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JP2005536233A - Determination and / or control of reactor environmental conditions - Google Patents

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JP2005536233A JP2005502070A JP2005502070A JP2005536233A JP 2005536233 A JP2005536233 A JP 2005536233A JP 2005502070 A JP2005502070 A JP 2005502070A JP 2005502070 A JP2005502070 A JP 2005502070A JP 2005536233 A JP2005536233 A JP 2005536233A
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ホワード ビー. シュレイヤー,
セス ティー. ロジャーズ,
アンドレイ ジェイ. ザルール,
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バイオプロセッサーズ コーポレイション
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Abstract

本発明は概して、化学的、生物学的、および/または生化学的なリアクターチップおよび他の反応システム、例えば、マイクロリアクターシステム、ならびにこのようなデバイスを構築および使用するためのシステムおよび方法に関する。1つの局面では、チップまたは他の反応システムは、その中での細胞増殖を促進するように構築され得る。特定の実施形態では、本発明のこのチップまたは他の反応システムは1つ以上の反応部位を含む。この反応部位は極めて小さく、例えば、約1ml未満の容積を有してもよい。本発明の1つの局面では、1つ以上の反応部位に関連する、環境要因、例えば、温度、圧力、CO濃度、O濃度、相対的湿度、pHなどを、1つ以上のセンサー、アクチュエータ、プロセッサーおよび/または制御システムを用いることによって、チップで検出、測定および/または制御することができる。The present invention relates generally to chemical, biological, and / or biochemical reactor chips and other reaction systems, such as microreactor systems, and systems and methods for constructing and using such devices. In one aspect, a chip or other reaction system can be constructed to promote cell growth therein. In certain embodiments, the chip or other reaction system of the present invention includes one or more reaction sites. This reaction site is very small, for example, may have a volume of less than about 1 ml. In one aspect of the invention, environmental factors associated with one or more reaction sites, such as temperature, pressure, CO 2 concentration, O 2 concentration, relative humidity, pH, etc., are measured using one or more sensors, actuators. Can be detected, measured and / or controlled by the chip by using a processor and / or control system.

Description

背景
(発明の分野)
本発明は概して化学的、生物学的および/または生化学的なリアクターチップ、ならびにマイクロリアクターシステムのような他の反応システムに関する。
Background (Field of the Invention)
The present invention generally relates to chemical, biological and / or biochemical reactor chips and other reaction systems such as microreactor systems.

(関連分野の説明)
化学的および/または生化学的な反応の生成物の生成のために広範な種々の反応システムが公知である。触媒に関与する化学的プラント、生化学的発酵槽、生産プラントおよび他の系の宿主が周知である。生化学的処理は、目的の物質を生成するための生きた微生物(例えば、細胞)の使用に関与し得る。
(Description of related fields)
A wide variety of reaction systems are known for the production of products of chemical and / or biochemical reactions. Chemical plants, biochemical fermenters, production plants and other system hosts involved in the catalyst are well known. Biochemical treatment can involve the use of live microorganisms (eg, cells) to produce the material of interest.

種々の理由について細胞を培養する。興味深いことに、細胞はそれが生成するタンパク質または他の有用物質のために培養される。多くの細胞が、制御された環境のような特定の条件を必要とする。栄養物、酸素および/または二酸化炭素のような代謝性ガス、湿度、ならびに温度のような他の要因の存在が、細胞増殖に影響し得る。細胞は、増殖に時間を要し、この間に好ましい条件を維持しなければならない。ある場合には、例えば、特定の細菌細胞を用いて、首尾よい細胞培養を24時間程度で行なうことができる。他の場合には、特定の哺乳動物細胞を用いる場合、首尾よい培養には約30日以上を要し得る。   Cells are cultured for various reasons. Interestingly, cells are cultured for proteins or other useful substances that they produce. Many cells require specific conditions such as a controlled environment. The presence of other factors such as nutrients, metabolic gases such as oxygen and / or carbon dioxide, humidity, and temperature can affect cell growth. Cells take time to grow, and favorable conditions must be maintained during this time. In some cases, for example, successful cell culture can be performed in about 24 hours using specific bacterial cells. In other cases, when using certain mammalian cells, a successful culture can take about 30 days or more.

代表的には、細胞増殖に適切であってかつ必要な栄養物を含む培地において細胞培養を行う。細胞は一般に、環境条件を制御できるインキュベーターのような場所で培養される。インキュベーターは伝統的に、2〜3の培養についての小さいインキュベーター(例えば、約1立方フィート)のサイズから、所望の環境条件が注意深く維持できる部屋(単数または複数)全体におよぶ。   Typically, cell culture is performed in a medium that is suitable for cell growth and contains the necessary nutrients. Cells are generally cultured in a place such as an incubator that can control environmental conditions. Incubators traditionally range from the size of a small incubator (eg, about 1 cubic foot) for a few cultures to the entire room (s) in which the desired environmental conditions can be carefully maintained.

現在、本明細書において参考として援用される、「Microreactors」と題された、WO01/68257として2001年9月20日に公開された、国際特許出願PCT/US01/07679に記載されるように、細胞はまた極めて小規模(すなわち、2〜3ミリリットル以下の程度で)で培養されており、その結果、とりわけ、多くの培養が平行して行なわれ得る。   As described in International Patent Application PCT / US01 / 07679, published September 20, 2001, as WO 01/68257, entitled “Microreactors”, which is now incorporated by reference herein. The cells are also cultured on a very small scale (ie, on the order of 2 to 3 milliliters or less) so that, among other things, many cultures can be performed in parallel.

(発明の要旨)
本発明は概して化学的、生物学的および/または生化学的なリアクターチップ、ならびにマイクロリアクターシステムのような他の反応システムに関する。本発明の主題は、ある場合には、相関する生成物、特定の問題に対する別の解決法、ならびに/または1つ以上のシステムおよび/または物体の複数の異なる用途に関する。
(Summary of the Invention)
The present invention generally relates to chemical, biological and / or biochemical reactor chips and other reaction systems such as microreactor systems. The subject matter of the present invention relates in some cases to correlated products, alternative solutions to a particular problem, and / or a plurality of different applications of one or more systems and / or objects.

1つの局面では、本発明は装置である。この装置は、1セットの実施形態において、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップを備える。1つの実施形態では、この装置はまた、このチップと関連する状態の指標のシグナルに応答してこのチップに関連する環境要因を制御して、これによってこの所定の反応部位内に生存細胞を支持し得る能動的制御システムを備える。この装置は、別の実施形態では、所定の反応部位に関連する環境要因を制御し得る制御システムを備え、この環境要因は、相対湿度、pH、溶存O濃度、溶存CO濃度および培地成分の濃度のうちの少なくとも1つである。 In one aspect, the invention is an apparatus. The apparatus, in one set of embodiments, comprises a chip with a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml. In one embodiment, the device also controls environmental factors associated with the chip in response to a signal of a condition indicator associated with the chip, thereby supporting viable cells within the predetermined reaction site. Active control system. The apparatus, in another embodiment, includes a control system that can control environmental factors associated with a given reaction site, such as relative humidity, pH, dissolved O 2 concentration, dissolved CO 2 concentration, and media components. At least one of the concentrations.

別の実施形態によれば、この装置は、この所定の反応部位に関連する第一の環境要因における変化を、この所定の反応部位に関連する第二の環境要因における変化の1秒内でかつそれに応答して生じ得る制御システムを備えてもよい。さらに別の実施形態では、この装置は、所定の反応部位内の環境を制御して、それによって少なくとも1日間生存細胞を支持し得る能動的制御システムを備えてもよい。なお別の実施形態では、この装置は、所定の反応部位と液体連絡している2.0ミクロン未満の細孔サイズを有する、赤外から紫外範囲の入射電磁放射線に対して実質的に透過性の膜を備える。   According to another embodiment, the apparatus causes the change in the first environmental factor associated with the predetermined reaction site to be within one second of the change in the second environmental factor associated with the predetermined reaction site and A control system may be provided that can occur in response thereto. In yet another embodiment, the device may comprise an active control system that can control the environment within a given reaction site and thereby support viable cells for at least one day. In yet another embodiment, the device is substantially transparent to incident electromagnetic radiation in the infrared to ultraviolet range, having a pore size of less than 2.0 microns in liquid communication with a given reaction site. With a membrane.

別の実施形態では、この装置はまた、pHが中性でない組成の供給源から所定の反応部位を隔てる構成要素を備える。さらに別の実施形態では、この装置は、所定の反応部位内の物質のpHを実質的に変更し得るガス状因子を形成するように反応し得る前駆体を備えてもよく、このチップはこの所定の反応部位へこの因子のガス状の非液体の透過を可能にするように配置される。さらに別の実施形態では、この装置は、所定の反応部位と液体連絡してこのチップに一体的に接続されたpH変更因子分散ユニットを備える。本発明は、別の実施形態によれば、このチップに一体的に接続されたガスの供給源を備える。別の実施形態では、本発明は、所定の反応部位を規定する表面と光学的に連絡したレーザー導波管を備える。   In another embodiment, the apparatus also comprises a component that separates the predetermined reaction site from a source of a non-neutral pH composition. In yet another embodiment, the apparatus may comprise a precursor that can react to form a gaseous factor that can substantially change the pH of the substance within a given reaction site, It is arranged to allow the gaseous non-liquid permeation of this factor to a given reaction site. In yet another embodiment, the apparatus comprises a pH modifier dispersion unit integrally connected to the chip in liquid communication with a predetermined reaction site. According to another embodiment, the present invention comprises a gas supply source integrally connected to the chip. In another embodiment, the present invention comprises a laser waveguide in optical communication with a surface that defines a predetermined reaction site.

別の実施形態では、この装置はチップに一体的に接続されたセンサーを備え、このセンサーが所定の反応部位に関連する環境要因を決定し得る。この環境要因は、pH、溶存ガスの濃度、モル濃度、オスモル濃度、グルコース濃度、グルタミン濃度、ピルビン酸濃度、アパタイト濃度、色、濁度、粘度、アミノ酸濃度、ビタミンの濃度、ホルモン濃度、血清濃度、イオンの濃度、剪断速度、撹拌の程度のうちの少なくとも1つである。ある場合には、この装置はまた、チップに一体的に接続されたアクチュエータを備えてもよく、このアクチュエータが環境要因を変化し得る。   In another embodiment, the apparatus comprises a sensor integrally connected to the chip, which can determine environmental factors associated with a given reaction site. This environmental factor is pH, dissolved gas concentration, molar concentration, osmolality, glucose concentration, glutamine concentration, pyruvate concentration, apatite concentration, color, turbidity, viscosity, amino acid concentration, vitamin concentration, hormone concentration, serum concentration , At least one of ion concentration, shear rate, and degree of agitation. In some cases, the device may also include an actuator integrally connected to the chip, which may change environmental factors.

別の実施形態では、この装置は、このチップに一体的に接続された第一のセンサーとこのチップに一体的に接続された第二のセンサーとを備え、この第一のセンサーが、温度および圧力のうちの少なくとも1つを決定し得、そして第二のセンサーが第二の環境要因を決定し得る。第二の環境要因は特定の場合には、pH、溶存ガスの濃度、モル濃度、オスモル濃度、グルコース濃度、グルタミン濃度、ピルビン酸濃度、アパタイト濃度、色、濁度、粘度、アミノ酸の濃度、ビタミンの濃度、ホルモンの濃度、血清濃度、イオンの濃度、剪断速度、撹拌の程度のうちの少なくとも1つである。ある場合には、この装置はまた、温度、圧力および環境要因のうちの少なくとも1つを変化し得るチップに一体的に接続されたアクチュエータを備えてもよい。   In another embodiment, the apparatus comprises a first sensor integrally connected to the chip and a second sensor integrally connected to the chip, the first sensor comprising a temperature and At least one of the pressures can be determined and a second sensor can determine a second environmental factor. The second environmental factor is, in certain cases, pH, dissolved gas concentration, molar concentration, osmolality, glucose concentration, glutamine concentration, pyruvate concentration, apatite concentration, color, turbidity, viscosity, amino acid concentration, vitamin Concentration, hormone concentration, serum concentration, ion concentration, shear rate, degree of agitation. In some cases, the apparatus may also include an actuator integrally connected to the chip that can change at least one of temperature, pressure, and environmental factors.

この装置は、本発明の別の実施形態によれば、所定の反応部位のうちの少なくとも1つに関連する環境要因を決定することができるセンサーを備えてもよい。この環境要因は、CO濃度、グルコース濃度、グルタミン濃度、ピルビン酸濃度、アパタイト濃度、血清濃度、ビタミンの濃度、アミノ酸の濃度およびホルモン濃度のうちの少なくとも1つであってもよい。 The apparatus may comprise a sensor capable of determining an environmental factor associated with at least one of the predetermined reaction sites, according to another embodiment of the invention. The environmental factor may be at least one of CO 2 concentration, glucose concentration, glutamine concentration, pyruvate concentration, apatite concentration, serum concentration, vitamin concentration, amino acid concentration, and hormone concentration.

別のセットの実施形態では、この装置は、インレットと、アウトレットと、約1ml未満の容積とを有する所定の反応部位を備えるチップを備える。この所定の反応部位は、所定の反応部位で生存細胞の少なくとも1つを維持するように構築されかつ配置される。ある実施形態では、このチップは他の同様のチップに対して所定の整列された関係で安定に接続するように構築されかつ配置される。   In another set of embodiments, the apparatus comprises a chip with a predetermined reaction site having an inlet, an outlet, and a volume of less than about 1 ml. This predetermined reaction site is constructed and arranged to maintain at least one of the viable cells at the predetermined reaction site. In certain embodiments, the chip is constructed and arranged to stably connect to other similar chips in a predetermined aligned relationship.

1セットの実施形態では、この装置は、インレットと、アウトレットと、約1ml未満の容積とを有する所定の反応部位を備えるチップを備え、このチップはマイクロプレートに対して安定に接続可能であるように構築されかつ配置される。この装置は、別のセットの実施形態によれば、インレットと、アウトレットと、約1ml未満の容積とを有する所定の反応部位を備えるチップを備え、このチップはマイクロプレートのウェルを取り扱うように構築されかつ配置される装置と液体連絡可能であるように構築されかつ配置される。なお別のセットの実施形態では、この装置は、インレットと、アウトレットと、約1ml未満の容積とを有する所定の反応部位を備えるチップを備え、各々の所定の反応部位は、マイクロプレートの少なくとも1つのウェルにかさなる。この装置は、さらに別の実施形態では、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備える実質的に液密のチップを備え、この所定の反応部位は、この所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配置される。   In one set of embodiments, the apparatus comprises a chip with a predetermined reaction site having an inlet, an outlet, and a volume of less than about 1 ml, such that the chip can be stably connected to the microplate. Built and arranged. The apparatus, according to another set of embodiments, comprises a chip with a predetermined reaction site having an inlet, an outlet, and a volume of less than about 1 ml, the chip constructed to handle the wells of a microplate Constructed and arranged to be in fluid communication with the device to be arranged and arranged. In yet another set of embodiments, the apparatus comprises a chip comprising a predetermined reaction site having an inlet, an outlet, and a volume of less than about 1 ml, each predetermined reaction site being at least one of the microplates. It fills one well. The apparatus, in yet another embodiment, comprises a substantially liquid-tight tip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, wherein the predetermined reaction site is at least one at the predetermined reaction site. Constructed and arranged to maintain viable cells.

この装置は、1セットの実施形態では、2つの成分を固定して約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を規定するチップの一部を生成する工程を包含するプロセスによって生成されるチップによって、少なくとも部分的には規定され、ここでこの所定の反応部位はこの所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配置される。この装置は、別のセットの実施形態では、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップを備え、この所定の反応部位は、この所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配列され、この所定の反応部位は1日あたり約100μl未満の0ではない蒸発速度を有する。   The apparatus, in one set of embodiments, is by a chip produced by a process that includes fixing two components to produce a portion of the chip that defines a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml. At least in part, wherein the predetermined reaction site is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at the predetermined reaction site. The apparatus, in another set of embodiments, comprises a chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, wherein the predetermined reaction site maintains at least one viable cell at the predetermined reaction site. Constructed and arranged in this manner, this given reaction site has a non-zero evaporation rate of less than about 100 μl per day.

別のセットの実施形態によれば、この装置は、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位であって、所定の波長範囲内の電磁放射線によって促進されるかまたはモニターされる化学的または生物学的反応を行なうように構築されかつ配置される所定の反応部位と、この所定の反応部位と液体連絡した2.0ミクロン未満の細孔サイズを有する、反応を促進またはモニターするのに必要な程度までの所定の波長範囲内の電磁放射線に対して透過性の膜とを備える。   According to another set of embodiments, the apparatus is a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml that is enhanced or monitored by electromagnetic radiation within a predetermined wavelength range. Required to promote or monitor the reaction, having a predetermined reaction site constructed and arranged to perform a biological reaction, and a pore size of less than 2.0 microns in fluid communication with the predetermined reaction site And a film that is transparent to electromagnetic radiation within a predetermined wavelength range to the extent.

別のセットの実施形態によれば、この装置は、約1ml未満の容積を有する第一の所定の反応部位と第二の所定の反応部位とを備えるチップによって、少なくとも1つの部分的には規定され、このチップはこの第一の所定の反応部位および第二の所定の反応部位を液体接続する通路を規定し、この通路は膜を横切る。   According to another set of embodiments, the device is at least partially defined by a chip comprising a first predetermined reaction site and a second predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml. The chip defines a passage that fluidly connects the first predetermined reaction site and the second predetermined reaction site, the passage traversing the membrane.

この装置は、1セットの実施形態では、膜によって隔てられた第一の部分および第二の部分を有する反応部位、ならびにこの反応部位の第二の部分と液体連絡した少なくとも第一および第二のチャネルを備える。   The apparatus, in one set of embodiments, includes a reaction site having a first portion and a second portion separated by a membrane, and at least a first and second fluid in fluid communication with the second portion of the reaction site. With channels.

本発明は、別の局面においては方法である。この方法は、1セットの実施形態では、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位にpH変更因子を浸透させるという作業を包含する。別のセットの実施形態によれば、この方法は、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップを提供し、所定の反応部位の近位に酸または塩基を生じさせ、この酸または塩基とこの所定の反応部位内の物質とを接触させてこの物質のpHを実質的に変更するという作業を少なくとも包含する。別のセットの実施形態では、この方法は、少なくとも1つの区画を規定するチップを提供する工程であって、このチップは、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位をさらに備える工程と、この所定の反応部位とこの区画との間に位置する成分を透過させる工程とを包含する。   The present invention is a method in another aspect. This method, in one set of embodiments, includes the task of infiltrating the pH modifier into a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml. According to another set of embodiments, the method provides a chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, generating an acid or base proximal to the predetermined reaction site, wherein the acid or It includes at least the operation of bringing a base into contact with a substance in the predetermined reaction site to substantially change the pH of the substance. In another set of embodiments, the method includes providing a chip defining at least one compartment, the chip further comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml; Permeating components located between the predetermined reaction site and this compartment.

1セットの実施形態によれば、この方法は、チップの少なくとも一部にレーザーを指向することによって、約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップにおいてガスを生成する工程を包含する。   According to one set of embodiments, the method includes generating gas in a chip with a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml by directing a laser to at least a portion of the chip.

1セットの実施形態によれば、この方法は、1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップを生成する方法において、この所定の反応部位を規定するチップの一部を生成するための補助的接着剤の有無においてこのチップの第二の構成要素に対してこのチップの第一の構成要素を結合させる工程を包含する。   According to one set of embodiments, the method is a method for generating a chip with a predetermined reaction site having a volume of less than 1 ml, and for assisting in generating a part of the chip defining the predetermined reaction site. Bonding the first component of the chip to the second component of the chip in the presence or absence of a mechanical adhesive.

この方法は、さらに別のセットの実施形態では、複数の反応部位を製造する表面を有する物質を提供するという作業を包含し、この少なくとも1つの反応部位は、約2ml未満の容積を有して、実質的に細胞不浸透性の膜によって細胞を含む少なくとも細胞培養部分および細胞を含まないリザーバ部分に分割され、このリザーバ部分はこの物質の表面に製造された少なくとも第一および第二のチャネルに液体接続される。この方法はまた、この複数の反応部位のうち少なくとも1つへの少なくとも1つの試験化合物の導入、および細胞培養部分内に位置する細胞に対するこの試験化合物の影響をモニタリングするという作業を包含する。   The method, in yet another set of embodiments, includes the act of providing a material having a surface that produces a plurality of reaction sites, the at least one reaction site having a volume of less than about 2 ml. Divided into at least a cell culture portion containing cells and a reservoir portion free of cells by a substantially cell impervious membrane, the reservoir portion being connected to at least first and second channels made on the surface of the substance Liquid connected. The method also includes introducing at least one test compound into at least one of the plurality of reaction sites and monitoring the effect of the test compound on cells located within the cell culture portion.

別の局面では、本発明は、本明細書に記載の1つ以上の実施形態、例えば、マイクロリアクターシステムのようなチップまたは他の反応システムを作製する方法に関する。さらにべつの局面では、本発明は、本明細書に記載される1つ以上の実施形態、例えば、チップまたは他の反応システム、例えばマイクロリアクターシステムを使用する方法に関する。さらに別の局面では、本発明は、本明細書に記載される1つ以上の実施形態、例えば、チップまたは他の反応システム、例えばマイクロリアクターシステムをプロモートする方法に関する。   In another aspect, the invention relates to a method of making one or more embodiments described herein, eg, a chip such as a microreactor system or other reaction system. In yet another aspect, the invention relates to a method of using one or more embodiments described herein, eg, a chip or other reaction system, eg, a microreactor system. In yet another aspect, the invention relates to a method of promoting one or more embodiments described herein, eg, a chip or other reaction system, eg, a microreactor system.

別の局面では、本発明は、例えば、本明細書のいずれかの実施形態に記載されるような、チップおよび/またはリアクターシステムを作製する方法に関する。さらに別の局面では、本発明は、例えば、本明細書のいずれかの実施形態、例えば、実施例に記載されるような、チップおよび/またはリアクターシステムを用いる方法に関する。さらに別の局面では、本発明は、本明細書のいずれかの実施形態に記載されるような、チップおよび/またはリアクターシステムをプロモートする方法に関する。   In another aspect, the invention relates to a method of making a chip and / or reactor system, eg, as described in any embodiment herein. In yet another aspect, the invention relates to a method of using a chip and / or reactor system as described, for example, in any embodiment herein, eg, the Examples. In yet another aspect, the present invention relates to a method for promoting a chip and / or reactor system, as described in any embodiment herein.

本発明の他の利点および新規な特徴は、添付の図面を考慮して、本発明の種々の非限定的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。本明細書および参考として援用される文書が矛盾および/または一致しない開示を含む場合は、本明細書が優先する。   Other advantages and novel features of the invention will become apparent from the following detailed description of various non-limiting embodiments of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings. In cases where the present specification and a document incorporated by reference include conflicting and / or inconsistent disclosure, the present specification shall control.

(詳細な説明)
以下の出願が参考として本明細書に援用される:Zarurらによる、「Microfermentor Device and Cell Based Screening Method」と題された、2001年4月10日提出の米国仮特許出願第60/282,741号;Zarurらによる、「Microfermentor Device and Cell Based Screening Method」と題された、2002年4月10日提出の米国特許出願第10/119,917号;Zarurらによる、「Microfermentor Device and Cell Based Screening Method」と題された、2002年4月10日提出の国際特許出願第PCT/US02/11422号;Rodgersらによる、「Materials and Reactors having Humidity and Gas Control」と題された、2002年6月5日提出の米国仮特許出願第60/386,323号;Millerらによる、「Reactor Having Light−Interacting Component」と題された、2002年6月5日提出の米国仮特許出願第60/386,322号;Schreyerらによる、「Fluidic Device and Cell−Based Screening Method」と題された、2002年8月19日提出の米国仮特許出願第10/223,562号;Zarurらによる、「Protein Production and Screening Methods」と題された、2002年9月24日提出の米国仮特許出願第60/409,273号;Millerらによる、「Reactor Systems Responsive to Internal Conditions」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/457,048号;Millerらによる、「Systems and Methods for Control of Reactor Environments」と題された、2003年6月5日提出の米国仮特許出願第10/456,934号;Rodgersらによる、「Microreactor Systems and Methods」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/456,133号;Rodgersらによる、「Materials and Reactor Systems having Humidity and Gas Control」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/457,049号;Rodgersらによる、「Materials and Reactor Systems having Humidity and Gas Control」と題された、2003年6月5日提出の国際特許出願;Millerらによる、「Reactor Systems Having a Light−Interacting Component」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/457,015号;Millerらによる、「Reactor Systems Having a Light−Interacting Component」と題された、2003年6月5日提出の国際特許出願;Rodgersらによる、「System and Methods for Process Automation」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/457,017号;およびZarurらによる、「Apparatus and Methods for Manipulating Substrates」と題された、2003年6月5日提出の米国特許出願第10/456,929号。
(Detailed explanation)
The following application is incorporated herein by reference: US Provisional Patent Application No. 60 / 282,741 filed Apr. 10, 2001, entitled “Microfermentor Device and Cell Based Screening Method” by Zarur et al. No .; US Patent Application No. 10 / 119,917 filed April 10, 2002, entitled “Microfermentor Device and Cell Based Screening Method” by Zarur et al .; International Patent Application No. PCT / US02 / 11422, filed 10 April 2002, entitled “Method”; Rodgers et al. US Provisional Patent Application No. 60 / 386,323, filed 5 June 2002, entitled “Materials and Reactors having Humidity and Gas Control”; Miller et al., “Reactor Having Lighting-Interacting Component”. US Provisional Patent Application No. 60 / 386,322 filed June 5, 2002; entitled “Fluidic Device and Cell-Based Screening Method” filed August 19, 2002 by Schreyer et al. No. 10 / 223,562, entitled “Protein Production and Screening Methods” by Zarur et al. US Provisional Patent Application No. 60 / 409,273, filed Sep. 24, 2002; Miller et al., US Patent Application No. 60 / 409,273, filed Jun. 5, 2003, entitled “Reactor Systems Responsive to Internal Conditions”. No. 10 / 457,048; US Provisional Patent Application No. 10 / 456,934, filed June 5, 2003, entitled “Systems and Methods for Control of Environment Environments” by Miller et al., By Rodgers et al., US patent application Ser. No. 10 / 456,133, filed Jun. 5, 2003, entitled “Microreactor Systems and Methods”; Rodgers et al., “Materia US Patent Application No. 10 / 457,049, filed June 5, 2003, entitled “S and Reactor Systems having Humidity and Gas Control”; Rodgers et al., “Materials and Reactor Systems Hastingham Hast. US Patent Application No. 10/457, filed June 5, 2003, entitled “Reactor Systems Having a Light-Interacting Component” by Miller et al. , 015; Miller et al., “Reactor Systems Having a Light-Interacting Co”. International Patent Application filed June 5, 2003, entitled “ponent”; US Patent Application No. 10/10, filed June 5, 2003, entitled “System and Methods for Process Automation” by Rodgers et al. US patent application Ser. No. 10 / 456,929, filed Jun. 5, 2003, entitled “Apparatus and Methods for Manufacturing Substrates” by Zarur et al.

本発明は概して、化学的、生物学的、および/または生化学的なリアクターチップおよび他の反応システム、例えば、マイクロリアクターシステム、ならびにこのようなデバイスを構築および使用するためのシステムおよび方法に関する。1つの局面では、チップまたは他の反応システムは、その中での細胞増殖を促進するように構築されてもよい。特定の実施形態では、本発明のこのチップまたは他の反応システムは1つ以上の反応部位を含む。この反応部位は極めて小さく、例えば、約1ml未満の容積を有してもよい。本発明の1つの局面では、1つ以上の反応部位に関連する、環境要因、例えば、温度、圧力、CO濃度、O濃度、相対的湿度、pHなどを、1つ以上のセンサー、アクチュエータ、プロセッサーおよび/または制御システムを用いることによって、チップで検出、測定および/または制御することができる。別の局面では、本発明は例えば、チップとともに利用するための、湿度および/またはガスの制御を有する物質およびシステムに関する。このような物質は、酸素透過性および/または低い水蒸気透過性を有してもよい。本発明はさらに別の局面では概して、チップおよび他のリアクターシステムにおける使用のために適切な光相互作用する構成要素に関する。これらの構成要素は、導波管、光ファイバー、光源、光検出器、光学素子などを備えてもよい。 The present invention relates generally to chemical, biological, and / or biochemical reactor chips and other reaction systems, such as microreactor systems, and systems and methods for constructing and using such devices. In one aspect, a chip or other reaction system may be constructed to promote cell growth therein. In certain embodiments, the chip or other reaction system of the present invention includes one or more reaction sites. This reaction site is very small, for example, may have a volume of less than about 1 ml. In one aspect of the invention, environmental factors associated with one or more reaction sites, such as temperature, pressure, CO 2 concentration, O 2 concentration, relative humidity, pH, etc., are measured using one or more sensors, actuators. , Can be detected, measured and / or controlled by the chip by using a processor and / or control system. In another aspect, the invention relates to materials and systems with humidity and / or gas control, for example, for use with a chip. Such materials may have oxygen permeability and / or low water vapor permeability. The present invention, in yet another aspect, generally relates to light interacting components suitable for use in chips and other reactor systems. These components may include waveguides, optical fibers, light sources, photodetectors, optical elements, and the like.

図1を参照すれば、1実施形態によるチップの1部分が模式的に図示される。図示される部分は、その中に一連の空隙を含む層2であり、これは層2が2つの層(図1の平面に対して上部および底部の層(示さず))の間に位置する場合、一連の囲まれたチャネルおよび反応部位を規定する。層2がチップを形成するように組み立てられ得る全体的構成は、他の図面に関して以下の図面からさらに明確に理解される。   Referring to FIG. 1, a portion of a chip according to one embodiment is schematically illustrated. The part shown is a layer 2 with a series of voids therein, which is located between two layers (top and bottom layers (not shown) relative to the plane of FIG. 1). If so, a series of enclosed channels and reaction sites are defined. The overall configuration in which layer 2 can be assembled to form a chip will be more clearly understood from the following figures with respect to other figures.

図1は、6つの反応部位4を含む実施形態に相当する(以下に記載される、例えば、図3Aの反応部位125、または図5Aの反応部位112に対して類似)。反応部位4は、層2を規定する物質の、相対的に薄い、通常平面な小片内に、一連の通常配列された、細長い、丸みのついた長方形の空隙を規定する。反応部位4は、反応部位4に種を送達するためのチャネル6および反応部位からの種の除去のためのチャネル8を含む、一連のチャネルによって取り組まれ得る。当然ながら、チャネルの任意の組み合わせを用いて、反応部位への種の送達および/またはそこからの種の除去を行なうことができる。例えば、チャネル8を用いて反応部位に種を送達することが可能であり、一方チャネル6を用いて種を除去することができるなどである。図1に線で示されるが、チャネル6および8は、層2内の空隙を規定することが理解されるべきであり、これは他の層によって上および/または下でカバーされた場合、封入チャネルとなり得る。チャネル6および8の各々は、図1において図示される実施形態では、ポート9によってアドレスされる。ポート9がインレットチャネルに接続される場合、これはインレットポートを規定し得、アウトレットチャネルに液体的に接続される場合、これはアウトレットポートを規定し得る。例示された実施形態では、ポート9は、チャネル6または8の幅よりも幅が広い空隙である。当業者は、ポート9を評価してそれを利用してチャネルに種を導入するための種々の技術を認識しており、そして/またはそれらのポートによって取り組まれるチャネルから種を除去する。1例としては、ポート9は、ニードル(以下にさらに詳細に記載される)によってアドレス可能な「自己密閉(self−sealing)」ポートであり得、ポート9の少なくとも片側が、ある物質の層(示さず)によってカバーされる場合、ニードルがこの物質を通じて挿入され引き抜かれるとき、このポートを介してチップへ導入されるかまたはチップから取り出される液体のような種に対して通常不透過性であるシールを形成する。   FIG. 1 corresponds to an embodiment comprising six reaction sites 4 (similar to reaction site 125 of FIG. 3A or reaction site 112 of FIG. 5A described below, for example). The reaction site 4 defines a series of normally arranged, elongated, rounded rectangular voids in a relatively thin, generally planar piece of material defining the layer 2. The reaction site 4 can be addressed by a series of channels including a channel 6 for delivering species to the reaction site 4 and a channel 8 for removal of the species from the reaction site. Of course, any combination of channels can be used to deliver species to and / or remove species from the reaction site. For example, channel 8 can be used to deliver species to the reaction site, while channel 6 can be used to remove species. As indicated by the lines in FIG. 1, it should be understood that the channels 6 and 8 define a void in the layer 2, which is encapsulated when covered above and / or below by other layers. Can be a channel. Each of channels 6 and 8 is addressed by port 9 in the embodiment illustrated in FIG. If port 9 is connected to an inlet channel, it may define an inlet port, and if it is liquid connected to an outlet channel, it may define an outlet port. In the illustrated embodiment, the port 9 is a void that is wider than the width of the channel 6 or 8. Those skilled in the art are aware of various techniques for evaluating and utilizing ports 9 to introduce species into channels and / or remove species from the channels addressed by those ports. As an example, port 9 may be a “self-sealing” port addressable by a needle (described in more detail below), with at least one side of port 9 having a layer of material ( (Not shown), when the needle is inserted and withdrawn through this material, it is usually impervious to species such as liquid introduced into or removed from the tip through this port. Form a seal.

また図1に示されるのは、いずれのインレットチャネル、アウトレットチャネル、またはチップの反応部位に対しても液体的に接続されるか、または接続可能であることが示されていない、一連のポート15である。ポート15は、層2における空隙によって規定されてもよく、そしてチップの種々の層および/またはこのチップに対して外部の環境の間およびその中で液体的接続を可能にするように用いられてもよい。例えば、層2が、種々の層において複数の反応部位を含む、多層チップの一部を形成する場合、別の層が、1セットの反応部位または導管を備える層2(中間の層(単数または複数)によって必要に応じて隔てられる)の片側に設けられてもよく、そして別の層が、必要に応じて中間層によって同様に隔てられる層2の反対側に設けられてもよく、そしてポート15が、層2の反対側のチップ層の反応部位および/または導管の間の液体接続の通路(passage)または通路(route)を規定してもよい。ポート15はまた、膜、例えば、半透過性膜によって反応部位4から隔てられた、この反応部位4を規定するチャンバとともに整列されたチャンバと連絡するチャネルに接続され得る。この方法では、液体は、チャンバおよび/または反応部位を一方がまたは両方が規定する、膜の片側の空間へ、その外側へ、および/またはそれを通じて独立して流されてもよく、そしてまたこの膜のもう一方の側の空間を通して独立して流されてもよい。   Also shown in FIG. 1 is a series of ports 15 that are not shown to be fluidly connected or connectable to any inlet channel, outlet channel, or reaction site of the chip. It is. Port 15 may be defined by voids in layer 2 and is used to allow a fluid connection between and within the various layers of the chip and / or the external environment to this chip. Also good. For example, if layer 2 forms part of a multi-layer chip that includes a plurality of reaction sites in various layers, another layer comprises layer 2 (an intermediate layer (single or A plurality of) may be provided on one side of) and optionally another layer may be provided on the opposite side of layer 2 that is also similarly separated by an intermediate layer and port. 15 may define a passage or route of liquid connection between the reaction sites and / or conduits of the tip layer opposite layer 2. The port 15 can also be connected to a channel that communicates with a chamber aligned with the chamber defining the reaction site 4 separated from the reaction site 4 by a membrane, eg, a semi-permeable membrane. In this method, the liquid may be independently flowed into, through and / or through the space on one side of the membrane, one or both defining the chamber and / or reaction site. It may flow independently through the space on the other side of the membrane.

図1では、各々の反応部位4は、関連する液体連絡(例えば、チャネル6および8、ポート9およびポート15)と一緒になって、点線によって示されるように、リアクター14を規定する。図1では、層2は、6つのこのようなリアクターを含み、各々のリアクターは実質的に同じ構成を有する。他の実施形態では、リアクターは、2つ以上の反応部位、チャネル、ポートなどを含んでもよい。さらに、チップの層は実質的に同じ構成を有さないリアクターを有してもよい。   In FIG. 1, each reaction site 4 together with associated liquid communication (eg, channels 6 and 8, port 9 and port 15) defines a reactor 14 as indicated by the dotted line. In FIG. 1, layer 2 includes six such reactors, each reactor having substantially the same configuration. In other embodiments, the reactor may include more than one reaction site, channel, port, and the like. Further, the layers of the chip may have reactors that do not have substantially the same configuration.

さらに図1に示されるのは、一連のデバイス16であり、これを用いてチップの他の層に対して層2を固定して、そして/またはチップが必要に応じて結合される他の層および/または他のシステムとの層2の整列を確実にすることができる。デバイス16は、スクリュー、ポスト、圧入(すなわち、他の層またはデバイスの対応する突出に適合する)などを規定し得る。当業者は、これらのようなデバイスを用いて他の構成要素またはシステムに対して、本発明の他の層および/またはチップに対する層を固定するための種々の適切な技術を認識している。   Also shown in FIG. 1 is a series of devices 16 that are used to secure layer 2 to other layers of the chip and / or other layers to which the chip is bonded as needed. And / or alignment of layer 2 with other systems can be ensured. Device 16 may define a screw, post, press fit (ie, conform to a corresponding protrusion of another layer or device), and the like. Those skilled in the art are aware of various suitable techniques for securing layers to other components and / or chips of the invention to other components or systems using devices such as these.

種々の規定が現在提供されており、これが本発明を理解することを補助する。これらの規定に従い、かつ組み入れられているのは、さらなる開示であり、これには本発明を詳細に記載する図面の説明を含む。以下の図面において示される構成要素は一般に、図1の層2と組み合わせて用いられ得る。図1では、そして他の図の全てにおいては、反応部位の配列、反応部位の数、反応部位、ポートなどにアドレスするチャネルの配置は単に、本発明全体の中におさまる例として示される。   Various provisions are presently provided to assist in understanding the present invention. Consistent with and incorporating these provisions is further disclosure, which includes a drawing description that details the invention. The components shown in the following figures can generally be used in combination with layer 2 of FIG. In FIG. 1, and in all other figures, the arrangement of channels addressing the sequence of reaction sites, the number of reaction sites, the reaction sites, ports, etc. is merely shown as examples that fall within the present invention.

本明細書において用いられる場合、「決定する(determining)」という用語は一般に、例えば、定量的もしくは定性的に、物質(例えば、反応部位内)の測定および/もしくは解析、またはこの物質の有無の検出をいう。「決定する」とはまた、例えば、定量的もしくは定性的に、またはこの相互作用の有無を検出することによる、2つ以上の物質の間の相互作用の測定および/もしくは解析をいう。本発明における使用に適切な技術の例としては、重量測定解析、熱量測定、圧力または温度測定、分光法、例えば赤外線、吸収、蛍光、UV/可視、FTIR(「フーリエ変換赤外分光法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)」)、またはラマン;重量測定技術;偏光解析法;圧電性測定;イムノアッセイ;電気化学的測定;光学測定、例えば、光学密度測定;円偏光二色性;光散乱測定、例えば、擬電光散乱;偏光分析法;屈折計法;または比濁分析を含む濁度測定が挙げられるがこれらに限定されない。   As used herein, the term “determining” generally refers to, for example, quantitatively or qualitatively measuring and / or analyzing a substance (eg, within a reaction site) or the presence or absence of this substance. Refers to detection. “Determining” also refers to the measurement and / or analysis of an interaction between two or more substances, eg, quantitatively or qualitatively or by detecting the presence or absence of this interaction. Examples of techniques suitable for use in the present invention include gravimetric analysis, calorimetry, pressure or temperature measurement, spectroscopy, eg infrared, absorption, fluorescence, UV / visible, FTIR (“Fourier Transform Infrared Spectroscopy (Fourier Transform Infrared Spectroscopy))), or Raman; gravimetric technique; ellipsometry; piezoelectric measurement; immunoassay; electrochemical measurement; optical measurement, eg optical density measurement; circular dichroism; Examples include, but are not limited to, quasi-electron scattering; ellipsometry; refractometry; or turbidimetry including nephelometry.

「チップ(chip)」とは本明細書において用いる場合、1つ以上のリアクターを含む一体型の物体である。「一体型の物体(integral article)」とは、一体成形の物質、またはお互いと一体に接続された構成要素のアセンブリを意味する。本明細書において用いる場合、「一体型に接続された(integrally connected)」という用語は、2つ以上の物体について言及する場合、正常な使用の経過中にお互いから分離されないようになった、例えば、手動で分離できない物体を意味する;分離には少なくともツールの使用の使用を要し、そして/またはこの構成要素の少なくとも一方に対して損傷を生じることによって、例えば、破壊、剥離などによって(分離する構成要素は接着剤、ツールなどを介して一緒に固定される)。   A “chip” as used herein is an integral object that includes one or more reactors. “Integral article” means a monolithic material or an assembly of components integrally connected to each other. As used herein, the term “integrated connected” when referring to two or more objects has become unseparated from each other during the course of normal use, eg Means an object that cannot be manually separated; separation requires at least the use of tools and / or causes damage to at least one of the components, for example by breaking, peeling, etc. The components to be fixed together via adhesives, tools, etc.).

チップは、全体的な反応システム、例えば、高処理能力システムを規定する大型の枠組みに接続されるかまたは挿入されてもよい。システムは、主に他のチップ、シャーシ、カートリッジ、カセットによって、ならびに/あるいはさらに大型の機械またはチャネルもしくは導管のセット、反応物質の供給源、細胞タイプ、および/または栄養物、インレット、アウトレット、センサー、アクチュエータ、および/または制御装置によって規定され得る。代表的には、チップは、一般的に平坦または平面の物体であってもよい(すなわち、他の次元に比較して比較的小さい1つの次元を有する);しかし、ある場合には、チップは、平坦ではない物体であってもよく、例えば、チップは立方体形状、曲面、固体またはブロックの形状などを有してもよい。   The chip may be connected to or inserted into a large framework that defines the overall reaction system, eg, a high throughput system. The system is mainly by other chips, chassis, cartridges, cassettes and / or larger machines or sets of channels or conduits, reactant sources, cell types and / or nutrients, inlets, outlets, sensors , Actuators, and / or control devices. Typically, the chip may be a generally flat or planar object (ie, having one dimension that is relatively small compared to the other dimensions); however, in some cases, the chip is For example, the chip may have a cubic shape, a curved surface, a solid or block shape, and the like.

本明細書において用いる場合、「膜(membrane)」は、任意の形状を有する三次元の物質であり、その結果この次元の1つは実質的に他の次元よりも小さい。ある場合にはこの膜は一般に可撓性であっても非剛直であってもよい。例えば、膜は、ミリメートル、センチメートルという程度以上の長さおよび幅、ならびにミリメートル未満、ある場合には100ミクロン未満、10ミクロン未満、または1ミクロン以下の厚みを有する長方形であっても丸い物体であってもよい。膜は、反応部位および/またはリアクターの一部分を規定してもよいし、あるいは膜を用いて反応部位を、実質的に同じかまたは異なる容積または寸法を有し得る2つ以上の部分に分けてもよい。いくつかの膜は、少なくとも1つの種に関して膜透過性であるが、少なくとも1つの他の種に関して容易に透過性ではないことを当業者が認識している半透過性の膜であってもよい。例えば、半透過性の膜はそれを横切って酸素が透過することを可能にし得るが、水蒸気が透過することを可能にしないか、または水蒸気が透過することを可能にするが、ただし少なくとも1つの1ケタ程度未満の大きさの透過性であり得る。または半透過性の膜は、水がそれを横切って通過するように、ただし特定のイオンが通過しないように選択されてもよい。例えば、膜は、陽イオンを透過性であって、かつ実質的に陰イオンを不透過性であってもよく、または陰イオンを透過性であって、かつ陽イオンを実質的に不透過性であってもよい(例えば、陽イオン交換膜および陰イオン交換膜)。別の例では、この膜は、約1キロダルトン、10キロダルトン、または100キロダルトン以上の大きさの分子量を有する分子に対して実質的に不透過性であってもよい。1つの実施形態では、膜は細胞に対して不透過性であってもよいが、種々の選択された物質に対して透過性であるように選択されてもよい;例えば、膜は、栄養物、タンパク質および細胞によって生成される他の分子、廃棄物などに対して透過性であってもよい。他の場合には、膜はガス不透過性であってもよい。いくつかの膜は、特定の光(例えば、赤外線、UV、または可視光;膜を利用するデバイスが相互作用する波長の光;他に示さない限り可視光)に対して透明である。膜が実質的に透明である場合、本明細書においてさらに詳細に記載するように、膜は光の50%以下を、または他の実施形態では、光の25%または10%以下を吸収する。ある場合には、膜は、半透過性かつ実質的に透明の両方であってもよい。他の実施形態では膜を用いて、第二の部分、例えば、リザーバから細胞培養物を支持するように構築されかつ配列された反応部位を分割してもよい。例えば、反応部位は、3つの部分、4つの部分、または5つの部分に分割されてもよい。例えば、反応部位は、第一のリザーバ部分および2つのさらなるリザーバ部分に隣接する、第一の細胞培養部分および第二の細胞内用培養部分に分割されてもよく、そのうちの1つが第一の細胞培養部分から膜によって隔てられ、もう一方は第二の細胞培養部分から膜によって隔てられる。当然ながら、当業者は、以下にさらに記載されるように、種々の数の細胞培養部分、リザーバ部分などを有する他の配列を設計し得る。   As used herein, a “membrane” is a three-dimensional material having an arbitrary shape, so that one of the dimensions is substantially smaller than the other dimension. In some cases, the membrane may generally be flexible or non-rigid. For example, the membrane may be a rectangular or round object having a length and width greater than or equal to millimeters, centimeters, and a thickness of less than millimeters, in some cases less than 100 microns, less than 10 microns, or less than 1 micron. There may be. The membrane may define a reaction site and / or a portion of the reactor, or the membrane is used to divide the reaction site into two or more parts that may have substantially the same or different volumes or dimensions. Also good. Some membranes may be semipermeable membranes that are recognized by those skilled in the art to be membrane permeable for at least one species, but not readily permeable for at least one other species. . For example, a semi-permeable membrane may allow oxygen to pass therethrough but does not allow water vapor to pass therethrough or allows water vapor to pass therethrough, provided that at least one of Permeability can be as small as a single digit. Alternatively, the semi-permeable membrane may be selected so that water passes across it, but certain ions do not pass. For example, the membrane may be cation permeable and substantially anion impermeable, or anion permeable and cation substantially impermeable. (For example, a cation exchange membrane and an anion exchange membrane). In another example, the membrane may be substantially impermeable to molecules having a molecular weight greater than or equal to about 1 kilodalton, 10 kilodalton, or 100 kilodalton. In one embodiment, the membrane may be impermeable to cells, but may be selected to be permeable to a variety of selected substances; for example, the membrane may be a nutrient It may be permeable to proteins and other molecules produced by cells, waste, etc. In other cases, the membrane may be gas impermeable. Some films are transparent to certain light (eg, infrared, UV, or visible light; the wavelength of light with which the device utilizing the film interacts; visible light unless otherwise indicated). If the film is substantially transparent, the film absorbs no more than 50% of light, or in other embodiments, no more than 25% or 10% of light, as described in more detail herein. In some cases, the membrane may be both semi-permeable and substantially transparent. In other embodiments, a membrane may be used to divide a reaction site constructed and arranged to support a cell culture from a second portion, eg, a reservoir. For example, the reaction site may be divided into three parts, four parts, or five parts. For example, the reaction site may be divided into a first cell culture portion and a second intracellular culture portion adjacent to the first reservoir portion and the two additional reservoir portions, one of which is the first The cell culture portion is separated by a membrane and the other is separated from the second cell culture portion by a membrane. Of course, one skilled in the art can design other sequences having various numbers of cell culture portions, reservoir portions, etc., as described further below.

本明細書において用いる場合、「実質的に透明な(substantially transparent)」物質(例えば、膜)とは、有意な散乱なしに電磁放射線がこの物質を透過することを可能にして、その結果、この物質を通過する電磁放射線の強度が、この放射線が化学的、生化学的または生物学的な反応のようなこの物質の他の面の上の物質、または細胞との相互作用をすることを可能にするのに十分である物質である。ある場合には、この物質は、赤外線と紫外線との間にわたる(可視光を含む)、詳細には約400〜410nmと約1,000nmとの間の波長の電磁放射線を入射するように実質的に透明である。ある場合には、この物質は約400〜410nmと約800nmとの間の波長の電磁放射線に対して透明であってもよく、そしてある実施形態では、この物質は、約450nmと700nmとの間の波長の放射線に対して実質的に透明であってもよい。この実質的に透明な物質は、ある場合には電磁放射線を透過することが可能であってもよく、その結果、この物質の通過に対して放射線入射のほとんどが変更されず、ある実施形態では、この入射放射線の少なくとも約50%、他の実施形態では少なくとも約75%、他の実施形態では少なくとも約80%、さらに他の実施形態では少なくとも約90%、さらに他の実施形態では少なくとも約95%、さらに他の実施形態では少なくとも約97%、そしてさらに他の実施形態では少なくとも約99%が変更されることなくこの物質を通過し得る。特定の場合には、この物質は、例えば、以前に記載されたように、反応部位内で生じる物理的、化学的、生化学的および/または生物学的反応を促進および/またはモニターするのに必要な程度まで上述の波長範囲内で電磁放射線に対して、少なくとも部分的に透明である。他の実施形態では、この物質は、反応部位内の細胞をモニター、観察、刺激および/または制御するのに必要な程度まで、上述の波長範囲内で電磁放射線に対して透明であり得る。   As used herein, a “substantially transparent” material (eg, a film) allows electromagnetic radiation to penetrate the material without significant scattering, so that The intensity of electromagnetic radiation that passes through the substance allows it to interact with substances on other surfaces of this substance, such as chemical, biochemical or biological reactions, or with cells A substance that is sufficient to make it. In some cases, the material is substantially incident to electromagnetic radiation having a wavelength ranging between infrared and ultraviolet (including visible light), particularly between about 400-410 nm and about 1,000 nm. It is transparent. In some cases, the material may be transparent to electromagnetic radiation at a wavelength between about 400-410 nm and about 800 nm, and in certain embodiments, the material is between about 450 nm and 700 nm. It may be substantially transparent to radiation of a wavelength of. This substantially transparent material may be capable of transmitting electromagnetic radiation in some cases, so that most of the radiation incidence is unchanged with respect to the passage of this material, and in certain embodiments At least about 50% of this incident radiation, at least about 75% in other embodiments, at least about 80% in other embodiments, at least about 90% in yet other embodiments, and at least about 95 in yet other embodiments. %, In yet other embodiments at least about 97%, and in still other embodiments at least about 99% may pass through the material without modification. In certain cases, this material may be used, for example, to promote and / or monitor physical, chemical, biochemical and / or biological reactions that occur within the reaction site, as previously described. To the extent necessary, it is at least partially transparent to electromagnetic radiation within the above-mentioned wavelength range. In other embodiments, the material may be transparent to electromagnetic radiation within the wavelength range described above to the extent necessary to monitor, observe, stimulate and / or control cells within the reaction site.

本明細書において用いる場合、「リアクター(reactor)」とは、反応部位、任意のチャンバ(反応チャンバおよび付属チャンバを含む)、チャネル、ポート、インレットおよび/またはアウトレット(すなわち、反応部位につながるかまたはそれから由来する)、センサー、アクチュエータ、プロセッサー、制御装置、膜などを含む構成要素の組み合わせであり、これらは一緒になって、反応部位で、生物学的、化学的または生化学的反応、相互作用、操作または実験を、促進および/またはモニターするように作動し、そしてチップの一部であってもよい。例えば、チップは少なくとも5つ、少なくとも10、少なくとも20、少なくとも50、少なくとも100、少なくとも500または少なくとも1,000個以上のリアクターを含んでもよい。リアクターの例としては、化学的または生物学的なリアクター、および細胞培養デバイス、ならびに本明細書において参考として援用される、WO01/68257として、2001年9月20日に公開された、国際特許出願番号PCT/US01/07679に記載されるリアクターが挙げられる。リアクターは、1つ以上の反応部位またはチャンバを備えてもよい。このリアクターは、任意の化学的、生化学的および/または生物学的な目的、例えば、細胞増殖、薬品製造、化学的合成、有害化学物質生成、薬物スクリーニング、物質スクリーニング、薬物開発、化学兵器の化学的治療などのために用いられ得る。例えば、リアクターは、細胞または組織の極めて小規模の培養を容易にするために用いられ得る。1セットの実施形態では、本発明のリアクターは、数ミリメートルから数センチのサイズのマトリックスまたは基板を備え、これが例えば数十または数百マイクロメートルの大きさのチャネルを備える。目的の試薬は、これらのチャネルを通じて、例えば、反応部位、または種々の反応部位の間へ流れることが可能にされてもよく、そしてこの試薬はいくつかの方式では混合されても反応されてもよい。このような反応の産物は、特定の場合にはこのシステム内で回収、分離および処理されてもよい。   As used herein, a “reactor” is a reaction site, any chamber (including the reaction chamber and attached chamber), channel, port, inlet and / or outlet (ie, connected to or Derived from), a combination of components including sensors, actuators, processors, controllers, membranes, etc., which together, at the reaction site, biological, chemical or biochemical reaction, interaction , Operates to facilitate and / or monitor operations or experiments, and may be part of the chip. For example, a chip may include at least 5, at least 10, at least 20, at least 50, at least 100, at least 500, or at least 1,000 or more reactors. Examples of reactors include chemical or biological reactors and cell culture devices and international patent applications published on September 20, 2001 as WO 01/68257, incorporated herein by reference. And the reactor described under the number PCT / US01 / 07679. The reactor may comprise one or more reaction sites or chambers. This reactor can be used for any chemical, biochemical and / or biological purposes such as cell growth, drug production, chemical synthesis, hazardous chemical production, drug screening, substance screening, drug development, chemical weaponry It can be used for chemical therapy and the like. For example, the reactor can be used to facilitate very small scale culture of cells or tissues. In one set of embodiments, the reactor of the present invention comprises a matrix or substrate sized from a few millimeters to a few centimeters, which comprises channels sized for example tens or hundreds of micrometers. The reagent of interest may be allowed to flow through these channels, for example, to a reaction site, or between various reaction sites, and the reagent may be mixed or reacted in some manner. Good. The product of such a reaction may be recovered, separated and processed in this system in certain cases.

本明細書において用いる場合、「反応部位(reaction site)」とは、リアクターの使用の間に物理的、化学的、生化学的および/または生物学的反応を生じるように構築かつ配列される、リアクター内の部位として規定される。2つ以上の反応部位がリアクターまたはチップ内に存在してもよく、ある場合には、例えば、少なくとも1つの反応部位、少なくとも2つの反応部位、少なくとも3つの反応部位、少なくとも4つの反応部位、少なくとも5つの反応部位、少なくとも7つの反応部位、少なくとも10個の反応部位、少なくとも15の反応部位、少なくとも20個の反応部位、少なくとも30個の反応部位、少なくとも40個の反応部位、少なくとも50個の反応部位、少なくとも100個の反応部位、少なくとも500個の反応部位、または少なくとも1,000個以上の反応部位がリアクターまたはチップ内に存在してもよい。この反応部位は、反応が生じさせられる領域として規定され得る;例えば、リアクターは、チャンネル内、1つ以上のチャンバ、2つ以上のチャネルの交差部分などで反応を生じるように構築かつ配列されてもよい。反応は、例えば、混合または分離プロセス、2つ以上の化学物質の間の反応、光起動性または光阻害性の反応、生物学的プロセスなどであってもよい。ある実施形態では、反応は、化学的変化をもたらさない光との相互作用に関与し得、例えば、光の光子は、反応部位に会合する物質によって吸収されて、熱エネルギーに変換されるかまたは蛍光として再放射され得る。特定の実施形態では、反応部位は1つ以上の細胞および/または組織を含んでもよい。従って、ある場合には、反応部位は、細胞がリアクター内に配置されるべき位置の周囲の領域、例えばリアクター内の細胞親和性の領域として規定され得る。   As used herein, a “reaction site” is constructed and arranged to produce a physical, chemical, biochemical and / or biological reaction during use of the reactor. Defined as a site within the reactor. More than one reaction site may be present in the reactor or chip, in some cases, for example, at least one reaction site, at least two reaction sites, at least three reaction sites, at least four reaction sites, at least 5 reactive sites, at least 7 reactive sites, at least 10 reactive sites, at least 15 reactive sites, at least 20 reactive sites, at least 30 reactive sites, at least 40 reactive sites, at least 50 reactive sites There may be sites, at least 100 reaction sites, at least 500 reaction sites, or at least 1,000 or more reaction sites in the reactor or chip. This reaction site may be defined as the region in which the reaction occurs; for example, the reactor is constructed and arranged to generate a reaction within a channel, in one or more chambers, at the intersection of two or more channels, etc. Also good. The reaction may be, for example, a mixing or separation process, a reaction between two or more chemicals, a photo-initiated or light-inhibited reaction, a biological process, and the like. In certain embodiments, the reaction may involve an interaction with light that does not cause a chemical change, for example, a photon of light is absorbed by a substance associated with the reaction site and converted to thermal energy or It can be re-emitted as fluorescence. In certain embodiments, the reaction site may include one or more cells and / or tissues. Thus, in some cases, the reaction site may be defined as a region around the location where cells are to be placed in the reactor, eg, a cytophilic region in the reactor.

ある場合には、細胞を含む反応部位は、例えばこの反応部位が液体で完全に充填されない場合、ガスを含む領域(例えば、「ガスヘッドスペース(gas head space)」)を含んでもよい。このガスヘッドスペースは、ある場合には、ガス透過性または半透過性膜の使用を通じて、反応部位から別々に隔てられてもよい。ある場合には、ガスヘッドスペースは、温度および/または他の反応条件をモニターするために種々のセンサーを備えてもよい。   In some cases, a reaction site containing cells may include a region containing a gas (eg, a “gas head space”) if, for example, the reaction site is not completely filled with liquid. This gas headspace may in some cases be separated from the reaction site separately through the use of a gas permeable or semi-permeable membrane. In some cases, the gas headspace may include various sensors to monitor temperature and / or other reaction conditions.

本発明の多くの実施形態および構成は、チップまたはリアクターに関して記載されており、当業者は、本発明がいずれかまたは両方に適用できるということを認識する。例えば、チャネルの構成は、1つの状況で記載されてもよいが、この構成は他の状況(または代表的には、両方:チップの部分であるリアクター)にも適用できることが認識される。リアクターまたはチップの状況で示される本明細書に記載の全ての説明は、本明細書の「チップ(chip)」および「リアクター(reactor)」の定義の状況における構成の説明と矛盾しないかぎり、他にも適用されるということが理解されるべきである。   Many embodiments and configurations of the present invention have been described with respect to chips or reactors, and those skilled in the art will recognize that the present invention is applicable to either or both. For example, the configuration of the channel may be described in one situation, but it will be appreciated that this arrangement can be applied to other situations (or typically both: reactors that are part of the chip). All descriptions given herein in the context of the reactor or chip are otherwise consistent with the description of the configuration in the context of the “chip” and “reactor” definitions herein. It should be understood that this also applies.

ある実施形態では、この反応部位は、幾何学的な考慮によって規定され得る。例えば、反応部位は、リアクターにおけるチャンバ、チャネル、2つ以上のチャネルの交差部、またはいくつかの方式で規定される他の位置として規定され得る(例えば、リアクターおよび/またはチップを規定し得る物質内で形成またはエッチングされる)。反応部位を規定する他の方法も可能である。ある実施形態では、反応部位は、例えば、2つ以上の液体の交差部もしくは結合部によって(例えば、1個または数個のチャネル内)、または例えば、液体フローを拘束するために表面上に隆起またはリッジを用いることにより表面上に液体を拘束することによって、人工的に作製されてもよい。他の実施形態では、この反応部位は、電気的、磁気的および/または光学的なシステムを通じて規定されてもよい。例えば、反応部位は、光のビームと液体のチャネルとの間の交差部として規定され得る。   In certain embodiments, the reaction site may be defined by geometric considerations. For example, a reaction site may be defined as a chamber in a reactor, a channel, the intersection of two or more channels, or other locations defined in some manner (eg, a substance that may define a reactor and / or a chip) Formed or etched in). Other methods of defining the reaction site are possible. In certain embodiments, the reaction site is raised on a surface, for example, by two or more liquid intersections or junctions (eg, within one or several channels), or, for example, to constrain liquid flow Or it may be made artificially by constraining the liquid on the surface by using a ridge. In other embodiments, the reactive site may be defined through an electrical, magnetic and / or optical system. For example, the reaction site may be defined as the intersection between a beam of light and a liquid channel.

反応部位の容積は、特定の実施形態では極めて小さくてもよい。詳細には、反応部位は、種々の実施形態において、1リットル未満、約100ml未満、約10ml未満、約5ml未満、約3ml未満、約2ml未満、約1ml未満、約500μl未満、約300μl未満、約200μl未満、約100μl未満、約50μl未満、約30μl未満、約20μl未満または約10μl未満の容積を有してもよい。反応部位はまた、特定の場合には、約5μl未満、または約1μl未満の容積を有してもよい。反応部位は、任意の都合の良いサイズおよび/または形状を有してもよい。別のセットの実施形態では、この反応部位は、500ミクロン以下の深さ、200ミクロン以下の深さ、または100ミクロン以下の深さの寸法を有してもよい。   The volume of the reaction site may be very small in certain embodiments. Specifically, the reaction site is, in various embodiments, less than 1 liter, less than about 100 ml, less than about 10 ml, less than about 5 ml, less than about 3 ml, less than about 2 ml, less than about 1 ml, less than about 500 μl, less than about 300 μl, It may have a volume of less than about 200 μl, less than about 100 μl, less than about 50 μl, less than about 30 μl, less than about 20 μl or less than about 10 μl. The reaction site may also have a volume of less than about 5 μl, or less than about 1 μl in certain cases. The reaction site may have any convenient size and / or shape. In another set of embodiments, the reaction site may have a dimension of a depth of 500 microns or less, a depth of 200 microns or less, or a depth of 100 microns or less.

ある場合には、細胞が反応部位に存在してもよい。チップまたはリアクターに会合したセンサー(単数または複数)は、特定の場合には、細胞の数、細胞の密度、細胞の状態または健常度、細胞タイプ、細胞の生理学などを決定することができるかもしれない。特定の場合には、リアクターはまた、例えば、化学的反応または生存細胞を支持するような方法で、反応部位に関連する1つ以上の環境要因を維持または制御し得る。1セットの実施形態では、センサーは反応部位内の環境要因において適切な変化を生じ得るアクチュエータおよび/またはマイクロプロセッサーに接続されてもよい。アクチュエータは、外部ポンプに接続されてもよく、アクチュエータはリザーバからの物質の放出を生じてもよく、またはアクチュエータは音響または電磁エネルギーを生じて反応部位を加熱してもよく、またはそのエネルギーに感受性のタイプの細胞を選択的に殺傷してもよい。リアクターは、2つ以上の反応部位、ならびにこの反応部位(単数または複数)に会合された1つ以上のセンサー、アクチュエータ、プロセッサー、および/または制御システムを備えてもよい。本明細書に開示される任意の反応部位またはセンサー技術は、他の反応部位およびセンサーの任意の組み合わせと組み合わせて提供され得ることが理解されるべきである。   In some cases, cells may be present at the reaction site. The sensor (s) associated with the chip or reactor may be able to determine, in certain cases, the number of cells, cell density, cell status or health, cell type, cell physiology, etc. Absent. In certain cases, the reactor may also maintain or control one or more environmental factors associated with the reaction site, such as in a manner that supports chemical reactions or viable cells. In one set of embodiments, the sensors may be connected to actuators and / or microprocessors that can make appropriate changes in environmental factors within the reaction site. The actuator may be connected to an external pump, the actuator may cause the release of material from the reservoir, or the actuator may generate acoustic or electromagnetic energy to heat the reaction site or be sensitive to that energy These types of cells may be selectively killed. The reactor may comprise two or more reaction sites and one or more sensors, actuators, processors, and / or control systems associated with the reaction site (s). It should be understood that any reaction site or sensor technology disclosed herein may be provided in combination with any combination of other reaction sites and sensors.

本明細書において用いる場合、「チャネル(channel)」は、リアクターおよび/またはチップ(反応部位の内か、それにつながるか、またはそれからつながる)と会合した導管であり、これは、例えば、以下にさらに記載されるように、1つ以上の液体を特異的に1つの位置から別の位置に、例えば、リアクターもしくはチップのインレットから反応部位へ移動することができる。物質(例えば、液体、細胞、粒子など)は、チャネルを通じて、連続的に、無作為に、間欠的になどで流れてもよい。チャネルは閉鎖されたチャネルであっても、または開口、例えば、リアクターもしくはこのリアクターを含むチップを囲む外部環境に対して開口されたチャネルであってもよい。このチャネルは、液体輸送に対する制御を容易にする特徴、例えば、構造的特徴(例えば、細長い圧入)、物理的/化学的特徴(例えば、疎水性対親水性)、および/またはチャネル内にある場合に液体に対して力(例えば、力を含む)を発揮し得る他の特徴を備えてもよい。チャネル内の液体は、チャネルを部分的にまたは完全に充填してもよい。ある場合には、この液体は、いくつかの方式で、例えば、表面張力を用いて、チャネルの内側またはチャネルの一部に保持されても拘束されてもよい(すなわち、液体がメニスカス、例えば、凹面または凸面のメニスカス内のチャネル内に保持されるように)。このチャネルは、液体の輸送を可能にする任意の適切な断面形状を有してもよい、例えば、四角いチャネル、円形のチャネル、丸くなったチャネル、長方形のチャネル(例えば、任意の縦横比を有する)、三角形のチャネル、不規則なチャネルなど。チャネルは、リアクターまたはチップ内のいずれのサイズであってもよい。例えば、チャネルは、ある場合には約1000μm未満、他の場合には約500μm未満、他の場合には約400μm未満、他の場合には約300μm未満、さらに他の場合には約200μm未満、さらに他の場合には約100μm未満、またはさらに他の場合には約50もしくは25μm未満という、チャネル内の液体フローの方向に対する最大寸法の垂線を有してもよい。ある実施形態では、このチャネルの寸法は、例えば液体が細胞を含む場合、この液体がこのチャネルを通じて自由に流れることができるように選択され得る。このチャネルの寸法はまた、特定の場合には、例えば、このチャネル内の液体の特定の定量的流速または直線的流速を可能にするように選択されてもよい。1つの実施形態では、液体フローの方向に対して垂直な他の最大の寸法の深さは、このチャネルが液体連絡している反応部位の深さと同様であってもよい。当然ながら、チャネルの数、チャネルの形状または幾何、ならびにこのチップ内のチャネルの位置は、当業者によって決定され得る。   As used herein, a “channel” is a conduit associated with a reactor and / or a chip (within, connected to, or connected to a reaction site), for example, As described, one or more liquids can be specifically moved from one location to another, eg, from a reactor or chip inlet to a reaction site. Substances (eg, liquids, cells, particles, etc.) may flow through the channel continuously, randomly, intermittently, etc. The channel may be a closed channel or an opening, eg, a channel open to the external environment surrounding the reactor or chip containing the reactor. The channel is in a feature that facilitates control over liquid transport, such as structural features (eg, elongated press-fit), physical / chemical features (eg, hydrophobic versus hydrophilic), and / or within the channel Other features that can exert a force (eg, including a force) on the liquid may be provided. The liquid in the channel may partially or completely fill the channel. In some cases, the liquid may be retained or constrained in some manner, for example, using surface tension, inside the channel or in a portion of the channel (i.e., the liquid is meniscus, e.g., To be retained in a channel in a concave or convex meniscus). The channel may have any suitable cross-sectional shape that allows liquid transport, e.g., a square channel, a circular channel, a rounded channel, a rectangular channel (e.g., having any aspect ratio) ), Triangular channels, irregular channels, etc. The channel can be any size in the reactor or chip. For example, the channel may be less than about 1000 μm in some cases, less than about 500 μm in other cases, less than about 400 μm in other cases, less than about 300 μm in other cases, and less than about 200 μm in other cases, In still other cases, it may have a maximum dimension normal to the direction of liquid flow in the channel, less than about 100 μm, or even less than about 50 or 25 μm. In certain embodiments, the dimensions of the channel can be selected such that, for example, if the liquid contains cells, the liquid can flow freely through the channel. The dimensions of the channel may also be selected in certain cases, for example to allow for a specific quantitative or linear flow rate of the liquid in the channel. In one embodiment, the depth of the other largest dimension perpendicular to the direction of liquid flow may be similar to the depth of the reaction site with which this channel is in liquid communication. Of course, the number of channels, the shape or geometry of the channels, and the position of the channels within the chip can be determined by those skilled in the art.

本発明のチップはまた、例えば、1つ以上のリアクターおよび/または反応部位に向かって、任意の種々の反応物質、生成物および/または液体を受容するか、そして/または出力し得る、複数のインレットおよび/またはアウトレットを備えてもよい。ある場合には、インレットおよび/またはアウトレットは化合物の無菌的な移動を可能にし得る。複数のインレットおよび/またはアウトレットの少なくとも一部は、チップ内の1つ以上の反応部位と液体連絡されてもよい。ある実施形態では、このインレットおよび/またはアウトレットはまた、以下にさらに記載されるように、1つ以上のセンサーおよび/またはアクチュエータを備えてもよい。本質的に、チップは、1つ以上のリアクターおよび/または反応部位と液体連絡され得る、1個から数千個の任意の数のインレットおよび/またはアウトレットを有してもよい。5または10未満のインレットおよび/またはアウトレットが、特定の反応、例えば、生物学的反応または生化学的反応のためにリアクターおよび/または反応部位(単数または複数)に設けられてもよい。ある場合には、各々のリアクターは、約25個のインレットおよび/またはアウトレット、他の場合には約50個のインレットおよび/またはアウトレット、さらに他の場合には約75個のインレットおよび/またはアウトレット、あるいはさらに他の場合には約100個以上のインレットおよび/またはアウトレットを有してもよい。   The chip of the present invention may also be capable of receiving and / or outputting any of a variety of reactants, products and / or liquids, eg, toward one or more reactors and / or reaction sites. An inlet and / or outlet may be provided. In some cases, the inlet and / or outlet may allow aseptic transfer of the compound. At least some of the plurality of inlets and / or outlets may be in fluid communication with one or more reaction sites in the chip. In certain embodiments, the inlet and / or outlet may also include one or more sensors and / or actuators, as described further below. In essence, the chip may have any number of inlets and / or outlets from one to thousands that can be in fluid communication with one or more reactors and / or reaction sites. Less than 5 or 10 inlets and / or outlets may be provided in the reactor and / or reaction site (s) for certain reactions, eg, biological or biochemical reactions. In some cases, each reactor has about 25 inlets and / or outlets, in other cases about 50 inlets and / or outlets, and in other cases about 75 inlets and / or outlets. Or, in other cases, may have about 100 or more inlets and / or outlets.

1実施例として、1つ以上のリアクターおよび/または反応部位に向かう、チップのインレットおよび/またはアウトレットは、液体、例えばガスまたは液体のための、例えば、廃棄物の流れ、反応物質の流れ、生成物の流れ、不活発な流れなどのためのインレットおよび/またはアウトレットを備えてもよい。ある場合には、このチップは、リアクターおよび/または反応部位に進入するかまたは出て行く液体が、その中で生じ得る反応を実質的に妨害しないように構築かつ整列されてもよい。例えば、液体は、反応部位内で生じる化学的、生化学的および/または生物学的反応における反応の速度に影響することもなく、反応部位内に存在し得る細胞を妨害することもおよび/または破壊することもなく、反応部位に進入するか、および/または出て行くことができる。インレットおよび/またはアウトレットのガスの例としては、CO、CO、酸素、水素、NO、NO、水蒸気、窒素、アンモニア、酢酸などが挙げられるがこれらに限定されない。別の実施例のように、インレットおよび/またはアウトレットの液体としては、液体および/またはそこに含まれる他の物質、例えば、水、生理食塩水、細胞、細胞培養培地、血液または他の体液、抗生物質、pH緩衝液、溶媒、ホルモン、炭水化物、栄養物、増殖因子、治療剤(または治療因子と思われるもの)、消泡剤(例えば、泡および気泡の生成を妨げる)、タンパク質、抗体などを含んでもよい。インレットおよび/またはアウトレットの液体はまた、ある場合には、代謝物を含み得る。本明細書において用いる場合、「代謝物(metabolite)」とは、細胞によって代謝され得る任意の分子である。例えば、代謝物は、エネルギー源、例えば炭水化物または糖、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、デンプン、コーンシロップなどであってもそれらを含んでもよい。他の代謝物の例としては、ホルモン、酵素、タンパク質、シグナル伝達ペプチド、アミノ酸などが挙げられる。 As an example, the inlets and / or outlets of the chip, which are directed to one or more reactors and / or reaction sites, are for liquids, eg gases or liquids, eg waste streams, reactant streams, production Inlets and / or outlets for material flow, inactive flow, etc. may be provided. In some cases, the chip may be constructed and aligned such that liquid entering or exiting the reactor and / or reaction site does not substantially interfere with reactions that may occur therein. For example, the liquid may not interfere with the rate of reaction in chemical, biochemical and / or biological reactions that occur within the reaction site, may interfere with cells that may be present within the reaction site, and / or It can enter and / or exit the reaction site without destroying it. Examples of inlet and / or outlet of the gas, CO 2, CO, oxygen, hydrogen, NO, NO 2, water vapor, nitrogen, ammonia, and acetic acid and the like without limitation. As another example, the inlet and / or outlet liquid may include liquid and / or other substances contained therein, such as water, saline, cells, cell culture media, blood or other body fluids, Antibiotics, pH buffers, solvents, hormones, carbohydrates, nutrients, growth factors, therapeutic agents (or what seems to be therapeutic factors), antifoams (eg, prevent the generation of bubbles and bubbles), proteins, antibodies, etc. May be included. Inlet and / or outlet liquids may also contain metabolites in some cases. As used herein, a “metabolite” is any molecule that can be metabolized by a cell. For example, the metabolite may be or include an energy source such as a carbohydrate or sugar such as glucose, fructose, galactose, starch, corn syrup and the like. Examples of other metabolites include hormones, enzymes, proteins, signaling peptides, amino acids and the like.

インレットおよび/またはアウトレットは、当業者に公知の任意の適切な技術によって、例えば、基板層のようなチップ内またはチップの一部内のパンチ、穿孔、成型、圧搾などである穴または開口によって、チップ内に形成されてもよい。ある場合には、このインレットおよび/またはアウトレットは、例えば、弾性の物質で裏打ちされてもよい。特定の実施形態では、このインレットおよび/またはアウトレットは、いくつかの例では再使用され得る自己密閉式物質を用いて構築され得る。例えば、インレットおよび/またはアウトレットは、このインレットおよび/またはアウトレットを液密にする物質から構築されてもよい(すなわち、インレットおよび/またはアウトレットは、外部の駆動力の適用なしに液体を通過させないが、特定の条件下では物質に浸透できるニードルまたは他の機械的デバイスの挿入を可能にさせ得る)。ある場合には、ニードルまたは他の機械的デバイスの除去の際、この物質は、その液密特性を再獲得することができるかもしれない(すなわち、「自己密閉」物質)。本発明とともに用いるために適切な自己密閉物質の非限定的な例としては、例えば、ポリマー、例えば、ポリジメチルシロキサン(「PDMS」)、天然ゴム、HDPE、またはシリコーン物質、例えば、処方物RTV 108、RTV 615、またはRTV 118(General Electric,New York,NY)が挙げられる。   Inlets and / or outlets may be formed by any suitable technique known to those skilled in the art, for example, by holes or openings that are punched, drilled, molded, squeezed, etc. in the chip, such as a substrate layer, or in a portion of the chip. It may be formed inside. In some cases, the inlet and / or outlet may be lined with an elastic material, for example. In certain embodiments, the inlet and / or outlet may be constructed with a self-sealing material that may be reused in some examples. For example, the inlet and / or outlet may be constructed from a material that makes the inlet and / or outlet liquid-tight (ie, the inlet and / or outlet will not allow liquid to pass through without the application of an external driving force). May allow the insertion of needles or other mechanical devices that can penetrate the substance under certain conditions). In some cases, upon removal of the needle or other mechanical device, this material may be able to reacquire its liquid tight properties (ie, a “self-sealing” material). Non-limiting examples of suitable self-sealing materials for use with the present invention include, for example, polymers such as polydimethylsiloxane ("PDMS"), natural rubber, HDPE, or silicone materials such as formulation RTV 108. , RTV 615, or RTV 118 (General Electric, New York, NY).

ある実施形態では、本発明のチップは、極めて小さい要素、例えば、ミリメートル未満または微量流体の要素を備えてもよい。例えば、ある場合には、このチップは、例えば、100mm、80mm、50mmまたは10mmと同程度の断面寸法を有する少なくとも1つの反応部位を有してもよい。ある実施形態では、この反応部位は、例えば、100mm、80mm、50mmまたは10mmと同程度の最大断面寸法を有してもよい。本明細書において用いる場合、「断面(cross section)」とは、反応部位の2つの反対の境界の間で測定された距離をいい、そして「最大断面(maximum cross section)」とは、測定され得る2つの反対の境界の間の最大の距離をいう。他の実施形態では、反応部位の断面または最大断面は、5mm未満、2mm未満、1mm未満、500μm未満、300μm未満、100μm未満、10μm未満、または1μm以下であってもよい。本明細書において用いる場合、「微小流体チップ(microfluidic chip)」は、ミリメートル未満の断面を有する、すなわち1mm未満の断面を有する、少なくとも1つの液体要素を含むチップである。1つの特定の非限定的な例としては、反応部位は80mmの幅、10mmの幅、および5mmの深さを有する一般に長方形の形状を有し得る。   In certain embodiments, the chip of the present invention may comprise very small elements, eg, submillimeter or microfluidic elements. For example, in some cases, the tip may have at least one reaction site having a cross-sectional dimension on the order of 100 mm, 80 mm, 50 mm, or 10 mm, for example. In certain embodiments, the reaction site may have a maximum cross-sectional dimension on the order of 100 mm, 80 mm, 50 mm, or 10 mm, for example. As used herein, “cross section” refers to the distance measured between two opposite boundaries of the reaction site, and “maximum cross section” is measured. It refers to the maximum distance between two opposite boundaries that can be obtained. In other embodiments, the cross-section or maximum cross-section of the reaction site may be less than 5 mm, less than 2 mm, less than 1 mm, less than 500 μm, less than 300 μm, less than 100 μm, less than 10 μm, or 1 μm or less. As used herein, a “microfluidic chip” is a chip that includes at least one liquid element that has a cross section of less than a millimeter, ie, a cross section of less than 1 mm. As one specific, non-limiting example, the reaction site may have a generally rectangular shape with a width of 80 mm, a width of 10 mm, and a depth of 5 mm.

1つの反応部位が、本明細書に記載のような小容積の液体を保持および/または反応することができるかもしれないが、本発明に関連する技術によってまた、拡張性および並列化が可能になる。全体を通じて、チップ内または複数のチップ内の多くのリアクターおよび/または反応部位のアレイは、さらに大きい能力を生じ得るように平行に構築されてもよい。例えば、複数のチップ(例えば、少なくとも約10チップ、少なくとも約30チップ、少なくとも約50チップ、少なくとも約75チップ、少なくとも約100チップ、少なくとも約200チップ、少なくとも約300チップ、少なくとも約500チップ、少なくとも約750チップ、または少なくとも約1,000チップ以上)が、例えば、チップを自動的にモニターまたは制御し得る、例えば、ロボット工学の使用を通じて、平行に操作されてもよい。さらに、平行化による大規模化を用いて、代表的には実験室において行なわれる小規模の反応で産生能力を維持することによって利点を得ることができる。多くの反応部位が、チップのリアクター内および/または複数のチップ内で平行に配列され得ることが本発明の特徴である。詳細には、平行に操作するために、少なくとも5つの反応部位が構築されてもよく、または他の場合には少なくとも約7つ、約10、約30、約50、約100、約200、約500、約1,000、約5,000、約10,000、約50,000もしくはさらに約100,000以上の反応部位が平行に、例えば、高処理能力システムにおいて作動するように構築されてもよい。ある場合には、反応部位の数は、特定の量の複数の種もしくは産物を生成するように、または特定の量の反応物質を生成できるように選択されてもよい。特定の場合には、チップおよび/またはリアクターの平行化によって、多くの化合物が同時にスクリーニングされることが可能になり得、あるいは多くの異なる増殖条件および/または細胞株が同時に試験されそして/またはスクリーニングされることが可能になり得る。当然ながら、リアクターまたはチップ内の反応部位(単数または複数)の正確な位置および配列は特定の適用の関数である。   Although one reaction site may be able to hold and / or react with a small volume of liquid as described herein, the technology associated with the present invention also allows for scalability and parallelism. Become. Throughout, many reactors and / or arrays of reaction sites in a chip or in multiple chips may be constructed in parallel to create even greater capacity. For example, a plurality of chips (eg, at least about 10 chips, at least about 30 chips, at least about 50 chips, at least about 75 chips, at least about 100 chips, at least about 200 chips, at least about 300 chips, at least about 500 chips, at least about about 750 chips, or at least about 1,000 chips or more) may be operated in parallel, for example through the use of robotics, which may automatically monitor or control the chips. In addition, benefits can be gained by maintaining production capacity with small scale reactions typically performed in the laboratory using parallel scaling. It is a feature of the present invention that many reaction sites can be arranged in parallel within a chip reactor and / or within multiple chips. In particular, at least five reaction sites may be constructed to operate in parallel, or in other cases at least about 7, about 10, about 30, about 50, about 100, about 200, about 500, about 1,000, about 5,000, about 10,000, about 50,000, or even about 100,000 or more reaction sites may be constructed in parallel, eg, to operate in a high throughput system. Good. In some cases, the number of reaction sites may be selected to produce a particular amount of multiple species or products, or to produce a particular amount of reactant. In certain cases, chip and / or reactor parallelization may allow many compounds to be screened simultaneously, or many different growth conditions and / or cell lines may be tested and / or screened simultaneously. Can be possible. Of course, the exact location and arrangement of the reaction site (s) within the reactor or chip is a function of the particular application.

さらに、本明細書に記載される任意の実施形態は、1つ以上のリアクターおよび/またはチップの反応部位のアウトレットに対して、最終的に接続可能な収集チャンバと連関して用いられ得る。収集チャンバは、10ミリリットルまたはある場合には100ミリリットルより大きい容積を有してもよい。コレクションチャンバは、他の場合には、100リットルもしくは500リットルより大きい、または1リットル、2リットル、5リットルもしくは10リットルより大きい容積を有してもよい。大きい容積は、リアクターおよび/または反応部位が1つ以上のチップ内で平行に配列される場合、適切であり得、例えば、複数のリアクターおよび/または反応部位が、収集チャンバに対して生成物を送達することが可能になり得る。   Furthermore, any of the embodiments described herein can be used in conjunction with a collection chamber that is ultimately connectable to the outlet of one or more reactors and / or chip reaction sites. The collection chamber may have a volume of 10 milliliters or in some cases greater than 100 milliliters. The collection chamber may in other cases have a volume greater than 100 liters or 500 liters, or greater than 1 liter, 2 liters, 5 liters or 10 liters. A large volume may be appropriate if the reactors and / or reaction sites are arranged in parallel in one or more chips, for example, multiple reactors and / or reaction sites may deliver product to the collection chamber. It may be possible to deliver.

ある実施形態では、反応部位(単数または複数)および/またはこの反応部位(単数または複数)と液体連絡したチャネルは、能動的な混合要素を有さない。これらの実施形態では、チップのリアクターは、インレットおよび/またはアウトレットを通じて提供される液体において動揺を生じ、これによって混合が所望される場合、好ましくは能動的な混合なしに、液体の混合物を混合および/または送達するような方法で構築されてもよい。詳細には、リアクターおよび/または反応部位(単数または複数)は、例えば、図2において混合ユニット42に示されるように、混合するための流路を通じた液体の流動を生じる液体の流路において複数の障害物を備えてもよい。これらの障害物は、例えば一連の支柱について本質的に任意の幾何学的構成であってもよい。本明細書において用いられる場合、「能動的混合エレメント(active mixing elements)」は、反応部位(単数または複数)および/またはチャネル自体に対して移動可能である、すなわち、反応部位またはチャネルを規定するリアクターの部分(単数または複数)に対して移動可能である、ブレード、スターラーなどのような混合エレメントを規定することを意味する。   In certain embodiments, the reaction site (s) and / or channels in fluid communication with the reaction site (s) do not have active mixing elements. In these embodiments, the chip reactor produces a sway in the liquid provided through the inlet and / or outlet, thereby mixing and mixing the liquid mixture, preferably without active mixing, if mixing is desired. It may also be constructed in such a way that it is delivered. In particular, the reactor (s) and / or reaction site (s) are multiple in the liquid flow path that produces a flow of liquid through the flow path for mixing, as shown, for example, in the mixing unit 42 in FIG. You may have obstacles. These obstacles may be of essentially any geometric configuration, for example for a series of struts. As used herein, “active mixing elements” are movable with respect to the reaction site (s) and / or the channel itself, ie, define the reaction site or channel. It is meant to define a mixing element, such as a blade, stirrer, etc., that is movable relative to the part (s) of the reactor.

本発明のチップは、他の同様のチップと所定の予め整列された関係でスタックできるように、一緒にスタックされた場合、所定の方向にチップが全て方向付けられるように(例えば、全てが同じ方向に方向付けられる)、構築されかつ構成されてもよい。本発明のチップが他の同様のチップとスタックされるように設計される場合、このチップはしばしば、このチップの少なくとも一部、例えば反応部位が他のチップの1つ以上、および/または他のチップ内の反応部位と液体連絡するように構築されかつ構成されてもよい。この構成は、本明細書において考察されるような、チップの平行化において用途を見出し得る。   The chips of the present invention can be stacked together in a predetermined pre-aligned relationship with other similar chips so that when stacked together, the chips are all oriented in a predetermined direction (e.g., all the same Oriented and oriented) may be constructed and configured. When the chip of the present invention is designed to be stacked with other similar chips, the chip is often at least a portion of the chip, such as one or more reactive sites in other chips, and / or other It may be constructed and configured to be in fluid communication with a reaction site in the chip. This configuration may find use in chip collimation, as discussed herein.

1セットの実施形態において、例えば、提唱された標準、2002 SPS/ANS1に規定されるように、このチップは、このチップがマイクロプレートに安定に接続されることが可能であるように構築されかつ構成される(例えば、おおよそ127.76±0.50mm×85.48±0.50mmの寸法を有するマイクロプレート)。本明細書において用いる場合、「安定に接続された(stably connected)」とは、2つの構成要素が接続されており、その結果この2つの構成要素のお互いからの切断には特定の動きまたは力が必要である、すなわち、この2つの構成要素がランダムな振動でも移動でも(例えば、偶発的に軽く構成要素をバンピングすること)取り外せないシステムをいう。この構成要素は、ペグ、スクリュー、スナップ式部品、圧入および突出のマッチングセットなどによって安定に接続され得る。「マイクロプレート(microplate)」とはまた時には、「マイクロタイター(microtiter)」プレート、「マイクロウェル(microwell)」プレート、または当該分野で耕地の他の同様の用語で呼ばれる。このマイクロプレートは、多数のウェルを備えてもよい。例えば、代表的には市販されているように、マイクロプレートは、6ウェルのマイクロプレートであっても、24ウェルのマイクロプレートであっても、96ウェルのマイクロプレートであっても、384ウェルのマイクロプレートであっても、または1,536ウェルのマイクロプレートであってもよい。このウェルは、任意の適切な形状、例えば、円柱または長方形であってもよい。このマイクロプレートはまた、例えば、特定の専門的な適用では、他の数のウェルおよび/または他のウェル形状または構成を有してもよい。   In one set of embodiments, for example, as defined in the proposed standard, 2002 SPS / ANS1, the chip is constructed such that the chip can be stably connected to the microplate and Constructed (eg, a microplate having dimensions of approximately 127.76 ± 0.50 mm × 85.48 ± 0.50 mm). As used herein, “stable connected” means that two components are connected so that the two components are disconnected from each other with a specific movement or force. , Ie, a system that cannot be removed by random vibration or movement of the two components (eg, accidentally lightly bumping the components). This component can be stably connected by pegs, screws, snap-on parts, press-fit and protruding matching sets, and the like. “Microplate” is also sometimes referred to as a “microtiter” plate, a “microwell” plate, or other similar terminology in the field. The microplate may comprise a large number of wells. For example, as is typically commercially available, the microplate can be a 6-well microplate, a 24-well microplate, a 96-well microplate, It may be a microplate or a 1,536 well microplate. The well may be any suitable shape, such as a cylinder or a rectangle. The microplate may also have other numbers of wells and / or other well shapes or configurations, for example, in certain professional applications.

図3A〜3Cは、本発明の1セットの実施形態を例示するが、ここでは1つ以上の反応部位が、チップと会合して位置してもよく、この結果このチップが他のチップおよび/またはマイクロプレートに安定に接続される場合、このチップの1つ以上の反応部位は、他のチップ(単数または複数)の1つ以上の反応部位および/またはマイクロプレート(単数または複数)の1つ以上のウェルと、化学的、生物学的もしくは生化学的に連絡するか、または化学的、生物学的もしくは生化学的に連絡可能であるように位置されるかまたは整列される。「整列(alignment)」とは、この状況では、別の反応部位またはウェルに隣接する反応部位の側面の全面積が完全に他の反応部位またはウェルに重複するような、そしてまた逆に、この反応部位の少なくとも一部が少なくとも一部の隣接する反応部位またはウェルに重複し得るような、完全な整列を意味し得る。「化学的、生物学的もしくは生化学的に連絡可能(chemically,biologically,or biochemically connectable)」とは、その反応部位が別の反応部位またはウェルと液体連絡している(すなわち、液体がお互いに自由に流動される)か;あるいは他の部位またはウェルに対して液体的に連絡可能である(例えば、2つがお互いからウェル、または穴が開くかもしくは破断され得る他の構成要素、あるいはこの2つを接続する導管中の開口され得るバルブによって隔てられる)か;あるいはこの反応部位および他の部位またはウェルが、少なくともいくつかの化学的、生物学的または生化学的種がお互いから、例えば半透過性の膜を横切って移動され得るように配列されることを意味する。例えば、チップは、このチップがマイクロプレートと安定に接続される(例えば、マイクロプレートの上側に位置する)場合、6ウェルのマイクロプレートのうち6つのウェルと整列されるように構築されかつ配置されている6つの反応部位を有してもよく、96個の反応部位を有するチップは、このチップがマイクロプレートと安定に接続される場合、96のウェルが、96ウェルのマイクロプレートのうち96個のウェルと整列されるように構築されかつ配置されてもよい、などである。当然ながら、ある場合には、このチップは、このチップの単一の反応部位が2つ以上のマイクロプレートウェルおよび/もしくは2つ以上の他の反応部位と配列されるように、そして/または2つ以上のマイクロプレートウェルおよび/もしくは2つ以上の他の反応部位がこのチップの単一の反応部位と配列されるように、構築されかつ配列され得る。   3A-3C illustrate one set of embodiments of the present invention, where one or more reaction sites may be located in association with a chip, so that this chip is connected to other chips and / or Or, when stably connected to a microplate, one or more reaction sites of this chip may be one or more reaction sites of other chip (s) and / or one of microplate (s). These wells are positioned or aligned so as to be in chemical, biological or biochemical communication or in chemical, biological or biochemical communication. “Alignment” in this context means that the entire area of the side of a reaction site adjacent to another reaction site or well completely overlaps with another reaction site or well, and vice versa It can mean complete alignment such that at least a portion of the reaction sites can overlap at least some of the adjacent reaction sites or wells. “Chemically, biologically, or biochemically connectable” means that the reaction site is in fluid communication with another reaction site or well (ie, the liquid is in contact with each other). Fluidly communicated to other sites or wells (eg, two wells from each other, or other components that can be pierced or broken, or the two Separated by a valve that can be opened in the conduit connecting the two); or the reaction site and other sites or wells are at least some of the chemical, biological or biochemical species from each other, eg, half Means arranged so that it can be moved across the permeable membrane . For example, the chip is constructed and arranged to align with 6 wells of a 6-well microplate when the chip is stably connected to the microplate (eg, located above the microplate). A chip with 96 reaction sites is 96 wells out of 96 well microplates when the chip is stably connected to the microplate. And may be constructed and arranged to be aligned with the wells. Of course, in some cases, the chip is such that a single reaction site of the chip is aligned with two or more microplate wells and / or two or more other reaction sites and / or 2 It can be constructed and arranged such that one or more microplate wells and / or two or more other reaction sites are aligned with a single reaction site of the chip.

本発明のチップはまた、このチップの少なくとも1つの反応部位および/またはリアクターが、マイクロプレートの少なくとも1つのウェルにアドレスするように構築されかつ配列された装置、例えば、マイクロプレートのウェルに種を添加するか、および/またはそのウェルから種を取り出し得、そして/またはマイクロプレートのウェル内の種を試験し得る装置に対して液体連絡するか、および/または化学的、生物学的もしくは生化学的に接続可能であるように構築されかつ配列されてもよい。この配列では、この装置は、チップの反応部位に種を添加するか、および/もしくはその反応部位から種を取り出すか、ならびに/または反応部位で種を試験し得る。この実施形態では、反応部位は代表的に、マイクロプレートのウェルと整列されて配列される。   The chip of the present invention also provides a device in which at least one reaction site and / or reactor of the chip is constructed and arranged so as to address at least one well of the microplate, such as a seed in a well of the microplate. Add and / or remove a species from its well and / or fluidly communicate with a device capable of testing the species in the well of the microplate and / or chemical, biological or biochemical May be constructed and arranged to be connectable to each other. With this arrangement, the device can add species to and / or remove species from the reaction site of the chip and / or test the species at the reaction site. In this embodiment, the reaction sites are typically arranged in alignment with the wells of the microplate.

図3Aおよび図3Bを参照すれば、例を示しているが、ここで本発明のチップ120は、市販のマイクロプレート123と安定に接続され得る。図3Aでは、チップ120は、チップ120がマイクロプレート123に安定に接続される場合、チップ120の反応部位125の少なくともいくつかがマイクロプレート123のウェル127の少なくともいくつかと整列されるか、および/または接続可能であるように位置決めされてもよい。同様に、図3Bでは、チップ120は、マイクロプレート23に安定に接続される場合、反応部位125の少なくともいくつかがマイクロプレート123上のウェル127の少なくとも一部と整列および/または接続可能であるように構築されかつ整列されてもよい。図3Cでは、本発明の別の実施形態が示されているが、ここではチップ130、131、・・・132は、このチップがお互いに安定に接続され得るように構築されかつ配列される。ある場合には、チップ130、131、・・・132は、お互いに安定に接続される場合、チップ130の反応部位135が他のチップ上の1つ以上の他の反応部位と、例えば、チップ131における反応部位136および/またはチップ132における反応部位137と配列されるように、構築されかつ配列される。   Referring to FIGS. 3A and 3B, an example is shown. Here, the chip 120 of the present invention can be stably connected to a commercially available microplate 123. In FIG. 3A, the chip 120 is such that when the chip 120 is stably connected to the microplate 123, at least some of the reaction sites 125 of the chip 120 are aligned with at least some of the wells 127 of the microplate 123, and / or Or it may be positioned so that it can be connected. Similarly, in FIG. 3B, when the chip 120 is stably connected to the microplate 23, at least some of the reaction sites 125 can be aligned and / or connected to at least a portion of the wells 127 on the microplate 123. May be constructed and aligned in this manner. In FIG. 3C, another embodiment of the present invention is shown, where the chips 130, 131,... 132 are constructed and arranged so that the chips can be stably connected to each other. In some cases, when the chips 130, 131,... 132 are stably connected to each other, the reaction site 135 of the chip 130 may be combined with one or more other reaction sites on another chip, for example, the chip It is constructed and arranged to be arranged with reaction sites 136 in 131 and / or reaction sites 137 in chip 132.

本発明のチップは、1セットの実施形態において実質的に液密であってもよい。本明細書において用いる場合、「実質的に液密のチップ(substantially liquid−tight chip)」または「実質的に液密のリアクター(substantially liquid−tight reactor)」とは、それぞれ、このチップまたはリアクターが水のような液体で充填される場合、チップが使用のためにアセンブルされるときのチップまたはリアクターの配向にかかわらず、この液体がこのチップまたはリアクターの規定されたインレットおよび/またはアウトレットを単に通じてこのチップまたはリアクターに入るかまたは出ることができるように構築されかつ配列される、チップまたはリアクターである。このセットの実施形態では、チップは、このチップまたはリアクターが水で充填され、インレットおよび/またはアウトレットが密閉される場合、このチップまたはリアクターが1日に約100μl未満、1日あたり約50μl未満、または1日あたり約20μl未満の蒸発速度を有するように構築されかつ配列される。特定の場合には、チップまたはリアクターは、1日あたり測定不能でゼロではない量の水の蒸発を示す。実質的に液密のチップまたはリアクターは、他の場合には水の蒸発速度はゼロであり得る。   The chip of the present invention may be substantially liquid-tight in one set of embodiments. As used herein, a “substantially liquid-tight chip” or “substantially liquid-tight reactor” means that the chip or reactor, respectively, When filled with a liquid such as water, this liquid simply passes through the defined inlet and / or outlet of the chip or reactor, regardless of the orientation of the chip or reactor when the chip is assembled for use. A chip or reactor constructed and arranged so that it can enter or exit the lever chip or reactor. In this set of embodiments, the chip is less than about 100 μl per day, less than about 50 μl per day, when the chip or reactor is filled with water and the inlet and / or outlet is sealed, Or constructed and arranged to have an evaporation rate of less than about 20 μl per day. In certain cases, the chip or reactor exhibits evaporation of a non-measurable and non-zero amount of water per day. A substantially liquid-tight chip or reactor may otherwise have a water evaporation rate of zero.

本発明のチップは、各々が1つまたは複数の反応部位を有する1つ以上のリアクターを有するチップを生成するための任意の適切な製造技術を用いて製造され得、そしてこのチップは、少なくとも1つの反応部位を供給および規定するのに必要な液体ネットワークを支持できる任意の物質または物質の組み合わせから構築され得る。微細加工プロセスの非限定的な例としては、ウエットエッチング、化学蒸着、強反応性イオンエッチング、陽極結合、射出成型、ホットプレスおよびLIGAが挙げられる。例えば、チップは、例えば、標準リソグラフィック技術を介して、ケイ素または他の基板をエッチングまたは成型することによって製造され得る。このチップはまた、当業者に公知であるように、マイクロアセンブリまたはマイクロマシニング方法、例えば、光造形(stereolithography)、レーザー化学三次元記入方法、モジュラーアセンブリ法、レプリカ成形技術、射出成形技術、フライス技術(milling techniques)などを用いて製造されてもよい。チップはまた、例えば、下記にさらに記載されるように、基板上に複数の層をパターン化することによって(同じであっても異なってもよい)、または種々の公知の急速プロトタイピング技術またはマスキング技術を用いることによって、製造されてもよい。チップを形成するために用いられ得る物質の例としては、ポリマー、シリコーン、ガラス、金属、セラミック、無機物質および/またはそれらの組み合わせが挙げられる。この物質は、不透明であっても、半透明であっても透明であってもよく、そしてガス透過性であっても、半透過性であってもガス不透過性であってもよい。ある場合には、このチップは、リアクター、反応部位および/またはチャネルを生成するために、エッチングされ得る物質から形成されてもよい。例えば、チップは無機物質、例えば、半導体、溶融シリカ、石英または金属を含んでもよい。この半導体物質は、例えば、限定はしないが、ケイ素、窒化ケイ素、ガリウムヒ素、ヒ化インジウム、ガリウムリン、リン化インジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、他の第III/V群化合物、第II/VI群化合物、第III/V群化合物、第IV群化合物など、例えば、3つ以上の元素を有する化合物であってもよい。半導体物質はまた、当該分野で公知のこれらおよび/または他の半導体物質の組み合わせから形成され得る。ある場合には、この半導体物質は、例えば、リソグラフィーのような公知のプロセスを介してエッチングされ得る。特定の実施形態では、この半導体物質は、例えば、半導体産業によって通常生成されるように、ウェーハから形成されてもよい。   The chip of the present invention can be manufactured using any suitable manufacturing technique for producing a chip having one or more reactors each having one or more reaction sites, and the chip is at least 1 It can be constructed from any substance or combination of substances that can support the liquid network necessary to supply and define one reaction site. Non-limiting examples of microfabrication processes include wet etching, chemical vapor deposition, strong reactive ion etching, anodic bonding, injection molding, hot pressing and LIGA. For example, the chip can be manufactured by etching or molding silicon or other substrates, for example, via standard lithographic techniques. The chip is also micro-assembly or micro-machining methods such as stereolithography, laser chemistry three-dimensional entry methods, modular assembly methods, replica molding techniques, injection molding techniques, milling techniques, as known to those skilled in the art. (Milling techniques) or the like. The chip can also be, for example, by patterning multiple layers on the substrate (which can be the same or different), as described further below, or by various known rapid prototyping techniques or masking. It may be manufactured by using technology. Examples of materials that can be used to form the chip include polymers, silicones, glasses, metals, ceramics, inorganic materials and / or combinations thereof. This material may be opaque, translucent or transparent, and may be gas permeable, translucent or gas impermeable. In some cases, the tip may be formed from a material that can be etched to create reactors, reaction sites and / or channels. For example, the chip may comprise an inorganic material such as a semiconductor, fused silica, quartz or metal. This semiconductor material may be, for example, but not limited to, silicon, silicon nitride, gallium arsenide, indium arsenide, gallium phosphide, indium phosphide, gallium nitride, indium nitride, other Group III / V compounds, II / VI It may be a compound having three or more elements, such as a group compound, a group III / V compound, a group IV compound and the like. The semiconductor material may also be formed from combinations of these and / or other semiconductor materials known in the art. In some cases, the semiconductor material can be etched via known processes such as lithography. In certain embodiments, the semiconductor material may be formed from a wafer, for example, as typically produced by the semiconductor industry.

ある場合には、本発明のチップは、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリマー、シリコーン、例えば、ポリジメチルシロキサン、ポリ塩化ビニリデン、ビス−ベンゾシクロブテン(「BCB」)、ポリイミド、ポリイミドのフッ素化誘導体などが挙げられるがこれらに限定されないポリマーから形成されてもよいし、またはこれらを含んでもよい。上記のものを含むポリマーを含む組み合わせ、コポリマーまたは混合物もまた想定される。このチップはまた、混成物質、例えば、ポリマーおよび半導体物質の混合物から形成されてもよい。   In some cases, the chip of the present invention comprises a polyacrylate, polymethacrylate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polymer, silicone, such as polydimethylsiloxane, polyvinylidene chloride, It may be formed from or may include a polymer such as, but not limited to, bis-benzocyclobutene (“BCB”), polyimide, fluorinated derivatives of polyimide, and the like. Combinations, copolymers or mixtures comprising polymers including those mentioned above are also envisaged. The chip may also be formed from a hybrid material, such as a mixture of polymer and semiconductor material.

いくつかの実施形態では、このチップまたその少なくとも一部は、このチップが市販のマイクロプレート取り扱い装備によって取り扱われるために十分に頑丈であるように、そして/またはこのチップが慣用的な使用後に変形されないように、剛直である。当業者は、本明細書に合致するだけでなく、特定のチップが意図される使用のための他の明細書にも合致するチップ構成のために物質または物質の組み合わせを選択できる。しかし、他の実施形態では、このチップは半導体であっても、可塑性であってもよい。   In some embodiments, the chip, or at least a portion thereof, is deformed so that the chip is sufficiently robust to be handled by commercially available microplate handling equipment and / or the chip is deformed after routine use. It is rigid so that it will not be. One skilled in the art can select a material or combination of materials for a chip configuration that not only conforms to the present specification but also conforms to other specifications for the use for which the particular chip is intended. However, in other embodiments, the chip may be a semiconductor or plastic.

特定の実施形態では、チップは、滅菌可能な物質を含んでもよい。例えば、このチップは、このチップが用いられるか再使用される前に、その中で生物学的細胞(例えば、細菌)、ウイルスなどを殺傷するかさもなければ不活化するように、いくつかの方式で滅菌され得る。例えば、このチップは、化学物質で滅菌されても、照射されても(例えば、紫外線および/またはイオン化照射線を用いて)、熱処理されても、その他を行なわれてもよい。適切な滅菌技術およびプロトコールは当業者に公知である。例えば、1つの実施形態では、このチップはオートクレーブされ、すなわち、このチップは、通常用いられるオートクレーブ条件(例えば、約100℃または約120℃よりも大きい温度に、しばしが上昇した圧力で、例えば、少なくとも1気圧の圧力で曝される)に抵抗できる物質から構築されかつ構成され、その結果このチップは滅菌後に、実質的に変形することも使用不能になることもない。滅菌技術の他の例としては、オゾン、アルコール、フェロイック(pheloics)、ハロゲン、重金属(例えば、硝酸銀)、界面活性剤、四級アンモニウム成分、エチレンオキシド、CO、アルデヒドなどに対する曝露が挙げられる。別の実施形態では、チップは、イオン化照射、例えば、短波、高強度放射線、例えばガンマ線、電子ビームまたはX線に抵抗できる。ある場合には、イオン化照射線は、核反応から、例えば、60Coまたは137Csの崩壊から生成されてもよい。 In certain embodiments, the chip may include a sterilizable material. For example, the chip may have several in order to kill or otherwise inactivate biological cells (eg, bacteria), viruses, etc. before it is used or reused. Can be sterilized in a manner. For example, the chip may be sterilized with a chemical, irradiated (eg, using ultraviolet light and / or ionizing radiation), heat treated, or otherwise. Suitable sterilization techniques and protocols are known to those skilled in the art. For example, in one embodiment, the chip is autoclaved, i.e., the chip is used in commonly used autoclave conditions (e.g., at temperatures greater than about 100 ° C or about 120 ° C, often at elevated pressures, for example, Constructed and composed of a material that can resist exposure to at least one atmosphere of pressure, so that the chip does not substantially deform or become unusable after sterilization. Other examples of sterilization techniques include exposure to ozone, alcohol, ferroics, halogens, heavy metals (eg, silver nitrate), surfactants, quaternary ammonium components, ethylene oxide, CO 2 , aldehydes, and the like. In another embodiment, the chip can resist ionizing radiation, such as shortwave, high intensity radiation, such as gamma rays, electron beams or X-rays. In some cases, the ionizing radiation may be generated from a nuclear reaction, for example from the decay of 60 Co or 137 Cs.

1セットの実施形態では、このチップの少なくとも一部は、接着剤を使用せずに製造されてもよい。例えば、チップの少なくとも2つの成分(例えば、チップの2つの層は、このチップが多層構造、このチップおよび膜の層または基板、2つの膜、微量流体システムのチップおよび構成要素の物体などである場合)が、接着剤の使用なしに一緒に固定されてもよい。例えば、この構成要素は、熱密閉、音響溶着のような方法を用いることによって、感圧性物質の適用を介してなどで接続されてもよい。1つの実施形態では、この構成要素は、機械的に適所に保持され得る。例えば、スクリュー、ポスト、カンチレバー、圧入マッチングなどを用いて、チップ(またはその一部)を一緒に機械的に保持してもよい。他の実施形態では、このチップの2つの構成要素は、限定はしないが、熱密閉方法(例えば、チップのさらに多い構成要素は、他の構成要素と連結される前に、ガラス遷移温度よりも高い温度またはこの構成要素の溶融温度まで加熱され得る)、または音響溶融技術(例えば、振動エネルギー、例えば、音響エネルギーをこのチップの1つ以上の構成要素に適用し得、それによってこの構成要素を少なくとも部分的に液化または軟化することが可能になる)のような技術を用いて一緒に連結されてもよい。   In one set of embodiments, at least a portion of the chip may be manufactured without using an adhesive. For example, at least two components of the chip (eg, two layers of the chip are a multi-layer structure of the chip, a layer or substrate of the chip and membrane, two films, a chip of a microfluidic system, and a component object, etc. Case) may be secured together without the use of an adhesive. For example, the components may be connected, such as through the application of a pressure sensitive material, by using methods such as heat sealing, acoustic welding. In one embodiment, the component can be mechanically held in place. For example, the chip (or part thereof) may be mechanically held together using screws, posts, cantilevers, press fit matching, and the like. In other embodiments, the two components of the chip are not limited to, but are limited to heat sealing methods (e.g., more components of the chip are below the glass transition temperature before being joined to other components). Can be heated to a high temperature or the melting temperature of this component), or acoustic melting technology (eg, vibrational energy, eg, acoustic energy, can be applied to one or more components of the chip, thereby May be coupled together using a technique such as at least partially liquefying or softening.

1つの実施形態では、このチップの2つの構成要素が、熱密閉法によって固定され得る。例えば、このチップの1つ以上の構成要素は、ガラス遷移温度よりも高い温度またはこの構成要素の溶融温度(すなわち、この構成要素が軟化するかまたは液化し始める温度)まで加熱され得る。この構成要素は、お互いと接触されて配置されて、ガラス遷移温度またはこの溶融温度未満まで冷却され得、これによってこの構成要素が一緒に固定されることが可能になる。   In one embodiment, the two components of the chip can be secured by a heat sealing method. For example, one or more components of the chip can be heated to a temperature above the glass transition temperature or the melting temperature of the component (ie, the temperature at which the component begins to soften or liquefy). The components can be placed in contact with each other and cooled to below the glass transition temperature or the melting temperature, thereby allowing the components to be secured together.

別の実施形態では、この2つの構成要素は、音響溶着技術を介して固定されてもよい。1つの例では、振動エネルギー(例えば、音響エネルギー)は、このチップの1つ以上の構成要素に加えられてもよい。加えられた振動エネルギーによって、この成分(単数または複数)またはこの成分(単数または複数)の少なくとも一部は少なくとも部分的に液化または軟化される。次いで、この構成要素は一緒に配置されてもよい。次いで振動エネルギーは停止されてもよく、これによってこの構成要素は一緒に固定されることが可能になる。ある場合には、この構成要素は、この振動エネルギーがこの構成要素の特定の領域(「エネルギーダイレクター(energy director)」領域)に終結できるように、この構成要素のエネルギーダイレクター領域のみがこの振動エネルギーの影響下で液化できるように設計されてもよい。例えば、図4A(横側)および図4B(上側)に示されるように、このチップの構成要素75の側面を図示しており、これはエネルギーダイレクター領域73を示す。振動エネルギーが構成要素75に加えられる場合、このエネルギーの実質的な画分は、エネルギーダイレクター領域73に集中し得、これによってエネルギーダイレクター73の少なくとも一部が軟化または液化することが可能になる。次いで、この軟化および/または液化した領域は、このチップの他の構成要素に接続されて、硬化されてもよく、これによってこのチップの2つの構成要素が、例えば、図4Cに示されるように、一緒に固定され、ここでは構成要素75が構成要素77に固定されている。   In another embodiment, the two components may be secured via acoustic welding techniques. In one example, vibrational energy (eg, acoustic energy) may be applied to one or more components of the chip. The applied vibrational energy at least partially liquefies or softens the component (s) or at least a portion of the component (s). The components may then be placed together. The vibrational energy may then be stopped, which allows the components to be secured together. In some cases, this component will only have this component's energy director region so that this vibrational energy can terminate in a particular region of this component (the “energy director” region). It may be designed such that it can be liquefied under the influence of vibration energy. For example, as shown in FIG. 4A (lateral side) and FIG. 4B (upper side), the side of component 75 of this chip is illustrated, which shows energy director region 73. When vibrational energy is applied to component 75, a substantial fraction of this energy can be concentrated in energy director region 73, which allows at least a portion of energy director 73 to soften or liquefy. Become. The softened and / or liquefied region may then be connected to other components of the chip and cured, so that the two components of the chip are, for example, as shown in FIG. 4C The component 75 is fixed to the component 77 here.

別のセットの実施形態では、このチップの2つ以上の構成要素が接着剤を用いて一緒に連結されてもよい。本明細書において用いる場合、「接着剤(adhesive material)」は、当該分野で用いられるその通常の意味で、すなわち2つの他の物質を一緒に固定または連結させることができる粘着性物質として記載される。本発明とともに用いるために適切な接着剤の非限定的な例としては、シリコーン接着剤、例えば、感圧性シリコーン接着剤、ネオプレーンベースの接着剤およびラテックスベースの接着剤が挙げられる。接着剤は、例えば、液体として、または粘弾性固体のような半固体物質として、チップの構成要素に接着剤を加えることによって、任意の適切な方法を用いてこのチップの1つ以上の構成要素に加えられてもよい。例えば、1つの実施形態では、この接着剤は、転写テープ(例えば、それに対して付着された接着剤を有し、その結果テープがこの構成要素に加えられた場合、このテープがこの構成要素から取り除かれたとき、この接着剤またはこの接着剤の少なくとも一部がこの構成要素に付着して残るテープ)を用いてこの構成要素(単数または複数)に加えられてもよい。1セットの実施形態では、接着剤は感圧性接着剤であってもよく、すなわち、この物質は正常にも実質的にも接着性ではないが、圧力、例えば、約6atmまたは約13atm(約100psiまたは約200psi)以上の圧力の影響下で接着性になるか、および/またはその接着強度を増大させる。感圧性接着剤の非限定的な例としては、AR Clad 7876(Adhesives Research,Inc.,Glen Rock,PAから入手可能)およびTrans−Sil Silicone PSA NT−1001(Dielectric Polymers,Holyoke,MAから入手可能)が挙げられる。   In another set of embodiments, two or more components of the chip may be joined together using an adhesive. As used herein, “adhesive material” is described in its ordinary sense as used in the art, that is, as an adhesive material capable of fixing or linking two other materials together. The Non-limiting examples of adhesives suitable for use with the present invention include silicone adhesives such as pressure sensitive silicone adhesives, neoprene based adhesives and latex based adhesives. One or more components of the chip may be used in any suitable manner, for example, by applying the adhesive to the chip components as a liquid or as a semi-solid material such as a viscoelastic solid. May be added. For example, in one embodiment, the adhesive has a transfer tape (e.g., having an adhesive attached thereto so that if the tape is applied to the component, the tape is removed from the component. When removed, the adhesive or at least a portion of the adhesive may be applied to the component (s) using tape that remains attached to the component. In one set of embodiments, the adhesive may be a pressure sensitive adhesive, i.e. the material is neither normal nor substantially adhesive, but pressure, e.g. about 6 atm or about 13 atm (about 100 psi). Or become adhesive under the influence of pressures of about 200 psi) or higher and / or increase its bond strength. Non-limiting examples of pressure sensitive adhesives include AR Clad 7876 (available from Adhesives Research, Inc., Glen Rock, PA) and Trans-Sil Silicone PSA NT-1001 (available from Dielectric Polymers, Holyoke, MA). ).

別の実施形態では、この接着剤は、溶剤結合システムを用いてチップの少なくとも1つの構成要素に加えられてもよい。溶剤結合システムでは、このチップの1つ以上の構成要素は、溶媒蒸気に富んだ環境に置かれ、すなわち、この構成要素(単数または複数)が置かれる環境は、溶媒で飽和されるかまたは過飽和され、その結果この溶媒は、適切な条件下でこの環境内に置かれたこの構成要素(単数または複数)上に濃縮され得る(例えば、圧力および/または温度が低下される場合)。次いで、この構成要素は、例えば、環境(溶媒を含む)が取り除かれる場合、環境内で一緒に接触されてもよく、そして一緒に固定することが可能にされてもよい。1つの特定の実施例として、本発明のチップの2つのポリマーボネート構成要素は、塩化メチレン環境で一緒に固定されてもよい。例えば、溶媒、すなわち塩化メチレンなどの薄層を表面に加えてもよい。次いで、連結されるべき2つの表面は、結合を保証する圧力下で一緒に加圧されて、そして/またはクランプされてもよい。   In another embodiment, the adhesive may be applied to at least one component of the chip using a solvent bonding system. In solvent coupled systems, one or more components of the chip are placed in a solvent vapor rich environment, i.e., the environment in which the component (s) is placed is saturated or supersaturated with a solvent. So that the solvent can be concentrated on the component (s) placed in the environment under appropriate conditions (eg, when pressure and / or temperature is reduced). The components may then be contacted together in the environment and allowed to be fixed together, for example, when the environment (including solvent) is removed. As one specific example, the two polymer bonate components of the chip of the present invention may be secured together in a methylene chloride environment. For example, a thin layer of solvent, i.e. methylene chloride, may be added to the surface. The two surfaces to be joined may then be pressed together and / or clamped under pressures that ensure bonding.

本発明のある実施形態では、チップは、1つ以上の反応部位が、以前に記載されるように(すなわち、接着剤の有無によって)一緒に固定された2つ以上の構成要素によって、少なくとも一部は規定され得るように、構築されかつ配置されてもよい。ある場合には、反応部位は、この反応部位を規定する1つ以上の表面に隣接するかさもなければ接触しているなんらかの接着剤を含まなくてもよく、そしてこれは、例えば、接着剤が反応部位で液体にそうでなければ浸出する場合に有利であり得る。当然ながら、接着剤はチップ内のいずれか他の場所、例えば他の反応部位で用いられてもよい。同様に、特定の場合には、反応部位は、接着剤を用いて構築されてもよく、その結果、この反応部位を構築するために用いられる接着剤の少なくとも一部がチップ内に残り、その結果、この接着剤は、この反応部位を既定する1つ以上の表面に隣接するかそうでなければ接触して残る。当然ながら、このチップの他の構成要素は、前に考察したように、接着剤の使用なしに構築されてもよい。   In certain embodiments of the invention, the chip is at least one by two or more components in which one or more reaction sites are secured together as previously described (ie, with or without adhesive). The parts may be constructed and arranged so that they can be defined. In some cases, the reaction site may not include any adhesive that is adjacent or otherwise in contact with one or more surfaces that define the reaction site, and for example, if the adhesive is It may be advantageous if it otherwise leaches into the liquid at the reaction site. Of course, the adhesive may be used elsewhere in the chip, for example at other reaction sites. Similarly, in certain cases, the reaction site may be constructed using an adhesive so that at least a portion of the adhesive used to construct the reaction site remains in the chip, and the As a result, the adhesive remains adjacent to or otherwise in contact with one or more surfaces defining the reaction site. Of course, other components of the chip may be constructed without the use of adhesives as previously discussed.

ここで図2を参照すれば、本発明の微小流体チップ40の1例が示されている。チップ40は、混合ユニット42、加熱/分散ユニット44、反応部位46、および分離ユニット48を含む、4つの一般的ユニットを備える。1つ以上のセンサー、プロセッサーおよび/またはアクチュエータ(示さず)は必要に応じて、それぞれ、チップを用いて連絡を検知または動作させることに関与し得る。「連絡を検知する(sensing communication)」および「連絡を動作させる(actuating communication)」は、本明細書において用いる場合、それぞれセンサーまたはアクチュエータが、この反応部位の環境および/または反応部位の内容物が決定および/または制御され得るように、チップと会合していずれかの場所に位置するということを意味する。センサーまたはアクチュエータは、チップ内に含まれても、例えば、反応部位内にまたは反応部位と一体的に接続されて組み込まれても、チップ内もしくはチップ上に位置しても、またはチップから離れて、ただし反応部位とは物理的、電気的および/もしくは光学的に接続して配置されてもよく、それによってこの反応部位内の因子を検知または動作することができる。例えば、センサーは、チップとなんら物理的な接続がなくてもよいが、反応部位に向けられてこの部位から通過されるかまたはこの部位によって反射されるかもしくは回折された、電磁照射、例えば、赤外線、紫外線または可視光の相互作用の結果を検出するように配置されてもよい。別の例では、センサーは、チップ上にまたはチップ内に位置してもよく、そして導波管を介して反応部位に光学的に接続されることによって反応部位で活性を検知してもよい。チップは同様に、検出および作動の全体的制御のためのネットワークまたは制御システムに直接または間接的に接続され得る。連絡を検知することおよび動作させることもまた、提供されてもよく、ここではこの反応部位は、センサーまたはアクチュエータと、液体的に、光学的にまたは視覚的に、熱的に、空気的に、電気的になどで連絡されて、それによって反応部位の状態および/またはその部位の内容物を検知することができる。1例では、センサーは、アウトレットの1つの下流に位置してもよく、またはセンサーから反応部位を隔てる膜もしくは透明なカバーの後ろであってもよい。検知および動作の配列のさらなる考察は以下に示される。   Referring now to FIG. 2, an example of a microfluidic chip 40 of the present invention is shown. The chip 40 comprises four general units including a mixing unit 42, a heating / dispersing unit 44, a reaction site 46, and a separation unit 48. One or more sensors, processors, and / or actuators (not shown) may each be involved in sensing or operating communications using the chip, as needed. “Sensing communication” and “acting communication”, as used herein, refer to the sensor or actuator, respectively, as to the reaction site environment and / or reaction site contents. It means to be located somewhere in association with the chip so that it can be determined and / or controlled. The sensor or actuator may be included in the chip, for example, incorporated in the reaction site or integrally connected to the reaction site, located in or on the chip, or away from the chip. However, it may be arranged in physical, electrical and / or optical connection with the reaction site, whereby the factors in this reaction site can be detected or acted upon. For example, the sensor may not have any physical connection to the chip, but may be electromagnetic radiation, e.g., directed to, or passed through, or reflected or diffracted by this site It may be arranged to detect the result of an infrared, ultraviolet or visible light interaction. In another example, the sensor may be located on or in the chip and may detect activity at the reaction site by being optically connected to the reaction site via a waveguide. The chip can also be connected directly or indirectly to a network or control system for overall control of detection and operation. Sensing and actuating communication may also be provided, where the reactive site is in fluid, optical or visual, thermal, pneumatic, with a sensor or actuator. It is possible to detect the state of the reaction site and / or the contents of the site by being communicated electrically or the like. In one example, the sensor may be located one downstream of the outlet, or behind a membrane or transparent cover that separates the reaction site from the sensor. Further discussion of the sensing and operation arrangement is given below.

図5は、本発明の別の実施形態を図示する。図5Aはチップ105の上面図を示し、そして図5Bはチップ105の側面図を図示する。この実施形態では、チップ105は、物質の3つの層、すなわち、上部層100(図示される実施形態においては透明である)、中間層115および下部層110からなる。当然ながら、本発明の他の実施形態では、チップ105は、特定の局面次第で、物質の層を多く有しても少なく有しても(例えば、1層しか含まない)よい。図5に示される実施形態では、中間層115は、1つ以上の空隙112を有し、これが以下に考察されるように複数の所定の反応部位を規定する。1つ以上のチャネル116、117はまた、反応部位112と液体連絡した中間層115内で規定され得る。ある場合には、1つ以上のポート114、118は、例えば、上部層110を通じて、チャネルに対する外部アクセスを可能にし得る。   FIG. 5 illustrates another embodiment of the present invention. FIG. 5A illustrates a top view of chip 105 and FIG. 5B illustrates a side view of chip 105. In this embodiment, the chip 105 consists of three layers of material: an upper layer 100 (which is transparent in the illustrated embodiment), an intermediate layer 115 and a lower layer 110. Of course, in other embodiments of the present invention, the chip 105 may have more or less layers of material (eg, only one layer), depending on the particular aspect. In the embodiment shown in FIG. 5, the intermediate layer 115 has one or more voids 112 that define a plurality of predetermined reaction sites as discussed below. One or more channels 116, 117 may also be defined in the intermediate layer 115 in liquid communication with the reaction site 112. In some cases, one or more ports 114, 118 may allow external access to the channel, eg, through upper layer 110.

上部層100は、中間層115をカバーするかまたは少なくとも部分的にカバーしてもよく、これによって部分的に反応部位(単数または複数)112を規定する。ある場合には、上部層110は、例えば、ガスまたは液体因子が上部層110を通して浸透するかまたは染み込むことが可能にされる場合、ガスまたは液体に対して透過性であってもよい。例えば、上部層100は、ポリマー、例えば、PDMSまたはシリコーンから形成されてもよく、これは、それを通じて検出可能であるかまたは測定可能なガス輸送を可能にするのに十分薄くてもよい。ある場合には、上層100を通過するガス輸送が可能であり得るが、上層100を通過する液体の輸送は一般には、合理的な時間枠内では可能ではない。特定の場合には、上部層100はまた、例えば、光を用いて反応を開始するかまたはプロセスを活性化する実施形態では(例えば反応部位内)、実質的に透明であっても半透明であってもよい。ある場合には、上部層100は、ガス状のpH変更因子が浸透することを可能にするポリマーから形成されてもよい。特定の場合には、上部層100は、自己密閉式の物質から形成されてもよく、すなわちこの物質は、固体物体によって浸透され得るが、一般にはそのような浸透後にその形状を再獲得する。例えば、上部層100は、ニードルのような機械的デバイスによって浸透され得るが、一旦このニードルまたは他の機械的デバイスが抜かれれば密閉して閉じる弾性物質から形成されてもよい。   The top layer 100 may cover or at least partially cover the intermediate layer 115, thereby partially defining the reactive site (s) 112. In some cases, the top layer 110 may be permeable to gas or liquid, for example, where a gas or liquid factor is allowed to penetrate or penetrate through the top layer 110. For example, the top layer 100 may be formed from a polymer, such as PDMS or silicone, which may be detectable through it or thin enough to allow measurable gas transport. In some cases, gas transport through the upper layer 100 may be possible, but liquid transport through the upper layer 100 is generally not possible within a reasonable time frame. In certain cases, the top layer 100 may also be substantially transparent or translucent, for example in embodiments that use light to initiate the reaction or activate the process (eg, within the reaction site). There may be. In some cases, the top layer 100 may be formed from a polymer that allows a gaseous pH modifier to penetrate. In certain cases, the top layer 100 may be formed from a self-sealing material, i.e., the material may be infiltrated by a solid object, but generally reacquires its shape after such infiltration. For example, the top layer 100 may be infiltrated by a mechanical device such as a needle, but may be formed from an elastic material that seals and closes once the needle or other mechanical device is removed.

中間層115は、図5に図示される実施形態において4つの空隙を備える。当然ながら、他の実施形態では、中間層115内に存在する空隙はそれより多くても少なくてもよい。図5に図示される実施形態では、中間層115の空隙は、上部層110および下部層110に沿って、反応部位112を規定し得る。図5の実施形態では、4つの反応部位112が存在し、これは実質的に同一である;しかし本発明の他の実施形態では、存在する所定の反応部位はそれより多くても少なくてもよく、そして反応部位はお互いが同じであっても異なってもよい。示される実施形態では、各々の空隙が実質的に同一であり、そしてこの空隙と液体連絡して2つの液体チャネル116、117を有する。当然ながら、本発明の他の実施形態では、このチップを通じて流れるチャネルはそれより多くても少なくてもよい。図5の実施形態において、液体チャネル116は、層115におけるポート118に接続されて、液体チャネル117は層115のポート114に接続され;当然ながら、他の実施形態では、液体チャネル116および118は、お互いに対して1つ以上の反応部位を、1つ以上の液体ポートに対して、および/またはチップ105内の1つ以上の他の構成要素に対して液体的に接続し得る。ポート114および/または118は、ある場合にはリアクターから液体または他の物質を導入または吸引するために用いられてもよい。本発明のある実施形態では、反応部位112および/または1つ以上の液体チャネルは、例えば、このチップの1つ以上の層において、例えば、単に1つの層内で、2つの層の間の接合部で、3つの層にまたがる空隙において、などで規定されてもよい。   The intermediate layer 115 comprises four voids in the embodiment illustrated in FIG. Of course, in other embodiments, more or fewer voids may exist in the intermediate layer 115. In the embodiment illustrated in FIG. 5, the voids in the intermediate layer 115 may define reaction sites 112 along the upper layer 110 and the lower layer 110. In the embodiment of FIG. 5, there are four reaction sites 112, which are substantially the same; however, in other embodiments of the invention, there may be more or less predetermined reaction sites present. Well, and the reactive sites may be the same or different from each other. In the embodiment shown, each void is substantially identical and has two liquid channels 116, 117 in liquid communication with the void. Of course, in other embodiments of the present invention, more or less channels may flow through the chip. In the embodiment of FIG. 5, liquid channel 116 is connected to port 118 in layer 115 and liquid channel 117 is connected to port 114 in layer 115; of course, in other embodiments, liquid channels 116 and 118 are One or more reaction sites relative to each other may be liquidally connected to one or more liquid ports and / or to one or more other components in the chip 105. Ports 114 and / or 118 may be used to introduce or aspirate liquid or other material from the reactor in some cases. In certain embodiments of the invention, the reaction site 112 and / or one or more liquid channels may be bonded to two layers, for example, in one or more layers of the chip, eg, simply within one layer. In a gap spanning three layers, etc.

ポート114および118は、1つ以上の反応部位(単数または複数)112と液体連絡してもよい。ポート114および118は、ある場合には、上部層100を通じてニードルまたは他の機械的デバイスを挿入することによってアクセス可能であり得る。例えば、ある場合には、上部層100は、浸透されてもよく、または上部層100の空間は、ポート114および/または118に対して外部からのアクセスを可能にすることができる。ある場合には、上部層110は、ある場合には自己密閉式であり得る、可撓性または弾性の物質から構成されてもよい。特定の場合には、上部層110は、ポート114および/もしくは118への直接的もしくは間接的なアクセスを可能にする、上部層110中で形成される通路を有してもよいし、またはポート114および/もしくは118が、上部層110において形成されてもよく、そして層100内で規定されるチャネルを通してチャネル116および117に接続されてもよい。   Ports 114 and 118 may be in fluid communication with one or more reaction site (s) 112. Ports 114 and 118 may be accessible by inserting needles or other mechanical devices through top layer 100 in some cases. For example, in some cases, the top layer 100 may be infiltrated, or the space in the top layer 100 may allow external access to the ports 114 and / or 118. In some cases, the top layer 110 may be composed of a flexible or elastic material that may be self-sealing in some cases. In certain cases, the top layer 110 may have a passage formed in the top layer 110 that allows direct or indirect access to the ports 114 and / or 118, or the port. 114 and / or 118 may be formed in the upper layer 110 and connected to the channels 116 and 117 through channels defined in the layer 100.

下部層110は、図5に図示されるように、チップ105の底を形成する。前に記載されたように、底部層110の一部は部分的に、特定の場合には、反応部位112を規定し得る。ある場合には、底部層110は、相対的に硬性または剛直な物質から形成されてもよく、これがチップ105に対して比較的剛直な構造支持体を与え得る。当然ながら、他の実施形態では、下部層110は、可撓性または弾性(すなわち非剛直)の物質から形成されてもよい。ある場合には、底部層110は、その中に規定された1つ以上のチャネルおよび/またはその中に規定された1つ以上のポートを含んでもよい。ある場合には、底部層110(または上部層110)のような反応部位の境界を規定する物質は、例えば、この物質がいくつかの様式で反応されて、反応部位112にまたはその遠位に輸送されることが可能になる因子を生成する場合、塩および/または他の物質を含んでもよい。この因子は、前に考察された任意の物質、例えば、ガス、液体、酸、塩基、トレーサー化合物、低分子(例えば、約1000Da〜1500Da未満の分子量を有する分子)、薬物、タンパク質などであってもよく、そして輸送は任意の適切な機構、例えば、拡散(中性または促進性)または浸出によって生じてもよい。1実施形態では、この因子は、例えば、電流または光を用いて(例えば、レーザーを用いて)外部で開始され得る熱分解反応によって生じる。他の特定の場合には、底部層110または上部層100のような反応部位の境界を規定する物質は、反応部位112と液体接触していない因子の1つ以上のリザーバを含んでもよいが、ここではこの因子は、例えば、リザーバと反応部位との間の少なくとも1つの液体接続を行なうことによって、反応部位にまたはその遠位に輸送され得る。この輸送は、例えば、直接液体運動に対して電場または磁場を用いて、ある場合には外部で制御されても駆動されてもよい。当然ながら、さらに他の場合には、底部層110および/または上部層100は、なんら因子または他のリザーバを含まなくてもよい。   The lower layer 110 forms the bottom of the chip 105 as illustrated in FIG. As previously described, a portion of the bottom layer 110 may partially define the reaction site 112 in certain cases. In some cases, the bottom layer 110 may be formed from a relatively rigid or rigid material, which may provide a relatively rigid structural support for the chip 105. Of course, in other embodiments, the lower layer 110 may be formed from a flexible or elastic (ie, non-rigid) material. In some cases, bottom layer 110 may include one or more channels defined therein and / or one or more ports defined therein. In some cases, the material defining the boundary of the reaction site, such as the bottom layer 110 (or the top layer 110), can be, for example, reacted to the reaction site 112 or distal to it in some manner. Salts and / or other substances may be included when producing factors that can be transported. This factor can be any material previously discussed, such as gases, liquids, acids, bases, tracer compounds, small molecules (eg, molecules having a molecular weight of less than about 1000 Da to less than 1500 Da), drugs, proteins, etc. And transport may occur by any suitable mechanism, such as diffusion (neutral or accelerated) or leaching. In one embodiment, this factor is caused by a pyrolysis reaction that can be initiated externally, for example, using current or light (eg, using a laser). In other particular cases, the material defining the boundary of the reaction site, such as bottom layer 110 or top layer 100, may include one or more reservoirs of factors that are not in liquid contact with reaction site 112, Here the factor can be transported to or distal to the reaction site, for example by making at least one liquid connection between the reservoir and the reaction site. This transport may be controlled or driven externally in some cases, for example using electric or magnetic fields for direct liquid motion. Of course, in still other cases, the bottom layer 110 and / or the top layer 100 may not include any factors or other reservoirs.

本発明のチップおよびリアクターは、広範な種々の異なる構成を有してもよいことが理解されるべきである。例えば、このチップは、単一の物質から形成されてもよく、またはこのチップは2つ以上のタイプのリアクター、リザーバおよび/または因子を含んでもよい。ある場合には、このチップは、このチップ内の1つ以上の反応部位内の1つ以上の環境要因(単数または複数)を変更し得る2つ以上のシステムを含んでもよい。例えば、このチップは、密閉されたリザーバとpH中性でないガスが横切って浸透できる上部層とを備えてもよい。   It should be understood that the chips and reactors of the present invention may have a wide variety of different configurations. For example, the chip may be formed from a single material, or the chip may include more than one type of reactor, reservoir and / or factor. In some cases, the chip may include two or more systems that can change one or more environmental factor (s) in one or more reaction sites in the chip. For example, the chip may include a sealed reservoir and a top layer that allows non-pH neutral gas to permeate across.

本発明のチップは、例えば、センサーを用いてリアクターの反応部位と関連した1つ以上の環境条件を検出または決定できるように構築かつ配列され得る。ある場合には、各々の反応部位は独立して決定されてもよい。環境条件の検出は、例えば、反応部位内に位置するか、または反応部位の近位に位置し得る、すなわち、このセンサーがある方式ではこの反応部位と連絡するように配置され得る、センサーによって行なわれてもよい。ある場合には、このような検出は、リアルタイムで生じてもよい。このセンサーは例えば、pHセンサーであっても、オプショナルセンサー、酸素センサー、物質の濃度を検出できるセンサーなどであってもよい。センサーの他の例はさらに以下に記載される。センサーは、チップに埋め込まれて一体的に接続されてもよく(例えば、反応部位と液体連絡した反応部位チャネルの少なくとも一部を規定する構成要素内)、ある場合にはチップから隔てられてもよい(例えば、連絡を検知する工程において)。また、センサーは、特定の実施形態では反応部位に一体的に接続されてもまたはそれから隔てられてもよい。   The chip of the present invention can be constructed and arranged such that, for example, a sensor can be used to detect or determine one or more environmental conditions associated with the reaction site of the reactor. In some cases, each reaction site may be determined independently. Detection of environmental conditions is performed by a sensor, for example, which may be located within the reaction site or proximal to the reaction site, i.e. the sensor may be arranged to communicate with the reaction site in some manner. May be. In some cases, such detection may occur in real time. This sensor may be, for example, a pH sensor, an optional sensor, an oxygen sensor, a sensor capable of detecting a substance concentration, or the like. Other examples of sensors are further described below. The sensor may be embedded in and integrally connected to the chip (eg, in a component that defines at least a portion of the reaction site channel in fluid communication with the reaction site), and in some cases may be separated from the chip. Good (eg, in the process of detecting contact). Also, the sensor may be integrally connected to or separated from the reaction site in certain embodiments.

本明細書において用いる場合、「環境要因(environmental factor)」または「環境条件(environmental condition)」とは、反応部位内の環境および/または反応部位に関連する環境の検出可能なおよび/または測定可能な条件(例えば、センサーによる)、例えば温度または圧力である。この要因または条件は、反応部位内で、および/または反応部位の近位の位置(例えば、反応部位の上流または下流)で検出および/または測定されてもよく、その結果この反応部位内の環境条件は公知になりそして/または制御される。例えば、この環境要因は、反応部位内または反応部位に関連するガスまたは溶存ガスの濃度であってもよい(例えば、膜などによって反応部位から隔てられた反応部位の上流または下流)。このガスは、例えば、酸素、窒素、水(すなわち、相対的な湿度)、COなどであってもよい。この環境要因はまた、ある場合には物質の濃度であってもよい。例えば、環境要因は、モル濃度、オスモル濃度、塩分濃度、総イオン濃度、pH、色、光学密度などのような集合的な量であってもよい。この濃度はまた、反応部位内に存在する1つ以上の化合物の濃度、例えばナトリウム、カリウム、鉄または塩化物イオンなどのイオン濃度;あるいは生物学的に活性な化合物、例えば、タンパク質、脂質または炭水化物源(例えば、糖)、例えばグルコース、グルタミン、ピルビン酸、アパタイト、アミノ酸またはオリゴペプチド、ビタミン、ホルモン、酵素、タンパク質、成長因子、血清などの濃度であってもよい。ある場合には、この反応部位内の物質は、例えば、培地に見出されるような、または細胞由来の廃棄物として生成されるような、1つ以上の代謝インジケーターを含んでもよい。細胞が存在する場合、このセンサーはまた、生存度、細胞密度、細胞運動性、細胞分化、細胞産物(例えば、タンパク質、脂質、低分子、薬物など)などの全てを決定するためのセンサーであってもよい。 As used herein, “environmental factor” or “environmental condition” refers to a detectable and / or measurable environment within and / or associated with a reaction site. Conditions (e.g. by sensor), e.g. temperature or pressure. This factor or condition may be detected and / or measured within the reaction site and / or at a location proximal to the reaction site (eg, upstream or downstream of the reaction site), so that the environment within this reaction site Conditions are known and / or controlled. For example, the environmental factor may be the concentration of a gas or dissolved gas associated with or at the reaction site (eg, upstream or downstream of the reaction site separated from the reaction site by a membrane or the like). This gas may be, for example, oxygen, nitrogen, water (ie, relative humidity), CO 2 and the like. This environmental factor may also be the concentration of the substance in some cases. For example, environmental factors may be collective quantities such as molarity, osmolarity, salinity, total ion concentration, pH, color, optical density, and the like. This concentration may also be the concentration of one or more compounds present in the reaction site, for example ionic concentrations such as sodium, potassium, iron or chloride ions; or biologically active compounds such as proteins, lipids or carbohydrates It may be the concentration of a source (eg sugar) such as glucose, glutamine, pyruvate, apatite, amino acids or oligopeptides, vitamins, hormones, enzymes, proteins, growth factors, serum and the like. In some cases, the material within this reaction site may include one or more metabolic indicators, such as found in the culture medium or produced as cell-derived waste. In the presence of cells, this sensor is also a sensor for determining all of viability, cell density, cell motility, cell differentiation, cell products (eg, proteins, lipids, small molecules, drugs, etc.). May be.

環境要因はまた、反応部位内の液体の液体特性、例えば圧力、粘度、濁度、剪断速度、撹拌の程度または液体の流速であってもよい。この液体は、例えば、液体またはガスであってもよい。1セットの実施形態では、この環境要因は、反応部位内の電気的状態、例えば荷電、電流、電圧、電場強度または液体もしくは別の物質の抵抗率もしくは伝導率である。1セットの実施形態では、環境条件は温度または圧力である。特定の実施形態では、センサーはレシオメトリックセンサー、すなわち、2つ(またはそれ以上)のシグナル、例えば測定および制御のシグナル、2つの測定値などの間の相違または比を決定することができるセンサーであってもよい。   The environmental factor may also be the liquid properties of the liquid in the reaction site, such as pressure, viscosity, turbidity, shear rate, degree of agitation, or liquid flow rate. This liquid may be, for example, a liquid or a gas. In one set of embodiments, the environmental factor is an electrical condition within the reaction site, such as charge, current, voltage, electric field strength, or resistivity or conductivity of a liquid or another substance. In one set of embodiments, the environmental condition is temperature or pressure. In certain embodiments, the sensor is a ratiometric sensor, ie, a sensor that can determine the difference or ratio between two (or more) signals, eg, measurement and control signals, two measurements, etc. There may be.

本発明において有用なセンサーの非限定的な例としては、色素ベースの検出システム、親和性に基づく検出システム、微細加工重量測定アナライザー、CCDカメラ、光学検出器、光学顕微鏡システム、電気システム、熱電対およびサーミスタ、圧力センサーなどが挙げられる。当業者は、本発明における使用のための他のセンサーを同定することができる。例えば、1セットの実施形態では、チップは、1つ以上の環境要因に応答する1つ以上の検出可能化学物質、例えば、色素(または色素の組み合わせ)、蛍光分子などを含むセンサーを備えてもよい。または特定の環境条件(単数または複数)に感受性の1つ以上の色素、蛍光性もしくは色素生産性分子は、当業者によって選択され得る。このような色素、または蛍光性もしくは色素生産性分子の非限定的な例としては、pH感受性色素、例えば、フェノールレッド、ブロモチモールブルー、クロロフェノールレッド、フルオレセイン、HPTS、5(6)−カルボキシ−2’,7’−ジメトキシフルオレセインSNARFおよびフェノタレイン(phenothalein);カルシウム感受性色素、例えばFura−2およびIndo−1;塩化物感受性色素、例えば、6−メトキシ−N−(3−スルホプロピル)−キノリニンおよびルシゲニン;一酸化窒素に感受性の色素、例えば4−アミノ−5−メチルアミノ−2’,7’−ジフルオロフルオレセイン;溶存酸素に感受性の色素、例えばトリス(4,4’−ジフェニル−2,2’−ビピリジン)塩化ルテニウム(II)5水和物;溶存COに感受性の色素;脂肪酸に感受性の色素、例えば、BODIPY 530−標識グリセロホスホエタノールアミン;タンパク質に感受性の色素、例えば4−アミノ−4’−ベンザミドスチルベン−2−2’−ジスルホン酸(血清アルブミンに感受性)、X−GalまたはNBT/BCIP(特定の酵素に感受性)、TbClからのTb3+(特定のカルシウム結合タンパク質に感受性)、BODIPY FLファラシジン(アクチンに感受性)、またはBOCILLIN FL(特定のペニシリン結合タンパク質に感受性);グルコース、ラクトースもしくは他の成分の濃度に感受性の色素、またはプロテアーゼ、ラクターゼもしくは他の代謝副産物に感受性の色素、タンパク質、抗体もしくは他の細胞産物に感受性の色素、例えば、カルセイン(calcein)AM、臭化エチジウムまたはレザズリン(生存度に感受性)が挙げられる。 Non-limiting examples of sensors useful in the present invention include dye-based detection systems, affinity-based detection systems, microfabricated gravimetric analyzers, CCD cameras, optical detectors, optical microscope systems, electrical systems, thermocouples And thermistors and pressure sensors. One skilled in the art can identify other sensors for use in the present invention. For example, in one set of embodiments, the chip may comprise a sensor that includes one or more detectable chemicals that are responsive to one or more environmental factors, eg, a dye (or combination of dyes), fluorescent molecules, and the like. Good. Alternatively, one or more dyes, fluorescent or chromogenic molecules that are sensitive to specific environmental condition (s) can be selected by one skilled in the art. Non-limiting examples of such dyes, or fluorescent or chromogenic molecules, include pH sensitive dyes such as phenol red, bromothymol blue, chlorophenol red, fluorescein, HPTS, 5 (6) -carboxy- 2 ′, 7′-dimethoxyfluorescein SNARF and phenothalein; calcium sensitive dyes such as Fura-2 and Indo-1; chloride sensitive dyes such as 6-methoxy-N- (3-sulfopropyl) -quinolinine and Lucigenin; a nitric oxide sensitive dye such as 4-amino-5-methylamino-2 ′, 7′-difluorofluorescein; a dissolved oxygen sensitive dye such as tris (4,4′-diphenyl-2,2 ′ -Bipyridine) ruthenium (II) chloride pentahydrate Dyes sensitive to dissolved CO 2; susceptible to fatty dye, e.g., BODIPY 530- labeled glycero-phosphoethanolamine; protein sensitive dye, such as 4-amino-4'-benzal bromide stilbene -2-2'- disulfonic acid (Sensitive to serum albumin), X-Gal or NBT / BCIP (sensitive to specific enzymes), Tb 3+ from TbCl 3 (sensitive to specific calcium binding proteins), BODIPY FL faracidin (sensitive to actin), or BOCILLIN FL (Sensitive to specific penicillin binding proteins); dyes sensitive to the concentration of glucose, lactose or other components, or dyes sensitive to proteases, lactases or other metabolic by-products, dyes sensitive to proteins, antibodies or other cellular products ,example , Calcein (calcein) AM, ethidium bromide or resazurin (sensitive to viability) and the like.

1実施形態では、色素または蛍光分子が、チップ内の1つ以上の壁内に、例えば、反応部位を規定する1つ以上の壁内に固定されてもよい。別の実施形態では、色素または蛍光分子は、例えば、反応部位と液体連絡して、チップ内に位置するゲル内に固定されてもよい。さらに別の実施形態では、色素または蛍光分子は、例えば、反応部位を通過される培地に溶解されてもよい。色素または蛍光分子は、1つ以上の環境要因および/または目的の他の変数(単数または複数)の値に一般的に比例する応答を有し得る。この応答は、例えば、蛍光シグナル、吸光度シグナル、波長または周波数などとして測定され得る。チップ内のリアクターおよび/または反応部位は、光送達および/または他の光相互作用する構成要素(単数または複数)と組み合わされてもよい。例えば、光相互作用する構成要素は、色素、蛍光分子などから生じる光(例えば、所定の波長を有する)が検出されおよび/または測定され得る検出システムを備えてもよい。   In one embodiment, the dye or fluorescent molecule may be immobilized in one or more walls in the chip, for example, in one or more walls that define a reaction site. In another embodiment, the dye or fluorescent molecule may be immobilized in a gel located within the chip, for example in liquid communication with the reaction site. In yet another embodiment, the dye or fluorescent molecule may be dissolved, for example, in a medium that is passed through the reaction site. The dye or fluorescent molecule may have a response that is generally proportional to the value of one or more environmental factors and / or other variable (s) of interest. This response can be measured, for example, as a fluorescent signal, absorbance signal, wavelength or frequency. The reactor and / or reaction site in the chip may be combined with light delivery and / or other light interacting component (s). For example, the light interacting component may comprise a detection system in which light (eg, having a predetermined wavelength) originating from a dye, fluorescent molecule, etc. may be detected and / or measured.

センサーは、ある場合には、チップより外側であってもよい比色定量検出システムを備えてもよいし、または特定の場合にはチップに微細製造されてもよい。1実施形態では、この比色定量検出システムは、チップの外側であってもよいが、光学ファイバーまたはチップに埋め込まれて得る他の光相互作用する構成要素(例えば、以下に記載されるものなど)を用いて、反応部位に対して光学的に結合されてもよい。例えば、比色検出システムは、色素または蛍光分子が用いられる場合、この比色定量検出システムは、反応部位内の1つ以上の環境要因における変化またはシフトに応答する色素または蛍光分子の周波数および/または強度における変化またはシフトを検出することができる。特定の例では、Ocean Optics Inc.(Dunedin F.O.)は、pHおよび溶存酸素濃度の測定のための光ファイバープローブおよび分光計を設ける。   The sensor may in some cases comprise a colorimetric detection system that may be outside the chip, or in certain cases may be microfabricated on the chip. In one embodiment, the colorimetric detection system may be external to the chip, but may be an optical fiber or other optical interactive component that may be embedded in the chip (eg, those described below, etc. ) May be optically coupled to the reaction site. For example, if a colorimetric detection system is used with a dye or fluorescent molecule, the colorimetric detection system can detect the frequency of the dye or fluorescent molecule and / or respond to changes or shifts in one or more environmental factors within the reaction site. Or a change or shift in intensity can be detected. In a specific example, Ocean Optics Inc. (Dunedin FO) provides a fiber optic probe and spectrometer for the measurement of pH and dissolved oxygen concentration.

本発明のある局面では、上記の任意のチップは、チップまたはその一部、例えば1つ以上の反応部位が、例えば、制御システムの使用によって、反応部位内のまたは反応部位に関連する環境条件の変化に応答できるように構築されかつ配列されてもよい。ある場合には、チップ内の各々の反応部位は、ある方式で独立して制御されてもよい。本明細書において用いる場合、「制御システム(control system)」とは、反応部位内または反応部位に関連する1つ以上の環境要因を検出および/または測定し得、そしてこの反応部位内または反応部位に関連する環境条件において応答または変化を生じる(例えば、特定の値で環境条件を維持する)システムである。ある場合には、この制御システムは、リアルタイムで環境要因を制御し得る。制御システムによって生じる応答は、特定の場合には環境要因に基づき得る。本明細書において用いる場合、「能動的(active)」制御システムは、環境的条件の測定値に対する直接応答として反応部位に関連する環境的要因における変化を生じ得るシステムである。この能動的な制御システムは、反応から送達されるかまたは放出され得る因子を提供し得るが、この因子は反応部位に関連する条件を決定し得るセンサーに応答して制御される。「受動的(passive)」制御システムとは本明細書において用いる場合、環境要因の測定を要する必要なしに、反応部位の環境条件における変化を維持するかまたは生じ得るシステムである。この受動的制御システムは、反応部位内の環境要因を制御し得るが、センサーまたは測定値に応答する必要はない。この受動的制御システムは、能動的制御なしにある因子が反応部位に入ったり出たりすることを可能にし得る。例えば、受動的制御システムは、酸素膜および/または水透過性膜を備えてもよく、この膜は、反応部位内で、例えば、特定の所定の限界内に、酸素および/または水蒸気含量を維持し得る。この制御システムは、例えば、1日、1週、30日、60日、90日、1年またはある場合には無期限の任意の期間、反応部位内または反応部位と関連する1つ以上の条件を制御し得る。   In certain aspects of the invention, any of the above chips is a chip or portion thereof, eg, one or more reaction sites, of environmental conditions within or associated with the reaction site, eg, by use of a control system. It may be constructed and arranged to be responsive to changes. In some cases, each reaction site in the chip may be controlled independently in some manner. As used herein, a “control system” can detect and / or measure one or more environmental factors within or associated with a reaction site and within this reaction site or reaction site. A system that produces a response or change in the environmental conditions associated with (e.g., maintaining the environmental conditions at a particular value). In some cases, the control system may control environmental factors in real time. The response produced by the control system may be based on environmental factors in certain cases. As used herein, an “active” control system is a system that can cause changes in environmental factors associated with a reaction site as a direct response to a measurement of environmental conditions. The active control system can provide a factor that can be delivered or released from the reaction, which is controlled in response to a sensor that can determine the conditions associated with the reaction site. A “passive” control system, as used herein, is a system that can maintain or cause changes in the environmental conditions of the reaction site without the need to measure environmental factors. This passive control system can control environmental factors within the reaction site, but does not need to respond to sensors or measurements. This passive control system may allow certain factors to enter and exit the reaction site without active control. For example, a passive control system may comprise an oxygen membrane and / or a water permeable membrane that maintains oxygen and / or water vapor content within the reaction site, eg, within certain predetermined limits. Can do. This control system can be used, for example, for one day, one week, thirty days, sixty days, ninety days, one year, or in some cases indefinitely, any one or more conditions within or associated with a reaction site. Can be controlled.

制御システムは、多数の制御要素、例えば、アクチュエータに作動可能に接続されたセンサー、および必要に応じてプロセッサーを備えてもよい。制御システムの1つ以上の構成要素は、反応部位を備えるチップに一体的に接続されてもよく、またはチップから分離されてもよい。ある場合には、制御システムは、チップに一体である構成要素、およびチップから隔てられる他の構成要素を備える。この構成要素は、反応部位内であっても反応部位から近位であってもよい(例えば、反応部位の上流または下流など)。当然ながら、ある場合には、この制御システムは、検出、測定および/または制御される適用および環境要因(単数または複数)に依存して、2つ以上のセンサー、プロセッサー、および/またはアクチュエータを備えてもよい。制御システムの1例は、図5に示されており、ここではセンサー52によって検出されるチップ105内の環境条件50は、適切な処理のためにプロセッサー54に伝達されるシグナル51に変換される。次いで、プロセッサー54はシグナル53を生じ、これがアクチュエータ56に送られて、ここでシグナルが応答60に変換される。ある場合には、この制御システムは、刺激または刺激の変化(例えば、5秒未満、1秒未満、100ms未満、10ms未満、または1ms未満の時間での温度またはpHのような環境要因における検出可能な変化)に応答して環境要因における極めて急速な変化を生じることが可能であり得る。   The control system may include a number of control elements, such as sensors operably connected to an actuator, and optionally a processor. One or more components of the control system may be integrally connected to or separated from the chip with the reaction site. In some cases, the control system comprises components that are integral to the chip and other components that are separated from the chip. This component may be within the reaction site or proximal to the reaction site (eg, upstream or downstream of the reaction site, etc.). Of course, in some cases, the control system comprises two or more sensors, processors, and / or actuators, depending on the application and environmental factor (s) being detected, measured and / or controlled. May be. An example of a control system is shown in FIG. 5, where the environmental condition 50 in the chip 105 detected by the sensor 52 is converted into a signal 51 that is transmitted to the processor 54 for proper processing. . The processor 54 then produces a signal 53 that is sent to the actuator 56 where the signal is converted to a response 60. In some cases, the control system can detect on an environmental factor such as temperature or pH at a stimulus or change in stimulus (eg, less than 5 seconds, less than 1 second, less than 100 ms, less than 10 ms, or less than 1 ms). It may be possible to produce very rapid changes in environmental factors in response to

本明細書において用いる場合、「プロセッサー(processor)」または「マイクロプロセッサー(microprocessor)」は、1つ以上のセンサーからのシグナルを受容し、シグナルを記憶し、そして/または、例えば、数式または電気回路もしくはコンピューター回路を用いることによって、1つ以上のアクチュエータについての1つ以上の応答にこのシグナルを変換し得る任意の構成要素またはデバイスである。1つの実施形態では、このプロセッサーは、専門的なシステムであってもよい。このシグナルは、センサーによって決定される環境要因の指標の任意の適切なシグナル、例えば、空圧式シグナル、電気的シグナル、光学的シグナル、機械的シグナルなどであってもよい。プロセッサー54は、シグナルに対する応答を決定するのに適切な任意のデバイス、例えば、半導体チップのような機械的デバイスまたは電気的デバイスであってもよい。このプロセッサーは、適用に応じて、反応部位またはチップを組み込んで一体的に接続されてもよいし、または反応部位またはチップから隔てられてもよい。1実施形態では、このプロセッサーは、プロセス制御アルゴリズムを用いてプログラミングされ、これが例えば、センサーからの入力シグナルをとって、このシグナルをアクチュエータへの適切な出力に変換することができる。任意の適切なアルゴリズム(単数または複数)を、プロセッサー54、例えば、PID制御システム、フィードバックまたはフィードフォーワードのシステム、ファジー理論制御システムなどにおいて用いてもよい。このプロセッサーは、例えば、アクチュエータの操作によって、反応部位内の環境条件を制御するようにプログラムされるかさもなければ設計されてもよい。   As used herein, a “processor” or “microprocessor” receives a signal from one or more sensors, stores a signal, and / or, for example, a formula or an electrical circuit Alternatively, any component or device that can convert this signal into one or more responses for one or more actuators by using a computer circuit. In one embodiment, the processor may be a specialized system. This signal may be any suitable signal of an indicator of environmental factors determined by the sensor, such as a pneumatic signal, an electrical signal, an optical signal, a mechanical signal, and the like. The processor 54 may be any device suitable for determining a response to a signal, for example, a mechanical device such as a semiconductor chip or an electrical device. Depending on the application, the processor may be integrally connected, incorporating the reaction site or chip, or separated from the reaction site or chip. In one embodiment, the processor is programmed using a process control algorithm, which can take, for example, an input signal from a sensor and convert this signal to an appropriate output to an actuator. Any suitable algorithm (s) may be used in the processor 54, such as a PID control system, a feedback or feedforward system, a fuzzy logic control system, and the like. The processor may be programmed or otherwise designed to control environmental conditions within the reaction site, for example, by operation of an actuator.

例えば、1実施形態では、プロセッサー54は、1つ以上の環境条件(例えば、温度または圧力)を、チップの所定の反応部位内で、一定の所定のレベルで維持して、例えばその中の化学的反応を促進することができる。別の実施形態では、プロセッサー54は、所定のパターンに従って、または特定の条件に応答して、チップの1つ以上の所定の反応部位内で1つ以上の環境条件を変更することができる;例えば、プロセッサーは、アクチュエータが、特定の速度で所定の反応部位内でpHを上げることを可能にするか、このプロセッサーは、一旦特定の温度または他の環境条件に達すれば、アクチュエータが所定の反応部位のpHを変更させることを可能にするか、またはこのプロセッサーは、このアクチュエータがある物質または因子の所定の反応部位への流動を可能にするか妨げるか、または増大するか低下することを可能にする。ある実施形態では、プロセッサー54は、所定の反応部位内のいくつかの環境条件、例えば、少なくとも2、3、4、5、6、7以上の条件を、所望される適用および制御の程度に依存して好ましくは同時にまたはほぼ同時に制御することができる。例えば、プロセッサー54は、1つ以上のセンサーおよび/または1つ以上のアクチュエータと連絡されてもよい。   For example, in one embodiment, the processor 54 maintains one or more environmental conditions (eg, temperature or pressure) at a certain predetermined level within a predetermined reaction site of the chip, eg, the chemistry therein. Reaction can be promoted. In another embodiment, the processor 54 can change one or more environmental conditions within one or more predetermined reaction sites of the chip according to a predetermined pattern or in response to a specific condition; The processor allows the actuator to raise the pH within a given reaction site at a particular rate, or the processor may allow the actuator to move to a given reaction site once a particular temperature or other environmental condition is reached. Or the processor allows the actuator to allow, prevent, increase or decrease the flow of a substance or factor to a given reaction site. To do. In certain embodiments, the processor 54 may rely on several environmental conditions within a given reaction site, such as at least 2, 3, 4, 5, 6, 7 or more conditions depending on the degree of application and control desired. Thus, it can be controlled simultaneously or almost simultaneously. For example, the processor 54 may be in communication with one or more sensors and / or one or more actuators.

特定の実施形態では、プロセッサー54は、1つ以上の反応部位内の1つ以上の環境条件を維持するようにプログラムされるか、または設計され得る。例えば、プロセッサー54は、3つの反応部位内、7つの反応部位内、10個の反応部位内などの1つ以上の環境条件を維持するようにプログラムされてもよいし、または設計されてもよい。例えば、複数の反応部位が存在する場合、反応部位の1つのサブセットは、1つの温度で保持されてもよいが、反応部位の異なるサブセットは、種々の温度で保持されてもよい。別の例では、反応部位の1つのサブセットは、それに加えられた第一の化合物を有してもよいが、第二のサブセットの反応部位は、それに加えられた異なる化合物を有してもよい。サブセットの組み合わせはまた、例えば、種々の化合物、温度などを有する種々のサブセットを用いてもよい。従って、多くの種々の環境条件は、1つのチップ内の種々の値で同時に制御され得る。ある場合には、反応部位の制御およびモニタリングのパターンは、時間内に、すなわち、実験の間変更されてもよい。従って、例えば、時間内の第一の時点で同時にモニターおよび/または制御された2つの反応部位は、時間内の第二の時点で別々にモニターおよび/または制御されてもよい。制御およびモニタリングは、事前設定されても、自動でもまたは手動的に決定されてもよい。   In certain embodiments, the processor 54 may be programmed or designed to maintain one or more environmental conditions within one or more reaction sites. For example, the processor 54 may be programmed or designed to maintain one or more environmental conditions such as within 3 reaction sites, within 7 reaction sites, within 10 reaction sites, etc. . For example, if there are multiple reaction sites, one subset of reaction sites may be held at one temperature, but different subsets of reaction sites may be held at various temperatures. In another example, one subset of reactive sites may have a first compound added thereto, while a second subset of reactive sites may have a different compound added thereto. . Combinations of subsets may also use different subsets having different compounds, temperatures, etc., for example. Thus, many different environmental conditions can be controlled simultaneously with different values within one chip. In some cases, the reaction site control and monitoring pattern may be changed in time, ie, during the experiment. Thus, for example, two reaction sites that are monitored and / or controlled simultaneously at a first point in time may be monitored and / or controlled separately at a second point in time. Control and monitoring may be preset, determined automatically or manually.

1セットの実施形態では、プロセッサー54は、細胞(例えば、細菌または哺乳動物細胞)の代謝または増殖を支持するのに適切な条件を維持するようにプログラムされても設計されてもよい。例えば、プロセッサー54は、チップの反応部位内の温度、相対的湿度、圧力、酸素濃度、CO濃度、血清濃度、栄養物濃度、剪断速度またはpHのうちの1つ以上を制御することができることができるかもしれない。細胞増殖を支持するために適切な他の環境要因はさらに以下に記載される。 In one set of embodiments, the processor 54 may be programmed or designed to maintain conditions appropriate to support the metabolism or growth of cells (eg, bacterial or mammalian cells). For example, the processor 54 can control one or more of temperature, relative humidity, pressure, oxygen concentration, CO 2 concentration, serum concentration, nutrient concentration, shear rate or pH within the reaction site of the chip. May be possible. Other environmental factors suitable for supporting cell growth are further described below.

本明細書において用いる場合、「アクチュエータ(actuator)」とは、1つ以上の反応部位内もしくはその近位、または1つ以上の反応部位と液体連絡したインレットもしくはアウトレットにおける環境に影響できるデバイスである(例えば、図5Aにおけるチャネル116および117におけると同様に)。このアクチュエータは、反応部位もしくはチップから離れてもよく、または一体的に接続されてもよい。例えば、ある実施形態では、このアクチュエータは、反応部位の中または外への物質または因子、例えば、化学溶液、緩衝液(例えば、pH緩衝液)、ガス、例えばCOまたはO、栄養溶液、生理食塩水、酸、塩基、炭素源、窒素源、インヒビター、プロモーター、ホルモン、成長因子、誘導因子などを含む溶液の流動を制御、変更および/または防止することができるバルブまたはポンプ(マイクロバルブおよびマイクロポンプを含む)を備えてもよい。輸送されるべき物質は、特定の適用に依存する。ある場合には、ポンプは、チップの外側であってもよい。1例では、アクチュエータは反応部位にCOまたはOが入ることを可能にするバルブを選択的に開口し得る。他の場合には、ポンプは、チップの内側であってもよい。例えば、ポンプは、圧電性ポンプであってもまたは機械的活性化ポンプ(例えば、圧力、電気刺激などによって活性化される)であってもよい。1実施形態では、このポンプは、チップ内で液体を流動させ得るチップ内のガスを生じることによって活性化される;例えば、ガスは、ガス生成反応を開始する反応物質にレーザー光のような光を向けることによって生成されてもよく、またはガスはリアクタントに電流を加えることによって生成されてもよい(例えば、電流を水に流してガスを生じることもできる)。別の例では、アクチュエータは、必要に応じて反応物との液体連絡を生じ得るポンピングシステムを備えてもよい。1つの特定の例では、ガス透過性の能力を有するチップは、インキュベーターまたは他の内包環境に入れられてもよく、そしてインキュベーターまたは他の環境内の雰囲気を、制御してもよく、それによって反応部位内の環境条件を制御してもよい。 As used herein, an “actuator” is a device that can affect the environment in or near one or more reaction sites, or in an inlet or outlet in fluid communication with one or more reaction sites. (For example, as in channels 116 and 117 in FIG. 5A). This actuator may be remote from the reaction site or chip, or may be integrally connected. For example, in certain embodiments, the actuator may include a substance or factor into or out of the reaction site, such as a chemical solution, a buffer (eg, pH buffer), a gas such as CO 2 or O 2 , a nutrient solution, Valves or pumps (microvalves and pumps) that can control, change and / or prevent the flow of solutions containing saline, acids, bases, carbon sources, nitrogen sources, inhibitors, promoters, hormones, growth factors, inducers, etc. Including a micropump). The material to be transported depends on the specific application. In some cases, the pump may be outside the tip. In one example, the actuator may selectively open a valve that allows CO 2 or O 2 to enter the reaction site. In other cases, the pump may be inside the tip. For example, the pump may be a piezoelectric pump or a mechanical activation pump (eg, activated by pressure, electrical stimulation, etc.). In one embodiment, the pump is activated by creating a gas in the chip that can cause a liquid to flow in the chip; for example, the gas is light such as laser light to a reactant that initiates a gas generating reaction. Or the gas may be generated by applying an electric current to the reactant (eg, an electric current may be passed through the water to produce a gas). In another example, the actuator may include a pumping system that may cause liquid communication with the reactants as needed. In one particular example, a gas permeable chip may be placed in an incubator or other encapsulated environment and the atmosphere in the incubator or other environment may be controlled thereby reacting You may control the environmental condition in a site | part.

なお別の例では、アクチュエータは、加熱エレメントまたは冷却エレメント、例えば熱交換器(例えば、図2に示される)、抵抗性ヒーターまたはペルチャー(Peltier)クーラーを備えてもよい。他の実施形態では、このアクチュエータは、電気システム、例えば、反応部位内の一定電流または一定の電場勾配を維持する電気システムであってもよい。別の実施例では、少なくとも2つの液体ストリームが反応部位に入りそしてまた出るが、このアクチュエータは、2つの液体ストリームの間の流速の比を制御し得るバルブまたはポンプを備えてもよい。例えば、アクチュエータは、シグナルと応答して作動して、反応部位内でインレット流速を増大させ、そしてアウトレット流速を低下させ得る。   In yet another example, the actuator may comprise a heating or cooling element, such as a heat exchanger (eg, shown in FIG. 2), a resistive heater or a Peltier cooler. In other embodiments, the actuator may be an electrical system, eg, an electrical system that maintains a constant current or a constant electric field gradient within the reaction site. In another embodiment, at least two liquid streams enter and exit the reaction site, but the actuator may include a valve or pump that can control the ratio of flow rates between the two liquid streams. For example, the actuator can operate in response to a signal to increase the inlet flow rate and decrease the outlet flow rate within the reaction site.

1セットの実施形態では、アクチュエータは、エネルギー源、例えば、電磁エネルギー源、熱源、機械的エネルギー源、または超音波源を備えてもよい。ある実施形態では、この電磁照射線は、光学的または視覚的範囲の波長または周波数(例えば、約400nm〜700nmの波長を有する)、赤外線波長(例えば、約300nm〜700nmの波長を有する)、紫外波長(例えば、約400nm〜約10nmの波長を有する)などを有してもよい。ある場合には、この光は、例えば、約350nm〜約1000nm、約300nm〜約500nm、約500nm〜約1nm、約400nm〜約700nm、約600nm〜約1000nm、または約500nm〜約50nmの範囲の周波数をカバーし得る。他の場合には、この光は、単色(すなわち、単一の周波数または狭い周波数分布を有する)、例えば、市販のレーザーによって一般に生じる周波数、または蛍光因子が励起される周波数であってもよい。例えば、この周波数は、約366nm、405nm、436nm、546nm、578nm、457nm、488nm、514nm、532nm、543nm、594nm、633nm、568nmまたは647nmに集まる周波数であってもよい。光の単色ビームは、狭い分布の周波数を有してもよい。例えば、周波数の90%または95%は、平均周波数の±5nmまたは±3nm内であってもよい。特定の場合には、光は、偏光(例えば、直線的または環状に)されてもよいし、または光の2つ以上の波長が、例えば、連続してまたは同時に用いられてもよい。ある実施形態では、光相互作用する構成要素は、デバイス内の光の波長を変更させ得る。   In one set of embodiments, the actuator may comprise an energy source, such as an electromagnetic energy source, a heat source, a mechanical energy source, or an ultrasonic source. In certain embodiments, the electromagnetic radiation is in the optical or visual range of wavelengths or frequencies (eg, having a wavelength of about 400 nm to 700 nm), infrared wavelengths (eg, having a wavelength of about 300 nm to 700 nm), ultraviolet Wavelength (eg, having a wavelength of about 400 nm to about 10 nm), and the like. In some cases, the light is, for example, in the range of about 350 nm to about 1000 nm, about 300 nm to about 500 nm, about 500 nm to about 1 nm, about 400 nm to about 700 nm, about 600 nm to about 1000 nm, or about 500 nm to about 50 nm. Can cover the frequency. In other cases, the light may be monochromatic (ie, having a single frequency or a narrow frequency distribution), for example, the frequency commonly produced by commercially available lasers, or the frequency at which the fluorescent agent is excited. For example, this frequency may be a frequency centered around 366 nm, 405 nm, 436 nm, 546 nm, 578 nm, 457 nm, 488 nm, 514 nm, 532 nm, 543 nm, 594 nm, 633 nm, 568 nm or 647 nm. The monochromatic beam of light may have a narrow distribution of frequencies. For example, 90% or 95% of the frequency may be within ± 5 nm or ± 3 nm of the average frequency. In certain cases, the light may be polarized (eg, linearly or circularly), or two or more wavelengths of light may be used, eg, sequentially or simultaneously. In certain embodiments, the light interacting component may change the wavelength of light in the device.

別の実施形態では、このアクチュエータは、好ましくは近傍または隣接する細胞に影響することなく、特定の細胞または細胞タイプを選択的に殺傷または不活性化するように構築かつ配置されてもよい。例えば、このアクチュエータは、反応部位、またはその反応部位と液体連絡したインレットもしくはアウトレットに実質的に向けられたエネルギー源を備えてもよい;センサーによる特定の細胞または細胞タイプの検出の際、このアクチュエータは、例えば、細胞にエネルギーを向けること、細胞を殺傷すること、さもなければ細胞を同じ方式で不活性化することによって(例えば、複製を妨げるのに十分そのDNAを損傷することによって)、細胞を標的し得る。細胞に標的されたエネルギーは、細胞を不活性化し得る任意のエネルギー、例えば、電磁またはイオン化照射、超音波または熱エネルギーであってもよい。   In another embodiment, the actuator may be constructed and arranged to selectively kill or inactivate specific cells or cell types, preferably without affecting nearby or adjacent cells. For example, the actuator may comprise an energy source substantially directed to a reaction site or an inlet or outlet in fluid communication with the reaction site; upon detection of a particular cell or cell type by a sensor By, for example, directing energy to the cell, killing the cell, or otherwise inactivating the cell in the same manner (eg, by damaging its DNA sufficient to prevent replication) Can be targeted. The energy targeted to the cell may be any energy that can inactivate the cell, such as electromagnetic or ionizing radiation, ultrasound or thermal energy.

1セットの実施形態では、チップは環境要因に影響し得る因子、またはこの要因に影響し得る因子の前駆体を反応部位へまたはその近位へ輸送することによって反応部位に関連する環境要因を制御するように(すなわち、反応部位内の環境要因に影響するように)構築かつ配列される。この反応部位へのこの因子(または前駆体)の送達の制御は、特定の場合には、環境要因を制御するために用いられ得る。   In one set of embodiments, the chip controls environmental factors associated with a reaction site by transporting factors that may affect environmental factors, or precursors of factors that may affect these factors, to or near the reaction site. (Ie, to affect environmental factors within the reaction site). Control of the delivery of this factor (or precursor) to the reaction site can be used in certain cases to control environmental factors.

別のセットの実施形態では、反応部位内または反応部位に関連する環境要因は、因子、例えば、液体またはガスのような外因的なまたは未滅菌の因子に対してこの反応部位を直接接触させることなく変更および/または制御され得る。例えば、反応部位は、滅菌および/もしくは単離が必要である生物学的設定における使用のための生物学的標本または物質を含んでもよい;またはこの反応部位は、例えば、液体もしくはpHの変化に対して感受性である反応、例えば、湿気のない環境で行なうしかない水感受性の反応を含んでもよいが、ここではこの因子と反応部位との間の直接の接触は困難である。   In another set of embodiments, environmental factors within or associated with the reaction site directly contact the reaction site with an agent, e.g., an exogenous or unsterile factor such as a liquid or gas. Can be changed and / or controlled without any changes. For example, the reaction site may include a biological specimen or material for use in a biological setting where sterilization and / or isolation is required; or the reaction site is, for example, subject to a change in liquid or pH It may include reactions that are sensitive to water, for example, water-sensitive reactions that only take place in a moisture-free environment, where direct contact between this factor and the reaction site is difficult.

1セットの実施形態では、チップは、ある因子が反応部位へ浸透または拡散することを可能にするように構築かつ配置されてもよい。例えば、この反応部位は、少なくとも部分的には、因子がそれを通して浸透し得る、チップの壁または層のような構成要素によって、規定され得る。この因子は、この反応部位内または反応部位に関連する1つ以上の環境要因を変更および/または制御することが可能であり得る。例えば、この構成要素は、この因子が横切って浸透できる膜、例えば浸透膜または半透過性(例えば、この因子に関して)の膜を備えてもよい。ある場合には、この構成要素はこの因子に関して化学的にまたは物理的に不活性であってもよい。特定の場合には、因子の流動は、この構成要素の片側で生じ得る。ある実施形態では、この構成要素の片側での因子の流動は、例えば、この因子とこの構成要素との間の接触の時点が延長するように、蛇行したかまたは非直線の経路を通じて行なわれてもよい。例えば、図2では、区画20が区画42から、因子が透過できる膜(示さず)によって隔てられる場合、因子の流動は、蛇行性通路281にそって行なわれてもよい。   In one set of embodiments, the chip may be constructed and arranged to allow certain factors to penetrate or diffuse into the reaction site. For example, the reaction site can be defined, at least in part, by a component, such as a chip wall or layer, through which an agent can permeate. This factor may be capable of changing and / or controlling one or more environmental factors within or associated with the reaction site. For example, the component may comprise a membrane that is permeable across the factor, such as a permeable membrane or a semi-permeable membrane (eg, with respect to the factor). In some cases, this component may be chemically or physically inert with respect to this factor. In certain cases, factor flow may occur on one side of the component. In certain embodiments, the flow of the factor on one side of the component is performed, for example, through a serpentine or non-linear path so that the point of contact between the factor and the component is extended. Also good. For example, in FIG. 2, if compartment 20 is separated from compartment 42 by a membrane (not shown) through which the factor can permeate, the flow of the factor may occur along tortuous passageway 281.

1実施形態では、チップ内のいずれかで生じる化学的因子は、その中で環境要因(単数または複数)を制御する反応部位(単数または複数)と相互作用するようにされてもよいし、または1つ以上の液体経路がチップ内で作製されて(例えば、開けられて)、これによってチップ内もしくはチップ外に保管された因子が反応部位と接触されるかさもなければ反応部位に影響することが可能になってもよい。この因子は、反応部位内の1つ以上の環境要因を変更および/または制御し得る任意の因子であってもよい。例えば、この因子は、前に記載されたようなpH中性でない組成物またはpH変更因子であってもよい。例えば、図5Aでは、チップ105は、因子が反応部位へ浸透および/または拡散することを可能にするように構築され得る。例えば、この反応部位は、因子が透過して反応部位に影響し得る、チップの壁(例えば、所定の反応部位112の壁)またはチップの1つ以上の層(例えば上部層100)のような、構成要素を備えてもよい。別の例では、ある様式でこの因子が浸透できる構成要素は、この因子が横切って浸透できる膜、例えば浸透膜または半透過性(例えば、この因子に関して半透過性)の膜を備えてもよいしその膜によって規定されてもよい。ある場合には、この構成要素は、この因子に関して化学的にまたは物理的に不活性であってもよい;例えば、この構成要素は、酸性またはアルカリ性の化合物が、この構成要素を実質的に損傷することも変更することもなく、この反応部位を横切って透過することを可能にし得る。特定の場合には、この因子の流動は、この構成要素の片側で生じ得る。ある場合には、この構成要素の片側での因子の流動は、例えば、この因子と構成要素との間の接触時間を延長するために、蛇行または非直線通路にそって生じてもよい。   In one embodiment, the chemical agent that occurs anywhere in the chip may be made to interact with the reaction site (s) that control the environmental factor (s) therein, or One or more liquid pathways are created (eg, opened) in the chip, thereby causing factors stored in or off the chip to contact the reaction site or otherwise affect the reaction site May be possible. This factor may be any factor that can alter and / or control one or more environmental factors within the reaction site. For example, the factor may be a composition that is not pH neutral or a pH modifier as previously described. For example, in FIG. 5A, the chip 105 can be constructed to allow factors to penetrate and / or diffuse into the reaction site. For example, the reaction site can be a wall of a chip (eg, the wall of a given reaction site 112) or one or more layers of a chip (eg, the top layer 100) through which factors can permeate and affect the reaction site. A component may be provided. In another example, a component that can be penetrated by the agent in a manner may comprise a membrane that can be penetrated across the agent, such as a membrane that is permeable or semi-permeable (eg, semi-permeable with respect to the factor). And may be defined by the membrane. In some cases, the component may be chemically or physically inert with respect to the agent; for example, the component may be substantially damaged by an acidic or alkaline compound. It may be possible to permeate across this reaction site without doing or changing. In certain cases, the flow of the factor can occur on one side of the component. In some cases, the flow of the factor on one side of the component may occur along a serpentine or non-linear path, for example, to extend the contact time between the factor and the component.

例えば、図7Aに示される本発明の実施形態では、所定の反応部位207および浸透性上層220を有するチップ205が図示される。この実施例では、分散ユニット228が、反応部位の近位に位置して、この結果この分散ユニットによって、所望の時間枠内で、例えば、適用に応じて2〜3秒もしくは数十秒、数十分または数時間内で反応部位207内に向かって浸透してそれと相互作用することができる因子が生成され得る。分散ユニット228はまた、1つ以上の化学物質源、例えば、ガスおよび/またはpH変更因子の1つ以上の供給源、例えば、例示的な図に示されるような供給源222および224に接続されてもよい。例えば、供給源222は、酸性供給源であってもよいし、供給源224は、アルカリ性供給源であってもよいし、供給源222および供給源224は各々が、酸性供給源またはアルカリ性供給源であってもよく、供給源222は、細胞媒体の供給源であってもよく、そして供給源224は、グルコースまたは生理食塩水などの供給源であってもよい。図7Bは、上部層220上のチップ205の表面上に分散されている因子(例えば、分散ユニット228によって分散された因子)を含む液滴225の拡大図を図示する。この図では、液滴225の部分226は、層220を通って反応部位207に部分的に浸透している。経時的に、浸透領域226は、この因子が反応部位207と接触して反応部位内の環境要因に影響するまで、この因子が上部層220に浸透するにつれて拡大され得る。   For example, in the embodiment of the invention shown in FIG. 7A, a chip 205 having a predetermined reaction site 207 and a permeable upper layer 220 is illustrated. In this embodiment, the dispersion unit 228 is located proximal to the reaction site, so that the dispersion unit allows the dispersion unit to be within a desired time frame, for example 2-3 seconds or tens of seconds, depending on the application. Factors can be generated that can penetrate into and interact with the reaction site 207 in sufficient or hours. Dispersion unit 228 is also connected to one or more chemical sources, eg, one or more sources of gas and / or pH modifiers, eg, sources 222 and 224 as shown in the illustrative figures. May be. For example, source 222 may be an acidic source, source 224 may be an alkaline source, and source 222 and source 224 may each be an acidic source or an alkaline source. The source 222 may be a source of cellular media and the source 224 may be a source such as glucose or saline. FIG. 7B illustrates an enlarged view of a droplet 225 that includes factors dispersed on the surface of the chip 205 on the upper layer 220 (eg, factors dispersed by the dispersion unit 228). In this view, the portion 226 of the droplet 225 partially penetrates the reaction site 207 through the layer 220. Over time, the infiltration region 226 can be expanded as the factor penetrates the upper layer 220 until the factor contacts the reaction site 207 and affects environmental factors within the reaction site.

ある実施形態では、等式1に示されるとおり、ある因子に関する基板(例えば、このチップの構成要素または層)の透過性(P)は、この因子の容量的移動速度(v)×厚み(T)/面積(a)×時間(t)×分圧差(p)として表され得る:
P=vT/atp (1)
物質の厚み(T)は、例えば、cmまたはmmで、時間(t)は秒で、圧力(p)はPa、atm、cmHgまたはmmHgで、面積(a)はcmまたはmmで、そしてこの因子の容量的移動速度(v)はcmで測定されてもよく、これは、273.15K(0℃)の温度および101 325Pa(1atm)の圧力または他の標準的な条件をいう、温度STP(「標準的温度および圧力(standard temperature and pressure)」)で測定される。従って、透過性は、例えば、cm STPmm/scmcmHgの単位である。従って、例えば、1つには、この基板は、アンモニア、酢酸および/またはCOに対して、少なくとも約400×10−9(cm STPmm/scmcmHg)、少なくとも約500×10−9(cm STPmm/scmcmHg)、少なくとも約590×10−9(cm STPmm/scmcmHg)、少なくとも約700×10−9(cm STPmm/scmcmHg)、または少なくとも約800×10−9(cm STPmm/scmcmHg)の透過性を有し得る。この基板がほぼ100μmという厚みを有する膜である1つの特定の例では、この基板は、アンモニアに対して約172モル/日matmの透過性、酢酸に対して約150モル/日matmの透過性、および/またはCOに対して約150モル/日matmの透過性を有してもよい。
In certain embodiments, as shown in Equation 1, the permeability (P) of a substrate (eg, a component or layer of the chip) for a factor is the capacitive transfer rate (v) × thickness (T) of the factor. ) / Area (a) × time (t) × partial pressure difference (p):
P = vT / atp (1)
The thickness (T) of the substance is, for example, cm or mm, the time (t) is seconds, the pressure (p) is Pa, atm, cmHg or mmHg, the area (a) is cm 2 or mm 2 , and The capacitive transfer rate (v) of this factor may be measured in cm 3 , which refers to a temperature of 273.15 K (0 ° C.) and a pressure of 101 325 Pa (1 atm) or other standard conditions, Measured at temperature STP ("standard temperature and pressure"). Therefore, the permeability is a unit of, for example, cm 3 STP mm / scm 2 cmHg. Thus, for example, in part, the substrate is at least about 400 × 10 −9 (cm 3 STP mm / scm 2 cmHg), at least about 500 × 10 −9 for ammonia, acetic acid and / or CO 2 . (Cm 3 STP mm / scm 2 cmHg), at least about 590 × 10 −9 (cm 3 STP mm / scm 2 cmHg), at least about 700 × 10 −9 (cm 3 STP mm / scm 2 cmHg), or at least about It may have a permeability of 800 × 10 −9 (cm 3 STP mm / scm 2 cmHg). In one specific example, where the substrate is a membrane having a thickness of approximately 100 μm, the substrate is permeable to about 172 mol / day m 2 atm for ammonia and about 150 mol / day m 2 for acetic acid. It may have atm permeability and / or permeability of about 150 mol / day m 2 atm for CO 2 .

1例では、反応部位内または反応部位に関連する環境要因がpHであるならば、この因子はその中でpHを制御するためにこの反応部位またはその近位に送達または輸送され得るpH変更因子であってもよい。本明細書において用いる場合、「pH変更因子(pH−altering agent)」は、この反応部位内またはこの反応部位に関連する環境のpHを変更し得る任意の因子、例えば、酸、塩基または反応部位内もしくは近位で反応して酸もしくは塩基を形成できる因子であってもよい。ある実施形態では、pH変更因子は、反応部位および/またはこのチップの他の構成要素(単数または複数)に対して不活性である。このpH変更因子は、必要な感度および特定の適用次第で、例えば、少なくとも0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、1、2または3以上のpH単位ずつ、有意なまたは測定可能な程度まで反応部位内のまたは反応部位に関連する環境のpHを変更することができるかもしれない。必要なpH感度は、当業者によって容易に決定できる。例えば、反応を開始するためにpHの変化を要する化学的プロセスは、大きなpH変化を要するかもしれないが、最適な値の近辺で反応部位のpHを調節するプロセスには、pHのわずかな変化に対する感度を要するかもしれない。   In one example, if the environmental factor within or associated with the reaction site is pH, the factor can be delivered or transported to or near this reaction site to control the pH therein. It may be. As used herein, a “pH-altering agent” is any factor that can change the pH of the environment within or associated with the reaction site, such as an acid, base or reaction site. It may be a factor capable of reacting internally or proximally to form an acid or base. In certain embodiments, the pH modifier is inert to the reaction site and / or other component (s) of the chip. This pH modifier is dependent on the required sensitivity and the specific application, for example at least 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 1, 2 or 3 or more. It may be possible to change the pH of the environment within or associated with the reaction site to a significant or measurable degree by the pH unit. The required pH sensitivity can be readily determined by one skilled in the art. For example, a chemical process that requires a change in pH to initiate the reaction may require a large pH change, but a process that adjusts the pH of the reaction site near the optimum value may require a slight change in pH. Sensitivity to may be required.

本明細書において用いる場合、「酸」は、化学で用いられるようなその通常の定義で示される。ある場合には、酸は、酸の強度次第で、約7未満、5未満、4未満、3未満または2未満のpH単位のpHを有してもよい。同様に、「塩基(base)」または「アルカリ(alkaline)」は、化学の領域で用いられる通常の定義で記載される。ある場合には、塩基またはアルカリは、少なくとも約7、少なくとも約8、少なくとも約9、少なくとも約11、または少なくとも約12のpH単位のpHを有してもよい。「中性でない(non−neutoral)」または「pH中性でない(non−pH−neutral)」は、酸性または塩基性のいずれかの組成である(すなわち、この組成物は、好ましくは有意な量ずつ、例えば少なくとも1または2pH単位ずつ、7より大きいかまたは7未満のいずれかのpHを有する)。pH中性でない組成物は、ある場合には固体、液体またはガスであってもよい。本明細書において用いる場合、「ガス状(gaseous)」の酸または塩基は、ガス相である組成であるか、または一般には揮発性であり(すなわち、高い蒸気圧を有する)、そして容易にガス相に入る。例えば、ガス状の酸または塩基は、少なくとも約300mmHg、少なくとも約400mmHg、少なくとも約500mmHg、少なくとも約600mmHg、または少なくとも約700mmHgの蒸気圧を有してもよい。ガス状の酸の非限定的な例としては、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、ピルビン酸、乳酸、SO、CO、CO、NOまたは酪酸が挙げられ;ガス状の塩基の非限定的な例としては、アンモニア、ホスフィンまたはアルシンが挙げられる。 As used herein, “acid” is shown in its usual definition as used in chemistry. In some cases, the acid may have a pH of less than about 7, less than 5, less than 4, less than 3, less than 2 pH units, depending on the strength of the acid. Similarly, "base" or "alkaline" is described in the usual definition used in the chemical domain. In some cases, the base or alkali may have a pH of at least about 7, at least about 8, at least about 9, at least about 11, or at least about 12 pH units. “Non-neutral” or “non-pH-neutral” is either an acidic or basic composition (ie, the composition is preferably a significant amount). Each having a pH of either greater than or less than 7, eg, at least 1 or 2 pH units). A composition that is not pH neutral may in some cases be a solid, liquid or gas. As used herein, a “gaseous” acid or base is a composition that is in the gas phase or is generally volatile (ie, has a high vapor pressure) and is easily gasified. Enter the phase. For example, the gaseous acid or base may have a vapor pressure of at least about 300 mmHg, at least about 400 mmHg, at least about 500 mmHg, at least about 600 mmHg, or at least about 700 mmHg. Non-limiting examples of gaseous acids include acetic acid, formic acid, propionic acid, pyruvic acid, lactic acid, SO 2 , CO 2 , CO, NO 2 or butyric acid; non-limiting examples of gaseous bases Examples include ammonia, phosphine or arsine.

ある実施形態では、チップの構成要素(例えば、層または膜)が分子(例えば低分子)が浸透できるポリマーを含むが、このポリマーは例えば、ナイロン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリジメチルシロキサンまたはコポリマーもしくは混合物であってもそれらを含んでもよい。別のセットの実施形態では、この構成要素は、輸送されている因子に対して実質的に不浸透性のポリマーを含んでもよいが、この構成要素は、この因子が例えば、多孔性であるかまたは多数のチャネルを備える領域を通じて輸送されることを可能にするように構築されても設計されてもよい。さらに他の実施形態では、この構成要素は、この輸送されている因子に対して不浸透性であってもよいが、この構成要素は、浸透性因子の添加の際に浸透性形態に変換されてもよい。本明細書において用いる場合、「浸透性(permeation)」および「浸透する(permeate)」とは、任意の適切な非バルク輸送プロセスをいう。非バルク輸送とは、基板に関しては、一般に、実質的な変換またはバルクフローがこの基板内で生じない輸送プロセスである。例えば、因子の透過性は、受動的拡散を通じて、例えば、構成要素のバルク物質を通じて、またはこの構成要素内に存在し得る細孔もしくは他の隙間を通じて生じてもよい;あるいはこの輸送は、ある方式では、例えば、オスモル濃度、電気拡散、電気浸透、浸出によって、またはこの構成要素内の浸透増強化合物の使用によって、促進または増強されてもよい。ある実施形態では、この因子の輸送は、外から加えられた、電場、磁場または求心性の場のような場を用いて促進されてもよい。   In some embodiments, the chip components (eg, layers or membranes) include polymers that are permeable to molecules (eg, small molecules), such as nylon, polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polydimethylsiloxane or copolymers or It may be a mixture or may contain them. In another set of embodiments, the component may comprise a polymer that is substantially impermeable to the factor being transported, but the component may be, for example, porous if the factor is porous. Or it may be constructed or designed to allow transport through a region with multiple channels. In yet other embodiments, the component may be impermeable to the factor being transported, but the component is converted to an permeable form upon addition of the osmotic factor. May be. As used herein, “permeation” and “permeate” refer to any suitable non-bulk transport process. Non-bulk transport generally refers to a transport process in which no substantial conversion or bulk flow occurs within the substrate. For example, the permeability of the factor may occur through passive diffusion, for example, through the bulk material of the component, or through pores or other gaps that may be present in the component; Then, it may be facilitated or enhanced, for example, by osmolarity, electrodiffusion, electroosmosis, leaching, or by the use of permeation enhancing compounds within this component. In certain embodiments, the transport of this factor may be facilitated using an externally applied field, such as an electric field, magnetic field or centripetal field.

ある場合には、この構成要素は、それを通して所定の時間内または特定の条件下で因子が輸送されるように設計され得る。これらの場合には、この構成要素の正確な厚み、密度、空隙率、ねじれ、組成または他の特徴が当業者によって決定可能であり得る。例えば、ある場合には、この構成要素を横切る因子の拡散は、一般にフィック拡散であってもよく、そしてこの因子がこの構成要素を横切って拡散するのにかかる時間は、フィックの法則を用いて決定され得る。ある場合には、この構成要素を横切る因子の輸送は、例えば比較的薄い構成要素が用いられる場合には比較的速くてもよい。例えば、この構成要素は、適用次第で、それを通じてこの因子が約10分未満、約5分未満、約3分未満、または約1分未満で輸送されるように構築されてもよい。   In some cases, this component may be designed such that the factor is transported through it within a predetermined time or under certain conditions. In these cases, the exact thickness, density, porosity, twist, composition, or other characteristics of the component may be determinable by one skilled in the art. For example, in some cases, the diffusion of a factor across this component may generally be Fick diffusion, and the time it takes for this factor to diffuse across this component can be determined using Fick's law. Can be determined. In some cases, transport of factors across this component may be relatively fast, for example when relatively thin components are used. For example, depending on the application, the component may be constructed such that the agent is transported in less than about 10 minutes, less than about 5 minutes, less than about 3 minutes, or less than about 1 minute.

例えば、図8Aに示されるような別のセットの実施形態では、レーザー230は、チップ205の区画235にレーザービーム232を指向して、例えば、所定の反応部位207内の環境要因、例えば、pHまたは濃度を変更し得る因子を生じる反応を活性化する。他の実施形態では、当然ながら、他の形態のエネルギー、例えば、熱または電気エネルギーを区画234に(または一般にはチップ205に)加えて、この因子を活性化してもよい。図8Aの拡大図は図8Bに示される。レーザービーム232は実質的には任意の方向または角度で直接的に区画235に指向されてもよいし(図8に示されるように)、または例えば導波管(示さず)を通じて間接的に指向されてもよい。図8に示されるとおり、レーザービーム232は、区画235に達する前に、チップ205の1つ以上の他の層およびまたは構成要素を必要に応じて通過してもよい(例えば、これらの層および/または構成要素が実質的に透明である場合)。区画235における因子生成前駆体(単数または複数)237によるレーザービーム232からのエネルギーの吸収の際、この因子生成前駆体(単数または複数)237は、この例では因子238を生じ得る。因子238は、この例では、pH変更ガスのようなガス、例えば、アンモニウム、酢酸、CO、CO、O、N、HClなどであってもよい。次いで、因子238は、チップ205の少なくとも一部を通じて透過して(例えば、チャネル内、または構成要素および/もしくはチップの層を通じて)、所定の反応部位207と相互作用し得る。このように、区画235への光または他のエネルギーの制御された適用によって、所定の反応部位207内の環境要因の変更および/または制御が生じ得る。 For example, in another set of embodiments, as shown in FIG. 8A, the laser 230 directs the laser beam 232 to a compartment 235 of the chip 205, for example, environmental factors within a given reaction site 207, such as pH. Alternatively, it activates a reaction that produces a factor that can change the concentration. In other embodiments, it will be appreciated that other forms of energy, such as heat or electrical energy, may be applied to compartment 234 (or generally to chip 205) to activate this factor. An enlarged view of FIG. 8A is shown in FIG. 8B. Laser beam 232 may be directed directly into section 235 in virtually any direction or angle (as shown in FIG. 8) or indirectly, for example through a waveguide (not shown). May be. As shown in FIG. 8, the laser beam 232 may optionally pass through one or more other layers and / or components of the chip 205 before reaching the compartment 235 (eg, these layers and And / or if the component is substantially transparent). Upon absorption of energy from the laser beam 232 by the factor generating precursor (s) 237 in the compartment 235, the factor generating precursor (s) 237 can yield factor 238 in this example. Factor 238 may be a gas such as a pH changing gas in this example, for example, ammonium, acetic acid, CO, CO 2 , O 2 , N 2 , HCl, and the like. The factor 238 can then permeate through at least a portion of the chip 205 (eg, in a channel or through a component and / or layer of the chip) to interact with a predetermined reaction site 207. In this way, controlled application of light or other energy to compartment 235 can result in alteration and / or control of environmental factors within a given reaction site 207.

ある実施形態では、反応部位内の環境要因は、例えば、図8Bの前駆体237のような1つ以上の前駆体から、チップ内の1つ以上の因子を生成することによって変更され得る。因子(単数または複数)は、ある方法で、反応部位内の環境要因と相互作用するかまたはこれを変更し得る。1実施形態では、この因子は、反応部位内で生成され得る。別の実施形態では、この因子は、チップ内のいずれかで生成されて、ある方式で、例えば液体的に反応部位に輸送されてもよい。例えば、この化学的因子は、チップと関連するかまたはその外側の種々の区画内で生成および/または貯蔵され(例えば、リザーバ中に)てもよく、次いで、例えば、チャネルもしくは他の液体的な接続によって、または膜もしくは別の構成要素を横切ってこれが浸透もしくは拡散することを可能にすることによって、反応部位に輸送されてもよい。1実施形態では、この因子は、反応部位に近位の位置で生成されてもよく、例えば、この因子は、これが反応部位に容易に移動または輸送され得る位置で、例えば、数秒または数十秒内で生成されてもよい。別の実施形態では、この因子は、例えば、この区画と反応部位との間の液体連絡を妨げ、一方でこの反応部位に非ガス状産物が進入することを妨げ得る、膜を通してまたは他の障壁を越えて、反応部位に輸送されるガスであってもよい。本発明の特定の実施形態では、この因子を生じる前駆体(単数または複数)の反応は、外側で開始され得る。例えば、レーザーのような光源が、前駆体(単数または複数)に加えられてもよく、または電流もしくは熱のような他のエネルギー源がこの前駆体(単数または複数)の反応を開始するために用いられてもよい。さらに別の実施形態では、液体接続は、この区画と反応部位との間で、例えば可逆的に生成され得る。例えば、この液体接続は、この区画と反応部位とを隔てる機械的バルブまたは微小機械的バルブなどのようなバルブを開口することによって作製され得る。   In certain embodiments, environmental factors within the reaction site may be altered by generating one or more factors in the chip from one or more precursors, such as, for example, precursor 237 of FIG. 8B. The factor (s) may interact with or alter environmental factors within the reaction site in some way. In one embodiment, the factor can be generated within the reaction site. In another embodiment, the factor may be generated anywhere in the chip and transported in some manner, eg, liquid, to the reaction site. For example, the chemical agent may be generated and / or stored (eg, in a reservoir) in various compartments associated with or outside the chip, and then, for example, a channel or other liquid It may be transported to the reaction site by connection or by allowing it to permeate or diffuse across the membrane or another component. In one embodiment, the agent may be generated at a location proximal to the reaction site, for example, the agent may be generated at a location where it can be easily moved or transported to the reaction site, eg, a few seconds or tens of seconds. May be generated within. In another embodiment, the factor may, for example, prevent liquid communication between the compartment and the reaction site, while preventing non-gaseous products from entering the reaction site, or through other membranes or other barriers. It may be a gas that is transported over the reaction site to the reaction site. In certain embodiments of the invention, the reaction (s) of the precursor (s) that yield this factor can be initiated on the outside. For example, a light source such as a laser may be added to the precursor (s) or other energy source such as current or heat to initiate the reaction of the precursor (s) May be used. In yet another embodiment, a liquid connection can be created reversibly between this compartment and the reaction site, for example. For example, the liquid connection can be made by opening a valve, such as a mechanical valve or a micromechanical valve that separates the compartment from the reaction site.

ある実施形態では、さらなる化合物を前駆体(単数または複数)と組み合わせて、例えば、この前駆体(単数または複数)の分解または変性を防ぐこと、この前駆体(単数または複数)が反応する能力を増強すること(例えば、触媒または酵素)、またはこの前駆体(単数または複数)への入射エネルギーの吸収を増強すること、例えば、この前駆体(単数または複数)が因子を形成する反応速度を向上させることができる。ある場合には、入射電磁照射の吸収を可能にする物質、例えば、暗化されるかまたは「黒い(black)」物質をこの前駆体(単数または複数)に加えて、例えば、エネルギーの吸収を向上させることができる。このような物質の非限定的な例としては、石英、黒ガラス、ケイ素(シリコン)、黒砂、カーボンブラックなどが挙げられる。さらなる化合物は、実質的に非反応性で、輸送可能な因子を形成できなくてもよいし(すなわち、チップの相または構成要素を通じて移動可能である)、またはさらなる化合物は、反応部位に関連する因子の生成または環境要因の制御を実質的に妨害しなくてもよい。   In certain embodiments, additional compounds may be combined with the precursor (s) to prevent, for example, degradation or modification of the precursor (s), the ability of the precursor (s) to react. Enhancing (eg, catalyst or enzyme) or enhancing absorption of incident energy into this precursor (s), eg, increasing the reaction rate at which this precursor (s) forms factors Can be made. In some cases, a material that allows absorption of incident electromagnetic radiation, eg, a darkened or “black” material, may be added to the precursor (s) to, for example, absorb energy. Can be improved. Non-limiting examples of such materials include quartz, black glass, silicon (silicon), black sand, carbon black and the like. The additional compound may be substantially non-reactive and unable to form a transportable factor (ie, moveable through the chip phase or component) or the additional compound is associated with the reactive site. The generation of factors or the control of environmental factors may not be substantially disturbed.

この因子は、特定の実施形態では、特定の温度で活性化される反応で、例えば、熱分解または熱変性反応で生成され得る。ある場合には、この生成された因子に対する反応は、この前駆体(単数または複数)がこの反応を活性化させることができる少なくとも特定の温度、例えば、少なくとも約200℃、300℃、400℃または500℃の温度に曝される場合に、開始され得る。この反応を活性化するのに必要な温度は、任意の適切な技術によって、例えば、この前駆体(単数または複数)を光エネルギー、熱、電気エネルギー(例えば、抵抗性加熱)、発熱性化学反応、などに曝す際に、この前駆体(単数または複数)内で生成され得る。   This factor, in certain embodiments, can be produced by a reaction that is activated at a particular temperature, for example, a thermal decomposition or a thermal denaturation reaction. In some cases, the reaction to the generated factor is at least a specific temperature at which the precursor (s) can activate the reaction, eg, at least about 200 ° C., 300 ° C., 400 ° C. or It can be initiated when exposed to a temperature of 500 ° C. The temperature required to activate this reaction can be determined by any suitable technique, for example, the precursor (s) to light energy, heat, electrical energy (eg, resistive heating), exothermic chemical reaction. , Etc., can be produced within this precursor (s) upon exposure.

ある実施形態では、このように生成された因子は、ガス、例えば、O、CO、CO、NO、NO、HClなどであってもよい。ある場合には、因子を生成する反応によって、1つ以上のガスおよび/または1つ以上の非ガス産物が生成され得る。ある場合には、ガス性因子(単数または複数)は、次に、反応部位内またはその近位に(例えば、膜を通ってまたは障壁を越えて)輸送され得るが、非ガス状産物(例えば、液体または固体)は、同じ方式でこの反応部位に入ることを妨げられるかもしれない。 In certain embodiments, the factor thus generated may be a gas, such as O 2 , CO, CO 2 , NO, NO 2 , HCl, and the like. In some cases, the factor producing reaction may produce one or more gases and / or one or more non-gas products. In some cases, the gaseous factor (s) can then be transported into or near the reaction site (eg, through the membrane or across the barrier), but non-gaseous products (eg, Liquid or solid) may be prevented from entering this reaction site in the same manner.

この因子は、特定の場合には、pH変更因子であってもよい。ある場合には、このpH変更因子は、塩基、例えばアンモニアであってもよい。塩基は、アルカリ性因子を生成し得る任意の適切な反応によって、例えば、アルカリ前駆体塩の熱分解反応を通じて生成され得る。例えば、アンモニアは、アンモニウム前駆体塩、例えば、硝酸アンモニウム、カルボン酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、塩化アンモニウム、臭化アンモニウム、フッ化アンモニウムなどの熱分解によって生じ得る。他の場合には、pH変更因子は、酸、例えば、酢酸またはギ酸であってもよい。この酸は、酸性因子を生成し得る任意の適切な反応、例えば、酸前駆体塩の熱変性を用いて生成され得る。例えば、酢酸は、酢酸ナトリウム、酢酸カリウム、酢酸カルシウム、酢酸リチウム、酢酸マグネシウムなどの熱変性によって生成され得る。同様に、ギ酸は、ギ酸ナトリウム、ギ酸カリウム、ギ酸カルシウム、ギ酸リチウム、ギ酸マグネシウムなどの熱変性によって生じ得る。ある場合には、pH変更因子は、酸でも塩基でもないかもしれないが、チップ内または反応部位内で酸または塩基に変換され得る形態であるかもしれない。例えば、pH変更因子は、水と反応してチップまたは反応部位内で酸または塩基を形成し得る。非限定的な例では、COのようなガスは、水と反応して炭酸を生成し得る、例えば:
CO+HO <―> HCO <―> H+HCO
本発明のさらに別のセットの実施形態では、この因子は、反応部位と液体連絡せずにある区画に存在し得る;この反応部位の中で環境要因を変更するか制御するために反応部位に対するこの因子の曝露が所望される場合、液体の通路を作製してこの因子がその反応部位内に入るかさもなければそれと相互作用することを可能にすることができる。例えば、作製された液体通路は、新しい通路、すなわち既存ではない通路、または液体の通路を前には含まない領域において作製された通路であってもよい;あるいはこの作製された液体の通路は、液体の連絡を妨げるように変更されている液体の通路を前に備えていた領域で作製されてもよい。ある場合には、新しい通路は、チップの構成要素、例えば、反応部位を規定する層、膜、壁またはこの反応部位と液体連絡しているチャネルを取り除くかまたは損傷することによってこのチップ内で作製されてもよい。別の例では、この液体通路は、特定の条件下で開口および/または改変され得る閉鎖された既存の液体通路、例えばバルブまたはスイッチであってもよい。1実施形態では、この区画は、密閉された区画、例えば、外部環境および/または反応部位へのアクセスのない区画である。別の実施形態では、この区画は、外から接近可能である(すなわち、インレットまたはアウトレットを通じて)が、反応部位とは液体連絡していない。
This factor may be a pH modifying factor in certain cases. In some cases, the pH modifier may be a base, such as ammonia. The base can be generated by any suitable reaction that can generate an alkaline factor, such as through a thermal decomposition reaction of an alkali precursor salt. For example, ammonia can be generated by thermal decomposition of ammonium precursor salts such as ammonium nitrate, ammonium carboxylate, ammonium bicarbonate, ammonium chloride, ammonium bromide, ammonium fluoride, and the like. In other cases, the pH modifier may be an acid, such as acetic acid or formic acid. The acid can be generated using any suitable reaction that can generate an acidic factor, such as thermal denaturation of an acid precursor salt. For example, acetic acid can be produced by thermal denaturation such as sodium acetate, potassium acetate, calcium acetate, lithium acetate, magnesium acetate. Similarly, formic acid can be generated by thermal denaturation of sodium formate, potassium formate, calcium formate, lithium formate, magnesium formate, and the like. In some cases, the pH modifier may not be an acid or a base, but may be in a form that can be converted to an acid or base within the chip or reaction site. For example, the pH modifier may react with water to form an acid or base within the chip or reaction site. In a non-limiting example, a gas such as CO 2 can react with water to produce carbonic acid, for example:
CO 2 + H 2 O <—> H 2 CO 3 <—> H + + HCO 3
In yet another set of embodiments of the present invention, this factor may be present in a compartment that is not in fluid communication with the reaction site; within the reaction site, to the reaction site to change or control environmental factors. If exposure of this factor is desired, a fluid passageway can be created to allow this factor to enter or otherwise interact with the reaction site. For example, the created liquid passage may be a new passage, i.e. a non-existing passage, or a passage made in an area that does not previously contain a passage of liquid; It may be made in an area previously provided with a fluid passageway that has been modified to prevent fluid communication. In some cases, a new passage is created within the chip by removing or damaging the chip components, such as the layers, membranes, walls or channels in fluid communication with the reaction site that define the reaction site. May be. In another example, the liquid passage may be a closed existing liquid passage, such as a valve or switch, that can be opened and / or modified under certain conditions. In one embodiment, the compartment is a sealed compartment, eg, a compartment without access to the external environment and / or reaction site. In another embodiment, the compartment is accessible from the outside (ie, through the inlet or outlet) but is not in fluid communication with the reaction site.

本発明のチップは、種の送達または反応部位からの種の除去のための1つ以上の液体通路を備えてもよい。ある場合には、液体の通路は、反応部位から区画を隔てる(例えば、壁または膜として)か、またはこの反応部位と液体連絡して液体の通路からこの区画を隔てる構成要素を透過するかまたは損傷することによってインサイチュで(チップの構築後、チップの配備の間に、そして/またはチップの使用の間に)作製され得る。例えば、本発明の特定の実施形態では、液体連絡のための液体通路または他の手段は、反応部位との液体連絡からこの因子(および/または因子の前駆体(単数または複数))を含む区画を隔てるか、またはこの反応部位と液体連絡するチャネルもしくは他の液体の通路からこの区画を隔てる構成要素を透過するかまたは損傷して(可逆的にまたは不可逆的に)、これによってこの区画と反応部位との間の液体連絡を作成することによって作製され得る。例えば、この構成要素は、この構成要素を加熱して化学的因子の透過性を増大することによって、またはこの構成要素を溶融するかもしくは気化させることによって浸透され得る。ある場合には、この構成要素の透過性は、1、2または3以上の大きさまで増強され得る。ある場合には、この構成要素の透過性は、例えば、温度を低下することによって、または非透過性因子を導入することによって、可逆性または少なくとも部分的に可逆性であってもよい。   The chip of the present invention may comprise one or more liquid passages for species delivery or removal of species from the reaction site. In some cases, the liquid passageway separates the compartment from the reaction site (eg, as a wall or membrane), or is in fluid communication with the reaction site and permeates components that separate the compartment from the liquid passageway, or It can be made in situ by damage (after chip construction, during chip deployment and / or during chip use). For example, in certain embodiments of the invention, a liquid passageway or other means for liquid communication includes compartments containing this factor (and / or precursor (s) of the factor) from liquid communication with the reaction site. Permeates or damages (reversibly or irreversibly) components that separate the compartment from channels or other liquid passages that are in fluid communication with the reaction site, thereby reacting with the compartment. It can be made by creating a fluid communication between the sites. For example, the component can be infiltrated by heating the component to increase the permeability of the chemical agent or by melting or vaporizing the component. In some cases, the permeability of this component can be increased to a magnitude of 1, 2, or 3 or more. In some cases, the permeability of this component may be reversible or at least partially reversible, for example, by reducing the temperature or by introducing an impermeable factor.

この構成要素は、ある場合には、この反応部位との液体接続を生じるために、反応、例えば、化学的反応または電気化学的反応を通じて損傷されるか、さもなければ変更もしくは透過性にされてもよい。例えば、この構成要素は、適切な電流を加えた際に電解され得る、金属、例えば、金、銀、または銅を含んでもよい。さらに別の例としては、この構成要素は、例えば、反応性種を用いて化学的にエッチングされてもよい。   This component is in some cases damaged through a reaction, such as a chemical or electrochemical reaction, or otherwise altered or permeable to create a liquid connection with the reaction site. Also good. For example, the component may include a metal, such as gold, silver, or copper, that can be electrolyzed when an appropriate current is applied. As yet another example, the component may be chemically etched using, for example, reactive species.

さらに他の実施形態では、上記で考察されたような構成要素は、例えば、マイクロニードルを有する構成要素を貫通して区画と反応部位との間に液体通路を作製することによって機械的に変更および/または損傷されてもよい。マイクロニードルまたは他の機械的デバイスは、チップの中に由来してもまたは外に由来してもよい。1実施形態では、この構成要素、可逆的に変更されてもよく、例えば、この構成要素は、自己密閉式であっても、および/または再密閉され得るエラストマー物質を含んでもよい。   In still other embodiments, components such as those discussed above may be mechanically modified and created, for example, by creating a liquid passage between the compartment and the reaction site through the component having microneedles. And / or may be damaged. Microneedles or other mechanical devices may come from inside or outside the chip. In one embodiment, the component may be reversibly changed, for example, the component may be self-sealing and / or include an elastomeric material that may be resealed.

この構成要素はまた、ある場合には機械的力もまたは化学物質の使用もなしに損傷され得る。例えば、エネルギーがそれを損傷するために表面に加えられてもよい。ある実施形態では、この構成要素は、例えば、熱または光を用いて切断されてもよい。光が用いられる場合、この光は、ある場合には表面に対して導波管を通じて導かれてもよく、または光はこの表面に対して直接加えられてもよい。   This component can also be damaged in some cases without mechanical force or use of chemicals. For example, energy may be applied to the surface to damage it. In certain embodiments, this component may be cut using, for example, heat or light. If light is used, this light may in some cases be directed through a waveguide to the surface, or the light may be applied directly to this surface.

この構成要素は、本発明のある実施形態では液体通路の作製を増強し得る物質を含んでもよい。例えば、増強物質は、光または他の形態のエネルギーの吸収を促進し得、または化学反応もしくは輸送速度を増大し得る。例えば、1実施形態では、この構成要素は、入射電磁照射を吸収することができる物質、すなわち暗化されたかまたは「黒い(black)」物質、例えば、石英、黒ガラス、シリコン、黒砂、カーボンブラックなどを含んでもよい。他の例では、この構成要素は、触媒、酵素または透過増強剤を含んでもよい。   This component may include a material that may enhance the creation of the liquid passage in certain embodiments of the invention. For example, the enhancer can facilitate the absorption of light or other forms of energy, or increase the chemical reaction or transport rate. For example, in one embodiment, this component is a material that can absorb incident electromagnetic radiation, ie, a darkened or “black” material, such as quartz, black glass, silicon, black sand, carbon black. Etc. may be included. In other examples, the component may include a catalyst, enzyme, or permeation enhancer.

1つの局面では、本発明はそのなかのガスまたは湿度を制御し得るチップに関する。本発明は、ある場合には、湿度制御を受動的にして、例えば、化学的または生化学的な反応または培養細胞を行なうために用いられ得るチップに組み込むことを可能にする。1実施形態では、湿度の制御または維持は、必要に応じて酸素透過性に対して低い水透過性を有する、湿度制御装置および/またはフィルムの形態でチップに提供されてもよい。本明細書において用いる場合、「湿度制御装置(humidity controller)」は、特定のガス、例えば、酸素、二酸化炭素または窒素がチップに入ることを可能にするが、チップへの水蒸気の通過を阻害するデバイスである。この湿度制御装置は、少量の水蒸気のチップへの通過を可能にし得るが、少なくとも1つの他のガス、例えば上記のガスほど多くの水蒸気がこのチップに入ることは許さない。例としては、膜および薄層(例えば、2mm未満の厚みを有するフィルム)が挙げられるがこれらに限定されない。ある実施形態では、湿度制御装置は、リアクターユニットまたは反応部位の壁内のように、チップの壁として、またはその壁に位置してもよい。他の実施形態では、湿度制御装置は、1つ以上の反応部位と液体連絡するように位置されてもよい。ある実施形態では、このチップにおける各々の反応部位は、湿度制御装置に隣接してもよく、そして/または液体連絡してもよい。ある場合には、湿度制御装置は、このチップの少なくとも一部を実質的に密閉し得る。   In one aspect, the invention relates to a chip in which the gas or humidity can be controlled. The present invention allows, in some cases, humidity control to be passively incorporated into a chip that can be used, for example, to perform chemical or biochemical reactions or cultured cells. In one embodiment, humidity control or maintenance may be provided to the chip in the form of a humidity controller and / or film that has a low water permeability relative to the oxygen permeability, if desired. As used herein, a “humidity controller” allows certain gases, such as oxygen, carbon dioxide or nitrogen, to enter the chip but inhibits the passage of water vapor to the chip. It is a device. This humidity control device may allow a small amount of water vapor to pass through the chip, but does not allow at least one other gas, such as the above gas, to enter the chip. Examples include, but are not limited to, membranes and thin layers (eg, films having a thickness of less than 2 mm). In certain embodiments, the humidity control device may be located as or on the wall of the chip, such as in the wall of the reactor unit or reaction site. In other embodiments, the humidity control device may be positioned in liquid communication with one or more reaction sites. In certain embodiments, each reaction site in the chip may be adjacent to the humidity controller and / or in fluid communication. In some cases, the humidity control device may substantially seal at least a portion of the chip.

本発明の湿度制御装置は、その中のガス通過を最大にし、そして/または水蒸気通過を最小にするように設計された湿度制御物質を備えてもよい。本発明の湿度制御物質は、特定の所望のガス、例えば酸素および/または二酸化炭素の通過を可能にし得るが、他のガス、例えば水蒸気の通過は阻害する。本発明の物質は、チップにおける湿度制御装置としての使用に適切であるが、このような使用には限定されず;むしろこの物質は、水蒸気または他の特定のガスが内または外で保持されるが、一方酸素および/または他のガスの通過を可能にするいずれかの場所で用いられ得る。例えば、本発明の湿度制御物質は、温室または創傷包帯において有用であり得る。   The humidity control device of the present invention may comprise a humidity control material designed to maximize gas passage therein and / or minimize water vapor passage. The humidity control material of the present invention may allow the passage of certain desired gases, such as oxygen and / or carbon dioxide, but inhibits the passage of other gases, such as water vapor. The material of the present invention is suitable for use as a humidity control device in a chip, but is not limited to such use; rather, this material holds water vapor or other specific gases in or out. Can be used anywhere that allows the passage of oxygen and / or other gases. For example, the humidity control materials of the present invention may be useful in greenhouses or wound dressings.

1セットの実施形態では、湿度制御物質は、それを通じたガスおよび/または水蒸気の通過を制御するように選択された膜または薄膜(thin film)を備えてもよい。1実施形態では、この湿度制御装置は、1つ以上のガスに対する所望の透過性を有する膜または薄膜である。この膜または薄膜は、ある様式で1つ以上の反応部位に影響し得るチップのいずれかに配置されてもよい。例えば、膜または薄膜は、これが1つ以上の反応部位の表面を規定するように配置されてもよい。   In one set of embodiments, the humidity control material may comprise a membrane or thin film selected to control the passage of gas and / or water vapor therethrough. In one embodiment, the humidity control device is a membrane or thin film that has the desired permeability to one or more gases. This membrane or film may be placed on any of the chips that can affect one or more reaction sites in a manner. For example, the membrane or thin film may be arranged such that it defines the surface of one or more reaction sites.

1セットの実施形態では、膜または薄膜は、本明細書にさらに記載されるように、約10μmより大きい、ある場合には約25μmより大きい、ある場合には約50μmより大きい、ある場合には約75μmより大きい、ある場合には約100μmより大きい、またはある場合には約150μmより大きいが、例えば、細胞培養を可能にするために、依然としてそれを通じた十分な酸素透過を可能にするという厚みを有する。ある場合には、約50μmより大きい厚みを有する膜または薄膜は、例えば、チップの製造の間に特に有用であり得る。この膜は、ある場合には1または2μm未満の厚みを有してもよい。   In one set of embodiments, the membrane or thin film is greater than about 10 μm, in some cases greater than about 25 μm, in some cases greater than about 50 μm, in some cases, as further described herein. A thickness that is greater than about 75 μm, in some cases greater than about 100 μm, or in some cases greater than about 150 μm, but still allows sufficient oxygen permeation therethrough, for example to allow cell culture. Have In some cases, a film or thin film having a thickness greater than about 50 μm may be particularly useful, for example, during chip manufacture. This film may in some cases have a thickness of less than 1 or 2 μm.

ある場合には、このチップの構造的形状へ湿度制御物質を組みこむこと、またはこの湿度制御物質へこのチップの構造的形状を組み込むことが所望され得る。湿度制御物質が支持体を提供するかもしくは補完することを意図する場合、またはそれ自体が十分に支持されない場合、この湿度制御物質はまた支持層を備え得る。支持層は、所望の支持を提供する任意の物質(単数または複数)を含んでもよい。例えば、この支持層は、ポリジメチルシロキサンまたはポリフルオロ有機物質のような、透過性のためにこの湿度制御物質に含まれ得る層の1つを含んでもよいし、またはこの支持層は、異なる物質、例えば、ガラス(例えば、Corning Glass of Corning,NYによるPYREX(登録商標)ガラス;またはインジウム/スズコーティングガラス)、ラテックス、シリコンなどを含んでもよい。この支持層は、湿度制御物質内のいずれかに、例えば、外層または中間層として位置してもよく、そして1つ以上の繊細な層を保護することを補助するように配置されてもよい。本発明のある場合には、支持層の使用によって、反応部位、リアクターまたはチップの大部分またはほぼ全てが湿度制御物質として構築されることが可能になり得る。好ましくは、この支持層は、湿度制御物質の透過性に有意に影響しないか、または透過性の変化は、湿度制御物質の設計で説明され得る。   In some cases, it may be desirable to incorporate a humidity control material into the structural shape of the chip or to incorporate the structural shape of the chip into the humidity control material. If the humidity control material is intended to provide or complement the support, or if itself is not fully supported, the humidity control material may also comprise a support layer. The support layer may include any material or materials that provide the desired support. For example, the support layer may include one of the layers that may be included in the humidity control material for permeability, such as polydimethylsiloxane or polyfluoro organic material, or the support layer may be a different material. , For example, glass (eg, PYREX® glass by Corning Glass of Corning, NY; or indium / tin coated glass), latex, silicon, and the like. This support layer may be located anywhere within the humidity control material, for example, as an outer layer or an intermediate layer, and may be arranged to help protect one or more delicate layers. In some cases of the present invention, the use of a support layer may allow most or nearly all of the reaction sites, reactors or chips to be constructed as humidity control materials. Preferably, this support layer does not significantly affect the permeability of the humidity control material, or the change in permeability can be accounted for in the design of the humidity control material.

本発明のチップが、湿度制御物質を損傷するか、機能を低下するか、さもなければそれと反応するかまたはそれを分解させ得る、反応物質のような物質を用いた使用について意図される場合、膜は保護層を備えてもよい。この保護層は、湿度制御物質の任意の成分として、例えば、表面層として位置してもよく、または湿度制御物質の感受性の部位とそれに有害に影響し得る物質または環境との間に割り込まれてもよい。例えば、保護層は、特に有害な物質がチップ内にある場合、湿度制御物質の内面上に配置されてもよいし、または特に有害な物質がチップ外にある場合は、湿度制御物質の外面上に配置されてもよい。この保護層はまた、それが防御機能を果たし得る限りは、他の層の間に配置されてもよい。好ましくは、この保護層は、湿度制御物質の透過性に有意に影響せず、また透過性の変化は、湿度制御物質の設計で説明され得る。   If the chip of the present invention is intended for use with a substance such as a reactant that can damage, reduce function, otherwise react with or degrade the humidity control substance, The membrane may comprise a protective layer. This protective layer may be located as an optional component of the humidity control substance, for example, as a surface layer, or intervened between the sensitive area of the humidity control substance and the substance or environment that can adversely affect it. Also good. For example, the protective layer may be disposed on the inside surface of the humidity control material, particularly if the hazardous material is inside the chip, or on the outside surface of the humidity control material, especially if the harmful material is outside the chip. May be arranged. This protective layer may also be placed between other layers as long as it can perform a protective function. Preferably, this protective layer does not significantly affect the permeability of the humidity control material, and the change in permeability can be accounted for in the design of the humidity control material.

例えば、本発明の1実施形態による湿度制御装置を備えるチップ140は、図9Aに図示される。このチップは、反応部位142、インレット144、アウトレット146および内部壁148を備える。内部壁148は、湿度制御装置150の片側に規定される。湿度制御装置150は、この実施形態では、第一の層152および第二の層154を有する膜を備える。   For example, a chip 140 comprising a humidity control device according to one embodiment of the present invention is illustrated in FIG. 9A. The chip includes a reaction site 142, an inlet 144, an outlet 146 and an inner wall 148. The inner wall 148 is defined on one side of the humidity control device 150. In this embodiment, the humidity control device 150 includes a film having a first layer 152 and a second layer 154.

湿度制御装置を備えるチップ140の別の実施形態は、図9Aに図示される。この実施形態では、この湿度制御装置150は、反応チャンバ142の壁を規定し、そしてまたインレットおよびアウトレットの壁を規定する多層膜を備える。主に所望の透過性を提供する目的のために設けられる第一および第二の層152および154に加えて、この膜はまた第一および第二の層152と154との間に位置する支持層156を備える。透過性制御層(単数または複数)および支持層(単数または複数)について他の配置も可能である。またこの特定の例でチップ140に設けられるのは、反応部位142の内部壁148に位置する細胞接着層158であり、これは、そこでの細胞増殖を助長するがインレット144およびアウトレット146では助長しない。他の実施形態では、細胞接着層は、湿度制御装置150の表面をさらに越えて、またはその全体に伸び得る。図9Aおよび9Bに図示されるようにチップ140の幾何学は、図示のみの目的で示されており、そして多くの他の配列およびチップ形状が特定の実施形態で有用であり得ることがまた理解されるべきである。   Another embodiment of a chip 140 with a humidity control device is illustrated in FIG. 9A. In this embodiment, the humidity controller 150 includes a multilayer film that defines the walls of the reaction chamber 142 and also defines the walls of the inlet and outlet. In addition to the first and second layers 152 and 154 provided primarily for the purpose of providing the desired permeability, the membrane also supports a support located between the first and second layers 152 and 154. Layer 156 is provided. Other arrangements for the permeability control layer (s) and support layer (s) are possible. Also provided in the chip 140 in this particular example is a cell adhesion layer 158 located on the inner wall 148 of the reaction site 142, which promotes cell growth there, but not the inlet 144 and outlet 146. . In other embodiments, the cell adhesion layer may extend further beyond or throughout the surface of the humidity control device 150. It is also understood that the geometry of the tip 140 as shown in FIGS. 9A and 9B is shown for illustrative purposes only, and that many other arrangements and tip shapes may be useful in certain embodiments. It should be.

1セットの実施形態では、湿度制御物質は、特定の透過性および/または特定の透過速度を有するように選択される。本明細書において用いる場合、物質の「透過性(permeability)」とは、当該分野で用いられるようなその通常の意味、すなわち、一般にガスがその物質を通過する能力を表す固有の特性として記載される。対照的に、本明細書において用いる場合、ある物質の「透過速度(permeance)」とは、物質のサンプルを通るガス輸送の実際の速度、すなわち外的な特性である。物質のサンプルの透過速度は、この物質の面積または厚み、この物質を横切る示差的な圧力などのような要因によって影響される。例えば、図11では、2つの膜の酸素透過速度が膜の厚みに依存することが示される。   In one set of embodiments, the humidity control material is selected to have a specific permeability and / or a specific transmission rate. As used herein, the “permeability” of a substance is described as its inherent meaning as used in the art, ie, an inherent property that generally represents the ability of a gas to pass through the substance. The In contrast, as used herein, the “permeance” of a material is the actual rate of gas transport through the sample of material, ie, an external property. The permeation rate of a material sample is affected by factors such as the area or thickness of the material, differential pressure across the material, and the like. For example, FIG. 11 shows that the oxygen transmission rate of the two membranes depends on the thickness of the membrane.

本発明のチップは、1セットの実施形態では、約3.9×10−8cm/sより大きい、そしてある場合には、約4.3×10−8cm/sより大きい酸素に対する透過性、そして/または約1.7×10−7cm/sより小さい、そしてある場合には約1.0×10−7cm/sより小さい水蒸気に対する透過性を有する湿度制御物質(例えば、膜まはた薄膜)を備え得る。酸素の制御は本明細書において例として用いられるが、他のガス、例えば窒素または二酸化炭素が、上記のような透過性で、代わりに制御されてもよく、またはガスの組み合わせが制御されてもよいことが理解されるべきである。以下にさらに記載される細胞の例では、酸素移動の下限および水蒸気移動の上限は代表的には制御されることが望ましいかもしれないが、他の適用、例えば、化学合成操作では、他のパラメーター、例えば、酸素移動の上限および水蒸気移動の下限、または窒素もしくは二酸化炭素のような他のガスの下限および上限を制御することが所望され得るということも理解されるべきである。 The chip of the invention, in one set of embodiments, is greater than about 3.9 × 10 −8 cm 3 / s, and in some cases, greater than about 4.3 × 10 −8 cm 3 / s against oxygen. Humidity control material having permeability and / or permeability to water vapor less than about 1.7 × 10 −7 cm 3 / s and in some cases less than about 1.0 × 10 −7 cm 3 / s ( For example, a film or a thin film) may be provided. Oxygen control is used herein as an example, but other gases, such as nitrogen or carbon dioxide, may be controlled instead, as described above, or a combination of gases may be controlled. It should be understood that it is good. In the cell examples described further below, the lower limit of oxygen transfer and the upper limit of water vapor transfer may typically be desired to be controlled, but in other applications, such as chemical synthesis operations, other parameters It should also be understood that it may be desirable to control, for example, the upper limit of oxygen transfer and the lower limit of water vapor transfer, or the lower and upper limits of other gases such as nitrogen or carbon dioxide.

本発明の湿度制御物質は、広範な種々の反応および相互作用において用いられ得る。反応の1例は、例えば、細胞培養を維持するため、有効な細胞もしくは細胞タイプの数を増大させるため、または所望の細胞産物を生じるための細胞培養である。ある場合には、湿度制御物質は、細胞増殖を支持するためにそれを通じた拡散によって十分な酸素が進入することを可能にし得る。ある場合には、湿度制御物質はまた、例えば汚染を防ぐために、微生物に対して、および他の細胞に対する不浸透性が大きくてもよい。好ましくはこの物質は毒性が低い。   The humidity control materials of the present invention can be used in a wide variety of reactions and interactions. An example of a reaction is, for example, a cell culture to maintain a cell culture, to increase the number of effective cells or cell types, or to produce a desired cell product. In some cases, the humidity control material may allow sufficient oxygen to enter by diffusion through it to support cell growth. In some cases, the humidity control material may also be highly impermeable to microorganisms and to other cells, for example to prevent contamination. Preferably this substance is less toxic.

本発明が培養細胞に関して用いられる実施形態では、細胞培養は、培養されている細胞および当業者に公知の他の要因次第で、種々の長さの時間にわたって行なわれてもよい。従って、チップの設計および湿度制御物質の性質は、培養時間に適合され得る。例えば、チップまたは湿度制御物質は、それが培養に必要な時間に抵抗できるように設計されてもよく、そして好ましくは、何度も再利用できるように設計されてもよい。種々の実施形態では、細胞培養は、24時間、48時間、1週、2週、4週、6週、3ヶ月、1年、連続して、または特定の細胞培養に必要な任意の他の時間行なわれてもよい。   In embodiments where the present invention is used with cultured cells, cell culture may be performed over various lengths of time, depending on the cells being cultured and other factors known to those skilled in the art. Thus, the chip design and the nature of the humidity control material can be adapted to the incubation time. For example, the chip or humidity control material may be designed such that it can resist the time required for incubation and preferably it may be reused many times. In various embodiments, the cell culture is 24 hours, 48 hours, 1 week, 2 weeks, 4 weeks, 6 weeks, 3 months, 1 year, continuous, or any other required for a particular cell culture. It may be done for hours.

ある場合には、湿度制御物質は、特定の細胞を培養するのに適切なある範囲に相当する、1つ以上のガスに対する透過性および/または透過速度を有するように選択される。例えば、湿度制御物質は、細胞培養を可能にするために、酸素に対して十分高い透過性および/または透過速度、ならびに/あるいは水蒸気に対して十分低い透過性および/または透過速度を有してもよい。このような透過性の例としては、上記の透過性が挙げられる。当業者は、特定の細胞および細胞株、ならびにさらに大きい細胞群、例えば、微生物および哺乳動物の細胞、組織、組織工学構築物などを首尾よく培養するのに適切な特定の物質の特定の範囲の透過性を同定することができる。   In some cases, the humidity control material is selected to have a permeability and / or permeation rate for one or more gases that correspond to a range suitable for culturing particular cells. For example, the humidity control substance has a sufficiently high permeability and / or permeation rate for oxygen and / or a sufficiently low permeability and / or permeation rate for water vapor to allow cell culture. Also good. Examples of such permeability include the above-described permeability. Those skilled in the art will be able to permeate specific cells and cell lines, and specific ranges of specific materials suitable for the successful cultivation of larger cell populations, such as microorganisms and mammalian cells, tissues, tissue engineering constructs, etc. Sex can be identified.

従って、1実施形態では、本発明は特定の細胞の酸素要件および湿度要件を同定する方法、この細胞の酸素要件を満たすのに十分高い酸素透過性およびこの細胞の湿度要件を満たすのに十分低い水蒸気透過性を有する物質を選択する方法、ならびに反応部位を含むチップにおいて細胞を培養する方法を包含する。この反応部位は、その少なくとも一部が選択された物質から形成されている。   Thus, in one embodiment, the present invention is a method for identifying oxygen and humidity requirements of a particular cell, high enough oxygen permeability to meet the oxygen requirement of the cell and low enough to meet the humidity requirement of the cell It includes a method for selecting a substance having water vapor permeability, and a method for culturing cells in a chip including a reaction site. This reaction site is formed at least partially from a selected material.

本発明における使用のため、例えば、広範な範囲の細胞を培養するのにおける使用のための湿度制御物質の透過性範囲の例としては、酸素に対する約100(cm STPmm/matm日)より大きい透過性、および水蒸気に対する約6×10−6(cm STPmm/matm日)未満の透過性が挙げられる。本明細書において用いる場合、「STP」とは、「標準的な温度および圧力(standard temperature and pressure)」をいい、これは273.15K(0℃)の温度および約10Pa(1atm)の圧力をいう。別の実施形態では、湿度制御物質は、約100(cm STPmm/matm日)未満、そして、他の実施形態では、約30(cm STPmm/matm日)または約10(cm STPmm/matm日)未満というという水に対する透過性、ならびに少なくとも約6×10(cm STPmm/matm日)未満、そして、ある実施形態では、1×10(cm STPmm/matm日)および他の実施形態では約3×10(cm STPmm/matm日)もしくは1×10(cm STPmm/matm日)という酸素透過性を有し得る。本明細書において列挙される酸素透過性および水蒸気透過性の任意の組み合わせが用いられ得る。微生物細胞については、適切な範囲の酸素透過性の例は、約1×10(cm STPmm/matm日)より大きい酸素透過性を有する膜によって提供され、そして/または水蒸気透過性が約6×10(cm STPmm/matm日)である。哺乳動物細胞については、適切な範囲の例は、約100(cm STPmm/matm日)より大きい酸素透過性、および約1×10(cm STPmm/matm日)未満の水蒸気透過性を有する本発明の膜によって提供される。 An example of the permeability range of a humidity control material for use in the present invention, eg, for use in culturing a broad range of cells, is about 100 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) for oxygen. Greater permeability and less than about 6 × 10 −6 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) for water vapor. As used herein, “STP” refers to “standard temperature and pressure”, which is a temperature of 273.15 K (0 ° C.) and about 10 5 Pa (1 atm). Refers to pressure. In another embodiment, the humidity control material is less than about 100 (cm 3 STP mm / m 2 atm day), and in other embodiments about 30 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) or about 10 Permeability to water of less than (cm 3 STP mm / m 2 atm day), and at least less than about 6 × 10 6 (cm 3 STP mm / m 2 atm day), and in some embodiments 1 × 10 7 (Cm 3 STP mm / m 2 atm day) and in other embodiments about 3 × 10 7 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) or 1 × 10 8 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) It can have oxygen permeability. Any combination of oxygen permeability and water vapor permeability listed herein may be used. For microbial cells, examples of suitable ranges of oxygen permeability are provided by membranes having oxygen permeability greater than about 1 × 10 3 (cm 3 STP mm / m 2 atm days) and / or water vapor permeability. Is about 6 × 10 6 (cm 3 STP mm / m 2 atm day). For mammalian cells, examples of suitable ranges are oxygen permeability greater than about 100 (cm 3 STP mm / m 2 atm days) and less than about 1 × 10 5 (cm 3 STP mm / m 2 atm days) Provided by the membrane of the present invention having a water vapor permeability of

酸素および水蒸気に対する透過性を有する湿度制御物質について、特定の場合、この物質は、例えば、図12に「目的(goal)」領域80として示されるように、極めて高い酸素透過性および水蒸気に対する極めて低い透過性を有し得ることが望ましい。例えば、この物質は、約1000(cm STPμm/matm日)より大きい、ある場合には約10,000(cm STPμm/matm日)より大きい、そしてある場合には約100,000(cm STPμm/matm日)より大きい酸素透過性、そして/または約1000(gμm/m日)未満、ある場合には約100(gμm/m日)未満、そしてある場合には約10(gμm/m日)未満の水蒸気透過性を有し得る。例えば、図5に図示されるように、高密度ポリエチレン(「HDPE」)、ポリエチレンテレフタレート(「PET」)、ポリプロピレン(「PP」)またはポリ(4−メチルペンテン−1)(「PMP」)のような物質の結果が示され、そしてこれらは、以下にさらに記載されるように、本発明を用いる使用のために適切であり得る。他の物質および物質の組み合わせがまた、例えば、以下にさらに記載されるように考慮される。 For humidity control materials that are permeable to oxygen and water vapor, in certain cases this material is very high oxygen permeability and very low for water vapor, as shown for example in FIG. 12 as “goal” region 80. It may be desirable to be permeable. For example, the material is greater than about 1000 (cm 3 STP μm / m 2 atm day), in some cases greater than about 10,000 (cm 3 STP μm / m 2 atm day), and in some cases about Oxygen permeability greater than 100,000 (cm 3 STP μm / m 2 atm day) and / or less than about 1000 (g μm / m 2 day), in some cases less than about 100 (g μm / m 2 day), and In some cases, it may have a water vapor permeability of less than about 10 (g μm / m 2 days). For example, as illustrated in FIG. 5, high density polyethylene (“HDPE”), polyethylene terephthalate (“PET”), polypropylene (“PP”) or poly (4-methylpentene-1) (“PMP”). Results of such materials are shown, and these may be suitable for use with the present invention, as further described below. Other materials and combinations of materials are also contemplated, for example, as described further below.

ある実施形態では、この湿度制御物質は、細胞接着を促進しないが、広範な種々の親水性、細胞親和性および/または生体親和性の物質のうちのいずれかであり得る細胞接着層(または細胞接着層は、この物質上に提供され得る)を備えてもよい。湿度制御物質上の細胞接着層に適切であり得る物質の例としては、ポリフルオロ有機物質(polyfluoroorganic materials)、ポリエステル、PDMS、ポリカーボネート、ポリスチレンおよび酸化アルミニウムが挙げられるがこれらに限定されない。別の例としては、湿度制御物質は、例えば、RGDペプチド配列を用いて、細胞接着を促進する物質でコーティングされた層を含んでもよい。ある実施形態では、例えば、付着、結合、浸漬または他の処理によって、細胞接着層の表面を修飾することが所望され得る。細胞接着を促進する例示的な分子としては、フィブロネクチン、ラミニン、アルブミンまたはコラーゲンが挙げられるがこれらに限定されない。この物質が細胞接着層を含む場合、細胞接着層は、膜の内層もしくは表面層として位置してもよく、またはこのチップの内側に接してもよい。好ましくはこの細胞接着層は、湿度制御物質の透過性または透過速度に有意に影響しない、または透過性もしくは透過速度の変化は湿度制御物質の設計で説明され得る。   In certain embodiments, the humidity control material does not promote cell adhesion, but a cell adhesion layer (or cell) that can be any of a wide variety of hydrophilic, cytophilic and / or biocompatible materials. An adhesive layer may be provided on this material). Examples of materials that may be suitable for cell adhesion layers on humidity control materials include, but are not limited to, polyfluoroorganic materials, polyester, PDMS, polycarbonate, polystyrene, and aluminum oxide. As another example, the humidity control material may include a layer coated with a material that promotes cell adhesion, eg, using an RGD peptide sequence. In certain embodiments, it may be desirable to modify the surface of the cell adhesion layer, for example, by attachment, bonding, dipping or other treatment. Exemplary molecules that promote cell adhesion include, but are not limited to, fibronectin, laminin, albumin or collagen. When the substance includes a cell adhesion layer, the cell adhesion layer may be positioned as an inner layer or a surface layer of the membrane, or may be in contact with the inside of the chip. Preferably, the cell adhesion layer does not significantly affect the permeability or permeation rate of the humidity control material, or the change in permeability or permeation rate can be accounted for in the design of the humidity control material.

湿度制御物質およびある場合にはその層のいくつかを形成するために用いられる物質のいくつかは、例えば、以下に記載されるように、物質のガス透過性に基づいて選択され得る。当業者は、物質のガス透過性を決定する方法を公知である。1つの特定の例示的な方法としては、既知の露出面積および厚みを有する物質のサンプル(例えば、膜)を、2つのチャンバの間においてもよく、そしてガス(または液体)を、1つのチャンバにおいてもよい。次いで、他のチャンバへこの物質を横切ってガス(または液体)が拡散するのにかかる、そして適切な方式で検出される実験的な時間は、物質のガス(または液体)透過性に関連し得る。   Some of the materials used to form the humidity control material and in some cases its layers may be selected based on the gas permeability of the material, for example, as described below. The person skilled in the art knows how to determine the gas permeability of a substance. One particular exemplary method includes a sample of material (eg, a membrane) having a known exposed area and thickness between two chambers and a gas (or liquid) in one chamber. Also good. The experimental time taken for the gas (or liquid) to diffuse across this material to other chambers and then detected in an appropriate manner can then be related to the gas (or liquid) permeability of the material. .

1セットの実施形態では、湿度制御物質は、ポリマー(例えば、単一高分子型、コポリマー、ポリマー混合物、ポリマー誘導体など)を含んでもよい。湿度制御物質内で用いられ得るポリマーの例としては、ポリフルオロ有機物質、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(例えば、Wilmington,DEのDuPontからTEFLON(登録商標)として市販される、例えば、TEFLON(登録商標)AFなど)または特定の非結晶性フルオロポリマー;ポリスチレン;PP;シリコン、例えば、ポリジメチルシロキサン;ポリスルホン;ポリカーボネート;アクリル系、例えば、ポリメチルアクリレートおよびポリメチルメタクリレート;ポリエチレン、例えば、高密度ポリエチレン(「HDPE」)、低密度ポリエチレン(「LDPE」)、直鎖状低密度ポリエチレン(「LLDPE」)、超低密度ポリエチレン(「ULDPE」)など;PET;ポリ塩化ビニル(「PVC」)物質、例えば、Midland,MIのDow Chemical Co.によるSARAN(登録商標)の名称で市販されているものなど;DupontからDARTEK(登録商標)として市販されるようなナイロン;熱可塑性エラストマーなどが挙げられるがこれらに限定されない。適切な物質の別の例は、VivaScience(Hannover,Germany)が作製したBIOFOIL(登録商標)ポリマー膜である。1実施形態では、このポリマーは、ポリ(4−メチルペンテン−1)(「PMP」):   In one set of embodiments, the humidity control material may comprise a polymer (eg, a single polymer type, a copolymer, a polymer mixture, a polymer derivative, etc.). Examples of polymers that can be used in humidity control materials include polyfluoro organic materials such as polytetrafluoroethylene (eg, commercially available as TEFLON® from DuPont, Wilmington, DE, for example, TEFLON® ) AF) or certain amorphous fluoropolymers; polystyrene; PP; silicon, eg, polydimethylsiloxane; polysulfone; polycarbonate; acrylic, eg, polymethyl acrylate and polymethyl methacrylate; polyethylene, eg, high density polyethylene ( “HDPE”), low density polyethylene (“LDPE”), linear low density polyethylene (“LLDPE”), ultra-low density polyethylene (“ULDPE”), etc .; PET; polyvinyl chloride (“PVC”) Substance, for example, Midland, Dow Chemical Co. of MI Such as those commercially available under the name of SARAN® by NON; nylon as commercially available as DARTEK® from Dupont; thermoplastic elastomers and the like. Another example of a suitable material is the BIOFIL® polymer membrane made by VivaScience (Hanover, Germany). In one embodiment, the polymer is poly (4-methylpentene-1) (“PMP”):

Figure 2005536233
であってもよく、これはある場合には、約317.2(m STPm/s m Pa)という酸素についての透過効率を有し得る。PMPの例としては、Mitsui Plastics(White Plains,NY)からTPX(商標)の名称で市販されるものが挙げられる。他の実施形態では、ポリマーは、ポリ(4−メチルヘキセン−1)、ポリ(4−メチルヘプテン−1)ポリ(4−メチルオクテン−1)などであってもよい。別の実施形態では、このポリマーは、ポリ(1−トリメチルシリル−1−プロピエン)(「PTMSP」):
Figure 2005536233
Which in some cases may have a transmission efficiency for oxygen of about 317.2 (m 3 STP m / s m Pa). Examples of PMP include those commercially available under the name TPX ™ from Mitsui Plastics (White Plains, NY). In other embodiments, the polymer may be poly (4-methylhexene-1), poly (4-methylheptene-1) poly (4-methyloctene-1), and the like. In another embodiment, the polymer is poly (1-trimethylsilyl-1-propene) (“PTMSP”):

Figure 2005536233
であってもよく、これはある場合には、約5.78×10(cm STPmm/m日atm)という酸素についての透過効率を有し得る。ある場合には、これらのコポリマーおよび/または他のポリマーが、湿度制御物質において用いられてもよい。
Figure 2005536233
Which in some cases may have a transmission efficiency for oxygen of about 5.78 × 10 5 (cm 3 STP mm / m 2 days atm). In some cases, these copolymers and / or other polymers may be used in humidity control materials.

当然ながら、第一および第二の層はまた、ある実施形態では、各々が物質の混合物を含んでもよい。例えば、1つの層は、1つ以上の他の物質を含む平衡を用いて、1つの物質の少なくとも50重量%を含んでもよい。別の実施形態では、各々の層は、本質的に単一の物質からなる。   Of course, the first and second layers may also each comprise a mixture of materials in certain embodiments. For example, a layer may include at least 50% by weight of a material using an equilibrium that includes one or more other materials. In another embodiment, each layer consists essentially of a single material.

ある実施形態では、湿度制御物質の面積および厚み、またはその層もしくは部分は、所望の程度の透過速度および/または透過性を選択するように用いられ得る。1例では、さらなる水蒸気透過性の物質は、湿度制御が所望される面積または領域に達するかまたは出る水蒸気の量を低下させるために、さらに厚く作製されてもよく、またはその面積は小さくてもよい。ある場合には、この物質は、約10μm〜2mmの厚みであるように設計されてもよい。この範囲内では、多層内の層またはこの物質の一部の相対的な厚みは変化してもよい。例えば、ポリフルオロ有機物質の比較的薄層および塩化ビニリデンの比較的薄層が、特定の実施形態において有用であり得る。さらなる例としては、2〜3μmのポリテトラフルオロエチレンが、ポリジメチルシロキサンの層に沈着されてもその層の上にコーティングされてもよく、または2〜3μmのHDPEがPDMSを用いて同時成型されてもよい。   In certain embodiments, the area and thickness of the humidity control material, or layers or portions thereof, can be used to select the desired degree of transmission rate and / or permeability. In one example, the additional water vapor permeable material may be made thicker or smaller to reduce the amount of water vapor that reaches or exits the area or region where humidity control is desired. Good. In some cases, this material may be designed to be about 10 μm to 2 mm thick. Within this range, the relative thickness of the layers in the multilayer or a portion of this material may vary. For example, a relatively thin layer of polyfluoro organic material and a relatively thin layer of vinylidene chloride may be useful in certain embodiments. As a further example, 2-3 μm polytetrafluoroethylene may be deposited on or coated on a layer of polydimethylsiloxane, or 2-3 μm HDPE may be co-molded using PDMS. May be.

ある場合には、湿度制御物質において用いられるポリマー(またはポリマーの混合物)は、このポリマーが水を保持できるように十分に疎水性であってもよい(すなわち、水蒸気は、このポリマーを容易に通過できない)。例えば、疎水性ポリマーを通る水の透過性は、前に記載のように、約1000(gμm/m日)、約900(gμm/m日)、約800(gμm/m日)、約600(gμm/m日)またはそれ以下であってもよい。 In some cases, the polymer (or mixture of polymers) used in the humidity control material may be sufficiently hydrophobic so that the polymer can retain water (ie, water vapor readily passes through the polymer). Can not). For example, the permeability of water through the hydrophobic polymer, as described before, about 1000 (gμm / m 2 day), about 900 (gμm / m 2 day), about 800 (gμm / m 2 day), It may be about 600 (gμm / m 2 days) or less.

特定の実施形態では、湿度制御物質において用いられるポリマー(単数または複数)は、それを通じて酸素が容易に通過することを可能にするのに十分開いた分子構造を有し得る。例えば、分子構造は、前に記載されるように、約1000(cm STPμm/m日atm)以上という、ポリマーを横切る酸素の移動を可能にし得る。1実施形態では、このポリマーは、このポリマーが環境条件下で、それを通じた酸素の移動を、例えば、約1000(cm STPμm/m日atm)または500(cm STPμm/m日atm)未満まで制限する構造(例えば、緻密な結晶構造)を形成できないように、実質的に分枝される。 In certain embodiments, the polymer (s) used in the humidity control material may have a molecular structure that is sufficiently open to allow oxygen to pass therethrough easily. For example, the molecular structure may allow for the movement of oxygen across the polymer, as described previously, of about 1000 (cm 3 STP μm / m 2 days atm) or greater. In one embodiment, the polymer has an oxygen transfer through the polymer under environmental conditions of, for example, about 1000 (cm 3 STP μm / m 2 days atm) or 500 (cm 3 STP μm / m 2 The structure is substantially branched so that a structure (for example, a dense crystal structure) limited to less than (day atm) cannot be formed.

別の実施形態では、このポリマーは、環境条件下でそれを通じた酸素の移動を制限する構造を容易に形成することを妨げるかさ高い(バルキーな)基を含んでもよい。本明細書において用いる場合、ポリマー上の「かさ高い基(bulky group)」とは、それを通じた酸素の移動を環境条件下で約1000(cm STPμm/m日)または500(cm STPμm/m日)未満まで制限する結晶構造をポリマーが形成できないという十分に大きい部分である。このかさ高い基は、例えば、ポリマーまたは側鎖の骨格の一部であってもよい。かさ高い側鎖基の非限定的な例としては、シクロペンチル部分、イソプロピル部分、シクロヘキシル部分、フェニル部分、イソブチル部分、tert−ブチル部分、シクロヘプチル部分、トリメチルシリルまたは他のトリアルキルシリル部分などを含む基が挙げられる。例えば、1セットの実施形態では、このポリマーは構造: In another embodiment, the polymer may include bulky groups that prevent easy formation of structures that limit oxygen movement therethrough under environmental conditions. As used herein, a “bulky group” on a polymer refers to the movement of oxygen through it under environmental conditions of about 1000 (cm 3 STP μm / m 2 days) or 500 (cm 3 STP μm / m 2 days) is a sufficiently large part that the polymer cannot form a crystal structure that is limited to less than This bulky group may be part of the backbone of the polymer or side chain, for example. Non-limiting examples of bulky side groups include groups containing a cyclopentyl moiety, isopropyl moiety, cyclohexyl moiety, phenyl moiety, isobutyl moiety, tert-butyl moiety, cycloheptyl moiety, trimethylsilyl or other trialkylsilyl moieties, etc. Is mentioned. For example, in one set of embodiments, the polymer has the structure:

Figure 2005536233
を有してもよく、この各々のRは独立して少なくとも1つの原子を含み、そしてBkはかさ高い基である。ある場合にはRは、水素基であってもまたはアルキル基であってもよい。
Figure 2005536233
Wherein each R independently contains at least one atom and Bk is a bulky group. In some cases, R may be a hydrogen group or an alkyl group.

当然ながら、ポリマーは上記の特徴のいくつかまたは全てを有してもよいことが理解されるべきである。例えば、ポリマーは、このポリマーがそれを通じた十分な酸素透過性を可能にする十分開いた分子構造を有しながら水を保持できるように十分に疎水性を有するポリマー混合物またはコポリマーであってもよい。   Of course, it should be understood that the polymer may have some or all of the above characteristics. For example, the polymer may be a polymer mixture or copolymer that is sufficiently hydrophobic so that it can retain water while having a sufficiently open molecular structure that allows sufficient oxygen permeability therethrough. .

1実施形態では、本発明は、物質の2つの層または一部を組み合わせることによって透過性の目標を達成する。これは、例えば、第一の、さらに透過性の層および第二の透過性の劣る層を含むことによって達成され得る;多層がまた他の実施形態で用いられ得る。種々の物質を組み合わせてその相対的な厚みを調節することによって、所望の酸素および水蒸気透過性が達成され得る。湿度制御物質が2つの層または部分を含む1実施形態では、それらは同じ物質または異なる物質のポリマーから形成されてもよい。例えば、湿度制御物質は、第一のポリマーまたはコポリマーの少なくとも約55重量%を含む第一の層と、第一のポリマーまたはコポリマーの約45重量%以下を含む第二の層とを備えてもよい。別の例では、この湿度制御物質は、第一のポリマーまたはコポリマーの少なくとも約60重量%、約70重量%、または約80重量%を含む第一の層と、第一のポリマーまたはコポリマーの約40重量%、約30重量%または約20重量%以下を含む第二の層とを備えてもよい。ある実施形態では、この第一のポリマーは、第一の層を約100%を含み、かつ本質的に第二の層を含まなくてもよい。ある場合には、この第一の層の少なくとも一部は、第二の層を用いて共重合体化されてもよい。   In one embodiment, the present invention achieves the goal of permeability by combining two layers or portions of material. This can be achieved, for example, by including a first, more permeable layer and a second less permeable layer; multiple layers can also be used in other embodiments. By combining various materials and adjusting their relative thicknesses, the desired oxygen and water vapor permeability can be achieved. In one embodiment where the humidity control material comprises two layers or portions, they may be formed from polymers of the same material or different materials. For example, the humidity control material may comprise a first layer comprising at least about 55% by weight of the first polymer or copolymer and a second layer comprising no more than about 45% by weight of the first polymer or copolymer. Good. In another example, the humidity control material comprises a first layer comprising at least about 60%, about 70%, or about 80% by weight of the first polymer or copolymer and about a first polymer or copolymer. And a second layer comprising no more than 40%, about 30% or about 20% by weight. In certain embodiments, the first polymer may comprise about 100% of the first layer and essentially no second layer. In some cases, at least a portion of this first layer may be copolymerized using a second layer.

本発明の湿度制御物質が、2つ以上の層を含む膜として構築される場合、この2つ以上の層は、この膜に十分な強度を提供する任意の方式で連結され得る。ある場合には、この2つ以上の層は、十分に自己支持性であってもよく、そしてこの層に対して結合する必要はなくてもよく、このことは、所望される場合、空間がその間に残されてもよいということを意味する。他の実施形態では、さらなる層を用いて膜を支持することができる。相互の支持体または別のものを提供するために、2つ以上の層を連結することが所望される実施形態では、この層を連結する受容可能な手段の例は、層を一緒に層化する工程、少なくとも部分的にこの層を混ぜる工程、および層を一緒に共重合化する工程を包含する。層が混ぜられる場合、各々の層を形成する樹脂は、膜が形成される前に部分的にまたは全体的に混合され得る。例えば、液体プレポリマーを、混合して、次いで培養因子を添加してもよいし、または2つの部分的に硬化された層は、その間で、層を一緒に硬化させる硬化剤で接続されてもよい。   Where the humidity control material of the present invention is constructed as a membrane comprising two or more layers, the two or more layers can be joined in any manner that provides sufficient strength to the membrane. In some cases, the two or more layers may be sufficiently self-supporting and may not need to be bonded to the layer, which means that space is desired if desired. It means that it may be left in the meantime. In other embodiments, additional layers can be used to support the membrane. In embodiments where it is desired to connect two or more layers to provide a mutual support or another, an example of an acceptable means of connecting the layers is to layer the layers together. Including mixing, at least partially mixing the layers, and copolymerizing the layers together. When the layers are mixed, the resin forming each layer can be mixed partially or wholly before the film is formed. For example, the liquid prepolymer may be mixed and then the culture agent added, or the two partially cured layers may be connected between them with a curing agent that cures the layers together. Good.

別のセットの実施形態では、本発明の湿度制御物質は、光がそれを通過することを可能にする。これによって、光が重要である場合にこの物質を用いて、例えば、光触媒反応のような反応を促進すること、細胞または植物の増殖を促進すること、生化学的変化を生じさせることなどが可能になり得る。この物質によってまた、湿度制御物質によって保護されるか、または湿度制御された領域の後ろに配置される、リアクターまたは反応部位のような領域の観察が可能になり得る。1実施形態では、この湿度制御物質は、半透明であり、ある場合には、少なくとも実質的に透明である。当業者は、半透明または透明に種々の程度が存在することを認識し、そして特定の適用に基づいて所望の特性を選択することができる。   In another set of embodiments, the humidity control material of the present invention allows light to pass through it. This makes it possible to use this material when light is important, for example to promote reactions such as photocatalysis, to promote cell or plant growth, to cause biochemical changes, etc. Can be. This material may also allow observation of areas such as reactors or reaction sites that are protected by humidity control substances or placed behind humidity controlled areas. In one embodiment, the humidity control material is translucent, and in some cases is at least substantially transparent. One skilled in the art will recognize that there are varying degrees of translucency or transparency and can select the desired properties based on the particular application.

チップは種々の他の構成要素を備えてもよい。例えば、チップは、以下にさらに記載されるような、例えば、光源、流量計(例えば、ガスまたは液体の流量を測定するため)、内蔵型回路のような回路、リザーバ(例えば、溶液のため)、微細機械またはMEMS(「微小電気機械システム(microelectromechanical system)」)構成要素、マイクロバルブ、マイクロポンプなどのような構成要素を備えてもよい。この構成要素は、半導体を作製するのに用いられる技術と同様の、標準的微細加工において用いられる技術と同じ技術を用いてチップ上で製造され得る(Madou Fundamentals of Microfabrication,CRC Press,Boca Raton,FL 1997;およびMaluf,An Introduction of Micromechanical Systems Engineering,Artech House Boston,MA 2000を参照のこと)。ある実施形態では、少なくとも1つ、2つ、3つまたはそれ以上の構成要素がこのチップに一体的に接続される。特定の実施形態では、この構成要素の全てがこのチップに一体的に接続される。   The chip may comprise various other components. For example, the chip may be, for example, a light source, a flow meter (eg, for measuring gas or liquid flow), a circuit such as a self-contained circuit, a reservoir (eg, for a solution), as described further below. , Components such as micromachines or MEMS (“microelectromechanical system”) components, microvalves, micropumps, and the like. This component can be fabricated on the chip using the same techniques used in standard microfabrication, similar to those used to fabricate semiconductors (Madou Fundamentals of Microfabrication, CRC Press, Boca Raton, FL 1997; and Maluf, An Introduction of Micromechanical Systems Engineering, Artech House Boston, MA 2000). In some embodiments, at least one, two, three or more components are integrally connected to the chip. In certain embodiments, all of this component is integrally connected to the chip.

本発明との使用に適切な構成要素の他の例としては、チップ、リアクターおよび/もしくは反応部位内の混合を増強するようにストリームの流路に置かれたパイロン様閉塞物、またはチップ、リアクターおよび/もしくは反応部位内の加熱、分離および/もしくは分散ユニットが挙げられる。例えば、加熱ユニットが存在する場合、この加熱ユニットは、小型化された伝統的な熱交換器であってもよい。   Other examples of components suitable for use with the present invention include a pylon-like blockage placed in the flow path of the chip, reactor and / or stream to enhance mixing within the reaction site, or a chip, reactor And / or heating, separation and / or dispersion units within the reaction site. For example, if a heating unit is present, this heating unit may be a miniaturized traditional heat exchanger.

例えば、1セットの実施形態では、本発明は、湿度を制御し得(例えば、前に記載されたように)、そして/または実質的に透明であってもよい膜のような膜を備えてもよい。膜が存在する場合、これはチップ内のリアクターのいずれに位置してもよい。1実施形態では、膜は、1つ以上の反応部位の表面を規定するように、そして/または反応部位を、同じかまたは異なる寸法を有し得る2つ以上の部分に分割するように位置する。例えば、図10Aでは、湿度制御装置であり得、そして/または実質的に透明であり得る膜410が、反応部位411の表面を規定する。図10Bでは、膜410は、反応部位411の表面および反応部位412の表面を規定する。別の例では、膜はチップの1つ以上の反応部位と液体連絡するように配置されてもよい。ある場合には、この膜は第一の反応部位と第二の反応部位とを液体接続する通路が膜を横切るように配置されてもよい。別の実施形態では、この膜は、チップの1つ以上の反応部位と液体連絡するように配置されてもよい。ある場合には、この膜は第一の反応部位と第二の反応部位とを液体接続する通路が膜を横切るように配置されてもよい。例えば、図10Cおよび図10Dでは、膜410は、反応部位411または412の表面を規定しないが、反応部位411と反応部位412とを液体接続する少なくとも1つの通路が膜410を横切るように配置される。   For example, in one set of embodiments, the present invention comprises a membrane, such as a membrane that can control humidity (eg, as previously described) and / or may be substantially transparent. Also good. If a membrane is present, it may be located in any of the reactors in the chip. In one embodiment, the membrane is positioned to define the surface of one or more reaction sites and / or to divide the reaction site into two or more parts that may have the same or different dimensions. . For example, in FIG. 10A, a membrane 410 that can be a humidity controller and / or can be substantially transparent defines the surface of the reaction site 411. In FIG. 10B, membrane 410 defines the surface of reaction site 411 and the surface of reaction site 412. In another example, the membrane may be placed in liquid communication with one or more reaction sites of the chip. In some cases, the membrane may be arranged such that a passage connecting the first reaction site and the second reaction site across the membrane crosses the membrane. In another embodiment, the membrane may be placed in liquid communication with one or more reaction sites of the chip. In some cases, the membrane may be arranged such that a passage connecting the first reaction site and the second reaction site across the membrane crosses the membrane. For example, in FIGS. 10C and 10D, membrane 410 does not define the surface of reaction site 411 or 412 but is arranged such that at least one passage that fluidly connects reaction site 411 and reaction site 412 traverses membrane 410. The

1例では、1実施形態において、この膜は、例えば、約0.03μmより大きくかつ約5μm未満の大きさの平均細孔サイズを多数有する多孔性膜であってもよい。他の実施形態では、膜の細孔サイズは、約4μm未満、約3μm未満、約2μm未満、約1.5μm未満、約1.0μm未満、約0.75μm未満、約0.6μm未満、約0.5μm未満、約0.4μm未満、約0.3μm未満、約0.1μm未満、約0.07μm未満、そして他の実施形態では、約0.05μm未満であってもよい。特定の場合には、この細孔はまた、0.03μmより大きいかまたは0.08μmより大きい。ある場合には、この膜は、それを通る特定の細胞の通過を妨げるように選択されてもよい(例えば、細菌細胞、酵母細胞、哺乳動物細胞など)。例えば、約0.2μmの細孔サイズを有する膜は、細菌細胞の通過を防ぎ得、そして約1μmの細孔サイズを有する膜は、哺乳動物細胞の継代を妨げ得る。特定の実施形態では、膜は、特定の分子、例えば特定のサイズおよび/または電荷を有する高分子の通過を妨げるかまたは可能にするように選択され得る、すなわち、電荷および/またはサイズ選択性膜。   In one example, in one embodiment, the membrane may be a porous membrane having a number of average pore sizes, for example, greater than about 0.03 μm and less than about 5 μm. In other embodiments, the pore size of the membrane is less than about 4 μm, less than about 3 μm, less than about 2 μm, less than about 1.5 μm, less than about 1.0 μm, less than about 0.75 μm, less than about 0.6 μm, about It may be less than 0.5 μm, less than about 0.4 μm, less than about 0.3 μm, less than about 0.1 μm, less than about 0.07 μm, and in other embodiments less than about 0.05 μm. In certain cases, the pores are also greater than 0.03 μm or greater than 0.08 μm. In some cases, the membrane may be selected to prevent passage of specific cells therethrough (eg, bacterial cells, yeast cells, mammalian cells, etc.). For example, a membrane with a pore size of about 0.2 μm can prevent the passage of bacterial cells, and a membrane with a pore size of about 1 μm can prevent passage of mammalian cells. In certain embodiments, the membrane may be selected to prevent or allow passage of certain molecules, such as macromolecules having a certain size and / or charge, ie, a charge and / or size selective membrane. .

膜は、ポリマーまたは他の物質、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリスルホン、ポリカーボネート、アクリル、例えばポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、再生セルロース、ニトロセルロース、酸化アルミニウム、ガラス、グラスファイバーなどであっても、それらを含んでもよい。特定の実施形態では、膜はまた、例えば、前に記載されるように、実質的に透明であってもよい。1実施形態では、例えば、膜は、2μm以下の細孔サイズを有する実質的に透明なポリエチレンテレフタレート膜、例えば、Oxyphen U.S.A.,Inc.(New York,NY)が作製したROTRAC(登録商標)キャピラリー膜である。   The membrane may be a polymer or other material such as polyethylene terephthalate (PET), polysulfone, polycarbonate, acrylic, such as polymethyl methacrylate, polyethylene, polypropylene, regenerated cellulose, nitrocellulose, aluminum oxide, glass, glass fiber, etc. , May include them. In certain embodiments, the membrane may also be substantially transparent, for example, as previously described. In one embodiment, for example, the membrane is a substantially transparent polyethylene terephthalate membrane having a pore size of 2 μm or less, such as Oxyphen US S. A. , Inc. It is a ROTRAC (registered trademark) capillary membrane manufactured by (New York, NY).

1セットの実施形態では、本発明のチップは、その中で(例えば、反応部位内で)生じることが意図される反応または相互作用を促進するのに適合された構造を備えてもよい。例えば、チップが細胞培養のための1つ以上のバイオリアクターとして機能することが意図される場合、このチップは、細胞増殖を改善するかまたは促進することができる構造(単数または複数)を備えてもよい。例えば、ある実施形態では、反応部位の表面は、細胞結合もしくは接着を促進できる表面であってもよく、またはこのチップ内のリアクターおよび/もしくは反応部位は、任意の広範な種々の親水性、細胞親和性および/または生体親和性の物質を含み得る細胞接着層を含む構造を備えてもよい。例えば、この表面は、任意の広範な種々の親水性、細胞親和性および/または生体親和性の物質、例えば、露出したカルボン酸、アルコールおよび/またはアミノ基を有する物質を用いて、イオン化、コーティング(例えば、支持物質内)および/または微細パターン化されてもよい。細胞接着層に適切であり得る物質の例としては、ポリフルオロ有機物質、ポリエステル、PDMS、ポリカーボネート、ポリスチレンおよび酸化アルミニウムが挙げられるがこれらに限定されない。別の例では、この構造は、細胞接着を促進する物質、例えば、RGDペプチド配列でコーティングされた層を含んでもよいし、またはこの構造は、細胞接着を促進できる方法で処理されてもよく、例えば、この表面は、この表面が相対的にさらに親水性、細胞親和性および/または生体親和性になるように処理されてもよい。ある実施形態では、細胞接着層の表面を、例えば、細胞接着を促進する物質を用いて、例えば、付着、結合、浸漬または他の処理によって、修飾することが所望され得る。細胞接着を促進する例示的な物質としては、フィブロネクチン、ラミニン、アルブミンまたはコラーゲンが挙げられるがこれらに限定されない。例えば、特定のタイプの細菌または足場非依存性細胞が用いられる他の実施形態では、表面は、親水性、細胞親和性および/もしくは生体親和性の物質から形成されてもよいし、またはこの表面はそれを親水性、細胞親和性および/もしくは生体親和性にさせるある方式で、例えば、脂肪族炭化水素および/またはフルオロカーボンを用いることによって、処理されてもよい。   In one set of embodiments, the chip of the invention may comprise a structure adapted to promote a reaction or interaction intended to occur therein (eg, within a reaction site). For example, if the chip is intended to function as one or more bioreactors for cell culture, the chip comprises a structure or structures that can improve or promote cell growth. Also good. For example, in certain embodiments, the surface of the reaction site may be a surface that can promote cell binding or adhesion, or the reactor and / or reaction site in the chip may be any of a wide variety of hydrophilic, cellular, A structure including a cell adhesion layer that may include an affinity and / or biocompatible substance may be provided. For example, the surface can be ionized, coated with any of a wide variety of hydrophilic, cytophilic and / or biocompatible materials, such as materials having exposed carboxylic acid, alcohol and / or amino groups. It may be micropatterned (eg in a support material). Examples of materials that may be suitable for the cell adhesion layer include, but are not limited to, polyfluoro organic materials, polyesters, PDMS, polycarbonate, polystyrene, and aluminum oxide. In another example, the structure may include a layer that is coated with a substance that promotes cell adhesion, such as an RGD peptide sequence, or the structure may be treated in a manner that can promote cell adhesion, For example, the surface may be treated such that the surface is relatively more hydrophilic, cytophilic and / or biocompatible. In certain embodiments, it may be desirable to modify the surface of the cell adhesion layer, for example, with an agent that promotes cell adhesion, for example, by attachment, bonding, dipping, or other treatment. Exemplary substances that promote cell adhesion include, but are not limited to, fibronectin, laminin, albumin or collagen. For example, in other embodiments where certain types of bacteria or anchorage-independent cells are used, the surface may be formed from a hydrophilic, cytophilic and / or biocompatible material, or the surface May be treated in some way, making it hydrophilic, cytophilic and / or biocompatible, for example by using aliphatic hydrocarbons and / or fluorocarbons.

ある実施形態では、チップは、「光相互作用する構成要素(light−interacting component)」、すなわち、例えば、光を生じること、光に反応すること、光の特性の変化を生じること、光を指向すること、光を変更することなどによって、光と相互作用する構成要素を備えてもよい。本明細書において用いる場合、「光相互作用する構成要素」とは、チップもしくはリアクター内のサンプルに影響するか、および/またはサンプルについての何か(サンプルの存在、サンプルの特徴など)を決定する方式で、例えば、光を生じること、光に反応すること、光の特性の変化を生じること、光を指向すること、光を変更することなどによって、チップおよび/またはリアクター機能に関するある方式で光と相互作用する成分である。1実施形態では、この構成要素は、光、例えば、発光ダイオード(「LED」)またはレーザーにおいてのように光を生じる。別の実施形態では、この光相互作用する構成要素は、光に感受性であるかまたは光に応答する構成要素、例えば、光検知器または光電池であってもよい。さらに別の実施形態では、この光相互作用する構成要素は、ある方式で、例えば、光を集束するかもしくは平行にすること、または、レンズにおいてのように、光を分岐させること、または回折格子もしくはプリズムにおいてのように、光をスペクトル的に分散させることによって、光を操作または変更し得る。別の実施形態では、この光相互作用する構成要素は、ある方式で、例えば、屈曲した通路に沿うかもしくは角に沿って、例えば、導波管もしくは鏡においてのように、光の方向を変換もしくは向け直すことが可能であり得る。さらに別の実施形態では、この光相互作用する構成要素は、この構成要素上の光入射の特性、例えば、偏光の程度または周波数を、例えば、偏光子または干渉計においてのように変更し得る。他のデバイスまたはデバイスの組み合わせも可能である。概して、「光相互作用する構成要素」という用語は、有意な修飾も、変更も再指向もなしに光を受動的に伝達する構成要素またはデバイス、例えば、空気、または平坦なガラスもしくはプラスチック(例えば、「窓(window)」)を包含しない。「光相互作用する構成要素」という用語はまた、不透明な物質において見出されるような、応答なしに実質的に全ての入射光を受動的に吸収する構成要素を一般に含まない。   In some embodiments, the chip is a “light-interacting component”, eg, producing light, reacting to light, producing a change in the characteristics of light, directing light. Doing, changing the light, etc. may include components that interact with the light. As used herein, a “light interacting component” affects a sample in a chip or reactor and / or determines something about the sample (existence of sample, sample characteristics, etc.) In some manner relating to the chip and / or reactor function, for example by generating light, reacting to light, causing changes in the properties of light, directing light, changing light, etc. Is a component that interacts with. In one embodiment, this component produces light, such as in light emitting diodes (“LEDs”) or lasers. In another embodiment, the light interacting component may be a light sensitive or light responsive component, such as a photodetector or a photovoltaic cell. In yet another embodiment, the light-interacting component is in some way, for example, to focus or collimate the light, or to split the light, as in a lens, or to a diffraction grating Alternatively, the light can be manipulated or modified by spectrally dispersing the light, as in a prism. In another embodiment, the light-interacting component changes the direction of the light in some way, for example along a bent path or along a corner, for example in a waveguide or mirror. Or it may be possible to redirect. In yet another embodiment, the light interacting component may change the characteristics of light incidence on the component, such as the degree of polarization or frequency, as in a polarizer or interferometer, for example. Other devices or combinations of devices are possible. In general, the term “light interacting component” refers to a component or device that passively transmits light without significant modification, alteration or redirection, eg, air, or flat glass or plastic (eg, , “Window”). The term “light-interacting component” also generally does not include components that passively absorb substantially all incident light without response, as found in opaque materials.

光相互作用する構成要素がリアクターと組み合わせて提供される実施形態では、これはリアクターの上または中のいずれに配置されてもよい。例えば、光相互作用する構成要素は、反応部位内にまたは反応部位の近位に配置されてもよい。ある場合には、光相互作用する構成要素は、例えば、反応部位の壁または表面として、反応部位と一体的に接続される。   In embodiments where the light interacting component is provided in combination with a reactor, it may be placed either on or in the reactor. For example, the light interacting component may be placed in or proximal to the reaction site. In some cases, the light interacting component is integrally connected with the reaction site, for example, as a wall or surface of the reaction site.

別の例では、この光相互作用する構成要素は、この光相互作用する構成要素に入る光の少なくとも一部が反応部位と光学的に連絡するように、チップのなかのいずれかにまたはチップと一体的に接続されて位置し得る。本明細書において用いる場合、「光学的な連絡(optical communication)」という用語は一般に、電磁照射、例えば、可視光の伝達をもたらす任意の経路をいう。光学的連絡としては、直接の「視野方向(line−of−sight)」の連絡が挙げられる。光学的連絡はまた、光学的デバイス、例えば、レンズ、フィルター、光ファイバー、導波管、回折格子、鏡、ビームスプリッター、プリズムなどの使用によって促進され得る。ある実施形態では、この光相互作用する構成要素は、2つ以上の反応部位にもしくはそれから光を指向してもよいし、またはこの光相互作用する構成要素は、2つ以上の光源から反応部位へ光を指向してもよい。特定の実施形態では、2つ以上の光相互作用する構成要素が存在してもよい。   In another example, the light-interacting component is either in the chip or with the chip so that at least a portion of the light entering the light-interacting component is in optical communication with the reaction site. They can be connected together. As used herein, the term “optical communication” generally refers to any path that provides electromagnetic radiation, eg, transmission of visible light. Optical communication includes direct “line-of-sight” communication. Optical communication can also be facilitated by the use of optical devices such as lenses, filters, optical fibers, waveguides, diffraction gratings, mirrors, beam splitters, prisms and the like. In certain embodiments, the light interacting component may direct light to or from two or more reaction sites, or the light interacting component may react from two or more light sources to the reaction site. You may direct the light. In certain embodiments, there may be more than one light interacting component.

この光相互作用する構成要素は、ある場合には導波管を備えてもよい。本明細書において用いる場合、「導波管(waveguide)」という用語は、当該分野でのその通常の意味で示され、光ファイバーを含んでもよい。導波管は一般に、光を受容して、その光の一部を、実質的な損失なしに例えば、屈曲、角および同様の障害物にそって、「視野方向」連絡内ではない目的部位に対してガイドまたは伝達することができる(ただし、導波管は光を視野方向の領域に伝達し得る)。   This optically interacting component may comprise a waveguide in some cases. As used herein, the term “waveguide” is given its ordinary meaning in the art and may include optical fibers. A waveguide generally receives light and directs a portion of that light to a target site that is not within “view direction” communication, eg, along bends, corners, and similar obstacles without substantial loss. Can guide or transmit to the light (however, the waveguide can transmit light to the viewing direction region).

ある実施形態では、導波管は、さらに低い屈折率を有し得る第二の「被覆材料(cladding)」物質によって少なくとも一部は包埋されるかまたは囲まれる物質の「コア(core)」領域を備え得る。コアは、任意の形状、例えば、スラブ(厚板)、ストリップ(条片)、または円柱状物質を有してもよい。   In certain embodiments, the waveguide is a “core” of material that is at least partially embedded or surrounded by a second “cladding” material that may have a lower refractive index. An area may be provided. The core may have any shape, for example, a slab (slab), strip (strip), or cylindrical material.

この導波管、またはこの導波管の少なくとも一部は、反応部位にまたは反応部位から光を伝達または照らすことができる任意の物質から構築され得る。導波管はある場合には実質的に透明であっても半透明であってもよい。ある実施形態では、この導波管は、シリコンベースの物質、例えば、ガラス、イオン注入ガラス、石英、ケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、ポリシリコン、コーティングガラス、導電ガラス、インジウムスズ酸化物ガラスなどから形成されてもよい。他の実施形態では、導波管は、他の透明なまたは不透明な有機物質または無機物質を含んでもよい。例えば、特定の実施形態では、導波管は、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイミド、フッ化ポリビニリデン、イオン交換ポリマーおよび上記のフッ化誘導体が挙げられるがこれらに限定されないポリマーを含んでもよい。組み合わせ、混合またはコポリマーも可能である。   The waveguide, or at least a portion of the waveguide, can be constructed from any material capable of transmitting or illuminating light to or from the reaction site. The waveguide may be substantially transparent or translucent in some cases. In some embodiments, the waveguide is a silicon-based material, such as glass, ion-implanted glass, quartz, silicon, silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, polysilicon, coated glass, conductive glass, indium tin oxide. You may form from glass etc. In other embodiments, the waveguide may include other transparent or opaque organic or inorganic materials. For example, in certain embodiments, waveguides include, but are not limited to, polyacrylates, polymethacrylates, polycarbonates, polystyrene, polypropylene, polyethylene, polyimides, polyvinylidene fluoride, ion exchange polymers, and fluorinated derivatives as described above. It may contain polymers that are not. Combinations, mixtures or copolymers are also possible.

1実施形態では、導波管またはその一部は、高度に反射性の物質、例えば、銀またはアルミニウムによって囲まれてもまたはコーティングされてもよい。別の実施形態では、この導波管は、第一の屈折率を有する中央の物質(例えば、コア)および第二の屈折率を有する周辺物質(例えば、被覆材料)を含むように形成されてもよい。この被覆材料は、中央物質の屈折率よりも小さい屈折率を有してもよい。さらに別の実施形態では、コアまたは被覆材料の屈折率は断面にわたって変化し得る。1例では、コアは、屈折率が一般にコアの中心付近で最高であるグレイデッド光ファイバーであってもよい。   In one embodiment, the waveguide or portion thereof may be surrounded or coated with a highly reflective material, such as silver or aluminum. In another embodiment, the waveguide is formed to include a central material (eg, a core) having a first refractive index and a peripheral material (eg, a coating material) having a second refractive index. Also good. The coating material may have a refractive index that is less than the refractive index of the central substance. In yet another embodiment, the refractive index of the core or coating material can vary across the cross section. In one example, the core may be a graded optical fiber whose refractive index is typically highest near the center of the core.

これらの条件下では、中央の物質を通る光の移動の実質的な一部が、この屈折率の相違の結果として内部で反射され得る(「総内部反射(total internal reflection)」)。導波管の一端に入る電磁放射線は、コアと被覆材料の境界での総内部反射の現象に起因して中央の領域に限定され得る。光は、導波管の末端または光がそこから出される導波管の所定の領域に達するまで、被覆材料または他の周囲物質による有意な吸収なしにコアを通じて伝達され得る。中央の領域を通じた光の移動は、例えば、約10db/cmまたは20db/cm未満の減衰係数で、強度の有意な損失なしに角および他の障害物に沿って検出され得る。別の実施形態では、この導波管は2つ以上の中央物質または2つ以上の周辺物質を有してもよい。   Under these conditions, a substantial portion of the movement of light through the central material can be internally reflected as a result of this refractive index difference (“total internal reflection”). The electromagnetic radiation entering one end of the waveguide can be confined to the central region due to the phenomenon of total internal reflection at the core-coating material boundary. Light can be transmitted through the core without significant absorption by the coating material or other ambient material until the end of the waveguide or a predetermined region of the waveguide from which the light exits. The movement of light through the central region can be detected along corners and other obstacles without significant loss of intensity, for example with an attenuation coefficient of less than about 10 db / cm or 20 db / cm. In another embodiment, the waveguide may have more than one central material or more than one peripheral material.

導波管の1例として、導波管を形成する中央および周囲の物質の両方は、各々がガラスであってもよい。別の例では、導波管は、低い屈折率を有する物質がそれより高い屈折率を有する物質を囲むようにポリマーおよびシリコンベースの物質から形成されてもよい。さらに別の例では、この導波管は、例えば、空気またはこの導波管より高い屈折率を有するチップの一部によって囲まれる単一の物質から構築され得、この結果、導波管/空気または導波管/チップの境界面で総内部反射が生じ得る条件が生じる。   As an example of a waveguide, both the central and surrounding materials that form the waveguide may each be glass. In another example, the waveguide may be formed from a polymer and silicon-based material such that a material with a low refractive index surrounds a material with a higher refractive index. In yet another example, the waveguide may be constructed from, for example, a single material surrounded by air or a portion of a chip having a higher refractive index than the waveguide, resulting in waveguide / air. Or a condition occurs where total internal reflection can occur at the waveguide / chip interface.

この導波管は、当業者に公知の任意の適切な技術によって、例えば、圧延、研磨または機械加工によって(例えば、チャネルをチップ基板に切断またはエッチングすること、次いで必要に応じてシーラントを用いて、チャネル内に物質を沈着させることによって)構築され得る。導波管はまた、例えば、チップ製造プロセスの間に物質の層を沈着させることによって形成され得る。ある場合には、この沈着物質は、周囲のリアクター基板よりも高い屈折率を有し得、従って以前に記載されたように、一般的なコア−被覆材料構造を形成する。この導波管はまた、周囲の物質に対して、屈折率を操作/変更するような方法で、ガラスまたはプラスチックのような、チップを形成する物質のレーザーエッチングによって構築され得る。ある場合には、このエッチングされた部分/エッチングされてない部分の屈折率は、コア−被覆材料構造を形成するように制御されてもよい。   The waveguide may be formed by any suitable technique known to those skilled in the art, for example, by rolling, polishing or machining (eg, cutting or etching the channel into the chip substrate, and then using a sealant as necessary. , By depositing a substance in the channel). Waveguides can also be formed, for example, by depositing a layer of material during the chip manufacturing process. In some cases, this deposited material may have a higher refractive index than the surrounding reactor substrate, thus forming a common core-coating material structure, as previously described. The waveguide can also be constructed by laser etching of the material forming the chip, such as glass or plastic, in such a way as to manipulate / change the refractive index relative to the surrounding material. In some cases, the refractive index of this etched / unetched portion may be controlled to form a core-coating material structure.

ある実施形態では、この光相互作用する構成要素は、光源であっても光源を含んでもよい。光源は、反応部位と光学的に連絡している任意の光源であってもよい。例えば、光源は外部または環境の光、LEDにおいて作製されるような光の干渉性もしくは単色のビーム、または半導体レーザーもしくは量子井戸レーザーのようなレーザーであってもよい。光源は、例えば、チップの一部として製造されたレーザーダイオードにおいて、チップの一部と一体的に接続されてもよく、またはこの光源は、チップから隔てられてもそれと一体的に接続されてもよいが、反応部位との光学連絡を可能にするように配置されてもよい。光源は、前に記載されるように、単一波長もしくは実質的に単色の波長を生じても、または広範な波長を生じてもよい。特定の実施形態では、光源はまた、化学的反応または生物学的プロセス、例えば光子を生じる化学的反応、例えば、GFP(「緑色蛍光タンパク質(green fluorescence protein)」)もしくはルシフェラーゼに関与するか、または蛍光もしくはリン光を通じた反応において生成され得る。例えば、入射電子、電流、摩擦、熱、化学的反応または生物学的反応は、例えば、反応部位に位置するサンプル内で、または反応部位と光学的に連絡しているチップ内に位置する反応中心から、光を生成するために加えられ得る。   In some embodiments, the light interacting component may be a light source or a light source. The light source may be any light source that is in optical communication with the reaction site. For example, the light source may be external or ambient light, a coherent or monochromatic beam of light as produced in an LED, or a laser such as a semiconductor laser or quantum well laser. The light source may be connected integrally with a part of the chip, for example in a laser diode manufactured as part of the chip, or the light source may be separated from the chip or connected integrally therewith. However, it may be arranged to allow optical communication with the reaction site. The light source may produce a single wavelength or a substantially monochromatic wavelength, or a wide range of wavelengths, as previously described. In certain embodiments, the light source is also involved in a chemical reaction or biological process, such as a chemical reaction that produces a photon, such as GFP (“green fluorescence protein”) or luciferase, or It can be produced in a reaction through fluorescence or phosphorescence. For example, incident electrons, currents, friction, heat, chemical reactions or biological reactions can be performed, for example, in a sample located at the reaction site or in a chip in optical communication with the reaction site. From which can be added to produce light.

特定の場合には、この光相互作用する構成要素は、フィルター、例えば低域通過フィルター、高域通過フィルター、ノッチフィルター、空間フィルター、波長選択フィルターなどを備えてもよい。フィルターは、例えば、入射光の一部を実質的に低減または排除し得る。例えば、フィルターは、約350nm未満または約1000nmより大きい波長を有する光を排除するかまたは実質的に低減し得る。別の実施形態では、このフィルターは、入射光内でノイズを低減するか、または入射光のシグナル対ノイズ比を増大することができるかもしれない。さらに別の実施形態では、このフィルターは、入射光を、例えば、直線的にまたは環状に偏光することができるかもしれない。   In certain cases, the light interacting component may comprise a filter, such as a low pass filter, a high pass filter, a notch filter, a spatial filter, a wavelength selective filter, and the like. The filter can, for example, substantially reduce or eliminate some of the incident light. For example, the filter can eliminate or substantially reduce light having a wavelength less than about 350 nm or greater than about 1000 nm. In another embodiment, the filter may be able to reduce noise in the incident light or increase the signal to noise ratio of the incident light. In yet another embodiment, the filter may be able to polarize incident light, for example, linearly or annularly.

ある実施形態では、この光相互作用する構成要素は、反応部位と光学的に連絡する光学エレメントを備えてもよい。本明細書において用いる場合、「光学エレメント(optical element)」とは、例えば、光を集束するかもしくは平行にすること、または光を分岐させることによって、この光学エレメントに入るかまたは出る光の経路を変更できる任意のエレメントまたはデバイスをいう。例えば、光学エレメントは、単一のポイントもしくは小さい領域に入射光を集束し得、または光学エレメントは、光の分枝したビームを平行にするかもしくは向け直して光の平行かもしくは集光するビームを形成し得る。「集束する(focus)」という用語は一般に、光の線をポイントまたは小さい領域に集光させる能力をいう。「平行にする(collimate)」という用語は一般に、例えば、無限の距離でビームが集束するように、ポイントまたは小さい領域へという必要はないが、光の線の集束を向上させる能力をいう。1例では、分岐する光のビームは、光の平行なビームへ平行にされ得る。特定の実施形態では、この光学エレメントは、例えば、発散レンズにおいてのように、光を分散させるかまたは分岐させ得る。他の実施形態では、この光学エレメントは、例えば、ビームスプリッター、光学的コーティング(例えば、二色性、反射防止性または反射性のコーティング)、光学的回折格子、回折格子などであってもよい。   In certain embodiments, the light interacting component may comprise an optical element in optical communication with the reaction site. As used herein, an “optical element” is a path of light that enters or exits this optical element, for example, by focusing or collimating light, or by splitting light. Refers to any element or device that can be modified. For example, the optical element may focus the incident light at a single point or small area, or the optical element may collimate or redirect the branched beam of light to collimate or redirect the light. Can be formed. The term “focus” generally refers to the ability to focus a line of light onto a point or small area. The term “collimate” generally refers to the ability to improve the focusing of a line of light, but not necessarily to a point or small area, for example, so that the beam is focused at an infinite distance. In one example, the diverging light beam may be collimated to a parallel beam of light. In certain embodiments, the optical element may disperse or diverge light, such as in a diverging lens. In other embodiments, the optical element may be, for example, a beam splitter, optical coating (eg, dichroic, antireflective or reflective coating), optical diffraction grating, diffraction grating, and the like.

1セットの実施形態では、この光学エレメントはレンズであってもよい。レンズは、集光レンズまたは発散レンズのような任意のレンズであってもよい。レンズは、例えば、メニスカス(凹凸レンズ)、平凸レンズ、平凹レンズ、両凸レンズ、両凹レンズ、フレスネルレンズ、球面レンズ、非球面レンズ、バイナリーレンズなどであってもよい。光学エレメントはまた、鏡、例えば、平面鏡、局面鏡、放物面鏡などであってもよい。他の実施形態では、この光学エレメントは、例えば、回折格子またはプリズムにおいてのように、光を分散させ得る。   In one set of embodiments, the optical element may be a lens. The lens may be any lens such as a condensing lens or a diverging lens. The lens may be, for example, a meniscus (concave / convex lens), plano-convex lens, plano-concave lens, biconvex lens, biconcave lens, Fresnel lens, spherical lens, aspheric lens, binary lens, and the like. The optical element may also be a mirror, such as a plane mirror, a phase mirror, a parabolic mirror, and the like. In other embodiments, the optical element may disperse light, such as in a diffraction grating or prism.

ある場合には、種々の屈折率を有する物質を用いてもよい。例えば、光が導波管を通じて光学エレメントに達する実施形態では、この光学エレメントは、導波管とは異なる屈折率を有する物質であり得る。ある場合には、この光学エレメントの屈折率は、導波管の屈折率とほぼ同じかまたはそれよりも大きい。   In some cases, materials having various refractive indices may be used. For example, in embodiments where light reaches the optical element through a waveguide, the optical element can be a material having a different refractive index than the waveguide. In some cases, the refractive index of the optical element is approximately the same as or greater than the refractive index of the waveguide.

ある場合には、段階的な屈折率を有する物質(「GRIN」物質)を光学エレメントとして用いてもよい。このGRIN物質は、GRIN物質に達する光に固有の拡散の量を最小限にし得る。例えば、均一な厚みの物質は、この要素の断面にそってその屈折率を変化させることによってレンズとして機能するように作製されてもよい。1実施形態では、GRIN物質は光の拡散した線を平行な配置に再指向し得る。別の実施形態では、GRIN物質は、均一な厚みを有する必要はなく、そしてこの物質の段階的な屈折率およびこの物質の形状の組み合わせを用いて、光を集束または平行にすることができる。   In some cases, a material having a graded refractive index (“GRIN” material) may be used as the optical element. This GRIN material can minimize the amount of diffusion inherent in the light reaching the GRIN material. For example, a uniform thickness material may be made to function as a lens by changing its refractive index along the cross section of the element. In one embodiment, the GRIN material may redirect the diffused lines of light to a parallel arrangement. In another embodiment, the GRIN material need not have a uniform thickness, and a combination of the graded refractive index of the material and the shape of the material can be used to focus or collimate the light.

この光相互作用する構成要素は、ある実施形態では、光を電気に変換できる構成要素、例えば、感光素子または光検出器、光電子増倍管、光電セル、光ダイオード、例えば、アバランシェフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、CCDチップ(「電荷結合素子(charge−coupled device)」)などを備えてもよい。この構成要素は、ある場合には、例えば、放射(蛍光またはリン光を含む)、吸光度、散乱、光学密度、偏光測定または肉眼によるものを含む他の測定によって、反応部位内の物質の状態または条件を決定するために用いられ得る。   This light-interacting component is, in one embodiment, a component capable of converting light into electricity, such as a photosensitive element or photodetector, a photomultiplier tube, a photocell, a photodiode, such as an avalanche photodiode, photo A diode array, a CCD chip (“charge-coupled device”), and the like may be provided. This component may in some cases be related to the state of the substance in the reaction site, for example by radiation (including fluorescence or phosphorescence), absorbance, scattering, optical density, polarimetry or other measurements, including those by the naked eye. Can be used to determine conditions.

他の場合には、光相互作用する構成要素は、画像化目的のために、例えば、反応部位もしくはその近位に位置する細胞もしくは他の物質の一部を画像化するために、または細胞が表面に接着しているか否かを決定するために用いられ得る。   In other cases, the light interacting component may be used for imaging purposes, e.g., to image a reaction site or a portion of a cell or other substance located proximally thereof, or a cell It can be used to determine whether it is adhered to a surface.

ある場合には、光相互作用する構成要素は、電気を生じるために用いられ得る。1実施形態では、光電セルは、半導体物質を含む1つ以上の層を用いてチップ内に一体的に製造され得る。   In some cases, light interacting components can be used to generate electricity. In one embodiment, the photovoltaic cell may be fabricated integrally in a chip using one or more layers that include a semiconductor material.

ある実施形態では、光は、例えば、化学的反応を活性化または阻害するために、反応部位に指向され得る。例えば、反応は、活性化のために光の使用を要し得、または感光性酵素は、この酵素に対して光を加えることによって阻害され得る。特定の実施形態では、反応部位に向けられた光は、プローブまたはシグナル源として用いられてもよい。光は、例えば、反応部位に達する光が特定の波長、偏極または強度を有するように、特定の実施形態では反応部位に対して制御された方式で送達され得る。   In certain embodiments, light can be directed to a reaction site, for example, to activate or inhibit a chemical reaction. For example, the reaction can require the use of light for activation, or the photosensitive enzyme can be inhibited by applying light to the enzyme. In certain embodiments, light directed at the reaction site may be used as a probe or signal source. The light can be delivered in a controlled manner to the reaction site in certain embodiments, for example, so that light reaching the reaction site has a particular wavelength, polarization, or intensity.

ある実施形態では、反応部位から生じる光の一部が検出および解析され得る。反応部位から生じる光は、反射されるかもしくは屈折された光、例えば、前に記載されたように反応に向けられた光であってもよく、またはこの光は、物理的手段を通じて、例えば、蛍光もしくはリン光を通じて生成されてもよい。ある場合には、光は、前に記載されたように反応部位内で生成されてもよい。反応部位からの光は、任意の適切な解析技術、例えば、赤外分光法、FTIR(「フーリエ変換赤外分光法(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)」)、ラマン分光法、吸光光度法、蛍光分光法、光学密度、円偏光二色性、光散乱、偏光分析法、屈折計法、濁度測定、擬電光散乱または任意の他の適切な技術を用いて解析され得る。別の実施形態では、反応部位の画像化は、例えば、光学画像化または赤外画像化を用いて行なわれ得る。   In certain embodiments, a portion of the light originating from the reaction site can be detected and analyzed. The light originating from the reaction site may be reflected or refracted light, for example light directed to the reaction as described previously, or this light may be transmitted through physical means, for example, It may be generated through fluorescence or phosphorescence. In some cases, light may be generated within the reaction site as previously described. The light from the reaction site can be any suitable analysis technique, such as infrared spectroscopy, FTIR (“Fourier Transform Infrared Spectroscopy”), Raman spectroscopy, absorptiometry, fluorescence spectroscopy. , Optical density, circular dichroism, light scattering, ellipsometry, refractometry, turbidity measurement, pseudo-electron scattering or any other suitable technique. In another embodiment, imaging of the reaction site can be performed using, for example, optical imaging or infrared imaging.

本発明のある実施形態では、チップ内のリアクターおよび/または反応部位は、例えば同時に、生きている細胞の1つ以上のタイプの増殖を促進する環境を維持するように構築されかつ配置され得る。ある場合には、反応部位は、液体流動、酸素、栄養物分布など、生きている組織、例えば、細胞が由来する組織で見出される条件と同様の条件を提供されてもよい。従って、チップは、バッチ培養システムによって提供される条件よりもインビボに近い条件を提供することができるかもしれない。1つ以上の細胞が反応部位で用いられる実施形態では、細胞は任意の細胞または細胞タイプ、例えば、原核生物細胞または真核生物細胞であってもよい。例えば、細胞は細菌または他の単細胞生物体、植物細胞、昆虫細胞、真菌細胞または動物細胞であってもよい。細胞が単細胞生物体であるならば、この細胞は、例えば、原生動物、トリパノソーマ、アメーバ、酵母細胞、藻類などであってもよい。細胞が動物細胞である場合、この細胞は、例えば、無脊椎動物細胞(例えば、ショウジョウバエ由来の細胞)、魚類細胞(例えば、ゼブラフィッシュ細胞)、両生類細胞(例えば、カエルの細胞)、爬虫類細胞、鳥類細胞、または哺乳動物細胞、例えば、霊長類の細胞、ウシの細胞、ウマの細胞、ブタの細胞、ヤギの細胞、イヌの細胞、ネコの細胞、またはラットもしくはマウスのようなげっ歯類の細胞であってもよい。細胞が多細胞生物体由来である場合、細胞は、この生物体のいずれの部分に由来してもよい。例えば、細胞が動物由来である場合、細胞は心臓細胞、線維芽細胞、ケラチノサイト、肝細胞、軟骨細胞、神経細胞、骨細胞、筋細胞、血液細胞、内皮細胞、免疫細胞(例えば、T細胞、B細胞、マクロファージ、好中球、好塩基球、肥満細胞、好酸球)、幹細胞などであってもよい。ある場合には、細胞は、遺伝子操作された細胞であってもよい。ある実施例では、細胞は、チャイニーズハムスター卵巣(「CHO」)細胞または3T3細胞であってもよい。ある実施形態では、2つ以上の細胞タイプ、例えば、線維芽細胞および肝細胞が同時に用いられてもよい。ある実施形態では、細胞単層、組織培養物または細胞構築物(例えば、非生存足場に位置する細胞)なども反応部位で用いられてもよい。特定の細胞タイプ(単数または複数)について反応部位で必要な正確な環境条件は、当業者によって決定され得る。   In certain embodiments of the invention, the reactors and / or reaction sites in the chip may be constructed and arranged to maintain an environment that promotes the growth of one or more types of living cells, for example, at the same time. In some cases, the reaction site may be provided with conditions similar to those found in living tissue, eg, tissue from which cells are derived, such as fluid flow, oxygen, nutrient distribution. Thus, the chip may be able to provide conditions that are closer in vivo than those provided by a batch culture system. In embodiments where one or more cells are used at the reaction site, the cells may be any cell or cell type, eg, prokaryotic cells or eukaryotic cells. For example, the cells may be bacteria or other unicellular organisms, plant cells, insect cells, fungal cells or animal cells. If the cell is a unicellular organism, the cell may be, for example, a protozoan, trypanosoma, amoeba, yeast cell, algae, and the like. Where the cell is an animal cell, the cell can be, for example, an invertebrate cell (eg, a cell from Drosophila), a fish cell (eg, a zebrafish cell), an amphibian cell (eg, a frog cell), a reptile cell, Avian or mammalian cells such as primate cells, bovine cells, horse cells, pig cells, goat cells, dog cells, cat cells, or rodents such as rats or mice It may be a cell. If the cell is derived from a multicellular organism, the cell may be derived from any part of the organism. For example, if the cells are of animal origin, the cells are cardiac cells, fibroblasts, keratinocytes, hepatocytes, chondrocytes, neurons, bone cells, muscle cells, blood cells, endothelial cells, immune cells (eg, T cells, B cells, macrophages, neutrophils, basophils, mast cells, eosinophils), stem cells and the like may be used. In some cases, the cell may be a genetically engineered cell. In certain examples, the cells may be Chinese hamster ovary (“CHO”) cells or 3T3 cells. In certain embodiments, more than one cell type may be used simultaneously, for example, fibroblasts and hepatocytes. In certain embodiments, cell monolayers, tissue cultures or cell constructs (eg, cells located in non-viable scaffolds) and the like may also be used at the reaction site. The exact environmental conditions required at the reaction site for a particular cell type (s) can be determined by one skilled in the art.

ある実施形態では、細胞は、治療および/または診断目的の化学的または生物学的な化合物を例えば、ナノグラム、マイクログラム、ミリグラムまたはグラム以上の量で産生し得る。例えば、細胞は、モノクローナル抗体、タンパク質、例えば、組み換えタンパク質、アミノ酸、ホルモン、ビタミン、薬物または医薬品、他の治療分子、人工的化合物、ポリマー、トレーサー、例えば、GFP(「緑色蛍光タンパク質(green fluorescent protein)」)またはルシフェラーゼなどの産物を生成することができる。1セットの実施形態では、細胞は、薬物開発および/または薬物開発目的のために用いられ得る。例えば、細胞は、この細胞と相互作用することが疑われる因子に曝露されてもよい。このような因子の非限定的な例としては、発癌性または変異原性の化合物、合成化合物、ホルモンまたはホルモンアナログ、ビタミン、トレーサー、薬物または医薬品、ウイルス、プリオン、細菌などが挙げられる。例えば、1実施形態では、本発明を自動的な細胞培養において用いて、モノクローナル抗体および/または目的の他の化合物の高処理能力の処理を可能にすることができる。別の実施形態では、本発明を用いて、細胞、細胞タイプ、細胞増殖条件などをスクリーニングして、例えば、自己生存能、自己生成速度などを決定することができる。ある場合には、本発明は、高処理能力スクリーニング技術において用いられ得る。例えば、本発明を用いて、細胞増殖、細胞または細胞のタイプの正常または異常な生物学的機能、細胞によって生成されるタンパク質または他の因子の発現などに対する1つ以上の選択された化合物の効果を評価することができる。また本発明を用いて、細胞増殖、細胞の生物学的機能、細胞産物の生成などに対する種々の環境要因の効果を検討することができる。   In certain embodiments, the cells may produce chemical or biological compounds for therapeutic and / or diagnostic purposes, for example, in nanogram, microgram, milligram, or gram quantities. For example, cells can be monoclonal antibodies, proteins such as recombinant proteins, amino acids, hormones, vitamins, drugs or pharmaceuticals, other therapeutic molecules, artificial compounds, polymers, tracers such as GFP ("green fluorescent protein" ) ") Or products such as luciferase can be produced. In one set of embodiments, the cells can be used for drug development and / or drug development purposes. For example, the cell may be exposed to a factor suspected of interacting with the cell. Non-limiting examples of such factors include carcinogenic or mutagenic compounds, synthetic compounds, hormones or hormone analogs, vitamins, tracers, drugs or pharmaceuticals, viruses, prions, bacteria, and the like. For example, in one embodiment, the present invention can be used in automated cell culture to allow high throughput processing of monoclonal antibodies and / or other compounds of interest. In another embodiment, the invention can be used to screen cells, cell types, cell growth conditions, etc. to determine, for example, self-viability, self-generation rate, and the like. In some cases, the present invention can be used in high throughput screening techniques. For example, using the present invention, the effect of one or more selected compounds on cell proliferation, normal or abnormal biological function of the cell or cell type, expression of proteins or other factors produced by the cell, etc. Can be evaluated. The present invention can also be used to study the effects of various environmental factors on cell growth, cell biological function, cell product generation, and the like.

ある場合には、チップ内のリアクターおよび/または反応部位は、反応部位内の生存細胞を用いて化学的または生化学的な反応を防止、促進および/または決定するために(例えば、生存細胞に対する、薬物、ホルモン、ビタミン、抗生物質、酵素、抗体、タンパク質、炭水化物などのような因子の、もしあれば効果を決定するために)構築かつ配列されてもよい。例えば、細胞と相互作用できると疑われる1つ以上の因子を細胞を含むリアクターおよび/または反応部位に添加してもよいし、そしてこの因子(単数または複数)に対する細胞の応答を、本発明のシステムおよび方法を用いて決定してもよい。   In some cases, the reactor and / or reaction site in the chip is used to prevent, promote and / or determine a chemical or biochemical reaction using live cells in the reaction site (eg, for live cells). May be constructed and sequenced (to determine the effects, if any, of factors such as drugs, hormones, vitamins, antibiotics, enzymes, antibodies, proteins, carbohydrates, etc.). For example, one or more factors suspected of being able to interact with the cell may be added to the reactor and / or reaction site containing the cell, and the response of the cell to this factor (s) It may be determined using systems and methods.

ある場合には、細胞は光に感受性であり得る。例えば、細胞は、光刺激に応答するかまたは光合成の植物細胞であってもよい。別の実施形態では、光は、光に感受性の哺乳動物細胞または植物細胞のような細胞を増殖するために用いられ得る。さらに別の実施形態では、細胞は光によって誘引されるかまたは光によって反発される細菌であってもよい。別の実施形態では、細胞は光レセプターまたは他の光シグナル伝達応答を有する動物細胞、例えば、桿体細胞または錐体細胞であってもよい。さらに別の実施形態では、細胞は、光レセプターまたは別の光感受性分子、例えば、光に対する曝露の際に反応性実体を分解するかもしくは形成するか、または生物学的プロセスが生じるように刺激するものを有する、遺伝子操作された細胞であってもよい。他の場合には、細胞は光に非感受性であり得る;チップに加えられた光は、細胞の解析のために、例えば、検出、画像化、カウント、形態学的解析または分光学的解析のために用いられ得る。さらに他の場合には、光を用いて細胞を、例えば直接的にまたはアポトーシス反応を誘導することによって殺傷してもよい。   In some cases, the cell may be sensitive to light. For example, the cells may be plant cells that respond to photostimulation or are photosynthetic. In another embodiment, light can be used to grow cells such as mammalian cells or plant cells that are sensitive to light. In yet another embodiment, the cells may be bacteria that are attracted or repelled by light. In another embodiment, the cell may be an animal cell having a photoreceptor or other light signaling response, such as a rod cell or a cone cell. In yet another embodiment, the cell degrades or forms a reactive entity upon exposure to a photoreceptor or another photosensitive molecule, such as light, or stimulates a biological process to occur. It may be a genetically engineered cell that has something. In other cases, the cells may be insensitive to light; the light applied to the chip may be used for analysis of the cells, eg, detection, imaging, counting, morphological analysis or spectroscopic analysis. Can be used for In still other cases, the cells may be killed using light, for example, directly or by inducing an apoptotic response.

ある実施形態では、チップはこのチップ内の細胞が代謝的に活性な状態で維持され得るように、例えば、この細胞が増殖して分裂できるように構築されかつ配列され得る。例えば、チップは、1つ以上のさらなる表面が反応部位に、例えば一連のプレートとして添加され得るように構築されてもよいし、またはこのチップは細胞が基板に結合したままで分裂できるように構築されてもよい。ある場合には、このチップは細胞が、必要に応じてチップ内に存在する他の細胞を実質的に邪魔することなく、例えばこのチップのアウトレットを通じて、または反応部位からの表面の除去によって、収集されてチップから回収され得るように構築されてもよい。チップは、任意の適切な時間、例えば、1日、1週、30日、60日、90日、1年またはある場合には無期限に、代謝的に活性な状態で細胞を維持することを可能にし得る。   In certain embodiments, the chip can be constructed and arranged, for example, such that the cells can grow and divide so that the cells in the chip can be maintained in a metabolically active state. For example, the chip may be constructed such that one or more additional surfaces can be added to the reaction site, eg, as a series of plates, or the chip is constructed to allow cells to divide while attached to the substrate. May be. In some cases, the chip collects cells as needed, for example, through the outlet of the chip or by removing the surface from the reaction site without substantially interfering with other cells present in the chip. And may be constructed so that it can be recovered from the chip. The chip can maintain cells in a metabolically active state at any suitable time, eg, 1 day, 1 week, 30 days, 60 days, 90 days, 1 year or in some cases indefinitely. Can be possible.

1局面では、本発明は、チップの使用のための装置を必要に応じて備える、キットにパッケージングされた任意の上述のチップを提供する。すなわち、このキットは、例えば、マイクロプレートとともに使用するための、チップの使用の説明書、またはハンドルマイクロプレートに適合される装置を備えてもよい。本明細書において用いる場合、「説明書(instructions)」は、指示および/またはプロモーションの内容を規定し得、そして代表的には、本発明の包装に対するまたはそれに関連した書面の指示を包含し得る。説明書はまた、チップのユーザーが、この説明書はチップに関連するものであるということを明確に認識するように任意の様式で提供される任意の口頭または電気的な指示を含んでもよい。さらに、キットは、特定の適用、例えば、容器、アダプター、シリンジ、ニードル、置換パートなどに依存して他の構成要素を備えてもよい。本明細書において用いる場合、「プロモートされる(促進される)(promoted)」とは、教育、病院および他の臨床的施設、化学的調査、薬物発見または開発、学問的探究、薬物の販売を含む製薬産業上の活動、ならびに本発明に関連する任意の形態の書面、口頭および電気的通信を含む任意の広告または他のプロモーション活動の方法を含む全ての業務遂行方法を包含する。   In one aspect, the present invention provides any of the above chips packaged in a kit, optionally equipped with an apparatus for use of the chip. That is, the kit may comprise, for example, instructions for use of the chip, for use with a microplate, or a device adapted to a handle microplate. As used herein, “instructions” may define the contents of instructions and / or promotions and typically include written instructions for or related to the packaging of the present invention. . The instructions may also include any oral or electrical instructions provided in any manner so that the user of the chip clearly recognizes that the instructions are related to the chip. In addition, the kit may include other components depending on the particular application, eg, container, adapter, syringe, needle, replacement part, and the like. As used herein, “promoted” refers to education, hospitals and other clinical facilities, chemical research, drug discovery or development, academic exploration, drug sales. Includes all methods of conducting business, including pharmaceutical industry activities, and any advertising or other promotional activity methods including any form of written, verbal and telecommunications related to the present invention.

本発明のこれらおよび他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からさらに詳細に理解される。以下の実施例は、本発明の利点を図示することを意図しているに過ぎず、本発明の全体的範囲を例証するものではない。   The functionality and advantages of these and other embodiments of the invention will be more fully understood from the following examples. The following examples are merely intended to illustrate the advantages of the present invention and do not exemplify the overall scope of the invention.

(実施例1)
本実施例では、図5Aに一般的に図示されるように、チップは本発明の実施形態に従って調製された。
(Example 1)
In this example, a chip was prepared according to an embodiment of the present invention, as generally illustrated in FIG. 5A.

その中に液体チャネル、ポート、チャンバ、他の反応部位などを備える第一のチップ層は、アクリルまたはポリカーボネートのストックシートから射出成形されるか機械加工された。この第一の層は、感圧性シリコーン接着剤(Dielectric Polymers)によって、機械加工されるかまたは射出成形された平底プレート(またアクリルまたはポリカーボネート)に結合した。0.2μmの細孔サイズの膜(Osmonics,Minnetonka,MN)をまた、感圧性シリコーン接着剤によって第一の層の上側に接着した。   The first chip layer, with liquid channels, ports, chambers, other reaction sites, etc. therein, was injection molded or machined from an acrylic or polycarbonate stock sheet. This first layer was bonded to a machined or injection molded flat bottom plate (also acrylic or polycarbonate) by pressure sensitive silicone adhesives (Dielectric Polymers). A 0.2 μm pore size membrane (Osmonics, Minnetonka, Minn.) Was also adhered to the upper side of the first layer with a pressure sensitive silicone adhesive.

その中に関連の液体チャネル、ポート、チャンバ、他の反応部位などを有する第二のチップ層(チャンバ上部を含む)を、PDMSを用いる鋳型にキャスティングした。この第二の層を第一のチップ層と整列可能に形成する。この第二の層を、第一のチップ層のチャンバと配列して、感圧性シリコーン接着剤によって接着して、完全なチップを形成する。PDMSトップは、隔壁またはそれ自体による自己密閉膜として機能するか、またはある場合には、PDMSのさらなる部分的な層が、感圧性接着剤を用いてチップのインレットまたはアウトレットにまたがって結合され得る。   A second chip layer (including the chamber top) with associated liquid channels, ports, chambers, other reaction sites, etc. therein was cast into a mold using PDMS. The second layer is formed in alignment with the first chip layer. This second layer is aligned with the chamber of the first chip layer and bonded with a pressure sensitive silicone adhesive to form a complete chip. The PDMS top functions as a septum or a self-sealing membrane by itself, or in some cases, additional partial layers of PDMS can be bonded across the inlet or outlet of the chip using a pressure sensitive adhesive .

(実施例2)
本実施例では、本実験の実施形態を用いてpH検知を実証した。
(Example 2)
In this example, pH detection was demonstrated using the embodiment of this experiment.

実施例1に記載されるものと同様のいくつかのチップを調製した。各々のチップは、このチップ内のチャンバによって規定されるように所定の反応部位を含んだ。底部チャンバのチャンバ深度(すなわち、チップの表面からのチャンバの距離)は約3mmであった。   Several chips similar to those described in Example 1 were prepared. Each chip contained a predetermined reaction site as defined by the chamber within the chip. The chamber depth of the bottom chamber (ie, the distance of the chamber from the surface of the chip) was about 3 mm.

種々のpHを有する、0.1M リン酸緩衝液の14の溶液(KHPO/KHPO、両方ともSigma−Aldrich,Milwaukee,WI)をCDMFの5μM溶液を用いて調製した。CDMF(5(6)−カルボキシ−2’,7’−ジメトキシフルオレセイン;Helix Research,Springfield,OR)は蛍光pH色素である。3つの異なるチップ上の一連の反応部位を各々CDMF溶液で充填した。 Fourteen solutions of 0.1 M phosphate buffer (K 2 HPO 4 / KH 2 PO 4 , both Sigma-Aldrich, Milwaukee, WI) with various pH were prepared using a 5 μM solution of CDMF. CDMF (5 (6) -carboxy-2 ′, 7′-dimethoxyfluorescein; Helix Research, Springfield, OR) is a fluorescent pH dye. A series of reaction sites on three different chips were each filled with CDMF solution.

各々のチップ内の各々のチャンバにおけるCDMF溶液の蛍光強度(「I」)を2つの波長510nmおよび450nmでの励起の際に測定した。励起のために用いた光源は、高輝度発光ダイオード(high intensity light−emitting diodes)(LEDs,LXHL−BE01および−BR02;Lumileds,San Jose,CA)であった。LED光を、レンズ(74−UV,Ocean Optics)によって600ミクロンの直径の光ファイバー(P600−2,Ocean Optics)と光連絡して配置して、次いでチップに向けた。この放射光を、25.4mm f−1レンズ(Thorlabs,Newton,NJ)によって収集して、別の600ミクロンのファイバーに光学的に連絡して、これを次にコンピューター制御の分光光度計(USB−2000F,Ocean Optics)と光接続した。両方の場合に報告される発光強度を560nmで測定した。   The fluorescence intensity (“I”) of the CDMF solution in each chamber within each chip was measured upon excitation at two wavelengths, 510 nm and 450 nm. The light source used for excitation was high intensity light-emitting diodes (LEDs, LXHL-BE01 and -BR02; Lumileds, San Jose, CA). The LED light was placed in optical communication with a 600 micron diameter optical fiber (P600-2, Ocean Optics) by a lens (74-UV, Ocean Optics) and then directed to the chip. This emitted light is collected by a 25.4 mm f-1 lens (Thorlabs, Newton, NJ) and optically communicated to another 600 micron fiber which is then computer controlled spectrophotometer (USB -2000F, Ocean Optics). The emission intensity reported in both cases was measured at 560 nm.

これらの実験からのサンプル結果を図13に示しており、ここでは強度の比を溶液のpHに対してプロットした。450nmの光(I450nm)および510nmの光(I510nm)による励起の際、560nmで強度を測定し、これらの値の比を(I450nm/I510nm)としてプロットした。蛍光シグナルの応答は少なくとも約6〜少なくとも約8の範囲にまたがってpHとよく相関することが見出された。 Sample results from these experiments are shown in FIG. 13, where the intensity ratio is plotted against the pH of the solution. Upon excitation with 450 nm light (I 450 nm ) and 510 nm light (I 510 nm ), the intensity was measured at 560 nm and the ratio of these values was plotted as (I 450 nm / I 510 nm ). It has been found that the response of the fluorescent signal correlates well with pH over a range of at least about 6 to at least about 8.

従って、本実験は、本発明の1つの実施形態に光学的に取り組むことがレシオメトリック蛍光技術を用いてpHを測定および制御する能力を実証する。   Thus, this experiment demonstrates the ability to optically address one embodiment of the present invention to measure and control pH using ratiometric fluorescence techniques.

(実施例3)
本実施例は、本発明の実施形態によるチップの調製を図示する。
(Example 3)
This example illustrates the preparation of a chip according to an embodiment of the present invention.

その中に液体チャネル、ポート、チャンバなどを伴うチップ層を、機械加工されたアルミ成形を用いてポリジメチルシロキサン(PDMS,Sylgard 184,Dow Corning,Midland,MI)にキャステイングした。このPDMS層を90℃で20分間硬化させた。このPDMS層を、感圧性シリコーン接着剤(Dielectric Polymers,Holyoke,MA)によって、底部プレートに接着した。底部プレートは、アクリルまたはポリカーボネートから作製して、シートストックから機械加工するかまたは射出成形した。この層を液圧プレス(Carver,Wabash,IN)中に層を押圧することによって結合して、完全なチップを形成した。PDMSの頂部は、隔壁自体として機能し得るか、ある場合には、PDMSのさらなる部分的な層は、感圧性シリコーン接着剤を用いてチップのインレットまたはアウトレットにまたがって結合できた。   A chip layer with liquid channels, ports, chambers, etc. therein was cast into polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI) using machined aluminum molding. The PDMS layer was cured at 90 ° C. for 20 minutes. The PDMS layer was adhered to the bottom plate with a pressure sensitive silicone adhesive (Dielectric Polymers, Holyoke, Mass.). The bottom plate was made from acrylic or polycarbonate and either machined from sheet stock or injection molded. The layers were combined by pressing the layers in a hydraulic press (Carver, Wabash, IN) to form a complete chip. The top of the PDMS can function as the septum itself, or in some cases, an additional partial layer of PDMS could be bonded across the inlet or outlet of the chip using a pressure sensitive silicone adhesive.

(実施例4)
本実施例によって、本発明の別の実施形態に従う、チップの反応部位内のpHの制御を例示する。
(Example 4)
This example illustrates the control of the pH within the reaction site of the chip according to another embodiment of the present invention.

図5に図示される実施形態と同様の形状を有する、実施例3に記載されたチップに類似の多重チップを、PDMSを用いて調製した。各々のチップは、チップ内のチャンバによって規定される3つの所定の反応部位を有した。チャンバの深さ(チップの表面からの距離)は500ミクロンであった。   Multiple chips similar to the chip described in Example 3 having a shape similar to the embodiment illustrated in FIG. 5 were prepared using PDMS. Each chip had three predetermined reaction sites defined by chambers within the chip. The chamber depth (distance from the surface of the chip) was 500 microns.

1つのチップの3つのチャンバを各々、50μMのクロロフェノールレッド色素(Sigma−Aldrich,Milwaukee,WI)の溶液で充填した。クロロフェノールレッドは、溶液が塩基性になるとき(すなわち、溶液のpHが増大するとき)黄色から紫の色変化を受けることが公知である。この色の変化は、574nmの波長で溶液の吸光度を測定することによってモニターできる。   Each of the three chambers of one chip was filled with 50 μM chlorophenol red dye (Sigma-Aldrich, Milwaukee, Wis.). Chlorophenol red is known to undergo a color change from yellow to purple when the solution becomes basic (ie, when the pH of the solution increases). This color change can be monitored by measuring the absorbance of the solution at a wavelength of 574 nm.

このチップ内の反応部位のpHを光学的に決定した。光源(タングステンハロゲン;LH−1;Ocean Optics)を、コリメータレンズ(74−UV;Ocean Optics)で終わる光ファイバー(P100−2;Ocean Optics)に接続した(これらの構成要素は図15には示していない)。光ファイバーアセンブリは光310を反応部位320に伝達した。反応部位320内でサンプル325の濁度によって、ここで少なくとも部分的に減弱された、伝達された光315を、別のコリメータレンズ/ファイバーアセンブリ(示さず)を用いて集めて、コンピューター制御分光光度計330(USB−2000;Ocean Optics)に伝達した。光学密度(「OD」)を、OD=log(I/I)として算出した。 The pH of the reaction site in the chip was optically determined. A light source (tungsten halogen; LH-1; Ocean Optics) was connected to an optical fiber (P100-2; Ocean Optics) terminated with a collimator lens (74-UV; Ocean Optics) (these components are shown in FIG. 15). Absent). The fiber optic assembly transmitted light 310 to the reaction site 320. Transmitted light 315, now attenuated at least partially by the turbidity of sample 325 within reaction site 320, is collected using a separate collimator lens / fiber assembly (not shown) and is computer controlled spectrophotometric. A total of 330 (USB-2000; Ocean Optics) was transmitted. The optical density (“OD”) was calculated as OD = log (I / I 0 ).

所定の反応部位320内のpHを制御するために、少量(約20μl)のアンモニア溶液(Sigma−Aldrich,Milwaukee,WI)を、チップの上、概して反応部位320の近位においた。反応部位の574nmでの光吸光度を2時間の経過にわたってモニターした。図14に示されるように、3つの濃度のアンモニアを用いた:4.0M NHOH(黒丸)、1.5M NHOH(黒四角)およびコントロールの水(黒三角)。図14では、3つの溶液について、pH指示薬として50μMのクロロフェノールレッドを用いて、574nmでの光学密度を時間に対してプロットした。最初および最後のpHの値をODで観察される変化から推定した。 To control the pH within a given reaction site 320, a small amount (about 20 μl) of ammonia solution (Sigma-Aldrich, Milwaukee, Wis.) Was placed on the chip, generally proximal to the reaction site 320. The light absorbance at 574 nm of the reaction site was monitored over the course of 2 hours. As shown in FIG. 14, three concentrations of ammonia were used: 4.0M NH 4 OH (black circles), 1.5M NH 4 OH (black squares) and control water (black triangles). In FIG. 14, the optical density at 574 nm was plotted against time using 50 μM chlorophenol red as the pH indicator for the three solutions. Initial and final pH values were estimated from the observed changes in OD.

揮発性アンモニアがPDMSに浸透して反応部位に入ることが可能であり、これによってPDMSを通じたガス状の非液体輸送によって、すなわち、所定の反応部位内の液体に対する直接の液体接触が行なわれることなく、反応部位内の溶液のpHが実質的に上昇することが見出された。所定の反応部位内のpHの全体的変化および変化の速度の両方ともアンモニアの濃度を制御することによって独立して制御され得ることが実証された。カバーの厚みおよびカバー物質の透過性を調節することによって、反応部位内のpH変化の速度をまた制御した。   Volatile ammonia can permeate PDMS and enter the reaction site, whereby gaseous non-liquid transport through PDMS, that is, direct liquid contact to the liquid in a given reaction site. Rather, it was found that the pH of the solution within the reaction site substantially increased. It has been demonstrated that both the overall change in pH and the rate of change within a given reaction site can be independently controlled by controlling the concentration of ammonia. The rate of pH change within the reaction site was also controlled by adjusting the thickness of the cover and the permeability of the cover material.

pHが上昇される代わりに制御可能に低下されたという同様の結果がまた、上記の方法と同様の方法を用いて実証された。それらの実験では、pH変更因子として酢酸を用いた。   Similar results were also demonstrated using a method similar to that described above, where the pH was controllably lowered instead of being raised. In those experiments, acetic acid was used as a pH modifier.

(実施例5)
本実施例は、所定の反応部位内のpHを、その中でのいかなる液体の接触もないままで調節するために用いられる本発明の実施形態を例示する。
(Example 5)
This example illustrates an embodiment of the invention used to adjust the pH within a given reaction site without any liquid contact therein.

ポリヂメチルシロキサン(PDMS)からマイクロリアクターを構築した。この特有のデバイスは、一般に96マイクロウェルプレートと同じサイズの、127.77mm×85.48mmの設置面積を有した。この特有のデバイスは、種々の層の物質、膜および障壁/界面層を組み合わせることによってアセンブルされて、実施例1に記載されるような、200μlのチャンバを有する積み重なった複合構造を形成した。   A microreactor was constructed from polydimethylsiloxane (PDMS). This unique device had a 127.77 mm x 85.48 mm footprint, generally the same size as a 96 microwell plate. This unique device was assembled by combining various layers of materials, membranes and barrier / interface layers to form a stacked composite structure with 200 μl chambers as described in Example 1.

細胞培養チャンバ内でpH変更因子であるクロロフェノールレッドを用いてこのチャンバのpHをモニターした。約90分間、10秒ごとにチャンバの発光スペクトルを記録した。最初の時点で、このチャンバをカバーするPDMSの薄層上にアンモニアの液滴(20μl、4.0M)を置いた。ガスはPDMSを横切ってチャンバに入るのでアンモニアガスを拡散させて、これによって、所定の反応部位への因子のガス状の非液体輸送を図示する。   The pH of this chamber was monitored using chlorophenol red, a pH modifier, in the cell culture chamber. The emission spectrum of the chamber was recorded every 10 seconds for about 90 minutes. At the first time, a drop of ammonia (20 μl, 4.0M) was placed on a thin layer of PDMS covering the chamber. As the gas enters the chamber across the PDMS, it diffuses the ammonia gas, thereby illustrating the gaseous non-liquid transport of the factor to a given reaction site.

本実験の時間に関して、チャンバの光学密度のプロットを、480nm、574nmおよび700nmの波長について、図16に示す。480nmの波長は、さらにアルカリ性の条件を示す高い光学密度値を有する、因子であるクロロフェノールレッドの指標である。これらのデータは、約5分で開始する、約3分間にわたる574nmでの光学密度の急速な増大を示しており、これはこの実験の間の、さらにアルカリ性の条件へのpHの急速な変化を示す。この実験では、チャンバにおけるpHは、4.35という最初の値から10.5という最後の値まで急速に増大することが観察された。   For the time of this experiment, a plot of the optical density of the chamber is shown in FIG. 16 for wavelengths of 480 nm, 574 nm and 700 nm. The wavelength of 480 nm is an index of chlorophenol red which is a factor having a high optical density value indicating a further alkaline condition. These data show a rapid increase in optical density at 574 nm over about 3 minutes, starting at about 5 minutes, which represents a rapid change in pH to more alkaline conditions during this experiment. Show. In this experiment, it was observed that the pH in the chamber increased rapidly from the initial value of 4.35 to the final value of 10.5.

従って、本実施例は、チャンバと液体が直接接触することのないチャンバのpHの制御された変更を図示する。   Thus, this example illustrates a controlled change in the pH of the chamber where there is no direct contact between the chamber and the liquid.

(実施例6)
本実施例は、本発明の実施形態によるチップの反応部位内のpHのレシオメトリックな決定を例示する。
(Example 6)
This example illustrates a ratiometric determination of the pH within the reaction site of a chip according to an embodiment of the present invention.

実施例1の方法と同様の方法を用いてチップを調製した。チップのpHセンサーを、ゲルにおいて蛍光のpH感受性色素を固定することによって構築した。ゲルを以下のとおり調製した。15mlのテトラエトキシシラン(TEOS)および20mlのエタノール(両方ともSigma−Aldrich,Milwaukee,WI)のストック溶液を調製して使用まで密閉して保持した。ゾル/ゲルを作製するために、1mlのTEOS溶液を500μMのカルボキシフルオレセイン(Sigma−Aldrich)を1:1のエタノールおよび水の溶液に含む1mlの溶液と混合した。この混合物に、0.1mlの0.5M塩酸(SIgma−Aldrich)を添加して、ゾル/ゲルの形成を触媒した。触媒された混合物の20μlのアリコートを、底部プレートにおける小さいウェル(500ミクロンの深さ)にピペッティングした。次いで、このゾル/ゲル混合物を有するプレートを、湿潤な環境で48時間にわたってゲル化させた。ゲルが完全に固化した後、カルボキシフルオレセイン色素を底部プレート上に固定した。   A chip was prepared using a method similar to that of Example 1. The pH sensor of the chip was constructed by immobilizing a fluorescent pH sensitive dye in the gel. The gel was prepared as follows. A stock solution of 15 ml tetraethoxysilane (TEOS) and 20 ml ethanol (both Sigma-Aldrich, Milwaukee, Wis.) Was prepared and kept sealed until use. To make the sol / gel, 1 ml TEOS solution was mixed with 1 ml solution containing 500 μM carboxyfluorescein (Sigma-Aldrich) in 1: 1 ethanol and water solution. To this mixture, 0.1 ml of 0.5 M hydrochloric acid (SIgma-Aldrich) was added to catalyze the formation of sol / gel. A 20 μl aliquot of the catalyzed mixture was pipetted into a small well (500 micron depth) in the bottom plate. The plate with this sol / gel mixture was then allowed to gel for 48 hours in a humid environment. After the gel was completely solidified, carboxyfluorescein dye was immobilized on the bottom plate.

ゲルを反応部位と液体接触させて配置した。既知のpH値を有する溶液を反応部位に添加した。反応部位内のpHの指標である、反応部位と接触するゲルの蛍光を、レシオメトリックな蛍光手順を用いてモニターした。この手順では、pHに応答する2つの異なる波長(510および480nm)でのpH感受性色素の蛍光応答を市販の紫外−可視の分光計を用いて決定した。反応部位内で種々の既知のpHを有する溶液を用いることによって、510nmでの応答および480nmでの応答の比は、溶液のpHに比例することが示され、従ってこれによって反応部位内のpHのレシオメトリックな決定が実証された。   The gel was placed in liquid contact with the reaction site. A solution having a known pH value was added to the reaction site. The fluorescence of the gel in contact with the reaction site, which is an indicator of the pH within the reaction site, was monitored using a ratiometric fluorescence procedure. In this procedure, the fluorescence response of pH sensitive dyes at two different wavelengths (510 and 480 nm) in response to pH was determined using a commercial UV-visible spectrometer. By using solutions with various known pH's within the reaction site, the ratio of the response at 510 nm and the response at 480 nm is shown to be proportional to the pH of the solution, thus A ratiometric decision was demonstrated.

(実施例7)
本実施例では、チップの反応部位内のpHの制御を、本発明の1実施形態に従って実証した。
(Example 7)
In this example, control of the pH within the reaction site of the chip was demonstrated according to one embodiment of the present invention.

実施例1に記載されるチップに類似のチップを、制御システムに接着した。上記のレシオメトリック手順を用いかつコントロールアルゴリズムを用いて決定されたpH値を記録するためにコンピューターを用いたが、このコンピューターは、反応部位内のpHを調節するための制御作用が必要か否かを決定することができた。コンピューターによって制御作用が必要であることが決定された場合、チップを外部のポンピングシステムに接続するバルブを開口することによって、このチップと外部ポンピングシステムとの間で液体接続を確立した。次いで、この外部ポンピングシステムにある量の酸(例えば、水酸化アンモニウム)または塩基(例えば、酢酸)を添加させて、反応部位内の液体のpHを必要な所定のポイントまで調節した。添加されるべき酸または塩基の量を、コントロールアルゴリズムを用いてコンピューターによって決定した。   A chip similar to that described in Example 1 was bonded to the control system. A computer was used to record the pH value determined using the ratiometric procedure described above and using a control algorithm, but this computer does not require a control action to adjust the pH within the reaction site. Could be determined. When the computer determined that control action was required, a fluid connection was established between the tip and the external pumping system by opening a valve that connected the tip to the external pumping system. An amount of acid (eg, ammonium hydroxide) or base (eg, acetic acid) was then added to the external pumping system to adjust the pH of the liquid in the reaction site to the required predetermined point. The amount of acid or base to be added was determined by computer using a control algorithm.

(実施例8)
本実施例では、反応部位内のpHの制御を本発明の別の実施形態に従って実証した。
(Example 8)
In this example, control of the pH within the reaction site was demonstrated according to another embodiment of the present invention.

実施例1に記載のチップに類似のチップを、制御システムに接着した。蛍光のpH感受性色素を実施例6によるゲルにおいて固定して、コンピューターを実施例7に記載の方法と同様のチップに接続した。反応部位内のpHを調節するのに制御作用が必要であることがコンピューターで決定された場合、このコンピューターによって液体システムは、この反応部位と液体連絡した透過性膜上に、決定された量の水酸化アンモニウム(塩基)または酢酸(酸)を与えさせた。次いで、反応部位に入る膜を通じて拡散する酸または塩基の作用によって、pHの制御を達成した。   A chip similar to that described in Example 1 was bonded to the control system. A fluorescent pH sensitive dye was immobilized on the gel according to Example 6 and a computer was connected to a chip similar to the method described in Example 7. If the computer determines that a control action is required to adjust the pH in the reaction site, the computer causes the liquid system to be placed on the permeable membrane in liquid communication with the reaction site in a determined amount. Ammonium hydroxide (base) or acetic acid (acid) was given. Control of the pH was then achieved by the action of acid or base diffusing through the membrane entering the reaction site.

(実施例9)
本実施例は、異なる物質の多重の層から形成される本発明の種々のチップを例示する。種々の接着剤を用いて、含まれる物質次第で、強固な細胞培養物または密閉層に対して境界の層を固定する。ポリカーボネートに対するPDMS結合のために用いられる接着剤の1つは、硬化されてないPDMSと混合した2部のウレタンエポキシであった。お互いに対して強固なポリカーボネート層を結合するために用いられる接着プロセスは、音響溶着または加熱プレスのいずれかであった。反応部位は、約200ミクロンの厚みであるように設計して、約20μmの容積を有した。
Example 9
This example illustrates various chips of the present invention formed from multiple layers of different materials. Various adhesives are used to fix the boundary layer to a strong cell culture or sealing layer, depending on the material involved. One of the adhesives used for PDMS bonding to polycarbonate was 2 parts urethane epoxy mixed with uncured PDMS. The bonding process used to bond the strong polycarbonate layers to each other was either acoustic welding or a hot press. The reaction site was designed to be about 200 microns thick and had a volume of about 20 μm.

本実施例では、反応部位240を有するチップ280を製造した。図17Aに示されるように、ポリカーボネート層244をPDMS層242に結合させた。図17Aに示されるように、チップがアセンブルされる場合、PDMS層242内のギャップは反応部位240を規定した。上記の硬化されてないPDMSと混合した2部のウレタンエポキシを用いて、PDMS層242を、ポリカーボネート層244に結合した。   In this example, a chip 280 having a reaction site 240 was manufactured. A polycarbonate layer 244 was bonded to the PDMS layer 242 as shown in FIG. 17A. As shown in FIG. 17A, the gap in the PDMS layer 242 defined the reaction site 240 when the chip was assembled. The PDMS layer 242 was bonded to the polycarbonate layer 244 using 2 parts of urethane epoxy mixed with the above uncured PDMS.

同様のチップを図17Bに図示する。この図では、薄い強固な層のポリカーボネートである層245によって、反応部位240を規定した。層242と245との間は、ガス透過性フィルム246(VivaScienceが作製したBIOFOIL(登録商標))であった。上記の接着プロセスを用いて、チップ80の層244、245、246および242を結合した。   A similar chip is illustrated in FIG. 17B. In this figure, the reaction site 240 was defined by a layer 245, which is a thin, strong layer of polycarbonate. Between layers 242 and 245 was a gas permeable film 246 (BIOFOIL® made by VivaScience). Using the bonding process described above, layers 244, 245, 246 and 242 of chip 80 were bonded.

(実施例10)
本実施例は、異なる物質の多重の層から形成される本発明の種々のチップを図示する。種々の接着剤を用いて、含まれる物質次第で、強固な細胞培養物または密閉層に対して境界の層を固定した。ポリカーボネートに対するPDMS結合のために用いられる接着剤の1つは、硬化されてないPDMSと混合した2部のウレタンエポキシであった。お互いに対して強固なポリカーボネート層を結合するために用いられる接着プロセスは、音響溶着または加熱プレスのいずれかであった。反応部位は、約200ミクロンの厚みであるように設計して、約20μmの容積を有した。
(Example 10)
This example illustrates various chips of the present invention formed from multiple layers of different materials. Various adhesives were used to fix the boundary layer to a strong cell culture or sealing layer, depending on the material involved. One of the adhesives used for PDMS bonding to polycarbonate was 2 parts urethane epoxy mixed with uncured PDMS. The bonding process used to bond the strong polycarbonate layers to each other was either acoustic welding or a hot press. The reaction site was designed to be about 200 microns thick and had a volume of about 20 μm.

図18Aおよび図18Bに図示されるチップの製造は、接着方法を含む、実施例9に記載されるものと同様であった。図18Aでは、リザーバ層248は、ポリカーボネートから形成して、ガス透過性フィルム246(BIOFOIL(登録商標))とポリカーボネート層244との間に置いた。リザーバ層248は、本実施例におけるリザーバであった反応部位50を規定するギャップ(すなわち、穴または部分的に中空の外部空間)を有する。図18Aでは、ギャップ界面層242によって反応部位240を規定した。   The manufacture of the chip illustrated in FIGS. 18A and 18B was similar to that described in Example 9, including the bonding method. In FIG. 18A, reservoir layer 248 was formed from polycarbonate and was placed between gas permeable film 246 (BIOFOIL®) and polycarbonate layer 244. The reservoir layer 248 has a gap (ie, a hole or a partially hollow exterior space) that defines the reaction site 50 that was the reservoir in this example. In FIG. 18A, the reaction site 240 is defined by the gap interface layer 242.

図18Bでは、ポリカーボネート層248を用いて反応部位250を規定した。さらに、第二のガス透過性膜249(BIOFOIL(登録商標))を、ポリカーボネート層245(反応部位240を規定する)とポリカーボネート層248との間に用いた。   In FIG. 18B, the reaction site 250 was defined using a polycarbonate layer 248. In addition, a second gas permeable membrane 249 (BIOFOIL®) was used between the polycarbonate layer 245 (which defines the reaction site 240) and the polycarbonate layer 248.

(実施例11)
本実施例は、接着剤を用いることのない本発明の実施形態の製造を例示する。反応部位は、約200ミクロンの厚みであるように設計して、約20μmの容積を有した。
(Example 11)
This example illustrates the manufacture of an embodiment of the present invention without the use of an adhesive. The reaction site was designed to be about 200 microns thick and had a volume of about 20 μm.

図19に図示される本発明の配置は、さらなる圧縮層252を用いて他の層を適所に機械的に保持すること以外は、実施例10の図18Bに図示される配置と同様である。本実施例では接着剤を用いなかった。代わりに、他の層のチップを通してポリカーボネート層252から延びるスクリュー253を層244に固定してチップ280を製造した。   The arrangement of the present invention illustrated in FIG. 19 is similar to the arrangement illustrated in FIG. 18B of Example 10 except that an additional compression layer 252 is used to mechanically hold the other layers in place. In this example, no adhesive was used. Instead, a chip 280 was manufactured with the screw 253 extending from the polycarbonate layer 252 through another layer of chips fixed to the layer 244.

(実施例12)
本実施例では、本発明の実施形態は、生存細胞の培養を可能にするのに十分高い酸素透過性を有する膜によって密閉されたチップにおいて用いられるとおり例示される。本実施例で必要な酸素の量は、存在する細胞の数および細胞の代謝に必要な酸素需要の関数である。これは、以下の等式2〜4に例示される。
(Example 12)
In this example, embodiments of the present invention are illustrated as used in a chip sealed by a membrane having a sufficiently high oxygen permeability to allow for culturing of viable cells. The amount of oxygen required in this example is a function of the number of cells present and the oxygen demand required for cell metabolism. This is illustrated in equations 2-4 below.

Figure 2005536233
これらの式では、Pは、透過性(代表的には、cm STPmm/matm日の単位で測定された)であり、Aは面積(代表的には、mで測定した)であり、pinは、チップの酸素分圧(代表的にはatmで測定した)であり、poutは、チップの外側の酸素分圧(代表的にはatmで測定した)であり、lは、膜厚(代表的にはμmで測定した)であり、Vは、チップの容積(代表的にはμlで測定した)であり、dは細胞培養チャンバ厚(代表的にはμmで測定した)であり、nは細胞密度(代表的には1mlあたりの細胞で測定した)であり、そしてrは細胞1個あたりの比酸素消費量(代表的には1時間細胞1個あたりのOで測定した)である。
Figure 2005536233
In these equations, P is permeability (typically measured in units of cm 3 STP mm / m 2 atm days) and A is area (typically measured in m 2 ). in and, p in is the oxygen partial pressure of the chip (typically measured in atm), p out is the oxygen partial pressure outside the chip (typically measured in atm), l Is the film thickness (typically measured in μm), V is the chip volume (typically measured in μl), and d is the cell culture chamber thickness (typically measured in μm). N is the cell density (typically measured in cells per ml) and r is the specific oxygen consumption per cell (typically O / cell per hour). 2 ).

等式4は、増殖する培養物によって消費される酸素を、フィルムを通じた拡散を介して利用可能な酸素に対して同等とみなす質量平衡を示す。等式2は、両側の外側のチャンバ正積に接触する膜の断面積に等しい培養チャンバの容積を設定する。再配置によって等式3が得られ、これによって、フィルム厚およびチャンバ深度の関数として、細胞の所定の集団密度および代謝速度を維持するのに必要な最小酸素透過性が表される。   Equation 4 shows a mass balance that regards the oxygen consumed by the growing culture as equivalent to the oxygen available through diffusion through the film. Equation 2 sets the volume of the culture chamber equal to the cross-sectional area of the membrane in contact with the outer chamber positive product on both sides. Rearrangement yields Equation 3, which represents the minimum oxygen permeability required to maintain a given population density and metabolic rate of cells as a function of film thickness and chamber depth.

Pの値は一般に、ポリマーおよび永続的な系に依存して、そして本実施例では、シリコンについての39,000(cm STPmm/matm日)からEVAについての0.01(cm STPmm/matm日)の間という酸素について変化した;pinは、0.05atm〜0.2atmで変化して、poutは、0.2atmと仮定された。フィルム厚であるlは、1μm〜2mmの間で変化した。Vは、1ml未満であるように保持して、細胞培養深度dは、30μm〜2mmの間に及んだ。細胞密度nは、本実施例では、哺乳動物細胞について10細胞/ml〜10細胞/ml、そして細菌について10細胞/ml〜1011細胞/mlであると仮定された。1細胞あたり要求される比酸素は0.5〜5×10−12モルO/細胞・時間に及んだ。 The value of P is generally dependent on the polymer and the permanent system, and in this example 39,000 (cm 3 STP mm / m 2 atm day) for silicon to 0.01 (cm 3 for EVA). oxygen was changed for that between the STP mm / m 2 atm day); p in is varied 0.05atm~0.2atm, p out was assumed to 0.2 atm. The film thickness l varied between 1 μm and 2 mm. V was held to be less than 1 ml and cell culture depth d ranged between 30 μm and 2 mm. The cell density n was assumed in this example to be 10 5 cells / ml to 10 7 cells / ml for mammalian cells and 10 9 cells / ml to 10 11 cells / ml for bacteria. The specific oxygen required per cell ranged from 0.5 to 5 × 10 −12 mol O 2 / cell · hour.

次いで、等式2〜4を用いて図20および図21を生成した。図20は、フィルム厚およびデバイス形状の関数としての細菌細胞培養のための酸素透過性要求量のグラフである。図21は、フィルム厚およびデバイス形状の関数としての細菌細胞培養のための酸素透過性要件のグラフである。両方の図において、平らな水平線はおそらく膜または薄層構築物物質の透過性に相当するが、対角線は、予想される最高および最低の酸素要求量に相当する。これらの図では、細胞密度nおよび比反応速度rは、最高値および最低値に設定し、そして分圧差(pin−pout)を0.05atmに設定した。次いで、必要な透過性は、dとチップ深度とカバーフィルムの厚みlの積で線形であった。 20 and 21 were then generated using equations 2-4. FIG. 20 is a graph of oxygen permeability requirements for bacterial cell culture as a function of film thickness and device shape. FIG. 21 is a graph of oxygen permeability requirements for bacterial cell culture as a function of film thickness and device shape. In both figures, a flat horizontal line probably corresponds to the permeability of the membrane or thin layer construct material, while the diagonal line corresponds to the highest and lowest oxygen demands expected. In these figures, the cell density n and the specific reaction rate r is set to high and low values, and partial pressure difference of (p in -p out) was set to 0.05 atm. The required permeability was then linear in the product of d, chip depth and cover film thickness l.

(実施例13)
本実施例は、溶液の濁度を決定する本発明の実施形態の使用を例示する。本実施例は一般に、比濁度法(一次ビームに対して90°で測定される光散乱)によって細菌細胞の細胞密度を測定する通常の操作に相当する。一般的には、Methods for General Bacteriology,P.Gerhardt編、1981 Washington D.C.p.197を参照のこと。
(Example 13)
This example illustrates the use of an embodiment of the invention to determine the turbidity of a solution. This example generally corresponds to the usual operation of measuring the cell density of bacterial cells by the turbidimetric method (light scattering measured at 90 ° to the primary beam). See, generally, Methods for General Bacteriology, P.M. Edited by Gerhardt, 1981 Washington D.C. C. p. See 197.

一体型の導波管を有するチップは以下のとおり構築した。チップの上層は、機械加工したアルミニウム鋳型を用いてポリジメチルシロキサン(PDMS,Sylgard 184,Dow Corning,Midland,MIを用いて調製しかつキャスティングした。   A chip having an integrated waveguide was constructed as follows. The top layer of the chip was prepared and cast using polydimethylsiloxane (PDMS, Sylgard 184, Dow Corning, Midland, MI) using a machined aluminum mold.

重合体の導波管の短い区画(500ミクロン平方、アクリル;South Coast Fiber,Alachua,FL)を、その一端がその鋳型の端に隣接して、他の端がその鋳型の端に延びるように、機械加工したアルミニウム鋳型に置いた。液体PDMSを鋳型に注いで、硬化させた。PDMSを90℃で20分間硬化させてチップ中に導波管を固定して、チップの端から所定の反応部位、チャンバへの光の通路を作成した。硬化したPDMS層を、平坦なポリスチレン底部層に固定して、完全なチップを形成した(PDMS層は自然にポリスチレン層に固定された)。チップの表面からのチャンバの深度は約1mmであった。   A short section of polymer waveguide (500 micron square, acrylic; South Coast Fiber, Alachua, FL), with one end adjacent to the mold end and the other end extending to the mold end. Placed in a machined aluminum mold. Liquid PDMS was poured into a mold and allowed to cure. PDMS was cured at 90 ° C. for 20 minutes, and the waveguide was fixed in the chip to create a light path from the end of the chip to a predetermined reaction site and chamber. The cured PDMS layer was fixed to a flat polystyrene bottom layer to form a complete chip (PDMS layer was naturally fixed to the polystyrene layer). The depth of the chamber from the surface of the chip was about 1 mm.

上記のチップに含まれる一連の濁った溶液から光散乱を測定した。図22に関して、ヘリウムネオンレーザーの出力(05−LHP−991,波長=632.8nm;Melles Griot Lasers,Carlsbad,CA)を導波管540の端に集束して、これが光を反応部位520に伝えた。検出器530は、コリメータレンズ(74−UV f/2レンズ;Ocean Optics,Dunedin,FL)、光ファイバー(P600−2,600ミクロンの直径;Ocean Optics)、および装着された分光光度計(USB−2000F;Ocean Optics)から構成された。検出角度は、導波管の軸から約90°であった。   Light scattering was measured from a series of turbid solutions contained in the chip. Referring to FIG. 22, the output of a helium neon laser (05-LHP-991, wavelength = 632.8 nm; Melles Griot Lasers, Carlsbad, Calif.) Is focused on the end of waveguide 540, which transmits the light to reaction site 520. It was. Detector 530 includes a collimator lens (74-UV f / 2 lens; Ocean Optics, Dunedin, FL), an optical fiber (P600-2, 600 micron diameter; Ocean Optics), and a mounted spectrophotometer (USB-2000F). ; Ocean Optics). The detection angle was about 90 ° from the waveguide axis.

632nmで0.05〜1.85におよぶ吸光度値を有する非乳成分クリーマー(Sugar Foods,New York,NY)の一連の濁った溶液を用いて反応部位を充填した。散乱光強度(632nm)対相対濃度のプロットを図23に示す。0.05〜0.5におよぶ光学密度値で溶液について線形の相関が観察された。高濃度では、散乱光の応答は非線形になった。   The reaction site was filled with a series of turbid solutions of non-dairy creamers (Sugar Foods, New York, NY) with absorbance values ranging from 0.05 to 1.85 at 632 nm. A plot of scattered light intensity (632 nm) versus relative concentration is shown in FIG. A linear correlation was observed for the solution with optical density values ranging from 0.05 to 0.5. At high concentrations, the response of scattered light was non-linear.

(実施例14)
本実施例は、本発明の実施形態による、光学的にアドレス可能な反応部位を実証する。
(Example 14)
This example demonstrates an optically addressable reaction site according to an embodiment of the present invention.

チップを実施例13における方法と同様の方法を用いて調製した。本実験で用いたチップは一般的に調製された。チップの表面から反応部位の距離は約200ミクロンであった。以下に考察されるように、図15に示されるのと同様の配置を用いて、光学密度を測定するためにチップを光学的にアドレスした。   A chip was prepared using a method similar to that in Example 13. The chips used in this experiment were generally prepared. The distance from the surface of the chip to the reaction site was about 200 microns. As discussed below, the chip was optically addressed to measure optical density using an arrangement similar to that shown in FIG.

光源(タングステンハロゲン、LH−1;Ocean Optics)を、コリメータレンズ(74−UV;Ocean Optics)で終わる光ファイバー(P100−2;Ocean Optics)に接続した(図15には示していない)。光ファイバーアセンブリは、光310を反応部位320に伝達した。サンプル325の濁度によって、ここで少なくとも部分的に減弱された、伝達された光315を、別のコリメータレンズ/ファイバーアセンブリ(示さず)を用いて集めて、次にこれを検出器330、コンピューター制御分光光度計330(USB−2000;Ocean Optics)に伝達した。光学密度を、OD=log(I/I)として算出した。 A light source (tungsten halogen, LH-1; Ocean Optics) was connected to an optical fiber (P100-2; Ocean Optics) ending with a collimator lens (74-UV; Ocean Optics) (not shown in FIG. 15). The fiber optic assembly transmitted light 310 to the reaction site 320. The transmitted light 315, now at least partially attenuated by the turbidity of sample 325, is collected using another collimator lens / fiber assembly (not shown), which is then detected by detector 330, computer Transmitted to a controlled spectrophotometer 330 (USB-2000; Ocean Optics). The optical density was calculated as OD = log (I / I 0 ).

細菌培養物(E.coli BL21を化学的に規定された培地w/グルコースに含む)の光学密度(「OD」)を、反応部位において13時間の増殖期間にわたってモニターした。本実験からの結果を図24に示すが、これは光ファイバー分光計によってモニターされる、チップの反応部位における30℃および37℃でのE.coli BL21の増殖を図示する。従って、これらのデータによって、本発明の反応を光学的にアドレスすることによる細胞増殖測定の妥当性が実証される。   The optical density (“OD”) of the bacterial culture (E. coli BL21 in chemically defined medium w / glucose) was monitored over a 13 hour growth period at the reaction site. The results from this experiment are shown in FIG. 24, which shows E. coli at 30 ° C. and 37 ° C. at the reaction site of the chip monitored by a fiber optic spectrometer. The growth of E. coli BL21 is illustrated. Thus, these data demonstrate the validity of cell proliferation measurements by optically addressing the reactions of the present invention.

(実施例15)
図25は、単一の反応部位(例えば、チャンバ)および種々のチャネルを有する平面固体基板の透視図である。平面基板は、2つの別々に成形されたシリコーンシート605および615を備える。本実施形態では、反応部位610ならびにチャネル640および650は、シリコーンシート605および615中に成形された要素を並列にすることによって形成される。
(Example 15)
FIG. 25 is a perspective view of a planar solid substrate having a single reaction site (eg, chamber) and various channels. The planar substrate comprises two separately molded silicone sheets 605 and 615. In this embodiment, reaction site 610 and channels 640 and 650 are formed by juxtaposing elements molded in silicone sheets 605 and 615.

図25のチャンバ610は、底部細胞培養部分620および上部リザーバ部分630を備える。底部細胞培養部分620は、この底部細胞培養部分620の反対の角に位置する2つの底部チャネル640と液体連絡される。上部リザーバ部分630は、この底部細胞培養部分630の反対の角に位置する2つの上部チャネル650と液体連絡される。上部リザーバ部分630およびその関連する上部チャネル650は、シリコーンシート605中に成形されるが、下部細胞培養部分620およびその関連する下部チャネル640は、下部シリコーンシート615中に成形される。上部リザーバ部分630および下部細胞培養部分620は、この上部シリコーンシート605と下部シリコーンシート615との間のチャンバ610を超えて延びる膜655によって隔てられる。膜は本実施例では、哺乳動物細胞に対して実質的に不浸透性であるが、タンパク質、低分子などに対しては浸透性である。当然ながら、他の実施形態では、他の不浸透性または半浸透性の膜、例えば、湿度制御膜が用いられてもよい。   The chamber 610 of FIG. 25 includes a bottom cell culture portion 620 and an upper reservoir portion 630. The bottom cell culture portion 620 is in fluid communication with two bottom channels 640 located at opposite corners of the bottom cell culture portion 620. The upper reservoir portion 630 is in fluid communication with two upper channels 650 located at opposite corners of this bottom cell culture portion 630. The upper reservoir portion 630 and its associated upper channel 650 are molded into the silicone sheet 605 while the lower cell culture portion 620 and its associated lower channel 640 are molded into the lower silicone sheet 615. The upper reservoir portion 630 and the lower cell culture portion 620 are separated by a membrane 655 that extends beyond the chamber 610 between the upper silicone sheet 605 and the lower silicone sheet 615. In this example, the membrane is substantially impermeable to mammalian cells, but is permeable to proteins, small molecules, and the like. Of course, in other embodiments, other impermeable or semi-permeable membranes such as humidity control membranes may be used.

図25では、上部チャネル650の各々は、上部シリコーンシート615を完全に通過する上部ポート665で終わる。この配置によって、上部ポートを、この上部シリコーンシートの上面に接続されるさらなるチャネル、供給チャンバ、廃棄チャンバ、生成チャンバなどに接続することが可能になる。当然ながら、上部チャネルに対するアクセスは、他の方法で得ることができる。   In FIG. 25, each of the upper channels 650 terminates in an upper port 665 that passes completely through the upper silicone sheet 615. This arrangement allows the upper port to be connected to additional channels, supply chambers, waste chambers, production chambers, etc. connected to the upper surface of the upper silicone sheet. Of course, access to the upper channel can be obtained in other ways.

図25では、底部チャネル640の各々は、下部シリコーンシート605を上に通過する下部ポート660で終わる。各々の下部ポート660は、上部シリコーンシート615における開口670と並べられる。この配置によって、各々の下部ポートに対して上部シリコーンシート615を通じてアクセスすることが可能になり、そして各々の下部ポートを、この上部シリコーンシートの上面に接続されるさらなるチャネル、供給チャンバ、廃棄チャンバ、生成チャンバなどに接続することが可能になる。当然ながら、下部チャネルに対するアクセスは、他の方法で得ることができる。   In FIG. 25, each of the bottom channels 640 terminates in a lower port 660 that passes up the lower silicone sheet 605. Each lower port 660 is aligned with an opening 670 in the upper silicone sheet 615. This arrangement allows access to each lower port through the upper silicone sheet 615, and each lower port is connected to an upper surface of the upper silicone sheet, a further channel, a supply chamber, a waste chamber, It becomes possible to connect to a production chamber or the like. Of course, access to the lower channel can be obtained in other ways.

上述のように、チャンバおよびそれに伴うチャネルの上部リザーバ部分は、上部シリコーンシート中に直接成形したが、チャンバの底部細胞培養部分およびその関連のチャネルは、底部シリコーンシート中に別々に成形する。これによって、図25に示されるような装置のアセンブリの前に、各々のシリコーンシートは、チャンバの開放された上部または下部およびいくつかの開放チャネルを備える。完全に閉鎖された2部のチャンバおよび閉鎖されたチャネルは、反対側の上部と下部のシリコーンシートの間に選択的に透過性の膜をサンドイッチすることによって形成される。図25の実施形態では、底部シリコーンシートは開放した上部チャネルを閉鎖するように機能して、上部シリコーンシートは開放した下部チャネルを閉鎖するように機能する。図25に示されるように、膜は、それが上部と下部のシリコーンシートの間になるように、チャンバの壁を越えて延びてもよい。2つのシリコーンシートを、任意の簡便な固定を用いて一緒に保持する。   As described above, the chamber and the accompanying upper reservoir portion of the channel are molded directly into the top silicone sheet, while the bottom cell culture portion of the chamber and its associated channel are molded separately into the bottom silicone sheet. Thus, prior to assembly of the device as shown in FIG. 25, each silicone sheet comprises an open top or bottom of the chamber and several open channels. A fully closed two-part chamber and a closed channel are formed by sandwiching a selectively permeable membrane between opposite top and bottom silicone sheets. In the embodiment of FIG. 25, the bottom silicone sheet functions to close the open top channel and the top silicone sheet functions to close the open bottom channel. As shown in FIG. 25, the membrane may extend beyond the walls of the chamber so that it is between the upper and lower silicone sheets. The two silicone sheets are held together using any convenient fixation.

チャンバとチャネルの一部を成形するシリコーンは、十分にガス透過性であって、デバイスのチャンバにおける好気性細胞の増殖のための十分なガス交換を提供する。   The silicone that forms the chamber and part of the channel is sufficiently gas permeable and provides sufficient gas exchange for the growth of aerobic cells in the chamber of the device.

図26Aは、底部シリコーンシート605の平面図であって、これは、チャンバの底部細胞培養部分620と、それにつながるチャネル640および底部ポート660を示す。底部細胞培養部分620の壁680は、急激な移行および角を欠く。これによって、底部細胞培養部分に導入された物質の完全な混合および分散が促進される。   FIG. 26A is a plan view of the bottom silicone sheet 605 showing the bottom cell culture portion 620 of the chamber and the channel 640 and bottom port 660 leading to it. The wall 680 of the bottom cell culture portion 620 lacks abrupt transitions and corners. This facilitates complete mixing and dispersion of the substance introduced into the bottom cell culture part.

図26Bは、図2におけるA−A’に沿う底部シリコーンシート605の断面である。底部細胞培養部分620の基部690は、実質的に平面であって、底部細胞培養部分620の壁680に垂直である。本実施形態では、基部690は、壁680に合致するように穏やかに上向きに曲がる。本実施例では、先鋭な角がないことによって、底部細胞培養部分620における物質の完全な混合および分散が促進される。   26B is a cross section of the bottom silicone sheet 605 along A-A ′ in FIG. 2. The base 690 of the bottom cell culture portion 620 is substantially planar and perpendicular to the wall 680 of the bottom cell culture portion 620. In this embodiment, the base 690 bends gently upward to match the wall 680. In this example, the absence of sharp corners facilitates complete mixing and dispersion of materials in the bottom cell culture portion 620.

図26Cは、上部シリコーンシート615の平面図であって、これは、チャンバの上部リザーバ部分630と、それにつながるチャネル650を示し、その両方が上部ポート665で終わり、これによって上部シリコーンシート615から上部チャネルへのアクセスが得られる。上部リザーバ部分630の壁695は、本実施例では急激な移行および角を欠く。これによって、上部リザーバ部分630に導入された物質の完全な混合および分散が促進される。このアセンブルされたデバイスでは、上部シリコーンシート615における通路670を、底部ポート底部シリコーンシートと配列させて、これによって上部シリコーンシートを通じた底部チャネルへのアクセスが可能になる。   FIG. 26C is a plan view of the upper silicone sheet 615, showing the upper reservoir portion 630 of the chamber and the channel 650 leading to it, both of which end at the upper port 665, thereby removing the upper silicone sheet 615 from the top. Access to the channel is gained. The wall 695 of the upper reservoir portion 630 lacks abrupt transitions and corners in this example. This facilitates complete mixing and dispersion of the substance introduced into the upper reservoir portion 630. In this assembled device, the passage 670 in the top silicone sheet 615 is aligned with the bottom port bottom silicone sheet, thereby allowing access to the bottom channel through the top silicone sheet.

図26Dは、図26CにおけるB−B’に沿う上部シリコーンシート615の断面である。この図でわかるように、通路670によって、上部シリコーンシート615を通る開口が得られる。この開口は、この上部シリコーンシートおよび底部シリコーンシートが結合されて完全なチャンバが形成される場合、底部ポートの1つと配列される。上部ポート665を、上部シリコーンシート615中に形成して、上部チャネルへのアクセスを得る。   FIG. 26D is a cross section of the upper silicone sheet 615 along B-B ′ in FIG. 26C. As can be seen in this figure, the passage 670 provides an opening through the top silicone sheet 615. This opening is aligned with one of the bottom ports when the top and bottom silicone sheets are joined to form a complete chamber. An upper port 665 is formed in the upper silicone sheet 615 to gain access to the upper channel.

図26Eは、チャネルをともなうチャンバの上部リザーバ部分の透視図である。上部リザーバ部分620およびそれに伴うチャネル650は、上部シリコーン615中に成形される。上部リザーバ620の基部628は、本実施例において平面である。本実施形態では、上部リザーバ部分618の壁は、上部の基部628に対して垂直である。基部628は上部における物質の混合および分散を促進するために、壁618に合致するように穏やかに上向きに曲がる。チャネル650の末端に位置する上部ポート665によって、チャネルへの物質の導入が可能になる。上部シリコーンシート615は、2つの通路670を備えて、これによって、上部シリコーンシートおよび底部シリコーンシートが結合されて完全なチャンバが形成される場合、底部ポートへのアクセスが可能になる。   FIG. 26E is a perspective view of the upper reservoir portion of the chamber with the channel. Upper reservoir portion 620 and associated channel 650 are molded into upper silicone 615. The base 628 of the upper reservoir 620 is planar in this embodiment. In this embodiment, the wall of the upper reservoir portion 618 is perpendicular to the upper base 628. Base 628 bends gently upward to conform to wall 618 to facilitate mixing and dispersion of material at the top. An upper port 665 located at the end of the channel 650 allows for the introduction of material into the channel. The top silicone sheet 615 includes two passages 670 that allow access to the bottom port when the top and bottom silicone sheets are combined to form a complete chamber.

(実施例16)
本実施例では、3つの層を用いてデバイスを製造した。本実施形態では、底部層は固体スラブである。この中間層は、その中に成形された膜を有し、この膜が、両方とも中間層に成形される底部細胞培養部分から上部リザーバ部分を隔てる。上部リザーバ部分および上部マイクロチャネルは、中間層の上面中に成形されて、底部細胞培養部分および底部マイクロチャネルは、中間層の下面中に成形される。中間層を通じる開口によって、底部マイクロチャネルへのアクセスが可能になる。頂部層は、4つのマイクロチャネルについてのポートとして機能するようにそれを通じる4つの開口を有する。頂部層は、全てのポートに対するアクセスを可能にしたままで、上部リザーバ部分およびそれに伴うマイクロチャネルを密閉するように機能する。底部層は、底部細胞培養部分およびそれに伴うマイクロチャネルを密閉するように機能する。
(Example 16)
In this example, a device was manufactured using three layers. In this embodiment, the bottom layer is a solid slab. The intermediate layer has a membrane molded therein that separates the upper reservoir portion from the bottom cell culture portion both molded into the intermediate layer. The upper reservoir portion and the upper microchannel are molded into the upper surface of the intermediate layer, and the bottom cell culture portion and the lower microchannel are molded into the lower surface of the intermediate layer. An opening through the intermediate layer allows access to the bottom microchannel. The top layer has four openings therethrough to serve as ports for the four microchannels. The top layer functions to seal the upper reservoir portion and its associated microchannels while still allowing access to all ports. The bottom layer functions to seal the bottom cell culture portion and the accompanying microchannels.

(実施例17)
この予言的な実施例では、本発明の流体通路デバイスを用いて、細菌の発酵に対する化学因子Aの効果を試験する。各々が単一のチャンバを有し、これが細胞培養部分およびリザーバ部分を有する12の流体経路を平行に並べる。この流体経路は、滅菌されており、そして無菌の増殖培地を、液体送達システムを通して各々の細胞培養部分にポンピングする。6つの液体流路のリザーバ部分は、液体送達システムを通じて、化学因子Aおよび増殖培地の測定されたアリコートを受容し、そして残りの6つは増殖培地のみを受容する。各々の場合について6つの流体経路を有することによって、統計学的目的のための冗長性の測定が得られる。12の流体経路の各々の細胞培養部分に、ある容積の濃縮された細胞を接種するが、この容積は細胞培養部分の約1/20〜1/10容積である。この流体通路における適切なセンサーの使用を通じて、pH、溶存酸素濃度、および細胞密度を測定することによって12の流体通路の各々において、微生物の増殖をモニターする。流体通路熱交換器、化学物質の添加および気流速度、この流体通路は、それぞれ、温度、pHおよび溶存酸素濃度を制御し得る。細胞が定常相に達する場合、この平均細胞増殖速度および平均最終細胞濃度を、化学因子Aを用いて6つの流体経路について、そしてこの因子なしで6つの流体経路について算出する。これらの平均を比較することによって、化学因子Aは、細胞増殖を増強して、有意な影響を有さず、または細胞増殖を邪魔するということができる。
(Example 17)
In this prophetic example, the fluid pathway device of the present invention is used to test the effect of chemical factor A on bacterial fermentation. Each has a single chamber, which juxtaposes 12 fluid paths with cell culture and reservoir portions in parallel. This fluid pathway is sterile and pumps sterile growth medium through the liquid delivery system to each cell culture portion. The reservoir portion of the six liquid channels receives a measured aliquot of chemical factor A and growth medium through the liquid delivery system, and the remaining six receive only the growth medium. By having six fluid paths for each case, a redundancy measure for statistical purposes is obtained. A cell culture portion of each of the 12 fluid pathways is inoculated with a volume of concentrated cells, which is about 1/20 to 1/10 volume of the cell culture portion. Through the use of appropriate sensors in this fluid path, microbial growth is monitored in each of the 12 fluid paths by measuring pH, dissolved oxygen concentration, and cell density. Fluid path heat exchanger, chemical addition and air flow rate, this fluid path may control temperature, pH and dissolved oxygen concentration, respectively. When the cells reach the stationary phase, the average cell growth rate and average final cell concentration are calculated for the six fluid pathways with chemical factor A and for the six fluid pathways without this factor. By comparing these averages, it can be said that chemical factor A enhances cell growth, has no significant effect, or interferes with cell growth.

(実施例18)
この予言的な実施例では、本発明の流体通路デバイスを用いて、ヒトまたは哺乳動物で見出される環境によく似ている、細胞または組織を増殖させる環境を提供する。薬物スクリーニングに関して、流体経路デバイスは、薬物候補に対する細胞の応答をモニターできる。これらの応答としては、細胞増殖速度、細胞代謝変化、細胞生理学的変化、または生物学的分子の取り込みもしくは放出の変化における増大または減少を挙げることができる。多くの流体経路を平行に操作することで、種々の細胞株を試験してもよく、これとともに複数の薬物候補物または種々の薬物の組み合わせをスクリーニングする。流体通路のアレイをモニターおよび制御するために必要な電子機器およびソフトウェアを組み込むことによって、スクリーニングプロセスは自動化され得る。
(Example 18)
In this prophetic example, the fluid pathway device of the present invention is used to provide an environment for growing cells or tissues that mimics the environment found in humans or mammals. For drug screening, the fluid pathway device can monitor the response of cells to drug candidates. These responses can include an increase or decrease in cell growth rate, cell metabolic changes, cell physiological changes, or changes in the uptake or release of biological molecules. By manipulating many fluid pathways in parallel, different cell lines may be tested, along with screening multiple drug candidates or combinations of different drugs. By incorporating the necessary electronics and software to monitor and control the array of fluid passages, the screening process can be automated.

細胞培養部分およびリザーバー部分に分割された単一のチャンバを各々が含む20の流体通路を無菌化する。無菌の動物細胞培地を、液体送達システムを通じてチャンバの各々の細胞培養部分にポンピングする。次いで、各々の流体通路に治療タンパク質を生成するように遺伝子操作されている哺乳動物細胞を接種する。この細胞を、その増殖および環境を流体経路におけるセンサーによってモニターしながら、ほぼ産生段階まで増殖させる。温度、pHおよび気流速度の制御を通じて、流体通路は、細胞の増殖のための最適な環境を維持することができる。一端産生段階になれば、この流体通路は5つのうち4つの群に分けられる。この4つの群のうちの3つは、治療タンパク質の誘導因子の種々のカクテルを受容するが、4番目の群は、コントロールとして機能し、従って誘導因子を受容しない。この誘導因子および制御サンプルは、液体送達システムを通じてチャンバのリザーバ部分に導入される。治療タンパク質と結合するマーカー化合物を、誘導因子とともに導入する。この培養物が、結合したマーカー化合物を励起する波長の光で照射される場合、この化合物、ひいては蛍光、および蛍光の強度は培養物における治療タンパク質の濃度に比例する。照射光および蛍光シグナルの両方が、液体チャンバをカバーする検出ウインドウを通過する。蛍光シグナルは、流体通路の外側の光検出器によって拾い上げられる。治療タンパク質の産生を4つの群の各々についてモニターして、産生の終わりに、平均産生速度および平均総産生を各々の群について算出することができる。次いで、4つの群の間の産生の比較によって、タンパク質産生に対する種々の誘導因子の有効性を決定することができる。   20 fluid passages each containing a single chamber divided into a cell culture portion and a reservoir portion are sterilized. Sterile animal cell culture medium is pumped through the liquid delivery system into each cell culture portion of the chamber. Each fluid passage is then inoculated with mammalian cells that have been genetically engineered to produce a therapeutic protein. The cells are allowed to grow to the production stage, with their growth and environment monitored by sensors in the fluid pathway. Through control of temperature, pH, and airflow rate, the fluid pathway can maintain an optimal environment for cell growth. Once in the production stage, the fluid passages are divided into four groups out of five. Three of the four groups receive various cocktails of therapeutic protein inducers, while the fourth group serves as a control and therefore does not accept inducers. This inducer and control sample are introduced into the reservoir portion of the chamber through a liquid delivery system. A marker compound that binds to the therapeutic protein is introduced along with the inducer. When the culture is irradiated with light of a wavelength that excites the bound marker compound, the compound, and thus fluorescence, and the intensity of fluorescence are proportional to the concentration of the therapeutic protein in the culture. Both the illumination light and the fluorescent signal pass through a detection window that covers the liquid chamber. The fluorescent signal is picked up by a photodetector outside the fluid passage. The production of therapeutic protein can be monitored for each of the four groups, and at the end of production, the average production rate and average total production can be calculated for each group. A comparison of the production between the four groups can then determine the effectiveness of the various inducers on protein production.

(実施例19)
この予言的な実施例では、流体通路デバイスを吸着アッセイにおいて用いて、例えば、腸における薬物および他の因子の吸着をモデル化する。例えば、流体通路デバイスは、3.0、2.0または1.0ミクロンの細孔サイズを有するポリカーボネートの膜によって2つの部分に分割されたチャンバを備えてもよい。Caco−2(結腸直腸癌細胞)を、それが分化されるまで、チャンバの第一の部分内の膜の1表面において増殖させる。薬物または他の因子を、細胞を含むチャンバの一部に導入する。チャンバの第二の部分への細胞層を通じた薬物または他の因子の通過をモニターする。
(Example 19)
In this prophetic example, a fluid pathway device is used in an adsorption assay to model, for example, the adsorption of drugs and other factors in the intestine. For example, the fluid path device may comprise a chamber divided into two parts by a polycarbonate membrane having a pore size of 3.0, 2.0 or 1.0 microns. Caco-2 (colorectal cancer cells) is grown on one surface of the membrane in the first part of the chamber until it is differentiated. Drugs or other factors are introduced into the portion of the chamber that contains the cells. Monitor the passage of drugs or other factors through the cell layer to the second part of the chamber.

同様の配置を、細胞遊走アッセイについて用いてもよい。このようなアッセイでは、5.0〜12.0ミクロンの細孔サイズを有する膜を用いる。   Similar arrangements may be used for cell migration assays. Such an assay uses a membrane having a pore size of 5.0-12.0 microns.

(実施例20)
多数の標的タンパク質の有用な量を、この予言的な実施例に従って生成する。
(Example 20)
Useful amounts of multiple target proteins are generated according to this prophetic example.

1つ以上の細胞増殖チャンバを含む微細加工されたバイオリアクターを滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通して各々の増殖チャンバ中にポンピングする。便宜上、このバイオリアクターは、例えば、96ウェルのプレートのウェルと同じ方式で配置された96個の細胞増殖チャンバを備えてもよい。各々のチャンバは、哺乳動物細胞のアリコートおよび目的のタンパク質をコードするDNAのアリコート、ならびに必要に応じて1つ以上の選択性マーカーを受容する。リン酸カルシウムトランスフェクションまたは他の技術によって、添加されたDNAを用いて細胞をトランスフェクトする。   A microfabricated bioreactor containing one or more cell growth chambers is sterilized and a sterile growth medium is pumped into each growth chamber through a liquid delivery system. For convenience, the bioreactor may comprise, for example, 96 cell growth chambers arranged in the same manner as the wells of a 96 well plate. Each chamber receives an aliquot of mammalian cells and an aliquot of DNA encoding the protein of interest, and optionally one or more selectable markers. Cells are transfected with the added DNA by calcium phosphate transfection or other techniques.

トランスフェクションの終了後、各々のチャンバは、目的の種々のタンパク質を発現する細胞を含む。有用な量の目的のタンパク質を生成するために細胞を培養して、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   After completion of transfection, each chamber contains cells that express various proteins of interest. Cells may be cultured to produce a useful amount of the protein of interest, and then this protein may be recovered and analyzed, or analyzed through the microchannel and using the microreactor system described above. May be.

代替法として、増殖チャンバへの導入の前に、細胞を目的のDNA分子でトランスフェクトしてもよい。   Alternatively, the cells may be transfected with the DNA molecule of interest prior to introduction into the growth chamber.

(実施例21)
有用な量の多数の標的タンパク質を、この予言的実施例に従って産生する。
(Example 21)
Useful amounts of a large number of target proteins are produced according to this prophetic example.

1つ以上の細胞増殖チャンバを含む微細加工されたバイオリアクターを、滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通じて各々の増殖チャンバ中にポンピングする。各々のチャンバは、哺乳動物細胞のアリコートおよび目的のタンパク質をコードするDNA分子の混合物のアリコート、ならびに必要に応じて1つ以上の選択性マーカーを受容する。リン酸カルシウムトランスフェクションまたはいくつかの他の技術によって、添加されたDNAを用いて細胞をトランスフェクトする。   A microfabricated bioreactor containing one or more cell growth chambers is sterilized and a sterile growth medium is pumped into each growth chamber through a liquid delivery system. Each chamber receives an aliquot of mammalian cells and an aliquot of a mixture of DNA molecules encoding the protein of interest, and optionally one or more selectable markers. Cells are transfected with the added DNA by calcium phosphate transfection or some other technique.

トランスフェクションの終了後、各々のチャンバは、目的の種々のタンパク質の1つ以上を発現する細胞を含む。有用な量の目的のタンパク質を生成するために細胞を培養して、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   After completion of transfection, each chamber contains cells that express one or more of the various proteins of interest. Cells may be cultured to produce a useful amount of the protein of interest, and then this protein may be recovered and analyzed, or analyzed through the microchannel and using the microreactor system described above. May be.

(実施例22)
この予言的実施例では、有用な量の多数の標的タンパク質を、以下のように産生する。
(Example 22)
In this prophetic example, useful quantities of a large number of target proteins are produced as follows.

微細加工されたバイオリアクターを、滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通じて各々の増殖チャンバ中にポンピングする。各々のチャンバは、哺乳動物細胞のアリコートを受容する。種々の因子を各々のチャンバに添加するか、または各々のチャンバを種々の条件下でインキュベートする。種々の処置の結果として、各々のチャンバにおける細胞は可能性として、種々の群のタンパク質を産生する。   The microfabricated bioreactor is sterilized and a sterile growth medium is pumped through the liquid delivery system into each growth chamber. Each chamber receives an aliquot of mammalian cells. Different factors are added to each chamber or each chamber is incubated under different conditions. As a result of different treatments, the cells in each chamber potentially produce different groups of proteins.

有用な量の目的のタンパク質を生成するために細胞を培養して、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   Cells may be cultured to produce a useful amount of the protein of interest, and then this protein may be recovered and analyzed, or analyzed through the microchannel and using the microreactor system described above. May be.

(実施例23)
この予言的実施例では、有用な量の多数の標的タンパク質を、以下のように産生する。
(Example 23)
In this prophetic example, useful quantities of a large number of target proteins are produced as follows.

1つ以上の細胞増殖チャンバを含む微細加工されたバイオリアクターを、滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通じて各々の増殖チャンバ中にポンピングする。各々のチャンバは、哺乳動物細胞のアリコートおよび目的のタンパク質をコードするDNAまたはDNAの混合物のアリコート、ならびに必要に応じて1つ以上の選択性マーカーを受容する。リン酸カルシウムトランスフェクションまたはいくつかの他の技術によって、添加されたDNAを用いて細胞をトランスフェクトする。   A microfabricated bioreactor containing one or more cell growth chambers is sterilized and a sterile growth medium is pumped into each growth chamber through a liquid delivery system. Each chamber receives an aliquot of mammalian cells and an aliquot of DNA or a mixture of DNA encoding the protein of interest, and optionally one or more selectable markers. Cells are transfected with the added DNA by calcium phosphate transfection or some other technique.

トランスフェクションの終了後、各々のチャンバの細胞を、イオン化照射、紫外線光、または他の物理的、化学的または生物学的変異原性因子の作用によって遺伝子変異させる。遺伝子変異後に、各々のチャンバは、目的の種々のタンパク質の1つ以上を、潜在的に種々の速度でかつ種々の遺伝子発現プロフィールの下で発現する細胞を含む。有用な量の目的のタンパク質を生成するためにこの細胞を培養して、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   After completion of transfection, the cells in each chamber are genetically mutated by the action of ionizing radiation, ultraviolet light, or other physical, chemical or biological mutagens. After gene mutation, each chamber contains cells that express one or more of the various proteins of interest, potentially at various rates and under various gene expression profiles. The cells can be cultured to produce a useful amount of the protein of interest, and then the protein can be collected and analyzed, or analyzed through the microchannel and through the microreactor system described above. May be.

(実施例24)
有用な量の多数の標的タンパク質をまた、この予言的実施例に従って産生してもよい。
(Example 24)
Useful amounts of multiple target proteins may also be produced according to this prophetic example.

1つ以上の細胞増殖チャンバを含む微細加工されたバイオリアクターを、滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通じて各々の増殖チャンバ中にポンピングする。各々のチャンバは、細菌または真菌細胞のアリコートおよび遺伝的ベクター内に目的のタンパク質をコードするDNA分子の混合物のアリコートを受容する。   A microfabricated bioreactor containing one or more cell growth chambers is sterilized and a sterile growth medium is pumped into each growth chamber through a liquid delivery system. Each chamber receives an aliquot of bacterial or fungal cells and an aliquot of a mixture of DNA molecules encoding the protein of interest within a genetic vector.

細胞の遺伝子改変が終了した後、各々のチャンバは、目的の種々のタンパク質の1つ以上を発現する細胞を含む。有用な量の目的のタンパク質を生成するために細胞を培養して、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   After the cellular genetic modification is complete, each chamber contains cells that express one or more of the various proteins of interest. Cells may be cultured to produce a useful amount of the protein of interest, and then this protein may be recovered and analyzed, or analyzed through the microchannel and using the microreactor system described above. May be.

(実施例25)
この予言的実施例では、有用な量の多数の標的タンパク質を、以下のように産生してもよい。
(Example 25)
In this prophetic example, a useful amount of multiple target proteins may be produced as follows.

1つ以上の細胞増殖チャンバを含む微細加工されたバイオリアクターを滅菌して、滅菌増殖培地を、液体送達システムを通じて各々の増殖チャンバ中にポンピングする。各々のチャンバに、目的の表現型を示す組織サンプルを移植する。   A microfabricated bioreactor containing one or more cell growth chambers is sterilized and a sterile growth medium is pumped into each growth chamber through a liquid delivery system. Each chamber is implanted with a tissue sample exhibiting the desired phenotype.

有用な量の目的のタンパク質を生成するために組織サンプルをインキュベートして、次いで、このタンパク質を回収して解析してもよいし、またはマイクロチャネルを通過させて上記のマイクロリアクターシステムを用いて解析してもよい。   The tissue sample can be incubated to produce a useful amount of the protein of interest, and then this protein can be collected and analyzed, or analyzed through the microchannel and using the microreactor system described above. May be.

(実施例26)
本実施例は、本発明の特定の実施形態の構築物を例示する。
(Example 26)
This example illustrates the construction of a specific embodiment of the present invention.

図27Aは、本発明の方法において有用な微細加工されたバイオリアクターデバイスの細胞増殖チャンバの断面図を示す。細胞増殖チャンバ710は、約7mmの直径および約0.1mmの高さで総容積3.85μlを有する円柱である。このチャンバは3つのマイクロチャネルに液体接続される。第一のマイクロチャネル720は、0.44mm幅×0.1mm深度であり、液体インレットとして機能する。第二のマイクロチャネル730は、同様の寸法を有して、液体アウトレットとして機能する。第三のマイクロチャネル740は、0.2mm幅×0.1mm深度である。このマイクロチャネルを用いて、チャンバ内に細胞または任意の所望の物質を導入することができる。3つのマイクロチャネルおよび細胞増殖チャンバを、固体支持体物質にエッチングする。   FIG. 27A shows a cross-sectional view of a cell growth chamber of a microfabricated bioreactor device useful in the methods of the present invention. The cell growth chamber 710 is a cylinder having a total volume of 3.85 μl with a diameter of about 7 mm and a height of about 0.1 mm. This chamber is liquid connected to three microchannels. The first microchannel 720 is 0.44 mm wide × 0.1 mm deep and functions as a liquid inlet. The second microchannel 730 has similar dimensions and functions as a liquid outlet. The third microchannel 740 is 0.2 mm wide × 0.1 mm deep. This microchannel can be used to introduce cells or any desired substance into the chamber. Three microchannels and a cell growth chamber are etched into the solid support material.

図27Bは、細胞増殖チャンバに結合しているガスのヘッドスペース部分の断面図を示す。これによって、微細加工されたバイオリアクターを通じた空気の連続的な供給が可能になる。約7mmの直径および約0.05mmの高さである円柱状チャンバ750を、両方とも約0.05mm幅×約0.05mm深度であるガスインレットマイクロチャネル760およびガスアウトレットマイクロチャネル770に沿ってガラスにエッチングする。ガスヘッドスペース部分の円柱状チャンバを、細胞増殖チャンバにわたってマッチングさせる。次いで、二等分を一緒に結合させてこれによって緊密な密閉を作製してもよい。   FIG. 27B shows a cross-sectional view of the headspace portion of gas coupled to the cell growth chamber. This allows a continuous supply of air through the microfabricated bioreactor. A cylindrical chamber 750 having a diameter of about 7 mm and a height of about 0.05 mm is glassed along a gas inlet microchannel 760 and a gas outlet microchannel 770 that are both about 0.05 mm wide by about 0.05 mm deep. Etch into. A cylindrical chamber in the gas headspace portion is matched across the cell growth chamber. The halves may then be joined together, thereby creating a tight seal.

本実施例において、ガスヘッドスペースを通じた気体流動が細胞増殖チャンバにおける液体を除去することを妨げるために、液体充填バイオリアクターからガスヘッドスペースを隔てるように膜を配置してもよい。この膜は水の通過を遅らせて、空気の通過を可能にする。種々のマイクロチャネルを供給ユニットまたは廃棄ユニットに接続する。これらのユニットおよび混合デバイス、制御バルブ、ポンプ、センサーおよびモニタリングデバイスを基板中に組み込んでもよく、ここに細胞増殖チャンバが構築されるか、または外部に設けられ得る。全体的アセンブリを、熱交換器の上か下において(または2つの熱交換器の間にサンドイッチして)、このユニットの温度を制御してもよい。   In this example, a membrane may be positioned to separate the gas headspace from the liquid-filled bioreactor to prevent gas flow through the gas headspace from removing liquid in the cell growth chamber. This membrane delays the passage of water and allows the passage of air. Various microchannels are connected to the supply unit or the waste unit. These units and mixing devices, control valves, pumps, sensors and monitoring devices may be incorporated into the substrate, where the cell growth chamber can be built or provided externally. The entire assembly may be controlled above or below the heat exchanger (or sandwiched between two heat exchangers) to control the temperature of this unit.

この特定の実施例において、チャンバおよびマイクロチャネルの一部が成形されるシリコーンは、デバイスのチャンバにおける好気性細胞の増殖のために十分なガス交換器を提供するのに十分にガス透過性である。   In this particular embodiment, the silicone from which the chamber and part of the microchannel are molded is sufficiently gas permeable to provide a sufficient gas exchanger for the growth of aerobic cells in the device chamber. .

本発明のいくつかの実施形態は、本明細書に記載されるかまたは図示されているが、当業者は、本明細書に記載される、機能を実施するため、および/または結果もしくは利点を得るために種々の他の手段および構築物を容易に構想し、そしてこのようなバリエーションまたは改変の各々が、本発明の範囲内であると判断される。さらに一般的には、当業者は、本明細書に記載される全てのパラメーター、寸法、物質および構成が、例示的であることを意味するということ、ならびに実際のパラメーター、寸法、物質および構成が、本明細書の教示が用いられる特定の適用に依存するということ容易に理解する。当業者は、慣用的な実験以下を用いて、本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの等価物を認識するかまたは確認することができる。従って、前述の実施形態は例にしか過ぎないということ、ならびに添付の特許請求の範囲内およびそれに対する等価物の範囲内で、本発明は、別に詳細に記載されるよりも実施できるということが理解されるべきである。本発明は、本明細書に記載される各々の個々の特徴、システム、物質および/または方法に関する。さらに、2つ以上のこのような特徴、システム、物質および/または方法の任意の組み合わせが、このような特徴、システム、物質および/または方法が、双方で矛盾しない場合、本発明の範囲内に包含される。   Although some embodiments of the present invention are described or illustrated herein, one of ordinary skill in the art will appreciate that the functions described and / or results or advantages described herein may be implemented. Various other means and constructs are readily envisioned to obtain and each such variation or modification is deemed to be within the scope of the invention. More generally, one skilled in the art will mean that all parameters, dimensions, materials and configurations described herein are meant to be exemplary, and that the actual parameters, dimensions, materials and configurations are It will be readily understood that the teachings herein depend on the particular application in which they are used. Those skilled in the art will recognize, or be able to ascertain using no more than routine experimentation, many equivalents to the specific embodiments of the invention described herein. Accordingly, it is to be understood that the foregoing embodiments are merely examples, and that the invention can be practiced otherwise than as specifically described within the scope of the appended claims and the equivalents thereto. Should be understood. The present invention is directed to each individual feature, system, material and / or method described herein. Further, any combination of two or more such features, systems, materials and / or methods is within the scope of the invention if such features, systems, materials and / or methods are consistent with each other. Is included.

特許請求の範囲において(および上記の本明細書において)、「含む、包含する(comprising)」、「含む、〜が挙げられる(including)」、「担持する(carrying)」、「有する(having)」、「含む、含有する(containing)」、「関する、包含する(involving)」などのような全ての暫定的な句は、制約がない、すなわち、〜を含むがそれらに限定されないということを意味することが理解されるべきである。「〜からなる(consisting of)」および「本質的に〜からなる(consisting essentially of)」という暫定的な句のみは、米国特許商標庁の特許審査指針の第2111.03節(United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedure,Section 2111.03)に記載されるように、それぞれ、閉じた、または半分閉じた移行性の句である。   In the claims (and herein above), “comprising,” “including,” “carrying,” “having”. All provisional phrases such as “including”, “containing”, “related, involving”, etc. are unconstrained, ie, including but not limited to. It should be understood to mean. Only the provisional phrases “consisting of” and “consisting essentially of” are the only terms in the United States Patent and Trademark Office Patent Examination Guidelines, Section 2111.03 (United States Patent Office). Manual of Patent Exchanging Procedure, Section 2111.03), respectively, are closed or semi-closed transitional phrases.

本発明の非限定的な実施形態は、一例として、模式的であって、縮尺については記載することを意図してない、添付の図面を参照して記載される。この図面では、各々の同一であるかまたはほぼ同一の図示された成分は代表的には単一の数字によって示される。簡単にする目的で、あらゆる構成要素をあらゆる図面には示してはおらず、示されるのは本発明の各々の実施形態のあらゆる構成要素でもなく、この図示は当業者に本発明を理解させるのに必要ではない。この図面においては:
図1は、本発明の1つの実施形態を図示する。 図2は、混合、加熱/分散、反応および分離のユニットを備える、本発明とともに使用するための微小流体チップの例を拡大図で図示する。 図3A〜図3Cは、本発明のチップの種々のストック可能な構成を図示する。 図4A〜図4Cは、特定の実施形態における、本発明とともに使用するための種々のエネルギー検出器を図示する。 図5Aおよび図5Bは、複数の層を有する、本発明の1つの実施形態によるデバイスを図示する。 図6は、本発明の制御システムの例のブロック図である。 図7Aおよび図7Bは、分散ユニットを有する本発明の別の実施形態によるデバイスを図示する。 図8Aおよび図8Bは、レーザーを用いて応答を生じる、本発明の別の実施形態によるデバイスを図示する。 図9Aおよび図9Bは、本発明の特定の実施形態の断面図である。 図10A〜図10Dは、種々の反応部位と液体連絡している本発明の特定の膜を図示する。 図11は、本発明の1つの実施形態における薄層上の酸素浸透の依存性の図示である。 図12は、本発明において用いられる特定の膜を含む、種々の膜についての酸素通過性対水蒸気通過のプロットである。 図13は、本発明の1実施形態による、pH対相対強度のグラフである。 図14は、本発明の実施形態による環境要因の制御を示す、光学密度対時間のグラフである。 図15は、反応部位との光相互作用を示す、本発明の1つの実施形態を図示する。 図16は、本発明の1つの実施形態における、時間に対するpH指標の変化を図示する。 図17Aおよび図17B(拡大)は、本発明の1つの実施形態による種々のチップの一部を図示する。 図18Aおよび図18Bは、本発明の別の実施形態による種々のチップの一部の拡大図を図示する。 図19は、本発明のなお別の実施形態によるチップの一部の拡大図を図示する。 図20は、細菌の培養において用いる場合の本発明の実施形態の酸素透過性を図示するグラフである。 図21は、哺乳動物細胞培養において用いられる本発明の実施形態についての酸素透過性を図示するグラフである。 図22は、ある波長を有する本発明の別の実施形態を図示する。 図23は、本発明の実施形態における、強度(相対的単位)対相対濃度のグラフである。 図24は、本発明の実施形態を用いる実験における480nmでの光学密度対時間のグラフである。 図25は、本発明の1実施形態による、反応部位およびチャネルを有する固体基板を例示する。 図26A〜図26Eは、図25に図示された実施形態の種々の図を図示する。そして 図27Aおよび27Bは、本発明の種々の実施形態によって製造されたバイオリアクターを図示する。
Non-limiting embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings, which, by way of example, are schematic and are not intended to describe scale. In the drawings, each identical or nearly identical illustrated component is typically indicated by a single numeral. For purposes of simplicity, not all components are shown in every drawing, and are not shown in every embodiment of each embodiment of the invention, which is illustrated to allow those skilled in the art to understand the invention. Not necessary. In this drawing:
FIG. 1 illustrates one embodiment of the present invention. FIG. 2 illustrates in an enlarged view an example of a microfluidic chip for use with the present invention comprising a mixing, heating / dispersing, reaction and separation unit. 3A-3C illustrate various stockable configurations of the chip of the present invention. 4A-4C illustrate various energy detectors for use with the present invention in certain embodiments. 5A and 5B illustrate a device according to one embodiment of the invention having multiple layers. FIG. 6 is a block diagram of an example of a control system of the present invention. 7A and 7B illustrate a device according to another embodiment of the present invention having a distribution unit. 8A and 8B illustrate a device according to another embodiment of the present invention that uses a laser to generate a response. 9A and 9B are cross-sectional views of certain embodiments of the invention. 10A-10D illustrate certain membranes of the present invention in fluid communication with various reaction sites. FIG. 11 is an illustration of the dependence of oxygen penetration on a thin layer in one embodiment of the present invention. FIG. 12 is a plot of oxygen permeability versus water vapor passage for various membranes, including specific membranes used in the present invention. FIG. 13 is a graph of pH versus relative intensity, according to one embodiment of the present invention. FIG. 14 is a graph of optical density vs. time illustrating control of environmental factors according to an embodiment of the present invention. FIG. 15 illustrates one embodiment of the present invention showing optical interaction with the reaction site. FIG. 16 illustrates the change in pH index over time in one embodiment of the invention. 17A and 17B (enlarged) illustrate some of the various chips according to one embodiment of the present invention. 18A and 18B illustrate enlarged views of portions of various chips according to another embodiment of the present invention. FIG. 19 illustrates an enlarged view of a portion of a chip according to yet another embodiment of the present invention. FIG. 20 is a graph illustrating oxygen permeability of an embodiment of the present invention when used in bacterial culture. FIG. 21 is a graph illustrating oxygen permeability for an embodiment of the invention used in mammalian cell culture. FIG. 22 illustrates another embodiment of the invention having a wavelength. FIG. 23 is a graph of intensity (relative unit) versus relative concentration in an embodiment of the present invention. FIG. 24 is a graph of optical density at 480 nm versus time for experiments using embodiments of the present invention. FIG. 25 illustrates a solid substrate having reaction sites and channels, according to one embodiment of the present invention. 26A-26E illustrate various views of the embodiment illustrated in FIG. And FIGS. 27A and 27B illustrate bioreactors made according to various embodiments of the present invention.

Claims (76)

約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
該所定の反応部位内に生存細胞を支持するように、該チップに関連する状態の指標であるシグナルに応答して該チップに関連する環境要因を制御し得る能動的制御システムと;
を備える装置。
A chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction site having an inlet and an outlet;
An active control system capable of controlling environmental factors associated with the chip in response to a signal that is indicative of a condition associated with the chip to support viable cells within the predetermined reaction site;
A device comprising:
前記チップが複数のリアクターを備え、該複数のリアクターのうちの1つが前記所定の反応部位を備える、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the chip comprises a plurality of reactors, one of the plurality of reactors comprising the predetermined reaction site. 前記能動的制御システムが前記チップに一体的に接続される、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the active control system is integrally connected to the chip. 前記所定の反応部位が約500μl未満の容積を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 500 μl. 前記所定の反応部位が約100μl未満の容積を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 100 μl. 前記所定の反応部位が約10μl未満の容積を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 10 μl. 前記所定の反応部位が約1μl未満の容積を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 1 μl. 前記所定の反応部位が約1cm未満の最大寸法を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a maximum dimension of less than about 1 cm. 前記所定の反応部位が約1mm未満の最大寸法を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a maximum dimension of less than about 1 mm. 前記所定の反応部位が約100μm未満の最大寸法を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a maximum dimension of less than about 100 μm. 前記所定の反応部位が約10μm未満の最大寸法を有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the predetermined reaction site has a maximum dimension of less than about 10 μm. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面が無機物質を含む、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises an inorganic substance. 前記無機物質が半導体を含む、請求項12に記載の装置。 The apparatus of claim 12, wherein the inorganic material comprises a semiconductor. 前記無機物質が金属を含む、請求項12に記載の装置。 The apparatus of claim 12, wherein the inorganic material comprises a metal. 前記生存細胞が哺乳動物細胞である、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the viable cell is a mammalian cell. 前記生存細胞が細菌である、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the viable cell is a bacterium. 前記細胞が植物細胞である、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the cell is a plant cell. 前記生存細胞が組織培養物の一部である、請求項1に記載の装置。 The device of claim 1, wherein the viable cells are part of a tissue culture. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面がポリマーを含む、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises a polymer. 前記少なくとも1つの表面が本質的にポリマーからなる、請求項19に記載の装置。 The apparatus of claim 19, wherein the at least one surface consists essentially of a polymer. 前記ポリマーがシリコーン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ビス−ベンゾシクロブテン、ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリイミドおよびそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項19に記載の装置。 20. The polymer is selected from the group consisting of silicone, polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinylidene chloride, bis-benzocyclobutene, polystyrene, polyacrylate, polymethacrylate, polyimide, and combinations thereof. The device described in 1. 前記制御システムが:
相対湿度、 pH、
モル濃度、 溶存ガス濃度、
オスモル濃度、 グルコース濃度、
グルタミン濃度、 ピルビン酸濃度、
アパタイト濃度、 色、
濁度、 粘度、
アミノ酸の濃度、 ビタミンの濃度、
ホルモンの濃度、 血清濃度、
イオンの濃度、 剪断速度、
撹拌の程度、 温度、
圧力、 O濃度、
CO濃度、
およびオリゴペプチドの濃度
からなる群より選択される所定の反応部位内の少なくとも1つの環境要因を制御し得る、請求項1に記載の装置。
The control system is:
Relative humidity, pH,
Molar concentration, dissolved gas concentration,
Osmolality, glucose concentration,
Glutamine concentration, pyruvic acid concentration,
Apatite concentration, color,
Turbidity, viscosity,
Amino acid concentration, vitamin concentration,
Hormone concentration, serum concentration,
Ion concentration, shear rate,
The degree of stirring, temperature,
Pressure, O 2 concentration,
CO 2 concentration,
The apparatus of claim 1, wherein at least one environmental factor within a predetermined reaction site selected from the group consisting of and a concentration of oligopeptides is controllable.
前記制御システムが前記所定の反応部位内の温度を制御し得る、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the control system is capable of controlling a temperature within the predetermined reaction site. 前記制御システムが、所定の反応部位内の圧力を制御し得る、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, wherein the control system is capable of controlling pressure within a predetermined reaction site. 約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
該所定の反応部位内に関連する環境要因を制御し得る制御システムであって、該環境要因が、相対湿度、pH、溶存O濃度、溶存CO濃度および培地成分の濃度のうちの少なくとも1つである、制御システムと;
を備える、装置。
A chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction site having an inlet and an outlet;
A control system capable of controlling an environmental factor associated with the predetermined reaction site, wherein the environmental factor is at least one of relative humidity, pH, dissolved O 2 concentration, dissolved CO 2 concentration and medium component concentration. A control system;
An apparatus comprising:
前記制御システムが前記チップに一体的に接続される、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the control system is integrally connected to the chip. 前記チップが所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配列される、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the chip is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at a predetermined reaction site. 前記培地成分が、糖質供給源、血清、増殖因子、酵素、ホルモン、アミノ酸、またはオリゴペプチドからなる群より選択される、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the medium component is selected from the group consisting of a carbohydrate source, serum, growth factor, enzyme, hormone, amino acid, or oligopeptide. 前記糖質供給源がグルコースである、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the carbohydrate source is glucose. 前記チップが複数のリアクターを備え、該複数のリアクターのうちの1つが前記所定の反応部位を備える、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the chip comprises a plurality of reactors, and one of the plurality of reactors comprises the predetermined reaction site. 前記所定の反応部位が約500μl未満の容積を有する、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 500 [mu] l. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面が無機物質を含む、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises an inorganic material. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面がポリマーを含む、請求項25に記載の装置。 26. The apparatus of claim 25, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises a polymer. 前記生存細胞が哺乳動物細胞である、請求項25に記載の装置。 26. The device of claim 25, wherein the viable cell is a mammalian cell. 約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
該チップに一体的に接続されたセンサーであって、該センサーは、該所定の反応部位内に関連する環境要因を決定し得、該環境要因が:
pH、 溶存ガスの濃度、
モル濃度、 オスモル濃度、
グルコース濃度、 グルタミン濃度、
ピルビン酸濃度、 アパタイト濃度、
色、 濁度、
粘度、 アミノ酸の濃度、
ビタミンの濃度、 ホルモンの濃度、
血清濃度、 イオンの濃度、
剪断速度、 および撹拌の程度;
のうちの少なくとも1つである、センサーと;
該環境要因を変更し得るチップに一体に接続されたアクチュエータと;
を備える、装置。
A chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction site having an inlet and an outlet;
A sensor integrally connected to the chip, wherein the sensor can determine an environmental factor associated with the predetermined reaction site, the environmental factor being:
pH, dissolved gas concentration,
Molarity, osmolarity,
Glucose concentration, glutamine concentration,
Pyruvate concentration, apatite concentration,
Color, turbidity,
Viscosity, amino acid concentration,
Vitamin concentration, hormone concentration,
Serum concentration, ion concentration,
Shear rate and degree of agitation;
A sensor that is at least one of:
An actuator integrally connected to a chip capable of changing the environmental factor;
An apparatus comprising:
前記チップが所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されて配列される、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein the chip is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at a predetermined reaction site. 前記アクチュエータが所定の反応部位にエネルギーを移動し得る、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein the actuator is capable of transferring energy to a predetermined reaction site. 前記エネルギーが熱エネルギーを含む、請求項36に記載の装置。 40. The apparatus of claim 36, wherein the energy comprises thermal energy. 前記エネルギーが音響エネルギーを含む、請求項36に記載の装置。 40. The apparatus of claim 36, wherein the energy comprises acoustic energy. 前記エネルギーが力学的エネルギーを含む、請求項36に記載の装置。 40. The apparatus of claim 36, wherein the energy comprises mechanical energy. センサーからの測定値に基づいて前記アクチュエータについての応答を決定できるプロセッサーをさらに備える、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, further comprising a processor capable of determining a response for the actuator based on measurements from a sensor. 前記プロセッサーが前記物体に一体に接続されている、請求項40に記載の装置。 41. The apparatus of claim 40, wherein the processor is integrally connected to the object. 前記プロセッサーが電気回路を備える、請求項40に記載の装置。 41. The apparatus of claim 40, wherein the processor comprises an electrical circuit. 前記チップが複数のリアクターを備え、該複数のリアクターのうちの1つが前記所定の反応部位を備える、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein the chip comprises a plurality of reactors, and one of the plurality of reactors comprises the predetermined reaction site. 前記所定の反応部位が約500μl未満の容積を有する、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 500 [mu] l. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面が無機物質を含む、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises an inorganic material. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面がポリマーを含む、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises a polymer. 前記生存細胞が哺乳動物細胞である、請求項34に記載の装置。 35. The device of claim 34, wherein the viable cell is a mammalian cell. 前記センサーからのシグナルを受容し、前記アクチュエータに対してシグナルを生じ得るプロセッサーをさらに備える、請求項34に記載の装置。 35. The apparatus of claim 34, further comprising a processor that can receive a signal from the sensor and generate a signal to the actuator. 約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
温度および圧力の少なくとも1つを決定し得る、該チップに一体的に接続された第一のセンサーと;
第二の環境要因を決定し得る、該チップに一体的に接続された第二のセンサーであって、該第二の環境要因が:
pH、 溶存ガス濃度、
モル濃度、 オスモル濃度、
グルコース濃度、 グルタミン濃度、
ピルビン酸濃度、 アパタイト濃度、
色、 濁度、
粘度、 アミノ酸濃度、
ビタミンの濃度、 ホルモン濃度、
血清濃度、 イオンの濃度、
剪断速度、 および撹拌の程度;
のうちの少なくとも1つである、第二のセンサーと;
温度、圧力および該環境要因のうちの少なくとも1つを変更し得るチップに一体に接続されたアクチュエータと;
を備える、装置。
A chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction site having an inlet and an outlet;
A first sensor integrally connected to the chip capable of determining at least one of temperature and pressure;
A second sensor integrally connected to the chip that can determine a second environmental factor, wherein the second environmental factor is:
pH, dissolved gas concentration,
Molarity, osmolarity,
Glucose concentration, glutamine concentration,
Pyruvate concentration, apatite concentration,
Color, turbidity,
Viscosity, amino acid concentration,
Vitamin concentration, hormone concentration,
Serum concentration, ion concentration,
Shear rate and degree of agitation;
A second sensor that is at least one of the following;
An actuator integrally connected to the chip capable of changing at least one of temperature, pressure and environmental factors;
An apparatus comprising:
前記チップが所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配列される、請求項49に記載の装置。 50. The apparatus of claim 49, wherein the chip is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at a predetermined reaction site. 約1ml未満の容積を有する複数の所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
該所定の反応部位の少なくとも1つに関連する環境要因を決定し得るセンサーであって、該環境要因が:
CO濃度、 グルコース濃度、
グルタミン濃度、 ピルビン酸濃度、
アパタイト濃度、 血清濃度、
ビタミンの濃度、 アミノ酸の濃度、
ホルモン濃度、
のうちの少なくとも1つである、センサーと;
を備える、装置。
A chip comprising a plurality of predetermined reaction sites having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction sites having inlets and outlets;
A sensor capable of determining an environmental factor associated with at least one of the predetermined reactive sites, wherein the environmental factor is:
CO 2 concentration, glucose concentration,
Glutamine concentration, pyruvic acid concentration,
Apatite concentration, serum concentration,
Vitamin concentration, amino acid concentration,
Hormone concentration,
A sensor that is at least one of:
An apparatus comprising:
前記センサーが前記チップに一体的に接続されている、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, wherein the sensor is integrally connected to the chip. さらに温度センサーを備える、請求項51に記載の装置。 The apparatus of claim 51, further comprising a temperature sensor. 圧力センサーをさらに備える、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, further comprising a pressure sensor. 前記チップが複数のリアクターを備え、該複数のリアクターのうちの1つが前記所定の反応部位を備える、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, wherein the chip comprises a plurality of reactors, and one of the plurality of reactors comprises the predetermined reaction site. 前記少なくとも1つの所定の反応部位が約500μl未満の容積を有する、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, wherein the at least one predetermined reaction site has a volume of less than about 500 [mu] l. 前記少なくとも1つの所定の反応部位の少なくとも1つの表面が無機物質を含む、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, wherein at least one surface of the at least one predetermined reaction site comprises an inorganic material. 前記少なくとも1つの所定の反応部位の少なくとも1つの表面がポリマーを含む、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, wherein at least one surface of the at least one predetermined reaction site comprises a polymer. 前記生存細胞が哺乳動物細胞である、請求項51に記載の装置。 52. The device of claim 51, wherein the viable cell is a mammalian cell. 前記所定の反応部位の少なくとも1つと関連する環境要因を変更し得るアクチュエータをさらに備える、請求項51に記載の装置。 52. The apparatus of claim 51, further comprising an actuator that can change an environmental factor associated with at least one of the predetermined reaction sites. センサーからのシグナルを受容し、前記アクチュエータに対してシグナルを生じ得るプロセッサーをさらに備える、請求項60に記載の装置。 61. The apparatus of claim 60, further comprising a processor that can receive a signal from a sensor and generate a signal to the actuator. 約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備えるチップと;
1秒内で該所定の反応部位に関連する第一の環境要因における変化を生成し得、かつ該所定の反応部位に関連する第二の環境要因における変化に応答性である制御システムと;
を備える装置。
A chip with a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml;
A control system capable of generating a change in a first environmental factor associated with the predetermined reaction site within one second and responsive to a change in a second environmental factor associated with the predetermined reaction site;
A device comprising:
前記制御システムが前記チップに一体的に接続されている、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the control system is integrally connected to the chip. 前記チップが前記所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配列される、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the chip is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at the predetermined reaction site. 前記制御システムが、前記第二の環境要因における変化の100ms内で、前記第一の環境要因における変化を生じ得る、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the control system can produce a change in the first environmental factor within 100ms of a change in the second environmental factor. 前記制御システムが、前記第二の環境要因における変化の10ms内で、前記第一の環境要因における変化を生じ得る、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the control system can produce a change in the first environmental factor within 10 ms of a change in the second environmental factor. 前記制御システムが前記第二の環境要因における変化の1ms内で、前記第一の環境要因における変化を生じ得る、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the control system can produce a change in the first environmental factor within 1 ms of the change in the second environmental factor. 前記チップが複数のリアクターを備え、該複数のリアクターのうちの1つが前記所定の反応部位を備える、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the chip comprises a plurality of reactors, one of the plurality of reactors comprising the predetermined reaction site. 前記所定の反応部位が約500μl未満の容積を有する、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein the predetermined reaction site has a volume of less than about 500 [mu] l. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面が無機物質を含む、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises an inorganic material. 前記所定の反応部位の少なくとも1つの表面がポリマーを含む、請求項62に記載の装置。 64. The apparatus of claim 62, wherein at least one surface of the predetermined reaction site comprises a polymer. 前記生存細胞が哺乳動物細胞である、請求項62に記載の装置。 64. The device of claim 62, wherein the viable cell is a mammalian cell. 約1ml未満の容積を有する所定の反応部位を備え、該所定の反応部位がインレットおよびアウトレットを有する、チップと;
少なくとも1日間生存細胞を支持するように、該所定の反応部位内の環境を制御し得る能動的な制御システムと;
を備える装置。
A chip comprising a predetermined reaction site having a volume of less than about 1 ml, the predetermined reaction site having an inlet and an outlet;
An active control system capable of controlling the environment within the predetermined reaction site to support viable cells for at least one day;
A device comprising:
前記制御システムが前記チップに一体的に接続されている、請求項73に記載の装置。 74. The apparatus of claim 73, wherein the control system is integrally connected to the chip. 前記チップが前記所定の反応部位で少なくとも1つの生存細胞を維持するように構築されかつ配列される、請求項73に記載の装置。 74. The apparatus of claim 73, wherein the chip is constructed and arranged to maintain at least one viable cell at the predetermined reaction site.
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