JP2020028962A - Method for manufacture of microfluidic device with built-in membrane - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はマイクロ流体デバイスに関する。 The present invention relates to microfluidic devices.
薬剤を血流から標的組織へと送達するために、ナノ粒子等を用いるドラッグデリバリーシステムが広く利用されている。効果的なドラッグデリバリーシステムの開発のためには、実験的に観察される薬剤の血管透過性と、各種物理的パラメータとの関係を解明することが重要となる。 In order to deliver a drug from a bloodstream to a target tissue, a drug delivery system using nanoparticles or the like is widely used. In order to develop an effective drug delivery system, it is important to elucidate the relationship between experimentally observed drug vascular permeability and various physical parameters.
ナノ粒子はインビボで血管壁の小孔を透過できるが、血管壁の小孔の大きさおよび形状ならびに血管外間質の組成は不均一でありかつ正確に把握することが困難であるため、従来からの動物試験では、透過に関して各種物理的パラメータ(例えば小孔のサイズとナノ粒子のサイズ)の影響や相互作用を正確に分析することができなかった。動物試験には倫理的な問題や効率性の問題も付随し得る。 Nanoparticles can penetrate the pores of the vessel wall in vivo, but the size and shape of the pores in the vessel wall and the composition of the extravascular stroma are non-uniform and difficult to grasp accurately. Did not accurately analyze the effects and interactions of various physical parameters (eg, pore size and nanoparticle size) on permeation. Ethical and efficiency issues can also accompany animal testing.
一方、例えばセルカルチャーインサートを用いる、培養細胞に基づくインビトロアッセイは、少なくとも倫理的な問題は回避できるし、定義された(疑似)間質組成の下で試験を行えるという利点がある。しかしながら、そのようなアッセイは、現実の血管からかけ離れた大きなサイズの器具で実験を行うことになること、血流およびそれに伴う流圧の存在も再現できないこと、インサート上で培養細胞が均一にならない場合にデータの信頼性が失われること(例えば、インサートの外縁付近では細胞密度が疎になる傾向がある)といった欠点もある。また、培養細胞に基づくインビトロアッセイでも、各種物理的パラメータの影響や相互作用を正確に分析することができないという問題は本質的に残存する。 On the other hand, in vitro assays based on cultured cells, for example using cell culture inserts, have the advantage of at least avoiding ethical issues and of being able to test under defined (pseudo) stromal compositions. However, such an assay would require experiments to be performed on large-sized instruments far from the actual blood vessels, would not be able to reproduce the presence of blood flow and the associated fluid pressure, and would result in non-uniform cell cultures on the insert. In this case, there is a disadvantage that data reliability is lost (for example, the cell density tends to be low near the outer edge of the insert). In addition, the problem that even in vitro assays based on cultured cells cannot accurately analyze the effects and interactions of various physical parameters remains.
本発明者らは、シリコーンゴムの基板に人工の多孔膜を組み込んだマイクロ流体デバイスを開発し、この多孔膜の微小孔を通じたナノ粒子の透過挙動を測定することにより、動物実験や細胞実験で観察され得る透過性を具体的な物理的パラメータと関連付けられることを報告し、そのような手法によってナノ医薬を合理的に設計することを提案してきた(非特許文献1)。 The present inventors have developed a microfluidic device in which an artificial porous membrane is incorporated into a silicone rubber substrate, and by measuring the permeation behavior of nanoparticles through the micropores of this porous membrane, animal experiments and cell experiments can be performed. It has been reported that the observable permeability can be related to specific physical parameters, and it has been proposed to rationally design nanopharmaceuticals by such an approach (Non-Patent Document 1).
多孔膜を組み込んだマイクロ流体デバイスは、膜上で血管内皮細胞の層を培養して疑似的な血管壁を構築して細胞層の物質透過性を評価することに用いることができる。あるいは、多孔膜そのものを血管壁とみなして透過性評価に応用することも可能である(非特許文献1)。このような膜組み込みマイクロ流体デバイスは、現実の血管と同等のサイズおよび液流を模倣しながら、透過性を精密評価することを可能にした。 A microfluidic device incorporating a porous membrane can be used to culture a layer of vascular endothelial cells on the membrane to build a simulated vascular wall and evaluate the material permeability of the cell layer. Alternatively, the porous membrane itself can be regarded as a blood vessel wall and applied to permeability evaluation (Non-Patent Document 1). Such a membrane-embedded microfluidic device has made it possible to precisely evaluate the permeability while imitating the size and liquid flow equivalent to those of a real blood vessel.
初期の膜組み込みデバイスは、膜を観察面に対して平行に組み込むものであった(例えば非特許文献1、2)。従って、試料(粒子)は透過の際に観察面に対して垂直に移動することとなっていた。すなわち、そのようなデバイスにおいて透過とは、顕微鏡レンズに向かう方向に、または顕微鏡レンズから離れる方向に、粒子が膜を横切ることを意味し、顕微観察時に透過量を定量評価しにくいという問題があった。発明者らは、膜を観察面に対して垂直に組み込む手法を開発してその問題を解決し(非特許文献3)、疑似血中環境下でのナノ粒子の血管漏出性評価に応用してきた(非特許文献4)。 Early film-incorporating devices incorporated a film parallel to the observation plane (for example, Non-Patent Documents 1 and 2). Therefore, the sample (particles) moves perpendicularly to the observation surface during transmission. In other words, transmission in such a device means that particles cross the membrane in a direction toward or away from the microscope lens, and there is a problem that it is difficult to quantitatively evaluate the amount of transmission during microscopic observation. Was. The inventors have developed a method of incorporating the membrane perpendicularly to the observation surface and solved the problem (Non-Patent Document 3), and applied it to the evaluation of the vascular leakage of nanoparticles in a simulated blood environment. (Non-Patent Document 4).
上述したマイクロ流体デバイスは、マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板を主体とする。この基板は、シリコーンゴムを形成する反応のための原料と重合開始剤とを混合し、この混合物を鋳型に流し込んで加熱することを含む方法によって作製することができる。膜が観察面に対して垂直に組み込まれたタイプのデバイス(以下、「垂直膜組み込み型デバイス」という)は、従来は、上記加熱を行っていったん硬化させた後の基板に、切込みを入れ、その切込みに多孔膜を挟み込んだのちに再度加熱することによって切込み面を接合させて製造していた(非特許文献3)。 The above-described microfluidic device mainly includes a silicone rubber substrate having a microchannel pattern. This substrate can be prepared by a method including mixing a raw material for a reaction for forming a silicone rubber and a polymerization initiator, pouring the mixture into a mold, and heating. Conventionally, a device in which a film is incorporated perpendicularly to an observation surface (hereinafter, referred to as a “vertical film-incorporated device”) is conventionally provided with a cut in a substrate after the above-mentioned heating and curing. After the porous film was sandwiched in the cut, the cut surface was joined by heating again (Non-Patent Document 3).
本発明者は、上記のように基板に切込みを入れた後に、切込み口が開かれるように基板を曲げた状態に保持しながら基板にプラズマ処理を施し、その後多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させるという工程により膜組み込みデバイスを製造すると、液漏れを起こすデバイス個体が減少し歩留りが上昇することを見出し、本発明を完成するに至った。 After making a cut in the substrate as described above, the present inventors perform plasma processing on the substrate while holding the substrate in a bent state so that the cutout is opened, and then press the cut surface by sandwiching the porous film When a membrane-incorporated device is manufactured by the step of performing the process, it has been found that the number of individual devices that cause liquid leakage decreases and the yield increases, and the present invention has been completed.
本発明は以下の実施形態を含む。
[1]
マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板に、切込みを入れる工程と、
前記切込みの切込み口が開かれるように前記基板を曲げた状態に保持しながら、前記基板にプラズマ処理またはコロナ放電処理を施す工程と、
前記切込みに多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させる工程と
を含む、膜組み込みマイクロ流体デバイスの製造方法。
[2]
前記シリコーンゴムはポリジメチルシロキサンを含む、[1]に記載の方法。
[3]
前記圧着の際に、前記切込み内に追加のシリコーンまたはそのプレポリマーが含まれない、[1]または[2]に記載の方法。
[4]
前記多孔膜の膜面のみが流路内空間に晒され膜縁は流路内空間に晒されないような配置で、前記切込みに前記多孔膜が挟み込まれる、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5]
前記切込みを入れる工程の前に、前記マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板を作製する工程をさらに含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6]
前記マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板を作製する工程は、2つのシリコーンゴム基板材を重ね合わせて、加熱することにより接合することを含み、前記2つのシリコーンゴム基板材のうちの少なくとも一方が、表面に凹に成型された流路を有しており、前記流路を有する表面が他方のシリコーンゴム基板材の表面と対面してマイクロ流路パターンを形成する、[5]に記載の方法。
The present invention includes the following embodiments.
[1]
A step of making a cut in a silicone rubber substrate having a microchannel pattern,
Performing a plasma treatment or a corona discharge treatment on the substrate while holding the substrate in a bent state so that the slit of the slit is opened;
A method of sandwiching a porous membrane in the cut and pressing the cut surface in pressure.
[2]
The method according to [1], wherein the silicone rubber includes polydimethylsiloxane.
[3]
The method according to [1] or [2], wherein no additional silicone or a prepolymer thereof is included in the cut during the crimping.
[4]
Any one of [1] to [3], wherein the porous membrane is sandwiched between the cuts so that only the membrane surface of the porous membrane is exposed to the space in the flow path and the membrane edge is not exposed to the space in the flow path; The method described in.
[5]
The method according to any one of [1] to [4], further comprising a step of preparing a silicone rubber substrate having the microchannel pattern before the step of cutting.
[6]
The step of fabricating the silicone rubber substrate having the microchannel pattern includes superposing two silicone rubber substrate materials and joining them by heating, and at least one of the two silicone rubber substrate materials. Has a flow path molded concavely on the surface, and the surface having the flow path faces the surface of the other silicone rubber substrate material to form a micro flow path pattern, [5]. Method.
本発明の実施形態により、膜組み込みマイクロ流体デバイス、特に垂直膜組み込み型デバイスの製造に関して、液漏れを起こすデバイス個体を減少させて歩留りを向上させることができる。従来の製造方法も、接触されたシロキサン骨格同士を架橋するという点では本質的に同じであったため、本発明の実施形態のようにプラズマ処理により架橋を行うことによって液漏れが減少することは必ずしも予測できなかった。また、非特許文献2は、それぞれ流路を有する2つのシリコーン基板材を上下に重ね合わせ、その際に間に多孔膜をサンドイッチすることにより上下の流路を多孔膜で隔てたマイクロ流路デバイスを記載しており、上下の基板材の接合のために酸素プラズマ処理を使用したが、液漏れが起こる問題があったことを記載している。非特許文献2は、基板材の酸素プラズマ処理後に、多孔膜の縁にシリコーンのプレポリマーを加えてから上記のようなサンドイッチを形成し、65℃で1時間加熱することにより、液漏れの問題を解決したことを報告している。このような非特許文献2の教示に鑑みると、本発明の実施形態においてプレポリマーの追加なしで液漏れの減少が得られたことはさらに予測外であった。 According to the embodiments of the present invention, in the production of a membrane-embedded microfluidic device, particularly a vertical membrane-embedded device, it is possible to reduce the number of individual devices that cause liquid leakage and to improve the yield. Since the conventional manufacturing method was essentially the same in that the contacted siloxane skeletons were crosslinked, it is not necessarily the case that the liquid leakage is reduced by performing the crosslinking by the plasma treatment as in the embodiment of the present invention. I could not predict. Non-Patent Document 2 discloses a microchannel device in which two silicon substrate members each having a flow path are vertically stacked and a porous film is sandwiched between the two silicon substrate materials to separate the upper and lower flow paths by a porous film. Describes that oxygen plasma treatment was used to join the upper and lower substrate materials, but there was a problem that liquid leakage occurred. Non-Patent Document 2 discloses a problem of liquid leakage by forming a sandwich as described above after adding a silicone prepolymer to the edge of a porous film after oxygen plasma treatment of a substrate material and heating at 65 ° C. for 1 hour. Has been resolved. In view of the teachings of Non-Patent Document 2, it was further unexpected that embodiments of the present invention achieved a reduction in liquid leakage without the addition of a prepolymer.
また、本発明の実施形態により、膜組み込みマイクロ流体デバイス、特に垂直膜組み込み型デバイスの製造を、従来と比べて著しく短時間で行うことができ、エネルギー消費およびコストも抑えることができる。さらに、本発明の実施形態により、例えばマトリゲル被覆多孔膜のような、熱により変性または破壊されるおそれがある成分を含む多孔膜もデバイスに組み込むことができるようになる。例えば、細胞培養に用いられる様々な足場分子で膜をコートし、そのままデバイスに組み込める。膜組み込みに加熱を要していた従来法では、コーティングの実施は膜を組み込んだ後にせざるを得なかったため、流路内面の全域にそのような足場分子を分布させることになっていたが、本法では膜面のみに足場分子を局在させることができる。複数の膜を組み込むことにより、異なる種類の足場分子を同一流路内の任意の位置に配することも可能となる。このように、膜組み込みマイクロ流体デバイスの設計の自由度が格段に向上する。 Further, according to the embodiment of the present invention, it is possible to manufacture a microfluidic device with a built-in membrane, particularly a device with a built-in vertical membrane, in a significantly shorter time than before, and it is possible to reduce energy consumption and cost. Furthermore, embodiments of the present invention allow for the incorporation of porous membranes containing components that may be denatured or destroyed by heat, such as, for example, Matrigel-coated porous membranes, into the device. For example, a membrane can be coated with various scaffold molecules used for cell culture, and can be directly incorporated into a device. In the conventional method that required heating for membrane incorporation, coating had to be performed after membrane incorporation, so such scaffold molecules were to be distributed over the entire inner surface of the flow channel. In this method, scaffold molecules can be localized only on the membrane surface. By incorporating a plurality of membranes, it becomes possible to arrange different types of scaffold molecules at arbitrary positions in the same channel. As described above, the degree of freedom in designing a microfluidic device incorporating a membrane is remarkably improved.
本開示において、「上」、「下」、「第1」、「第2」といった用語は、複数ある要素または工程を区別する便宜のために用いられており、必ずしも絶対的な位置関係や順序を特定する意図のものではない。例えば、同じ水平面上に位置する2つの流路を上側流路および下側流路と呼ぶことがあり、その場合、上側流路と下側流路という呼称を入れ替えたとしても構造上何ら変わりないということがあり得る。 In the present disclosure, terms such as “up”, “down”, “first”, and “second” are used for convenience in distinguishing a plurality of elements or steps, and are not necessarily absolute positional relations or orders. Is not intended to be specified. For example, two flow paths located on the same horizontal plane may be referred to as an upper flow path and a lower flow path. In this case, even if the names of the upper flow path and the lower flow path are interchanged, there is no change in structure. It is possible.
本開示は、一実施形態において、マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板に切込みを入れる工程と、その切込みの切込み口が開かれるように上記基板を曲げた状態に保持しながら、基板にプラズマ処理を施す工程と、切込みに多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させる工程とを含む、膜組み込みマイクロ流体デバイスの製造方法を提供する。本開示におけるマイクロ流体デバイスは、シリコーンゴムをデバイス本体すなわち基板とするものである。本開示におけるシリコーンゴムは、典型的にはポリジメチルシロキサンを含むものであり、ポリジメチルシロキサンからなるものであってもよい。少なくとも一部のメチル基が例えばビニル基またはフェニル基のような他の置換基に置き換えられたものであってもよい。プラズマ処理またはコロナ放電処理により、これらの炭化水素基が除去されてシラノール基が形成され、それらシラノール基同士が架橋することによりシリコーンゴム基質同士の接合が起こると考えられる。 The present disclosure, in one embodiment, a step of making a cut in a silicone rubber substrate having a microchannel pattern, and holding the substrate in a bent state so that the cut opening of the cut is opened, while plasma is applied to the substrate. Provided is a method for manufacturing a membrane-embedded microfluidic device, which includes a step of performing a treatment and a step of pressing a cut surface by sandwiching a porous membrane in the cut. The microfluidic device according to the present disclosure uses silicone rubber as a device body, that is, a substrate. The silicone rubber in the present disclosure typically contains polydimethylsiloxane, and may be made of polydimethylsiloxane. At least a part of the methyl group may be replaced with another substituent such as a vinyl group or a phenyl group. It is considered that these hydrocarbon groups are removed by plasma treatment or corona discharge treatment to form silanol groups, and the silanol groups are cross-linked to cause bonding between the silicone rubber substrates.
基板は、通常は略平板状の外形を有している。平板は縦25mm以内×横75mm以内の大きさであることが好ましく、縦20mm以内×横30mm以内の大きさであることがより好ましい。「縦」「横」という用語は、平板を長方形平板に限定する意図ではない。平板の厚さは、20mm以内であることが好ましく、10mm以内であることがより好ましい。これらの寸法とすることによって、顕微鏡による観察が行いやすくなる。 The substrate usually has a substantially flat outer shape. The flat plate preferably has a size of not more than 25 mm in length and not more than 75 mm in width, and more preferably not more than 20 mm in length and not more than 30 mm in width. The terms "vertical" and "horizontal" are not intended to limit the flat plate to a rectangular flat plate. The thickness of the flat plate is preferably within 20 mm, more preferably within 10 mm. With these dimensions, observation with a microscope becomes easy.
シリコーンゴムの基板に切込みを入れることは、典型的には、鋭利な刃をシリコーンゴムの基質の中途まで挿入することによって達成される(図1a)。切込みとは、刃が貫通してシリコーンゴム基質が完全に2つのブロックに切断されるのではなく、刃が貫通せず切られていない部分が残ることによって刃の両側の基質ブロックがつながっていることを意味する。この目的のために使用され得る切込み手段としては、カミソリが好適であるが、これに限定されない。 Incising a silicone rubber substrate is typically accomplished by inserting a sharp blade halfway into the silicone rubber substrate (FIG. 1a). The notch does not mean that the blade penetrates and the silicone rubber substrate is completely cut into two blocks, but that the substrate block on both sides of the blade is connected by leaving the uncut part without the blade penetrating Means that. A razor is suitable, but not limited to, a cutting means that can be used for this purpose.
切込み面は通常、図1a右に示すように、基板の表面に対して垂直すなわち90°であるが、基板表面に対する切込み面の角度を例えば45°〜90°の範囲で変動させてもよい。切込み面の角度は、組み込まれた後の多孔膜の角度に相当することが理解される。基板内の流路が略水平面方向に展開し、多孔膜がこのように略垂直に基板に組み込まれて流路を隔てていれば、顕微鏡のレンズを垂直方向すなわち基板の厚さ方向に向けることにより、多孔膜を透過する粒子をリアルタイムで観察することが可能になる。 The cut surface is usually perpendicular to the surface of the substrate, ie, 90 °, as shown on the right of FIG. 1a, but the angle of the cut surface with respect to the substrate surface may be varied, for example, in the range of 45 ° to 90 °. It is understood that the angle of the cut surface corresponds to the angle of the porous membrane after being incorporated. If the flow path in the substrate evolves in a substantially horizontal plane direction and the porous membrane is incorporated into the substrate almost vertically and separates the flow path, the microscope lens should be directed in the vertical direction, that is, in the thickness direction of the substrate. Thereby, it is possible to observe particles passing through the porous membrane in real time.
マイクロ流体デバイスの流路とは、当業者に通常理解されるように、外部から(通常はポートを通じて)マイクロリットル単位の量の液体を流し入れて満たすことができる、基板内部に形成された空間である。流路中の液は流れ続けさせることもできるし、滞留させることもできる。液体ではなくゲル状の物質で流路を満たすこともできる。 As is commonly understood by those skilled in the art, a channel in a microfluidic device is a space formed inside a substrate that can be filled with a microliter volume of liquid from outside (usually through a port). is there. The liquid in the flow path can be kept flowing or can be retained. The channel may be filled with a gel-like substance instead of a liquid.
切込みを入れられた基板は、続いて、その切込み口が開かれるように曲げた状態に保持される(図1b)。この状態は例えば、基板の全長より短い間隔で固定された2つの突起物(例えばアクリル棒)を用意し、基板の一方の端を一方の突起に留め、基板の他方の端を他方の突起に留めることにより、切込み口側を凸面として基板を反らせて保持することによって、達成することができる。図1b右においては、試料台およびそれに固定された2つの突起物を黒色で示している。基板はこの状態のまま、プラズマ処理またはコロナ放電処理に付される(図1c)。 The cut substrate is then held in a bent state so that the cut is opened (FIG. 1b). In this state, for example, two protrusions (for example, acrylic rods) fixed at a shorter interval than the entire length of the substrate are prepared, one end of the substrate is fixed to one protrusion, and the other end of the substrate is fixed to the other protrusion. This can be achieved by holding the substrate by warping the substrate so that the cut side is a convex surface. On the right side of FIG. 1b, the sample stage and the two projections fixed thereto are shown in black. In this state, the substrate is subjected to a plasma treatment or a corona discharge treatment (FIG. 1c).
当業者に知られるように、プラズマ処理には、密閉された試料チャンバー内を減圧させてから実施する真空(低圧)プラズマ処理と、試料チャンバー内を大気圧のままにして実施する大気圧プラズマ処理とがあり、本実施形態においてはどちらも使用可能であるが、真空プラズマ処理が特に好ましい。プラズマのソースガスとしては、空気、窒素、ヘリウム、アルゴン、およびこれらのいずれかの混合物が挙げられるが、これに限定されない。空気は特に好ましいソースガスである。 As known to those skilled in the art, the plasma processing includes a vacuum (low pressure) plasma processing performed after reducing the pressure in a closed sample chamber and an atmospheric pressure plasma processing performed while maintaining the atmospheric pressure in the sample chamber. Although both can be used in the present embodiment, vacuum plasma processing is particularly preferable. Source gases for the plasma include, but are not limited to, air, nitrogen, helium, argon, and mixtures of any of these. Air is a particularly preferred source gas.
コロナ放電処理は、平行平板型の電極が通常用いられるプラズマ処理とは異なり、尖った電極から大気中で放電を起こさせて試料に照射して表面改質を行うものである。コロナ放電処理もプラズマの発生を利用するものであり、プラズマ処理の代わりに使用することができる。プラズマ処理またはコロナ放電処理を行う時間は、通常は10秒〜5分間であり、好ましくは20秒〜1分間である。 The corona discharge treatment is different from the plasma treatment in which a parallel plate type electrode is generally used, in which a discharge is caused in the atmosphere from a sharp electrode to irradiate a sample to perform surface modification. Corona discharge treatment also utilizes the generation of plasma, and can be used instead of plasma treatment. The time for performing the plasma treatment or the corona discharge treatment is usually 10 seconds to 5 minutes, preferably 20 seconds to 1 minute.
好ましいプラズマ処理条件の一例は、空気をソースガスとして、圧力設定0.5torr、ガス流量30sccm、電力80W、周波数50kHzで30秒間行うものである。当業者は通常の知識に基づいてこれらのパラメータを調節することができる。例えば、0.1〜100torr、より好ましくは0.3〜10torrの圧力設定、1〜100sccm、より好ましくは5〜50sccmのガス流量、および/または10〜300W、より好ましくは50〜100Wの電力の範囲内で適宜調節してもよい。 An example of preferable plasma processing conditions is to perform the process at a pressure of 0.5 torr, a gas flow rate of 30 sccm, a power of 80 W, and a frequency of 50 kHz for 30 seconds using air as a source gas. One skilled in the art can adjust these parameters based on common knowledge. For example, a pressure setting of 0.1-100 torr, more preferably 0.3-10 torr, a gas flow of 1-100 sccm, more preferably 5-50 sccm, and / or a power of 10-300 W, more preferably 50-100 W. You may adjust suitably within a range.
プラズマ処理またはコロナ放電処理の後に、切込みに多孔膜を挟み込んで(図1d)切込み面同士を圧着させる(図1e)。この工程は、プラズマ処理またはコロナ放電処理の後2時間以内に行うことが好ましく、より好ましくは1時間以内、さらに好ましくは20分以内、特に好ましくは5分以内に行われる。圧着は、切込み部分に隣接するシリコーンゴム基質自体の弾性によって自ずと達成され得るが、例えば指で圧力を加えてもよい。圧着は通常は1分以内、例えば30秒以内で完了し得る。 After the plasma treatment or the corona discharge treatment, the cut surfaces are pressed against each other with the porous film sandwiched between the cuts (FIG. 1d) (FIG. 1e). This step is preferably performed within 2 hours after the plasma treatment or corona discharge treatment, more preferably within 1 hour, further preferably within 20 minutes, particularly preferably within 5 minutes. Crimping may be achieved by the elasticity of the silicone rubber substrate itself adjacent to the cut, but pressure may be applied, for example, with a finger. Crimping can usually be completed within 1 minute, for example, within 30 seconds.
多孔膜自体は、受動的に挟み込まれるものであり、シリコーンゴムと積極的に架橋を形成してもしなくてもよいので、多孔膜の素材は本質的に限定されない。多孔膜は、典型的には合成樹脂で構成される。合成樹脂の例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリオレフィン、環状ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリアミド等、およびそれらの混合物が挙げられるが、これに限定されない。多孔膜がポリエステルまたはポリカーボネートを含む、あるいは多孔膜がポリエステルまたはポリカーボネートからなることが特に好ましい。ポリエステルは好ましくはポリエチレンテレフタレート(PET)である。 Since the porous membrane itself is passively sandwiched and may or may not actively form a crosslink with the silicone rubber, the material of the porous membrane is not essentially limited. The porous membrane is typically made of a synthetic resin. Examples of synthetic resins include polyester, polycarbonate, polyacrylonitrile, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyolefin, cyclic polyolefin, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl alcohol, polyamide and the like, and mixtures thereof. Not limited. It is particularly preferred that the porous membrane comprises polyester or polycarbonate, or that the porous membrane comprises polyester or polycarbonate. The polyester is preferably polyethylene terephthalate (PET).
本開示において、液漏れとは、デバイスの流路内に入れられた液体が流路以外の領域(例えばシリコーンゴム基質と多孔膜との境界面)へと漏出することを意味する。液が多孔膜を透過して1つの流路から別の流路に移ることは液漏れに含まれない。 In the present disclosure, the liquid leakage means that the liquid put in the channel of the device leaks to a region other than the channel (for example, an interface between the silicone rubber substrate and the porous membrane). Leakage of liquid from one flow path to another through a porous membrane is not included in liquid leakage.
上述したように、加熱により切込み面を接合させる従来の製造方法も、接触されたシロキサン骨格同士を架橋するという点では本質的に同じであったため、本実施形態のようにプラズマ処理により架橋を行うことによって液漏れが減少して歩留りが上昇することは必ずしも予測できなかった。特定の理論に拘束されるわけではないが、切込み口を開いてプラズマ処理またはコロナ放電処理を行う際に、切込み断面だけでなくその近傍の流路内壁もプラズマに晒されて親水性を獲得し、その流路内壁に新たに付与された親水性が、完成品デバイスにおいて流路からの液漏れを起こりにくくする可能性が考えられる。また、2つの基板材の間に膜をサンドイッチするのではなく1つの基板の切込みに膜を挿入する本実施形態では、シリコーンゴム基質の弾性により切込み面が自ら元の状態に修復しようとする作用が働き、結果として液漏れの減少につながる可能性も考えられる。加熱による架橋は時間がかかるものの、プラズマ処理による表面活性化後の架橋は短時間で完了するため、押し開かれていた切込み口が弾性により自ら修復する過程と分子架橋が起こる過程とがうまく同調する可能性が考えられる。 As described above, since the conventional manufacturing method of joining the cut surfaces by heating is essentially the same in that the contacted siloxane skeletons are crosslinked, the crosslinking is performed by plasma treatment as in the present embodiment. It was not always possible to predict that the liquid leakage would decrease and the yield would increase. While not being bound by any particular theory, when performing plasma treatment or corona discharge treatment by opening the cut, not only the cut cross section, but also the inner wall of the flow channel in the vicinity is exposed to plasma to acquire hydrophilicity. It is conceivable that the newly imparted hydrophilicity to the inner wall of the flow channel may make it difficult for the finished device to leak liquid from the flow channel. Further, in the present embodiment in which the film is inserted into the cut of one substrate instead of sandwiching the film between the two substrate materials, the cut surface itself attempts to restore the original state due to the elasticity of the silicone rubber substrate. May work, which may result in a decrease in liquid leakage. Cross-linking by heating takes a long time, but cross-linking after surface activation by plasma treatment is completed in a short time, so the process of self-repairing the opened incision by elasticity and the process of molecular cross-linking are well synchronized. It is possible.
典型的には、多孔膜は、マイクロ流路の少なくとも一部において、1つの空間を2つに隔てるかたちで挿入されることが理解される。また、上述した切込みも、多孔膜のそのような挿入を可能にする位置に入れられることが理解される。デバイスを用いてどのような実験を行うことが意図されているかにもよるが、例えば、比較的太い流路を、より細い2つの流路に隔てるように多孔膜が挿入され得る。あるいは、1つの流路を多孔膜で塞き止めるかたちで多孔膜を挿入して、その流路を通る液が多孔膜を通過することを強制する構成にすることもできる。 It is understood that, typically, the porous membrane is inserted in at least a part of the microchannel so as to separate one space into two. It will also be appreciated that the cuts described above are also placed in a position that allows such insertion of the porous membrane. For example, depending on what experiment is intended to be performed with the device, for example, a porous membrane can be inserted to separate a relatively thick channel into two smaller channels. Alternatively, a configuration may be adopted in which a porous membrane is inserted in such a manner that one flow path is blocked by the porous membrane, and the liquid passing through the flow path is forced to pass through the porous membrane.
多孔膜は、切込みの断面積よりも小さい面積であることが好ましい。多孔膜は、切込みに挟み込まれた際にシリコーンゴムの基板からはみ出ない寸法であることが好ましい。多孔膜は、その外縁が流路内空間に露出しない状態でデバイスに組み込まれることが好ましい。すなわち、多孔膜の膜面のみが流路内空間に晒され、膜縁は流路内空間に晒されないような配置で、多孔膜が切込みに挟み込まれていることが好ましい。 The porous membrane preferably has an area smaller than the cross-sectional area of the cut. It is preferable that the porous membrane has a size that does not protrude from the silicone rubber substrate when sandwiched between the cuts. It is preferable that the porous membrane is incorporated into the device in a state where the outer edge is not exposed to the space in the flow channel. That is, it is preferable that the porous membrane is sandwiched between the cuts so that only the membrane surface of the porous membrane is exposed to the space in the flow path, and the membrane edge is not exposed to the space in the flow path.
切込みに多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させる際に、切込み内に追加のシリコーンまたはそのプレポリマーを含ませる必要はない。むしろ、切込み内にシリコーンまたはそのプレポリマーを加えないで圧着を行うことが好ましい。圧着の際に切込み内に入っているのは多孔膜のみであることが好ましい。 It is not necessary to include additional silicone or its prepolymer in the cut when pressing the cut surface with the porous membrane sandwiched between the cuts. Rather, it is preferable to perform pressure bonding without adding silicone or its prepolymer into the cut. It is preferable that only the porous membrane is included in the cut during the pressure bonding.
多孔膜の厚さは、200μm以下であることが好ましい。多孔膜が過度に厚いと、生体組織モデルとしての意義が薄れる可能性がある。多孔膜の厚さは、より好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは50μm以下であり、特に好ましくは20μm以下である。多孔膜の厚さは、特に決まった下限は有さないが、通常は0.5μm以上であり、例えば1μm以上あるいは5μm以上であり得る。 The thickness of the porous membrane is preferably 200 μm or less. If the porous membrane is too thick, its significance as a biological tissue model may be diminished. The thickness of the porous membrane is more preferably 100 μm or less, further preferably 50 μm or less, and particularly preferably 20 μm or less. The thickness of the porous membrane has no particular lower limit, but is usually 0.5 μm or more, for example, 1 μm or more or 5 μm or more.
多孔膜の小孔の孔径および孔密度は、ユーザーが意図する実験の目的によって様々であり得、特に限定されない。例えば孔径は0.05〜10μmであり得、0.1〜1μmが好適である。多種多様な多孔膜が市販されており、それを本実施形態に利用することができる。例えば、市販のセルカルチャーインサートの底部は多孔性であり、これを切り出して得た多孔膜を本実施形態のマイクロ流体デバイスに組み込むことができる。あるいは、トラックエッチング法のような手法を用いて多孔膜を調製してもよい。 The pore size and pore density of the pores of the porous membrane may vary depending on the purpose of the experiment intended by the user, and are not particularly limited. For example, the pore size can be 0.05-10 μm, with 0.1-1 μm being preferred. A wide variety of porous membranes are commercially available and can be used in this embodiment. For example, the bottom of a commercially available cell culture insert is porous, and a porous membrane obtained by cutting out the bottom can be incorporated into the microfluidic device of the present embodiment. Alternatively, the porous film may be prepared using a technique such as a track etching method.
シリコーンゴムの基板内部にマイクロ流路パターンを形成する方法は当業者に知られている。例えば、適切な素材で作製された流路鋳型を、必要に応じて型枠と組み合わせて、そこにシリコーンのプレポリマーを流し入れ、シリコーンを鋳型の形状に合わせて硬化させることにより、表面に凹に成型されたマイクロ流路パターンを有する基板材を得ることができる。この基板材の流路側表面を、もう1つの基板材の平坦な表面と対面させて接合すれば、基質表面ではなく基質内部に流路空間を有する基板を得ることができる。この接合は、例えば約100℃で30分程度加熱することによって好ましく行うことができるが、接合方法はこれに限定されない。上記鋳型の素材は当業者が通常の知識に基づいて適宜選択することができるが、描画ソフトウェアと組み合わせたレーザー加工技術によりマイクロメートル規模の流路を精密に加工することに適していることからアクリル樹脂が特に好ましい。基板表面から各流路へと穴を貫通させることにより、流路内を充填することや流路内に液流を発生させることを可能にするポートを形成することができる。 Methods of forming a microchannel pattern inside a silicone rubber substrate are known to those skilled in the art. For example, a flow channel mold made of an appropriate material is combined with a mold if necessary, a silicone prepolymer is poured into the mold, and the silicone is cured according to the shape of the mold, so that the surface is concave. A substrate having a molded microchannel pattern can be obtained. By joining the flow path side surface of this substrate material to the flat surface of another substrate material and joining, it is possible to obtain a substrate having a flow path space inside the substrate instead of the substrate surface. This bonding can be preferably performed by heating at about 100 ° C. for about 30 minutes, for example, but the bonding method is not limited to this. The material of the mold can be appropriately selected by a person skilled in the art based on ordinary knowledge, but acrylic is suitable for precisely processing a micrometer-scale flow path by laser processing technology combined with drawing software. Resins are particularly preferred. By penetrating the holes from the substrate surface to the respective flow paths, it is possible to form a port capable of filling the flow paths and generating a liquid flow in the flow paths.
したがって、本方法の一実施形態は、上記切込みを入れる工程に先立って、マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板自体を作製する工程をさらに含む。一例においてこの工程は、2つのシリコーンゴム基板材を重ね合わせて、加熱することにより接合することを含み、その2つのシリコーンゴム基板材のうちの少なくとも一方が、表面に凹に成型された流路を有しており、この流路を有する表面が他方のシリコーンゴム基板材の表面と対面してマイクロ流路パターンを形成する。上記接合のための加熱の温度は通常60℃以上であり、好ましくは65℃以上であり、より好ましくは90℃以上であり、例えば100℃以上である。 Therefore, one embodiment of the present method further includes a step of preparing a silicone rubber substrate itself having a microchannel pattern prior to the step of cutting. In one example, this step includes superimposing and bonding two silicone rubber substrate materials by heating, wherein at least one of the two silicone rubber substrate materials has a channel formed in a concave surface. The surface having the flow path faces the surface of the other silicone rubber substrate material to form a micro flow path pattern. The heating temperature for the bonding is usually 60 ° C. or higher, preferably 65 ° C. or higher, more preferably 90 ° C. or higher, for example, 100 ° C. or higher.
本発明の実施形態に係る方法は、切込みに多孔膜を挟み込んで圧着させる時点以降においては、基板および多孔膜を60℃以上で加熱することを含まないことが好ましい。本発明の実施形態に係る方法は、マイクロ流路パターンを有するシリコーンゴムの基板に切込みを入れる時点以降、基板および多孔膜を60℃以上で加熱することを一切含まないことがより好ましい。これらの時点以降の工程は、すべて室温で実施されることが好ましい。室温は通常4〜36℃であり、好ましくは10〜30℃である。 It is preferable that the method according to the embodiment of the present invention does not include heating the substrate and the porous film at a temperature of 60 ° C. or more after the time when the porous film is sandwiched between the cuts and pressed. More preferably, the method according to the embodiment of the present invention does not include heating the substrate and the porous membrane at a temperature of 60 ° C. or more after the time of cutting the silicone rubber substrate having the microchannel pattern. It is preferable that all the steps after these points are performed at room temperature. Room temperature is usually 4-36 ° C, preferably 10-30 ° C.
以下、実施例を示して本発明の実施形態をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。なお、特に明記されていない限り、実施例における実験操作は室温で行った。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples. Unless otherwise specified, experimental operations in Examples were performed at room temperature.
[膜組み込みマイクロ流体デバイスの作製]
鋳型の作製
まず、レーザー加工機(HAJIME、オーレーザー)を用いて、厚さ1mmのアクリル板(クラレックス、日東樹脂工業)を縦76mm、横26mmの長方形に加工した。加工パラメータは、出力16%、切断速度6mm/s、切断回数1回に設定した。加工したこの長方形アクリル板を、流路パターンを有さない下基板材の鋳型とした。
[Production of microfluidic device with embedded membrane]
Preparation of Mold First, an acrylic plate (Kuralex, Nitto Jushi Kogyo) having a thickness of 1 mm was processed into a rectangular shape having a length of 76 mm and a width of 26 mm using a laser processing machine (HAJIME, O-Laser). The processing parameters were set such that the output was 16%, the cutting speed was 6 mm / s, and the number of cuts was one. The processed rectangular acrylic plate was used as a mold for a lower substrate material having no flow path pattern.
次に、厚さ0.2mmのアクリル板(クラレックス、日東樹脂工業)をH字流路パターンに加工した。加工パラメータは、出力8%、切断速度6mm/s、切断回数1回に設定した。H字の高さは10mm、中央の横線の幅は3.0mm、左右の縦線の幅はそれぞれ0.6mm、左右の縦線同士の間の距離は4.0mmとした。H字加工アクリル板のそりをなくすために、それをスライドガラスに挟み、1kgの重りをのせて、卓上型送風乾燥器(MD−100、ヨネザワ)中でベイクした(80℃、1時間)。ベイク後のH字加工アクリル板を、アクリル用接着剤(アクリサンデー)とテルモシリンジ(1mL)を用いて、上述したものと同じ長方形アクリル板(1mm厚)に貼り付けた。その際には、まずニプロブラント針(27G、02−165、ニプロ)を用いて長方形アクリル板に1滴接着剤を垂らし、そこにH字をのせて固定した。その後テルモ注射針(27G、刃先あり)を用いて、H字の先端から少量ずつ接着剤を注入し、完全に接着させた。1つの長方形アクリル板に、2つのH字アクリル板を並べて貼り付けた([H H])。貼り付け後、循環式恒温乾燥機(MOV−102F、三洋電機)中でベイクした(65℃、30分)。長方形アクリル板にH字アクリル板が貼り合わされたこの合板を、流路パターンを有する上基板材の鋳型とした。 Next, an acrylic plate (Clarex, Nitto Jushi Kogyo) having a thickness of 0.2 mm was processed into an H-shaped channel pattern. The processing parameters were set to 8% output, 6 mm / s cutting speed, and one cutting. The height of the H-shape was 10 mm, the width of the center horizontal line was 3.0 mm, the width of the left and right vertical lines was 0.6 mm, and the distance between the left and right vertical lines was 4.0 mm. In order to eliminate the warpage of the H-shaped acrylic plate, it was sandwiched between glass slides, placed with a weight of 1 kg, and baked in a table-type blow dryer (MD-100, Yonezawa) (80 ° C., 1 hour). The baked H-shaped acrylic plate was attached to the same rectangular acrylic plate (1 mm thick) as described above using an acrylic adhesive (Acrysandy) and a thermosyringe (1 mL). At that time, first, one drop of the adhesive was dropped on a rectangular acrylic plate using a Nipro brand needle (27G, 02-165, Nipro), and an H-shape was put thereon and fixed. Thereafter, using a Terumo injection needle (27 G, with a blade edge), an adhesive was injected little by little from the tip of the H-shape to completely adhere. Two H-shaped acrylic plates were attached side by side to one rectangular acrylic plate ([H H]). After pasting, it was baked (65 ° C., 30 minutes) in a circulating constant temperature dryer (MOV-102F, Sanyo Electric). This plywood in which an H-shaped acrylic plate was bonded to a rectangular acrylic plate was used as a mold for an upper substrate material having a flow path pattern.
基板材の作製
ポリジメチルシロキサンPDMS(SILPOT184、東レ・ダウコーニング)の主剤と硬化剤を10:1の重量比でバランストレイ(1−5233−01、アズワン)に入れ、デスペット(6−760−02、アズワン)でよくかき混ぜた。その後真空デシケータ(VS、アズワン)と真空ポンプ(DAP−6D、ULVAC)を用いて約20分間脱泡してプレポリマーを調製した。型枠と同じ寸法の2mm厚アクリル板を用意して、その上に、ベンコット(適当な大きさに切った不織布)、上記で作製された鋳型、および型枠をこの順で重ね、四方をクリップでとめた。上基板材の鋳型には厚さ2mmの型枠、下基板材の鋳型には厚さ4mmの型枠を重ねた。
Preparation of Substrate Material The base material and the curing agent of polydimethylsiloxane PDMS (SILPOT 184, Dow Corning Toray) and a curing agent are put into a balance tray (1-52333-01, As One) at a weight ratio of 10: 1, and despet (6-760-). 02, As One). Thereafter, defoaming was performed using a vacuum desiccator (VS, Asone) and a vacuum pump (DAP-6D, ULVAC) for about 20 minutes to prepare a prepolymer. Prepare a 2mm thick acrylic plate with the same dimensions as the mold, and place Bencot (non-woven fabric cut to an appropriate size), the mold made above, and the mold in this order, and clip on all sides. I stopped. A mold having a thickness of 2 mm was laminated on the mold of the upper substrate material, and a mold having a thickness of 4 mm was laminated on the mold of the lower substrate material.
上基板材の鋳型に対しては約3.2gのPDMSプレポリマー、下基板材の鋳型に対しては約6.4gのPDMSプレポリマーを、それぞれ型枠の枠内を埋めるように流し込んだ。その後40分ほど真空デシケータ中で脱泡した。脱泡後、循環式恒温乾燥機に入れ、ファーストベイク(65℃、1時間)を行った。それぞれ縦74mm×横24mmの上基板材および下基板材が得られた。前者の表面には2つのH字状流路が凹に型取られている。 About 3.2 g of PDMS prepolymer was poured into the mold of the upper substrate material, and about 6.4 g of PDMS prepolymer was poured into the mold of the lower substrate material so as to fill the inside of the mold. Thereafter, degassing was performed in a vacuum desiccator for about 40 minutes. After defoaming, it was placed in a circulating thermostatic dryer and subjected to first baking (65 ° C., 1 hour). An upper substrate material and a lower substrate material each having a length of 74 mm and a width of 24 mm were obtained. Two H-shaped channels are concavely formed on the surface of the former.
基板(デバイス本体)の作製
ファーストベイク後のPDMS基板材を鋳型・型枠から外して、エタノールで洗浄したスライドガラス上に載せた。PDMS基板材から、18×23mmの長方形を2つずつカッターで切り出した。すなわち、上基板材については、上記で得られた74mm×24mmの基板材から、H字流路をそれぞれ1つ有する2つの上基板材を切り出した。さらに、上基板材については、ハトメで基板材上面からH字流路の末端部分に向けて穴を貫通させ、ポートを作製した。上記18×23mmの寸法に揃えられた上基板および下基板を、空気が入らないようにしながら重ね合わせ、卓上型送風乾燥器に入れ、セカンドベイク(100℃、30分)を行って接合させた。上基板材の下面(流路側)と下基板材の平坦な上面が貼り合わされて、内部にH字流路が形成されたデバイス本体が得られた。以下、このデバイス本体を基板と呼ぶ。
Preparation of Substrate (Device Body) The PDMS substrate material after the first baking was removed from the mold / mold, and placed on a slide glass washed with ethanol. From the PDMS substrate material, two 18 × 23 mm rectangles were cut out with a cutter. That is, as for the upper substrate material, two upper substrate materials each having one H-shaped flow path were cut out from the 74 mm × 24 mm substrate material obtained above. Further, as for the upper substrate material, a hole was made to pass through a hole from an upper surface of the substrate material to an end portion of the H-shaped flow path using eyelets, thereby producing a port. The upper substrate and the lower substrate having the dimensions of 18 × 23 mm were overlapped while preventing air from entering, put into a table-type blow dryer, and were bonded by performing a second bake (100 ° C., 30 minutes). . The lower surface (the flow path side) of the upper substrate material and the flat upper surface of the lower substrate material were bonded together to obtain a device body in which an H-shaped flow path was formed. Hereinafter, this device body is referred to as a substrate.
多孔膜の組み込み
上記セカンドベイク後の基板を顕微鏡下で観察しながら、カミソリの刃を基板の上表面から垂直に押し下げて、H字の横線に相当する流路を2つの流路に分断するかたちで深さ3mmの切込みを入れた。カミソリの刃は、H字の横線に相当する流路を、約150μm幅の流路(上側流路という)と約2850μm幅の流路(下側流路という)とに分断し、さらにH字の横線の延長線上のPDMS基質に切り込むこととなる(図1a参照)。
Incorporation of a porous membrane While observing the substrate after the second bake under a microscope, the razor blade is pushed down vertically from the upper surface of the substrate, and the channel corresponding to the horizontal line of the H shape is divided into two channels. Then, a cut having a depth of 3 mm was made. The razor blade separates the flow path corresponding to the H-shaped horizontal line into a flow path having a width of about 150 μm (referred to as an upper flow path) and a flow path having a width of about 2850 μm (referred to as a lower flow path). In the PDMS substrate on the extension of the horizontal line (see FIG. 1a).
カミソリの刃を引き抜いた後、切込み口が開かれるように基板を曲げた状態に保持した。これは、図1b右側に示すように、試料台にアクリル棒を2本貼りつけ、その間に、切込み口を開けた状態で基板を反らせて保持することによって達成した。つまり、2本のアクリル棒の間隔が、基板の長さよりも短いので、基板がブリッジをしたような状態で固定された。このように切込み口を開けた状態で、基板を試料台ごと真空プラズマ装置(CUTE−1MPR、FEMTO SCIENCE)の試料チャンバーに入れ、30秒間プラズマ処理した(試料チャンバー容量:3.6L(W150mm×D200mm×H120mm)、ソースガス:空気、圧力設定:0.5torr(ソースガスの流入により実測値は約0.65torr)、ガス流量:30sccm、電力:80W)(図1c)。別途、PET多孔膜(孔径3μm、セルカルチャーインサート(コーニング社353091)の底部)を2mm×7mmの大きさにカットしておいた。この多孔膜を、上記プラズマ処理後1分以内に基板の切込み口に差し込み(図1d)、切込み口が閉じた後に手で基板を左右から10秒間押さえながら切込み面を圧着させて、膜を挟んだ基板の切込み断面を接合させた(図1e)。このようにして膜組み込みマイクロ流体デバイスを得た。 After pulling out the razor blade, the substrate was held in a bent state so that the slit was opened. This was achieved by attaching two acrylic rods to the sample stage and holding the substrate in a state where the cutout was opened, as shown on the right side of FIG. 1b. That is, since the distance between the two acrylic rods is shorter than the length of the substrate, the substrate was fixed in a bridge-like state. With the cut opening thus opened, the substrate together with the sample table was placed in a sample chamber of a vacuum plasma apparatus (CUTE-1MPR, FEMTO SCIENCE) and plasma-treated for 30 seconds (sample chamber capacity: 3.6 L (W150 mm × D200 mm) × H120 mm), source gas: air, pressure setting: 0.5 torr (actual measured value is about 0.65 torr due to inflow of source gas), gas flow rate: 30 sccm, power: 80 W) (FIG. 1c). Separately, a PET porous membrane (pore diameter 3 μm, bottom of cell culture insert (Corning Corp. 353091)) was cut into a size of 2 mm × 7 mm. This porous film is inserted into the cutout of the substrate within 1 minute after the plasma treatment (FIG. 1d). After the cutout is closed, the cut surface is pressed by hand while holding the substrate from the left and right for 10 seconds to sandwich the film. The cut sections of the flexible substrates were joined (FIG. 1e). Thus, a microfluidic device incorporating a membrane was obtained.
[ナノ粒子の透過性評価]
2×リン酸緩衝生理食塩水(PBS)中16mMのゲニピン溶液200μLに、1%コラーゲンI溶液(307−31611、日本ハム)を200μL加え、ボルテックスで混合し、氷浴中に静置した。透過試験を行うために、この混合溶液を膜組み込みマイクロ流体デバイスの下側流路に充填して、疑似間質とした。充填は以下の手順で行った。まず、デバイスを1時間以上脱気しておいた。顕微鏡のステージ部分に取り付けられた温調プレート(TP−CH110R、東海ヒット)を4℃に設定し、その上にデバイスを設置した。マイクロピペットで上記ゲニピン・コラーゲン溶液を30μLとり、これを下側流路のポートからデバイスに注入した。その後、デバイスをインキュベーター(SCA−80DS、アステック)に移し温めることによって(37℃、1時間)ゲニピン架橋コラーゲンゲルを固化させた。
[Evaluation of nanoparticle permeability]
200 μL of a 1% collagen I solution (307-31611, Nippon Ham) was added to 200 μL of a 16 mM genipin solution in 2 × phosphate buffered saline (PBS), mixed with a vortex, and allowed to stand in an ice bath. In order to perform a permeation test, this mixed solution was filled in the lower channel of the membrane-incorporated microfluidic device to form a pseudo stroma. The filling was performed according to the following procedure. First, the device was evacuated for over an hour. The temperature control plate (TP-CH110R, Tokai Hit) attached to the stage part of the microscope was set at 4 ° C., and the device was placed thereon. Using a micropipette, 30 μL of the genipin / collagen solution was taken and injected into the device from a port in the lower channel. Thereafter, the device was transferred to an incubator (SCA-80DS, Astec) and warmed (37 ° C., 1 hour) to solidify the genipin-crosslinked collagen gel.
膜組み込みマイクロ流体デバイスの上側流路にシリンジポンプ(LEGATO111、KD Scientific)を接続して、ナノ粒子の懸濁液を流すことにより透過試験を行った。一例において、PBSに懸濁した蛍光標識デキストラン(平均分子量70000)をモデルナノ粒子として試験に使用した。シリンジポンプはモードを「Infuse Only」、ターゲットを「No target」に設定し、マイクロシリンジ(1750TLL、ハミルトン)を設置した。実験に用いる流量は、毛細血管の線速度をもとに算出した。倒立顕微鏡(IX71、オリンパス)とCMOSカメラ(ORCA−Flash4.0V2、浜松ホトニクス)で観察を行い、ナノ粒子懸濁液が上側流路に充填されてから1時間にわたり10分ごとに蛍光画像を撮影した。顕微鏡には10倍の対物レンズを用い、カメラは、ビニングを4、露光時間を100msに設定した。 A permeation test was performed by connecting a syringe pump (LEGATO111, KD Scientific) to the upper channel of the membrane-embedded microfluidic device and flowing a suspension of nanoparticles. In one example, fluorescently labeled dextran (average molecular weight 70000) suspended in PBS was used for testing as model nanoparticles. The mode of the syringe pump was set to “Infuse Only”, the target was set to “No target”, and a micro syringe (1750 TLL, Hamilton) was installed. The flow rate used in the experiment was calculated based on the linear velocity of the capillary. Observed with an inverted microscope (IX71, Olympus) and a CMOS camera (ORCA-Flash 4.0V2, Hamamatsu Photonics), and took a fluorescence image every 10 minutes for one hour after the nanoparticle suspension was filled in the upper channel did. The microscope used a 10 × objective lens, the camera was set to 4 binning, and the exposure time was set to 100 ms.
作製された膜組み込みマイクロ流体デバイスの一例の概観、および流路と多孔膜部分の拡大図、ならびに蛍光標識ナノ粒子の膜透過を経時的に定量化した結果の例を図2に示す。基板の切込みに多孔膜を挟んで約100℃で約1時間ベイクしていた従来の作製方法と比べて、切込み口が開かれるように基板を曲げた状態に保持しながら基板にプラズマ処理を施す本実施例の作製方法では、液漏れを起こすデバイス個体の減少すなわち歩留りの有意な向上が認識された。図2(a)および(b)において、黒矢印は多孔膜の挿入位置を示し、*および**は多孔膜で隔てられた2つの流路を示し(それぞれ上側流路および下側流路)、白矢印は、多孔膜のコラーゲンゲル側に透過した蛍光標識ナノ粒子を示している。図2(c)に示すように、経時的な透過量を正確に測定することができた。本システムを用いて、ナノ粒子の粒径、多孔膜の孔径、各流路を満たす物質の組成、多孔膜表面コーティングの組成、流速など、各種パラメータが透過率に与える影響を正確に分析することができる。 FIG. 2 shows an overview of an example of the fabricated membrane-embedded microfluidic device, an enlarged view of the flow channel and the porous membrane portion, and an example of the results of quantifying the membrane permeation of the fluorescently labeled nanoparticles with time. Compared with the conventional manufacturing method in which the porous film is interposed between the cuts of the substrate and baked at about 100 ° C. for about 1 hour, the plasma processing is performed on the substrate while holding the substrate in a bent state so that the cutout is opened. In the manufacturing method of this example, it was recognized that the number of individual devices causing liquid leakage was reduced, that is, the yield was significantly improved. 2 (a) and 2 (b), black arrows indicate insertion positions of the porous membrane, and * and ** indicate two flow paths separated by the porous membrane (upper flow path and lower flow path, respectively). , White arrows indicate fluorescently labeled nanoparticles that have permeated the collagen gel side of the porous membrane. As shown in FIG. 2C, the amount of permeation over time could be accurately measured. Using this system, it is necessary to accurately analyze the effects of various parameters on transmittance, such as the particle size of nanoparticles, the pore size of the porous membrane, the composition of the material that fills each flow path, the composition of the porous membrane surface coating, and the flow rate. Can be.
[マトリゲル被覆膜組み込みマイクロ流体デバイスの作製と評価]
この実施例では、マトリゲルでコーティングされた多孔膜をマイクロ流体デバイスに組み込んだ。鋳型、基板材、および基板の作製は、上記の実施例と実質的に同様にして行った。ただし、上基板材と下基板材の接合は、上記のような加熱処理ではなく、接合させる表面を真空プラズマ処理したあと上下基板材を重ね合わせて、手で10秒間圧着させることによって行った。
[Preparation and evaluation of microfluidic device incorporating Matrigel coating film]
In this example, a porous membrane coated with Matrigel was incorporated into a microfluidic device. The production of the mold, the substrate material, and the substrate was performed in substantially the same manner as in the above-described example. However, the bonding of the upper substrate material and the lower substrate material was not performed by the above-described heat treatment, but by performing vacuum plasma processing on the surface to be bonded, and then overlaying the upper and lower substrate materials and pressing them by hand for 10 seconds.
マトリゲルコーティング済みの多孔膜は、マトリゲルインベージョンチャンバー(354481、コーニング)の底部からメスとはさみで切り出したものを利用した。基板の切込みの形成、プラズマ処理、膜の挿入等は、上記の実施例と実質的に同様にして行い、マトリゲル被覆膜組み込みマイクロ流体デバイスを得た。以上のプロセスは全て室温で行われ、このマトリゲルは60℃以上の高熱には一切晒されていないため、マトリゲル中の生体分子は無傷である。 The porous membrane coated with Matrigel was cut from the bottom of a Matrigel invasion chamber (354481, Corning) with a scalpel and scissors. The formation of cuts in the substrate, the plasma treatment, the insertion of the film, and the like were performed in substantially the same manner as in the above example, to obtain a microfluidic device incorporating a Matrigel-coated film. All of the above processes are performed at room temperature, and since this Matrigel is not exposed to high heat of 60 ° C. or more, the biomolecules in Matrigel are intact.
実用性の確認のために、以下の実験を行った。すなわち、膜で区切られた2本の流路の一方にPBSを導入した。もう一方の流路には、蛍光標識デキストラン(平均分子量10000)の溶液を、シリンジポンプを用いて1μL/分の流速で送液した。蛍光顕微鏡で経時観察したところ、デキストランが膜を透過して他方の流路に拡散する様子が確認された。流路からの液漏れもなく、本デバイスでナノ粒子の透過性を評価できることが示された。 The following experiment was performed to confirm the practicality. That is, PBS was introduced into one of the two channels separated by the membrane. A solution of fluorescently labeled dextran (average molecular weight 10,000) was sent to the other flow path at a flow rate of 1 μL / min using a syringe pump. Observation with a fluorescent microscope over time confirmed that dextran permeated through the membrane and diffused into the other flow path. It was shown that there was no liquid leakage from the channel and the permeability of the nanoparticles could be evaluated with this device.
本発明の実施形態は、医学・生物学・薬学の研究用デバイス、マイクロリアクター、およびドラッグデリバリーシステム開発の分野などで利用することができる。本発明の実施形態は、血管透過性だけでなく他の様々な生物学的モデルシステムの構築のためにも利用され得る。 Embodiments of the present invention can be used in the fields of medical / biological / pharmaceutical research devices, microreactors, and drug delivery system development. Embodiments of the present invention can be utilized for the construction of various other biological model systems as well as vascular permeability.
Claims (6)
前記切込みの切込み口が開かれるように前記基板を曲げた状態に保持しながら、前記基板にプラズマ処理またはコロナ放電処理を施す工程と、
前記切込みに多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させる工程と
を含む、膜組み込みマイクロ流体デバイスの製造方法。 A step of making a cut in a silicone rubber substrate having a microchannel pattern,
Performing a plasma treatment or a corona discharge treatment on the substrate while holding the substrate in a bent state so that the slit of the slit is opened;
A method of sandwiching a porous membrane in the cut and pressing the cut surface in pressure.
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