JP6977258B2 - 中空構造体 - Google Patents

Description

本発明は、中空構造体に関する。

先端が開口している突出部を有する中空構造体が存在する。この中空構造体は、例えば医療・ヘルスケア分野で、中空構造体内に機能材料を入れ、突出部の開口部から体内に注入するマイクロニードルや、細胞培養の足場材としての再生医療のための培養器具として用いることが出来る。この場合、開口部の寸法や突出部の寸法管理が非常に重要である。

突出部の先端に開口部を設けた中空構造体の製造方法は種々あるが、たとえば特許文献１には、３Ｄプリンタを用いて、光硬化性樹脂液体やワイヤ状の樹脂を溶かしながら、インクジェット方式で積層していく方法が一例として開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された技術では微細加工が困難であり、特に突出部の寸法のばらつきが大きくなる。例えば医療・ヘルスケア分野に用いられる中空構造体は、開口部が３０μｍ以下のような微細加工が必要であるため、従来の技術では、寸法安定性を保った製造が困難であった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、寸法安定性が担保された中空構造体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の中空部が設けられた基体と、前記第１の中空部と外部とに連通する第２の中空部が設けられ、かつ前記基体から突出する突出部と、を有し、前記第２の中空部の前記第１の中空部側の開口である第１の開口部の面積が、前記第２の中空部の外部側の開口である第２の開口部の面積よりも大きいことを特徴とする中空構造体である。

本発明によれば、寸法安定性が担保された中空構造体を提供できる。

図１は、実施の形態に係る中空構造体の構造を例示する図である。 図２は、実施の形態に係る中空構造体の突出部を例示する部分拡大断面図である。 図３は、実施の形態に係る中空構造体の製造工程を例示する図である。 図４は、実施の形態に係る中空構造体の製造工程を例示する図である。 図５は、加圧時のテンプレートの逆テーパ部近傍の部分拡大断面図である。 図６は、減圧時のテンプレートの逆テーパ部近傍の部分拡大断面図である。 図７は、第１のテンプレートの模式図である。 図８は、第２のテンプレートの模式図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る中空構造体の実施の形態を詳細に説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

（中空構造体の構造）
まず、実施の形態に係る中空構造体１０の構造について説明する。図１は、実施の形態に係る中空構造体１０の構造を例示する図である。本実施の形態では、中空構造体１０の一例として、医療・ヘルスケア分野などで利用されるマイクロニードルアレイを例に挙げて説明する。しかし中空構造体１０の適用例はこれに限定されない。図１（ａ）は本実施の形態の中空構造体１０を斜めから見た斜視図、図１（ｂ）は本実施の形態の中空構造体１０を上方から見た平面図、図１（ｃ）は中空構造体１０を横から見た図１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う縦断面図である。

図１（ｃ）を参照して中空構造体１０の構造を説明する。図１（ｃ）に示すように、中空構造体１０は、基体１１と、基体１１から突出する突出部１３と、を有する。基体１１には、第１の中空部１２ａが設けられている。突出部１３には、第１の中空部１２ａと外部とに連通する第２の中空部１２ｂが設けられている。この例では、基体１１には、複数の第１の中空部１２ａが設けられ、複数の第１の中空部１２ａごとに突出部１３が設けられている。つまり、基体１１には、複数の第１の中空部１２ａと１対１に対応する複数の突出部１３が設けられている。以下では、説明の便宜上、第１の中空部１２ａと、該第１の中空部１２ａと連続する第２の中空部１２ｂとを合わせて中空部１２と称する場合がある。

また図１（ｂ）で参照されるように、突出部１３及び第１の中空部１２ａは、平面視において行列上に配置される。なお、基板１１に設けられた複数の第１の中空部１２ａは、連続する隔壁１５によって仕切られている。つまり隣り合う第１の中空部１２ａは隔壁１５を共有している。

なお、便宜上、基体１１において突出部１３側を上側又は一方の側、その反対側を下側又は他方の側とする。又、各部位の突出部１３側の面を上面又は一方の面、その反対側の面を底面又は他方の面とする。但し、中空構造体１０は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。そして、平面視とは対象物を基体１１の上面１１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基体１１の上面１１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。

以下、中空構造体１０の各構成要素について詳説する。中空構造体１０において、第１の中空部１２ａは基体１１の底面を貫通しておらず、第１の中空部１２ａの下面側は閉鎖されている。第１の中空部１２ａの形状は、例えば、略正四角柱状や略正六角柱状、略正円柱状とすることができる。特に略正六角柱状とした場合は、中空構造体１０は、略正六角柱状の第１の中空部１２aを行列状に配置したハニカム構造とすることもできる。第１の中空部１２aのピッチＰは、例えば、４００μｍ程度とすることができる。このピッチＰは突出部１３のピッチであると考えることもできる。隣接する第１の中空部１２ａ間の隔壁１５の最薄部の厚さｔは、例えば、２０μｍ程度とすることができる。

また、第１の中空部１２ａごとに設けられる突出部１３は中空形状であり、突出部１３には第２の中空部１２ｂが設けられている。突出部１３は上下方向に貫通しており、突出部１３の上側の開口である第２の開口部１４ｂは、外側と連通しており、解放されている。突出部１３の下側の開口である第１の開口部１４ａは、第１の中空部１２ａと連通している。つまり、第２の中空部１２ｂにおいて、第１の中空部１２ａと連通する開口が第１の開口部１４ａであり、外部と連通する開口が第２の開口部１４ｂである。第１の中空部１２ａと第２の中空部１２ｂの間に物理的な障壁は存在しない。しかし本実施の形態では、便宜上、第１の中空部１２ａと第２の中空部１２ｂの境界は、基体１１の上面であると定義する。なお、以後は基体１１の上面を表面部１１ａと定義する。

第２の中空部１２ｂの形状は、例えば、突出部１３の先端に向けて先細りしており、略円すい状や略四角すい状とすることができる。本実施の形態では、突出部１３は先細り形状となっているため、第２の開口部１４ｂの面積は、第１の開口部１４ａの面積よりも小さい。範囲としては、第２の開口部１４ｂの径φ_２は、第１の開口部１４ａの径φ_１の５分の１以下であることが好ましい。なお、中空構造体１０をマイクロニードルとして利用する際の一例としては、第２の開口部１４ｂの径φ_２は３０μｍ以下であることが好ましい。かつ、第１の開口部１４ａと第２の開口部１４ｂとの距離が、４０μｍ以上２００μｍ以下であることがより好ましい。これらの数値範囲をとることで破壊されにくく、中空部１２に色々な液体を注入することができ、かつさまざまな用途に使用が可能である。この例では、第２の開口部１４ｂの径φ２は３０μｍ以下であり、例えばφ２を１０μｍ程度とすることができる。第１の開口部１４ａの直径φ１は１５０μｍ程度とすることができる。また第１の開口部１４ａ及び第２の開口部１４ｂの平面形状は略楕円や略正円、略多角形など、様々な形状をとりえる。

また、突出部１３の先端は針形状である。突出部１３の先端が針形状であることで、使用用途が広がる。また、突出部１３の先端が針形状であることで、中空構造体１０を後述の製造方法で製造したあとに、突出部１３の針形状部分の長さを適宜切り取るなどして調整することが可能である。よって、たとえば複数の中空部１２が設けられた中空構造体１０を製造する場合でも、ひとつの中空構造体１０において、第１の開口部１４ａの径φ_１や第２の開口部１４ｂの径φ_２をあわせて調整することができ、各突出部１３の寸法安定性が担保された中空構造体１０を得ることができる。

表面部１１ａから突出部１３の先端までの高さＨ₁は、例えば、１５０μｍ程度とすることができる。基体１１の高さ（底面から表面部１１ａまでの高さ）Ｈ₂は、例えば、６５０μｍ程度とすることができる。なお、ここで示した各形状と各数値は、あくまで一例である。これらの形状は図２を参照して後述するように、様々な形状をとりえる。また各数値は用途に応じて適宜決定することができる。以降の数値例についても同様である。

図２は、実施の形態に係る中空構造体の突出部１３を例示する部分拡大断面図である。図２に示すように、突出部１３は、様々な形状をとり得る。突出部１３は、先端に向けてテーパ形状であることが好ましい。微細な突出部１３は通常衝撃に弱いが、先端に向けてテーパ形状をとることで、突出部１３の根本部分が折れることを防ぐ。このことから、中空構造体１０を保管する際においても破壊を防ぎ、寸法安定性が担保される。

例えば、図２（ａ）に示すように、突出部１３は、柱状形状の柱状部１３ｓとテーパ形状のテーパ部１３ｔとを含む構成とすることができる。図２（ａ）の例では、表面部１１ａと突出部１３のテーパ形状が連続し、突出部１３の先端に向かって、テーパ形状から柱状形状へと連続している。柱状部１３ｓは、基体１１の表面部１１ａに対して突出部１３の外側の面である外側面１３ｏが略垂直となる部分である。テーパ部１３ｔは、基体１１の表面部１１ａに対して、突出部１３の内側の面である内側面１３ｉまたは外側面１３ｏが、突出部１３の先端に向かって指数関数的に先細りとなる部分である。

なお柱状部１３ｓの壁面の厚さ（内側面１３ｉと外側面１３ｏとの距離）は、１μｍ以下程度と極薄く形成されている。よって、内側面１３ｉと外側面１３ｏは柱状部１３ｓにおいて略並行であり、基体の表面部１１ａに対して略直角である。すなわち、柱状部１３ｓは上下方向の位置によらず、第２の中空部１２ｂの中空形状の直径は一定と言える。一方で、テーパ部１３ｔは上方に行くほど中空形状の直径が小さくなる。

以上に突出部１３が柱状部１３ｓとテーパ部１３ｔとを含む構成を説明した。また図２（ｂ）のように、突出部１３はテーパ部１３ｔのみから構成される形態であってもよい。

突出部１３を、柱状部１３ｓを含む構成とすることにより、成形加工のばらつきを吸収して第２の開口部１４ｂの直径φ_２の寸法安定性を向上できる。すなわち、第２の開口部１４ｂの直径φ_２の寸法ばらつきを小さくできる。又、後述の製造方法で詳説するが、加工条件を変えることにより、同一のテンプレートで第２の開口部１４ｂの直径φ_２を変えずに突出部１３の長さのみを変えることができる。

突出部１３を、テーパ部１３ｔを含む構成とすることにより、内部応力が拡散しやすくなり、突出部１３の強度を向上できる。

また突出部１３を、テーパ部１３ｔのみから構成する場合は、突出部１３の先端に向かうに連れて、第２の開口部１４ｂの面積は小さくなる。よって突出部１３の長さ（表面部１１ａから突出部１３先端までの高さ）を調整することで、第２の開口部１４ｂの直径φ_２を可変に設定できる。つまり、用途に応じて突出部１３の長さを調整することで、第２の開口部１４ｂの直径φ_２を所望の値に設定することができる。また同じテンプレートを用いても、加工条件を第２の開口部１４ｂの直径φ_２の寸法を制御することができる。その結果、テンプレートの種類を増やすことなく、製造コストを低減できる。なお、第１の開口部１４ａの直径φ_１が可変であることについては、後述のテンプレートの形状で詳しく説明する。

突出部１３は中空形状かつ微細な針形状で、製造時及び使用時に破損しやすい。そこで突出部１３の土台となる、基体の表面部１１ａから突出部１３へと連続する部分の壁面を厚くすることで、破損を防ぐことができる。そこでテーパ部１３ｔの壁面の厚みは、突出部１３の先端から基体の表面部１１ａに連れて肉厚となることが好ましい。

次に、本実施の形態に係る中空構造体１０の形成材料について示す。

中空構造体１０は、中空構造体形状への変形過程では流動性と延性（薄膜化で破損しない性質）を持ち、又、形成後は固化する、塑性変形機能を有する材料から形成される。塑性変形機能の一例として刺激硬化性がある。刺激は、たとえば、光（紫外線、赤外線など）、熱、電気、などである。本実施の形態では、中空構造体形成材料の一例として、紫外線照射により硬化する紫外線硬化性樹脂を用いて説明する。

中空構造体形成材料は、本実施の形態に限定されず、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いてもよい。また中空構造体形成材料は樹脂に限定されず、塑性変形機能を有する金属を用いてもよい。

次に、本実施形態の中空構造体１０の適用例を示すが、実施用途はこの一例に限定されるものではない。

複数の第１の中空部１２ａおよび突出部１３が配列された中空構造体１０は、例えば、図１（ａ）のようなパッチ形状のマイクロニードルアレイとして用いることができる。具体的には、突出部１３に設けられた第２の開口部１４ｂから中空部１２に薬液等の機能材料を注入し、皮膚等に突出部１３の第２の開口部１４ｂを押し当てる。そして、パッチの底部（基体１１の突出部１３と反対側の底面）から突出部１３の方向に指等で押圧することにより、薬液等の機能材料を体内に注入することができる。パッチはテープ等で皮膚に貼り付けても良い。

中空構造体１０は突出部１３が設けられたことで、肌に直接触れやすくなり、毛等の障害物の影響を抑制することができる。又、中空構造体１０は、例えば、突出部１３の高さＨ₁が１５０μｍ程度であり、突出部１３がテーパ状に先細りとなり、かつ、突出部１３の壁の厚さも突出部１３の先端側ほど薄くなっている。そのため、楔効果が得られ、注射針と同様の効果を示し、表皮に容易に刺すことができる。

なお、中空構造体１０をマイクロニードルアレイ以外に使用する場合であって、例えば、可騰性を有する固体に刺す場合には、対象物を切り裂いて第２の開口部１４ｂが埋まることなく対象物に進入できる。

本実施の形態では、第２の開口部１４ｂは、第１の開口部１４ａの面を並行にして設けているが、これに限定されない。後述する製造方法で中空構造体１０を形成した後に、突出部１３の先端を斜めに切ることで、第１の開口部１４ａの面と、第２の開口部１４ｂの面とを傾斜させて、突出部１３を対象物に刺しやすい形状とすることができる。

また製造方法で後述するが、中空構造体１０において、隣接する第１の中空部１２ａや、第２の中空部１２ａと突出部１３は一体化して形成されている。つまり、中空構造体１０は、各第１の中空部１２ａや各突出部１３を別に形成して接着等した構造ではない。この構造により、中空構造体１０全体としての強度が大きくなると共に、中空部１２内に液体等を入れた場合に液体等の漏れが生じ難くなる。

突出部１３の高さＨ₁が１５０μｍ程度の中空構造体１０であれば、隔壁１５の厚さｔは１０μｍから２０μｍ程度と薄いため、底部を押圧した際は第１の中空部１２ａを変形させることが可能である。このことで、中空部１２から外部へ液体を効率的に排出させることができる上に、液体等の漏れも防ぐことができる。加えて、中空構造体１０の底面や側面にテープ等で保護層を設けることで、液体を保持する中空構造体１０の強度を増し、押圧時の破損を防ぐことができる。

なお、各中空部１２には同一種の液体を注入する必要はなく、種類の異なる液体を注入してもよい。

（中空構造体の製造方法）
次に、実施の形態に係る中空構造体１０の製造方法について説明する。図３、図４は、実施の形態に係る中空構造体１０の製造工程を例示する図である。なお、本製造工程で使用する型のことを、明細書中でテンプレートと呼ぶこともある。図５は製造工程の中で加圧時のテンプレート３８０の逆テーパ部近傍の部分拡大をした断面図である。図５(a)が加圧前、図５（b）が加圧後を表す。図６は製造工程の中で減圧時のテンプレートの逆テーパ部近傍の部分拡大をした断面図である。図６(a)が減圧前、図６（b）が減圧後を表す。

本実施の形態に係る中空構造体１０の製造方法は、上面から深さ方向に離れるほど径が小さくなる凹部３９０有する型（テンプレート３８０）の上面に、塑性変形機能を有する中空構造体形成材料３４２を設ける第１の工程と、中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０側に押圧し、中空構造体形成材料３４２を凹部３９０の少なくとも一部に進入させる第２の工程と、一部が凹部３９０に進入した状態の中空構造体形成材料３４２を気体（ガス）の圧力によって押し上げて、中空構造体形成材料３４２に中空部１２を形成する第３の工程と、中空部１２が形成された中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０からはがす第４の工程と、を有する。以下で詳説する。

まず、第１の工程として図３（ａ）に示す工程では、テンプレート３８０を準備する。テンプレート３８０は、中空構造体１０となる中空構造体形成材料３４２を膨らませ、中空構造体形状を形成するための部材であり、中空構造体１０の表面形状やピッチを決定する。テンプレート３８０は、例えば、ニッケル、シリコン、ステンレス、銅等を用いて形成することができる。

本実施の形態で用いるテンプレート３８０は、ガス透過性を有する高分子物質で構成される。より具体的には、テンプレート３８０は、ゴムの一例であるシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）で構成される。図７に示すように、テンプレート３８０は、上面３８０ａから深さ方向に形成された複数の凹部３９０を備えている。シリコーンゴム（ＰＤＭＳ）のようなガス透過性を有するテンプレート３８０を用いることにより、加圧時にガス加圧力が発生した際にテンプレート３８０内部にガスを溶解させ、減圧時にガス圧力が負圧になった際にテンプレート３８０内部からガスを噴出させることができる。

凹部３９０は、上面３８０ａの近傍に逆テーパ部３９０ｔを形成している。より具体的には、凹部３９０は上面３８０ａ付近の径が大きく、テンプレートの上面３８０ａから底面に向かうに連れて凹部３９０の径が小さくなる逆テーパ形状に形成されている。また、凹部３９０の深さ方向の長さは、所望の中空構造体１０の突出部１３の長さよりも長く設けられたテンプレート３８０を準備する必要がある。

次に、図３（ｂ）に示す工程では、テンプレート３８０の上面３８０ａを中空構造体形成材料３４２で被覆する。具体的には、保護材３４１と、予め保護材３４１にスピンコート法等により塗布した中空体形成材料３４２とからなる中空構造体基材３４０を、中空体形成材料３４２をテンプレート３８０側に向けて、テンプレート３８０の上面３８０ａに配置する。

中空構造体形成材料３４２は、中空構造体形状への変形過程では流動性と延性（薄膜化で破損しない性質）を持ち、又、形成後は固化する材料である。中空体形成材料３４２としては、例えば、紫外線照射により硬化する紫外線硬化性樹脂を用いることができる。中空体形成材料３４２の厚さは、例えば、５〜２００μｍ程度とすることができる。

中空構造体基材３４０をテンプレート３８０の上面３８０ａに配置後、張り合わせ装置の加圧ローラ３５０により中空構造体基材３４０を矢印Ｂ方向に加圧しながら、加圧ローラ３５０を矢印Ｃ方向に移動させる。これにより、中空構造体基材３４０をテンプレート３８０の上面３８０ａに貼り付けて密着させる。この際、中空構造体基材３４０とテンプレート３８０の上面３８０ａとの間に気泡が入らないようにするため、中空構造体基材３４０の端部からテンプレート３８０の上面３８０ａに貼り付けを開始することが好ましい。加圧ローラ３５０を矢印Ｃ方向に移動させる速度は、例えば、５０ｍｍ／ｓ程度とすることができる。

なお、この工程では、テンプレート３８０の凹部３９０に必要以上に中空構造体形成材料３４２が入り込まないように、矢印Ｂ方向に加圧する圧力の制御を行なっている。具体的には、矢印Ｂ方向の圧力は、次工程の押圧装置３６０の圧力よりも小さく設定されており、例えば、２０ｋＰａ程度とすることができる。

次に、第２の工程として図３（ｃ）に示す工程では、中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０側に押圧し、中空構造体形成材料３４２の一部を夫々の凹部３９０に進入させると同時に、中空構造体形成材料３４２の内部に含まれるガスをテンプレート３８０の内部に溶解させる。

凹部３９０と中空構造体形成材料３４２に囲まれた空間は密閉空間であり、密閉空間内の気圧（大気圧）よりもテンプレート３８０の外部の気圧を高くすることで、不均等力が発生し、中空構造体基材３４０はテンプレート３８０へと押圧される。それにともない、凹部３９０に中空構造体形成材料３４２が進入を開始する。なお、中空構造体形成材料３４２は高粘度であるため、流動抵抗が大きく、ある程度進入した時点で、流動速度は非常に遅くなる。

以下、本実施形態における図３（ｃ）の工程の具体的な内容を説明する。図３（ｃ）に示すように、テンプレート３８０に中空構造体基材３４０を積層した押圧対象物を、押圧装置３６０の容器内に配置する。押圧装置３６０は、中空構造体基材３４０とテンプレート３８０に均一及び所望の圧力を発生させる装置である。押圧装置３６０としては、例えば、所定の容器内に押圧対象物を配置し、容器内に空気を充填し空圧制御する装置を用いることができる。押圧装置３６０において、圧力媒体に空気等のガスを用いることにより、均一な圧力を発生することができる。

押圧対象物を押圧装置３６０の容器内に配置し、押圧装置３６０の空圧制御により押圧対象物を矢印Ｄ方向に押圧する。これにより、中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０に押し付けて変形させる。そして中空構造体形成材料３４２の一部を、テンプレート３８０の上面３８０ａに設けられた複数の凹部３９０に進入させる。

この際、矢印Ｄ方向の圧力を制御することで、テンプレート３８０への中空構造体形成材料３４２の凹部３９０への進入量を制御することができる。矢印Ｄ方向の圧力は、前工程の加圧ローラ３５０の圧力よりも大きく設定されており、例えば、６０ｋＰａ程度とすることができる。押圧時間は、例えば、６０秒程度とすることができる。なお、第２の工程の押圧が終了した段階で、図５に示されるように、凹部３９０に進入した中空構造体形成材料３４２で充溢されずに、凹部３９０と進入した中空体形成材料３４２の間には中空形状が設けられることが好ましい。より具体的には、凹部３９０が、詳細はテンプレートの形状で後述する。

前述したように、本実施の形態では、テンプレート３８０はガス透過性を有する高分子物質で構成されることを特徴とする。より具体的には、テンプレート３８０の材料として、特にガス透過性が高いシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）を用いているため、押圧対象物を押圧するガスがテンプレート３８０の内部に溶解し、高い圧力とならない。よって、中空構造体形成材料３４２は、比較的低圧条件下で凹部３９０の深くまで入り込むことができる。

図３（ｃ）に示される押圧工程は加圧ローラ３５０等の他の加圧手段で行うことも可能だが、押圧装置３６０のような、容器内の押圧対象物に対して均等に圧力をかけることができる装置を用いて押圧する方がより好ましい。理由としては以下の通りである。

中空構造体１０の突出部１３は極微細であるため、各凹部３９０へと進入する中空構造体形成材料３４２の量を均一、均等に制御する必要がある。加圧ローラを使用した場合は、中空構造体基材３４０への押圧時に、上下方向に加えてローラの進行方向にも圧力がかかる。可騰性を有する中空構造体形成材料３４２が中空構造体基材３４０の平面方向へ延性し、テンプレート３８０の凹部３９０へのもぐりこみ量にばらつきが生じ、寸法安定性に乏しい。

そこで押圧手段として押圧装置３６０を使用し、中空構造体基材３４０の上側から下側へ、均等な圧力が全面にかかることで、各凹部３９０における中空構造体形成材料３４２が進入する量が横方向に等しくなり、中空構造体１０の寸法安定性を保つことができる。また押圧時間を変化させることで、突出部１３の長さが任意に決定できるため、突出部１３の寸法制御を容易に行うことができる。

次に、第３の工程として図４（ａ）に示す工程では、一部が凹部３９０に進入した状態の中空構造体形成材料３４２をガスの圧力によって押し上げて、中空構造体形成材料３４２に、第１の中空部１２ａに相当する中空部２２と、第２の中空部１２ｂに相当する中空部２４と、を含む中空部１２を形成する。

ここでは、凹部３９０のうち中空構造体形成材料３４２が進入していない空間は密閉空間であり、第３の工程では、密閉空間内の気圧を外部の気圧よりも高くして、中空構造体形成材料３４２を押し上げる。テンプレート３８０の外部の気圧が、密閉空間の気圧よりも低くなると、不均等力が発生し、材料は延伸し中空部１２を形成する。

以下、図４（ａ）に示す工程の具体的な内容を説明する。まずテンプレート３８０上に中空構造体基材３４０を積層した減圧対象物を、減圧装置３７０の容器内に配置する。減圧装置３７０は、各凹部３９０の密閉空間に貯留する空気を抜いて真空を発生させる装置である。図６(ａ)(ｂ)は減圧時の凹部３９０を拡大した様子である。

なお、減圧装置３７０は、紫外線を透過する窓を付帯しているものが好ましい。減圧状態のままで中空体形成材料３４２を硬化することができるため、圧力の変動による中空構造体１０の変形を避けることができて、寸法安定性が保ちやすい。

減圧装置３７０の容器内を減圧することで相対的に圧力差が発生し、夫々の凹部３９０の内側面に中空構造体形成材料３４２を残留させながら、夫々の凹部３９０を介してテンプレート３８０の上面３８０ａを被覆する中空構造体形成材料３４２側にガスが供給される。ガスは、テンプレート３８０の内部に溶解させたガスも含まれる。なお、図４（ａ）の多数の矢印は、ガスの流れを模式的に示したものである。

ガスは、テンプレート３８０と中空構造体形成材料３４２との間で膨張し、中空体形成材料３４２を押し上げようとする。このとき、図６（ａ）に示されるように、中空構造体形成材料３４２は、凹部３９０の一部に進入している。その状態で減圧することで、図６（ｂ）に示すように、テンプレート３８０と中空構造体形成材料３４２との間の密閉空間内のガスは膨張し、一部が凹部３９０に進入した状態の中空構造体形成材料３４２を押し上げていく。このとき、中空構造体形成材料３４２のうちテンプレート３８０と密着している部分には流動が起こらないので、ガスは中空構造体形成材料３４２を押し広げるように膨張していく。

その結果、テンプレート３８０の上面３８０ａを被覆する中空構造体形成材料３４２に夫々の凹部３９０に対応する複数の中空部２２が独立して形成される。これと共に、夫々の凹部３９０に進入させた中空体形成材料３４２に中空部２２と、連通する中空部２４を備えた凸部２３（突出部１３に相当）が形成される。

図１（ｂ）や図３、図４で参照されるように、テンプレート３８０は隣り合った複数の凹部３９０が隣接して設けられている。よって隣接する突出部１３及び第１の中空部１２ａは同時に形成される。このテンプレート３８０の構造により、減圧時に各第１の中空部１２ａから隔壁１５への圧力が一定となり、複数の第１の中空部１２ａの容積は等しくなる。

減圧装置３７０による減圧力は、例えば、３０ｋＰａ程度とすることができる。減圧時間は、例えば、４０秒程度とすることができる。第１の中空部１２ａ及び突出部１３を形成後、減圧装置３７０の窓を介して、紫外線照射装置から中空体基材３４０に紫外線を照射し、中空構造体形成材料３４２を硬化させる。

減圧装置３７０による減圧力や減圧時間を変えることにより、第１の中空部１２ａの大きさを制御できる。例えば、減圧装置３７０による減圧力を小さくしたり、減圧時間を短くしたりすると小さな第１の中空部１２ａが形成される。減圧装置３７０による減圧力は、例えば、３０ｋＰａ程度とすることができる。減圧時間は、例えば、６０秒程度とすることができる。

次に、第４の工程として図４（ｂ）に示す工程では、テンプレート３８０の上面３８０ａから、中空構造体形状を形成した中空構造体基材３４０を剥離する。例えば、ピンセット状の剥離治具を用いて中空構造体基材３４０を挟み、矢印Ｅ方向に引き上げることで、テンプレート３８０の上面３８０ａから剥離できる。なお、テンプレート３８０を拡大した図７からわかるとおり、テンプレート３８０の凹部３９０には、テンプレート３８０の上面３８０ａの近傍に逆テーパ部３９０ｔが形成されて間口が大きくなっているため、離型抵抗が小さくなり、中空構造体形状が崩れることなく、中空構造体基材３４０を容易に離型（剥離）できる。

これにより、図１に示す中空構造体１０が完成する。なお、図３〜図６では、中空構造体形成材料３４２が、図１とは上下反転した状態で描かれている。

また、本実施の形態では、テンプレート３８０にシリコーンゴム（ＰＤＭＳ）等のガス透過性の高い高分子物質の材料を使用している。そのため、第１に、低圧での押圧が可能となり、高圧力の押圧装置が不要である。第２に、低圧の押圧で凹部３９０と中空体形成材料３４２の空間のガスを除去することができるため、両者の密着（転写）性を向上できる。第３に、低圧での押圧が可能となり、テンプレート３８０を変形させたり、破壊させたりすることを抑制できる。

ここで、突出部１３の形状の制御について説明する。

減圧時に形成される突出部１３及び第２の中空部１４bの形状は、テンプレート３８０の形状や、前工程である押圧装置３６０の押圧条件により制御することができる。加圧時に凹部３９０に進入する中空構造体形成材料３４２をもぐりこみ量と称する。押圧装置３６０の押圧力が小さい場合は、もぐりこみ量が少なく、押圧装置３６０の押圧力をあげ、温度を上げるほど、もぐりこみ量が大きくなる。

又、押圧力を大きくすると、突出部１３の高さＨ_１は大きくなり、第２の開口部１４ｂの直径φ_２は小さくなる。但し、押圧力を大きくしても、突出部１３の柱状部１３ｓの中空形状の径は殆ど変化しない。例えば図７に示されるテンプレート３８０は、上面３８０ａから深さ方向に形成された複数の凹部３９０を備えている。また凹部３９０は、深さ方向に向けて逆テーパ形状をとる逆テーパ部３９０ｔと、ストレート部３９０ｓからなる。なお、テンプレート３８０の逆テーパ部３９０ｔの形状を変えれば、当然、突出部１３の形状も変化する。

このように、テンプレート３８０の逆テーパ部３９０ｔの形状を調整することにより、突出部１３の形状を制御できる。又、図３（ｃ）の加圧時の押圧装置３６０の押圧条件や、温度を調整することにより、逆テーパ部３９０ｔの形状は一定であっても、突出部１３の高さＨ_１及び開口部１４の直径φ_１を制御できる。又、押圧装置３６０の押圧条件を調整することにより、突出部１３の柱状部１３ｓの直径を一定とした状態で、突出部１３の高さＨ_１を大きくすることができる。

なお、テンプレート３８０の形状は、ガス透過性の有無によっても変えることが出来る。詳しくはテンプレートの形状で後述する。

また、加圧および減圧を行い、内部空間とテンプレート３８０の外部との圧力差を生じさせて、不均等力により突出部１３を形成している。図５（ｂ）、図６（ｂ）の黒色矢印は、材料の流動を示すが、テンプレート３８０の壁面へと押しつけるようにして凹部３９０に進入する。よって凹部３９０と材料の粘着性が弱く、減圧時にテンプレート３８０から材料が途中ではがれ、突出部１３の寸法がばらつくことを防ぐことができる。また剥離時も、突出部１３の寸法を変えることなく寸法安定性を保った中空構造体を形成することが可能となる。

以上の中空構造体の製造方法をもとに、加圧時の条件（圧力、温度）をパラメータとして、突出部１３の寸法を計測した。この例では、テンプレート３８０の材料にシリコンゴム（ＰＤＭＳ）を使用し、テンプレート３８０として図７の形状のテンプレート３８０を使用して中空構造体１０を製造した。なお加圧は１５秒とし、減圧は５３ｋＰａで１５秒〜５０秒である。なおテンプレート３８０の形状は、後で詳説する。

実施例Ａとして、第２の工程時に圧力が１６０ｋＰａ、温度が８０度として押圧条件を設定し、中空構造体を作成した場合、第２の開口部１４ｂは２４μｍ、突出物１３の高さは６９μｍとなった。

実施例Ｂとして、第２の工程時に圧力が２００ｋＰａ、温度が２４度として押圧条件を設定し、中空構造体を作成した場合、第２の開口部１４ａは２７μｍ、突出物１３の高さは８８μｍとなった。

実施例Ｃとして、第２の工程時に圧力が２００ｋＰａ、温度が８０度として押圧条件を設定し、中空構造体を作成した場合、第２の開口部１４ｂは１５μｍ、突出物１３の高さは１０４μｍとなった。

実施例Ｄとして、第２の工程時に圧力が４００ｋＰａ、温度が８０度として押圧条件を設定し、中空構造体を作成した場合、第２の開口部１４ｂは９μｍ、突出物１３の高さは１８０μｍとなった。

実施例Ｆとして、第２の工程時に圧力が１６０ｋＰａ、温度が２４度として押圧条件を設定し、中空構造体を作成した場合、第２の開口部１４ｂは４８μｍ、突出物１３の高さは４３μｍとなった。

マイクロニードルは、突出部１３の高さが６０μｍ以上あるものが通常使われている。よってテンプレートにＰＤＭＳを使用して製造する場合、適切な温度は２４度〜８０度である。また適切な圧力の範囲は１６０ｋＰａから４００ｋＰａである。温度を２４度とした場合は、押圧を少なくとも２００ｋＰａで行い、押圧圧力を１６０ｋＰａとした場合は少なくとも８０度の温度とすることで、６０μｍ以上の突出物１３を形成することができる。

突出部１３の寸法は、押圧条件の温度、時間、圧力を調整することで適宜決定することができる。一例として、材料の粘度を低下させるために高温状態にし、材料が流動しやすい状態で、加圧時の圧力を増大することで、凹部３９０への中空構造体形成材料３４２のもぐりこみ量が増え、長い突出部１３を形成することが出来る。また中空構造体１０の第１の中空部１２ａの容積は、中空構造体形成材料３４２の厚さを適宜変えることでも、容易に調整することができる。

また、これらの最適値は中空構造体形成材料３４２が持つ粘度・性質によっても異なる。粘度が低い形成材料で長い突出部１３を有する中空構造体１０を形成する際は、より高圧・高温下で加圧する。粘度が高い形成材料の場合は、より低圧・低温化で加圧する。

寸法安定性を計測するために、第２の開口部１４ｂが５μｍの中空構造体１０を３４０００個作成した。各中空構造体１０に対し３方向からの写真をとり、突出部１３の高さ、および第２の開口部１４ｂの誤差が５〜１０μｍの範囲に収まるものを成功としてカウントした結果、不良の中空構造体１０は２８９で、不良率は０．９％であった。

[テンプレートの形状]
以下に、テンプレート３８０の形状を詳説する。テンプレート３８０の構造を変えることで、様々な形状の中空構造体１０を製造可能である。例えばテンプレート３８０として、図７に示す形状のテンプレート３８０を使用することもできるし、図８に示す形状のテンプレート４８０を使用することもできる。

図７に示す形状のテンプレート３８０（第１のテンプレート）について説明する。図７の例では、凹部３９０は、上面から深さ方向に離れるほど径が小さくなる逆テーパ形状が設けられている。より具体的には、凹部３９０の上面からテンプレート３８０内部に入り込んでいる内壁は弧形状となっている。弧の半径は２．５μｍ程度である。

凹部３９０の内壁は、逆テーパ形状とストレート形状の内壁を有していても良いし、逆テーパ形状だけで構成されていてもよい。所望の中空構造体１０の形状や突出部１３の長さにあわせたテンプレート３８０を使用することができる。

本実施の形態では、凹部３９０の第２の開口部１４ｂの直径φ２にあたる部分を１５０μｍ、隣り合う凹部３９０間のピッチを４００μｍ、テンプレート３８０の厚みを３ｍｍ、凹部３９０の弧の半径は２．５μｍとした。また、第２の工程で中空構造体基材３４０をテンプレート３８０に押し付ける際に、もぐりこみ量が多く、凹部３９０内の密閉空間を中空構造体形成材料３４２で充填しないように、凹部３９０はテンプレート３８０の上面３８０ａから深さ方向に十分深くまで設けることが好ましい。

次に図８に示す形状のテンプレート４８０（第２のテンプレート）について説明する。図８の例では、テンプレート４８０は金属材料で構成される。このように、ガス透過性の低い金属材料（ニッケル、クロム、ステンレス、胴など）で構成した場合は、減圧時にテンプレート４８０の内部の空気を膨張させるため、図８に示されるように、テンプレート４８０の凹部４９０に、あらかじめ空気を貯留できる空間を別途設けることが好ましい。この空気（ガス）が貯留する空間を、ガス貯留空間と称し、以下説明する。

中空形状のガス貯留空間は、凹部４８０の下側に、凹部４８０に連通する形で設ける。以下では便宜上、ガス貯留空間を、基板上面から連続し、かつ外部と連通している凹部４９０と、凹部４９０に連通する貯留部４１０にわけて詳説するが、両者の間に物理的な障壁はない。

凹部４９０において中空構造体形成材料３４２で被覆される側とは反対側に、凹部４９０よりも容積が大きく、かつ空気が貯留する貯留部４１０が設けられている。そして、製造方法の中で第３の工程では、凹部４９０のうち中空構造体形成材料３４２が進入していない空間と、該空間に連続する貯留部４１０と、からなる密閉空間の気圧を外部の気圧よりも高くして、中空構造体形成材料３４２を押し上げる。

図８を参照するように、貯留部４１０の径は凹部４９０の水平方向の径よりも大きいことが好ましい。より具体的には、貯留部４１０の体積は、所望の中空構造体１０の中空部１２の体積と同等か、それより大きいことが好ましい。その理由を以下に示す。

テンプレート４８０に貼付された中空構造体形成材料３４２を減圧することで、密閉空間である貯留部４１０内の空気が膨張する。そこで、貯留部４１０内の空気が凹部４９０を介し、中空構造体形成材料３４２の下部から上部へ押し上がるようにして移動することにより中空構造体形成材料３４２に中空部１２が形成される。

しかし、テンプレート４８０がガス透過性の低い材料で形成された場合は、加圧や減圧をした際にテンプレート４８０の外側からガス貯留空間へ空気を透過させることが難しい。よって、中空部１２は、ガス貯留空間内の空気のみにより形成されることとなるため、貯留部４１０の体積が所望の中空構造体の中空部１２の体積よりも小さい場合は、減圧時間や圧力を調整しても、中空構造体１０に貯留部４１０以上に容積が大きい中空部１２を設けることは難しい。

なお、図７に例示したテンプレート３８０のように、ガス透過性の高い材料で形成されたテンプレート３８０の場合は、加圧や減圧をした際にテンプレート３８０の外側と内部空間の間で、ガスを透過することができる。そこで所望の中空部の体積よりもガス貯留空間の体積が小さくても良い。また別途貯留部４１０を設けずに、凹部３９０の形成材料が充填していない部分をガス貯留空間として機能させることができる。

図８に示された例では、凹部４９０は上下方向に貫通している。貫通している場合は、製造方法の第２、第３の工程（加圧・減圧）時には、テンプレート４８０の下面に保護材となるシート４２０を敷くなどして、貫通孔の下面を塞ぎ、テンプレート４８０の内部にガス貯留空間となる密閉空間を形成する。シートは、減圧・加圧時に変形しないように、可撓性が低い材質であるとなお良い。図８では、下面に敷くシートは３０μｍと３ｍｍとした。なお凹部４９０が貫通しておらず、貯留部４１０がテンプレート４８０の底面を有していても良い。

貯留部４１０を別途設けたテンプレート４８０の数値の一例としては、凹部４９０の水平方向の径は５μｍ、深さ方向の長さは１５μｍ、貯留部４１０の水平方向の径は凹部の径よりも大きい２０μｍ、深さ方向の長さは３０μｍである。貯留部４１０の体積は、凹部４９０の体積よりも大きい。凹部４９０の水平方向の径は、所望の中空構造体１０の突出部１３及び第２の開口部１４ｂの径φ２と等しくなる。

なお上記で説明した製造方法は、テンプレート４８０でも同様にして中空構造体を形成することが可能である。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

以上に説明したように、本実施形態では、上面３８０ａから深さ方向に離れるほど径が小さくなる凹部３９０を有するテンプレート３８０を用いて中空構造体１０を製造する。より具体的には、中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０の凹部３９０の少なくとも一部に進入させ、一部が凹部３９０に進入した状態の中空構造体形成材料３４２をガスの圧力によって押し上げて中空部２２を形成し、中空部２２が形成された中空構造体形成材料３４２をテンプレート３８０から剥離するという工程を経て中空構造体１０が製造される。本実施形態では、テンプレート３８０の凹部３９０は、上面３８０ａから深さ方向に離れるにつれて、ゆるやかにカーブしていく形状を有している（逆テーパ形状を有している）ので、凹部３９０に進入した中空構造体形成材料３４２を剥離する際の離型抵抗が小さくなる。これにより、剥離時における突出部１３の変形や破損を抑制できるため、寸法安定性を確保できる。

以上の逆テーパ形状の特徴をもったテンプレート３８０を使うことで、第１の開口部１４ａの面積が第２の開口部１４ｂの面積よりも大きい第２の中空部１２ｂを有する突出部１３を備えた中空構造体１０を製造することができる。つまり、逆テーパ形状を有するテンプレート３８０のメリットが反映された中空構造体１０を得ることができるので、寸法安定性が担保された中空構造体１０を得ることができる。

又、上記の実施の形態では、中空構造体１０をマイクロニードルに使用する例を示したが、中空構造体１０を他の分野で使用してもよい。中空構造体１０は、例えば、細胞の足場材、化粧品の化粧パッチ、エネルギー分野（電池のフィルタ、セル、セパレータ等）、環境分野（ガスフィルタ、排ガス浄化装置等）、光学分野（マイクロレンズの遮光等）等の様々な分野に適用可能である。

１０ 中空構造体
１１ 基体
１１ａ 基体の上面
１２ 中空部
１２ａ 第１の中空部
１２ｂ 第２の中空部
１３ 突出部
１３ｓ 柱状部
１３ｔ テーパ部
１３ｉ 内側面
１３ｏ 外側面
１４ａ 第１の開口部
１４ｂ 第２の開口部
１５ 隔壁
３４０ 中空構造体基材
３４１ 保護材
３４２ 中空構造体形成材料
３５０ 加圧ローラ
３６０ 押圧装置
３７０ 減圧装置
３８０、４８０ テンプレート
３８０ａ テンプレートの上面
３９０、４９０ 凹部
３９０ｓ ストレート部
３９０ｔ 逆テーパ部
４１０ 貯留部
４２０ シート

特開２０１５−１５０７２号公報

Claims (5)

1. 第１の中空部が設けられた基体と、
   前記第１の中空部と外部とに連通する第２の中空部が設けられ、かつ前記基体から突出する突出部と、
   を有し、
   前記第２の中空部の前記第１の中空部側の開口である第１の開口部の面積が、
   前記第２の中空部の外部側の開口である第２の開口部の面積よりも大きく、
   前記第１の開口部と前記第２の開口部との距離が、４０μｍ以上２００μｍ以下であり、
   前記基体には複数の前記第１の中空部が設けられ、
   前記複数の中空部は隔壁で仕切られており、
   前記隔壁の厚さが１０μｍから２０μｍであり、
   前記第１の中空部のそれぞれに対応する複数の前記突出部が設けられたことを特徴とする表皮に刺すための中空構造体。
2. 前記突出部の先端が針形状であること
   を特徴とする請求項１に記載の表皮に刺すための中空構造体。
3. 前記突出部は、前記突出部の先端に向けてテーパ形状であること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の表皮に刺すための中空構造体。
4. 前記第２の開口部の径は、前記第１の開口部の径の５分の１以下であること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の表皮に刺すための中空構造体。
5. 前記第２の開口部の径が３０μｍ以下であること
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の表皮に刺すための中空構造体。

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