(57)【要約】【課題】マイクロ流路内を流れる流体を攪拌する機構を有するマイクロ流路ユニットを提供する。【解決手段】マイクロ流路ユニットは、第一流路１と、第一流路１と平行して形成された第二流路２と、第一流路１と第二流路２とを仕切るとともに、第一流路と第二流路とを繋ぐスリット６が形成された隔壁部３と、を備える。第一流路と第二流路との間に形成されたスリットにより、例えば、第一流路から第二流路へ液体が流入し、これにより第一流路内で攪拌作用を生じさせることが期待できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流路と、
前記第一流路と平行して形成された第二流路と、
前記第一流路と前記第二流路とを仕切るとともに、前記第一流路と前記第二流路とを繋ぐスリットが形成された隔壁部と、を備えるマイクロ流路ユニット。
【請求項２】
前記第二流路は、断面積が他の部位より小さい変形部位を有することを特徴とする請求項１記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項３】
前記変形部位は、前記第二流路に突き出した突起形状であることを特徴とする請求項２記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項４】
前記突起形状は、前記第二流路の液体の流れを変化させ、前記スリットから前記第一流路へ液体を噴出させる形状であることを特徴とする請求項２または３記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項５】
前記突起形状は、前記第二流路の底面と側面との少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項６】
前記変形部位は、前記スリットが形成された位置に応じて、複数形成されていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項７】
前記スリットは、間隔をあけて複数形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項８】
前記スリットは、前記第一流路の液体の流れと平行して形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニット。
【請求項９】
第一流路と、
前記第一流路と平行して形成された第二流路と、
前記第一流路と前記第二流路とを仕切るとともに、前記第一流路と前記第二流路とを繋ぐスリットが形成された隔壁と、を備え、
前記第一流路と前記第二流路の液圧によって、前記スリットを介して前記第二流路から前記第一流路へ液体を流入させるマイクロ流路ユニット。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニットと、
前記第一流路と前記第二流路との液圧を調整する制御部と、を備えるマイクロ流路システム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記第一流路の液圧を前記第二流路より低くすることを特徴とする請求項１０記載のマイクロ流路システム。
【請求項１２】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のマイクロ流路ユニットを用いて液体に含まれる粒子を搬送する搬送方法であって、
前記第一流路の液圧を前記第二流路より低くし、
前記スリットを介して、前記第二流路に流れる液体を前記第一流路へ流入させる搬送方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流路ユニットに関し、特に二つのマイクロサイズの流路を並列させたマイクロ流路ユニット、並びに、マイクロ流路ユニットを用いたシステム及び搬送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロリアクターと呼ばれている、数〜数百μｍのマイクロ流路を有する微小反応器が開発されている。マイクロリアクターは、加熱、冷却速度が速い、マイクロ流路内の流体の流れが層流という特徴を有する。これらの特徴を利用して、高速かつ高選択性の反応系の構築が可能であることから、様々な技術が開発されている（例えば、特許文献１〜３）。
【０００３】
マイクロ流路に流す流体に粒子などの懸濁物が含まれている場合、マイクロ流路内に沈澱、付着するという問題があった。例えば、特許文献２では、マイクロ流路内の汚損を効率よく除去する技術が開示されている。また、特許文献３では、管状のマイクロ流路内に乱流を発生させる技術が開示されている。
【特許文献１】２００６−２７２２６７号公報
【特許文献２】２００６−２７２２６８号公報
【特許文献３】２００７−２５２９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、流路は２次元、すなわち平面上に作製することが多い。若しくは、平面の一部分に高さが異なる面を有するような平面に作製している。流路に懸濁液を流す場合、沈澱等を防止するため攪拌機構を設けることが望まれる。しかしながら、平面に作製された流路に攪拌機構を設けることは困難であった。また、マイクロ流路は、切削、スタンパーによって平面に製作する手法が主流であり、複数のパーツを張り合わせて製作することが多かった。そのため、その精度もよくなかった。さらに、平行した流路が相互に繋がっているものはなかった。また、生体関連物質が流路を流れる場合は、急激な媒質の変化により変質する可能性があり、液の混合を行う場合は、徐々に濃度を変化させる必要があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、マイクロ流路内を流れる流体を攪拌する機構を有するマイクロ流路ユニット、及びマイクロ流路ユニットを利用するシステム及び搬送方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るマイクロ流路ユニットの一態様は、第一流路と、前記第一流路と平行して形成された第二流路と、前記第一流路と前記第二流路とを仕切るとともに、前記第一流路と前記第二流路とを繋ぐスリットが形成された隔壁部と、を備える。第一流路と第二流路との間に形成されたスリットにより、例えば、第一流路から第二流路へ液体が流入し、これにより第一流路内で攪拌作用を生じさせることが期待できる。また、マイクロ流路ユニットは、前記第二流路が、断面積が他の部位より小さい変形部位を有することが好ましい。変形部位（例えば、突起形状）によって第二流路を流れる液体の流れに浮上流を発生させ、スリットを介して第一流路１に流入させる。この流入によって、第一流路１を流れる液体が攪拌される。
【０００７】
また、前記変形部位として、前記第二流路に突き出した突起形状が形成され、前記第二流路の液体の流れを変化させ、前記スリットから前記第一流路へ液体を噴出させる形状であること、または、前記第二流路の底面と側面との少なくとも一方に形成されることが好ましい。
【０００８】
さらに、前記変形部位は、前記スリットが形成された位置に応じて、複数形成されていることが好ましく、スリットは、間隔をあけて複数形成されていることが好ましい。または、前記スリットは、前記第一流路の液体の流れと平行して形成されていることが好ましい。
【０００９】
本発明に係るマイクロ流路ユニットの他の一態様は、第一流路と、前記第一流路と平行して形成された第二流路と、前記第一流路と前記第二流路とを仕切るとともに、前記第一流路と前記第二流路とを繋ぐスリットが形成された隔壁と、を備え、前記第一流路と前記第二流路の液圧によって、前記スリットを介して前記第二流路から前記第一流路へ液体を流入させる。
【００１０】
本発明に係るマイクロ流路システムの一態様は、上述したマイクロ流路ユニットと、前記第一流路と前記第二流路との液圧を調整する制御部と、を備える。制御部によって、液圧を調整することによって、スリットを介して一方の流路へ他方の流路から攪拌流を発生させる。また、前記第二流路を前記第一流路の下に配置させることで、例えば、粒子形状の固形物を含む懸濁液を前記第一流路に流した場合に懸濁成分が浮上する方向に浮上流を発生させる。前記制御部は、前記第一流路の液圧を前記第二流路より低くすることが好ましい。
【００１１】
本発明に係る搬送方法の一態様は、上述したマイクロ流路ユニットを用いて液体に含まれる粒子を搬送する搬送方法であって、前記第一流路の液圧を前記第二流路より低くし、前記スリットを介して、前記第二流路に流れる液体を前記第一流路へ流入させる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、マイクロ流路内を流れる流体を攪拌する機構を有するマイクロ流路ユニット、並びに、マイクロ流路ユニットを利用するシステム及び搬送方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００１４】
本明細書では、マイクロ流路とは、幅または内径が１０μｍから１ｍｍである流路を想定する。
【００１５】
（実施形態１）
図１、２は、本発明に係るマイクロ流路ユニットの構成例を示す透視図である。また、図３は、図１のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。マイクロ流路ユニットは、第一流路１、第二流路２、隔壁部３、及び、基板４を備える。基板４は、第二流路２の底面になる部分に突起形状５を備える。隔壁部３は、スリット（開口部）６が形成されている。以降の説明において、第一流路１または第二流路２の断面積という場合、Ｉ−Ｉ断面によって示される流路断面の面積をいう。すなわち、流体の流れる方向に対して垂直方向の流路の断面を指す。例えば、第二流路２では、隔壁部３及び基板４によって囲まれた面積を指す。
【００１６】
第一流路１は、立体的に形成されたマイクロ流路である。図１〜３では、第一流路１の上面が塞がれている場合を示しているが、第一流路１の上方が開放された場合であってもよい。また、図３において、隔壁部３が第一流路１の上面を塞ぐ例を示しているが、この形状に限られず蓋状のもので（例えば、別の部品によって）塞ぐ場合であってもよい。
【００１７】
第二流路２は、第一流路の下方に立体的に形成されたマイクロ流路である。図１では、隔壁部３と基板４とに囲まれた領域に形成される。また、第二流路２は、断面積が他の部位より小さい変形部位を有する。図１では、変形部位として、第二流路２に突出する突起形状５が形成されている部分が変形部位に相当する。変形部位は、隔壁部３または基板４に形成される形状によって生じるものである。すなわち、隔壁部３または基板４に、第二流路２に突出する形状が形成されることによって、第二流路２の断面積が小さくなる変形部位が生じる。
【００１８】
ここで、第一流路１または第二流路２が立体的に形成されているとは、まず、マイクロ流路が少なくとも３次元の形状を有することを意味する。また、マイクロ流路がマイクロ造形法により、立体モデルに基づいて、形成されたことも意味する。マイクロ造形法によるマイクロ流路の製作については後述する。
【００１９】
隔壁部３は、第一流路１と第二流路２とを仕切る（分離する）。また、隔壁部３に形成されたスリット６は、第一流路１と第二流路２とを繋ぐ（連結する）。図１では、スリット６は、第一流路１に流す流体の流れと平行して形成されている。スリット６は、隔壁部３の端から端まで形成されていてもよいし、所定の間隔で形成されていてもよい。
【００２０】
基板４は、第二流路２の一部、図１では底面を形成する。図１では、基板４に、所定の間隔で複数の突起形状（浮上流発生ブロック）５が形成されている。突起形状５は、流体の流れを変化させる形状であることが好ましく、特に、第二流路２を流れる流体をスリット６へ噴出するような形状が好ましい。また、突起形状５は、スリット６が形成されている部位若しくはその近傍であって、流体がスリット６に到達するように、スリット６の前面に形成されていることが好ましい。スリット６の前で流体の流れを変化させることによって、スリット６を介して流体を第一流路１へ流入させることが好ましい。
【００２１】
マイクロ流路ユニットでは、第二流路２を流れる液体の流れ（液流）が突起形状５によって上方に押し上げられ、浮上流が発生する。浮上流がスリット６を介して液体を第一流路１に流入させる。この流入によって、第一流路１を流れる液体を攪拌する機構を実現する。図４を用いて、本実施形態のマイクロ流路ユニットの攪拌機構について説明する。マイクロ流路ユニットでは、第一流路１に所望の流体、例えば、粒子形状の固形物を含む懸濁液を流す。第二流路２には、固形物を含まない液体を流す。使用する液体は、第一流路１に流す懸濁液に含まれる液体と同じものを用いることも可能であり、他の溶液を使用することも考えられる。あるいは、第一流路１の懸濁液に混入させたい液体を用いることも可能である。
【００２２】
第二流路２の液流は、図１に示す突起形状５の斜面に沿って上方に流れが変化する。これにより、浮上流が発生することが想定される（図４の第二流路２内の矢印）。この流れの変化によって、液体は、スリット６を介して、第二流路２から第一流路１へ流入する。第一流路１では、スリット６から、第二流路２を流れる液体が噴出することによって（図４の第一流路１内の矢印）、第一流路１底面（すなわち、隔壁部３の面上）に沈澱していた固形物が上方に巻き上げられることが期待できる。これにより、沈澱していた固形物が懸濁液中に浮遊し、流動を再開する。また、スリット６から液体が噴出することによって、第一流路１を流動する懸濁液の流れに変化が生じ、懸濁液中の固形物が拡散し、分散することも期待できる。このようにして、第一流路１を流れる液体に対して、攪拌機構を実現する。
【００２３】
さらに、第一流路１と第二流路２に流す流体の液圧を調整することによって、スリット６を介して第二流路２から第一流路１へ流入する液量を制御することも可能である。例えば、マイクロ流路ユニットを第一流路１と第二流路２との液圧を調整する制御部を備えるシステムに適用する。ただし、液圧を調整する場合、第一流路１は、図１〜３に示したように、スリット６を除いて、密閉された空間となるように形成する必要がある。制御部は、例えば、ポンプなどの手段により、第一流路１の液圧を第二流路２の液圧より低くする調整を行う。
【００２４】
第一流路１の液圧を第二流路２より低くすることによって、第二流路２を流れる液体がスリット６を介して液圧のより低い第一流路１へ流入しやすくなる。液圧の調整とともに、突起形状５（変形部位）により、スリット６に第二流路２を流れる液体がスリット６から噴出しやすくすることが可能である。
【００２５】
次に、マイクロ流路ユニットの製造工程について説明する。本実施形態のマイクロ流路ユニットは、立体造形法を用いたマイクロ造形法によって製造する。立体造形法は、コンピュータ上で設計された三次元モデルに基づいて立体モデルを造形する造形法である。具体的には、造形する立体モデルを複数の層に平行スライスして得られる断面群のデータに基づいて造形され、面状に形成された層を積層することによって立体物を造形する。また、マイクロ造形法は、立体造形法を用いて、従来法より高解像度なマイクロメートル単位の解像度で立体造形物を造形する造形方法である。マイクロ造形法では、微細な形状が造形可能となる。従来の立体造形法では、１００μｍ程度の解像度であったが、マイクロ造形法ではその１／１０程度の解像度で造形が可能となっている。
【００２６】
例えば、本実施形態のマイクロ流路ユニットは次のような製造装置・製造工程によって製造される。製造装置は、ＣＡＤ（Computer Aided Design）システムと光造形装置とを備える。ＣＡＤシステムは、任意の形状（例えば、マイクロ流路ユニットの形状）を立体流路形状として入力可能であり、入力した立体流路形状に基づいて所望の立体形状を表す立体モデルを生成可能なシステムである。光造形装置は、生成された立体モデルを積層単位（露光単位）にスライス、分割化する手段（ソフトウェア）と、所望の立体形状を積層、形成する形態に配列する手段（ソフトウェア）と、配置通りに露光制御可能な造形装置とを備える。
【００２７】
造形装置は、積層単位毎に作製されたデータに基づいて、光硬化性樹脂を露光、樹脂塗布、露光を繰り返して、面状に形成された硬化層を積層一体化して所望の立体形状を作製する。造形装置は、デジタルミラーデバイス等で光を分割することや、対物レンズ等で縮小投影を行うことにより、立体モデルをμｍレベルの精度で作製する機能を備えたものであることが好ましい。
【００２８】
上述したプロセスによって作成したマイクロ流路ユニットは、流路内に未硬化樹脂が残存している。このため、流路に対して加圧、減圧することによって、未硬化樹脂を除去する洗浄液を流すポンプを使用する。
【００２９】
マイクロ流路ユニットは、一つのプロセスによって作製される。具体的には、コンピュータ上で設計された立体モデルに基づいて、高解像度なマイクロメートル単位の解像度で面状に形成された硬化層を積層一体化させる立体形状を有する光造形物として製作する。これに対し、半導体製造プロセス等で一般的に知られているフォトリソグラフィー法などを用いる方法では、マスクを作製して感光性フォトレジストに光を当て、必要とする形状を得る（ポジタイプ、ネガタイプがある）。この方法では、基本的に積層を行わない為に、本実施形態のマイクロ流路ユニットの形状のようにアンダーカット部位や、形状が２段階（平行する二段の流路）の構造になると、作製が非常に困難であったり、製作できないのが現状である。従って、マイクロ造形法を用いることにより、複数のパーツを張り合わせることによって製造するマイクロ流路に比べて精度を向上させることができる。
【００３０】
さらに、マイクロ光造形法では、立体モデルを変更することによって、マイクロ流路ユニットの形状、具体的には、突起形状５またはスリット６の形状や位置などを変更したマイクロ流路ユニットを製作することが容易になる。例えば、第一流路１に流す懸濁液の固形物に応じて、突起形状５やスリット６などを変更することも可能になる。また、フォトリソグラフィー法などに比べ、製作時間を短縮し、製作コストを削減することが可能である。さらに、設計変更をマイクロ流路ユニットに短時間で反映させることが可能になる。従って、繰り返し設計変更を行い、改良したマイクロ流路ユニットを製造しやすくなる。
【００３１】
（実施形態２）
実施形態１では、基板４に突起形状５を形成した場合を説明したが、実施形態２では、第二流路２に変形部位を設ける他の態様を説明する。
【００３２】
変形部位は、第二流路２の断面積を他の部位より小さくする部位であればよい。従って、第二流路２の形状が連続的にあるいは間欠的に変化する形状であってもよい。例えば、第二流路２の底面若しくは側面が凹凸形状あるいは波形などの曲面に形成され、断面積が部分的に小さくなる部位を形成する。マイクロ流路の断面が円形や楕円形など曲線で形成されている場合、内径の大小が繰り返し変化するように、第二流路２を作製することも可能である。さらに、マイクロ流路の断面がその他の形状であっても、断面積が大きくなったり小さくなったりすることを繰り返すように隔壁部３または基板４を形成することもできる。
【００３３】
断面積が部分的に小さくなることによって、液体の流れが変化するとともに、液圧を上昇させることになる。これにより、第二流路２を流れる液体をスリット６から第一流路１へ噴出させることができる。
【００３４】
（その他の実施形態）
実施形態１では、第二流路２の底面に突起形状５を形成する例を説明したが、側面に形成する場合であってもよい。また、変形部位の形状は、スリットへ液体の流れが変化するような形状が好ましい。例えば、変形部位に液体が衝突することによって、浮上流が発生する形状が好ましい。変形部位は、曲面で形成されていてもよいし、複数の平面の組み合わせ、曲面と平面との組み合わせのいずれであってもよい。
【００３５】
変形部位は、マイクロ流路ユニット内に複数個配置され、浮上流を発生させるが、一定の間隔で配置されていてもよいし、不規則に配置される場合であってもよい。送液供給口から遠くなると、液圧（液流速）等が変化することが予想される。このため、送液供給口から遠くなるにつれ、範囲部位の間隔を小さくしてもよいし、変異部位の断面積をより小さく（突起形状を大きく）してもよい。これにより、送液供給口からの距離にかかわらず、同様の浮上流を発生させることが期待できる。
【００３６】
さらに、スリット６は、連続して形成されていても、マイクロ流路ユニットに間欠的に形成されていてもよい。スリット６の形状も、第一流路１から第二流路２まで同じ幅で形成されていてもよいし、第一経路１側より第二経路２側の大きさ（幅）が大きくなっていてもよい。第二経路２側が大きく第一経路１側が小さくなっている場合、第一経路１側で圧力がかかるため、強い液流が発生することが期待できる。スリット６は、例えば、円柱、円錐台状の穴であってもよい。
【００３７】
また、図１では、スリット６は、第一流路１の液体の流れと平行に形成されている場合を説明したが、平行でない場合であってもよい。液流と斜めになるような（角度をとった）スリットを形成してもよい。例えば、液流に垂直若しくは斜めにスリットを形成する場合、下流になるスリットの壁面を、第二流路２に突出させて（第二流路２側に延長させて）壁を形成してもよい。壁に液流が衝突することによって、流れに変化が生じ、その一部が第一流路１へ流れ込むことが期待できる。
【００３８】
図１では、第二流路２に変形部位（突起形状５）を有する場合を説明した。しかしながら、第一流路１及び第二流路２の液圧を調整する場合、変形部位がない場合であっても第一流路１への液体の流入を実現することも可能である。しかしながら、変形部位は、第一流路１への液体の流入を促進する効果があるため、備えていることが好ましい。
【００３９】
なお、上記各実施形態において、隔壁部３の形状は、基板４ともに第一流路１と第二流路２とを形成するものであればよく、図１に示したＨ型の形状に限られるものではない。例えば、第一流路１の断面積を大きく、第二流路２の断面積を小さくするような形状（例えば、底面が小さい逆円錐状や、二つの流路の矩形を異なる大きさにした形状）であってもよい。
【００４０】
以上のように、本発明に係る好適な実施形態によれば、所望の液体を流す第一流路の下に平行して第二流路を形成するとともに、第一流路と第二流路とを繋ぐスリットを形成する。この構成によって、第二流路から第一流路へ液体を流入（噴出）させ、第一流路を流れる液体を攪拌する。具体的には、上層となる第一流路を通常の流路とし、下層となる第二流路は、上層に流した細胞等の沈澱、沈着しやすいものを、スリットからの浮上流によって浮遊させる機能を実現する。また、第二流路の断面積を変化させることにより、第二流路を流れる液体の流れに変化を生じさせ、スリットを介して液体を第一流路へ流入しやすくすることができる。さらに、第一流路と第二流路との液圧を調整することによって、第二流路から第一流路へ液体を流入しやすくすることができる。これにより、第一流路を流れる液体を、第二流路から流入させる液体によって攪拌することができる。
【００４１】
また、本発明に係るマイクロ流路ユニットは、マイクロリアクターのマイクロ流路として用いることが可能である。例えば、医用分野における薬の開発や血液の分離、バイオテクノロジー分野の細胞の配列培養工程に利用できる。
【００４２】
（実施例）
マイクロ造形法を用いて、マイクロ流路ユニットを製作した。マイクロ流路ユニットの形状形成には、光造形装置としてＡＣＣＵＬＡＳ（レーザーソリューション株式会社製）を、紫外線硬化性組成物としてＪＬ−２１４６（ＪＳＲ株式会社製）を用いて、図１に示すマイクロ流路ユニットの形状を製作した。マイクロ流路ユニットのマイクロ流路（第一流路１、第二流路２）は、幅２５０μｍ、高さ１５０μｍとし、３０μｍの幅のスリットを形成した。
【００４３】
なお、本発明は上記に示す実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲において、上記実施形態の各要素を、当業者であれば容易に考えうる内容に変更、追加、変換することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るマイクロ流路ユニットの構成例を示す透視図である。
【図２】本発明に係るマイクロ流路ユニットの構成例を示す透視図である。
【図３】図１のＩ−Ｉ断面を示す断面図である。
【図４】第一流路の情報がふさがれている場合の断面図を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  第一流路
２  第二流路
３  隔壁部
４  基板
５  突起形状
６  スリット
【図１】
2010029747.tif 000003
【図２】
2010029747.tif 000004
【図３】
2010029747.tif 000005
【図４】
2010029747.tif 000006