JP2007196167A - 微小流路構造体・微小液滴生成方法・乳化方法・微小粒子・マイクロカプセルの製造方法・マイクロカプセル - Google Patents

Abstract

【課題】微小液滴を効率よく長時間に亘り安定して生成可能で、高度に集積化できる手段及び手法を提供する。
【解決手段】供給口から導入された第一の流体Ｆ１及び第二の流体Ｆ２はそれぞれ流路１０、１１を流れて、共通流路１２で接触（合流）し、第一の流体Ｆ１の両側を第二の流体Ｆ２が挟むように層流が形成される。
共通流路１２の底面には接触角の高い領域１７Ａと接触角の低い領域１７Ｂが一定の周期で形成されている。接触角の高い領域１７Ａでは流体の速度が上昇し、第一の流体Ｆ１の断面積は減少し、その分両脇を流れる第二の流体Ｆ２がはみ出し、第一の流体Ｆ１はくびれた状態になる。この不安定さはその変動の周期がある程度長ければ増長され、最後には分裂して微小液滴２５を生成させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、微小液滴を生成するための微小流路構造体、これを用いた微小液滴生成方法、乳化法及びマイクロカプセルの製造方法、これらの方法により得られる微小粒子、マイクロカプセルに関する。
本発明は、電子ペーパーや電子ディスプレイなどの表示素子用マイクロカプセル、電子写真用トナー、食品、医薬品などに応用することができる。

特許文献１には、粒子径が小さいながらも粒度分布がシャープなポリマー粒子を製造する方法が開示されている。この方法は、ポリマーおよびポリマー易溶性溶媒を含んで成るポリマー溶液からポリマー粒子を製造する方法で、ポリマー溶液およびポリマー難溶性溶媒をマイクロミキサーに供給する工程、およびマイクロミキサーにてポリマー溶液および難溶性溶媒を混合し、ポリマー粒子を相分離させる工程を含む。

乳化法または装置として一般的には以下のような方法が知られている。
（１）ホモジナイザーによる乳化（特許文献２）
これは、連続相と呼ばれる液体に、分散相と呼ばれる粒子化して分散させたい物質を投入し、機械的に高速に攪拌を行うことでせん断力を繰り返し与え、乳化分散体を得るものである。
（２）多孔質ガラス膜を用いた膜乳化（特許文献３）
これは、分散相と連続相を多孔質ガラス膜により仕切り、分散相を連続相側へ押し出すことにより分散相が膜を通過し、連続相に接触し界面張力がせん断力となり最終的に分散相が粒子化し、乳化分散体を得る方法である。この方法によれば比較的粒径の均一な粒子が得られるとしている。
（３）ガラス基板上にＹ字やＴ字状の微小流路を有する微小流路構造体を用い、微小流路に流体を送液することにより液滴を生成する方法（非特許文献１）
これは、分散相、連続相をそれぞれ異なる流路より導入し、その合流部において連続相のせん断力により分散相を液滴化させるものである。
この方法によれば、連続相と分散相の流量を調整することで粒径の均一な粒子生成が行えるとしている。
（４）マイクロミキサーを用いた乳化（特許文献４、特許文献１）
これは、２種類以上の流体を微小な要素に分割させ接触させることで効率的に混合を促進させる手法であり、２種類の流体として実質互いに溶解し合わないものを用いることで乳化を行うことができる。

特開２００５−５４０２３号公報 特許第３４７６２２３号公報 特許第２７３３７２９号公報 特開２００４−３３９０１号公報 特開２００５−９５８５２号公報 ［東京大学 西迫等（化学工学会第６８年会研究発表講演要旨集，Ｂ１０６，２００３）など］ http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/nouyaku/0018.html

特許文献２に開示された方法では、分散相に与えられるせん断力が、乳化位置によって不均一であるために、比較的広い粒径分布を持った粒子しか得ることができない。
特許文献３に開示された方法では、多孔質ガラス膜は微小な孔が三次元的に複雑に入り組んだ構造となっているために、微粒子が均一に分散しているような物質を分散相に用いた場合にフィルターの作用をして得られる粒子に微粒子が含まれないという問題が生じる。さらにこの微粒子が多孔質中に滞留し目詰まりを起こして粒子化を阻害するという問題も生じる。

非特許文献１に開示された方法では、条件によっては層流が形成され粒子化が行われないという問題がある。また、角度のついた合流に起因するせん断力を利用しているために生成量を増やすために流路を増そうとした場合にレイアウト上集積化が難しいという問題がある。
特許文献４等に開示された方法は、効率的に比較的均一な粒子生成ができる方法として近年注目されているが、その参考文献（特許文献５）中で課題に挙げられているように、その分散は必ずしも均一な粒径が得られているわけではない。

本発明は、上述したような問題に鑑み、粒径が数ミクロン〜数百ミクロン均一で内部に微小な粒子を分散可能な液滴及びそれを有するエマルションさらにはそれらを効率よく長時間に亘り安定して生成可能で高度に集積化できる手段及び手法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明では、微小液滴を生成する微小流路構造体において、第一の流体と第二の流体を別々に供給する複数の供給口と、第一の流体が流れる流路と、該流路の両側に位置し第二の流体が流れる流路と、第一の流体と第二の流体が合流する共通流路と、合流後の流体を回収するための回収口とを有し、前記共通流路には、第一の流体と第二の流体のうち少なくとも一方の流体に対して、流体の流れる方向に接触角が周期的に変化する領域が存在することを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の微小流路構造体において、前記接触角が周期的に変化する領域が、第一の流体に対して接触角の低い領域と接触角の高い領域からなり、第一の流体の流路の中心軸の延長上に存在することを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の微小流路構造体において、前記接触角が周期的に変化する領域が、第二の流体に対して接触角の低い領域と接触角の高い領域からなり、第二の流体の流路の中心軸の延長上に存在することを特徴とする。
請求項４に記載の発明では、請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の微小流路構造体において、前記接触角が周期的に変化する領域の周期λが、第一の流体の流路出口の断面積の円相当半径Ｒに対して、λ＞４Ｒの関係を満たすことを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、微小液滴生成方法において、第一の流体と第二の流体を別々に供給して合流させ、少なくとも一方の流体に対して流体の流れる方向に接触角が周期的に変化する領域が存在する共通流路を通すことによって流体間の界面に擾乱を誘起し、一方の流体を液滴化することを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、油中水型の乳化方法において、請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の微小流路構造体を用い、第一の流体の供給口から水溶系の流体を、第二の流体の供給口から非水溶系の流体をともに時間あたり一定の体積流量で供給することを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、水中油型の乳化方法において、請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の微小流路構造体を用い、第一の流体の供給口から非水溶系の流体を、第二の流体の供給口から水溶系の流体をともに時間あたり一定の体積流量で供給することを特徴とする。

請求項８に記載の発明では、微小粒子において、請求項６又は７に記載の乳化方法により得られたエマルションより抽出したことを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、マイクロカプセルの製造方法において、請求項６又は７に記載の乳化方法において、第一の流体中に、形成される粒子より小さな一種類以上の粒子を分散させておくことを特徴とする。
請求項１０に記載の発明では、マイクロカプセルにおいて、請求項９に記載のマイクロカプセルの製造方法により得られたエマルションより抽出したことを特徴とする。

請求項１、２、３又は５に記載の発明によれば、一方の流体に対して濡れ性の異なる領域が周期的に形成されているので、この領域においてその流体の線速度が変動し、２つの流体の界面において周期的な擾乱を誘起し、結果として大きさの揃った粒子化が可能である。
請求項４に記載の発明によれば、線速度の周期的変動により生じる界面の擾乱が縮小することを確実に防止できるため、より確実に大きさの揃った粒子生成が可能である。
請求項６又は７に記載の発明によれば、乳化物中に生成される粒子の大きさが均一な乳化が行える。
請求項８に記載の発明によれば、径の均一な微小粒子を得ることができる。
請求項９又は１０に記載の発明によれば、径の均一なマイクロカプセルを得ることができる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。
まず、図３に基づいて、本実施形態における微小流路構造体を備えた微小液滴生成システム１の概要を説明する。微小液滴生成システム１は、微小流路構造体２と、この微小流路構造体２に供給する流体が収容された流体タンク３、４と、各流体タンク３、４から流体を供給するポンプ５、６と、微小流路構造体２により生成された微小液滴を回収する回収タンク７を有している。
流路パターンを有する微小流路構造体２は、図１及び図２に示すように、２枚の基板としてのガラス板８、９を張り合わせて構成されている。図１、図２（ｂ）においてガラス板８の上面のハッチング表示はガラス間の融着面を表しており、図１では上側のガラス板（第二の基板）９は分かりやすいように破線で表示している。

下側のガラス板（第一の基板）８には、ガラスエッチング法により流路がパターニングされている。図１に示すように、中央部に第一の流体（分散相）が流れる凹状の流路１０が形成されており、流路１０の両側には、流路１０を流れる第一の流体とは相溶性の無い（相溶性が実質的に無い場合を含む）第二の流体（連続相）が流れる凹状の流路１１、１１が形成されている。第一の基板と第二の基板の材料はガラスに限定されない。
ここで、「分散相」とは、本発明の液滴化手段により液滴化される流体のことを示す。「連続相」とは、本発明の液滴化手段で発生した液滴を分散させる媒体の流体のことを示す。
これらの流路１０、１１の終端に連通して、各流体が合流する凹状の共通流路１２が形成されている。
図２に示すように、上側のガラス板９には、上記流路パターンに対応して、流路１０に連通する供給口１５、流路１１に連通する供給口１６、流体を回収する回収口１３が貫通孔として形成されている。図３に示すように、液滴分散体１７は、回収口１３より回収タンク７に回収される。

図２（ｂ）に示すように、第一の流体と第二の流体が共に接する共通流路１２の底面には、第一の流体に対して、流体の流れる方向（矢印Ｒ方向）に接触角が周期的に変化する領域１７が形成されている。すなわち、濡れ性の異なる領域が周期的に形成されている。
領域１７は一定周期で形成されており、第一の流体に対して接触角の高い領域１７Ａと、接触角の低い領域１７Ｂとから構成されている。
基板自体にガラスを用いた本実施形態では、その表面が露出している部分を接触角の低い領域１７Ｂとし、基板表面にフッ素樹脂系の皮膜形成を行うことで接触角の高い領域１７Ａとすることができる。
フッ素樹脂系の皮膜材としては、具体的にはデュポン社のテフロン（登録商標）ＡＦ、旭硝子のサイトップ、ダイキン工業のオプツールなどがあげられる。ガラスと水との接触角は２０度程度であるが、これらにより被覆することで１１０度程度になる。

〔乳化方法〕
上述した微小流路構造体２を用いて乳化、粒子生成を行う方法を図３に基づいて説明する。
第一の流体として水などの水溶系の流体を、第二の流体として油などの非水溶系の流体を体それぞれの供給口１５、１６から導入する。導入は単位時間あたりの体積流量を一定に制御できるものを用いればよく、ポンプ５、６としては例えばマイクロシリンジポンプがあげられる。
さらに回収口１３から回収タンク（捕集容器）７へと接続することで生成された粒子を含む乳化物を得ることができる。

次に、図４に基づいて乳化、粒子生成の原理を説明する。供給口１５、１６から導入された第一の流体Ｆ１及び第二の流体Ｆ２はそれぞれ流路１０、１１を流れて、共通流路１２へと導かれる。共通流路１２で第一の流体Ｆ１及び第二の流体Ｆ２は接触し、第一の流体Ｆ１の両側を第二の流体Ｆ２が挟むように層流が形成される。
これら流体は流れるに従い接触角の高い領域１７Ａを通過する。接触角が高いすなわち撥水性の領域１７Ａは、接触角の低いすなわち親水性の領域１７Ｂに比べて流体抵抗が低くなることが知られている。

したがってこの接触角の高い領域１７Ａでは流体の速度が上昇する。しかし、単位時間あたりに供給される第一の流体Ｆ１の量は一定であるためにこの接触角の高い領域１７Ａにおいては第一の流体Ｆ１の断面積は減少し、その分両脇を流れる第二の流体Ｆ２がはみ出し、第一の流体Ｆ１はくびれた状態になる。
さらに流れると、再び接触角の低いすなわち親水性の領域１７Ｂとなり、流体の速度は減少する。その結果、今度はこの部分での断面積は上昇し、膨らんだ状態となる。このようにして第一の流体Ｆ１の液柱形状は周期的に変動し不安定になる。
この不安定さはその変動の周期がある程度長ければ増長され、最後には分裂して粒子（微小液滴）２５を生成させる。

これら接触角の異なる領域１７Ａ、１７Ｂの周期λは、第一の流体Ｆ１の流路出口（共通流路１２との境界）の断面積の円相当半径Ｒに対して、λ＞４Ｒの関係を満たすことが望ましい。
これより周期が短いと、液柱に生じた不安定さは流れとともに消失してしまい、粒子生成へと至らないことがあり、また、粒子生成が行われたとしてもその大きさはばらついたものとなってしまう。
第一の流体Ｆ１は常に一定体積流量で供給されており、この分裂動作も繰り返し周期的に起きるので、結果として大きさの揃った第一の流体Ｆ１より成る粒子が第二の流体Ｆ２中に分散した乳化物を得ることができる。ここでは第一の流体Ｆ１に水溶系の流体、第二の流体Ｆ２に非水溶系の流体として説明を行ったがこれらを逆にしても同様のことを行うことができる。

以下に他の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する。
上記実施形態では、第一の流体に対して接触角の異なる領域１７Ａと領域１７Ｂを第一の基板８に設ける構成としたが、これに限定される趣旨ではなく、図５に示すように、第二の基板９に形成してもよい（第２の実施形態）。
また、図６に示すように、第一の基板８、第二の基板９の両方に設けることもできる（第３の実施形態）。

図７に第４の実施形態を示す。本実施形態では第一の流体が流れる流路を複数形成したことを特徴としている。微小流路構造体は、三枚の基板８、１８、９から構成され、最下層の第一の基板８には第一の流体を収容し、複数の流路１０へと分岐させる部分を構成する凹部１９が形成されている。
中層となる第三の基板１８には、第二の流体を収容する凹部２０と、この凹部２０と各流路１１とを連通する貫通孔２１と、第一の流体の供給口１５と第一の流体を収容する凹部１９とを接続する貫通孔２２と、回収口１３と共通流路１２とを接続する貫通孔２３が形成されている。
第三の基板１８の下面に接触角の高い領域１７Ａと接触角の低い領域１７Ｂが形成されているが、もちろんこの領域１７はここに限られるわけではなく、第一の基板８の共通流路１２の底部に形成しても良いし、第一の基板８と第三の基板１８の双方に形成しても良い。

上記各実施形態の説明における流速の変動は、主として第一の流体についてである。したがって接触角の異なる領域１７Ａ、１７Ｂは必ずしも共通流路１２の全面（流れと直交する幅方向全体）において形成する必要は無く、図８に示すように、第一の流体が接触する領域のみに形成しても良い（第５の実施形態）。
本実施形態では、接触角が周期的に変化する領域１７が、第一の流体の流路の中心軸の延長上に存在する。
また、第二の流体に速度変動を生じさせても同様の液滴化現象は生じるので、図９に示すように、第二の流体が接触する領域のみに形成しても良い（第６の実施形態）。
本実施形態では、接触角が周期的に変化する領域１７が、第二の流体の流路の中心軸の延長上に存在する。

第一の流体中に、その形成される液滴より微小な粒子を分散させておくことにより、それらを内部に分散含有した粒子を形成することも可能である。
〔マイクロカプセル化〕
第一の流体中に微粒子を分散させて得られた粒子は、そのまま固化させたり、その外周を固化させることによりマイクロカプセルとすることができる。
具体的な方法としては、第一の流体として光硬化性の樹脂中に微粒子を分散させたものを用い、共通流路１２で乳化後に光を照射する方法や、捕集容器７へと接続された配管を透明なもので構成し、ここで光照射をさせる方法がある。
また、内部は液体のままその外周に固体の皮膜を形成する方法としては、非特許文献２に記載されているコアセルベーション法を用いることができる。この中の芯物質として得られた粒子を用いることで、固体で被覆されたカプセルを得ることができる。

〔乳化例〕
流路の幅１００μｍ、深さ４０μｍで第一の流体の流路数１０本、第二の流体の流路数１１本、流路間隔壁幅５０μｍ、共通流路幅１００μｍ、深さ４０μｍの形状の流路をガラス基板に対して通常のフォトリソグラフィー及び湿式エッチングで形成した微小流路構造体を作成した。
第二の基板の下面に１５０μｍ幅でピッチ３００μｍのサイトップの被膜を形成してあり、基板面に対して接触角の高い領域とした。第一の流体としてラウリル硫酸ナトリウムを２重量％溶解した純水を、第二の流体としてシリコーンオイルを用い、第一の流体をマイクロシリンジポンプにより６．５ｍｌ／ｍｉｎ、第二の流体を２６ｍｌ／ｍｉｎの体積流量で導入し乳化を行った。
得られた乳化物の粒子径を光学顕微鏡で観察し、その画像をＣＣＤを介してパーソナルコンピュータ上に表示させ、画素より粒径を評価した結果、平均粒子径約７６μｍ、分散値４．２％の粒径の揃った粒子が得られた。

本発明の第１の実施形態における微小流路構造体の斜視図である。 図１で示した微小流路構造体の詳細図で、（ａ）は上側のガラス板の平面図、（ｂ）は下側のガラス板の平面図、（ｃ）は縦断面図である。 図１で示した微小流路構造体を有する微小液滴生成システムの構成図である。 乳化、微小液滴生成の原理を示す図である。 第２の実施形態における微小流路構造体の詳細図で、（ａ）は上側のガラス板の平面図、（ｂ）は下側のガラス板の平面図である。 第３の実施形態における微小流路構造体の詳細図で、（ａ）は上側のガラス板の平面図、（ｂ）は下側のガラス板の平面図である。 第４の実施形態における微小流路構造体の詳細図で、（ａ）は上側のガラス板の平面図、（ｂ）は中間のガラス板の平面図、（ｃ）は下側のガラス板の平面図である。である。 第５の実施形態における微小流路構造体を示す概要平面図で、第一の流体に対してのみ接触角の高い領域と接触角の低い領域が存在する構成を示す図である。 第６の実施形態における微小流路構造体を示す概要平面図で、第一の流体に対してのみ接触角の高い領域と接触角の低い領域が存在する構成を示す図である。

符号の説明

２ 微小流路構造体
１０、１１ 供給口
１２ 共通流路
１３ 回収口
１７ 接触角が周期的に変化する領域
２５ 微小液滴
Ｆ１ 第一の流体
Ｆ２ 第二の流体

Claims (10)

1. 微小液滴を生成する微小流路構造体において、
   第一の流体と第二の流体を別々に供給する複数の供給口と、第一の流体が流れる流路と、該流路の両側に位置し第二の流体が流れる流路と、第一の流体と第二の流体が合流する共通流路と、合流後の流体を回収するための回収口とを有し、前記共通流路には、第一の流体と第二の流体のうち少なくとも一方の流体に対して、流体の流れる方向に接触角が周期的に変化する領域が存在することを特徴とする微小流路構造体。
2. 請求項１に記載の微小流路構造体において、
   前記接触角が周期的に変化する領域が、第一の流体に対して接触角の低い領域と接触角の高い領域からなり、第一の流体の流路の中心軸の延長上に存在することを特徴とする微小流路構造体。
3. 請求項１に記載の微小流路構造体において、
   前記接触角が周期的に変化する領域が、第二の流体に対して接触角の低い領域と接触角の高い領域からなり、第二の流体の流路の中心軸の延長上に存在することを特徴とする微小流路構造体。
4. 請求項１乃至３のうちのいずれかに記載の微小流路構造体において、
   前記接触角が周期的に変化する領域の周期λが、第一の流体の流路出口の断面積の円相当半径Ｒに対して、λ＞４Ｒの関係を満たすことを特徴とする微小流路構造体。
5. 第一の流体と第二の流体を別々に供給して合流させ、少なくとも一方の流体に対して流体の流れる方向に接触角が周期的に変化する領域が存在する共通流路を通すことによって流体間の界面に擾乱を誘起し、一方の流体を液滴化することを特徴とする微小液滴生成方法。
6. 請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の微小流路構造体を用い、第一の流体の供給口から水溶系の流体を、第二の流体の供給口から非水溶系の流体をともに時間あたり一定の体積流量で供給することを特徴とする油中水型の乳化方法。
7. 請求項１乃至４のうちのいずれかに記載の微小流路構造体を用い、第一の流体の供給口から非水溶系の流体を、第二の流体の供給口から水溶系の流体をともに時間あたり一定の体積流量で供給することを特徴とする水中油型の乳化方法。
8. 請求項６又は７に記載の乳化方法により得られたエマルションより抽出した微小粒子。
9. 請求項６又は７に記載の乳化方法において、第一の流体中に、形成される粒子より小さな一種類以上の粒子を分散させておくことを特徴とするマイクロカプセルの製造方法。
10. 請求項９に記載のマイクロカプセルの製造方法により得られたエマルションより抽出したマイクロカプセル。
    

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