JP5684985B2 - 光補助および/または熱補助された印刷によるマイクロ流体ポリマーデバイスの製造 - Google Patents
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Description
(i)直接エッチング、および
(ii)成形による複製。
このことは、その表面上にセンチメーター・スケール厚のスタンプを実際にもたらす。デバイスは、平らな表面(ガラス、エラストマー、シリコンなど)への接着により、その構造を封鎖することにより仕上げられる。
この製作方法は、簡単で安価な装置を用い、迅速なプロトタイピングにおいて使用され得る。それは、高い空間分解能を有し、透明であり、有機および水性溶剤に耐え、圧力に耐え、小型であり、異なった材料と組み合わせ得る、デバイスへのアクセスを提供する。
この方法は、用いられる出発材料が、得ることが究極的に望ましいデバイスに相補するプロフィルを含むPDMSのようなエラストマー材料で製造されるスタンプであることを特徴とする。
ii− 固体材料で製造されたプレートで構成され、光硬化性および/または熱硬化性液体と反応し得るベース(2)が、スタンプ(1)に対して平行に配置される、
iii− 適量の光硬化性および/または熱硬化性液体(4)が、ベース(2)上に置かれる、
iv− スタンプ(1)が、圧力(P)をスタンプに適用することによりベース(2)上に配置され、液体がエラストマー・スタンプの中空領域(1c)を占める、
v− 液体(4)が、該液体が硬化するように照射および/または加熱により処理される、
vi− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。
ii− 固体材料で製造されたプレートで構成され、光架橋性および/または光重合性の液状樹脂組成物(4)と反応し得るベース(2)が、エラストマー・スタンプ(1)から離れて、スタンプ(1)に対して平行に置かれる、
iii− 適量の光架橋性および/または光重合性の液状樹脂組成物(4)が、ベース(2)上に置かれる、
iv− スタンプ(1)が、スタンプに圧力(P)を適用することによりベース(2)上に置かれ、液状樹脂組成物がエラストマー・スタンプの中空領域(1c)を占める、
v− 液状樹脂組成物(4)が、その重合および/または架橋を生じさせるのに適した光線で照射される、
vi− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。
ガラスで製造されたカバーおよび/またはベースは、観察および光学的検出(透明性)を容易ならしめるために、より好ましい。
− 集合体は、それらのサイド部分により2つのデバイスを一方のデバイスに結合させるために照射される。
ii− エラストマー、−特にPDMS−スタンプが、エラストマーで同様に製造された支持体(3)またはベース(2)上に置かれる、
iii− 液状で適量の、光架橋性および/または光重合性の樹脂組成物(4)のような、光硬化性または熱硬化性の液体が、支持体(3)またはベース(2)上のスタンプの中空領域(1c)の中に注入される、
iv− 光硬化性または熱硬化性液体(4)が、その重合および/または架橋をもたらすように、適当な光線を用いる照射および/または加熱により処理される、
v− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。
ii− 光硬化性および/または熱硬化性の液体と反応し得ない、固体材料で製造されたプレートで構成される支持体が、エラストマー・スタンプから離れて、スタンプに対して平行に置かれる、
iii− 適量の光硬化性および/または熱硬化性の液体が支持体上に置かれる、
iv− スタンプが、支持体と接触することなく、スタンプに圧力を適用することにより、支持体上に置かれる、
v− 光硬化性および/または熱硬化性の液体が、その重合および/または架橋をもたらすのに適した光線を用いる照射により、および/または加熱により処理される、
vi− スタンプが、デバイスから除かれる。
図13A、13Bおよび13Cに示される本発明の一つの態様によれば、1工程で、同じ材料のマイクロ流体デバイスのベースおよびサイド部分を直接製作するための措置がされ得る。
− ガラスまたはシリコンのストリップのような剛直な材料のプレート、光架橋したポリマー、金属、導電性または半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーから構成される少なくとも一つのベース(2);
− ベース(2)と共に少なくとも一つのチャネル(6)を規定する、非熱可塑性、非弾性、光硬化したまたは熱硬化した、より具体的には光重合および/または光架橋した樹脂で製造される、少なくとも2つのサイド部分(4’);
− ベースに対して平行であり、チャネルの上部でサイド部分(4’)に結合し、チャネル(6)を封鎖し、有利にはガラスまたはシリコンのストリップ、光架橋したポリマー、金属、導電性または半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーのような剛直な材料のプレートから構成される少なくとも一つのカバー(7)。このデバイスは、チャネルの厚さが300μm以下であることを特徴とする。
本発明のデバイスは、適当なコネクターの補助があるような状態での使用のために意図されるか、または完全なマイクロ流体システムの中へ統合され得る。
異なった反応条件が、それ故に極めて速い流速で試され得る。ポリマー、細胞およびいずれかのタイプの反応物の、液滴の反応性を試験することも可能である。
ガラスで製造されるベースおよび/またはカバーを有する可能性は、デバイスの視覚的なモニターを可能とする。
液滴のような微小な容積中において反応を実施することの可能性は、動力学的反応の研究が実施されることを可能とする。
ポリマーの照射は、サイド部分(13)の上面に重合活性部位を残すような方法で定量され得る。微小孔(14)が満たされた後、カバーが集合体上に配置され、次いでシールされ得る。
背景:
レオロジー(すなわち、流動下での流体の挙動)は、使用するには高価で、重い計測器であるレオメーターを用いて一般に特徴付けられる。特定の適用(例えば、石油流体のインサイトでの特徴付け)については、器具についてより簡単な特徴付け技術を有することが必要である。流れの中での不均質性を実証するために、速度のプロフィルへのアクセスを有することもときには必要である。全体的な特徴付けは、このタイプの現象が実証されることを許容しない。
本発明によるデバイスは、図11に示され:ベース(11.2)は、厚さ170μmのガラスのストリップで構成されている。カバー(11.7)は、流体の入口(11.9a)および出口(11.9b)のオリフィスで孔が空いている、厚さ1mmのガラスのストリップである。これらのオリフィスは、図4のデバイスに従ってコネクター(示されていない)を用いて製造される。NOA81光重合性樹脂で製造されたサイド部分(11.4)は、流体が循環し得るチャネル(11.6)を規定する。
− ここで用いられるベースは、厚さ170μmのガラスのストリップ(11.2)である。顕微鏡の液浸対物レンズの使用は、この特殊なベースの使用を必要とする。
・ 耐高圧性を有する、異なった部分の結合;
・ 圧力下では劣化しない、材料の高い弾性率;
・ 蛍光コロイドの視覚化のための優秀な光学的特性;
・ 異なった流体が検討されることを可能とする耐化学薬品性。
上記の技術により製造されるマイクロ流体デバイスの使用は、ソフト・リソグラフィー技術により製造されるPDMSデバイスより多くの優位性を有する:
− (水より10000倍粘性が高い)高粘性流体の流動性の研究の可能性。用いられる結合は、そのようなタイプの流体の流動性により生じる圧力(数bar)に抵抗し得る。
− 剛直な材料(ガラス−NOA81)から製造されるデバイスの使用は、流動性を引き起こすための時間、かなりの減少が得られることを可能とする。弾性材料、特にPDMSの弾力性は、粘性流体と連動するとき、極めて長い(数時間)平衡時間を引き起こす。
− 良好な光学的特性を有する材料の使用は、光学的技術(PIV、蛍光、複屈折など)の使用を可能とする。
− 記載された製作技術も、高アスペクト比のマイクロ流体チャネルの使用を可能とする。
生体細胞または生体ニューロンの機能に関連する研究量の増加において、環境の正確な制御(媒体の組成、温度、細胞の位置)が最重要である。課題が生物学的システムの構築である系統分類学の文中では、しばしば、興味深い生物学的システム(細胞、ニューロン、細菌など)を取り囲む構成要素により誘発される変動が、興味の対象であるため、実験パラメータの正確な制御のみが、有用な実験データが得られることを可能とする。
生体細胞の研究に提供されるマイクロ流体デバイスが、マイクロ流体デバイス(チャネルまたはチャンバー)内で生体細胞を培養するために、すべて設計されている。細胞培養は、しばしば高度に複雑であるため(特にニューロンの場合)、マイクロ流体の環境内でのその実現には、用いられる材料と培養条件との間の不適合性、材料の生物学的適合性などのような問題がある。
この発明において、我々は、簡単で画期的な解決法を提案する。
上記のマイクロ流体システムは、極めて良好な光学的品質を有する。特に、デバイスの精密さは、極めて短い使用距離で顕微鏡の対物レンズを用いて観察することを可能とし、デバイスの(常に、特にPDMSにおいて存在する)自己蛍光をかなり制限する。
マイクロ流体チャンバーまたはチャネルの細胞の構造が被覆される前に、細胞上に1以上の蛍光を用いたラベリングの操作を行うことは可能である(免疫学的ラベリング、トランスフェクションなど)。このタイプのラベリングは、多くの工程および反応物を一般に必要とし、それゆえに、マイクロ流体環境内でそれらを行うことは難しい。この方法は、我々にこの困難性を回避することを可能とする。
図16に示されるこの技術は、薄いプロフィル化されたベースが実現されることを可能とする。どんな材料が用いられた場合でも、この薄さは、かなりの柔軟性を有するスタンプ+ベースの集合体を与える。ベースは、微小な構造のステッカーとして見られ得る。このステッカーは、操作され、様々な形状のカバー上で照射により接着され得る。このことは、PDMSスタンプの柔軟性および透過性により可能となる。
エマルジョンまたは単独の液滴を製造および取扱いし得るマイクロ流体デバイスは、分析、形成補助、材料または分子の合成のための新規な技術への経路を広げるための可能性を有する。小型化に伴う有効性は次のものである:
(ii)材料の体積の究極的な削減(典型的には、液滴当たり0.1〜1ナノリットル)による、コストおよびヒトおよび環境リスクの一体となった削減、
(iii)A. AjdariおよびM. joanicotによるscience 309, 887-888, 2005中に記載されているような、高性能材料(例えば単分散でありおよび/または液滴の固体化後に自己集合する粒子)の構築への経路を広げる、マイクロシステム内で製造および輸送される液滴の形態の制御。
自己接着性のプロフィル化されたべースを、ガラス・プレート上に配置した。プロフィル化されたベースが構成される樹脂は、チオレン樹脂である(Norland Optical Adhesive NOA 81(商標))。フォトリソグラフィにより得られたオリジナルを成形することにより、厚さ5mmのPDMSスタンプを製作した。
手順は、次の変更点を有するが、図17Aのデバイスと同じである:トリ(メチロールプロパン)トリアクリレート樹脂100μlおよび樹脂の重量に対して光活性化剤(Darocur 1173,Sigma Aldrich)1重量%が用いられる。最初の暴露:30秒、出力 20mW/cm2。
本発明の方法の一つの態様によると、残留層を有さない構造化したベース(微小構造化したステッカー)を得ることは可能である。これらのステッカーは、それ故に、ステンシルを構成する。
これらの3次元のマイクロ流体のネットワークは、統合の可能性および流体チップの機能の数をかなり増加させる。潜在的には、高い処理能力を有するスクリーニングの適用の全てが関係している。
− 短い製作時間:一度に、エラストマー・パッド、より具体的にはPDMSパッドが得られ(多くのデバイスのインプリントを含み得る)、使用準備ができているシステムが、数分以内に形成される。方法の実施は、極めて簡単であり、UV波長(またはIRまたは可視波長、選択される樹脂に依存する)の大きな照度のソースまたは加熱器具以外には投資を必要としない。
我々は、様々な有機および水性液体の流れ、迅速なプロトタイピングのために好適な最も標準的なデバイス内では処理し得ないそれらのいくつか:トルエン、臭化プロパン、n−ヘプタン、エタノール、テトラデカン、シリコンオイル、水/界面活性剤混合液、ヘキサデカン、デカリンを制御し得た。
Claims (36)
- エラストマー材料で製造されたスタンプ(1)を用いて、支持体(3)またはベース(2)上に配置された重合性および/または架橋性液体組成物(4)をインプリントする少なくとも一つの工程、液体組成物(4)を光照射および/または加熱してプロフィル化されたベースを形成する工程、ならびにプロフィル化されたベース上にカバー(7)を置き、プロフィル化されたベースおよびカバーデバイスを含むデバイスを照射または加熱処理してデバイスをシールする少なくとも一つの工程を含むことを特徴とする、マイクロ流体デバイスの製作方法。
- 液体組成物が、光重合性および/または光架橋性の液状樹脂組成物であることを特徴とする、請求項1の方法。
- 光重合性および/または光架橋性樹脂(4)が、接着剤、糊または表面コーティング剤として一般に用いられる光架橋性樹脂から選択されることを特徴とする、請求項2の方法。
- 光重合性および/または光架橋性樹脂(4)が、エポキシ、エポキシシラン、アクリレート、メタクリレート、アクリル酸およびメタクリル酸タイプのモノマー/コモノマー/プレポリマーをベースとする樹脂、チオレン、ポリウレタン、ならびに常温で液体であるポリアクリルアミドゲルから選択されることを特徴とする、請求項2または3いずれかの方法。
- 光硬化性および/または熱硬化性液体(4)の重合および/または架橋が、紫外線もしくは可視光線の照射手段による光活性化により、またはオーブン中での加熱、ホット・プレートの使用により、あるいは赤外線での処理により行われることを特徴とする、請求項1〜4いずれかの方法。
- 樹脂(4)の重合および/または架橋、ならびにデバイスのシールが、自然光または人工光、可視光いずれかへの簡単な暴露、またはUV照射により行われることを特徴とする、請求項2〜5いずれかの方法。
- エラストマー材料で製造されたスタンプ(1)が、ポリジメチルシロキサンで製造されていることを特徴とする、請求項1〜6いずれかの方法。
- 少なくとも一つのベース(2)、チャネル(6)を規定する少なくとも2つのサイド部分(4’)を含むマイクロ流体デバイスを製作するための請求項2〜7いずれかの方法であって、この方法は少なくとも次の工程を含むことを特徴とする:
i− エラストマー材料で製造され、マイクロ流体デバイスのプロフィルに相補するプロフィル(1a)を含むスタンプ(1)が型として用いられる、
ii− 光架橋性および/または光重合性の樹脂組成物と反応し得る、固体材料で製造されたプレートで構成されるベース(2)が、エラストマー・スタンプ(1)から離れて、スタンプ(1)に対して平行に置かれる、
iii− 液状で適量の光架橋性および/または光重合性の樹脂(4)が、ベース(2)上に置かれる、
iv− スタンプ(1)が、スタンプに圧力(P)を適用することによりベース(2)上に置かれ、液体樹脂組成物がエラストマー・スタンプの中空領域(1c)を埋める、
v− 樹脂組成物(4)が、その重合および/または架橋を起こすのに適した光線で照射される、
vi− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。 - 少なくとも一つのベース(2)、チャネル(6)を規定する少なくとも2つのサイド部分(4’)を含むマイクロ流体デバイスを製作するための請求項2〜7いずれかの方法であって、この方法は少なくとも次の工程を含むことを特徴とする:
i− エラストマー材料で製造され、マイクロ流体デバイスのプロフィルに相補するプロフィル(1a)を含むスタンプ(1)が型として用いられる、
ii− エラストマー・スタンプが、支持体(3)またはエラストマーで製造されたベース(2)上に置かれる、
iv− 液状で適量の光架橋性および/または光重合性の樹脂(4)が、スタンプの中空領域(1c)内に、支持体(3)上に、またはベース(2)上に注入される、
v− 樹脂(4)が、その重合および/または架橋を起こすのに適した光線で照射される、
vi− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。 - ベース(2)が支持体(3)上に置かれることを特徴とする、請求項8または9の方法。
- − 工程v−における照射が、樹脂で製造されたサイド部分(4’)の上表面域に架橋および/または重合活性部位を残すような方法で処理される、
− カバー(7)が、デバイスを封鎖するように、支持体(3)、ベース(2)およびサイド部分(4’)で構成される集合体と接触して置かれる、
− 集合体が、プレス(8)内に置かれ、カバー(7)を重合および/または架橋によりサイド部分(4’)に取り付けるように照射により処理される、
− 集合体がプレス(8)から除かれる
ことを特徴とする、カバー(7)をさらに含むマイクロ流体デバイスを製作するための請求項8〜10いずれかの方法。 - プレス内での光重合および/または光架橋が、水性媒体中で行われることを特徴とする、請求項11の方法。
- カバーが、次の:ガラス、シリコン、固形ポリマーフィルム、金属、導電性または半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーから選択される材料で製造されていることを特徴とする、請求項1〜12いずれかの方法。
- チャネルの3次元ネットワークを含むマイクロ流体デバイスを製作するための請求項2〜7いずれかの方法であって、少なくとも次の工程を含むことを特徴とする:
− エラストマー材料で製造されたプレート(3)が支持体として用いられる、
− 液状の光重合性および/または光架橋性の樹脂(4)が、プレート(3)上に直接置かれる、
− エラストマー材料で製造されたスタンプ(1)が、支持体(3)および樹脂(4)の集合体に適用される、
− 第1のパターン(6)を形成するデバイスのサイド部分(4’)を形成するように、樹脂(4)が光照射される、
− 次いでスタンプ(1)が除かれる、
− 上部が開放されているパターン(6)を規定する、樹脂で製造された2つの部分(4’)、およびエラストマーで製造された支持体(3)を含むデバイス(11)が得られる、
− 第2のデバイスのサイド部分を形成するように、同じ操作手順が繰り返される、
− 2つのデバイスが互いに重ねて置かれる、
− それらのサイド部分により2つのデバイスを互いに結合するように、集合体が照射される。 - チャネルの3次元ネットワークがベースに取り付けられ、圧力下に置かれたデバイスの光照射によりカバーで封鎖されることを特徴とする、請求項14の方法。
- 光架橋性および/または光重合性の樹脂(4)で作られたマイクロ流体デバイスを製作するための請求項2〜7いずれか一つの方法であって、少なくとも次の工程を含むことを特徴とする:
i− エラストマー材料で製造され、マイクロ流体デバイスのプロフィルに相補するプロフィル(1a)を含むスタンプ(1)が型として用いられる、
ii− 光架橋性および/または光重合性の樹脂と反応し得ない、固体材料で製造されたプレートで構成される支持体(3)が、エラストマー・スタンプ(1)から離れて、スタンプ(1)に対して平行に置かれる、
iii− 液状で適量の光架橋性および/または光重合性の樹脂(4)が、支持体(3)上に置かれる、
iv− スタンプ(1)が、スタンプが支持体(3)に接触することなく、スタンプに圧力(P)を適用することにより支持体(3)上に置かれる、
v− 樹脂(4)が、その重合および/または架橋を起こすのに適した光線で照射される、
vi− スタンプ(1)がデバイスから除かれる。 - 支持体(3)が、樹脂(4)内にインプリントされたプロフィル(3b)を有することを特徴とする、請求項16の方法。
- プロフィル化されたベースが、光架橋性および/または光重合性の樹脂と反応しない材料で製造された一時的な支持体(30)上に置かれ、次いで、プロフィル化されたベースを完全に封鎖するために、ベースが一時的な支持体(30)から除かれ、プロフィル化されたベースがそのカバー(7)上に置かれ、次いで集合体が任意に圧力を適用して照射される、すくなくとも一つの工程を含むことを特徴とする、請求項1〜17いずれか一つの方法。
- − 次の:ガラスまたはシリコン、金属、導電性もしくは半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーから選択される剛直な材料のプレートで構成される少なくとも一つのベース(2)、
− ベース(2)と共に少なくとも一つのチャネル(6)を規定する、非熱可塑性、非弾性、光硬化性および/または熱硬化性の樹脂で製造された少なくとも2つのサイド部分(4’)、
− ベースに平行で、サイド部分(4’)に取り付けられ、その上部においてチャネル(6)を封鎖する少なくとも一つのカバー(7)
を含み、該マイクロ流体デバイスがチャネルの厚さ300μm以下であることを特徴とする、請求項1〜18いずれか一つの方法により得られるマイクロ流体デバイス。 - − 剛直な材料のプレートで構成された少なくとも一つのベース(2)、
− ベース(2)と共に少なくとも一つのチャネル(6)を規定する、非熱可塑性、非弾性、光硬化性および/または熱硬化性の樹脂で製造された少なくとも2つのサイド部分(4’)、
− ベースに平行で、サイド部分(4’)に取り付けられ、その上部においてチャネル(6)を封鎖する少なくとも一つのカバー(7)
を含み、該デバイスがチャネルの厚さ200μm以下であり、デバイスの全厚さ300μm以下であることを特徴とする、請求項1〜18いずれか一つの方法に得られるマイクロ流体デバイス。 - 樹脂が光重合および/または光架橋されていることを特徴とする、請求項19または20のデバイス。
- チャネルの幅が100μm以下であることを特徴とする、請求項19〜21いずれか一つのデバイス。
- パターンの幅/深さの比であるアスペクト比が0.1:1〜10:1の間であることを特徴とする、請求項19〜22いずれか一つのデバイス。
- ベース(2)が、次の:ガラスまたはシリコン、非弾性、光架橋されたポリマー、金属、導電性もしくは半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーから選択される材料で製造されていることを特徴とする、請求項20〜23いずれか一つのデバイス。
- カバー(7)が、次の:ガラスまたはシリコン、非弾性、光架橋されたポリマー、金属、導電性または半導電性合金、セラミック、石英、サファイア、エラストマーから選択される材料で製造されていることを特徴とする、請求項19〜24いずれか一つのデバイス。
- チャネル(6)の厚さが、200μm以下であることを特徴とする、請求項19〜25いずれか一つのデバイス。
- デバイスが1以上の結合要素(10)をさらに含むことを特徴とする、請求項19〜26いずれか一つのデバイス。
- 結合要素(10)が、カバー(7)のオリフィス(9)中に挿入され、光重合されたおよび/または光架橋された樹脂の手段によりこのオリフィス内で強固に取り付けられ、流体がデバイスのチャネル(6)内に注入され、またはチャネル(6)から回収されることを許容するチャネル(10a)により垂直に横切られていることを特徴とする、請求項27のデバイス。
- デバイスが、次の:反応チャンバー、混合チャンバー、分離ゾーンから選択される少なくとも一つの要素を含むことを特徴とする、請求項19〜28いずれか一つのデバイス。
- マイクロ流体システムが、請求項19〜29いずれか一つの少なくとも一つのマイクロ流体デバイス、および少なくとも一つの次の要素:ポンプ、信号検出装置、流体の環境条件を変更するための装置、デバイス内の循環を制御するための装置、データ制御装置を含むことを特徴とするマイクロ流体システム。
- コンビナトリアル化学の方法を実施するための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
- 特定の物理的および/または化学的性質を得るための化学的混合物の最適化を実施するための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
- ハイコンテントスクリーニングおよびハイスループットスクリーニングを実施するための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
- 流体を研究するための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
- 生体細胞の培養、観察および研究のための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
- バイオチップを構築するための、請求項19〜29いずれか一つのデバイスの使用。
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