JP5379766B2 - マイクロ流体チップデバイス及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ流体チップデバイスとその製造方法に関するものであり、より詳細には、形状記憶高分子を用いて製造されたマイクロ流体チップデバイスとその製造方法に関するものである。

〔関連出願の相互参照〕
本出願は、2010年4月8日に出願された台湾特許出願第090110881号の優先権を主張する。

従来のマイクロ流体デバイスは、流体を運搬したり調整したりするためのマイクロポンプと、マイクロ流体デバイスのチャンネル内における流体の流れ方向や流量を制御できるマイクロバルブを有する。マイクロポンプは、一般に、排気ポンプと動力ポンプという二種類のいずれかに分類される。排気ポンプは、さらに蠕動タイプまたは往復タイプに分類される。マイクロバルブは、アクティブであってもパッシブであってもよく、機械的な可動部を有していても非機械的な可動部を有していてもよい。

M. Kochらは、圧電材料に基づいた往復マイクロポンプを含むマイクロ流体システムを提案した（非特許文献１）。具体的には、圧電材料は、積層された三層のシリコンからなる単位に配置される。振動可能な片持ち梁構造を用いることにより、流体に一方向流動を起こす。電圧が付与されると圧電材料と膜が往復運動し、流体を運搬できる。

Zengerleらは、シリコン材料でできた静電マイクロポンプを含むマイクロ流体システムを提案した（非特許文献２）。静電マイクロポンプは、フラップ弁として片持ち梁構造を用いている。
これら従来のマイクロ流体システムに比較して、高分子で出来たマイクロ流体システムは容易に製造でき、生体適合性が高く、かつ半導体製造プロセスよる制約を受けない。したがって、マイクロバルブやマイクロ流体駆動源を部分的に一体化させることのできる高分子材料の開発は、継続的に行われてきた。

R. Liuらは、アクリル酸−ヒドロキシエチルメタクリレート（AA/HEMA）ヒドロゲルに紫外線硬化処理を施すことによりマイクロバルブを構築した（非特許文献３）。ヒドロゲルは、異なるｐＨで体積が変化する。したがって、各ｐＨの緩衝液中でのヒドロゲルの体積変化によりポリジメチルシロキサン（PDMS）膜を押すことが可能となる。David T. Eddingtonらは、様々なｐＨ−応答性ヒドロゲルとPDMS膜を用いてマイクロ流体デバイスを製造した（非特許文献４）。前記の２つの文献では、緩衝液を注入するための外部シリンジポンプが必要である。
しかしながら、前記の従来の部分的に集積されたマイクロ流体システムは、流体の駆動源となる圧力制御装置や管を必要としていた。これら従来の部分的に集積されたマイクロ流体システムでは、マイクロ流体チップが小型であるにも関わらず、大型の外部駆動源を必要としていたのである。そのため、前記の部分的に集積されたマイクロ流体システムは、使い勝手のよいものとは言い難かった。

C.C. Hongらは、熱可塑性の膜により圧縮ガスを微小空洞内に封入し、ニッケルメッキをヒーター材料として用い、これらをマイクロ流体チップとともに梱包した（非特許文献５）。封入膜がヒーターにより加熱されて溶融すると、微小空洞内の圧縮ガスが放出され、流体をマイクロ流体チップ内に押し流す駆動源として作用する。

Kuo-Yao
Wengらは、柔軟な伸縮性フィルムに真空のキャピラリーを封入した（非特許文献６）。フィルム中の真空キャピラリーが外部の力により破壊されると、気圧により流体がマイクロ流体システム中に吸引される。真空キャピラリー空気圧ポンプが駆動源としての役割を果たす。
しかしながら、陽圧や陰圧を作り出すことにより流体の作動を引き起こす駆動源は、一般に複雑なプロセスにより製造され、流体の作動をうまく起こすためには、精密に制御されなければならず、さらに通常再利用ができない。したがって、本発明においては、マイクロ流体システムと駆動源を集積させる簡便な方法を提供することが課題である。

M. Koch,N. Harris, Alan G. R. Evans, Neil M. White and Arthur Brunnschweiler, "A NovelMicromachined Pump Based On Thick-Film Piezoelectric Actuation", Sensors andActuators A: Physical, vol. 70, pp. 98-103, 1998 Optoelectronicsand Photonics: Principles and Practices. 1st ed., Prentice Hall,2001 Liu R, YuQ and Beebe D J, "Fabrication and Characterization of Hydrogel-BasedMicrovalves" J. Microelectromech. Syst., vol. 11, pp. 45-53, 2002 David T.Eddington and David J. Beebe, "A Valved Responsive HydrogelMicrodispensing Device With Integrated Pressure Source", Journal ofMicroelectro-mechanical Systems, vol. 13, no. 4, 2004 J.Micromech. Microeng. 17 (2007) 410-417 The RoyalSociety of Chemistry 2008, Lab Chip, 2008, 8, 1216-1219

本発明は、前述の従来技術の欠点を克服できるマイクロ流体チップデバイスとその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一つの態様では、マイクロ流体チップデバイスの製造方法を提供する。当該方法では：形状記憶高分子を、記憶された形状を有する変形可能部分を有する基板層に成形し；基板層における変形可能部分を一時的な形状に変化させるための処理を施し；基板層に、取り外し可能な状態でマイクロ流体層をラミネートさせることにより、マイクロ流体層の内部に形成されたマイクロチャンネルが一時的な形状を有する変形可能部分に連通させる。記憶された形状は、変形可能部分が外部刺激により活性化されたときに再現され、記憶された形状が再現された際には、マイクロチャンネル内に流体を駆動する圧力が発生する。

本発明の別の態様では、マイクロ流体チップデバイスが提供される。マイクロ流体チップデバイスは、基板層とマイクロ流体層を含む。基板層は、形状記憶高分子により形成され、記憶された形状と一時的な形状の間で変形する際に体積変動が生じる変形可能部分を含む。マイクロ流体層は基板層に、取り外し可能な状態でラミネートされており、変形可能部分と流体連通されている。変形可能部分は、記憶された形状と一時的な形状の間で変形する際に、マイクロ流体層の内部に形成されたマイクロチャンネル内に流体駆動圧を発生させる。
本発明のその他の特徴や利点は、以下の発明の好ましい実施形態に関する詳細な説明と添付の図面を参照することによりさらに明確になる。

本発明の方法は、簡単で便利であり、容易に実施可能である。また、本発明のマイクロ流体チップデバイスは、製造コストも低い。

図１は、本発明のマイクロ流体チップデバイスの製造方法の好ましい実施形態を示す概略図である。 図２は、本発明のマイクロ流体チップデバイスの好ましい実施形態を示す概略斜視図である。 図３は、図２に示した好ましい実施形態における変形可能部分が、流体の駆動のために一時的形状から記憶された形状に変化した様子を示した図である。

図１の工程（ａ）に示したように、重合して形状記憶高分子（ＳＭＰ：shape memory polymer）を形成できるモノマーを含むモノマー組成物を、所定のパターンを有する型１００に投入する。具体的には、型１００における所定のパターンは、型１００から上方向に伸びた型１００の突出部１０１を含む。型１００の中のモノマー組成物は、重合され、ＳＭＰを形成する。ＳＭＰは、型１００に基づいて、記憶された形状を有する変形可能部分２１を有する基板層２に成形される。変形可能部分２１の記憶された形状とは、型１００におけるパターンに相当する。本態様では、モノマー組成物は、キャスティング法により型１００に投入される。型１００には突出部１０１があるため、記憶された形状を有する変形可能部分２１は、型１００の突出部１０１に対応するくぼみ２１ａを有する。変形可能部分２１の記憶された形状は、永続的である。

モノマー組成物により製造されるＳＭＰは、次の４種のいずれかに分類される：共有結合的に架橋されたガラス状熱硬化性網状組織から成るＳＭＰ、共有結合的に架橋された半結晶性網状組織から成るＳＭＰ、物理的に架橋されたガラス状共重合体から成るＳＭＰ、および物理的に架橋された半結晶性ブロック共重合体から成るＳＭＰ。共有結合的に架橋されたガラス状熱硬化性網状組織から成るＳＭＰは、傾斜の急なガラス転移温度曲線を示し、架橋された網状組織の構造を有することから、高分子鎖間の分子運動を抑制することができる。したがって、共有結合的に架橋されたガラス状熱硬化性網状組織から成るＳＭＰは、形状の固定や急速な形状の回復を可能とし、本発明において好ましく用いられる。本態様においては、モノマー組成物におけるモノマーは、メチルメタクリレート（ＭＭＡ）およびブチルメタクリレート（ＢＭＡ）から成る群より選択される。

モノマー組成物は、さらに、無機シリコン−酸素ケージと、該ケージにおける各シリコン部分にペンダント状に存在する相溶化有機基とを有する、無機／有機複合分子のオリゴシルセスキオキサン多面体（ＰＯＳＳ）を含んでいてもよい。ＳＭＰの熱安定性と熱溶融性は、ＰＯＳＳにより向上させることが可能であるが、ＳＭＰの機械的特性はＰＯＳＳにより悪影響を受けない。

図１の工程（ｂ）および（ｃ）に示されるとおり、基板層２は型１００から外され、続いて加熱プレスされることにより、変形可能部分２１が記憶された形状から一時的な形状に変形される。具体的には、変形可能部分２１が、加熱プレス工程後に一時的な形状に変形されることにより、変形可能部分２１におけるくぼみ２１ａが消失する。くぼみ２１ａがなくなった一時的な形状にある変形可能部分２１は、次いで冷却される。本態様では、記憶された形状にある変形可能部分２１を有する基板層２は、Ｔ_gより高い温度に加熱され、変形可能部分２１は、加熱エンボス加工装置により加熱プレスされる。一時的な形状にある変形可能部分２１がＴ_g未満の温度に冷却されると、内部エネルギーが蓄積され、分子の運動エネルギーが減少する。これにより、変形可能部分２１は、その一時的な形状を保つことが可能となる。

図１および２を参照すると、マイクロチャンネル３１を有するマイクロ流体層３は、基板層２とラミネートされ、これによりマイクロチャンネル３１と一時的な形状にある変形可能部分２１が、流体連通される。結果的に、本発明のマイクロ流体チップデバイスの好ましい態様が形成される。マイクロ流体層３は、さらに、マイクロ流体層３の第一の表面に形成され、マイクロチャンネル３１に空間的に連通した第一の穴３１１と、第一の表面の反対側にある第二の表面に形成され、マイクロチャンネル３１に空間的に連通した第二の穴３１２を有し、これらは、変形可能部分２１のくぼみ２１ａと空間的に連通していてもよい。マイクロ流体層３は、ガラスまたは高分子で形成されるものであってよく、基板層２に対して接着剤４により接着されていてもよい。

本態様においては、マイクロ流体層３は、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）製の基板を掘削加工することにより製造される。同様に、マイクロチャンネル３１、第一および第二の穴３１１および３１２も形成される。紫外線硬化可能な接着剤４を第二の穴３１２を有するマイクロ流体層３の第二の表面にスピンコートする。マイクロ流体層３は、その第二の表面が変形可能部分２１の方向に合うように、かつ第二の穴３１２が一時的な形状にある変形可能部分２１の位置、すなわち、記憶された形状にある変形可能部分２１のくぼみ２１ａと合致するよう、基板層２に配置される。マイクロ流体層３と基板層２を組立品は、紫外線照射装置に置かれ、マイクロ流体層３と変形可能部分２１が互いに接着されるように紫外線照射される（図１工程（ｄ）参照）。

変形可能部分２１における記憶された形状は、変形可能部分２１が外部刺激により活性化されたときに再現され、記憶された形状が再現された際にマイクロチャンネル３１内に流体駆動圧が生じる。具体的には、変形可能部分２１が外部刺激により活性化し、それにより一時的な形状から記憶された形状に変化したとき、変形可能部分２１の体積（すなわちＳＭＰの体積）が変化し、それによりマイクロチャンネル３１内に流体駆動圧が生じるのである。すなわち、変形可能部分２１の体積変化により圧力変化が起こるのである。

ＳＭＰにおけるＰＯＳＳ含有量が低い場合には、ＳＭＰの熱安定性と溶融流動性は低くなる。したがって、ＰＯＳＳ含有量の低いＳＭＰを用いて製造された変形可能部分２１の記憶された形状は、加熱プレス工程前に変形してしまうことがあり、変形可能部分の一時的な形状と記憶された形状の間での体積変化が不十分となり得る。結果的に、変形可能部分２１の不十分な体積変化により生じる流体駆動圧（または圧力変化）も不十分となり得る。そのため、ＳＭＰにおけるＰＯＳＳ含有量は、モノマー組成物の全重量に対して１０ｗｔ％以上であることが好ましい。さらに好ましくは、ＳＭＰにおけるＰＯＳＳ含有量は、モノマー組成物の全重量に対して１５ｗｔ％以上であるものとする。

この態様において、外部刺激は熱であり、流体駆動圧は変形可能部分２１のくぼみ２１ａが再現されたときにマイクロチャンネル内に生じる陰圧である。別の態様においては、変形可能部分２１は、マイクロチャンネル３１内に陽圧を生じさせるような設計としてもよい。
図３を参照すると、マイクロ流体チップデバイスが流体１００を駆動させる方法が示される。変形可能部分２１がそのＴ_gより高い温度に加熱されると、内部エネルギーが放出され、変形可能部分２１が一時的な形状から記憶された形状へと変化することにより、くぼみ２１ａが再現される。そして、変形可能部分２１の体積変化がマイクロチャンネル３１内に陰圧を生じさせる。その結果、流体１００が陰圧によりマイクロチャンネル３１内に吸入される。これにより、駆動源（すなわち、変形可能部分２１）とマイクロ流体チップ（すなわち、マイクロ流体層３）が本発明の方法により集積される。

なお、別の態様として、マイクロ流体層３と変形可能部分２１が取り外し可能な方法で連結されていてもよいことに注目されたい。したがって、変形可能部分２１を、記憶された形状から一時的な形状に変化させるために、記憶された形状にある変形可能部分２１を有する基板層２をマイクロ流体層３から取り外し、加熱プレス処理することもできる。その結果、基板層２を、新しいマイクロ流体層３に連結することもでき、基板層２は再利用可能となる。

以上、本発明をもっとも実質的で好ましいと思われる態様に関連して説明してきたが、本発明はこれら開示された態様に限定されるものではなく、本発明のもっとも広い解釈の精神および範囲に含まれる限り、様々な変更や同等の構成を包含するものと理解されるべきである。

２ 基板層
２１ 変形可能部分
２１ａ くぼみ
３ マイクロ流体層
３１ マイクロチャンネル
３１１ 第一の穴
３１２ 第二の穴

Claims (11)

1. マイクロ流体チップデバイスを製造する方法であって、
   形状記憶高分子を成形することにより、記憶された形状を有する変形可能部分（２１）を有する基板層（２）とすること、
   該基板層（２）に処理を施すことにより、該変形可能部分（２１）を一時的な形状に変形させること、および
   該基板層（２）をマイクロ流体層（３）に、取り外し可能な状態でラミネートすることにより、該マイクロ流体層（３）の内部に形成されたマイクロチャンネル（３１）を、一時的な形状にある該変形可能部分（２１）と流体連通させること
   を含み、
   該変形可能部分（２１）が外部刺激により活性化されたとき、該記憶された形状が再現され、該記憶された形状が再現されることにより、該マイクロチャンネル（３１）内に流体駆動圧が発生することを特徴とするマイクロ流体チップデバイスの製造方法。
2. 該記憶された形状にある該変形可能部分（２１）は、該基板層（２）の表面にくぼみ（２１ａ）を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 該基板層（２）の表面を加熱プレス処理することにより、該基板層（２）の表面から該くぼみ（２１ａ）を消失させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 該基板層（２）に対する該加熱プレス処理は、該基板層（２）のガラス転移温度以上の温度で行われることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 該変形可能部分（２１）を活性化させる該外部刺激は、熱を含み、流体駆動圧は、該くぼみ（２１ａ）が再現されたときに該マイクロチャンネル（３１）内に発生する陰圧であることを特徴とする請求項３に記載の方法。
6. 該形状記憶高分子は、メチルメタクリレートおよびブチルメタクリレートからなる群より選択されるモノマーを含有するモノマー組成物により製造されるものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 該モノマー組成物は、さらに、オリゴシルセスキオキサン多面体を含有することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 形状記憶高分子で形成され、記憶された形状と一時的な形状の間で変形するときに体積が変化する変形可能部分（２１）を含む基板層（２）と、
   該基板層（２）に、取り外し可能な状態でラミネートされ、該変形可能部分（２１）と流体連通したマイクロチャンネル（３１）が内部に形成されたマイクロ流体層（３）と、
   を含むことを特徴とするマイクロ流体チップデバイスであって、
   該変形可能部分（２１）は、該記憶された形状と該一時的な形状の間で変形するときに、該マイクロチャンネル（３１）内に流体駆動圧を生じさせることを特徴とするマイクロ流体チップデバイス。
9. 該流体駆動圧は、該変形可能部分（２１）が該一時的な形状から該記憶された形状に変形するときに生じる陰圧であることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流体チップデバイス。
10. 該記憶された形状を有する該変形可能部分（２１）は、該基板層（２）の表面にくぼみ（２１ａ）を有し、該くぼみ（２１ａ）は、該変形可能部分（２１）が該一時的な形状に変形するときに該基板層（２）の表面から消失し、該一時的な形状から該記憶された形状が再現されたときに、陰圧が生じることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流体チップデバイス。
11. 該変形可能部分（２１）は、熱処理を施されることにより変形することを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流体チップデバイス。

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