(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス状炭素および結晶性炭素を含み、細胞を表面に吸着させて保持するために用いられ、少なくともその表面に少なくとも６０質量％の結晶性炭素が含まれ、断面の径が１００μｍ以下であるマイクロカーボンロッド。
【請求項２】
前記結晶性炭素の少なくとも一部は一方向に配向している請求項１記載のマイクロカーボンロッド。
【請求項３】
焼成後にガラス状炭素を残す有機物に黒鉛粉末を混合し、該混合物を所望の形状に成形し、該成形物を焼成するステップを具備する、細胞を表面に吸着させて保持するために用いられ、少なくともその表面に少なくとも６０質量％の結晶性炭素が含まれ、断面の径が１００μｍ以下であるマイクロカーボンロッドの製造方法。
【請求項４】
前記成形するステップにおいて、前記黒鉛の結晶の少なくとも一部が一方向に配向するような押出し成形が行なわれる請求項３記載のマイクロカーボンロッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微少な対象物を表面に吸着させて保持するために用いられるマイクロカーボンロッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
数cmの長さを持つ単一筋細胞の収縮力を計測することは、医学、薬学、獣医学の幅広い分野、医療産業、製薬産業等で幅広く用いられている。
しかしながら、単一心筋細胞では、サイズが小さく（１００マイクロメーター程度）、センサーへの固定方法が無いことから、実用化されていない。
【０００３】
心筋細胞のようなサイズの小さい対象物を保持して力学的な計測を可能にするためには、それを保持する保持体のサイズもそれに匹敵するほど小さいこと、力学的な測定が可能な程に充分な保持力が得られることが必要である。また、測定対象が生きた細胞である場合には、その機能に影響を与えないように無毒であることが要求される。
【０００４】
細胞に対して無毒で、かつ微少なものとして、樹脂を焼成して得られる炭素繊維を使用することが考えられる。しかしながら、ガラス状炭素からなる炭素繊維では表面の吸着力が充分でなく、広範囲な力学的測定ができないという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、微少な測定対象物を保持して広範囲な力学的測定を可能にするマイクロカーボンロッドを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロカーボンロッドは、ガラス状炭素および結晶性炭素を含む。
前記結晶性炭素は実質的に一方向に配向していることが望ましい。
このマイクロカーボンロッドには、充分な保持力を得るために、少なくともその表面に少なくとも２０質量％、さらに望ましくは６０質量％以上の結晶性炭素が含まれることが望ましい。
【０００７】
微小な対象物への適用を可能にするため、断面の径が１００μｍ以下であることもまた望ましい。
本発明のマイクロカーボンロッドの製造方法は、焼成後にガラス状炭素を残す有機物に黒鉛粉末を混合し、該混合物を所望の形状に成形し、該成形物を焼成するステップを具備する。
【０００８】
前記成形するステップにおいて、前記黒鉛の結晶が実質的に一方向に配向するような押出し成形が行なわれることが望ましい。
本発明のマイクロカーボンロッドでは、その表面に結晶の端面および／または基底面欠損部の炭素原子に由来する官能基が多数存在し、それによるケミソープション（化学的な吸着）により充分な接着力が得られる。成形の際に黒鉛結晶が実質的に一方向に配向するような押出し成形を行なうことによりこの割合は一層増加し、より一層の接着力が得られる。
【０００９】
焼成後にガラス状炭素を残す有機物とは、三次元架橋を持つ有機樹脂材料や、固相炭化する天然有機材料等であり具体的には、有機高分子物質及び、そのモノマー・オリゴマー類、タール・ピッチ類、乾留ピッチ類、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂の初期重合体類、等の一種または、二種以上の混合物である。
ここで、有機高分子物質としては、後記する熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂以外の物質で、リグニン、セルロース、トラガントガム、アラビアガム、天然ガム及びその誘導体、糖類、キチン、キトサン等のごとき縮合多環芳香族を分子の基本構造内に持つ化合物及び、ナフタレンスルフォン酸のホルマリン縮合物、ジニトロナフタレン、ピレン、ピラントロン、ビオラントロン、ベンゾアントロン等から誘導されるインダンスレン系建染染料及びその中間体である。
【００１０】
熱可塑性樹脂類としては、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニリデン、後塩素化ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、エチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、ポリ塩化ビニル・酢酸ビニル共重合体、等の通常の熱可塑性樹脂及びポリフェニレンオキサイド、ポリパラキシレン、ポリスルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンツイミダゾール、ポリオキサジアゾール、等の耐熱性熱可塑性樹脂を用い炭素前駆体化処理として、酸化架橋したものである。
【００１１】
熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、コプナ樹脂、等が用いられ、加熱により流動すると共に、分子間架橋を生じ三次元化して硬化し、特別の炭素前駆体化処理を行なうことなく高い炭素残査収率を示すものである。
黒鉛粉末について、接着力を高めるためには、高度に発達した黒鉛の結晶端面（エッジ面）が表面に対して垂直に整列するように組織配向した複合炭素材料を作成することが重要である。それ故、黒鉛ウイスカ、高配向性気相熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、結晶質天然黒鉛が好ましく用いられる。黒鉛微粉末の粒度は、目的とするロッドの直径によっても異なるが、最大径が数μｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
有機物と黒鉛粉末の混合に際しては、ヘンシェルミキサー等で粉体分散を十分に行う。さらに、加圧ニーダーまたは二本ロール等の高度に剪断力が掛けられる混練機を用いて、十分に混合分散を施し、ペレタイザーにより顆粒化した後、スクリュー式やプランジャー式等の押出機により所望の直径に高速に押出成形して、押し出し方向に黒鉛の結晶が良く配列するように配向操作を加えることにより成形体が得られる。
【００１３】
必要に応じて、焼成に際して、まず、この成形体に延伸操作を加えつつ約１８０℃に加熱されたエアー・オーブン中にて、約１０時間処理してプリ・カーサー（炭素前駆体）材料とする。更に、不活性雰囲気中で昇温速度を制御しつつ約１５００℃迄徐々に加熱して炭素化を終了させ目的とするマイクロカーボンロッドを得る。
【００１４】
マイクロカーボンロッドの化学的吸着力の確認には、炭素表面の機能性残基の量が電気化学的計測により半定量可能なことを利用して、化学的吸着量を評価する。具体的には、まず、電気化学計測装置を使用し、電解槽中に１Ｍ（mol dm−３）塩化カリウム水溶液を入れて、リード線を付けたマイクロロッドの一定長さを浸せきして流れるブランク電流をサイクリックボルタンメトリー（ＣＶ）法により計測し、その電流値の大小から吸着力を判定する。
【００１５】
さらに、ロッド作製後の炭素表面に黒鉛エッジが多出することが化学的吸着力に関係深い表面官能基を結果的に多く持つことの指標と考えられる。そこで、エッジの多出する炭素表面が電子移動させ易く、電極特性の良さに関係深いことを利用して、本ロッドの電荷移動特性を計測する。具体的には、電気化学計測装置を使用し、上記塩化カリウム溶液中にフェリ・フェロシアンイオンを加え、そのイオンのレドックス（酸化・還元）反応をＣＶ法で測定する。そのＣＶ曲線上のレドックス反応の酸化ピークと還元ピークの電位差ΔＥｐからロッド表面の電気化学特性を判定する。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）マイクロカーボンロッドのマトリックスカーボン原料として、塩素化塩化ビニル樹脂（日本カーバイド社製  Ｔ−７４１）６５質量％、これに黒鉛微粉末（日立粉末冶金社製  平均粒度１μｍ）３５質量％を複合した組成物に対し、可塑材としてジアリルフタレートモノマーを２５質量％を添加して、ヘンシェル・ミキサーを用いて分散した後、表面温度を１２０℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタイザーによってペレット化し成形用組成物を得た。
【００１７】
このペレットをスクリュー型押し出し機で直径５０μｍのセラミックス製ダイスを用い脱気を行ないつつ１４０℃で０．１ｍ／分の速度で押し出し、これを枠に固定して、１８０℃に加熱されたエアー・オーブン中で１０時間処理してプリ・カーサー（炭素前駆体）線材とした。次に、これを窒素ガス中で５００℃迄を２５℃／時の昇温速度で昇温し、その後１５００℃迄を１００℃／時で昇温し、１５００℃で３時間保持した後自然冷却して焼成を完了した。
【００１８】
得られたマイクロカーボンロッドは直径３８μｍで曲げ強度が２１０MPa であった。これに含まれる黒鉛は全体の約６５質量％である。マイクロカーボンロッドの化学的吸着力確認のため、電気化学応答性を測定し判断した。
得られたマイクロカーボンロッドの化学的吸着量の判定は、所定の評価法に従って以下のように行った。まず、ロッドの化学的吸着量の判定のため、電気化学計測装置として、柳本製ボーラログラフィックアナライザー（Ｐ−１１００）を使用し、１Ｍ塩化カリウム溶液中で、ブランク電流を、次いで５ｍＭフェロ・フェリシアンイオンのＣＶ曲線を銀塩化銀参照電極を用いる３電極法で測定した。その結果、本実施例で得られたカーボンマイクロロッドのブランク電流はきわめて大きく、レドックスイオンのレドックスピーク電位差ΔＥｐが７０ｍＶで可逆レドックスイオンのピーク電位差の理論値（６０ｍＶ）に近似しており、本ロッドは心筋計測の目的に使用するに十分な吸着力を具備していると判定された。
【００１９】
このマイクロカーボンロッドに心筋細胞を化学吸着させて応力を与え、接着が離れるときのロッドのたわみ量とばね定数から接着力を算出した。得られた接着力は２．４２μＮで心筋細胞の収縮力の１〜２μＮより充分に大きい値であった。
（実施例２）マイクロカーボンロッドのマトリックスカーボン原料として、塩化ビニル樹脂（チッソ社製  二ポリットＭＱ）５０質量％とフラン樹脂（日立化成社製  ヒタフランＶＦ３０２）１５質量％との混合物、これに黒鉛微粉末（日本黒鉛社製  平均粒度１μｍ）３５質量％を複合した組成物量に対し、可塑材としてジアリルフタレートモノマーを２０質量％を添加して、ヘンシェル・ミキサーを用いて分散した後、表面温度を１１０℃に保ったミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得、ペレタイザーによってペレット化し成形用組成物を得た。
【００２０】
このペレットをスクリュー型押し出し機で直径５０μｍのセラミックス製ダイスを用い脱気を行ないつつ１３０℃で０．１ｍ／分の速度で押し出し、これを枠に固定して、１８０℃に加熱されたエアー・オーブン中で１０時間処理してプリ・カーサー（炭素前駆体）線材とした。次に、これを窒素ガス中で５００℃迄を２５℃／時の昇温速度で昇温し、その後１５００℃迄を１００℃／時で昇温し、１５００℃で３時間保持した後自然冷却して焼成を完了した。
【００２１】
得られたマイクロカーボンロッドは直径４０μｍで曲げ強度が１８０MPa であった。これに含まれる黒鉛は全体の約６５質量％である。
得られたマイクロカーボンロッドの化学的吸着量の判定を実施例１と同様に行った。その結果、本実施例で得られたカーボンマイクロロッドのブランク電流はきわめて大きく、レドックスイオンのレドックスピーク電位差ΔＥｐが７０ｍＶで可逆レドックスイオンのピーク電位差の理論値（６０ｍＶ）に近似しており、本ロッドは心筋計測の目的に使用するに十分な吸着力を具備していると判定された。
【００２２】
このマイクロカーボンロッドに心筋細胞を化学吸着させて応力を与え、接着が離れるときのロッドのたわみ量とばね定数から接着力を算出した。得られた接着力は２．４２μＮで心筋細胞の収縮力の１〜２μＮより充分に大きい値であった。
図１は本発明のマイクロカーボンロッドを用いた測定の一例として、心筋細胞の収縮力を測定する装置の一例を示す。図１において、心筋細胞１０は２本のマイクロカーボンロッド１２，１３に化学的に吸着されて保持される。マイクロカーボンロッド１３の長さはマイクロカーボンロッド１２よりも長いので、細胞が収縮したときに、マイクロカーボンロッド１３の方がより大きくたわむ。長い方のマイクロカーボンロッド１３はピエゾ素子１４を経て固定され、ピエゾ素子１４に与える電圧を制御することにより心筋細胞への張力が制御される。ランプ１６で照明されたマイクロカーボンロッド１２の像はレンズ１８およびミラー２０を経て、４分割フォトダイオード２２の上に結像する。４分割フォトダイオード２２の各領域からの信号を差動増幅器２４で増幅し、ピエゾ素子１４へフィードバックすることにより、心筋細胞の長さが一定に制御された条件下で収縮力が測定される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ケミソープションによる接着力に優れ、微小な対象物の保持に適したマイクロカーボンロッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロカーボンロッドを用いた測定の一例としての、心筋細胞の収縮力を測定する装置の図である。
【図１】
0004771599.tif 000002