JP4742973B2 - Cell electrophysiology measuring device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
本発明は、薬剤に対する細胞の反応、或いは細胞が発する電気生理現象によって生じる電気化学的変化を測定するために用いられる細胞電気生理測定デバイスと、この細胞電気生理測定デバイスの製造方法に関する。 The present invention relates to a cell electrophysiology measuring device used for measuring an electrochemical change caused by a reaction of a cell to a drug or an electrophysiological phenomenon generated by the cell, and a method for producing the cell electrophysiology measuring device.
図13に示すように、従来開示されている細胞電気生理測定デバイス1は、基板2と、この基板2の上部に設けた第一の貯留槽3と、基板2の下部に設けた第二の貯留槽4と、第一の貯留槽3および前記第二の貯留槽4にそれぞれ接続された第一の測定電極5および第二の測定電極6とを備えている。そして基板2は、上面に設けた凹部7と、この凹部7から基板2の下面まで繋がる貫通孔8とを有している。
As shown in FIG. 13, a cell electrophysiology measurement device 1 disclosed in the past includes a
そしてこの細胞電気生理測定デバイス1は、第一の貯留槽3に被験体細胞9を包含する培養液10aを注入し、貫通孔8の上方から加圧、あるいは下方から減圧することで培養液10aを吸引し、被験体細胞9を凹部7に捕捉することができる。そして例えばこの被験体細胞9の上から薬剤を投与し、第一の貯留槽3の培養液10aと第二の貯留槽4の培養液10bとの電位差を第一の測定電極5および第2の測定電極6で測定し、検出装置11を用いて比較・分析することで被験体細胞9の薬理反応を判断することができる。
And this cell electrophysiology measuring device 1 inject | pours into the
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、特許文献1や非特許文献1などが知られている。
上記従来の構成では、細胞電気生理測定デバイス1の測定精度が低いという問題があった。 The conventional configuration has a problem that the measurement accuracy of the cell electrophysiological measurement device 1 is low.
これは被験体細胞9と貫通孔8の開口部8aとの密着性が低く、被験体細胞9を境とした第一の貯留槽3と第二の貯留槽4との間の電気的絶縁性が十分に確保されていない為であった。そしてその結果、測定精度が低下するのであった。
This is because the adhesion between the subject cell 9 and the opening 8a of the through hole 8 is low, and the electrical insulation between the
そこで本発明は、上記課題を解決し、細胞電気生理測定デバイス1における測定精度を高めることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems and increase the measurement accuracy in the cell electrophysiology measurement device 1.
この目的を達成するために本発明は、被験体細胞と密着させる貫通孔の開口部には、凹部の内部に向けて上方に突出した突出部を備え、この突出部は、その先端から湾曲して外方へ下降する凹部の内壁と、貫通孔の内壁とで形成されるものとした。 In order to achieve this object, in the present invention, the opening of the through-hole to be in close contact with the subject cell is provided with a protrusion protruding upward toward the inside of the recess, and the protrusion is curved from the tip. The inner wall of the concave part descending outward and the inner wall of the through hole are formed.
この構成により本発明は、被験体細胞と貫通孔開口部との密着性を高めることができる。 With this configuration, the present invention can improve the adhesion between the subject cell and the through-hole opening.
それは、前述の突出部によって被験体細胞と貫通孔開口部との接触面積が増大し、かつこの突出部が被験体細胞へ食い込み、接触抵抗が大きくなるためである。そしてその結果、細胞電気生理測定デバイスの測定精度を向上させることが出来るのである。 This is because the contact area between the subject cell and the through-hole opening is increased by the above-described protrusion, and the protrusion bites into the subject cell, thereby increasing the contact resistance. As a result, the measurement accuracy of the cell electrophysiology measurement device can be improved.
(実施の形態1)
以下、本実施の形態における細胞電気生理測定デバイスの構成を説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the configuration of the cell electrophysiology measurement device according to the present embodiment will be described.
図1の断面図に示すように、本実施の形態の細胞電気生理測定デバイス12は、基板13と、この基板13の上部に設けられた、第一の貯留槽14を有するウェル15と、基板13の下部に設けられた、第二の貯留槽16を有するプレート17と、第一の貯留槽14内に設けられた第一の測定電極18と、第二の貯留槽16内であって、基板13の下面に設けられた第二の測定電極19と、これらの第一の測定電極18および第二の測定電極19により得られた電位を比較検出する検出装置20とを備えている。
As shown in the cross-sectional view of FIG. 1, the cell
なお、第一の貯留槽14は培養液21aを貯留するためのものであり、第二の貯留槽16は培養液21bを貯留するためのものである。また第一の測定電極18と第二の測定電極19とは、培養液21aと培養液21bとの電位差を検出するためのものである。
In addition, the
そして基板13は、その上面に、被験体細胞22を捕捉保持する凹部23と、この凹部23の底部から基板13下面までをつなぐ貫通孔24とを有し、この貫通孔24の開口部24aは、凹部23の内部に向けて上方に突出した突出部24bを有している。そしてこの突出部24bは、その先端から湾曲して斜め外方へ下降する凹部23の内壁と、この凹部23の内壁と連続する貫通孔24の内壁とで形成されている。本実施の形態では、図2に示すように、貫通孔24は基板13に対し垂直な円柱構造に形成し、突出部24bは、その先端が鋭利なものではなく、上方に向かって丸みを帯びた湾曲面で形成されたものとした。また、突出部24bの先端を、基板13上面より下方に形成し、凹部23に適切に被験体細胞(図1の22)を捕捉できるようにしている。
And the board |
なお、図3の基板13の斜視図に示すように、本実施の形態における細胞電気生理測定デバイス12は、基板13に前述の凹部23および貫通孔24を複数個形成している。また、基板13としては単結晶シリコンを用い、この基板13の表面にはシリコン酸化物からなる絶縁膜(図11の30)を形成している。
Note that, as shown in the perspective view of the
さらに、被験体細胞(図1の22)としては哺乳類細胞を用いた。この場合、代表的な培養液21aとしては、K+イオンが155mM、Na+イオンが12mM程度、Cl-イオンが4.2mM程度添加された電解液、培養液21bとしてはK+イオンが4mM程度、Na+イオンが145mM程度、Cl-イオンが123mM程度添加された電解液が挙げられる。
Furthermore, mammalian cells were used as the subject cells (22 in FIG. 1). In this case,
次に、本発明の細胞電気生理測定デバイス12の動作について説明する。
Next, the operation of the cell electrophysiology measuring
図1に示すように、まず、第一の貯留槽14を、被験体細胞22を包含する第一の培養液21aで満たし、第一の貯留槽14側から加圧(あるいは第二の貯留槽16側から減圧)して第一の培養液21aを貫通孔24の第二の貯留槽16側へ流動させる。
As shown in FIG. 1, first, the
するとこの第一の培養液21aの流動に伴い、被験体細胞22が凹部23に捕捉される。この捕捉された被験体細胞22によって、第一の培養液21aと第二の培養液21bとが電気的に分離される。
Then, the
次に第二の貯留槽16側から吸引、もしくは薬剤(例えばナイスタチンなど)を投入することで被験体細胞22の第二の貯留槽16側の細胞膜に微細小孔を形成する。
Next, a fine pore is formed in the cell membrane of the
その後第一の貯留槽14側から被験体細胞22に対して刺激となりうる行為を施す。この刺激の種類としては、例えば化学薬品、毒薬などの化学的刺激に加え、機械的変位、光、熱、電気、電磁波などの物理的刺激が挙げられる。
Thereafter, an action that can be a stimulus to the
ここで被験体細胞22がこれらの刺激に対して反応を示せば被験体細胞22の細胞膜内に存在するイオンチャネルが活性または拮抗し、このイオンチャネルを介してイオンの移動量が変化するため、この被験体細胞22を通過した第二の培養液21bの電位に変化が生じることになる。
Here, if the
この電位を第一の測定電極18と第二の測定電極19で検出し、検出装置20で比較・分析することで、薬剤が被験体細胞22に対して有効性を有するかどうかなどを判断するのである。
This potential is detected by the
このとき、被験体細胞22が高い密着性を持って貫通孔24の開口部24aおよび凹部23に接触保持されることで低いバックグラウンドノイズで被験体細胞22の電気生理現象を測定することが可能となる。
At this time, the electrophysiological phenomenon of the
次に、本実施の形態における細胞電気生理測定デバイス12の製造方法を説明する。
Next, the manufacturing method of the cell electrophysiology measuring
まず図4に示すように、基板13の上面にフォトリソグラフィーによりレジストマスク26を形成する。このレジストマスク26には、所望の貫通孔24の開口部24aと略同形状のマスクホール27を形成しておく。
First, as shown in FIG. 4, a
次に図5に示すように基板13をドライエッチングして貫通孔24を形成する。この時のエッチングガスとしては、エッチングを促進するガス(以下エッチングガスという)とエッチングを抑制するガスと(以下抑制ガスという)とを交互に用いる。
Next, as shown in FIG. 5, the
エッチングガスとしてはSF6、CF4、XeF2などがある。また、抑制ガスとしてはCHF3、C4F8などが挙げられる。 Examples of the etching gas include SF 6 , CF 4 , and XeF 2 . In addition, examples of the suppression gas include CHF 3 and C 4 F 8 .
これらのエッチングガスにより基板13を少しエッチングし、その後抑制ガスによりシリコン面に保護膜を形成するステップを繰り返すことで、基板13の上面に対して垂直方向のみのエッチングが可能となる。
Etching only in a direction perpendicular to the upper surface of the
そして図6に示すように、貫通孔24を形成後、抑制ガスを吹き付け、貫通孔24側壁にポリマーからなる保護膜25を形成し、レジストマスク26を除去する。なお、この保護膜25を形成するその他の方法として、貫通孔24を形成し、レジストマスク26を除去した後に熱酸化法、CVD法、スパッタリング法等の成膜方法を用いて酸化物からなる保護膜25を形成する方法がある。この後者の方法では、後述する凹部23を形成する工程で利用するレジストマスク(図7の28)のエッチングホール(図7の29)に沿って基板13の上面に成膜された保護膜25をエッチングする必要がある。この際、エッチングには上面のみのエッチングが可能なドライエッチングが有効となる。
Then, as shown in FIG. 6, after forming the through
なおこの保護膜25によって、後の凹部23形成の際のドライエッチングの影響を受けず、貫通孔24の形状を保つことができる。
The
次に図7に示すように、基板13に貫通孔24の開口部24aの外郭に環状のマスクホール29を有する新たなレジストマスク28を形成し、SF6またはCF4またはXeF2またはClF3またはNF3またはこれらの混合ガスのいずれかを用いたエッチングガスでSiのドライエッチングを施す。
Next, as shown in FIG. 7, a
すると図8に示すように、環状のマスクホール29の部分を中心に等方的にエッチングが進み、凹部23が形成される。
Then, as shown in FIG. 8, the etching proceeds isotropically around the
このとき、図9に示すように、貫通孔24の内壁と凹部23の内壁とが連結し、突出部24bの先端が基板13の上面より下方になるまでエッチングを施した後、レジストマスク28を除去する。この時同時に保護膜25も除去され、図10に示すように、貫通孔24の開口部24aには凹部23内方に向かって上方に突出した突出部24bを形成することが出来る。
At this time, as shown in FIG. 9, after etching is performed until the inner wall of the through
さらにその後、図11に示すように、熱酸化法、CVD法、スパッタリング法等の成膜方法を用いることで構造体表面にシリコン酸化物からなる絶縁膜30を形成する。この絶縁膜30は、その他シリコン窒化物膜などによって形成してもよい。この絶縁膜30が成膜されることで突出部24bの先端は丸みを帯びた湾曲面で形成される。
Further, as shown in FIG. 11, an insulating
その他突出部24bの先端を上記のような湾曲面で形成するには、ドライエッチングあるいはウェットエッチング加工や、不活性ガスによるアニール処理で鋭利なエッジ部分を丸くする方法がある。 In addition, in order to form the tip of the protruding portion 24b with the curved surface as described above, there is a method of rounding a sharp edge portion by dry etching or wet etching or annealing with an inert gas.
本実施の形態における効果を以下に説明する。 The effect in this Embodiment is demonstrated below.
まず、本実施の形態では、細胞電気生理測定デバイス12の測定精度を高めることが出来る。
First, in the present embodiment, the measurement accuracy of the cell
これは、図1に示すように、貫通孔24の開口部24aには、凹部23の内方に向けて上方に突出した突出部24bがあり、この突出部24bは、その先端から湾曲して外方へ下降する凹部23の内壁と、貫通孔24の内壁とで形成されていることに由来する。
As shown in FIG. 1, the
すなわち、突出部24bは上記構成によってなだらかに湾曲する傾斜面で凹部23と一体となっていることから、被験体細胞22は、この凹部23内壁の湾曲面に沿って、隙間が極力ないよう密着することができ、被験体細胞22と貫通孔24の開口部24aとの当接面積を増すことができるためである。
That is, since the protrusion 24b is an inclined surface that is gently curved with the above configuration and is integrated with the
さらにこの突出部24bが被験体細胞22を吸引する方向と逆向きに形成されていることから、吸引の際に接触抵抗が増し、突出部24bが被験体細胞22に食い込むような形となる。
Further, since the protrusion 24b is formed in the direction opposite to the direction in which the
そしてこのような当接面積の増大と食い込みにより、貫通孔24開口部と被験体細胞22との密着性が増し、この結果測定精度を向上させることが出来るのである。
And by such an increase in contact area and biting in, the adhesion between the opening of the through
また、本実施の形態では、図2に示すように突出部24bの先端を、上方に向けて丸みを帯びた湾曲面で構成したことから、被験体細胞22が突出部24bに食い込んだ際も、被験体細胞22の細胞膜の破損を抑制することができる。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the tip of the protruding portion 24b is configured with a curved surface that is rounded upward, so that the
さらに図11に示すように、凹部23および貫通孔24の内壁を含む基板13表面全体をシリコン酸化物からなる絶縁膜30で被覆したことにより、微細加工に適したシリコン基板13を用いつつ、基板13上面と下面との間の絶縁性を確保することができる。そしてこのシリコン酸化物膜は同時に親水性を有することから、貫通孔24の開口部24a近傍において被験体細胞22の密着性をさらに向上させることができる。
Further, as shown in FIG. 11, the entire surface of the
また、貫通孔24内壁も親水性の高いシリコン酸化物膜で被覆することで貫通孔24内部における流路抵抗が低減され、吸引ポンプなどによる吸引効率が向上し、被験体細胞22が貫通孔24の開口部24a近傍および凹部23に密着し易くなる。
Further, the inner wall of the through
なお、本実施の形態では絶縁膜30としてシリコン酸化物を用いたが、他の酸化膜、窒化膜など親水性を有する絶縁膜30を用いれば上記と同様の効果を得られる。
Although silicon oxide is used as the insulating
(実施の形態2)
本実施の形態と実施の形態1との違いは、図12に示すように貫通孔31の形状を、貫通孔31の開口部31aから基板13下面に向けて広がったテーパ構造にしたことである。
(Embodiment 2)
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that the shape of the through
これにより貫通孔31の開口部31aから基板13下面に行くにつれて培養液21bの流束密度が徐々に減少するため、安定して培養液21bを吸引することができる。そしてその結果、被験体細胞22を貫通孔31の開口部31aに的確に吸引することができる。
As a result, the flux density of the culture solution 21b gradually decreases from the
なお、本実施の形態における貫通孔31は、この貫通孔31を形成するドライエッチング工程において、エッチングを促進するガス(エッチングガス)とエッチングを抑制するガス(抑制ガス)の割合を、エッチングが進むに従って(貫通孔31の下部に行くに従って)、エッチングガスの割合を増やせばよい。
In the through
本発明の細胞電気生理測定デバイスは、細胞の薬剤に対する反応、或いは細胞が発する電気生理現象によって生じる電気化学的変化を、高精度で測定するのに有用である。 The cell electrophysiology measuring device of the present invention is useful for measuring with high accuracy an electrochemical change caused by a reaction of a cell to a drug or an electrophysiological phenomenon generated by the cell.
1 細胞電気生理測定デバイス
2 基板
3 第一の貯留槽
4 第二の貯留槽
5 第一の測定電極
6 第二の測定電極
7 凹部
8 貫通孔
8a 開口部
9 被験体細胞
10a 培養液
10b 培養液
11 検出装置
12 細胞電気生理測定デバイス
13 基板
14 第一の貯留槽
15 ウェル
16 第二の貯留槽
17 プレート
18 第一の測定電極
19 第二の測定電極
20 検出装置
21a 第一の培養液
21b 第二の培養液
22 被験体細胞
23 凹部
24 貫通孔
24a 開口部
24b 突出部
25 保護膜
26 レジストマスク
27 マスクホール
28 レジストマスク
29 マスクホール
30 絶縁膜
31 貫通孔
31a 開口部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cell
Claims (7)
この基板の上部に設けた第一の貯留槽と、
前記基板の下部に設けた第二の貯留槽と、
前記第一の貯留槽および前記第二の貯留槽との電位差を検出するためそれぞれに設けられた測定電極とを備え、
前記基板は、
この基板の上面に設けた凹部と、
この凹部の底部から開口し前記基板の下面まで繋がる貫通孔とを有し、
この貫通孔の開口部は、
前記凹部の内部に向けて上方に突出した突出部を備え、
この突出部は、
その先端から湾曲して外方へ下降する前記凹部の内壁と、
前記貫通孔の内壁とで形成され、
前記突出部の先端は、前記基板上面より下方にある細胞電気生理測定デバイス。 A substrate,
A first storage tank provided on top of the substrate;
A second storage tank provided at the bottom of the substrate;
A measuring electrode provided for each to detect a potential difference between the first storage tank and the second storage tank;
The substrate is
A recess provided on the upper surface of the substrate;
Having a through hole that opens from the bottom of the recess and leads to the lower surface of the substrate,
The opening of this through hole is
Protruding portion protruding upward toward the inside of the recess,
This protrusion is
An inner wall of the recess curved from the tip and descending outward;
Formed with the inner wall of the through hole ,
The tip of the protrusion,胞電vapor physiological measurement device thin in from below the substrate top surface.
上方に丸みを帯びた湾曲面で形成されている請求項1に記載の細胞電気生理測定デバイス。 The tip of the protrusion is
The cell electrophysiological measurement device according to claim 1, wherein the cell electrophysiological measurement device is formed with an upwardly rounded curved surface.
前記基板に対して垂直な円柱構造、
または前記開口部から前記基板の下面に向けて口径が広がるテーパ構造である請求項1または2に記載の細胞電気生理測定デバイス。 The through hole is
A cylindrical structure perpendicular to the substrate,
Or cellular electrophysiological measurement device of the serial placement through the opening in claim 1 or 2 which is tapered structure diameter widens toward the lower surface of the substrate.
この基板表面は絶縁膜で被覆されている請求項1から3のいずれか一つに記載の細胞電気生理測定デバイス。 The substrate is made of silicon;
The cell electrophysiological measurement device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the substrate surface is coated with an insulating film.
次にこの貫通孔の内壁に保護膜を形成し、
その後前記基板上において、前記貫通孔の外郭に環状のエッチングホールを有するマスクを形成し、
このマスク上方からドライエッチングで凹部を形成する工程からなり、
前記凹部を形成するドライエッチング工程は、
前記凹部の内壁と前記貫通孔の内壁とが繋がるようにドライエッチングし、前記貫通孔の開口部に前記凹部の内部に向けて上方に突出する突出部を形成する細胞電気生理測定デバイスの製造方法。 A through hole is formed by dry etching from the upper surface to the lower surface of the substrate,
Next, a protective film is formed on the inner wall of the through hole,
Thereafter, on the substrate, a mask having an annular etching hole is formed around the through-hole,
It consists of a step of forming a recess by dry etching from above the mask,
The dry etching process for forming the concave portion includes:
A method for manufacturing a cell electrophysiological measurement device, wherein dry etching is performed so that the inner wall of the recess and the inner wall of the through-hole are connected, and a protrusion protruding upward toward the inside of the recess is formed at the opening of the through-hole. .
前記貫通孔の内壁にはポリマー膜またはSiO2のいずれかを形成する請求項5に記載の細胞電気生理測定デバイスの製造方法。 In the step of forming a protective film on the inner wall of the through hole,
Method for manufacturing a cellular electrophysiological measurement device of claim 5 on an inner wall of the through hole to form either a polymeric film or SiO 2.
エッチングガスにCF4またはSF6またはXeF2またはClF3またはNF3またはこれらの混合ガスのいずれかを用いる請求項5または6に記載の細胞電気生理測定デバイスの製造方法。 In the dry etching process for forming the recess,
The method for producing a cell electrophysiological measurement device according to claim 5 or 6 , wherein any one of CF 4, SF 6, XeF 2, ClF 3, NF 3, or a mixed gas thereof is used as an etching gas.
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