JP2008510505A - マイクロ流体システムおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、好ましくは穿刺部材（１４）を備えた支持体（１２）およびその上に配置された受取位置から標的位置（２２，２４）まで流体を毛管輸送するための半開のマイクロチャネル（１６）からなるマイクロ流体システムに関する。高アスペクト比を得るために、支持体（１２）が、少なくとも上部領域においてマイクロチャネル（１６）を側方向に画定する重積層（１８）で被覆されることが提案される。

Description

本発明は、受取位置から標的位置に流体を毛管輸送するための、好ましくは支持体上に配置された穿刺部材および半開のマイクロチャネルを備えた支持体からなるマイクロ流体システムに関する。さらに本発明は、このようなシステムの好ましい用途およびその製造工程に関する。

この種のシステムは、特に生体分析論において、たとえば血液グルコース測定のために毛細管血としてその位置で採取されるようなきわめて少量の流体の分析を可能にする。微量（マイクロリットルまたはそれ未満）であることに加えて、マイクロ流体工学は、毛管力を利用することができ、費用効率的で大量生産に適したいわゆる消耗品として使用される必要があるより小さい寸法の構成要素によっても特徴付けられる。このような工程は、高集積システムのための光化学エッチングの形で半導体技術分野で知られているが、この目的で使用される材料はその脆弱性のために機械的応力構造ではほとんど使用できない。スチールなどの生体適合性材料がエッチングされる場合、作製された流路構造の断面では材料の等方性の損失のためにとりわけ最適な液体輸送ができない。これに関連して米国特許出願第２００２／０１６８２９０号明細書においてすでに提案されている湿潤剤の適用は、つぎの理由から問題である。

―追加的な製造工程が必要である。

―輸送試料中の検体の検出方法との一般的な適合性が必要である（すなわち、測定結果に影響がない、または測定結果の許容範囲外の変造がない）。

―試料採取時に湿潤剤で被覆された部分が短時間に生体に浸透することを除外するのは不可能であるため、生体適合性がなければならない（毒性作用がまったくない）。

―親水性が適切な保存性を有していなければならない。

―適切な構造なしに湿潤剤のみが使用される場合に物理的制約がある。このような制約は、必要な輸送距離、位置／重力の独立性および／または流速の個別または組合せによるものである。

これを開始点として、本発明の目的は、先行技術の不利益を回避してシステムおよび製造工程を改善することであって、これにより有利な手段の使用による少量の流体の効率的な輸送のための構造がもたらされる。特に、湿潤剤のみの使用による制約が減少する。

この目的を達成するために、独立請求項に示された特徴の組合せが提案される。本発明の有利な実施の形態およびさらなる発展が従属請求項により導かれる。

したがってマイクロ流体システムに関して、支持体が、底部領域を除く、少なくとも上部領域において側方向にマイクロチャネルを画定する重積層で被覆されることが提案される。被覆によって無形物質から容易な方法で堅固な接着構造を形成することが可能となり、これによって流路の形成つまり重積層またはその側壁の上昇が、毛細現象の向上に基づく液体導通流体機能となる。特に、毛管作用を決定的に向上する高いアスペクト比を有する流路断面が等方的にエッチング可能な基板に形成可能ということである。支持体は、同時に皮膚を穿刺するための穿刺要素として設計可能であり、また代替的に穿刺要素とは別の採取または受取機能を有することができる。

有利な実施の形態において、マイクロチャネルが、支持体に組み込まれ、また好ましくはエッチングされる下部断面領域と、前記重積層に形成された重層上部断面領域とを有する。また重積層が、深さ全体にわたってマイクロチャネルを側方向に境界し、単独で液体導通機能を有することができる。

重積層が、好ましくは厚膜フォトレジストであるフォトレジストからなることが特に好ましい。これにより、最終用途のために必要な剛性および不活性を有するマイクロ流体構造が容易に支持体上に形成される。このことは、重積層が、マイクロチャネルの高さを形成または増加するために光構造化されて、さらに複雑な形状が必要な精度で作製できるという事実により達成できる。

重積層が、好ましくは５０μｍより大きく、好ましくは２００〜５００μｍの厚さの層を有する。

本発明の他の特徴は、マイクロチャネルが、支持体の一面から開始する一連のエッチング工程によって前記支持体にエッチングされたいくつかの部分断面を有する。これによって、等方的にエッチング可能な支持体材料に大きい深さ対幅の比のマイクロチャネルを得ることができる。アスペクト比が、０．５より大きく、好ましくは０．８より大きいことが特に有利である。

マイクロチャネルが、５０〜５００μｍの範囲の内部幅を有することが、独立した毛管液体輸送のために有利である。

他の有利な実施の形態によると、支持体の部分断面が、光化学マスクエッチングによって形成される。

本発明の他の変形例によると、マイクロチャネルが、その長手縁の領域に好ましくはアンダーエッチングによって形成されたアンダーカットを有するという事実によって毛管現象が増加される。

他の実施の形態によると、支持体が、等方的にエッチング可能な材料からなり、有利な取り扱い、剛性、不活性および生体適合性などの所望の特性が、好ましくは金属、特に高品位スチールからなる平面形状部を使用することにより達成される。

有利には平面材料から形成された前記支持体が、１００〜４５０μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍの厚さを有する。

重積層が、親水性を増加するさらなる物質または組成物を有する場合、または前記マイクロチャネルの壁の湿潤性が、化学表面処理によって増加する場合が有利である。

他の改善点により、支持体の部分構造および好ましくは穿刺部材の少なくとも一つが、エッチングまたは打ち抜きによってマイクロチャネル領域の外側に形成されることにより、種々の構造が同一の工程で作製される。

好ましい適用は、本発明によるマイクロ流体システムからなる使い捨て式試料採取要素に関する。

本発明によるマイクロ流体システムの他の好ましい用途は、試料液を受取位置から標的位置、特に検出領域に輸送することである。

工程に関して上述の目的は、支持体に適用されたフォトレジスト層、特に厚膜フォトレジストが、液体を輸送するマイクロチャネルを形成するため、またはその高さを増加するために使用されることにより達成される。

有利な実施の形態において、前記フォトレジストが、支持体上に厚膜として噴霧またはナイフコートされるか、浸漬被覆によって適用される。

他の有利な手段は、マイクロチャネルが、第１のフォトレジスト層をマスクエッチングすることによって支持体にエッチングされ、第１のフォトレジスト層を除去後に、マイクロチャネルの高さを増加するために光構造化された第２のフォトレジスト層が適用されることである。

本発明について、概略的に図示された実施の形態に基づいて以下により詳細に説明する。

使い捨ての試料採取要素１０として図示されたマイクロ流体システムは、少量の体液の採取および毛管輸送を可能にする。このために、これは平面支持体１２、その上に形成された穿刺部材１４および支持体１２の重積層１８によって少なくとも一定領域において境界を画定され得る毛管マイクロチャネル１６からなる。

小片形状の平らに形成された部分である支持体１２は、約１５０〜３００μｍの厚さのスチールからなる。その近接端部は穿刺工程中に取扱いするための保持領域２０を形成し、遠心端上に一体的に成形された穿刺部材１４は、微量の体液または組織液を採取可能にするために使用者の皮膚に小さい傷を生成する。

マイクロチャネル１６の長さは溝のように形成され半開であるため、つぎに説明するようにフォトリソグラフィによって製造することができる。液体は、穿刺部材領域（ランセット先端部１４）の受取位置２２にて皮膚または皮膚表面から、従来の中空カニューレにあるように組織部が入口断面の完全な閉止を可能にすることなく、半開の断面を介して効率的に採取可能である。

液体は、穿刺部材１４から離間した、体液を分析可能な標的位置２４に毛管流路１６を経由して輸送される。これは、たとえば反射分光検出方法または電気化学検出方法による既知の方法で行うことができる。

流路断面は一定であるか、またはマイクロチャネル１６の長さにわたって可変である。流路の幅は好ましくは５０〜５００μｍの範囲であり、深さと幅間のいわゆるアスペクト比は、毛管現象を向上するために０．５より大きく、好ましくは０．８より大きい。これに関して、流路１６が支持体１２に等方的にエッチングされる場合に、わずか０．５のアスペクト比の略半円断面が得られることに留意すべきである。

図２に示されるように、等方性エッチングによって形成され、支持体または基板１２において底部領域となる半円の流路領域下部２６は、重積層１８によって高さを増すことが可能である一方で上部開端流路領域２８を側方向に境界しているため、全体的により高いアスペクト比と液体輸送のための向上した毛管作用が得られる。このために、重積層１８は５０μｍより大きく、好ましくは２００〜５００μｍの厚さの層を有するべきである。

重積層１８は、支持体１２上に既成体として積層されたものではなく、無形物質から永久接着層として適用されたものである。被覆材、特にフォトレジスト３０がこの目的で使用される。たとえばエポキシに基づく厚膜フォトレジストが特に適当である。

図２による実施の形態において、フォトレジスト３０は下部領域２６のエッチング後に適用されるため、相補的な上部流路領域２８はさらに液体を搬送することができる。このために、層１８の親水性を適当な添加剤または適切なラッカー塗料によって向上することが有利である。流路壁の水親和性を構成後の薬剤表面処理によって向上することも可能である。

図３による実施の形態において、支持体１２上の下部領域２６のエッチングにマスクとして使用されるフォトレジスト３０は除去されず、さらなる流体機能のために保持される。流路壁の高さを増加することに加えて、図示されるように、アンダーカットによって空気方向に開口する面３２を減少することでさらに毛管現象を向上することが可能である。適切なエッチングパラメータの選択によって、流路１６のアンダーカット縁領域を支持体１２のアンダーエッチング加工構造として作製することも考えられる。

図４は、重積層１８がマイクロチャネル１６をその深さ全体にわたって側方向に境界する実施の形態を示しており、この場合はフォトレジスト３０の適当な層の厚みによって高いアスペクト比を得ることも可能である。層１８の流路１６の光学的構造に加えて、支持体１２は、たとえば穿刺部材１４のエッチングなど、事前の（等方性）エッチングによって構成可能である。

図５は予めエッチングされた支持構造上の流路１６の光学的構成の工程順序を示す。まず、基板として支持体１２に第１のフォトレジスト層３０’が設けられる（図５ａ，ｂ）。続いてフォトマスク３２を通してＵＶ照射が行われると、フォトレジスト３０’がマスクの光透過領域下において重合または硬化し、一方マスク領域３４は照射および現像後にきれいに洗浄される（図５ｃ，ｄ）。その後、エッチング剤が層３０’中に形成された切欠き３６上で支持体１２に塗布され、流路領域２６を等方的にエッチングする。フォトレジスト層３０’を除去後（図５ｆ）、予めエッチングされた流路の進路にしたがってマスク３８を使用して第２圧膜層３０”のさらなる光学的構造化によって流路の上昇２８が形成される（図５ｉ）。硬化したフォトレジストは重積層１８として基板１２上に永久に残存し、向上した液体輸送のための流体機能を満たすものとなる。

図６に示された工程順序において、流路１６のアスペクト比はいくつかの連続したエッチング工程によって増加する。流路１６の上部断面４０は、前述の図５ａ〜ｆによる第１のエッチングによって支持体１２に形成される（図６ａ〜ｆ）。その後、第２またはそれ以降のエッチングでこれらの工程を少なくとも一度繰り返すことによって、深化部分断面４２が形成され、これによって流路１６が幅を等方的に拡張することなく支持体１２のほぼ全体を貫通する（図６ｇ〜ｋ）。流路１６が完全にエッチングされるまで、支持体１２の両面から反対方向にエッチングを同時に行うことが基本的に可能であり、この場合、少なくとも底部側がたとえば箔を積層することによって閉鎖されなければならない。

試料液を輸送するマイクロ流体システムとしての試料採取要素の斜視図である。 異なる重積層のマイクロチャネルを有する図１のシステムの断面図である。 異なる重積層のマイクロチャネルを有する図１のシステムの断面図である。 異なる重積層のマイクロチャネルを有する図１のシステムの断面図である。 ａ〜ｆは、図１のシステムを光構造化して流路の高さを増加するための一連の工程の断面図である。 ａ〜ｋは、流路を深くするための一連の工程を示す図５に対応する図である。

Claims (23)

1. 体液を採取するためのマイクロ流体システムであって、
   好ましくは穿刺部材（１４）を備えた支持体（１２）、および
   その上に配置された受取位置から標的位置（２２，２４）まで流体を毛管輸送するための半開のマイクロチャネル（１６）からなり、
   前記支持体（１２）が、少なくとも上部領域においてマイクロチャネル（１６）を側方向に画定する流体輸送のための重積層（１８）によって被覆されることを特徴とするマイクロ流体システム。
2. 前記マイクロチャネル（１６）が、前記支持体（１２）に組み込まれ、また好ましくはエッチングされる下部断面領域（２６）と、前記重積層（１８）に形成された重層上部断面領域（２８）を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体システム。
3. 前記重積層（１８）が、深さ全体にわたってマイクロチャネル（１６）を側方向に境界することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体システム。
4. 前記重積層（１８）が、好ましくは厚膜フォトレジストであるフォトレジスト（３０）からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体システム。
5. 前記重積層（１８）が、マイクロチャネル（１６）の高さを形成または増加するために光構造化されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体システム。
6. 前記重積層（１８）が、５０μｍより大きく、好ましくは２００〜５００μｍの厚さの層を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体システム。
7. 体液を採取するためのマイクロ流体システムであって、
   好ましくは穿刺部材（１４）を備えた支持体、および
   その上に配置された受取位置から標的位置（２２，２４）まで流体を毛管輸送するための半開のマイクロチャネル（１６）からなり、
   前記マイクロチャネル（１６）が、支持体（１２）の一面から開始する一連のエッチング工程によって前記支持体にエッチングされたいくつかの部分断面（４０，４２）を有することを特徴とするマイクロ流体チャネル。
8. 前記マイクロチャネル（１６）の深さ対幅のアスペクト比が、０．５より大きく、好ましくは０．８より大きいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
9. 前記マイクロチャネル（１６）が、５０〜５００μｍの範囲の内部幅を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
10. 前記部分断面（４０，４２）が、光化学マスクエッチングによって形成されることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
11. 前記マイクロチャネル（１６）が、その長手縁の領域に好ましくはアンダーエッチングによって形成されたアンダーカットを有することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
12. 体液を採取するためのマイクロ流体システムであって、
    好ましくは穿刺部材（１４）を備えた支持体（１２）、および
    その上に配置された受取位置から標的位置（２２，２４）まで流体を毛管輸送するための半開のマイクロチャネル（１６）からなり、
    前記マイクロチャネル（１６）が、その長手縁の領域に好ましくはアンダーエッチングによって形成されたアンダーカットを有することを特徴とするマイクロ流体システム。
13. 前記支持体（１２）が、等方的にエッチング可能な材料からなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
14. 平面形状部としての前記支持体（１２）が、好ましくは金属、特に高品位スチールからなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
15. 平面材料から形成された前記支持体（１２）が、１００〜４５０μｍ、好ましくは１５０〜３００μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
16. 前記重積層（１８）が、親水性を増加するさらなる物質または組成物を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
17. 前記マイクロチャネル（１６）の壁の湿潤性が、化学表面処理によって増加することを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
18. マイクロチャネル領域外側にある前記支持体（１２）部分構造および好ましくは穿刺部材（１４）の少なくとも一つが、エッチングまたは打ち抜きによって形成されることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載のマイクロ流体チャネル。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載のマイクロ流体システム（１０）からなる使い捨て式試料採取要素。
20. 試料液を受取位置から標的位置（２２，２４）、特に検出領域に輸送するための請求項１〜１９のいずれか１項に記載のマイクロ流体システム（１０）の用途。
21. 支持体（１２）に適用されたフォトレジスト層、特に厚膜フォトレジスト（３０）が、液体を輸送するマイクロチャネル（１６）を形成するため、またはその高さを増加するために使用されることを特徴とする体液を採取するためのマイクロ流体システムの製法。
22. 前記フォトレジスト（３０）が、支持体（１２）上に厚膜として噴霧またはナイフコートされるか、浸漬被覆によって適用されることを特徴とする請求項２１記載の製法。
23. マイクロチャネル（１６）が、第１のフォトレジスト層（３０’）を光化学エッチングすることによって支持体（１２）にエッチングされ、第１のフォトレジスト層を除去後に第２のフォトレジスト層（３０”）が適用され、マイクロチャネル（１６）の高さを増加するために光構造化されることを特徴とする請求項２１または２２記載の製法。

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