2014 Fiscal Year Annual Research Report
体外受精卵のクオリティーを選別するマルチ卵重計の創製
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26282143
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
曾根 逸人 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (80344927)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
保坂 純男 群馬大学, 大学院理工学府, 特任教授 (10334129)
坂田 利弥 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70399400)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | カンチレバ－半導体複合型バイオセンサ / 検査・診断システム / 医用システム / 電子デバイス・機器 / モニタリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、体外受精卵の非侵襲な精密診断法の開発を目指して、受精卵の重量と呼吸活性の同時連続測定が可能な、ピエゾ抵抗カンチレバに半導体センサを搭載したマルチ卵重計を創製する。平成26年度は、(1)カンチレバ型バイオセンサの磁気駆動方式への改良と液中連続測定システムの開発、(2)FIB加工による受精卵保持型カンチレバの作製について研究した。
(1)では、高周波駆動を目指して、直径0.6 mmのパーマロイを芯材とした低インダクタンスの電磁石を作製した。ピエゾ抵抗カンチレバにCo薄膜を成膜して、ピエゾ抵抗からの信号を増幅して電磁石へ正帰還した結果、大気中では共振周波数での自励発振が確認できた。しかし、水中では発振が確認できなかった。そこで、カンチレバの変位を測定するシステムを作製して、受精卵と形状が近い直径90 μmのポリスチレンビーズを水中で搭載した結果、約770 ngの重量変化が得られた。
液中連続測定システムについては、培養容器内にカンチレバを浸漬させて固定できるホルダを作製した。また、本研究費で導入したインキュベータ内にカンチレバセンサを設置して、環境制御した連続測定を可能とした。
(2)では、集束イオンビーム（FIB）装置内に3軸移動機構を用いたマイクロマニピュレータを組込んで、内径90μmの穴を加工したパーマロイ薄片を作製することができた。これをカンチレバ先端へ接触させ、FIBによるカーボンデポジションを試みたが、接合部の形状、デポジション方法などを修正しても固定できなかった。なお、FIBを用いてカンチレバに受精卵を保持する穴や壁を加工して、２細胞期のマウス受精卵１つを搭載し、従来の加振法で共振周波数変化を測定した結果、約4.4 ngが得られた。これは、見積値の100分の１程度であることから、受精卵がカンチレバに固定されず質量の一部しか作用しなかったと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
前記(1)の磁気駆動方式への改良については、高周波駆動する電磁石の作製と自励発振システムの構築まで達成した。しかし、大気中では自励発振したものの、水中では確認できなかった。これは、ピエゾ抵抗からの信号を約2000倍に増幅しても約0.4 Vの振幅しか得られていないことから、電磁石からの磁場が弱いこと、カンチレバに成膜したCo薄膜の磁荷が小さいことに原因があると考えている。培養液中での測定を目指して、平成27年度に改良する予定である。なお、カンチレバの変位を測定する静的システムを形成し、受精卵に近い形態を持つポリスチレンビーズの重量が測定できた点は、進捗があったと考えている。また、インキュベータを導入したことで、受精卵培養時と同じ制御環境下での連続測定が可能となった。
(2)のピエゾ抵抗カンチレバへの受精卵保持磁性リングの加工では、FIB装置内にマニピュレータを設置することはできたが、穴加工したパーマロイ薄片の固定には至らなかった。これは、FIBによるカーボンデポジションでは、パーマロイ薄片を保持するだけの接合強度が得られないことが原因と考える。
FIB加工したピエゾ抵抗カンチレバ上に２細胞期のマウス受精卵１つを搭載できたことは、進捗があったと考えている。さらに、これまで受精卵1つの重量は報告されていないことから、見積値よりかなり小さい値ではあるが、重量を測定できたことは今後に繋がる成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度は、磁気駆動システムの改良および磁性カンチレバの作製を行った上で、当初計画(3)カンチレバ上への受精卵搭載回収機構の開発、(4) マルチ卵重計の試作について研究開発する。
磁気駆動システムの改良では、電磁石の芯材、巻き数、印加電流などを最適化する。また、磁性カンチレバの作製では、受精卵が保持できる形状にFIB加工したカンチレバに磁性膜を成膜する。
(3)では、3軸移動機構を用いてインキュベータ内で顕微観察しながらマイクロメートル精度で受精卵を操作できる3軸移動機構を使ったマニピュレータを作製する。また、培養容器内で確実に受精卵を搭載および回収操作するため、マニピュレータにはマイクロピペットのような吸引放出機構を付ける。3軸移動機構は主に曾根が担当し、受精卵吸引放出機構については坂田が担当して設計試作する。
(4)では、ピエゾ抵抗カンチレバと半導体センサを組み合わせたマルチ卵重計を作製して、受精卵の重量変化と呼吸活性の同時リアルタイム測定を目指す。最初はカンチレバの近傍に半導体センサを設置して、同時計測可能なデータ集録システム（LabVIEW使用）を試作する。ここで、半導体センサには坂田らが開発したセンサに加え、従来研究でSOI基板にFIB加工により作製したSiナノワイヤセンサも用いる予定である。その後、１チップ型センサを作製するため、ピエゾ抵抗カンチレバの補償用電極を利用してカンチレバの隣に半導体センサを搭載する。試作したマルチ卵重計の培養液中での特性評価は、半導体特性評価システム（申請設備）を用いて行う。なお、ホルダ型カンチレバを磁気駆動させた状態でマルチ計測することから、磁気駆動に関する調整等は曾根と保坂が行う。
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| Causes of Carryover |
直接経費に未使用額が生じた理由は、購入を予定していたFIB原料が枯渇しなかったことからFIB装置原料とそれを交換するためのメンテナンス費用が不要であったこと、機械・電子部品、生化学実験器具・試薬の一部の購入を見送ったことが原因である。FIB装置原料については、原料が枯渇してビームが出なくなった時に交換するが、平成26年度は正常に動作していたことから交換しなかった。部品や器具については、平成27年度の受精卵搭載回収機構の開発およびマルチ卵重計の試作において予算不足が予想されること、東京大学坂田研究室での研究推進の効率化のため研究補助を雇用することから、学術研究助成基金助成金の一部を繰り越しした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成27年度は、磁気駆動システムの改良、磁性カンチレバの作製、受精卵搭載回収機構の開発およびマルチ卵重計の試作を行う。磁性カンチレバの作製では、FIB装置を使用することから、原料が枯渇した時にその購入および交換メンテナンスを行う予定である。また、磁気駆動システムの改良、受精卵搭載回収機構の開発では、3軸移動機構をはじめとする各種部品や器具ならびに試験用の試薬を購入する予定である。また、マルチ卵重計の試作では、東京大学の微細加工施設を利用することを検討しており、それに必要な材料、施設利用料、出張費を予定している。なお、東京大学坂田研究室では、本研究の効率的な推進のため研究補助を雇用する予定である。
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Research Products
(2 results)
