JP6646888B2 - 凸状構造体、凹状構造体、及び凸状構造体の製造方法 - Google Patents

凸状構造体、凹状構造体、及び凸状構造体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、凸状構造体、凹状構造体、及び凸状構造体の製造方法に関する。
従来、細胞が移動する際、細胞の状態で移動の程度が変化することが分かっている。このため、細胞の移動の程度を調べることで、細胞の活性化を評価することができる。そして、例えば、特定の薬剤に関するがん細胞の活性化を調べることにより、創薬のスクリーニングを実現することができる。
このような細胞の移動に関して、細胞が特定の方向に向かって移動するように制御することで、基本的な細胞の移動性能、例えば、細胞がどの程度動いたかを測定し、これにより細胞の状態、例えば、細胞の活性度を評価することが可能となる。
このように細胞を特定の方向へ移動させるには、マイクロチャンネル内の試薬の濃度勾配を利用する方法が最も良く知られている。しかしながら、品質的に安定した濃度勾配を人工的に作製することは難しく、濃度勾配の再現性が乏しいという問題がある。また、細胞の種類によっては試薬の濃度勾配を作製できないおそれもある。
近年、試薬の濃度勾配を利用する方法に代えて、構造体を非対称に形成し、その中を細胞が移動することにより、特性の方向に細胞を移動させる技術が知られている(例えば特許文献1)。この場合、非対称の構造体が、逆止弁のような効果を発揮し、細胞が一度通過したら戻れなくなることを利用している。
特開2014−526906号公報
しかしながら、特許文献1の技術を用いた場合、非対称な構造体を作製する方法が複雑であり、再現性のある構造体を形成することは難しい。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、生産性が良好で品質の安定した非対称な構造体を作製することが可能な、凸状構造体、凹状構造体、及び凸状構造体の製造方法を提供することにある。
本発明の一実施の形態による凸状構造体は、凸状構造体であって、平坦な表面を有するデバイス本体と、前記デバイス本体上に突設され、平面方向に間隔を空けて配置された複数の突起とを備え、各突起のうち少なくとも一方向側に階段部が形成されていることを特徴とするものである。
本発明の一実施の形態による凸状構造体において、各突起のうち前記一方向側と反対側には、前記表面に垂直な垂直面又は前記階段部よりも急な傾斜をもつ傾斜面が形成されていてもよい。
本発明の一実施の形態による凸状構造体において、各突起のうち前記一方向側を含む三方向側に前記階段部が形成されていてもよい。
本発明の一実施の形態による凸状構造体において、各突起の高さは、1μm〜10μmであってもよい。
本発明の一実施の形態による凸状構造体において、前記階段部の各段の高さは、10nm〜1μmであってもよい。
本発明の一実施の形態による凹状構造体は、凹状構造体であって、平坦な表面を有する構造体本体と、前記構造体本体に穿設され、平面方向に間隔を空けて配置された複数の孔部とを備え、各孔部のうち少なくとも一方向側に階段部が形成されていることを特徴とするものである。
本発明の一実施の形態による凸状構造体の製造方法は、前記凹状構造体を用いて、前記凸状構造体を作製する、凸状構造体の製造方法であって、前記凹状構造体を準備する工程と、前記凹状構造体に対向する位置に、基材保持部を配置する工程と、前記基材保持部上に、樹脂の液滴を供給する工程と、前記凹状構造体と前記基材保持部とを近接させることにより、前記凹状構造体と前記基材保持部との間に前記液滴を展開し、前記凸状構造体を構成する樹脂層を形成する工程と、前記樹脂層を硬化させることにより、前記樹脂層に前記凹状構造体の前記孔部が転写され、前記凸状構造体の前記突起が形成される工程とを備えたことを特徴とするものである。
本発明によれば、生産性が良好で品質の安定した非対称な構造体を作製することができる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る凸状構造体を示す概略平面図である。 図2は、本発明の一実施の形態に係る凸状構造体を示す概略断面図(図1のII−II線断面図)である。 図3は、本発明の一実施の形態に係る凸状構造体の突起を示す概略拡大斜視図である。 図4は、本発明の一実施の形態に係る凹状構造体を示す概略平面図である。 図5は、本発明の一実施の形態に係る凹状構造体を示す概略断面図(図4のV−V線断面図)である。 図6(a)〜(g)は、本発明の一実施の形態に係る凹状構造体の製造方法を示す概略断面図である。 図7(a)〜(d)は、本発明の一実施の形態に係る凸状構造体の製造方法を示す概略断面図である。 図8は、本発明の一実施の形態に係る移動制御デバイスを示す概略断面図である。 図9は、突起の変形例を示す概略斜視図である。 図10は、突起の変形例を示す概略斜視図である。 図11(a)〜(b)は、突起の変形例を示す概略断面図である。 図12(a)〜(b)は、突起の変形例を示す概略斜視図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。図面は例示であり、説明のために特徴部を誇張することがあり、実物とは異なる場合がある。また、技術思想を逸脱しない範囲において適宜変更して実施することが可能である。なお、以下の各図において、同一部分には同一の符号を付しており、一部詳細な説明を省略する場合がある。
(凸状構造体の構成)
まず本発明の一実施の形態に係る凸状構造体の構成について説明する。図1および図2は、本発明の一実施の形態に係る凸状構造体を示す概略図であり、図3は、突起を示す概略拡大斜視図である。なお、各図において、X方向とY方向とは互いに直交し、Y方向とZ方向とは互いに直交し、Z方向とX方向とは互いに直交している。
図1および図2に示す凸状構造体10は、デバイス本体11と、デバイス本体11上に突設され、XY平面方向に間隔を空けて配置された複数(多数)の突起20とを備えている。
このうちデバイス本体11は、平坦な表面11aを有するとともに略平板形状を有している。デバイス本体11は、例えば一辺が0.1mm以上の矩形形状としても良い。
複数(多数)の突起20は、デバイス本体11上にX方向及びY方向に沿って配列されている。各突起20のX方向に沿う間隔pおよびY方向に沿う間隔pは、それぞれ1μm〜10μm(1μm以上10μm以下をいう。以下同様)としても良い。この場合、間隔pと間隔pとは同一の距離となっているが、これに限らず、間隔pと間隔pとが異なる距離であっても良い。
なお、デバイス本体11の大きさにもよるが、例えば突起20はデバイス本体11上に121個以上程度配置されている。各突起20は、互いに略同一の形状を有しているが、一部の突起20が他の突起20と異なる形状を有していても良い。図1および図2においては、便宜上、互いに同一形状を有する9個の突起20を示している。
図1において、矢印Aは、後述する移動制御デバイス60(図8参照)における細胞Cの移動方向を示している。この場合、細胞Cの移動方向Aは、X方向マイナス側(一方向側)からX方向プラス側(一方向側と反対側)を向いている。すなわち、X方向マイナス側が、細胞Cの移動方向上流側に位置し、X方向プラス側が、細胞Cの移動方向下流側に位置している。
次に、図1乃至図3を参照して各突起20の構成について説明する。
各突起20は、デバイス本体11上に配置されており、デバイス本体11と一体化されている。すなわち、各突起20はデバイス本体11と同一の材料からなっている。
各突起20は、平面視で略矩形状であり、当該矩形の各辺は、X方向又はY方向に対して平行に位置している。各突起20には、複数の段部22から構成された階段部21が形成されている。この場合、階段部21は、X方向マイナス側(一方向側)、Y方向プラス側およびY方向マイナス側の三方向側に形成されている(図3参照)。一方、各突起20のうち、X方向プラス側(一方向側と反対側)には、階段部21は形成されておらず、デバイス本体11の表面11aに垂直な垂直面23が形成されている。
各突起20は、上方(デバイス本体11の表面11aから遠い側)に位置する頂面24を有している。頂面24は、デバイス本体11の表面11aと平行な水平面からなる。頂面24の幅wは、例えば100nm〜10μmとしても良い。頂面24の幅wをこの範囲とすることにより、移動制御デバイス60(図8参照)において、細胞Cの移動を阻害することなく、細胞Cを移動方向Aに沿って円滑に移動させることができる。
階段部21の段部22は、互いに略同一の形状を有している。各段部22は、外側角部22aと、内側角部22bと、外側角部22aと内側角部22bとの間に位置する段部表面22cとを有している。なお、段部22の断面において(図2参照)、外側角部22aおよび内側角部22bは、それぞれ直角状に形成されているが、これに限らず、外側角部22aおよび内側角部22bが丸みを帯びていても良い。また、段部表面22cの幅wは、例えば10nm〜1μmとしても良い。各段部22の高さhは、例えば10nm〜1μmとしても良い。各段部22の幅wおよび高さhを上記範囲とすることにより、移動制御デバイス60(図8参照)において、細胞Cを移動方向Aに沿って円滑に移動させることができる。また、後述するナノインプリント法によって階段部21を容易に形成することができる。なお、段部表面22cの幅wと各段部22の高さhとが、互いに同一の距離であっても良く(w=h)、互いに異なる距離となっていても良い(w<h、又はw>h)。また、段部表面22cの幅wと上述した頂面24の幅wとが、互いに同一の距離であっても良く(w=w)、互いに異なる距離となっていても良い(w<w、又はw>w)。
階段部21には、例えば5段〜100段の段部22が形成されている。図1乃至図3においては、便宜上、5段の段部22を示している。各突起20の移動方向A(X方向)に沿う全体の幅wは、例えば1μm〜10μmであり、好ましくは3μm〜5μmである。各突起20の移動方向Aに垂直な方向(Y方向)に沿う全体の幅wは、例えば1μm〜100μmである。各突起20の全体の高さhは、例えば1μm〜10μmであり、好ましくは3μm〜5μmである。
階段部21の傾斜角θは、例えば30°〜70°とすることが好ましく、40°〜60°とすることが更に好ましい。階段部21の傾斜角θをこの範囲とすることにより、移動制御デバイス60(図8参照)において、細胞Cの移動を阻害することなく、細胞Cを移動方向Aに沿って円滑に移動させることができる。なお、傾斜角θとは、各段部22の外側角部22aを結んだ線分Lと、デバイス本体11の表面11aとがなす角をいう。
このような凸状構造体10は、例えばポリジメチルシロキサン(PDMS)等の合成樹脂材料のほか、ガラス、シリコン等の無機材料から作製されても良い。なお、後述するように凸状構造体10をナノインプリント法により作製する場合、凸状構造体10は、合成樹脂材料からなることが好ましい。
(凹状構造体の構成)
次に本発明の一実施の形態に係る凹状構造体の構成について説明する。図4および図5は、本発明の一実施の形態に係る凹状構造体を示す図である。
図4および図5に示す凹状構造体40は、平坦な表面41aを有するとともに略直方体形状の構造体本体41と、構造体本体41に穿設され、XY平面方向に間隔を空けて配置された複数(多数)の孔部50とを備えている。
このうち複数(多数)の孔部50は、構造体本体41上にX方向及びY方向に沿って配列されている。各孔部50は、構造体本体41に形成された非貫通穴からなっている。
各孔部50には、複数の段部52から構成された階段部51が形成されている。この場合、階段部51は、X方向マイナス側(一方向側)、Y方向プラス側およびY方向マイナス側の三方向側に形成されている。一方、各孔部50のうち、X方向プラス側(一方向側と反対側)には、階段部51は形成されておらず、構造体本体41の表面41aに垂直な垂直面53が形成されている。
なお、上述した凸状構造体10の複数の突起20は、凹状構造体40の複数の孔部50を転写することにより形成されたものである。したがって、各孔部50の形状は、各突起20を略反転させた三次元形状を有しており、ここでは詳細な説明を省略する。
このような凹状構造体40は、例えば合成石英、サファイア、無アルカリガラス等の二酸化ケイ素を含む無機材料から作製されても良い。
(凹状構造体および凸状構造体の製造方法)
次に、上述した凹状構造体40を製造する方法について、図6(a)〜(g)を用いて説明する。
まず、凹状構造体40を作製するための凹状構造体用材料40aを準備する(図6(a))。次に、凹状構造体用材料40aの表面にレジスト44を塗布する(図6(b))。
次いで、例えば電子線描画法によりマスク描画を行い、現像処理を行う。このとき、レジスト44がポジ型レジストの場合、レジスト44のうち、各段部52の幅wに相当する領域が現像処理により除去される(図6(c))。
次に、レジスト44をマスクとして凹状構造体用材料40aに対してドライエッチングを行う。これにより、凹状構造体用材料40aのうちレジスト44に覆われていない部分が、厚み方向に部分的に除去される。具体的には、凹状構造体用材料40aのうち、各段部52の幅w及び高さhに相当する領域が除去される。このようにして、凹状構造体用材料40aに1段の段部52に相当する非貫通孔50aが形成される(図6(d))。
続いて、レジスト44のうち、非貫通孔50aに隣接する領域であって、各段部52の幅wに相当する領域を、前述の通り、描画、現像処理により除去する(図6(e))。
次に、レジスト44をマスクとして凹状構造体用材料40aに対して再度ドライエッチングを行う。これにより、凹状構造体用材料40aのうちレジスト44に覆われていない部分が、厚み方向に部分的に除去される。具体的には、凹状構造体用材料40aのうち、非貫通孔50aに隣接する領域および非貫通孔50a内の領域であって、各段部52の幅w及び高さhに相当する領域が更に除去される。このようにして、凹状構造体用材料40aに2段分の段部52に相当する非貫通孔50aが形成される(図6(f))。
このようなドライエッチング作業を所望の段数分だけ繰り返すことにより、凹状構造体用材料40aに、所望の段数(図では5段)の段部52を有する階段部51が形成される。その後、レジスト44を除去することにより、構造体本体41と、構造体本体41に穿設され、それぞれ階段部51を有する複数(多数)の孔部50を備えた凹状構造体40が得られる(図6(g))。
次に、上述した凹状構造体40をモールドとして用いて、インプリント法により凸状構造体10を作製する方法について、図7(a)〜(d)を参照して説明する。
まず、凹状構造体40を上方に保持するとともに凹状構造体40の下方の対向する位置に基材保持部45を配置する(図7(a))。
続いて、基材保持部45上の所望の領域に、ポリジメチルシロキサン(PDMS)等の光硬化性樹脂の液滴Dを吐出して供給する(図7(b))。
続いて、凹状構造体40を下降させ、凹状構造体40と基材保持部45とを近接させることにより、凹状構造体40と基材保持部45との間に液滴Dを展開し、凸状構造体10を構成する光硬化性樹脂層46を形成する。次いで、凹状構造体40を介して光硬化性樹脂層46に対して光照射を行い、光硬化性樹脂層46を硬化させる。これにより、光硬化性樹脂層46に凹状構造体40の孔部50が転写され、凸状構造体10の突起20が形成される(図7(c))。
その後、凸状構造体10と凹状構造体40とを引き離すことにより、デバイス本体11と、デバイス本体11上に突設された複数(多数)の突起20とを備えた凸状構造体10が得られる(図7(d))。この場合、1つの凹状構造体40を用いて複数回インプリントを行うことにより、同一形状からなる多数の凸状構造体10を容易に量産することができる。
(凸状構造体の作用)
次に、このような構成からなる本実施の形態について説明する。具体的には、凸状構造体10を用いた移動制御デバイスの作用について説明する。図8は、本発明の一実施の形態に係る移動制御デバイスを示す図である。
図8に示すように、移動制御デバイス60は、上述した凸状構造体10と、凸状構造体10の突起20側に対向して配置された平坦な対向板61とを有している。対向板61と凸状構造体10の突起20との間には、細胞Cが通過可能な程度の空隙62が形成されている。
移動制御デバイス60の使用時には、まずX方向マイナス側(一方向側)から、凸状構造体10と対向板61との間に細胞Cを導入する。細胞Cは、X方向マイナス側からX方向プラス側に向けて一定の方向(移動方向A)に沿って移動する。
このとき、細胞Cは、突起20の一方向側に形成された階段部21に沿って移動し、これにより空隙62内を移動方向Aに円滑に進む。一方、突起20の一方向側と反対側(X方向プラス側)には垂直面23が形成されている。このため、細胞Cが移動方向Aの逆方向に移動しようとしても、垂直面23が逆止弁のような役割を果たし、垂直面23によって細胞Cの移動が阻害される。このため、細胞Cは、移動方向Aのみに移動することができ、移動方向Aの反対方向には移動することが困難である。
このように、本実施の形態によれば、凸状構造体10の各突起20のうち、少なくともX方向マイナス側(一方向側)に階段部21が形成されている。これにより、凸状構造体10を移動制御デバイス60において用いる際、細胞Cが一定の方向(移動方向A)のみに向かって移動するように制御することができる。この結果、移動制御デバイス60を用いて細胞Cの移動の程度を測定し、細胞Cの活性化等の状態を評価することができる。
また、本実施の形態によれば、凹状構造体40をモールドとして用いることにより、多数の凸状構造体10を作製することが可能となる。このため、生産性が良好で品質の安定した非対称な凸状構造体10を簡単な方法で作製することができ、凸状構造体10の量産を容易に行うことができる。
また、本実施の形態によれば、突起20のうちX方向プラス側(一方向側と反対側)には垂直面23が形成されている。これにより、細胞Cが移動方向Aの反対方向に向けて移動することを防止することができる。
また、本実施の形態によれば、各突起20のうちX方向マイナス側(一方向側)を含む三方向側に階段部21が形成されている。これにより、細胞Cが、Y方向に互いに隣接する突起20同士の間を通過しやすくすることができ、細胞Cを移動方向Aにより円滑に移動させることができる。
(凸状構造体の突起の変形例)
上述の実施の形態では、凸状構造体10の各突起20のうち、X方向マイナス側(一方向側)を含む三方向側に階段部21が形成されている場合を例にとって説明したが、これに限られるものではない。例えば、図9に示すように、各突起20のうち、一方向側(X方向マイナス側)のみに階段部21が形成され、当該一方向に直交する二方向側(Y方向プラス側及びY方向マイナス側)には、デバイス本体11の表面11aに垂直な側面25が形成されていても良い。あるいは、図10に示すように、各突起20のうち、一方向側を含む二方向側(X方向マイナス側及びY方向プラス側)に階段部21が形成され、当該一方向及び当該一方向に直交する側(Y方向マイナス側)間には、デバイス本体11の表面11aに垂直な側面25が形成されていても良い。
また、上述の実施の形態では、各突起20のうち、X方向プラス側(一方向側と反対側)に垂直面23が形成されている場合を例にとって説明したが、これに限られるものではない。例えば、図11(a)(b)に示すように、各突起20のうち、X方向プラス側(一方向側と反対側)に傾斜面26が形成されていても良い。この場合、傾斜面26は、階段部21よりも急な傾斜をもつ。すなわち、傾斜面26は、階段部21の傾斜角θよりも大きい傾斜角θをもつ。これにより、細胞Cが移動方向Aの反対方向に向けて移動する不具合を防止することができる。なお、傾斜面26の傾斜角θとは、傾斜面26の上端26aと下端26bとを結んだ線分Lと、デバイス本体11の表面11aとがなす角をいう。また、傾斜面26の下端26bは、傾斜面26の上端26aよりも階段部21から遠い側(X方向プラス側)に位置している。これにより、ナノインプリント法によって凸状構造体10を作製する際(図7(a)〜(d))、凸状構造体10と凹状構造体40とを互いに容易に引き離すことができる。なお、傾斜面26は、図11(a)に示すように、断面が直線状であっても良く、図11(b)に示すように、断面がデバイス本体11側に湾曲した曲線状であっても良い。また、傾斜面26は、階段状に形成されていても良い。
さらに、上述の実施の形態では、各突起20の外周が平面矩形形状である場合を例にとって説明したが、これに限られるものではない。例えば、各突起20の外周が平面略半円形状又は半楕円形状であっても良く(図12(a)参照)、あるいは、平面略三角形形状等の平面多角形形状であっても良い(図12(b)参照)。
10 凸状構造体
11 デバイス本体
11a 表面
20 突起
21 階段部
22 段部
23 垂直面
24 頂面
40 凹状構造体
41 構造体本体
50 孔部
51 階段部
52 段部
60 移動制御デバイス
61 対向板

Claims (8)

  1. 細胞の移動制御に用いられる移動制御デバイス用の凸状構造体であって、
    平坦な表面を有するデバイス本体と、
    前記デバイス本体上に突設され、平面方向に間隔を空けて配置された複数の突起とを備え、
    各突起のうち少なくとも一方向側に階段部が形成されていることを特徴とする凸状構造体。
  2. 各突起のうち前記一方向側と反対側には、前記表面に垂直な垂直面又は前記階段部よりも急な傾斜をもつ傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項1記載の凸状構造体。
  3. 各突起のうち前記一方向側を含む三方向側に前記階段部が形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の凸状構造体。
  4. 各突起の高さは、1μm〜10μmであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項記載の凸状構造体。
  5. 前記階段部の各段の高さは、10nm〜1μmであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項記載の凸状構造体。
  6. 細胞の移動制御に用いられる移動制御デバイスであって、
    請求項1乃至5のいずれか一項記載の凸状構造体と、
    前記凸状構造体の前記突起側に対向して配置された対向板とを備え、
    前記対向板と前記凸状構造体の前記突起との間には、空隙が形成されていることを特徴とする移動制御デバイス。
  7. 細胞の移動制御に用いられる移動制御デバイス用の凸状構造体を作製するための凹状構造体であって、
    平坦な表面を有する構造体本体と、
    前記構造体本体に穿設され、平面方向に間隔を空けて配置された複数の孔部とを備え、
    各孔部のうち少なくとも一方向側に階段部が形成されていることを特徴とする凹状構造体ことを特徴とする凹状構造体。
  8. 請求項記載の凹状構造体を用いて、請求項1乃至5のいずれか一項記載の凸状構造体を作製する、凸状構造体の製造方法であって、
    前記凹状構造体を準備する工程と、
    前記凹状構造体に対向する位置に、基材保持部を配置する工程と、
    前記基材保持部上に、樹脂の液滴を供給する工程と、
    前記凹状構造体と前記基材保持部とを近接させることにより、前記凹状構造体と前記基材保持部との間に前記液滴を展開し、前記凸状構造体を構成する樹脂層を形成する工程と、
    前記樹脂層を硬化させることにより、前記樹脂層に前記凹状構造体の前記孔部が転写され、前記凸状構造体の前記突起が形成される工程とを備えたことを特徴とする凸状構造体の製造方法。
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