グリッパ及びマニピュレーションシステム
【課題】取り扱う対象物の変形を抑制すること。
【解決手段】グリッパ１は、基部６と、基部６に取り付けられる温度調整手段２と、温度調整手段２に取り付けられる対象物保持部４と、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５と、温度応答性ポリマー５の温度を検出する温度検出手段３とを含む。温度応答性ポリマーは、温度に応答して構造を変化させる高分子材料であり、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）が用いられる。温度調整手段２は、温度応答性ポリマー５の温度を変化させることにより、グリッパ１が保持する対象物を対象物保持部４に保持し、又は前記対象物を対象物保持部４から解放する。
【解決手段】グリッパ１は、基部６と、基部６に取り付けられる温度調整手段２と、温度調整手段２に取り付けられる対象物保持部４と、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５と、温度応答性ポリマー５の温度を検出する温度検出手段３とを含む。温度応答性ポリマーは、温度に応答して構造を変化させる高分子材料であり、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）が用いられる。温度調整手段２は、温度応答性ポリマー５の温度を変化させることにより、グリッパ１が保持する対象物を対象物保持部４に保持し、又は前記対象物を対象物保持部４から解放する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡の観測下で微小な対象物を保持・解放して操作を行うグリッパ及びマニピュレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡の観測下で微小な機械部品や細胞等といった微小な対象物に対して操作を行うため、対象物を把持するグリッパが用いられている。例えば、特許文献１には、把持対象物を把持する領域に熱電対を設けたマイクログリッパが開示されている。また、特許文献２には、把持対象を把持する領域の少なくとも一部を加熱する発熱抵抗体を備えたマイクログリッパが開示されている。
【０００３】
また、特許文献３には、配管内に流体が充填されるマイクロピペットと、前記流体に接触するダイヤフラムを介して配置される圧電素子と、該圧電素子を駆動する駆動電源とを備え、前記圧電素子の駆動により前記マイクロピペット内の流体を駆動するマイクロマニピュレーション装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３には、上述したマイクロマニピュレーション装置を用いて、固定された卵細胞にマイクロピペットを接触させる工程と、前記マイクロピペットに連通する流体に接触するダイヤフラムを介して配置される圧電素子の駆動により前記マイクロピペット内の流体の吸引を行い、前記細胞の透明帯の微小部分を弱体化又は開孔する工程と、該弱体化又は開孔された卵細胞の透明帯の微小部分に前記マイクロピペットを挿入する工程とを施す細胞操作方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１９２３８１号公報
【特許文献２】特開平８−１９２３８２号公報
【特許文献３】特開平８−２９０３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に開示された技術は、対象物を把持するため、対象物を変形させることがある。特許文献１、２に開示された技術では、変形させることが好ましくない対象物を取り扱う場合には改善の余地がある。なお、特許文献１、２に開示された技術は、把持対象物の温度を測定したり、把持対象物を加熱したりする目的で、把持対象物を把持する領域に熱電対や発熱抵抗体を設けるもので、把持対象物を保持したり、解放したりするために熱電対や発熱抵抗体を設けるものではない。
【０００７】
また、特許文献３に開示された技術は、マイクロピペットを介して精子や細胞の核等の物質を卵細胞内に注入するため、マイクロピペット内の余分な物質が卵細胞内に注入されるおそれがある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、取り扱う対象物の変形を抑制すること、細胞等への余計な物質の混入を低減することのうち少なくとも一つを達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るグリッパは、対象物を保持する対象物保持部に設けられる温度応答性ポリマーと、当該温度応答性ポリマーの温度を変化させることにより、前記対象物を前記対象物保持部に保持し、又は前記対象物を前記対象物保持部から解放する温度調整手段と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記温度応答性ポリマーの温度を求めるための温度検出手段を備えることが望ましい。
【００１０】
本発明の好ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記温度調整手段はヒータであることが望ましい。
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るマニピュレーションシステムは、前記グリッパと、当該グリッパが取り付けられるマニピュレータと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、取り扱う対象物の変形を抑制すること、余計な物質の混入を低減することのうち少なくとも一つを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムを示す構成図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るグリッパの拡大図である。
【図５−１】図５−１は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図５−２】図５−２は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図５−３】図５−３は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図６】図６は、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の説明により本発明が限定されるものではない。また、下記の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００１５】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。図２は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムを示す構成図である。図１に示すマニピュレーションシステム１００は、テーブル３４にホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが取り付けられる。図２に示すように、本実施形態に係るグリッパ１は、例えば、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０Ｉに取り付けられて、図１に示すテーブル３４に載置されるベース３３内の対象物（例えば、卵細胞）を把持する。
【００１６】
図２に示すように、マニピュレーションシステム１００は、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉと、顕微鏡ユニット３０と、グリッパシステム１０１とを含んでいる。本実施形態において、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、直交３軸系のマニピュレータである。ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、ＸＹ軸ステージ２１と、Ｚ軸ステージ２２と、Ｘ軸駆動装置２３と、Ｙ軸駆動装置２４と、Ｚ軸駆動装置２５と、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉにグリッパ１やインジェクションピペット等を取り付けるアタッチメント２６とを有する。アタッチメント２６は、Ｚ軸ステージ２２に取り付けられる。本実施形態では、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６にグリッパ１を取り付け、ホールド用マニピュレータ２０Ｈのアタッチメント２６に細胞保持具２８を取り付ける。
【００１７】
Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５は、制御装置５０によって制御され、アタッチメント２６に取り付けられるグリッパ１の位置が制御される。ＸＹ軸ステージ２１及びＺ軸ステージ２２は、Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５によって移動して、図１に示すテーブル３４上の三次元空間内でグリッパ１を移動させる。なお、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、本実施形態の構成に限定されるものではない。
【００１８】
顕微鏡ユニット３０は、カメラ３１、顕微鏡３２を有する。顕微鏡３２は、ベース３３内の対象物を拡大する。カメラ３１は顕微鏡３２に取り付けられており、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で構成される。カメラ３１は、顕微鏡３２で拡大された対象物を撮像する。カメラ３１は、制御装置５０に接続されており、撮像した対象物の画像は、制御装置５０に取り込まれて、グリッパ１が対象物を把持するときの制御に用いられたり、制御装置５０に接続される表示装置（例えば、ディスプレイ）６０に表示されたりする。
【００１９】
制御装置５０には、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを操作したり、グリッパ１を操作したりするためのジョイスティック６１が接続されている。作業者は、ジョイスティック６１を操作することで、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０ＩのＸＹ軸ステージ２１やＺ軸ステージ２２を移動させたり、グリッパ１に対象物を保持させたり、グリッパ１が保持した対象物を解放させたりする。
【００２０】
図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。図４は、本実施形態に係るグリッパの拡大図である。本実施形態において、グリッパ１は、例えば体外受精（特に家畜や実験用動物等の体外受精）に用いられるものであり、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられて、卵細胞９０の透明帯９１に予め穿孔された孔９３から、卵細胞の細胞質９２に精子９４を付着させたり挿入したりする。
【００２１】
グリッパ１は、対象物（本実施形態では精子９４）を保持する対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５と、温度応答性ポリマー５の温度を変化させることにより、対象物を対象物保持部４に保持し、又は対象物を対象物保持部４から解放する温度調整手段２と、を含む。また、本実施形態において、グリッパ１には、温度応答性ポリマー５の温度を求めるために用いられる温度検出手段３を備える。温度検出手段３は、例えば、熱電対やサーミスタであり、対象物保持部４（本実施形態では、対象物保持部４の先端部分４Ｔ）に設けられる。
【００２２】
対象物保持部４は温度調整手段２に取り付けられ、温度調整手段２は、棒状又は板状の部材である基部６に取り付けられる。基部６及び対象物保持部４は、例えば、ガラス、シリコン、金属（タングステンや白金、金、チタン、チタン合金等）で構成する。基部６は、温度調整手段２が取り付けられる対象物保持部４と一体としてもよい。アタッチメント２６は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが備えるものであり、制御装置５０によって図２に示す図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが操作されることで、アタッチメント２６の中心軸と平行な方向（図３の矢印Ｌ１、Ｌ２で示す方向）に移動する。
【００２３】
対象物保持部４の表面に塗布される温度応答性ポリマー５は、温度に応答して構造を変化させる高分子材料であり、化学構造からはポリマーに分類され、物理状態からはゲルに分類される。温度応答性ポリマー５は、温度に応じて水和、脱水和して、表面の化学的性質が親水性、疎水性に変化したり、膨潤−脱膨潤変化をしたり、体積変化をしたりする。本実施形態では、温度応答性ポリマー５として、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いるが、本実施形態に適用可能な温度応答性ポリマー５はこれに限定されるものではない。
【００２４】
ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）は、水の存在下においてある温度（相転移温度）以下では水和し、それ以上では脱水和するものであり、相転移温度以下においては表面が親水性で、相転移温度以上では表面が疎水性である。温度応答性ポリマー５にポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いる場合、温度応答性ポリマー５の温度が相転移温度以上になると温度応答性ポリマー５の表面が疎水性となる。一方、温度応答性ポリマー５の温度を相転移温度以下になると温度応答性ポリマー５の表面が親水性となる。このように、本実施形態では、グリッパ１の対象物保持部４に設けられた温度応答性ポリマー５の温度を温度調整手段２によって調整することにより、温度応答性ポリマー５の表面への対象物（例えば細胞や染色体等）の保持・解放を制御する。その結果、グリッパ１は、対象物を把持しないで保持・解放を実現できるので、取り扱う対象物の変形を抑制できる。
【００２５】
温度応答性ポリマー５にポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いる場合、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５の温度を上昇させると、対象物が温度応答性ポリマー５の表面が疎水性になる。一方、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５の温度を低下させると、温度応答性ポリマー５の表面が親水性になる。
【００２６】
本実施形態において、温度調整手段２にはヒータを用い、温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる場合には、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５を加熱する。そして、温度応答性ポリマー５の温度を低下させる場合には、温度調整手段２による加熱を調整（制御）して温度応答性ポリマー５から放熱させることにより、温度応答性ポリマー５の温度を低下させる。ここで、ヒータは、電気エネルギを熱エネルギに変換するエネルギ変換手段であり、例えば、発熱抵抗体や、誘電加熱装置等が用いられる。
【００２７】
温度調整手段２は、温度調整手段用ドライバ６２によって加熱される。温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる場合、制御装置５０は、温度調整手段用ドライバ６２に加熱指令を送信する。温度調整手段用ドライバ６２は、加熱指令に基づき、例えば電気エネルギを温度調整手段２に与え、これによって温度調整手段２を発熱させて温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる。温度応答性ポリマー５の温度を低下させる場合、制御装置５０は、温度調整手段用ドライバ６２に送信していた加熱指令を調整（制御）する。これによって、温度調整手段用ドライバ６２は、温度調整手段２への電気エネルギの供給が制御され、その結果、温度応答性ポリマー５の温度が低下する。
【００２８】
本実施形態では、制御装置５０が温度検出手段３を用いて温度応答性ポリマー５の温度を求め、その温度を用いて温度応答性ポリマー５の温度が目標温度になるように温度調整手段２の発熱量を制御（フィードバック制御）する。例えば、制御装置５０は、温度応答性ポリマー５の目標温度と、温度検出手段３を用いて求めた温度との偏差が０になるように、温度調整手段２の発熱量を制御する。ここで、本実施形態では、温度検出手段３は対象物保持部４の温度を検出しており、温度応答性ポリマー５の温度を直接検出するものではない。このため、厳密には、温度検出手段３が検出した温度と、温度応答性ポリマー５の実際の温度とは異なる。したがって、実験や解析によって、温度検出手段３が検出した温度と、温度応答性ポリマー５の実際の温度との関係を求めておき、制御装置５０は、この関係を用いて温度検出手段３が計測した温度を補正して、温度応答性ポリマー５の温度とすることが好ましい。
【００２９】
温度応答性ポリマー５の目標温度を、温度応答性ポリマー５の転移温度とする。この場合、温度応答性ポリマー５の温度が目標温度になると、温度応答性ポリマー５の表面は疎水性となる。温度応答性ポリマー５の温度が目標温度を下回ると、温度応答性ポリマー５の表面は親水性となる。
【００３０】
このように、本実施形態では、温度調整手段２によって、温度応答性ポリマー５の温度を目標温度及び目標温度よりも低い温度に切り替えることで、温度応答性ポリマー５の表面を疎水性と親水性とに切り替え、これによって、対象物の保持と解放とを切り替える。なお、温度応答性ポリマー５の表面に確実に対象物を吸着させるため、目標温度は、温度応答性ポリマー５の転移温度に所定の温度α（例えば、１℃〜３℃）を加算した値とすることが好ましい。ここで、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）の転移温度は、３０℃〜３４℃の範囲であり、一例としては３２℃のものがある。
【００３１】
本実施形態において、グリッパ１の保持・解放動作は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０には、温度調整手段用ドライバ６２が接続されており、制御装置５０からの加熱指令により、温度調整手段用ドライバ６２が温度調整手段２を駆動する。また、制御装置５０には、表示装置６０、及びグリッパ１や図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉ等の操作手段であるジョイスティック６１が接続されている。
【００３２】
ジョイスティック６１は、作業者が操作するマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭ及びグリッパ操作用レバー６１ＲＧを備える。このような構成により、ジョイスティック６１によって、グリッパ１及びマニピュレータ（例えば、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉ）の両方を一つのジョイスティック６１で操作できる。マニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを矢印Ａ１の方向に操作すると、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６が図３の矢印Ｌ１方向へ移動して、卵細胞９０へ近づく。また、マニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを矢印Ａ２の方向に操作すると、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６が図３の矢印Ｌ２方向へ移動して、卵細胞９０から遠ざかる。グリッパ操作用レバー６１ＲＧを矢印Ｈの方向に操作するとグリッパ１は対象物を保持し、グリッパ操作用レバー６１ＲＧを矢印Ｒの方向に操作するとグリッパ１は対象物を解放する。
【００３３】
制御装置５０はマイクロコンピュータであり、処理部５０Ｐと、記憶部５０Ｍと、入出力部５０ＩＯとを含む。入出力部５０ＩＯには、温度調整手段用ドライバ６２、温度検出手段３、ジョイスティック６１が接続される。処理部５０Ｐは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と半導体メモリとを組み合わせて構成されており、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御を実行する。記憶部５０Ｍは、例えば、半導体を利用した記憶素子や磁気記憶装置、あるいは光磁気記憶装置等であり、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００の制御に必要なコンピュータプログラムや制御データ等が保存される。
【００３４】
処理部５０Ｐは、制御条件判定部５１と、温度制御部５２と、マニピュレータ制御部５３とを備える。制御条件判定部５１は、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御において、制御の条件を判定する。温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２を制御して、温度調整手段２の温度を調整する。マニピュレータ制御部５３は、ジョイスティック６１からの入力信号に基づき、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉやホールド用マニピュレータ２０Ｈの動作を制御する。
【００３５】
本実施形態において、制御条件判定部５１の機能、及び温度制御部５２の機能、及びマニピュレータ制御部５３の機能は、処理部５０Ｐがこれらの機能を実現するコンピュータプログラムを記憶部５０Ｍから読み出して実行することにより実現される。次に、グリッパシステム１０１及びグリッパ１を用いて、卵細胞９０に精子を体外受精させる例を説明する。
【００３６】
図５−１〜図５−３は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。次の説明では、グリッパ１を、卵細胞体外受精用精子保持ツールとして用いる。体外受精は、卵細胞９０の透明帯９１に孔９３を穿孔しておき、精子９４を保持させたグリッパ１の対象物保持部４を９３から進入させて、細胞質９２に精子９４を着床させる。本実施形態において、体外受精の作業は、図２に示すマニピュレーションシステム１００を用いて、ベース３３上の卵細胞９０及び精子９４を顕微鏡３２で観測しながら行われる。
【００３７】
図５−１に示すように、卵細胞９０には、グリッパ１が進入するための孔９３が穿孔されている。孔９３は、卵細胞９０の透明帯９１の一部を、レーザや加熱した電極等によって取り除くことにより形成される。この孔９３から精子９４を卵細胞９０の細胞質９２へ挿入するにあたって、グリッパ１の対象物保持部４に精子９４を保持させる。このため、作業者は、図３に示すジョイスティック６１のグリッパ操作用レバー６１ＲＧを、図３の矢印Ｈの方向（保持方向）に操作する。
【００３８】
すると、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられる温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２に加熱指令を送信する。温度調整手段用ドライバ６２は、送信された加熱指令にしたがって温度調整手段２を発熱させて、温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる。このとき、温度制御部５２は、温度検出手段３が検出した温度に基づき、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５の温度（実温度）を求める。そして、温度制御部５２は、上述した温度応答性ポリマー５の目標温度と、温度制御部５２が求めた温度応答性ポリマー５の実温度との偏差が０になるように、温度調整手段２の発熱量を制御する。
【００３９】
温度制御部５２が温度応答性ポリマー５の実温度が目標温度に到達したと判定したら、温度制御部５２は、その情報を制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられる制御条件判定部５１へ送信する。この情報を取得した制御条件判定部５１は、精子９４をグリッパ１の対象物保持部４に保持できると判定し、その情報を、保持可能情報として、例えば表示装置６０に表示させる。なお、保持可能情報は、例えば、ライトを点灯あるいは点滅させることにより報知したり、音声によって報知したりしてもよい（以下同様）。作業者は、保持可能情報を確認して、ベース３３上の精子９４をグリッパ１の対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５に接触させ、温度応答性ポリマー５に精子を吸着させる。これによって、精子９４を対象物保持部４に保持させる。
【００４０】
次に、精子９４を保持したグリッパ１を卵細胞９０の細胞質９２へ挿入するため、卵細胞９０の透明帯９１に穿孔された孔９３へ、グリッパ１の対象物保持部４を進入させる。作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを図３の矢印Ａ１の方向に操作する。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられるマニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを駆動する。これによって、マニピュレータ制御部５３は、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられたグリッパ１を卵細胞９０に接近させ（図５−１の矢印Ｌ１方向）、透明帯９１の孔９３を通ってグリッパ１の対象物保持部４を透明帯９１の内部に進入させる。
【００４１】
そして、図５−２に示すように、精子９４が透明帯９１の内部に入った状態で、作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを停止位置に戻す。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられるマニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを停止させ、これによって、グリッパ１を停止させる。なお、対象物保持部４に保持された精子９４が卵細胞９０の細胞質９２と接触した状態で、グリッパ１の移動を停止させることが好ましい。
【００４２】
作業者は、精子９４が透明帯９１の内部に入ったことを確認したら、グリッパ１の対象物保持部４から精子９４を解放する。この場合、作業者は、図３に示すジョイスティック６１のグリッパ操作用レバー６１ＲＧを、図３の矢印Ｒの方向（解放方向）に操作する。すると、温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２に発信していた加熱指令を制御する。これによって、温度調整手段２には自身の発熱に用いるエネルギ（本実施形態では電気エネルギ）が制御される。
【００４３】
このとき、温度制御部５２は、温度検出手段３が検出した温度に基づき、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５の温度（実温度）を求める。制御条件判定部５１は、温度応答性ポリマー５の実温度を取得し、予め定められ、記憶部５０Ｍに格納されている対象物解放温度と比較する。対象物解放温度は、温度応答性ポリマー５の表面が親水性に変化して、温度応答性ポリマー５の表面吸着されていた対象物（精子９４）が脱離する温度である。対象物解放温度は、温度応答性ポリマー５の相転移温度としてもよいが、相転移温度よりも所定の温度（例えば２℃〜５℃）低い温度とすることが好ましい。これによって、温度応答性ポリマー５の表面を確実に親水性として、温度応答性ポリマー５の表面に吸着されていた精子９４を確実に解放できる。
【００４４】
制御条件判定部５１が、実温度が対象物解放温度になったと判定したら、制御条件判定部５１は、精子９４はグリッパ１の対象物保持部４から解放可能と判定し、その情報を、解放可能情報として、例えば表示装置６０に表示させる。作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを図３の矢印Ａ２の方向に操作する。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、マニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを駆動する。
【００４５】
これによって、マニピュレータ制御部５３は、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられたグリッパ１を卵細胞９０から遠ざかる方向に移動させ（図５−３の矢印Ｌ２方向）、透明帯９１内部からグリッパ１の対象物保持部４を待避させる。上述した操作により、体外受精の作業は終了する。上記例では、一つのグリッパ１を用いるが、複数のグリッパ１を用いて体外受精の作業をしてもよい。また、上記例では、グリッパ１に精子９４を保持して細胞質９２に付着させているが、グリッパ１を用いて細胞質９２に穿孔して精子９４を細胞質９２へ注入してもよい。
【００４６】
本実施形態では、対象物をグリッパ１に保持するため、温度応答性ポリマー５を用いる。卵細胞の中にガラスキャピラリを挿入して精子を注入するＩＣＳＩ（intracytoplasmic sperm Injection：細胞質内精子注入）用いて体外受精させる場合は、次の問題点がある。まず、キャピラリ内に水銀等の比重の大きい物質を注入し、圧電アクチュエータを駆動して卵細胞の透明体に穿孔しなければならないが、比重の大きい物質がキャピラリ内を円滑に動くように、ＰＶＰ（Polyvinylpyrrolidone：ポリビニルピロリドン）をガラスキャピラリの内壁に表面処理しなければならず、精子がＰＶＰに接してしまう。また、精子をキャピラリ内に保持し、卵細胞内に注入するため、余分な物質（例えば、キャピラリ内に保持された培地）が卵細胞内に注入されるおそれがある。さらに、ＩＣＳＩでは、キャピラリの操作に熟練を要する。
【００４７】
また、レーザ等で卵細胞の透明帯に穿孔して、精子が卵細胞の内部へ入りやすいようにして、受精操作を補助する体外受精方法もあるが、この方法では、受精は、細胞の質に起因する受精能に頼らなければならない。これを回避するため、キャピラリを用いて精子を卵細胞内に注入する場合には、余分な物質が卵細胞内に注入されるおそれは回避できない。
【００４８】
本実施形態のグリッパ１及びグリッパシステム１０１を体外受精に適用すれば、精子９４は温度応答性ポリマー５に接触するのみなので、培地やＰＶＰや試薬類等、余計な物質が卵細胞９０内に注入されるおそれを最小限に抑えることができる。また、温度制御により精子をグリッパ１に保持させ、グリッパ１から解放させるので、ＩＣＳＩと比較して容易に作業できる。
【００４９】
図６、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。本変形例に係るグリッパ１ａは、上述したグリッパ１と略同様であるが、温度応答性ポリマー５の内側の対象物保持部４に温度調整手段２と温度検出手段３とを配置する点が異なる。これによって、温度応答性ポリマー５と温度調整手段２との距離を接近させることができるので、温度応答性ポリマー５の温度応答が速くなる。また、温度応答性ポリマー５と温度検出手段３との距離を接近させることができるので、温度応答性ポリマー５の温度の検出精度が向上する。
【００５０】
図７は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。本変形例に係るグリッパ１ｂは、上述したグリッパ１と略同様であるが、温度調整手段２を、ヒータ２Ｈと冷却手段である冷却素子２Ｃとで構成する点が異なる。冷却素子２Ｃとしては、例えば、ペルチェ素子を用いる。
【００５１】
ヒータ２Ｈ及び冷却素子２Ｃは、棒状の基部６に取り付けられており、図３に示す制御装置５０、より具体的には、制御装置５０の処理部５０Ｐが備える温度制御部５２によって制御される。温度制御部５２は、グリッパ１ｂの対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５に対象物を付着させ、グリッパ１ｂに対象物を保持させる際にヒータ２Ｈを発熱させて、温度応答性ポリマー５を加熱する。また、温度制御部５２は、グリッパ１ｂの対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５から対象物を脱離させ、グリッパ１ｂから対象物を解放させる際に冷却素子２Ｃで温度応答性ポリマー５を冷却する。これによって、グリッパ１ｂは、上述したグリッパ１やグリッパ１ｂと比較して、迅速に温度応答性ポリマー５の温度を目標温度（相転移温度）よりも低くすることができる。その結果、迅速に対象物をグリッパ１ｂから解放できるので、作業効率が向上する。
【００５２】
本実施形態及びその変形例では、グリッパの保持部に温度応答性ポリマーを設けることで、電場や磁場等の物理的な影響や雰囲気のｐＨ変化等の化学的な影響はほとんど発生しない。このため、温度応答性ポリマーを用いる場合、特に、細胞や染色体等に代表される生体に関する微小な対象物を取り扱う場合に好適である。
【００５３】
本実施形態及びその変形例では、グリッパの保持部に温度応答性ポリマーを設けたが、グリッパの保持部に設けて対象物を保持・解放する物質はこれに限定されるものではない。例えば、例えば、電気応答性ポリマー（電極の刺激により表面の特性が変化するポリマー）、光応答性ポリマー、ｐＨ応答性ポリマー等をグリッパの保持部に設けて、対象物の保持・解放をしてもよい。上述した電気応答性ポリマー、光応答性ポリマー、ｐＨ応答性ポリマー等は、上述した物理的な影響や化学的な影響を受けにくい微小な機械材料や電子材料等を取り扱う際に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明に係るグリッパは、顕微鏡の観測下で微小な対象物を保持・解放して操作を行うことに有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１ａ、１ｂ グリッパ
２ 温度調整手段
２Ｃ 冷却素子
２Ｈ ヒータ
３ 温度検出手段
４ 対象物保持部
４Ｔ 先端部分
５ 温度応答性ポリマー
６ 基部
２０Ｈ ホールド用マニピュレータ
２０Ｉ インジェクション用マニピュレータ
２６ アタッチメント
２８ 細胞保持具
３０ 顕微鏡ユニット
３１ カメラ
３２ 顕微鏡
３３ ベース
３４ テーブル
５０ 制御装置
５０ＩＯ 入出力部
５０Ｍ 記憶部
５０Ｐ 処理部
５１ 制御条件判定部
５２ 温度制御部
５３ マニピュレータ制御部
６０ 表示装置
６１ ジョイスティック
６２ 温度調整手段用ドライバ
９０ 卵細胞
９４ 精子
１００ マニピュレーションシステム
１０１ グリッパシステム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、顕微鏡の観測下で微小な対象物を保持・解放して操作を行うグリッパ及びマニピュレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
顕微鏡の観測下で微小な機械部品や細胞等といった微小な対象物に対して操作を行うため、対象物を把持するグリッパが用いられている。例えば、特許文献１には、把持対象物を把持する領域に熱電対を設けたマイクログリッパが開示されている。また、特許文献２には、把持対象を把持する領域の少なくとも一部を加熱する発熱抵抗体を備えたマイクログリッパが開示されている。
【０００３】
また、特許文献３には、配管内に流体が充填されるマイクロピペットと、前記流体に接触するダイヤフラムを介して配置される圧電素子と、該圧電素子を駆動する駆動電源とを備え、前記圧電素子の駆動により前記マイクロピペット内の流体を駆動するマイクロマニピュレーション装置が開示されている。
【０００４】
また、特許文献３には、上述したマイクロマニピュレーション装置を用いて、固定された卵細胞にマイクロピペットを接触させる工程と、前記マイクロピペットに連通する流体に接触するダイヤフラムを介して配置される圧電素子の駆動により前記マイクロピペット内の流体の吸引を行い、前記細胞の透明帯の微小部分を弱体化又は開孔する工程と、該弱体化又は開孔された卵細胞の透明帯の微小部分に前記マイクロピペットを挿入する工程とを施す細胞操作方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−１９２３８１号公報
【特許文献２】特開平８−１９２３８２号公報
【特許文献３】特開平８−２９０３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１、２に開示された技術は、対象物を把持するため、対象物を変形させることがある。特許文献１、２に開示された技術では、変形させることが好ましくない対象物を取り扱う場合には改善の余地がある。なお、特許文献１、２に開示された技術は、把持対象物の温度を測定したり、把持対象物を加熱したりする目的で、把持対象物を把持する領域に熱電対や発熱抵抗体を設けるもので、把持対象物を保持したり、解放したりするために熱電対や発熱抵抗体を設けるものではない。
【０００７】
また、特許文献３に開示された技術は、マイクロピペットを介して精子や細胞の核等の物質を卵細胞内に注入するため、マイクロピペット内の余分な物質が卵細胞内に注入されるおそれがある。本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、取り扱う対象物の変形を抑制すること、細胞等への余計な物質の混入を低減することのうち少なくとも一つを達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るグリッパは、対象物を保持する対象物保持部に設けられる温度応答性ポリマーと、当該温度応答性ポリマーの温度を変化させることにより、前記対象物を前記対象物保持部に保持し、又は前記対象物を前記対象物保持部から解放する温度調整手段と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記温度応答性ポリマーの温度を求めるための温度検出手段を備えることが望ましい。
【００１０】
本発明の好ましい態様としては、前記グリッパにおいて、前記温度調整手段はヒータであることが望ましい。
【００１１】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るマニピュレーションシステムは、前記グリッパと、当該グリッパが取り付けられるマニピュレータと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、取り扱う対象物の変形を抑制すること、余計な物質の混入を低減することのうち少なくとも一つを達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。
【図２】図２は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムを示す構成図である。
【図３】図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。
【図４】図４は、本実施形態に係るグリッパの拡大図である。
【図５−１】図５−１は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図５−２】図５−２は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図５−３】図５−３は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。
【図６】図６は、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。
【図７】図７は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の説明により本発明が限定されるものではない。また、下記の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
【００１５】
（実施形態）
図１は、本実施形態に係るグリッパが取り付けられるマニピュレーションシステムの構成図である。図２は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムを示す構成図である。図１に示すマニピュレーションシステム１００は、テーブル３４にホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが取り付けられる。図２に示すように、本実施形態に係るグリッパ１は、例えば、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０Ｉに取り付けられて、図１に示すテーブル３４に載置されるベース３３内の対象物（例えば、卵細胞）を把持する。
【００１６】
図２に示すように、マニピュレーションシステム１００は、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉと、顕微鏡ユニット３０と、グリッパシステム１０１とを含んでいる。本実施形態において、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、直交３軸系のマニピュレータである。ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、ＸＹ軸ステージ２１と、Ｚ軸ステージ２２と、Ｘ軸駆動装置２３と、Ｙ軸駆動装置２４と、Ｚ軸駆動装置２５と、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉにグリッパ１やインジェクションピペット等を取り付けるアタッチメント２６とを有する。アタッチメント２６は、Ｚ軸ステージ２２に取り付けられる。本実施形態では、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６にグリッパ１を取り付け、ホールド用マニピュレータ２０Ｈのアタッチメント２６に細胞保持具２８を取り付ける。
【００１７】
Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５は、制御装置５０によって制御され、アタッチメント２６に取り付けられるグリッパ１の位置が制御される。ＸＹ軸ステージ２１及びＺ軸ステージ２２は、Ｘ軸駆動装置２３及びＹ軸駆動装置２４及びＺ軸駆動装置２５によって移動して、図１に示すテーブル３４上の三次元空間内でグリッパ１を移動させる。なお、ホールド用マニピュレータ２０Ｈ及びインジェクション用マニピュレータ２０Ｉは、本実施形態の構成に限定されるものではない。
【００１８】
顕微鏡ユニット３０は、カメラ３１、顕微鏡３２を有する。顕微鏡３２は、ベース３３内の対象物を拡大する。カメラ３１は顕微鏡３２に取り付けられており、例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子で構成される。カメラ３１は、顕微鏡３２で拡大された対象物を撮像する。カメラ３１は、制御装置５０に接続されており、撮像した対象物の画像は、制御装置５０に取り込まれて、グリッパ１が対象物を把持するときの制御に用いられたり、制御装置５０に接続される表示装置（例えば、ディスプレイ）６０に表示されたりする。
【００１９】
制御装置５０には、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを操作したり、グリッパ１を操作したりするためのジョイスティック６１が接続されている。作業者は、ジョイスティック６１を操作することで、ホールド用マニピュレータ２０Ｈやインジェクション用マニピュレータ２０ＩのＸＹ軸ステージ２１やＺ軸ステージ２２を移動させたり、グリッパ１に対象物を保持させたり、グリッパ１が保持した対象物を解放させたりする。
【００２０】
図３は、本実施形態に係るグリッパ及びグリッパシステムの説明図である。図４は、本実施形態に係るグリッパの拡大図である。本実施形態において、グリッパ１は、例えば体外受精（特に家畜や実験用動物等の体外受精）に用いられるものであり、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられて、卵細胞９０の透明帯９１に予め穿孔された孔９３から、卵細胞の細胞質９２に精子９４を付着させたり挿入したりする。
【００２１】
グリッパ１は、対象物（本実施形態では精子９４）を保持する対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５と、温度応答性ポリマー５の温度を変化させることにより、対象物を対象物保持部４に保持し、又は対象物を対象物保持部４から解放する温度調整手段２と、を含む。また、本実施形態において、グリッパ１には、温度応答性ポリマー５の温度を求めるために用いられる温度検出手段３を備える。温度検出手段３は、例えば、熱電対やサーミスタであり、対象物保持部４（本実施形態では、対象物保持部４の先端部分４Ｔ）に設けられる。
【００２２】
対象物保持部４は温度調整手段２に取り付けられ、温度調整手段２は、棒状又は板状の部材である基部６に取り付けられる。基部６及び対象物保持部４は、例えば、ガラス、シリコン、金属（タングステンや白金、金、チタン、チタン合金等）で構成する。基部６は、温度調整手段２が取り付けられる対象物保持部４と一体としてもよい。アタッチメント２６は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが備えるものであり、制御装置５０によって図２に示す図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉが操作されることで、アタッチメント２６の中心軸と平行な方向（図３の矢印Ｌ１、Ｌ２で示す方向）に移動する。
【００２３】
対象物保持部４の表面に塗布される温度応答性ポリマー５は、温度に応答して構造を変化させる高分子材料であり、化学構造からはポリマーに分類され、物理状態からはゲルに分類される。温度応答性ポリマー５は、温度に応じて水和、脱水和して、表面の化学的性質が親水性、疎水性に変化したり、膨潤−脱膨潤変化をしたり、体積変化をしたりする。本実施形態では、温度応答性ポリマー５として、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いるが、本実施形態に適用可能な温度応答性ポリマー５はこれに限定されるものではない。
【００２４】
ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）は、水の存在下においてある温度（相転移温度）以下では水和し、それ以上では脱水和するものであり、相転移温度以下においては表面が親水性で、相転移温度以上では表面が疎水性である。温度応答性ポリマー５にポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いる場合、温度応答性ポリマー５の温度が相転移温度以上になると温度応答性ポリマー５の表面が疎水性となる。一方、温度応答性ポリマー５の温度を相転移温度以下になると温度応答性ポリマー５の表面が親水性となる。このように、本実施形態では、グリッパ１の対象物保持部４に設けられた温度応答性ポリマー５の温度を温度調整手段２によって調整することにより、温度応答性ポリマー５の表面への対象物（例えば細胞や染色体等）の保持・解放を制御する。その結果、グリッパ１は、対象物を把持しないで保持・解放を実現できるので、取り扱う対象物の変形を抑制できる。
【００２５】
温度応答性ポリマー５にポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）を用いる場合、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５の温度を上昇させると、対象物が温度応答性ポリマー５の表面が疎水性になる。一方、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５の温度を低下させると、温度応答性ポリマー５の表面が親水性になる。
【００２６】
本実施形態において、温度調整手段２にはヒータを用い、温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる場合には、温度調整手段２によって温度応答性ポリマー５を加熱する。そして、温度応答性ポリマー５の温度を低下させる場合には、温度調整手段２による加熱を調整（制御）して温度応答性ポリマー５から放熱させることにより、温度応答性ポリマー５の温度を低下させる。ここで、ヒータは、電気エネルギを熱エネルギに変換するエネルギ変換手段であり、例えば、発熱抵抗体や、誘電加熱装置等が用いられる。
【００２７】
温度調整手段２は、温度調整手段用ドライバ６２によって加熱される。温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる場合、制御装置５０は、温度調整手段用ドライバ６２に加熱指令を送信する。温度調整手段用ドライバ６２は、加熱指令に基づき、例えば電気エネルギを温度調整手段２に与え、これによって温度調整手段２を発熱させて温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる。温度応答性ポリマー５の温度を低下させる場合、制御装置５０は、温度調整手段用ドライバ６２に送信していた加熱指令を調整（制御）する。これによって、温度調整手段用ドライバ６２は、温度調整手段２への電気エネルギの供給が制御され、その結果、温度応答性ポリマー５の温度が低下する。
【００２８】
本実施形態では、制御装置５０が温度検出手段３を用いて温度応答性ポリマー５の温度を求め、その温度を用いて温度応答性ポリマー５の温度が目標温度になるように温度調整手段２の発熱量を制御（フィードバック制御）する。例えば、制御装置５０は、温度応答性ポリマー５の目標温度と、温度検出手段３を用いて求めた温度との偏差が０になるように、温度調整手段２の発熱量を制御する。ここで、本実施形態では、温度検出手段３は対象物保持部４の温度を検出しており、温度応答性ポリマー５の温度を直接検出するものではない。このため、厳密には、温度検出手段３が検出した温度と、温度応答性ポリマー５の実際の温度とは異なる。したがって、実験や解析によって、温度検出手段３が検出した温度と、温度応答性ポリマー５の実際の温度との関係を求めておき、制御装置５０は、この関係を用いて温度検出手段３が計測した温度を補正して、温度応答性ポリマー５の温度とすることが好ましい。
【００２９】
温度応答性ポリマー５の目標温度を、温度応答性ポリマー５の転移温度とする。この場合、温度応答性ポリマー５の温度が目標温度になると、温度応答性ポリマー５の表面は疎水性となる。温度応答性ポリマー５の温度が目標温度を下回ると、温度応答性ポリマー５の表面は親水性となる。
【００３０】
このように、本実施形態では、温度調整手段２によって、温度応答性ポリマー５の温度を目標温度及び目標温度よりも低い温度に切り替えることで、温度応答性ポリマー５の表面を疎水性と親水性とに切り替え、これによって、対象物の保持と解放とを切り替える。なお、温度応答性ポリマー５の表面に確実に対象物を吸着させるため、目標温度は、温度応答性ポリマー５の転移温度に所定の温度α（例えば、１℃〜３℃）を加算した値とすることが好ましい。ここで、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）の転移温度は、３０℃〜３４℃の範囲であり、一例としては３２℃のものがある。
【００３１】
本実施形態において、グリッパ１の保持・解放動作は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０には、温度調整手段用ドライバ６２が接続されており、制御装置５０からの加熱指令により、温度調整手段用ドライバ６２が温度調整手段２を駆動する。また、制御装置５０には、表示装置６０、及びグリッパ１や図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉ等の操作手段であるジョイスティック６１が接続されている。
【００３２】
ジョイスティック６１は、作業者が操作するマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭ及びグリッパ操作用レバー６１ＲＧを備える。このような構成により、ジョイスティック６１によって、グリッパ１及びマニピュレータ（例えば、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉ）の両方を一つのジョイスティック６１で操作できる。マニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを矢印Ａ１の方向に操作すると、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６が図３の矢印Ｌ１方向へ移動して、卵細胞９０へ近づく。また、マニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを矢印Ａ２の方向に操作すると、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６が図３の矢印Ｌ２方向へ移動して、卵細胞９０から遠ざかる。グリッパ操作用レバー６１ＲＧを矢印Ｈの方向に操作するとグリッパ１は対象物を保持し、グリッパ操作用レバー６１ＲＧを矢印Ｒの方向に操作するとグリッパ１は対象物を解放する。
【００３３】
制御装置５０はマイクロコンピュータであり、処理部５０Ｐと、記憶部５０Ｍと、入出力部５０ＩＯとを含む。入出力部５０ＩＯには、温度調整手段用ドライバ６２、温度検出手段３、ジョイスティック６１が接続される。処理部５０Ｐは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と半導体メモリとを組み合わせて構成されており、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御を実行する。記憶部５０Ｍは、例えば、半導体を利用した記憶素子や磁気記憶装置、あるいは光磁気記憶装置等であり、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００の制御に必要なコンピュータプログラムや制御データ等が保存される。
【００３４】
処理部５０Ｐは、制御条件判定部５１と、温度制御部５２と、マニピュレータ制御部５３とを備える。制御条件判定部５１は、グリッパシステム１０１やマニピュレーションシステム１００に対する種々の制御において、制御の条件を判定する。温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２を制御して、温度調整手段２の温度を調整する。マニピュレータ制御部５３は、ジョイスティック６１からの入力信号に基づき、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉやホールド用マニピュレータ２０Ｈの動作を制御する。
【００３５】
本実施形態において、制御条件判定部５１の機能、及び温度制御部５２の機能、及びマニピュレータ制御部５３の機能は、処理部５０Ｐがこれらの機能を実現するコンピュータプログラムを記憶部５０Ｍから読み出して実行することにより実現される。次に、グリッパシステム１０１及びグリッパ１を用いて、卵細胞９０に精子を体外受精させる例を説明する。
【００３６】
図５−１〜図５−３は、本実施形態に係るグリッパを用いた体外受精の作業手順を示す模式図である。次の説明では、グリッパ１を、卵細胞体外受精用精子保持ツールとして用いる。体外受精は、卵細胞９０の透明帯９１に孔９３を穿孔しておき、精子９４を保持させたグリッパ１の対象物保持部４を９３から進入させて、細胞質９２に精子９４を着床させる。本実施形態において、体外受精の作業は、図２に示すマニピュレーションシステム１００を用いて、ベース３３上の卵細胞９０及び精子９４を顕微鏡３２で観測しながら行われる。
【００３７】
図５−１に示すように、卵細胞９０には、グリッパ１が進入するための孔９３が穿孔されている。孔９３は、卵細胞９０の透明帯９１の一部を、レーザや加熱した電極等によって取り除くことにより形成される。この孔９３から精子９４を卵細胞９０の細胞質９２へ挿入するにあたって、グリッパ１の対象物保持部４に精子９４を保持させる。このため、作業者は、図３に示すジョイスティック６１のグリッパ操作用レバー６１ＲＧを、図３の矢印Ｈの方向（保持方向）に操作する。
【００３８】
すると、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられる温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２に加熱指令を送信する。温度調整手段用ドライバ６２は、送信された加熱指令にしたがって温度調整手段２を発熱させて、温度応答性ポリマー５の温度を上昇させる。このとき、温度制御部５２は、温度検出手段３が検出した温度に基づき、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５の温度（実温度）を求める。そして、温度制御部５２は、上述した温度応答性ポリマー５の目標温度と、温度制御部５２が求めた温度応答性ポリマー５の実温度との偏差が０になるように、温度調整手段２の発熱量を制御する。
【００３９】
温度制御部５２が温度応答性ポリマー５の実温度が目標温度に到達したと判定したら、温度制御部５２は、その情報を制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられる制御条件判定部５１へ送信する。この情報を取得した制御条件判定部５１は、精子９４をグリッパ１の対象物保持部４に保持できると判定し、その情報を、保持可能情報として、例えば表示装置６０に表示させる。なお、保持可能情報は、例えば、ライトを点灯あるいは点滅させることにより報知したり、音声によって報知したりしてもよい（以下同様）。作業者は、保持可能情報を確認して、ベース３３上の精子９４をグリッパ１の対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５に接触させ、温度応答性ポリマー５に精子を吸着させる。これによって、精子９４を対象物保持部４に保持させる。
【００４０】
次に、精子９４を保持したグリッパ１を卵細胞９０の細胞質９２へ挿入するため、卵細胞９０の透明帯９１に穿孔された孔９３へ、グリッパ１の対象物保持部４を進入させる。作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを図３の矢印Ａ１の方向に操作する。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられるマニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを駆動する。これによって、マニピュレータ制御部５３は、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられたグリッパ１を卵細胞９０に接近させ（図５−１の矢印Ｌ１方向）、透明帯９１の孔９３を通ってグリッパ１の対象物保持部４を透明帯９１の内部に進入させる。
【００４１】
そして、図５−２に示すように、精子９４が透明帯９１の内部に入った状態で、作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを停止位置に戻す。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、制御装置５０の処理部５０Ｐに設けられるマニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを停止させ、これによって、グリッパ１を停止させる。なお、対象物保持部４に保持された精子９４が卵細胞９０の細胞質９２と接触した状態で、グリッパ１の移動を停止させることが好ましい。
【００４２】
作業者は、精子９４が透明帯９１の内部に入ったことを確認したら、グリッパ１の対象物保持部４から精子９４を解放する。この場合、作業者は、図３に示すジョイスティック６１のグリッパ操作用レバー６１ＲＧを、図３の矢印Ｒの方向（解放方向）に操作する。すると、温度制御部５２は、温度調整手段用ドライバ６２に発信していた加熱指令を制御する。これによって、温度調整手段２には自身の発熱に用いるエネルギ（本実施形態では電気エネルギ）が制御される。
【００４３】
このとき、温度制御部５２は、温度検出手段３が検出した温度に基づき、対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５の温度（実温度）を求める。制御条件判定部５１は、温度応答性ポリマー５の実温度を取得し、予め定められ、記憶部５０Ｍに格納されている対象物解放温度と比較する。対象物解放温度は、温度応答性ポリマー５の表面が親水性に変化して、温度応答性ポリマー５の表面吸着されていた対象物（精子９４）が脱離する温度である。対象物解放温度は、温度応答性ポリマー５の相転移温度としてもよいが、相転移温度よりも所定の温度（例えば２℃〜５℃）低い温度とすることが好ましい。これによって、温度応答性ポリマー５の表面を確実に親水性として、温度応答性ポリマー５の表面に吸着されていた精子９４を確実に解放できる。
【００４４】
制御条件判定部５１が、実温度が対象物解放温度になったと判定したら、制御条件判定部５１は、精子９４はグリッパ１の対象物保持部４から解放可能と判定し、その情報を、解放可能情報として、例えば表示装置６０に表示させる。作業者は、ジョイスティック６１のマニピュレータ操作用レバー６１ＲＭを図３の矢印Ａ２の方向に操作する。この操作によってジョイスティック６１から送信される信号に基づき、マニピュレータ制御部５３は、図２に示すインジェクション用マニピュレータ２０Ｉを駆動する。
【００４５】
これによって、マニピュレータ制御部５３は、インジェクション用マニピュレータ２０Ｉのアタッチメント２６に取り付けられたグリッパ１を卵細胞９０から遠ざかる方向に移動させ（図５−３の矢印Ｌ２方向）、透明帯９１内部からグリッパ１の対象物保持部４を待避させる。上述した操作により、体外受精の作業は終了する。上記例では、一つのグリッパ１を用いるが、複数のグリッパ１を用いて体外受精の作業をしてもよい。また、上記例では、グリッパ１に精子９４を保持して細胞質９２に付着させているが、グリッパ１を用いて細胞質９２に穿孔して精子９４を細胞質９２へ注入してもよい。
【００４６】
本実施形態では、対象物をグリッパ１に保持するため、温度応答性ポリマー５を用いる。卵細胞の中にガラスキャピラリを挿入して精子を注入するＩＣＳＩ（intracytoplasmic sperm Injection：細胞質内精子注入）用いて体外受精させる場合は、次の問題点がある。まず、キャピラリ内に水銀等の比重の大きい物質を注入し、圧電アクチュエータを駆動して卵細胞の透明体に穿孔しなければならないが、比重の大きい物質がキャピラリ内を円滑に動くように、ＰＶＰ（Polyvinylpyrrolidone：ポリビニルピロリドン）をガラスキャピラリの内壁に表面処理しなければならず、精子がＰＶＰに接してしまう。また、精子をキャピラリ内に保持し、卵細胞内に注入するため、余分な物質（例えば、キャピラリ内に保持された培地）が卵細胞内に注入されるおそれがある。さらに、ＩＣＳＩでは、キャピラリの操作に熟練を要する。
【００４７】
また、レーザ等で卵細胞の透明帯に穿孔して、精子が卵細胞の内部へ入りやすいようにして、受精操作を補助する体外受精方法もあるが、この方法では、受精は、細胞の質に起因する受精能に頼らなければならない。これを回避するため、キャピラリを用いて精子を卵細胞内に注入する場合には、余分な物質が卵細胞内に注入されるおそれは回避できない。
【００４８】
本実施形態のグリッパ１及びグリッパシステム１０１を体外受精に適用すれば、精子９４は温度応答性ポリマー５に接触するのみなので、培地やＰＶＰや試薬類等、余計な物質が卵細胞９０内に注入されるおそれを最小限に抑えることができる。また、温度制御により精子をグリッパ１に保持させ、グリッパ１から解放させるので、ＩＣＳＩと比較して容易に作業できる。
【００４９】
図６、本実施形態の第１変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。本変形例に係るグリッパ１ａは、上述したグリッパ１と略同様であるが、温度応答性ポリマー５の内側の対象物保持部４に温度調整手段２と温度検出手段３とを配置する点が異なる。これによって、温度応答性ポリマー５と温度調整手段２との距離を接近させることができるので、温度応答性ポリマー５の温度応答が速くなる。また、温度応答性ポリマー５と温度検出手段３との距離を接近させることができるので、温度応答性ポリマー５の温度の検出精度が向上する。
【００５０】
図７は、本実施形態の第２変形例に係るグリッパの構成を示す模式図である。本変形例に係るグリッパ１ｂは、上述したグリッパ１と略同様であるが、温度調整手段２を、ヒータ２Ｈと冷却手段である冷却素子２Ｃとで構成する点が異なる。冷却素子２Ｃとしては、例えば、ペルチェ素子を用いる。
【００５１】
ヒータ２Ｈ及び冷却素子２Ｃは、棒状の基部６に取り付けられており、図３に示す制御装置５０、より具体的には、制御装置５０の処理部５０Ｐが備える温度制御部５２によって制御される。温度制御部５２は、グリッパ１ｂの対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５に対象物を付着させ、グリッパ１ｂに対象物を保持させる際にヒータ２Ｈを発熱させて、温度応答性ポリマー５を加熱する。また、温度制御部５２は、グリッパ１ｂの対象物保持部４に設けられる温度応答性ポリマー５から対象物を脱離させ、グリッパ１ｂから対象物を解放させる際に冷却素子２Ｃで温度応答性ポリマー５を冷却する。これによって、グリッパ１ｂは、上述したグリッパ１やグリッパ１ｂと比較して、迅速に温度応答性ポリマー５の温度を目標温度（相転移温度）よりも低くすることができる。その結果、迅速に対象物をグリッパ１ｂから解放できるので、作業効率が向上する。
【００５２】
本実施形態及びその変形例では、グリッパの保持部に温度応答性ポリマーを設けることで、電場や磁場等の物理的な影響や雰囲気のｐＨ変化等の化学的な影響はほとんど発生しない。このため、温度応答性ポリマーを用いる場合、特に、細胞や染色体等に代表される生体に関する微小な対象物を取り扱う場合に好適である。
【００５３】
本実施形態及びその変形例では、グリッパの保持部に温度応答性ポリマーを設けたが、グリッパの保持部に設けて対象物を保持・解放する物質はこれに限定されるものではない。例えば、例えば、電気応答性ポリマー（電極の刺激により表面の特性が変化するポリマー）、光応答性ポリマー、ｐＨ応答性ポリマー等をグリッパの保持部に設けて、対象物の保持・解放をしてもよい。上述した電気応答性ポリマー、光応答性ポリマー、ｐＨ応答性ポリマー等は、上述した物理的な影響や化学的な影響を受けにくい微小な機械材料や電子材料等を取り扱う際に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明に係るグリッパは、顕微鏡の観測下で微小な対象物を保持・解放して操作を行うことに有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１、１ａ、１ｂ グリッパ
２ 温度調整手段
２Ｃ 冷却素子
２Ｈ ヒータ
３ 温度検出手段
４ 対象物保持部
４Ｔ 先端部分
５ 温度応答性ポリマー
６ 基部
２０Ｈ ホールド用マニピュレータ
２０Ｉ インジェクション用マニピュレータ
２６ アタッチメント
２８ 細胞保持具
３０ 顕微鏡ユニット
３１ カメラ
３２ 顕微鏡
３３ ベース
３４ テーブル
５０ 制御装置
５０ＩＯ 入出力部
５０Ｍ 記憶部
５０Ｐ 処理部
５１ 制御条件判定部
５２ 温度制御部
５３ マニピュレータ制御部
６０ 表示装置
６１ ジョイスティック
６２ 温度調整手段用ドライバ
９０ 卵細胞
９４ 精子
１００ マニピュレーションシステム
１０１ グリッパシステム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を保持する対象物保持部に設けられる温度応答性ポリマーと、
当該温度応答性ポリマーの温度を変化させることにより、前記対象物を前記対象物保持部に保持し、又は前記対象物を前記対象物保持部から解放する温度調整手段と、
を含むことを特徴とするグリッパ。
【請求項２】
前記温度応答性ポリマーの温度を求めるための温度検出手段を備える請求項１に記載のグリッパ。
【請求項３】
前記温度調整手段はヒータである請求項２に記載のグリッパ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のグリッパと、
当該グリッパが取り付けられるマニピュレータと、
を含むマニピュレーションシステム。
【請求項１】
対象物を保持する対象物保持部に設けられる温度応答性ポリマーと、
当該温度応答性ポリマーの温度を変化させることにより、前記対象物を前記対象物保持部に保持し、又は前記対象物を前記対象物保持部から解放する温度調整手段と、
を含むことを特徴とするグリッパ。
【請求項２】
前記温度応答性ポリマーの温度を求めるための温度検出手段を備える請求項１に記載のグリッパ。
【請求項３】
前記温度調整手段はヒータである請求項２に記載のグリッパ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のグリッパと、
当該グリッパが取り付けられるマニピュレータと、
を含むマニピュレーションシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図５−３】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−１６２６２０（Ｐ２０１０−１６２６２０Ａ）
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４８２９（Ｐ２００９−４８２９）
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２９日（２０１０．７．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月１３日（２００９．１．１３）
【出願人】（０００００４２０４）日本精工株式会社 (8,378)
【Ｆターム（参考）】
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