WO2014103842A1 - マイクロ流路の製造方法およびマイクロ流路 - Google Patents

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聖子 加藤
昌史 井出
野崎　孝明
貴明 武石
石榑　崇明
一友 相馬
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シチズンホールディングス株式会社
学校法人慶應義塾
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Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a microchannel and a microchannel.
  • a microfluidic device that performs a biochemical reaction or a physicochemical separation operation by flowing a liquid or the like through a microchannel having a diameter of about several ⁇ m to several hundred ⁇ m is known.
  • Such microfluidic devices require a channel with a semi-circular or circular cross section.
  • the cross section of the manufactured flow path is often rectangular, so a method for manufacturing a flow path having a semicircular or circular cross section has been proposed. ing.
  • Patent Document 1 includes a pair of halves that have a long plate shape, are formed on one side thereof, and have a groove that opens in a semicircular shape on one end surface, and the halves are joined to each other. A method of manufacturing a microchannel device is described.
  • Non-Patent Document 1 describes a method for producing a circular cross-sectional flow path.
  • a mold is prepared by directly drawing an ultraviolet curable resin or the like in a flow path pattern on a substrate using a dispenser robot that automatically applies an adhesive or the like to be used when manufacturing electronic equipment.
  • a semicircular cross-sectional flow path is created by mold-making with PDMS (polydimethylsiloxane) using the created mold.
  • a circular cross-section flow path is produced by bonding semicircular cross-section flow paths together.
  • Non-Patent Document 2 discloses a method of manufacturing a circular PDMS microchannel that simulates microvessels in a living body and is suitable for visualization of microflow such as confocal ⁇ PIV / PTV (Particle Image Velocimetry / Particle Tracking Velocimetry). Is described. In this method, a circular flow path is formed by solidifying PDMS in a state where the wire is embedded and then pulling out the wire.
  • Non-Patent Document 3 describes a method of forming a microvascular network having a circular cross section from a polystyrene sheet.
  • a silicon semi-circular master is formed by an electroplating process, embossed on a polystyrene sheet, and the obtained two sheets are joined to form a flow path having a circular cross section.
  • Non-Patent Document 2 In the method of Non-Patent Document 2, a circular flow path is formed without bonding a semicircular flow path in cross section, but there is a process of pulling out a wire, so a flow path without an inlet cannot be formed. Only a simple flow path such as a straight line can be formed. In addition, in the method of Non-Patent Document 2, in order to obtain a flow channel in a state where liquid is injected into the inside, a step of injecting liquid into the inside after the flow channel is formed is necessary.
  • an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a microchannel having a substantially circular cross section with a smaller number of processes than the conventional method and having no joint surface and no injection port.
  • the microchannel manufacturing method includes a step of forming an uncured curable resin layer on a substrate, a step of inserting a needle body into which liquid can be injected into the curable resin, and moving the needle body, A step of injecting a liquid into the curable resin through the needle body into a tubular shape, a step of extracting the needle body from the curable resin, and a hardening of the curable resin to flow into the tubular region into which the liquid has been injected. And a step of forming a path.
  • the flow path is preferably a flow path having no joint surface and a substantially circular cross section.
  • the above manufacturing method further includes a step of cutting out a part of the cured curable resin and extracting the liquid confined in the curable resin.
  • the liquid is preferably liquid crystal.
  • micro flow path is manufactured by any one of the above manufacturing methods.
  • a microchannel having a substantially circular cross section with a smaller number of processes than in the past and having no joint surface and no injection port.
  • FIG.3 (B) are schematic views for explaining a method of manufacturing a microchannel. It is the flowchart which showed the manufacturing method of the microchannel.
  • (A) And (B) is a photograph which shows the experimental result by the manufacturing method of FIG. It is a schematic diagram for demonstrating the formation position and magnitude
  • FIGS. 1 (A) to 1 (C) are schematic diagrams for explaining a method of manufacturing a microchannel.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a method for manufacturing a microchannel. Each step of the manufacturing method will be described with reference to FIGS.
  • a substrate 1 is prepared, and an uncured curable resin 2 layer is formed on the substrate 1 (S1). Since the curable resin 2 has fluidity in an uncured state, a frame (not shown) surrounding the periphery is prepared, and the curable resin 2 is injected into the frame.
  • the curable resin 2 for example, an ultraviolet curable resin such as an acrylic resin or an epoxy resin is used.
  • the curable resin 2 may be a thermosetting resin such as a urea resin, a melamine resin, or a phenol resin.
  • the thickness d of the curable resin 2 may be about 1000 ⁇ m.
  • a needle (needle body) 3 capable of injecting liquid is inserted into the curable resin 2 (S2).
  • the needle 3 is hollow and has a sharp shape toward the tip like an injection needle, and has an opening (not shown) at the tip.
  • the depth at which the needle 3 is inserted is, for example, about half of the thickness d of the curable resin 2.
  • the liquid 4 is injected into the curable resin 2 through the needle 3 while moving the needle 3 (S3).
  • the needle 3 is translated along the X direction shown in FIG.
  • the liquid 4 is injected into the layer of the curable resin 2 from the opening at the tip of the needle 3 by applying pressure from the top of the needle 3.
  • the liquid 4 has a substantially circular cross section perpendicular to the X direction due to surface tension.
  • liquid 4 is a liquid crystal.
  • liquid crystal refers to a substance that has fluidity like a liquid and has a certain regularity like a crystal in molecular orientation.
  • the liquid 4 a liquid corresponding to the use of the flow path to be formed may be used.
  • the injected liquid 4 may float on the surface of the resin layer depending on the viscosity of the curable resin 2 or the difference in density between the curable resin 2 and the liquid 4. For this reason, as the liquid 4, it is necessary to select a liquid that can be injected into the inside of the curable resin 2 in a tubular manner because of the relationship between viscosity and density.
  • the needle 3 is removed from the curable resin 2 (S4).
  • the hole made in the curable resin 2 is closed by the needle 3.
  • the liquid 4 is confined in the curable resin 2 and is placed in a tubular shape.
  • the curable resin 2 is cured and the liquid 4 is confined in the curable resin 2, whereby the portion where the liquid 4 exists is defined as a liquid flow path 4A (S5).
  • a liquid flow path 4A S5
  • an ultraviolet curable resin is used as the curable resin 2
  • the curable resin 2 is cured by irradiating ultraviolet rays.
  • a thermosetting resin is used as the curable resin 2
  • the curable resin 2 is cured by heating.
  • a channel 4A having a substantially circular cross section is formed in the tubular region into which the liquid 4 has been injected.
  • the liquid 4 when the curable resin 2 is cured, the liquid 4 may permeate into the resin layer, and the flow path 4A may be hollow. If a hollow channel is required when the liquid 4 remains in the channel 4A after the curable resin 2 is cured, a part of the cured curable resin is excised and the curable resin is removed. The liquid 4 confined in 2 may be extracted. Thereby, a hollow flow path is obtained.
  • a flow path having a substantially circular cross section is formed without bonding a flow path having a semicircular cross section. For this reason, in this manufacturing method, it is possible to form a circular flow path having a smooth inner wall without a joint surface with fewer steps compared to a conventional manufacturing method that does not include this configuration. In addition, since the opening does not exist when the flow path is formed, it is possible to form a closed flow path without an injection port.
  • the liquid 4 injected into the layer of the curable resin 2 has a substantially circular cross section perpendicular to the direction in which the liquid 4 extends due to surface tension.
  • the finally obtained flow path has a substantially circular shape with no cross section, no dents, and no sharp part.
  • the “substantially circular” described above refers to a shape having no sharply protruding portion like a rectangle and a ratio of the difference between the maximum diameter and the minimum diameter with respect to the maximum diameter being, for example, 10% or less.
  • a circular flow path close to an actual biological structure is preferable in order to more accurately reproduce the behavior of the biological structure such as a blood vessel.
  • the flow path obtained by this production method can also be used for such bio-related systems.
  • a hollow channel can be formed by allowing the liquid confined inside the channel to flow out, and another liquid can be injected after the liquid has flowed out. For this reason, the inside of the formed flow path can be filled with an arbitrary liquid regardless of the viscosity of the curable resin 2 and the density difference between the curable resin 2 and the liquid 4.
  • FIG. 3 (A) and 3 (B) are photographs showing the experimental results of the manufacturing method of FIG.
  • FIG. 3A is a photograph of the acrylic resin 12 in a state where the above two types of P-type liquid crystals 14 are respectively injected (dispensed), as viewed from above.
  • FIG. 3B is a cross-sectional photograph of the flow path 4A taken after the acrylic resin 12 is cured by ultraviolet irradiation.
  • the P-type liquid crystal 14 was dispensed into two linear lines inside the acrylic resin 12.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the formation position and size of the flow path 4A shown in FIG. 3 (B).
  • the acrylic resin 12 was formed in a thickness of 1000 ⁇ m, and the needle 3 was inserted into the acrylic resin 12 to a depth of 500 ⁇ m. Then, while moving the needle 3 linearly along the surface direction of the acrylic resin 12 at a speed of 20 mm / sec, a dispensing pressure of 10 kPa is applied to change the P-type liquid crystal 14 so that the cross section becomes a circle having a diameter of 200 ⁇ m. I dispensed.
  • the flow path 4A having a cross section as shown in FIG. 3B was obtained by extracting the needle 3 and then curing the acrylic resin 12 with ultraviolet rays.
  • FIG. 3B also shows the outline of the cross section of the flow path 4A.
  • the difference between the maximum diameter and the minimum diameter is about 20 ⁇ m, and the ratio of the difference between the maximum diameter and the minimum diameter with respect to the maximum diameter of the cross section is about several percent.

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Abstract

従来と比べて少ない工程数で接合面がなく注入口も存在しない略円形の断面をもつマイクロ流路を製造する方法を提供する。マイクロ流路の製造方法は、基板（１）の上に未硬化の硬化性樹脂（２）の層を形成する工程と、液体（４）を注入可能な針体（３）を硬化性樹脂内に差し込む工程と、針体を移動させながら、針体を介して硬化性樹脂内に管状に液体を注入する工程と、針体を硬化性樹脂内から抜き取る工程と、硬化性樹脂を硬化させることにより、液体が注入された管状の領域に流路（４Ａ）を形成する工程とを有する。

Description

マイクロ流路の製造方法およびマイクロ流路
　本発明は、マイクロ流路の製造方法およびマイクロ流路に関する。
　直径が数μｍ～数百μｍ程度のマイクロ流路に液体などを流して、生化学的な反応または物理化学的な分離操作などを行うマイクロ流体デバイスが知られている。こうしたマイクロ流体デバイスでは、半円形または円形の断面をもつ流路が必要とされる。しかしながら、マイクロ流体デバイスの作製に広く用いられているフォトリソグラフィー工程では、作製された流路の断面が矩形になることが多いため、半円形または円形の断面をもつ流路の製造方法が提案されている。
　特許文献１には、長尺な板状をなし、その片面に形成され、一端面に半円形状に開口する溝を有する一対の半割体で構成され、その半割体同士を接合してなるマイクロ流路デバイスを製造する方法が記載されている。
　非特許文献１には、円形断面流路の作製方法が記載されている。この方法では、電子機材作製時に使う接着剤等を自動塗布するディスペンサーロボットを用いて、基板上に紫外線硬化性樹脂等を流路パターン状に直接描画して鋳型作製を行う。次に、作成した鋳型を用いてＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）で型取りを行うことで、半円形断面流路を作成する。そして、半円形断面流路同士を貼り合わせることで、円形断面流路を作製する。
　非特許文献２には、共焦点μＰＩＶ／ＰＴＶ（Particle Image Velocimetry／Particle Tracking Velocimetry）などのミクロな流れの可視化に適した、生体内の微小血管を模擬する円形のＰＤＭＳマイクロ流路を製造する方法が記載されている。この方法では、ワイヤーを埋め込んだ状態でＰＤＭＳを固めて、その後でワイヤーを引き抜くことによって円形の流路を形成する。
　非特許文献３には、ポリスチレンシートから断面が円形の微小血管網を構成する方法が記載されている。この方法では、電気めっき工程によりシリコンの半円状のマスターを構成し、ポリスチレンシートに型押しして、得られた２枚のシートを接合することで断面が円形の流路を形成する。
特開２０１２－１３７３２５号公報
東京大学　藤井輝夫研究室、"ディスペンサーを用いたマイクロ流路作製と流量制御機構への応用"、［online］、［平成２４年１２月１７日検索］、インターネット<URL:http://www.microfluidics.iis.u-tokyo.ac.jp/r11016_j.html> Rui Lima et al., "Axisymmetric PDMS microchannels for in vitro haemodynamic studies", Biofbrication, 2009, vol. 1 Jeffery T. Borenstain et al., "Functional endothelialized microvascular networks with circular cross-sections in a tissue culture substrate", Biomed Microdevices, 2010, vol. 12, p.71-79
　しかしながら、断面が半円形の流路を複数形成してからそれらの流路を貼り合わせると、工程数が多い煩雑な製造方法になる。また、空洞を貼り合わせるため、きれいな円形を保ったまま流路を形成することが難しい。
　非特許文献２の方法では、断面が半円形の流路を貼り合わせずに円形流路が形成されるが、ワイヤーを引き抜く工程があるため、注入口のない流路を形成することはできず、直線状などの簡単な構造の流路しか形成することができない。また、非特許文献２の方法では、内部に液体が注入された状態の流路を得るためには、流路が形成された後でその内部に液体を注入する工程が必要になる。
　そこで、本発明は、従来と比べて少ない工程数で接合面がなく注入口も存在しない略円形の断面をもつマイクロ流路を製造する方法を提供することを目的とする。
　マイクロ流路の製造方法は、基板の上に未硬化の硬化性樹脂の層を形成する工程と、液体を注入可能な針体を硬化性樹脂内に差し込む工程と、針体を移動させながら、針体を介して硬化性樹脂内に管状に液体を注入する工程と、針体を硬化性樹脂内から抜き取る工程と、硬化性樹脂を硬化させることにより、液体が注入された管状の領域に流路を形成する工程とを有することを特徴とする。
　上記の製造方法では、流路は、接合面がなく断面が略円形の流路であることが好ましい。
　上記の製造方法では、硬化させた硬化性樹脂の一部を切除して硬化性樹脂内に閉じ込められている液体を抜き取る工程をさらに含むことが好ましい。
　上記の製造方法では、液体は液晶であることが好ましい。
　また、マイクロ流路は、上記のいずれかの製造方法で製造されたことを特徴とする。
　本発明によれば、従来と比べて少ない工程数で、接合面がなく注入口も存在しない、略円形の断面をもつマイクロ流路を製造することが可能になる。
（Ａ）～（Ｃ）は、マイクロ流路の製造方法を説明するための模式図である。 マイクロ流路の製造方法を示したフローチャートである。 （Ａ）および（Ｂ）は、図２の製造方法による実験結果を示す写真である。 図３（Ｂ）に示した流路の形成位置および大きさを説明するための模式図である。
　以下、添付図面を参照して、マイクロ流路の製造方法について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
　図１（Ａ）～図１（Ｃ）は、マイクロ流路の製造方法を説明するための模式図である。図２は、マイクロ流路の製造方法を示したフローチャートである。図１（Ａ）～図２を用いて本製造方法の各工程を説明する。
　まず、図１（Ａ）に示すように、基板１を用意し、基板１の上に未硬化の硬化性樹脂２の層を形成する（Ｓ１）。未硬化の状態では硬化性樹脂２には流動性があるため、周囲を囲う枠体（図示せず）を用意し、その内部に硬化性樹脂２を注入する。硬化性樹脂２としては、例えば、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂などの紫外線硬化樹脂を用いる。あるいは、硬化性樹脂２は、尿素樹脂、メラミン樹脂またはフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂でもよい。なお、直径が数百μｍ程度のマイクロ流路を形成する際は、硬化性樹脂２の厚さｄは１０００μｍ程度あればよい。
　続いて、液体を注入可能なニードル（針体）３を硬化性樹脂２の中に差し込む（Ｓ２）。ニードル３は、注射針のように中空で先端に向けて尖った形状を有し、先端に開口部（図示せず）を有する。その際、ニードル３を差し込む深さは、例えば硬化性樹脂２の厚さｄの半分程度とする。なお、この開口部が先端付近の側面に設けられたニードルを用いてもよい。
　次に、図１（Ｂ）に示すように、ニードル３を移動させながら、ニードル３を介して硬化性樹脂２の中に管状に液体４を注入する（Ｓ３）。例えば、直線状の流路を形成したい場合は、図１（Ｂ）に示すＸ方向に沿って、ニードル３を平行移動させる。そして、ニードル３を移動させながら、ニードル３の上部から圧力をかけることにより、ニードル３の先端の開口部から硬化性樹脂２の層内に液体４を注入する。硬化性樹脂２の層内では、液体４は、表面張力によりＸ方向に垂直な断面が略円形になる。
　液体４の例としては液晶が挙げられる。ここでいう「液晶」とは、液体のような流動性があり、分子の配向に結晶のような一定の規則性がある物質である。他にも、液体４として、形成する流路の用途に応じた液体を用いてもよい。ただし、硬化性樹脂２の粘度、または硬化性樹脂２と液体４の密度の差によっては、注入された液体４が樹脂層の表面に浮き出てしまうことがある。このため、液体４としては、粘度と密度の関係で、硬化性樹脂２の内部に管状に注入可能な液体を選択する必要がある。
　液体４を注入し終わったら、ニードル３を硬化性樹脂２内から抜き取る（Ｓ４）。このとき硬化性樹脂２はまだ硬化してないため、ニードル３を抜き取ると、ニードル３によって硬化性樹脂２にできていた穴がふさがる。これにより、硬化性樹脂２の中に液体４が閉じ込められ、管状に配置された状態になる。
　そして、図１（Ｃ）に示すように、硬化性樹脂２を硬化させて硬化性樹脂２内に液体４を閉じ込めることにより、液体４が存在する部分を液体の流路４Ａとする（Ｓ５）。硬化性樹脂２として紫外線硬化樹脂を用いる場合は、紫外線を照射させて、硬化性樹脂２を硬化させる。硬化性樹脂２として熱硬化性樹脂を用いる場合は、加熱することにより硬化性樹脂２を硬化させる。これにより、液体４が注入された管状の領域に、断面が略円形である流路４Ａが形成される。
　なお、液体４の種類によっては、硬化性樹脂２を硬化させると液体４が樹脂層に染み込んで、流路４Ａが空洞になることがある。硬化性樹脂２を硬化させた後も流路４Ａ内に液体４が残っている場合に空洞の流路が必要なときは、硬化させた硬化性樹脂の一部を切除して、硬化性樹脂２内に閉じ込められている液体４を抜き取ってもよい。これにより、空洞の流路が得られる。
　以上説明した本製造方法によれば、半円形の断面をもつ流路を貼り合わせなくても断面が略円形の流路が形成される。このため、本製造方法では、本構成を含まない従来の製造方法と比べて少ない工程で、接合面がなく平滑な内壁をもつ円形流路を形成することが可能である。また、流路が形成されたときは開口部が存在しないことから、注入口が存在しない閉流路を形成することが可能である。
　また、上記の通り、硬化性樹脂２の層内に注入された液体４は、表面張力により液体４が延在する方向に垂直な断面が略円形になる。これにより、最終的に得られる流路の断面も凹みも尖った部分もない略円形になる。なお上述の「略円形」とは、矩形のように尖って突出した部分がなく、最大径に対する最大径と最小径との差の比率が例えば１０％以下である形状をいう。
　バイオセンサまたはμＴＡＳ（Total Analysis System）などのバイオ関連システムでは、例えば血管などの生体内構造における挙動をより正確に再現するためには、実際の生体構造に近い円形流路が好ましい。本製造方法により得られる流路は、そうしたバイオ関連システムにも利用可能である。
　また、液体が充填された状態の流路が必要な場合、本構成を含まない製造方法では、空洞の流路を形成した後、その内部に液体を注入しなければならない。一方、本製造方法では、内部に液体を含んだ状態で流路が形成されるため、流路の形成と液体の充填とが一工程で行われる。このため、本製造方法では、本構成を含まない製造方法と比べて少ない工程で、液体が充填された状態の流路を形成することが可能である。
　また、流路の内部に閉じ込められた液体を流出させることで空洞の流路も形成でき、液体を流出させた上で別の液体を注入することもできる。このため、形成された流路の内部には、硬化性樹脂２の粘度および硬化性樹脂２と液体４の密度差によらず、任意の液体を充填することが可能である。
　硬化性樹脂としてアクリル樹脂を使用し、注入される液体としてメルク製のＰ型液晶であるＭＬＣ－７０１８およびＭＤＡ－００３４６１を使用して、図２の製造方法により流路を形成する実験を行った。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図２の製造方法による実験結果を示す写真である。図３（Ａ）は、上記の２種類のＰ型液晶１４がそれぞれ注入（ディスペンス）された状態のアクリル樹脂１２を上から見た写真である。図３（Ｂ）は、紫外線の照射によりアクリル樹脂１２を硬化させた後に撮った流路４Ａの断面写真である。この実験では、アクリル樹脂１２の内部に、Ｐ型液晶１４を互いに平行な２本の直線状にディスペンスした。
　図４は、図３（Ｂ）に示した流路４Ａの形成位置および大きさを説明するための模式図である。上記の実験では、アクリル樹脂１２の厚さを１０００μｍの層状に形成し、そのアクリル樹脂１２の中に、ニードル３を５００μｍの深さまで差し込んだ。そして、ニードル３をアクリル樹脂１２の面方向に沿って速度２０ｍｍ／秒で直線状に移動させながら、１０ｋＰａのディスペンス圧を加えて、断面が直径２００μｍの円形になるように、Ｐ型液晶１４をディスペンスした。
　ニードル３を抜き取った後でアクリル樹脂１２を紫外線硬化させることにより、図３（Ｂ）に示すような断面をもつ流路４Ａが得られた。図３（Ｂ）では、流路４Ａの断面の輪郭も併せて示している。この断面は、最大径と最小径の差が２０μｍ程度であり、断面の最大径に対する最大径と最小径との差の比率が数％程度に収まっている。このように、本製造方法により、断面が略円形の流路４Ａが形成されることが確かめられた。
　１　　基板
　２　　硬化性樹脂
　３　　ニードル
　４　　液体
　４Ａ　　流路

Claims (5)

  1. 　基板の上に未硬化の硬化性樹脂の層を形成する工程と、
    　液体を注入可能な針体を前記硬化性樹脂内に差し込む工程と、
    　前記針体を移動させながら、当該針体を介して当該硬化性樹脂内に管状に液体を注入する工程と、
    　前記針体を前記硬化性樹脂内から抜き取る工程と、
    　前記硬化性樹脂を硬化させることにより、前記液体が注入された管状の領域に流路を形成する工程と、
    　を有することを特徴とする、マイクロ流路の製造方法。
  2. 　前記流路は、接合面がなく断面が略円形の流路である、請求項１に記載の製造方法。
  3. 　硬化させた前記硬化性樹脂の一部を切除して当該硬化性樹脂内に閉じ込められている前記液体を抜き取る工程をさらに含む、請求項１または２に記載の製造方法。
  4. 　前記液体は液晶である、請求項１～３のいずれか１項に記載の製造方法。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の製造方法で製造されたマイクロ流路。
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