JP2018025545A - 可撓性または変形可能なカバーで覆われた機能領域を含むマイクロ流体チップおよびマイクロ流体システム - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ流体構造の縁でキャッピングフィルムの一部が剥離し／剥がれた形で材料化合物が暴露されるリスクを低減する。【解決手段】可撓性または変形可能なカバーで覆われた機能領域を含むマイクロ流体チップ２は、カバーが拡大制限要素を有することを特徴とする。この拡大制限要素は、１つまたは複数の開口を含む安定したプレートを備える安定したプレートとして作製され得る。拡大制限要素により、キャッピングフィルム６または隔壁それぞれが制御されずに拡大するのを防止し、マイクロ流体チップの底部とキャッピングフィルムとの間にある材料の結合を機械的に緩和する。【選択図】図２

Description

本発明は、可撓性または変形可能なバーで覆われた機能領域を含むマイクロ流体チップに関する。

小型化の概念は、「Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ」という名称で化学的および生物学的手法に応用されている。Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐとは、高価で広範な研究手法を集積チップシステムに実装することを意味し、これによって環境分析、食品化学などを対象とするバイオテクノロジー、分析化学、医薬化学および臨床化学の定常的な研究の限界を克服する新規な手段を提供する。

マイクロ流体力学は、Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐシステムの研究手法を小型化する技術基盤である。そのため、「Ｌａｂ−ｏｎ−Ｃｈｉｐ」は、手のひらに収まる小さな表面に巨視的な研究の機能性全体を統合するマイクロ流体システムを特定する。

特に産業分野でのマイクロ流体力学の利用がますます高まっている中で求められることが多い、量、処理能力および生産性の要件を満たすため、本発明は、特にポリマー材料を含むマイクロ流体システムに関する。ポリマー材料は、マイクロ射出成形またはホットスタンピングなどの標準の複製プロセスを介して簡単に処理されることができ、正しい縮尺が可能で費用対効果の高いマイクロ流体部品の製造を可能にする。このほか、部品製造の点でプロセスの複雑度が減るとともに、設計に対する自由度が増すことも、ポリマー材料が使用される理由である。現在、複数のポリマーが市販されており、これらは基本的に、産業分野のマイクロ流体用途で幅広く使用するのに適し、純度、光透過性、生体適合性、化学耐性などが高いという品質特性により、多種多様な需要を満たしている。

本発明は、さらに、極めて多数のマイクロ流体プロセスを、並行ハイスループットスクリーニング、並行生産によるアップスケーリングなどの制御した方法で同時に実行することを可能にするシステムに主に関わる。並行化は、マイクロ流体システムの機能上の品質に対して要求が多いことに関係しており、機能上の品質は、圧力、温度、質量流量などのプロセス条件、および動作過程での動作上の安全性に関して異なっていてはならない。

射出成形またはスタンピングプロセスの後は開いたままであるポリマー本体内の機能支持構造を外界から封鎖し、流体システムの構成要素（例えばマイクロチャネル）を互いに対して液密封止することは、実用的な適合性の点で極めて重要なことである。

基本的にこのプロセスは、「キャッピング」とも認識され、キャッピングフィルムである薄いポリマーフィルムを介して行われ、このフィルムは、例えば、被覆、圧延、接着、溶接などの様々な接合プロセスを介して表面に載せられ、構造化したポリマー本体を底部とするサンドイッチ型の複合体であるマイクロ流体チップを形成する。したがって、最も重要な目的は、底部とキャッピングフィルムとの間に材料の結合を確立することであり、この結合は、緊密であることと結合の機能とが等しく達成されていなければならない。

使用の際、キャッピングフィルムの弾性または柔軟性はいずれも、内部または外部に引き起こされた正または負の圧力変化に対して回復力があって拡大または縮小する可能性があるため、不利な作用をもたらすことがある。これによって流体システムに望ましくない体積の変化が生じる。それに伴って材料化合物が損傷するリスクは、典型的には、マイクロ流体構造の縁でキャッピングフィルムの一部が剥離し／剥がれた形で材料化合物が暴露されることであり、これによって最大の体積に不明な変化、または流体システムの漏れをそれぞれ引き起こすことがあり、これも特に深刻である。

しかしながら、キャッピングフィルムの弾性は、いずれにしても求められていないわけではなく、具体的に利用され得るものでもある。マイクロ流体システムで液体輸送の能動的制御を扱う場合、キャッピングフィルムは、バルブ、ポンプまたはその他の機能要素などの能動部品に対する弾性隔壁として部分的に作製されることが可能で、これによって、例えば外部から作用する空圧によって持ち上げる動きを実現して、液体を移動させて流動させたり、チャネルを開閉してマイクロ流体システムにおける液体の流れを制御したりできる。

キャッピングフィルムの一部の表面を能動的に動く隔壁として制御目的で使用する場合、その場所に余計な機械的ストレスがかかるため、それに応じてストレスをかけ得る材料化合物に特別な注意を払って、前述したようなキャッピングフィルムが剥離する可能性に関わる問題を回避する必要があることは言うまでもない。本明細書に記載した要件は、組立結合技術の主要課題である。なぜなら、接合プロセスを、壊れやすいマイクロ流体構造または機能支持材料のいずれも損傷しないように特に慎重に実行しなければならないと同時に、高品質の化合物を実現しなければならないからである。

また、さらに別のリスクは、能動的に動く弾性隔壁を形成するキャッピングフィルムの面積が繰り返し拡大することで生産限度を超えてしまい、それによって材料が復元不可能に変形して隔壁がたるんだ形状になるおそれがあることであり、これは体積の精度および正確な制御機能の両方に負の影響を及ぼす。

建設的要求および機能的要求を使用材料の特性および組立結合技術の技術上の選択肢に適合させる必要がある場合に生じる標的の対立点は、実際にはほとんど解決できず、これはこの点に関する所説から明らかなことである。

この課題は、特許請求項１の特徴を含むマイクロ流体チップおよび請求項８の特徴を含むマイクロ流体システムによって解決される。

本発明の主題は、キャッピングフィルムまたは隔壁それぞれが制御されずに拡大するのを防止し、マイクロ流体チップの底部とキャッピングフィルムとの間にある材料の結合を機械的に緩和する、拡大制限要素と認識される構成要素である。この拡大制限要素は、多くの用途で上記の問題を完全に解消することができる。

拡大制限要素は、カバーの面を圧迫する必要があり、例えば安定したフィルムであってもよい。拡大制限要素が１つまたは複数の開口を含む安定したプレートであれば有利である。

この拡大制限要素は、カバーの上に配置されてもよく、さらに別の要素を覆ってカバーの上に押圧されてもよい。ただし、拡大制限要素はカバーに固定されて結合していると有利である。

この点に関して、拡大制限要素をカバーに接着することを提案する。ただし、拡大制限要素はカバーと一体化した１つの部品に作製され、カバーが例えば開口の外側に厚みの増した領域を有することも可能である。

簡易な設定でカバーを機能領域に固定して結合する。このために、カバーは機能領域に接着されてもよい。

カバーは、隔壁またはフィルムであってもよいし、１つの隔壁もしくはフィルムまたは複数の隔壁および／もしくは複数のフィルムを有する異なる要素または領域で構成されてもよい。

特定の実施形態では、マイクロ流体チップが能動型かつ／または受動型の異なる機能領域を有し、該機能領域がそれぞれの場合で異なるカバーに覆われることを提案する。

マイクロ流体チップシステムを実現するために、マイクロ流体チップに空圧調整器を配置することを提案する。この空圧調整器は、機能領域に作用する制御要素を有する。

本発明を、図面を参照して以下に詳細に説明する。

マイクロ流体チップのサンドイッチ構造を示す図である。 マイクロ流体の培養プラットフォームの構造を示す図である。 図２に示した培養プラットフォームの複合形態を示す図である。 空圧により制御可能な隔壁の表面を示す図とその拡大詳細図である。 隔壁に作用する空圧調整器を示す図である。 拡大制限要素を含む流体チップを示す図である。 拡大制限要素の拡大図である。

作業形態を、マイクロタイタープレート１に接合されるマイクロ流体チップ２を用いて説明する。該当する空圧調整器１６の制御要素９と合わせたこの組み合わせは、自動培養プラットフォームを表している。

好適な実施形態は、マイクロ流体チップ２からなり、マイクロ流体チップは、マイクロ流体構造を含むポリマー本体として作製され、マイクロタイタープレート１の下面４に固定され、２つの機能領域を含む。狭い方の機能領域５は、キャッピングフィルム６として作製された可撓性または変形可能なカバーで封鎖され、（例示的に番号を付したにすぎない）流体貯蔵部８から来る流体の流れを制御するための（例示的に番号を付したにすぎない）マイクロ流体バルブ７を備え、流体貯蔵部は狭い方の機能領域の上に位置し、マイクロタイタープレート１内に配置されている。図２〜図４は、マイクロ流体チップ２の下にあるマイクロタイタープレート１を示している。ただし、実際にはマイクロ流体チップ２はマイクロタイタープレート１の下に配置される。

狭い方の領域５にあるキャッピングフィルム６は（例示的に番号を付したにすぎない）制御要素９に対する隔壁１２としての役割を果たすという理由から、キャッピングフィルム６は、特に変形性に関して該当する機械特性を有していなければならない。マイクロ流体チャネル（図示せず）は、とりわけマイクロタイタープレート１の上に配置された（例示的に番号を付したにすぎない）反応チャンバ（ウェル）１３の中に誘導し、キャッピングフィルム１１が覆っている広い方の受動型機能領域１０から下流に位置している。

隔壁面１２および空圧調整器１６の制御要素９の配置を図５に示しており、空圧調整器は、該当するクランプ装置によってマイクロ流体チップ１に対して押圧され、制御要素９の空気ラインを介して１つ１つの隔壁を個別に制御することを可能にする。

この使用例では、拡大制限要素３は、薄い有孔の鋼板-またはその代わりに該当するプラスチックフィルム-からなり、拡大制限要素の外寸法はキャッピングフィルム６の外寸法と一致し、拡大制限要素上に孔として設けられる（例示的に番号を付したにすぎない）開口１７の位置は、マイクロ流体チップ２にあるバルブ７の位置と一致する。キャッピングフィルム６の下面１４への拡大制限要素３の接着は、ここではそれに対応した構造である極めて薄い接着フィルム１５によって実現される。接着フィルムは、孔の位置にある個々の孔１３と、各事例で気密に合致するバルブ７とを隔絶するように設計される。

拡大制限要素３の作用は、主に、隔壁１２として作製されるキャッピングフィルム６のあらゆる不要な拡大を防止することからなり、これによって隔壁の立体形状にたるみなどの想定外の変化が起きることがないようにする。図７に示した位置では、隔壁１２は下向きにしか動けない。上向きの拡大は、拡大制限要素３によって阻止される。流体システムの体積の高い精度はこれによって実現される。さらに拡大制限要素３は、キャッピングフィルム６と機械的ストレスを受けるマイクロ流体チップ２の底部との間の結合を緩和し、これによってキャッピングフィルム６が剥離するリスクが効果的に防止される。

Claims (10)

1. 可撓性または変形可能なカバー（６）で覆われた機能領域（５）を含むマイクロ流体チップ（２）であって，前記カバー（６）は拡大制限要素（３）を有することを特徴とする、マイクロ流体チップ。
2. 前記拡大制限要素（３）は、１つまたは複数の開口（１７）を含む安定したプレートであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流体チップ。
3. 前記拡大制限要素（３）は、前記カバー（６）に固定して結合されることを特徴とする、請求項１または２に記載のマイクロ流体チップ。
4. 前記拡大制限要素（３）は前記カバー（６）に接着されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップ。
5. 前記カバー（６）は、前記機能領域（５）に固定して結合されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップ。
6. 前記カバー（６）は前記機能領域（５）接着されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップ。
7. 前記カバーは隔壁（１２）またはフィルムを有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップ。
8. 前記マイクロ流体チップは，能動型かつ／または受動型の異なる機能領域（５、１０）を有し、該機能領域はそれぞれの場合で異なるカバー（６、１１）に覆われることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップ。
9. 前記機能領域（５）はマイクロ流体制御要素（９）を有することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のマイクロ流体チップを備えるマイクロ流体チップシステム。
10. 前記マイクロ流体チップ（２）上に空圧調整器（１６）が配置されることを特徴とする、請求項９に記載のマイクロ流体チップシステム。