(57)【要約】２つの材料層（８、９）の界面に形成されるマイクロチャネル（７）と、その製造方法に関し、２つの材料のうちの少なくとも１つは基板（９）である。マイクロチャネル（７）の容積は、共有結合により基板層に固定されたポリマーフィルム（１０）を含み、前記ポリマーフィルムは、外部刺激の作用下で体積変化を起こしやすいヒドロゲル材料から形成される。ヒドロゲルポリマーは、温度、光、電場またはｐＨの変化に敏感なものから選択される。【選択図】図５
2015511181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの材料層の界面に形成されるマイクロチャネル（７、１７）であって、
前記２つの材料のうちの少なくとも１つは基板（９、１４、１５、１６）であり、ポリマーフィルム（１０）が前記マイクロチャネル（７、１７）の容積内で前記基板層に固定され、前記ポリマーフィルム（１０）は外部刺激の作用下で体積変化を起こすヒドロゲル型の材料で形成され、前記ヒドロゲル型のポリマー層は共有結合により前記基板上にグラフトされる
ことを特徴とするマイクロチャネル。
【請求項２】
前記ヒドロゲル型のポリマーは、温度、光、電場またはｐＨの変化に敏感であるものから選択される
請求項１に記載のマイクロチャネル。
【請求項３】
請求項１または２に記載の少なくとも１つのマイクロチャネルを含む
ことを特徴とするマイクロ流体システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載のマイクロチャネルを製造する方法であって、
前記ヒドロゲル型のポリマーを共有結合により前記基板に固定する少なくとも１つの工程を含み、前記ヒドロゲル型のポリマーは、前記２つの材料層の界面に形成された前記マイクロチャネルの容積内に配置される前記基板の一方の面において前記外部刺激の作用下で体積変化を起こすことが可能であり、前記２つの材料のうちの少なくとも１つは前記基板である
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記ヒドロゲル型のポリマーを前記基板上に固定する工程が、前記マイクロチャネルの外側で行われる
請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記グラフト工程が、前記ヒドロゲル型のポリマーを化学修飾する工程と、前記基板表面の化学的特性を改質する工程の２つの工程を含む
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記グラフト工程の前に前記ヒドロゲル型のポリマーを合成する工程を行う
請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記ヒドロゲル型のポリマーが機能性ポリマー鎖間の架橋により合成され、前記ポリマー鎖がラジカル共重合により合成される
請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ポリマーの化学修飾が、少なくとも１個のビニル基を有するアミンによるアミド化である
請求項６ないし８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体システムの分野、より詳細には開放及び/または閉鎖及び/またはポンプ装置を含むマイクロチャネル及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムは、化学、生物学、物理学、分析学、診断学、スクリーニングなどといった多様な分野においてますます使用されている。様々な種類があり、特に基部または支持体としての役割を果たす基板を用いたものがある。使用される基板は、ガラス、シリコン、金属、ポリマー、またはこれら全ての材料の組み合わせから選択される塊状材料である。
【０００３】
この種類のマイクロ流体システムでは、マイクロチャネルは任意の公知の方法によって基板に彫り込まれ得る。次いで、塊状または薄い層の構成要素が基板を被覆し、このようにしてマイクロチャネルの形状を画定する。マイクロチャネルはまた、適切な鋳型でエラストマーを成形した後に基板上に配置することによっても得られる。これらのマイクロチャネルは、流体が循環するネットワークを形成するように配置され得る。
【０００４】
流体の移動を制御可能とするために、多くの場合、マイクロ流体ネットワーク内にバルブ及びポンプを統合することが有利である。
【０００５】
しかしながら、バルブ及びポンプの統合を可能にするためには非常に多くの障害を克服しなければならない。さらに、既知のバルブシステムは重要な制限を有している。
【０００６】
例えば、バルブシステムを製造するためのプロセスでは多くの工程が必要であり、かつそれらは頻繁にバルブシステムの適用性を制限する特別な材料の使用を必要とする。
【０００７】
既知のバルブシステムの別の欠点は、一般的に５０ミクロンを超えるバルブシステムのサイズにあり、これはマイクロ流体システム内でのそれらの数を制限する。
【０００８】
これらの問題を解決するために様々な解決策が過去に提案された。
【０００９】
こうして、特許文献１では、マイクロ流体システム内でマイクロチャネルを閉鎖または開放するのに使用されるマイクロバルブを形成するために、成形エラストマー構造を製造する方法が提案されている。この方法は以下の工程を含む：
【００１０】
−第１微細加工鋳型の上に第１エラストマー層を形成する工程であって、この第１鋳型はその上面に突起部を有し、それは前記第１エラストマー層の下面に凹部を形成する工程、
【００１１】
−第２微細加工鋳型の上に第２エラストマー層を形成する工程であって、この第２鋳型はその上面に突起部を有し、それは前記第２エラストマー層の下面に凹部を形成する工程、
【００１２】
−第１エラストマー層の上面に第２エラストマー層の下面を適用することで、第１及び第２のエラストマー層の間の凹部において第１チャネルが形成される工程、
【００１３】
−平坦基板の上に第１エラストマー層を配置することで、第１エラストマー層と基板との間の凹部において第２流体チャネルが作製される工程。
【００１４】
このようにして、液体または気体の流体により第１チャネル内に圧力をかけることにより、第１層の上面が変形し、それにより第２流体チャネルは閉鎖する。
【００１５】
しかしながら、これらの装置は実に多くの欠点、特に以下の欠点を有している：
【００１６】
−これらの装置はマイクロ流体制御チャネル内で圧力を供給及び制御するために、チューブ及びバルブを含む外部回路を必要とする。これらの外部回路は、マイクロ流体システムにおいて統合されるバルブの数が増加するにつれてより複雑になる；
【００１７】
−この方法によるサブマイクロメートルのバルブの製造には時間がかかり、かつ高価である。このような製造には、サブマイクロメートル精度のマスク及び非常に薄いエラストマー膜が必要とされる。実際、これはチャネルの閉鎖または開放をもたらす制御されたチャネル内でのこの膜の変形である。現在のところ、変形膜が完全に当該マイクロチャネルの横断面を妨害する場合にのみ、閉鎖が行われる。これはマイクロチャネルの横断面の寸法と比べて非常に薄い厚みを必要とするために、非常に脆弱である。さらに、第１チャネル内の流体圧力は非常に低く制御されなければならず、かつこの圧力制御は非常に正確でなければならない。
【００１８】
−最後に、この方法は材料としてエラストマーを使用する必要があり、そのため装置の応用分野が制限される。
【００１９】
特許文献２ではまた、マイクロ流体システム内でマイクロチャネルを閉鎖または開放するのに使用されるマイクロバルブの製造方法が提案されている。この方法は以下の工程を含む：
【００２０】
−予備工程において、ピラーをマイクロチャネル内に配置する、
【００２１】
−マイクロチャネルを光架橋性モノマーの溶液で充填する、
【００２２】
−例えばフォトリソグラフィ法により得られたマスクを介して、ピラー周囲で前記モノマー溶液に対してＵＶ放射する。この放射の影響下で、溶液中のモノマーの重合／架橋がピラー周囲で起こり、その後固体ポリマー層で被覆される。モノマーは、前記固体層が刺激（例えば、前記ピラー周囲の流体のｐＨまたは温度の変化）の存在下で体積変化を起こす性質を有するように選択する。
【００２３】
従って、マイクロバルブを作動させるために当該刺激はピラーのレベルで適用され、それはマイクロシステムが遮断するまで層を膨潤させる効果を有している。
【００２４】
これらの装置はまた、多くの欠点、特に以下の欠点を有している：
【００２５】
−製造にはいくつかの工程：充填、光重合、すすぎが必要である、
【００２６】
−光重合工程では、マスクをピラーと並べるためにマイクロメートルの精度が必要とされる。さらに、照明を提供する光学システムは、ＵＶ放射の反射及び拡散の現象を回避可能でなければならない。実際、このような現象は望ましくない場所での重合を引き起こす破壊的影響をもたらし、それは前記望ましくない場所におけるマイクロチャネルの封止作用をもたらし得る、
【００２７】
−ピラーに対するポリマーの付着は弱く、かつ制御されていないため、多くの欠点につながる。
【００２８】
特許文献１と同様に、特許文献３では、膜によって隔てられた２つのマイクロチャネルのネットワークを使用するが、制御は２つのネットワークのうちの１つにおける圧力変化ではなく、制御マイクロチャネルに存在するヒドロゲルによって引き起こされる膨潤によって提供され、それにより膜が変形してチャネルが閉鎖する。
【００２９】
しかしながら、これらの装置は引用した最初の２つの特許に関して上述した欠点：エラストマーの使用、製造における困難性、サブミクロン範囲で寸法を減少させることの不可能性などを依然として有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３０】
【特許文献１】米国特許第６，４０８，８７８号
【特許文献２】米国特許第６，４８８，８７２号
【特許文献３】米国特許第７，９８８，６８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
本発明は、マイクロチャネルの開放及び/または閉鎖及び／またはポンプ装置を提案することにより、従来技術の欠点の１つ以上を克服することを目的とする。装置は実施が簡単であり、かつその生産において複雑な工程を必要としない。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
この目的のために、本発明は２つの材料層の界面に形成されるマイクロチャネルを提案し、２つの材料のうちの少なくとも１つは基板であり、ポリマーフィルムがマイクロチャネルの容積内で基板層に固定され；前記ポリマーフィルムは外部刺激の作用下で体積変化を起こすヒドロゲル型の材料で形成され、ヒドロゲル型のポリマー層は共有結合により基板上にグラフトされる。
【００３３】
マイクロチャネル内におけるヒドロゲルの存在により、記載の刺激のいずれかの影響下でマイクロチャネルを閉鎖または開放することが可能となる。したがって、マイクロチャネルのレベルでマイクロバルブまたはマイクロポンプの役割を果たしているのは、マイクロチャネル内にグラフトされたポリマー層である。共有結合により垂直方向の膨潤が可能となり、かつヒドロゲルとそれが取り付けられる基板表面との間の機械的なせん断応力が排除される。
【００３４】
本発明の一実施形態によれば、ヒドロゲル型のポリマーは、温度、光、電場またはｐＨの変化に敏感なものから選択される。
【００３５】
本発明はまた、本発明による少なくとも１つのマイクロチャネルを含むことを特徴とするマイクロ流体システムに関する。
【００３６】
本発明はまた、ヒドロゲル型のポリマーを共有結合により基板上に固定する少なくとも１つの工程を含む製造方法に関し、ヒドロゲル型のポリマーは、２つの材料層の界面に形成されたマイクロチャネルの容積内に配置される基板の一方の面において外部刺激の作用下で体積変化を起こすことが可能であり、２つの材料のうちの少なくとも１つは基板である。
【００３７】
本発明の一実施形態によれば、ヒドロゲル型のポリマーを基板上に固定する工程は、マイクロチャネルの外側で行われる。
【００３８】
本発明の一実施形態によれば、グラフト工程はヒドロゲル型のポリマーを化学修飾する工程、及び基板表面の化学的特性を改質する工程の２つの工程を含む。
【００３９】
本発明の一実施形態によれば、グラフト工程の前にヒドロゲル型のポリマーを合成する工程を行う。
【００４０】
本発明の一実施形態によれば、ヒドロゲル型のポリマーは機能性ポリマー鎖間の架橋により合成され、ポリマー鎖はラジカル共重合により合成される。
【００４１】
本発明の一実施形態によれば、ポリマーの化学修飾は、少なくとも１個のビニル基を有するアミンによるアミド化である。
【００４２】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、例として示される添付の図面を参照しながら以下に示される説明を読むことで、より良く理解され、かつより明確となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】マイクロチャネルのネットワークの一例における上面図
【図２】マイクロチャネルの製造方法の一例における種々の段階で用いられる装置であり、微細加工鋳型の一例を示す説明図
【図３】マイクロチャネルの製造方法の一例における種々の段階で用いられる装置であり、微細加工鋳型上でエラストマー層を成形する工程を示す説明図
【図４】マイクロチャネルの製造方法の一例における種々の段階で用いられる装置であり、微細加工鋳型から分離されたエラストマー層を示す説明図
【図５】エラストマー層と基板との重ね合わせによって形成されたマイクロチャネルを示す説明図
【図６】本発明の一実施形態によるマイクロチャネルの２つの例を示す説明図
【図７】光架橋性液体の小滴が堆積した基板上のエラストマー鋳型を示す説明図
【図８】エラストマー鋳型と光架橋性液体の小滴が堆積した基板との重ね合わせ、及び光架橋性液体の架橋を生じさせることを目的としたＵＶ照射を示す説明図
【図９】第１基板及び架橋体と第２基板との重ね合わせ後に得られたマイクロシステムを示す説明図
【図１０】温度の関数としてヒドロゲルフィルムの厚さの変化を示す説明図
【図１１】ヒドロゲルの熱活性化によって形成されるバルブ原理の説明図。図１１Ａは３２℃未満の温度におけるマイクロシステムの断面図であり、ヒドロゲルは折り畳まれずにマイクロチャネルを塞いでいて、図１１Ｂは３２℃を超える温度におけるマイクロシステムの断面図であり、ヒドロゲルは折り畳まれてマイクロチャネルは開放している。
【図１２】３バールの圧力差を受ける４ミクロンの高さのマイクロチャネルに沿った（基準流量Ｑｆによって正規化された）流量の変化を示す説明図。各記号は同じ条件で行った実験に対応している。
【図１３】７ミクロンの高さのチャネルにおいて、温度の関数としてマイクロチャネルの正規化された流体力学的抵抗の変化の一例を示す説明図
【図１４】ヒドロゲルの熱活性化によるマイクロポンプを示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明のマイクロチャネル（その一例が図１に示されている）は材料を成形する工程によって製造される。例えば、この成形工程は、エッチングによって、ガラスまたはシリコンの微細加工によって、ポリマーを用いた成形の様々な技術：熱成形若しくは熱間成形、ポリマーアブレーション、またはポリマー成形によって行われ得る。
【００４５】
使用される技術に応じて、用いられる材料はあらゆる種類のポリマー、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、熱硬化性ポリエステル（ＴＰＥ）、ポリウレタンメタクリレート（ＰＵＭＡ）、またはアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンなどのポリマーであり得る。
【００４６】
材料はまた、光架橋性または感光性の液体または接着剤、例えばノーランド光学接着剤（Ｎｏｒｌａｎｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｈｅｓｉｖｅ：ＮＯＡ）から選択され得る。
【００４７】
材料が成形されると、材料はヒドロゲル型のポリマー層が共有結合的にグラフトされた平坦基板層上に配置される。成形材料は、成形、エッチングまたは機械加工によって作製された凹部がヒドロゲル側にマイクロ流体チャネルを形成するように配置される。
【００４８】
したがって、マイクロチャネル（７、１７）（図５及び９）は２つの材料層の界面に形成され、２つの材料のうちの少なくとも１つは基板（９、１４、１５、１６）である。マイクロチャネルの容積は材料において形成された凹部に含まれる。
【００４９】
本発明との関係において使用され、かつマイクロチャネルの容積に含まれる、グラフトされるヒドロゲル型のポリマーは、液体または流体の存在下で高い吸収能力を有するゲルを構成可能な水不溶性ポリマーである。これらのポリマーは高度な柔軟性を有している。実際、温度、光、ｐＨ、または電場の変化などの刺激の作用下で、その体積を増加させることが可能である。グラフトされるヒドロゲル型のポリマーは、その固定面に対して垂直に拡大可能、すなわち、それが垂直方向に膨潤できるようにグラフトされる。したがって、ヒドロゲル型のポリマーに対する応力は表面に垂直であり、支持体への付着の断裂を引き起こす恐れがない。
【００５０】
本発明との関係においては、ヒドロゲル型のポリマーはマイクロチャネル内で支持体に共有結合でグラフトされる。
【００５１】
本発明の一実施形態によれば、ヒドロゲル型のポリマーは、それがマイクロチャネル内に挿入される前、すなわちマイクロチャネルの外側で支持体上にグラフトされる。
【００５２】
本発明の一実施形態によれば、支持体がすでにマイクロチャネル内にあるときに、ヒドロゲル型のポリマーが支持体上にグラフトされる。
【００５３】
マイクロチャネル内でのグラフトポリマー（ヒドロゲル）の存在は、記述の刺激のいずれかの影響下で前記マイクロチャネルの閉鎖または開放を可能にすることを目的としたものである。したがって、マイクロチャネルのレベルでマイクロバルブまたはマイクロポンプの役割を果たしているのは、マイクロチャネル内にグラフトされたポリマー層である。
【００５４】
基板上に層の形態でグラフトされたポリマーは使用が簡単であり、かつ特別な技術を必要としない。特に、従来技術の場合のように、マイクロチャネルのレベルで基板を空洞化してヒドロゲル型のポリマーがその中に埋め込まれ得るようにする必要がない。
【００５５】
したがって、本発明によるマイクロチャネルは、それがチャネルを形成する開口部と接触する基板上に堆積したヒドロゲル層を含むという点で、従来技術のマイクロチャネルとは異なる。
【００５６】
図２〜５は、本発明によるマイクロチャネルの第１実施形態を示している。第１鋳型（５）は、任意の公知の方法：微細加工、フォトリソグラフィ、レーザーアブレーション、マイクロインジェクション等によって製造され、かつ凸部（６）を有している。
【００５７】
エラストマー（８）をこの鋳型に注ぎ（図２）、次いで凸部（６）の反転像に対応して凹部（７）がエラストマー（８）に形成されるように、熱的に固化する（図３）。
【００５８】
次いで、図４に示されるように、エラストマー（８）を鋳型（５）から取り除き、次にヒドロゲル型のポリマー（１０）が共有結合的にグラフトされた平坦基板（９）上に配置する（図５）。
【００５９】
その後、エラストマー（８）で作られた構造はヒドロゲル側（１０）の基板（９）に接着され、このようにして凹部（７）はマイクロ流体チャネルを形成し、基板（図６Ａ）またはエラストマー（図６Ｂ）のいずれかに作製された孔（１１）を介して流体がマイクロ流体チャネルに導かれ得る。
【００６０】
エラストマーで作られた構造は、基板上に可逆的に、または不可逆的に接着可能である。このシステムでは、本発明者らが刺激として電場を使用したいときに、液体電極として機能する帯電流体が循環し得る別のエラストマー層を重ね合わせることが可能である。
【００６１】
この技術により、本発明者らが刺激として電場を使用したい場合、このシステムにおいて液体電極として機能する帯電流体が循環し得る別のエラストマー層を重ね合わせることが可能となる。
【００６２】
図７及び８は、本発明による方法の第２実施形態を示している。この第２実施形態では、本発明者らが形成を望むマイクロチャネルの形状と相補的な形状（１３）を含む、エラストマー材料（１２）で作られたスタンプと称される鋳型を使用する。鋳型は、上記の方法によって設計される。
【００６３】
固体材料の第１平坦基板（１４）は、このスタンプ（１２）に平行に配置される。十分な量の光架橋性または感光性の液体（１５）が基板（１４）上に堆積される。スタンプ（１２）は基板（１４）上に配置される。図８に示されるように、スタンプ（１２）に圧力を加えることで、液体（１５）はエラストマースタンプの空洞を占める。次いで、架橋が生じるまで、液体は照射または加熱によって処理される。スタンプは、第１基板（１４）及び架橋体（１５）からなるシステムから除去される。前記システムは第２基板（１６）上に堆積され、この第２基板上にはヒドロゲルがグラフトされている。
【００６４】
この技術では、マイクロチャネル（１７）は、図９Ｂに示されるように、架橋体（１５）の薄い層によって第１基板（１４）から離れていてもよく、または図９Ａに示されるように、第１基板（１４）と接触していてもよい。
【００６５】
マイクロチャネルを形成する材料は、基板に可逆的、または不可逆的に固定または接着され得、これは高圧をかけなければならないときに有利であり得る。
【００６６】
マイクロチャネルと一体化され、かつヒドロゲルのフィルムによって形成されるマイクロバルブまたはマイクロポンプの製造には、少なくとも：ポリマーを合成する工程、ポリマーをグラフトする工程、が必要である。グラフト工程には、ポリマーを化学修飾する工程、及び基板表面の化学的特性を改質する工程が含まれる。
【００６７】
様々な方法により行われ得るグラフトされるポリマーの合成について、非常に多くのモノマーが使用可能である。所与の用途に対するモノマーの選択は、マイクロバルブまたはマイクロポンプを作動させるために使用される刺激の種類によって決定される。したがって、グラフトされるポリマーは、温度、光、電場またはｐＨの変化に敏感なものから選択され得る。
【００６８】
−刺激が温度変化である場合は、本発明者らは下限臨界溶液温度（ＬＣＳＴ）または上限臨界溶液温度（ＵＣＳＴ）を有するポリマーを生成することを選択でき、それは例えば、ポリ−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド（ＰＮＩＰＡＭ）である。
【００６９】
−刺激が光変化である場合は、発色団基、例えばアゾベンゼン基がグラフトされた、温度に敏感な種類のポリマーを使用することが可能である。
【００７０】
−刺激がｐＨ変化である場合は、弱い高分子電解質、例えば、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）、ポリ（ジメチルアミノエチルメタクリレート）（ＰＤＭＡＥＭＡ）、あるいは弱い両性高分子電解質、例えば、ＰＡＡ−ｃｏ―ＰＤＭＡＥＭＡを使用することが可能である。
【００７１】
−刺激が電場変化である場合は、高分子電解質、例えばポリ（アクリルアミドメチルプロパンスルホン酸）（ＰＡＭＰＳ）を使用することが可能である。
【００７２】
共重合体、特にＰＡＡの名称で知られているようなアクリル酸単位を有する共重合体を使用することが有利であり得、これによりヒドロゲルの形成及びそれの表面へのグラフト化に必要な機能付与が可能となる。
【００７３】
ポリマーの化学修飾はいくつかの方法で行うことができる。この修飾工程は、マイクロ流体システムの内部にヒドロゲルをグラフト可能とするために必要である。化学修飾は、例えば、ビニル基を含むアミンによるアミド化であってもよい。このようにして機能性ポリマーが得られる。
【００７４】
ヒドロゲルのグラフトを可能とする基板表面の化学的改質は、様々な方法によって行われる。この工程の目的は、チオール基を有する自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成して、架橋剤と混合された機能性ポリマーが改質表面上に堆積することにより、マイクロシステムの前記改質表面上に機能性ポリマーをグラフトすることである。
【００７５】
こうして機能性ポリマーが基板上にグラフトされ、かつ水和されると、刺激の影響下でマイクロチャネル内においてその体積増加または垂直膨潤を利用することが可能となる。ヒドロゲルのこの垂直膨潤は、システムの形状及び刺激の適用条件に応じて、３つの効果を有し得る：
【００７６】
−マイクロチャネルがヒドロゲルの最大膨潤よりも大きい場合、マイクロチャネルの流体力学的抵抗を変更することが可能である、
【００７７】
−マイクロチャネルの断面が膨潤したヒドロゲルの最大寸法よりも小さい場合、マイクロチャネルを可逆的に開閉することが可能であり、それによりバルブシステムが形成される、
【００７８】
−マイクロシステム内の流体の置換をもたらすマイクロチャネルの開閉が可能となり、それにより非常に小さなサイズのポンプシステムが形成される。
【００７９】
本発明との関係において使用される機能性ポリマーは、機械的な堆積、例えば、スピンコーティング、ディップコーティング、ロールコーティング、スプレーコーティング、溶媒及び粒子キャスティング（溶媒キャスティング）、浸出などによって基板上に堆積され得る。こうして、全ての場合において、ヒドロゲル層は共有結合でグラフトされることによって基板上に形成される。
【００８０】
機能性ポリマーは基板表面全体または基板表面の一部のみに堆積される。ヒドロゲルで被覆される基板表面の部分は、例えば、１ｎｍ２〜１ｍｍ２の間である。
【００８１】
無水グラフトポリマーは、例えば、１ナノメートル〜１０ミクロンの間の厚さを有する。水和グラフトポリマーは、例えば、１０ナノメートル〜１ミリメートルの間の厚さを有する。
【００８２】
マイクロチャネルは、例えば、０．１ナノメートル〜５ミリメートルの間、好ましくは１ナノメートル〜１ミリメートルの間の長さを有する。
【００８３】
マイクロチャネルは、例えば、０．１ナノメートル〜５ミリメートルの間、好ましくは１ナノメートル〜１ミリメートルの間の幅を有する。
【００８４】
マイクロチャネルは、例えば、０．１ナノメートル〜５ミリメートルの間、好ましくは１ナノメートル〜１ミリメートルの間の高さを有する。
【００８５】
基板は、例えば、ガラス、シリコン、金属、ポリマー、あるいはこれら全ての材料の組み合わせなどの塊状材料である。
【００８６】
一変形例によれば、基板は金膜で覆われている。
【００８７】
別の変形例によれば、基板は赤外線放射に対して透過性である。
【００８８】
一変形例によれば、基板はアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンファミリーから選択される。
【００８９】
本発明はまた、本発明による少なくとも１つのマイクロチャネルによって形成されるマイクロ流体システム（１１７）に関する。
【００９０】
次に、本発明を以下の非限定的な実施例を用いて説明する。
【実施例】
【００９１】
１．マイクロバルブまたはマイクロポンプの製造方法の実施例
マイクロバルブまたはマイクロポンプの製造には：グラフトされるポリマーを合成する工程、グラフトされるポリマーを化学修飾する工程、及び基板表面の化学的特性を改質する工程、が含まれる。
【００９２】
１．１．ヒドロゲル型のポリマーの合成例
ヒドロゲル型のポリマーの合成を実施するために、１種以上のモノマー及び反応開始剤を溶液に入れ、ラジカル共重合法を使用する。
【００９３】
アクリル酸及びＮ−イソプロピルアクリルアミドに基づく共重合体（ＰＡＡ−ｃｏ−ＰＮＩＰＡＭ）の合成について、過硫酸アンモニウム／メタ重亜硫酸ナトリウムのペア：（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８／Ｎａ２Ｓ２Ｏ５を用いてレドックス開始系を使用する。
【００９４】
９０％のＮＩＰＡＭ単位を含むＰＡＡ−ｃｏ−ＰＮＩＰＡＭ共重合体は、９０％のＮＩＰＡＭ及び１０％のＡＡを混合した後に得られる。
【００９５】
そして、（ＮＨ４）２Ｓ２Ｏ８及びＮａ２Ｓ２Ｏ５の溶液を添加し、重合をレドックス系の存在下で活性化させる。
【００９６】
透析及び凍結乾燥後、ポリマーは固形で得られる。
【００９７】
１．２．基板上でのヒドロゲルのグラフト化を可能とするための化学修飾の実施例
グラフトされるポリマーの化学修飾はアミド化、すなわちビニル基を有するアミンといくらかのアクリル酸単位との間の反応であり得る。
【００９８】
１０％のＡＡ単位を含むＰＡＡ−ｃｏ−ＰＮＩＰＡＭの場合、アクリル酸基の割合は、その上にアリルアミンをグラフトすることによって変更可能である。
【００９９】
このために、本発明者らが変更を望むアクリル酸単位の量に対して、化学量論量のアリルアミンを導入する。
【０１００】
ＰＡＡ−ｃｏ−ＰＮＩＰＡＭ、アリルアミン、並びに１−（３−ジメチルアミノプロピル）−３−エチルカルボジイミド塩酸塩、指定ＥＤＣを共に混合する。
【０１０１】
ＥＤＣの存在下では、ＰＡＡ骨格のカルボキシル官能基により、ＰＡＡ骨格におけるアミン官能基のグラフト化が可能となる。
【０１０２】
合成が完了した後、透析及び凍結乾燥を実施する。こうして機能性ポリマーは固形で得られる。
【０１０３】
１．３．ヒドロゲルのグラフト化の実施例
架橋剤と混合した機能性ポリマーが堆積する、チオール基をグラフト可能な自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を形成することによって、マイクロシステムの改質表面上でヒドロゲルをグラフトする工程について、２つの方法の実施例をここに記載する。
【０１０４】
１．３．１．第１方法の実施例
図２〜９に記載の方法によってマイクロチャネルを製造する。ヒドロゲル型のポリマーをグラフトする表面を改質するために、前記表面をチオール化化合物及び溶媒を含む溶液にさらす。次いで、この表面を同じ溶媒ですすぐ。
【０１０５】
例えば、表面が金で覆われている場合、溶液は、０．３ミリモルのジチオエリスリトール／クロロホルムの混合物であり得、表面をすすぐためにこの場合に用いられる溶媒はクロロホルムである。
【０１０６】
基板上にヒドロゲルをグラフトするために、ヒドロゲルを溶媒と架橋剤との混合物中に溶解させ、この溶液をマイクロシステム内に導入する。架橋後、システムをこの同じ溶媒ですすぐ。
【０１０７】
１．３．２．第２方法の実施例
この実施例では、ヒドロゲルを基板表面上に予めグラフトし、次いで、図２〜９に記載された方法によりマイクロチャネルをこの基板から製造する。
【０１０８】
このために、初めに表面を改質し、次いでヒドロゲルをグラフトする必要がある。
【０１０９】
この最初の工程は、ガラス基板の場合、メルカプトプロピルトリメトキシシラン／トルエンの３％混合物中に当該ガラスを浸漬させて、液体経路によりシラン化することで実施する。
【０１１０】
次の工程は、機械的な堆積により行う。例えば、最初に固形の機能性ポリマーを、溶媒、例えばブタノールとチオール、例えばジチオエリスリトールとの混合物中に溶解させる。こうして調製した溶液をシラン化ガラス上にスピンコーティングにより堆積させる。
【０１１１】
２．マイクロバルブまたはマイクロポンプの応用例
既に説明したように、いくつかの種類の様々な割合のモノマー及び架橋剤が選択した刺激に応じて選択され得る。
【０１１２】
刺激が温度である場合は、それはアクリル酸（ＡＡ）単位とＮ−イソプロピルアクリルアミド（ＮＩＰＡＭ）との共重合体であり、これは一般的に約３２℃のそのＬＣＳＴ付近で可逆的変化を起こす。低温ではこの共重合体は親水性であり、水溶液中で折り畳まれておらず、一方高温ではそれは疎水性となり、それ自体が折り畳まれる。
【０１１３】
共重合体の合成を、上述の２つの方法のうちの１つによって実施する。ランダム共重合体が得られ、モノマー単位は鎖中にランダムに分布している。
【０１１４】
ＮＩＰＡＭ官能基は、温度による活性化を担当するものであり、一方でＡＡ官能基は、修飾後に表面にポリマーをグラフトする役目を果たす。この場合、使用するポリマーは１０％のＡＡ単位を含むＰ（ＡＡ−ｃｏ−ＮＩＰＡＭ）である。
【０１１５】
共重合体の修飾はまた、上述の方法によって行う。基板として使用するガラススライドの修飾は、上述の方法によりシラン化することによって実施する。
【０１１６】
この表面を処理した後に、ＰＡＡ−ｃｏ−ＰＮＩＰＡＭ、ブタノール、及びジチオールの混合物をスピンコーティングによってその上に堆積させる。
【０１１７】
フィルムの厚さは、偏光解析法により温度の関数として特徴付けることができる。この実施例では、図１０に示すように、温度が上昇するとヒドロゲルフィルムの厚さが減少する。
【０１１８】
マイクロチャネルは、上述の方法のうちの１つによってＮＯＡ（ノーランド光学接着剤）と称される硬質材料で作製する。３つのＮＯＡ壁及び１つのヒドロゲルで処理したガラス壁を有するシステムを得る。
【０１１９】
この例では、マイクロチャネルの高さは１〜１０ミクロンの間、好ましくは４〜７ミクロンの間であり得る。
【０１２０】
温度変化は任意の既知の方法で得られる。したがって、加熱について、ポリマーは吸収ピークに対応する周波数の電磁放射で照射されてもよく、あるいはポリマーを通過する電流抵抗を使用してもよい。冷却について、例えば、ペルチェ効果モジュールを使用することが可能である。
【０１２１】
図１１は、ヒドロゲルの熱活性化によるマイクロバルブにおいて用いられる原理の説明図である。マイクロチャネル内の圧力が一定に保たれる場合、ヒドロゲルの体積変化はマイクロチャネルの抵抗における変化を誘導し、それ故その中を循環する流体の流量における変化を誘導する。マイクロチャネル内の流量を測定することによって、ヒドロゲルの厚さを推定することが可能であることに留意すべきである。したがって、図１１Ａは３２℃未満の温度での閉鎖したマイクロチャネルを示しており、図１１Ｂは３２℃超の温度での開放したマイクロチャネルを示している。
【０１２２】
図１２は、０．３ＭＰａの圧力差を受ける４ミクロンの高さのマイクロチャネルに沿った（基準流量Ｑｆによって正規化された）流量Ｑの変化を示している。膨潤の再現性を確認するために、測定サイクルを数回実施し、各々を記号で表している。
【０１２３】
図１３は、７ミクロンの高さのマイクロチャネルにおいて温度の関数としてシステムの流体力学的抵抗の変化を示す曲線である。このような高さを使用する場合、ヒドロゲルがその最大膨潤にあるときに、マイクロチャネルは完全に閉鎖しない。
【０１２４】
図１４では、曲線Ａは２９℃〜３４℃の間の温度サイクルを示しており、曲線Ｂは流量の対応する変化を示している。流体の流れは、温度変化に対して若干遅延していることが分かる。
【０１２５】
したがって、本発明による装置は、温度の上昇及び下降のサイクルを実行することによってポンプシステムを生成することが可能である。
【０１２６】
たった今説明したことからすると、広範囲の材料：エラストマー、ガラス、シリコン、ポリマーなどを使用することが可能であるということになる。また、広範囲の圧力に適した装置を製造すること、目的の用途に適した表面特性を有すること、かつ考慮される各用途によく適した刺激を選択することが可能である。
【０１２７】
当該刺激が温度である場合、基板として選択される材料は熱の良導体であり得る。
【０１２８】
さらに、本発明者らは、例えば、マイクロシステム内部で互いに向かい合う２面上に薄いフィルムの形態で液体または固体の電極を堆積することを選択してもよい。
【０１２９】
さらに、刺激が光である場合には、ポリマーを活性化するために波長透過性の材料を使用することが可能である。
【０１３０】
ヒドロゲルによる基板の処理は、マイクロシステムが閉じた後に行ってもよいし、または事前に行い、その後に統合してもよい。
【０１３１】
本発明は上記に示された例に限定されるものではなく、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で、他の多くの形態の実施形態を含む。
【符号の説明】
【０１３２】
５  第１鋳型
６  凸部
７  マイクロチャネル、凹部
８  エラストマー
９  平坦基板
１０  ヒドロゲル型のポリマー
１１  孔
１２  スタンプ
１３  形状
１４  第１平坦基板
１５  光架橋性または感光性の液体、架橋体
１６  第２基板
１７  マイクロチャネル
１１７  マイクロ流体システム
【図１】
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【図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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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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