top of the first reservoir RV1 is sealed with membrane member 15a. However, the method of closing the injection port is not limited to the above.
同様に、注入孔11kからECFを注入すると、注入されたECFは、注入路PP3を介して第2圧力室PC2を満たし、さらに第2駆動路DP2を介して第2リザーバRV2に至る。余剰のECFは、第2圧力室PC2から注入路PP4を通過して注入孔11mより外部に溢れ出る。注入が完了した後に、注入孔11kと注入孔11mを、クランプなどを用いて閉じるとともに、第2リザーバRV2の上部を膜部材15bにより遮蔽する。ただし、注入ポートを閉じる手法は以上に限られない。ECFとしては、例えば米国特許第6495071号に記載された流体が用いられるが、これに限られない。 Similarly, when ECF is injected through injection hole 11k, the injected ECF fills the second pressure chamber PC2 via injection path PP3 and then reaches the second reservoir RV2 via the second drive path DP2. Excess ECF passes from the second pressure chamber PC2 through injection path PP4 and overflows to the outside through injection hole 11m. After the injection is complete, injection holes 11k and 11m are closed using a clamp or the like, and the top of the second reservoir RV2 is sealed with membrane member 15b. However, the method of closing the injection port is not limited to the above. For example, a fluid described in U.S. Patent No. 6,495,071 can be used as ECF, but this is not limiting.
(生体機能チップの動作)
図5Aは、第1実施形態の生体機能チップ10の動作を模式的に示す概略断面図である。図5A中、駆動路DP1,DP2に単一の電極ユニット16が示されているが、実際には複数の電極ユニット16が直列に配置されている。なお、第1駆動路DP1における電極ユニット16の三角柱電極16bは、第1圧力室PC1側に配置され、また第2駆動路DP2における電極ユニット16の三角柱電極16bは、第2圧力室PC2側に配置されているものとする。各電極ユニット16は、直流電源DCに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。
(Operation of the biofunction chip)
5A is a schematic cross-sectional view showing the operation of the biofunctional chip 10 of the first embodiment. While a single electrode unit 16 is shown on each of the drive paths DP1 and DP2 in FIG. 5A, in reality, multiple electrode units 16 are arranged in series. Note that the triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the first drive path DP1 is arranged on the first pressure chamber PC1 side, and the triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the second drive path DP2 is arranged on the second pressure chamber PC2 side. Each electrode unit 16 is connected to a direct current power source DC, and the power supply is controlled in an integrated manner by a control device (not shown).
予め、多孔質部125の上面には肺胞上皮細胞が培養され、その側面に、第1圧力室PC1の内壁の一部を構成する第1上隔壁11dと第2上隔壁11eとが密着している。また、多孔質部125の下面には血管内皮細胞が培養され、その側面に、第2圧力室PC2の内壁の一部を構成する第1下隔壁13dと第2下隔壁13eとが密着している。 Alveolar epithelial cells are cultured in advance on the upper surface of the porous portion 125, with the first upper partition wall 11d and second upper partition wall 11e, which form part of the inner wall of the first pressure chamber PC1, tightly adhering to their side surfaces. Vascular endothelial cells are cultured on the lower surface of the porous portion 125, with the first lower partition wall 13d and second lower partition wall 13e, which form part of the inner wall of the second pressure chamber PC2, tightly adhering to their side surfaces.
さらに第1入口孔11pから空気が注入され、注入された空気は上側連通路UP1を通って、上側試験流路UP内に進入して肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、上側試験流路UPから下流側の上側連通路UP2を通過して、第1出口孔11sから排出される。なお、空気の代わりに液体を注入してもよい。 Furthermore, air is injected through the first inlet hole 11p. The injected air passes through the upper connecting passage UP1, enters the upper test flow path UP, and comes into contact with the alveolar epithelial cells. Excess air passes through the upper connecting passage UP2 downstream from the upper test flow path UP and is discharged through the first outlet hole 11s. Note that a liquid may be injected instead of air.
一方、第2入口孔11qから血液が注入され、注入された血液は下側連通路LP1を通って、下側試験流路LP内に進入して血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、下側試験流路LPから下流側の下側連通路LP2を通過して、第2出口孔11tから排出される。なお、上側連通路UP1及び下側連通路LP1に注入される気体または液体は、培養される細胞に合わせて適宜選択できる。 Meanwhile, blood is injected through the second inlet hole 11q. The injected blood passes through the lower connecting passage LP1, enters the lower test flow path LP, and comes into contact with vascular endothelial cells. Excess blood passes through the lower connecting passage LP2 downstream from the lower test flow path LP, and is discharged from the second outlet hole 11t. The gas or liquid injected into the upper connecting passage UP1 and the lower connecting passage LP1 can be selected appropriately depending on the cells being cultured.
制御装置からの信号により、駆動路DP1、DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力は大気と同等である。このため、図5A(a)に示すように、第1上隔壁11dと第2上隔壁11e、及び第1下隔壁13dと第2下隔壁13eは、変形前の状態に維持される。 When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive paths DP1 and DP2, the internal pressure of pressure chambers PC1 and PC2 is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 5A (a), the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e, and the first lower partition wall 13d and the second lower partition wall 13e are maintained in their pre-deformation states.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP1、DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP1、DP2内のECFが、図5A(b)に示すように、圧力室PC1,圧力室PC2からリザーバRV1,RV2側に向かって流動する。リザーバRV1,RV2は、膜部材15a、15bが弾性変形することで、流動してきたECFを貯留する容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive paths DP1 and DP2 in response to a signal from the control device, the ECF in the drive paths DP1 and DP2 flows from the pressure chambers PC1 and PC2 toward the reservoirs RV1 and RV2, as shown in Figure 5A (b). The elastic deformation of the membrane members 15a and 15b allows the reservoirs RV1 and RV2 to increase their capacity for storing the flowing ECF.
ECFの流動により、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力が低下するため、第1上隔壁11dと第2上隔壁11eが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図5A(b)に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第1下隔壁13dと第2下隔壁13eが離間するように付勢され、血管内皮細胞の両側面も図5A(b)に示すように左右方向に引っ張られる。これにより,肺胞上皮細胞および血管内皮細胞に伸展刺激を与え、生体内の肺胞の環境を再現することができる。 The flow of ECF reduces the internal pressure of pressure chambers PC1 and PC2, which forces the first upper partition 11d and the second upper partition 11e apart, pulling both sides of the alveolar epithelial cells left and right as shown in Figure 5A(b). The first lower partition 13d and the second lower partition 13e are also forced apart, pulling both sides of the vascular endothelial cells left and right as shown in Figure 5A(b). This provides a stretching stimulus to the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells, making it possible to recreate the alveolar environment in vivo.
電極ユニット16への給電を停止すると、膜部材15a、15bが弾性変形から復帰するため、リザーバRV1,RV2からECFが圧力室PC1,圧力室PC2に戻り、その内部圧力が元に戻る。これにより、第1上隔壁11dと第2上隔壁11e、及び第1下隔壁13dと第2下隔壁13eは、図5A(a)に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。さらに、多孔質部125の膜自身の弾性力によって上隔壁11dと11e,及び下隔壁13dと13eが元の位置へと復帰する。 When power supply to the electrode unit 16 is stopped, the membrane members 15a and 15b return from elastic deformation, allowing ECF to return from reservoirs RV1 and RV2 to pressure chambers PC1 and PC2, restoring their internal pressures. This causes the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e, and the first lower partition wall 13d and the second lower partition wall 13e, to return to their original positions shown in Figure 5A(a), causing the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells to return to their original states. Furthermore, the elastic force of the porous portion 125 membrane itself causes the upper partition walls 11d and 11e, and the lower partition walls 13d and 13e, to return to their original positions.
このように、電極ユニット16への給電と停電とを繰り返すことで、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞が膨縮動作を繰り返して行うため、あたかも人体の肺のごとく、肺胞内の酸素と血液中の二酸化炭素とのガス交換を、多孔質部125を介して実現することができる。この実施形態の生体機能チップ10によれば、例えば呼吸によるウイルス感染(空気感染)により引き起こされる血液の変化を再現したり、あるいは血液中に薬液を注入したときに、ガス交換の効率がどのように変化するか等、動物実験を経なくても精度良く評価することができる。 In this way, by repeatedly supplying power to the electrode unit 16 and cutting it off, the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells repeatedly expand and contract, allowing gas exchange between oxygen in the alveoli and carbon dioxide in the blood to be achieved through the porous portion 125, just like in the lungs of a human body. The biofunctional chip 10 of this embodiment can accurately evaluate, for example, changes in blood caused by a viral infection (airborne infection) due to breathing, or how the efficiency of gas exchange changes when a drug solution is injected into the blood, without the need for animal testing.
(変形例)
特に生体内では,血管が分岐する付近で血液の流れが不均一になり,血管内皮細胞にかかるせん断力による力学的刺激も不均一になる。このような構造を含む変形例にかかる生体機能チップ10’を、以下に示す。
(Modification)
In particular, in a living body, blood flow becomes uneven near where blood vessels branch, and the mechanical stimulation due to shear force acting on vascular endothelial cells also becomes uneven. A biofunction chip 10' according to a modified example including such a structure is shown below.
図5Bは、生体機能チップ10’の下板13’を示す斜視図であり、図5Cは、下板13’の上面図である。生体機能チップ10’において、下板13’以外の構成は、第1実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。 Figure 5B is a perspective view showing the lower plate 13' of the biofunction chip 10', and Figure 5C is a top view of the lower plate 13'. The configuration of the biofunction chip 10' other than the lower plate 13' is the same as in the first embodiment, so repeated explanations will be omitted.
下板13’は、第1実施形態の下板13に対して、下中溝13b’の形状が異なる。それ以外の構成は、第1実施形態の下板13と同様であるため、共通する構成については同じ符号を付して、その説明を省略する。 The lower plate 13' differs from the lower plate 13 of the first embodiment in the shape of the lower center groove 13b'. Other configurations are the same as the lower plate 13 of the first embodiment, so the same reference numerals are used for common configurations and their description will be omitted.
図5Cにおいて、下隔壁13d、13eに挟まれた下中溝13’の中央には、下隔壁13d、13eに平行して延在する中央下隔壁13xが形成され、また第1下隔壁13dと中央下隔壁13xとの間には、第3下隔壁13yが形成され、さらに中央下隔壁13xと第2下隔壁13eとの間には、第4下隔壁13zが形成されている。第3下隔壁13yと第4下隔壁13zの長さは等しい。中央下隔壁13xは、第3下隔壁13yと第4下隔壁13zの両端から突き出すように長く形成されているが、下中溝13’の全長より短く形成されている。 In Figure 5C, a central lower partition 13x extending parallel to the lower partitions 13d and 13e is formed in the center of the lower-middle groove 13' sandwiched between the lower partitions 13d and 13e. A third lower partition 13y is formed between the first lower partition 13d and the central lower partition 13x, and a fourth lower partition 13z is formed between the central lower partition 13x and the second lower partition 13e. The third lower partition 13y and the fourth lower partition 13z are equal in length. The central lower partition 13x is formed long so as to protrude from both ends of the third lower partition 13y and the fourth lower partition 13z, but is shorter than the overall length of the lower-middle groove 13'.
下中溝13b’は、上流側から、下隔壁13d、13eのみが配置された第1部分BV1と、下隔壁13d、13eの間に中央下隔壁13xのみが配置された第2部分BV2と、下隔壁13d、13eの間に第3下隔壁13y、中央下隔壁13x、第4下隔壁13zが配置された第3部分BV3と、下隔壁13d、13eの間に中央下隔壁13xのみが配置された第4部分BV4と、下隔壁13d、13eのみが配置された第5部分BV5に分けられる。 The lower middle groove 13b' is divided into, from the upstream side, a first portion BV1 in which only the lower partitions 13d and 13e are arranged; a second portion BV2 in which only the central lower partition 13x is arranged between the lower partitions 13d and 13e; a third portion BV3 in which the third lower partition 13y, the central lower partition 13x, and the fourth lower partition 13z are arranged between the lower partitions 13d and 13e; a fourth portion BV4 in which only the central lower partition 13x is arranged between the lower partitions 13d and 13e; and a fifth portion BV5 in which only the lower partitions 13d and 13e are arranged.
隔壁に挟まれた各流路断面は、第1部分BV1から第3部分BV3に向かうにつれて小さくなり、また第3部分BV3から第5部分BV5に向かうにつれて大きくなる。したがって、第1部分BV1が、流路断面が比較的大きな人体の小動脈に相当し、第2部分BV2が、小動脈よりも流路断面が小さい細動脈に相当し、第3部分BV3が、最も流路断面が小さい毛細血管に相当し、第4部分BV4が細静脈に相当し、第4部分BV4が小静脈に相当する。これによって、例えば肺胞の毛細血管の分岐構造を再現することができる。 The cross-sections of each flow path between the partitions become smaller from the first portion BV1 to the third portion BV3, and become larger from the third portion BV3 to the fifth portion BV5. Therefore, the first portion BV1 corresponds to a small artery in the human body, which has a relatively large cross-section, the second portion BV2 corresponds to an arteriole, which has a smaller cross-section than an arteriole, the third portion BV3 corresponds to a capillary, which has the smallest cross-section, and the fourth portion BV4 corresponds to a venule, which in turn corresponds to a small vein. This makes it possible to reproduce, for example, the branching structure of capillaries in the alveoli.
図5Dは、生体機能チップ10’の動作を模式的に示す、第3部分BV3における概略断面図である。図5Dに示すように、中央下隔壁13x、第3下隔壁13y、第4下隔壁13zの上端は多孔質部125の下面に当接して接合されている。このため、上側試験流路UPに対向して、第1下隔壁13dと第3下隔壁13yとの間に微小断面通路(第1毛細
流路)が形成され、第3下隔壁13yと中央下隔壁13xとの間に微小断面通路(第2毛細流路)が形成され、中央下隔壁13xと第4下隔壁13zとの間に微小断面通路(第3毛細流路)が形成され、第4下隔壁13zと第2下隔壁13eとの間に微小断面通路(第4毛細流路)が形成される。
5D is a schematic cross-sectional view of the third portion BV3, illustrating the operation of the biofunctional chip 10'. As shown in FIG. 5D, the upper ends of the central lower partition 13x, the third lower partition 13y, and the fourth lower partition 13z are abutted against and bonded to the lower surface of the porous portion 125. Therefore, facing the upper test flow path UP, a minute cross-sectional passage (first capillary passage) is formed between the first lower partition 13d and the third lower partition 13y, a minute cross-sectional passage (second capillary passage) is formed between the third lower partition 13y and the central lower partition 13x, a minute cross-sectional passage (third capillary passage) is formed between the central lower partition 13x and the fourth lower partition 13z, and a minute cross-sectional passage (fourth capillary passage) is formed between the fourth lower partition 13z and the second lower partition 13e.
生体機能チップ10’の動作は、基本的には第1実施形態と同様である。制御装置からの信号により、駆動路DP1、DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力は大気と同等である。このため、図5D(a)に示すように、第1上隔壁11dと第2上隔壁11e、第3下隔壁13y、中央下隔壁13x、第4下隔壁13z、及び第1下隔壁13dと第2下隔壁13eは、変形前の状態に維持される。 The operation of the biofunction chip 10' is basically the same as in the first embodiment. When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive paths DP1 and DP2, the internal pressure of the pressure chambers PC1 and PC2 is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 5D(a), the first upper partition 11d, the second upper partition 11e, the third lower partition 13y, the central lower partition 13x, the fourth lower partition 13z, and the first lower partition 13d and the second lower partition 13e are maintained in their pre-deformation states.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP1、DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP1、DP2内のECFが、図5D(b)に示すように、圧力室PC1,圧力室PC2からリザーバRV1,RV2側に向かって流動する。リザーバRV1,RV2は、膜部材15a、15bが弾性変形することで、流動してきたECFを貯留する容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive paths DP1 and DP2 in response to a signal from the control device, the ECF in the drive paths DP1 and DP2 flows from the pressure chambers PC1 and PC2 toward the reservoirs RV1 and RV2, as shown in Figure 5D (b). The elastic deformation of the membrane members 15a and 15b in the reservoirs RV1 and RV2 increases the volume for storing the flowing ECF.
ECFの流動により、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力が低下するため、第1上隔壁11dと第2上隔壁11eが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図5D(b)に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第1下隔壁13dと第2下隔壁13eが離間するように付勢され、多孔質部125が伸展することに応じて第3下隔壁13y、第4下隔壁13zも変形し、血管内皮細胞の両側面も図5D(b)に示すように左右方向に引っ張られる。これにより,肺胞上皮細胞および血管内皮細胞に伸展刺激を与え、生体内の肺胞の環境を再現することができる。この変形例のような毛細血管の分岐を模倣した構造は,これ以降の他の実施形態の中に,同様に組み込むことができる。 The flow of ECF reduces the internal pressure of pressure chambers PC1 and PC2, forcing the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e apart, pulling both sides of the alveolar epithelial cells left and right as shown in FIG. 5D(b). The first lower partition wall 13d and the second lower partition wall 13e are also forced apart, and as the porous portion 125 stretches, the third lower partition wall 13y and the fourth lower partition wall 13z also deform, pulling both sides of the vascular endothelial cells left and right as shown in FIG. 5D(b). This provides a stretching stimulus to the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells, recreating the in vivo alveolar environment. Structures that mimic the branching of capillaries, such as this modified example, can be similarly incorporated into other embodiments described below.
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態にかかる生体機能チップ10’の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図7は、生体機能チップ10’を分解して示す斜視図である。図8は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。なお、図6~8は、図1~3に対して、長手方向軸線を180度回転させた状態で示している。
Second Embodiment
Fig. 6 is a perspective view of a biofunction chip 10' according to the second embodiment, with the internal structure indicated by dotted lines. Fig. 7 is an exploded perspective view of the biofunction chip 10'. Fig. 8 is a perspective view of the upper plate, showing the internal structure. Figs. 6 to 8 show the biofunction chip 10' in a state where the longitudinal axis is rotated 180 degrees relative to Figs. 1 to 3.
この実施形態の生体機能チップ10’は、単軸引っ張り片側ポンプ駆動タイプであり、第1実施形態に対して、共通する構成については同じ符号を付して、重複説明を省略する。 The biofunction chip 10' in this embodiment is a single-axis tension, one-sided pump drive type. Components that are common to the first embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations will be omitted.
生体機能チップ10’は、第1実施形態の第2駆動路DP2及び第2リザーバRV2に関連する構造を有しない上板11’弾性膜12’、下板13’、およびポンプ基板14’により形成されている。 The biofunction chip 10' is formed from an upper plate 11', an elastic membrane 12', a lower plate 13', and a pump substrate 14', which do not have the structures related to the second drive path DP2 and second reservoir RV2 of the first embodiment.
その代わり、生体機能チップ10’においては、第1圧力室PC1と第2圧力室PC2の双方に、駆動路DP1を接続している。具体的には、ポンプ基板14’において、蛇行路147から、分岐路147aと分岐路147bとに分岐させている。さらに、分岐路147aの端部に形成された凹部142aを、下板13’の第1凹部132に連通させている。また、分岐路147aの端部に形成された凹部142bを、下板13’の第2凹部134に連通させている。これにより、駆動路DP1の端部は、第1圧力室PC1と第2圧力室PC2に接続される。 Instead, in the biofunction chip 10', the drive path DP1 is connected to both the first pressure chamber PC1 and the second pressure chamber PC2. Specifically, in the pump substrate 14', the serpentine path 147 branches into branch paths 147a and 147b. Furthermore, the recess 142a formed at the end of the branch path 147a is connected to the first recess 132 of the lower plate 13'. Furthermore, the recess 142b formed at the end of the branch path 147a is connected to the second recess 134 of the lower plate 13'. As a result, the ends of the drive path DP1 are connected to the first pressure chamber PC1 and the second pressure chamber PC2.
(生体機能チップの動作)
図9は、第2実施形態の生体機能チップ10’の動作を模式的に示す、図5Aと同様な概略断面図である。第1実施形態と同様に、多孔質部125の上面に肺胞上皮細胞が培養され、その下面に血管内皮細胞が培養されている。
(Operation of the biofunction chip)
9 is a schematic cross-sectional view similar to FIG. 5A, showing the operation of the biofunctional chip 10' of the second embodiment. As in the first embodiment, alveolar epithelial cells are cultured on the upper surface of the porous portion 125, and vascular endothelial cells are cultured on the lower surface thereof.
制御装置からの信号により、駆動路DP1内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力は大気と同等である。このため、図9(a)に示すように、第1上隔壁11dと第2上隔壁11e、及び第1下隔壁13dと第2下隔壁13eは、変形前の状態に維持される。 When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP1, the internal pressure of pressure chambers PC1 and PC2 is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 9(a), the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e, and the first lower partition wall 13d and the second lower partition wall 13e are maintained in their pre-deformation states.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP1内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP1内のECFが、図9(b)に示すように、圧力室PC1,圧力室PC2からリザーバRV1側に向かって流動する。リザーバRV1は、膜部材15aが弾性変形することで、流動してきたECFを貯留する容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP1 in response to a signal from the control device, the ECF in the drive path DP1 flows from the pressure chambers PC1 and PC2 toward the reservoir RV1, as shown in Figure 9(b). The elastic deformation of the membrane member 15a in the reservoir RV1 increases the volume for storing the flowing ECF.
ECFの流動により、分岐路147a、147bを介して圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力が低下するため、第1上隔壁11dと第2上隔壁11eが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図9(b)に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第1下隔壁13dと第2下隔壁13eが離間するように付勢され、血管内皮細胞の両側面も図5Aに示すように左右方向に引っ張られる。 As the ECF flows, the internal pressure of pressure chambers PC1 and PC2 decreases via branch paths 147a and 147b, forcing the first upper partition 11d and the second upper partition 11e apart, pulling both sides of the alveolar epithelial cells left and right as shown in Figure 9(b), and also forcing the first lower partition 13d and the second lower partition 13e apart, pulling both sides of the vascular endothelial cells left and right as shown in Figure 5A.
電極ユニット16への給電を停止すると、膜部材15a、15bが弾性変形から復帰するため、リザーバRV1,RV2からECFが圧力室PC1,圧力室PC2に戻り、その内部圧力が元に戻る。これにより、第1上隔壁11dと第2上隔壁11e、及び第1下隔壁13dと第2下隔壁13eは、図9(a)に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。さらに、多孔質部125の膜自身の弾性力によって上隔壁11dと11e,及び下隔壁13dと13eが元の位置へと復帰する。 When power supply to the electrode unit 16 is stopped, the membrane members 15a and 15b return from elastic deformation, allowing ECF to return from reservoirs RV1 and RV2 to pressure chambers PC1 and PC2, restoring their internal pressures. This causes the first upper partition wall 11d and the second upper partition wall 11e, and the first lower partition wall 13d and the second lower partition wall 13e, to return to their original positions shown in Figure 9(a), causing the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells to return to their original states. Furthermore, the elastic force of the porous portion 125 membrane itself causes the upper partition walls 11d and 11e, and the lower partition walls 13d and 13e, to return to their original positions.
第2実施形態によれば、生体機能チップ10’の構成をより簡素化できる。 According to the second embodiment, the configuration of the biofunction chip 10' can be further simplified.
(第3実施形態)
図10は、第3実施形態にかかる生体機能チップ20の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図11は、生体機能チップ20を分解して示す斜視図である。第3実施形態の生体機能チップ20は、ダイアフラム駆動タイプである。
(Third embodiment)
Fig. 10 is a perspective view of the biofunction chip 20 according to the third embodiment, with the internal structure indicated by dotted lines. Fig. 11 is an exploded perspective view of the biofunction chip 20. The biofunction chip 20 of the third embodiment is a diaphragm-driven type.
生体機能チップ20は、上板21と、第1弾性膜22と、中間板23と、第2弾性膜24と、下板25と、ポンプ基板26とから構成される。上板21と、中間板23と、下板25とで保持板を構成する。 The biofunction chip 20 is composed of an upper plate 21, a first elastic membrane 22, an intermediate plate 23, a second elastic membrane 24, a lower plate 25, and a pump substrate 26. The upper plate 21, intermediate plate 23, and lower plate 25 form a holding plate.
矩形板状の上板21には、短手方向一側に円形の中央開口21aが形成され、また中央開口21aを挟んだ両側に、中央開口21aより小径の入口孔21b及び出口孔21cが形成されている。 The rectangular upper plate 21 has a circular central opening 21a formed on one side in the short direction, and an inlet hole 21b and an outlet hole 21c, each with a smaller diameter than the central opening 21a, are formed on either side of the central opening 21a.
上板21と同じ外形を有する第1弾性膜22には、中央開口21aに対応して、微細な孔を多数備えた多孔質部22aが形成され、また入口孔21b及び出口孔21cに対応して、中間孔22b、22cが形成されている。 The first elastic membrane 22, which has the same outer shape as the upper plate 21, has a porous portion 22a with many fine holes corresponding to the central opening 21a, and intermediate holes 22b and 22c corresponding to the inlet hole 21b and outlet hole 21c.
第1弾性膜22と同じ外形を有する中間板23には、長孔開口23fが形成されている。長孔開口23fは、中央開口21aに対応する長孔中央部23aと、入口孔21b及び出口孔21cに対応する長孔端部23b、23cとが形成され、さらに長孔中央部23aと長孔端部23b、23cとは、それぞれ流路23d、23eにより連結されている。 A long hole opening 23f is formed in the intermediate plate 23, which has the same outer shape as the first elastic membrane 22. The long hole opening 23f has a long hole center portion 23a corresponding to the central opening 21a, and long hole end portions 23b, 23c corresponding to the inlet hole 21b and outlet hole 21c. Furthermore, the long hole center portion 23a and the long hole end portions 23b, 23c are connected by flow paths 23d and 23e, respectively.
第2弾性膜24は、中間板23より大面積の矩形形状である。 The second elastic membrane 24 has a rectangular shape with a larger area than the intermediate plate 23.
第2弾性膜24と同じ外形を有する下板25には、長孔中央部23aに対応して、下側開口25aが形成され、また長孔端部23b、23cに対応して、駆動孔25b、25cが形成されている。 The lower plate 25, which has the same outer shape as the second elastic membrane 24, has a lower opening 25a formed corresponding to the central portion 23a of the elongated hole, and drive holes 25b and 25c formed corresponding to the end portions 23b and 23c of the elongated hole.
さらに下板25には、中間板23からはみ出した箇所に、中央矩形開口25gが形成され、中央矩形開口25gを挟んだ両側に端部矩形開口25h、25iが形成されている。 Furthermore, a central rectangular opening 25g is formed in the lower plate 25 at a location that protrudes from the intermediate plate 23, and end rectangular openings 25h and 25i are formed on either side of the central rectangular opening 25g.
下板25と同じ外形を有するポンプ基板26の上面には、蛇行した中央蛇行溝261が形成され、中央蛇行溝261の両側に、蛇行した第1蛇行溝262と第2蛇行溝263とが形成されている。中央蛇行溝261の一端は、下側開口25aに対応した位置に配置される円形凹部26aであり、その他端は、中央矩形開口25gに対応した位置に配置される矩形凹部26gである。 A central serpentine groove 261 is formed on the upper surface of the pump base plate 26, which has the same outer shape as the lower plate 25. A first serpentine groove 262 and a second serpentine groove 263 are formed on either side of the central serpentine groove 261. One end of the central serpentine groove 261 is a circular recess 26a located at a position corresponding to the lower opening 25a, and the other end is a rectangular recess 26g located at a position corresponding to the central rectangular opening 25g.
また、第1蛇行溝262の一端は、駆動孔25bに対応した位置に配置される円形凹部26bであり、その他端は、端部矩形開口25hに対応した位置に配置される矩形凹部26hである。 Furthermore, one end of the first serpentine groove 262 is a circular recess 26b located at a position corresponding to the drive hole 25b, and the other end is a rectangular recess 26h located at a position corresponding to the end rectangular opening 25h.
さらに、第2蛇行溝263の一端は、駆動孔25cに対応した位置に配置される円形凹部26cであり、その他端は、端部矩形開口25iに対応した位置に配置される矩形凹部26iである。 Furthermore, one end of the second serpentine groove 263 is a circular recess 26c located at a position corresponding to the drive hole 25c, and the other end is a rectangular recess 26i located at a position corresponding to the end rectangular opening 25i.
中央蛇行溝261、第1蛇行溝262及び第2蛇行溝263には、直列に配置された複数の電極ユニット16と、給電用の配線(不図示)が形成されている。電極ユニット16については、図5Aに示すものと同様である。 The central serpentine groove 261, the first serpentine groove 262, and the second serpentine groove 263 are provided with multiple electrode units 16 arranged in series and power supply wiring (not shown). The electrode units 16 are similar to those shown in Figure 5A.
上板21と、第1弾性膜22と、中間板23と、第2弾性膜24と、下板25と、ポンプ基板26とを積層して接合することにより、生体機能チップ20が形成される。 The biofunction chip 20 is formed by stacking and bonding the upper plate 21, first elastic membrane 22, middle plate 23, second elastic membrane 24, lower plate 25, and pump substrate 26.
上板21と、第1弾性膜22と、中間板23とを接合したときに、多孔質部22aの上面は中央開口21a内に配設され、その下面は長孔中央部23aに面する。また、入口孔21bは、中間孔22bを介して、長孔端部23bに連通し、出口孔21cは、中間孔22cを介して、長孔端部23cに連通する。 When the upper plate 21, first elastic membrane 22, and intermediate plate 23 are joined together, the upper surface of the porous portion 22a is disposed within the central opening 21a, and its lower surface faces the elongated hole central portion 23a. Furthermore, the inlet hole 21b communicates with the elongated hole end portion 23b via the intermediate hole 22b, and the outlet hole 21c communicates with the elongated hole end portion 23c via the intermediate hole 22c.
ここで、入口孔21bと中間孔22bとで入口ポートIPを形成し、また出口孔21cと中間孔22cとで出口ポートOPを形成する。 Here, the inlet port IP is formed by the inlet hole 21b and the intermediate hole 22b, and the outlet port OP is formed by the outlet hole 21c and the intermediate hole 22c.
さらに中間板23に対して、第2弾性膜24を上面に接着した下板25を接合したときに、流路23d、23eの開放する下端が第2弾性膜24により遮蔽され、入口ポートIPと出口ポートOPに両端を接続した内部通路ITが形成される。内部通路IT内において、長孔端部23b内が入口ポートIPに繋がる第1弁室VC1を構成し、長孔端部23c内が出口ポートOPに繋がる第2弁室VC2を構成する。 Furthermore, when the lower plate 25, with the second elastic membrane 24 adhered to its upper surface, is joined to the intermediate plate 23, the open lower ends of the flow paths 23d and 23e are blocked by the second elastic membrane 24, forming an internal passage IT whose ends are connected to the inlet port IP and outlet port OP. Within the internal passage IT, the elongated hole end 23b forms the first valve chamber VC1 connected to the inlet port IP, and the elongated hole end 23c forms the second valve chamber VC2 connected to the outlet port OP.
また、下側開口25aの上端、駆動孔25b、25cの上端、及び中央矩形開口25gの上端、端部矩形開口25h、25iの上端も、第2弾性膜24により遮蔽される。ここで、第2弾性膜24により遮蔽された下側開口25a内が中央圧力室PCCを構成し、第2弾性膜24により遮蔽された駆動孔25b内が第1圧力室PC1を構成し、第2弾性膜24により遮蔽された駆動孔25c内が第2圧力室PC2を構成する。また、第2弾性膜24により遮蔽された中央矩形開口25g内が中央リザーバRVCを構成し、第2弾性膜24により遮蔽された端部矩形開口25h内が第1リザーバRV1を構成し、第2弾性膜24により遮蔽された端部矩形開口25i内が第2リザーバRV2を構成する。 The upper end of the lower opening 25a, the upper ends of the drive holes 25b and 25c, the upper end of the central rectangular opening 25g, and the upper ends of the end rectangular openings 25h and 25i are also blocked by the second elastic membrane 24. Here, the interior of the lower opening 25a blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the central pressure chamber PCC, the interior of the drive hole 25b blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the first pressure chamber PC1, and the interior of the drive hole 25c blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the second pressure chamber PC2. Furthermore, the interior of the central rectangular opening 25g blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the central reservoir RVC, the interior of the end rectangular opening 25h blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the first reservoir RV1, and the interior of the end rectangular opening 25i blocked by the second elastic membrane 24 constitutes the second reservoir RV2.
さらに、下板25に、ポンプ基板26を接合することで、中央蛇行溝261の開放した上端が閉鎖されて、中央駆動路DPCが形成され、また第1蛇行溝262及び第2蛇行溝263の開放した上端が閉鎖されて、駆動路DP1,DP2が形成される。電極ユニット16は、中央駆動路DPC及び駆動路DP1,DP2内に配置されることとなる。第2弾性膜24と、作動流体を含む駆動路DP1,DP2と、ポンプ基板26とで弁機構を構成する。 Furthermore, by joining the pump substrate 26 to the lower plate 25, the open upper end of the central serpentine groove 261 is closed to form the central drive path DPC, and the open upper ends of the first serpentine groove 262 and the second serpentine groove 263 are closed to form the drive paths DP1 and DP2. The electrode unit 16 is disposed within the central drive path DPC and the drive paths DP1 and DP2. The second elastic membrane 24, the drive paths DP1 and DP2 containing the working fluid, and the pump substrate 26 constitute a valve mechanism.
(生体機能チップの動作)
図12、13は、第3実施形態の生体機能チップ20の動作を模式的に示す概略断面図であるが、図12は図10のA-A断面を示し、図13は図10のB-B断面を示している。
(Operation of the biofunction chip)
12 and 13 are schematic cross-sectional views showing the operation of the biofunction chip 20 of the third embodiment, with FIG. 12 showing the AA cross section of FIG. 10 and FIG. 13 showing the BB cross section of FIG.
図12,13中、中央駆動路DPC及び駆動路DP1,DP2に単一の電極ユニット16が示されているが、実際には複数の電極ユニット16が直列に配置されている。なお、中央駆動路DPCにおける電極ユニット16の三角柱電極16bは、中央圧力室PCC側に配置され、第1駆動路DP1における電極ユニット16の三角柱電極16bは、第1リザーバRV1側に配置され、また第2駆動路DP2における電極ユニット16の三角柱電極16bは、第2リザーバRV2側に配置されているものとする。各電極ユニット16は、直流電源DCに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。 In Figures 12 and 13, a single electrode unit 16 is shown on the central drive path DPC and the drive paths DP1 and DP2, but in reality, multiple electrode units 16 are arranged in series. The triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the central drive path DPC is located on the central pressure chamber PCC side, the triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the first drive path DP1 is located on the first reservoir RV1 side, and the triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the second drive path DP2 is located on the second reservoir RV2 side. Each electrode unit 16 is connected to a direct current power source DC, and the power supply is controlled collectively by a control device (not shown).
ここで、多孔質部22aの上面には、肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、血管内皮細胞が培養されているものとする。肺胞上皮細胞は、上板21の中央開口21aを介して空気に接している。 Here, alveolar epithelial cells are cultured on the upper surface of the porous portion 22a, and vascular endothelial cells are cultured on the lower surface. The alveolar epithelial cells are in contact with air through the central opening 21a of the upper plate 21.
さらに入口ポートIPから血液が注入され、注入された血液は内部通路ITを通って出口ポートOPから排出されるものとする。 Furthermore, blood is injected through the inlet port IP, and the injected blood passes through the internal passage IT and is discharged from the outlet port OP.
生体機能チップ20の弁動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路DP1、DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、第1圧力室PC1,第2圧力室PC2の内部圧力は大気と同等である。このため、図12(a)に示すように、第1圧力室PC1及び第2圧力室PC2と、第1弁室VC1及び第2弁室VC2とに面する第2弾性膜24は、変形前の状態に維持される。 The valve operation of the biofunction chip 20 will now be explained. When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive paths DP1 and DP2, the internal pressure of the first pressure chamber PC1 and the second pressure chamber PC2 is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 12(a), the second elastic membrane 24 facing the first pressure chamber PC1 and the second pressure chamber PC2 and the first valve chamber VC1 and the second valve chamber VC2 is maintained in its pre-deformation state.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP1内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP1内のECFが、図12(b)に示すように、第1リザーバRV1から第1圧力室PC1側に向かって流動する。これにより第1リザーバRV1に面する第2弾性膜24が弾性変形することで、第1リザーバRV1からのECFの移動が許容される。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP1 in response to a signal from the control device, the ECF in the drive path DP1 flows from the first reservoir RV1 toward the first pressure chamber PC1, as shown in Figure 12(b). This causes the second elastic membrane 24 facing the first reservoir RV1 to elastically deform, allowing the movement of ECF from the first reservoir RV1.
ECFの流動により、第1圧力室PC1の内部圧力が増大するため、それに面する第2弾性膜24が第1弁室VC1に向かって変形し、入口ポートIPを閉鎖する。これにより、入口ポートIPを介して血液の流入が遮断される。 As the ECF flows, the internal pressure of the first pressure chamber PC1 increases, causing the facing second elastic membrane 24 to deform toward the first valve chamber VC1 and close the inlet port IP. This blocks the inflow of blood through the inlet port IP.
また、制御装置からの信号により、駆動路DP2内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP2内のECFが、図12(b)に示すように、第2リザーバRV2から第2圧力室PC2側に向かって流動する。これにより第2リザーバRV2に面する第2弾性膜24が弾性変形することで、第1リザーバRV1からのECFの移動が許容される。 Furthermore, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP2 in response to a signal from the control device, the ECF in the drive path DP2 flows from the second reservoir RV2 toward the second pressure chamber PC2, as shown in Figure 12(b). This causes the second elastic membrane 24 facing the second reservoir RV2 to elastically deform, allowing the movement of ECF from the first reservoir RV1.
ECFの流動により、第2圧力室PC2の内部圧力が増大するため、それに面する第2弾性膜24が第2弁室VC2に向かって変形し、出口ポートOPを閉鎖する。これにより、出口ポートOPを介して血液の流出が遮断される。 As the ECF flows, the internal pressure of the second pressure chamber PC2 increases, causing the facing second elastic membrane 24 to deform toward the second valve chamber VC2 and close the outlet port OP. This blocks the outflow of blood through the outlet port OP.
駆動路DP1,DP2の電極ユニット16への給電を停止すると、圧力室PC1,圧力室PC2の内部圧力が低下する。これにより、弁室VC1,VC2に面する第2弾性膜24が弾性変形から復帰するため、入口ポートIP及び出口ポートOPが開放される。入口ポートIP及び出口ポートOPの閉鎖と開放は、独立して行える。 When the power supply to the electrode units 16 of the drive paths DP1 and DP2 is stopped, the internal pressure of the pressure chambers PC1 and PC2 decreases. This causes the second elastic membrane 24 facing the valve chambers VC1 and VC2 to return to its original elastic deformation, opening the inlet port IP and outlet port OP. The inlet port IP and outlet port OP can be closed and opened independently.
次に、生体機能チップ20の膨縮動作について説明する。制御装置からの信号により、中央駆動路DPC内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、中央圧力室PCCの内部圧力は大気と同等である。このため、図13(a)に示すように、中央圧力室PCCに面する第2弾性膜24は、変形前の状態に維持される。 Next, the expansion and contraction operation of the biofunction chip 20 will be explained. When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the central drive path DPC, the internal pressure of the central pressure chamber PCC is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 13(a), the second elastic membrane 24 facing the central pressure chamber PCC is maintained in its pre-deformation state.
これに対し、制御装置からの信号により、中央駆動路DPC内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、中央駆動路DPC内のECFが、図13(b)に示すように、中央圧力室PCCから中央リザーバRVC側に向かって流動する。中央リザーバRVCに面する第2弾性膜24が弾性変形することで、中央リザーバRVC内に流動してきたECFを貯留するため、その容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the central drive circuit DPC in response to a signal from the control device, the ECF in the central drive circuit DPC flows from the central pressure chamber PCC toward the central reservoir RVC, as shown in Figure 13(b). The second elastic membrane 24 facing the central reservoir RVC elastically deforms, thereby storing the ECF that has flowed into the central reservoir RVC, thereby increasing its volume.
このとき、駆動路DP1,DP2の電極ユニットを駆動して、図12(b)に示すように入口ポートIPと出口ポートOPを閉鎖している場合、内部通路ITの血液は流入・流出しないため、体積が一定となる。そのタイミングで、中央駆動路DPC内のECFの流動により、中央圧力室PCCの内部圧力が低下して、それに面する第2弾性膜24が下方に向かって弾性変形すると、図13(b)に示すように、第1弾性膜22の一部である多孔質部22aも下方に向かって弾性変形するため、多孔質部22aに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部22aの上面の肺胞上皮細胞が撓むように変形して伸展し、また多孔質部22aの下面の血管内皮細胞も撓むように変形して伸展する。 At this time, if the electrode units of the drive paths DP1 and DP2 are driven to close the inlet port IP and outlet port OP as shown in Figure 12(b), blood does not flow in or out of the internal passage IT, so the volume remains constant. At this time, the flow of ECF within the central drive path DPC causes the internal pressure of the central pressure chamber PCC to decrease, elastically deforming the second elastic membrane 24 facing it downward. As shown in Figure 13(b), the porous portion 22a, which is part of the first elastic membrane 22, also elastically deforms downward, causing tensile stress to act on the porous portion 22a. In response, the alveolar epithelial cells on the upper surface of the porous portion 22a bend and stretch, and the vascular endothelial cells on the lower surface of the porous portion 22a also bend and stretch.
中央駆動路DPCの電極ユニット16への給電を停止すると、中央圧力室PCCの内部圧力が元に戻る。これにより、第2弾性膜24及び多孔質部22aは、膜自身に作用する弾性力により、図13(a)に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。 When the power supply to the electrode unit 16 of the central drive path DPC is stopped, the internal pressure of the central pressure chamber PCC returns to its original state. As a result, the second elastic membrane 24 and porous portion 22a return to their original positions shown in Figure 13(a) due to the elastic force acting on the membranes themselves, and the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells also return to their original states.
第3実施形態によれば、コンパクトな構成でありながら、直流電圧の印加によって、細胞に液体(または気体)を供給するタイミングを任意に変更させつつ、細胞の伸縮動作を行わせることができる。 According to the third embodiment, despite its compact configuration, the timing of supplying liquid (or gas) to cells can be freely changed by applying a DC voltage, causing the cells to expand and contract.
(第4実施形態)
図14は、第4実施形態にかかる生体機能チップ30の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図15は、生体機能チップ30を分解して示す斜視図である。第4実施形態の生体機能チップ30は、陥没式両側駆動タイプである。
(Fourth embodiment)
Fig. 14 is a perspective view of the biofunction chip 30 according to the fourth embodiment, with the internal structure indicated by dotted lines. Fig. 15 is an exploded perspective view of the biofunction chip 30. The biofunction chip 30 of the fourth embodiment is a recessed, double-sided drive type.
生体機能チップ30は、第3膜部材31と、上板32と、第1弾性膜33と、中間板34と、第2弾性膜35と、下板36と、ポンプ基板37とから構成される。上板32と下板36とで保持板を構成する。 The biofunction chip 30 is composed of a third membrane member 31, an upper plate 32, a first elastic membrane 33, an intermediate plate 34, a second elastic membrane 35, a lower plate 36, and a pump substrate 37. The upper plate 32 and lower plate 36 together form a holding plate.
可撓性の素材から製作される矩形状の第3膜部材31には、第1入口孔31eと、第1出口孔31fと、第2入口孔31gと、第2出口孔31hと、第3入口孔31aと、第3出口孔31bと、第4入口孔31cと、第4出口孔31dとが形成されている。 The rectangular third membrane member 31 is made from a flexible material and has a first inlet hole 31e, a first outlet hole 31f, a second inlet hole 31g, a second outlet hole 31h, a third inlet hole 31a, a third outlet hole 31b, a fourth inlet hole 31c, and a fourth outlet hole 31d.
第3膜部材31と同じ外形を有する上板32には、第3入口孔31aに対応して、中間孔32aが形成され、また第3出口孔31bに対応して、中間孔32bが形成され、第4入口孔31cに対応して、中間孔32cが形成され、また第4出口孔31dに対応して、中間孔32dが形成されている。 The upper plate 32, which has the same external shape as the third membrane member 31, has an intermediate hole 32a formed corresponding to the third inlet hole 31a, an intermediate hole 32b formed corresponding to the third outlet hole 31b, an intermediate hole 32c formed corresponding to the fourth inlet hole 31c, and an intermediate hole 32d formed corresponding to the fourth outlet hole 31d.
さらに上板32には、中央の隔壁(第2の隔壁)32i挟んで両側に対称的に、コ字状の切込溝32j、32kが配置されている。切込溝32j、32kは、隔壁32iに隣接するストレート部32m、32nをそれぞれ有する。 Furthermore, the upper plate 32 has U-shaped cutout grooves 32j and 32k arranged symmetrically on both sides of the central partition wall (second partition wall) 32i. Cutout grooves 32j and 32k each have straight portions 32m and 32n adjacent to partition wall 32i.
切込溝32jの一端は、第1入口孔31eに対応した円形端32eであり、切込溝32jの他端は、第1出口孔31fに対応した円形端32fである。また、切込溝32kの一端は、第2入口孔31gに対応した円形端32gであり、切込溝32kの他端は、第2出口孔31hに対応した円形端32hである。 One end of the cut groove 32j is a circular end 32e corresponding to the first inlet hole 31e, and the other end of the cut groove 32j is a circular end 32f corresponding to the first outlet hole 31f. Furthermore, one end of the cut groove 32k is a circular end 32g corresponding to the second inlet hole 31g, and the other end of the cut groove 32k is a circular end 32h corresponding to the second outlet hole 31h.
上板32と同じ外形を有する第1弾性膜33には、中間孔32aに対応して膜孔33aが形成され、中間孔32bに対応して膜孔33bが形成され、中間孔32cに対応して膜孔33cが形成され、中間孔32dに対応して膜孔33dが形成されている。 The first elastic membrane 33, which has the same outer shape as the upper plate 32, has a membrane hole 33a formed corresponding to the intermediate hole 32a, a membrane hole 33b formed corresponding to the intermediate hole 32b, a membrane hole 33c formed corresponding to the intermediate hole 32c, and a membrane hole 33d formed corresponding to the intermediate hole 32d.
さらに、第1弾性膜33には、切込溝32j、32kのストレート部32m、32nに対応して、多孔質部33m、33nが形成されている。 Furthermore, porous portions 33m and 33n are formed in the first elastic membrane 33, corresponding to the straight portions 32m and 32n of the cut grooves 32j and 32k.
第1弾性膜33と同じ外形を有する中間板34には、隔壁32iに対応する隔壁(第1の隔壁)34i挟んで両側に対称的に、切込溝34j、34kが配置されている。切込溝34j、34kは、ストレート部32m、32nに対応するストレート部34m、34nを有するが、全体の形状は切込溝32j、32kとは異なっている。 The intermediate plate 34 has the same outer shape as the first elastic membrane 33, and cutout grooves 34j and 34k are arranged symmetrically on both sides of the partition (first partition) 34i corresponding to partition 32i. Cutout grooves 34j and 34k have straight portions 34m and 34n corresponding to straight portions 32m and 32n, but their overall shape is different from that of cutout grooves 32j and 32k.
切込溝34jの一端は、膜孔33aに対応した円形端34aであり、切込溝34jの他端は、膜孔33bに対応した円形端34bである。また、切込溝34kの一端は、膜孔33cに対応した円形端34cであり、切込溝34kの他端は、膜孔33dに対応した円形端34dである。 One end of the cut groove 34j is a circular end 34a corresponding to the membrane hole 33a, and the other end of the cut groove 34j is a circular end 34b corresponding to the membrane hole 33b. Furthermore, one end of the cut groove 34k is a circular end 34c corresponding to the membrane hole 33c, and the other end of the cut groove 34k is a circular end 34d corresponding to the membrane hole 33d.
第2弾性膜35は、中間板34より大面積の矩形形状である。 The second elastic membrane 35 has a rectangular shape with a larger area than the intermediate plate 34.
第2弾性膜35と同じ外形を有する下板36には、ストレート部34m、34nに対応して、第1矩形開口36sが形成され、また中間板34からはみ出した位置に、第2矩形開口36tが形成されている。 The lower plate 36, which has the same outer shape as the second elastic membrane 35, has a first rectangular opening 36s formed in correspondence with the straight portions 34m and 34n, and a second rectangular opening 36t formed in a position extending beyond the intermediate plate 34.
下板36と同じ外形を有するポンプ基板37の上面には、蛇行した蛇行溝37uが形成されている。蛇行溝37uの一端は、第1矩形開口36sに対応した位置に配置される矩形凹部37sであり、その他端は、第2矩形開口36tに対応した位置に配置される矩形凹部37tである。 A serpentine groove 37u is formed on the upper surface of the pump base plate 37, which has the same outer shape as the lower plate 36. One end of the serpentine groove 37u is a rectangular recess 37s located at a position corresponding to the first rectangular opening 36s, and the other end is a rectangular recess 37t located at a position corresponding to the second rectangular opening 36t.
蛇行溝37uには、直列に配置された複数の電極ユニット16と、給電用の配線(不図示)が形成されている。電極ユニット16については、図5Aに示すものと同様である。 The serpentine groove 37u is formed with multiple electrode units 16 arranged in series and power supply wiring (not shown). The electrode units 16 are similar to those shown in Figure 5A.
第3膜部材31と、上板32と、第1弾性膜33と、中間板34と、第2弾性膜35と、下板36と、ポンプ基板37とを積層して接合することにより、生体機能チップ30が形成される。 The biofunction chip 30 is formed by stacking and bonding the third membrane member 31, upper plate 32, first elastic membrane 33, middle plate 34, second elastic membrane 35, lower plate 36, and pump substrate 37.
第3膜部材31と、上板32と、第1弾性膜33と、中間板34とを接合したときに、第1入口孔31eは円形端32eと接続され、第1出口孔31fは円形端32fと接続され、切込溝32jの上端及び下端が遮蔽されて、第1入口孔31e及び第1出口孔31fを端部とする第1試験流路UP11が形成される。 When the third membrane member 31, upper plate 32, first elastic membrane 33, and intermediate plate 34 are joined together, the first inlet hole 31e is connected to the circular end 32e, the first outlet hole 31f is connected to the circular end 32f, the upper and lower ends of the cut groove 32j are blocked, and a first test flow path UP11 is formed with the first inlet hole 31e and first outlet hole 31f as its ends.
また第2入口孔31gは円形端32gと接続され、第2出口孔31hは円形端32hと接続され、切込溝32kの上端及び下端が遮蔽されて、第2入口孔31g及び第2出口孔31hを端部とする第2試験流路UP12が形成される。このとき、ストレート部32mは多孔質部33m上に位置し、またストレート部32nは多孔質部33n上に位置する。 Furthermore, the second inlet hole 31g is connected to the circular end 32g, the second outlet hole 31h is connected to the circular end 32h, and the upper and lower ends of the cut groove 32k are blocked, forming a second test flow path UP12 with the second inlet hole 31g and the second outlet hole 31h as its ends. At this time, the straight section 32m is located above the porous section 33m, and the straight section 32n is located above the porous section 33n.
さらに、第3入口孔31aは、中間孔32a及び膜孔33aを介して円形端34aと接続され、第3出口孔31bは、中間孔32b及び膜孔33bを介して円形端34bと接続され、切込溝34jの上端及び下端が遮蔽されて、第3入口孔31a及び第3出口孔31bを端部とする第3試験流路UP21が形成される。 Furthermore, the third inlet hole 31a is connected to the circular end 34a via the intermediate hole 32a and the membrane hole 33a, and the third outlet hole 31b is connected to the circular end 34b via the intermediate hole 32b and the membrane hole 33b. The upper and lower ends of the cut groove 34j are blocked, forming a third test flow path UP21 whose ends are the third inlet hole 31a and the third outlet hole 31b.
また、第4入口孔31cは、中間孔32c及び膜孔33cを介して円形端34cと接続され、第4出口孔31dは、中間孔32d及び膜孔33dを介して円形端34dと接続され、切込溝34kの上端及び下端が遮蔽されて、第4入口孔31c及び第4出口孔31dを端部とする第4試験流路UP22が形成される。このとき、ストレート部34mは多孔質部33m直下に位置し、またストレート部34nは多孔質部33n直下に位置する。隔壁32iの下端及び隔壁34iの上端が、対向して第1弾性膜33に接合されているため、試験流路UP11~UP22は、流体漏れなく密閉されている。 Furthermore, the fourth inlet hole 31c is connected to the circular end 34c via the intermediate hole 32c and the membrane hole 33c, and the fourth outlet hole 31d is connected to the circular end 34d via the intermediate hole 32d and the membrane hole 33d. The upper and lower ends of the cut groove 34k are sealed, forming a fourth test flow path UP22 with the fourth inlet hole 31c and the fourth outlet hole 31d as its ends. At this time, the straight section 34m is located directly below the porous section 33m, and the straight section 34n is located directly below the porous section 33n. Because the lower end of the partition wall 32i and the upper end of the partition wall 34i are joined to the first elastic membrane 33 in opposing positions, the test flow paths UP11-UP22 are sealed without any fluid leakage.
さらに中間板34に対して、第2弾性膜35を上面に接着した下板36を接合したときに、第1矩形開口36sの開放する上端及び第2矩形開口36tが、第2弾性膜35により遮蔽される。 Furthermore, when the lower plate 36, with the second elastic membrane 35 adhered to its upper surface, is joined to the intermediate plate 34, the open upper end of the first rectangular opening 36s and the second rectangular opening 36t are blocked by the second elastic membrane 35.
さらに、下板36にポンプ基板37を接合したときに、第1矩形開口36sは、矩形凹部37sに連通し、第2矩形開口36tは、矩形凹部37tに連通する。ここで、第2弾性膜35により遮蔽された第1矩形開口36s内が圧力室PCを構成し、第2弾性膜35により遮蔽された第2矩形開口36t内がリザーバRVを構成する。 Furthermore, when the pump substrate 37 is joined to the lower plate 36, the first rectangular opening 36s communicates with the rectangular recess 37s, and the second rectangular opening 36t communicates with the rectangular recess 37t. Here, the inside of the first rectangular opening 36s, which is shielded by the second elastic membrane 35, constitutes the pressure chamber PC, and the inside of the second rectangular opening 36t, which is shielded by the second elastic membrane 35, constitutes the reservoir RV.
さらに、下板36に、ポンプ基板37を接合することで、蛇行溝37uの開放した上端が閉鎖されて、駆動路DPが形成される。電極ユニット16は、駆動路DP内に配置されることとなる。 Furthermore, by joining the pump substrate 37 to the lower plate 36, the open upper end of the serpentine groove 37u is closed, forming the drive path DP. The electrode unit 16 is disposed within the drive path DP.
(生体機能チップの動作)
図16は、第4実施形態の生体機能チップ30の動作を模式的に示す概略断面図である。
(Operation of the biofunction chip)
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the operation of the biological function chip 30 of the fourth embodiment.
図16中、駆動路DPに単一の電極ユニット16が示されているが、実際には複数の電極ユニット16が直列に配置されている。なお、駆動路DPにおける電極ユニット16の三角柱電極16bは、圧力室PC側に配置されているものとする。各電極ユニット16は、直流電源DCに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。 In Figure 16, a single electrode unit 16 is shown on the drive path DP, but in reality, multiple electrode units 16 are arranged in series. Note that the triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 on the drive path DP is arranged on the pressure chamber PC side. Each electrode unit 16 is connected to a direct current power source DC, and the power supply is controlled in an integrated manner by a control device (not shown).
ここで、多孔質部33m、33nの上面には、異なる肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、異なる血管内皮細胞が培養されているものとする。 Here, different alveolar epithelial cells are cultured on the upper surfaces of the porous portions 33m and 33n, and different vascular endothelial cells are cultured on the lower surfaces.
さらに第1入口孔31e及び第2入口孔31gから空気が注入され、注入された空気は第1試験流路UP11及び第2試験流路UP12に進入して、それぞれ肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、第1試験流路UP11及び第2試験流路UP12を通過し、第1出口孔31f及び第2出口孔31hを介して排出される。 Furthermore, air is injected through the first inlet hole 31e and the second inlet hole 31g. The injected air enters the first test flow path UP11 and the second test flow path UP12, respectively, and comes into contact with the alveolar epithelial cells. Excess air passes through the first test flow path UP11 and the second test flow path UP12 and is discharged through the first outlet hole 31f and the second outlet hole 31h.
一方、第3入口孔31a及び第4入口孔31cから血液が注入され、注入された血液は第3試験流路UP21及び第4試験流路UP22に進入して、それぞれ血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、第3試験流路UP21及び第4試験流路UP22を通過し、第3出口孔31b及び第4出口孔31dを介して排出される。 Meanwhile, blood is injected through the third inlet hole 31a and the fourth inlet hole 31c. The injected blood enters the third test flow path UP21 and the fourth test flow path UP22, respectively, and comes into contact with vascular endothelial cells. Excess blood passes through the third test flow path UP21 and the fourth test flow path UP22 and is discharged through the third outlet hole 31b and the fourth outlet hole 31d.
次に、生体機能チップ30の伸縮動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路DP内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室PCの内部圧力は大気と同等である。このため、図16(a)に示すように、第1弾性膜33及び第2弾性膜35は、変形前の状態に維持される。 Next, the expansion and contraction operation of the biofunction chip 30 will be described. When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP, the internal pressure of the pressure chamber PC is equivalent to atmospheric pressure. Therefore, as shown in Figure 16(a), the first elastic membrane 33 and the second elastic membrane 35 are maintained in their pre-deformation states.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP内のECFが、図16(b)に示すように、圧力室PCからリザーバRV側に向かって流動する。リザーバRVに面する第2弾性膜35が弾性変形することで、リザーバRV内に流動してきたECFを貯留するため、その容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP in response to a signal from the control device, the ECF in the drive path DP flows from the pressure chamber PC toward the reservoir RV, as shown in Figure 16(b). The second elastic membrane 35 facing the reservoir RV elastically deforms, storing the ECF that has flowed into the reservoir RV and increasing its volume.
ECFの流動により、圧力室PCの内部圧力が低下するため、それに面する第2弾性膜35が下方に向かって変形する。これにより、隔壁34i、32iが下方にシフトするため、第1弾性膜33及び第3膜部材31も陥没するように変形する。これにより、第1弾性膜33の一部である多孔質部33m、33nも下方に向かって弾性変形し、多孔質部33m、33nに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部33m、33nの上面の肺胞上皮細胞が左右に引っ張られて伸展し、また多孔質部33m、33nの下面の血管内皮細胞も左右に引っ張られて伸展する。 As the ECF flows, the internal pressure of the pressure chamber PC decreases, causing the second elastic membrane 35 facing it to deform downward. This causes the partitions 34i and 32i to shift downward, causing the first elastic membrane 33 and third membrane member 31 to deform and collapse. This also causes the porous portions 33m and 33n, which are part of the first elastic membrane 33, to elastically deform downward, causing tensile stress to act on the porous portions 33m and 33n. In response, the alveolar epithelial cells on the upper surfaces of the porous portions 33m and 33n are pulled left and right and stretched, and the vascular endothelial cells on the lower surfaces of the porous portions 33m and 33n are also pulled left and right and stretched.
中央駆動路DPCの電極ユニット16への給電を停止すると、圧力室PCの内部圧力が低下する。これにより、第2弾性膜35及び多孔質部33m、33nは、膜自身に作用する弾性力により、図16(a)に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。 When the power supply to the electrode unit 16 of the central drive path DPC is stopped, the internal pressure of the pressure chamber PC decreases. As a result, the second elastic membrane 35 and porous portions 33m, 33n return to their original positions shown in Figure 16(a) due to the elastic force acting on the membranes themselves, and the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells also return to their original states.
第4実施形態においては、試験流路UP11~UP22を独立して設けており、例えば2種類の肺胞上皮細胞と血管内皮細胞を同条件にて同時に評価できるため、例えば前臨床試験の効率を向上させることができる。 In the fourth embodiment, the test flow paths UP11 to UP22 are provided independently, allowing, for example, two types of alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells to be evaluated simultaneously under the same conditions, thereby improving the efficiency of preclinical trials, for example.
(第5実施形態)
図17は、第5実施形態にかかる生体機能チップ30’の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図18は、生体機能チップ30’を分解して示す斜視図である。第5実施形態の生体機能チップ30’は、陥没式片側ポンプ駆動タイプであり、第4実施形態に対して、共通する構成については同じ符号を付して、重複説明を省略する。
Fifth Embodiment
Fig. 17 is a perspective view of a biofunction chip 30' according to the fifth embodiment, with the internal structure indicated by dotted lines. Fig. 18 is an exploded perspective view of the biofunction chip 30'. The biofunction chip 30' of the fifth embodiment is a recessed, one-sided pump-driven type, and components common to the fourth embodiment are designated by the same reference numerals, and redundant explanations will be omitted.
生体機能チップ30’は、第1実施形態の第2試験流路UP12及び第4試験流路UP22に関連する構造を有しない第3膜部材31’、上板32’、第1弾性膜33’、中間板34’、第2弾性膜35、下板36、およびポンプ基板37により形成されている。 The biofunction chip 30' is formed from a third membrane member 31', an upper plate 32', a first elastic membrane 33', an intermediate plate 34', a second elastic membrane 35, a lower plate 36, and a pump substrate 37, which do not have structures related to the second test flow path UP12 and the fourth test flow path UP22 of the first embodiment.
具体的には、第3膜部材31’、上板32’、第1弾性膜33’、及び中間板34’は、第1実施形態に対して短手方向の中間位置で切断された構成を有する。第2弾性膜35、下板36、およびポンプ基板37は、第1実施形態と共通の構成を有する。 Specifically, the third membrane member 31', upper plate 32', first elastic membrane 33', and intermediate plate 34' have a configuration in which they are cut at the midpoint in the short direction compared to the first embodiment. The second elastic membrane 35, lower plate 36, and pump substrate 37 have the same configuration as the first embodiment.
(生体機能チップの動作)
図19は、第5実施形態の生体機能チップ30’の動作を模式的に示す概略断面図である。
(Operation of the biofunction chip)
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the operation of the biofunction chip 30' of the fifth embodiment.
ここで、多孔質部33mの上面には、肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、血管内皮細胞が培養されているものとする。 Here, alveolar epithelial cells are cultured on the upper surface of the porous portion 33m, and vascular endothelial cells are cultured on the lower surface.
さらに第1入口孔31eから空気が注入され、注入された空気は第1試験流路UP11に進入して肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、第1試験流路UP11を通過し、第1出口孔31fから排出される。 Furthermore, air is injected through the first inlet hole 31e, and the injected air enters the first test flow path UP11 and comes into contact with the alveolar epithelial cells. Excess air passes through the first test flow path UP11 and is discharged through the first outlet hole 31f.
一方、第3入口孔31aから血液が注入され、注入された血液は第3試験流路UP21に進入して血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、第3試験流路UP21を通過し、第3出口孔31bを介して排出される。 Meanwhile, blood is injected through the third inlet hole 31a, and the injected blood enters the third test flow path UP21 and comes into contact with the vascular endothelial cells. Excess blood passes through the third test flow path UP21 and is discharged through the third outlet hole 31b.
次に、生体機能チップ30’の膨縮動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路DP内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加しない場合、図19(a)に示すように、圧力室PCの内部圧力は大気と同等である。このため、第1弾性膜33’及び第2弾性膜35は、変形前の状態に維持される。 Next, the expansion and contraction operation of the biofunction chip 30' will be explained. When a signal from the control device does not apply a DC voltage to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP, the internal pressure of the pressure chamber PC is equivalent to atmospheric pressure, as shown in Figure 19(a). Therefore, the first elastic membrane 33' and the second elastic membrane 35 are maintained in their pre-deformation states.
これに対し、制御装置からの信号により、駆動路DP内の電極ユニット16のスリット電極16aと、三角柱電極16bとに対して直流電圧を印加すると、駆動路DP2内のECFが、図19(b)に示すように、圧力室PCからリザーバRV側に向かって流動する。リザーバRVに面する第2弾性膜35が弾性変形することで、リザーバRV内に流動してきたECFを貯留するため、その容積を増大させることができる。 In response to this, when a DC voltage is applied to the slit electrode 16a and triangular prism electrode 16b of the electrode unit 16 in the drive path DP in response to a signal from the control device, the ECF in the drive path DP2 flows from the pressure chamber PC toward the reservoir RV, as shown in Figure 19(b). The second elastic membrane 35 facing the reservoir RV elastically deforms, storing the ECF that has flowed into the reservoir RV and increasing its volume.
ECFの流動により、圧力室PCの内部圧力が低下するため、それに面する第2弾性膜35が下方に向かって変形する。これにより、隔壁34i、32iが下方にシフトするため、第1弾性膜33’及び第3膜部材31も陥没するように変形する。これにより、第1弾性膜33’の一部である多孔質部33mも下方に向かって弾性変形し、多孔質部33mに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部33mの上面の肺胞上皮細胞が左右に引っ張られて伸展し、また多孔質部33mの下面の血管内皮細胞も左右に引っ張られて伸展する。 As the ECF flows, the internal pressure of the pressure chamber PC decreases, causing the second elastic membrane 35 facing it to deform downward. This causes the partitions 34i and 32i to shift downward, causing the first elastic membrane 33' and third membrane member 31 to deform and collapse. This also causes the porous portion 33m, which is part of the first elastic membrane 33', to elastically deform downward, and tensile stress acts on the porous portion 33m. In response, the alveolar epithelial cells on the upper surface of the porous portion 33m are pulled left and right and stretch, and the vascular endothelial cells on the lower surface of the porous portion 33m are also pulled left and right and stretch.
中央駆動路DPCの電極ユニット16への給電を停止すると、圧力室PCの内部圧力が低下する。これにより、第2弾性膜35及び多孔質部33mは、膜自身に作用する弾性力により、図19(a)に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。 When the power supply to the electrode unit 16 of the central drive path DPC is stopped, the internal pressure of the pressure chamber PC decreases. As a result, the second elastic membrane 35 and porous portion 33m return to their original positions shown in Figure 19(a) due to the elastic force acting on the membranes themselves, and the alveolar epithelial cells and vascular endothelial cells also return to their original states.
第5実施形態によれば、生体機能チップ30’の構成をより簡素化できる。 According to the fifth embodiment, the configuration of the biofunction chip 30' can be further simplified.
10、10’、20,30,30’ 生体機能チップ
11,11’ 上板
12,12’ 弾性膜
13,13’ 下板
14,14’ ポンプ基板
16 電極ユニット
21 上板
22 第1弾性膜
23 中間板
24 第2弾性膜
25 下板25
26 ポンプ基板
31,31’ 第3膜部材
32,32’ 上板
33,33’ 第1弾性膜
34,34’ 中間板
35 第2弾性膜
36 下板
37 ポンプ基板
10, 10', 20, 30, 30' Biofunction chip 11, 11' Upper plate 12, 12' Elastic membrane 13, 13' Lower plate 14, 14' Pump substrate 16 Electrode unit 21 Upper plate 22 First elastic membrane 23 Middle plate 24 Second elastic membrane 25 Lower plate 25
26 Pump base plate 31, 31' Third membrane member 32, 32' Upper plate 33, 33' First elastic membrane 34, 34' Intermediate plate 35 Second elastic membrane 36 Lower plate 37 Pump base plate
Claims (14)
前記第1弾性膜を保持する保持板と、
前記保持板内に形成された圧力室と、
前記圧力室に接続された駆動路と、
前記圧力室及び前記駆動路内に注入された作動流体と、
前記駆動路内に配置された電極ユニットと、を有し、
前記電極ユニットに直流電圧が印加されたとき、前記駆動路内を作動流体が移動して前記圧力室の圧力が変化することにより、前記第1弾性膜に引っ張り応力を付与する、
ことを特徴とする生体機能チップ。 a first elastic membrane having a surface on which cells can be cultured;
a holding plate that holds the first elastic membrane;
a pressure chamber formed in the holding plate;
a drive path connected to the pressure chamber;
a working fluid injected into the pressure chamber and the drive path;
an electrode unit disposed within the drive path;
When a DC voltage is applied to the electrode unit, a working fluid moves within the drive path, causing a change in pressure in the pressure chamber, thereby applying a tensile stress to the first elastic film.
A biological function chip characterized by:
ことを特徴とする請求項1に記載の生体機能チップ。 the pressure chamber faces the cells cultured on the first elastic membrane across a partition wall joined to the first elastic membrane;
2. The biological function chip according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の生体機能チップ。 the holding plate is formed to contain the cells cultured on the first elastic membrane and has a flow path through which a fluid can pass;
3. The biological function chip according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項3に記載の生体機能チップ。 Cells can be cultured on both sides of the first elastic membrane, and the flow channels are arranged in pairs so as to contain each cell.
4. The biological function chip according to claim 3.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の生体機能チップ。 the pressure chambers are arranged on both sides of the first elastic membrane with the cells cultured therein between, and a pair of the drive paths are connected to the pressure chambers, respectively;
5. The biological function chip according to claim 1, wherein the biological function chip is a microorganism.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の生体機能チップ。 the pressure chambers are arranged on both sides of the first elastic membrane with the cells cultured therebetween, and the single drive path is connected to the pair of pressure chambers;
5. The biological function chip according to claim 1, wherein the biological function chip is a microorganism.
前記圧力室は、前記第2弾性膜を挟んで前記第1弾性膜とは反対側に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の生体機能チップ。 Further comprising a second elastic membrane parallel to and spaced from the cell cultivable surface of the first elastic membrane,
The pressure chamber is disposed on the opposite side of the second elastic membrane from the first elastic membrane.
2. The biological function chip according to claim 1.
ことを特徴とする請求項7に記載の生体機能チップ。 A flow path through which a fluid can pass is disposed between the first elastic film and the second elastic film.
8. The biological function chip according to claim 7.
前記弁機構は、弁駆動路内に注入された作動流体と、前記弁駆動路内に配置された電極ユニットとを有する、
ことを特徴とする請求項8に記載の生体機能チップ。 The device further includes a valve mechanism that blocks the inflow of fluid into the flow channel and the outflow of fluid from the flow channel,
The valve mechanism includes a working fluid injected into a valve drive passage and an electrode unit disposed in the valve drive passage.
The biological function chip according to claim 8 .
前記圧力室は、前記第2弾性膜を挟んで前記第1弾性膜とは反対側に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の生体機能チップ。 The cell culture device further includes a second elastic membrane and a third elastic membrane spaced apart from each other on both sides of the cell culture surface of the first elastic membrane,
The pressure chamber is disposed on the opposite side of the second elastic membrane from the first elastic membrane.
2. The biological function chip according to claim 1.
ことを特徴とする請求項10に記載の生体機能チップ。 a flow path through which a fluid can pass is disposed between the first elastic membrane and the second elastic membrane and between the first elastic membrane and the third elastic membrane;
The biological function chip according to claim 10.
ことを特徴とする請求項10または11に記載の生体機能チップ。 a first partition wall connecting the first elastic membrane and the second elastic membrane and a second partition wall connecting the first elastic membrane and the third elastic membrane are disposed at positions facing each other;
12. The biological function chip according to claim 10 or 11.
ことを特徴とする請求項12に記載の生体機能チップ。 a pair of flow paths through which a fluid can pass are disposed between the first elastic membrane and the second elastic membrane, with the first partition wall sandwiched therebetween; and a pair of flow paths through which a fluid can pass are disposed between the first elastic membrane and the third elastic membrane, with the second partition wall sandwiched therebetween.
The biological function chip according to claim 12 .
ことを特徴とする請求項12に記載の生体機能チップ。 a single flow path through which a fluid can pass is disposed, the single flow path being surrounded by the first elastic membrane, the second elastic membrane, and the first partition wall; and a single flow path through which a fluid can pass is disposed, the single flow path being surrounded by the first elastic membrane, the third elastic membrane, and the second partition wall.
The biological function chip according to claim 12 .
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