JP2010540267A - マイクロ流体チャネルの実装方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ベースプレート１、１１の第１のレベルから抜け出ることにより、マイクロ流体システムを含むベースプレート１、１１の第１のレベルに位置するチャネル４ａ、４ｂをベースプレート１、１１の第２のレベルに接続させ、チャネルピラー（複数可）２ａ、２ｂおよびチャネルブリッジ３を有する、レベルシフトを伴うマイク流体チャネル６の実装方法に関する。角のない長手方向のホローが、ベースプレート１、１１の第１のレベルから抜け出るチャネルピラー２ａ、２ｂとして作製され、その後、チャネルブリッジ３を形成するために、１つのホローが、ベースプレート１、１１内に、ベースプレート１、１１の第２のレベルまで延在するチャネルピラー２ａ、２ｂの端部のところにスライシングにより作製され、チャネルピラー２ａ、２ｂ区間に作製されるオリフィスに合わせ込む断面を有する除去可能な材料のパターニングプロフィルピースが、スライシングされたチャネルピラー２ａ、２ｂのオリフィスに挿入され、その後、ホロー内で材料のない状態として残ったベースプレート１、１１部分がパターニングプロフィルピースおよびチャネルピラー（２ａ、２ｂ）の周囲部分において、ベースプレート１、１１に合わせ込むのに適した充填材料７で充填され、その後、充填材料７を固体化させるのに必要な処置が実施され、その後、パターニングプロフィルピースが化学プロセスまたは物理プロセスによって除去される。

Description

本発明は、マイクロ流体システムを含むベースプレートの第１のレベルに位置するチャネルをこのベースプレートの第２のレベルに接続させ、チャネルピラー（ｃｈａｎｎｅｌ ｐｉｌｌａｒ）およびチャネルブリッジ（ｃｈａｎｎｅｌ ｂｒｉｄｇｅ）を有する、レベルシフトを伴うマイクロ流体チャネルの実装方法に関する。本発明は、レベルシフトを伴う上記のマイクロ流体チャネルを含むマイクロ流体システムで使用され得るものであり、このマイクロ流体システムは、ベースプレートと、試薬コンテナと、ベースプレート内に形成される試料入口開口部および空気出口開口部と、ベースプレートの第１のレベル上に形成される接続チャネルネットワークと、その表面において第１のレベルを第２のレベルに接続させるためのレベルシフトを伴うチャネル（複数可）とを有する。上記チャネルは、ベースプレートと、ベースプレートの第１のレベルに隣接するその表面平面のところでベースプレートを密封しているカバープレートとの内側に位置する。ベースプレート内に形成される要素の数量、それらの位置、および互いの接続方式は、特定の目的に応じて任意の時点で決定される。

マイクロ流体装置は、バイオテクノロジー、化学分析、および高度臨床化学の分野で使用される。実際のマイクロ流体システムは、特定の試薬および／または緩衝剤を決められた順序で小型の反応空間内へと注入するのに適している、何らかの分析手法または分析手順を実装した普通の分析実験室装置を小型化したものであり、これは実施されたアッセイの結果の読み取りを可能にするものである。マイクロ流体システムは、最も一般的には、臨床生物医学的高速アッセイ（ｎｅａｒ−ｐａｔｉｅｎｔ ｒａｐｉｄ ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ ａｓｓａｙ）、またはより複雑な場合では、いわゆるマイクロ全分析システムに使用される。マイクロ流体システムは、一般に、ベースプレートとしての何らかのタイプのブラスチック、ガラスまたはシリコンの基板上に設けられるパイプおよびホローによるシステムである。パイプおよびホローによるシステムが１つの特定のレベルのベースプレート内のみにしか構築され得ない場合、設置されるシステムの複雑さが制限されてしまう。例えば、パイプおよびホローによるより複雑なシステムを設置するためには、または、特定のパイプ区間が個別に開閉され得るように弁を設けるためには、一部のチャネル間でレベルを変化させること、すなわち、ベースプレートの内側にチャネルのブリッジ部が設けられることが必要となり、言い換えると、チャネルのレベルを変化させることが必要となる。このような構造を形成する場合には深刻な技術的問題が生じるが、この問題の大部分は、互いに積み重ねられる構造、いわゆるサンドイッチ構造を形成することによって解決される。このような解決策は、例えばＵＳ２００５１３０２９２の明細書で紹介されている。また、サンドイッチ構造にリソグラフィ技術を組み合わせる解決策もある。このような解決策では通常複雑な設備が必要となるため、そのような設備およびそれらの実装は複雑でコストがかかるものとなってしまう。加えて、サンドイッチ構造では、異なる層の接合部のところで、チャネルの壁が滑らかな曲線にならない危険性もあることから、流体動力学の観点では、このことにより乱流が発生して死空間が生まれてしまう可能性があり、その場合、アッセイならびに測定が不正確となる。

米国特許出願公開第２００５１３０２９２号明細書

本発明の目的は、レベルシフトを伴うマイクロ流体チャネル、および、特別な製造設備を必要とすることなく現況技術の欠点を排除することができ、レベルシフトを伴うチャネルが、知られている解決策より簡単かつ安価に設置され得るようなマイクロ流体システムの実装方法を提供することである。すなわち、このマイクロ流体システムの実装方法は、コスト的に有利な形で臨床用の高速アッセイを実施するのに適していることに加えて、乱流がほとんど発生せずしたがって死空間がほとんど存在しない流れを、レベルシフトを伴うブリッジチャネル内に確保することができ、それによりアッセイの精度を適切に向上させることができる。

本発明によると、互いに連続する複数の層をわざわざ作ることによって構築されるサンドイッチ構造を使用する代わりに、モノリシック基板のベースプレートから始まるチャネル（複数可）を形成することにより、この目的を達成することができる。この課題は、例えば穴あけ加工により角のない断面を有するホローをベースプレート内に作り出し、レベルシフトを伴うチャネルのピラー状部分（複数可）を作製することによって解決されるが、一方で、チャネルピラー（複数可）に接続されているブリッジ状部分を構成するチャネル部分は、チャネルピラー（複数可）のところで必要となる程度だけ空間的にベースプレートをくり抜くことによって作製される。すなわち、ブリッジ状部分を構成するチャネル部分は、チャネルピラー（複数可）を区分けし、除去可能な材料のパターニングプロフィルピース（ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｐｒｏｆｉｌｅ−ｐｉｅｃｅ）をブリッジとしてチャネルピラー（複数可）に合わせ込まれ、後になって固まる充填材料を用いてパターニングプロフィルピースの周りのベースプレートの中空部分を充填し、化学的手法または物理的手法を用いて充填材料（ｆｉｌｌｉｎｇ−ｕｐ ｍａｔｅｒｉａｌ）からパターニングプロフィルピースを取り除くことにより形成される。また、このようにして形成されたチャネルブリッジに弁機能を設置することも容易である。

したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲にも記載されるように、ベースプレートの第１のレベルから抜け出ることにより、マイクロ流体システムを含むベースプレートの第１のレベルに位置するチャネルをベースプレートの第２のレベルに接続させるためのレベルシフトを伴うマイクロ流体チャネルの実装方法である。適切には、このマイクロ流体チャネルは、カバープレートによって密封されるベースプレートの表面平面のところに構築され、レベルシフトを伴うチャネルにはチャネルピラー（複数可）およびチャネルブリッジが含まれる。適切には円筒形のボアホールである、角のない長手方向のホローが、ベースプレートの第１のレベルから、適切には主チャネルネットワークの平面から抜き出るチャネルピラーとして作製され、ホローの軸は、適切にはベースプレートに対して直角となる。その後、チャネルブリッジを形成するために、１つのホローが、ベースプレート内に、ベースプレートの第２のレベルまで延在するチャネルピラーの端部のところに、適切には斜めにスライシングされることにより作製され、チャネルピラー区間に作製されるオリフィスに合わせ込む断面を有する除去可能な材料の適切には棒であるパターニングプロフィルピースが、スライシングされたチャネルピラーのオリフィスに挿入される。この後、ホロー内で材料のない状態として残ったベースプレート部分を、パターニングプロフィルピースおよびチャネルピラーの周囲部分において、ベースプレートに合わせ込むのに適した充填材料で充填する。その後、充填材料を固体化させるのに必要な処置が実施され、パターニングプロフィルピースが化学プロセスまたは物理プロセスによって除去される。

チャネルブリッジは、適切には、ベースプレートの第１のレベルと平行になるように第２のレベル上に作製される。

ベースプレートが、チャネルピラーの長手軸および作製されるチャネルブリッジの長手軸によって画定される平面に対して垂直である断面平面に沿ってスライシングされることが有利であり、この断面平面とチャネルピラーの長手軸との最小角度ならびにこの断面平面とベースプレートの第１のレベルの平面と間の最小角度は実質的に４５°であることが有利である。

製造技術の側面では、言及した断面平面を円錐面に近づけること、すなわち、円錐表面に沿ってベースプレートのスライシングを行うことが有利である場合がある。

チャネルピラーのスライシングおよびホローの作製が続いて起こるのではなく、ベースプレートのチャネルネットワークの作製と同時に行われることが適切である場合がある。

弁機能を設けることを可能にするために、材料のない部分が、チャネルブリッジを構成し、適切には棒であるパターニングプロフィルピースを、その周りまたは隣接する少なくとも２つの側を囲んでいる充填材料の一部分において形成されることが有利である。この場合、チャネルブリッジを囲んでいる弾性の充填材料の部分が、適切な道具を用いて共に圧搾され得るようになる。

ベースプレートに適した充填材料として液体ポリマーを用いてベースプレートを充填することが有利であり、液体ポリマーは、その後、例えば冷却されるまたは他の手段によって硬化されることにより固体化されて固まる。

パターニングプロフィルピースは、それ自体の材料性質および充填材料の性質、ならびにベースプレートの材料性質に応じて、化学エッチングまたは融解によって除去される。

弁を設けることを可能にするためには、チャネルブリッジを囲む充填材料が弾性であることが有利であり、それにより、弁構造がチャネルブリッジのところに形成され得るようになる。

少なくとも試薬コンテナの上方の、少なくともアクセスが必要となる場所において、すなわちカバープレートの反対側の表面平面においてベースプレートが弾性材料である場合、チャネルシステム内で試薬を指先の圧力を用いることにより手動で移動させることができるようなマイクロ流体システムが作製され得る。

本発明を用いると、臨床用の高速アッセイを実施することができるマイクロ流体システムを比較的簡単かつ安価に作ることができ、同時に、乱流が発生して死空間が生まれる可能性を最小に維持することによりアッセイ結果の精度が確保される。

図面を用いて、本発明を好適な実施形態でより詳細に提示する。

本発明によって作られる、断面平面がベースプレートの表面平面に対して垂直である、レベルシフトを伴うマイクロ流体チャネルの一実施形態の図である。 図１によるレベルシフトを伴うマイクロ流体チャネルの調製プロセスの一段階の概略的な不等角図である。 上方から見た、本発明によって作られるマイクロ流体システムの好適な実施形態の図である。

厚さが６ｍｍのベースプレート１内に、図１によるレベルシフトを伴うマイクロ流体チャネル６が形成されており、このマイクロ流体チャネル６は、ベースプレート１内に作製されたチャネルネットワークのチャネル４ａおよび４ｂを接続させており、より正確に表現すると、ベースプレート１の表面平面から深くして接続される。

ベースプレート１の材料は、ポリカーボネート（ＰＣ）またはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、あるいは、例えば導入部で言及したベースプレートの材料のような別の材料である。レベルシフトを伴うマイクロ流体チャネル６は、チャネルピラー２ａおよび２ｂとチャネルブリッジ３とから構成される。チャネルブリッジ３は、ベースプレート１の表面平面からの高さが約４ｍｍである。この実施形態では、チャネルピラー２ａおよび２ｂは、ベースプレート１の表面平面内に垂直に穴あけ加工された円筒形のボアホールで形成される。しかし、いわゆる熱エンボス加工技術が製造に使用されてもよく、あるいは、ボアホールは、ベースプレートの製造時に射出成形によって作られてもよい。やはり円形断面を有するチャネルブリッジ３は、図２に示した形ではチャネルピラー２ａ、２ｂのところでベースプレート１をスライシングし、ボアホールの端部間のスライシングを行った側面上においてベースプレート１をケービングし、スライシングおよびケービングされたベースプレート材料を除去することにより、ベースプレート１の内側に延在するボアホールの端部間のベースプレート１の表面平面と平行になるように作製される。この後、チャネルピラー２ａ、２ｂの断面と実質的に等しい断面を適切には有する除去可能な材料の棒９が、図２の矢印に従って、チャネルピラー２ａ、２ｂのオリフィス内に挿入される。その後、スライシングおよびケービングが行われた場所で材料のない状態として残ったベースプレート１部分が、棒９およびボアホールの周囲部分において、ベースプレート１に合わせ込まれた液相の充填材料７を用いて充填され、その後固まる。この後、必要な処置が行われる。この場合、充填材料を固めるために、単純に２４時間待つか、または１２０℃の熱処理を１時間行い、その後化学プロセスまたは物理プロセスを用いて棒９を除去する。

ベースプレート１は、チャネルピラー２ａ、２ｂおよびチャネルブリッジ３の長手軸によって画定される平面に対してそれぞれが垂直である断面平面５ａおよび５ｂに沿ってスライシングされ、ここでは、断面平面５ａおよび５ｂとチャネルピラー２ａおよび２ｂの長手軸との間の、ならびに、断面平面５ａおよび５ｂとベースプレート１の表面平面との間の最小角度αは約４５°である。

斜めにスライシングすることにより得られるこの幾何形状は、例えば適切な切り刃プロフィルを有するエンドカッタを用いて実現され得るが、三次元急速プロトタイピングプリンタ（３ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｐｒｉｎｔｅｒ）によって、または、ベースプレートの製造時に射出成形されることによっても実現され得る。上述した斜めのスライシングに似た形で、所望の円錐と一致する切り刃プロフィルを有するエンドミルカッタ（ｅｎｄ ｍｉｌｌ ｃｕｔｔｅｒ）を用いて、円錐面となる表面に沿ってベースプレートをスライシングおよびケービングすることも可能である。

スライシングおよびホローの形成は、例えば材料の除去が一切ない射出成形においては、マイクロ流体ベースプレートの他の要素を作製するときに同時に行われてよい。長さが５ｍｍで直径が０．６ｍｍの挿入される棒９は、化学エッチング可能な金属またはプラスチックで作られていてよく、その端部は半径０．３ｍｍのフィレットで丸みがつけられる。良好な接合を行うために、棒９の直径は、チャネルピラー２ａおよび２ｂの直径と比較してわずかに大きくなるように選択されてよく、したがって、このことは、「実質的に等しい断面」という表現でも表されてよい。また、接合を改善するために、棒９の材料およびベースプレート１の材料は、互いの硬さが異なるように選択されてもよい。

充填材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはベースプレート１の溶融温度未満で融解する別の物質であり、ベースプレート１はこの充填材料を用いて充填され、その後この充填材料は冷却されることにより固体化されて固まる。しかし、熱の影響下では固まらないが、例えば経過時間などの別のパラメータが変化することにより固まる他の材料も考慮されてよい。

材料のない部分８が、チャネルブリッジ３を囲む充填材料７の一部分の周りに形成される。これは、例えば、充填材料を用いて充填する前に、各パターンが凱旋門型の形状である対向する２つのパターンを挿入することによって実現することができ、これらのパターンは、充填後に除去可能であり、したがって、棒９のところに形成されるチャネルブリッジ３を囲む弾性の充填材料７が、材料のない空間で囲まれることになる。材料のない部分８は、例えば、充填材料７内に形成される、チャネルブリッジ３に隣接する２つの側にちょうど存在する２つのホロー部分によりチャネルブリッジ３を圧搾することが可能となるような別の形態で形作られてもよい。

棒９は、選択した材料に応じて、化学エッチングまたは融解によって除去され得る。

当然のことながら、チャネルピラー２ａ、２ｂの断面および端部に丸みがつけられる棒９の断面は、例えば楕円形または別の何らかの長円構成といったような、円形以外の何らかの角のない断面であってもよく、また、チャネルピラー２ａ、２ｂは、ベースプレート１の表面平面に対して必ずしも垂直でなくてもよい。

チャネルピラーとチャネルブリッジとの間の正確で滑らかな接合は、チャネルピラーおよびパターニング用の棒の断面形態および寸法公差によって調整することが可能であり、さらには、ベースプレートおよびパターニング用の棒の硬さおよび弾性ならびに棒端部の丸みのついた形状によっても調整することができる。

図３には、この場合では、ベースプレート１１の表面平面内で窪んでいる試薬コンテナ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに加えて、試料入口開口部１２ａおよび空気出口開口部１２ｂと、個別の参照符号が一切示されていないが十分に認識可能である接続チャネルネットワークと、ベースプレート１１の表面平面に位置する接続チャネルを連結させるための、ベースプレート１１の表面平面からベースプレート１１の内側に向かって延在するレベルシフトを伴うマイクロ流体チャネル６とを含むマイクロ流体システムが示されている。加えて、このマイクロ流体システムは、ベースプレート１１をその表面平面のところで密封して流体がこのシステムから一切漏洩しないようにするための、この図には示されていないカバープレートを含む。当然、課題および解決策の形態に応じて、この例とは異なる無数のマイクロ流体システムが考えられる。したがって、ベースプレート１内に形成される要素の数量、それらの位置、および互いの接続手法は、特定の目的に応じて任意に決定される。ベースプレート１１は、上側表面平面の試薬コンテナのところ、すなわちカバープレートと反対側の表面平面のところが弾性材料となっている。試料入口開口部１２ａおよび空気出口開口部１２ｂはベースプレート１１を貫通するボアホールである。チャネルネットワークは、例えば加圧成形（ｐｒｅｓｓｉｎｇ）、熱エンボス加工または射出形成、あるいは他の技術により、カバープレートによって覆われるベースプレート１１の表面平面のところに作製される。レベルシフトを伴うブリッジマイクロ流体チャネル６は、図１および２に関連して説明したように形成される。チャネルブリッジ３を囲む充填材料７の周りに材料のない部分８が作製されるような形で、弁が、チャネルブリッジ３を囲む弾性の充填材料７の周りに配置されることにより、チャネルブリッジ３を囲むこの弾性材料部分が適切な工具により共に圧搾され得るようになる。弁により、チャネルならびに試薬コンテナが開閉され得るようになる。

本明細書で提示した本発明は、上述の例で説明した実施形態とは異なるがやはり本発明の範囲および精神に含まれる多くの実施形態によって実現されてよく、したがって、本発明は、これらの例に限定されるとみなされない。

Claims (12)

1. マイクロ流体システムを含むベースプレート（１、１１）の第１のレベルに位置するチャネル（４ａ、４ｂ）を、ベースプレート（１、１１）の第１のレベルから抜け出ることにより前記ベースプレート（１、１１）の第２のレベルに接続させ、チャネルピラー（複数可）（２ａ、２ｂ）およびチャネルブリッジ（３）を有する、レベルシフトを伴うマイクロ流体チャネル（６）の実装方法であって、角のない長手方向のホローが、ベースプレート（１、１１）の第１のレベルから抜け出るチャネルピラー（２ａ、２ｂ）として作製され、その後、チャネルブリッジ（３）を形成するために、１つのホローが、ベースプレート（１、１１）内に、ベースプレート（１、１１）の第２のレベルまで延在するチャネルピラー（２ａ、２ｂ）の端部のところにスライシングにより作製され、チャネルピラー（２ａ、２ｂ）区間に作製されるオリフィスに合わせ込む断面を有する除去可能な材料のパターニングプロフィルピースが、スライシングされたチャネルピラー（２ａ、２ｂ）のオリフィスに挿入され、その後、ホロー内で材料のない状態として残ったベースプレート（１、１１）部分が、パターニングプロフィルピースおよびチャネルピラー（２ａ、２ｂ）の周囲部分において、ベースプレート（１、１１）に合わせ込むのに適した充填材料（７）で充填され、その後、充填材料（７）を固体化させるのに必要な処置が実施され、その後、パターニングプロフィルピースが化学プロセスまたは物理プロセスによって除去されることを特徴とする方法。
2. ベースプレート（１、１１）が、チャネルピラー（２ａ、２ｂ）の長手軸および作製されるチャネルブリッジ（３）の長手軸によって画定される平面に対して垂直である断面平面（５ａ、５ｂ）に沿ってスライシングされ、断面平面（５ａ、５ｂ）とチャネルピラー（２ａ、２ｂ）の長手軸との間の、ならびに、断面平面（５ａ、５ｂ）とベースプレートの第１のレベルの平面との間の最小角度（α）が実質的に４５°であることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
3. ベースプレート（１、１１）が円錐表面に沿ってスライシングされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. チャネルピラー（２ａ、２ｂ）のスライシングおよびホローの作製が、ベースプレート（１、１１）のチャネルネットワークの作製と同時に行われることを特徴とする、請求項１のいずれかに記載の方法。
5. 弁機能を設けることを可能にするために、材料のない部分（８）が、チャネルブリッジ（３）を構成し、パターニングプロフィルピースを、その周りまたは隣接する少なくとも２つの側を囲んでいる充填材料（７）の一部分において形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. チャネルブリッジ（３）が弾性の充填材料（７）によって囲まれることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. ベースプレート（１、１１）が、ベースプレート（１、１１）に適した充填材料（７）として液体ポリマーを用いて充填され、その後、冷却されるまたは他の手段によって硬化されると固体化されて固まる、ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. チャネル（４ａ、４ｂ）を備える前記ベースプレート（１、１１）の第１のレベルが、主チャネルネットワークの平面、および、カバープレートによって密封される前記ベースプレート（１、１１）の表面平面であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
9. 角のない長手方向のホローが円筒形のボアホールとして形成され、パターニングプロフィルピースが棒として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
10. パターニングプロフィルピースの端部に丸みがつけられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
11. 角のない長手方向のホローが、その軸がベースプレート（１、１１）に対して直角となるように作られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
12. ベースプレート（１、１１）が斜めにスライシングされる、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。

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