(57)【要約】【課題】細胞などの対象物を把持する確実性及び作業効率を向上することが可能な構成を有する把持機構である。【解決手段】把持機構は、マニピュレータ１、２の動作により、マニピュレータに保持される対象物包囲体４で把持対象物５を少なくとも部分的に包囲して対象物包囲体４の内側に対象物５を把持することにより、対象物包囲体４を介して対象物５を把持する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニピュレータの動作により、マニピュレータに保持される対象物包囲体で把持対象物を少なくとも部分的に包囲して該対象物包囲体の内側に対象物を把持することにより、該対象物包囲体を介して対象物を把持することを特徴とする把持機構。
【請求項２】
前記対象物包囲体は、着脱可能に前記マニピュレータに保持されることを特徴とする請求項１記載の把持機構。
【請求項３】
前記対象物包囲体はリング状であることを特徴とする請求項１または２記載の把持機構。
【請求項４】
前記対象物包囲体は、内側が親水性、外側が疎水性のコーティングがしてあることを特徴とする請求項１、２または３記載の把持機構。
【請求項５】
前記対象物包囲体は磁性体であり、前記マニピュレータの先端は電磁石であり、該電磁石の磁力により前記対象物包囲体を保持することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の把持機構。
【請求項６】
前記対象物包囲体に超音波振動を付与する手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の把持機構。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の把持機構を用いて対象物を把持した前記対象物包囲体を整列、配置し、対象物を連続もしくは一括して処理することを特徴とする対象物処理方法。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれかに記載の把持機構を用いて対象物を把持した少なくとも２つの前記対象物包囲体を合わせることにより、少なくとも２つの対象物を混ぜることを特徴とする対象物混合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノテクノロジーなどの分野で用いられる微小粒子などの対象物の把持機構、それを用いた方法に関するものであり、特にバイオテクノロジー分野の遺伝子操作やＤＮＡ研究などにおける、組織、細胞、ＤＮＡ、たんぱく質等の把持、搬送、結合などに関して用いられる機構及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、医療、薬、農作物、家畜、化学品、新素材の開発等のバイオテクノロジーの研究開発は非常に重要でありかつ活発に行われている。その中で、組織、細胞、核、ＤＮＡ、たんぱく質などの生体高分子のハンドリングを行うニーズが非常に大きくなっており、ハンドリング技術は研究の効率を向上させる上で非常に重要である。また、その技術を応用展開するバイオテクノロジー産業において、事業化を考える上で、生体高分子のハンドリングはキー技術になると言える。
【０００３】
細胞を扱う代表的な例は、農畜産物における有用な特質を有する動植物の遺伝子組み替え技術であり、これは細胞の遺伝子や核を入れ替えるものである。具体的には、細胞把持用ガラスマイクロピペットと細胞刺入用ガラスマイクロピペットをマイクロマニピュレータにより操作し、細胞一個一個に遺伝子を注入するマイクロイジェクション法である。細胞を把持する細胞把持用マイクロピペットは、溶液や水、油などの液圧により細胞を吸引し把持するものである。実際には、数μｍ〜１００μｍ程度の大きさの細胞を液圧の調整で吸引するため、その操作に熟練と時間が必要であり、その処理能力の低いことが大きな欠点である。しかしながら、扱う対象物が大切な細胞であって、ハンドリング確実性が比較的高いことやこうした細胞をいじる技術がまだ研究の段階であるため、このマイクロイジェクション法が広く用いられている。
【０００４】
この操作に熟練と時間がかかる点に関して、幾つか提案がされている。１つの例は、細胞の把持をマイクロピペットを用いず光トラッピング現象を用いて行うことにより、細胞への損傷が無く確実性の向上した把持方法に関する提案である。この提案では、通常の光トラッピング現象では細胞と溶液の屈折率の関係から光トラッピングできないような場合でも、細胞に光トラッピングしやすい形状及び材質の物を吸着させることにより、光トラッピングさせる方法が開示されている（特許文献１参照）。また、他の例では、シリコン基板などの疎水性のある基板若しくは疎水処理した基板上に微小な親水処理領域を多数配置し、その親水領域に細胞を吸着させ、基板上に細胞を配列させる方法が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２２５７５０号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−３０４６６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の技術では、種々の細胞を確実に保持することが可能であるが、光トラッピング現象の保持力の関係から移動速度が遅く、多数の細胞を処理する点では課題がある。また、特許文献２の技術では、１箇の場所に１個の細胞を確実に把持する確率は小さく、所定の場所に１個の細胞が把持されているか否かを判断しながら作業する必要があり、実用化するためには確実性の向上が必要である。
【０００８】
そこで、本発明は、前述した従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、細胞などの対象物を把持する技術に関して確実性及び作業効率を向上することが可能で、処理の自動化が容易に可能な構成を有する把持機構、それを用いた方法等を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の把持機構は、マニピュレータの動作により、マニピュレータに保持される対象物包囲体で把持対象物を少なくとも部分的に包囲して対象物包囲体の内側に対象物を把持することにより、対象物包囲体を介して対象物を把持することを特徴とする。この構成によれば、細胞などの対象物をリングなどの対象物包囲体に入れて把持するため、確実、比較的短時間で細胞等の把持が可能である。
【００１０】
上記基本構成に基づいて下記の如きより具体的な態様が可能である。
前記対象物包囲体は、着脱可能にマニピュレータに保持される様にできる。例えば、対象物包囲体を少なくとも部分的に磁性体で形成し、マニピュレータ先端部を電磁石として、該電磁石の磁力により対象物包囲体を着脱可能に保持する態様にし得る。可動な複数のフィンガーを持つハンドなどを用いて対象物包囲体を着脱可能に保持する態様も採り得る。さらには、対象物包囲体内にノズルを介して流体噴出或いは流体吸入可能として、該包囲体をマニピュレータの先端部に常に保持しておく態様も可能である。
【００１１】
前記対象物包囲体は、少なくとも部分的に対象物を包囲できる形態であればよく、円環ないし多角形のリング状、キャップ状等であり得て、その形状、サイズなどは対象物のサイズや性質、マニピュレータ先端部の形態などに応じて選択すればよい。例えば、対象物体が細胞である様な場合、把持容易性、所望個数の把持確実性などの観点から、リングなどの対象物包囲体の内径が把持する細胞の外径より１０〜５０μｍ程度大きいことが望ましい。
【００１２】
また、前記対象物包囲体は、内側が親水性、外側が疎水性のコーティングがしてある様にもできる。こうすれば、細胞などの親水性の対象物をより確実且つ容易に対象物包囲体内に把持できる。
【００１３】
また、前記対象物包囲体に超音波振動を付与する手段が設けられてもよい。こうすれば、細胞等の対象物にリングなどの包囲体を掛けるときに超音波振動を付与できて、対象物の確実な把持がより容易にできる様になる。
【００１４】
細胞等の対象物にリングなどの筒状の対象物包囲体を掛けるときは、マニピュレータを適切に制御して、細胞等を入れる方向と逆側の包囲体面を開放状態として対象物を覆い、細胞等を包囲体で包囲した後は細胞等を入れた面と逆側の包囲体の開放面を塞ぐ様にすると、対象物をより確実に把持できる。
【００１５】
更に、上記目的を達成するための本発明の把持機構を用いた対象物処理方法は、上記の把持機構を用いて細胞などの対象物を把持した対象物包囲体を基板上などに整列、配置し、対象物を連続もしくは一括して処理することを特徴とする。これにより、細胞の核、ＤＮＡ等の交換などの細胞等の対象物の操作・処理の効率を向上することができる。
【００１６】
更に、上記目的を達成するための本発明の把持機構を用いた対象物混合方法は、上記の把持機構を用いて細胞等の対象物を把持した少なくとも２つの対象物包囲体を合わせることにより、少なくとも２つの対象物を混ぜることを特徴とする。例えば、物質を把持した状態の対象物包囲体であるリングを重ねて合わせることにより、２つ以上の物質を容易且つ確実に混ぜられる。物質を把持したリングなどを整列配置するとき、物質が混合する様にリングなどを積み上げて整列配置することもできる。こうして、リングなどに把持された細胞を融合処理することも容易にできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、より具体的な本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の把持機構ないし方法の第１の実施の形態を図１、図２に沿って説明する。図１（ａ）〜（ｄ）と図２（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態の機構を用いた細胞把持方法の一連の流れを示す模式図である。図中、１はマニピュレータ先端部、２はマニピュレータの構造体、３は電磁コイル、４は細胞を把持するための対象物包囲体であるリング、５は操作対象物の細胞、６はスライドガラスである。
【００１９】
本実施の形態の特徴である細胞５を直接把持するリング４について詳細に説明する。リング４の形状は円筒形状である。把持する細胞５は、その種類により大きさが異なる。そのため、リング４を細胞５に被せる動作の確実性と容易性や、リング４内に複数の細胞５が入らないようにすることを考慮すると、リング４の内径寸法は細胞５の寸法に依って最適な大きさを選択することが望ましい。具体的には、把持する細胞５（数μｍ〜１００μｍ程度の大きさである）より、１０〜５０μｍ程度大きいサイズに選定する。
【００２０】
このリング４の材質は磁性体である。その作製方法は、内径が５０μｍ以上であれば、微細放電加工等の機械加工で製作してもよいが、５０μｍ以下であれば、リソグラフィ技術とエッチング技術を用いてシリコン基板にリング形状と逆の形状の型を製作し、その型の中にニッケルの電鋳でリングを作るのがよい。本実施の形態のリング４の内側は、親水処理のコーティングがされており、外側は、対象物が付着しない様に疎水処理が施されている。細胞は親水性が高いため、こうした処理によりリング４内に細胞５を入れる動作がスムーズに実行可能となる。
【００２１】
次に、本実施の形態の第２の特徴であるリング４の着脱について説明する。マニピュレータ構造体２は、図１（ａ）に示す如くマニピュレータ先端部１（平坦面を持つ「こて」の如き形状を持つ）の根元にコイル３が巻かれた構造になっており、そのコイル３に電流を流すことでマニピュレータ先端部１は電磁石になって磁力が発生する。このため、上述したように材質が磁性体のリング４を簡単に磁力でマニピュレータ先端部１に吸着できると共に、電流をＯＦＦすると磁力がなくなってリング４をマニピュレータ先端部１から放すことができる。電磁石を用いた簡単な機構のため、マニピュレータ先端部１を容易に小型化できる。
【００２２】
マニピュレータ構造体２は、不図示の駆動系で自由に移動、姿勢変化することができる。駆動系は公知のものを使用でき、直交軸と回転軸を組み合わせた機構でも、パラレルリンクを用いた機構でもよい。
【００２３】
次に、実際の細胞把持の方法について説明する。図１（ａ）の状態でマニピュレータ先端部１を不図示の駆動系で移動させて、リング４を図１（ｂ）の様に吸着する。この時、リング４の円筒端面の全面をマニピュレータ先端部１で覆わないように先端部１とリング４を位置合わせし、リング４を吸着する。次に、リング４を吸着したマニピュレータ（マニピュレータ先端部１、マニピュレータ構造体２を含む）を移動させ、把持する細胞５の上に移動させる（図１（ｃ）参照）。そして、細胞５にリング４を被せ、コイル３に流す電流をＯＦＦして一度リング４をマニピュレータ先端部１から離す（図１（ｄ）参照）。次に、細胞５の入ったリング４の上面全部を覆うようにマニピュレータ先端部１を移動し、コイル３に再度電流を流してリング４をマニピュレータ先端部１に再度吸着する（図２（ａ）参照）。
【００２４】
この様に、リング４に細胞５を入れる動作時は、リング４の円筒端面の開放面全面をマニピュレータ先端部１で覆わないことが望ましい。これは、開放面全面をマニピュレータ先端部１で覆ってしまうと、細胞５をリング４の中に入れる時にリング４内部の空気が逃げず、細胞５にリング４を掛ける動作が不安定になるので、リング４内部の空気を逃がす流路を確保するためである。逆に、マニピュレータ先端部１からリング４を一度離し、再度、細胞５入りのリング４を吸着するときには、リング４の円筒端面全面をマニピュレータ先端部１で覆うことが望ましい。これは、リング４の径が小さいため表面張力や円筒内面のぬれ性によりリング４内に細胞５と溶液は把持されているが、さらに把持力を大きくするためである。この動作でリング４内を密閉することによって、細胞５が落ちそうになるとリング４内部が負圧になって、周囲の大気圧との関係より見かけ上、把持力が大きくなる。こうした密閉動作により把持力が大きくなるため、マニピュレータ構造体１の移動速度を大きくしても細胞５がリング４内から落ちることがなくなり、マニピュレータの高速移動が可能となる。
【００２５】
リング４に細胞５が入りづらい場合は、マニピュレータ先端部１に超音波振動を与えることにより、細胞５にリング４をスムーズに被せることが可能となる。超音波振動は、圧電素子などをマニピュレータ構造体２に設けて発生できる。
【００２６】
この様に把持した細胞５は、マニピュレータで把持したまま、例えば、細胞５の入ったリング４を裏返した後にマイクロピペット等で作業をしてもよいし、また、図２（ｃ）で示す様に別のスライドガラス６に整列させて、マイクロイジェクションなどの処理を連続的に或いは一括して行ってもよい。
【００２７】
また、リング４に細胞５が隠れて作業が難しい場合は、例えば、図３に示す様な突起１１の付いた基板１２を用意し、その突起１１の上に細胞５の入ったリング４を置くとよい。このことにより、細胞５をリング４より突き出した状態で保持でき、細胞５を移動せずに扱えて操作・処理の作業性を上げることが可能になる。
【００２８】
図４はリング４の断面形状を表したものである。リング４の形状は図４（ａ）の様に内径部４ａの壁が平行でもよいが、テーパ４ｂを付けることで更に細胞などの対象物を把持しやすくなる。図５はテーパ４ｂの付いたリング４に細胞５を把持したときの模式図である。ここで、７は食塩水などの溶液である。このとき、リング４内側は親水処理してあるため、テーパ４ｂの付いた内壁と溶液７との接触角が小さくなって、図示の様な把持形態になる。図示の様な接触角の状態と表面張力により、細胞５及び溶液７には、表面積の大きさの関係から、テーパ４ｂの狭い方（図５の上方）に細胞５及び溶液７を押し付ける力が発生する。これにより把持力を大きくできる。
【００２９】
本実施の形態を適用して２つの物質（細胞５）を融合させる例を図６を用いて説明する。２つの物質を融合させる具体例としては、新品種の植物を開発するための細胞融合技術がある。細胞融合は、細胞同士を重ね電気パルスを掛けることにより２種類の細胞を融合させ、新規な異種細胞を作成するものである。本例では、図６の様に細胞５の入ったリング４を２個、マニピュレータを用いて、図３で説明した基板１２上に重ねて置くことにより細胞同士が重なり、それらの細胞に電気パルスを掛けて細胞融合を行う。ここでは、本実施の形態の特徴であるリング４の中に細胞５を入れてリング４を重ねることにより、細胞５が重なると共に、重なったリング４がケーシングになって細胞融合に適した方法になる。
【００３０】
（他の実施の形態）
第１の実施の形態において、細胞５をリング４から離す時は、リング４内の細胞５に溶液などを掛ければ簡単に細胞５を離すことができる。溶液を掛けるノズルは、単独で構成してもよいが、マニピュレータ（構成要素１、２）の内部にノズルを構成し、マニピュレータ先端部１のリング４用吸着面にノズル噴射面を形成する構成が有効である。この場合、ノズルを介して流体噴射と流体吸入ができる様にして、リングをキャップ状の対象物包囲体などに置き換えと共にマニピュレータ先端部１に該包囲体を固定して、この中にノズルの流体出入口が開口している様な構成にもできる。この構成を用いれば、対象物を包囲体に把持するときは、対象物に包囲体を被せた後にノズルを介して流体を吸入して包囲体内に対象物を確実に把持し、対象物を包囲体から離すときは、ノズルを介して流体を噴射して包囲体内から対象物を出す様な操作が行える。
【００３１】
また、リング４などの対象物包囲体を取り扱うマニピュレータ先端部としては、図７に示すような可動な複数（図示例では２つ）のフィンガー２０を持つハンドを用いて対象物包囲体を掴んだり離したりする構成なども採用し得る。この場合、フィンガー２０の形態に応じて、これで掴み易い様に対象物包囲体をリング状以外の多角形状、楕円状、Ｃ字状などの形状にしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、細胞などの対象物をリングなどの対象物包囲体に入れて把持するため、確実、比較的短時間で細胞等の把持が可能である。これにより、細胞の核、ＤＮＡ等の交換などの細胞等の対象物の操作・処理の効率を向上することができる。また、その把持した細胞等の移動も可能であるため、例えば、細胞等を高精度に整列・配列して、細胞等への操作・処理を連続もしくは一括して行うことが可能であり、細胞等を操作・処理する効率を更に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の把持機構及び把持動作を説明する図である。
【図２】第１の実施の形態の把持機構及び把持動作を説明する図である。
【図３】第１の実施の形態で用いられる細胞把持基板を説明する断面図である。
【図４】第１の実施の形態で用いられるリングの２例の断面形状を示す断面図である。
【図５】第１の実施の形態で用いられるテーパリングによる細胞把持を説明する断面図である。
【図６】第１の実施の形態で行われる細胞融合処理を説明する断面図である。
【図７】他の実施の形態の把持機構を説明する図である。
【符号の説明】
１    マニピュレータ先端部
２    マニピュレータ構造体
３    コイル
４    リング（対象物包囲体）
４ａ  リングの平行内径部
４ｂ  リングのテーパ
５    細胞（対象物）
６    スライドガラス
７    溶液
１１  基板上の突起
１２  基板
２０  フィンガー
【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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