JP5645169B2

JP5645169B2 - 超微小液滴調製装置

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Publication number: JP5645169B2
Application number: JP2011540465A
Authority: JP
Inventors: 岳文神田; 康一鈴森; 努小野; 和孝檜垣; 賢一大河原
Original assignee: Okayama University NUC
Current assignee: Okayama University NUC
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: WO2011058881A1; JPWO2011058881A1

Description

本発明は、医薬品、電子材料、食品、化粧品等の生成において、液体中の微小液滴（以下、「エマルション」ともいう。）を超微小液滴に調製することが可能な装置であって、特に、制癌剤の薬液エマルションを超微小液滴に調製して生成することが可能な超微小液滴調製装置に関する。

液体中の微小液滴（エマルション）は、o/w（oil in water）、w/o(water in oil)などの形を取る。発明者のうち大河原・檜垣らは、液状製剤の抗がん剤であるパクリタキセルのエマルション製剤が効果的であることを確認している。この実験では、周波数20kHzの音波振動子による乳化を基本とした方法により、エマルションを生成している。しかし、従来、安定的に直径が揃ったエマルション製剤を得ることは困難であった。

一方、このほかにエマルション生成の方法としては、複数のマイクロ流路をＹ字・Ｔ字型に組み合わせた流体のせん断作用を利用する方法が知られている。例えば、岡山大学の吉澤らによるもの（特許文献１）、東大の鳥居らによるもの（特許文献２、特許文献３）がある。このような方法では、物質によっては小さい径を持つエマルション生成に成功しているものの、液体の粘度や表面エネルギーの制約がある。また、発明者である神田らによる超音波振動子と微細孔を組み合わせた装置による液滴生成（特許文献４、特許文献５）では、微細孔の加工限界から直径数マイクロメートル以下のエマルションを生成することは難しい。

特開２００８−２３８１１７号公報特開２００４−５９８０２号公報特開２００４−６７９５３号公報特開２００８−２４６２７７号公報特開２００８−２４６２７８号公報

上記のうち、周波数20kHzの超音波振動子プローブによる乳化を基本とした方法では、従来、安定的に直径が揃ったエマルション製剤を得ることは困難であるうえ、生成に用いる装置は大型かつ騒音の激しいものであった。さらに回分（バッチ）式であり、連続的に必要量を随時生成することはできない。

また、小型化が容易であるＹ字型の流路による流体のせん断作用を利用したエマルション生成方法では、上記の製剤についてサブミクロンレベルの安定的なエマルションは得られていない。これはＴ字型の流路においても同様と考えられる。

以上のような実状から、薬液エマルションの安定的微細化、生成装置の小型化を実現する必要性が生じている。

そこで、本発明では、薬液エマルションの安定的微細化、生成装置の小型化を実現することができる下記の超微小液滴調製装置を提供するものである。

請求項１記載の発明に係る超微小液滴調製装置は、連続相を形成する流体と分散相を形成する流体を、微小断面となした単一のマイクロ流路に合流させるマイクロ流路部と、前記マイクロ流路部に超音波振動を照射する超音波振動照射部を備えて、超音波振動照射部の駆動周波数をマイクロ流路内に形成させる振動場の共振周波数に一致させることで、エマルションを生成するとともに分散相を超微小液滴に調製可能とした超微小液滴調製装置であって、板状に形成した基板と、基板と略同形の板状に形成した流路形成体と、基板と略同形の板状に形成しかつ超音波振動照射部の超音波振動子を支持する支持体を重合状態に積層し、流路形成体には、幅方向に伸延しかつ長手方向に細幅の板厚方向流路を板厚方向に貫通させて形成し、板厚方向流路は流路形成体の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成して、隣接する一方の板厚方向流路と下端部同士を下端長手方向流路を介して連通するとともに、隣接する他方の板厚方向流路と上端部同士を上端長手方向流路を介して連通して、板厚方向流路と全幅にわたって連通する拡散流路と上端長手方向流路は上端面が支持体により閉塞され、板厚方向流路と下端長手方向流路は下端面が基板により閉塞されてマイクロ流路が形成され、各板厚方向流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播されるとともに、超音波振動子の駆動周波数と板厚方向流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしたことを特徴とする。

このように、板厚方向流路と上端長手方向流路と拡散流路は上端面が支持体により閉塞され、板厚方向流路と下端長手方向流路は下端面が基板により閉塞されて、マイクロ流路を形成している。そして、各板厚方向流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播される。しかも、超音波振動子の駆動周波数と板厚方向流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。その結果、連続相としての流体と分散相としての流体は、超微細にかつ均一（均質）にエマルション化される。

請求項２記載の発明に係る超微小液滴調製装置は、連続相を形成する流体と分散相を形成する流体を、微小断面となした単一のマイクロ流路に合流させるマイクロ流路部と、前記マイクロ流路部に超音波振動を照射する超音波振動照射部を備えて、超音波振動照射部の駆動周波数をマイクロ流路内に形成させる振動場の共振周波数に一致させることで、エマルションを生成するとともに分散相を超微小液滴に調製可能とした超微小液滴調製装置であって、板状に形成した基板と、基板と略同形の板状に形成した流路形成体と、基板と略同形の板状に形成しかつ超音波振動照射部の超音波振動子を支持する支持体を重合状態に積層し、流路形成体には幅方向に伸延する凹条流路を形成し、凹条流路は流路形成体の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成して、各凹条流路の両端部には板厚方向縦流路を板厚方向に貫通させて形成し、隣接する板厚方向縦流路の下端部同士は下端長手方向横流路を介して連通し、凹条流路の端部と連通する流路連通路の基端部は基板に形成した流入側連通路と連通して、凹条流路は上端面が支持体により閉塞され、下端長手方向横流路は下端面が基板により閉塞されて、マイクロ流路が形成され、各凹条流路にはその深さ方向、また、各板厚方向縦流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播されるとともに、超音波振動子の駆動周波数と振動場である各凹条流路及び各板厚方向縦流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしたことを特徴とする。

このように、凹条流路は上端面が支持体により閉塞され、下端長手方向横流路は下端面が基板により閉塞されて、マイクロ流路を形成している。そして、各凹条流路にはその深さ方向、また、各板厚方向縦流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播される。しかも、超音波振動子の駆動周波数と振動場である各凹条流路及び各板厚方向縦流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。その結果、連続相としての流体と分散相としての流体は、超微細にかつ均一（均質）にエマルション化される。

本発明では、連続相としての流体と分散相としての流体を均一（均質）に混合してエマルション生成を実現することができる。しかも、分散相としての流体は、サブミクロンレベルで安定的に微細化して、径の揃った液滴となすことができて、液滴の径の均一化を確保することができる。そのため、血管径との関係から特定部位への製剤投与が可能となる。特に、サブミクロンレベルのエマルション製剤の効果は大きい。

また、本発明では、フロー系で流路一体型の小型の装置とすることができるため、連続的処理が簡易となる。そのため、必要量をオンデマンドに得ることが可能となる。そして、装置の小型化は、可搬性を高められるという点でも重要である。エマルション生成部だけであれば手のひら大であり、周辺装置を含めても数十ｃｍ角程度に設置可能の装置を構成することができる。また、エマルション生成部は小型かつ一体であるため、オートクレイブによる滅菌も比較的容易である。その結果、エマルション生成過程において外気に触れないフロー型システムによる無菌性の確保が実現できる。また、本発明では２ＭＨｚ以上と、人間の可聴域（２０ｋＨｚ程度）に比べて圧倒的に高い周波数を用いるため、騒音の被害が非常に小さい。その結果、静音性を確保することができる。以上から、医療現場での利用も容易と考えられる。

本発明に係る装置自体の効果が認められれば研究開発用途への波及効果も期待される。従来の装置に比べて小型で安定的にナノエマルションの生成が可能であるため、一般的に液状の高分子物質を用いた製剤の生成、各種有機材料を用いたエマルション生成にも用いることができる。エマルションの生成は製薬の分野のみならず、食品、電子材料など幅広い分野で必要となっている技術である。設置規模が小さく導入コストが低いため、中小規模の試験研究機関や企業でも導入が可能である。さらに同様の理由から、一般の病院に比べて規模が小さいペット・家畜向けの医療機関への導入も可能となる。

本発明に係る超微小液滴調製装置の分解斜視説明図。本発明に係る超微小液滴調製装置の一部切欠側面図。図２のI-I線矢視説明図。第１実施形態としてのマイクロ流路本体の端面説明図。支持体と超音波振動子の厚さの説明図。第２実施形態としてのマイクロ流路本体の端面説明図。第３実施形態としてのマイクロ流路本体の端面説明図。第４実施形態としてのマイクロ流路本体の端面説明図。第５実施形態としての超微小液滴調製装置の説明図。第６実施形態としての超微小液滴調製装置の説明図。第７実施形態としての超微小液滴調製装置の分解斜視説明図。第７実施形態としての超微小液滴調製装置の一部断面側面図。第７実施形態としてのマイクロ流路の説明図。第７実施形態としてのマイクロ流路内の圧力分布。第８実施形態としての超微小液滴調製装置の分解斜視説明図。第８実施形態としての超微小液滴調製装置の一部断面側面図。第８実施形態としてのマイクロ流路の説明図。本発明に係る超微小液滴調製装置としての実験装置の説明図。マイクロ流路の断面説明図（ａ）とマイクロ流路の平面説明図（ｂ）。Ｙ型マイクロ流路で生成されたエマルションの光学顕微鏡写真。超音波照射されたマイクロ流路で生成されたエマルションの光学顕微鏡写真。動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−印加電圧比較を示すグラフ。動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−油相流量比較を示すグラフ。駆動周波数2.21MHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。駆動周波数2.23MHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。駆動周波数2.27MHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。Ｙ型マイクロ流路で生成されたエマルションの光学顕微鏡写真。駆動周波数83kHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。駆動周波数83kHzにおける超音波照射後のエマルション径の動的光散乱法による計測結果を示すグラフ。駆動周波数2.25MHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。駆動周波数1.354MHzにおける超音波照射後のエマルションの光学顕微鏡写真。動的光散乱法による計測結果−流量比較を示すグラフ。流路深さが０.３５ｍｍのマイクロ流路内の圧力分布。流路深さが０.６５ｍｍのマイクロ流路内の圧力分布。動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−流路深さ比較を示すグラフ（水相：油相が100-1μｌ/min）。動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−流路深さ比較を示すグラフ（水相：油相が100-5μｌ/min、100-8μｌ/min）。キャビテーション閾値の周波数依存性を示すグラフ。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１及び図２に示す１は本発明に係る超微小液滴調製装置である。超微小液滴調製装置１は、マイクロ流路部１０と超音波振動照射部３０を重合状態にかつ一体的に連結して、フロー系で流路一体型の小型の装置として構成している。

マイクロ流路部１０は、図１〜図４に示すように、四角形板状に形成した基板１１の上面部に、上面が開口した断面凹状で微小断面（流路幅Ｗも流路深さＤも１ｍｍ未満の四角形断面）となした単一のマイクロ流路１２を形成している。そして、マイクロ流路１２は、上流側の始端部１３と下流側の終端部１４を左右方向に配置して、中途部を基板１１の上面に沿わせて前後方向に折り返し状に蛇行させて形成することで、流路長を所望の長さに確保している。ここで、基板１１は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、プラスチック、ガラス、セラミック等の材質によって成形することができる。

マイクロ流路１２の始端部１３には、流入側連通路１５を介して流入流路１６を接続している。流入流路１６の基端部には複数（本実施形態では二つ）の第１・第２分岐流路１７,１８の先端部を接続してＹ字状となしている。第１分岐流路１７の基端部には、連続相としての流体を供給する第１流体供給部１９を接続する一方、第２分岐流路１８の基端部には、分散相としての流体を供給する第２流体供給部２０を接続している。２１は流出側連通路、２２は流出流路であり、マイクロ流路１２の終端部１４に流出側連通路２１を介して流出流路２２を接続している。なお、第１・第２流体供給部１９,２０からそれぞれ供給される流体の量は、制御装置（パソコン等）により調節可能とすることができる。

超音波振動照射部３０は、図１〜図３に示すように、超音波振動を生起する超音波振動子３１と、この超音波振動子３１を支持する支持体３２とから形成している。超音波振動子３１は、単板の圧電体とその両面の電極（不図示）からなり、四角形板状に形成している。そして、超音波振動子３１の左右幅は、図３に示すように、マイクロ流路１２の始端部１３と終端部１４との間隔よりもやや幅広に形成するとともに、前後幅はマイクロ流路１２の前後幅（前後折り返し幅）よりもやや幅狭に形成している。３３,３４は電極に先端を接続した電線であり、電線の基端は電源に接続している。このようにして、電極間に交流電圧が印加されると、圧電体に厚み振動が励起されるようにしている。

支持体３２は、超音波振動子３１で励起された超音波振動をマイクロ流路部１０に伝播する振動板としても機能するものであり、マイクロ流路部１０の基板１１と略同形の四角形板状に形成している。支持体３２の上面中央部には超音波振動子３１を連設して、超音波振動子３１の周囲に支持体３２の厚さ方向に貫通する多数の支持体用ビス孔３５を形成している。基板１１には支持体用ビス孔３５に符合させて基板１１の厚さ方向に貫通する多数の基板用ビス孔２３を形成して、基板１１の上面に支持体３２の下面を面接触させてビス３６により重合状態に連結している。支持体３２は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等の金属、プラスチック、ガラス、セラミック等の材質によって成形することができる。

このように、基板１１の上面に支持体３２の下面を面接触させて重合状態に連結することで、開口したマイクロ流路１２の上面を閉塞している。そして、超音波振動子３１の駆動周波数をマイクロ流路１２内に形成させる振動場の共振周波数に一致させることで、エマルションを生成するとともに分散相を超微小液滴に調製可能としている。なお、超音波振動子３１としては、上記した構成に限らず、圧電体層と電極層が積層された積層型圧電アクチュエータを使用することもできる。

超微小液滴調製装置１は、上記のように構成しているものである。そして、マイクロ流路部１０において、第１流体供給部１９から連続相としての流体を一定量供給するとともに、第２流体供給部２０から分散相としての流体を一定量供給し、両流体を流入流路１６に合流させて、流入側連通路１５→マイクロ流路１２の始端部１３→マイクロ流路１２→マイクロ流路１２の終端部１４→流出側連通路２１→流出流路２２から流出させるようにしている。この際、連続相としての流体と分散相としての流体は、マイクロ流路１２中を蛇行しながら流動する際に、せん断作用によりエマルション化されるようにしている。すなわち、マイクロ流路部１０は、分散相としての流体をマイクロレベルに微小液滴化するマイクロリアクタとして機能するようにしている。なお、エマルション化された流体は、流出流路２２を通して流出させることで回収することができる。

また、超音波振動照射部３０において、超音波振動子３１で励起された超音波の振動は、超音波振動子３１と支持体３２の厚さ方向に伝播されて、図４に示すように、支持体３２からマイクロ流路１２内を流動する流体にマイクロ流路１２の深さ方向に伝播されるようにしている。図４において、Ｕは超音波振動である。しかも、超音波振動子３１の駆動周波数とマイクロ流路１２の深さ方向の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。

すなわち、図５に示すように、ｔ＝ｎ・λ／２、ｔ’＝ｎ’・λ’／２を満たすように設定する。ここで、ｔは支持体３２の厚さ、ｔ’は超音波振動子３１の厚さ、λ、λ’はそれぞれ支持体材料、超音波振動子材料の音速から得られる波長、ｎは整数である。このように、支持体３２の厚さｔと超音波振動子３１の厚さｔ’を、それぞれ支持体材料、超音波振動子材料の音速から得られる波長λ、λ’の０.５倍またはその整数倍と一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。そして、マイクロ流路１２に面接して超音波振動を伝播する支持体３２の下面（伝播面）に超音波振動の腹が位置するようにして、共振現象による強力な超音波発生効果が生起されるようにしている。同様に、マイクロ流路１２の深さＤも、マイクロ流路１２中を流動する流体内の音速から得られる波長の０.５倍またはその整数倍と一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。

ここで、超音波振動子３１から照射される超音波振動の周波数（超音波振動子３１の駆動周波数）は、２MHz以上（好ましくは２.２５MHz）の高い周波数、すなわち、人間の可聴域（20kHz程度）に比べて圧倒的に高い周波数を用いることで、静音性を確保して、騒音の被害を小さくすることができる。従って、医療現場での利用も容易となる。

そして、この強力な超音波をマイクロ流路１２に照射することで、マイクロ流路１２中を流動する連続相としての流体と分散相としての流体を均一（均質）に混合してエマルション生成を実現することができる。この際、分散相は超微小液滴（注射器中で１００ｎｍ〜１５０ｎｍレベル）に調製することができる。その結果、分散相を安定的に微細化することができて、径の揃った液滴を生成することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図６に示すように、基本的構造を第１実施形態の超微小液滴調製装置１と同じく構成しているが、マイクロ流路１２の形状が異なる。すなわち、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動は、マイクロ流路１２の内壁面で反射させて、マイクロ流路１２内における微小断面の所定箇所Ｋに反射波を集中させるようにしている。具体的には、マイクロ流路１２の内壁面を左右線対称の傾斜面１２ａ,１２ａとなして、マイクロ流路１２の断面形状を頂部１２ｂが鋭角の逆二等辺三角形状に形成している。

このように、超音波振動をマイクロ流路１２内における微小断面の所定箇所Ｋに集中させることで、マイクロ流路１２中を流動している流体に圧縮（特に大きい場合はキャビテーション）作用やせん断作用等の物理的な作用を付与して、エマルションの超微細化（注射器中で１００ｎｍ〜１５０ｎｍレベル）と均一化（均質化）を実現することができる。なお、反射面となるマイクロ流路１２の内壁面は、単純な傾斜面に限らず、例えば、指数関数などに従った超音波ホーンの形状となすことで、流路先端側（図５の下側）での超音波の作用を大きくすることができる。

また、第２実施形態の変形例として、マイクロ流路１２の断面形状を頂部１２ｂが鈍角の逆二等辺三角形状に形成して、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動が、マイクロ流路１２の内壁面で反射して、マイクロ流路１２内で反射波が交差するように構成することもできる。

このように、マイクロ流路１２内で反射波を交差させることで、マイクロ流路１２中を流動している流体に対する反射波によるせん断作用を増大させて、エマルションの超微細化（注射器中で１００ｎｍ〜１５０ｎｍレベル）と均一化（均質化）を実現することができる。この際、マイクロ流路内で作用する圧力は均一化される傾向となり、エマルションの均一化（均質化）が促進される。

［第３実施形態］
第３実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図７に示すように、基本的構造を第１実施形態の超微小液滴調製装置１と同じく構成しているが、マイクロ流路１２の形状が異なる。すなわち、マイクロ流路１２の上面を形成す支持体３２の下面の部分を上方へ円弧状に湾曲する凹面３２ａに形成して、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動が支持体３２内を伝播して凹面３２ａで屈折されて、マイクロ流路１２内における微小断面の所定箇所Ｋに集中するようにしている。

このように、凹面３２ａを円弧状の湾曲面となすことで音響レンズとしての効果が得られる。そして、超音波振動をマイクロ流路１２内における微小断面の所定箇所Ｋに集中させることで、マイクロ流路１２中を流動している流体に圧縮（特に大きい場合はキャビテーション）作用やせん断作用等の物理的な作用を付与して、エマルションの超微細化（注射器中で１００ｎｍ〜１５０ｎｍレベル）と均一化（均質化）を実現することができる。なお、超音波が収束する箇所は、円弧状に形成した凹面３２ａの曲率を変えることで自由に設定することができる。

［第４実施形態］
第４実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図８に示すように、基本的構造を第１実施形態の超微小液滴調製装置１と同じく構成しているが、マイクロ流路１２の形状が異なる。すなわち、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動は、マイクロ流路１２の内壁面で屈折させて、マイクロ流路内に拡散させるようにしている。具体的には、マイクロ流路１２の上面を形成す支持体３２の下面の部分を下方へ円弧状に湾曲する凸面３２ｂに形成して、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動が支持体３２内を伝播して凸面３２ｂで屈折されて、マイクロ流路１２内における微小断面内で拡散されるようにしている。

このように、凸面３２ｂを円弧状の湾曲面となすことで音響レンズとしての効果が得られる。そして、超音波振動をマイクロ流路内に拡散させることで、エマルションの均一化（均質化）をより一層促進させることができる。なお、円弧状に形成した凸面３２ｂの曲率を変えることで、超音波の拡散状態を適宜変更することで、エマルションの均一化（均質化）を促進させることができる。

また、第４実施形態の変形例として、マイクロ流路１２の下面を上方へ円弧状に湾曲する凸面（不図示）に形成して、超音波振動照射部３０から照射される超音波振動が、マイクロ流路１２の凸面で反射して、マイクロ流路１２内で反射波が拡散するように構成することもできる。この場合も、エマルションの均一化（均質化）をより一層促進させることができる。

［第５実施形態］
第５実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図９に示すように、基本的構造を第１実施形態の超微小液滴調製装置１と同じく構成しているが、マイクロ流路１２を上流側から下流側に向けて複数（本実施形態では第１区分Ｚ１〜第４区分Ｚ４）に区分けし、各第１区分Ｚ１〜第４区分Ｚ４に対応させて計４個の超音波振動子３１を配置して、各超音波振動子３１から照射される超音波振動の駆動周波数を異ならせるとともに、各第１区分Ｚ１〜第４区分Ｚ４における各超音波振動子３１の駆動周波数はマイクロ流路１２の上流側から下流側に向けて漸次階段状に増大させている点で異なる。ここで、超音波振動子３１の駆動周波数とマイクロ流路１２方向の共振周波数は一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させる必要性があるため、駆動周波数は次数（あるいはモード）の異なる共振周波数に設定する。

このように、駆動周波数をマイクロ流路の上流側から下流側に向けて漸次階段状に増大させることで、流体の種類や粘性等に応じて効率良くエマルション生成を実現することができる。

［第６実施形態］
第６実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図１０に示すように、基本的構造を第５実施形態の超微小液滴調製装置１と同じく構成しているが、各第１区分Ｚ１〜第４区分Ｚ４における各超音波振動子３１の駆動周波数はマイクロ流路１２の上流側から下流側に向けて漸次階段状に減少させている点で異なる。

このように、駆動周波数をマイクロ流路１２の上流側から下流側に向けて漸次減少させることで、流体の種類や粘性等に応じて効率良くエマルション生成を実現することができる。

［第７実施形態］
第７実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図１１〜図１３に示すように、前記した第１実施形態としての超微小液滴調製装置１と基本的構造を同じくしているが、マイクロ流路１２を立体的に形成している点で異なる。すなわち、第１実施形態のマイクロ流路１２は細紐状の流路を同一平面上に蛇行させて形成した状態であるのに対して、第７実施形態のマイクロ流路１２は薄帯状の流路を超音波照射方向に蛇行させて形成した状態である点で異なる。

具体的には、第７実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図１１に示すように、基板１１と流路形成体２５と支持体３２を重合状態に積層して構成している。流路形成体２５は基板１１と略同形の四角形板状に形成して、板厚をやや薄肉に形成している。流路形成体２５には幅方向に伸延しかつ長手方向に細幅の板厚方向流路１２ｃを板厚方向（本実施形態では上下方向）に貫通させて形成している。そして、板厚方向流路１２ｃは流路形成体２５の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成している。各板厚方向流路１２ｃは、隣接する一方の板厚方向流路１２ｃと下端部同士を下端長手方向流路１２ｄを介して連通するとともに、隣接する他方の板厚方向流路１２ｃと上端部同士を上端長手方向流路１２ｅを介して連通している。２６は板厚方向流路１２ｃと全幅にわたって連通する拡散流路である。２７は拡散流路２６の基端側と連通する流路連通路であり、流路連通路２７の基端部は基板１１に形成した流入側連通路１５と連通している。

このようにして、板厚方向流路１２ｃと上端長手方向流路１２ｅと拡散流路２６は上端面が支持体３２により閉塞され、板厚方向流路１２ｃと下端長手方向流路１２ｄは下端面が基板１１により閉塞されて、マイクロ流路１２を形成している。そして、第１・第２流体供給部１９,２０から供給された流体は流入側連通路１５→流路連通路２７→拡散流路２６を通してマイクロ流路１２を蛇行しながら流動する。この際、各板厚方向流路１２ｃにはその伸延方向に沿って超音波振動子３１から支持体３２を介して超音波が伝播される。しかも、超音波振動子３１の駆動周波数と板厚方向流路１２ｃの共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。図１４は板厚方向流路１２ｃ内での圧力分布（超音波照射は下面から）である。板厚方向流路１２ｃの流路伸延方向に複数波長の圧力分布が形成されている。その結果、連続相としての流体と分散相としての流体は、超微細にかつ均一（均質）にエマルション化される。

［第８実施形態］
第８実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図１５〜図１９に示すように、前記した第１実施形態としての超微小液滴調製装置１と基本的構造を同じくしているが、マイクロ流路１２を立体的に形成している点で異なる。すなわち、第１実施形態のマイクロ流路１２は細紐状の流路を同一平面上に蛇行させて形成した状態であるのに対して、第８実施形態のマイクロ流路１２は細紐状の流路を超音波照射方向にも蛇行させて形成した状態である点で異なる。

具体的には、第８実施形態としての超微小液滴調製装置１は、図１５に示すように、基板１１と流路形成体２５と支持体３２を重合状態に積層して構成している。流路形成体２５は基板１１と略同形の四角形板状に形成している。流路形成体２５には幅方向に伸延する凹条流路１２ｆを形成している。そして、凹条流路１２ｆは流路形成体２５の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成している。各凹条流路１２ｆの両端部には板厚方向縦流路１２ｇを板厚方向（本実施形態では上下方向）に貫通させて形成している。隣接する板厚方向縦流路１２ｇの下端部同士は下端長手方向横流路１２ｈを介して連通している。２８は凹条流路１２ｄの端部と連通する流路連通路であり、流路連通路２８の基端部は基板１１に形成した流入側連通路１５と連通している。

このようにして、凹条流路１２ｆは上端面が支持体３２により閉塞され、下端長手方向横流路１２ｈは下端面が基板１１により閉塞されて、マイクロ流路１２を形成している。そして、第１・第２流体供給部１９,２０から供給された流体は流入側連通路１５→流路連通路２８を通してマイクロ流路１２を蛇行しながら流動する。この際、各凹条流路１２ｆにはその深さ方向、また、各板厚方向縦流路１２ｇにはその伸延方向に沿って超音波振動子３１から支持体３２を介して超音波が伝播される。しかも、超音波振動子３１の駆動周波数と振動場である各凹条流路１２ｆ及び各板厚方向縦流路１２ｇの共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしている。その結果、連続相としての流体と分散相としての流体は、超微細にかつ均一（均質）にエマルション化される。

［実験１］
図１８に示す超微小液滴調製装置１により、薬液エマルションを生成する実験を行った。図１８において、超微小液滴調製装置１は第１実施形態の超微小液滴調製装置１と基本的構造を同じくした。４０は流入流路１６と第１・第２分岐流路１７,１８をＹ字状に接続してなるＹ型マイクロ流路である。４１は第１流体供給部１９としての水相供給シリンジポンプ、４２は第２流体供給部２０としての油相供給シリンジポンプ、４３はエマルション回収容器、Ｅは生成されたエマルションである。

ここで、第１分岐流路１７の流路幅は１４１μm、第２分岐流路１８の流路幅は１０４μm、流入流路１６の流路幅は１３７μmに形成した。マイクロ流路部１０のマイクロ流路１２は、図１９（ａ）の断面説明図に示すように、流路幅Ｗは０.７１１ｍｍ、流路深さＤは０.３５ｍｍ、角部の曲率半径Ｒ１は０.３ｍｍに形成した。また、図１９（ｂ）の平面説明図に示すように、マイクロ流路１２の前後幅Ｌは３０.２ｍｍ、折り返し部の曲率半径Ｒ２は０.６ｍｍに形成した。基板１１は縦幅５０ｍｍ、横幅８０ｍｍ、厚さ７ｍｍのステンレス鋼製の四角形平板とし、支持体３２は縦幅５０ｍｍ、横幅８０ｍｍ、厚さ５ｍｍのステンレス鋼製の四角形平板とした。

水相供給シリンジポンプ４１から連続相としての水相（２.２５ｗｔ％グリセリン水溶液）を、また、油相供給シリンジポンプ４２から分散相としての油相（トリカプリリン＋トリカプロイン＋Ｔｗｅｅｎ８０＋レシチン）をＹ型マイクロ流路４０に供給してある程度の大きさのエマルションを生成した。Ｙ型マイクロ流路４０で生成されたエマルションを含む液体を、マイクロ流路１２に導入するとともに、超音波振動子３１に交流電圧を印加することによって、マイクロ流路１２に超音波照射を行なった。そして、生成されたエマルションをエマルション回収容器４３に回収して観察し、評価を行った。

図２０にＹ型マイクロ流路４０から吐出された直後（超音波振動照射部３０へ入る前）の様子を示す。エマルションが生成されているものの、ばらつきが大きく、直径が数十マイクロメートル以上のものも多い。図２１に超音波照射後のエマルションの様子を示す。超音波振動子３１の駆動周波数は2.25MHz、印加電圧は100Vp-pにした。

次に、印加電圧を50Vp-p、80Vp-p、100Vp-pと変化させて実験を行った。これは印加電圧の変化によって生じる、照射強度の違いによるエマルション生成への影響を調べるためである。図２２に水相100μl/min、油相1μl/min、印加周波数2.25MHzとした動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−印加電圧比較を示す。そして、表１にそれぞれの電圧、つまり周波数2.25MHzにおける電圧変化時のP.d.i値を示す。ここで、P.d.i値とは、polydisperse degree index(多分散度指数）の略で、単分散かどうかの指標となる値である。一般的に10％以下であると単分散といえるといわれている。

図２２から、印加電圧が上がることで生成されるエマルションのピークが狭まり、約200nmの大きさのエマルションが生成されることが分かる。しかし、一方で数μmの大きさのエマルションが少し残っていることが分かる。また、表１から、P.d.iの値は小さくなっており、単分散に近くなっていることが分かる。

次に、水相の流量を100μl/minで固定し、油相の流量を2μl/min、5μl/min、8μl/minと変化させて実験を行った。これは油相流量の変化によって生じる、水相：油相の流量比の違いによる均一なエマルション生成の影響を調べるためである。図２３に水相：油相の流量比が１００：２（100-2μl/min）、１００：５（100-5μl/min）、１００：８（100-8μl/min）、印加周波数2.25MHzとした動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−油相流量比較を示す。この結果、水相：油相の流量比が１００：５（100-5μl/min）まで均一なエマルションを生成可能であることが分かった。

次に、共振周波数2.25MHz付近において非共振となるように設定した場合のエマルション生成状況を確認した。すなわち、駆動周波数を2.21MHz、2.23MHz、2.27 MHzに設定してエマルションを生成実験をした。その結果、駆動周波数2.21、2.23、2.27 MHzのいずれにおいても、共振周波数2.25MHzを駆動周波数とした場合とは異なる分布となった。動的光散乱法による測定結果では、特に直径数μｍ以上に分布が見られる。サブミクロンレベルの液滴の分布も、2.25MHz駆動の際と比べて単調ではない。また、図２４〜図２６に示すように、光学顕微鏡でも大きな液滴が観察され、いずれの場合にもサブミクロンレベルでピークを得ることができず、サブミクロンレベルの液滴のみを生成するには至っていない。

［実験２］
実験２として、周波数変更によるエマルション生成への影響を調べる実験を行った。最初に、実験1に使用した超微小液滴調整装置１で、周波数を超音波振動照射部３０で共振が得られる周波数の一つである83kHzに変更した。流量の条件を実験１と同様に水相100μl/min、油相1μl/minと固定し、薬品の条件も同一としてエマルション生成実験を行った。この結果、エマルション生成の様子は実験1とは異なるものとなった。

最初に、Ｙ型マイクロ流路４０を用いて生成したエマルションの写真を図２７に示す（上段倍率５倍、下段倍率２０倍）。図２７から、生成されたエマルションの大きさにばらつきがあることが分かる。駆動周波数83kHzにおける超音波照射後のエマルションの写真を図２８に示す（上段倍率５倍、下段倍率２０倍）。印加電圧は150Vp-pで行った。図２８から、生成されたエマルションは、液滴径の小さいエマルションが生成されているが、液滴径の大きなエマルションがまだ残っていることが分かる。駆動周波数83kHzにおける超音波照射後のエマルション径の動的光散乱法による計測結果を図２９に示す。図２９からも、生成されたエマルションの大きさにばらつきがあることが分かる。

次に、駆動周波数を超音波振動子３１で厚み共振周波数となる2.25MHzに変更して実験を行った。流量を水相100μl/min、油相1μl/minとし、印加電圧を100Vp-pとして実験を行った。その結果を図３０に示す（上段倍率２０倍、下段倍率５０倍）。比較対象として、同じく高周波のMHzの領域で共振を得られる駆動周波数1.354MHzで実験を行った。流量および、水相・油相の条件を薬剤として用いる薬品の生成条件と同じとし、印加電圧50Vp-pで実験を行った。この時のエマルションの写真を図３１に示す（上段倍率２０倍、下段倍率５０倍）。図３０及び図３１の比較から、生成されたエマルションの液滴径は、明らかに周波数2.25MHzの時の方が小さくなっていることが分かる。以上から、現在の装置においては、駆動周波数2.25MHzが最もよい周波数であるといえる。

次に、印加周波数2.25MHz、印加電圧100Vp-pとし、水相と油相の流量を変化させて、エマルション生成実験を行った。これは、滞留時間の変化によるエマルション生成への影響を調べるためである。水相と油相の比は100:1とし、水相100μl/min、油相1μl/min、水相200μl/min、油相2μl/min、水相50μl/min、油相0.5μl/minで行った。それぞれの流量における滞留時間を表２に、それぞれの流量におけるP.d.i値を表３に、動的光散乱法による計測結果−流量比較を図３２に示す。

図３２から、生成されるエマルションは流量を変化させても200nm程度の大きさとなっている。よって、流量変化によるエマルション生成への影響はほとんどないと考えられる。これは、表３のP.d.i値を比較しても分かる。

［実験３］
実験３として、マイクロ流路体積の変更（滞留時間の延長）によるエマルション生成への影響を調べる実験を行った。実験３で使用した超微小液滴調製装置１は、実験１で使用した超微小液滴調製装置１と基本的構造を同じくするが、マイクロ流路部１０のマイクロ流路１２の流路深さＤを０.６５ｍｍに形成した点で異なる。すなわち、流路を深くすることで、流体の滞留時間を増加させた。

図３３は実験１で使用した流路深さＤが０.３５ｍｍのマイクロ流路１２内の圧力分布である（超音波照射は下面から）。そのマイクロ流路１２内には半波長の圧力分布が形成されている。図３４は流路深さＤが０.６５ｍｍのマイクロ流路１２内の圧力分布である（超音波照射は下面から）。そのマイクロ流路１２内には１波長の圧力分布が形成されている。図３５は、動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−流路深さ比較を示すグラフである。つまり、水相：油相が100-1μｌ/minでの流路深さＤが０.３５ｍｍと流路深さＤが０.６５ｍｍにおけるエマルション径の分布である。これより流路深さＤを大きくして流体の滞留時間を増加させることで、エマルションの液滴径の減少（２００ｎｍから８０ｎｍに）を実現できたことを確認することができた。

また、図３６は、動的光散乱法によるエマルション径の計測結果−流路深さ比較を示すグラフである。つまり、水相：油相が100-5μｌ/min、100-8μｌ/minでの流路深さＤが０.３５ｍｍと流路深さＤが０.６５ｍｍにおけるエマルション径の分布である。これより滞留時間増加によるエマルションの液滴径の減少と均一化が実現できたことを確認することができた。このように、超音波照射時間を長くすることで、エマルションの液滴径を小径化させるとともに均一化させることができた。

本発明に係る超微小液滴調製装置は、製薬、食品、電子材料など幅広い分野において必要とされているエマルションの生成が可能である。しかも、本発明に係る超微小液滴調製装置は、設置規模が小さく導入コストが低いため、中小規模の試験研究機関や企業でも導入が可能である。さらに同様の理由から、一般の病院に比べて規模が小さいペット・家畜向けの医療機関への導入も可能となる。

１超微小液滴調製装置
１０マイクロ流路部
１１基板
１２マイクロ流路
３０超音波振動照射部
３１超音波振動子
３２支持体

Claims

連続相を形成する流体と分散相を形成する流体を、微小断面となした単一のマイクロ流路に合流させるマイクロ流路部と、
前記マイクロ流路部に超音波振動を照射する超音波振動照射部を備えて、
超音波振動照射部の駆動周波数をマイクロ流路内に形成させる振動場の共振周波数に一致させることで、エマルションを生成するとともに分散相を超微小液滴に調製可能とした超微小液滴調製装置であって、
板状に形成した基板と、基板と略同形の板状に形成した流路形成体と、基板と略同形の板状に形成しかつ超音波振動照射部の超音波振動子を支持する支持体を重合状態に積層し、
流路形成体には、幅方向に伸延しかつ長手方向に細幅の板厚方向流路を板厚方向に貫通させて形成し、板厚方向流路は流路形成体の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成して、隣接する一方の板厚方向流路と下端部同士を下端長手方向流路を介して連通するとともに、隣接する他方の板厚方向流路と上端部同士を上端長手方向流路を介して連通して、板厚方向流路と全幅にわたって連通する拡散流路と上端長手方向流路は上端面が支持体により閉塞され、板厚方向流路と下端長手方向流路は下端面が基板により閉塞されてマイクロ流路が形成され、
各板厚方向流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播されるとともに、超音波振動子の駆動周波数と板厚方向流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしたことを特徴とする超微小液滴調製装置。
連続相を形成する流体と分散相を形成する流体を、微小断面となした単一のマイクロ流路に合流させるマイクロ流路部と、
前記マイクロ流路部に超音波振動を照射する超音波振動照射部を備えて、
超音波振動照射部の駆動周波数をマイクロ流路内に形成させる振動場の共振周波数に一致させることで、エマルションを生成するとともに分散相を超微小液滴に調製可能とした超微小液滴調製装置であって、
板状に形成した基板と、基板と略同形の板状に形成した流路形成体と、基板と略同形の板状に形成しかつ超音波振動照射部の超音波振動子を支持する支持体を重合状態に積層し、
流路形成体には幅方向に伸延する凹条流路を形成し、凹条流路は流路形成体の長手方向に一定の間隔を開けて多数形成して、各凹条流路の両端部には板厚方向縦流路を板厚方向に貫通させて形成し、隣接する板厚方向縦流路の下端部同士は下端長手方向横流路を介して連通し、凹条流路の端部と連通する流路連通路の基端部は基板に形成した流入側連通路と連通して、凹条流路は上端面が支持体により閉塞され、下端長手方向横流路は下端面が基板により閉塞されて、マイクロ流路が形成され、
各凹条流路にはその深さ方向、また、各板厚方向縦流路にはその伸延方向に沿って超音波振動子から支持体を介して超音波が伝播されるとともに、超音波振動子の駆動周波数と振動場である各凹条流路及び各板厚方向縦流路の共振周波数を一致させることで、共振現象により強力な超音波を発生させるようにしたことを特徴とする超微小液滴調製装置。