(57)【要約】本発明は、シリコン技術で製造され少なくとも１つの３Ｄ微小環境が存在するマイクロ流体デバイスと、シリコンベースの技術を用いた前記デバイスの製造方法と、様々な用途における前記デバイスの使用、典型的には細胞機能または生体機能チップの実験といった生物学的細胞実験における使用やマイクロリアクターとしてのデバイスの使用、の分野におけるものである。【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイス（１００）であって、以下を含むもの：
（ａ）光学的に透明なポリマー（２０）懸濁フィルムに埋め込まれたマイクロ流体素子であり、以下を有する：
-０．０５〜３０μｍの薄いポリマー上層（２０ａ）。
-５０〜２０００μｍのポリマー底層（２０ｂ）。このポリマー底層は前記ポリマー上層と接触しているとともに、少なくとも部分的に前記ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と１つの第２のマイクロチャンバ（２２）とのうち少なくとも１つを備える。
（ｂ）前記のポリマーベースのマイクロ流体素子の上層（２０ａ）とマイクロ流体接続しているとともにポリマーベースのマイクロ流体素子を支持している硬質の基板に埋め込まれたマイクロ流体素子（１０）。この基板ベースのマイクロ流体素子はデバイス使用のためにアクセス可能であり、かつ／またはアクセス可能とされることができて、ここで前記基板は好ましくはシリコンまたはシリコン上の誘電体であり、以下を有する：
-少なくとも部分的に基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）とのうちの少なくとも１つ。この基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）とのうちの少なくとも１つは外部からアクセス可能である。
-少なくとも１つの入力部（１６）。
この入力部（１６）は、ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と第２のマイクロチャンバ（２２）とのうちの少なくとも１つとマイクロ流体接続しており、
ポリマー上層（２０ａ）は、基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）との少なくとも１つを、ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と第２のマイクロチャンバ（２２）との少なくとも１つから好ましくはその中の孔（２８）のマトリクスによって少なくとも部分的に分離する。
【請求項２】
前記ポリマーベースのマイクロ流体素子に埋め込まれ、かつ／または前記基板ベースのマイクロ流体素子に集積および埋め込みされるような、マイクロチップ、集積化センサ、および出力部（１８）のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ポリマー（２０）が、１［ＭＰａ］（ＩＳＯ ５２７）より大きい引張強度の伸縮性、３［ＧＰａ］より小さいヤング率（ＩＳＯ ５２７）の可撓性、＞１０［ＧＰａ］より大きいヤング率の剛性（ＩＳＯ ５２７）、のうちの少なくとも１つを持つ、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ポリマーが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなポリシロキサン、ポリイミド、ポリウレタン、ブチルゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレンといった生体適合性ポリマーと、バイオラバー（ＰＧＳ）およびポリ（１，８−オクタンジオール−co−シトレート）（ＰＯＣ）といった生分解性ポリマー、ならびにそれらの組み合わせ、から独立して選択されたものである、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ポリマー上層が、ｎ×ｍ個の開口部の配列を含み、孔の密度が０．００１〜２５０／１００μｍ２であり、かつ／または平均孔面積が０．０５−５００μｍ２であり、かつ／または複数の相互接続された中空構造を含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
デバイスに埋め込まれた、センサ、ポンプ、微小電極、バルブ、歪みゲージ、アクチュエータ、加熱器、冷却器、刺激装置、流量センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、ＩＣ回路、増幅器、アクチュエータ、ホットプレート、微小電極アレイ、化学刺激装置、光刺激装置、イオンセンサ、圧力調節器、のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
薄い前記ポリマー上層（２０ａ）に埋め込まれた少なくとも１つの電極（２９）を含み、前記電極が、好ましくは０．１〜５０００μｍ２のアクセス可能領域（２９ａ）を有する、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
薄い前記ポリマー上層（２０ａ）が、その少なくとも片面に、少なくとも１つの刻み目、溝、局所構造といった微小構成を含み、好ましくは少なくとも１つの配向された微小溝、望ましくは微小溝密度が１〜２５／１００μｍ２、平均溝面積が０．１〜１０６μｍ２のｘ*ｙ方向に配向された微小溝のアレイを含み、少なくとも１つの微小構成は、デバイスの第１のマイクロチャンバ（１２）に対して整列している、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
基板に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路（１１）と、少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ（１２）と、のうち少なくとも１つが、５０〜２０００μｍの高さを有し、ポリマーに埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）の少なくとも１つおよび第２のマイクロチャンバ（２２）の少なくとも１つが、１〜１０００μｍの高さを有し、第１のマイクロ流路（１１）とマイクロチャンバ（２２）とのうち少なくとも１つは、流路の上側と底側とを接続するポリマー製の少なくとも１つのコラム、好ましくは少なくとも１つの配向コラムであって、望ましくはｃ*ｄコラムのアレイを備え、マイクロチャンバ（１２）の壁およびマイクロ流路（１１）の壁は、ポリマーといった絶縁層および／または金属といった導電層でコーティングされており、デバイスは１つのマイクロ流路（２１）を含み、マイクロチャンバ（２２）は孔アレイ（２８）を介してマイクロチャンバ（１２）に接続されておらず、マイクロチャンバ（２２）はマイクロ流路（１６）に接続されていない、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
ポリマー層（２０ａ、２０ｂ）が開口部を備え、前記開口部が、金属パッド、ＩＣ、光センサといったセンサ、加熱器のうちの少なくとも１つへのアクセスを提供する、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つのデバイス（１００）を製造する方法であり、少なくとも１つのセンサ（９０）を含みうるＳｉ基板（１０）を提供するステップを含んでおり、
ａ１）基板の両面に第１の誘電体層（５１ａ，ｂ）を堆積／成長させ、
ｂ）底側に誘電体層をパターニングし；
ｃ）誘電体層のパターニングされていないＳｉ側に第１のポリマー層（６１）を堆積し；
ｄ）リソグラフィまたは電子ビーム装置を用いて第１のポリマー層（６１）をパターニングし；
ｅ１）第１のポリマー層（６１）に犠牲層（７２）を堆積し；
ｅ２）リソグラフィまたは電子ビームマシンを使用して犠牲層（７２）をパターニングし；プラズマエッチング／ドライエッチングにより第１ポリマー層をエッチングし；
ｆ）犠牲層（７２）に第２の層（６２）を堆積し；
ｇ）底側でシリコン基板（１０）をドライエッチングし、それによってＳｉ内に流路（１１）／チャンバ（１２）用の開口部を設け；
ｈ）第１の誘電体層（５１ｂ）を底側から（ウェット）エッチングして流路／チャンバ用の開口部を設け；
ｉ）犠牲層（７２）を（ウェット）エッチングし、それによって流路（２１）／チャンバ（２２）を開放すること
を行う方法。
【請求項１２】
第１および第２の誘電体層（５１ａ，ｂ，５２）が、ＳｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４といったＳｉ誘電体材料から独立して選択される材料から作成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第１の誘電体層（５１ａ，ｂ）、第２の誘電体層（５２）、第３の誘電体層（５３）の厚さが、それぞれ独立して１０〜５００００ｎｍである、請求項１１，請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
第１の箔層（６１）の厚さが、５０〜３００００ｎｍである、請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
第２の箔層（６２）の厚さが、５０〜２０００μｍである、請求項１１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
箔層（６１、６２）が、バイオポリマー、好ましくはＰＤＭＳのようなポリシロキサン、ポリイミド、ポリエチレンといった生体適合性ポリマーと、バイオラバー（ＰＧＳ）およびポリ（１，８−オクタンジオール−co−シトレート）（ＰＯＣ）といった生分解性ポリマー、ならびにそれらの組み合わせから、それぞれ独立して選択される材料から作成される、請求項１１ないし請求項１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
前記犠牲層（７２）が、Ｉ線フォトレジストといったフォトレジスト、あるいは酸化シリコンである、請求項１１ないし請求項１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
パターニングが、Ｉ線リソグラフィマシンを用いて行われる、請求項１１ないし請求項１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの誘電体層が、ＰＥＣＶＤおよび酸化作用のうちの１つによって形成される、請求項１１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
シリコンのドライエッチングがＤＲＩＥを用いて行われ、かつ／またはシリコンのウェットエッチングがＫＯＨを用いて行われる、請求項１１ないし請求項１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
膜層のうちの少なくとも１つがスピン形成される、請求項１１ないし請求項２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つのデバイス（１００）を製造する方法であって、少なくとも１つのセンサ（９０）と微小電極アレイ（２９）と少なくとも２組の微小溝（２７）を含みうる基板（１０）を設ける少なくとも１つのステップを含み、
ａ１）基板の少なくとも片面に第１の誘電体層（５１ａ、ｂ）を堆積／成長させ、
ａ２）誘電体層を上側および／または底側にパターニングし；
ｂ１）基板の上側に金属層を堆積し；
ｂ２）金属層（８１）をパターニングし；
ｃｌ）基板の上側に第１の可撓性および／または伸縮性の誘電体層を堆積し；
ｃ２）第１の可撓性および／または伸縮性の誘電体層（５２）をパターニングし；
ｄｌ）基板の上側に導電層を堆積し；
ｄ２）導電層（８２）をパターニングし；
ｅ１）第２の可撓性および／または伸縮性の誘電体層を堆積し；
ｅ２）第２の可撓性および／または伸縮性の誘電体層（５３）をパターニングし；
ｆ１）微小溝の第１の組用の第１の犠牲層を堆積し；
ｆ２）第１の犠牲層（７１）をパターニングし；
ｇ）第２の誘電体層に第１の箔層（６１）を堆積し；
ｈ）第１の箔層（６１）をパターニングし；
ｉ）第１の箔層（６１）を部分的にエッチングして微小溝の第２の組を画定し；
ｌ１）第１の膜層に第２の犠牲層（７２）を堆積し；
ｌ２）第２の犠牲層（７２）をパターニングし；
ｍ）犠牲層（７１）に第２の箔層（６２）を堆積し；
ｎ）第２の箔層（６２）をパターニングし；
ｏ）基板（１０）を底側でエッチングし、それによって基板内に流路（１１）／チャンバ（１２）用の開口部を設け；
ｐｌ）導電性または絶縁性のチャンバコーティング（１４）の堆積をし；
ｐ１）導電性または絶縁性のチャンバコーティングのエッチングをし；
ｑ）底側から第１の誘電体層（５１ｂ）をエッチングし、流路／チャンバ用の開口部を設け；
ｒ）犠牲層（７２）をエッチングし、それによって流路（２１）／チャンバ（２２）を開放する
ことを行う方法。
【請求項２３】
基板（シリコン）内に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路（１１）および／または少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ（１２）と、少なくとも１つの入力部（１６）と、ポリマー底層に埋め込まれた少なくとも１つの第２のマイクロ流路（２１）および／または少なくとも１つの第２のマイクロチャンバ（２２）と、の寸法が、それぞれ独立して５０ｎｍ〜５ｍｍの範囲で完全に調節可能であり、かつ／または、孔（２８）のマトリクスと、微小構成と、の寸法が、それぞれ独立して、５０ｎｍ〜２０μｍの範囲内で完全に調節可能である、請求項１１ないし請求項２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
基板層が少なくとも２つの位置合わせマーカを備えており、少なくとも１つの方法ステップ中に基板（１０）が位置合わせされる、請求項１１ないし請求項２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
生物学的細胞実験、生体機能チップの実験、光学顕微鏡実験、初代細胞の増殖および分化の実験、細胞の機械的および電気的刺激、層状構造、生体組織および／または器官内のマイクロ環境のシミュレーション、の少なくとも１つのための、Lab-on-Chipとしての、マイクロ流体素子デバイスとしての、そしてマイクロリアクターとしての、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
【請求項２６】
デバイスのウェット／湿潤区画とドライ区画とが物理的に分離されており、ドライ区画が電子素子を含む、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン技術で製造され少なくとも１つの３Ｄマイクロ環境が存在するマイクロ流体デバイスと、シリコンベースの技術を用いた前記デバイスの製造方法と、様々な用途、典型的には細胞機能チップ、生体機能チップ、lab-on-a-chipの実験といった生物学的細胞実験における前記デバイスの利用と、マイクロリアクターとしてのデバイスの利用と、の分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、人間によって生成されたマイクロシステム内の少なくとも１つの小さな流体（液体または気体）量を操作することを目的とした一連の技術に関するものである。デバイス内には細胞培養物または単独の細胞といったものが存在し得る。前述の細胞培養物に関する実験とは、十分に制御された環境における細胞の維持および増殖のことである。この環境は自然発生の状況に似せられることがある。そして細胞も同様に、その細胞の自然発生する周囲のマイクロ環境中に存在し得る多数のシグナルのうちの少なくとも１つが印加された状態で研究され得る。
【０００３】
マイクロ流体工学的な細胞培養は、マイクロ流体素子の容積内の細胞の培養、維持、および増殖、ならびに定性的および定量的な実験・分析などにより細胞の操作を試みるものであることがある。これは、幹細胞培養、非分裂細胞またはゆっくり分裂する細胞などの細胞培養を、細胞培養パラメータとマイクロ流体デバイスによって作られたマイクロ環境条件との間の相互作用の観点から理解する試みに関連することがある。チャンバや流路などのマイクロ流体素子の寸法は、生体細胞の物理的尺度やその他の用途に非常に適していると考えられる。
【０００４】
一般的に、マイクロ流体素子は、例えば細胞培養条件について良好な水準の制御を提供すると考えられている。通常、マイクロ流体素子内の流体の動きは層流と見なされる；流体量は典型的には１０−６〜１０−１２ｌのオーダーである；例えば、チップ内バルブを設けることによって、流体の流れを容積およびタイミングに関して正確に制御することができる；マイクロ環境の精密な化学的および物理的制御も可能である；先行技術は通常、制御が不十分であると思われる手作業の手順に依存しているものの、単一のデバイス上で個々に制御可能な細胞培養チャンバを多数製造することが考えられる。
【０００５】
いくつかの先行技術文献がマイクロ流体について述べている。
特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５は、比較的単純な生体機能チップデバイスについて述べており、これは複雑な感知／刺激要素を含むことはできない；したがって、これらのデバイスはほとんどの用途に適していない。
【０００６】
非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、および特許文献６が提示するデバイスが有するのは、限られた生産歩留まり、限られたスループット、限られた機能であり、これは特定のマイクロ流体デバイス以上のものに関連しているとは考えられない；これらのデバイスはいくつかの基本的な機能を提供すると考えられるが、さらなる用途のための技術的な問題については用意ができていない。
【０００７】
近年、本発明者の一人が記事を発表した（非特許文献４）。Cytostretchデバイスは、マイクロ流体流路に関するものではない。流路を持たない箔である。製造のためのいくつかの工程が本方法と重複するものの、上記特許文献６およびこの論文は、薄い層における流路といったものに関するものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０４９３６３号
【特許文献２】国際公開第２０１６／０４９３６５号
【特許文献３】国際公開第２０１６／０１０８６１号
【特許文献４】国際公開第２０１６／００４３９４号
【特許文献５】ＵＳ１５／２９５５５３４Ａ１
【特許文献６】国際公開第２０１５／１３８０３４号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Huh, Dongeun, et al. In “Reconstituting organ-level lung functions on a chip.” Science 328.5986 (2010): 1662-1668
【非特許文献２】Kim, Hyun Jung, et al. in “Human gut-on-a-chip inhabited by microbial flora that experiences intestinal peristalsis-like motions and flow.” Lb on a Chip 12.12 (2012): 2165-2174
【非特許文献３】Huh, Dongeun, et al. in “Microfabrication of human organs-on-chips.” Nature protocols 8.11 (2013): 2135-2157
【非特許文献４】Gaio et al., “Cytostretch, an Organ-on-chip Platform”, Micromachines, Vol.7, July 14, 2016, 120 (p. 1-14)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、機能性および利点を損なうことなく、１つ以上の上記のあるいはさらなる短所を克服するデバイスおよびその製造方法に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は第１の態様においては請求項１に係るデバイスに関し、特に、スループットがより高く、より安価で製造でき、信頼性がより高く、より多用途で、細胞などのより良い処理を提供し、より広範の機能を提供するという利点を有する。生体機能チップの場合、本デバイスは疾病モデル化、薬物スクリーニングおよび毒性試験を改善する。製薬会社はこれを、動物実験を部分的に置き換えるためのツールとして使用して、動物福祉と薬物試験の信頼性を改善することができる。
【００１２】
本デバイスは、マイクロ流体素子およびナノ／マイクロスケール素子などが設けられた少なくとも３つの異なる層を含む。最初の２つの層はポリマー製であるが、通常は両方の層が同じポリマーである必要はない；第１のポリマー層２０ａは、基板、典型的にはシリコン１０またはガラスウエハ上に設けられ、比較的薄い；本発明において、用語「基板」、「シリコン」、および「ガラス」は置き換え可能と考えてよい。最上層は、ホイルとも呼ばれる膜に関連していると考えることができ、これは選択的バリアに関連していると考えられる；これに加えて、あるいはこれの代わりに、本ポリマー層はフィルム、すなわち薄い連続的なポリマー材料に関連すると考えることができ、一方、より厚いプラスチック材料はシートに関連するであろう；最上層は、好ましくは、その中にマトリクス状の孔２８を備えており、少なくとも１つの孔は流体、気体、種、微粒子、イオンなどを通過させることが可能で、特定の用途に合わせることができる；最上層は、０．０５〜３０μｍ、好ましくは０．１〜２５μｍ、より好ましくは０．２〜２０μｍ、さらにより好ましくは０．５〜８μｍ、例えば１〜５μｍまたは２〜３μｍの厚さを有する；顕微鏡を使用して生体細胞などの試料を調べられるように、最上層は光学的に透明であるか、または少なくともほどんど透明、＞９０％程度、例えば＞９８％透明である；比較的薄いポリマー層２０ａと接触しているのは、より厚いポリマー底層２０ｂである。底層は、ポリマー底層に少なくとも部分的に埋め込まれた少なくとも１つの第２のマイクロ流路２１および／または少なくとも１つの第２のマイクロチャンバ２２を含む；これらのマイクロ流体素子の数、レイアウト、サイズ、およびさらなる特徴は、特定の用途に合わせてよい；マイクロ流体素子は、ウェルの場合のように、底層２０ｂに完全に埋め込まれても、および／または部分的に埋め込まれてもよい；ポリマー底層は最上層よりも厚く、そして好ましくは５０〜２０００μｍの厚さを有し、したがって最上層よりも少なくとも一桁厚く、そして典型的には２〜３桁厚い；厚さは、好ましくは１５０〜１０００μｍ、より好ましくは２００〜５００μｍ、さらにより好ましくは２５０〜４００μｍ、例えば３００〜３５０μｍである；デバイスは、ポリマーベースのマイクロ流体素子の上層２０ａとマイクロ流体接続しているシリコンベースのマイクロ流体素子をさらに含み、ここで、シリコンベースのマイクロ流体素子はデバイス使用のためにアクセス可能であり、かつ／またはデバイス使用のためにアクセス可能とされ得る；基板、例えばシリコンを土台とするマイクロ流体素子は、シリコン内に少なくとも部分的に埋め込まれている（上記参照）少なくとも１つの第１のマイクロ流路１１および／または少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ１２と、少なくとも１つの入力部１６とを含み、入力部１６は、例えば機能的に定義あるいは要求されている通り、ポリマー底層に埋め込まれた少なくとも１つの第２のマイクロ流路２１および／または少なくとも１つの第２のマイクロチャンバ２２とマイクロ流体接続する；支持体または基板１０は、Ｓｉやガラスといったシリコン半導体プロセスにおいて典型的に使用されるウェハ��関連することがある；このためシリコンについての言及はいずれも、他の適切な基板のいずれにも関連し得る；ポリマー上層２０ａは、基板（シリコン）に埋め込まれた第１のマイクロ流路１１のうち少なくとも１つおよび／または第１のマイクロチャンバ１２のうちの少なくとも１つ（の中の流体）を、ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路２１のうちの少なくとも１つおよび／または第２のマイクロチャンバ２２のうちの少なくとも１つ（の中の流体）から、好ましくはその中の孔２８のマトリクスによって少なくとも部分的に分離するためのものである；ポリマー製とシリコン製のマイクロ流体素子は、直接的または間接的に相互にマイクロ流体接続している；基板に埋め込まれた第１のマイクロチャンバ（１２）は、外部からアクセス可能である；一例としては、それは、底部および１つ以上の側壁を有する空洞と見なすことができる。ここでポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のようなポリシロキサン、ポリイミド、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレン、およびブチルゴムといった生体適合性ポリマーと、バイオラバー（ＰＧＳ）およびポリ（１，８−オクタンジオール−co−クエン酸塩）（ＰＯＣ）といった生分解性ポリマー、ならびにそれらの組み合わせ、から独立して選択される。
【００１３】
「流体」という用語は、気体、液体およびそれらの組み合わせに関係し得る。「マイクロ流体」は、デバイスの境界条件下で流体であると想定されるものである。
【００１４】
複数のポリマー層、典型的には膜または箔、複数のマイクロ流路、複数のマイクロチャンバ、および第１のマイクロチャンバ（「マクロチャンバ」とも呼ばれる）を形成するものによって構成される機構は、例えばデバイスの裏側／表側に配置された顕微鏡やカメラによってオフラインで光学的に監視することができる。マクロチャンバは、１００×１００μｍ２から１０×１０μｍ程度の寸法を有することができる。この機構は、マイクロ環境および／またはマクロチャンバ内に設けられた微小電極アレイおよび／またはマイクロ加工センサ（流量／温度／ｐＨセンサなど）によってオンラインで監視することができる。この機構はまた、マイクロチャンバ／流路およびマクロチャンバを通って流れる液体の流れによっても変化／刺激され得る；マイクロチャンバ／流路およびマクロチャンバを通って流れるガス流によっても同様である；マイクロチャンバ内、マイクロ流路内、および膜の裏側と表側とに働く圧力差によっても（例えば図１１参照）；微小電極アレイによりもたらされる電気刺激によっても；デバイスの裏側／表側に配置された光学系による光刺激によっても；膜内に配置された液体の流れまたは液体溜まりによってもたらされる化学的刺激によっても；その他マイクロ流路／チャンバ内に配置されたマイクロ加工アクチュエータによっても；そしてこれらの組み合わせによっても、同様であり、したがって、このデバイスは多用途であると考えられる。
【００１５】
提案されるマイクロチップは通常、標準的なＩＣおよびＭＥＭＳ技術を用いてシリコン基板上に製造される。シリコンバルクおよび選択された製造プロセスは、以下のような利点をもたらす：ウェハスケールの製造を成さしめる標準クリーンルーム適合マイクロ製造プロセスを使用して、手作業での組み立ておよび試料の取り扱いを排除することにより大量生産へと規模拡大することができる。これにより、高い歩留まりとスループット、ひいては低コストの大量生産が可能になる。このデバイスは、膜の裏側および／または表側、および／またはマイクロ流路／チャンバによって構成されてマイクロ環境内に埋め込まれた追加のモジュールを装備することができる。製造中に１つまたは複数のモジュールを追加または除去することによって、様々な需要を満たすようにデバイスを順応させることが可能である。以下のようなモジュールの例が考えられる：環境内の体外培養された器官および／または環境内の気体／液体を電気刺激／監視するための微小電極アレイ；細胞培養モニタリング用の参照電極；マイクロチャンバ／流路および／またはマクロチャンバ内の環境を監視するための流量／温度／ｐＨセンサおよび／またはひずみゲージ；上述のセンサによって検出された信号用のプリアンプなどのＩＣ回路；細胞の整列を促進するための微小溝であって、接着性粒子および／またはエラストマーなどでコーティングできるもの；流体を混合するためのマイクロピラー；環境温度を調節するためのホットプレートなどのマイクロ加工アクチュエータ。
【００１６】
本デバイスは、様々な用途に用いることができ、例えば、ヒト神経細胞といった一次細胞やその他の細胞の、機械的および／または電気的刺激などを必要とする増殖および分化、そして層構造の研究や；生体組織および／または臓器のマイクロ環境のシミュレーションなどが含まれる。
【００１７】
本デバイスは、様々な生体機能チップ、Lab-on-Chips、マイクロ流体素子、およびマイクロリアクターにおいて多数の用途を見出すことができる。一体化された電気的微小構造２９、９０を有する本発明のデバイスの能力は、各種細胞のリアルタイムのモニタリングおよび刺激を行える細胞のマイクロ環境を備えることを可能とする；用途はいくつかあるが、その中で特に、例えば心臓細胞またはニューロンの電気刺激、ニューロンおよび心臓細胞の電気的活動の読み取り、脳血液関門モデルにおける経内皮電気抵抗測定。
【００１８】
本発明のデバイスはまた、その構成可能なポリマー層を通して細胞のマイクロ環境に与えられる機械的および神経地図信号に対する制御を可能とし、ポリマー層の例としては心臓細胞の接着および整列を改善するためのパターン化表面２７、培養細胞に局所的に応力を加えるための可撓性膜層２０ａ、ｂ、肺および／または皮膚モデルにおける免疫細胞の移動を可能として観察および２つの異なる細胞培養の間のインターフェースの研究を行うための微孔性表面２８がある。加えて、このデバイスは、肺、肝臓、胃腸または脳関門モデルにおける気流および／または血流を通すため制御された流体の流れを細胞マイクロ環境へ正確に供給するための微小機構と、各種薬品を含む細胞マイクロ環境およびこの薬品および/またはその他の生物学的または化学的物質のためのリザーバとして使用されるマイクロチャンバ２２を提供する。したがって、本デバイスは、脳機能チップ、心臓機能チップ、肺機能チップ、胃腸機能チップ、血液脳関門機能チップ、肝機能チップおよび／または腎機能チップといった個別の生体機能チッププラットフォームのうちの少なくとも１つを開発するのに適している。
【００１９】
一方、本デバイスの入口部、マイクロ流路およびマイクロチャンバは、ミクロンおよび／またはミリメートル規模の環境における流体条件を精密に制御することを必要とする生物学的プロセスおよび／またはその他の現象を研究するために基板上でマイクロ流体デバイスおよび／またはマイクロリアクターを開発するために利用できる。
【００２０】
第２の態様では、本発明は本デバイスの製造方法に関する。この方法においては例えばはＳｉ基板１０が設けられ、その後、標準的な様々の半導体処理工程が多かれ少なかれ実行されるとよい；最初に、第１の誘電体層（５１ａ、ｂ）が基板の両面に堆積／成長され、その後、誘電体層が底側、すなわち片面のみにパターニングされる；次に、誘電体層上にポリマー材料の第１の箔層６１を堆積する；膜層は、典型的には、誘電体層のパターニングされていないＳｉ側にスピン形成され、一例では、ＰＤＭＳがスピン形成される；その後、光リソグラフィまたは電子ビームリソグラフィを用いて第１の膜層６１のパターニングステップが実行される；典型的にはソフトリソグラフィ処理つまり“手作業”が用いられるので、こうしたパターニングツールを使用することは正に非典型的であると考えられる；さらに、従来技術の処理は、通常、完全に統合されておらず、例えば半導体プロセスと互換性があったりする；その後、犠牲層７２が、誘電体層またはフォトレジスト（ＰＲ）層などの第１の膜層上に堆積される；ＰＲはスピン形成によって設けられてもよい；その後、第１のポリマー膜層６１はリソグラフィまたは電子ビームマシンを使用してパターニングされる；第１の膜ポリマー層をプラズマエッチング／ドライエッチングでエッチングする；通常は、マイクロスケール／ナノスケールの構造を整列させるために整列ステップが必要とされる；次に、第２の膜層６２が、スピン形成などによって犠牲層７２上に堆積される；第２の膜層は、第１膜層６１と同じ材料（ポリマー）であってもよいし、あるいは異なる材料であってもよい；次に、好ましくはドライエッチングを使用して、その底側でシリコン基板１０をエッチングし、好ましくは第１の誘電体層上でエッチングを停止し、それによってＳｉ内の流路１１／チャンバ１２用の開口部を設ける；第１の誘電体層５１ｂが底面から（ウェット）エッチングされ、流路／チャンバ用の開口部を設ける；そして、さらなるステップとして、犠牲層７１が（ウェット）エッチングされ、それによって流路２１／チャンバ２２が開放される。そしてウェハは角切り（切断）されて、細胞培養のためのウェル３５、マイクロ流体入口部３２、膜３６を伸張するための空気入口部、および電極の出力を読むための電気的出力部、そしてチップ３８に埋め込まれたセンサなどを含むアセンブリに取り付けられるとよい。これと共に本方法は、本デバイスを製造する方法を提供する。
【００２１】
第３の態様において、本発明は、生物学的細胞実験、生体機能チップ実験、光学顕微鏡実験、ヒト神経細胞などの初代細胞実験の増殖および分化の実験、細胞の機械的および電気的刺激、層構造、生体組織および／または器官内のマイクロ環境のシミュレーション、のうちの少なくとも１つのための、Lab-on-Chipとしての、マイクロ流体デバイスとしての、およびマイクロリアクターとしての、本デバイスの使用に関するものである。このため、本デバイスは非常に用途が広いと考えられる。
【００２２】
ステップのうちのいくつかは、異なる順序で、かつ／またはより遅い段階であるいはより早い段階で実行されてもよいことに留意されたい。
【発明の効果】
【００２３】
これによって、本発明は、１つ以上の上述の問題に対する解決策を提供する。
【００２４】
本明細書を通じて本発明の利点を詳述する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
図１ａ〜図１ｒは、本方法の例示的実施形態の詳細を示す。
図２ａ〜ｄ、３ａｂ、４〜９、１０ａ〜ｃ、１１ａ、ｃ〜１２は、本デバイスの例示的な詳細を示す。
図１３〜図１６は、本デバイスおよびその構造の例を示している。
図１ａ〜ｒは本方法の例示的実施形態の詳細を示す。この方法は、マイクロ電極アレイ、流路内のコラムのアレイ、２組の微小溝、およびシリコン支持体内に埋め込まれたセンサ／電極の製造を含む。
【図１ａ】シリコン基板の提供と酸化シリコンの堆積（前面と背面）および（埋め込みセンサー付きのシリコンウエハー上での）パターニングを示す。
【図１ｂ】アルミニウムの堆積およびパターニング（コンタクトパッド用）を示す。
【図１ｃ】（パリレン／ポリイミドなどの）第１の絶縁層の堆積およびパターニングを示す。
【図１ｄ】金属の堆積およびパターニング（金属線および電極用）を示す。
【図１ｅ】第２の絶縁層（パリレン／ポリイミドなど）の堆積およびパターニングを示す。
【図１ｆ】犠牲層のスピニングおよびパターニングを示す（微小溝の第１の組用）を示す。
【図１ｇ】ＰＤＭＳのスピニングを示す。
【図１ｈ】ＰＤＭＳパターニング（ウェハ上のランディング）を示す。
【図１ｉ】ＰＤＭＳパターニング（部分エッチング−溝の第２の組）を示す。
【図１ｊ】犠牲層の堆積およびパターニング（流路用）を示す。ｋ）第２のＰＤＭＳ層のスピニング；ｌ）第２のＰＤＭＳ層のパターニング；ｍ）シリコンエッチング；ｎ）マクロチャンバ／流路のコーティング（プラチナ／パリレン）；ｏ）酸化シリコンエッチング；ｐ）マイクロチャンバ／流路を開放し、溝の第１の組を開放する。
【図２】（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、マイクロチャンバ１２内の入口部および出口部１６を通じて、ならびに孔マトリクス２８を通じてアクセス可能な１つの流路２１を含む１つのデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、ポリマー層２０ａ、ｂにそれぞれ埋め込まれたマイクロ流路２１およびマイクロチャンバ２２を備えた２つのデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図４】上部ポリマー層２０ａに埋め込まれた電極のアレイを備えたデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図５】流路２１内の溶液でセンサ／電極９０を露出させる上部ポリマー層２０ａにエッチングされた孔を有するデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図６】電極および／またはセンサ２８、９０および層１４のための電気的入力部／出力部として使用することができるよりも上部および底部ポリマー層上に開口部を有するデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図７】リザーバ３５内の細胞培養物の整列を促進するために微小溝のアレイを備えたデバイスの例示的な実施形態の詳細を示す。
【図８】マイクロチャンバ２１および／またはマイクロ流路２２によって分離された２つのポリマー層２０ａ、２０ｂを接続するコラム２６のアレイを備えたデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図９】マイクロチャンバ１２の壁に堆積されたコーティング層１４を備えたデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。これは、プラチナなどの導電性コーティング層の場合には参照電極として用いられ、一方パリレンやポリアミドのような絶縁層の場合には、細胞培養物からの電気絶縁として用いられるとよい。
【図１０】（ａ），（ｂ），（ｃ）は、マイクロチャンバ１２内の４つの入口部１６を通じて、そして孔マトリクス２８を介してアクセス可能な３つの独立した流路２１を含む１つのデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。流路２１ａの１つは２つの入口部に接続しており、３Ｄ細胞培養に使用することができる。流路２１ｃは、単一の孔２８ａを介してチャンバ１２に接続されており、細胞培養物に薬物を運ぶために使用され得る。流路２１ｂは隔離されており、流路２１ｃとマイクロチャンバ１２との間に圧力差を加えることによって１２内の細胞培養物を局所的に伸張するために使用することができる。
【図１１】１つのデバイスの例示的実施形態の詳細を示し、（ａ）は弛緩状態にあるとき、（ｂ）はマイクロチャンバ１２と厚いポリマー層２０ｂの裏側との間に圧力差を加えることによってポリマー層が伸張される場合、（ｃ）はマイクロチャンバ１２とマイクロ流路１２との間に圧力差を加えることによって薄いポリマー層が局所的に伸張される場合。
【図１２】１つ以上のデバイス１００と、チップおよびデバイス１００の上部で封止されたシリンダ３１で構成された１つ以上のリザーバ３５と、流路２１内に流れを与える１つ以上のマイクロ流体入口部３２と、入口部３４およびデバイス１００に埋め込まれた電極２９および／またはセンサ９０とのインターフェースのためにフリップチップ接続またはワイヤボンディング接続３７を介してデバイス電気出力部１８に接続されたプリント回路基板３９上に配置された１つ以上の電気的入力部／出力部３８を含む１つ以上の圧力チャンバ３６と、によって構成されたアセンブリに取り付けられた１つのデバイスの例示的実施形態の詳細を示す。
【図１３】図１３ａ〜ｃは、薄いポリマー上層２０ａにエッチングされた開口部２８の一例を示す。孔は円形であり、幅は約５μｍ（図１３ａ）および約７μｍ（図１３ｂ〜ｃ）、深さは約５μｍである。これらの孔は、その通路のうちのいくつかが矢印で示されている通路によって箔を介して相互接続されている。このように複数の相互接続された中空構造を含むなどした、大きく開いた骨格タイプの箔が形成される。
【図１４】親指と指とで保持された本デバイスの一例を示す。この中には、基板ベースのマイクロ流体素子１０、第１のマイクロチャンバ（マクロチャンバ）１２（このマクロチャンバはキャビティであってもよい）、および第２のマイクロ流路２１が見て取れる。
【図１５】図１５ａ〜ｎは、本デバイスで可能なサイズおよび孔−孔距離の変形の例を示す。最上段の孔径は１μｍ、中段は２．５μｍ、最下段は５μｍである。左側の列は孔−孔間距離が１μｍ、第２列は２μｍ、第３列は３μｍ、右側の列は４μｍである。
【図１６】本デバイスの２つの例を示す。上側の例では、基板１０にマイクロ流体素子が設けられている。第１のマイクロ流路１１、第１のマイクロチャンバ（マクロチャンバ）１２、入力部１６が設けられており、このマクロチャンバは（ここおよび説明全体を通じてはウェルであるが）キャビティとみなすことができる。基板の高さは約５００μｍである。ポリマー層には１つの水平方向マイクロ流路２１のみが示されている。下側の例では設けられている要素がさらに少ない。流路２１の幅は１〜５ｃｍである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明は第１の態様においては請求項１に係るデバイスに関するものである。
【００２７】
一例として、本デバイスは、ポリマーベースのマイクロ流体素子に埋め込まれた、および／または基板ベースのマイクロ流体素子と統合され埋め込まれた、マイクロチップ、統合センサ、および出力部１８のうちの少なくとも１つをさらに含む。マイクロチップは、例えばシリコン基板内などでシリコン（１０）内に完全に一体化されてもよい。マイクロチップは、制御機能を実行し、入力を処理し、（データ）出力を提供することができる。出力部１８は、シリコン内および／またはポリマー内に配置することができる；複数の出力部と複数の入力部が存在し得る。統合センサはシリコン内に設けられてもよく、シリコンベースであってもよい；センサは通常、マイクロ流体流路／チャンバ内に設けられる。センサは、化学センサ、物理センサなどに関連し得る。
【００２８】
本デバイスの一例においては、ポリマー２０（箔）は、＞１［ＭＰａ］（ＩＳＯ５２７）の引張強度を有する伸縮性および／または＜３［ＧＰａ］（ＩＳＯ５２７）のヤング率を有する可撓性を備える、ここで膜は＞１０［ＧＰａ］（ＩＳＯ５２７）のヤング率を有する剛性である。
【００２９】
本デバイスの一例においては、ポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのポリシロキサン、ポリイミド、ポリウレタン、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレン、ブチルゴム、ostemerなどの生体適合性ポリマー、およびバイオラバー（ＰＧＳ）やポリ（１，８−オクタンジオール−co−シトレート）（ＰＯＣ）などの生分解性ポリマー、ならびにこれらの組み合わせから独立して選択される。生分解性材料を使用することは有益であり得て、例えば初期培養の後、２つの培養物の間の境界が徐々に消えていくかもしれない。ポリマーは多孔質でも非多孔質でもよく、それにより、気体についてはＩＳＯ１５１０５−１またはＩＳＯ２５５６によって定められ、水についてはＩＳＯ２５２８によって定められるような、流体に対して一定の透過性を有する。
【００３０】
本デバイスの一例においては、ポリマー上層（または膜）はｎ×ｍ個の開口部のアレイを含み、ｎ∈［１，１０６］、好ましくはｎ∈［２，１０５］、より好ましくはｎ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｎ∈［１０，１０３］であり、例えばｎ∈［１００，５００］であって、ここでｍ∈［１，１０６］、好ましくはｍ∈［２，１０５］、より好ましくはｍ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｍ∈［１０，１０３］、例えばｍ∈［１００，５００］であり、ここで、孔の密度は、０．００１〜２５０／１００μｍ２、好ましくは０．０１〜１００／１００μｍ２、より好ましくは０．１〜５０／１００μｍ２、さらにより好ましくは１〜２０／１００μｍ２であり、かつ／または平均孔面積は、０．０５〜５００μｍ２、好ましくは０．１〜２００μｍ２、より好ましくは０．２〜１００μｍ２、さらにより好ましくは０．５〜５０μｍ２、例えば１〜５μｍ２または１０〜３０μｍ２である。
【００３１】
本デバイスの一例においては、ポリマー上層（または膜）は、骨組状構造などの複数の相互接続された中空構造を含む。
【００３２】
一例として、本デバイスは、デバイス内にセンサ、ポンプ、微小電極、弁、歪みゲージ、アクチュエータ、ヒータ、冷却器、刺激器、流量センサ、温度計、ｐＨセンサ、ＩＣ回路、増幅器、アクチュエータ、ホットプレート、微小電極アレイ、化学刺激器、光刺激器、圧力調節器、イオンセンサ、およびさらなる素子のうちの少なくとも１つをさらに備える。これは、本設計および製造方法の多様性を表している。
【００３３】
一例として、本デバイスは、薄いポリマー上層２０ａに埋め込まれた少なくとも１つの電極２９および微小溝をさらに含み、この電極は、好ましくは０．２〜５０００μｍ２、望ましくは０．２５〜２５００μｍ２、より好ましくは０．５〜２０００μｍ２、さらにより好ましくは１〜１０００μｍ２、例えば２〜５００μｍ２または５〜１００μｍ２のアクセス可能領域２９ａを有する；微小溝は、０．４と５０００μｍの間、例えば１〜５００μｍの長さと、０．４と５０００の間、例えば１〜５０μｍの幅、そして０．２と５０μｍの間、例えば１から２０μｍ、特に２〜５μｍの深さを持つとよい。
【００３４】
本デバイスの一例においては、薄いポリマー上層２０ａは、その少なくとも一方の面において、刻み目、溝、局所構造などの少なくとも１つの微小構造、好ましくは少なくとも１つの配向された微小溝、望ましくはｘ*ｙ方向に配向された微小溝のアレイを含み、ここでｘ∈［１，１０６］、好ましくはｘ∈［２，１０５］、より好ましくはｘ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｘ∈［１００，５００］であり、ｙ∈［１，１０６］、好ましくはｙ∈［２，１０５］、より好ましくはｙ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｙ∈［１０，１０３］、例えばｙ∈ ［１００，５００］であって、微小溝の密度は１０−４〜２５／１００μｍ２、好ましくは１０−３〜１０／１００μｍ２、より好ましくは１０−２〜５／１００μｍ２、かつ／または平均溝面積は０．１〜１０６μｍ２、好ましくは１〜１０５μｍ２、より好ましくは１０〜１０４μｍ２、さらにより好ましくは１００〜１０３μｍ２、例えば２００〜５００μｍ２であって、かつ／または溝長さが５μｍ〜５ｍｍであり、かつ／または少なくとも１つの微小構造がデバイスの縁部に対して、または第１のマイクロチャンバに対して整列している；この整列は、例えば、縁部に対して平行または直交であるとよい；また微小構造は、典型的には、お互いに対して、例えば平行に、整列している。
【００３５】
本デバイスの一例においては、基板（シリコン）内に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路１１および／または少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ１２は、外側からアクセス可能（すなわち、“部分的に開放”）である。かつ／または、基板（シリコン）に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路１１および／または少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ１２は、５０〜２０００μｍ、好ましくは１００〜１０００μｍ、より好ましくは２００〜５００μｍ、例えば３００〜４００μｍの高さを有する；マイクロチャンバ１２およびマイクロ流路１１は、円形、長方形、六角形、楕円形、および多角形から選択される様々な形状をとることができる；マイクロ流路は、２０〜１０６μｍ２、好ましくは１００〜１０５μｍ２、より好ましくは４００〜１００００μｍ２の面積を有することができる；ポリマーに埋め込まれる少なくとも１つの第２のマイクロ流路２１および／または少なくとも１つの第２のマイクロチャンバ２２の高さは、１〜１０００μｍ、好ましくは５０〜５００μｍ、より好ましくは１００〜４００μｍ、例えば２００〜３００μｍである。
【００３６】
本デバイスの一例においては、第１のマイクロ流路（１１）は、流路の上部側と底部側とを接続するポリマー製の少なくとも１つのコラム、好ましくは少なくとも１つの配向されたコラム、望ましくはｃ*ｄのコラム２６のアレイを含み、ここで、ｃ∈［１，１０６］、好ましくはｃ∈［２，１０５］、より好ましくはｃ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｃ∈［１０，１０３］、例えばｃ∈［１００，５００］であり、ｄ∈［１，１０６］、好ましくはｄ∈［２，１０５］、より好ましくはｄ∈［５，１０４］、さらにより好ましくはｄ∈［１０，１０３］、例えばｄ∈［１００，５００］であって、密度ピラーが１０−４〜２５／１００μｍ２、好ましくは１０−３〜１０／１００μｍ２、より好ましくは１０−２〜５／１００μｍ２であり、かつ／またはピラーの断面積が１〜１０７μｍ２、好ましくは１０〜１０６μｍ２、より好ましくは１００〜１０５μｍ２、さらにより好ましくは１０００〜５*１０４μｍ２、例えば１０００〜１０４μｍ２である。
【００３７】
本デバイスの一例では、マイクロチャンバ２１（キャビティ状構造）および／または１２の壁は、プラチナなどの導電材料１４、またはパリレンなどの電気絶縁材料。あるいは両方の組み合わせで被覆されてもよい。プラチナコーティングは、リザーバ３５と直接連絡する追加の電極として使用することができる。
【００３８】
本デバイスの一例では、ポリマー層２０ａ、２０ｂに開口部が設けられ、この開口部は、金属パッド、ＩＣ、光センサなどのセンサ、ヒータなどのうちの少なくとも１つへのアクセスを提供する。
【００３９】
第２の態様では、本発明は、半導体プロセスのような環境などにおいて１つまたは複数のデバイスを製造するための請求項１１に係る方法に関する。
【００４０】
本方法の一例では、第１および第２の誘電体層５１ａ、ｂ、５２は、ＳｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４などのＳｉ誘電体材料から独立して選択される材料から作られる。
【００４１】
本方法の一例では、第１の誘電体層５１ａ、５１ｂ、および第２の誘電体層５１の厚さは、それぞれ独立して５〜５００ｎｍ、好ましくは１０〜２５０ｎｍ、より好ましくは２０〜１００ｎｍ、例えば３０〜５０ｎｍである。
【００４２】
本方法の一例では、可撓性および／または伸縮性の第２および第３の誘電体層５２、５３は、ポリアミドおよびパリレンなどのポリマーから独立して選択される材料から作られる。
【００４３】
本方法の一例では、第１の箔層（６１）の厚さは、５０〜３００００ｎｍ、好ましくは２５０〜５０００ｎｍ、より好ましくは５００〜２０００ｎｍ、例えば１０００〜１５００ｎｍである。
【００４４】
本方法の一例では、第２の箔層６２の厚さは、５０〜２０００μｍ、好ましくは２００〜１０００μｍ、より好ましくは３００〜８００μｍ、例えば５００〜７００μｍである。
【００４５】
本方法の一例では、箔層６１、６２はそれぞれ独立して、バイオポリマー、好ましくはＰＤＭＳなどのポリシロキサン、ポリイミド、パリレンといった生体適合性ポリマー、およびバイオラバー（ＰＧＳ）やポリ（１，８−オクタンジオール−co−クエン酸塩）（ＰＯＣ）といった生分解性ポリマー、ならびにこれらの組み合わせから選択される材料から作られる。
【００４６】
本方法の一例では、犠牲層７２は、Ｉ線フォトレジストなどのフォトレジスト、酸化シリコン、および金属である。
【００４７】
本方法の一例では、パターニングは、ＡＳＭＬ ＰＡＳ ５５００などのＩ線リソグラフィ装置を使用して行われる。
【００４８】
本方法の一例では、少なくとも１つの誘電体層が、ＰＥＣＶＤ、ＬＰＣＶＤ、低温ＰＥＣＶＤ、および熱酸化のうちの１つによって形成される。
【００４９】
本方法の一例では、シリコンのドライエッチングがＤＲＩＥを用いて行われ、かつ／またはシリコンのウェットエッチングがＫＯＨを用いて行われる。
【００５０】
本方法の一例では、少なくとも１つの箔層がスピン形成される。
【００５１】
１つ以上のデバイスを製造するための上記方法の一例および／または部分的な変形例、例えば半導体プロセスのような環境において、本方法は、以下から選択される少なくとも１つのステップを含むとよい：
少なくとも１つのセンサ９０と、微小電極アレイ（２９）と、少なくとも２組の微小溝（２７）とを任意に含むＳｉ基板１０を設け、
ａ１）基板の少なくとも片面に第１の誘電体層（５１ａ、ｂ）を堆積／成長させ、
ａ２）誘電層を上側および／または底側、すなわちいずれか一方の面または両方の面にパターニングし；
ｂ１）基板の上側に金属層を堆積し；
ｂ２）金属層をパターニングし；
ｃｌ）基板の上側に第１の可撓性および／または伸縮性の誘電層を堆積し；
ｃ２）第１の可撓性および／または伸縮性の誘電層をパターニングし；
ｄｌ）基板の上側に金属および／または導電性ポリマーなどの導電層を堆積し；
ｄ２）導電層をパターニングし；
ｅｌ）第２の可撓性および／または伸縮性の誘電層を堆積し；
ｅ２）第２の可撓性および／または伸縮性の誘電層をパターニングし；
ｆ１）微小溝の第１の組用の第１の犠牲層を堆積し；
ｆ２）第１の犠牲層７１をパターニングし；
ｇ）第２の誘電体層の第１の箔層６１を堆積し；パターン化されていないＳｉ側ではＰＤＭＳスピニングし
ｈ）リソグラフィまたは電子ビームマシンを使用して第１の箔層６１をパターニングし；
ｉ）微小溝の第２の組用にリソグラフィまたは電子ビームマシンを使用して第１の膜層６１を部分的にエッチングし
ｌ１）ＰＲなど第１の箔層に第２の犠牲層７２を堆積し、ＰＲスピニングし、
ｌ２）リソグラフィまたは電子ビームマシンを用いて第２の犠牲層７２をパターニングし；
ｍ）犠牲層７２に第２の箔層６２を堆積し；
ｎ）第２の箔層６１をパターニングし；
ｏ）シリコン基板１０を底側でドライまたはウェットエッチングし、好ましくは第１の誘電体上でエッチングを停止して、Ｓｉ内の流路１１／チャンバ１２のための開口部を設け；
ｐ１）白金・パリレンなどの導電性および／または絶縁性チャンバコーティングの堆積をし、任意で化学的表面処理、例えば親水性処理をし、
ｐ１）導電性または絶縁性チャンバコーティングのエッチングをし；
ｑ）第１の誘電体層５１ｂを底側から（ウェット）エッチングして、流路／チャンバ用の開口部を設け；
ｒ）犠牲層７２を（ウェット）エッチングし、それによって流路２１／チャンバ２２を開放する。
【００５２】
本方法の一例では、基板（シリコン）に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路１１および／または少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ１２と、少なくとも１つの入力部１６と、ポリマー底層に埋め込まれた少なくとも１つの第２のマイクロ流路２１および／または少なくとも１つの第２のマイクロチャンバ２２と、の寸法は、それぞれ独立して５０ｎｍ〜２ｍｍの範囲で完全に調節可能であり、かつ／または孔２８のマトリクスと、微小構造と、の寸法が、それぞれ独立して、例えば、Ｅ−ＵＶ−Ｉ−線リソグラフィおよび／またはｅ−ビームリソグラフィといったリソグラフィにより５０ｎｍ〜１００μｍの範囲で完全に調節可能である。
【００５３】
本方法の一例では、基板層は少なくとも２つの位置合わせマーカを備え、少なくとも１つの方法ステップ中に基板１０が位置合わせされる。
【００５４】
第３の態様では、本発明は請求項２５に係る使用に関する。
【００５５】
本使用の一例では、デバイスのウェット／湿潤区画とドライ区画は物理的に分離されており、ドライ区画が電子素子を含む。
【００５６】
本用途の一例は、血液脳関門モデルとしてのものである。このモデルは、マイクロ流路２１またはマイクロチャンバ２２内で培養された脳微小血管内皮細胞（ＢＭＥＣ）およびアストロサイトを含み得る。これらの細胞は、神経細胞および／または他の脳細胞と共にシリコンマイクロチャンバ１２上で培養され得る。この場合、パターン化表面２７を有する膜層６１は、中枢神経系を循環系から分離しそれ自体関門を作り出す動的界面となる。次いで、マイクロ流路２１は、その透過性および機能に影響を及ぼす剪断応力を発生させて関門に供給することを可能にする。剪断応力は、マイクロ流体接点１１、２１におけるシリコンおよびポリマーの入口部によって供給されるマイクロ流路２１を通って流れる血液または気体によって発生する可能性がある。電気的微小構造２１、１４、９０は、統合された経内皮電気的測定（ＴＥＥＲ）を備えることを可能とする。ポリマー膜２０ａ、ｂはまた、前述の培養マイクロ環境の界面の機械的刺激を可能とする。
【００５７】
第４の態様では、本発明は、本デバイス１００と、チップおよびデバイス上側で封止するシリンダ３１を含むリザーバ３５と、入口部３４を含む圧力チャンバ３６と、少なくとも１つの電気的出力部１８を備えたプリント回路基板（ＰＣＢ）に例えばフリップチップ接続またはワイヤボンディング接続３７を介して電極２９および／またはセンサ９０などとのインターフェースのために接続された電気的入力部／出力部３５と、の少なくとも１つを含むアセンブリに関する。
【００５８】
本発明は添付の図面および実施例によってさらに詳述されるが、これらは本質的に例示および説明のためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。自明であるかどうかによらず、本特許請求の範囲によって定義される保護の範囲内に入る多くの変形形態が考えられることは、当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【００５９】
１００    マイクロ流体デバイス
１０      基板ベースのマイクロ流体素子
１１      第１のマイクロ流路
１２      第１のマイクロチャンバ（マクロチャンバ）
１４      コーティング層
１６      入力部
１８      出力部
２０      ポリマーベースのマイクロ流体素子
２０ａ    ポリマー上層
２０ｂ    ポリマー底層
２１      第２のマイクロ流路
２１ｂ    隔離された流路
２１ｃ    流路
２２      第２のチャンバ
２６      コラム（のアレイ）
２７      パターン構造
２８      孔のマトリクス
２８ａ    ドラッグデリバリーなどのための、単一孔
２９      電極
２９ａ    電極のアクセス可能領域
３１      シリンダ
３２      マイクロ流体入口部
３４      空気圧チャンバ
３５      リザーバ
３６      空気入口部
３７      電気的接点
３８      電気的入力部／出力部
３９      プリント基板
５１ａ、ｂ第１の誘電体層
５２      第２の誘電体層
５３      第３の誘電体層
６１      第１の膜ポリマー層
６２      第２の膜ポリマー層
７１      第１の犠牲層
７２      第２の犠牲層
８１      コンタクトパッド
８２      金属線と電極
９０      センサ
［訳注：ここに記載されていた図面の説明文は「図面の簡単な説明」の項に移動］
（実施例／実験）
詳細な説明の文中で本発明を説明してきたが、添付の実施例および図面と併せることで最もよく理解されるであろう。
【図１ａ】
2019521699.tif 000002
【図１ｂ】
2019521699.tif 000003
【図１ｃ】
2019521699.tif 000004
【図１ｄ】
2019521699.tif 000005
【図１ｅ】
2019521699.tif 000006
【図１ｆ】
2019521699.tif 000007
【図１ｇ】
2019521699.tif 000008
【図１ｈ】
2019521699.tif 000009
【図１ｉ】
2019521699.tif 000010
【図１ｊ】
2019521699.tif 000011
【図１ｋ】
2019521699.tif 000012
【図１ｌ】
2019521699.tif 000013
【図１ｍ】
2019521699.tif 000014
【図１ｎ】
2019521699.tif 000015
【図１ｏ】
2019521699.tif 000016
【図１ｐ】
2019521699.tif 000017
【図２】
2019521699.tif 000018
【図３】
2019521699.tif 000019
【図４】
2019521699.tif 000020
【図５】
2019521699.tif 000021
【図６】
2019521699.tif 000022
【図７】
2019521699.tif 000023
【図８】
2019521699.tif 000024
【図９】
2019521699.tif 000025
【図１０】
2019521699.tif 000026
【図１１】
2019521699.tif 000027
【図１２】
2019521699.tif 000028
【図１３】
2019521699.tif 000029
【図１４】
2019521699.tif 000030
【図１５】
2019521699.tif 000031
【図１６】
2019521699.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月7日(2019.5.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイス（１００）であって、以下を含むもの：
（ａ）光学的に透明なポリマー（２０）懸濁フィルムに埋め込まれたマイクロ流体素子であり、以下を有する：
-０．０５〜３０μｍの薄いポリマー上層（２０ａ）。
-５０〜２０００μｍのポリマー底層（２０ｂ）。このポリマー底層は前記ポリマー上層と接触しているとともに、少なくとも部分的に前記ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と１つの第２のマイクロチャンバ（２２）とのうち少なくとも１つを備える。
（ｂ）前記のポリマーベースのマイクロ流体素子の上層（２０ａ）とマイクロ流体接続しているとともにポリマーベースのマイクロ流体素子を支持している硬質の基板に埋め込まれたマイクロ流体素子（１０）。この基板ベースのマイクロ流体素子はデバイス使用のためにアクセス可能であり、かつ／またはアクセス可能とされることができて、ここで前記基板は好ましくはシリコンまたはシリコン上の誘電体であり、以下を有する：
-少なくとも部分的に基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）とのうちの少なくとも１つ。この基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）とのうちの少なくとも１つは外部からアクセス可能である。
-少なくとも１つの入力部（１６）。
この入力部（１６）は、ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と第２のマイクロチャンバ（２２）とのうちの少なくとも１つとマイクロ流体接続しており、
ポリマー上層（２０ａ）は、基板に埋め込まれた第１のマイクロ流路（１１）と第１のマイクロチャンバ（１２）との少なくとも１つを、ポリマー底層に埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）と第２のマイクロチャンバ（２２）との少なくとも１つから好ましくはその中の孔（２８）のマトリクスによって少なくとも部分的に分離する。
【請求項２】
前記ポリマーベースのマイクロ流体素子に埋め込まれ、かつ／または前記基板ベースのマイクロ流体素子に集積および埋め込みされるような、マイクロチップ、集積化センサ、および出力部（１８）のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ポリマー（２０）が、１［ＭＰａ］（ＩＳＯ ５２７）より大きい引張強度の伸縮性、３［ＧＰａ］より小さいヤング率（ＩＳＯ ５２７）の可撓性、１０［ＧＰａ］より大きいヤング率の剛性（ＩＳＯ ５２７）、のうちの少なくとも１つを持つ、請求項１または請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ポリマーが、ポリイミド、ポリウレタン、ブチルゴム、スチレン−エチレン−ブチレン−スチレン（ＳＥＢＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリプロピレンの生体適合性ポリマー、および、生分解性ポリマー、ならびにそれらの組み合わせ、から独立して選択されたものである、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ポリマー上層が、ｎ×ｍ個の開口部の配列を含み、孔の密度が０．００１〜２５０／１００μｍ２であり、かつ平均孔面積が０．０５−５００μｍ２であり、かつ複数の相互接続された中空構造を含む、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項６】
デバイスに埋め込まれた、センサ、ポンプ、微小電極、バルブ、歪みゲージ、アクチュエータ、加熱器、冷却器、刺激装置、流量センサ、温度センサ、ｐＨセンサ、ＩＣ回路、増幅器、アクチュエータ、ホットプレート、微小電極アレイ、化学刺激装置、光刺激装置、イオンセンサ、圧力調節器、のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項７】
薄い前記ポリマー上層（２０ａ）に埋め込まれた少なくとも１つの電極（２９）を含み、前記電極が、好ましくは０．１〜５０００μｍ２のアクセス可能領域（２９ａ）を有する、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項８】
薄い前記ポリマー上層（２０ａ）が、その少なくとも片面に、刻み目、溝、局所構造、少なくとも１つの配向された微小溝、微小溝密度が１〜２５／１００μｍ２、平均溝面積が０．１〜１０６μｍ２のｘ*ｙ方向に配向された微小溝のアレイ、の微小構造のうち少なくとも１つを含み、少なくとも１つの微小構造は、デバイスの第１のマイクロチャンバ（１２）に対して整列している、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項９】
基板に埋め込まれた少なくとも１つの第１のマイクロ流路（１１）と、少なくとも１つの第１のマイクロチャンバ（１２）と、のうち少なくとも１つが、５０〜２０００μｍの高さを有し、ポリマーに埋め込まれた第２のマイクロ流路（２１）の少なくとも１つおよび第２のマイクロチャンバ（２２）の少なくとも１つが、１〜１０００μｍの高さを有し、第１のマイクロ流路（１１）とマイクロチャンバ（２２）とのうち少なくとも１つは、流路の上側と底側とを接続するポリマー製の少なくとも１つのコラム、好ましくは少なくとも１つの配向コラムを備え、マイクロチャンバ（１２）の壁およびマイクロ流路（１１）の壁は、絶縁層または導電層でコーティングされており、デバイスは１つのマイクロ流路（２１）を含み、マイクロチャンバ（２２）は孔アレイ（２８）を介してマイクロチャンバ（１２）に接続されておらず、マイクロチャンバ（２２）はマイクロ流路（１６）に接続されていない、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１０】
ポリマー層（２０ａ、２０ｂ）が開口部を備え、前記開口部が、金属パッド、ＩＣ、センサ、加熱器のうちの少なくとも１つへのアクセスを提供する、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のデバイス。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つのデバイス（１００）を製造する方法であり、少なくとも１つのセンサ（９０）を含むＳｉ基板（１０）を提供するステップを含んでおり、
ａ１）基板の両面に第１の誘電体層（５１ａ，ｂ）を堆積／成長させ、
ｂ）底側に誘電体層をパターニングし；
ｃ）誘電体層のパターニングされていないＳｉ側に第１のポリマー層（６１）を堆積し；
ｄ）リソグラフィまたは電子ビーム装置を用いて第１のポリマー層（６１）をパターニングし；
ｅ１）第１のポリマー層（６１）に犠牲層（７２）を堆積し；
ｅ２）リソグラフィまたは電子ビームマシンを使用して犠牲層（７２）をパターニングし；プラズマエッチング／ドライエッチングにより第１ポリマー層をエッチングし；
ｆ）犠牲層（７２）に第２の層（６２）を堆積し；
ｇ）底側でシリコン基板（１０）をドライエッチングし、それによってＳｉ内に流路（１１）／チャンバ（１２）用の開口部を設け；
ｈ）第１の誘電体層（５１ｂ）を底側から（ウェット）エッチングして流路／チャンバ用の開口部を設け；
ｉ）犠牲層（７２）を（ウェット）エッチングし、それによって流路（２１）／チャンバ（２２）を開放すること
を行う方法。
【請求項１２】
第１および第２の誘電体層（５１ａ，ｂ，５２）が、Ｓｉ誘電体材料から独立して選択される材料から作成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
生物学的細胞実験、生体機能チップの実験、光学顕微鏡実験、初代細胞の増殖および分化の実験、細胞の機械的および電気的刺激、層状構造、生体組織および／または器官内のマイクロ環境のシミュレーション、の少なくとも１つのための、Lab-on-Chipとしての、マイクロ流体素子デバイスとしての、そしてマイクロリアクターとしての、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のデバイスの使用。
【請求項１４】
デバイスのウェット／湿潤区画とドライ区画とが物理的に分離されており、ドライ区画が電子素子を含む、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の装置の使用。
【国際調査報告】
2019521699.tif 000033
2019521699.tif 000034
2019521699.tif 000035