JP2008232673A - マイクロチャネルアレイ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性及び信頼性に優れるマイクロチャネルアレイの提供。
【解決手段】一端部に流入口１１が形成された本体部１３１と他端部に向かって本体部１３１から複数分岐して形成された分岐部１３２とを有する第１の窪み１３と、他端部に流出口１２が形成された本体部１４１と一端部に向かって本体部１４１から複数分岐して形成された分岐部１４２とを有しかつ分岐部１４２が第１の窪みの分岐部１３２と交互に配置された第２の窪み１４と、第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とを区画する壁部１５と、壁部１５上に形成され第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とを連通する微小溝１６とを第１の基板１０の前面側に備え、第１の基板１０の前面と、第２の基板２０の背面とを密着させたマイクロチャネルアレイ。第１の基板１０が反っており、第２の基板２０の背面が、第１の基板１０の反りに応じて湾曲している。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロチャネルアレイ及びその製造方法に関する。

血液中の有形成分である赤血球、白血球、血小板の機能を測定、評価することは、健康管理、疾患の診断と治療に極めて重要である。特許文献１には、上記血液成分の測定、評価に用いるマイクロチャネルアレイが開示されている。

具体的には、フォトリソグラフ法によってシリコン基板上にパターンニングを行い、ウェット又はドライエッチング法によりシリコン基板上に流路を微細加工する。これは、半導体微細加工技術を応用することにより基板上に赤血球、白血球ないし血小板の形状にそれぞれ適合した種々の形状、大きさの微細流路（マイクロチャネル）を高精度に作成したものである。この技術によって、微細流路の幅と深さの比、間隔等を目的に合わせてデザインでき、また、透明板を介して流路内の実際の流れを直接観察することが可能になった。

他方、半導体微細加工技術により製造されたシリコン製マイクロチャネルアレイでは、シリコン基板の材料コストが高価である、１枚毎にフォトリソグラフを行うために加工費が高価となる、１枚毎の微細流路の寸法精度にバラツキを生じる、焼却処理ができない等の問題が存在していた。これらの問題を解決するため、発明者らによる特許文献２には、樹脂製のマイクロチャネルアレイが開示されている。

特許文献２に記載の樹脂製マイクロチャネルアレイでは、微細流路を有する樹脂製の第１の基板と、ガラス製の平板状の第２の基板とを密着させ、これにより形成される空間内に、血液試料等を導入し、観察する。上記樹脂製の第１基板は射出成形やプレス成形等により製造される。
特開平３−２５７３６６ 特開２００５−２６５６３４

しかしながら、上記方法により製造された樹脂製の第１の基板には反りが生じるため、第２の基板と密着させるためには、極めて大きな圧力を負荷する必要があり、生産性に劣る問題があった。また、最悪の場合、第１及び第２の基板間に隙間を生じ、そこから測定対象たる血液が漏れ、測定不能となる恐れがあった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、生産性及び信頼性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係るマイクロチャネルアレイは、一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを第１の基板の前面側に備え、当該第１の基板の前面と、第２の基板の背面とを密着させてなるマイクロチャネルアレイであって、前記第１の基板が反っており、前記第２の基板の背面が、前記第１の基板の反りに応じて湾曲したものである。これにより、生産性及び信頼性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

本発明の第２の態様に係るマイクロチャネルアレイは、上記のマイクロチャネルアレイにおいて、前記第１及び第２の基板は、射出成形された樹脂基板であることを特徴とするものである。これにより、さらに生産性を高めることができる。

本発明の第３の態様に係るマイクロチャネルアレイの製造方法は、一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを第１の基板の前面側に備え、当該第１の基板の前面と、第２の基板の背面とを密着させてなるマイクロチャネルアレイの製造方法であって、前記第１の基板を射出成形し、前記第１の基板の反りに応じて、前記第２の基板の背面を湾曲させて形成するものである。これにより、生産性及び信頼性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

本発明の第４の態様に係るマイクロチャネルアレイの製造方法は、上記のマイクロチャネルアレイの製造方法において、前記第２の基板を射出成形することを特徴とするものである。これにより、さらに生産性を高めることができる。

本発明によれば、生産性及び信頼性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１を用いて、本発明の実施の形態に係る樹脂製マイクロチャネルアレイについて説明する。図１（ａ）は樹脂製マイクロチャネルアレイの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ'断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の点線円内の拡大図である。マイクロチャネルアレイは、第１の基板１０と第２の基板２０が重ね合わされて構成される。第１の基板１０には、流入口１１、流出口１２、第一の窪み１３、第２の窪み１４、壁部１５、微小溝１６が形成されている。

図１（ａ）に示すように、流入口１１は第１の基板１０の一端に、流出口１２は第１の基板１０の他端に形成されている。流入口１１及び流出口１２は、第１の基板１０の背面から微細流路を有する前面に至る貫通孔である。生理食塩水、血液試料や試薬を、流入口１１から導入し、流出口１２から排出する。ここで、第一の窪み１３、第２の窪み１４、壁部１５、微小溝１６を備える第１の基板１０は、射出成形やプレス成形などにより製造されるため、図（ｂ）に示すように、第１の基板１０は、前面側に凸に反っている。特に、射出成形の場合、反りが大きい。この反りは意図したものではなく、製造工程上不可避的に生じるものである。また、この反りは、第１の基板１０の設計形状及び構成材料により変化する。逆に、設計形状及び構成材料が同一であれば、略同程度の反りとなる。従来、第１の基板１０と第２の基板２０とに大きな圧力を負荷し、両者を密着させていた。すなわち、この圧力により第１の基板１０は、略水平になるように矯正されていた。

また、流入口１１を備える第１の窪み１３及び流出口１２を備える第２の窪み１４が、第１の基板１０に形成されている。
第１の窪み１３は、１つの本体部１３１と複数の分岐部１３２とからなる。本体部１３１は、第１の基板１０の端部に形成されている。そして、矩形状の本体部１３１には、流入口１１が形成されている。他方、分岐部１３２は、本体部１３１から第１の基板１０の中央部に向かって延設され、櫛歯状に分岐して形成されている。

同様に、第２の窪み１４は、１つの本体部１４１と複数の分岐部１４２とからなる。本体部１４１は、第１の基板１０において、第１の窪み１３と反対側の端部に形成されている。そして、矩形状の本体部１４１には、流出口１２が形成されている。他方、分岐部１４２は、本体部１４１から第１の基板１０の中央部に向かって延設され、櫛歯状に分岐して形成されている。

ここで、第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とは交互に配置されている。従って、隣接する第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２との間には、壁部１５が形成されることになる。壁部１５は、隣接する第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２との間を、完全に区切るものではない。図１（ｃ）に示すように、この壁部１５上には、第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とを連通する多数の微小溝１６すなわち微細流路が設けられている。

図１（ｂ）に示すように、第１の基板１０の第１及び第２の窪み１３設けられた側の面には、第２の基板２０が重ね合わされ、第１及び第２の窪み１３及び微小溝１６と第２の基板２０との間に空間が形成される。ここで、第２の基板２０の背面、すなわち、第１の基板１０と密着する側の面は、第１の基板１０の前面の形状に応じて湾曲している。図１の場合、第２の基板２０の背面が、前面側に凹の形状を有している。この第１の基板１０及び第２の基板２０の湾曲面同士を密着させ、これにより形成される空間内に、血液試料等を導入し、観察する。本発明に係るマイクロチャネルアレイでは、従来よりも、小さな圧力で第１及び第２の基板１０、２０を密着させることができ、生産性に優れる。また、密着させた第１及び第２の基板１０、２０の間に隙間を生じることが無く、信頼性に優れる。第２の基板２０は、透明樹脂に限られず、ガラスであってもよいが、第１の基板１０と同様に、樹脂であれば、射出成形やプレス成形により大量生産できるため、生産性に優れる。なお、上述の通り、第１の基板１０の反り量は、設計形状及び構成材料が同一であれば、略同程度であるため、射出成形やプレス成形により大量生産できる。

ここで、樹脂製マイクロチャネルアレイに導入された血液試料等の流れについて説明する。まず、血液試料等は、流入口１１から導入され、第１の窪み１３の本体部１３１から分岐部１３２に向けて流れる。次に、血液試料等は、壁部１５上に設けられた微小溝１６を通過し、第２の窪みの分岐部１４２へと流入する。そして、血液試料等は、第２の窪み１４の分岐部１４２から本体部１４１へ向けて流れ、流出口１２から排出される。ここで、微小溝１６を通過する血液試料等に含まれる白血球や血小板等を観察する。

流路の幅、深さは、測定対象とする血球成分に応じて、それぞれ１〜５０μｍの範囲から選択することが好ましく、１〜２０μｍの範囲内であることがより好ましい。当該流路の幅と深さの比は、対象とする血球成分の形状、変形能に応じて、１：１０〜１０：１の範囲内から選択することが好ましい。なお、血液は、血球（有形）成分と、血漿（液体）成分とに大別され、血球成分の割合が約４０〜４５％、血漿成分が約５５〜６０％である。血球成分において、赤血球が約９６％を占め、約４％が白血球と血小板である。サイズは、赤血球が直径約７〜８μｍ、白血球が約１２〜１４μｍ、血小板が約３μｍである。

樹脂製マイクロチャネルアレイの窪み及び溝によって形成される空間が、流路として機能するには、樹脂製マイクロチャネルアレイと、使用する生理食塩水、血液試料、試薬等の水系液体との濡れ性の差が小さいことが好ましい。濡れ性の差が大きいと、水系液体が流路を流れなくなる可能性が高くなる。また、血液測定を行う前に、例えば、流路内を生理食塩水で満たそうとしても、気泡が混入することにより、対象とする血球成分の通過時間の計測値が再現しない恐れがある。

樹脂前面の濡れ性を改質する技術は、化学的処理技術、物理的処理技術に大別される。化学的処理技術としては、薬品処理、溶剤処理、カップリング剤処理、モノマーコーティング、ポリマーコーティング、蒸気処理、前面グラフト化、電気化学的処理、陽極酸化等があげられる。物理的処理技術としては、紫外線照射処理、プラズマ接触処理、プラズマジェット処理、プラズマ重合処理、イオンビーム処理、機械的処理等があげられる。

また、一般に細胞は疎水前面に固定化しやすい性質を持つことから、血球細胞においても流路に血球成分が付着し、流れなくなる等、血液測定に大きな支障をきたす可能性がある。そこで、樹脂製マイクロチャネルアレイ前面の水に対する接触角を小さくすることが必要となる。ポリメチルメタクリレートに代表される一般に使用される熱可塑性樹脂においては、通常水に対する接触角が比較的大きい（例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂は約６８°、ポリカーボネート樹脂は約７０°、ポリスチレン樹脂は８４°）ため、接触角を小さく、０．５°以上７０°以下とすることが必要となる。さらに、１°以上５０°以下がより好ましい。０．５°未満又は７０°を超えると、微細な流路への血液試料の導入が難しく、血球細胞の付着による凝集塊の発生によって、血球細胞の通過時間測定等の安定したデータが得られない。

血液測定にて、光学系の検出方式等を採用する場合、ＣＣＤカメラ等を用いた実態観察を行う場合等において、樹脂製マイクロチャネルアレイ、及び重ね合わせ基板のいずれか、又は両方を、例えば、反射光、又は透過光測定に応じて、透明とすることが必要である。反射光観察では、光学系の側の基板を透明板とし、反対側の基板を不透明にすればよい。不透明な基板とするには、材料選択の段階にて不透明グレードを選択する、又は透明基板の前面、又は背面に、例えば、蒸着法にて、アルミニウム等の無機膜を堆積する方法があげられる。

透明板を通して流路を直接観察することができ、流速の調節、停止等の適切な処置がとれる。透明性を規定する光学物性としては、厚さ１ｍｍ板において、全光線透過率８０％以上、ヘイズ値１０％以下が好ましい。また、光学系の検出方式を採用する場合、使用する光の波長に応じて、例えば、紫外線吸収剤の添加されていない材料を使用する、分子構造に環構造を有していない材料を使用する等、適宜選択することが好ましい。

本発明に係るマイクロチャネルアレイを構成する樹脂材料は、特に限定されないが、例えば、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル・スチレン系共重合体、ポリカーボネート系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、エチレン・ビニルアルコール共重合体、オレフィン系・スチレン系・ウレタン系等の熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系樹脂、フッソ系樹脂、ポリジメチルシロキサン等のシリコーン系樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等の熱硬化性樹脂、多官能アクリル系樹脂等の光硬化性樹脂を挙げることができる。射出成形により製造する場合、熱可塑性樹脂を用いる。

これらの樹脂は必要に応じて滑剤、光安定剤、熱安定剤、防曇剤、顔料、難燃剤、帯電防止剤、離型剤、ブロッキング防止剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤などの１種又は２種以上を含有することができる。

次に、本発明の実施様態を具体的な実施例で説明する。実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例及び比較例に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法を説明する。まず、ガラス基板上に、有機材料（東京応化工業製「ＰＭＥＲ Ｎ−ＣＡ３０００ＰＭ」をベースとするレジスト塗布を行った。次に、ガラス基板と所望のマスクパターンに加工したマスクを位置合わせした。次にＵＶ露光装置（キヤノン製「ＰＬＡ−５０１Ｆ」、波長３６５ｎｍ）を用いて、レジスト層をＵＶ光により露光を行った後、ホットプレートを用いてレジスト層の熱処理を行った。さらに必要に応じ、得られたレジストパターン上へのレジスト塗布、マスク位置合わせ、ＵＶ光による露光、熱処理の一連の工程を繰り返した。そして、レジスト層を有する基板を、現像液（東京応化工業製「ＰＭＥＲ現像液Ｐ−７Ｇ」）により現像し、ガラス基板上にレジストパターンを形成した

得られたレジストパターンを有するガラス基板前面に、スパッタリングにより、Ｎｉをめっきシード層として堆積させた。次に、このレジストパターンを有する基板をＮｉめっき液に浸け、電気めっきを行い、金属構造体（以下、Ｎｉ構造体）を形成した。このＮｉ構造体を金型として、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を射出成形し、第１の基板１０を得た。得られた第１の基板１０の前面（微小溝１６形成面）の寸法を、三鷹光機製の非接触３次元測定装置により測定した結果、前面側に凸の反りを生じており、その反り量は２３μｍであった。

射出成形される第１の基板１０の外形は、横１６ｍｍ×縦８ｍｍ×厚さ１ｍｍである。また、第１の窪み１３及び第２の窪み１４の深さは８５μｍ、壁部１５の高さは８０μｍ、微小溝１６の幅は５μｍ、深さは５μｍとした。ここで、壁部１５の高さと微小溝１６の深さとを加算したものが、第１の窪み１３及び第１の窪み１４の深さに相当する。さらに、この第１の基板１０の前面へ真空蒸着により厚さ１００ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上に親水性を付与するため、ホスホリルコリン基を側鎖に有するポリメタクリレートを厚さ１００ｎｍで塗布した。

この第１の基板１０と下記実施例、比較例に係る第２の基板２０とを各々接合し、第１の基板１０に形成された流入口１１から血液を導入し、流出口１２から排出を行った。血液の測定は、２０ｃｍの水による落差圧を印加して、健常人（３３歳男性）の血液１００μｌの通過時間を測定した。

［実施例］
第２の基板２０として、第１の基板１０と同様の射出成形により、上記２３μｍの反りを有する第１の基板１０の前面の形状に対応した湾曲面を有する樹脂基板を作成した。上記第１の基板１０と密着させてマイクロチャネルアレイを得た。これを測定モジュールへ組み込み、通過時間を測定した結果、６９秒であり、健常人の標準的数値であった。また、血液の漏れは確認されなかった。なお、射出成形のみならず、研磨により湾曲面を形成あるいは微調整することもできる。

［比較例］
第２の基板２０として、φ２２ｍｍ、平坦度±１μｍ以下の平面ガラスを用いた。上記第１の基板１０と密着させてマイクロチャネルアレイを得た。これを測定モジュールへ組み込み、通過時間を測定した結果、５３秒であった。密着不良から血液の漏れを生じたため、通過時間が短くなったものと推察される。

実施の形態に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの模式図である。

符号の説明

１０ 第１の基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 第１の窪み
１３１ 本体部
１３２ 分岐部
１４ 第２の窪み
１４１ 本体部
１４２ 分岐部
１５ 壁部
１６ 微小溝
２０ 第２の基板

Claims (4)

1. 一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、
   前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、
   前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、
   前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを第１の基板の前面側に備え、
   当該第１の基板の前面と、第２の基板の背面とを密着させてなるマイクロチャネルアレイであって、
   前記第１の基板が反っており、前記第２の基板の背面が、前記第１の基板の反りに応じて湾曲したマイクロチャネルアレイ。
2. 前記第１及び第２の基板は、射出成形された樹脂基板であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂製マイクロチャネルアレイ。
3. 一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、
   前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、
   前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、
   前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを第１の基板の前面側に備え、
   当該第１の基板の前面と、第２の基板の背面とを密着させてなるマイクロチャネルアレイの製造方法であって、
   前記第１の基板を射出成形し、
   前記第１の基板の反りに応じて、前記第２の基板の背面を湾曲させて形成するマイクロチャネルアレイの製造方法。
4. 前記第２の基板を射出成形することを特徴とする請求項３に記載のマイクロチャネルアレイの製造方法。

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