JP2021062417A - マイクロ流路デバイスの製造方法及びマイクロ流路デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】極めて低コストかつ短時間に、汎用性の高いマイクロ流路デバイスを製造する方法を提供すること。【解決手段】マイクロ流路デバイスの製造方法は、基板１、粘着層２、及びカッティング層３が順次積層された多層の構造体に対し、カッティング層３の側からレーザー光線１０を照射し、カッティング層３、またはカッティング層３と粘着層２にマイクロ流路パターンを形成する工程と、その後、形成されたマイクロ流路パターンを剥離させる工程、を含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、量子ビーム分野（テーラーメイド試料セルの活用）、環境分析、生体物質検出、生体組織作製、オルガノイド、マイクロ診断機器などの分野で使用されるマイクロ流路デバイスの製造方法と、その製造方法によって作製される斬新な構造を備えたマイクロ流路デバイスに関する。

例えば、試薬反応でＤＮＡや細胞等の分析や判定を行う際、微小構造のマイクロ流路デバイスを使用することで試薬量を大幅に削減できると共に、診断・分析時間も大幅に短縮させることができる。そのため、医療の分野では、特にその重要度が増大している。

従来、マイクロ流路を作製する方法として、例えば特許文献１には、ガラスやシリコンウエハーにフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングを施し、フッ酸等を用いた化学処理やプラズマ等でエッチングする方法が開示されている。マイクロ流路の素材としては、一般的にガラスやジメチルポリシロキサン(ＰＤＭＳ)が使用されている。ガラス製の場合は上記技術により加工された流路がそのまま使用される。また、ＰＤＭＳ製マイクロ流路の場合は、上記の工程で作製される流路がパターニングされたシリコンウエハーが、モールドとして使用されている。

また、マイクロ流路を作製する別の方法として、レーザーを用いた技術も知られている。レーザーによってマイクロ流路を形成する方法の一つとして、例えば特許文献２には、基板にボンディングフィルムを貼り付け、レーザーによって粘着材にマイクロ流路を形成する方法が開示されている。

特開２０１７−１５６２９０号公報 特開２０１７−１９３０１４号公報

従来のマイクロ流路の製造方法の内、フォトリソグラフィーを使用する方法では、クリーンルーム内で特殊な装置を使用して多段階の工程が求められる。このため、流路パターンの作製に要する時間も、１つのモールド作製だけで数時間を要している。特に、高さを必要とする流路を作製する場合、計画した高さまでエッチングする必要があり、特殊な分厚い基板を必要とし、かつ多くの作業時間を要する。マイクロ流路は様々なパターンを高度に利用することによって微小空間内で化学反応や生化学反応を制御することが特徴の一つである。最適な流路パターンを見出すためには複数の試作を行って検討を重ねることが必須であり、流路作製に求められるコストや時間が技術進展を阻害する課題であった。

また、特許文献２に開示されたマイクロ流路の作製方法は、マイクロ流路のエッチング加工を単にレーザー加工に置き換えただけのものであって、例えば深さのあるマイクロ流路や多段状のマイクロ流路など、様々な用途に適した構造を有するマイクロ流路を、低コストかつ短時間に形成することが出来ないという課題があった。

したがって、本発明の目的は、様々な用途に適した構造を有するマイクロ流路を、低コストかつ短時間に形成することができるマイクロ流路デバイスの製造方法及びマイクロ流路デバイスを提供することにある。

本発明の一つの観点にかかるマイクロ流路デバイスの製造方法は、基板、粘着層、及びカッティング層が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記カッティング層と前記粘着層にマイクロ流路パターンを形成する工程と、その後、形成された前記マイクロ流路パターンを剥離させる工程から成る。

本発明ではカッティング層を設けているため、粘着層の厚みに関係なく任意の深さのマイクロ流路を形成することができる。また、流路形成後にマイクロ流路パターンを剥離することが出来るようにしているため、様々な用途に適応でき、汎用性の高いマイクロ流路デバイスを得ることができる。

本発明の他の観点にかかるマイクロ流路デバイスの製造方法は、基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記上段積層体に予め決められた上段流路パターンを形成する第１の工程と、第１の工程の終了後にレーザー光線を再度照射し、前記上段流路パターンが形成された領域を除く、前記上段積層体と前記下段積層体に予め決められた下段流路パターンを形成する第２の工程と、第２の工程の終了後に各段の流路パターンを剥離する工程を含んでいる。

下段積層体が２段以上積層されている構造体に対して、前記第２の工程を繰り返し行うことによって、ｎ（ｎは３以上の整数）段のマイクロ流路を持つ精緻なデバイスを作製することができる。

本発明のさらに他の観点にかかるマイクロ流路デバイスの製造方法は、基板、粘着層、及びカッティング層が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記カッティング層と前記粘着層にマイクロ流路パターンを形成する工程と、その後、マイクロ流路以外の部分を剥離させ、流路モールドを作製する工程と、その後、硬化性ゴムや樹脂等を前記流路モールドにコーティングし、硬化処理後に硬化したゴムや樹脂等を前記流路モールドから剥離させ、前記マイクロ流路がパターニングされたゴムや樹脂等を形成する工程と、マイクロ流路がパターニングされた前記ゴムや樹脂等と、平滑なゴムや樹脂等を貼り付ける工程を含んでいる。

本発明のさらに他の観点にかかるマイクロ流路デバイスの製造方法は、基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が、順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記上段積層体に上段流路パターンを形成する工程と、その後、レーザー光線を再度照射し、前記上段流路パターンが形成された領域を除く、前記上段積層体と、前記下段積層体または下段カッティング層に下段流路パターンを形成する工程と、その後、マイクロ流路部分以外の部分を剥離させ、流路モールドを作製する工程と、その後、硬化性ゴムや樹脂等を前記流路モールドにコーティングし、硬化処理後に硬化したゴムや樹脂等を前記流路モールドから剥離させ、前記マイクロ流路がパターニングされたゴムや樹脂等を形成する工程と、マイクロ流路がパターニングされた前記ゴムや樹脂等と、平滑なゴムや樹脂等を貼り付ける工程を含んでいる。

また、本発明の一つの観点にかかるマイクロ流路デバイスは、基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が順次積層された多層の構造体から成り、前記上段積層体に形成された上段マイクロ流路と、前記上段マイクロ流路が形成された領域以外にある前記上段積層体と、前記下段積層体または前記下段カッティング層に形成された下段マイクロ流路を備えている。

本発明によれば、アクリル、紙、布、ガラス、ゴム、金属などから成るマイクロ流路の形成が可能であり、様々な用途に適用可能なマイクロ流路デバイスを得ることができる。本発明で作製したマイクロ流路パターンは、そのまま流路として使用、もしくは転写用のモールドとしても使用可能である。

基板、粘着層、カッティング層からなる１段流路構造体の分解概略構造図。 基板、下段粘着層、下段カッティング層、上段粘着層、及び上段カッティング層からなる２段流路構造体の分解概略構造図。 ２段型マイクロ流路の実施例を示す上面図。 ２段型マイクロ流路の実施例を示す立体分解図。 ２段型マイクロ流路の実施例を示す動作説明図。 汗採取用のマイクロ流路デバイスの一例を示す図。 汗採取用のマイクロ流路デバイスの一例を示す立体分解図。

最初に図１を参照して、本発明の最も基本的なマイクロ流路デバイスの製造方法とデバイス構造について説明する。図１は、基板１、粘着層２、及びカッティング層３からなる１段流路構造体を分解状態で示している概略構造図である。実際には、基板１、粘着層２、及びカッティング層３は密着状態になっている。マイクロ流路は、カッティング層３、または粘着層２とカッティング層３によって形成される。

次に１段のマイクロ流路の形成方法について説明する。レーザーカッター１０により基板１以外を流路パターンにカットする。カットした部分をピンセット等により剥がすことで流路が形成される。形成可能な流路幅はレーザーカッターの解像度に依存するが、１００μm以上で、５００μm以上の流路は精度良く形成することが出来る。流路の高さは粘着層２とカッティング層３の厚みに依存する。市販のポリマーフィルムを利用した場合、１００μm〜３cm以上まで制御可能である。従来方法では１００μm以上の高さの流路を形成することは極めて困難とされているが、本発明ではカッティング層３を採用しているため、深さのある流路を簡易に提供できる。

カットした流路はそのまま使用、もしくはモールドとして使用することも可能である。モールドとして使用する場合、ＰＤＭＳをスピンコートして熱硬化させた後に剥離させることにより流路がパターニング可能である。モールドとして使用する場合、粘着層２としては基板１から比較的容易に剥離可能な程度の粘着力を有するものを使用することが好ましい。

レーザーカッターで切断する必要のあるカッティング層３の素材として、アクリル、紙、布、ガラス、ゴム、金属が挙げられる。粘着層２として、アクリル系、シリコン系の粘着フィルムが挙げられる。市販の粘着シートを用いることも可能である。基板１は平滑面を有していれば良く特に制限はない。例えば、アクリル、ガラス、金属、シリコン板等が挙げられる。

開放系の流路として用いる場合は、レーザーカッターで切断した面を剥がした後、そのまま使用する。閉鎖系の流路として用いる場合は予めカッティング層３の上部に４層目として両面粘着層（図示せず）を施しておき、流路形成後に粘着層により上部の素材（図示せず）と接着する。流路モールドとして用いる場合、作製した流路にＰＤＭＳをスピンコートして熱硬化させた後、剥離することにより流路がパターニング可能である。

次に、図２を参照して、２段のマイクロ流路の形成方法について説明する。図２は、基板１、下段粘着層２a、下段カッティング層３a、上段粘着層２ｂ、及び上段カッティング層３ｂからなる２段流路構造体を分解状態で示している概略構造図である。また、図２はすでに基板１上の各層がレーザーによってカットされた状態を示している。下段粘着層２aと下段カッティング層３aによって、下段のマイクロ流路が形成され、上段粘着層２ｂと上段カッティング層３ｂで上段のマイクロ流路が形成される。

基板１の上に両面接着の下段粘着層２aを貼り、その上に下段カッティング層３aを貼り、Ｂ層（下段積層体）を形成する。その後、下段粘着層２aの上面に両面接着の上段粘着層２ｂを貼り、最後にその上面に上段カッティング層３ｂを貼り、Ａ層（上段積層体）を形成する。その後、レーザー１０によって、Ａ層のみを切断し、上段のマイクロ流路を形成する。その後、レーザー１０の出力を上げ、Ａ層とＢ層を切断し、下段のマイクロ流路を形成する。このようにして、上下２段のマイクロ流路を形成することができる。

Ｂ層すなわち下段積層体を複数積層させ、上述のレーザー切断を必要回数繰り返すことによって、３段以上のマイクロ流路を形成することができる。
＜実施例１＞
（ポリエチレンナフタレート製流路の形成）
市販のポリエチレンナフタレートフィルム（基板）に市販の２５μmのアクリル系の両面粘着シート（粘着層）を貼る。その上から２５０μmのポリエチレンナフタレートフィルム（カッティング層）を貼り付ける。これを基本となる層構造体とする。この構造体をレーザー加工機（Zing16-40W）に設置して、出力７％の条件で予めデザインした流路パターン通りに粘着層とカッティング層のみを切断する。予めデザインした流路パターンの幅は７００μmであった。切断後、ピンセット等を用いて流路部分の粘着層、カッティング層を取り除く。ピンセットにより一部を持ち上げるだけで簡易に切断した流路部分を剥がすことが出来る。これにより、幅７００μm、高さ２７５μmの流路が形成された。光学顕微鏡により、流路の形成を確認した。
＜実施例２＞
（ポリエチレンナフタレート製流路モールドを用いたPDMS２段型流路の形成）
市販のポリエチレンナフタレートフィルム（基板）に市販の２５μmのアクリル系の両面粘着シート（粘着層）を貼る。その上から２５０μmのポリエチレンナフタレートフィルム（カッティング層）を貼り付ける（Ｂ層）。その上に両面粘着シート、カッティング層の順に貼り付け（Ａ層）、２段の構造体を作製する。この構造体をレーザー加工機（Zing16-40W）に設置して、出力７%の条件で予めデザインした流路パターン通りにＡ層のみを切断する（上段のマイクロ流路パターンを形成）。さらに、出力１５％の条件でＡ層とＢ層を切断する（下段のマイクロ流路パターンを形成）。切断後、ピンセット等を用いて流路以外の部分の粘着層、カッティング層を取り除く。ピンセットにより一部を持ち上げるだけで簡易に切断した流路部分を剥がすことが出来る。これにより、２段の流路モールドが出来上がる。

ＰＤＭＳを、流路モールドに３００rpmでスピンコートした後に加熱して硬化させる。その後、硬化したＰＤＭＳをゆっくりと剥がす。これにより、流路がパターニングされたＰＤＭＳが形成した。平滑なＰＤＭＳを別途作製しておき、パンチを用いて流体の入り口に予め孔を開ける。流路パターニングＰＤＭＳ、平滑ＰＤＭＳ両方に対してオゾン処理を行い、照射面同士を貼り付けて１晩静置することで閉鎖系のＰＤＭＳマイクロ流路デバイスを得た。

上記のような閉鎖系２段のＰＤＭＳ流路デバイスは例えばセンサーデバイスとして応用可能である。チャンバー下段にプローブを設置しておき、上段から検出対象の液を流し込むことにより、例えば呈色反応や蛍光反応を利用して金属や生体分子の検出が可能となる。２段の流路とすることで流路の最大容量を増加することや、複数種類の溶液を用いた反応、また、複雑な形状のマイクロ容器を要する細胞培養などを可能とする。

上述のようにして作製した２段型マイクロ流路の実施例を図３乃至図５に示す。図３乃至図５は、下段にプローブセンサを設置したセンサー流路を示している。図３はその上面図、図４は立体図、そして図５は流路に流れる液体の様子を示す写真を図にしたものである。黒色部分が液体であり、灰色部分はプローブセンサである。
＜実施例３＞
（ポリエチレンナフタレート製流路モールドを用いたＰＤＭＳ流路の形成）
市販のポリエチレンナフタレートフィルム（基板）に市販の２５μmのアクリル系の両面粘着シート（粘着層）を貼る。その上から２５０μmのポリエチレンナフタレートフィルム（カッティング層）を貼り付ける。これを基本となる層構造体とする。この構造体をレーザー加工機（Zing16-40W）に設置して、出力7%の条件で予めデザインした流路パターン通りに粘着層とカッティング層のみを切断する。予めデザインした流路パターンの幅は７００μmであった。切断後、ピンセット等を用いて流路以外の部分の粘着層、カッティング層を取り除く。ピンセットにより一部を持ち上げるだけで簡易に切断した流路部分を剥がすことが出来る。これを流路モールドとして使用する。

ＰＤＭＳ混合物を流路モールドに３００rpmでスピンコートした後に加熱して硬化させる。その後、硬化したＰＤＭＳをゆっくりと剥がす。これにより、流路がパターニングされたＰＤＭＳが形成された。パンチを用いて流体の入り口に予め孔が開けられた平滑なＰＤＭＳを別途作製しておく。流路パターニングＰＤＭＳ、平滑ＰＤＭＳ両方にオゾン処理を行い、照射面同士を貼り付けて１晩静置することで閉鎖系のＰＤＭＳマイクロ流路デバイスを得た。

上記のような閉鎖系ＰＤＭＳ流路デバイスは例えば皮膚から汗を採取するデバイスとして応用可能である。汗採取用のマイクロ流路デバイスの一例を図6及び図７に示す。図６は1個のマイクロ流路を示した図、そして図７は１個のマイクロ流路のみから成る汗採取用のマイクロ流路デバイスを立体的に表している分解図である。流路デバイスの底面に両面テープ１１を貼り付け、このテープ面を皮膚に貼ると、発汗の圧力差によりカッティング層１２の流路に自動的に汗を採取することが可能となる。採取した汗はその成分を調べることによって健康状態等を調べる手法として用いることが可能となる。

以上、１段のマイクロ流路と２段のマイクロ流路構造を有するデバイスの製造方法と、その製造方法によって作製されるマイクロ流路デバイスについて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。例えば、３段以上のマイクロ流路を備えたデバイスであっても、上述の実施例２に示された工程を繰り返すことによって作製することができる。

１ ：基板
２ａ：下段粘着層
２ｂ：上段粘着層
３ａ：下段カッティング層
３ｂ：上段カッティング層
４ ：液体注入口
５ ：プローブセンサ
６ ：蓋
７ ：マイクロ流路
１０：レーザー
１１：両面テープ
１２：カッティング層
１３：蓋

Claims (7)

1. 基板、粘着層、及びカッティング層が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記カッティング層と前記粘着層にマイクロ流路パターンを形成する工程と、
   その後、形成された前記マイクロ流路パターンを剥離させる工程、
   を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。
2. 基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記上段積層体に予め決められた上段流路パターンを形成する第１の工程と、
   第１の工程の終了後にレーザー光線を再度照射し、前記上段流路パターンが形成された領域を除く、前記上段積層体と前記下段積層体に予め決められた下段流路パターンを形成する第２の工程と、
   第２の工程の終了後に各段の流路パターンを剥離する工程、
   を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。
3. 請求項２に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法において、前記下段積層体が２段以上積層されている構造体に対して、前記第２の工程を繰り返し行うことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。
4. 基板、粘着層、及びカッティング層が順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記カッティング層と前記粘着層にマイクロ流路パターンを形成する工程と、
   その後、マイクロ流路以外の部分を剥離させ、流路モールドを作製する工程と、
   その後、硬化性ゴムや樹脂等を前記流路モールドにコーティングし、硬化処理後に硬化したゴムや樹脂等を前記流路モールドから剥離させ、前記マイクロ流路がパターニングされたゴムや樹脂等を形成する工程と、
   マイクロ流路がパターニングされた前記ゴムや樹脂等と、平滑なゴムや樹脂等を貼り付ける工程、
   を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。
5. 基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が、順次積層された構造体に対して、レーザー光線を照射し、前記カッティング層または前記上段積層体に上段流路パターンを形成する工程と、
   その後、レーザー光線を再度照射し、前記上段流路パターンが形成された領域を除く、前記上段積層体と、前記下段積層体または下段カッティング層に下段流路パターンを形成する工程と、
   その後、マイクロ流路部分以外の部分を剥離させ、流路モールドを作製する工程と、
   その後、硬化性ゴムや樹脂等を前記流路モールドにコーティングし、硬化処理後に硬化したゴムや樹脂等を前記流路モールドから剥離させ、前記マイクロ流路がパターニングされたゴムや樹脂等を形成する工程と、
   マイクロ流路がパターニングされた前記ゴムや樹脂等と、平滑なゴムや樹脂等を貼り付ける工程と、
   を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法。
6. 基板、下段粘着層と下段カッティング層から成る下段積層体、及び上段粘着層と上段カッティング層から成る上段積層体が順次積層された多層の構造体から成り、前記上段積層体に形成された上段マイクロ流路と、前記上段マイクロ流路が形成された領域以外にある前記上段積層体と、前記下段積層体または前記下段カッティング層に形成された下段マイクロ流路を備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
7. 請求項６に記載のマイクロ流路デバイスにおいて、前記下段積層体が２段以上積層されており、前記２段以上の下段積層体のそれぞれに少なくとも１個の前記下段マイクロ流路を備えていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。

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