振動誘起流れを用いた 微小流体・微小物体操作技術 - jst · 2019-03-27 · 1...
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1 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
Micro/ Nano RoboticsChuo Univ., Hayakawa Lab.
振動誘起流れを用いた微小流体・微小物体操作技術
中央大学 理工学部 精密機械工学科
助教 早川 健
E-mail: [email protected]
平成30年 9月 11日
2 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
背景：細胞解析と細胞操作技術
Cell Suspension (≈106 cells)
Cell A
Cell B
Group Cell
Group Cell
N. M. Toriello et al. PNAS (2008).
Analysis
Single Cell Characteristics
Advantage:High-throughput
Disadvantage:High-initial costComplex procedure
D. R. Parks et al. PNAS (1979).
Cell Sorter (FACS) Micromanipulator
Zhe Lu et al. PLOS One (2010).
Advantage:Low initial cost
Disadvantage:Low throughputComplex operation
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従来の細胞操作技術
10 cm
Microscope
Micromanipulator Micromanipulator
Cell culture dish
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マイクロ流体チップを用いた細胞操作
Microfluidic Chip
http://en.wikipedia.org
Position/ Orientation Control
J. Voldman et al, Anal. Chem. (2002).
Low initial costDisposable
Operator skill independentHigh throughput
Electrical ThermalMechanical
Trapping
Deformability Evaluation Cell Fusion
M. Gel et al, IEEE Trans. Nanobiosci. (2009).
Cell Lysis
Rotation
S-K Baek. et al, Lab. Chip (2009).S. Sakuma et al, Lab. Chip (2014).
S-I Han. et al, Analyst (2013).
5 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
オンチップ細胞操作の分類
OpticalTweezers Electric Force Acoustic Force Microtool
(On-Chip Robot)
Positioning Accuracy High Low Low Low
Manipulation Force Weak Strong Strong Strong
Working Area Small Large Large Small
Chip Fabrication Simple Complex Complex Complex
K. Onda et al, Opt. Express (2012). M. Hagiwara et al, Lab Chip (2011).X. Ding et al, PNAS (2012).M. yamamoto et al. Electrohemica Acta (2012).
従来技術の問題点：操作力，操作領域，作製プロセス
6 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
新技術：振動誘起流れ
100 μm
円振動
Micropillar
流体力による強い操作力広い操作エリア露光一回で作製可能
7 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
提案する細胞操作技術のコンセプト
Micropipette
Piezoelectric stage
Chip holder
Circularvibration
1 cm100 μm
Micropillar patterns
x
y
Target cell
Micropillar
Transportation[1,2] Rotation[1]
MicropillarMicropillar array
Gathering[2]
[1] Hayakawa et al, Microsystems and Nanoengineering, 2015, [2] K. Nakahara et. al., Micromachines, 2015. [3] Hayakawa et al, Micromachines, 2014.
8 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
実用例：単一細胞分離
: Photoprocessable Thermo-Responsive Gel
Catch (≤ 32 ºC)
Caught cell
50 μm
Speed x2 Release (≥ 32 ºC)
Released cell
Speed x8
50 μm
Y. Yokoyama et al, J. Photopolym. Sci. Technol. 24, 63-70 (2011).
Bioresist
ii) Catchi) Transport
Shrinking Bioresist
Transported cells
Swelling Bioresist
Caught cell
Inverted chip
Microheater
MicroscopeInvert the chip
Microtiter plate
T. Hayakawa et al. Micromachines, 5, 681-696 (2014).
Bioresist, Nissan chemical industries, LTD.
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実用例：単一細胞分離
Success rate of catch : 100% (N = 30)without vibration : 0% (N = 108)Success rate of release: 60%
: 71% Live, 29% DeadViability of release cell : 61% Live, 39% DeadControl
50 μm50 μm
Single cell catcher
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実用例：細胞回転操作
x
yz Target cell
Required ManipulationVertical Plane Rotation (VPR)
Micropillar
x
y
Circular vibration in xy plane
FPR: Focal Plane Rotation
Micropillar
Circular vibration in xz or yz plane
Glass substrate
y
z
VPR: Vertical Plane Rotation
Focal Plane Rotation (FPR)
Takeshi Hayakawa et al, Microsystems & Nanoengineering, 1, 15001 (2015).
Focal planeFocal plane
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実用例：細胞回転操作
50 μm50 μm
Clockwise (CW) Counter-Clockwise (CCW)
Succeeded in a rotation by using the vibration-induced flow.
12 Micro/ Nano Robotics, Chuo Univ., Hayakawa Lab.
実用例：細胞回転操作
x
yz Micropillar
Micropillar
( r, θ1, φ1 )
OppositeNormal
Micropillar
(O)
(r, θ2, φ2 )
50 μm
xy
zy
xz
Initial
Relative position of nucleusθ1φ1
==
87.7171.9
[degrees][degrees]
Condition of applied vibrationfA
==
2003.0
[Hz][μm]
After applying the vibration for 10 s
Relative position of nucleusθ2φ2
==
71.2147.6
[degrees][degrees]
ΔθΔφ
==
-16.524.3
[degrees][degrees]
Rotation angle of nucleus
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実用例：微粒子サイズ分離
細胞B円振動
細胞A
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想定される用途
• 細胞・化学分析用チップの微小流体制御• 細胞操作技術• 細胞分離技術• 微粒子分離技術• その他微小流体の送液・混合・攪拌・分離
本技術の特徴：
局所的な微小流れを起こすことができる点
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実用化に向けた課題
• 流れの定量評価や長時間安定性の評価
• チップへのサンプル導入・回収プロセス
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企業への期待
• マイクロ流体チップ上での微小流体・微小物体操作技術の技術移転
• 既存の細胞操作・解析技術と組み合わせた，単一細胞解析システムの共同研究
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本技術に関する知的財産権
• 発明の名称 ：粒子分離用装置及び粒子分離方法
• 出願番号 ：特願2018-106401• 出願人 ：学校法人中央大学
• 発明者 ：早川 健、北田 尚暉
