JP4599397B2

JP4599397B2 - ポンプユニット、シリンジユニット、粒子送出方法、および細胞送出方法

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Publication number: JP4599397B2
Application number: JP2007506956A
Authority: JP
Inventors: 秀作西山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: WO2006095424A1; US20080166786A1; JPWO2006095424A1

Description

本発明は、粒子が分散した液体中の該粒子を所定の場所に送り込むポンプユニット、およびそのポンプユニットを用いて実施する粒子送出方法、並びに細胞が分散した懸濁液中の該細胞をマイクロチャネルに送り込むシリンジユニット、およびそのシリンジユニットを用いて実施する細胞送出方法に関する。

液体中に混合・拡散させた粒子を移送するシステムとして様々な装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２等参照）が、ここでは、医学分野における血球由来細胞や幹細胞への物質導入装置に用いられるシリンジユニット（例えば、特許文献３等参照）を例にあげて説明する。特許文献３には、大量に連続処理を行うための物質導入装置が示されており、この物質導入装置に配備されたシリンジユニットは、シリンジ（注射器）を用いて細胞を微小な溝（マイクロチャネル）に送り込むものである。

一般に、血球由来細胞や幹細胞への物質導入にあたっては、まず、導入対象である血球由来細胞や幹細胞を生体から取り出し、トリプシンなどの分散化処理を行い、これらの細胞を培養液中に分散させる。次いで、培養液中に分散・浮遊化させた細胞をシリンジによってマイクロチャネルに送り込み、培養液を媒介とした流動により細胞を所定の処理位置まで移送する。処理位置に到達した細胞は、吸引機構により捕捉され、注入システムにより薬剤等が細胞の任意部位に導入される。

特許文献３に記載されたシリンジユニットは、内部に培養液が充填されたシリンジの先端とマイクロチャネルとをチューブで結び、シリンジの吐出動作を行うことで、細胞がチューブを通ってマイクロチャネルに送り込まれる。ここで、培養液で満たされたマイクロチャネル内に気泡が混入していると、シリンジの吐出動作を行っても、混入した気泡が細胞の移送を妨げ、マイクロチャネル内での送液が不安定になる。マイクロチャネル内への気泡の混入は、様々な原因によって生じるが、特に、培養液を吐出し終わったシリンジを培養液が充填されたシリンジに交換するシリンジ交換の際に、チューブ内に入り込む空気が大きな原因になる。

ところで、処理位置では細胞を吸引機構によって確実に捕捉するため、ＣＣＤカメラによる画像解析によって細胞の移動をモニタにしており、細胞の移動をモニタするには、非常に微量の送液分解能が必要になる。すなわち、血球由来細胞は、浮遊化状態で直径が５〜２０μｍ程度の大きさであり、マイクロチャネルの断面の大きさが細胞を内包する最小の寸法であればあるほど、細胞の移送や捕捉が容易になる。このため、マイクロチャネルの断面形状を１辺が５０μｍのほぼ正方形にすると、十分な送液分解能を得るためには細胞を５００μｍ／ｓｅｃで移送する必要が生じ、そのための流量は１．２５ｎＬ／ｓｅｃになる。そこで、十分な送液分解能を得るために内径の細いシリンジを用いることが考えられる。
実開平５−１３１９８号公報特開２００１−２５８５４５号公報特開２００４−１６６６５３号公報

しかしながら、内径の細いシリンジを用いると、一回の吐出量が少なくなり、特許文献３に記載されたシリンジユニットでは、頻繁なシリンジ交換が必要になり、マイクロチャネル内に気泡が大量に混入してしまう恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑み、気泡が混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ることができるポンプユニットおよびシリンジユニット、並びにそのポンプユニットを用いて実施する粒子送出方法およびそのシリンジユニットを用いて実施する細胞送出方法を提供することを目的とする。

上記目的を解決する本発明のポンプユニットは、粒子が分散した液体中のその粒子を所定の場所に送り込むポンプユニットにおいて、
上記液体を貯留し、底部に上記所定の場所につながる開口が設けられた貯留槽、
上記液体を先端から吸引する吸引動作と吸引した液体をその先端から吐出する吐出動作とを行うポンプ、および
上記ポンプと上記貯留槽とを相対的に移動させることで、上記ポンプの先端と上記開口の縁との位置関係を、そのポンプの先端が上記貯留槽に貯留された液体中で上記開口の縁から上方に離間した離間関係と、その先端がその開口の縁に押し付けられた押付関係との間で変化させる移動機構を備え、
上記ポンプは、上記位置関係が、上記離間関係にある状態で上記吸引動作を行い上記粒子を内部に取込み、上記押付関係にある状態で上記吐出動作を行い該粒子を送出するものであり、
上記移動機構が、上記位置関係を、上記離間関係と上記押付関係との間で変化させるにあたり、上記先端を上記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させるものであることを特徴とする。

本発明のポンプユニットによれば、上記位置関係が上記離間関係と上記押付関係との間で変化する間、上記ポンプ先端が上記液体の液面から引き上げられることがなく、シリンジ交換も必要がないことから空気の入り込みが防止される。このため、気泡が混入することが抑えられる。また、十分な送液分解能を得るために内径の細いシリンジを用いても、シリンジ交換が不要であり空気の入り込みが防止されているため、吐出動作と吸引動作を繰り返しても気泡が混入するといった問題が生じない。したがって、本発明のポンプユニットは、気泡が混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ることができる。

また、本発明のポンプユニットにおいて、上記ポンプが、このポンプユニットから分離可能なものであることが好ましい。

こうすることで、連続した送り込みを終えた後に新品のポンプに交換することができる。また、ポンプの清掃等のメンテナンスの際に、作業が行いやすい。

ここで、上記移動機構は、上記ポンプの先端を上記開口の縁に向けて付勢する付勢手段と、その付勢手段の付勢力に抗して上記ポンプの先端を上記開口の縁から離間させるカム機構とを備えたものであってもよいし、あるいは、
上記移動機構が、ピエゾアクチュエータであってもよい。

また、本発明のポンプユニットにおいて、上記位置関係が上記離間関係にある状態で上記ポンプの先端と上記開口の縁との間に存在する粒子あるいは気泡をその間から除去する除去手段を備えたことが好ましく、
上記除去手段が、上記ポンプの先端に流体を吹き付けるものであってもよい。

上記除去手段を備えたことで、上記位置関係が上記離間関係から上記押付関係に変化する際に、上記ポンプの先端と上記開口の縁の間に上記粒子を挟み込んでしまうことを防止することができる。また、上記貯留槽に貯留された液体中に溶け込んでいた空気が気泡になって表れることがあり、こうして表れた気泡を除去することで、気泡が混入することをより確実に抑えることができる。

また、本発明のポンプユニットにおいて、上記ポンプは、上記位置関係が上記移動機構によって上記離間関係から上記押付関係へ変化している最中に上記吐出動作を開始し、上記先端と上記開口の縁との間に存在する粒子あるいは気泡をその間から除去するものである態様や、あるいは、
上記移動機構は、上記位置関係が上記離間関係にある状態で、上記ポンプと上記貯留槽とを相対的に水平方向に移動させるものであり、
上記貯留槽は、底部に上向きに植毛され、上記ポンプとこの貯留槽とが相対的に水平方向に移動することでそのポンプの先端に摺擦しその先端に付着した付着物を除去するブラシ部材を有するものである態様も好ましい。

これらの態様によっても、上記粒子の挟み込みや、気泡が混入することをより確実に抑えることができる。

さらに、本発明のポンプユニットにおいて、上記貯留槽は、上記開口の縁が、上記底部の、その縁を囲う部分よりも上方に突出したものであることも好ましく、さらには、
上記開口の縁は、突出先端面が上に凸の曲面であることがより好ましい。

上記縁を突出させることで、上記ポンプ先端が接する上記縁の面積が小さくなり、上記ポンプ先端の接触圧が高められる。また、上記ポンプ先端と上記開口の縁との間に上記粒子を挟み込む可能性が低くなり、突出量が上記粒子の直径よりも大きければ、その可能性がより低くなる。さらに、上に凸の曲面にすることで上記粒子が突出先端面から転がり落ち、その可能性がより一段と低くなる。

またさらに、本発明のポンプユニットにおいて、上記ポンプは、上記位置関係が上記離間関係にある状態で、上記吸引動作と上記吐出動作を繰り返し行い、上記貯留槽内で偏在した粒子を分散させるものであることも好ましい。

長時間の連続運転を行っていると、上記貯留槽内では、上記底部に上記粒子が沈殿してしまう等の上記粒子の偏在がどうしても起こりやすくなるが、こうすることで、上記ポンプ先端からの液体の出入りによって貯留槽内が攪拌され、偏在した粒子が分散する。

また、本発明のポンプユニットにおいて、上記貯留槽に上記液体を供給する供給手段と、
上記貯留槽に貯留されている液体の液面の高さをモニタするモニタ手段と、
上記モニタ手段によるモニタ結果を受けて、上記液面の高さが所定の高さよりも低くなった場合に、上記供給手段に、上記液体を上記貯留槽へ供給させる制御部とを備えた態様も好ましい。

この態様によれば、長時間の連続運転を行い、上記貯留槽の液面が低下してきても、上記ポンプ先端が液面よりも上になることを避けることができ、長時間の連続運転を行っても、気泡が混入することが抑えられる。

上記目的を解決する本発明のシリンジユニットは、細胞が分散した懸濁液中のその細胞をマイクロチャネルに送り込むシリンジユニットにおいて、
上記懸濁液を貯留し、底部に上記マイクロチャネルにつながる開口が設けられた貯留槽、
上記懸濁液を先端から吸引する吸引動作と吸引した懸濁液をその先端から吐出する吐出動作とを行うシリンジ、および
上記シリンジと上記貯留槽とを相対的に移動させることで、上記シリンジの先端と上記開口の縁との位置関係を、そのシリンジの先端が上記貯留槽に貯留された懸濁液中で上記開口の縁から上方に離間した離間関係と、その先端がその開口の縁に押し付けられた押付関係との間で変化させる移動機構を備え、
上記シリンジは、上記位置関係が、上記離間関係にある状態で上記吸引動作を行い上記細胞を内部に取込み、上記押付関係にある状態で上記吐出動作を行い該細胞を送出するものであり、
上記移動機構が、上記位置関係を、上記離間関係と上記押付関係との間で変化させるにあたり、上記先端を上記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させるものであることを特徴とする。

上記目的を解決する本発明の粒子送出方法は、底部に所定の場所につながる開口が設けられた貯留槽に、粒子が分散した液体を貯留させる第１ステップ、
上記液体を先端から内部に吸引する吸引動作と吸引した液体をその先端から外部に向けて吐出する吐出動作とを行うポンプのその先端と上記開口の縁との位置関係が、そのポンプの先端が上記貯留槽に貯留された液体中で上記開口の縁から上方に離間した離間関係にある状態で、そのポンプにその吸引動作を行わせ、上記粒子をそのポンプの内部に取込む第２ステップ、
上記位置関係を、上記離間関係から上記ポンプの先端が上記開口の縁に押し付けられた押付関係へ、その先端を上記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させる第３ステップ、
上記位置関係が上記押付関係にある状態で上記ポンプに上記吐出動作を行わせ、上記第２ステップを実施することでそのポンプの内部に取り込んだ粒子を送出する第４ステップ、および
上記位置関係を上記押付関係から上記離間関係へ、上記ポンプの先端を上記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させる第５ステップとを有し、
上記第２ステップから上記第５ステップまでを繰り返し実施することを特徴とする。

本発明の粒子送出方法によれば、上記第２ステップから上記第５ステップまでを実施する間に上記ポンプ先端が上記液体の液面から引き上げられることがなく、シリンジ交換を行わないことから空気の入り込みが防止される。このため、気泡が混入することが抑えられる。また、十分な送液分解能を得るために内径の細いシリンジを用いても、シリンジ交換が不要であり空気の入り込みが防止されているため、上記第２ステップから上記第５ステップまでを繰り返しても気泡が混入するといった問題が生じない。したがって、本発明の粒子送出方法は、気泡が混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ることができる。

上記目的を解決する本発明の細胞送出方法は、底部にマイクロチャネルの場所につながる開口が設けられた貯留槽に、細胞が分散した懸濁液を貯留させる第１ステップ、
上記懸濁液を先端から内部に吸引する吸引動作と吸引した懸濁液をその先端から外部に向けて吐出する吐出動作とを行うシリンジのその先端と上記開口の縁との位置関係が、そのシリンジの先端が上記貯留槽に貯留された懸濁液中で上記開口の縁から上方に離間した離間関係にある状態で、そのシリンジにその吸引動作を行わせ、上記細胞をそのシリンジの内部に取込む第２ステップ、
上記位置関係を、上記離間関係から上記シリンジの先端が上記開口の縁に押し付けられた押付関係へ、その先端を上記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させる第３ステップ、
上記位置関係が上記押付関係にある状態で上記シリンジに上記吐出動作を行わせ、上記第２ステップを実施することでそのシリンジの内部に取り込んだ細胞を送出する第４ステップ、および
上記位置関係を上記押付関係から上記離間関係へ、上記シリンジの先端を上記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させる第５ステップとを有し、
上記第２ステップから上記第５ステップまでを繰り返し実施することを特徴とする。

本発明によれば、気泡が混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ることができるポンプユニットおよびシリンジユニット、並びにそのポンプユニットを用いて実施する粒子送出方法およびそのシリンジユニットを用いて実施する細胞送出方法を提供することができる。

第１実施形態のシリンジユニットが配備された物質導入装置を示す斜視図である。図１に示すシリンジが吸引動作を行っている様子を示す図である。図１に示すシリンジが吐出動作を行っている様子を示す図である。図１に示すシリンジユニットの移動機構を図２及び図３それぞれに示すものとは異なる機構のものに代えた例を示す図である。本実施形態のシリンジユニットが備える除去手段が細胞および気泡を除去している様子を示す図である。図５に示す除去手段に代えてブラシ部材を設け気泡や細胞を除去している様子を示す図である。図１に示す物質導入装置を用いて細胞へ物質を導入する手順を示すフローチャートである。シリンジによって細胞や気泡を除去している様子を示す図である。貯留ウェルの開口の縁を一段高くして細胞の挟み込みを防止している様子を示す図である。貯留ウェルの開口の縁を囲う部分を一段低くして細胞の挟み込みを防止している様子を示す図である。図９に示す貯留ウェルの開口の縁を曲面にした例を示す図である。貯留ウェルの底部に沈殿した細胞をシリンジによって分散させている様子を示す図である。図７に示すステップＳ１２を自動化したシリンジユニットを示す図である。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

まず、本発明のポンプユニットの一実施形態であるジリンジユニットについて説明する。

図１は、第１実施形態のシリンジユニットが配備された物質導入装置を示す斜視図である。

図１に示す物質導入装置１は、医学分野において用いられるものであり、血球由来細胞や幹細胞へ薬剤等を導入する装置である。この物質導入装置１は、本発明のシリンジユニットの一実施形態にも相当するシリンジユニット１０と、ベース２０と、チャネルプレート３０を有する。チャネルプレート３０はベース２０の上に配備されたものであり、おもて面側に処理窓３１を有する。このチャネルプレート３０の内部には、処理窓３１を通過するように延びるマイクロチャネル３２が設けられている。マイクロチャネル３２には、シリンジユニット１０によって細胞が送り込まれ、送り込まれた細胞はマイクロチャネル３２内を移動する。チャネルプレート３０の、処理窓３１が設けられた位置（処理位置）の裏面側には、不図示の吸引機構が配備されており、マイクロチャネル３２内を移動してきた細胞は、この吸引機構によって捕捉される。処理位置では細胞を吸引機構によって確実に捕捉するため、ＣＣＤカメラによる画像解析によって細胞の移動をモニタにしている。図１には、捕捉された細胞（不図示）にキャピラリ９０によって薬剤等を導入している様子が示されている。また、チャネルプレート３０の、処理位置の両脇には培養液（細胞が分散されていないもの）が貯留される培養液ウェル３３が設けられており、この培養液ウェル３３は、チャネルプレート３０の内部でマイクロチャネル３２に接続している。培養液ウェル３３内の培養液は、ベンチュリ効果によってマイクロチャネル３２の内壁に沿った界面流を形成し、細胞の移送を補助する。さらに、マイクロチャネル３２の下流側には、薬剤等の導入処理が完了した処理済みの細胞を溜める処理済ウェル３４が設けられている。

シリンジユニット１０は、マイクロチャネル３２の上流側に配備されたものである。このシリンジユニット１０は、貯留ウェル１１とシリンジ１２と移動機構１３を備えている。また、シリンジ１２は、直線的に上下動する直動機構を備えており、この直動機構によって吸引動作と吐出動作を行うものである。

ここで、図１とともに図２及び図３も用いてシリンジユニット１０について詳述する。

図２は、図１に示すシリンジが吸引動作を行っている様子を示す図であり、図３は、図１に示すシリンジが吐出動作を行っている様子を示す図である。

貯留ウェル１１は、チャネルプレート３０の、マイクロチャネル３２の上流側に位置する部分に設けられたものであり、底部１１ａにはマイクロチャネル３２につながる開口１１１が設けられている。この貯留ウェル１１には、細胞Ｃが分散した懸濁液Ｓが貯留される。

シリンジ１２は、直動機構１２１の他、シリンジバレル１２２とシリンジプランジャ１２３を有するものである。直動機構１２１は、図２に示すようにシリンジユニット１０の上フレーム１４１に固定されたモータ１２１１、このモータ１２１１の回転を伝える上下に延びるボールねじ１２１２、およびボールねじ１２１２が貫通したガイド部材１２１３を有する。ガイド部材１２１３は、モータ１２１１が正逆回転することでボールねじ１２１２に沿って上下動するものである。シリンジプランジャ１２３の後端部分は、このガイド部材１２１３の先端に着脱自在に取り付けられており、シリンジバレル１２２は、シリンジユニット１０の下フレーム１４２に着脱自在に取り付けられている。したがって、モータ１２１１が所定方向に回転することで図２に示すようにシリンジプランジャ１２３が引き上げられ、貯留ウェル１１に貯留された懸濁液Ｓがシリンジバレル１２２の先端１２２１からシリンジバレル１２２の内部１２２２に吸引される（吸引動作）。図２には、吸引動作を行いシリンジバレル１２２の内部１２２２に細胞Ｃを取込む様子が示されている。反対に、モータ１２１１が逆方向に回転することで図３に示すようにシリンジプランジャ１２３が押し下げられ、吸引した懸濁液Ｓがその先端１２２１から吐出される（吐出動作）。図３には、シリンジバレル１２２の内部１２２２に取り込んだ細胞Ｃを、吐出動作を行うことで開口１１１を経由させてマイクロチャネル３２へ送出する様子が示されている。

本実施形態のシリンジユニット１０によれば、吸引動作と吐出動作を連続して繰り返すことができ、シリンジプランジャ１２３およびシリンジバレル１２２を連続処理の途中で新品のものに交換することは不要である。ただし、連続処理を終えた後、新品のものに交換する必要が生じた場合には、シリンジプランジャ１２３およびシリンジバレル１２２はいずれも着脱自在に取り付けられているため、新品のシリンジに容易に交換することができる。また、シリンジの滅菌処理等のメンテナンスの際に、シリンジを取り外すことができ作業性が良好である。

さらに、シリンジバレル１２２には、内径の細い（例えば、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍ）ものを用いて、十分な送液分解能を得ている。

移動機構１３は、下フレーム１４２の両脇それぞれに設けられたものであるが、図１では、一方の移動機構１３しか図示されていない。いずれの移動機構１３も、カムモータ１３１、偏心カム部材１３２、およびバネ部材１３３を有する。また、図１に示すように、ベース２０上の、チャネルプレート３０の両脇には一対の高さ規定ブロック４３が配備されており、この図１には、シリンジユニット１０の下フレーム１４２が、これら一対の高さ規定ブロック４３の上に載置されている様子が示されている。バネ部材１３３は、シリンジユニット１０の下フレーム１４２がこれら一対の高さ規定ブロック４３の上に載置された状態になるまでシリンジユニット１０を下方へ向けて付勢する。すなわち、バネ部材１３３は、シリンジバレル１２２の先端１２２１を貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２（図２及び図３参照）に向けて付勢する付勢手段である。図３に示すシリンジユニット１０は、下フレーム１４２が一対の高さ規定ブロック４３の上に載置された状態のものであり、シリンジバレル１２２の先端１２２１が貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２に押し付けられている。したがって、図３に示すシリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との位置関係は、シリンジバレル１２２の先端１２２１が貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２に押し付けられた押付関係にある。

図１に示すように、カムモータ１３１はベース２０上に固定されたものであり、回転軸にはピニオンギア１３１１が固着されている。偏心カム部材１３２は、ラック部材１３２１と、偏心カム１３２２とからなるものである。ラック部材１３２１は、カムモータ１３１が回転することでベース２０上を摺動するものである。偏心カム１３２２は、一対の高さ規定ブロック４３に回転自在に軸支されたものであり、ラック部材１３２１が摺動することで回転する。この偏心カム１３２２は、回転することでカム面が、一対の高さ規定ブロック４３に載置されたシリンジユニット１０の下フレーム１４２を押し上げる。すなわち偏心カム部材１３２は、シリンジバレル１２２の先端１２２１を、バネ部材１３３の付勢力に抗して、懸濁液Ｓ中で貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２から離間させるものである。図２に示すシリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との位置関係は、シリンジバレル１２２の先端１２２１が貯留ウェル１１に貯留された懸濁液Ｓ中で開口１１１の縁１１２から上方に離間した離間関係にある。よって、移動機構１３は、シリンジ１２を上下動させることで、シリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との位置関係を、図２に示す離間関係と図３に示す押付関係との間で変化させるものである。さらに、本実施形態における移動機構１３は、上記位置関係を、離間関係と押付関係との間で変化させるにあたり、シリンジバレル１２２の先端１２２１を貯留ウェル１１に貯留された懸濁液Ｓ中に漬け込んだまま変化させるものである。したがって、本実施形態のシリンジユニット１０によれば、上記位置関係が離間関係と押付関係との間で変化する間、シリンジバレル１２２の先端１２２１が懸濁液Ｓの液面から引き上げられることがなく、連続処理の途中でシリンジ交換も不要であることから空気の入り込みが防止される。このため、マイクロチャネル３２内に気泡が混入することが抑えられる。また、シリンジバレル１２２には、内径の細いものを用いているため、気泡が混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ている。

ここで、図２及び図３に示す移動機構１３の変形例について説明する。以下の説明では、今まで説明した構成要素の名称と同じ名称の構成要素にはこれまで用いた符号を付して説明する。

図４は、図１に示すシリンジユニットの移動機構を図２及び図３それぞれに示すものとは異なる機構のものに代えた例を示す図である。

図４に示す移動機構１３も、付勢手段としてのバネ部材１３３を有するが、カムモータ１３１および偏心カム部材１３２の２つの構成要素に代えてピエゾアクチュエータ１３４を有する。このピエゾアクチュエータ１３４は、ベース２０上で下フレーム１４２に固定されており、圧電効果あるいは逆圧電効果を利用して伸長することで、シリンジバレル１２２の先端１２２１を、バネ部材１３３の付勢力に抗して、懸濁液Ｓ中で貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２から離間させるものである。図４には、伸長したピエゾアクチュエータ１３４が示されており、この図４における上記位置関係は離間関係にある。

なお、これまで説明した移動機構はいずれも、シリンジ１２を上下動させることで上記位置関係を離間関係と押付関係との間で変化させるものであるが、貯留ウェル１１を上下動させることで上記位置関係を離間関係と押付関係との間で変化させるものであってもよい。すなわち、移動機構は、シリンジ１２と貯留ウェル１１とを相対的に移動させることで、上記位置関係を離間関係と押付関係との間で変化させるものであればよい。

さらに、本実施形態のシリンジユニット１０は、上記位置関係が離間関係にある状態でシリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との間に存在する細胞あるいは気泡をその間から除去する除去手段を有する。

図５は、本実施形態のシリンジユニットが備える除去手段が細胞および気泡を除去している様子を示す図である。

この図５には、シリンジバレル１２２の先端１２２１に気泡Ｂが付着している様子が示されている。シリンジバレル１２２の先端を貯留ウェル１１に貯留された懸濁液Ｓ中に最初に漬けたときには、シリンジバレル１２２の先端１２２１に気泡Ｂが付着してしまうことがある。また、貯留ウェル１１に貯留された懸濁液中に溶け込んでいた空気が気泡になって表れることがある。さらに、上記位置関係が離間関係から押付関係に変化する際に、シリンジバレル１２２の先端１２２１と開口１１１の縁１１２との間に細胞Ｃが存在すると、その細胞Ｃを挟み込んでしまう恐れがある。図５に示す除去手段１５１は、シリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との間に培養液を吹き付けるものである。この除去手段１５によって培養液を吹き付けることで、その間に存在する気泡Ｂや細胞Ｃがその間から除去される。したがって、本実施形態のシリンジユニット１０によれば、細胞Ｃを先端１２２１と縁１１２との間に挟み込んでしまうことを防止するとともに気泡Ｂがマイクロチャネル３２内に混入することをより確実に抑えることができる。

図６は、図５に示す除去手段に代えブラシ部材を設けて気泡や細胞を除去している様子を示す図である。

ここでの移動機構１３は、上記位置関係が離間関係にある状態で、シリンジ１２を水平方向（図６中の矢印参照）にも移動させることができるものである。なお、移動機構１３は、シリンジ１２と貯留ウェル１１とを相対的に水平方向に移動させるものであればよい。また、図６に示す貯留槽１１は底部１１ａにブラシ部材１１５を有する。このブラシ部材１１５は、底部１１ａに上向きに植毛され、シリンジ１２が水平方向に移動することでシリンジバレル１２２の先端１２２１に摺擦し、その先端１２２１に付着した気泡Ｂや細胞Ｃを除去するものである。こうすることでも、細胞Ｃを先端１２２１と縁１１２との間に挟み込んでしまうことを防止するとともに気泡Ｂがマイクロチャネル３２内に混入することをより確実に抑えることができる。

続いて、図１に示す物質導入装置１を用いて細胞へ薬剤等の物質を導入する手順について説明する。この手順には、本発明の粒子送出方法の一実施形態である細胞送出方法の手順が含まれている。

図７は、図１に示す物質導入装置を用いて細胞へ物質を導入する手順を示すフローチャートである。

図７に示すフローチャートでは、マイクロチャネル３２内の送液状態を安定させてから薬剤等の物質の導入処理を行う。まず、図１に示すベース２０上にチャネルプレート２０をセットし（ステップＳ１）、次いで、シリンジユニット１０をセットする（ステップＳ２）。シリンジユニット１０をセットした状態では、バネ部材１３３の付勢力により上記位置関係は図３に示す押付関係にある。続いて、送液安定用として貯留ウェル１１に細胞が分散していない培養液を滴下するとともに（ステップＳ３）、培養液ウェル３３にも培養液を滴下する（ステップＳ４）。次に、移動機構１３のカムモータ１３１を回転させ偏心カム１３２２のカム面によって下フレーム１４２を押し上げ、シリンジ１２を数百μｍ（例えば２００μｍ〜３００μｍ）上昇させ（ステップＳ５）、上記位置関係を押付関係から図２に示す離間関係にする。次いで、離間関係を維持したまま、図５に示す除去手段１５１によってシリンジバレル１２２の先端１２２１と貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２との間に培養液を吹き付け（ステップＳ６）、その間に存在する気泡Ｂをその間から除去する。続いて、離間関係にある状態でシリンジ１２に吸引動作を行わせ、シリンジバレル１２２の内部１２２２へ培養液を充填する（ステップＳ７）。次に、カムモータ１３１を回転させ偏心カム１３２２のカム面による押し上げを解除し、バネ部材１３３の付勢力によって上記位置関係を図３に示す押付関係に戻す（ステップＳ８）。すなわち、シリンジ１２を下降させ、シリンジバレル１２２の先端１２２２を開口１１１に接続する。続いて、押付関係にある状態でシリンジ１２に吐出動作を行わせ、ステップＳ７を実施することで内部に充填した培養液を、開口１１１を経由してマイクロチャネル３２へ送出する（ステップＳ９）。ここで、シリンジプランジャ１２３が最前進位置にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。すなわち、シリンジプランジャ１２３が完全に押し下げられ吐出動作が終了したか否かを判定し、終了していなければ吐出動作を続行させ（ステップＳ９）、終了していればステップＳ１１へ進む。ステップＳ１１では、マイクロチャネル３２内の送液状態が安定したか否かを判定し、不安定であればステップＳ５へ戻り、安定していればステップＳ１２へ進み、物質導入処理を開始する。

物質導入処理ではまず、ステップＳ１２で、貯留ウェル１１に細胞Ｃが分散している懸濁液を滴下する（本発明にいう第１ステップの一例に相当）。次に、ステップＳ５と同様にしてシリンジ１２を数百μｍ上昇させ（ステップＳ１３）、上記位置関係を、シリンジバレル１２２の先端１２２１を貯留ウェル１１に貯留された培養液中に漬け込んだまま離間関係にする。次いで、離間関係を維持したまま、ステップＳ６と同様にして培養液を吹き付け（ステップＳ１４）、ステップS１５へ進む。このステップＳ１４では、細胞や貯留ウェル１１に貯留された懸濁液中に溶け込んでいた空気による気泡が、シリンジバレル１２２の先端１２２１と開口１１１の縁１１２との間から除去される。ステップＳ１５では、離間関係にある状態でシリンジ１２に吸引動作を行わせ、シリンジバレル１２２の内部１２２２へ細胞Ｃを取り込む（本発明にいう第２ステップの一例に相当）。ステップＳ１５に続くステップＳ１６においては、ステップＳ８と同様にして上記位置関係を、シリンジバレル１２２の先端１２２１を貯留ウェル１１に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま図３に示す押付関係へ戻し（本発明にいう第３ステップの一例に相当）、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、押付関係にある状態でシリンジ１２に吐出動作を行わせ、ステップＳ１５を実施することで内部に充填した細胞Ｃを、開口１１１を経由してマイクロチャネル３２へ送出し（本発明にいう第４ステップの一例に相当）、図１に示す処理窓３１が設けられた処理位置において、細胞を捕捉し細胞へ薬剤等の物質を導入する（ステップＳ１８）。次に、ステップＳ１０と同様にシリンジプランジャ１２３が最前進位置にあるか否かを判定し（ステップＳ１９）、最前進位置に到達していなければ吐出動作を続行させ（ステップＳ１７）、到達していればステップＳ２０へ進む。ステップＳ２０では、必要な数の細胞に物質が導入されたか否か、すなわち物質導入処理が終了したか否かを判定し、終了していなければステップＳ１３へ戻り、物質導入処理が終了するまでステップＳ１３からステップＳ２０までを繰り返し実施する。一方、物質導入処理が終了すればこのフローチャートも終了になる。

以上説明した、細胞への物質導入の手順では、ステップＳ５からステップＳ２０までを実施する間にシリンジバレル１２２の先端１２２１が懸濁液の液面から引き上げられることがなく、シリンジ交換を行わないことから空気の入り込みが防止されている。このため、気泡がマイクロチャネル３２へ混入することが抑えられる。また、十分な送液分解能を得るために内径の細いシリンジを用いても、シリンジ交換が不要であり空気の入り込みが防止されているため、ステップＳ１３からステップＳ２０までを繰り返しても気泡が混入するといった問題が生じない。

続いて、本実施形態のシリンジユニットの応用例について説明する。

本実施形態のシリンジユニット１０では、図７に示すステップＳ６やステップＳ１４において図５に示す除去手段１５によって培養液を吹き付けることで、細胞Ｃや気泡Ｂを除去しているが、ステップＳＳ１６の実施中に細胞Ｃや気泡Ｂの除去を行う応用例についてまず説明する。

図８は、シリンジによって細胞や気泡を除去している様子を示す図である。

図８に示すシリンジ１２は、上記位置関係が離間関係から押付関係へ変化している最中（図７に示すステップＳ１６の実施中）に吐出動作を開始し、シリンジバレル１２２の先端１２２１と開口１１１の縁１１２との間に存在する細胞Ｃや気泡Ｂが、その先端１２２１から吐出される懸濁液Ｓの流れによって貯留ウェル１１の周壁側へ除去される。

こうすることで、細胞Ｃの挟み込みやマイクロチャネル３２への気泡Ｂの混入をより確実に抑えることができる。

また、貯留ウェルの開口の縁を、底部の、その縁を囲う部分よりも上方突出したものにすることで、細胞の挟み込みを防止することも可能である。

図９は、貯留ウェルの開口の縁を一段高くして細胞の挟み込みを防止している様子を示す図であり、図１０は、貯留ウェルの開口の縁を囲う部分を一段低くして細胞の挟み込みを防止している様子を示す図である。

図９に示す貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２は、底部１１ａの、その縁１１２を囲う部分１１３よりも細胞Ｃの直径（浮遊状態で５〜２０μｍ）以上突出したものである。また、図１０に示す底部１１ａの、開口１１１の縁１１２を囲う部分１１３は、その縁１１２よりも細胞Ｃの直径以上窪んだ溝である。これらのようにすることで、シリンジバレル１２２の先端１２２１と開口１１１の縁１１２との間に細胞Ｃを挟み込む可能性がより低くなる。また、シリンジバレル１２２の先端１２２１が接する縁１１２の面積が小さくなり、先端１２２１の接触圧が高められる。

図１１は、図９に示す貯留ウェルの開口の縁を曲面にした例を示す図である。

図１１に示す貯留ウェル１１の開口１１１の縁１１２は、上方に向かって突出しており、突出先端面１１２１が上に凸の曲面である。上に凸の曲面にすることで細胞Ｃが開口１１１の縁１１２に留まらずに転がり落ち、細胞Ｃの挟み込みの可能性がより一段と低くなる。

次に、長時間の連続処理を行っていると、貯留ウェル１１内では、底部１１ａに細胞Ｃが沈殿してしまう等の細胞Ｃの偏在がどうしても起こりやすくなる。このため、偏在した細胞Ｃを分散させる応用例について説明する。

図１２は、貯留ウェルの底部に沈殿した細胞をシリンジによって分散させている様子を示す図である。

図１２に示すシリンジ１２は、上記位置関係が離間関係にある状態で、吸引動作と吐出動作を繰り返し行い、シリンジバレル１２２の先端１２２１から懸濁液Ｓを出入りさせる。この懸濁液Ｓの出入りによって貯留ウェル１１内が攪拌され、底部１１ａに沈殿していた細胞Ｃが分散される。

最後に、図７に示すステップＳ１２を自動化し、長時間の連続処理をより行いやすくしたシリンジユニット１０について説明する。

図１３は、図７に示すステップＳ１２を自動化したシリンジユニットを示す図である。

図１３に示すシリンジユニット１０が備える貯留ウェル１１には、不純物が入り込みことを防止するため蓋体１１５が設けられている。このシリンジユニット１０は、貯留ウェル１１やシリンジ１２等の他、供給手段１６やモニタ手段１７や制御部１８も有する。供給手段１６は貯留ウェル１１に、細胞Ｃが分散した懸濁液Ｓを供給するものである。図１３に示す供給手段１６は、バルブ１６１と供給パイプ１６２を有するものであり、このバルブ１６１が開かれることで、懸濁液Ｓが供給パイプ１６２を通って貯留ウェル１１へ供給される。モニタ手段１７は、貯留ウェル１１に貯留されている懸濁液Ｓの液面Ｓ’の高さをモニタする液面センサである。また、制御部１８は、モニタ手段１７によるモニタ結果を受けて、液面Ｓ’の高さが所定の高さｈよりも低くなった場合に、供給手段１６のバルブ１６１を開け、懸濁液Ｓを貯留ウェル１１へ供給させるものである。図１３には上記位置関係が離間関係にある状態が示されており、ここにいう所定の高さｈとは、この離間関係にある状態のシリンジバレル１２２の先端１２２１の高さよりもある程度高い高さをいう。図１３に示すシリンジユニット１０によれば、長時間の連続処理を行い、貯留ウェル１１の液面Ｓ’が低下してきても、シリンジバレル１２２の先端１２２１が液面Ｓ’よりも上になることを避けることができ、長時間の連続運転を行っても、気泡がマイクロチャネル３２内に混入することが抑えられる。

以上説明したように、本実施形態のシリンジユニット１０によれば、気泡がマイクロチャネル３２に混入することを抑えつつ十分な送液分解能を得ることができる。なお、本発明は、医学分野における細胞の送出に限らず、広く様々な分野に適用することができる。

Claims

粒子が分散した液体中の該粒子を所定の場所に送り込むポンプユニットにおいて、
前記液体を貯留し、底部に前記所定の場所につながる開口が設けられた貯留槽、
前記液体を先端から吸引する吸引動作と吸引した液体を該先端から吐出する吐出動作とを行うポンプ、および
前記ポンプと前記貯留槽とを相対的に移動させることで、前記ポンプの先端と前記開口の縁との位置関係を、該ポンプの先端が前記貯留槽に貯留された液体中で前記開口の縁から上方に離間した離間関係と、該先端が該開口の縁に押し付けられた押付関係との間で変化させる移動機構を備え、
前記ポンプは、前記位置関係が、前記離間関係にある状態で前記吸引動作を行い前記粒子を内部に取込み、前記押付関係にある状態で前記吐出動作を行い該粒子を送出するものであり、
前記移動機構が、前記位置関係を、前記離間関係と前記押付関係との間で変化させるにあたり、前記先端を前記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させるものであることを特徴とするポンプユニット。
前記ポンプが、このポンプユニットから分離可能なものであることを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
前記位置関係が前記離間関係にある状態で前記ポンプの先端と前記開口の縁との間に存在する粒子あるいは気泡を該間から除去する除去手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
前記ポンプは、前記位置関係が前記移動機構によって前記離間関係から前記押付関係へ変化している最中に前記吐出動作を開始し、前記先端と前記開口の縁との間に存在する粒子あるいは気泡を該間から除去するものであることを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
前記移動機構は、前記位置関係が前記離間関係にある状態で、前記ポンプと前記貯留槽とを相対的に水平方向に移動させるものであり、
前記貯留槽は、底部に上向きに植毛され、前記ポンプとこの貯留槽とが相対的に水平方向に移動することで該ポンプの先端に摺擦し該先端に付着した付着物を除去するブラシ部材を有するものであることを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
前記貯留槽は、前記開口の縁が、前記底部の、該縁を囲う部分よりも上方に突出したものであることを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
前記ポンプは、前記位置関係が前記離間関係にある状態で、前記吸引動作と前記吐出動作を繰り返し行い、前記貯留槽内で偏在した粒子を分散させるものであることを特徴とする請求項１記載のポンプユニット。
細胞が分散した懸濁液中の該細胞をマイクロチャネルに送り込むシリンジユニットにおいて、
前記懸濁液を貯留し、底部に前記マイクロチャネルにつながる開口が設けられた貯留槽、
前記懸濁液を先端から吸引する吸引動作と吸引した懸濁液を該先端から吐出する吐出動作とを行うシリンジ、および
前記シリンジと前記貯留槽とを相対的に移動させることで、前記シリンジの先端と前記開口の縁との位置関係を、該シリンジの先端が前記貯留槽に貯留された懸濁液中で前記開口の縁から上方に離間した離間関係と、該先端が該開口の縁に押し付けられた押付関係との間で変化させる移動機構を備え、
前記シリンジは、前記位置関係が、前記離間関係にある状態で前記吸引動作を行い前記細胞を内部に取込み、前記押付関係にある状態で前記吐出動作を行い該細胞を送出するものであり、
前記移動機構が、前記位置関係を、前記離間関係と前記押付関係との間で変化させるにあたり、前記先端を前記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させるものであることを特徴とするシリンジユニット。
底部に所定の場所につながる開口が設けられた貯留槽に、粒子が分散した液体を貯留させる第１ステップ、
前記液体を先端から内部に吸引する吸引動作と吸引した液体を該先端から外部に向けて吐出する吐出動作とを行うポンプの該先端と前記開口の縁との位置関係が、該ポンプの先端が前記貯留槽に貯留された液体中で前記開口の縁から上方に離間した離間関係にある状態で、該ポンプに該吸引動作を行わせ、前記粒子を該ポンプの内部に取込む第２ステップ、
前記位置関係を、前記離間関係から前記ポンプの先端が前記開口の縁に押し付けられた押付関係へ、該先端を前記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させる第３ステップ、
前記位置関係が前記押付関係にある状態で前記ポンプに前記吐出動作を行わせ、前記第２ステップを実施することで該ポンプの内部に取り込んだ粒子を送出する第４ステップ、および
前記位置関係を前記押付関係から前記離間関係へ、前記ポンプの先端を前記貯留槽に貯留された液体中に漬け込んだまま変化させる第５ステップとを有し、
前記第２ステップから前記第５ステップまでを繰り返し実施することを特徴とする粒子送出方法。
底部にマイクロチャネルの場所につながる開口が設けられた貯留槽に、細胞が分散した懸濁液を貯留させる第１ステップ、
前記懸濁液を先端から内部に吸引する吸引動作と吸引した懸濁液を該先端から外部に向けて吐出する吐出動作とを行うシリンジの該先端と前記開口の縁との位置関係が、該シリンジの先端が前記貯留槽に貯留された懸濁液中で前記開口の縁から上方に離間した離間関係にある状態で、該シリンジに該吸引動作を行わせ、前記細胞を該シリンジの内部に取込む第２ステップ、
前記位置関係を、前記離間関係から前記シリンジの先端が前記開口の縁に押し付けられた押付関係へ、該先端を前記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させる第３ステップ、
前記位置関係が前記押付関係にある状態で前記シリンジに前記吐出動作を行わせ、前記第２ステップを実施することで該シリンジの内部に取り込んだ細胞を送出する第４ステップ、および
前記位置関係を前記押付関係から前記離間関係へ、前記シリンジの先端を前記貯留槽に貯留された懸濁液中に漬け込んだまま変化させる第５ステップとを有し、
前記第２ステップから前記第５ステップまでを繰り返し実施することを特徴とする細胞送出方法。