JP2006006286A - 細胞観察用チップの製造方法及び当該製造方法によって製造された細胞観察用チップ - Google Patents

Abstract

【課題】生産性およびコストの面において有用である、樹脂材料の射出成形によって製造された細胞観察用チップを提供する。
【解決手段】細胞観察用チップは、第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と第２の領域との間を連通する微細通路を有する流路部とを備えた細胞観察用チップであって、少なくとも前記流路部を熱可塑性エラストマー樹脂により射出成形し、前記流路部は微細な凹凸を有するものである。このような構成により、微細な凹部を有する金型で隅々の部分まで樹脂材料を充填し、生産性およびコスト面において有用な細胞観察用チップを提供することができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、細胞を観察するための細胞観察用チップに関するものであり、特に細胞観察用チップを樹脂で製造する際の製造方法に関する。

従来より液体検体、例えば薬品や生体物質に対してミキシングや分析を行う技術が種々提案され、また実用化されている。例えば血液粘度計測や細胞状態観察の評価であり、細胞の走化性観察である。走化性とは、走化性因子と呼ばれる化学物質の濃度勾配に応じて細胞が移動する性質のことである。この細胞の走化性を利用して治療薬の開発に応用しようとする動きがある。特に、この走化性を利用することによって、各種の炎症やアレルギー、ガンに対する治療薬の開発に新しいアプローチが見出せるのではないかと考えられており、走化性研究の重要性は増している。このような液体検体に対するミキシングや分析を行う技術として、流通型のマイクロチップが注目されている（例えば特許文献１、非特許文献１を参照）。

ここでは、走化性を観察するためのチップについて説明する。走化性を観察するための細胞観察用チップは、走化性因子を充填するウエルと、走化性を有する細胞等を充填するウエルを有する。そして、これらのウエル間は流路によって連通されており、当該流路内には障壁によって隔てられた微細な通路を多数設けている。この隔てられた微細な通路を細胞が移動する。

図５は、従来の細胞観察用チップを含む細胞観察用ユニット１００の全体構成を説明するための断面図である。図において、細胞観察用チップ１には、細胞又は走化性因子を充填する領域であるウエル３１，３２が設けられている。それらウエル３１，３２には、貫通穴２１'、２２'がそれぞれ設けられている。貫通穴２１'、２２'は細胞観察用チップ１上面に設けられたブロック５の貫通穴２１，２２に連結して細胞観察用ユニット１００上部へ通じている。図では細胞観察用チップ１とブロック５は別々に成形され組み合わされているが、一体に成形されていてもよい。

貫通穴２１，２２は、細胞あるいは走化性因子などの試料を注入・採取するための微細穴である。またウエル３１と３２の間には、それらの間を連通する流路部４が設けられている。流路部４には、障壁によって隔てられた微細な通路が形成されている。かかる通路の大きさは細胞の通常の大きさより多少小さく作られており、走化性因子の濃度勾配ができると細胞は通路を通って濃度の高い方へ移動するため、走化性の観察ができる。

この細胞観察用チップ１は、透明性を有する基板１０と密着させて用いられる。かかる基板１０側から流路部４の微細通路を通過する細胞を観察する。従来の細胞観察用チップ１は、主にシリコンウエハ（単結晶シリコン）を異方性ドライエッチング等のマイクロマシニング技術を用いて加工する方法や、シリコンゴムの一種であるＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane：ポリジメチルシロキサン）を成形する方法によって製作されていた。

しかし、シリコンウエハをマイクロマシニング技術を用いて加工する方法では細胞観察用チップ１の加工コストが高価となってしまう。また、シリコンゴムは加硫や架橋によって硬化する熱硬化性樹脂のためタクトタイムが長く、加工に要する工程数が多いために製造に時間がかかり量産に適さないといった課題があった。そのため、樹脂により形成し製造コストを低減すると共に量産性を高めることが試みられている。

図６に樹脂により細胞観察用チップ１を製造する場合の様子を示す。この場合には、第１の金型１１と第２の金型１２によって囲まれた領域中にピン１３、１４が突き当てられて形成された空間に熱可塑性の樹脂を射出し、冷却硬化させることによって、当該細胞観察用チップ１を製造することができる。第１の金型１１、第２の金型１２は、例えば電鋳により作製することができる。
特開２００２−１５９２８７号公報 日経バイオビジネス２００１年１１月号、ｐ．４８−５０

上記の様な樹脂の射出成形により細胞観察用チップ１を製造する場合に問題となるのが、流路部４を構成するための微細な凹凸部分の成形の反転性の問題である。流路部４を拡大して上下を逆転して見ると、図７（ａ）に示されるように微細な凸部４１が数本突出している構成を有している。こういった形状を成形するための金型１２は図７（ｂ）に示されるように、平面状に微細な凹部１２１が設けられたものになる。

ここで、図７（ｂ）に示されるように、この凹部１２１の寸法は幅及び高さが１０μｍ以下、奥行きが２０μｍ以下といったオーダーであり、非常に微細であることがわかる。この寸法は細胞の走化性観察という用途において、細胞の大きさに起因する。このような非常に微細な形状を有する構造体を、樹脂材料の射出成形で製造する場合、反転性の確保が難しい。

その理由としては金型の形状による圧力伝達の問題、それに関係する空気を逃がす問題がある。図７（ｂ）に示される様に、凸部４１を成形するための金型は凹部１２１が形成され、袋小路になっている。この凹部１２１は１０μｍ程度の非常に微細なオーダーであることに加え袋小路であるために、凹部１２１の底面やそのエッジの近傍の樹脂材料まで十分に圧力が伝わりにくい。また、袋小路であるために樹脂材料を充填する際に空気の逃げ道を確保することが難しくなっている。図８に樹脂材料を充填した状態を示す。図８においてP部分は樹脂材料が充填されているが、Q部分は樹脂材料が凹部分１２１の隅々までは充填されず、気泡ができる。図８に示されるように、圧力が十分に伝わらないことと、空気の逃げ道が確保しづらいこととが重なり、底部に空気の層が出来てしまい、樹脂材料が充填されず目的の形状を得ることができないことがある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、生産性およびコストの面において有用である、樹脂材料の射出成形によって製造された細胞観察用チップを提供することを目的とする。

本発明にかかる細胞観察用チップは、第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間を連通する微細通路を有する流路部とを備えた細胞観察用チップであって、少なくとも前記流路部を熱可塑性エラストマー樹脂により射出成形し、前記流路部は微細な凹凸を有するものである。このような構成により、微細な凹部を有する金型で隅々の部分まで樹脂材料を充填し、生産性およびコスト面において有用な細胞観察用チップを提供することができる。

また、前記流路部における凸先端はエッジを有することが好ましい。これにより、基板と接着した際にしっかりと流路を形成することができる。

また、前記細胞観察用チップは、透明性を有する硬質材料と直接接合することによって流路を形成することが好ましい。こうすることにより、製造工程を簡略化することができる共に接着するための部材が必要なくなるのでコストを削減することができる。

詳細には、チップ全体の厚さは０．５ｍｍ以下であり、前記流路部の凸部の高さは１０μｍ以下であり、凹部の幅は５０μｍ以上であることが好ましい。この寸法が細胞の走化性観察において最適な寸法であり、これにより有効な細胞観察チップとなると共に、余分に大きく作ることなく樹脂材料の無駄を省いて、コストの低減を図ることができる。

本発明にかかる細胞観察用チップの製造方法は、熱可塑性エラストマー樹脂材料を加熱し、可塑化するステップと、少なくとも前記流路部を成形するための金型を加熱するステップと、前記金型内に可塑化した前記熱可塑性エラストマー樹脂を射出するステップと、前記金型内に射出した熱可塑性エラストマー樹脂を充填し、冷却し、硬化させるステップと、金型から成形品を取り出すステップと、を有するものである。これによって微細な凹部を有する金型でもしっかりと隅々のエッジ部分まで樹脂材料を充填し、生産性およびコスト面において有用な細胞観察用チップを提供することができる。

また、前記成形品を透明性を有する硬質材料と直接接合するステップを更に有してもよい。これにより、製造工程の簡略化を図ることができると共に、接着時に接着剤やその他の接着手段が不要となるので、コストの削減が可能となる。

ここで、前記熱可塑性エラストマー樹脂材料を加熱し、可塑化するステップにおいて熱可塑性エストラマー樹脂材料を過熱する温度は１７０℃〜２５０℃であることが好ましい。これにより、金型への充填ステップから、金型内での冷却・硬化ステップにおいて効率的な成形を行うことができる。

また、前記流路部を成形するための金型は電鋳で作製されていることが好ましい。これにより、目的とする成形物を成形するための微細な金型を作製することができる。

更にまた、前記金型を加熱するステップにおいて、当該金型を加熱する温度は３０℃〜８０℃であることが好ましい。これにより、熱可塑状態の熱可塑性エラストマー樹脂材料の、金型内での冷却硬化時に最適な温度とすることができる。

本発明により、生産性およびコストの面において有用である、樹脂材料の射出成形によって製造された細胞観察用チップを提供することができる。

以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。また、説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。また、以下の各実施形態では、具体化のために細胞の走化性観察用にチップを使用する場合について説明するが、液体検体としてはこれに限定されず、例えば、たんぱく質、核酸、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ペプチド、ホルモン、抗原、抗体、リガンド、レセプタ、酵素、基質、低分子有機化合物、細胞、イオン等の測定対象物を含む液体であり、サスペンション、コロイド等の分散系も含む。すなわち本発明にかかるマイクロチップは上記のような液体検体のミキシング及び分析についても使用可能なものである。

まず図１を用いて細胞の走化性を観察する細胞観察用チップについて説明する。細胞観察用チップ１には、ウエル３１、３２が設けられている。この例では、ウエル３１、３２は、細胞観察用チップ１の観察面上の窪みとして成形されている。ウエル３１、３２は当該細胞観察用チップ１と透明性を有する基板１０とが密着された状態においてそれぞれ空間を形成し、当該空間に細胞又は走化性因子が充填される。この例にかかるウエル３１、３２は、細胞観察用チップ１の一方の面から約１００μｍ窪んで形成されている。尚、ウエル３１、３２の容積に特別な制限は無く、細胞、走化性因子等の試料を充填する際の必要最小限の容積を持てばよい。例えば深さは１００μｍ程度、幅・奥行きはそれぞれ１〜２．５ｍｍ程度で良い。

ウエル３１、３２には、貫通穴２１'、２２'がそれぞれ設けられており、貫貫通穴２１'、２２'は細胞観察用チップ１上面に設けられたブロック５の貫通穴２１，２２に連結して細胞観察用ユニット１００上部へ通じている。貫通穴２１、２２は、細胞あるいは走化性因子等の試料を注入・採取するための微細穴である。本実施の形態では細胞観察用チップ１とブロック５は別々に成形され組み合わされているが、一体に成形されていてもよい。この貫通穴２１、２２および貫通穴２１'、２２'の断面形状・大きさは特に限定されるものではなく、例えば、直径０．５ｍｍのマイクロシリンジを用いて試料の注入が可能であれば良い。このため、貫通穴２１、２２の断面形状が円形であれば直径１ｍｍ程度、正方形であれば一辺の長さが１ｍｍ程度である。

ウエル３１とウエル３２との間には、両者を連通する流路部４が設けられている。図２は図１の流路部４を上下逆にして拡大した斜視図である。図１の矢印が指す方向と、図２の矢印が指す方向は一致する。図２に示すように流路部４には、障壁４１によって隔てられた微細な通路４２が形成されており、走化性因子の濃度勾配ができると細胞は通路４２を通って濃度の高い方へ移動するため、走化性の観察ができる。なお、このような微細な通路４２が形成された細胞観察用チップ１は走化性の観察のみならず、細胞状態観察の評価用および血液粘度計測にも使用できる。

この通路４２は、細胞観察用チップ１の一方の面より約５μｍ窪んで形成されている。すなわち凸部である障壁４１の高さは約５μｍである。また、微細な通路４２の幅は２〜１０μｍ程度である。

この通路４２を移動する細胞の像を、透明性を有する基板１０を介して外側の観察面から検出することにより、走化性の観察が可能となる。具体的には、観察面に設置した図示しない顕微鏡や図示しないビデオカメラ等の図示しない検出器によって移動する細胞を検出することになるが、この際には細胞の像が十分に確認できる程度の明るさが必要となる。このため、観察面側に図示しない光源を設置して照明光を通路４２付近に照射している。

流路部４のような非常に微細な構造体を樹脂の射出成形によって成形する場合に発生する、気泡による成形不良の解決策として、発明者は樹脂材料の流動性に着目した。非常に微細な凹部へ材料を充填する場合でも、樹脂材料に十分な流動性があれば樹脂材料が気泡を包み込んだまま硬化するようなことは無く、微細な凹部の隅々まで流れ込むことが可能であり、目的の形状を得ることができる。よって、１０μｍ程度のオーダーでも、気泡を作らずに隅々まで充填できるような十分な流動性をもった樹脂材料が望まれる。

そこで、当該細胞観察用チップ１には、例えばオレフィン系エラストマー等の熱可塑性エラストマー樹脂材料を用いる。オレフィン系エラストマー等の熱可塑性エラストマーを用いて製作すれば、流路部４の障壁４１や通路４２のような微細な加工も射出成形にての製作が可能である。樹脂の射出成形による製法は、金型を製作すれば安価に大量生産することができるため、従来のシリコンウエハをマイクロマシニング技術によって加工する製法やＰＤＭＳを成形する製法に比べて低コストかつ短時間で製作でき、量産に適している。

ここで熱可塑性エラストマー及びオレフィン系エラストマーについて説明する。熱可塑性エラストマーは、流動性、加工性に優れたゴム材料として最近注目を集めている素材で、一般的なゴムやプラスチックなどの高分子材料とは異なり、常温では加硫ゴムのようにゴム弾性を示し、高温では軟化して可塑化するといった、ゴムとプラスチックの中間的な性質を有している。この性質は、熱可塑性エラストマーが弾性を有する軟質相（ソフトセグメント）と熱可塑性を有する硬質相（ハードセグメント）の二成分からなるために発現する。

熱可塑性エラストマーにはオレフィン系、ウレタン系、塩化ビニル系、アクリル系他多くのものがあるが、その中でオレフィン系熱可塑性エラストマーは、一般的なポリオレフィン樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレンなど）の性質にゴムが有する性質（弾性）を付け加えた新しい材料で、ポリエチレンやポリプロピレンの硬質相とエチレンプロピレンゴムやニトリルゴムの軟質相をブレンド又は共重合したものである。

この熱可塑性エラストマーの成形に際しては、プラスチックの成形と同じように射出成形により材料を溶融させて成形品となる。図３（a）に示すように加硫ゴムの場合は分子２００間で科学的な分子結合が生じている。これに対して熱可塑性エラストマーは図３（ｂ）に示すように、分子内に架橋はなく分子内の硬質層の分子グループにより分子を拘束状態にして流動することを防止しているだけで、高温で加圧されると塑性変形する。つまりゴムとは逆に再成形をすることができるので、その成形工程の単純化とあわせて、省エネルギー、省資源対策に適している。

本発明の射出成形に用いる金型は特に限定されないが、例えば電鋳で作製する。その手順は、まず製品（ここでは少なくとも流路部４部分を有する細胞観察用チップ）と同形状の試作品をシリコンで作製する。次に作製した試作品を電極にしてニッケルでメッキを施す。この時のメッキは２ｍｍ程度の厚さまで施す。次にエッチングでシリコンを溶かす。するとメッキによって堆積されたニッケル部分だけが残り、最初に作製した試作品の形状を反転させたニッケル型ができあがる。このようにして作製されたニッケル型を金型に埋め込んで射出成形を行う。

では、本発明の細胞観察用チップの製造手順を説明する。図４は本発明の細胞観察用チップの製造手順を表すフローチャートである。まず、熱可塑性エラストマー材料を１７０℃〜２５０℃に加熱し攪拌することによって可塑化させる（Ｓ１０１）。次に、金型を３０℃〜８０℃に加熱する（Ｓ１０２）。ここではＳ１０１の次にＳ１０２を配置したが、両者の順序は特に限定されず、どちらが先でも良く、同時に行ってもよい。次に、可塑化した熱可塑性エラストマー材料を金型キャビティ内へ射出する（Ｓ１０３）。

金型キャビティ内へ射出された熱可塑性エラストマー材料は、充填、冷却され、硬化する（Ｓ１０４）。硬化し、成形品として完成後、金型から成形品を取り出す（Ｓ１０５）。この成形品が細胞観察用チップである。更に、このチップで細胞の走化性観察を実際に行える状態にするには、ウエル３１，３２及び流路部４のための凹凸を有する面を平坦な透明性を有する基板１０へ直接接合して完成される（Ｓ１０６）。

以上説明したように、本実施の形態にかかる細胞観察用チップは、少なくとも流路部４を、流動性に富む材料である熱可塑性エラストマーで射出成形することにより、気泡による成形不良を防止し、生産性およびコスト面において有用な細胞観察用チップを提供することができる。

本発明にかかる細胞観察用ユニットの断面図である。 本発明にかかる細胞観察用チップの流路部分を表す拡大斜視図である。 加硫ゴムと熱可塑性エラストマーの簡単な分子構造を表す図である。 本発明にかかる細胞観察用チップの製造工程を表すフローチャートである。 従来技術にかかる細胞観察用ユニットの断面図である。 従来技術にかかる細胞観察用チップの製造方法を現す断面図である。 従来技術にかかる細胞観察用チップの流路部を表す拡大斜視図である。 従来技術にかかる細胞観察用チップの流路部の金型成形を表す拡大斜視図である。

符号の説明

１ 細胞観察用チップ、２１，２１'，２２，２２' 貫通穴、
３１，３２ ウエル、４ 流路部、４１ 障壁、４２ 通路、５ ブロック、
１０ 基板、１１，１２ 金型、１２１ 金型凹部１３，１４ ピン
１００ 細胞観察用ユニット、２００ 分子
P 樹脂充填部、Q 気泡

Claims (9)

1. 第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と前記第２の領域との間を連通する微細通路を有する流路部とを備えた細胞観察用チップであって、
   少なくとも前記流路部を熱可塑性エラストマー樹脂により射出成形し、前記流路部は微細な凹凸を有する細胞観察用チップ。
2. 前記流路部における凸部先端はエッジを有することを特徴とする請求項１記載の細胞観察用チップ。
3. 前記細胞観察用チップは、透明性を有する硬質材料と直接接合することによって流路を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載の細胞観察用チップ。
4. チップ全体の厚さは０．５ｍｍ以下であり、前記流路部の凸部の高さは１０μｍ以下であり、凹部の幅は５０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至３いずれかに記載の細胞観察用チップ。
5. 第１の領域と、第２の領域と、前記第１の領域と第２の領域との間を連通する通路を有する流路部とを備えた細胞観察用チップの製造方法であって、
   熱可塑性エラストマー樹脂材料を加熱し、可塑化するステップと、
   少なくとも前記流路部を成形するための金型を加熱するステップと、
   前記金型内に可塑化した前記熱可塑性エラストマー樹脂を射出するステップと、
   前記金型内に射出した熱可塑性エラストマー樹脂を充填し、冷却し、硬化させるステップと、
   金型から成形品を取り出すステップと、
   を有する細胞観察用チップの製造方法。
6. さらに、前記成形品を、
   透明性を有する硬質材料と直接接合するステップ、
   を備えたことを特徴とする請求項５記載の細胞観察用チップの製造方法。
7. 前記熱可塑性エラストマー樹脂材料を加熱し、可塑化するステップにおいて、熱可塑性エラストマー樹脂材料を加熱する温度は１７０℃〜２５０℃であることを特徴とする、請求項５又は６記載の細胞観察用チップの製造方法。
8. 前記流路部を成形するための金型は電鋳で作製されていることを特徴とする、請求項５又は６記載の細胞観察用チップの製造方法。
9. 前記金型を加熱するステップにおいて、当該金型を加熱する温度は３０℃〜８０℃であることを特徴とする、請求項５又は６記載の細胞観察用チップの製造方法。

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