(57)【要約】  セル内部のｉｎ−ｖｉｔｒｏプロービングを、ナノニードルを用いて行う装置および方法が本明細書中に開示される。本出願の一部の態様は、流れチャネルに配置された垂直ナノニードルを有する装置に関し、流れチャネルは、流れチャネルの流体において再循環する細胞の、ナノニードルを用いての固定化および細胞膜のナノニードルを用いての貫通を容易にするように形成されている。本出願の態様はまた、関心のあるスクリーニングされた細胞と選択的かつ連続的に細胞内連通する医薬システムを形成するための、流れチャネルとセルソーターの統合も提供する。【選択図】図１Ａ
2020524001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流れ方向に沿って循環する細胞を含有する第１の流体を収容するように構成されている第１の流れチャネルと、
前記第１の流れチャネルに配置されかつ前記細胞を貫通するように構成されているナノニードルと、を備え、
前記第１の流れチャネルは、前記ナノニードルに隣接するくびれ部を備える、装置。
【請求項２】
前記第１の流れチャネルが、前記くびれ部内の第１の部分および前記くびれの外の第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記第１の流れ方向に垂直な第１の方向に沿って第１のサイズを有し、前記第２の部分は、前記第１の方向に沿って第２のサイズを有し、
前記第１のサイズは、前記第２のサイズよりも小さい、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１のサイズが、前記第１の流れチャネルにおいて前記セルを、前記ナノニードルによって貫通されるよう方向付けるように構成されている、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記第１のサイズが、前記細胞の平均直径の０．２５〜５倍である、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第１のサイズが、前記細胞の平均直径の０．５〜２倍である、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のサイズが、０．２５〜２００μｍである、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
前記第１のサイズが、０．５〜１００μｍである、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記細胞が、動物細胞、植物細胞、細菌細胞、または菌細胞である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記細胞が核を備え、前記ナノニードルが、前記細胞の前記核を貫通するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記細胞が核を備え、前記ナノニードルが、前記細胞の膜を貫通するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
第２の流体を収容するように構成されている第２の流れチャネルをさらに備え、
前記ナノニードルが、前記第１の流れチャネルに配置された第１の開口および前記第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備え、前記第２の流れチャネルが、前記第１の流れチャネルと前記ナノニードルを介して流体連通するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
第２の流体を収容するように構成されている第２の流れチャネルをさらに備え、
前記ナノニードルが、前記第１の流れチャネルに配置された第１の開口および前記第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備え、前記第２の流れチャネルが、前記細胞の内部と前記ナノニードルを介して流体連通するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２の流れチャネルに配置されかつ前記細胞の前記内部に前記ナノニードルを介して流体を注入または流体を抽出するように構成されている機械式アクチュエータをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記ナノニードルが、導電性側壁を有するナノポンプを備え、前記ナノポンプは、前記細胞の前記内部に前記ナノニードルを介して流体を注入または流体を抽出するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記ナノニードルが、前記第１の流れチャネルにおいて前記第１の流体に露出されるように構成されかつ０．５〜１００μｍの長さを有する第１のナノニードルセグメントを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１のナノニードルセグメントが、５〜１０００ｎｍの平均外寸を有する第１の開口を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１のナノニードルセグメントが、５〜１０００ｎｍの平均内寸を有する第１の開口を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の流れチャネルの前記第１の部分が、光学顕微鏡照明波長を透過する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記ナノニードルが第１のナノニードルであり、前記装置が、さらに、
前記第１の流れチャネルに配置されかつ前記細胞を貫通するように構成されている第２のナノニードルを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ナノニードルが第１のナノニードルであり、前記装置が、さらに、第３の流体を収容するように構成されている第３の流れチャネルと、
前記第１の流れチャネルに配置されかつ前記細胞を貫通するように構成されている第２のナノニードルと、を備え、前記第２のナノニードルが、前記第１の流れチャネルに配置された第３の開口および前記第３の流れチャネルに配置された第４の開口を備え、前記第３の流れチャネルが、前記細胞の内部と前記第２のナノニードルを介して流体連通するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項２１】
ナノスケールワイヤを形成することと、
前記ナノスケールワイヤを囲む側壁材料を形成することと、
第１の流れチャネル内部に前記ナノスケールワイヤを配置することと、
前記第１の流れチャネル内部に前記ナノスケールワイヤを配置した後で、前記ナノワイヤを選択的に除去して、前記側壁材料からナノニードルを形成することと、を含む、ナノポンプ装置を製造する方法。
【請求項２２】
前記ナノスケールワイヤを形成することが、前記ナノスケールワイヤを半導体基板上に、前記ナノスケールワイヤが前記半導体基板の平面に実質的に垂直な方向に沿って延びるように形成することを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ナノスケールワイヤが、前記半導体基板によって支持される第１の端部および前記第１の端部と遠位の第２の端部を有し、前記側壁材料が、前記ナノスケールワイヤの前記第１の端部を囲む第１の部分および前記ナノスケールワイヤの前記第２の端部を囲む第２の部分を備え、
流れチャネル取り付け面が前記半導体基板の前記平面と離れた方を向いた状態で、前記ナノスケールワイヤの前記第１の端部および前記側壁材料の前記第１の部分を支持層に埋め込むことをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ナノスケールワイヤを前記第１の流れチャネル内部に配置することが、前記支持層の前記流れチャネル取り付け面を前記第１の流れチャネルに、前記ナノスケールワイヤの前記第１の端部が前記第１の流れチャネル内部に配置されるように結合させることを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記半導体基板を除去することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記ナノワイヤを除去してナノニードルを形成した後で、前記ナノニードルを第２の流れチャネルに対して、前記第２の流れチャネルが前記第１の流れチャネルと前記ナノニードルを介して流体連通するように露出させることをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ナノスケールワイヤを選択的に除去してナノニードルを前記側壁材料から形成することが、前記ナノスケールワイヤの選択的ウェットエッチを備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記ナノニードルが第１のナノニードルであり、
第２のナノニードルを形成することと、
前記第１のナノニードルの第１の端部および前記第２のナノニードルの第１の端部を前記第１の流れチャネルに配置することと、を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１のナノニードルの第２の端部を第２の流れチャネルに、前記第２の流れチャネルが前記第１の流れチャネルと前記第１のナノニードルを介して流体連通するように配置することと、
前記第２のナノニードルの第２の端部を第３の流れチャネルに、前記第３の流れチャネルが前記第１の流れチャネルと前記第２のナノニードルを介して流体連通するように配置することと、をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
第１の流れチャネルと、第２の流れチャネルと、前記第１の流れチャネルに配置された第１の開口および前記第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備えるナノニードルとを含む装置を動作させる方法であって、前記第１の流れチャネルは、前記ナノニードルに隣接するくびれ部を備え、
細胞を含有する第１の流体を前記第１の流れチャネルにおいて第１の流れ方向に沿って循環させることと、
前記ナノニードルで前記細胞を貫通することと、
試薬を含有する第２の流体を前記第２の流れチャネルに収容することと、
前記第２の流体から前記試薬を、前記ナノニードルを介して前記細胞内に送達することと、を含む、方法。
【請求項３１】
前記第１の流れチャネルが、前記くびれ部内の第１の部分および前記くびれ部の外の第２の部分を有し、前記第１の部分は、前記第１の流れ方向に垂直な第１の方向に沿って第１のサイズを有し、前記第２の部分は、前記第１の方向に沿って第２のサイズを有し、
前記第１のサイズは、前記第２のサイズよりも小さい、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第２の流れチャネルから前記試薬を前記細胞の核内に送達することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記第２の流れチャネルから前記試薬を前記細胞の膜を通して送達することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記細胞を前記第１の流れチャネル内で所定の循環タイミングで循環させることと、
前記試薬の前記送達を、前記所定の循環タイミングに少なくとも部分的に基づくタイミングおよび投与量で制御することと、をさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３５】
前記細胞から被分析物を前記第２の流れチャネルに送達することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３６】
前記細胞を前記ナノニードルで貫通した後、前記細胞が生存する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３７】
前記細胞を前記ナノニードルで貫通した後、前記細胞が前記第１の流体において再び循環されるように、前記ナノニードルを前記細胞から除去することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３８】
前記ナノニードルが第１のナノニードルであり、前記装置が、さらに、前記第１の流れチャネルに配置された第２のナノニードルを備え、
前記細胞を前記ナノニードルで貫通した後、前記細胞を前記第２のナノニードルで貫通することをさらに含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３９】
第１の流れチャネルと、試薬を含有する流体を有する第２の流れチャネルと、前記第１の流れチャネルに配置された第１の開口および前記第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備えるナノニードルと、を備えるナノポンプを備え、
前記第１の流れチャネルは、細胞を含有する第１の試料をユーザから受けるように構成されており、
前記ナノニードルは、前記細胞を貫通しその内部に前記試薬を送達するように構成されている、医薬システム。
【請求項４０】
前記ナノポンプが、第２の試料を前記ユーザに送達するように構成されている、請求項３９に記載の医薬システム。
【請求項４１】
前記ユーザから体液を受けるようにかつ前記細胞を含有する前記第１の試料を前記第１の流れチャネルに送達するように構成されているセルソーターをさらに備える、請求項３９に記載の医薬システム。
【請求項４２】
前記ナノポンプおよび前記セルソーターがハウジングに配置されている、請求項４１に記載の医薬システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、本明細書内でその全体が参照によって援用される「ナノニードルならびに関連する装置および方法」と題された代理人整理番号第ＮＯ６０１．７００００ＵＳ００号で２０１７年６月１６日に出願された米国特許出願第６２／５２１，２７６号の米国特許法１１９条（ｅ）に基づく利益を主張する。
【背景技術】
【０００２】
細胞内部のｉｎ−ｖｉｔｒｏプロービングは、通常、細胞を基板上に固定化または培養し、続いてパッチクランプなどのプローブを細胞の内部に挿入することによって行われる。
【発明の概要】
【０００３】
一部の実施形態によれば、装置が提供される。装置は、第１の流れ方向に沿って循環する細胞を含有する第１の流体を収容するように構成されている第１の流れチャネルと；第１の流れチャネルに配置されかつ細胞を貫通するように構成されているナノニードルとを備える。第１の流れチャネルは、ナノニードルに隣接するくびれ部を備える。
【０００４】
一部の実施形態によれば、ナノポンプ装置を製造する方法が提供される。方法は、ナノスケールワイヤを形成することと；ナノスケールワイヤを囲む側壁材料を形成することと；ナノスケールワイヤを第１の流れチャネルの内部に配置することと；ナノスケールワイヤを第１の流れチャネルの内部に配置したことに続いて、ナノワイヤを選択的に除去して、側壁材料からナノニードルを形成することとを含む。
【０００５】
一部の実施形態によれば、装置を動作させる方法が提供される。装置は、第１の流れチャネルと、第２の流れチャネルと、第１の流れチャネルに配置された第１の開口および第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備えるナノニードルとを含む。第１の流れチャネルは、ナノニードルに隣接するくびれ部を備える。方法は、細胞を含有する第１の流体を、第１の流れチャネルにおいて第１の流れ方向に沿って循環させることと；細胞をナノニードルで貫通することと；試薬を含有する第２の流体を第２の流れチャネルに収容することと；第２の流体からナノニードルを介して細胞内に試薬を送達することとを含む。
【０００６】
一部の実施形態によれば、医薬システムが提供される。医薬システムは、第１の流れチャネルと、試薬を含有する流体を有する第２の流れチャネルと、第１の流れチャネルに配置された第１の開口および第２の流れチャネルに配置された第２の開口を備えるナノニードルとを備えるナノポンプを備える。第１の流れチャネルは、細胞を含有する第１の試料をユーザから受けるように構成されている。ナノニードルは、貫通しかつ試薬を細胞の内部に送達するように構成されている。
【０００７】
様々な態様および実施形態を以下の図を参照しながら記載する。添付図面は、縮尺通りであることを意図しない。図面において、様々な図に示された各同一のまたはほぼ同一の構成要素は、同様の数字によって表される。明確性のために、全ての図面において全ての構成要素がラベル付けされない場合がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】一部の実施形態による、ナノニードルを有する装置１００の断面図を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示す垂直面Ａ−Ａ’に沿う第１の部分１２６内の装置１００の断面図を示す概略図である。
【図２Ａ】一部の態様による、装置２００の上面図を示す概略図である。
【図２Ｂ】一部の態様による、装置２００の第１の流れチャネル２２０のカバー２０６の上面図を示す概略図である。
【図３Ａ】基材３０４に規則的な二次元配列状に配置された複数のナノニードル３０２を有する装置３００Ａの上面図を示す概略図である。
【図３Ｂ】基材３０４にランダムな二次元配列状に配置された複数のナノニードル３０２を有する装置３００Ｂの上面図を示す概略図である。
【図３Ｃ】基材３０４に配置された複数のナノニードル３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、および３０２ｄを有する装置３００Ｃの上面図を示す概略図である。
【図４】図４Ａ−図４Ｂ。一部の態様による、基板４１０に底部チャネル４３０を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。
【図５】図５Ａ−図５Ｅ。図１Ａおよび１Ｂに示すタイプの装置において基材５０４上にナノニードル５０２を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。
【図６】図６Ａ−図６Ｂ。本出願の態様による、第１の流れチャネルの例示的な製造順序の上面図を示す概略図である。
【図７】図７Ａ−図７Ｃ。一部の態様による、ナノニードルを形成しかつナノニードルを第１の流れチャネルおよび第２の流れチャネルに取り付ける例示的な製造順序を示す概略図である。
【図８】図８Ａ−図８Ｂ。本出願の一部の実施形態による、ナノニードル配列を形成しかつナノニードル配列を第１の流れチャネルおよび第２の流れチャネルに取り付ける製造順序の断面図を示す概略図である。
【図９Ａ】代替実施形態による、装置９００の断面図を示す概略図である。
【図９Ｂ】装置９００の上面図を示す概略図である。
【図１０】図１０Ａ−図１０Ｊ。一部の態様による、装置９００を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。
【図１１】本出願の態様による、ナノポンプ１１０２および圧電膜ドライバー１１１２を有する装置１１００の断面図を示す概略図である。
【図１２Ａ】本出願の態様による、ナノポンプ１２０２の断面図を示す概略図である。
【図１２Ｂ】バイアス電圧下の、図１２Ａに示す実施形態によるナノポンプ１２０２の断面図を示す概略図である。
【図１３】本出願の態様による、ナノポンプ装置１３４０を含む例示的な医薬システム１３００を示す概略図である。
【図１４】本出願の別の態様による、例示的な医薬システム１４００を示す概略図である。
【図１５】本出願の態様による、例示的な装置１５００を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
細胞内部内に注入、そこから抽出、またはそれ以外の方法で電気化学的に連通する細胞内プロービングは、ｉｎ−ｖｉｔｒｏ診断、治療、ならびに脳研究において広範な用途を提供し得る。発明者は、スループットを向上させる１つの手法として、細胞内プロービングの連続的な動作を可能にするため、１つ以上のナノニードルを備える流れチャネル内での細胞の連続的な循環を提供すると認識かつ理解している。本出願の態様は、流れチャネルとセルソーターの統合を提供して、患者の血液試料からの、関心のあるスクリーニングされた細胞と選択的かつ連続的に細胞内連通する医薬システムを形成する。
【００１０】
本出願の一部の態様は、流れチャネルに配置された垂直ナノニードルを有する装置に関し、流れチャネルは、流れチャネルの流体において再循環する細胞のナノニードルでの固定化および細胞膜のナノニードルでの貫通を容易にするように形づくられる。発明者は、ナノニードルが配置されている流れチャネルのある領域は、細胞のサイズと実質的に同一またはそれより小さい、幅かつ／または高さ方向における低減された寸法を有し得ることを認識かつ理解している。この方法では、流れチャネルは、ナノニードルの先端の細胞内への挿入を容易にするために、細胞が、ナノニードルを越えて流れる（または通過する）ときに、細胞の流路にある、タイトフィット部を有するまたはわずかに圧縮されるように構成されている。一部の態様によれば、流れチャネルの当該領域は、さらに、ナノニードルが細胞核の流路に在り、ナノニードルの細胞核内への挿入を容易とするように、細胞核のサイズと実質的に同一またはそれより小さい、幅かつ／または高さ方向における低減された寸法を有するようなサイズにされる。さらに別の態様によれば、流れチャネルは、流れチャネル内の細胞がナノニードルを横切って流れるときそれらを撮像することが可能となるように透明であってもよい。細胞の固定化および貫通が容易になるように、撮像フィードバックが、流れ制御と併せて用いられ得る。
【００１１】
本出願の一部の態様は、ナノニードルを製造する方法に関する。ナノニードルは、ナノニードル側壁の材料を犠牲テンプレート上に蒸着することによって形成された中空、筒状構造を有し得る。犠牲テンプレートは、断面寸法が、犠牲テンプレートが除去された後のナノニードルの内部断面を画定する垂直ナノワイヤであってもよい。ナノニードルの側壁材料は、細胞固定化および細胞膜の貫通が容易になるように、選択され得かつさらに官能化され得る。ナノニードルの先端の断面形状および寸法は、細胞を実質的に生存可能なままで細胞膜のかつ／または細胞核内への貫通を可能とするように構成されている。この方法では、細胞内部の全寿命の研究が行われ得る。
【００１２】
一部の態様によれば、ナノニードルは、垂直に配向され、かつ、水平な第１の流れチャネルに配置される。ナノニードルの先端開口は、第１の流れチャネルの液体と流体連通し、または、細胞が先端上で固定化されるとき、流れチャネルの細胞の細胞内流体と流体連通する。一部の実施形態では、第２の流れチャネルが、ナノニードルの下に設けられ、ナノニードルの内部と接続され得る。一実施形態では、ナノニードルは、細胞内部から被分析物を抽出し得、それは診断分析のために第２の流れチャネルに送達される。別の実施形態では、ナノニードルは、第２の流れチャネルから材料を送達し得、それは、例えば治療薬の送達を行うために、細胞内部内にまたは核の内部に注入される。
【００１３】
発明者は、ナノニードルを介する細胞へのかつ細胞外への流体の制御されたポンピング、すなわちナノニードルをナノポンプとして用いることを可能とする様々な方法が提供され得ることを認識かつ理解している。一態様では、電極材料が、ナノニードルの側壁に沿ってかつナノニードルの基部に、例えば電子ウェッティング効果を用いて液体の流れを制御するために設けられ得る。別の態様では、圧電駆動モジュールが、ナノポンプの液体の流れを駆動するために流れチャネルの一方に設けられ得る。一部の態様によれば、細胞内部へのまたはその外へのナノニードルを介する制御されたポンピングにより、所定のタイミングおよび投与量による同期化された流体連通が可能になり得る。さらに別の態様によれば、制御されたポンピングは、ナノニードル上での細胞の選択的な付着および分離を容易にするのに用いられ得る。
【００１４】
一部の態様によれば、複数のナノニードルが、流れチャネルのある領域に設けられ得る。ナノニードルのそれぞれは、同一のまたは異なる液体に接続されるように構成され得る。一例では、ナノニードルの列は、細胞が第１のナノニードルに付着され、その後第１のナノニードルから分離され、次いで第２のナノニードルに付着され得、などを複数のナノニードルに対して繰り返すように、流れチャネル内に流れ方向に沿って配置され得る。ナノニードルの１つ以上、場合によって各々は、例えば治療薬の送達を行うために、特定の投与量の生化学的分子の選択された配列を同一の細胞内に注入するように構成され得る。ナノニードルの１つ以上、場合によって各々は、生化学的分子の選択された配列を、ナノニードルに順次または同時に付着される１つより多い細胞内に注入するように構成され得る。
【００１５】
一部の態様によれば、人間の患者の血流または体液から細胞を抽出かつ分離するセルソーターと、セルソーターから循環された細胞の内部と連通しかつ細胞または核内部に対して例えば遺伝子編集または薬物送達を行う、流れチャネルにおけるナノニードルとを備える医薬システムが提供され得る。一例では、遺伝子編集された細胞は培養され、自己移植により人間の患者に注入して戻され得る。一部の態様によれば、セルソーターおよびナノニードルおよび流れチャネル装置を備える自己移植システムは、がん免疫療法機器を形成し得る。
【００１６】
図１Ａは、一部の実施形態による、装置１００の断面図を示す概略図である。装置１００は、本出願の態様による、第１の流れチャネル１２０に垂直に配置されかつ細胞１０の核１２の内部と流体連通するナノニードル１０２を備える。装置１００は、さらに、基板１１０に配置されかつナノニードル１０２と流体連通する第２の流れチャネル１３０を備える。一部の実施形態では、第１の流れチャネル１２０は、細胞流れチャネルと称され得、ナノニードル１０２はナノポンプであり、第２の流れチャネル１３０は、ナノポンプ流れチャネルと称され得、ナノポンプ１０２は、流体を第２の流れチャネル１３０から細胞１０または細胞核１２内にポンプするものである。
【００１７】
図１Ａに示すように、細胞１０は、第１の流れチャネル１２０内で流体（図示せず）によって含有され、流れ方向１２２に沿って移動する。一部の実施形態では、ナノポンプ１０２は、流体をナノポンプ流れチャネル１３０から第１の流れチャネル１２０に向けて上方にポンプし得る。第１の流れチャネル１２０は、図１Ａに示すようにくびれ部１２４を備える。第１の流れチャネル１２０は、くびれ部１２４内に第１の部分１２６、およびくびれ部の外に第２の部分１２８を有する。図１Ａに示すように、くびれ部１２４は流れチャネルの内方に突出しているので、第１の部分１２６は、くびれ部１２４の外の第２の部分１２８における大きなサイズ１２９と比べると、液体が流れることを可能にするのに小さいサイズ１２７を有する。第１の部分１２６のサイズ１２７は、流れ方向１２２と直角な距離にあり得、細胞１０がくびれ部１２４に侵入したときに細胞１０がナノニードル１０２に隣接して流れるように方向付けられ、その結果ナノニードル１０２が細胞１０と相互作用する可能性を高める。ナノニードル１０２による細胞の貫通が容易となるように細胞１０の流れを方向付けるために、くびれ部１２４はナノニードル１０２に隣接して配置されることが好ましいと認識される。隣接するナノニードル１０２によって、くびれ部１２４は、一部の実施形態において、ナノニードルから１００μｍより近い、５０μｍより近い、または１０μｍより近い距離内で、上方に、隣に、囲むように、または全体的に配置され得る。
【００１８】
サイズ１２７および１２９は、図１Ａに示すように、カバー１０６と基材１０４の間の、それぞれ第１の部分１２６および第２の部分１２８における第１の流れチャネルの高さであり得る。とは言え、サイズ１２７／１２９の方向は、第１の流れチャネル１２０が任意の方向、例えば流れチャネル１２０の底部を形成する基材１０４の面に平行な横方向に沿ってくぼみ部１２４において狭くなり得るとして限定されないことを理解すべきである。くぼみ部１２４は、流体の流れを制限するために流れ方向に沿って任意の適切な形状もとり得ること、および第１の部分１２６におけるサイズ１２７が流れ方向１２２に沿って均一であることは必須ではないことも認識される。一部の実施形態では、くぼみ部１２４は、カバー１０６の一部として形成され得るが、くぼみ部１２４は、カバー１０６とは異なる材料で分離した構造として形成され得ることを理解すべきである。
【００１９】
一部の実施形態では、くびれ部１２４は、ナノニードル１０２の細胞１０の内部へのまたは細胞１０の細胞核１２内部への挿入を容易にするように構成されている。細胞１０は、動物細胞、植物細胞、細菌細胞、または菌細胞であり得る。細胞１０は、生化学的生体細胞、または微生物叢などの細胞様の生化学的小胞であり得る。細胞の挿入を容易にするために、第１の流れチャネル１２０の第１の部分１２６における第１のサイズ１２７の任意の適切なサイズが提供され得る。一部の実施形態では、第１のサイズ１２７は、細胞１０の平均直径の０．２５〜５倍、０．５〜２倍、または０．２５〜１０倍であり得る。本明細書中で用いる細胞１０の平均直径は、単一細胞が不規則に成形され得る場合、複数の測定軸に沿う単一細胞の測定された横方向範囲の平均であり得、または、関心のある細胞群に対する測定された直径の平均を指し得る。当技術分野で既知の任意の適切な細胞のサイズ測定を用いて、細胞１０の平均直径を判定し得る。第１のサイズ１２７は、０．２〜３００μｍ、０．２５〜２００μｍ、０．５〜１００μｍ、１〜１００μｍ、または１０〜１００μｍであり得る。
【００２０】
一部の実施形態では、細胞１０は、くびれ部１２４および／またはナノニードル１０２からの貫通に部分的に起因して、第１の部分１２６内で、細胞１０の構造および機能はそのままに、物理的に変形される。一部の実施形態では、第１の流れチャネル１２０は、マイクロ流体チャネルであり得、１つ以上の細胞１０を含有する流体が、ナノニードル１０２が複数の細胞１０を貫通可能であるように、第１の流れチャネル１２０内で連続的に循環される。
【００２１】
ナノニードル１０２が細胞１０を貫通するとき、細胞１０内の画定される貫通の深さは、例えば細胞のサイズに対する所定のナノニードルの高さといった様々な手段によって選択的に制御され得る。一部の実施形態では、細胞１０は、第１の流れチャネル１２０内の第１の流体に含有され、ナノニードル１０２は、第２の流れチャネル１３０に収容された１つ以上の試薬（図示せず）を含有する第２の流体を、選択的に制御された量、流量、持続時間で、細胞１０の膜もしくは細胞壁の内部または細胞核１２の内部に選択的に送達し得る。注入はまた、ニードルのＩＤを表す物質も含み得る。第２の液体の内容は、以下に限定するものではないが、薬物、低分子医薬品、ゲノム、増殖因子、核酸、たんぱく質、脂質、ゲノム編集パッケージ、ＣＲＩＳＰＲフォーミュラ、ＲＮＡ、またはそれらの組み合わせを含み得る。そのような方法におけるナノニードルによる細胞内注入は、がん、ＨＩＶ、または他の疾患に関する細胞レベルの診断または治療の用途を可能にし得る。
【００２２】
一部の実施形態では、細胞１０の内部への外部物質の送達に加えて、ナノニードル１０２はまた、貫通された細胞の内部から流体を抽出し得る。抽出された細胞内流体の内容物は、細胞内流体に含有される被分析物のさらなる分析のために、ナノニードル１０２を通って第２の流れチャネル１３０まで通過し得る。一部の実施形態では、細胞内流体の抽出は、分子レベルの検出、生細胞モニタリング、創薬を可能にし得、かつ、ゲノム編集、単一細胞研究、がん研究、ＨＩＶなどの研究を支援し得る。
【００２３】
一部の実施形態では、ナノニードル１０２を介する注入／抽出は、ナノニードル内部で流体に加えられた外圧によって駆動され得る。外圧の駆動は、圧電デバイス、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータもしくはポンプによるものであってもよく、または、エレクトロウェッティングによるものであってもよい。一部の実施形態では、ナノニードル１０２を介する注入／抽出は、連続的な動作として行われ得る。
【００２４】
図１Ａは装置１００内の単一のナノニードル１０２を示すが、順次的な注入、抽出、またはそれらの組み合わせを可能にする複数のナノニードル１０２が装置１００内に設けられ得ることを理解すべきである。複数の薬剤の注入、経時的分析、またはリアルタイムでの生体反応および分析もまた提供され得る。
【００２５】
図１Ａに示すような装置１００は、セルソーターなどの細胞循環デバイスと統合されて、血液関連疾患、がん、ＨＩＶなどに関する治療かつ診断用途のための、装置１００内で１つ以上のナノニードル１０２によって貫通されるよう第１の流れチャネル１２０を通る細胞の連続的な流れを可能とする医薬システムを形成し得る。ＣＲＩＳＰＲなどの遺伝子編集技術と関連し得る、細胞編集および修飾のために、細胞株、スタンドアローン高スループットデバイスとの統合に装置１００が提供され得る。装置１００を備える医薬システムはまた、幹細胞研究、バイオリアクター、創薬、および農業などにも用いられ得る。
【００２６】
一部の実施形態では、単一のナノポンプ／ナノニードルまたはナノポンプ／ナノニードルの配列は、剛体または柔軟な材料のいずれかを備え得、診断および治療を含む脳研究および疾患治療、ならびに微生物叢研究、診断、および治療に用いられ得る。
【００２７】
図１Ｂは、図１Ａに示すような垂直面Ａ−Ａ’に沿う第１の部分１２６内の装置１００の断面図を示す概略図である。図１Ｂは、ナノニードルに隣接する第１の流れチャネル１２０の幅はｙであり、カバー１０６と基材１０４の上面の間の第１の流れチャネル１２０の高さはｚであり、第１の流れチャネル１２０内部の第１の端部１０１と第２の流れチャネル１３０内部の第２の端部１０３の間のナノニードル１０２の間の高さはｈであり、ナノニードルの直径はｄであることを示す。ナノニードル１０２は、側壁材料を備える中空構造であり、端部１０１および１０３の両方は、それぞれ第１の流れチャネル１２０および第２の流れチャネル１３０と流体連通する開口である。
【００２８】
一部の実施形態では、高さｚは、くびれ部１２４で細胞の流れを方向付けるように構成されている第１のサイズ１２７であり得る。代替としてまたは加えて、幅ｙは、くびれ部１２４で細胞の流れを方向付けるように構成されている第１のサイズ１２７であり得る。
【００２９】
一部の実施形態では、ナノニードルの高さｈは、細胞膜のすぐ内側または細胞核内に注入／そこから抽出するのに必要な貫通の深さに基づいて調整可能であり得る。ナノニードルの高さｈは、０．２〜１０００μｍ、０．２５〜５００μｍ、０．５〜２００μｍ、または１〜１００μｍであり得る。
【００３０】
一部の実施形態では、ナノニードルの直径ｄは、ナノニードル１０２の内径または外径であってもよく、注入される量および流量、ならびに貫通される細胞１０のサイズおよび種類などの要因に基づいて選択され得る。ナノニードルの直径ｄは、２〜２０００ｎｍ、２〜１５００ｎｍ、５〜１５００ｎｍ、または５〜１０００ｎｍであり得る。
【００３１】
図１Ｂは、基材１０４の横方向範囲に実質的にわたって延在する、ナノニードルの下の第２の流れチャネル１３０を示すが、係る配置は単なる例であり、限定するものではない。一部の実施形態では、第２の流れチャネル１３０は、基材の一部の下のみに設けられ得、第２の流れチャネル１０３の外にある基材１０４の残りの部分は、ナノニードル１０２が下の第２の流れチャネル１３０内に崩壊しないように基板１１０によって支持される。
【００３２】
図２Ａは、一部の態様による、装置２００の上面図を示す概略図である。装置２００は、多くの面で装置１００と類似のものである。装置２００は、第１の流れチャネル２２０内に垂直に配置されたナノニードル１０２を備える。装置２００は、さらに、ナノニードル１０２と流体連通する第２の流れチャネル２３０を備える。第１の流れチャネル２２０は、カバー２０６に形成され得、例えば媒体ポンプまたはセルソーターからの、細胞を含有する第１の流体を循環するように構成されているポート２２１および２２３を備える。第２の流れチャネル２３０は、細胞にナノニードル１０２を介して注入する第２の流体を循環するようにまたは測定および分析のために、ナノニードル１０２から、抽出された細胞内流体を送達するように構成されているポート２３１および２３３を備える。一部の実施形態では、ポート２３１および２３３は、カバー２０６を通って垂直に延在して、第２の流れチャネル１３０に流体アクセスを提供する。
【００３３】
図２Ｂは、一部の態様による、装置２００の第１の流れチャネル２２０のカバー２０６の上面図を示す概略図である。装置２００は、第１の流れチャネル２２０内にくびれ部２２４を有する。第１の流れチャネル２２０では、液体は、ポート２２１と２２３の間で流れ方向に沿って流れるように構成されている。くびれ部２２４は、流れチャネルの幅ｙを狭めるように内方に突出して、細胞をナノニードル１０２によって貫通されるように方向付け得、かつ、長さＸを有する。長さＸは、１〜５００μｍ、１〜２００μｍ、２〜２００μｍ、または５〜２００μｍであり得る。
【００３４】
一部の実施形態では、複数のナノニードルが装置に設けられ、規則的な配列状に配置され得る。例えば、図３Ａは、基材３０４に規則的な２次元配列状に配置された複数のナノニードル３０２を有する装置３００Ａの上面図を示す概略図である。複数のナノニードル３０２の配列は、第１の流れチャネル内に延在する同一の高さｈを有し得る。一部の実施形態では、ナノニードル３０２の配列の少なくともいくつかは、異なる高さｈを有し得、第１の流れチャネルにおける細胞がナノニードルの配列に付着されるときに異なる深さを貫通するように、または、１つより多い細胞の異なる深さを貫通するように構成されている。
【００３５】
いくつかの他の実施形態では、複数のナノニードルは、ランダムに分布した配列状に配置され得る。例えば、図３Ｂは、基材３０４にランダムな２次元配列状に配置された複数のナノニードル３０２を有する装置３００Ｂの上面図を示す概略図である。
【００３６】
図３Ｃは、基材３０４に配置された複数のナノニードル３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、および３０２ｄを有する装置３００Ｃの上面図を示す概略図である。例示的な装置３００Ｃにおいて４つのナノニードルが図３Ｃに示されるが、本出願の態様にしたがって装置に任意の数の複数のナノニードルが存在し得ることを理解すべきである。図３Ｃでは、ナノニードル３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃ、３０２ｄは同一であってもよく、または、異なる材料組成、高さ、内径、および／または外径を有してもよい。ナノニードルはまた、１つより多い流れチャネル（図示せず）に接続され得る。例えば、ナノニードル３０２ａは、基材３０４の下で第１のナノポンプ流れチャネルに接続され、細胞を貫通しつつ第１の種類の流体を注入するように構成され得、ナノニードル３０２ｂは、第２のナノポンプ流れチャネルに接続され、同じ細胞を貫通しつつ第２の種類の流体を注入するように構成され得る。この方法において、第１のかつ第２の種類の流体に含有される異なる試薬の、それぞれの投与量での細胞内部への選択的送達が提供され得る。代替としてまたは加えて、ナノニードル３０２ｃは、ナノニードル３０２ａによって貫通された細胞からの細胞内流体を抽出するように構成されている第３のナノポンプ流れチャネルに接続され得、それによって、ナノニードル３０２ａによる細胞内部への試薬の送達、およびナノニードル３０２ｃによる同じ細胞の細胞内流体の抽出が同時に提供され得る。同時の細胞内送達および抽出は、単一細胞レベルでの生化学的応答のリアルタイムのモニタリングを可能とし得る。１つ以上の細胞内に注入またはそこから抽出するように構成されているナノニードル配列の任意の組み合わせが装置内の同一の基材上に提供され得ることを理解すべきである。
【００３７】
図４Ａおよび図４Ｂは、一部の態様による、基板４１０に底部チャネル４３０を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。工程は、図４Ａに示すように基板４１０から開始し得る。基板４１０は、単一層のウェハであってもよく、または、複数層の複合材であってもよい。一部の実施形態では、基板４１０は、以下に限定するものではないが、標準的な微細加工技術が後続の加工ステップに用いられ得るように、Ｓｉすなわち酸化ケイ素などの半導体材料を備え得る。
【００３８】
図４Ｂでは、標準的なフォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを用いて、基板４１０の一部をパターニングかつエッチング除去して、第２の流れチャネル４３０において流体を循環させる液体アクセスを提供するように構成されているポート４３４および４３６を有する第２の流れチャネル４３０を画定し得る。第２の流れチャネル４３０は、試薬または被分析物の流れに対する任意の適切な深さおよび幅を有し得る。一部の実施形態では、第２の流れチャネル４３０は、２０〜２００μｍ、５０〜２００μｍ、または５０〜１００μｍの幅を有し得る。一部の実施形態では、第２の流れチャネル４３０は、２０〜２００μｍ、５０〜２００μｍ、または５０〜１００μｍの深さを有し得る。第２の流れチャネル４３０の部分４３２は、ナノニードルがその上に配置されるように構成されている。第２の流れチャネル４３０は、部分４３２を隔てて第２の流れチャネル４３０の残りの部分と均一な幅を有し得、または、部分４３２は、ナノニードルへのまたはそこからの試薬または被分析物の流れを容易にするため、第２の流れチャネル４３０の残りの部分と異なる適切な形状および寸法を有し得る。
【００３９】
図５Ａ〜５Ｅは、図１Ａおよび１Ｂに示すタイプの装置において基材５０４上にナノニードル５０２を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。工程は、図４Ａに示すようにウェハ５０１から開始し得る。基材５０１は、単一の構成要素のウェハであってもよく、または、複数層の複合材であってもよい。一部の実施形態では、ウェハ５０１は、適切な半導体エッチング技術によってエッチング可能である半導体材料を備え得る。非限定的な例では、基材５０１は、Ｇｅウェハである。
【００４０】
図５Ｂでは、ナノワイヤ５０３が、Ｇｅウェハ５０１の上面上に垂直に形成される。ナノワイヤ５０３を形成するのに任意の適切なマイクロまたはナノファブリケーション技術が用いられ得る。例えば、ナノワイヤ５０３は、均一層の材料を蒸着しマスクを用いてナノワイヤ５０３の外の材料の一部を異方的にエッチング除去することによって形成され得る。代替として、ナノワイヤ５０３は、当技術分野で既知のボトムアップ成長技術を用いて形成され得る。例えば、気液固成長または気固成長工程が用いられ得る。１つの非限定的な例では、ナノワイヤ５０３は、Ｇｅウェハ５０１を、ナノワイヤ５０３の断面領域をエッチングから保護するエッチマスクを用いて異方的にエッチダウンすることによって形成され得る。エッチングは、ウェットエッチングまたはドライエッチング、好ましくは異方性反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてなされ得る。形成されたナノワイヤ５０３は、２０〜３００ｎｍ、５０〜２００ｎｍ、または１００〜２００ｎｍの直径を有する任意の適切な断面形状を有し得る。ナノワイヤ５０３の長さは、元のウェハ５０１からのエッチ深さによって制御され得、５〜１０μｍの値を有し得る。ナノワイヤ５０３の断面形状および直径は、ナノワイヤ５０３が犠牲的に除去された後の最終的なナノニードルの内径および形状を決定付ける。
【００４１】
図５Ｃでは、基材の共形層５０４が蒸着され、ウェハ５０１の上部ならびにナノワイヤ５０３の側壁および上部を被覆する。基材５０４は、半導体材料であってもよく、基材５０４上に形成される最終的なナノニードルを支持するのに十分な機械的剛性を有する固体半導体材料であるのが好ましい。１つの非限定的な例では、基材５０４は酸化ケイ素を備える。
【００４２】
図５Ｄでは、基材５０４の上面ならびにナノワイヤ５０３上の基材５０４の側壁および上部を被覆する層５０６が蒸着される。層５０６は、下の層への保護ならびに第１の流れチャネルの液体との互換性をもたらす材料であり得る。一部の実施形態では、層５０６は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのポリマーまたはＳＵ−８などのエポキシ樹脂を備え得る。
【００４３】
図５Ｅでは、ナノワイヤ５０３がその上面を露出するように、ナノワイヤ５０３の先端の上部において、層５０６および基材５０４の一部を選択的にエッチバックするエッチングが行われる。
【００４４】
図６Ａおよび６Ｂは、本出願の態様による、第１の流れチャネル６２１の例示的な製造順序の上面図を示す概略図である。工程は、図６Ａに示すようにカバー材料６０６から開始し得る。出願の一部の態様は、ＳｉまたはＳｉＯ２などの半導体基板、または可撓性成型ポリマー基板であるカバー材料上に製造された第１の流れチャネル６２１を提供するが、任意の適切な基板が用いられ得ることを理解すべきである。１つの非限定的な例では、カバー材料６０６は、ＰＤＭＳを備える。
【００４５】
図６Ｂでは、第１の流れチャネル６２０が、カバー６０６の底面に形成される。一部の実施形態では、第１の流れチャネル６２０は、５０〜１００μｍの幅を有する。第１の流れチャネル６２０は、ナノニードルをそこに配置するように構成されているくびれ部６２４を備える。図１Ａおよび１Ｂに示す装置１００に関する論述にしたがったサイズを有する、くびれ部６２４の任意の適切な形状が用いられ得る。第１の流れチャネル６２０の残りの部分からくびれ部６２４への移行は段階的であってもよく、または急激なインタフェースであってもよい。一部の実施形態では、くびれ部６２４は、２０〜５０μｍ、例えば４０μｍの長さを有し得る。ポート６２１および６２３は、第２の流れチャネル６２０に到達するように基材６０６をエッチングすることによって形成され、かつ、細胞を含有する第１の流体を循環するように構成されている。ポート６３１および６３３もまた、第２の流れチャネル６２０に到達するように基材６０６をエッチングすることによって形成され、かつ、細胞にナノニードルを介して注入するための第２の流体を循環させるように構成されている。
【００４６】
図７Ａ〜７Ｃは、一部の態様による、ナノニードルを形成しかつナノニードルを第１のかつ第２の流れチャネルに取り付けるという例示的な製造順序を示す概略図である。
【００４７】
図７Ａでは、まず図５Ｅに示す完成構造と図６Ｂに示す完成構造を統合し基材６０６の第１の流れチャネル６２０のくびれ部６２４をナノニードル５０２と注意深く整列させることによって、基材６０６が、層５０６の上面上に接着される。一部の実施形態では、ＰＤＭＳ層５０６上でのＰＤＭＳ基材６０６の接着は、酸素プラズマ処理によって促進されて、２つの材料の接着を強化し得る。横方向の整列が不十分だと、カバー６０６が層５０６上で接着されたときにナノニードル５０２の破壊につながり得ることを理解すべきである。一部の実施形態では、第１の流れチャネル６２０の幅ｙは、接着の整列を考慮するように選択され得、複数のナノニードルが設けられる場合は、単一ナノニードル装置と比較して大きくなるだろう。
【００４８】
図７Ｂでは、ウェハ５０１およびナノワイヤ５０３の両方が、適切なエッチング工程によって除去される。一実施形態では、ウェハ５０１およびナノワイヤ５０３は、両方Ｇｅであり、Ｈ２Ｏ２を備えるウェットエッチング溶液で除去される。ナノワイヤ５０３が除去された後、側壁材料５０４がナノニードル５０２の構造を形成し、第１の開口６０１と第２の開口６０３の間に延在することを理解すべきである。
【００４９】
図７Ｃでは、図７Ｂに示す完成構造と図４Ｂに示すような完成構造を持ってきて基板４１０における第２の流れチャネル４３０をナノニードル５０２と注意深く整列させることによって、基板４１０は、基材５０４の底面の下で接着される。
【００５０】
図８Ａおよび８Ｂは、本出願の一部の実施形態による、ナノニードル配列を形成しかつナノニードル配列を第１の流れチャネルおよび第２の流れチャネルに取り付ける製造順序の断面図を示す概略図である。図８Ａは、ナノワイヤ配列５０３を有する層５０６上に接着された図５Ｅに示す完成した構造の基材６０６を示す。ウェハ５０１およびナノワイヤ５０３の両方は、適切なエッチング工程によって除去される。一実施形態では、ウェハ５０１およびナノワイヤ５０３は両方Ｇｅであり、Ｈ２Ｏ２を備えるウェットエッチング溶液で除去される。ナノワイヤ５０３のエッチング後、側壁５０４がナノニードル５０２となる。
【００５１】
図８Ｂでは、基板４１０は、ナノニードル５０２の配列が第２の流れチャネル４３０に配置されるように、基材５０４の底面の下で接着される。第１の流れチャネル６２０の幅ｙは、ナノニードル配列５０２における複数のナノニードルを収容するように選択され得る。
【００５２】
図９Ａは、代替実施形態による、装置９００の断面図を示す概略図である。装置９００は、多くの面において図１Ｂに示す装置１００と類似のものであり、１つの違いは、ナノニードル１０２が基板９０４上に配置されかつそれによって支持されることである。基板９０４は、ナノニードル１０２の底部開口９０３と一致する開口９０５を備える。図９Ｂは、装置９００の上面図を示す概略図である。
【００５３】
図１０Ａ〜１０Ｊは、一部の態様による、装置９００を形成する例示的な製造順序を示す概略図である。工程は、図１０Ａに示すようにＧｅウェハ１００１から開始し得る。図１０Ｂでは、誘電層１００４が、Ｇｅウェハ１００１の上面上に蒸着される。誘電層は、任意の適切な半導体材料であり得る。一部の実施形態では、誘電層は、窒化ケイ素である。一例では、約５００ｎｍ厚さの窒化ケイ素が、誘電層１００４として化学蒸着工程によって蒸着される。
【００５４】
図１０Ｃでは、開口１００５が、ＲＩＥといった適切なエッチング技術とともにフォトリソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを用いて、誘電層１００４に形成される。開口１００５の横方向サイズすなわち直径は、例えば１５０ｎｍであり得る。
【００５５】
図１０Ｄに先立ち、さらなる半導体材料１００７が、誘電層１００４および開口１００５を被覆するように蒸着される。一部の実施形態では、半導体材料１００７はＧｅであり、化学蒸着（ＣＶＤ）または原子層蒸着などの適切な気相蒸着工程を用いて蒸着され得る。
【００５６】
図１０Ｅでは、Ｇｅナノワイヤ１００３が、蒸着されたＧｅ材料１００７をエッチングすることによって形成される。Ｇｅナノワイヤ１００３は、最終的なナノニードルの内径のサイズおよび形状を規定する任意の適切な直径または形状を有し得る。一例では、Ｇｅナノワイヤ１００３は、１００ｎｍの直径を有する。
【００５７】
図１０Ｆでは、共形層１００６が蒸着され、誘電層１００４の上部ならびにナノワイヤ１００３の側壁および上部を被覆する。一部の実施形態では、共形層１００６は、ＣＶＤ蒸着された酸化ケイ素である。１つの非限定的な例では、酸化ケイ素１００６の厚さは１５０ｎｍである。
【００５８】
図１０Ｇでは、ナノワイヤ１００３がその上面を露出するように、ＲＩＥエッチが行われて、ナノワイヤ１００３の上部上で層１００６の一部を選択的にエッチバックする。
【００５９】
図１０Ｈでは、第１の流れチャネルを有する基材６０６が、誘電層１００６の上面上で接着される。図１０Ｉでは、Ｇｅウェハ１００１およびナノワイヤ１００３が、Ｈ２Ｏ２を備えるウェットエッチング溶液を用いるなど適切なＧｅエッチング工程によって除去される。ナノワイヤ１００３が除去された後、側壁材料１００６が図１０Ｊに示すようにナノニードル１００２の構造を形成することを理解すべきである。図１０Ｊにやはり示すように、第２の流れチャネル４３０を有する基板４１０が、誘電層１００４の底面下で接着される。
【００６０】
発明者は、代替装置９００において、電子ビームリソグラフィなどの高精度なナノリソグラフィ技術を用いて、ナノニードルおよび第１の流れチャネル内のくびれ部のより小さい寸法を提供し得ることを理解かつ認識している。例えば、図１０Ｊに示すように、第１の流れチャネルのその最も狭い場所における高さｚおよび幅ｙは、５〜１０μｍであってもよい。ナノニードル１００２の高さｈは、蒸着されたＧｅ材料１００７の厚さによって選択的に制御され得、１〜５μｍ、または２〜４μｍであってもよい。
【００６１】
図１１は、本出願の態様による、ナノポンプ１１０２および圧電膜ドライバー１１１２を有する装置１１００の断面図を示す概略図である。圧電膜ドライバー１１１２は、ナノニードル１１０２の開口１１０３に面して、基板１１１０の面近傍に形成され得、第２の流れチャネル１１３０の液体に圧力をかけて、第１の流れチャネル６２０におけるナノニードル１１０２によって貫通された細胞からの流体の注入および抽出を制御するように構成され得る。
【００６２】
図１２Ａは、本出願の態様による、ナノポンプ１２０２の断面図を示す概略図である。ナノポンプ１２０２は、側壁材料１２０２から構成され、半導体またはポリマー基板１２０４から延在する。誘電層１２０６または他の層が基板上に形成され得、その上に、ナノニードル１２０２の基材１２０８が形成され得る。ナノニードル１２０２の側壁１２０５は、ナノニードルを製造し得る上述の材料のいずれかから形成され得る。フルオロポリマー（例えばテフロン）または他の疎水性（例えば疎水性または超疎水性ポリマー）コーティング１２０７が、ナノニードル側壁１２０５の外面上に塗布され得る。コーティングは、例えば蒸着または溶液化学反応によって形成され得る１つ以上の薄膜を備え得る。１つの特定の実施形態では、ナノニードル側壁１２０５は、例えば金、銀、銅、またはチタンといった金属などの導電性材料から形成され得る。対電極（図示せず）が、電圧がナノニードル１２０２の導電側壁１２０５と対電極の間に印加され得るように、ナノニードル１２０２が配置されている流れチャネルの液体と接触して提供され得る。電圧は、ナノニードル１２０２の開口１２０１からの流体１２１０の吸入および排出を制御するのに用いられ得る。
【００６３】
液体１２１０は、ナノニードル１２０２による貫通の後にナノニードル１２０２の開口１２０１が細胞または細胞核内部に配置されるとき、細胞内流体であり得る。図１２Ａは、バイアス電圧が印加されていないときのナノポンプ１２０２を示す。図１２Ａでは、ナノニードル１２０２の外面は全体的に親水性であるので、ナノニードル１２０２の内部に開口１２０１を介して入る液体１２１０はほとんどまたは全くないだろう。
【００６４】
図１２Ｂは、本出願の態様による、バイアス電圧下のナノポンプ１２０２の断面図を示す概略図である。バイアス電圧が導電性側壁１２０５と対電極の間で印加されると、正電荷が、ナノニードル１２０２を形成する導電性側壁１２０５上に成立し、流体１２１０は、エレクトロウェッティング効果ならびに毛細管作用によって、開口１２０１を介して底部開口１２０３を通ってナノニードル１２０２内に引き込まれる。ナノニードル１２０２は、次いで、バイアス電圧が継続的に印加されている状態で、細胞の内部から引き出され得る。引き出された後、バイアス電圧は次いで除去され得、流体は、毛細管作用およびその外面の疎水性により、ナノニードル１２０２から排出される。
【００６５】
図１３は、本開示の態様による、ナノポンプ装置１３４０を含む例示的な医薬システム１３００を示す概略図である。検体１３１０は、患者、ユーザ、医薬システム１３００のオペレータ、またはいくつかの実施形態においては自己診断または治療用途の医薬システム１３００の患者およびオペレータの両方であり得る。装置１３４０は、図１Ａ〜図１２Ｂに関連して上述した実施形態と類似の、ナノニードルを有するナノポンプであり得る。装置１３４０は、編集ユニット１３５０とともにデバイス１３６０内に配置され得る。検体１３１０からの血液または体液試料などの試料は、セルソーター１３３０で処理され得、そこで細胞は高スループットかつ高い選択性で分離されるが、他のタイプの細胞処理装置も用いられ得る。関心のある細胞を含有する流体が、セルソーター１３３０からデバイス１３６０に送達または循環される。デバイス１３６０内で、編集ユニット１３５０は、化学薬剤化合物を添加する、ＤＮＡ、ＲＮＡ、脂質、たんぱく質、またはゲノムを、ＣＲＩＳＰＲなどの当技術分野で既知の様々な手段を用いて編集するといった機能を行い得る。編集ユニットは、先行段落のいずれかに論述したような方法で、ナノポンプ装置１３４０を用いて関心のある細胞を処理し得る。デバイス１３６０は、編集ユニット１３５０における処理の結果として、１つ以上の編集された細胞を細胞培養ユニット１３２０に出力し得る。細胞培養ユニット１３２０の出力は、検体１３１０における１つ以上の疾患に対する治療的解決策として検体１３１０に注入で戻され得る。
【００６６】
一部の実施形態では、デバイス１３６０内の１つ以上の構成要素は、同一のまたは異なるセットの構成を用いて新しい用途のデバイス１３６０を再構成する際の柔軟性を可能とする消耗構成要素であってもよい。例えば、ナノポンプ装置１３４０は、消耗カートリッジの形で提供され得、したがって、デバイス１３６０全体を変更する必要なしに、以前に使用されていたナノポンプ装置カートリッジを置換するのに、ニードル寸法または生化学的機能化といった異なるナノニードル構成を有する異なるナノポンプ装置が用いられ得る。係る消耗カートリッジは、医薬システム１３００を構成かつ再構成するコストを低減し得る。
【００６７】
図１４は、本出願の別の態様による、例示的な医薬システム１４００を示す概略図である。医薬システム１４００では、セルソーター１４３０は、Ｔ−細胞、ＮＫ細胞、幹細胞などといった関心のある特定の細胞群をスクリーニングかつ分離し得る。デバイス１４６０は、細胞溶解、ＤＮＡ分離、ＰＣＲ−遺伝子増幅、またはＮＫ細胞遺伝子注入の方法を行うために、先行段落のいずれかに記載されたものなどのナノポンプ装置を用い得る。デバイス１４６０からの出力が細胞培養ユニット１４２０で処理された後、細胞培養ユニット１４２０の出力は、１つ以上の疾患に対する治療的解決策として患者に注入で戻され得る。
【００６８】
図１５は、本出願の態様による、例示的な装置１５００を示す概略図である。装置１５００は、互いと異なるかつ分離されているそれぞれ第２の流れチャネル１５３０ａ、１５３０ｂ、および１５３０ｃに各々接続されている複数のナノニードル１５０２ａ、１５０２ｂ、および１５０２ｃを備え、ナノニードルの底部開口において接続されている別々の第２の流れチャネルにおける流体に基づく個別的な注入および／または抽出を可能とする。図１５に示す実施形態では、複数のナノニードル１５０２ａ、１５０２ｂ、１５０２ｃは異なる高さを有し、かつ、第１の流れチャネルにおける細胞が複数のナノニードル１５０２ａ、１５０２ｂ、１５０２ｃに付着されたときに異なる深さを貫通するようにまたは１つより多い細胞の異なる深さを貫通するように構成されている。基板１５１０は、装置１５００が、例えば脳の細胞／組織を電気的にまたは電気化学的に刺激することによって、脳研究用の柔軟な配列となり得るように、ポリマーまたはファブリックなどの柔軟かつ伸縮性の材料から形成され得る。さらに、係る装置はまた、薬剤、遺伝子、神経伝達物質などの、脳の細胞または組織内への注入も可能にし得る。
【００６９】
発明者は、本出願に記載されたものなどの機能デバイスの製造は脳研究および神経疾患治療を可能とし得ることを理解かつ認識している。ナノニードル１５０２ａ〜１５０２ｃの各々はナノポンプであり得るが、流れチャネル１５３０ａ〜１５３０ｃの１つ以上は流体のポンピングを行うために外部マイクロポンプに接続され得る。
【００７０】
本発明の少なくとも一実施形態のいくつかの態様をこうして記載してきたが、様々な変形例、変更例、および改良例が容易に生成されることは当業者に理解されるだろう。係る変形例、変更例、および改良例は、本開示の一部であることが意図され、かつ、発明の精神および範囲内にあることが意図される。さらに、本発明の利点が記載されているが、本明細書中に記載された技術の実施形態全てが、記載された利点全てを含むわけではないことを理解すべきである。いくつかの実施形態は、本明細書中に利点として記載されたいずれかの特徴を実装しないこともあり、場合によっては、記載された特徴の１つ以上が、さらなる実施形態を達成するために実装され得る。したがって、前述の説明および図面は、単なる例である。
【００７１】
本発明の様々な態様は、単独で、組み合わされて、または前述の記載された実施形態において具体的に論じられていない様々な構成で用いられ得るので、その出願において、前述の説明に記載されたもしくは図面に例示された詳細および構成要素の配置に限定されない。例えば、一実施形態に記載された態様は、他の実施形態に記載された態様と任意の方法で組み合わせられ得る。
【００７２】
また、発明は、方法として具現化され得、その例が提供されている。方法の一部として行われる行為は、任意適切に順序付けられ得る。したがって、例示された順序とは異なる順序で行為が行われる実施形態が構築され得、それは、いくつかの行為を、例示的な実施形態では逐次的行為として示されていても、同時に行うことを含み得る。
【００７３】
係る変形例、変更例、および改良例は、本開示の一部であることが意図され、かつ、発明の精神および範囲内にあることが意図される。さらに、本発明の利点が記載されているが、発明の実施形態全てが記載された利点全てを含むわけではないことを理解すべきである。いくつかの実施形態は、場合によっては本明細書中に利点として記載されたいずれかの特徴を実装しないこともある。したがって、前述の説明および図面は、単なる例である。
【００７４】
請求項の要素を変更するための、特許請求の範囲における「第１の」、「第２の」、「第３の」などといった順序を示す用語の使用は、それら自体では、優位性、優先順、または１つの請求項の要素の、別の要素に対する順序、または方法の行為が行われる時間的順序を含意するものではなく、請求項の要素を区別するために、特定の名前を有する１つの請求項の要素を、同一の名前を有する（が、順序を示す用語の使用に関する）別の要素から区別するための単なるラベルとして用いられる。
【００７５】
「概ね」および「約」という用語は、一部の実施形態において目標値の±２０％内、一部の実施形態において目標値の±１０％内、一部の実施形態において目標値の±５％内、さらに一部の実施形態において目標値の±２％内を意味するのに用いられ得る。「概ね」および「約」という用語は、目標値を含み得る。
【００７６】
また、本明細書中で用いられる用語および専門用語は、説明を目的とするものであり、限定するものとして見なされるべきでない。本明細書中の「含む」、「備える」または「有する」、「含有する」、「包含する」およびそれらの変形例の使用は、その後に列挙される項目およびその均等物ならびに追加の項目を網羅することを意味する。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ−４Ｂ】
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【図５Ａ−５Ｅ】
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【図６Ａ−６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ−１０Ｅ】
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【図１０Ｆ−１０Ｇ】
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【図１０Ｈ】
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【図１０Ｉ】
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【図１０Ｊ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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