JP2004536595A - マイクロ流体構造、特にバイオチップを製造する方法および該方法によって得られた構造 - Google Patents

マイクロ流体構造、特にバイオチップを製造する方法および該方法によって得られた構造 Download PDF

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Abstract

マイクロ流体構造（特にバイオチップ）を製造する方法であって、該方法は、少なくとも以下を包含する：−少なくともマイクロウェルおよび該マイクロウェルを相互接続するマイクログルーブまたはマイクロチャネルを含む３次元構造を規定するための手段を用いて３次元マイクロモールドを製造すること；ならびに−ポリマー材料から作製される膜を成形するための該３次元マイクロモールドのみを使用すること（該膜は少なくとも該マイクロウェルおよび該マイクログルーブまたはマイクロチャネルを組み込み、該膜は３次元マイクロ流体構造を構成する）。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体構造（特にバイオチップ）を製造する方法および該方法によって得られた構造に関する。
【０００２】
生物学的測定または顕微操作のためのマイクロマシン構造およびマイクロエレクトロニクスを統合するための生物学的および医学研究共同体に関する興味が増加している。生物学的アッセイにおける細胞の迅速な分離および単離のためのマイクロ構造は、研究室および製薬産業にとって非常に興味深い。例えば、神経培養物の場合、ニューロンの制御された誘導（guidance）は、複雑な発達する神経ネットワークの研究および理解のためのバイオチップの望ましい特徴である。
【０００３】
新しい分野のマイクロフルイディックスは、少量の生物学的材料および化学薬品を取り扱うための、安価な、生物学的適合性の、かつ使い捨ての道具を提供する際に、生物工学産業についての恩恵であることが分かっている。マイクロ流体構造は、ＰＣＲおよびキャピラリー電気泳動セル操作のような技術において必須となっている。これらのマイクロ流体ツールはしばしば、チャネルが代表的にはマイクロモールディング（micromoulding）を介して作製されそしてガラス基体上に配置されるポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の改変物を使用して作製される。しかし、これらの構造はしばしば、入口および出口末端を有する二次元に限定された閉鎖構造である。いくつかのより複雑なマルチレベル構造は、多数の層のマイクロフルイディックスを積み重ねることを介して作製され得るが、これらはしばしば整列するのが難しく、本当のマイクロ規模のアラインメントを提供しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、新しいマイクロ流体構造（特にバイオチップ）（このマイクロ流体構造は３次元形状を有する）を着想することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的に対して、本発明は、マイクロ流体構造、特にバイオチップを製造する方法を提供し、この方法は、少なくとも以下を包含する：
−少なくともマイクロウェルおよび該マイクロウェルを相互接続するマイクログルーブ（micro-grooves）またはマイクロチャネルを含む３次元形状を規定するための手段を用いて３次元マイクロモールド（micro-mould）を製造すること；及び
−ポリマー材料から作製される膜を成形するための該３次元マイクロモールドのみを使用すること（該膜は、少なくとも該マイクロウェルおよび該マイクログルーブまたはマイクロチャネルを組み込み、該膜は、３次元マイクロ流体構造を構成する）。
【０００６】
別の実施形態において、この方法は、基体によって３次元マイクロ流体構造を完成し、該基体の１つの表面が膜の１つの表面に適用されることを包含する。
【０００７】
特に、該方法は、以下を包含する：
−マイクロウェルおよびマイクログルーブを規定するための手段を少なくとも含む、３次元形状を規定するための手段を用いて、３次元マイクロモールドを製造すること、
−ポリマー材料から作製される膜を成形するための３次元マイクロモールドのみを使用すること（ここで、該マイクロウェルは膜を横切り、該マイクログルーブは１つの膜表面上に位置し、かつ該マイクロウェルを相互接続する）、および
−該マイクロウェルの１つの自由端（free end）を閉じそしてマイクログルーブを閉じて、該マイクロウェルを相互接続する埋め込まれたチャネルを形成するために、該膜の１つの表面および基体の１つの表面を接触させること。
【０００８】
例としては、該方法は、１つの膜表面上に位置する、該膜を横切るマイクロウェルおよびマイクログルーブを有する膜を形成するために、マイクロモールドと該マイクロモールドの上にプレスされたプレートとの間にポリマー材料を注入すること、ならびに約１時間約７０℃の温度で該ポリマー材料をベーキングすることを包含する。
【０００９】
有利には、該方法は、膜と基体との間で自然の接着を得るために、該膜を形成するために疎水性特性を有するポリマー材料を使用すること、および疎水性特性を有する材料から作製される基体を使用することを包含する。
【００１０】
例としては、該方法は、膜を形成するためにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなポリマー材料を使用することを包含する。
【００１１】
有利には、該方法は、酸素プラズマ処理のような処理によって膜のマイクロチャネルまたはマイクログルーブおよびマイクロウェルを親水性にすることを包含する。
【００１２】
特に該方法は、酸素プラズマ処理を適用する前に膜をガラス基体と接触させ、ガラス基体と接触する該膜の表面の疎水性特性を維持することを包含する。
【００１３】
第１の実施形態において、該方法は、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（ICP RIE）によってシリコンマイクロモールドを得ることを包含し、該エッチングは３次元であり、少なくともマイクログルーブまたはマイクロチャネルを形成するための第１エッチングおよびマイクロウェルを形成するための第２エッチングを必要とする。
【００１４】
有利には、前記第１の実施形態において、該方法は、得られたシリコンマイクロモールドの表面と該シリコンマイクロモールド中に成形される膜との間の接着を最小化するために、得られたシリコンマイクロモールドをＣＨＦ３プラズマ処理に暴露することを包含する。
【００１５】
第２の実施形態において、該方法は、マスクを通してそして中間現像なしに、少なくとも２回の連続するＵＶ暴露によってレジストマイクロモールドを得ることを包含し、第１暴露はマイクログルーブを形成するための手段を規定し、第２の暴露は、第２のレジスト層をスピンコーティングした後、マイクロウェルを形成するための手段を規定する。
【００１６】
有利には、前記第２の実施形態において、前記方法は、ＳＵ８のようなレジストを使用することを包含する。
【００１７】
本発明はまた、本発明に従う方法によって得られるような３次元マイクロ流体構造に関する。
【００１８】
マイクロマシン化バイオチップの３次元構造マイクロ流体膜への組み合わせは、最小数百のウェルのアレイ中で、センシングもしくは操作目的のための高度に並行化したバイオマイクロシステム（これは単一細胞または小グループの生存細胞を単離し得る）を導く。これらのいわゆる細胞バイオチップは、工業または研究について非常に興味深い。
【００１９】
特に、本発明は、多数の並行操作が生きている細胞に対して保持される必要のある際に有用である。マイクロ流体チャネルの手段によって地下接続される、提案された３次元マイクロ流体構造（これはマイクロウェルのアレイ中で細胞を整列する）は、以下の用途を有し得る：
−高度に並行化した技術が絶対的に必要である薬理学および高出力スクリーニング；３次元マイクロ流体構造において、単一細胞を含むオープンウェルは、製薬産物（ごく少数の速く高度に並行化した産物）のアドレスを可能にする地下マイクロ流体ネットワークに接続されている、
−遺伝子移入（現在では、トランスフェクション技術は効率的ではなく、本発明の細胞チップは、鍵となるデバイスであり得、これは、トランスフェクションの分析および最適化のためのアレイとして単一細胞を単離し得る）、
−エキソビボ(ex-vivo)培養物および誘導されたニューロンの成長（基礎研究のための）、ならびに
−細胞バイオセンサー（細胞に対する環境効果および汚染効果の測定）。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の１つの実施形態に従う３次元マイクロ流体構造１は、図１に示される。
【００２１】
３次元マイクロ流体構造１は、少なくとも膜３および基体５によって形成される。膜３は、少なくとも前記膜３を横断する垂直なマイクロウェル７のアレイ、および膜表面の少なくとも１つの上に位置しそして前記マイクロウェル７の少なくともいくつかを相互接続する縦のマイクログルーブ９を組み込む。
【００２２】
３次元マイクロ流体構造１は、第１または第２の技術に従って成形することによって直接得られる。
【００２３】
第１の技術は、深いプラズマエッチング（ＩＣＰ ＲＩＥ 誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング）の手段によって、シリコンマイクロモールドを得ることを可能にする。このエッチングは、３次元である必要があり、少なくとも２レベルのエッチングが必要である：マイクロチャネルについて１つおよびオープンウェルについて１つ。
【００２４】
有利には、３次元マイクロ流体構造の表面は、得られたマイクロモールドの表面と成形されるマイクロ膜との間の接着を最小にするために、炭素ポリマー(carbonic polymer)（これは、表面をＣＨＦ３プラズマに暴露する手段によって得られる）によってカバーされる。
【００２５】
第２の技術は、厚いレジストモールドを得ることを可能にし、使用されるレジストは、例えばＳＵ８である。一般に、少なくとも２つの連続するＵＶ暴露が、マスクを通して、中間現像なしで必要とされ、膜の３次元形状を規定するのを可能にする。具体的には、少なくとも第１の暴露はマイクロチャネル形状を規定し、第２の暴露は、第２レジスト層をスピンコーティングした後、マイクロウェルの形状を規定することを可能にする。２つの形状間のアラインメントは、連続する層のレジストを現像することなく作製され得る：確かに、ＵＶ暴露は、暴露されたレジストの屈折率を変化させ、このように暴露された表面は可視性となる。より複雑な構造が連続する層のスピンコーティングおよびＵＶ暴露によって得られ得る。次いで、マイクロモールドの全体の形状は、特定の現像機で現像される。
【００２６】
特に、該方法は、基体１３の表面上にＳＵ８の第１層１１をスピンコーティングするために、図２ａに示されるような第１工程を包含する。この第１層１１の厚さは、約２０μｍ〜３００μｍであり、この厚さは、スピンコート操作の速度および期間によって規定される。次いで、第１層１１はベークされる。
【００２７】
図２ｂに示される第２工程において、第１レジスト層１１は、少なくともマイクログルーブ９の形状９ａを規定するために、マスクを通して（示されていない）ＵＶ暴露に供される。
【００２８】
図２ｃに示される第３工程において、第１層１１を現像することなく、第２レジスト層１５は、第１層１１上にスピンコートされる。第２層１５の厚さはまた、このスピンコーティング操作のスピードおよび期間によって規定され、この厚さは約２０μｍ〜３００μｍである。次いで、第２層１５はベークされる。
【００２９】
図２ｄに示される第４工程において、第２レジスト層１５は、少なくともマイクロウェル７の形状７ａを規定するためにマスクを通して（示されていない）ＵＶ暴露に供される。
【００３０】
図２ｅに示される最終工程において、構造は、縦のマイクログルーブ９および垂直のマイクロウェル７を規定するための手段を含む３次元マイクロモールド２０を得るために、それ自体公知の様式で現像される。層１１と１５との間のアラインメントは、顕微鏡（microscopy）によって可視となる暴露表面の屈折率の変化に起因して実施される。
【００３１】
次いで、３次元マイクロモールド２０（これは、提供される２つの方法の１つによって得られる）は、疎水性特性を有するポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなポリマー材料から作製される膜を成形するために使用される。このポリマー（ＰＤＭＳ）は、モールドとポリアクリル板（これはモールド構造の上にプレスされる）との間に注入される。１時間７０℃のベーキング後、膜が形成される：マイクロウェルは膜を横切り、そしてマイクロチャネルは１つの膜表面上に形成される。
【００３２】
第１の実施形態において、マイクロモールド膜は、３次元マイクロ流体構造を構成し得る。
【００３３】
第２の実施形態において、図１に示されるように、マイクロモールド膜３は、基体５と結合している。
【００３４】
例としては、基体５は、マイクロコンダクタ２４を介して電子回路に接続される少なくともマイクロ電極２２を備える電子チップによって構成され得る。マイクロ電極２２は金製（golded）であり得、有利には、基体５は、疎水性特性を有する材料から作製される。
【００３５】
膜は、顕微鏡下で電子チップに直接配置され、その結果、マイクロウェルは、電子チップの電極上に整列され得る。膜および電子チップは、これらの疎水性特性に起因して、共に接着する。
【００３６】
有利には、マイクロコンダクタ２４および基体５は、顕微鏡を介してマイクロ流体構造を可視化し得るように、透明である。例えば、基体５は、ガラス板によって形成され、そしてマイクロコンダクタ２４はＩＴＯ製である。
【００３７】
一般に、材料は、マイクロ流体構造と、生物学的物質およびマイクロ流体構造によって処理される生きている細胞との生体適合性を保証するように選択される。使用される材料が生体適合性の条件を満たしていない場合、この材料は、すなわち、適切なコーティングに従って処理される。
【００３８】
マイクロウェルおよびマイクロチャネルは、マイクロウェルに細胞が侵入するのを可能にするために、そして水溶性の生化学的化合物がマイクロチャネルに侵入するのを可能にするために、親水性にされる必要がある。一方、電子チップに面するマイクロ膜表面は、両方の表面間の接着を維持するために、その疎水性特性を維持する必要がある。例えば、酸素プラズマ処理は膜に適用され、これがガラス基体（電子チップ基体と異なる）にくっつくのを維持する：プラズマは浸透し、マイクロウェルおよびマイクロチャネルの特性を改変し、これらの表面を親水性にする。
【００３９】
一般には、本発明に従う方法によって得られる３次元マイクロ流体構造において、膜のマイクロウェルは、３０μｍ〜１００μｍの寸法を有し、膜は約４０μｍ〜３００μｍの厚さを有する。さらに、マイクロチャネルは、１０μｍ〜３００μｍのサイズの長方形の断面を有し、マイクロウェルの数は、１００〜１００００/ｃｍ2の範囲で含まれ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
本発明の他の特徴、利点、および詳細は、純粋に例として与えられる添付の図面を参照して、上記の説明の記載から明らかである。
【図１】図１は、本発明の方法に従って製造された３次元マイクロ流体構造の断片的な斜視図である。
【図２】図２ａ〜２ｅは、好ましい実施形態に従う該方法を例示するための概略図である。

Claims (21)

  1. マイクロ流体構造、特にバイオチップを製造する方法であって、該方法は、少なくとも以下を包含する：
    −少なくともマイクロウェルおよび該マイクロウェルを相互接続するマイクログルーブ（micro-grooves）またはマイクロチャネルを含む３次元形状を規定するための手段を用いて３次元マイクロモールド（micro-mould）を製造すること；及び
    −ポリマー材料から作製される膜を成形するための該３次元マイクロモールドのみを使用すること（該膜は少なくとも該マイクロウェルおよび該マイクログルーブまたはマイクロチャネルを組み込み、該膜は３次元マイクロ流体構造を構成する）。
  2. 基体によって３次元マイクロ流体構造を完成し、該基体の１つの表面が膜の１つの表面に適用されることを包含する、請求項１に記載の方法。
  3. 以下を包含する、請求項２に記載の方法：
    −マイクロウェルおよびマイクログルーブを規定するための手段を少なくとも含む、３次元形状を規定するための手段を用いて、前記３次元マイクロモールドを製造すること、
    −ポリマー材料から作製される膜を成形するための前記３次元マイクロモールドのみを使用すること（ここで該マイクロウェルは膜を横切り、該マイクログルーブは１つの膜表面上に位置し、かつ該マイクロウェルを相互接続する）、及び
    −該マイクロウェルの１つの自由端（free end）を閉じそしてマイクログルーブを閉じて、該マイクロウェルを相互接続する埋め込まれたチャネルを形成するために、該膜の１つの表面および基体の１つの表面を接触させること。
  4. 先の請求項のいずれかに記載の方法であって、１つの膜表面上に、該膜を横切るマイクロウェルおよびマイクログルーブを有する膜を形成するために、マイクロモールドと該マイクロモールド上にプレスされたプレートとの間にポリマー材料を注入すること、および約１時間、約７０℃の温度で該ポリマー材料をベーキングすることを包含する、方法。
  5. 先の請求項のいずれかに記載の方法であって、膜と基体との間で自然の接着を得るために、該膜を形成するために疎水性特性を有するポリマー材料を使用すること、および疎水性特性を有する材料から作製される基体を使用することを包含する、方法。
  6. 膜を形成するためにポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなポリマー材料を使用することを包含する、請求項５に記載の方法。
  7. 酸素プラズマ処理のような処理によって膜のマイクロチャネルまたはマイクログルーブおよびマイクロウェルを親水性にすることを包含する、先の請求項のいずれかに記載の方法。
  8. 酸素プラズマ処理を適用する前に膜をガラス基体と接触させ、ガラス基体と接触している該膜の表面の疎水性特性を維持することを包含する、請求項７に記載の方法。
  9. 先の請求項のいずれかに記載の方法であって、該方法は、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング（Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching）（ICP RIE）によってシリコンマイクロモールドを得ることを包含し、該エッチングは３次元であり、少なくともマイクログルーブまたはマイクロチャネルを形成するための第１エッチングおよびマイクロウェルを形成するための第２エッチングを必要とする、方法。
  10. 請求項９に記載の方法であって、得られたシリコンマイクロモールドをＣＨＦ３プラズマ処理に暴露して、得られたシリコンマイクロモールドの表面と該シリコンマイクロモールド中に成形される膜との間の接着を最小化することを包含する、方法。
  11. 先の請求項１〜８のいずれかに記載の方法であって、マスクを通してそして中間現像なしに、少なくとも２回の連続するＵＶ暴露によってレジストマイクロモールドを得ることを包含し、第１の暴露はマイクログルーブを形成するための手段を規定し、第２の暴露は、第２のレジスト層をスピンコーティングした後、マイクロウェルを形成するための手段を規定する、方法。
  12. ＳＵ８のようなレジストを使用することを包含する、請求項１１に記載の方法。
  13. 先の請求項のいずれかに記載の方法によって製造されるマイクロ流体構造。
  14. ポリマー材料から作製され、少なくともマイクロウェルおよび該マイクロウェルを相互接続するマイクログルーブまたはマイクロチャネルを含む膜を備え、該膜が３次元マイクロ構造を構成する点で特徴付けられる、請求項１３に記載のマイクロ流体構造。
  15. 少なくとも１つの基体を備え、該基体の１つの表面が膜の表面に適用されている点で特徴付けられる、請求項１４に記載のマイクロ流体構造。
  16. 前記膜がポリマー材料から作製される点で特徴付けられる、請求項１４に記載のマイクロ流体構造。
  17. 前記構造が透明である点で特徴付けられる、請求項１５に記載のマイクロ流体構造。
  18. 前記膜がポリジメチルシロキサンから作製される点で特徴付けられる、請求項１６または１７に記載のマイクロ流体構造。
  19. 請求項１４〜１８のいずれかに記載のマイクロ流体構造であって、膜のマイクロウェルが３０μｍ〜１００μｍの寸法を有し、該膜が約４０μｍ〜３００μｍの厚さを有し、マイクロチャネルが１０μｍ〜３００μｍのサイズの長方形の断面を有し、そしてマイクロウェルの数が１００〜１００００/ｃｍ2の範囲で構成され得る点で特徴付けられる、マイクロ流体構造。
  20. 請求項１４〜１９のいずれか１項に記載のマイクロ流体構造であって、該マイクロ流体構造について使用される材料が、生物学的物質および該マイクロ流体構造によって処理される生きている細胞と生体適合性であるか、または特定のコーティングによって適合性とされる点で特徴付けられる、マイクロ流体構造。
  21. バイオチップを提供するための、請求項１３〜２０のいずれかに記載のマイクロ流体構造の使用。
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