JP2015525882A5 - - Google Patents

Description

次に添付図面を参照して、開放マイクロ流体ネットワークの使用に関連する装置、システム、および方法について詳細に説明する。図１Ａ〜図１Ｄは、開放マイクロ流体チャネル１１の様々な例示的実施形態の斜視図である。これらの開放マイクロ流体チャネル１１は通常、（１２において）「自由外周」および（１３）において「濡れ外周」としてそれぞれ知られている断面１５の境界を画定する少なくとも１つの自由表面１２と少なくとも１つの濡れ表面１３とを含む。いくつかの例示的実施形態では、マイクロ流体チャネル１１の断面１５は、少なくとも１つの自由表面１２の上に跨る断面の長さと少なくとも１つの濡れ表面１３の上に跨る断面の長さとの比は濡れ表面１３上の流体１４の接触角１４Ａの余弦未満であるとするＳＣＦ関係式を検証し、流体１４が毛細管力によりチャネル１１に沿って自然に流れるということを保証する。

描写された実施形態は、矩形断面１５を有するチャネル内に１つの開放界面を有する流体チャネル（図１Ａに示すような）、第１の自由表面１２Ａおよび第２の自由表面１２Ｂまたは界面を有する平行レール形態１６内の流体チャネル（図１Ｂに示すような）、様々な自由および濡れ表面１７を有する流体チャネル（図１Ｃに示すような）、湾曲面１８と第２の接触面１９とを有する流体チャネル（図１Ｄに示すような）のものであり、そのすべては流体がチャネル１１内で自由に流れることを可能にする。しかし、自由表面１２と濡れ表面１３とに関わる他の実施形態はこの技術を使用することにより可能にされ、特に、くさび形チャネル、開口を有するチャネル、Ｖ字形断面２０を有するチャネル（図１Ｅに示すような）、Ｕ字形断面２１を有するチャネル（図１Ｆに示すような）、および円形断面２２を有するチャネル（図１Ｇに示すような）を含み得る。さらに、図１Ｅに描写されたＶ字形断面は、気泡、製造欠陥、または局所親水性処理欠陥などの要因により損なわれた濡れ外周（１３に示される）の一部を有する場合でも流体の毛細管流動を可能にする開放マイクロ流体溝の生成を可能にする。

図４Ａは、接触角１４を有し、開放マイクロ流体チャネル１１に入りマイクロ流体チャネル１１の壁１３内の異種領域３１の上を流れる液体１４を示す例示的実施形態の斜視図である。異種領域３１は様々な実施形態では開放界面、吸収パッド、または不混和性流体であり得る。これらの実施形態では、開放マイクロ流体チャネル１１は、床３２無しに機能し得る濡れ表面１３を許容し、したがって流体１４が異種パッチ３１の上に流れるように設計される。検体３３は、捕捉物質が装填されたヒドロゲル、捕捉物質を含むパッド、磁石、または別の固相捕捉システムであろう捕捉機構により異種パッチとの接触を介し流体１４から抽出され得る。異種パッチはまた、流体１４中に溶解された検体３３への光学的アクセスを可能にする透明材料でもあり得る。

図４Ｃは、図４Ｂの実施形態の断面図であり、濡れ表面１３と２つの自由表面１２とを有し開口３４を含む開放マイクロ流体チャネル１１を示す。チャネルは、開口３４を含む少なくとも１つの自由表面１２の上に跨るチャネル１１の断面の長さと少なくとも１つの濡れ表面１３の上に跨るチャネル１１の断面の長さとの比は濡れ表面１３上の流体１４の接触角１４Ａの余弦未満であるとするＳＣＦ関係式を検証したので、流体１４は開口３４の上を流れることができる。

図５Ａ〜５Ｂは、開放マイクロ流体チャネル１１の断面内の自由界面の材料閉鎖部の位置に依存してその長さ方向に沿った流体流れを制御可能に許容する開放マイクロ流体チャネル１１を含む例示的実施形態の斜視図である。親水性壁１３を有するＵ字形断面を有する開放マイクロ流体チャネル（または、ネットワーク１１）と天井上の開放液体／空気インターフェース１２は、開口２７を含む少なくとも１つの自由表面１２の上に跨るチャネル１１の断面の長さと少なくとも１つの濡れ表面１３の上に跨るチャネル１１の断面の長さとの比は濡れ表面１３上の流体１４の接触角の余弦未満であるとする設計基準を検証し、流体がその長さ方向に沿って流れるようにする。マイクロ流体チャネルの長さ方向のある点において、断面はＳＣＦ関係式をもはや検証しないように変更される。この変更は、流体がチャネル１１に沿った特定場所において前進することを停止するように緩やかであっても突然であってもよい。突然の変更の場合、隆起５０が規定場所において、前進する流体１４のピン止めを引き起こす。移動可能材料は、図５Ａに表された開放マイクロ流体溝に隣接しない位置５１から図５Ｂに表されたマイクロ流体溝に隣接する位置５２へ移動することが許される。ユーザまたは電子回路の命令により開位置５１から閉位置５２へ移動されると、移動可能材料はマイクロ流体溝に流入する流体１４と接触することが許され、これによりマイクロ流体溝の濡れ外周（１３に示される）を増加させて自由外周（１２に示される）と濡れ外周との比の変化をもたらす。本システムは、この比が流体の接触角の余弦未満の第１の値から流体の接触角の余弦より高い第２の値へ変化し、これにより自発性毛細管流動を可能にするように設計され得る。最後に、開放マイクロ流体溝内を流れ、元々、材料が開位置５１に置かれるとチャネル内で阻止される流体１４は、閉位置５２に置かれると材料の上を流れ、開放マイクロ流体溝１１に沿って流れ続け得る。ＳＣＦ関係条件を検証しない幾何学形状からＳＣＦ関係式を検証した幾何学形状への切換えを行い、これにより自然毛細管流動を可能にするために使用される材料は、固体プラスチック、ヒドロゲル、または別の混和性または不混和性流体のいずれかであり得る。

Claims (24)

1. 流体の流れを可能にするように構成された第１の開放マイクロスケールチャネルを含む開放チャネルマイクロ流体装置であって、前記チャネルの少なくとも一部は、
   ａ．濡れ外周の長さを定義する少なくとも１つの濡れ表面であって、接触角において前記チャネル内を流れる流体と接触する濡れ表面と、
   ｂ．自由外周の長さを定義する開放空気／液体界面を含む少なくとも１つの自由表面であって、前記自由外周の長さと前記濡れ外周の長さとの比が接触角の余弦未満であり、これにより自然毛細管流動を可能にする、自由表面と、
   を含む第１の断面を含む、装置。
2. 上部および底部をさらに含み、前記第１の断面は矩形または台形形状を含み、さらに前記第１の断面の上部により画定された第１の自由表面と前記第１の断面の底部により画定された第２の自由表面とを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の自由表面は、前記第２の自由表面が表面上に貯留する一定容積の流体と接触し、これにより前記容積の少なくとも一部を捕捉し、前記容積の溝内への流れを生じさせるように前記装置の底部に画定される、請求項２に記載の装置。
4. 前記濡れ表面が親水性材料を含み、前記開放空気／液体界面は前記チャネルから流体試料を除去するためのまたは前記流体試料の任意の成分を除去するためのアクセスを提供し、第２の毛細管路を受け入れ、これにより第２の流体ネットワーク内への前記流体の流れを可能にするように構成される、請求項１に記載の装置。
5. 第１または第２の開放空気／液体界面は第２の毛細管路を受け入れ、これにより第２の流体ネットワーク内への前記流体の流れを可能にするように構成される、請求項２に記載の装置。
6. 前記チャネル内に画定された開口をさらに含み、前記開口は外部環境への流体アクセスを提供する、請求項１に記載の装置。
7. ａ．第２の自由外周および第２の濡れ表面を定義する第２のチャネル断面であって、前記自由外周または第２の濡れ外周の少なくとも１つが、自由外周または濡れ外周の前記第１の断面と比較して寸法が大きい、第２のチャネル断面と、
   ｂ．前記チャネルが大きな外周の断面と小さな外周の断面との間で徐々に狭くなるように構成され、それにより前記流れは、さらなる流体が第２の断面に加えられない限り、前記第１の断面の方向においてのみ可能になる、前記第１の断面と前記第２の断面間の遷移チャネル領域と、
   をさらに含む請求項１に記載の装置。
8. 第１のチャネルは共用領域と流体連通し、少なくとも１つの追加チャンネルもまた前記共用領域と流体連通し、これにより流体追加の同期と無関係な装置充填を可能にする、請求項１に記載の装置。
9. 前記自由外周と前記濡れ外周との比を低減するように第１のチャネル内に配置される追加突起機構をさらに含み、これにより、より大きな自由外周を有する第２のチャネルの上の毛細管充填と、より大きな容積の流体の収集とを可能にする、請求項２に記載の装置。
10. 第１のチャネルは前記第１のチャネルの濡れ表面に対して配置された材料をさらに含み、前記材料は流れる流体中に取り込まれるように構成される、請求項１に記載の装置。
11. 開放マイクロスケールチャネルを使用する方法であって、
    ａ．第１の開放マイクロスケールチャネルへ流体を供給するまたは第１の開放マイクロスケールチャネルから流体を除去する工程を含み、前記第１のチャネルは、
    ａ．濡れ表面であって、濡れ外周を定義する前記チャネル内を流れる流体と接触する濡れ表面と、
    ｂ．自由外周を定義する開放空気／液体界面を含む自由界面と、
    を含む第１の断面を含み、
    前記流体は前記濡れ表面に対する接触角を有し、前記接触角は余弦をさらに含み、
    さらに、前記自由外周の断面長と前記濡れ外周の断面長との比は前記流体の接触角の余弦未満であり、これにより自然毛細管流動を可能にする、方法。
12. 流体を前記第１のマイクロスケールチャネルへ供給する前記工程は、第１のチャネルと表面上に貯留する流体とを接触させ、これにより前記流体を前記第１のチャネル内に引き込む工程を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記流体は血液であり、前記表面は皮膚の表面である、請求項１２に記載の方法。
14. 第２の開放マイクロスケールチャネルをさらに含み、前記第２のチャネルは、
    ａ．濡れ表面であって、濡れ外周を定義し、接触角において前記チャネルを流れる流体と接触する濡れ表面と、
    ｂ．自由外周を定義する開放空気／液体界面を含む自由界面と、
    を含む第２の断面を含み、
    前記第２のチャネルは、前記チャネル間の流体の流れを可能にするように前記第１のチャネルと流体連通し、さらに、前記第２のチャネルは前記第１の断面の比より小さい自由界面の断面長と濡れ表面の断面長との比を有する第２の断面を有する、請求項１１に記載の方法。
15. 前記流体を前記第１のマイクロスケールチャネルから除去する前記工程は前記チャネル内に画定された開口を通して前記流体から物質を除去する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記流体から前記物質を除去する前記工程は窓に磁力を印加することにより磁気ビーズを除去する工程を含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記磁気ビーズを除去する前記工程は、前記窓において固体表面を液体の表面のほぼ近傍に配置するまたはそれに接触させることにより前記磁気ビーズを前記固体表面上にトラップする工程を含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記流体から前記物質を除去する前記工程は、前記窓において流体界面に接触して配置された材料上で粒子をトラップすることにより粒子を除去する工程を含み、前記材料は粒子同士を結合するように構成された化合物を含む、請求項１５に記載の方法。
19. 前記開放チャネルは、気泡の形成を防ぐように構成される、請求項１に記載の装置。
20. 前記開放チャネルのネットワークが複数の経路からの流体の融合を可能にし、得られた構造は、前記自由表面の特定の幾何学形状を使用して気泡をさらに取り除く、請求項１９に記載の装置。
21. 前記第１のマイクロスケールチャネルと流体連通し、流体の流れを可能にするように構成される、第２の開放マイクロスケールチャネルをさらに含み、前記第２のチャネルの少なくとも一部は、
    ａ．濡れ外周の長さを定義する少なくとも１つの濡れ表面であって、接触角において前記チャネルを流れる流体と接触する濡れ表面と、
    ｂ．自由外周の長さを定義する開放空気／液体界面を含む少なくとも１つの自由表面と、
    を含む第２の断面を含み、
    第２の自由外周の長さと第２の濡れ外周の長さとの比が接触角の余弦未満であり、これにより自然毛細管流動を可能にする、請求項１に記載の装置。
22. 前記第１のチャネルと第２のチャネルとの間の流体の流れが方向の変化を組み込むように、前記第１のマイクロスケールチャネルは第１の方向に配向された長手方向チャネルであり、前記第２のマイクロスケールチャネルは第２の方向に配向された長手方向チャネルである、請求項２１に記載の装置。
23. 流体の流れを可能にするように構成される第１の開放マイクロスケールチャネルであって、前記チャネルは、
    ａ．第１の自由外周を定義する上部により画定される第１の自由表面を含む上部と、
    ｂ．第２の自由外周を定義する底部により画定される第２の自由表面を含む底部と、
    ｃ．第１の濡れ外周を定義する第１の濡れ表面であって、第１の接触角においてチャネルを流れる流体と接触する第１の濡れ表面と、
    ｉｉ．第２の濡れ外周を定義する第２の濡れ表面であって、前記第１の濡れ表面が第２の接触角においてチャネルを流れる流体と接触する第２の濡れ表面と、
    を含むほぼ四角形の断面を含み、
    前記第１および第２の自由外周と前記第１および第２の濡れ外周との比がそれぞれ前記第１および第２の接触角の余弦未満であり、これにより前記チャネルを通る自然毛細管流動を可能にする、開放チャネルマイクロ流体装置。
24. 前記開放チャネルマイクロ流体装置が、前記装置の表面に対して複数の平面における流体の移動を可能にすることによって３次元の流体の流れを促進するように構成される、請求項２３に記載の装置。
    

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