特開 2023-2904 生体機能チップ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023002904

(43)【公開日】2023-01-11

(54)【発明の名称】生体機能チップ

(51)【国際特許分類】

   C12M 3/00 20060101AFI20221228BHJP

   C12M 1/00 20060101ALI20221228BHJP

【ＦＩ】

C12M3/00 A

C12M1/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021103743

(22)【出願日】2021-06-23

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000062

【氏名又は名称】特許業務法人第一国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金 俊完

(72)【発明者】

【氏名】松原 竜也

(72)【発明者】

【氏名】大友 泰輝

【テーマコード（参考）】

4B029

【Ｆターム（参考）】

4B029AA01

4B029AA07

4B029AA08

4B029BB11

4B029CC02

4B029CC08

4B029CC11

4B029GA08

4B029GB04

(57)【要約】

【課題】ＥＣＦを用いたマイクロポンプを内蔵した小型の生体機能チップを提供する。
【解決手段】生体機能チップ１０は、細胞を培養可能な面を備えた弾性膜１２と、弾性膜１２を保持する上板１１及び下板１３と、圧力室ＰＣ１，ＰＣ２と、圧力室ＰＣ１，ＰＣ２に接続された駆動路ＤＰ１，ＤＰ２と、圧力室ＰＣ１，ＰＣ２及び駆動路ＤＰ１，ＤＰ２内に注入された作動流体と、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２内に配置された電極ユニット１６と、を有し、電極ユニット１６に直流電圧が印加されたとき、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２内を作動流体が移動して圧力室ＰＣ１，ＰＣ２の圧力が変化することにより、第１弾性膜１２に引っ張り応力を付与する。
【選択図】図５Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

細胞を培養可能な面を備えた第１弾性膜と、
前記第１弾性膜を保持する保持板と、
前記保持板内に形成された圧力室と、
前記圧力室に接続された駆動路と、
前記圧力室及び前記駆動路内に注入された作動流体と、
前記駆動路内に配置された電極ユニットと、を有し、
前記電極ユニットに直流電圧が印加されたとき、前記駆動路内を作動流体が移動して前記圧力室の圧力が変化することにより、前記第１弾性膜に引っ張り応力を付与する、
ことを特徴とする生体機能チップ。

【請求項2】

前記圧力室は、前記第１弾性膜に培養された細胞に対して、前記第１弾性膜に接合された隔壁を挟んで対向している、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体機能チップ。

【請求項3】

前記保持板は、前記第１弾性膜に培養された細胞を内包するように形成され、流体が通過可能な流路を有する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の生体機能チップ。

【請求項4】

前記第１弾性膜の両面に対向して細胞を培養可能であり、前記流路は、それぞれの細胞を内包するように一対、配置されている、
ことを特徴とする請求項３に記載の生体機能チップ。

【請求項5】

前記圧力室は、前記第１弾性膜に培養された細胞を挟んで両側に配置され、一対の前記駆動路が、それぞれの前記圧力室に接続されている、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の生体機能チップ。

【請求項6】

前記圧力室は、前記第１弾性膜に培養された細胞を挟んで両側に配置され、単一の前記駆動路が、一対の前記圧力室に接続されている、
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の生体機能チップ。

【請求項7】

前記第１弾性膜の細胞を培養可能な面に並行し且つ離間した第２弾性膜を、さらに有し、
前記圧力室は、前記第２弾性膜を挟んで前記第１弾性膜とは反対側に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体機能チップ。

【請求項8】

前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間に、流体が通過可能な流路が配設されている、
ことを特徴とする請求項７に記載の生体機能チップ。

【請求項9】

前記流路への流体の流入と、前記流路からの流体の流出を遮断する弁機構を、さらに有し、
前記弁機構は、弁駆動路内に注入された作動流体と、前記弁駆動路内に配置された電極ユニットとを有する、
ことを特徴とする請求項８に記載の生体機能チップ。

【請求項10】

前記第１弾性膜の細胞を培養可能な面を挟んで両側に、離間した第２弾性膜及び第３弾性膜を、さらに有し、
前記圧力室は、前記第２弾性膜を挟んで前記第１弾性膜とは反対側に配置されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の生体機能チップ。

【請求項11】

前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間、および前記第１弾性膜と前記第３弾性膜との間に流体が通過可能な流路が配設されている、
ことを特徴とする請求項１０に記載の生体機能チップ。

【請求項12】

前記第１弾性膜と前記第２弾性膜とを連結する第１隔壁と、前記第１弾性膜と前記第３弾性膜とを連結する第２隔壁とを、対向する位置に配設している、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の生体機能チップ。

【請求項13】

前記第１弾性膜と前記第２弾性膜との間に、前記第１隔壁を挟んで流体が通過可能な流路が一対配設され、前記第１弾性膜と前記第３弾性膜との間に、前記第２隔壁を挟んで流体が通過可能な流路が一対配設されている、
ことを特徴とする請求項１２に記載の生体機能チップ。

【請求項14】

前記第１弾性膜と前記第２弾性膜と前記第１隔壁とで囲われた、流体が通過可能な単一の流路が配設され、前記第１弾性膜と前記第３弾性膜と前記第２隔壁とで囲われた、流体が通過可能な単一の流路が配設されている、
ことを特徴とする請求項１２に記載の生体機能チップ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、生体機能チップに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的な新薬開発では、臨床試験前に細胞培養又は動物実験等を行って、薬の安全性を確認している。しかしながら、培養された細胞は実際の人体細胞とは異なるため、薬の作用について適切な評価を得られないおそれがあり、また安全性が確認されていない薬を投与して行う動物実験には、動物愛護の観点から批判がある。したがって、従来とは異なる実験プラットフォームが必要とされている。

【0003】

これに対し、特許文献１には、新規な実験プラットフォームとなりうるマイクロチップ型の生体機能チップが開示されている。特許文献１の生体機能チップによれば、中央の多孔質メンブレンの上側に肺胞上皮細胞、下側に血管内皮細胞を培養し、そのメンブレンに垂直な壁面を左右から真空ポンプで駆動することで、周期的な伸縮を生み出し、培養した細胞に伸展による力学的な刺激を与え，生体内の肺胞の細胞環境を再現できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】国際公開第２０１６／０１０８６１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の生体機能チップ自体は比較的小さいが、真空ポンプやシリンジポンプ等の周辺機器及び配管が必要であり、これらを装着することにより大型化した生体機能チップを含むユニットが、インキュベータに収まらない等の課題がある。このため、ポンプまで含めて、より小型化された生体機能チップが必要とされている。

【0006】

近年、機能性流体を利用したマイクロポンプの研究が進められている。機能性流体とは、外的刺激により特有の機能性を発現する流体の総称である。機能性流体には、磁性流体、磁気粘性流体、電気粘性流体、電界共役流体などがあり、これらを用いたアクチュエータは工業製品などに既に使用されている。

【0007】

機能性流体の一つである電界共役流体（Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｃｏｎｊｕｇａｔｅ ｆｌｕｉｄ：以下、ＥＣＦという）は、直流電圧の印加によって活発な流動を発生する機能性流体である。ＥＣＦを用いたポンプは、機械的構成を必要とせずに微小な電極への電圧印加だけで流動を発生できることから、小型の流体配給システムに適した液圧源として期待されている。

【0008】

そこで本発明は、ＥＣＦを用いたマイクロポンプを内蔵した小型の生体機能チップを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、代表的な本発明の生体機能チップの一つは、
細胞を培養可能な面を備えた第１弾性膜と、
前記第１弾性膜を保持する保持板と、
前記保持板内に形成された圧力室と、
前記圧力室に接続された駆動路と、
前記圧力室及び前記駆動路内に注入された作動流体と、
前記駆動路内に配置された電極ユニットと、を有し、
前記電極ユニットに直流電圧が印加されたとき、前記駆動路内を作動流体が移動して前記圧力室の圧力が変化することにより、前記第１弾性膜に引っ張り応力を付与する、ことにより達成される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ＥＣＦを用いたマイクロポンプを内蔵した小型の生体機能チップを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１実施形態にかかる生体機能チップの斜視図であり、内部構造を点線で示している。

【図2】図２は、第１実施形態にかかる生体機能チップを分解して示す斜視図である。

【図3】図３は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。

【図4】図４は、第１駆動路内に配置された電極ユニットを模式的に示す図である。

【図5A】図５Ａは、第１実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【図5B】図５Ｂは、変形例にかかる生体機能チップの下板を示す斜視図である。

【図5C】図５Ｃは、変形例の生体機能チップの下板の上面図である。

【図5D】図５Ｄは、変形例の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【図6】図６は、第２実施形態にかかる生体機能チップの斜視図であり、内部構造を点線で示している。

【図7】図７は、第２実施形態にかかる生体機能チップを分解して示す斜視図である。

【図8】図８は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。

【図9】図９は、第２実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す、図５Ａと同様な概略断面図である。

【図10】図１０は、第３実施形態にかかる生体機能チップの斜視図であり、内部構造を点線で示している。

【図11】図１１は、第３実施形態にかかる生体機能チップを分解して示す斜視図である。

【図12】図１２は、第３実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【図13】図１３は、第３実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【図14】図１４は、第４実施形態にかかる生体機能チップの斜視図であり、内部構造を点線で示している。

【図15】図１５は、第４実施形態にかかる生体機能チップを分解して示す斜視図である。

【図16】図１６は、第４実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【図17】図１７は、第５実施形態にかかる生体機能チップの斜視図であり、内部構造を点線で示している。

【図18】図１８は、第５実施形態にかかる生体機能チップを分解して示す斜視図である。

【図19】図１９は、第５実施形態の生体機能チップの動作を模式的に示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態を具体的に説明する。

【0013】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる生体機能チップ１０の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図２は、生体機能チップ１０を分解して示す斜視図である。図３は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。第１実施形態の生体機能チップ１０は、単軸引っ張り両側ポンプ駆動タイプである。

【0014】

生体機能チップ１０は、例えば縦６ｃｍ×横４ｃｍ程度のサイズを持つ薄形の略矩形板形状であって、上板１１と、弾性膜（ここでは第１弾性膜とする）１２と、下板１３と、ポンプ基板１４とから構成される。上板１１と下板１３とで保持板を構成する。生体機能チップ１０は、半導体製造工程を使用して形成されると、微細な構成を有するにも関わらず大量生産が可能である。またその製造方法は、特定の製造方法に限定されるものではない。

【0015】

図２において、シリコンゴムなどの可撓性の素材から製作される上板１１には、長手方向の両端近傍に形成された第１入口孔１１ｐ、第２入口孔１１ｑ、第１出口孔１１ｓ、第２出口孔１１ｔが、それぞれ上下方向に貫通するように形成されている。

【0016】

また上板１１の下面には、図３に示すように、矩形断面の上左溝１１ａと、上中溝１１ｂと、上右溝１１ｃが長手方向に沿って平行して延在するように形成されている。上左溝１１ａと上中溝１１ｂとの間には、第１上隔壁１１ｄが形成され、また上中溝１１ｂと上右溝１１ｃとの間には、第２上隔壁１１ｅが形成されている。

【0017】

上左溝１１ａと、上中溝１１ｂと、上右溝１１ｃは、第１入口孔１１ｐの近傍から、第１出口孔１１ｓの近傍まで延在している。上中溝１１ｂと第１入口孔１１ｐとは、上側流路溝１１ｇを介して連結されており、また上中溝１１ｂと第１出口孔１１ｓとは、上側流路溝１１ｈを介して連結されている。

【0018】

さらに上板１１には、第１注入孔１１ｉ、第２注入孔１１ｊ、第３注入孔１１ｋ、第４注入孔１１ｍが、それぞれ上下方向に貫通するように形成されている。第１注入孔１１ｉは、上左溝１１ａの一端に注入用溝１１ｎを介して連結され、第２注入孔１１ｊは、上左溝１１ａの他端に注入用溝１１ｏを介して連結されている。また、第３注入孔１１ｋは、上右溝１１ｃの一端に注入用溝１１ｒを介して連結され、第４注入孔１１ｍは、上右溝１１ｃの他端に注入用溝１１ｕを介して連結されている。

【0019】

上左溝１１ａと、上中溝１１ｂと、上右溝１１ｃを挟んだ両側において、上板１１に、第１矩形開口１１ｖと第２矩形開口１１ｗが上下方向に貫通して形成されている。上板１１の第１矩形開口１１ｖと第２矩形開口１１ｗの周囲上面に、可撓性の膜部材１５ａ，１５ｂがそれぞれ接着され、第１矩形開口１１ｖと第２矩形開口１１ｗの上端を閉鎖している。

【0020】

第１矩形開口１１ｖと第２矩形開口１１ｗに隣接して、上板１１の下面に、第１凹部１１１と第２凹部１１３とが形成されている。第１矩形開口１１ｖと第１凹部１１１とは、連通溝１１ｘにより連結され、第２矩形開口１１ｗと第２凹部１１３とは、連通溝１１ｙにより連結されている。

【0021】

次に、下板１３について説明する。下板１３も、シリコンゴムなどの可撓性の素材から製作される。図２において、上板１１と同一の外形を有する下板１３の上面には、上板１１の第２入口孔１１ｑに対応して入口側凹部１３ｑが形成され、また第２出口孔１１ｔに対応して、出口側凹部１３ｔが形成されている。

【0022】

また下板１３の上面には、矩形断面の下左溝１３ａと、下中溝１３ｂと、下右溝１３ｃが、それぞれ上左溝１１ａと、上中溝１１ｂと、上右溝１１ｃに対応して形成されている。さらに下左溝１３ａと下中溝１３ｂとの間には、第１下隔壁１３ｄが形成され、また下中溝１３ｂと下右溝１３ｃとの間には、第２下隔壁１３ｅが形成されている。

【0023】

下中溝１３ｂと入口側凹部１３ｑとは、下側流路溝１３ｇを介して連結されており、また下中溝１３ｂと出口側凹部１３ｔとは、下側流路溝１３ｈを介して連結されている。

【0024】

下左溝１３ａと、下中溝１３ｂと、下右溝１３ｃを挟んだ両側において、上下に貫通するようにして第１孔１３１及び第１凹部１３２と、第２孔１３３及び第２凹部１３４とが形成されている。第１凹部１３２は、第１溝１３５を介して下左溝１３ａに連通し、また第２凹部１３４は、第２溝１３６を介して下右溝１３ｃに連通している。

【0025】

次に弾性膜１２について説明する。上板１１と下板１３とに挟持される弾性膜１２には、上板１１の第２入口孔１１ｑに対応して貫通孔１２ｑが形成され、第２出口孔１１ｔに対応して貫通孔１２ｔが形成されている。また、弾性膜１２には、下板１３の第１孔１３１に対応して貫通孔１２１が形成され、第２孔１３３に対応して貫通孔１２３が形成されている。

【0026】

弾性膜１２の上中溝１１ｂと下中溝１３ｂとに挟持される領域は、微細な孔が多数形成された多孔質部１２５となっている。多孔質部１２５の上面には、例えば肺胞上皮細胞が培養され、その下面には血管内皮細胞が培養される。

【0027】

多孔質部１２５の両側には、上左溝１１ａおよび下左溝１３ａに対応する第１開口部１２ａと、上右溝１１ｃおよび下右溝１３ｃに対応する第２開口部１２ｃとが形成されている。

【0028】

図２において、上板１１の下面に弾性膜１２が接着されたとき、上中溝１１ｂの開放する下端が弾性膜１２により遮蔽される。このとき、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅが、多孔質部１２５を挟むようにして弾性膜１２に接合され、これにより上中溝１１ｂが密封される。また上側流路溝１１ｇ、１１ｈの下端が弾性膜１２により遮蔽される。

【0029】

上中溝１１ｂと弾性膜１２とにより囲われる空間を上側試験流路ＵＰとし、上側流路溝１１ｇ、１１ｈと弾性膜１２により囲われる空間を、それぞれ上側連通路ＵＰ１，ＵＰ２とする。多孔質部１２５の上面に培養された肺胞上皮細胞は、上側試験流路ＵＰを通過する液体に接触可能である。ここで、第１入口孔１１ｐが、上側連通路ＵＰ１を介して上側試験流路ＵＰに接続され、また第１出口孔１１ｓが、上側連通路ＵＰ２を介して上側試験流路ＵＰに接続される。

【0030】

図２において、上板１１の下面に弾性膜１２が接着されたとき、第１矩形開口１１ｖと連通溝１１ｘの下端が弾性膜１２により遮蔽される。上端及び下端が遮蔽された第１矩形開口１１ｖが、第１リザーバＲＶ１を構成する。

【0031】

さらに、上板１１の下面に弾性膜１２が接着されたとき、第２矩形開口１１ｗと連通溝１１ｙの下端が弾性膜１２により遮蔽される。上端及び下端が遮蔽された第２矩形開口１１ｗが、第２リザーバＲＶ２を構成する。

【0032】

さらに、上板１１の下面に弾性膜１２が接着されたとき、下端が遮蔽された連通溝１１ｘが、後述する第１駆動路ＤＰ１の一部を構成し、また下端が遮蔽された連通溝１１ｙが、後述する第２駆動路ＤＰ２の一部を構成する。

【0033】

また、上板１１の下面に弾性膜１２が接着されたとき、第１注入孔１１ｉと注入用溝１１ｎの開放する下端、および第２注入孔１１ｊと注入用溝１１ｏの開放する下端が弾性膜１２により遮蔽され、後述する第１圧力室ＰＣ１に連通する注入路ＰＰ１、ＰＰ２がそれぞれ形成される。また、第３注入孔１１ｋと注入用溝１１ｒの開放する下端、および第４注入孔１１ｍと注入用溝１１ｕの開放する下端が弾性膜１２により遮蔽され、後述する第２圧力室ＰＣ２に連通する注入路ＰＰ３，ＰＰ４が形成される。

【0034】

図２において、さらに下板１３の上面に弾性膜１２が接着されたとき、下中溝１３ｂの開放する上端が弾性膜１２により遮蔽される。このとき、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅに対向する第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅが、多孔質部１２５を挟むようにして弾性膜１２に接合され、これにより下中溝１３ｂが密封される。また下側流路溝１３ｇ、１３ｈの上端が弾性膜１２により遮蔽される。

【0035】

下中溝１３ｂと弾性膜１２とにより囲われる空間を下側試験流路ＬＰとし、下側流路溝１３ｇ、１３ｈと弾性膜１２により囲われる空間を、それぞれ下側連通路ＬＰ１，ＬＰ２とする。多孔質部１２５の下面に培養された血管内皮細胞は、下側試験流路ＬＰを通過する液体に接触可能である。

【0036】

弾性膜１２の第１開口部１２ａを介して、上左溝１１ａと下左溝１３ａが連通し、また上右溝１１ｃと下右溝１３ｃが連通する。また、第１溝１３５及び第２溝１３６の上端が、弾性膜１２により遮蔽される。上左溝１１ａと下左溝１３ａとにより、第１圧力室ＰＣ１が形成され、上右溝１１ｃと下右溝１３ｃとにより、第２圧力室ＰＣ２が形成される。

【0037】

また、弾性膜１２により遮蔽された第１溝１３５が、第１圧力室ＰＣ１と第１凹部１３２を連通するようにして、第１駆動路ＤＰ１の一部を構成し、弾性膜１２により遮蔽された第２溝１３６が、第２圧力室ＰＣ２と第２凹部１３４を連通するようにして、第２駆動路ＤＰ２の一部構成する。

【0038】

弾性膜１２の両面が上板１１と下板１３とに接着された状態で、第２入口孔１１ｑと入口側凹部１３ｑとは貫通孔１２ｑを介して連通して、また第２出口孔１１ｔと出口側凹部１３ｔとは貫通孔１２ｔを介して連通する。第２入口孔１１ｑは、下側連通路ＬＰ１を介して下側試験流路ＬＰに連通し、第２出口孔１１ｔは、下側連通路ＬＰ２を介して下側試験流路ＬＰに連通する。

【0039】

次に、ポンプ基板１４について説明する。ポンプ基板１４は、例えば上下に貫通した溝や孔を形成した板と、平板とを組み合わせた例を示しているが、１枚の板材から形成されていてもよい。後述する実施形態においても同様である。

【0040】

ポンプ基板１４の上面には、蛇行した第１蛇行溝１４７と第２蛇行溝１４８とが形成されている。第１蛇行溝１４７及び第２蛇行溝１４８には、直列に配置された複数の電極ユニット１６と、給電用の配線（不図示）が形成されている。ポンプ基板１４の上面に下板１３を接合することで、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２が形成され、電極ユニット１６は、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２内に配置されることとなる。ＥＣＦが充填された駆動路ＤＰ１，ＤＰ２と、電極ユニット１６とによりマイクロポンプを構成する。

【0041】

第１蛇行溝１４７の一端には凹部１４１が形成され、その他端に凹部１４２が形成されており、また第２蛇行溝１４８の一端には凹部１４３が形成され、その他端に凹部１４４が形成されている。

【0042】

ポンプ基板１４を下板１３に接合したときに、凹部１４１が、下板１３の第１孔１３１及び弾性膜１２の貫通孔１２１を介して、第１凹部１１１と連通するため、第１駆動路ＤＰ１の一端は、第１リザーバＲＶ１に接続される。また、凹部１４２が、第１凹部１３２に連通するため、第１駆動路ＤＰ１の他端は、第１圧力室ＰＣ１に接続される。

【0043】

また、ポンプ基板１４を下板１３に接合したときに、凹部１４３が、下板１３の第２孔１３３及び弾性膜１２の貫通孔１２３を介して、第２凹部１１３と連通するため、第２駆動路ＤＰ２の一端は、第２リザーバＲＶ２に接続される。また、凹部１４４が、第２凹部１３４に連通するため、第２駆動路ＤＰ２の他端は、第２圧力室ＰＣ２に接続される。

【0044】

図４は、第１駆動路ＤＰ１及び第２駆動路ＤＰ２内に配置された電極ユニット１６を模式的に示す図である。電極ユニット１６は、スリット電極（正電極ともいう）１６ａと、三角柱電極（負電極ともいう）１６ｂとを有する。他の電極ユニット１６も同様の構成を有する。第１駆動路ＤＰ１の内壁を構成するポンプ基板１４、及び下板１３（図４にて不図示）は、それぞれ絶縁体から形成されている。

【0045】

スリット電極１６ａは、駆動路ＤＰ１（またはＤＰ２）の軸線を挟んで両側に、隙間を開けて配置されている。一方、三角柱電極１６ｂは、尖った先端をスリット電極１６ａの隙間に向けている。

【0046】

直流電源から、スリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂに対し、数十Ｖ～数十ｋＶの高電圧である直流電圧を印加可能である。スリット電極１６ａは正極側に接続され、三角柱電極１６ｂは負極側に接続される。

【0047】

図２において、ポンプ基板１４、下板１３、弾性膜１２、および上板１１を積層して接合することにより、生体機能チップ１０が形成される。まず、膜部材１５ａ、１５ｂを接着する前の状態で、以下のようにして圧力室ＰＣ１，ＰＣ２にＥＣＦを注入する。

【0048】

図１を参照して、注入孔１１ｉからＥＣＦを注入すると、注入されたＥＣＦは、注入路ＰＰ１を介して第１圧力室ＰＣ１を満たし、さらに第１駆動路ＤＰ１を介して第１リザーバＲＶ１に至る。余剰のＥＣＦは、第１圧力室ＰＣ１から注入路ＰＰ２を通過して注入孔１１ｊより外部に溢れ出る。注入が完了した後に、注入孔１１ｉと注入孔１１ｊを、クランプなどを用いて閉じるとともに、第１リザーバＲＶ１の上部を膜部材１５ａにより遮蔽する。ただし、注入ポートを閉じる手法は以上に限られない。

【0049】

同様に、注入孔１１ｋからＥＣＦを注入すると、注入されたＥＣＦは、注入路ＰＰ３を介して第２圧力室ＰＣ２を満たし、さらに第２駆動路ＤＰ２を介して第２リザーバＲＶ２に至る。余剰のＥＣＦは、第２圧力室ＰＣ２から注入路ＰＰ４を通過して注入孔１１ｍより外部に溢れ出る。注入が完了した後に、注入孔１１ｋと注入孔１１ｍを、クランプなどを用いて閉じるとともに、第２リザーバＲＶ２の上部を膜部材１５ｂにより遮蔽する。ただし、注入ポートを閉じる手法は以上に限られない。ＥＣＦとしては、例えば米国特許第６４９５０７１号に記載された流体が用いられるが、これに限られない。

【0050】

（生体機能チップの動作）
図５Ａは、第１実施形態の生体機能チップ１０の動作を模式的に示す概略断面図である。図５Ａ中、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２に単一の電極ユニット１６が示されているが、実際には複数の電極ユニット１６が直列に配置されている。なお、第１駆動路ＤＰ１における電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、第１圧力室ＰＣ１側に配置され、また第２駆動路ＤＰ２における電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、第２圧力室ＰＣ２側に配置されているものとする。各電極ユニット１６は、直流電源ＤＣに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。

【0051】

予め、多孔質部１２５の上面には肺胞上皮細胞が培養され、その側面に、第１圧力室ＰＣ１の内壁の一部を構成する第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅとが密着している。また、多孔質部１２５の下面には血管内皮細胞が培養され、その側面に、第２圧力室ＰＣ２の内壁の一部を構成する第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅとが密着している。

【0052】

さらに第１入口孔１１ｐから空気が注入され、注入された空気は上側連通路ＵＰ１を通って、上側試験流路ＵＰ内に進入して肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、上側試験流路ＵＰから下流側の上側連通路ＵＰ２を通過して、第１出口孔１１ｓから排出される。なお、空気の代わりに液体を注入してもよい。

【0053】

一方、第２入口孔１１ｑから血液が注入され、注入された血液は下側連通路ＬＰ１を通って、下側試験流路ＬＰ内に進入して血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、下側試験流路ＬＰから下流側の下側連通路ＬＰ２を通過して、第２出口孔１１ｔから排出される。なお、上側連通路ＵＰ１及び下側連通路ＬＰ１に注入される気体または液体は、培養される細胞に合わせて適宜選択できる。

【0054】

制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力は大気と同等である。このため、図５Ａ（ａ）に示すように、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅ、及び第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅは、変形前の状態に維持される。

【0055】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内のＥＣＦが、図５Ａ（ｂ）に示すように、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２からリザーバＲＶ１，ＲＶ２側に向かって流動する。リザーバＲＶ１，ＲＶ２は、膜部材１５ａ、１５ｂが弾性変形することで、流動してきたＥＣＦを貯留する容積を増大させることができる。

【0056】

ＥＣＦの流動により、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力が低下するため、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図５Ａ（ｂ）に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅが離間するように付勢され、血管内皮細胞の両側面も図５Ａ（ｂ）に示すように左右方向に引っ張られる。これにより，肺胞上皮細胞および血管内皮細胞に伸展刺激を与え、生体内の肺胞の環境を再現することができる。

【0057】

電極ユニット１６への給電を停止すると、膜部材１５ａ、１５ｂが弾性変形から復帰するため、リザーバＲＶ１，ＲＶ２からＥＣＦが圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２に戻り、その内部圧力が元に戻る。これにより、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅ、及び第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅは、図５Ａ（ａ）に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。さらに、多孔質部１２５の膜自身の弾性力によって上隔壁１１ｄと１１ｅ，及び下隔壁１３ｄと１３ｅが元の位置へと復帰する。

【0058】

このように、電極ユニット１６への給電と停電とを繰り返すことで、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞が膨縮動作を繰り返して行うため、あたかも人体の肺のごとく、肺胞内の酸素と血液中の二酸化炭素とのガス交換を、多孔質部１２５を介して実現することができる。この実施形態の生体機能チップ１０によれば、例えば呼吸によるウイルス感染（空気感染）により引き起こされる血液の変化を再現したり、あるいは血液中に薬液を注入したときに、ガス交換の効率がどのように変化するか等、動物実験を経なくても精度良く評価することができる。

【0059】

(変形例）
特に生体内では，血管が分岐する付近で血液の流れが不均一になり，血管内皮細胞にかかるせん断力による力学的刺激も不均一になる。このような構造を含む変形例にかかる生体機能チップ１０’を、以下に示す。

【0060】

図５Ｂは、生体機能チップ１０’の下板１３’を示す斜視図であり、図５Ｃは、下板１３’の上面図である。生体機能チップ１０’において、下板１３’以外の構成は、第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。

【0061】

下板１３’は、第１実施形態の下板１３に対して、下中溝１３ｂ’の形状が異なる。それ以外の構成は、第１実施形態の下板１３と同様であるため、共通する構成については同じ符号を付して、その説明を省略する。

【0062】

図５Ｃにおいて、下隔壁１３ｄ、１３ｅに挟まれた下中溝１３’の中央には、下隔壁１３ｄ、１３ｅに平行して延在する中央下隔壁１３ｘが形成され、また第１下隔壁１３ｄと中央下隔壁１３ｘとの間には、第３下隔壁１３ｙが形成され、さらに中央下隔壁１３ｘと第２下隔壁１３ｅとの間には、第４下隔壁１３ｚが形成されている。第３下隔壁１３ｙと第４下隔壁１３ｚの長さは等しい。中央下隔壁１３ｘは、第３下隔壁１３ｙと第４下隔壁１３ｚの両端から突き出すように長く形成されているが、下中溝１３’の全長より短く形成されている。

【0063】

下中溝１３ｂ’は、上流側から、下隔壁１３ｄ、１３ｅのみが配置された第１部分ＢＶ１と、下隔壁１３ｄ、１３ｅの間に中央下隔壁１３ｘのみが配置された第２部分ＢＶ２と、下隔壁１３ｄ、１３ｅの間に第３下隔壁１３ｙ、中央下隔壁１３ｘ、第４下隔壁１３ｚが配置された第３部分ＢＶ３と、下隔壁１３ｄ、１３ｅの間に中央下隔壁１３ｘのみが配置された第４部分ＢＶ４と、下隔壁１３ｄ、１３ｅのみが配置された第５部分ＢＶ５に分けられる。

【0064】

隔壁に挟まれた各流路断面は、第１部分ＢＶ１から第３部分ＢＶ３に向かうにつれて小さくなり、また第３部分ＢＶ３から第５部分ＢＶ５に向かうにつれて大きくなる。したがって、第１部分ＢＶ１が、流路断面が比較的大きな人体の小動脈に相当し、第２部分ＢＶ２が、小動脈よりも流路断面が小さい細動脈に相当し、第３部分ＢＶ３が、最も流路断面が小さい毛細血管に相当し、第４部分ＢＶ４が細静脈に相当し、第４部分ＢＶ４が小静脈に相当する。これによって、例えば肺胞の毛細血管の分岐構造を再現することができる。

【0065】

図５Ｄは、生体機能チップ１０’の動作を模式的に示す、第３部分ＢＶ３における概略断面図である。図５Ｄに示すように、中央下隔壁１３ｘ、第３下隔壁１３ｙ、第４下隔壁１３ｚの上端は多孔質部１２５の下面に当接して接合されている。このため、上側試験流路ＵＰに対向して、第１下隔壁１３ｄと第３下隔壁１３ｙとの間に微小断面通路(第１毛細
流路)が形成され、第３下隔壁１３ｙと中央下隔壁１３ｘとの間に微小断面通路(第２毛細流路)が形成され、中央下隔壁１３ｘと第４下隔壁１３ｚとの間に微小断面通路(第３毛細流路)が形成され、第４下隔壁１３ｚと第２下隔壁１３ｅとの間に微小断面通路(第４毛細流路)が形成される。

【0066】

生体機能チップ１０’の動作は、基本的には第１実施形態と同様である。制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力は大気と同等である。このため、図５Ｄ（ａ）に示すように、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅ、第３下隔壁１３ｙ、中央下隔壁１３ｘ、第４下隔壁１３ｚ、及び第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅは、変形前の状態に維持される。

【0067】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内のＥＣＦが、図５Ｄ（ｂ）に示すように、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２からリザーバＲＶ１，ＲＶ２側に向かって流動する。リザーバＲＶ１，ＲＶ２は、膜部材１５ａ、１５ｂが弾性変形することで、流動してきたＥＣＦを貯留する容積を増大させることができる。

【0068】

ＥＣＦの流動により、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力が低下するため、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図５Ｄ（ｂ）に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅが離間するように付勢され、多孔質部１２５が伸展することに応じて第３下隔壁１３ｙ、第４下隔壁１３ｚも変形し、血管内皮細胞の両側面も図５Ｄ（ｂ）に示すように左右方向に引っ張られる。これにより，肺胞上皮細胞および血管内皮細胞に伸展刺激を与え、生体内の肺胞の環境を再現することができる。この変形例のような毛細血管の分岐を模倣した構造は，これ以降の他の実施形態の中に，同様に組み込むことができる。

【0069】

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態にかかる生体機能チップ１０’の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図７は、生体機能チップ１０’を分解して示す斜視図である。図８は、内部構造を透視した状態で示す上板の斜視図である。なお、図６～８は、図１～３に対して、長手方向軸線を１８０度回転させた状態で示している。

【0070】

この実施形態の生体機能チップ１０’は、単軸引っ張り片側ポンプ駆動タイプであり、第１実施形態に対して、共通する構成については同じ符号を付して、重複説明を省略する。

【0071】

生体機能チップ１０’は、第１実施形態の第２駆動路ＤＰ２及び第２リザーバＲＶ２に関連する構造を有しない上板１１’弾性膜１２’、下板１３’、およびポンプ基板１４’により形成されている。

【0072】

その代わり、生体機能チップ１０’においては、第１圧力室ＰＣ１と第２圧力室ＰＣ２の双方に、駆動路ＤＰ１を接続している。具体的には、ポンプ基板１４’において、蛇行路１４７から、分岐路１４７ａと分岐路１４７ｂとに分岐させている。さらに、分岐路１４７ａの端部に形成された凹部１４２ａを、下板１３’の第１凹部１３２に連通させている。また、分岐路１４７ａの端部に形成された凹部１４２ｂを、下板１３’の第２凹部１３４に連通させている。これにより、駆動路ＤＰ１の端部は、第１圧力室ＰＣ１と第２圧力室ＰＣ２に接続される。

【0073】

（生体機能チップの動作）
図９は、第２実施形態の生体機能チップ１０’の動作を模式的に示す、図５Ａと同様な概略断面図である。第１実施形態と同様に、多孔質部１２５の上面に肺胞上皮細胞が培養され、その下面に血管内皮細胞が培養されている。

【0074】

制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力は大気と同等である。このため、図９（ａ）に示すように、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅ、及び第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅは、変形前の状態に維持される。

【0075】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ１内のＥＣＦが、図９（ｂ）に示すように、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２からリザーバＲＶ１側に向かって流動する。リザーバＲＶ１は、膜部材１５ａが弾性変形することで、流動してきたＥＣＦを貯留する容積を増大させることができる。

【0076】

ＥＣＦの流動により、分岐路１４７ａ、１４７ｂを介して圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力が低下するため、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅが離間するように付勢され、肺胞上皮細胞の両側面が図９（ｂ）に示すように左右方向に引っ張られるとともに、第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅが離間するように付勢され、血管内皮細胞の両側面も図５Ａに示すように左右方向に引っ張られる。

【0077】

電極ユニット１６への給電を停止すると、膜部材１５ａ、１５ｂが弾性変形から復帰するため、リザーバＲＶ１，ＲＶ２からＥＣＦが圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２に戻り、その内部圧力が元に戻る。これにより、第１上隔壁１１ｄと第２上隔壁１１ｅ、及び第１下隔壁１３ｄと第２下隔壁１３ｅは、図９（ａ）に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。さらに、多孔質部１２５の膜自身の弾性力によって上隔壁１１ｄと１１ｅ，及び下隔壁１３ｄと１３ｅが元の位置へと復帰する。

【0078】

第２実施形態によれば、生体機能チップ１０’の構成をより簡素化できる。

【0079】

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態にかかる生体機能チップ２０の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図１１は、生体機能チップ２０を分解して示す斜視図である。第３実施形態の生体機能チップ２０は、ダイアフラム駆動タイプである。

【0080】

生体機能チップ２０は、上板２１と、第１弾性膜２２と、中間板２３と、第２弾性膜２４と、下板２５と、ポンプ基板２６とから構成される。上板２１と、中間板２３と、下板２５とで保持板を構成する。

【0081】

矩形板状の上板２１には、短手方向一側に円形の中央開口２１ａが形成され、また中央開口２１ａを挟んだ両側に、中央開口２１ａより小径の入口孔２１ｂ及び出口孔２１ｃが形成されている。

【0082】

上板２１と同じ外形を有する第１弾性膜２２には、中央開口２１ａに対応して、微細な孔を多数備えた多孔質部２２ａが形成され、また入口孔２１ｂ及び出口孔２１ｃに対応して、中間孔２２ｂ、２２ｃが形成されている。

【0083】

第１弾性膜２２と同じ外形を有する中間板２３には、長孔開口２３ｆが形成されている。長孔開口２３ｆは、中央開口２１ａに対応する長孔中央部２３ａと、入口孔２１ｂ及び出口孔２１ｃに対応する長孔端部２３ｂ、２３ｃとが形成され、さらに長孔中央部２３ａと長孔端部２３ｂ、２３ｃとは、それぞれ流路２３ｄ、２３ｅにより連結されている。

【0084】

第２弾性膜２４は、中間板２３より大面積の矩形形状である。

【0085】

第２弾性膜２４と同じ外形を有する下板２５には、長孔中央部２３ａに対応して、下側開口２５ａが形成され、また長孔端部２３ｂ、２３ｃに対応して、駆動孔２５ｂ、２５ｃが形成されている。

【0086】

さらに下板２５には、中間板２３からはみ出した箇所に、中央矩形開口２５ｇが形成され、中央矩形開口２５ｇを挟んだ両側に端部矩形開口２５ｈ、２５ｉが形成されている。

【0087】

下板２５と同じ外形を有するポンプ基板２６の上面には、蛇行した中央蛇行溝２６１が形成され、中央蛇行溝２６１の両側に、蛇行した第１蛇行溝２６２と第２蛇行溝２６３とが形成されている。中央蛇行溝２６１の一端は、下側開口２５ａに対応した位置に配置される円形凹部２６ａであり、その他端は、中央矩形開口２５ｇに対応した位置に配置される矩形凹部２６ｇである。

【0088】

また、第１蛇行溝２６２の一端は、駆動孔２５ｂに対応した位置に配置される円形凹部２６ｂであり、その他端は、端部矩形開口２５ｈに対応した位置に配置される矩形凹部２６ｈである。

【0089】

さらに、第２蛇行溝２６３の一端は、駆動孔２５ｃに対応した位置に配置される円形凹部２６ｃであり、その他端は、端部矩形開口２５ｉに対応した位置に配置される矩形凹部２６ｉである。

【0090】

中央蛇行溝２６１、第１蛇行溝２６２及び第２蛇行溝２６３には、直列に配置された複数の電極ユニット１６と、給電用の配線（不図示）が形成されている。電極ユニット１６については、図５Ａに示すものと同様である。

【0091】

上板２１と、第１弾性膜２２と、中間板２３と、第２弾性膜２４と、下板２５と、ポンプ基板２６とを積層して接合することにより、生体機能チップ２０が形成される。

【0092】

上板２１と、第１弾性膜２２と、中間板２３とを接合したときに、多孔質部２２ａの上面は中央開口２１ａ内に配設され、その下面は長孔中央部２３ａに面する。また、入口孔２１ｂは、中間孔２２ｂを介して、長孔端部２３ｂに連通し、出口孔２１ｃは、中間孔２２ｃを介して、長孔端部２３ｃに連通する。

【0093】

ここで、入口孔２１ｂと中間孔２２ｂとで入口ポートＩＰを形成し、また出口孔２１ｃと中間孔２２ｃとで出口ポートＯＰを形成する。

【0094】

さらに中間板２３に対して、第２弾性膜２４を上面に接着した下板２５を接合したときに、流路２３ｄ、２３ｅの開放する下端が第２弾性膜２４により遮蔽され、入口ポートＩＰと出口ポートＯＰに両端を接続した内部通路ＩＴが形成される。内部通路ＩＴ内において、長孔端部２３ｂ内が入口ポートＩＰに繋がる第１弁室ＶＣ１を構成し、長孔端部２３ｃ内が出口ポートＯＰに繋がる第２弁室ＶＣ２を構成する。

【0095】

また、下側開口２５ａの上端、駆動孔２５ｂ、２５ｃの上端、及び中央矩形開口２５ｇの上端、端部矩形開口２５ｈ、２５ｉの上端も、第２弾性膜２４により遮蔽される。ここで、第２弾性膜２４により遮蔽された下側開口２５ａ内が中央圧力室ＰＣＣを構成し、第２弾性膜２４により遮蔽された駆動孔２５ｂ内が第１圧力室ＰＣ１を構成し、第２弾性膜２４により遮蔽された駆動孔２５ｃ内が第２圧力室ＰＣ２を構成する。また、第２弾性膜２４により遮蔽された中央矩形開口２５ｇ内が中央リザーバＲＶＣを構成し、第２弾性膜２４により遮蔽された端部矩形開口２５ｈ内が第１リザーバＲＶ１を構成し、第２弾性膜２４により遮蔽された端部矩形開口２５ｉ内が第２リザーバＲＶ２を構成する。

【0096】

さらに、下板２５に、ポンプ基板２６を接合することで、中央蛇行溝２６１の開放した上端が閉鎖されて、中央駆動路ＤＰＣが形成され、また第１蛇行溝２６２及び第２蛇行溝２６３の開放した上端が閉鎖されて、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２が形成される。電極ユニット１６は、中央駆動路ＤＰＣ及び駆動路ＤＰ１，ＤＰ２内に配置されることとなる。第２弾性膜２４と、作動流体を含む駆動路ＤＰ１，ＤＰ２と、ポンプ基板２６とで弁機構を構成する。

【0097】

（生体機能チップの動作）
図１２、１３は、第３実施形態の生体機能チップ２０の動作を模式的に示す概略断面図であるが、図１２は図１０のＡ－Ａ断面を示し、図１３は図１０のＢ－Ｂ断面を示している。

【0098】

図１２，１３中、中央駆動路ＤＰＣ及び駆動路ＤＰ１，ＤＰ２に単一の電極ユニット１６が示されているが、実際には複数の電極ユニット１６が直列に配置されている。なお、中央駆動路ＤＰＣにおける電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、中央圧力室ＰＣＣ側に配置され、第１駆動路ＤＰ１における電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、第１リザーバＲＶ１側に配置され、また第２駆動路ＤＰ２における電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、第２リザーバＲＶ２側に配置されているものとする。各電極ユニット１６は、直流電源ＤＣに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。

【0099】

ここで、多孔質部２２ａの上面には、肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、血管内皮細胞が培養されているものとする。肺胞上皮細胞は、上板２１の中央開口２１ａを介して空気に接している。

【0100】

さらに入口ポートＩＰから血液が注入され、注入された血液は内部通路ＩＴを通って出口ポートＯＰから排出されるものとする。

【0101】

生体機能チップ２０の弁動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１、ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、第１圧力室ＰＣ１，第２圧力室ＰＣ２の内部圧力は大気と同等である。このため、図１２（ａ）に示すように、第１圧力室ＰＣ１及び第２圧力室ＰＣ２と、第１弁室ＶＣ１及び第２弁室ＶＣ２とに面する第２弾性膜２４は、変形前の状態に維持される。

【0102】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ１内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ１内のＥＣＦが、図１２（ｂ）に示すように、第１リザーバＲＶ１から第１圧力室ＰＣ１側に向かって流動する。これにより第１リザーバＲＶ１に面する第２弾性膜２４が弾性変形することで、第１リザーバＲＶ１からのＥＣＦの移動が許容される。

【0103】

ＥＣＦの流動により、第１圧力室ＰＣ１の内部圧力が増大するため、それに面する第２弾性膜２４が第１弁室ＶＣ１に向かって変形し、入口ポートＩＰを閉鎖する。これにより、入口ポートＩＰを介して血液の流入が遮断される。

【0104】

また、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ２内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ２内のＥＣＦが、図１２（ｂ）に示すように、第２リザーバＲＶ２から第２圧力室ＰＣ２側に向かって流動する。これにより第２リザーバＲＶ２に面する第２弾性膜２４が弾性変形することで、第１リザーバＲＶ１からのＥＣＦの移動が許容される。

【0105】

ＥＣＦの流動により、第２圧力室ＰＣ２の内部圧力が増大するため、それに面する第２弾性膜２４が第２弁室ＶＣ２に向かって変形し、出口ポートＯＰを閉鎖する。これにより、出口ポートＯＰを介して血液の流出が遮断される。

【0106】

駆動路ＤＰ１，ＤＰ２の電極ユニット１６への給電を停止すると、圧力室ＰＣ１，圧力室ＰＣ２の内部圧力が低下する。これにより、弁室ＶＣ１，ＶＣ２に面する第２弾性膜２４が弾性変形から復帰するため、入口ポートＩＰ及び出口ポートＯＰが開放される。入口ポートＩＰ及び出口ポートＯＰの閉鎖と開放は、独立して行える。

【0107】

次に、生体機能チップ２０の膨縮動作について説明する。制御装置からの信号により、中央駆動路ＤＰＣ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、中央圧力室ＰＣＣの内部圧力は大気と同等である。このため、図１３（ａ）に示すように、中央圧力室ＰＣＣに面する第２弾性膜２４は、変形前の状態に維持される。

【0108】

これに対し、制御装置からの信号により、中央駆動路ＤＰＣ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、中央駆動路ＤＰＣ内のＥＣＦが、図１３（ｂ）に示すように、中央圧力室ＰＣＣから中央リザーバＲＶＣ側に向かって流動する。中央リザーバＲＶＣに面する第２弾性膜２４が弾性変形することで、中央リザーバＲＶＣ内に流動してきたＥＣＦを貯留するため、その容積を増大させることができる。

【0109】

このとき、駆動路ＤＰ１，ＤＰ２の電極ユニットを駆動して、図１２（ｂ）に示すように入口ポートＩＰと出口ポートＯＰを閉鎖している場合、内部通路ＩＴの血液は流入・流出しないため、体積が一定となる。そのタイミングで、中央駆動路ＤＰＣ内のＥＣＦの流動により、中央圧力室ＰＣＣの内部圧力が低下して、それに面する第２弾性膜２４が下方に向かって弾性変形すると、図１３（ｂ）に示すように、第１弾性膜２２の一部である多孔質部２２ａも下方に向かって弾性変形するため、多孔質部２２ａに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部２２ａの上面の肺胞上皮細胞が撓むように変形して伸展し、また多孔質部２２ａの下面の血管内皮細胞も撓むように変形して伸展する。

【0110】

中央駆動路ＤＰＣの電極ユニット１６への給電を停止すると、中央圧力室ＰＣＣの内部圧力が元に戻る。これにより、第２弾性膜２４及び多孔質部２２ａは、膜自身に作用する弾性力により、図１３（ａ）に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。

【0111】

第３実施形態によれば、コンパクトな構成でありながら、直流電圧の印加によって、細胞に液体（または気体）を供給するタイミングを任意に変更させつつ、細胞の伸縮動作を行わせることができる。

【0112】

（第４実施形態）
図１４は、第４実施形態にかかる生体機能チップ３０の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図１５は、生体機能チップ３０を分解して示す斜視図である。第４実施形態の生体機能チップ３０は、陥没式両側駆動タイプである。

【0113】

生体機能チップ３０は、第３膜部材３１と、上板３２と、第１弾性膜３３と、中間板３４と、第２弾性膜３５と、下板３６と、ポンプ基板３７とから構成される。上板３２と下板３６とで保持板を構成する。

【0114】

可撓性の素材から製作される矩形状の第３膜部材３１には、第１入口孔３１ｅと、第１出口孔３１ｆと、第２入口孔３１ｇと、第２出口孔３１ｈと、第３入口孔３１ａと、第３出口孔３１ｂと、第４入口孔３１ｃと、第４出口孔３１ｄとが形成されている。

【0115】

第３膜部材３１と同じ外形を有する上板３２には、第３入口孔３１ａに対応して、中間孔３２ａが形成され、また第３出口孔３１ｂに対応して、中間孔３２ｂが形成され、第４入口孔３１ｃに対応して、中間孔３２ｃが形成され、また第４出口孔３１ｄに対応して、中間孔３２ｄが形成されている。

【0116】

さらに上板３２には、中央の隔壁（第２の隔壁）３２ｉ挟んで両側に対称的に、コ字状の切込溝３２ｊ、３２ｋが配置されている。切込溝３２ｊ、３２ｋは、隔壁３２ｉに隣接するストレート部３２ｍ、３２ｎをそれぞれ有する。

【0117】

切込溝３２ｊの一端は、第１入口孔３１ｅに対応した円形端３２ｅであり、切込溝３２ｊの他端は、第１出口孔３１ｆに対応した円形端３２ｆである。また、切込溝３２ｋの一端は、第２入口孔３１ｇに対応した円形端３２ｇであり、切込溝３２ｋの他端は、第２出口孔３１ｈに対応した円形端３２ｈである。

【0118】

上板３２と同じ外形を有する第１弾性膜３３には、中間孔３２ａに対応して膜孔３３ａが形成され、中間孔３２ｂに対応して膜孔３３ｂが形成され、中間孔３２ｃに対応して膜孔３３ｃが形成され、中間孔３２ｄに対応して膜孔３３ｄが形成されている。

【0119】

さらに、第１弾性膜３３には、切込溝３２ｊ、３２ｋのストレート部３２ｍ、３２ｎに対応して、多孔質部３３ｍ、３３ｎが形成されている。

【0120】

第１弾性膜３３と同じ外形を有する中間板３４には、隔壁３２ｉに対応する隔壁（第１の隔壁）３４ｉ挟んで両側に対称的に、切込溝３４ｊ、３４ｋが配置されている。切込溝３４ｊ、３４ｋは、ストレート部３２ｍ、３２ｎに対応するストレート部３４ｍ、３４ｎを有するが、全体の形状は切込溝３２ｊ、３２ｋとは異なっている。

【0121】

切込溝３４ｊの一端は、膜孔３３ａに対応した円形端３４ａであり、切込溝３４ｊの他端は、膜孔３３ｂに対応した円形端３４ｂである。また、切込溝３４ｋの一端は、膜孔３３ｃに対応した円形端３４ｃであり、切込溝３４ｋの他端は、膜孔３３ｄに対応した円形端３４ｄである。

【0122】

第２弾性膜３５は、中間板３４より大面積の矩形形状である。

【0123】

第２弾性膜３５と同じ外形を有する下板３６には、ストレート部３４ｍ、３４ｎに対応して、第１矩形開口３６ｓが形成され、また中間板３４からはみ出した位置に、第２矩形開口３６ｔが形成されている。

【0124】

下板３６と同じ外形を有するポンプ基板３７の上面には、蛇行した蛇行溝３７ｕが形成されている。蛇行溝３７ｕの一端は、第１矩形開口３６ｓに対応した位置に配置される矩形凹部３７ｓであり、その他端は、第２矩形開口３６ｔに対応した位置に配置される矩形凹部３７ｔである。

【0125】

蛇行溝３７ｕには、直列に配置された複数の電極ユニット１６と、給電用の配線（不図示）が形成されている。電極ユニット１６については、図５Ａに示すものと同様である。

【0126】

第３膜部材３１と、上板３２と、第１弾性膜３３と、中間板３４と、第２弾性膜３５と、下板３６と、ポンプ基板３７とを積層して接合することにより、生体機能チップ３０が形成される。

【0127】

第３膜部材３１と、上板３２と、第１弾性膜３３と、中間板３４とを接合したときに、第１入口孔３１ｅは円形端３２ｅと接続され、第１出口孔３１ｆは円形端３２ｆと接続され、切込溝３２ｊの上端及び下端が遮蔽されて、第１入口孔３１ｅ及び第１出口孔３１ｆを端部とする第１試験流路ＵＰ１１が形成される。

【0128】

また第２入口孔３１ｇは円形端３２ｇと接続され、第２出口孔３１ｈは円形端３２ｈと接続され、切込溝３２ｋの上端及び下端が遮蔽されて、第２入口孔３１ｇ及び第２出口孔３１ｈを端部とする第２試験流路ＵＰ１２が形成される。このとき、ストレート部３２ｍは多孔質部３３ｍ上に位置し、またストレート部３２ｎは多孔質部３３ｎ上に位置する。

【0129】

さらに、第３入口孔３１ａは、中間孔３２ａ及び膜孔３３ａを介して円形端３４ａと接続され、第３出口孔３１ｂは、中間孔３２ｂ及び膜孔３３ｂを介して円形端３４ｂと接続され、切込溝３４ｊの上端及び下端が遮蔽されて、第３入口孔３１ａ及び第３出口孔３１ｂを端部とする第３試験流路ＵＰ２１が形成される。

【0130】

また、第４入口孔３１ｃは、中間孔３２ｃ及び膜孔３３ｃを介して円形端３４ｃと接続され、第４出口孔３１ｄは、中間孔３２ｄ及び膜孔３３ｄを介して円形端３４ｄと接続され、切込溝３４ｋの上端及び下端が遮蔽されて、第４入口孔３１ｃ及び第４出口孔３１ｄを端部とする第４試験流路ＵＰ２２が形成される。このとき、ストレート部３４ｍは多孔質部３３ｍ直下に位置し、またストレート部３４ｎは多孔質部３３ｎ直下に位置する。隔壁３２ｉの下端及び隔壁３４ｉの上端が、対向して第１弾性膜３３に接合されているため、試験流路ＵＰ１１～ＵＰ２２は、流体漏れなく密閉されている。

【0131】

さらに中間板３４に対して、第２弾性膜３５を上面に接着した下板３６を接合したときに、第１矩形開口３６ｓの開放する上端及び第２矩形開口３６ｔが、第２弾性膜３５により遮蔽される。

【0132】

さらに、下板３６にポンプ基板３７を接合したときに、第１矩形開口３６ｓは、矩形凹部３７ｓに連通し、第２矩形開口３６ｔは、矩形凹部３７ｔに連通する。ここで、第２弾性膜３５により遮蔽された第１矩形開口３６ｓ内が圧力室ＰＣを構成し、第２弾性膜３５により遮蔽された第２矩形開口３６ｔ内がリザーバＲＶを構成する。

【0133】

さらに、下板３６に、ポンプ基板３７を接合することで、蛇行溝３７ｕの開放した上端が閉鎖されて、駆動路ＤＰが形成される。電極ユニット１６は、駆動路ＤＰ内に配置されることとなる。

【0134】

（生体機能チップの動作）
図１６は、第４実施形態の生体機能チップ３０の動作を模式的に示す概略断面図である。

【0135】

図１６中、駆動路ＤＰに単一の電極ユニット１６が示されているが、実際には複数の電極ユニット１６が直列に配置されている。なお、駆動路ＤＰにおける電極ユニット１６の三角柱電極１６ｂは、圧力室ＰＣ側に配置されているものとする。各電極ユニット１６は、直流電源ＤＣに接続されており、その給電は、不図示の制御装置により統合的に制御される。

【0136】

ここで、多孔質部３３ｍ、３３ｎの上面には、異なる肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、異なる血管内皮細胞が培養されているものとする。

【0137】

さらに第１入口孔３１ｅ及び第２入口孔３１ｇから空気が注入され、注入された空気は第１試験流路ＵＰ１１及び第２試験流路ＵＰ１２に進入して、それぞれ肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、第１試験流路ＵＰ１１及び第２試験流路ＵＰ１２を通過し、第１出口孔３１ｆ及び第２出口孔３１ｈを介して排出される。

【0138】

一方、第３入口孔３１ａ及び第４入口孔３１ｃから血液が注入され、注入された血液は第３試験流路ＵＰ２１及び第４試験流路ＵＰ２２に進入して、それぞれ血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、第３試験流路ＵＰ２１及び第４試験流路ＵＰ２２を通過し、第３出口孔３１ｂ及び第４出口孔３１ｄを介して排出される。

【0139】

次に、生体機能チップ３０の伸縮動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、圧力室ＰＣの内部圧力は大気と同等である。このため、図１６（ａ）に示すように、第１弾性膜３３及び第２弾性膜３５は、変形前の状態に維持される。

【0140】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ内のＥＣＦが、図１６（ｂ）に示すように、圧力室ＰＣからリザーバＲＶ側に向かって流動する。リザーバＲＶに面する第２弾性膜３５が弾性変形することで、リザーバＲＶ内に流動してきたＥＣＦを貯留するため、その容積を増大させることができる。

【0141】

ＥＣＦの流動により、圧力室ＰＣの内部圧力が低下するため、それに面する第２弾性膜３５が下方に向かって変形する。これにより、隔壁３４ｉ、３２ｉが下方にシフトするため、第１弾性膜３３及び第３膜部材３１も陥没するように変形する。これにより、第１弾性膜３３の一部である多孔質部３３ｍ、３３ｎも下方に向かって弾性変形し、多孔質部３３ｍ、３３ｎに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部３３ｍ、３３ｎの上面の肺胞上皮細胞が左右に引っ張られて伸展し、また多孔質部３３ｍ、３３ｎの下面の血管内皮細胞も左右に引っ張られて伸展する。

【0142】

中央駆動路ＤＰＣの電極ユニット１６への給電を停止すると、圧力室ＰＣの内部圧力が低下する。これにより、第２弾性膜３５及び多孔質部３３ｍ、３３ｎは、膜自身に作用する弾性力により、図１６（ａ）に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。

【0143】

第４実施形態においては、試験流路ＵＰ１１～ＵＰ２２を独立して設けており、例えば２種類の肺胞上皮細胞と血管内皮細胞を同条件にて同時に評価できるため、例えば前臨床試験の効率を向上させることができる。

【0144】

（第５実施形態）
図１７は、第５実施形態にかかる生体機能チップ３０’の斜視図であり、内部構造を点線で示している。図１８は、生体機能チップ３０’を分解して示す斜視図である。第５実施形態の生体機能チップ３０’は、陥没式片側ポンプ駆動タイプであり、第４実施形態に対して、共通する構成については同じ符号を付して、重複説明を省略する。

【0145】

生体機能チップ３０’は、第１実施形態の第２試験流路ＵＰ１２及び第４試験流路ＵＰ２２に関連する構造を有しない第３膜部材３１’、上板３２’、第１弾性膜３３’、中間板３４’、第２弾性膜３５、下板３６、およびポンプ基板３７により形成されている。

【0146】

具体的には、第３膜部材３１’、上板３２’、第１弾性膜３３’、及び中間板３４’は、第１実施形態に対して短手方向の中間位置で切断された構成を有する。第２弾性膜３５、下板３６、およびポンプ基板３７は、第１実施形態と共通の構成を有する。

【0147】

（生体機能チップの動作）
図１９は、第５実施形態の生体機能チップ３０’の動作を模式的に示す概略断面図である。

【0148】

ここで、多孔質部３３ｍの上面には、肺胞上皮細胞が培養され、その下面には、血管内皮細胞が培養されているものとする。

【0149】

さらに第１入口孔３１ｅから空気が注入され、注入された空気は第１試験流路ＵＰ１１に進入して肺胞上皮細胞に触れる。余剰の空気は、第１試験流路ＵＰ１１を通過し、第１出口孔３１ｆから排出される。

【0150】

一方、第３入口孔３１ａから血液が注入され、注入された血液は第３試験流路ＵＰ２１に進入して血管内皮細胞に触れる。余剰の血液は、第３試験流路ＵＰ２１を通過し、第３出口孔３１ｂを介して排出される。

【0151】

次に、生体機能チップ３０’の膨縮動作について説明する。制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加しない場合、図１９（ａ）に示すように、圧力室ＰＣの内部圧力は大気と同等である。このため、第１弾性膜３３’及び第２弾性膜３５は、変形前の状態に維持される。

【0152】

これに対し、制御装置からの信号により、駆動路ＤＰ内の電極ユニット１６のスリット電極１６ａと、三角柱電極１６ｂとに対して直流電圧を印加すると、駆動路ＤＰ２内のＥＣＦが、図１９（ｂ）に示すように、圧力室ＰＣからリザーバＲＶ側に向かって流動する。リザーバＲＶに面する第２弾性膜３５が弾性変形することで、リザーバＲＶ内に流動してきたＥＣＦを貯留するため、その容積を増大させることができる。

【0153】

ＥＣＦの流動により、圧力室ＰＣの内部圧力が低下するため、それに面する第２弾性膜３５が下方に向かって変形する。これにより、隔壁３４ｉ、３２ｉが下方にシフトするため、第１弾性膜３３’及び第３膜部材３１も陥没するように変形する。これにより、第１弾性膜３３’の一部である多孔質部３３ｍも下方に向かって弾性変形し、多孔質部３３ｍに引っ張り応力が作用することとなる。これに応じて、多孔質部３３ｍの上面の肺胞上皮細胞が左右に引っ張られて伸展し、また多孔質部３３ｍの下面の血管内皮細胞も左右に引っ張られて伸展する。

【0154】

中央駆動路ＤＰＣの電極ユニット１６への給電を停止すると、圧力室ＰＣの内部圧力が低下する。これにより、第２弾性膜３５及び多孔質部３３ｍは、膜自身に作用する弾性力により、図１９（ａ）に示す元の位置へと復帰するため、肺胞上皮細胞と血管内皮細胞も元の状態に戻る。

【0155】

第５実施形態によれば、生体機能チップ３０’の構成をより簡素化できる。

【符号の説明】

【0156】

１０、１０’、２０，３０，３０’ 生体機能チップ
１１，１１’ 上板
１２，１２’ 弾性膜
１３，１３’ 下板
１４，１４’ ポンプ基板
１６ 電極ユニット
２１ 上板
２２ 第１弾性膜
２３ 中間板
２４ 第２弾性膜
２５ 下板２５
２６ ポンプ基板
３１，３１’ 第３膜部材
３２，３２’ 上板
３３，３３’ 第１弾性膜
３４，３４’ 中間板
３５ 第２弾性膜
３６ 下板
３７ ポンプ基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】