(57)【要約】      （修正有）【課題】微小流路を有し、簡便に製造することができる中空デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】中空デバイス１０は、微小流路１６を有する中空繊維１２、及び前記中空繊維の周囲にデバイス本体形成部１４を有する。この中空デバイス１０の製造方法は、微小流路１６を有する中空繊維１２を所望の形状に配置する工程、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程、及びデバイス本体形成材料を硬化又は固化しデバイス本体形成部１４内に中空繊維１２を封止する工程を含む。前記中空繊維１２の材質は、樹脂、炭素繊維、樹脂と無機材料との複合材料、又はガラスであることが好ましい。【選択図】図１
2008006524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小流路を有する中空繊維、及び、前記中空繊維の周囲にデバイス本体形成部を有することを特徴とする
中空デバイス。
【請求項２】
微小流路を有する中空繊維を所望の形状に配置する工程、
中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程、及び、
デバイス本体形成材料を硬化又は固化する工程を含むことを特徴とする
中空デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空デバイスは、従来、主に、ステンレス等の金属製材料から形成されていた。この場合、金属製材料は、溶融温度が非常に高いため、注型によっては、中空部、特に、直径がμｍ単位の微細な流路を有するように成型することが困難であった。そのため、従来は、これらの金属製材料の表面にエッチング処理により毛細状の溝を形成した後、これを溶接等により接合して管路状の流路を形成したり、金属製材料にレーザー加工により短管路を形成し、この短管路を接続して形成されていた。
【０００３】
また、従来の高分子樹脂を用いた中空デバイスの製造方法は、射出成型により微小流路に対応する凸型形状を備えた鋳型に溶融状態の高分子レジンを流し込み、微小流路に対応する溝を有する部材（一方の樹脂製部材）を成型し、溝を形成した表面に別途成型した高分子からなる部材（他方の樹脂製部材）を接合することにより成型されている。
【０００４】
従来の中空デバイスの製造方法としては、例えば、特許文献１には、デバイス本体と前記デバイス本体の内部に形成された中空部とを備えた中空デバイスの製造方法であって、本体用材料を硬化又は固化させることにより前記デバイス本体を形成し、前記本体用材料の硬化又は固化前に前記中空部の形成位置に中空部形成部材を設置し前記本体用材料の硬化又は固化後に前記デバイス本体から前記中空部形成部材を除去して前記中空部を形成することを特徴とする中空デバイスの製造方法が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３１１６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、微小流路を有し、簡便に製造することができる中空デバイス及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明が解決しようとする上記課題は、手段＜１＞及び＜６＞によって解決された。好ましい実施態様である＜２＞〜＜５＞と共に以下に示す。
＜１＞  微小流路を有する中空繊維、及び、前記中空繊維の周囲にデバイス本体形成部を有することを特徴とする中空デバイス、
＜２＞  前記中空繊維が樹脂である上記＜１＞に記載の中空デバイス、
＜３＞  前記中空繊維が炭素繊維である上記＜１＞又は＜２＞に記載の中空デバイス、
＜４＞  前記中空繊維が樹脂と無機材料との複合材料である上記＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の中空デバイス、
＜５＞  前記中空繊維がガラスである上記＜１＞〜＜４＞のいずれか１つに記載の中空デバイス、
＜６＞  微小流路を有する中空繊維を所望の形状に配置する工程、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程、及び、デバイス本体形成材料を硬化又は固化する工程を含むことを特徴とする中空デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、微小流路を有し、簡便に製造することができる中空デバイス及びその製造方法を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の中空デバイスは、微小流路を有する中空繊維、及び、前記中空繊維の周囲にデバイス本体形成部を有することを特徴とする。
また、本発明の中空デバイスの製造方法は、微小流路を有する中空繊維を所望の形状に配置する工程、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程、及び、デバイス本体形成材料を硬化又は固化する工程を含むことを特徴とする。
以下、図面等を参照しながら、本発明を詳細に説明する。
【００１０】
従来の中空デバイスの製造方法は、例えば、前述の特許文献１に記載された発明のように、金型内に金属製糸、樹脂製糸、ガラス製糸、カーボン製糸などの繊維状の中空部形成部材を、所定の形状に張った後、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を金型内に充填して硬化させ、デバイス本体を形成後に繊維状の中空部形成部材を除去する方法が提示されている。この方法でループ状流路、湾曲している流路や直線流路／湾曲流路、直線流路／ループ流路が複合した流路の形成も提示されているが製造工程は容易ではなく、また、高機能化のため流路内を処理、機能設計することは難しい。
【００１１】
上記の特許文献１に記載の方法では繊維状の部材を除去してしまうが、本発明の中空デバイス及びその製造方法では、中空繊維を使用し、中空繊維内の中空部分を微小流路として用いるため、中空繊維の材質、構造を様々な種類のものから選択可能であったり、容易に高機能化付与の流路が設計でき、また、中空繊維で流路が形成されるため、任意の中空繊維を所望の形状、例えば、直線状やループ状、湾曲、複合形状に設計した微小流路を有するデバイスを一括成型により得ることができる。
【００１２】
従来の微小流路を有するデバイスの製造方法は、金属製材料の表面にエッチング処理により毛細状の溝を形成した後、これを溶接等により接合して管路状の流路を形成したり、金属製材料にレーザー加工により短管路を形成し、この短管路を接続して形成する方法や、高分子樹脂を用いた製造方法では、射出成型により微小流路に対応する凸型形状を備えた鋳型に溶融状態の高分子レジンを流し込み、微小流路に対応する溝を有する部材（一方の樹脂製部材）を成型し、溝を形成した表面に別途成型した高分子からなる部材（他方の樹脂製部材）を接合することにより成型する方法が挙げられる。しかしながら、これらの従来法では、微小流路内の高機能化は流路形成後高分子材料でコーティングするなど工程が複雑であった。
一方、本発明においては、中空繊維で流路を成型するため、中空繊維の材質、構造を選択することにより、例えば、親水性流路、疎水性流路、親水性流路と疎水性流路との組み合わせや、選択的にガス透過する流路の組み合わせ、有機材料と無機材料の海島構造を有する流路などの所望する性質の微小流路を有するデバイスが簡便に一括成型により得ることができる。
【００１３】
（中空デバイス）
本発明の中空デバイスは、微小流路を有する中空繊維、及び、前記中空繊維の周囲にデバイス本体形成部を有することを特徴とする。
また、本発明の中空デバイスは、後述する本発明の中空デバイスの製造方法により製造されることが好ましい。
本発明の中空デバイスとして具体的には、例えば、図１〜図４に示すような形状が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００１４】
図１は、本発明の中空デバイスの一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
図１に示す中空デバイス１０は、中空繊維１２及びデバイス本体形成部１４により形成されており、中空繊維の内部には微小流路１６が形成されている。微小流路１６は、図１ではデバイス中央付近において波型の形状をとっているように、中空デバイスの製造時に中空繊維を所望の形状に配置してデバイスを形成することにより、任意の形状の微小流路を有する中空デバイスを容易に形成することができる。
【００１５】
図２は、本発明の中空デバイスの一例及びその製造工程を示す概略図である。
図２に示す中空デバイス１０は、デバイスの中央部分において微小流路１６がらせん状に形成された中空デバイス１０（図２（Ｃ））であり、その製造方法としては、まず、図２（Ａ）に示す円筒形部材１８に中空繊維１２の一部を巻き付け（図２（Ｂ））、該中空繊維の形状を維持したままデバイス本体形成部１４を形成することにより容易に製造することができる。
【００１６】
（中空繊維）
本発明に用いることができる中空繊維は、繊維の内部に中空部分を有しており、中空デバイスを製造した際に中空繊維の該中空部分が微小流路を形成できるものであれば、特に制限はない。また、本発明の中空デバイスに使用する中空繊維の本数は、１本であっても、２本以上用いてもよい。
本発明に用いることができる中空繊維の形状は、特に制限はなく、中空繊維の外周の断面形状が、例えば、円形、楕円形、多角形、任意の１以上の曲線よりなる形状、任意の１以上の直線と１以上曲線よりなる形状等が挙げられる。また、同様に中空繊維内部の微小流路の形状も特に制限はなく、微小流路の外周の断面形状が、例えば、円形、楕円形、多角形、任意の１以上の曲線よりなる形状、任意の１以上の直線と１以上曲線よりなる形状等が挙げられる。
また、本発明に用いることができる中空繊維は、必要に応じ、１本の中空繊維の内部に１つの微小流路のみを有していても、２以上の微小流路を有していてもよい。
本発明の中空デバイスにおいて、中空繊維の長さ、すなわち、微小流路の長さについては特に制限はなく、所望の長さを用いて中空デバイスを形成することができる。
また、前記中空繊維は、前記中空繊維全体において一様な形状や流路径でなくともよく、所望の形状及び繊維径であればよい。
【００１７】
前記中空繊維により形成される微小流路は、その一部において少なくともマイクロスケールの流路であればよい。すなわち、本発明の中空デバイスにおいて最も流路の幅（流路径）が狭い部分の幅が、５，０００μｍ以下であり、好ましくは１０〜１，０００μｍの範囲であり、より好ましくは３０〜５００μｍの範囲である。また、流路の深さは、１０〜１，０００μｍの範囲であることが好ましい。
また、前記中空繊維の繊維径については特に制限はなく、中空繊維内部に形成されている１以上の微小流路が、上述の流路径で形成された中空繊維であることが好ましく、好ましくは１０〜２，０００μｍの範囲であり、より好ましくは３０〜１，０００μｍの範囲である。
また、前記中空繊維により形成される微小流路は、前記中空繊維全体において一様な形状や流路径でなくともよく、所望の形状及び流路径であればよい。
【００１８】
本発明に用いることができる中空繊維として例えば、市販の中空繊維を好適に用いることができる。近年の紡糸技術の発展により、各種材料の中空繊維が作製されており、特に繊維製造メーカーからポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、フッ素樹脂、ポリエステルなどの樹脂製の中空繊維が発売されている。これらの中空繊維は目的に合わせて、多様な材質、機能、形状が設計されている。これらの中空繊維を微小流路として利用することは、従来作製されていた微小流路を有するデバイスに比べ、中空繊維の組み合わせにより多種類の素材、形状、表面特性などの流路への機能付与が簡便に行うことができる。
また、繊維状であるためループ状流路、湾曲している流路や直線流路／湾曲流路、直線流路／ループ流路が複合されてなる流路の形成も容易であり、また、これらを１本の中空繊維により１つのデバイス内に形成することも容易である。
【００１９】
中空繊維の材料としては、樹脂（高分子化合物）、炭素繊維、樹脂とシリカ粒子やクレーなどの無機材料の複合化材料、ガラス、金属などの中空繊維を形成できるものであればいかなる材料でもよい。これらの中でも、中空繊維の作製が簡便であり、材料の選択性、高機能化などの点から、樹脂、炭素繊維、樹脂と無機材料との複合材料、又は、ガラスであることが好ましく、特に樹脂であることが好ましい。
【００２０】
本発明に用いることができる中空繊維は、２種以上の中空繊維を接続し、組み合わせて用いることが好ましい。中空繊維の接続方法としては、特に制限はなく、１つの中空繊維の端部と他の中空繊維の端部とを公知の方法により接続すればよい。中空繊維の接続方法として具体的には、中空繊維の１つの端部と他の中空繊維の１つの端部とを接着剤等により接続する方法、端部を熱融着する方法、ジョイント部材により２つの中空繊維を端部で接続する方法等が例示できる。
また、中空繊維の製造時において、性質の異なる２以上の部分を有する１本の中空繊維を製造し、本発明の中空デバイスに用いてもよい。
【００２１】
従来のマイクロ流路デバイスにおいては、微小流路の内壁へ修飾を行い、特定の性質や機能を付与することが困難であった。
本発明の中空デバイスは、中空繊維により微小流路を形成することから、所望の性質や機能を有する中空繊維を使用するだけで容易に微小流路の内壁部分の機能化を行うことができる。
本発明に用いることができる中空繊維は、特定の性質や機能を付与する点からは、親水性、疎水性、選択的気体透過性、選択的液体透過性、反応性、化合物選択的反応性、及び／又は、濾過機能、透析機能等の性質や機能を有する中空繊維を用いることが好ましい。
また、本発明の中空デバイスは、中空繊維で流路を成型するため、中空状繊維の材質、構造を選択することにより、例えば、親水性流路と疎水性流路の組み合わせや、選択的にガス透過する流路の組み合わせ、有機材料と無機材料との海島構造を有する流路など所望する性質の微小流路を簡便に得ることができる。
【００２２】
親水性流路と疎水性流路の組み合わせとしては、図３に示すような本発明の中空デバイスが例示できる。
図３は、本発明の中空デバイスの他の一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
図３に示す中空デバイス１０は、中空繊維１２が親水性中空繊維１２ａと疎水性中空繊維１２ｂとから形成されており、連結部２０を境に微小流路内壁部分の性質が親水性−疎水性と変化するデバイスである。
【００２３】
選択的にガス透過する流路の組み合わせとしては、図４に示すような本発明の中空デバイスが例示できる。
図４は、本発明の中空デバイスの他の一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
図４に示す中空デバイス１０は、中空繊維１２が脱酸素特性を有する中空繊維１２ｃと水蒸気透過特性を有する中空繊維１２ｄとから形成されており、連結部２０を境に微小流路内壁部分の性質が酸素透過性−水蒸気透過性と変化するデバイスである。
【００２４】
また、本発明に用いることができる中空繊維は、分岐を有していてもよい。すなわち、本発明の中空デバイスにおける微小流路は分岐を有していてもよい。
また、分岐を有する微小流路を備えたジョイント部材により、複数の中空繊維を接続し、中空デバイス中に微小流路の分岐部分を形成してもよい。
具体的には、デバイス本体形成部の一部となる基板に所望の分岐の溝を形成させ、その部分に中空繊維を配置、固定しデバイス本体形成材料で成型する方法や、市販ジョイントや光造型法で作製したエポキシ樹脂製のジョイントを用いて中空繊維を接続し分岐を有する成型体を得る方法がある。
【００２５】
（デバイス本体形成部）
本発明の中空デバイスにおけるデバイス本体形成部の材質としては、金属、セラミック、ガラス、シリコーン、樹脂などの材料が例示でき、成形の容易性から、ガラス、シリコーン又は樹脂であることが好ましく、熱硬化性や光硬化性を有する反応性樹脂、熱可塑性樹脂などの高分子材料を用いることがより好ましい。
また、本発明の中空デバイスにおいて、デバイス本体形成部の材質と中空繊維の材質とは、異なる材質であることが好ましい。
熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いる場合は、中空繊維の材料の融点が前記デバイス本体形成部の材料より高い材料を選択することが好ましい。また、溶媒により溶融している材料を用いる場合は、中空繊維の材料が前記材料を溶融している溶媒に対して耐性を有する材料を選択することが好ましい。
また、前記デバイス本体形成部の材質として使用する樹脂としては、耐衝撃性、耐熱性、耐薬品性、透明性などが、行う反応や単位操作に適した樹脂であることが好ましく、具体的には、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン・アクリル樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ジエン系樹脂、フェノール樹脂、テルペン樹脂、クマリン樹脂、アミド樹脂、アミドイミド樹脂、ブチラール樹脂、ウレタン樹脂、エチレン・酢酸ビニル樹脂等が好ましく例示できるが、より好ましくはエポキシ樹脂である。
また、前記熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂は、「高分子大辞典」（１９９４年、丸善（株）発行）に記載のものも、所望に応じ、好適に用いることができる。
【００２６】
本発明の中空デバイスの大きさは、使用目的に応じ適宜設定することができるが、１〜１００ｃｍ2の範囲が好ましく、１０〜４０ｃｍ2の範囲がより好ましい。また、中空デバイスの厚さは、２〜３０ｍｍの範囲が好ましく、３〜１５ｍｍの範囲がより好ましい。
【００２７】
本発明の中空デバイスは、その用途に応じて、中空繊維により形成する微小流路以外にも、他の微小流路や、反応、混合、分離、精製、分析、洗浄等の機能を有する部位を有していてもよい。
また、本発明の中空デバイスには、必要に応じて、例えば、中空デバイスに流体を送液するための送液口や、中空デバイスから流体を回収するための回収口などを設けてもよい。
【００２８】
また、本発明の中空デバイスは、その用途に応じて、複数を組み合わせたり、反応、混合、分離、精製、分析、洗浄等の機能を有する装置や、送液装置、回収装置、他のマイクロ流路デバイス等を組み合わせ、マイクロ化学システムを好適に構築することができる。
【００２９】
（中空デバイスの製造方法）
本発明の中空デバイスの製造方法は、微小流路を有する中空繊維を所望の形状に配置する工程（以下、「配置工程」ともいう。）、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程（以下、「導入工程」ともいう。）、及び、デバイス本体形成材料を硬化又は固化する工程（以下、「固定工程」ともいう。）を含むことを特徴とする。
前記配置工程は、中空デバイスの使用目的に応じ、微小流路を有する適当な中空繊維を選択し、流路のデザインに合わせて中空繊維を所望の形状に配置する工程である。中空繊維を所望の形状に配置する方法としては、例えば、デバイス本体形成部の形成時に使用する金型やデバイス本体形成材料で作製された基板に配置する方法や、前述したように図２に示すような円筒形部材等の補助部材を使用して中空繊維を所望の形状に配置する方法等が好ましく挙げられる。
前記導入工程は、中空繊維の形状に合わせて、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入する工程である。導入するデバイス本体形成材料は、導入する際に流動体であることが好ましく、また、溶媒に溶解又は分散した状態で用いてもよい。
また、本発明の中空デバイスの製造方法は、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入した後、中空繊維を所望の形状に配置しても、中空繊維の周囲にデバイス本体形成材料を導入しながら中空繊維を所望の形状に配置してもよい。すなわち、本発明の中空デバイスの製造方法は、前記配置工程を行った後、前記導入工程を行っても、前記導入工程を行った後、前記配置工程を行っても、前記配置工程と前記導入工程とを同時に行ってもよい。
前記固定工程は、加熱や冷却、光、乾燥、脱溶媒、圧縮等の適切な手段によりデバイス本体形成材料を硬化又は固化する工程である。また、「硬化又は固化」とは、デバイス内部に配置した中空繊維の配置が変化せず、また、中空デバイスが使用時に問題のない硬さにデバイス本体形成材料を硬化又は固化していればよく、例えば、ゴム等のように中空デバイス自体が応力により変形可能であってもよい。
【００３０】
本発明の中空デバイスの製造方法として具体的には、例えば、中空デバイスの使用目的に応じ、適当な中空繊維を選択し、流路のデザインに合わせてデバイス本体形成部の一部となる基板に中空繊維を固定し、その後、デバイス本体形成材料を金型に導入し固化させ成型体を得る方法、中空デバイスの使用目的に応じ、適当な中空繊維を選択し、流路のデザインに合わせて金型内に中空繊維を固定し、デバイス本体形成材料を金型に導入し固化させ成型体を得る方法等が好ましく挙げられる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を実施例で詳しく説明するが、本発明を何ら限定するものではない。
【００３２】
（実施例１）
ポリエチレン製中空繊維（三菱レイヨン社製）を金型中に図１に示すような中央部分が波状、他の部分が直線状に配置した後、金型に溶液状態のエポキシ樹種（ジャパンエポキシレジン（株）社製  液状グレード８２１／硬化剤グレード３０１９）を流し込み、８０℃で３時間加熱処理をして、高分子レジンを固化させ、微小流路を有する中空デバイスを作製した。
【００３３】
（実施例２）
疎水性のポリエチレン製中空繊維（三菱レイヨン社製）と親水性のエチレン−ビニルアルコール共重合体製中空状繊維（川澄化学工業（株）製）を組み合わせて、金型中に図３のように配置した後、金型に溶液状態のエポキシ樹種（ジャパンエポキシレジン（株）社製  液状グレード８２１／硬化剤グレード３０１９）を流し込み、８０℃で３時間加熱処理をして、高分子レジンを固化させ、微小流路を有する中空デバイスを作製した。
【００３４】
（実施例３）
脱酸素特性を有するポリテトラフルオロエチレン製中空繊維（SEPAREL／PF-F：大日本インキ化学工業（株）製）と水蒸気透過性を有するポリイミド製中空繊維（宇部興産（株）製）を組み合わせて配置した後、金型に溶融状態のエポキシ樹種（ジャパンエポキシレジン（株）社製  液状グレード８２１／硬化剤グレード３０１９）を流し込み、８０℃で３時間加熱処理をして、高分子レジンを固化させ、微小流路を有する中空デバイスを作製した。
作製した中空デバイスの流路入口と出口とにポンプを設置し流量を調整することにより内部圧力を調整し、酸素及び水が溶存しているエタノールを流した。流路を通過したエタノールの溶存酸素と溶解水量を測定した結果、流路に流す前と比較して溶存酸素量、溶存水量とも低下していた。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の中空デバイスの一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
【図２】本発明の中空デバイスの一例及びその製造工程を示す概略図である。
【図３】本発明の中空デバイスの他の一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
【図４】本発明の中空デバイスの他の一例を中空繊維の中央部分で切断した断面概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０      中空デバイス
１２      中空繊維
１２ａ    親水性中空繊維
１２ｂ    疎水性中空繊維
１２ｃ    脱酸素特性を有する中空繊維
１２ｄ    水蒸気透過特性を有する中空繊維
１４      デバイス本体形成部
１６      微小流路
１８      円筒形部材
２０      連結部
【図１】
2008006524.tif 000003
【図２】
2008006524.tif 000004
【図３】
2008006524.tif 000005
【図４】
2008006524.tif 000006