マイクロニードルの力学特性評価装置
【課題】 薄膜に対して一様な２軸引張応力を再現性良く付与することが可能であって、しかも、微小且つ含水性のある薄膜でも容易に取り扱うことが可能なマイクロニードルの力学特性評価装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０は、パンチ通過孔３０が貫通形成されてその上面に薄膜Ｕが載置される薄膜載置板２５、及びニードル通過孔２８が貫通形成されて薄膜Ｕを薄膜載置板２５上に押圧固定する薄膜押さえ板２６を具備するホルダユニット５１と、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて薄膜Ｕを裏面側から押圧するパンチユニット５２と、薄膜Ｕのうちパンチユニット３によって押圧された部分に対してその表面側からマイクロニードル４７を刺入するニードルユニット５３と、を備えるものである。
【解決手段】 本発明に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０は、パンチ通過孔３０が貫通形成されてその上面に薄膜Ｕが載置される薄膜載置板２５、及びニードル通過孔２８が貫通形成されて薄膜Ｕを薄膜載置板２５上に押圧固定する薄膜押さえ板２６を具備するホルダユニット５１と、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて薄膜Ｕを裏面側から押圧するパンチユニット５２と、薄膜Ｕのうちパンチユニット３によって押圧された部分に対してその表面側からマイクロニードル４７を刺入するニードルユニット５３と、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜刺入時におけるマイクロニードルの力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置に関し、特に、微小且つ含水性のある薄膜に対しても一様な２軸引張応力を容易に付与することが可能なマイクロニードルの力学特性評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＤＳシステム（Ｄｒｕｇ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ）、すなわち必要な時に必要な量の薬剤を必要とする部位に到達させる仕組みの構築に向け、近年、マイクロニードルと呼ばれる極小の針を神経の届かない表皮のみに刺入する、無痛の薬剤投与方法が提唱されている。ここで、マイクロニードルが薬剤放出に必要な深さまで刺入できるだけの十分な剛性や強度を有しているかを検討したり、マイクロニードルの先端形状の設計や材料設計を行う上で、皮膚刺入時における力学特性を評価することが重要となる。マイクロニードルの力学特性を評価する試験は、引張応力を付与した状態の皮膚標本や人工培養皮膚（以下、単に「培養皮膚等」と略す）に対し、マイクロニードルを刺入することにより行われる。ここで、培養皮膚等のような薄膜に対して引張応力を付与するための薄膜引張試験装置としては、薄膜の周縁部をチャックして引っ張ることによって引張応力を付与するタイプのものが従来用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１８４７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の薄膜引張試験装置を用いて培養皮膚等に引張応力を付与する場合、以下のような問題がある。まず、培養皮膚等は各個体によって形状にばらつきがあり、また、一個体中でも部位によって形状が異なるものである。従って、培養皮膚等の周縁部をチャックして引っ張る方法では、ある１つの培養皮膚等の全域に渡って一様な２軸引張応力を付与することが難しく、また、形状の異なる培養皮膚等に対して一定の２軸引張応力を再現性良く付与することも難しい。更に、従来の薄膜引張試験装置を応用して培養皮膚等に２軸引張応力を付与しようとする場合、培養皮膚等を２軸方向にそれぞれ引っ張るという複雑な操作が必要とされる。この点からも、各培養皮膚等に対して一定の２軸引張応力を再現性良く付与することが難しい。
【０００５】
また、培養皮膚等は、直径が１０〜３０ｍｍ程度で厚みが３００μｍと小さく、且つ、含水性を有するものである。従って、その周縁部をチャックする作業が難しく、培養皮膚等が皺くちゃになってしまったり、或いはマイクロニードルを刺入する中心部分を誤って傷付けててしまったり、或いはチャック作業に時間が掛かり過ぎて培養皮膚等が乾燥してしまったりすることにより、力学特性の評価を精度良く行うことができないという問題がある。また、チャックした培養皮膚等を引っ張る時に、チャックした周縁部が破れやすいという問題もある。更に、培養皮膚等においてチャック部分の周辺では２軸引張応力が一様とならないため、試験に使用することができない。従って、微小な培養皮膚等のうち、更にその中央部のごく狭い領域でしか一様な２軸引張応力を実現することができず、マイクロニードルを刺入するための領域として十分な広さを確保することができないという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、薄膜に対して一様な２軸引張応力を再現性良く付与することが可能であって、しかも、微小且つ含水性のある薄膜でも容易に取り扱うことが可能なマイクロニードルの力学特性評価装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、マイクロニードルの薄膜刺入時における力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置であって、パンチ通過孔が貫通形成されてその上面に薄膜が載置される薄膜載置板、及びニードル通過孔が貫通形成されて薄膜を前記薄膜載置板上に押圧固定する薄膜押さえ板を具備するホルダユニットと、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて前記パンチ通過孔を通して筒状の先端で薄膜を裏面側から押圧するパンチユニットと、薄膜のうち前記パンチユニットによって押圧された部分に対して前記ニードル通過孔を通してその表面側からマイクロニードルを刺入するニードルユニットと、を備えるものである。
【０００８】
請求項２記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、前記薄膜を裏面側から観察するためのマイクロスコープを更に備えるものである。
【０００９】
請求項３記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、前記ホルダユニットが、前記パンチユニットと前記ニードルユニットとを支持する装置本体に対して着脱可能に設けられたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の請求項１に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、薄膜載置板の上に薄膜を載置してその上から薄膜押さえ板で押さえ付けるという容易な作業で薄膜を固定できるので、薄膜の形状によらずに一様な２軸引張応力を再現性良く付与することができる。更に、パンチユニットを１軸方向に移動させるだけの単純な操作でよい点からも、一様な２軸引張応力を再現性良く付与することが可能である。
【００１１】
また、薄膜の周縁部をチャックする作業が不要であるため、微小且つ含水性のある薄膜であっても容易に取り扱うことができ、薄膜が皺くちゃになったり、薄膜の中心部を傷付けたり、固定作業に時間が掛かり過ぎて薄膜が乾燥することがなく、力学特性の評価を精度良く行うことができる。また、パンチユニットで押圧して薄膜に引張応力を付与する際に、薄膜が周縁部で破れることも生じにくい。更に、本発明に係る薄膜の固定方法によれば、薄膜の周縁部をチャックして固定する場合と比較して、マイクロニードルを刺入するための領域として十分な広さを確保することができ、微小な薄膜であっても面積の有効利用が可能となる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、マイクロニードル刺入時の薄膜の様子をマイクロスコープで観察することにより、マイクロニードルの力学特性をより正確に評価することができる。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、ホルダユニットが装置本体対して着脱可能に設けられたので、薄膜の固定作業は、ホルダユニットを装置本体から取り外し、このホルダユニットに薄膜を固定した後、ホルダユニットごと装置本体に再度装着することにより行うことができる。従って、薄膜の固定作業時にパンチユニットやニードルユニットによって薄膜を傷付けることがない。また、マイクロニードルの刺入試験後に、離れた場所にある顕微鏡まで、薄膜をホルダユニットごと容易に持ち運ぶことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置の構成について、図面に基づいて説明する。図１は、第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の外観を示す概略斜視図である。マイクロニードルの力学特性評価装置１は、薄膜Ｕを保持するためのホルダユニット２と、薄膜Ｕに２軸引張応力を付与するためのパンチユニット３と、薄膜Ｕにマイクロニードルを刺入するためのニードルユニット４と、これら３つのユニットを支持する装置本体５と、を備えるものである。尚、本実施例では、本発明に係る薄膜Ｕとして微小且つ含水性のある培養皮膚等を使用しているが、大型の薄膜や含水性のない薄膜であってもよく、また再生医療で使用される角膜など他の生体組織であってもよい。更に、薄膜Ｕはこれら生体組織だけに限られず、例えばシリコン薄膜等を使用することも可能である。
【００１５】
前記装置本体５は、図１に示すように、支持柱６が突設されたベース板７と、支持柱６に固定されて水平方向に延びる３個の支持アーム８，９，１０と、支持柱６に固定されて各支持アーム８，９，１０が支持柱６に沿って滑り落ちるのを防止する３個の落下防止部材１１と、ホルダユニット２の芯出しを行うためのホルダ芯出し棒１２とを有している。
【００１６】
３個の支持アームのうち最上位置に固定された第１支持アーム８は、前記ニードルユニット４を支持するためのものである。この第１支持アーム８は、樹脂等からなり、図１に示すように、その先端部には、ニードルユニット４を取り付け可能な大きさの取付孔１３が貫通形成されるとともに、この取付穴１３から第１支持アーム８の先端に達するようにして、所定幅の切欠き１４が形成されている。このように構成される第１支持アーム８は、その基端部が支持柱６に固定される一方、その先端部に、切欠き１４を通過するようにして固定ネジ１５が螺合されている。このような構成によれば、ニードルユニット４を取付孔１３に挿通させた状態で固定ネジ１５を締めると、樹脂等からなる第１支持アーム８は、切欠き１４の幅が狭くなるように弾性変形し、縮径した取付孔１３によってニードルユニット４が挟持される。これにより、第１支持アーム８によってニードルユニット４が支持されるものとなっている。
【００１７】
３個の支持アームのうち中間位置に固定された第２支持アーム９は、前記ホルダユニット２を支持するためのものである。この第２支持アーム９も樹脂等からなり、その先端には、ホルダユニット２を載置するためのホルダ載置台１６が設けられている。このホルダ載置台１６には、図４に示すように、その上面から所定深さだけ段落ちして平面視略矩形の段落ち溝１７が形成されるとともに、この段落ち溝１７の略中央には、平面視で段落ち溝１７より小さい矩形形状のパンチ通過穴１８が、ホルダ載置台１６の底面まで達するようにして形成されている。また、ホルダ載置台１６の四隅には、ネジ孔１９がそれぞれ形成されている。
【００１８】
３個の支持アームのうち最下位置に固定された第３支持アーム１０は、前記パンチユニット３を支持するためのものである。この第３支持アーム１０も樹脂等からなり、図１に示すように、その先端部には、パンチユニット３を取り付け可能な大きさの取付孔２０が貫通形成されるとともに、この取付孔２０から第３支持アーム１０の先端に達するようにして、所定幅の切欠き２１が形成されている。このように構成される第３支持アーム１０は、その基端部が支持柱６に固定される一方、その先端部に、切欠き２１を通過するようにして固定ネジ２２が螺合されている。このような構成によれば、パンチユニット３を取付穴２０に挿通させた状態で固定ネジ２２を締めると、樹脂等からなる第３支持アーム１０は、切欠き２１の幅が狭くなるように弾性変形し、縮径した取付孔２０によってパンチユニット３が挟持される。これにより、第３支持アーム１０によってパンチユニット３が支持されるものとなっている。
【００１９】
ホルダ芯出し棒１２は、図１に示すように、大径の頭部２３と、長尺な棒状の軸部２４とから構成されるものである。このホルダ芯出し棒１２の軸部２４を、３個の支持アーム８，９，１０にそれぞれ挿通させることにより、ホルダユニット２の中心位置が、パンチユニット３の中心位置とニードルユニット４の中心位置に一致するようになっている。これにより、ホルダユニット２の略中央に載置された薄膜Ｕに対し、後述するプレッシャーやマイクロニードルを正確に位置決めすることができる。
【００２０】
図２から図４は、前記ホルダユニット２について説明するための図であり、図２は図１において第２支持アーム９のホルダ載置台１６の近傍を拡大した部分拡大斜視図、図３と図４はホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図である。尚、図２では説明の便宜上、ホルダ載置台１６とホルダユニット２の一部を破断した状態で示している。図３と図４に示すように、ホルダユニット２は、薄膜Ｕを載置するための薄膜載置板２５と、この薄膜載置板２５の上に薄膜Ｕを押圧固定するための薄膜押さえ板２６と、この薄膜押さえ板２６を前記ホルダ載置台１６上に押さえ付けて固定するためのホルダ押さえ板２７とを有している。薄膜押さえ板２６は、図３に示すように、平面視で略矩形形状のガラス板であって、その中央部には、ニードルユニット４を通過させるためのニードル通過孔２８が貫通形成されている。尚、薄膜押さえ板２６の材質や形状は、本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。
【００２１】
薄膜載置板２５は、図３に示すように、その平面視形状が図４に示すホルダ載置台１６の段落ち溝１７の平面視形状と略同形であって、その厚みが段落ち溝１７の深さより大きいものである。この薄膜載置板２５の上面には、薄膜押さえ板２６を嵌合させるための押さえ板嵌合溝２９が形成されている。押さえ板嵌合溝２９は、その平面視形状が薄膜押さえ板２６と略同形であって、その深さが薄膜押さえ板２６の厚みと略等しくなっている。そして、押さえ板嵌合溝２９の底部には、パンチユニット３を通過させるためのパンチ通過孔３０が、薄膜押さえ板２６を貫通して形成されている。このパンチ通過孔３０は、図２に示すように、薄膜押さえ板２６のニードル通過孔２８と略同径であって、薄膜載置板２５の底面に向かって徐々に拡径することにより、パンチユニット３を通過させやすくなっている。更に、図３に示すように、押さえ板嵌合溝２９には、嵌合させた薄膜押さえ板２６を取り出しやすくするため、その縁部には一対の取り出し用溝３１が、その四隅には取り出し用穴３２がそれぞれ形成されている。
【００２２】
ホルダ押さえ板２７は、図３に示すように、平面視で略ロの字形状の部材であって、その中央部には、ニードルユニット４を通過させるためのニードル通過穴３３が貫通形成されている。このニードル通過穴３３の平面視形状は、薄膜押さえ板２６の平面視形状より若干小さい略矩形形状である。これにより、図２に示すように、薄膜押さえ板２６を覆うようにしてホルダ押さえ板２７を配設した時に、ホルダ押さえ板２７の内周縁部が薄膜押さえ板２６の外縁部に当接するようになっている。また、図３と図４に示すように、ホルダ押さえ板２７には、その四隅に、後述するホルダ固定用ネジ３４を挿通させるためのネジ挿通孔３５がそれぞれ形成されるとともに、各ネジ挿通孔３５の若干内側には、押さえ板固定用ネジＮを螺合させるためのネジ孔３６がそれぞれ形成されている。
【００２３】
前記パンチユニット３は、図１に示すように、薄膜Ｕを押圧するためのプレッシャー３７と、このプレッシャー３７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ３８とを備えるものである。ここで、マイクロメータ３８は、精密な長さの測定に用いられる従来公知の測定器であって、その一端側に設けられたラチェットストップ３９を回転させると、マイクロメータ本体４０からスピンドル４１と呼ばれる棒状の部材が出没する構造を有している。一方、図５は、プレッシャー３７の構造を示す概略縦断面図である。プレッシャー３７は、マイクロメータ３８に取り付けるための取付部４２と、薄膜Ｕを押圧するための押圧部４３とを備えている。取付部４２は、略円柱形状の外形を有し、押圧部４３と逆側の端部から、マイクロメータ３８のスピンドル４１と略等しい断面形状のスピンドル嵌入孔４４が形成されている。更に、取付部４２には、その外周面からスピンドル嵌入孔４４に達するネジ孔４５が形成され、このネジ孔４５に図示しないネジが螺合されている。また、押圧部４３は、取付部４２より小径の略円柱形状の外形を有し、取付部４２と逆側の端部から、断面略円形の薄膜引張用孔４６が形成されることで筒状になっている。このように構成されるプレッシャー３７は、そのスピンドル嵌入孔４４に対してスピンドル４１を嵌入し、ネジ孔４５に螺合されたネジを締め付けてその先端でスピンドル４１を押圧することにより、図１に示すように、マイクロメータ３８の上端に取り付けられる。そして、ラチェットストップ３９の操作によって、プレッシャー３７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００２４】
尚、本実施例ではマイクロメータ３８を手動で操作することによってパンチユニット３を所望の距離だけ移動させているが、このパンチユニット３の移動をコンピュータによる自動制御としてもよい。また、プレッシャー３７を構成する押圧部４３の外径や薄膜引張用孔４６の内径の大きさは、薄膜Ｕの大きさや、付与しようとする２軸引張応力の大きさ等に応じて適宜設計変更が可能である。更に、プレッシャー３７は、少なくとも薄膜Ｕに接触する側の端部が筒状に形成されていれば足り、その他の部分の形状は本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。この筒状としては、本実施例の円筒形状以外に例えば断面多角形の筒状とすることもできるが、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力を付与するためには、より円筒形状に近い筒状とした方が好適である。
【００２５】
前記ニードルユニット４は、図１に示すように、薄膜Ｕに刺入するためのマイクロニードル４７と、このマイクロニードル４７を保持するためのニードルホルダ４８と、マイクロニードル４７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ４９と、マイクロニードル４７の刺入力を測定するためのロードセル（不図示）とを備えるものである。ここで、本実施例では、マイクロニードル４７として、生体適合性材料であるＰＥＧ（ポリエチレングリコール）からなるものを使用している。また、マイクロメータ４９は、パンチユニット３のプレッシャー３７を移動させるためのマイクロメータ３８と同じ構成であるため、ここでは同じ符号を付し、その説明を省略する。また、ニードルホルダ４８には、図示しないスピンドル嵌入孔が形成されており、このスピンドル嵌入孔にマイクロメータ４９のスピンドル４１を嵌入してネジ等で固定することにより、マイクロメータ４９の下端にニードルホルダ４８が取り付けられる。そして、マイクロメータ４９のラチェットストップ３９の操作によって、マイクロニードル４７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００２６】
尚、本実施例ではマイクロメータ４９を手動で操作することによってマイクロニードル４７を所望の距離だけ移動させているが、このマイクロニードル４７の移動をコンピュータによる自動制御としてもよい。また、マイクロニードル４７は、本実施例のＰＥＧ製のものに代えて、例えばシリコン製や金属製のものを使用してもよく、その形状や本数も任意に変更可能である。更に、ニードルホルダ４８は、マイクロニードル４７を保持可能であれば、その形状は本実施例に限定されず適宜設計変更することができる。
【００２７】
次に、第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の操作方法について説明する。マイクロニードルの力学特性を評価するに際しては、第１工程として、刺入対象物たる薄膜Ｕを保持するホルダユニット２を、第２支持アーム９のホルダ載置台１６に固定する。すなわち、まず図３に示すように、薄膜載置板２５の上に、そのパンチ通過孔３０を覆うようにして薄膜Ｕを載置する。そして、この薄膜Ｕを覆うようにして、薄膜押さえ板２６を薄膜載置板２５の押さえ板嵌合溝２９に嵌合させる。これにより、図２に示すように、薄膜Ｕは、その周縁部が薄膜押さえ板２６によって押さえ付けられることにより、薄膜載置板２５の上で水平方向に位置ズレしないよう位置決めされるとともに、その中央部が、薄膜押さえ板２６のニードル通過孔２８と薄膜載置板２５のパンチ通過孔３０を介して、上下方向に露呈した状態となっている。尚、前述のように、押さえ板嵌合溝２９の深さが薄膜押さえ板２６の厚みと略等しくなっているので、薄膜載置板２５の上面と薄膜押さえ板２６の上面は略面一になる。
【００２８】
そして、図３に示すように、薄膜押さえ板２６と一体化された薄膜載置板２５を、段落ち溝１７に嵌合させることにより、ホルダ載置台１６の上に配設する。この時、前述のように、薄膜押さえ板２６の厚みは段落ち溝１７の深さより大きいため、図４に示すように、段落ち溝１７に嵌合された薄膜押さえ板２６は、その一部がホルダ載置台１６の上面より突出した状態となる。そして、図４に示すように、薄膜載置板２５を覆うようにしてホルダ押さえ板２７を配設する。この時、ホルダ押さえ板２７は、薄膜押さえ板２６の突出厚み分だけ、ホルダ載置台１６の上面から浮いた状態となる。
【００２９】
この状態から、図４に示すように、４個のホルダ固定用ネジ３４を、ホルダ押さえ板２７の四隅に形成されたネジ挿通孔３５に挿通させて、ホルダ載置台１６の四隅に形成されたネジ孔１９にそれぞれ螺合させる。これにより、ホルダユニット２がホルダ載置台１６の上に固定される。更に、４個の押さえ板固定用ネジＮを、ホルダ押さえ板２７の４個のネジ孔３６にそれぞれ螺合させ、その先端を薄膜押さえ板２６の四隅にそれぞれ当接させる。このように、薄膜押さえ板２６が押さえ板固定用ネジＮに四隅を押さえ付けられることにより、更には図２に示すように、薄膜押さえ板２６の外縁部がホルダ押さえ板２７の内周縁部によって押さえ付けられることにより、薄膜Ｕはパンチユニット３から押圧力を受けても位置ズレしないよう鉛直方向に位置決めされる。また、ホルダユニット２が装置本体５に対して着脱可能に設けられ、薄膜Ｕのセッティングを装置本体５から離れた場所で行うことができるので、パンチユニット３やニードルユニット４で薄膜Ｕを傷付けることがない。
【００３０】
次に、第２工程として、パンチユニット３により薄膜Ｕに対して２軸引張応力を付与する。すなわち、図２に示すように、パンチユニット３を構成するプレッシャー３７が薄膜Ｕから離間した状態から、マイクロメータ３８を操作することでプレッシャー３７を鉛直上方へ移動させることにより、図６に示すように、プレッシャー３７の先端で薄膜Ｕの中央部を鉛直上方へ押し上げる。ここで、図７は、図６において薄膜Ｕの近傍を拡大した部分拡大斜視図である。前述のように、プレッシャー３７の先端は薄膜引張用孔４６が形成されることで略円筒形状となっているため、薄膜Ｕの外形によらず、薄膜引張用孔４６の直上位置では、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力が再現性良く付与される。また、薄膜Ｕの周縁部をチャックする必要がない分、マイクロニードル４７を刺入するための領域として十分な広さを確保することができる。尚、本実施例では薄膜引張用孔４６の内部を中空にしているが、この薄膜引張用孔４６の内部に、図示しないウレタンゴムや圧縮エアーや液体等の皮下組織を模した材料を充填することにより、人肌の状態をより正確に模擬するようにしてもよい。また、大変形有限要素法による数値解析シミュレーションを用いて、薄膜Ｕに付与した２軸引張応力を計算すれば、マイクロニードル４７の力学特性をより正確に評価することができる。
【００３１】
次に、第３工程として、２軸引張応力が付与された薄膜Ｕに対してマイクロニードル４７を刺入する。ここで、図８と図９は、マイクロニードル４７の刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図である。まず、図８に示すようにマイクロニードル４７が薄膜Ｕから離間した状態から、図１に示すマイクロメータ４９を操作することでニードルホルダ４８を鉛直下方へ移動させ、図９に示すように、薄膜Ｕの中央部であってプレッシャー３７（図９では不図示）で押し上げられた部分に対して、マイクロニードル４７の先端部を刺入する。この時、前記ロードセルでマイクロニードル４７の刺入力を測定する。以上のようにして、マイクロニードル４７の薄膜刺入時における力学特性を評価する。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の構成について、図面に基づいて説明する。図１０は、第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の外観を示す概略斜視図である。薄膜Ｕの力学特性評価装置５０は、第１実施例と同様に、薄膜Ｕを保持するためのホルダユニット５１と、薄膜Ｕに２軸引張応力を付与するためのパンチユニット５２と、薄膜Ｕにマイクロニードルを刺入するためのニードルユニット５３と、これら３つのユニットを支持する装置本体５４とを備えているが、このうち装置本体５４の構成とパンチユニット５２の構成が第１実施例とは異なっている。それ以外の構成は第１実施例と同じであるため、図１０では図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
装置本体５４は、図１０に示すように、支持柱６が突設されたベース板７と、３個の支持アーム８，９，１０と、落下防止部材１１と、ホルダ芯出し棒１２とを備える点では第１実施例と同じであるが、後述するマイクロスコープ５５を設置するためのマイクロスコープ台５６を備える点で第１実施例とは異なっている。尚、第１実施例と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
本実施例に係るパンチユニット５２は、図１０に示すように、薄膜Ｕを押圧するためのプッシャー５７と、このプッシャー５７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ５８と、薄膜Ｕの様子を裏側から観察するためのマイクロスコープ５５と、マイクロスコープ５５からプッシャー５７までの間の空間を覆うためのマイクロスコープカバー５９とを備えるものである。
【００３５】
マイクロメータ５８は、第１実施例のパンチユニット３を構成するマイクロメータ３８と同様の構成であるため、図１０では図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。一方、図１１は、プッシャー５７の構造を示す概略縦断面図である。プッシャー５７は、マイクロメータ５８に取り付けるための取付部６０と、薄膜Ｕを押圧するための押圧部６１とを備えている。取付部６０は、大径の略円柱形状の外形を有し、押圧部６１と逆側の端部から、マイクロメータ５８のスピンドル４１を嵌入するためのスピンドル嵌入孔６２が形成されている。また、押圧部６１は、取付部６０より小径の略円柱形状の外形を有し、取付部６０と逆側の端部から、断面略円形の薄膜引張用孔６３が形成されている。そして、このスピンドル嵌入孔６２と薄膜引張用孔６３が連通することにより、プッシャー５７はその全長に渡って筒状になっている。このように構成されるプッシャー５７は、そのスピンドル嵌入孔６２に対してスピンドル４１（図１０では不図示）を嵌入することにより、図１０に示すように、マイクロメータ５８の先端に取り付けられる。そして、ラチェットストップ３９の操作によって、プッシャー５７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００３６】
尚、プッシャー５７を構成する押圧部６１の外径や薄膜引張用孔６３の内径の大きさは、薄膜Ｕの大きさや、付与しようとする２軸引張応力の大きさ等に応じて適宜設計変更が可能である。更に、プッシャー５７は、少なくとも薄膜Ｕに接触する側の端部が筒状に形成されていれば足り、その他の部分の形状は本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。この筒状としては、本実施例の円筒形状以外に断面多角形の筒状とすることもできるが、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力を付与するためには、より円筒形状に近い筒状とした方が好適である。
【００３７】
マイクロスコープ５５は、図に詳細は示さないが、ＣＣＤカメラやズームレンズや照明等を内蔵した従来公知のものであり、ＣＣＤカメラで撮影した画像を表示するための表示モニタに接続されている。このマイクロスコープ５５は、装置本体５４を構成するマイクロスコープ台５６の上に設置されてビス等により固定されている。また、マイクロスコープカバー５９は、例えば蛇腹状の伸縮自在な部材であって、その一端がマイクロスコープ５５に他端がプッシャー５７にそれぞれ固定されることにより、プッシャー５７の上下動に伴って伸縮するものとなっている。
【００３８】
次に、第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の操作方法について説明する。本実施例に係る操作方法は、第１実施例の操作方法と比較して、第２工程で薄膜Ｕに２軸引張応力を付与する手段がプレッシャー３７ではなくプッシャー５７である点を除けば、第１工程から第３工程までは同じである。しかし、第３工程の後に、第４工程として、マイクロスコープ５５による薄膜Ｕの観察を行う点で第１実施例とは異なっている。より詳細に説明すると、本実施例では、薄膜Ｕの下方にマイクロスコープ５５を設置し、このマイクロスコープ５５と薄膜Ｕの間に位置するプッシャー５７は、図１１に示すように、スピンドル嵌入孔６２と薄膜引張用孔６３とが連通している。従って、プッシャー５７を通して、マイクロスコープ５５で薄膜Ｕの裏面を観察することが可能となっている。観察方法としては、例えば、第３工程で刺入したマイクロニードル４７を薄膜Ｕから抜き取り、所定の薬液を薄膜Ｕの表面に滴下して、その薄膜Ｕへの浸透具合を観察する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係るマイクロニードルの力学特性評価装置は、培養皮膚等の薄膜を使用する以外に、例えばシリコン薄膜等を使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の外観を示す概略斜視図。
【図２】図１において第２支持アーム９のホルダ載置台１６の近傍を拡大した部分拡大斜視図。
【図３】ホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図。
【図４】ホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図。
【図５】プレッシャー３７の構造を示す概略縦断面図。
【図６】パンチユニット３による薄膜Ｕへの２軸引張応力の付与を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図７】図６において薄膜Ｕの近傍を拡大した部分拡大斜視図。
【図８】マイクロニードル４７の薄膜Ｕへの刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図９】マイクロニードル４７の薄膜Ｕへの刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図１０】第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の外観を示す概略斜視図。
【図１１】プッシャー５７の構造を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１，５０ マイクロニードルの力学特性評価装置
２，５１ ホルダユニット
３，５２ パンチユニット
４，５３ ニードルユニット
５，５４ 装置本体
２５ 薄膜載置板
２６ 薄膜押さえ板
２８ ニードル通過孔
３０ パンチ通過孔
４７ マイクロニードル
５５ マイクロスコープ
Ｕ 薄膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜刺入時におけるマイクロニードルの力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置に関し、特に、微小且つ含水性のある薄膜に対しても一様な２軸引張応力を容易に付与することが可能なマイクロニードルの力学特性評価装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＤＳシステム（Ｄｒｕｇ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍ）、すなわち必要な時に必要な量の薬剤を必要とする部位に到達させる仕組みの構築に向け、近年、マイクロニードルと呼ばれる極小の針を神経の届かない表皮のみに刺入する、無痛の薬剤投与方法が提唱されている。ここで、マイクロニードルが薬剤放出に必要な深さまで刺入できるだけの十分な剛性や強度を有しているかを検討したり、マイクロニードルの先端形状の設計や材料設計を行う上で、皮膚刺入時における力学特性を評価することが重要となる。マイクロニードルの力学特性を評価する試験は、引張応力を付与した状態の皮膚標本や人工培養皮膚（以下、単に「培養皮膚等」と略す）に対し、マイクロニードルを刺入することにより行われる。ここで、培養皮膚等のような薄膜に対して引張応力を付与するための薄膜引張試験装置としては、薄膜の周縁部をチャックして引っ張ることによって引張応力を付与するタイプのものが従来用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平０９−１８４７９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の薄膜引張試験装置を用いて培養皮膚等に引張応力を付与する場合、以下のような問題がある。まず、培養皮膚等は各個体によって形状にばらつきがあり、また、一個体中でも部位によって形状が異なるものである。従って、培養皮膚等の周縁部をチャックして引っ張る方法では、ある１つの培養皮膚等の全域に渡って一様な２軸引張応力を付与することが難しく、また、形状の異なる培養皮膚等に対して一定の２軸引張応力を再現性良く付与することも難しい。更に、従来の薄膜引張試験装置を応用して培養皮膚等に２軸引張応力を付与しようとする場合、培養皮膚等を２軸方向にそれぞれ引っ張るという複雑な操作が必要とされる。この点からも、各培養皮膚等に対して一定の２軸引張応力を再現性良く付与することが難しい。
【０００５】
また、培養皮膚等は、直径が１０〜３０ｍｍ程度で厚みが３００μｍと小さく、且つ、含水性を有するものである。従って、その周縁部をチャックする作業が難しく、培養皮膚等が皺くちゃになってしまったり、或いはマイクロニードルを刺入する中心部分を誤って傷付けててしまったり、或いはチャック作業に時間が掛かり過ぎて培養皮膚等が乾燥してしまったりすることにより、力学特性の評価を精度良く行うことができないという問題がある。また、チャックした培養皮膚等を引っ張る時に、チャックした周縁部が破れやすいという問題もある。更に、培養皮膚等においてチャック部分の周辺では２軸引張応力が一様とならないため、試験に使用することができない。従って、微小な培養皮膚等のうち、更にその中央部のごく狭い領域でしか一様な２軸引張応力を実現することができず、マイクロニードルを刺入するための領域として十分な広さを確保することができないという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、薄膜に対して一様な２軸引張応力を再現性良く付与することが可能であって、しかも、微小且つ含水性のある薄膜でも容易に取り扱うことが可能なマイクロニードルの力学特性評価装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、マイクロニードルの薄膜刺入時における力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置であって、パンチ通過孔が貫通形成されてその上面に薄膜が載置される薄膜載置板、及びニードル通過孔が貫通形成されて薄膜を前記薄膜載置板上に押圧固定する薄膜押さえ板を具備するホルダユニットと、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて前記パンチ通過孔を通して筒状の先端で薄膜を裏面側から押圧するパンチユニットと、薄膜のうち前記パンチユニットによって押圧された部分に対して前記ニードル通過孔を通してその表面側からマイクロニードルを刺入するニードルユニットと、を備えるものである。
【０００８】
請求項２記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、前記薄膜を裏面側から観察するためのマイクロスコープを更に備えるものである。
【０００９】
請求項３記載のマイクロニードルの力学特性評価装置は、前記ホルダユニットが、前記パンチユニットと前記ニードルユニットとを支持する装置本体に対して着脱可能に設けられたものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の請求項１に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、薄膜載置板の上に薄膜を載置してその上から薄膜押さえ板で押さえ付けるという容易な作業で薄膜を固定できるので、薄膜の形状によらずに一様な２軸引張応力を再現性良く付与することができる。更に、パンチユニットを１軸方向に移動させるだけの単純な操作でよい点からも、一様な２軸引張応力を再現性良く付与することが可能である。
【００１１】
また、薄膜の周縁部をチャックする作業が不要であるため、微小且つ含水性のある薄膜であっても容易に取り扱うことができ、薄膜が皺くちゃになったり、薄膜の中心部を傷付けたり、固定作業に時間が掛かり過ぎて薄膜が乾燥することがなく、力学特性の評価を精度良く行うことができる。また、パンチユニットで押圧して薄膜に引張応力を付与する際に、薄膜が周縁部で破れることも生じにくい。更に、本発明に係る薄膜の固定方法によれば、薄膜の周縁部をチャックして固定する場合と比較して、マイクロニードルを刺入するための領域として十分な広さを確保することができ、微小な薄膜であっても面積の有効利用が可能となる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、マイクロニードル刺入時の薄膜の様子をマイクロスコープで観察することにより、マイクロニードルの力学特性をより正確に評価することができる。
【００１３】
また、本発明の請求項３に係るマイクロニードルの力学特性評価装置によれば、ホルダユニットが装置本体対して着脱可能に設けられたので、薄膜の固定作業は、ホルダユニットを装置本体から取り外し、このホルダユニットに薄膜を固定した後、ホルダユニットごと装置本体に再度装着することにより行うことができる。従って、薄膜の固定作業時にパンチユニットやニードルユニットによって薄膜を傷付けることがない。また、マイクロニードルの刺入試験後に、離れた場所にある顕微鏡まで、薄膜をホルダユニットごと容易に持ち運ぶことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置の構成について、図面に基づいて説明する。図１は、第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の外観を示す概略斜視図である。マイクロニードルの力学特性評価装置１は、薄膜Ｕを保持するためのホルダユニット２と、薄膜Ｕに２軸引張応力を付与するためのパンチユニット３と、薄膜Ｕにマイクロニードルを刺入するためのニードルユニット４と、これら３つのユニットを支持する装置本体５と、を備えるものである。尚、本実施例では、本発明に係る薄膜Ｕとして微小且つ含水性のある培養皮膚等を使用しているが、大型の薄膜や含水性のない薄膜であってもよく、また再生医療で使用される角膜など他の生体組織であってもよい。更に、薄膜Ｕはこれら生体組織だけに限られず、例えばシリコン薄膜等を使用することも可能である。
【００１５】
前記装置本体５は、図１に示すように、支持柱６が突設されたベース板７と、支持柱６に固定されて水平方向に延びる３個の支持アーム８，９，１０と、支持柱６に固定されて各支持アーム８，９，１０が支持柱６に沿って滑り落ちるのを防止する３個の落下防止部材１１と、ホルダユニット２の芯出しを行うためのホルダ芯出し棒１２とを有している。
【００１６】
３個の支持アームのうち最上位置に固定された第１支持アーム８は、前記ニードルユニット４を支持するためのものである。この第１支持アーム８は、樹脂等からなり、図１に示すように、その先端部には、ニードルユニット４を取り付け可能な大きさの取付孔１３が貫通形成されるとともに、この取付穴１３から第１支持アーム８の先端に達するようにして、所定幅の切欠き１４が形成されている。このように構成される第１支持アーム８は、その基端部が支持柱６に固定される一方、その先端部に、切欠き１４を通過するようにして固定ネジ１５が螺合されている。このような構成によれば、ニードルユニット４を取付孔１３に挿通させた状態で固定ネジ１５を締めると、樹脂等からなる第１支持アーム８は、切欠き１４の幅が狭くなるように弾性変形し、縮径した取付孔１３によってニードルユニット４が挟持される。これにより、第１支持アーム８によってニードルユニット４が支持されるものとなっている。
【００１７】
３個の支持アームのうち中間位置に固定された第２支持アーム９は、前記ホルダユニット２を支持するためのものである。この第２支持アーム９も樹脂等からなり、その先端には、ホルダユニット２を載置するためのホルダ載置台１６が設けられている。このホルダ載置台１６には、図４に示すように、その上面から所定深さだけ段落ちして平面視略矩形の段落ち溝１７が形成されるとともに、この段落ち溝１７の略中央には、平面視で段落ち溝１７より小さい矩形形状のパンチ通過穴１８が、ホルダ載置台１６の底面まで達するようにして形成されている。また、ホルダ載置台１６の四隅には、ネジ孔１９がそれぞれ形成されている。
【００１８】
３個の支持アームのうち最下位置に固定された第３支持アーム１０は、前記パンチユニット３を支持するためのものである。この第３支持アーム１０も樹脂等からなり、図１に示すように、その先端部には、パンチユニット３を取り付け可能な大きさの取付孔２０が貫通形成されるとともに、この取付孔２０から第３支持アーム１０の先端に達するようにして、所定幅の切欠き２１が形成されている。このように構成される第３支持アーム１０は、その基端部が支持柱６に固定される一方、その先端部に、切欠き２１を通過するようにして固定ネジ２２が螺合されている。このような構成によれば、パンチユニット３を取付穴２０に挿通させた状態で固定ネジ２２を締めると、樹脂等からなる第３支持アーム１０は、切欠き２１の幅が狭くなるように弾性変形し、縮径した取付孔２０によってパンチユニット３が挟持される。これにより、第３支持アーム１０によってパンチユニット３が支持されるものとなっている。
【００１９】
ホルダ芯出し棒１２は、図１に示すように、大径の頭部２３と、長尺な棒状の軸部２４とから構成されるものである。このホルダ芯出し棒１２の軸部２４を、３個の支持アーム８，９，１０にそれぞれ挿通させることにより、ホルダユニット２の中心位置が、パンチユニット３の中心位置とニードルユニット４の中心位置に一致するようになっている。これにより、ホルダユニット２の略中央に載置された薄膜Ｕに対し、後述するプレッシャーやマイクロニードルを正確に位置決めすることができる。
【００２０】
図２から図４は、前記ホルダユニット２について説明するための図であり、図２は図１において第２支持アーム９のホルダ載置台１６の近傍を拡大した部分拡大斜視図、図３と図４はホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図である。尚、図２では説明の便宜上、ホルダ載置台１６とホルダユニット２の一部を破断した状態で示している。図３と図４に示すように、ホルダユニット２は、薄膜Ｕを載置するための薄膜載置板２５と、この薄膜載置板２５の上に薄膜Ｕを押圧固定するための薄膜押さえ板２６と、この薄膜押さえ板２６を前記ホルダ載置台１６上に押さえ付けて固定するためのホルダ押さえ板２７とを有している。薄膜押さえ板２６は、図３に示すように、平面視で略矩形形状のガラス板であって、その中央部には、ニードルユニット４を通過させるためのニードル通過孔２８が貫通形成されている。尚、薄膜押さえ板２６の材質や形状は、本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。
【００２１】
薄膜載置板２５は、図３に示すように、その平面視形状が図４に示すホルダ載置台１６の段落ち溝１７の平面視形状と略同形であって、その厚みが段落ち溝１７の深さより大きいものである。この薄膜載置板２５の上面には、薄膜押さえ板２６を嵌合させるための押さえ板嵌合溝２９が形成されている。押さえ板嵌合溝２９は、その平面視形状が薄膜押さえ板２６と略同形であって、その深さが薄膜押さえ板２６の厚みと略等しくなっている。そして、押さえ板嵌合溝２９の底部には、パンチユニット３を通過させるためのパンチ通過孔３０が、薄膜押さえ板２６を貫通して形成されている。このパンチ通過孔３０は、図２に示すように、薄膜押さえ板２６のニードル通過孔２８と略同径であって、薄膜載置板２５の底面に向かって徐々に拡径することにより、パンチユニット３を通過させやすくなっている。更に、図３に示すように、押さえ板嵌合溝２９には、嵌合させた薄膜押さえ板２６を取り出しやすくするため、その縁部には一対の取り出し用溝３１が、その四隅には取り出し用穴３２がそれぞれ形成されている。
【００２２】
ホルダ押さえ板２７は、図３に示すように、平面視で略ロの字形状の部材であって、その中央部には、ニードルユニット４を通過させるためのニードル通過穴３３が貫通形成されている。このニードル通過穴３３の平面視形状は、薄膜押さえ板２６の平面視形状より若干小さい略矩形形状である。これにより、図２に示すように、薄膜押さえ板２６を覆うようにしてホルダ押さえ板２７を配設した時に、ホルダ押さえ板２７の内周縁部が薄膜押さえ板２６の外縁部に当接するようになっている。また、図３と図４に示すように、ホルダ押さえ板２７には、その四隅に、後述するホルダ固定用ネジ３４を挿通させるためのネジ挿通孔３５がそれぞれ形成されるとともに、各ネジ挿通孔３５の若干内側には、押さえ板固定用ネジＮを螺合させるためのネジ孔３６がそれぞれ形成されている。
【００２３】
前記パンチユニット３は、図１に示すように、薄膜Ｕを押圧するためのプレッシャー３７と、このプレッシャー３７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ３８とを備えるものである。ここで、マイクロメータ３８は、精密な長さの測定に用いられる従来公知の測定器であって、その一端側に設けられたラチェットストップ３９を回転させると、マイクロメータ本体４０からスピンドル４１と呼ばれる棒状の部材が出没する構造を有している。一方、図５は、プレッシャー３７の構造を示す概略縦断面図である。プレッシャー３７は、マイクロメータ３８に取り付けるための取付部４２と、薄膜Ｕを押圧するための押圧部４３とを備えている。取付部４２は、略円柱形状の外形を有し、押圧部４３と逆側の端部から、マイクロメータ３８のスピンドル４１と略等しい断面形状のスピンドル嵌入孔４４が形成されている。更に、取付部４２には、その外周面からスピンドル嵌入孔４４に達するネジ孔４５が形成され、このネジ孔４５に図示しないネジが螺合されている。また、押圧部４３は、取付部４２より小径の略円柱形状の外形を有し、取付部４２と逆側の端部から、断面略円形の薄膜引張用孔４６が形成されることで筒状になっている。このように構成されるプレッシャー３７は、そのスピンドル嵌入孔４４に対してスピンドル４１を嵌入し、ネジ孔４５に螺合されたネジを締め付けてその先端でスピンドル４１を押圧することにより、図１に示すように、マイクロメータ３８の上端に取り付けられる。そして、ラチェットストップ３９の操作によって、プレッシャー３７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００２４】
尚、本実施例ではマイクロメータ３８を手動で操作することによってパンチユニット３を所望の距離だけ移動させているが、このパンチユニット３の移動をコンピュータによる自動制御としてもよい。また、プレッシャー３７を構成する押圧部４３の外径や薄膜引張用孔４６の内径の大きさは、薄膜Ｕの大きさや、付与しようとする２軸引張応力の大きさ等に応じて適宜設計変更が可能である。更に、プレッシャー３７は、少なくとも薄膜Ｕに接触する側の端部が筒状に形成されていれば足り、その他の部分の形状は本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。この筒状としては、本実施例の円筒形状以外に例えば断面多角形の筒状とすることもできるが、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力を付与するためには、より円筒形状に近い筒状とした方が好適である。
【００２５】
前記ニードルユニット４は、図１に示すように、薄膜Ｕに刺入するためのマイクロニードル４７と、このマイクロニードル４７を保持するためのニードルホルダ４８と、マイクロニードル４７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ４９と、マイクロニードル４７の刺入力を測定するためのロードセル（不図示）とを備えるものである。ここで、本実施例では、マイクロニードル４７として、生体適合性材料であるＰＥＧ（ポリエチレングリコール）からなるものを使用している。また、マイクロメータ４９は、パンチユニット３のプレッシャー３７を移動させるためのマイクロメータ３８と同じ構成であるため、ここでは同じ符号を付し、その説明を省略する。また、ニードルホルダ４８には、図示しないスピンドル嵌入孔が形成されており、このスピンドル嵌入孔にマイクロメータ４９のスピンドル４１を嵌入してネジ等で固定することにより、マイクロメータ４９の下端にニードルホルダ４８が取り付けられる。そして、マイクロメータ４９のラチェットストップ３９の操作によって、マイクロニードル４７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００２６】
尚、本実施例ではマイクロメータ４９を手動で操作することによってマイクロニードル４７を所望の距離だけ移動させているが、このマイクロニードル４７の移動をコンピュータによる自動制御としてもよい。また、マイクロニードル４７は、本実施例のＰＥＧ製のものに代えて、例えばシリコン製や金属製のものを使用してもよく、その形状や本数も任意に変更可能である。更に、ニードルホルダ４８は、マイクロニードル４７を保持可能であれば、その形状は本実施例に限定されず適宜設計変更することができる。
【００２７】
次に、第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の操作方法について説明する。マイクロニードルの力学特性を評価するに際しては、第１工程として、刺入対象物たる薄膜Ｕを保持するホルダユニット２を、第２支持アーム９のホルダ載置台１６に固定する。すなわち、まず図３に示すように、薄膜載置板２５の上に、そのパンチ通過孔３０を覆うようにして薄膜Ｕを載置する。そして、この薄膜Ｕを覆うようにして、薄膜押さえ板２６を薄膜載置板２５の押さえ板嵌合溝２９に嵌合させる。これにより、図２に示すように、薄膜Ｕは、その周縁部が薄膜押さえ板２６によって押さえ付けられることにより、薄膜載置板２５の上で水平方向に位置ズレしないよう位置決めされるとともに、その中央部が、薄膜押さえ板２６のニードル通過孔２８と薄膜載置板２５のパンチ通過孔３０を介して、上下方向に露呈した状態となっている。尚、前述のように、押さえ板嵌合溝２９の深さが薄膜押さえ板２６の厚みと略等しくなっているので、薄膜載置板２５の上面と薄膜押さえ板２６の上面は略面一になる。
【００２８】
そして、図３に示すように、薄膜押さえ板２６と一体化された薄膜載置板２５を、段落ち溝１７に嵌合させることにより、ホルダ載置台１６の上に配設する。この時、前述のように、薄膜押さえ板２６の厚みは段落ち溝１７の深さより大きいため、図４に示すように、段落ち溝１７に嵌合された薄膜押さえ板２６は、その一部がホルダ載置台１６の上面より突出した状態となる。そして、図４に示すように、薄膜載置板２５を覆うようにしてホルダ押さえ板２７を配設する。この時、ホルダ押さえ板２７は、薄膜押さえ板２６の突出厚み分だけ、ホルダ載置台１６の上面から浮いた状態となる。
【００２９】
この状態から、図４に示すように、４個のホルダ固定用ネジ３４を、ホルダ押さえ板２７の四隅に形成されたネジ挿通孔３５に挿通させて、ホルダ載置台１６の四隅に形成されたネジ孔１９にそれぞれ螺合させる。これにより、ホルダユニット２がホルダ載置台１６の上に固定される。更に、４個の押さえ板固定用ネジＮを、ホルダ押さえ板２７の４個のネジ孔３６にそれぞれ螺合させ、その先端を薄膜押さえ板２６の四隅にそれぞれ当接させる。このように、薄膜押さえ板２６が押さえ板固定用ネジＮに四隅を押さえ付けられることにより、更には図２に示すように、薄膜押さえ板２６の外縁部がホルダ押さえ板２７の内周縁部によって押さえ付けられることにより、薄膜Ｕはパンチユニット３から押圧力を受けても位置ズレしないよう鉛直方向に位置決めされる。また、ホルダユニット２が装置本体５に対して着脱可能に設けられ、薄膜Ｕのセッティングを装置本体５から離れた場所で行うことができるので、パンチユニット３やニードルユニット４で薄膜Ｕを傷付けることがない。
【００３０】
次に、第２工程として、パンチユニット３により薄膜Ｕに対して２軸引張応力を付与する。すなわち、図２に示すように、パンチユニット３を構成するプレッシャー３７が薄膜Ｕから離間した状態から、マイクロメータ３８を操作することでプレッシャー３７を鉛直上方へ移動させることにより、図６に示すように、プレッシャー３７の先端で薄膜Ｕの中央部を鉛直上方へ押し上げる。ここで、図７は、図６において薄膜Ｕの近傍を拡大した部分拡大斜視図である。前述のように、プレッシャー３７の先端は薄膜引張用孔４６が形成されることで略円筒形状となっているため、薄膜Ｕの外形によらず、薄膜引張用孔４６の直上位置では、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力が再現性良く付与される。また、薄膜Ｕの周縁部をチャックする必要がない分、マイクロニードル４７を刺入するための領域として十分な広さを確保することができる。尚、本実施例では薄膜引張用孔４６の内部を中空にしているが、この薄膜引張用孔４６の内部に、図示しないウレタンゴムや圧縮エアーや液体等の皮下組織を模した材料を充填することにより、人肌の状態をより正確に模擬するようにしてもよい。また、大変形有限要素法による数値解析シミュレーションを用いて、薄膜Ｕに付与した２軸引張応力を計算すれば、マイクロニードル４７の力学特性をより正確に評価することができる。
【００３１】
次に、第３工程として、２軸引張応力が付与された薄膜Ｕに対してマイクロニードル４７を刺入する。ここで、図８と図９は、マイクロニードル４７の刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図である。まず、図８に示すようにマイクロニードル４７が薄膜Ｕから離間した状態から、図１に示すマイクロメータ４９を操作することでニードルホルダ４８を鉛直下方へ移動させ、図９に示すように、薄膜Ｕの中央部であってプレッシャー３７（図９では不図示）で押し上げられた部分に対して、マイクロニードル４７の先端部を刺入する。この時、前記ロードセルでマイクロニードル４７の刺入力を測定する。以上のようにして、マイクロニードル４７の薄膜刺入時における力学特性を評価する。
【００３２】
次に、本発明の第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の構成について、図面に基づいて説明する。図１０は、第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の外観を示す概略斜視図である。薄膜Ｕの力学特性評価装置５０は、第１実施例と同様に、薄膜Ｕを保持するためのホルダユニット５１と、薄膜Ｕに２軸引張応力を付与するためのパンチユニット５２と、薄膜Ｕにマイクロニードルを刺入するためのニードルユニット５３と、これら３つのユニットを支持する装置本体５４とを備えているが、このうち装置本体５４の構成とパンチユニット５２の構成が第１実施例とは異なっている。それ以外の構成は第１実施例と同じであるため、図１０では図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３３】
装置本体５４は、図１０に示すように、支持柱６が突設されたベース板７と、３個の支持アーム８，９，１０と、落下防止部材１１と、ホルダ芯出し棒１２とを備える点では第１実施例と同じであるが、後述するマイクロスコープ５５を設置するためのマイクロスコープ台５６を備える点で第１実施例とは異なっている。尚、第１実施例と同じ構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【００３４】
本実施例に係るパンチユニット５２は、図１０に示すように、薄膜Ｕを押圧するためのプッシャー５７と、このプッシャー５７を所望の距離だけ移動させるためのマイクロメータ５８と、薄膜Ｕの様子を裏側から観察するためのマイクロスコープ５５と、マイクロスコープ５５からプッシャー５７までの間の空間を覆うためのマイクロスコープカバー５９とを備えるものである。
【００３５】
マイクロメータ５８は、第１実施例のパンチユニット３を構成するマイクロメータ３８と同様の構成であるため、図１０では図１と同じ符号を付し、その説明を省略する。一方、図１１は、プッシャー５７の構造を示す概略縦断面図である。プッシャー５７は、マイクロメータ５８に取り付けるための取付部６０と、薄膜Ｕを押圧するための押圧部６１とを備えている。取付部６０は、大径の略円柱形状の外形を有し、押圧部６１と逆側の端部から、マイクロメータ５８のスピンドル４１を嵌入するためのスピンドル嵌入孔６２が形成されている。また、押圧部６１は、取付部６０より小径の略円柱形状の外形を有し、取付部６０と逆側の端部から、断面略円形の薄膜引張用孔６３が形成されている。そして、このスピンドル嵌入孔６２と薄膜引張用孔６３が連通することにより、プッシャー５７はその全長に渡って筒状になっている。このように構成されるプッシャー５７は、そのスピンドル嵌入孔６２に対してスピンドル４１（図１０では不図示）を嵌入することにより、図１０に示すように、マイクロメータ５８の先端に取り付けられる。そして、ラチェットストップ３９の操作によって、プッシャー５７を上下方向に所望の距離だけ移動させることができる。
【００３６】
尚、プッシャー５７を構成する押圧部６１の外径や薄膜引張用孔６３の内径の大きさは、薄膜Ｕの大きさや、付与しようとする２軸引張応力の大きさ等に応じて適宜設計変更が可能である。更に、プッシャー５７は、少なくとも薄膜Ｕに接触する側の端部が筒状に形成されていれば足り、その他の部分の形状は本実施例に限定されず適宜設計変更が可能である。この筒状としては、本実施例の円筒形状以外に断面多角形の筒状とすることもできるが、薄膜Ｕに対して一様な２軸引張応力を付与するためには、より円筒形状に近い筒状とした方が好適である。
【００３７】
マイクロスコープ５５は、図に詳細は示さないが、ＣＣＤカメラやズームレンズや照明等を内蔵した従来公知のものであり、ＣＣＤカメラで撮影した画像を表示するための表示モニタに接続されている。このマイクロスコープ５５は、装置本体５４を構成するマイクロスコープ台５６の上に設置されてビス等により固定されている。また、マイクロスコープカバー５９は、例えば蛇腹状の伸縮自在な部材であって、その一端がマイクロスコープ５５に他端がプッシャー５７にそれぞれ固定されることにより、プッシャー５７の上下動に伴って伸縮するものとなっている。
【００３８】
次に、第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の操作方法について説明する。本実施例に係る操作方法は、第１実施例の操作方法と比較して、第２工程で薄膜Ｕに２軸引張応力を付与する手段がプレッシャー３７ではなくプッシャー５７である点を除けば、第１工程から第３工程までは同じである。しかし、第３工程の後に、第４工程として、マイクロスコープ５５による薄膜Ｕの観察を行う点で第１実施例とは異なっている。より詳細に説明すると、本実施例では、薄膜Ｕの下方にマイクロスコープ５５を設置し、このマイクロスコープ５５と薄膜Ｕの間に位置するプッシャー５７は、図１１に示すように、スピンドル嵌入孔６２と薄膜引張用孔６３とが連通している。従って、プッシャー５７を通して、マイクロスコープ５５で薄膜Ｕの裏面を観察することが可能となっている。観察方法としては、例えば、第３工程で刺入したマイクロニードル４７を薄膜Ｕから抜き取り、所定の薬液を薄膜Ｕの表面に滴下して、その薄膜Ｕへの浸透具合を観察する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係るマイクロニードルの力学特性評価装置は、培養皮膚等の薄膜を使用する以外に、例えばシリコン薄膜等を使用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置１の外観を示す概略斜視図。
【図２】図１において第２支持アーム９のホルダ載置台１６の近傍を拡大した部分拡大斜視図。
【図３】ホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図。
【図４】ホルダユニット２のホルダ載置台１６への取り付けを説明するための概略斜視図。
【図５】プレッシャー３７の構造を示す概略縦断面図。
【図６】パンチユニット３による薄膜Ｕへの２軸引張応力の付与を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図７】図６において薄膜Ｕの近傍を拡大した部分拡大斜視図。
【図８】マイクロニードル４７の薄膜Ｕへの刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図９】マイクロニードル４７の薄膜Ｕへの刺入を説明するための図であって、ホルダ載置台１６の近傍を示す概略斜視図。
【図１０】第２実施例に係るマイクロニードルの力学特性評価装置５０の外観を示す概略斜視図。
【図１１】プッシャー５７の構造を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１，５０ マイクロニードルの力学特性評価装置
２，５１ ホルダユニット
３，５２ パンチユニット
４，５３ ニードルユニット
５，５４ 装置本体
２５ 薄膜載置板
２６ 薄膜押さえ板
２８ ニードル通過孔
３０ パンチ通過孔
４７ マイクロニードル
５５ マイクロスコープ
Ｕ 薄膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロニードルの薄膜刺入時における力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置であって、
パンチ通過孔が貫通形成されてその上面に薄膜が載置される薄膜載置板、及びニードル通過孔が貫通形成されて薄膜を前記薄膜載置板上に押圧固定する薄膜押さえ板を具備するホルダユニットと、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて前記パンチ通過孔を通して筒状の先端で薄膜を裏面側から押圧するパンチユニットと、薄膜のうち前記パンチユニットによって押圧された部分に対して前記ニードル通過孔を通してその表面側からマイクロニードルを刺入するニードルユニットと、を備えることを特徴とするマイクロニードルの力学特性評価装置。
【請求項２】
前記薄膜を裏面側から観察するためのマイクロスコープを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロニードルの力学特性評価装置。
【請求項３】
前記ホルダユニットが、前記パンチユニットと前記ニードルユニットとを支持する装置本体に対して着脱可能に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロニードルの力学特性評価装置。
【請求項１】
マイクロニードルの薄膜刺入時における力学特性を評価するマイクロニードルの力学特性評価装置であって、
パンチ通過孔が貫通形成されてその上面に薄膜が載置される薄膜載置板、及びニードル通過孔が貫通形成されて薄膜を前記薄膜載置板上に押圧固定する薄膜押さえ板を具備するホルダユニットと、少なくとも薄膜側の先端が筒状に形成されて前記パンチ通過孔を通して筒状の先端で薄膜を裏面側から押圧するパンチユニットと、薄膜のうち前記パンチユニットによって押圧された部分に対して前記ニードル通過孔を通してその表面側からマイクロニードルを刺入するニードルユニットと、を備えることを特徴とするマイクロニードルの力学特性評価装置。
【請求項２】
前記薄膜を裏面側から観察するためのマイクロスコープを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロニードルの力学特性評価装置。
【請求項３】
前記ホルダユニットが、前記パンチユニットと前記ニードルユニットとを支持する装置本体に対して着脱可能に設けられたことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロニードルの力学特性評価装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００８−２９８７３２（Ｐ２００８−２９８７３２Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４８１０７（Ｐ２００７−１４８１０７）
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月４日（２００７．６．４）
【出願人】（５９３００６６３０）学校法人立命館 (359)
【Ｆターム（参考）】
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