(57)【要約】【課題】  生体液中を生体液の流速に匹敵する速度で推進することのできる泳動マイクロロボットおよび泳動マイクロロボットシステムを提供することである。【解決手段】  泳動マイクロロボット１００は、第１電極１１０と、第１電極１１０と対向する第２電極１２０と、第１電極１１０と第２電極１２０とを絶縁する絶縁体１３０と、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０とを連通する貫通孔ＴＨ１と、を有する。第１電極１１０は、第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。貫通孔ＴＨ１は、第１電極１１０の表面に開口する第１の開口部１１１と第２電極１２０の表面に開口する第２の開口部１２１とを有する。【選択図】図１
2019025619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極と対向する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを絶縁する絶縁体と、
前記第１電極と前記第２電極と前記絶縁体とを連通する貫通孔と、
を有し、
前記第１電極は、
第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有し、
前記貫通孔は、
前記第１電極の表面に開口する第１の開口部と前記第２電極の表面に開口する第２の開口部とを有すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項２】
請求項１に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第２電極は、
第２の燃料物質との反応を促進する第２の酵素を含有すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項３】
請求項２に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記絶縁体は、
電解質を含む第１の水溶液中で正または負に帯電し、
前記第１電極は、
前記第１の水溶液中の前記第１の燃料物質との反応によって正または負に帯電し、
前記第２電極は、
前記第１の水溶液中の前記第２の燃料物質との反応によって前記第１電極の反対の極性に帯電すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項４】
請求項３に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第１の水溶液は、
生体液であること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第１の燃料物質は、
グルコースであり、
前記第１の酵素は、
グルコースの酸化を促進すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項６】
請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第２の燃料物質は、
酸素分子であり、
前記第２の酵素は、
酸素分子の還元を促進すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記貫通孔の内部に電気浸透流を発生させるとともに、前記電気浸透流の逆方向に推進すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記絶縁体は、
光硬化性樹脂を含むこと
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第１電極と前記第２電極との少なくとも一方は、
導電性粒子と光硬化性樹脂とを含むこと
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項１０】
請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットにおいて、
前記第１電極と前記絶縁体と前記第２電極とは、
一体の管状であること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の泳動マイクロロボットを複数有すること
を特徴とする泳動マイクロロボット。
【請求項１２】
第１電極と、
前記第１電極と対向する第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを絶縁する絶縁体と、
前記第１電極と前記第２電極と前記絶縁体とを連通する貫通孔と、
前記第１電極と前記第２電極と前記絶縁体との少なくとも１つと固定された人体挿入部材と、
を有し、
前記第１電極は、
人体の体液中の第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有し、
前記貫通孔は、
前記第１電極の表面に開口する第１の開口部と前記第２電極の表面に開口する第２の開口部とを有すること
を特徴とする泳動マイクロロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の技術分野は、泳動マイクロロボットおよび泳動マイクロロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の生命科学および生命工学の発展により、生体内に薬剤や微小検査装置を輸送する輸送体の研究が活発になってきている。このような微小な輸送体の候補として、例えば、リポソームが挙げられる。しかし、リポソームは推進機構を有さない。
【０００３】
そこで、推進機構を備えたリポソームが開発されてきている。特許文献１には、バイオアクチュエーターとして運動能を備える細菌を付加したリポソームが開示されている。これにより、運動能を備えるリポソームが実現されている。そして、このリポソームの遊泳速度は１０μｍ／ｓ程度である（特許文献１の図５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２３６８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、毛細血管中の血液の流速は１ｍｍ／ｓ程度であるとされている。また、細動脈中の血液の流速はさらに１０ｍｍ／ｓ程度であるとされている。このように血流の速い血管内部では、特許文献１に記載のリポソームは十分に機能しないおそれがある。このリポソームの遊泳速度が不十分であるからである。そのため、薬剤等の輸送体としてさらに遊泳速度の速い輸送体が求められている。
【０００６】
本明細書の技術は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、生体液中を生体液の流速に匹敵する速度で推進することのできる泳動マイクロロボットおよび泳動マイクロロボットシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の態様における泳動マイクロロボットは、第１電極と、第１電極と対向する第２電極と、第１電極と第２電極とを絶縁する絶縁体と、第１電極と第２電極と絶縁体とを連通する貫通孔と、を有する。第１電極は、第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。貫通孔は、第１電極の表面に開口する第１の開口部と第２電極の表面に開口する第２の開口部とを有する。
【０００８】
この泳動マイクロロボットにおいては、第１の燃料物質を含む水溶液中で第１電極が正または負に帯電する。そして、第１電極と第２電極との間に開回路電位差が発生する。一方、絶縁体の貫通孔側面がその水溶液中で正または負に帯電する。その結果、泳動マイクロロボットの貫通孔の内部に電気浸透流が発生する。泳動マイクロロボットは、この電気浸透流の反作用力によって水溶液中を推進する。泳動マイクロロボットの第１電極は、水溶液中で自発的に帯電する。そのため、この泳動マイクロロボットにおいては、燃料を別途搭載する必要はない。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書では、生体液中を生体液の流速に匹敵する速度で推進することのできる泳動マイクロロボットおよび泳動マイクロロボットシステムが提供されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの概略構成を示す斜視図である。
【図２】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの円筒中心を通る断面を示す断面図である。
【図３】生体液中の第１電極および第２電極における反応を説明するための概念図である。
【図４】生体液中における泳動マイクロロボットの推進メカニズムを説明するための図（その１）である。
【図５】生体液中における泳動マイクロロボットの推進メカニズムを説明するための図（その２）である。
【図６】泳動マイクロロボットの全長と推進速度との関係を示すグラフである。
【図７】泳動マイクロロボットの代表的な構成を示す図である。
【図８】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの製造方法を説明するための図（その１）である。
【図９】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの製造方法を説明するための図（その２）である。
【図１０】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの製造方法を説明するための図（その３）である。
【図１１】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの製造方法を説明するための図（その４）である。
【図１２】第１の実施形態の泳動マイクロロボットの製造方法を説明するための図（その５）である。
【図１３】第１の実施形態の変形例における泳動マイクロロボットの構成を示す図（その１）である。
【図１４】第１の実施形態の変形例における泳動マイクロロボットの構成を示す図（その２）である。
【図１５】泳動マイクロロボットを示す走査型顕微鏡写真である。
【図１６】泳動マイクロロボットが生体液中で推進している様子を示す連続写真である。
【図１７】泳動マイクロロボットをカテーテルに応用する場合を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、具体的な実施形態について、泳動マイクロロボットおよび泳動マイクロロボットシステムを例に挙げて図を参照しつつ説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
１．泳動マイクロロボットの基本的構成
図１は、第１の実施形態の泳動マイクロロボット１００の概略構成を示す斜視投影図である。図１に示すように、泳動マイクロロボット１００は、第１電極１１０と、第２電極１２０と、絶縁体１３０と、を有する。第１電極１１０は、アノードである。第２電極１２０は、カソードである。第１電極１１０と第２電極１２０とは対向して配置されている。絶縁体１３０は、第１電極１１０と第２電極１２０とを絶縁するための部材である。第１電極１１０と第２電極１２０とは絶縁体１３０に固定されている。
【００１３】
泳動マイクロロボット１００は、全体として円筒形状である。つまり、第１電極１１０と絶縁体１３０と第２電極１２０とは一体の管状である。泳動マイクロロボット１００は、貫通孔ＴＨ１を有する。貫通孔ＴＨ１は、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０とを連通している。貫通孔ＴＨ１は、泳動マイクロロボット１００の円筒内面を構成している。貫通孔ＴＨ１は、第１電極１１０の表面に開口する第１の開口部１１１と、第２電極１２０の表面に開口する第２の開口部１２１と、を有する。したがって、第２の開口部１２１は、泳動マイクロロボット１００の第１の開口部１１１の反対側に位置している。
【００１４】
図２は、泳動マイクロロボット１００の円筒中心を通る断面を示す断面図である。第１電極１１０および第２電極１２０および絶縁体１３０は円筒形状である。第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との外径は、同じである。また、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との内径は、同じである。
【００１５】
泳動マイクロロボット１００の貫通孔ＴＨ１方向の長さＬ１は、例えば、５００ｎｍ以上５００μｍ以下である。第１電極１１０と第２電極１２０との間の距離Ｌ２は、例えば、４８０ｎｍ以上４８０μｍ以下である。泳動マイクロロボット１００の外径Ｒ１は、例えば、５００ｎｍ以上５００μｍ以下である。泳動マイクロロボット１００の内径Ｒ２は、例えば、４８０ｎｍ以上４８０μｍ以下である。これらの数値範囲はあくまで目安である。そのため、これらの数値範囲以外の数値を用いて泳動マイクロロボット１００を設計してもよい。
【００１６】
絶縁体１３０は、電気絶縁性を備えるとともに水溶液中で帯電可能な部材である。絶縁体１３０の材質は、例えば、樹脂、ガラス、セラミックスを含む。樹脂は、光硬化性樹脂を含むとよい。より好ましくは、光硬化性樹脂は、ＵＶ光硬化性フォトレジストである。ＵＶ光硬化性フォトレジストを用いた光リソグラフィ技術による微細加工を実施することにより、微細な貫通孔ＴＨ１を備える成形体を成形することができる。また、帯電特性を調整するため、光硬化性フォトレジストにガラス微粒子を混合してもよい。樹脂として例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリエチレン系樹脂が挙げられる。もちろん、その他の樹脂であってもよい。光硬化性フォトレジストは、光開始剤を含む。絶縁体１３０の具体的な材料として、ＳＵ−８（マイクロケム社製）、ポリエチレングリコールジアクリレート（ＰＥＧＤＡ）が挙げられる。
【００１７】
第１電極１１０は、第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。第１の燃料物質は、例えば、グルコースである。第１の酵素は、グルコースの酸化を促進する。第１の酵素として例えば、グルコースオキシダーゼと、グルコースデヒドロゲナーゼとが挙げられる。
【００１８】
第２電極１２０は、第２の燃料物質との反応を促進する第２の酵素を含有する。第２の燃料物質は、例えば、酸素分子である。第２の酵素は、酸素分子の還元を促進する。第２の酵素として例えば、ラッカーゼと、ビリルビンオキシダーゼとが挙げられる。
【００１９】
第１電極１１０および第２電極１２０は、酵素の他に導電性部材を有する。導電性部材は、金属もしくは炭素材料である。金属は、特に限定されないが、水溶液中で他の化学反応を発生させにくいものであるとよい。このような安定な貴金属として例えば、金、銀、白金が挙げられる。これらのうち特に金が好ましい。第１電極１１０および第２電極１２０は、例えば、酵素と、導電性粒子と、光硬化性樹脂と、を有する。製造時には、これらの材料を混合し、光硬化させることにより成形することができる。絶縁体１３０と同様に光リソグラフィ技術による微細加工を実施することにより、微細な貫通孔ＴＨ１を備える成形体を成形することができる。ここで、導電性粒子の混合比は、５体積％以上２０体積％以下であるとよい。また、導電性粒子の直径は１μｍ以下であるとよい。
【００２０】
２．生体液中の泳動マイクロロボット
２−１．バイオ燃料電池および電気浸透流
本実施形態の泳動マイクロロボット１００は、バイオ燃料電池の概念と電気浸透流とを応用したものである。
【００２１】
２−２．生体液中の電極
泳動マイクロロボット１００は、第１の水溶液中で第１電極１１０または第２電極１２０を先頭にして推進する。ここで、第１の水溶液は、例えば生体液である。生体液は、例えば、血液、リンパ液である。第１の水溶液は種々の電解質を含む。ここで、生体液中における泳動マイクロロボット１００の振る舞いについて説明する。
【００２２】
図３に示すように、第１電極１１０においては、第１電極１１０中の第１の酵素が、生体液中のグルコース（Ｃ6 Ｈ12Ｏ6 ）の酸化を促進する。この酸化反応を次式に示す。
【００２３】
【数１】
2019025619.tif 000003
【００２４】
これにより、生体液中のグルコース（Ｃ6 Ｈ12Ｏ6 ）は、グルコノラクトン（Ｃ6 Ｈ10Ｏ6 ）に変換されるとともに電子を第１電極１１０に供給する。そのため、第１電極１１０は負に帯電する。つまり、第１電極１１０は、生体液中のグルコースとの反応によって負に帯電する。
【００２５】
第２電極１２０においては、第２電極１２０中の第２の酵素が、生体液中の酸素分子の還元を促進する。この還元反応を次式に示す。
【００２６】
【数２】
2019025619.tif 000004
【００２７】
これにより、生体液中の酸素分子は、第２電極１２０から電子を取得するとともに水分子に変換される。そのため、第２電極１２０は正に帯電する。つまり、第２電極１２０は、生体液中の酸素分子との反応によって正に帯電する。
【００２８】
このように、第１電極１１０は、生体液中の第１の燃料物質との反応によって負に帯電する。第２電極１２０は、生体液中の第２の燃料物質との反応によって第１電極１１０の反対の極性に帯電する。このように、第１電極１１０と第２電極１２０との間には、バイオ燃料電池と同様に開回路電位差が発生する。
【００２９】
２−３．絶縁体の帯電
前述したように、この段階において第１電極１１０と第２電極１２０との間には電位差が発生している状態になっている。一方で、図４に示すように、絶縁体１３０における円筒内面の表面は、生体液などの水溶液中で帯電する。この絶縁体１３０の円筒内面の表面の電位をゼータ電位という。ゼータ電位の絶対値および極性は、材質および環境条件によって異なる。ゼータ電位の絶対値は、一般に数ｍＶ〜数百ｍＶ程度である。ガラスやＳＵ−８（マイクロケム社製）のゼータ電位は一般に負である。そのため、以後、特に言及しない場合には、ゼータ電位を負と仮定して説明する。
【００３０】
絶縁体１３０の円筒内面の近傍では、生体液中のゼータ電位と反対の極性を持つ電解質が引き寄せられる。そして、絶縁体１３０の円筒内面の近傍に数ｎｍ程度以下の薄い層が形成される。この層をデバイ層（Ｄｅｂｙｅ  ｌａｙｅｒ）と呼ぶ。
【００３１】
２−４．電気浸透流の発生
ここで、第１電極１１０と第２電極１２０との間には開回路電位差が発生している状態にある。そのため、デバイ層の帯電流体は、この開回路電位差によって発生した電場から静電力を受ける。そして、図５に示すように、デバイ層の帯電流体は、円筒内部表面に対して矢印Ｊ１の向きに移動する。そして、このデバイ層の流れは、絶縁体１３０の円筒内部の中性の生体液を一緒に引きずる。その結果として、絶縁体１３０の円筒内部に径方向にほぼ一様な栓流が発生する。これが、電気浸透流である。
【００３２】
２−５．泳動マイクロロボットの推進
図５に示すように、泳動マイクロロボット１００は、この電気浸透流を発生させる静電力の反力を受けて図５の矢印Ｊ２の向きに移動する。つまり、泳動マイクロロボット１００は、貫通孔ＴＨ１の内部に電気浸透流を発生させるとともに、電気浸透流の逆方向に推進する。ここで、電気浸透流に関わる円筒内部の生体液と泳動マイクロロボット１００とは、運動量保存の法則を満たす。また、円筒内部の生体液と泳動マイクロロボット１００との間の相対速度は、電気浸透流の速度に等しい。そのため、泳動マイクロロボット１００の推進速度の理論式は次式で与えられる。
【００３３】
【数３】
2019025619.tif 000005
【００３４】
ここで、ｖeoは泳動マイクロロボット１００の推進速度である。ｍは泳動マイクロロボット１００の質量である。ｍf は泳動マイクロロボット１００の円筒内部の生体液の質量である。εは生体液の誘電率である。ηは生体液の粘度である。ζは絶縁体１３０のゼータ電位である。Δφcaは第１電極１１０と第２電極１２０との間の開回路電位差である。Ｌは泳動マイクロロボット１００の全長である。上記の理論式によれば、推進速度ｖeoは、ゼータ電位ζおよび開回路電位差Δφcaに比例し、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌに反比例する。また、泳動マイクロロボット１００の質量および密度が小さいほど、電気浸透流速度から変換される推進速度ｖeoは大きくなる。開回路電位差Δφcaは、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌに依存しない。そのため、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌおよび大きさを小さくするほど、大きな推進速度ｖeoが得られる。したがって、この推進原理から、泳動マイクロロボット１００を小型化するほど有利なことが分かる。
【００３５】
図６は、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌと推進速度ｖeoとの関係を示すグラフである。推進速度ｖeoは、前述の理論式による計算結果である。泳動マイクロロボット１００の材質および物理パラメータは、硬化したＳＵ−８（マイクロケム社製）の値を用いた。また、ゼータ電位の値として−３０ｍＶを用いた。なお、ＳＵ−８（マイクロケム社製）の密度は水の密度に近い。そのため、電気浸透流速度の約４０％を自己推進速度に変換することができ、効果的である。図６に示すように、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌが短いほど、泳動マイクロロボット１００の推進速度ｖeoは速い。開回路電位差Δφcaは、第１の酵素および第２の酵素の種類、製造方法、燃料の濃度等に依存する。開回路電位差Δφcaの理論的な上限値は、グルコースおよび酸素分子を燃料とする場合、１．１８Ｖである。そのため、開回路電位差Δφcaとして１００〜９００ｍＶを仮定した。泳動マイクロロボット１００の内部に発生する電場が、泳動マイクロロボット１００の全長Ｌに反比例する。泳動マイクロロボット１００の内部に発生する電場が大きいほど、電気浸透流速度は大きくなる。したがって、推進速度は、図６に示す理論曲線に沿うことが期待される。
【００３６】
図６の理論曲線に示すように、小型化することによって泳動マイクロロボット１００の推進速度は、飛躍的に向上することが期待される。例えば、全長１０μｍ程度以下の泳動マイクロロボット１００を製造することにより、その泳動マイクロロボット１００は、１ｍｍ／ｓ程度以上の推進速度を実現することが期待される。
【００３７】
このように、泳動マイクロロボット１００は、生体液中に含まれているグルコースと酸素分子とを燃料としながら推進する。そのため、泳動マイクロロボット１００を推進させるために燃料を別途準備する必要がない。
【００３８】
３．泳動マイクロロボットの代表的な実施構成
本実施形態の代表的な実施構成について説明する。絶縁体１３０として、液状の光硬化性樹脂を円筒状に硬化させた構造体を用いる。第１電極１１０および第２電極１２０として、液状の光硬化性樹脂と導電性粒子と酵素とを混合し、絶縁体１３０と同様に円筒状に硬化させた構造体を用いる。この構成を図７に示す。この構成により、光リソグラフィ技術を用いて、微細な構造体を作製することができる。
【００３９】
４．泳動マイクロロボットの製造方法
泳動マイクロロボット１００の製造方法について説明する。その際に前述の代表的な構成の泳動マイクロロボット１００を例に挙げて説明するが、製造方法は本実施形態に限定されない。光硬化性樹脂としてＵＶ光硬化性フォトレジスト、例えばＳＵ−８（マイクロケム社製）を用いる。ＳＵ−８（マイクロケム社製）は、主要な材料としてエポキシ樹脂を含んでいる。Ｃｒ薄膜などの金属パターンを構成したガラスマスクおよび標準的なＵＶ光リソグラフィを用いてパターン転写を行い、円筒状の構造体を製造する。ＳＵ−８（マイクロケム社製）は、パターン転写の前後にベークが必要である。酵素の失活を抑止するため、例えば６５℃以下で行う必要がある。電極において酵素は、酸化還元反応に必要な電子を、導電性粒子と直接的に交換する必要がある。そのために、光硬化性樹脂と混合する前に、導電性粒子に酵素を固定することが望ましい。一般的な酵素固定化法のうち、例えば、金や銀の表面と酵素とに対するアルカンチオール基を介した共有結合法を用いることができる。
【００４０】
４−１．基板準備工程
図８に示すように、泳動マイクロロボット１００を製造するための清浄なガラス基板Ｓ１を準備する。また、ガラス基板Ｓ１の上に犠牲層として水溶性であるデキストラン層を形成してもよい。
【００４１】
４−２．第１の電極形成工程
図９に示すように、ガラス基板Ｓ１の第１面の上に第１極性の電極層Ａ１を設計値の厚さで形成する。第１極性の電極層Ａ１は、後に第１電極１１０になる層である。もちろん、第１極性の電極層Ａ１は、導電性の層である。第１極性の電極層Ａ１は、第１の酵素と金属粒子と第１の樹脂とを含有する。ここで、第１の樹脂は、光硬化性樹脂である。第１の樹脂は、例えば、ＳＵ−８（マイクロケム社製）である。そして、第１極性の電極層Ａ１に円筒断面状の光を照射する。
【００４２】
４−３．絶縁体形成工程
図１０に示すように、第１極性の電極層Ａ１の上に絶縁層Ｉ１を設計値の厚さで形成する。絶縁層Ｉ１は、絶縁性の光硬化性樹脂を含む。絶縁層Ｉ１は、例えば、ＳＵ−８（マイクロケム社製）である。そして、アライメント後、絶縁層Ｉ１に円筒断面状の光を照射する。なお、アライメントにより、絶縁層Ｉ１の光照射領域は、第１極性の電極層Ａ１の光照射領域の真上に位置している。
【００４３】
４−４．第２の電極形成工程
図１１に示すように、絶縁層Ｉ１の上に第２極性の電極層Ｃ１を設計値の厚さで形成する。第２極性の電極層Ｃ１は、後に第２電極１２０になる層である。また、第２極性は、第１極性の反対の極性である。もちろん、第２極性の電極層Ｃ１は、導電性の層である。第２極性の電極層Ｃ１は、第２の酵素と金属粒子と第２の樹脂とを含有する。ここで、第２の樹脂は、光硬化性樹脂である。第２の樹脂は、例えば、ＳＵ−８（マイクロケム社製）である。そして、アライメント後、第２極性の電極層Ｃ１に円筒断面状の光を照射する。なお、アライメントにより、第２極性の電極層Ｃ１の光照射領域は、絶縁層Ｉ１の光照射領域の真上に位置している。必要に応じてポストベークを行うと、光照射された領域にのみ架橋反応が進行し、円筒状の構造体が形成される。
【００４４】
４−５．現像工程
ガラス基板Ｓ１を現像液に浸し、図１２に示すように、第１電極１１０と絶縁体１３０と第２電極１２０との周囲から、硬化していない樹脂を除去する。洗浄液に浸した後、ガラス基板Ｓ１を乾燥させると、ガラス基板Ｓ１上に泳動マイクロロボット１００となる円筒状の構造体が現れる。
【００４５】
４−６．剥離工程
そして、ガラス基板Ｓ１から泳動マイクロロボット１００を剥離させる。犠牲層としてデキストラン層を形成した場合には、ガラス基板Ｓ１を水に浸すことによってデキストラン層が溶解する。これにより、泳動マイクロロボット１００をガラス基板Ｓ１から容易に剥離させることができる。
【００４６】
５．本実施形態の効果
本実施形態の泳動マイクロロボット１００は、生体液中で第１電極１１０が負に帯電するとともに第２電極１２０が正に帯電する。また、絶縁体１３０の円筒内面の表面が負に帯電する。絶縁体１３０の帯電および第１電極１１０と第２電極１２０との間の電場によって、絶縁体１３０の内部に電気浸透流が発生する。泳動マイクロロボット１００は、この電気浸透流の反作用力により、電気浸透流の反対向きに生体液中を進行する。
【００４７】
６．変形例
６−１．第１電極と第２電極との少なくとも一方が酵素を有する場合
本実施形態では、第１電極１１０および第２電極１２０の双方が、燃料物質との反応を促進する酵素を含有する。しかし、第１電極１１０および第２電極１２０のうちの一方のみが酵素を含有してもよい。その場合であっても、第１電極１１０と第２電極１２０とのうちの一方が、正または負に帯電し、開回路電位差が発生するからである。したがって、第１電極１１０と第２電極１２０との少なくとも一方が酵素を含有すれば、泳動マイクロロボットは推進する。ただし、推進力を考慮すれば、第１電極１１０および第２電極１２０の双方が酵素を含有することが好ましい。
【００４８】
６−２．第１電極および第２電極
本実施形態では、第１電極１１０は、負に帯電する。しかし、第１電極１１０は、正に帯電してもよい。そのためには、第１の酵素の種類を変更すればよい。つまり、第１電極１１０は、第１の水溶液中の第１の燃料物質との反応によって正または負に帯電する。第２電極１２０は、第１の水溶液中の第２の燃料物質との反応によって第１電極１１０の反対の極性に帯電する。
【００４９】
６−３．燃料物質
本実施形態では、第１の燃料物質はグルコースであり、第２の燃料物質は酸素分子である。しかし、第１の燃料物質および第２の燃料物質は、酸化反応または還元反応を引き起こす酵素に対応するその他の燃料物質、例えば尿素や水素などを用いてもよい。また、３つ以上の燃料物質を同時に用いてもよい。第３の燃料物質により発生する電位がいずれかの電極に付加される構成としてもよい。その場合、第３の燃料物質の濃度を、２電極間の電位を制御するための制御信号として用いることができる。
【００５０】
６−４．絶縁体のゼータ電位
本実施形態では、絶縁体１３０のゼータ電位を負と仮定したが、正となる材質を用いてもよい。この場合、デバイ層の帯電は負となるため、前述の電気浸透流が逆方向に生成される。また、それぞれが異なるゼータ電位を示す複数の材質からなる部材を用いてもよい。例えば、光硬化フォトレジストに異なる材質の微粒子を混合し硬化させることで、そのような部材を形成することができる。また、外部刺激によってゼータ電位が変化する部材を組み合わせてもよい。外部刺激は、例えば、磁場、電場、光（電磁波）、音波、温度、ｐＨ、化学反応などが挙げられる。光刺激によって構造が変化する部材としては、スピロピランなどのフォトクロミック色素があげられる。また、ＳＵ−８（マイクロケム社製）は、複数の物質を含んでいるため、ｐＨによっては正に帯電する場合がある。これらの外部刺激によって、ゼータ電位を変化させることで、推進速度の大きさおよび正負の方向を制御することができる。
【００５１】
６−５．第１の水溶液
第１の水溶液は、必ずしも生体液に限らない。ただし、第１電極１１０または第２電極１２０に含まれる何らかの酵素が、反応を促進する対象となる燃料物質を含んでいる必要がある。
【００５２】
６−６．貫通孔
本実施形態では、２つの電極と１つの絶縁体に対し、少なくとも１つの連通した貫通孔を備えている。しかし、この構成に対し、貫通孔を複数備えてもよい。また、一様な流路断面を持たない多孔体によって形成されてもよい。
【００５３】
６−７．泳動マイクロロボットの外形
本実施形態では、泳動マイクロロボット１００の外形は最小限の構成として略円筒形状であるが、別の形状であってもよい。例えば、楕円体、球体、多面体、複数の凹凸部分を含む複雑な形状であってもよい。その際、推進に寄与しない空間を、別の機能、例えば、薬剤などの収容器や、外部刺激に反応するセンサ部分として用いることができる。
【００５４】
６−８．複数の推進要素
本実施形態では、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０とから構成され、一つの方向に電気浸透流および推進速度が生成される。しかし、この構成を１つの推進要素とし、この推進要素を複数備えたロボットとしてもよい。例えば、図１３に示すように、２つの推進要素を備え、それらが、推進速度方向と平行に、その方向と垂直な方向に離間して配置されたロボットとしてもよい。このロボットは、２つの推進要素が互いに異なる推進速度を生成すると、併進速度だけでなく、２つの推進要素間に働くモーメントにより回転速度を生成することができる。また、図１４に示すように、これら２つの推進要素を、１つの２自由度推進要素として、更に２つ備えたロボットとしてもよい。これらの合計３つの２自由度推進要素を互いに異なる角度に配置すると、最大で６自由度（３方向の併進および３方向の回転）の移動速度を生成することができる。
【００５５】
６−９．３次元光リソグラフィ法による製造
本実施形態の泳動マイクロロボット１００は、ＵＶ硬化性フォトレジストを構造体の材料とし、ガラスマスクおよび標準的なＵＶ光リソグラフィ法による２次元的なパターンを転写することによって製造することができる。しかし、フェムト秒レーザの走査による２光子吸収を応用した３次元光リソグラフィ法によって泳動マイクロロボット１００を製造することもできる。この場合、ガラス基板に第１極性の電極層Ａ１、絶縁層Ｉ１、第２極性の電極層Ｃ１を順番にコートする。そして各層に対し、ボクセルと呼ばれる楕円体状の微小領域を走査して、走査領域のみを硬化させることができる。微小なボクセルのサイズおよび高い走査精度により、標準的なＵＶ光リソグラフィに比べ、より微細かつ複雑な形状を作成できる。この方法により、数１０μｍ以下の大きさの泳動マイクロロボット１００を作成することができる。
【００５６】
６−１０．ロボットシステム
本実施形態の泳動マイクロロボット１００を複数用いて、特定のミッションを行うロボットシステムを構成してもよい。泳動マイクロロボット１００の位置を特定するために、既存のイメージング技術、例えば、核磁気共鳴画像法、超音波計測法、光学計測法などと組み合わせてもよい。また、泳動マイクロボット１００の位置と方向あるいはそのいずれかを制御するために、外部場を与えてもよい。外部場としては、磁場、電場、光( 電磁波) 、音波などがあげられる。その場合、泳動マイクロロボット１００は、外部場によって力を受けたり構造体を変化させる微粒子を含んでいる必要がある。また、本実施形態の泳動マイクロロボット１００を特定の部材に固定し、その部材の推進要素として用いるロボットシステムを構成してもよい。
【００５７】
６−１１．段差
本実施形態では、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との外径は、同じである。また、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との内径は、同じである。しかし、これらの部材の外径および内径は、わずかに異なっていても構わない。この場合には、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との間に、わずかな段差が生じている。
【００５８】
６−１２．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてもよい。
【００５９】
７．本実施形態のまとめ
以上説明したように、本実施形態の泳動マイクロロボット１００は、生体液中で第１電極１１０が負に帯電するとともに第２電極１２０が正に帯電する。また、絶縁体１３０の円筒内面の表面が負に帯電する。絶縁体１３０の帯電および第１電極１１０と第２電極１２０との間の電場によって、絶縁体１３０の内部に電気浸透流が発生する。泳動マイクロロボット１００は、この電気浸透流の反作用力により、電気浸透流の反対向きに生体液中を進行する。
【実施例】
【００６０】
１．実証実験１
１−１．泳動マイクロロボットのプロトタイプの製作
推進原理の実証のため、泳動マイクロロボットのプロトタイプを製作した。前述の製造方法に基づいて、ＵＶ硬化性フォトレジストを構造体の主な材料とし、ガラスマスクおよび標準的なＵＶ光リソグラフィ法による２次元的なパターン転写によって製造した。ＵＶ硬化性フォトレジストとしてＳＵ−８（マイクロケム社製）を用いた。電極の材料として、酵素を固定した銀微粒子を１０体積％含むＳＵ−８（マイクロケム社製）を用いた。用いた銀微粒子の平均直径は１μｍである。第１の酵素および第２の酵素としてそれぞれグルコースオキシダーゼおよびラッカーゼを用いた。
【００６１】
１−２．走査型顕微鏡写真
図１５は、製造された泳動マイクロロボットを示す走査型顕微鏡写真である。図１５に示すように、２つの電極と絶縁体とが一体に成形されている。また、泳動マイクロロボットには、２つの電極と絶縁体とを連通する貫通孔が形成されている。泳動マイクロロボットの全長は１２０μｍ程度である。
【００６２】
１−３．連続写真
図１６は、泳動マイクロロボットが生体液中で推進している様子を示す連続写真である。この生体液は、グルコースおよび酸素分子を含む。図１６に示すように、泳動マイクロロボットは、時間の経過にともなってまっすぐに推進している。
【００６３】
１−４．推進原理の実証
画像処理によって、このとき２５〜３５μｍ/sの推進速度が確認された。図６の理論曲線に対し、全長約１２０μｍの推進速度の理論値の範囲に入っている。以上から、推進原理の妥当性が実験的に確かめられた。
【００６４】
２．産業上の利用可能性
泳動マイクロロボットは、液中を自由に動くロボットとしてだけでなく、自己推進する推進要素として使用することもできる。例えば、図１７に示すように、カテーテル手術における、カテーテルガイドワイヤの先端部に柔軟な紐状体を固定し、その紐状体に推進要素を１つあるいは複数固定した構成が考えられる。つまり、カテーテルガイドワイヤは、第１電極１１０と第２電極１２０と絶縁体１３０との少なくとも１つと固定された人体挿入部材を有する。第１電極１１０は、人体の体液中の第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。従来、カテーテルガイドワイヤは人体に挿入し、カテーテル挿入時のガイドとして用いられる。ガイドワイヤの挿入のためには、ワイヤ後端側から、人体に向け押し出す必要があり、熟練した技術が必要とされる。本構成によれば、その紐状体は従来のガイドワイヤの先端よりも柔軟であるだけでなく、その推進要素により自己推進速度が得られるため、紐状体が前方に張った状態を作ることができる。そのため、挿入が容易となり、安全性が向上することが期待できる。
【００６５】
Ａ．付記
第１の態様における泳動マイクロロボットは、第１電極と、第１電極と対向する第２電極と、第１電極と第２電極とを絶縁する絶縁体と、第１電極と第２電極と絶縁体とを連通する貫通孔と、を有する。第１電極は、第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。貫通孔は、第１電極の表面に開口する第１の開口部と第２電極の表面に開口する第２の開口部とを有する。
【００６６】
第２の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第２電極は、第２の燃料物質との反応を促進する第２の酵素を含有する。
【００６７】
第３の態様における泳動マイクロロボットにおいては、絶縁体は、電解質を含む第１の水溶液中で正または負に帯電する。第１電極は、第１の水溶液中の第１の燃料物質との反応によって正または負に帯電する。第２電極は、第１の水溶液中の第２の燃料物質との反応によって第１電極の反対の極性に帯電する。
【００６８】
第４の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第１の水溶液は、生体液である。
【００６９】
第５の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第１の燃料物質は、グルコースである。第１の酵素は、グルコースの酸化を促進する。
【００７０】
第６の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第２の燃料物質は、酸素分子である。第２の酵素は、酸素分子の還元を促進する。
【００７１】
第７の態様における泳動マイクロロボットにおいては、貫通孔の内部に電気浸透流を発生させるとともに、電気浸透流の逆方向に推進する。
【００７２】
第８の態様における泳動マイクロロボットにおいては、絶縁体は、光硬化性樹脂を含む。
【００７３】
第９の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第１電極と第２電極との少なくとも一方は、導電性粒子と光硬化性樹脂とを含む。
【００７４】
第１０の態様における泳動マイクロロボットにおいては、第１電極と絶縁体と第２電極とは、一体の管状である。
【００７５】
第１１の態様における泳動マイクロロボットは、上記の泳動マイクロロボットを複数有する。
【００７６】
第１２の態様における泳動マイクロロボットシステムは、第１電極と、第１電極と対向する第２電極と、第１電極と第２電極とを絶縁する絶縁体と、第１電極と第２電極と絶縁体とを連通する貫通孔と、第１電極と第２電極と絶縁体との少なくとも１つと固定された人体挿入部材と、を有する。第１電極は、人体の体液中の第１の燃料物質との反応を促進する第１の酵素を含有する。貫通孔は、第１電極の表面に開口する第１の開口部と第２電極の表面に開口する第２の開口部とを有する。
【符号の説明】
【００７７】
１００…泳動マイクロロボット
１１０…第１電極
１１１…第１の開口部
１２０…第２電極
１２１…第２の開口部
１３０…絶縁体
ＴＨ１…貫通孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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