JP4833120B2 - 樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法に関する。

血液中の有形成分である赤血球、白血球、血小板の機能を測定、評価することは、健康管理、疾患の診断と治療に極めて重要である。特許文献１には、上記血液成分の測定、評価に用いるマイクロチャネルアレイが開示されている。

具体的には、フォトリソグラフ法によってシリコン基板上にパターンニングを行い、ウェット又はドライエッチング法によりシリコン基板上に流路を微細加工する。これは、半導体微細加工技術を応用することにより基板上に赤血球、白血球ないし血小板の形状にそれぞれ適合した種々の形状、大きさの微細流路（マイクロチャネル）を高精度に作成したものである。この技術によって、微細流路の幅と深さの比、間隔等を目的に合わせてデザインでき、また、透明板を介して流路内の実際の流れを直接観察することが可能になった。

他方、半導体微細加工技術により製造されたシリコン製マイクロチャネルアレイでは、シリコン基板の材料コストが高価である、１枚毎にフォトリソグラフを行うために加工費が高価となる、１枚毎の微細流路の寸法精度にバラツキを生じる、焼却処理ができない等の問題が存在していた。これらの問題を解決するため、発明者らによる特許文献２には、樹脂製のマイクロチャネルアレイが開示されている。

特許文献２の図１の通り、微細流路を備える樹脂製マイクロチャネルアレイ成形用の金型は、ネガレジストを用いたフォトリソグラフィ法により製造される。そして、樹脂製マイクロチャネルアレイは、この金型を用いて射出成形、プレス成形等される。
特開平３−２５７３６６ 特開２００５−２６５６３４

しかしながら、ネガレジストを用いた場合、レジストパターンの端面が略垂直又は逆テーパー形状となる。そのため、このレジストパターンにめっきするなどして得られる金属構造体を金型として射出成形すると、得られた樹脂成形品（マイクロチャネルアレイ）の金型からの脱型が困難となり、成形不良となる問題があった。すなわち、生産性劣る問題があった。また、ポジレジストを用いた場合、特許文献２の図１に示されたような多段構造のレジストパターンは、現実的には形成することができなかった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、生産性に優れる樹脂製マイクロチャネルアレイを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法は、一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを備える樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法であって、基板上にポジレジストを塗布し、パターニングすることにより、前記微小溝と同一形状の凹凸パターンを有する第１のレジストパターンを形成するステップと、前記第１のレジストパターン上にめっきにより金属を堆積し、前記微小溝を転写した凹凸パターンを有する第１の金属構造体を形成するステップと、前記第１の金属構造体上にポジレジストを塗布し、パターニングすることにより、前記第１及び第２の窪み、壁部を転写した凹凸パターンを有する第２のレジストパターンを形成するステップと、前記第２のポジレジストパターン上にめっきにより金属を堆積し、前記第１及び第２の窪み、壁部及び微小溝と同一形状の凹凸パターンを有する第２の金属構造体を形成するステップと、前記第２の金属構造体上にめっきにより金属を堆積し、前記第２の金属構造体を転写した凹凸パターンを有する第３の金属構造体を形成するステップと、前記第３の金属構造体を金型として樹脂成形品を形成するステップとを備えたものである。これにより、生産性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

本発明の第２の態様に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法は、上記の樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法において、前記第３の金属構造体の内側面のテーパー角度が７５〜８５°であることを特徴とするものである。これにより、確実に生産性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

本発明の第３の態様に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法は、上記の樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法において、前記第３の金属構造体を金型として射出成形することを特徴とするものである。これにより、さらに生産性に優れるマイクロチャネルアレイを提供することができる。

本発明によれば、生産性に優れる樹脂製マイクロチャネルアレイを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１を用いて、本発明の実施の形態に係る樹脂製マイクロチャネルアレイについて説明する。図１（ａ）は樹脂製マイクロチャネルアレイの平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＸ−Ｘ'断面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）の点線円内の拡大図である。マイクロチャネルアレイは、第１の基板１０と第２の基板２０が重ね合わされて構成される。第１の基板１０には、流入口１１、流出口１２、第一の窪み１３、第２の窪み１４、壁部１５、微小溝１６、微小突起１７が形成されている。

図１（ａ）に示すように、流入口１１は第１の基板１０の一端に、流出口１２は第１の基板１０の他端に形成されている。流入口１１及び流出口１２は、第１の基板１０の背面から微細流路を有する前面に至る貫通孔である。生理食塩水、血液試料や試薬を、流入口１１から導入し、流出口１２から排出する。

また、流入口１１を備える第１の窪み１３及び流出口１２を備える第２の窪み１４が、第１の基板１０に形成されている。
第１の窪み１３は、１つの本体部１３１と複数の分岐部１３２とからなる。本体部１３１は、第１の基板１０の端部に形成されている。そして、矩形状の本体部１３１には、流入口１１が形成されている。他方、分岐部１３２は、本体部１３１から第１の基板１０の中央部に向かって延設され、櫛歯状に分岐して形成されている。

同様に、第２の窪み１４は、１つの本体部１４１と複数の分岐部１４２とからなる。本体部１４１は、第１の基板１０において、第１の窪み１３と反対側の端部に形成されている。そして、矩形状の本体部１４１には、流出口１２が形成されている。他方、分岐部１４２は、本体部１４１から第１の基板１０の中央部に向かって延設され、櫛歯状に分岐して形成されている。

ここで、第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とは交互に配置されている。従って、隣接する第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２との間には、壁部１５が形成されることになる。壁部１５は、隣接する第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２との間を、完全に区切るものではない。図１（ｃ）に示すように、この壁部１５上には、第１の窪みの分岐部１３２と第２の窪みの分岐部１４２とを連通する多数の微小溝１６すなわち微細流路が設けられている。より具体的には、壁部１５上には、多数の微小突起１７が形成されており、この微小突起１７同士の間が微小流路１６となる。

図１（ｂ）に示すように、第１の基板１０の第１及び第２の窪み１３設けられた側の面には、第２の基板２０が重ね合わされ、第１及び第２の窪み１３及び微小溝１６と第２の基板２０との間に空間が形成される。この空間内に、血液試料等を導入し、観察する。

ここで、樹脂製マイクロチャネルアレイに導入された血液試料等の流れについて説明する。まず、血液試料等は、流入口１１から導入され、第１の窪み１３の本体部１３１から分岐部１３２に向けて流れる。次に、血液試料等は、壁部１５上に設けられた微小溝１６を通過し、第２の窪みの分岐部１４２へと流入する。そして、血液試料等は、第２の窪み１４の分岐部１４２から本体部１４１へ向けて流れ、流出口１２から排出される。ここで、微小溝１６を通過する血液試料等に含まれる白血球や血小板等を観察する。

流路の幅、深さは、測定対象とする血球成分に応じて、それぞれ１〜５０μｍの範囲から選択することが好ましく、１〜２０μｍの範囲内であることがより好ましい。当該流路の幅と深さの比は、対象とする血球成分の形状、変形能に応じて、１：１０〜１０：１の範囲内から選択することが好ましい。なお、血液は、血球（有形）成分と、血漿（液体）成分とに大別され、血球成分の割合が約４０〜４５％、血漿成分が約５５〜６０％である。血球成分において、赤血球が約９６％を占め、約４％が白血球と血小板である。サイズは、赤血球が直径約７〜８μｍ、白血球が約１２〜１４μｍ、血小板が約３μｍである。

樹脂製マイクロチャネルアレイの窪み及び溝によって形成される空間が、流路として機能するには、樹脂製マイクロチャネルアレイと、使用する生理食塩水、血液試料、試薬等の水系液体との濡れ性の差が小さいことが好ましい。濡れ性の差が大きいと、水系液体が流路を流れなくなる可能性が高くなる。また、血液測定を行う前に、例えば、流路内を生理食塩水で満たそうとしても、気泡が混入することにより、対象とする血球成分の通過時間の計測値が再現しない恐れがある。

樹脂前面の濡れ性を改質する技術は、化学的処理技術、物理的処理技術に大別される。化学的処理技術としては、薬品処理、溶剤処理、カップリング剤処理、モノマーコーティング、ポリマーコーティング、蒸気処理、前面グラフト化、電気化学的処理、陽極酸化等があげられる。物理的処理技術としては、紫外線照射処理、プラズマ接触処理、プラズマジェット処理、プラズマ重合処理、イオンビーム処理、機械的処理等があげられる。

また、一般に細胞は疎水前面に固定化しやすい性質を持つことから、血球細胞においても流路に血球成分が付着し、流れなくなる等、血液測定に大きな支障をきたす可能性がある。そこで、樹脂製マイクロチャネルアレイ前面の水に対する接触角を小さくすることが必要となる。ポリメチルメタクリレートに代表される一般に使用される熱可塑性樹脂においては、通常水に対する接触角が比較的大きい（例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂は約６８°、ポリカーボネート樹脂は約７０°、ポリスチレン樹脂は８４°）ため、接触角を小さく、０．５°以上７０°以下とすることが必要となる。さらに、１°以上５０°以下がより好ましい。０．５°未満又は７０°を超えると、微細な流路への血液試料の導入が難しく、血球細胞の付着による凝集塊の発生によって、血球細胞の通過時間測定等の安定したデータが得られない。

血液測定にて、光学系の検出方式等を採用する場合、ＣＣＤカメラ等を用いた実態観察を行う場合等において、樹脂製マイクロチャネルアレイ、及び重ね合わせ基板のいずれか、又は両方を、例えば、反射光、又は透過光測定に応じて、透明とすることが必要である。反射光観察では、光学系の側の基板を透明板とし、反対側の基板を不透明にすればよい。不透明な基板とするには、材料選択の段階にて不透明グレードを選択する、又は透明基板の前面、又は背面に、例えば、蒸着法にて、アルミニウム等の無機膜を堆積する方法があげられる。

透明板を通して流路を直接観察することができ、流速の調節、停止等の適切な処置がとれる。透明性を規定する光学物性としては、厚さ１ｍｍ板において、全光線透過率８０％以上、ヘイズ値１０％以下が好ましい。また、光学系の検出方式を採用する場合、使用する光の波長に応じて、例えば、紫外線吸収剤の添加されていない材料を使用する、分子構造に環構造を有していない材料を使用する等、適宜選択することが好ましい。

本発明に係るマイクロチャネルアレイを構成する樹脂材料は、特に限定されないが、例えば、アクリル系樹脂、シクロオレフィン系樹脂、スチレン系樹脂、アクリル・スチレン系共重合体、ポリカーボネート系樹脂、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、エチレン・ビニルアルコール共重合体、オレフィン系・スチレン系・ウレタン系等の熱可塑性エラストマー、塩化ビニル系樹脂、フッソ系樹脂、ポリジメチルシロキサン等のシリコーン系樹脂等の熱可塑性樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、ウレタン系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等の熱硬化性樹脂、多官能アクリル系樹脂等の光硬化性樹脂を挙げることができる。射出成形により製造する場合、熱可塑性樹脂を用いる。

これらの樹脂は必要に応じて滑剤、光安定剤、熱安定剤、防曇剤、顔料、難燃剤、帯電防止剤、離型剤、ブロッキング防止剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤などの１種又は２種以上を含有することができる。

本実施の形態にかかる樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法を、図２を用いて説明する。ここでは、第１の基板１０の製造方法について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、ガラスなどからなる基板３１上に、ポジレジストを微小突起１７の高さと同じ膜厚で塗布し、乾燥する。次に、マスクパターンと上記基板３１とを位置合わせし、微小突起１７に対応した位置をマスクして、レジストを露光する。その後、アルカリ現像し、壁部１５上の微小突起１７すなわち微小溝１６と同一形状の凹凸パターンを有する第１のレジストパターン３２を形成する。

次に、基板３１及び第１のレジストパターン３２上に、導電性膜をめっきシード層として堆積させる。導電性膜の形成方法は特に限定されないが、好ましくは真空蒸着、スパッタリング等を用いることができる。導電性膜としてはニッケル、金、銀、白金、銅、アルミニウムなどを挙げることができる。
次に、めっきを行い、微小突起１７に相当する凹部を有する、すなわち、微小突起１７を転写した凹凸パターンを有する、図２（ｂ）に示すような第１の金属構造体３３を得る。めっき方法は特に限定されないが、例えば電解めっき、無電解めっき等を挙げることができる。めっきされる金属は特に限定されないが、ニッケル、ニッケル-コバルト合金、銅、金を挙げることができ、経済性・耐久性の観点からニッケルが好ましく用いられる。

次に、図２（ｃ）に示すように、第１の金属構造体３３上に、ポジレジストを壁部１５の高さと同じ膜厚で塗布し、乾燥する。その後、マスクパターンと第１の金属構造体３３とを位置合わせし、第１及び第２の窪み１３、１４に対応する位置をマスクして、レジストを露光する。アルカリ現像後、第１の金属構造体３３上に、第１及び第２の窪み１３、１４を転写した凹凸パターンを有する第２のレジストパターン３４を形成する。

次に、金属構造体３３及び第２のレジストパターン３４上に、導電性膜をめっきシード層として堆積させる。次に、めっきを行い、第１及び第２の窪み１３、１４、壁部１５及びその上の微小突起１７と同一形状の凹凸パターンを有する、図２（ｄ）に示すような第２の金属構造体３５を得る。

次に、第２の金属構造体３５にめっきを行い、第２の金属構造体３５を転写した凹凸パターンを有する、図２（ｅ）に示すような第３の金属構造体３６を得る。この第３の金属構造体３６が樹脂成形用の金型である。本発明では、ポジレジストを用いることにより、図２（ｅ）に示す金型内側面のテーパー角度θをθ＝７５〜８５°程度の順テーパー形状とすることができる。すなわち、脱型性、成形性、耐久性に優れる金型を得ることができる。また、第２の金属構造体３５は、マスター金型であり、樹脂成形用の第３の金属構造体３６をめっきにより多数複製することが可能となり、低コスト化を実現することができる。

この第３の金属構造体３６を金型として、樹脂成形品を形成する。樹脂成形品の形成方法は特に限定されないが、例えば射出成形、プレス成形、モノマーキャスト成形、溶剤キャスト成形、ホットエンボス成形、押出成形によるロール転写法等を挙げることができ、生産性、型転写性の観点から射出成形が好ましく用いられる。

次に、本発明の実施様態を具体的な実施例で説明する。実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

実施例及び比較例に係る樹脂製マイクロチャネルアレイを構成する第１の基板１０の外形は、横１６ｍｍ×縦８ｍｍ×厚さ１ｍｍである。流入口１１及び流出口１２の直径は２ｍｍである。壁部１５を１５本配置し、１本の壁部１５に微小溝１６を３１９本、合計４７８５本有する形状とした。また、第１の窪み１３及び第１の窪み１４の深さは８５μｍ、壁部１５の高さは８０μｍ、微小溝１６の深さ（微小突起１７の高さ）は５μｍとした。ここで、壁部１５の高さと微小溝１６の深さとを加算したものが、第１の窪み１３及び第１の窪み１４の深さに相当する。

［実施例］
図２（ａ）に示すように、平面ガラス基板３１上に、クラリアント社製ポジレジスト「ＡＺ−Ｐ４４００」を５μｍ膜厚となるよう塗布・乾燥させた。次に、マスクパターンと上記ガラス基板３１とを位置合わせし、微小突起１７に対応した位置をマスクして、コンタクトＵＶ露光機にてｉｈｇ線を照射した。その後、アルカリ現像し、壁部１５上の高さ５μｍの微小突起１７と同一形状の凹凸パターンを有する第１のレジストパターン３２を形成した。

次に、ガラス基板３１及び第１のレジストパターン３２上に、ニッケルを真空蒸着し、めっきシード層として堆積させた。次に、スルファミン酸ニッケル水溶液中で電解めっきを行い、高さ５μｍの微小突起１７に相当する凹部を有する、すなわち、微小突起１７を転写した、図２（ｂ）に示すような第１の金属構造体３３を得た。

次に、図２（ｃ）に示すように、第１の金属構造体３３上に、クラリアント社製ポジレジスト「ＡＺ−Ｐ４６２０」を８０μｍ膜厚となるよう塗布・乾燥させた。その後、マスクパターンと第１の金属構造体３３とを位置合わせし、第１及び第２の窪み１３、１４に対応する位置をマスクして、プロジェクションＵＶ露光機にてｉｈｇ線を照射した。アルカリ現像後、第１の金属構造体３３上に、第１及び第２の窪み１３、１４を転写した凹凸パターンを有する第２のレジストパターン３４を形成した。

次に、第１の金属構造体３３及び第２のレジストパターン３４上に、ニッケルを真空蒸着し、めっきシード層として堆積させた。次に、スルファミン酸ニッケル水溶液中で電解めっきを行い、第１及び第２の窪み１３、１４、壁部１５及びその上の微小突起１７と同一形状の凹凸パターンを有する、図２（ｄ）に示すような第２の金属構造体３５を得た。

次に、第２の金属構造体３５にスルファミン酸ニッケル水溶液中で電解めっきを行い、第２の金属構造体３５を転写した凹凸パターンを有する、図２（ｅ）に示すような第３の金属構造体３６を得た。

上記第３の金属構造体３６を金型とし、射出成形により、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を充填し、第１の基板１０を得た。この第１の基板１０の前面へ真空蒸着により厚さ１００ｎｍのアルミニウムを蒸着し、その上に親水性を付与するため、ホスホリルコリン基を側鎖に有するポリメタクリレートを厚さ１００ｎｍで塗布した。

この第１の基板１０と透明な平板である第２の基板２０を接合し、測定モジュールにセットし、落差圧２００ｍｍにおける生理食塩水０．１ｍｌの通過時間を測定した結果、１９．２秒であった。同様の方法で製造したマイクロチャネルアレイ４０個の生理食塩水通過時間は平均１９．５秒、標準偏差０．４２秒であり、再現性に優れることを確認した。

〔比較例１〕
まず、平面ガラス基板４１上に、東京応化工業製ネガレジスト「ＰＭＥＲ Ｎ−ＣＡ３０００ＰＭ」を８０μｍ膜厚となるよう塗布・乾燥させた。次に、マスクパターンを位置合わせし、壁部１５に対応する位置以外をマスクして、コンタクトＵＶ露光機にてｉｈｇ線を照射し、熱処理を行った。次に、上記と同じネガレジストを５μｍ膜厚となるよう重ねて塗布・乾燥させた。その後、マスクパターンを位置合わせし、微小突起１７に対応する位置以外をマスクして、コンタクト露光機にてｉｈｇ線を照射し、熱処理を行った。アルカリ現像後、第１及び第２の窪み１３、１４、壁部１５及びその上の微小突起１７に相当する形状を備えた、図３（ａ）に示すような２段構造のレジストパターン４２を形成した。

次に、２段構造のレジストパターン４２上に、ニッケルを真空蒸着し、めっきシード層として堆積させた。次に、スルファミン酸ニッケル水溶液中で電解めっきを行い、レジストパターン４２を転写した、図３（ｂ）に示すような金属構造体４３を得た。

金属構造体４３を金型とし、射出成形によりＰＭＭＡを充填し、第１の基板１０を得た。第１及び第２の窪み１３、１４、壁部１５及びその上の微小突起１７において、２μｍ以上の離型バリ不良が発生し、目的形状が得られなかった。ネガレジストを用いた場合、レジストパターン４２の端面が略垂直又は逆テーパー形状となる。そのため、このレジストパターン４２にめっきするなどして得られる金属構造体４３を金型として射出成形すると、得られた樹脂成形品の金型からの脱型が困難となり、成形不良となる。また、このような不良部では、血液等の流体測定時に、血球の詰まりや流体の流れが停止するため、目的の測定が不可能となる。

実施の形態に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの模式図である。 実施の形態に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造工程の模式図である。 比較例に係る樹脂製マイクロチャネルアレイの製造工程の模式図である。

符号の説明

１０ 第１の基板
１１ 流入口
１２ 流出口
１３ 第１の窪み
１３１ 本体部
１３２ 分岐部
１４ 第２の窪み
１４１ 本体部
１４２ 分岐部
１５ 壁部
１６ 微小溝
１７ 微小突起
２０ 第２の基板
３１ 基板
３２ 第１のレジストパターン
３４ 第２のレジストパターン
３３ 第１の金属構造体
３５ 第２の金属構造体
３６ 第３の金属構造体
４１ 基板
４２ レジストパターン
４３ 金属構造体

Claims (3)

1. 一端部に流入口が形成された本体部と、他端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有する第１の窪みと、
   前記他端部に流出口が形成された本体部と、前記一端部に向かって当該本体部から複数分岐して形成された分岐部とを有し、かつ、当該分岐部が前記第１の窪みの分岐部と交互に配置された第２の窪みと、
   前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を区画する壁部と、
   前記壁部上に形成され、前記第１の窪み及び第２の窪みの分岐部同士を連通する微小溝とを備える樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法であって、
   基板上にポジレジストを塗布し、パターニングすることにより、前記微小溝と同一形状の凹凸パターンを有する第１のレジストパターンを形成するステップと、
   前記第１のレジストパターン上にめっきにより金属を堆積し、前記微小溝を転写した凹凸パターンを有する第１の金属構造体を形成するステップと、
   前記第１の金属構造体上にポジレジストを塗布し、パターニングすることにより、前記第１及び第２の窪み、壁部を転写した凹凸パターンを有する第２のレジストパターンを形成するステップと、
   前記第２のポジレジストパターン上にめっきにより金属を堆積し、前記第１及び第２の窪み、壁部及び微小溝と同一形状の凹凸パターンを有する第２の金属構造体を形成するステップと、
   前記第２の金属構造体上にめっきにより金属を堆積し、前記第２の金属構造体を転写した凹凸パターンを有する第３の金属構造体を形成するステップと、
   前記第３の金属構造体を金型として樹脂成形品を形成するステップとを備えた樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法。
2. 前記第３の金属構造体の内側面のテーパー角度が７５〜８５°であることを特徴とする請求項１に記載の樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法。
3. 前記第３の金属構造体を金型として射出成形することを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂製マイクロチャネルアレイの製造方法。

Images