(57)【要約】  マイクロ流体配置において流れを生じさせるための方法および装置が提供される。１つの開示された配置では、マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて、主に表面張力によって保持された第１の液体を有する。マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有する。基板と、細長い流路を形成する第１の液体の一部との接触領域は、流路の足跡を定める。基板と、第１のリザーバーを形成する第１の液体の一部との接触領域は、第１のリザーバーの足跡を定める。流路の足跡および第１のリザーバーの足跡のそれぞれのサイズならびに形状は、流路の足跡のいかなる変化も伴わずに細長い流路における第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力が、第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに第１のリザーバーにおける第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものである。遠位開口部（それを通して液体が送達され得る）へとつながる内部ルーメンを有する送達部材が提供される。遠位開口部が送達位置に保持されている間、遠位開口部を通してマイクロ流体パターンへと液体がポンピングされる。送達位置は、液体が細長い流路を介してマイクロ流体パターンの中に入り、かつ、第１のリザーバーへと液体の流れを生じさせるようなものである。【選択図】図１−２
2019535490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体配置において流れを生じさせる方法であって、
前記マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて、主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、前記マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し；
前記基板と、前記の細長い流路を形成する前記の第１の液体の一部との接触領域は、流路の足跡を定め；
前記基板と、前記の第１のリザーバーを形成する前記の第１の液体の一部との接触領域は、第１のリザーバーの足跡を定め；
前記の流路の足跡および前記の第１のリザーバーの足跡のそれぞれのサイズならびに形状は、前記の流路の足跡のいかなる変化も伴わずに前記の細長い流路における前記の第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力が、前記の第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに前記の第１のリザーバーにおける前記の第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものであり；かつ、
当該方法は：遠位開口部であって、それを通して液体が送達され得る前記遠位開口部へとつながる内部ルーメンを有する送達部材を提供することを有し；かつ、前記遠位開口部が送達位置に保持されている間、前記遠位開口部を通して前記マイクロ流体パターンへと液体をポンピングすることを有し、前記送達位置は、前記液体が前記の細長い流路を介して前記マイクロ流体パターンの中に入り、かつ、前記の第１のリザーバーへと液体の流れを生じさせるようなものである、
前記方法。
【請求項２】
前記の流路の足跡と前記の第１のリザーバーの足跡とが、完全に前記基板の前記表面の実質的に平面である部分の上にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記の第１のリザーバーへの前記の液体の流れを生じさせることが、前記の流路の足跡または前記の第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに実行される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記送達位置が、前記送達部材が、前記遠位開口部から外に出るような液体の任意の流れの不存在下では前記の細長い流路と接触していないようなものであり、かつ、前記液体が、前記遠位開口部から外に出る液体の流れによって前記遠位開口部と前記の細長い流路との間に形成された液体ブリッジを介して前記の細長い流路へとポンピングされる、いずれかの先行する請求項に記載の方法。
【請求項５】
前記遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、前記遠位開口部と前記の細長い流路との間に安定的な液体ブリッジが維持され、そのことによって、前記の細長い流路への液体の途切れない流れを提供する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが、循環工程であって、前記遠位開口部における液体の小球の成長と、前記液体ブリッジを確立するための前記の細長い流路との前記小球の接触と、後に続く前記液体ブリッジの潰れとを有する前記循環工程において周期的に形成され、そのことによって、前記循環工程により生成された拍動性の圧力の結果として、前記の細長い流路への液体の拍動性の流れを提供する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
マイクロ流体配置において流れを生じさせる方法であって、
前記マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて、主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、前記マイクロ流体パターンは、細長い
流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し；
当該方法は：遠位開口部であって、それを通して液体が送達され得る前記遠位開口部へとつながる内部ルーメンを有する送達部材を提供することを有し；かつ、前記遠位開口部が送達位置に保持されている間、前記遠位開口部を通して前記マイクロ流体パターンへと液体をポンピングすることを有し；かつ、
前記液体の前記ポンピングは、前記遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが、循環工程であって、前記遠位開口部における液体の小球の成長と、前記液体ブリッジを確立するための前記マイクロ流体パターンを定める前記の第１の液体との前記小球の接触と、後に続く前記液体ブリッジの潰れとを有する前記循環工程において周期的に形成され、そのことによって、前記循環工程により生成された拍動性の圧力の結果として、前記マイクロ流体パターンへの液体の拍動性の流れを提供するようなものである、
前記方法。
【請求項８】
前記マイクロ流体配置がさらに、前記の第１の液体と直接接触し、かつ、前記の第１の液体を覆う第２の液体を有する、いずれかの先行する請求項に記載の方法。
【請求項９】
前記送達位置が、前記の第２の液体の上方の境界面より下である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の第１の液体が、前記基板の前記表面の実質的に平面である部分および前記の第２の液体とだけ接触する、請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記の第２の液体が前記の第１の液体より高密度である、請求項８〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記の第１の液体、第２の液体および基板が、前記基板上の前記の第１の液体の前進接触角が、前記マイクロ流体パターンが空気で覆われている場合よりも、前記マイクロ流体パターンが前記の第２の液体で覆われている時に高いように選択される、請求項８〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記遠位開口部に最も近い前記送達部材の外面の少なくとも選択された部分が、表面エネルギー密度が前記の第２の液体との接触に関してより前記の第１の液体との接触に関して低くなるように構成される、いずれかの先行する請求項に記載の方法。
【請求項１４】
前記遠位開口部に最も近い前記送達部材の外面の少なくとも選択された部分が、表面エネルギー密度が前記の第２の液体との接触に関してより前記の第１の液体との接触に関して高くなるように構成される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記マイクロ流体パターンが１つ以上のさらなるリザーバーを有し、かつ、前記マイクロ流体パターンへの液体の前記ポンピングが、前記の第１のリザーバーおよび前記の１つ以上のさらなるリザーバーへと液体の流れを生じさせる、いずれかの先行する請求項に記載の方法。
【請求項１６】
マイクロ流体配置において流れを生じさせるための装置であって、当該装置は：
マイクロ流体配置を有し、該マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、前記マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し、前記基板と、前記の細長い流路を形成する前記の第１の液体の一部との間の接触領域は、流路の足跡を定め、前記基板と、前記の第１のリザーバーを形成する前記の第１の液体の一部との接触領域は
、第１のリザーバーの足跡を定め、かつ、前記の流路の足跡および前記の第１のリザーバーの足跡のそれぞれのサイズならびに形状は、前記の流路の足跡のいかなる変化も伴わずに前記の細長い流路における前記の第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力が、前記の第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに前記の第１のリザーバーにおける前記の第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものであり；
ポンピング機構を有し、該ポンピング機構は、遠位開口部であって、それを通して液体が送達され得る前記遠位開口部へとつながる内部ルーメンを有する移動可能な送達部材を有し；かつ、
前記ポンピング機構を制御するように構成されたコントロールシステムを有し、前記遠位開口部が送達位置に保持されている間、前記遠位開口部を通して前記マイクロ流体パターンへと液体がポンピングされるようになっており、前記送達位置は、前記液体が前記の細長い流路を介して前記マイクロ流体パターンの中に入り、かつ、前記の第１のリザーバーへと液体の流れを生じさせるようにするものである、
前記装置。
【請求項１７】
マイクロ流体配置において流れを生じさせるための装置であって、当該装置は：
マイクロ流体配置を有し、該マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、前記マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し；
ポンピング機構を有し、該ポンピング機構は、遠位開口部であって、それを通して液体が送達され得る前記遠位開口部へとつながる内部ルーメンを有する移動可能な送達部材を有し；かつ、
前記ポンピング機構を制御するように構成されたコントロールシステムを有し、前記遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが循環工程であって、前記遠位開口部における液体の小球の成長と、前記液体ブリッジを確立するための前記マイクロ流体パターンを定める前記の第１の液体との前記小球の接触と、後に続く前記液体ブリッジの潰れとを有する前記循環工程において周期的に形成され、そのことによって、前記循環工程により生成された拍動性の圧力の結果として、前記マイクロ流体パターンへの液体の拍動性の流れを提供するようになっている、
前記装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体配置（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）において流れを生じさせることに関する。
【背景技術】
【０００２】
少量の液体の操作は、微生物学、細胞生物学、生化学および材料科学を含む多くの科学分野にとって中心的である。マイクロ流体デバイス（その中では、液体がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）でできたチャンネルを通って流れる）が利用可能であるが、技術の示された利点にも関わらず、かかるデバイスが科学的ワークフローに組み込まれている数は、予期されるより少ない。種々の理由が与えられる。ＰＤＭＳベースのデバイスの試作には少なくとも数日かかり、かつ、高価である；それはまた、典型的には、専用の機器、無菌室および高等な訓練を必要とする。一旦作られると、デバイスは通常１つの用途専用であり、かつ、それらの中の多くの位置へのアクセスが制限される。さらに、未処置のＰＤＭＳは、それが毒素を濾し、かつ、有機溶剤と反応するので、生物学的および化学的適合性が低い。従来のデバイスにおける気泡もまた、多数の操作上の困難を提示する：それらは、流れを不均衡にし、組み込まれた細胞を傷つけ、かつ、空気と流体との境界面において分子凝集を引き起こす。
【０００３】
かかるデバイスを通過するように流れを生じさせることは、デバイスのチャンネルと外部のポンピング装置との間に密封装置を提供することが必要であるので、困難である。密封装置は、典型的には、小さくかつ操作が困難であり、かつ、信頼性が低い。汚染、漏れ、気泡および／または予測できない流量に起因して、実験が妥協され得る。流体がデバイスにおける特定の位置においてのみ注入および抽出され得、柔軟性を制限する。
【０００４】
例えば生細胞に対する実験を行う時に、ヒトまたは動物の内部の条件を模倣した流れを提供することに関心が存在する。したがって、拍動性の流れを提供することが望ましい。この目的のための既知の装置は高価であり得、かつ／または、実装するのが複雑であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
マイクロ流体配置において流れを生じさせるための改善された方法および装置を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様によれば、マイクロ流体配置において流れを生じさせる方法が提供され、マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された（ｈｅｌｄ）第１の液体を有し、マイクロ流体パターンは、細長い流路（ｃｏｎｄｕｉｔ）と第１のリザーバーとを少なくとも有し；基板と、細長い流路を形成する第１の液体の一部との間の接触領域は、流路の足跡（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ；フットプリント・占める面積）を定め；基板と、第１のリザーバーを形成する第１の液体の一部との接触領域は、第１のリザーバーの足跡を定め；流路の足跡および第１のリザーバーの足跡のそれぞれのサイズならびに形状は、流路の足跡のいかなる変化も伴わずに細長い流路における第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力が、第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに第１のリザーバーにおける第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものであり；かつ、当該方法は：遠位開口部（それを通して液体が送達され得る）へとつながる内部ルーメンを有する送達部材を提供
することを有し；かつ、遠位開口部が送達位置に保持されている間、遠位開口部を通してマイクロ流体パターンへと液体をポンピングすることを有し、送達位置は、液体が細長い流路を介してマイクロ流体パターンの中に入り、かつ、第１のリザーバーへと液体の流れを生じさせるようなものである。
【０００７】
したがって、堅固な壁部を有さないマイクロ流体配置において流れが生じる方法が提供される。所望されるマイクロ流体パターンにて第１の液体を保持するのに、堅固な壁部の代わりに表面張力が用いられる。マイクロ流体パターンは、この手段では、ペンを用いてフリーハンドで書くのとほぼ同一の手段で、数秒で形成され得る。ちょうど任意の想像できるパターンが紙の上に描かれ得るように、任意のマイクロ流体パターンが、基板の上で第１の液体を放出する要素を移動させることによって作成され得る。流路および第１のリザーバーのようなマイクロ流体パターンの要素の縁部は、表面張力（界面張力とも呼ばれる）によってピン留めされる（ｐｉｎｎｅｄ）。基板がチャンネルを提供するのにＰＤＭＳと同一の手段で処理される必要がないので、基板は、生物学者が一般的に用いるポリスチレン／ガラス皿のような証明された生物的適合性の材料から作られ得る。
【０００８】
ＰＤＭＳベースのデバイスとは異なり、マイクロ流体配置へと液体をポンピングする送達部材は、マイクロ流体パターンにおける任意の位置において自由に挿入され得る。送達部材とマイクロ流体配置との間の接続は、セルフシール性である。送達部材が挿入される時にシールが自動的に確立され、かつ、送達部材が除去される時に自動的に閉じる。したがって、種々の異なるポンピングモードが、新たなデバイスを構築する必要なく選択され得る。マイクロ流体パターン自体は、例えば流路（セルフシールする）を切り開くことによって、または、異なる流路を一緒に結合することによって再設計さえされ得、このことは、さらなる柔軟性を提供する。さらに、汚染のリスクは、特に第２の液体が上からマイクロ流体パターンを覆うように提供される場合に低減または除去され、かつ、シール不良または漏れの面での課題は存在しない。ガスの泡が生じれば、それらは浮力によって上方へとマイクロ流体配置から外に出るように押し進められ、そのことによって、ＰＤＭＳベースのデバイスにおいて規則的に遭遇される泡の悪影響も除去する。
【０００９】
第１の液体は流体壁（ｆｌｕｉｄ  ｗａｌｌ）によって範囲を制限され、このことは、壁が流体流動中に変形し得ることを意味する。このことは、流れがどのようにマイクロ流体パターンを通して能動的に生じ得るかについて潜在的な制限を提示する。流体壁が、所望される圧力勾配が確立されることを防止する手段で変形すれば、マイクロ流体パターンを通して所望の流量を達成することは可能ではないであろう。本発明者らは、特定の位置においてマイクロ流体パターンへと（すなわち、リザーバー自体へとではなく、リザーバーの間の、または、リザーバーへとつながる細長い流路へと）液体をポンピングすることによって、いっそう広範な種類の流量が達成され得ることを認識した。細長い流路は、細長い流路より幅の広いリザーバーよりも高い最大ラプラス圧力を支持することが可能である（リザーバーに比べて流路において可能となるいっそう高い曲率に起因して）。したがって、細長い流路へのポンピングは、いっそう高い圧力勾配と流路を通したいっそう高い対応するポンピング流量を可能にする。
【００１０】
ある実施形態では、送達位置は、送達デバイスが、遠位開口部から外に出るような液体の任意の流れの不存在下では細長い流路と接触していないようなものであり、かつ、液体は、遠位開口部から外に出るような液体の流れによって遠位開口部と細長い流路との間に形成された液体ブリッジを介して細長い流路へとポンピングされる。この特徴は、送達部材の高度に正確な位置決めの必要性を減少させる。マイクロ流体配置への液体の有効なポンピングは、送達部材の異なる位置の範囲（任意選択的には、遠位開口部がポンピングの不存在下で第１の液体の中にある位置および遠位開口部がポンピングの不存在下では第１の液体の中にない位置の両方を含む）について達成され得る。したがって、送達部材の手
動の位置決めが促進される。送達部材の移動の自動化は、いっそう安価に、かつ／または、信頼性高く実装され得る。
【００１１】
本発明の代替的な態様によれば、マイクロ流体配置において流れを生じさせる方法が提供され、マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し；当該方法は、遠位開口部（それを通して液体が送達され得る）へとつながる内部ルーメンを有する送達部材を提供することを有し、かつ、遠位開口部が送達位置に保持されている間、遠位開口部を通してマイクロ流体パターンへと液体をポンピングすることを有し；かつ、液体のポンピングは、遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが循環工程（遠位開口部における液体の小球の成長と、液体ブリッジを確立するためのマイクロ流体パターンを定める第１の液体との小球の接触と、後に続く液体ブリッジの潰れ（ｃｏｌｌａｐｓｅ）とを有する）において周期的に形成され、そのことによって、循環工程により生成された拍動性の圧力の結果として、マイクロ流体パターンへの液体の拍動性の流れを提供するようなものである。
【００１２】
したがって、堅固な壁部を有さないマイクロ流体配置と関連付けられる利点が達成され、かつ、信頼性の高い拍動性の流れが単純かつ繰り返し可能な方式で達成され得る方法が提供される。拍動性の流れは、精巧なポンピング装置を必要とすることなく達成される。液体は、単純に、例えば一定の流量にて継続的にポンピングされ得る。拍動性の流れは、流体を駆動するための流路内の周期的圧力を提供する液体ブリッジの循環的な形成と潰れとによって提供される。
【００１３】
ある実施形態では、マイクロ流体配置はさらに、第１の液体と直接接触し、かつ、マイクロ流体パターンを覆う第２の液体を有する。第２の液体は、第１の液体を周囲大気から隔離し、そのことによって、マイクロ流体パターンの汚染のリスクをさらに減少させ、かつ／または、第１の液体の蒸発を防止する。ある実施形態では、送達部材の送達位置は、第２の液体の上方の境界面より常に下である。
【００１４】
ある実施形態では、第２の液体は第１の液体より高密度である。このことは、静液圧がどのようにマイクロ流体配置を通る流れを生じさせることに貢献し、かつ、いっそう一定である流量を維持することを補助し得るかを修正する。例えば、リザーバーのサイズがそれらに入る液体の流れに起因して成長するにつれて、ラプラス圧力は、リザーバーの曲率半径が減少するので、典型的には増大するであろう。このことは、通常、リザーバーにおける圧力を増大させ、したがって、液体がそれらの中へと流され得る最大流量を減少させる傾向にある。いっそう高密度の第２の液体を用いると、この効果は、リザーバーより上の液体の高さが減少するので、静液圧の減少によって打ち消される。
【００１５】
ある実施形態では、遠位開口部に最も近い送達部材の外面の少なくとも選択された部分が、表面エネルギー密度が第２の液体との接触に関してより第１の液体との接触に関して高くなるように構成される。このように送達部材を構成することは、マイクロ流体パターンへとポンピングされている液体による送達部材の外面の不必要な濡れ（ｗｅｔｔｉｎｇ）を減少させることを補助する。このことは、液体ブリッジが、例えば拍動性の流れを提供するための接続を作るのに用いられている場合（この場合、遠位開口部において予測可能な幾何学的形状（ｇｅｏｍｅｔｒｙ；ジオメトリー）の小球を形成し得ることが重要である）に特に望ましい。
【００１６】
代替的な実施形態では、遠位開口部に最も近い送達部材の外面の少なくとも選択された部分が、表面エネルギー密度が第２の液体との接触に関してより第１の液体との接触に関
して低くなるように構成される。このように送達部材を構成することは、マイクロ流体パターンへの送達部材の効率良い挿入および密封を提供することを補助する。
【００１７】
本発明の代替的な態様によれば、マイクロ流体配置において流れを生じさせるための装置が提供され、当該装置は：マイクロ流体配置を有し、該マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し、基板と、細長い流路を形成する第１の液体の一部との間の接触領域は、流路の足跡を定め；基板と、第１のリザーバーを形成する第１の液体の一部との接触領域は、第１のリザーバーの足跡を定め；かつ、流路の足跡および第１のリザーバーの足跡のそれぞれのサイズならびに形状は、流路の足跡のいかなる変化も伴わずに細長い流路における第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力が、第１のリザーバーの足跡のいかなる変化も伴わずに第１のリザーバーにおける第１の液体によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものであり；ポンピング機構を有し、該ポンピング機構は、遠位開口部（それを通して液体が送達され得る）へとつながる内部ルーメンを有する移動可能な送達部材を有し；かつ、ポンピング機構を制御するように構成されたコントロールシステムを有し、遠位開口部が送達位置に保持されている間、液体が遠位開口部を通してマイクロ流体パターンへとポンピングされるようになっており、送達位置は、液体が細長い流路を介してマイクロ流体パターンの中に入り、かつ、第１のリザーバーへと液体の流れを生じさせるようなものである。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、マイクロ流体配置において流れを生じさせるための装置が提供され、当該装置は：マイクロ流体配置を有し、該マイクロ流体配置は、基板の表面上のマイクロ流体パターンを定める形状にて主に表面張力によって保持された第１の液体を有し、マイクロ流体パターンは、細長い流路と第１のリザーバーとを少なくとも有し；ポンピング機構を有し、該ポンピング機構は、遠位開口部（それを通して液体が送達され得る）へとつながる内部ルーメンを有する移動可能な送達部材を有し；かつ、ポンピング機構を制御するように構成されたコントロールシステムを有し、遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが循環工程（遠位開口部における液体の小球の成長と、液体ブリッジを確立するためのマイクロ流体パターンを定める第１の液体との小球の接触と、後に続く液体ブリッジの潰れとを有する）において周期的に形成され、そのことによって、循環工程により生成された拍動性の圧力の結果として、マイクロ流体パターンへの液体の拍動性の流れを提供するようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
添付の図面（対応する参照記号は、対応する部品を示している）を参照して、本発明の実施形態が、例としてのみ、ここで説明されるであろう：
【００２０】
【図１−２】図１は、マイクロ流体パターンの細長い流路への液体のポンピングを描いた概略的な側面図である。図２は、図１の配置についての流路の足跡と第１のリザーバーの足跡とを描いている。
【図３】図３は、細長い流路を定める境界面にわたる比較的低い圧力差と関連付けられた比較的低い曲率を描いた細長い流路に沿った断面の端面図である。
【図４】図４は、境界面にわたる圧力差がいっそう大きい図３の流路を描いている。
【図５】図５は、リザーバーによって支持可能な最大曲率を示すリザーバーを通した断面図である。
【図６】図６は、細長い流路によって互いに接続された２つのリザーバーを有するマイクロ流体配置における足跡を描いている。
【図７】図７は、細長い流路が増大した幅の局所化された領域を備えているマイクロ流体配置における足跡を描いている。
【図８】図８は、送達部材の遠位開口部における液体の小球の成長を描いた概略的な側面図である。
【図９】図９は、図８の小球が第１の液体に接触する時に形成される液体ブリッジを描いている。
【図１０】図１０は、マイクロ流体配置において流れを生じさせるための装置を概略的に描いている。
【図１１】図１１は、例示的なＹ形の化学走性回路についてのマイクロ流体パターンと基板との間の接触領域を描いている。
【図１２】図１２は、３つの異なる流量における図１１の回路へのポンピング中の、図１１において破線の四角形で印の付けられた領域の蛍光画像を描いている。
【００２１】
図は例示的な目的でのみ提供されており、かつ、異なる要素が明確に視覚化されることを可能にするために縮尺通りに描かれていない。具体的には、実際には、リザーバーの直径に対する細長い流路の幅は、図面中に示されているものより有意に小さいであろうことが予期される。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本開示の実施形態は、図１に示されているように、マイクロ流体配置２において流れを生じさせる方法を有する。マイクロ流体配置２は、第１の液体４を有する。第１の液体４は、基板１１の表面１０の上のマイクロ流体パターンを定める形状にて、主に表面張力によって保持される。第１の液体４によって形成されるマイクロ流体パターンは、図１に描かれているように、細長い流路１３と第１のリザーバー１５とを少なくとも有する。その他の実施形態では、マイクロ流体パターンは、さらなるリザーバー、および／または、さらなる細長い流路を有していてもよい。
【００２３】
図２は、基板１１より上から見た、図１のマイクロ流体パターンと基板１１との間の接触領域１４を描いている（基板１１の表面１０とは直角である方向に）。基板１１と、細長い流路１３を形成する第１の液体４の一部との間の接触領域１４は、流路の足跡１４Ａを定める。基板１１と、第１のリザーバー１５を形成する第１の液体４の一部との間の接触領域は、第１のリザーバーの足跡１４Ｂを定める。流路の足跡１４Ａは、例えば、少なくとも３：１であり、任意選択的には少なくとも５：１であり、任意選択的には少なくとも１０：１である平均的な長さ：幅のアスペクト比を有していてもよい。第１のリザーバーの足跡１４Ｂは、典型的には、いかなる有意な程度でも細長くないであろう。第１のリザーバーの足跡１４Ｂは、例えば、実質的に円形であってもよく、円形でなければ、３：１より小さく、任意選択的には２：１より小さい平均的な長さ：幅のアスペクト比を有していてもよい。
【００２４】
典型的には、表面１０は、少なくともマイクロ流体パターンの領域において実質的に平面であり、かつ、パターン化されていないであろう（機械的にも化学的にも）。したがって、流路の足跡１４Ａと第１のリザーバーの足跡１４Ｂとは、基板１１の表面１０の実質的に平面である部分（水平に対して任意の角度で提供されてもよく、基板１１の任意のその他の部分に対して任意の角度で提供されてもよい）および／または実質的にパターン化されていない部分の上に完全に提供されてもよい。マイクロ流体パターンの外側の基板１１の表面１０の領域は、したがって、マイクロ流体パターンと接触している表面１０の領域と区別がつかないかも知れない。
【００２５】
図１に描かれているように、内部ルーメン１２を有する送達部材１８が提供される（例えば、中空針）。内部ルーメン１２は、遠位開口部１６（それを通して液体が送達され得る）へとつながる。遠位開口部が送達位置に保持されている間、液体がマイクロ流体パターンへとポンピングされる。液体は、遠位開口部１６を介してマイクロ流体パターンの外
側からマイクロ流体パターンの中へとポンピングされる。図１は、例示的な送達位置にある送達部材１８を描いている。送達位置は概して、液体が細長い流路１３を介してマイクロ流体パターンの中に入り、かつ、第１のリザーバー１５へと液体の流れを生じさせるようなものである。流路の足跡１４Ａに対する液体が入る例示的な領域が、破線の円で図２に描かれている。第１のリザーバー１５への液体の流れを生じさせることは、望ましくは、マイクロ流体パターンと基板１１との間の接触領域１４の形状のいかなる変化も伴わずに達成される。
【００２６】
上記で説明されたように、いっそう大きい構造体へとではなく細長い流路１３へと液体をポンピングすることは、いっそう高い圧力が液体の注入領域において達成されることを可能にし、マイクロ流体パターン内でのいっそう大きい圧力勾配、したがって、いっそう高い流量の確立を促進する。細長い流路１３の壁部のピン留め解除（ｄｅ−ｐｉｎｎｉｎｇ）（したがって、流路の足跡１４Ａの形状の変化）を伴うことなく細長い流路１３内で達成可能である最大ラプラス圧力は、流路の幅によって決定される。リザーバー（単数）またはリザーバー（複数）であって、その中へと液体の流れが生じる前記リザーバー（単数）またはリザーバー（複数）の直径（単数）または直径（複数）と比較して流路の幅を比較的小さくすることが、概して望ましい。図１のもののような実施形態では、流路の足跡１３および第１のリザーバーの足跡１５のそれぞれのサイズならびに形状は、好ましくは、流路の足跡１４Ａのいかなる変化も伴わずに細長い流路１３における第１の液体４によって支持可能である最大ラプラス圧力が、第１のリザーバーの足跡１４Ｂのいかなる変化も伴わずに第１のリザーバー１５における第１の液体４によって支持可能である最大ラプラス圧力より高くなるようなものである。
【００２７】
図３および図４は、細長い流路１３の延伸軸線に沿った断面の端面図である。細長い流路１３の幅Ｗｃは、頁の平面の中にある。細長い流路１３内のラプラス圧力は、細長い流路１３における第１の液体４と細長い流路１３より上にある流体との間の境界面の曲率に基づく。図３は、境界面の曲率が比較的小さい場合を示している（破線で示されるように境界面を延ばすことによって形成された完全な円の比較的大きい曲率半径ｒ１によって示されている）。ラプラス圧力は、細長い流路１３へと液体をポンピングすることによって増大し得、このことは、曲率半径の減少をもたらすであろう。このことは、曲率半径が、細長い流路１３が不安定になる程に小さくならない限り、流路の足跡を変更することなく行われ得る。図４には、いっそう高いラプラス圧力を有する細長い流路１３が概略的に描かれており、破線の円の曲率半径ｒ２は、図３の曲率半径ｒ１より有意に小さい。圧力をさらに増大させるためのあらゆる試みが、細長い流路１３が広がることを引き起こし、そのことによって、流路の足跡１４Ａを変更するであろう。細長い流路１３の境界面のいずれかの側における所定の流体について取得可能な最大ラプラス圧力は、一般的には、細長い流路１３の幅に基づき、いっそう小さい幅は、通常、いっそう高い最大ラプラス圧力が到達されることを可能にするであろう。細長い流路１３からリザーバーへの流量は、細長い流路１３とリザーバーとの間の圧力差に基づき、次に、流体が細長い流路１３へと注入される流量（細長い流路１３における圧力に貢献する）およびリザーバーの曲率に基づく。静液圧もまた、細長い流路１３の高さがリザーバーの高さと異なる場合に圧力差に貢献するかも知れないが、これは、液体が細長い流路１３へと能動的にポンピングされている時には小さい効果であろう。
【００２８】
図５は、第１のリザーバー１５内で達成可能である最大ラプラス圧力に対応する幾何学的形状を示す、第１のリザーバー１５を通した断面図である。第１のリザーバー１５を横切るいっそう大きい幅Ｗｒ（実際には、細長い流路１３を横切る幅Ｗｃの２倍より有意に大きいであろう）は、対応する最大ラプラス圧力が細長い流路１３内で達成可能であるより有意に低いことを意味する（半径ｒ３は、半径ｒ２の２倍より有意に大きいであろう）。
【００２９】
ある実施形態では、図１に描かれているように、マイクロ流体配置はさらに、第２の液体６を有する。第２の液体６は、第１の液体４と直接接触し、かつ、マイクロ流体パターンのすべてを覆う。したがって、マイクロ流体パターンの第１の液体４は、第１の液体４の外側の境界面の残りのすべてに沿って、下にある平面状でパターン化されていない表面１０および第２の液体６とだけ接触していてもよい。第２の液体６は、周囲環境８（例えば、空気）から第１の液体４を隔離する。第２の液体６は、したがって、第１の液体４の蒸発を減少させてもよく、防止してもよい。第２の液体６は、第１の液体４の汚染を減少させ、または、防止する。第２の液体６は、第１の液体４と実質的に不混和性である（ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ）。
【００３０】
送達部材１８の送達位置は、好ましくは、第２の液体６の上方の境界面７より下である。遠位開口部１６は、したがって、マイクロ流体配置の外側の環境（例えば、空気）から常に密封されている。下記で説明されるように、送達位置は、遠位開口部１６が、遠位開口部１６からのポンピングの不存在下では、第１の液体４と第２の液体６との間の境界面５より上または下にあるようなものであってもよい。
【００３１】
ある実施形態では、遠位開口部１６に最も近い送達部材１８の外面の少なくとも選択された部分１９が、表面エネルギー密度（単位面積あたりの表面エネルギー）が第２の液体６との接触に関してよりも第１の液体４との接触に関して低いように構成される。したがって、第２の液体６にとって送達部材１８を濡らす（ｗｅｔ）ことよりも、第１の液体４にとって送達部材１８を濡らすことが、エネルギー的により好ましい。第１の液体４が高い割合で水を含有している場合、外面の選択された部分１９は、例えば親水性であるように構成されていてもよい。このように送達部材を構成することは、マイクロ流体パターンへの送達部材１８の効率良い挿入および密封を提供することを補助する。ある実施形態では、選択された部分１９は、送達部材１８の周りに閉じた環（ｃｌｏｓｅｄ  ｒｉｎｇ）を形成する。選択された部分１９は、送達部材の端面を有していてもよく、送達部材の側面を有していてもよく、両方を有していてもよい。選択された部分１９は、遠位開口部１６に直接隣接した領域を有していてもよい。選択された部分１９は、例えば被覆することよって送達部材１８の表面を処置することによって、もしくは、内部要素と該内部要素を覆うスリーブとを有する送達部材を提供すること（スリーブの外面が選択された部分１９を提供する）によって、部分的に、または、完全に実装されてもよい。
【００３２】
種々の実施形態では、マイクロ流体パターンは１つ以上のさらなるリザーバーを有し、かつ、マイクロ流体パターンへの液体のポンピングは、第１のリザーバーおよび１つ以上のさらなるリザーバーへと液体の流れを生じさせる。図６は、このタイプの例示的なマイクロ流体パターンと基板１１の間に接触領域１４を描いている。上記と同様、接触領域１４は、流路の足跡１４Ａと第１のリザーバーの足跡１４Ｂとを有する。接触領域１４はさらに、さらなるリザーバーの足跡１４Ｃを有する。１つより多いさらなるリザーバーが提供され得、その場合、対応する追加のさらなるリザーバーの足跡が存在する。異なるリザーバーのサイズは、それらの中への流量を制御するように選択され得る。図６に示されている例では、第１のリザーバーの足跡１４Ｂは、さらなるリザーバーの足跡１４Ｃより大きく、このことは、第１のリザーバーへの流量が、さらなるリザーバーへの流量より平均的に高いことをもたらす。第１のリザーバーにおけるラプラス圧力は、それにポンピングされた液体の量の関数として、さらなるリザーバーよりゆっくりと上昇するであろう。代替的または追加的には、異なるリザーバーへの液体の相対流量は、液体が細長い流路１３へと注入される場所の適切な選択によって制御され得る。具体的には、所定のリザーバーへの流量は、概して、そのリザーバーにいっそう近い位置において細長い流路１３へと液体を注入することによって増大し得る。
【００３３】
上記した実施形態では、細長い流路１３の幾何学的形状は、一定の幅の細長い要素を有する。その他の実施形態では、細長い流路１３は、いっそう複雑な幾何学的形状を有していてもよい。例えば、流路が、幅が流路の長さに沿って変化するように提供されてもよい。この場合、流路は、複数の細長い流路１３を直列に有すると考えられてもよく、細長い流路１３のうちの少なくとも２つは、互いに対して異なる幅を有する。かかる実施形態では、送達位置は、未だに、利用可能である細長い流路１３のうちの１つを介して液体がマイクロ流体の中に入るようなものであるべきである。図７は、このタイプの例示的なマイクロ流体パターンと基板１１との間の接触領域１４を描いている。接触領域１４は、上記と同様に流路の足跡１４Ａと第１のリザーバーの足跡１４Ｂとを有し、一緒に２つのさらなる流路の足跡１４Ｄを有する。異なる幅の細長い流路１３の提供は、わずかにいっそう大きい幅の細長い流路１３を選択する選択肢を提供することによって、送達部材を位置決めしてマイクロ流体パターンへと液体をポンピングすることをいっそう容易にするかも知れない（図７における破線の円によって描かれた液体が入る領域によって例示されるように）。
【００３４】
図８および図９は、送達位置が、送達部材１８が遠位開口部１６から外に出るような任意の液体の流れの不存在下では細長い流路１３と接触しないようなものである実施形態を描いている。かかる実施形態では、液体は、遠位開口部１６から外に出るような液体の流れによって遠位開口部１６と細長い流路１３との間に形成された液体ブリッジ２２を介して細長い流路１３へとポンピングされる。図８に描かれているように、遠位開口部１６から外に出るような液体の流れは、まず、液体の小球２０の成長を引き起こす。第２の液体６が提供される場合、小球２０は、典型的には、第２の液体６の組成よりも第１の液体４の組成に類似する組成を有するであろう（例えば、両方とも水性であってもよい）。小球２０を形成する液体は、典型的には、第２の液体６と実質的に不混和性であるであろう。図９に示されているように、小球が第１の液体４に接触する程十分に成長した時、送達部材１８における液体とマイクロ流体パターンにおける第１の液体４との間に液体ブリッジ２２が生じる。液体ブリッジ２２は、送達部材１８からマイクロ流体パターンへと液体がポンピングされることを可能にする。 
【００３５】
ある実施形態では、送達位置とポンピングとは、遠位開口部１６から外に出るような途切れない流れの期間中、遠位開口部１６と細長い流路１３との間に安定的な液体ブリッジ２２が維持されるように構成される。したがって、液体ブリッジ２２は、途切れない流れの期間のすべての間、存在する。細長い流路１３への液体の対応する途切れない流れが、そのことによって提供される。
【００３６】
その他の実施形態では、送達位置とポンピングとは、遠位開口部１６から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジ２２が循環工程（遠位開口部１６における液体の小球２０の成長と、液体ブリッジ２２を確立するための細長い流路１３との小球２０の接触と、後に続く液体ブリッジ２２の潰れとを有する）において周期的に形成されるように構成される。細長い流路１３への液体の拍動性の流れが、そのことによって提供される。拍動性の流れは、実質的に一定である流量が遠位開口部１６に提供される時でさえ達成され得る。したがって、マイクロ流体パターン内で規則的な拍動性の流れを達成するのに、比較的単純なポンピング装置が用いられ得る（例えば、一定の流れを提供するのに適している）。したがって、拍動性の流れを必要とする実験（例えば、ヒトまたは動物の内部の条件を模倣することが望ましい実験）が、安価かつ便宜に実現され得る。
【００３７】
そのことは、遠位開口部１６に最も近い送達部材１８の外面の少なくとも選択された部分１９を配置するのに液体ブリッジ２２が用いられ、表面エネルギー密度が第２の液体６との接触に関してよりも第１の液体４との接触に関して高いようになっている実施形態において特に望ましい。したがって、第１の液体４にとって送達部材１８を濡らすことより
も、第２の液体４にとって送達部材１８の選択された部分を濡らすことが、エネルギー的により好ましい。第１の液体４が高い割合で水を含有している場合、選択された部分１９は、例えば疎水性であるように構成されていてもよい。このように送達部材を構成することは、遠位開口部１６から出る液体による送達部材の不必要な濡れを防止し、そのことによって例えば、図８に描かれているように細長い流路１３に向かって突き出る小球２０の信頼性高い形成を促進する。ある実施形態では、選択された部分１９は、送達部材１８の周りに閉じた環を形成する。選択された部分１９は、送達部材の端面を有していてもよく、送達部材の側面を有していてもよく、両方を有していてもよい。選択された部分１９は、遠位開口部１６に直接隣接した領域を有していてもよい。選択された部分１９は、例えば被覆することよって送達部材１８の表面を処置することによって、もしくは、内部要素と該内部要素を覆うスリーブとを有する送達部材を提供すること（スリーブの外面が選択された部分１９を提供する）によって、部分的に、または、完全に実装されてもよい。ある実施形態では、送達部材１８は、ステンレス鋼の内部要素と、該内部要素を覆うＰＴＦＥのスリーブとを有する。
【００３８】
種々の実施形態では、第１および第２の液体は、第２の液体６が第１の液体４より高密度であるように選択される。例えば、第１の液体４は水性であってもよく、かつ、第２の液体６は、ＦＣ４０（小滴ベースのマイクロ流体学において広範に用いられる、密度が１．８５５５ｇ／ｍｌである、透明であり完全にフッ化している液体）のようなフッ化炭素を有していてもよい。いくぶん直観に反した方法で、いっそう高密度の第２の液体６が底に沈み、かつ、第１の液体４を変位させる代わりに、界面力が優位に立ち、かつ、水性相は基板１１にくっついたままである。いっそう高密度の第２の液体６を提供することは、マイクロ流体パターン内でいっそう一定である流量を提供することを補助するので有利である。リザーバーのサイズが成長するにつれてのラプラス圧力の増大は、リザーバーより上の第２の液体６の深さが減少するので、リザーバーに作用する静液圧の対応する減少によって少なくとも部分的に補償される。このことは、マイクロ流体パターン内の圧力勾配がポンピング中に減少する割合を減少させ、そのことによって、いっそう一定である流量に貢献することを補助する。このことは、マイクロ流体パターンにおいて流れを生じさせることが受動的な構成要素を有する場合に特に望ましいかも知れない。例えば、実施形態では、流れは、第１の期間については、送達部材１８を用いてマイクロ流体パターンへと液体を能動的にポンピングすることによって生じてもよく、かつ、第１の期間に続く第２の期間については、受動的なポンピングによって生じてもよい（この期間中、送達部材１８は、任意選択的には、マイクロ流体配置の外側に引き込まれている）。
【００３９】
ＦＣ４０における水の溶解性は重量で＜７ｐｐｍであり、したがって、ＦＣ４０より上の空気に曝露されたＦＣ４０を有する第２の液体６で覆われた水性の第１の液体４は、数日間は安定的である。ＦＣ４０はまた、マイクロ流体パターンを、近くに提供された任意のその他のマイクロ流体パターン（例えば、同一の基板１１の上にあり、かつ、第２の液体６の同一のボディー（ｂｏｄｙ；塊）と接触しているが、互いと直接接触していない）から有効に隔離することが示された。
【００４０】
ある実施形態では、第１の液体、第２の液体および基板は、基板１１の上の第１の液体４の前進接触角が、マイクロ流体パターンが空気で覆われている場合よりも、マイクロ流体パターンが第２の液体６で覆われている時に高いように選択される。これは、例えば、第１の液体４が水性であり、かつ、第２の液体がＦＣ４０である時の場合である。この場合、前進接触角は約２０°増大し、このことは、約６０％多い液体が、リザーバーの足跡が変化する前にリザーバーに添加され得ることを意味する。
【００４１】
上記の方法は、マイクロ流体配置２において流れを生じさせるための装置３０によって実行されてもよい。図１０には、例示的な装置３０が概略的に描かれている。該装置は、
上記の実施形態のいずれかにしたがうマイクロ流体配置２を有する。装置３０はさらに、送達部材１８を有するポンピング機構３２を有する。送達部材１８は、ポンピング機構３２によって移動可能である。コントロールシステム３４がポンピング機構を制御し、上記の実施形態のいずれかにしたがう方法が実行され得るようになっている。コントロールシステム３４は、例えば、送達部材１８の遠位開口部１６が送達位置（送達位置は、液体が細長い流路１３を介してマイクロ流体パターンの中に入り、かつ、第１のリザーバー１５へと液体の流れを生じさせるようなものである）に保持されている間、液体がマイクロ流体パターンへとポンピングされるようにポンピング機構を制御してもよい。代替的または追加的には、コントロールシステム３４は、遠位開口部から外に出るような途切れない流れの期間中、不安定な液体ブリッジが循環工程（遠位開口部における液体の小球の成長と、液体ブリッジを確立するためのマイクロ流体パターンを定める第１の液体との小球の接触と、後に続く液体ブリッジの潰れとを有する）において周期的に形成され、そのことによって、マイクロ流体パターンへの液体の拍動性の流れを提供するようにポンピング機構を制御してもよい。
【００４２】
詳細な例
化学走性への応用
化学走性は安定的な流れを必要とし、かつ、多くのマイクロ流体デバイスはそれを研究するために開発された。本明細書に開示された実施形態の実演として、本発明者らは、Ｙ形の「化学走性」回路を有するマイクロ流体パターンを構築した。その流路の足跡１４Ａとリザーバーの足跡１４Ｂとが、図１１に概略的に描かれている。この例では、２つの細長い流路が提供され、各流路は、Ｙ形のアームのうちの異なるものの一部を形成し、かつ、単一の第１のリザーバーへとつながっていた。所望のパターンへの第１の液体４のプリンティングの後、２つのステンレス鋼の送達部材−それぞれ青および赤の染料で充填され、かつ、１つのポンプの上に取り付けられたシリンジに接続されている−における遠位開口部が、それらがＹの一方のアームを形成する細長い流路に穴をあけるまで、ＦＣ４０を有する第２の液体を通して下げられた；第１の液体４の水溶液界面は、その後、自発的に送達部材（この例では、親水性であるように構成されている）の周りを密封する。ポンプを始動させる際、赤および青の染料がマイクロ流体パターンへと注入され、マイクロ流体パターンと基板との間の接触領域１４全体を変化させることなく、〜１ｍｌ／ｈの流量で直角曲り目の周りを流れることが観察される（図１１参照）。入口を介して気泡が導入されれば、浮力の差が、それらが摘み取られ、かつ、大気へと失われるように押し進める。これら結果は、外部ポンプが、単純にセルフシール性の「ガスケット」を通して本明細書に記載されるようなマイクロ流体パターンに接続され得ることを確認する。マイクロ流体パターンを定める流体界面は、変化する流れにロバストに適合することが見られ、足跡は不変のままであり、かつ、マイクロ流体配置は、堅固な壁部のあるＰＤＭＳの代替物を用いて実装された相手方の配置のように操作され得るが、漏れやすいシールおよび気泡と関連付けられた問題ならびに一般的な柔軟性のないことを伴わない。
【００４３】
図１２は、赤および青の染料の３つの異なる流量についての、図１１において３６の印が付けられた領域の画像である。ゆっくりした流れの場合、勾配を作成するための拡散時間が存在し、このことは、一番左の挿入図における明るい領域と暗い領域との間のぼやけとして見られる；速い流れの場合、時間が少なく、かつ、勾配はいっそう急である（一番右の挿入図における明るい領域と暗い領域との間のいっそうはっきりとした境界として見られる）。中央の挿入図は、中間的な流量についての中間的なぼやけを示している。
【図１−２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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