JP4836272B2 - 液体導入用デバイス - Google Patents

Description

本発明は細胞培養や生化学分析、化学反応などを効率良く行うために用いられる生化学試験用のマイクロデバイスである液体導入用デバイスに関する。

近年マイクロチップ上に加工されたマイクロチャンバーやマイクロ流路の内で細胞培養、分析、化学反応を行う研究が報告されている（例えば、特許文献１−６）。
このようなマイクロチャンバーに液体を導入する際には一般的に気泡の混入が問題となることが多い。

前記気泡の混入は、液体を導入したマイクロチャンバー（以下、単に、チャンバーとも言う）内にて、液体中に混入した状態となるものである。
気泡混入の原因としては、以下の２つが挙げられる。
（１）チャンバーへの液体導入時に、チャンバー内の空気がチャンバーから排出されずに残存して液体に混入した状態となる。
（２）液体中に混入した気泡が、液体とともにチャンバー内に導入される。
上記（１）、（２）の内、（２）については、例えば特許文献７−１１のように、幾つかの解決方法が提案されている。
また、図４に示すように、マイクロチップ１０１のチャンバー１０２内の気泡１０３のサイズが大きく、チャンバー１０２内の容積に占める気泡１０３の範囲が大きい場合があることからすると、上記（１）の残存空気に起因する気泡混入が主因となっている場合があるものと考えられる。しかし、上記（１）の残存空気に起因する気泡混入を防ぐための有効な対策についての提案は発見できない。
なお、図４において、符号１０４は液体、１０５は液体導入用の入口流路、１０６は出口流路である。入口流路１０５及び出口流路１０６は微細な流路であり、出口流路１０６は、入口流路１０５よりも細く形成されている。チャンバー内の液体は、入口流路１０５からの空気等の気体の圧送などによって、出口流路１０６を介してチャンバー１０２から排出することができる。

特許文献７では、マイクロ流路の壁を気体通過性の材料で構成し、減圧することにより気泡を除去する方法が開示されている。また、特許文献８では液体を流通させる流路の角部に丸みをつけることにより気泡の付着を抑制できるようにしたフロースルーセルが開示されている。また、特許文献９ではマイクロリアクタの外部に構成された圧力制御装置を用いて液体をマイクロリアクタ内に導入する方法が開示されている。
特許文献１０では、検体資料を検出部に導入する前に検出部をあらかじめ溶液で濡らしておく方法が開示されている。しかしながら、あらかじめ検出部を濡らす際にも気泡が混入する可能性もある。また、一般的にこの方法を適用できない場合も多い。
特許文献１１ではマイクロチップに気泡を捕捉する構造をもうけることで下流部に気泡が流れていくのを防ぐ方法を開示している。しかしながら、この方法を用いても気泡の発生そのものを防ぐことはできない。
特開２００６−２４６７２０号公報 特表２００５−５２３７１７号公報 特開２００６−３２０３０４号公報 特開２００６−１２１９９１号公報 特開２００６−１１５７２３号公報 特開２００４−１４７５５５号公報 特開２００２−１８２７１号公報 特表平１１−５０８３６０号公報 特開２００７−３８０５８号公報 特開２００７−１０４３５号公報 特開２００６−２６６９２４号公報

上述の気泡除去法ではマイクロチップの材質が制限されたり、角部に丸みをつけるために加工方法が制限されたりする。また、マイクロチップの外部に大掛かりな装置を用いるのはコストがかかる。また、液体を導入する際に気泡の発生を抑えることはできない。その他に表面を修飾する方法などが報告されているがマイクロチップの加工が煩雑になる。

本発明は、上述の問題に鑑みて、液体導入時のチャンバー内での気泡発生を、簡単かつ低コストの構成によって効果的に抑えることができる液体導入用デバイスの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
第１の発明は、液体が導入される空間であるチャンバー部と、このチャンバー部への液導入用の入口流路と、前記チャンバー部からの空気排出用の空気抜き流路とを内部に有する液体導入用デバイスであって、前記チャンバー部は、該チャンバー部の外周部に、当該チャンバー部よりも深さを浅く形成した外周空間部を有し、前記チャンバー部の内面全体の内、少なくとも、前記外周空間部の内面全体、あるいは、前記外周空間部内面の内の前記チャンバー部において前記外周空間部の内側のチャンバー主空間部と前記入口流路との間に位置する部分を除く部分が、前記チャンバー部に導入される液体に対する接触角が９０度以上の低親和性表面であることを特徴とする液体導入用デバイスを提供する。
第２の発明は、前記外周空間部は、前記チャンバー部の内の前記外周空間部の内側のチャンバー主空間部と前記入口流路との間に位置する部分を除く部分の内面、あるいは、該外周空間部の内面全体の前記液体に対する親和性が、前記チャンバー主空間部内面の前記液体に対する親和性に比べて低くしてあることを特徴とする第１の発明の液体導入用デバイスを提供する。
第３の発明は、前記外周空間部の深さが前記チャンバー部の深さの半分以下であることを特徴とする第１又は第２の発明の液体導入用デバイスを提供する。
第４の発明は、前記外周空間部は、前記チャンバー主空間部から前記入口流路方向および前記空気抜き流路方向への延出寸法を他の部分の前記チャンバー部からの延出寸法に比べて大きくしてあることを特徴とする第１〜３のいずれかの発明の液体導入用デバイスを提供する。
第５の発明は、前記チャンバー部を複数具備することを特徴とする第１〜４のいずれかの発明の液体導入用デバイスを提供する。
第６の発明は、前記チャンバー部内での細胞培養用であることを特徴とする第１〜５のいずれかの発明の液体導入用デバイスを提供する。

本発明によれば、チャンバー部の周囲にチャンバー部より浅い構造の外周空間部を設け、前記チャンバー部の内面全体、あるいは、前記チャンバー部の内の前記外周空間部の内側の部分（以下、チャンバー主空間部とも言う）と前記入口流路との間に位置する部分を除く部分の内面を、チャンバー部に導入される液体に対する接触角が９０度以上の低親和性表面とすることで、チャンバー部に導入した液体への気泡の混入を防ぐことができる。チャンバー部に液体を導入すると、この液体の表面張力の影響で、まず、チャンバー部の深い部分（チャンバー主空間部）に液が満たされ、その後に浅い構造の部分（外周空間部）に液が満たされるために、チャンバー部への空気の残留による気泡の混入を防ぐことができる。本発明によれば、簡単な構成により気泡の混入を有効に防ぐことができる。

以下、本発明を実施した液体導入用デバイスについて、図面を参照して説明する。
図１は前記液体導入用デバイス１に形成されているチャンバー部２、入口流路３、出口流路４（空気抜き流路）の関係を示す図、図２はチャンバー部２、入口流路３、出口流路４の関係を示す断面図、図３は図１の前記液体導入用デバイス１のチャンバー部２に液体５を導入した状態を示す図である。

ここで説明する液体導入用デバイス１は、微細な流路構造を持つマイクロ流体デバイス（以下、マイクロチップ）であり、細胞培養や生化学分析、化学反応などを効率良く行うために用いられる生化学試験用のデバイスである。
図１に示すように、前記液体導入用デバイス１（以下、単にデバイスとも言う）は、液体５が導入される空間であるチャンバー部２と、このチャンバー部２への液導入用の入口流路３と、前記チャンバー部２からの液体排出用の出口流路４とを内部に有している。

本発明を実施するためのデバイスには微細加工技術により作製した微細な流路形状を有するマイクロチップを利用することができる。例えば、ＲＩＥ（Reactiveionetching） 、レーザー、ＮＣ加工機などを使用して作製することができる。また、レプリカモールディング法を用いてＰＤＭＳ（Polydimethylsiloxane）にて微細な流路形状を持った検体試料用マイクロチップを作製することもできる。
ここでは、Rapid Prototypingを用いて、圧膜フォトレジスト（ＳＵ−８）による型をＳｉ基板上に作成し、これをＰＤＭＳに転写し、流路となるチャンネルパターンが形成された一方側のポリマー基材（下方側のチップ）を作成し、他方、平らなポリマー基板を下部とし、Ｏ_２プラズマにより貼り合わせて検体試料用マイクロチップを作成した。

図１、図３に示すように、前記液体導入用デバイス１には、前記チャンバー部２が複数形成されている。個々のチャンバー部２には、前記入口流路３と出口流路４とが連通されいる。
前記入口流路３及び出口流路４は、前記デバイス１内に形成された微細流路である。
前記入口流路３は、デバイス１内に形成された送液流路６から分岐するようにして形成されている。そして、送液流路６の延在方向（流路長方向）の複数箇所から延在する入口流路３が、それぞれ、前記チャンバー部２に接続されている。

前記出口流路４は、前記入口流路３よりも細く形成されている。前記チャンバー部２内の液体５は、入口流路３からの空気等の気体の圧送などによって出口流路４を介してチャンバー部２から排出することができる。また、出口流路４は、デバイス１内に形成された排液流路７に連通されており、チャンバー部２の液体５は、出口流路４を経由して、排液流路７に設けられている液出口（図示略）からデバイス１の外へ排出することができる。
また、出口流路４は、入口流路３からチャンバー部２に液体５を導入する際に、チャンバー部２内の空気を排気するための空気抜き流路としても機能する。

図１、図２に示すように、前記チャンバー部２は、該チャンバー部２の深さ方向の片端の外周部に、当該チャンバー部２よりも深さを浅く形成した外周空間部２１を有している。なお、図１、図２において、チャンバー部２について、外周空間部２１の内側の部分を、以下、チャンバー主空間部２２（あるいは、単に主空間部２２）とも言う。
「チャンバー部２の深さ方向」とは、図２において上下方向を指す。
チャンバー部２の深さｃ１は、図２においてチャンバー部２の下側の底面（以下、下底面２３とも言う）と、上側の底面（以下、上底面２４とも言う）との間の距離である。外周空間部２１の深さｃ２は、チャンバー部２の深さｃ１よりも小さくしてある。また、外周空間部２１の深さｃ２は、チャンバー部２の深さｃ１の半分以下であることが好ましい。
外周空間部２１は、換言すれば、チャンバー主空間部２２の深さ方向の片側の端部の外周に、該チャンバー主空間部２２から張り出すようにして、周設されている。

前記入口流路３及び前記出口流路４は、前記外周空間部２１に連通されている。
図１等では、前記入口流路３の前記外周空間部２１との連通部分と、前記出口流路４の前記外周空間部２１との連通部分とが、チャンバー部２を介して丁度向かい合う位置となっている。但し、これに限定されず、前記入口流路３の前記外周空間部２１との連通部分と、前記出口流路４の前記外周空間部２１との連通部分とは、チャンバー部２の外周に沿った方向に互いにずれた位置であれば良い。
また、図１では、チャンバー部２は、深さ方向に沿った軸線を中心とする円形に形成しているが、チャンバー部２の形状はこれに限定されない。

前記チャンバー部２の内面全体、つまりチャンバー主空間部２２の内面全体と前記外周空間部２１の内面全体はＰＤＭＳ表面となっているので液体５（ここでは水）に対する接触角が１１０度の低親和性表面となっている。前記デバイスがガラスで作製されている場合はジメチルジクロロシランやオクタデシルトリクロロシランなどのシランカップリング剤を用いて表面を水に対して低親和性とすることができる。
また、前記外周空間部２１の内面全体、あるいは、前記外周空間部２１の内、チャンバー主空間部２２と前記入口流路３との間に位置する部分を除く部分の内面の前記液体５に対する親和性を、前記チャンバー主空間部２２内面の前記液体５に対する親和性に比べて低くする（低親和性表面とする）構成でも良い。
つまり、前記外周空間部２１の、チャンバー主空間部２２と前記入口流路３との間に位置する部分を除く部分の内面の液体５に対する親和性は、前記チャンバー主空間部２２内面の前記液体５に対する親和性と同等か、それよりも低くしてあれば良い。

液体が入っていない空の状態のチャンバー部２（チャンバー部２内に空気のみが存在する状態）に入口流路３から液体５を導入すると、液体５の表面張力の影響で、チャンバー部２の主空間部２２から液体５が満たされていく。チャンバー主空間部２２全体に液体５が満たされれば、最終的に、外周空間部２１にも液体５が満たされていく。
なお、チャンバー部２への液体５の導入は、出口流路４からチャンバー部２内の空気を排気しつつ行う。

上述のように、チャンバー部２の主空間部２２の周囲に浅い外周空間部を有する構成であれば、チャンバー部２への液体５の導入進行において、入口流路３からチャンバー部２に導入した液体５によって、チャンバー部２の主空間部２２がまず満たされる。この際に、液体５の表面張力の影響で、主空間部２２が液体５で満たされる前に外周空間部２１を満たすことは非常に起こりにくい。そして、チャンバー部２の主空間部２２が液体５で完全に満たされた後に、液体５が出口流路４のチャンバー部２との連通部分付近に満たされていくので、チャンバー部２の主空間部２２への液体５の導入の進行に伴うチャンバー部２から出口流路４への空気の排出が円滑になされる。
これにより、非常に簡単な構成により、チャンバー部２の主空間部２２内の気泡残留を完全に解消でき、チャンバー部２内の気泡残留を殆ど解消することができる。

図１等に示すように、前記外周空間部２１は、前記チャンバー主空間部２２から前記入口流路３方向および前記出口流路４方向への延出寸法を他の部分の前記チャンバー部２からの延出寸法に比べて大きくすることが好ましい。
前記チャンバー主空間部２２から前記出口流路４方向への延出寸法を大きく確保できることは、特に、チャンバー部２内に導入した液体５が、出口流路４のチャンバー部２との連通部分付近にチャンバー主空間部２２よりも先行して入り込むことを効果的に防ぐことができ、チャンバー部２内の気泡残留に有利である。
また、前記チャンバー主空間部２２から前記入口流路３方向の延出寸法を大きく確保できることは、外周空間部２１への液体５の流入を、入口流路３側から出口流路４側に向かって進行させる点で有利である。

本発明者等は試作したデバイスを用いて試験を行った。
チャンバー部は直径１４３０マイクロメートル、深さ２００マイクロメートルの構造を有しており、チャンバー部の周囲には直径１５３０マイクロメートル、深さ５０マイクロメートルの浅い構造が設けられている。また、チャンバー部周囲の浅い構造は入口流路方向および出口流路方向に広がった形をしている。入口流路は流路幅５０マイクロメートル、深さ５０マイクロメートルの構造を有しており、出口流路は流路幅３０マイクロメートル、深さ１０マイクロメートルの構造を有している。デバイスはＰＤＭＳで作製されているので、内面全体の水に対する接触角が１１０度の低親和性表面となっている。この様な構造のチャンバー部に５ｋＰａの圧力で水溶液を導入したところ、図３に示すように気泡の混入なく液体をチャンバー部に導入することが可能であった。４０個のチャンバーに同時に液体を導入したところ、全てのチャンバー部に気泡の混入がなかった。一方、流路周囲に形成された浅い構造を有さないチャンバー部を有するデバイスを用いて、４０個のチャンバー部に同時に液体を導入したところ、３６個のチャンバーに気泡が混入した。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、以下のような構成も採用可能である。
前記チャンバー部２は、該チャンバー部２の深さ方向の片端の外周部に、当該チャンバー部２よりも深さを浅く形成した外周空間部２１を有する構成に限定されない。外周空間部の形成位置は、チャンバー部２の深さ方向の両端の間の中間部であっても良い。
なお、前記入口流路３及び前記出口流路４は、チャンバー部における外周空間部２１の形成位置によらず、前記外周空間部２１に連通させる。

マイクロチップ上で細胞を培養したり、バイオアッセイを行ったりするための細胞培養チップ、分析チップとしての応用が期待できる。研究用ツールや創薬支援ツール、診断用キットなどとして製品化するチップ上に本発明で開示するマイクロチャンバー構造を加工することにより、製品価値が向上することが考えられる。

本発明の実施形態の液体導入用デバイスの構造を示す平面図である。 図１の液体導入用デバイスの構造を示す断面図である。 図１の液体導入用デバイスのチャンバー部に液体を導入した状態を示す図である。 従来例の液体導入用デバイスを示す平面図である。

符号の説明

１…液体導入用デバイス、２…チャンバー部、２１…外周空間部、２２…チャンバー主空間部、３…入口流路、４…空気抜き流路（出口流路）、５…液体、６…送液流路、７…排液流路。

Claims (6)

1. 液体が導入される空間であるチャンバー部と、このチャンバー部への液導入用の入口流路と、前記チャンバー部からの空気排出用の空気抜き流路とを内部に有する液体導入用デバイスであって、
   前記チャンバー部は、該チャンバー部の外周部に、当該チャンバー部よりも深さを浅く形成した外周空間部を有し、
   前記チャンバー部の内面全体の内、少なくとも、前記外周空間部の内面全体、あるいは、前記外周空間部内面の内の前記チャンバー部において前記外周空間部の内側のチャンバー主空間部と前記入口流路との間に位置する部分を除く部分が、前記チャンバー部に導入される液体に対する接触角が９０度以上の低親和性表面であることを特徴とする液体導入用デバイス。
2. 前記外周空間部は、前記チャンバー部の内の前記外周空間部の内側のチャンバー主空間部と前記入口流路との間に位置する部分を除く部分の内面、あるいは、該外周空間部の内面全体の前記液体に対する親和性が、前記チャンバー主空間部内面の前記液体に対する親和性に比べて低くしてあることを特徴とする請求項１記載の液体導入用デバイス。
3. 前記外周空間部の深さが前記チャンバー部の深さの半分以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の液体導入用デバイス。
4. 前記外周空間部は、前記チャンバー主空間部から前記入口流路方向および前記空気抜き流路方向への延出寸法を他の部分の前記チャンバー部からの延出寸法に比べて大きくしてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の液体導入用デバイス。
5. 前記チャンバー部を複数具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の液体導入用デバイス。
6. 前記チャンバー部内での細胞培養用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の液体導入用デバイス。

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