(57)【要約】本発明の実施形態は、マイクロ流体デバイスを製造するための紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）基板に関する。ＰＵＭＡは、光学的に透明であり、生体適合性であり、安定した表面特性を有する。実施形態は、ラピッドプロトタイピングの既存の方法に適合する２つの生産プロセスを含み、得られたＰＵＭＡマイクロ流体デバイスの特性決定が提示される。本発明の実施形態はまた、特に、高密度および高アスペクト比の特徴を含有するマイクロ流体システムについて、ＰＵＭＡ樹脂から製造されたチップの生産歩留まりを改善するための戦略に関する。マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する型解放処置を記載する。また、繊細な構造を破壊し得る過度の圧縮力を回避する、ＰＵＭＡ基板間の密着を形成するための単純ながら拡張可能な方法も提示する。
2012507721.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的存在を蓄積するデバイスであって、生体適合性および放射線吸収性のポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備える、デバイス。
【請求項２】
前記ポリマーは、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ポリマーは、３００〜５００ｎｍの波長の放射線を吸収する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ポリマーは、注射試験、皮内試験、移植試験、またはそれらの組み合わせによれば、生体適合性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ポリマーは、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ポリマーは、熱可塑性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ポリマーは、非弾性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記壁は、油、酸、および／または塩基に対して耐性である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記生物学的存在は、細胞、細胞小器官、細菌、ウイルス、タンパク質、抗体、ＤＮＡ、または生体複合粒子である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記細胞は、試料中における存在度が低い、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記細胞は、癌細胞である、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記流路を画定する前記壁の少なくとも１つは、抗体によって被覆される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記壁は、自己蛍光性ではない、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記壁は、医療グレードの接着剤を架橋することによって形成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
生物学的存在を蓄積するために、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）の壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備える、デバイスの使用。
【請求項１６】
前記流路は、電気泳動、電気クロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー、濾過、表面選択的捕捉、ＤＮＡ増幅、ポリメラーゼ連鎖反応、サザンブロット分析、細胞培養、細胞増殖アッセイ、またはそれらの組み合わせに使用される、請求項１５に記載の使用。
【請求項１７】
前記デバイスは、臨床診断に使用される、請求項１５に記載の使用。
【請求項１８】
封入されたマイクロ流体流路を形成する方法であって、該方法は、
形成された基板を型から解放することと、
該形成された基板を表面に対して押し付けるために、真空を提供することと、
該形成された基板と該表面との間の密着を形成するために、エネルギーを提供することと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記マイクロ流体流路は、生物学的存在を流動させるように構成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記形成された基板は、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記形成された基板は、樹脂を放射線に暴露することによって形成される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記放射線は、３００〜５００ｎｍの波長を有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記樹脂は、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記形成された基板は、９０度を超える角度で引き出すことによって前記型から解放される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記形成された基板を前記型から解放することは、真空吸引を使用して解放することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
真空を提供することは、変形可能な袋の中に真空を提供することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
前記エネルギーを提供することは、酸化エネルギー、紫外線放射、熱エネルギー、または赤外線放射から選択されるエネルギーを提供することを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国仮特許出願第６１／１０９，８７１／，号（名称「ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ  ＦＯＲ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＤＩＳＰＯＳＡＢＬＥ  ＭＩＣＲＯＦＬＵＩＤＩＣ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、２００８年１０月３０日出願、）の優先権を主張し、この出願の開示は、その全体が本明細書に参考として援用される。
【０００２】
（発明の分野）
本開示は、概して、封入されたチャネルを有するデバイスおよびそのようなデバイスを作製するための方法に関する。より具体的には、本開示は、生物学的存在を蓄積するための、封入されたチャネルを有するマイクロ流体基板およびマイクロ流体チップに関する。
【背景技術】
【０００３】
臨床診断における使用のためのマイクロ流体デバイスは、医学的用途の材料の要求に適合すると同時に完全に使い捨てとなり得るように、いかにしてこれらのデバイスを経済的に生産するかという商業化への課題に常に直面している。大部分はケイ素またはガラス基板上で開発されている第１世代のマイクロ流体デバイスは、半導体加工ツールに大きく依存している。これらの基板に対する加工に必要な高額の資本投資のため、ケイ素またはガラスベースのデバイスは、使い捨てとすることに十分安価に販売することができなかった。
【０００４】
１９９０年代後半、ポリマーベースのラピッドプロトタイピング（例えば、成形またはエンボス加工）が、マイクロ流体デバイスの第２世代へとつながった。最も顕著には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が、ラピッドプロトタイピング複合マイクロ流体システムにおける非常に有望なポリマー基板材料となった。その複製の混合−鋳造−焼成法は、迅速で、極めて一貫性を有し、そして単純である。ラピッドプロトタイピングにおいて便利である程、ＰＤＭＳは全てのマイクロ流体用途に対して普遍的な材料ではない。その弾性的性質は空気弁にとっては重要であるが、この同じ特性により、高流体圧に曝されると膨張しやすく、または高アスペクト比の特徴もしくは低アスペクト比のチャネルが関与すると崩壊しやすくなる。また、ＰＤＭＳの恒久的表面改質では、その表面が疎水性の状態に再び戻る傾向が高いため、課題が残されている。
【０００５】
最近、マイクロ流体デバイスの第３の波が最善のＰＤＭＳ複製戦略となっており、ある種の用途における基板としてのＰＤＭＳの欠点のいくつかに対応している。生産速度を増加させるために、熱硬化の代わりに紫外線硬化が次第に好ましくなっている。非特許文献１および非特許文献２では、ＰＤＭＳを補完する基板材料として、紫外線硬化される熱硬化性ポリマー（ＴＰＥ）が探求された。Ｎｏｒｌａｎｄ６３（非特許文献３）、またはポリアクリレートの特製ブレンド（非特許文献４）等の市販の光学接着剤の紫外線硬化が提案されているが、常に樹脂または光開始剤の選択に起因して、妥当な時間内に薄層（約１００μｍ）しか硬化することができない。この問題に対応するため、Ｆｉｏｒｉｎｉらは、紫外線硬化後の熱硬化を使用して、典型的な厚さのマイクロ流体チップを製造した。さらに、これらの基板材料は、医学用途に対して評価されておらず、樹脂分解、反応性、溶媒残渣、または架橋副生成物に関してはほとんど知られていない。特に、上述の材料（ＰＤＭＳ、ＴＰＥ、Ｎｏｒｌａｎｄ光学接着剤、またはポリアクリレートの特製ブレンド）のいずれに対しても、注射試験、皮内試験、または移植試験に従い生体適合性を実証する業界ガイドライン（米国薬局方（ＵＳＰ）または国際標準化機構（ＩＳＯ））に従う生体適合性試験が行われていない。
【０００６】
上述のように、ＰＤＭＳは使い捨てマイクロ流体デバイスの製造の魅力的な代用品であるが、その利点のうちの主なものには、製造の容易性、および簡易なオンチップ弁形成を可能とするその弾性的性質が含まれる。しかしながら、高アスペクト比レリーフ特徴または低アスペクト比マイクロチャネルの鋳造は、弾性ＰＤＭＳにおいては極めて困難であり、低い剛性率に起因して、しばしばマイクロ構造が自重で屈曲するか、マイクロ構造が撓んだシーリングから離断するか、または動作圧が増加すると開口が拡張する。これらの機械的完全性の問題に対応するための取り組みには、ｈ−ＰＤＭＳ（「硬質」ＰＤＭＳ）等のより硬いマイクロ流体基板の導入、および熱硬化性ポリマー（ＴＰＥ）またはＮｏｒｌａｎｄ６３もしくはポリアクリレートのブレンドを含む市販の光学接着剤の紫外線硬化が含まれる。
【０００７】
マイクロ流体デバイスの臨床用途への適用に対する関心が増大するとともに、製造上経済的であり、かつ規制認可に適合し得る基板材料を開発することが重要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｇ．Ｓ．；Ｌｏｒｅｎｚ，Ｒ．Ｍ．；Ｋｕｏ，Ｊ．Ｓ．；Ｃｈｉｕ，Ｄ．Ｔ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２００４，７６，４６９７−４７０４
【非特許文献２】Ｆｉｏｒｉｎｉ，Ｇ．Ｓ．；Ｙｉｍ，Ｍ．；Ｊｅｆｆｒｉｅｓ，Ｇ．Ｄ．Ｍ．；Ｓｃｈｉｒｏ，Ｐ．Ｇ．；Ｍｕｔｃｈ，Ｓ．Ａ．；Ｌｏｒｅｎｚ，Ｒ．Ｍ．；Ｃｈｉｕ，Ｄ．Ｔ．Ｌａｂ  ｏｎ  ａ  ｃｈｉｐ  ２００７，７，９２３−９２６
【非特許文献３】Ｋｉｍ，Ｓ．Ｈ．；Ｙａｎｇ，Ｙ．；Ｋｉｍ，Ｍ．；Ｎａｍ，Ｓ．Ｗ．；Ｌｅｅ，Ｋ．Ｍ．；Ｌｅｅ，Ｎ．Ｙ．；Ｋｉｍ，Ｙ．Ｓ．；Ｐａｒｋ，Ｓ．Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２００７，１７，３４９４−３４９８
【非特許文献４】Ｚｈｏｕ，Ｗ．Ｘ．；Ｃｈａｎ−Ｐａｒｋ，Ｍ．Ｂ．Ｌａｂ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐ  ２００５，５，５１２−５１８
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
マイクロ流体システムが、研究ツールから使い捨て臨床診断デバイスに移行するにつれて、規制要件および使い捨てデバイスの経済性の両方に適合する新たな基板材料が必要である。本発明の実施形態は、医療用途として認められ、マイクロ流体デバイスの製造の課題の全てに適合する、紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）基板を導入する。ＰＵＭＡは、光学的に透明であり、生体適合性であり、安定した表面特性を有する。我々は、ラピッドプロトタイピングの既存の方法に適合する２つの製造プロセスを報告し、得られたＰＵＭＡマイクロ流体デバイスの特性決定を示す。
【００１０】
本発明の具体的実施形態は、臨床診断用途における使い捨てマイクロ流体基板として優れた品質を有する新たな紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）樹脂に関する。特に、高密度および高アスペクト比の特徴を含有するマイクロ流体システムについて、ＰＵＭＡ樹脂から製造されたチップの生産歩留まりを改善するためのいくつかの戦略が検討される。具体的には、マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する型解放処置が記載される。また、繊細な構造を破壊し得る過度の圧縮力を回避するＰＵＭＡ基板間の密着を形成するための単純ながら計測可能な方法が示される。また、ＰＵＭＡマイクロ流体デバイスとの相互接続を形成するための２つの方法が詳説される。これらの製造上の改善は、高度に希釈された懸濁液からの細胞またはビーズを保持および濃縮することに好適な、密集した高アスペクト比のフィンを含有する精密濾過デバイスを生産するために配備された。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本開示の利点が容易に理解されるように、簡単に上述した本開示の態様のより具体的な説明を、特定の実施形態および添付の図面を参照することにより記述する。これらの図面は本開示の典型的な実施形態を示すに過ぎず、したがって本発明の範囲を制限するように解釈されないことを理解した上で、本開示は、添付図面を使用することにより、追加的な特異性および詳細とともに記述および説明される。
【図１−１】図１および１’は、ＳＵ−８マスター（左側）から、および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造されたケイ素マスター（右側）から複製することによりＰＵＭＡチップを生成するための処置を示す。
【図１−２】図１および１’は、ＳＵ−８マスター（左側）から、および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造されたケイ素マスター（右側）から複製することによりＰＵＭＡチップを生成するための処置を示す。
【図２−１】図２および２’は、（Ａ）シラン化ＰＤＭＳインプリントおよび（Ｂ）対応するＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。挿入図：より高倍でのデザインの微細構造。
【図２−２】図２および２’は、（Ａ）シラン化ＰＤＭＳインプリントおよび（Ｂ）対応するＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。挿入図：より高倍でのデザインの微細構造。
【図３−１】図３および３’は、様々なＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。（Ａ）２μｍ（Ｈ）×４μｍ（Ｗ）の狭窄部。（Ｂ）２層チャネル構造（水平チャネル：３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）；垂直チャネル：１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ））。（Ｃ）異なる幅の中実壁および周期的な間隔の柱からなる試験パターン。（Ｄ）（Ｃ）に示される高アスペクト比の柱の側面図。
【図３−２】図３および３’は、様々なＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。（Ａ）２μｍ（Ｈ）×４μｍ（Ｗ）の狭窄部。（Ｂ）２層チャネル構造（水平チャネル：３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）；垂直チャネル：１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ））。（Ｃ）異なる幅の中実壁および周期的な間隔の柱からなる試験パターン。（Ｄ）（Ｃ）に示される高アスペクト比の柱の側面図。
【図４−１】図４および４’は、（Ａ）ＰＵＭＡ、ＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥ．の光透過特性を示す。（Ｂ）ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの緑色蛍光（実線；５１０〜５６５ｎｍ、λexcitation＝４８８ｎｍ）および赤色蛍光（点線；６６０〜７１１ｎｍ、λexcitation＝６３３ｎｍ）の強度。挿入図：各ポリマーの最大（初期）自己蛍光。
【図４−２】図４および４’は、（Ａ）ＰＵＭＡ、ＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥ．の光透過特性を示す。（Ｂ）ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの緑色蛍光（実線；５１０〜５６５ｎｍ、λexcitation＝４８８ｎｍ）および赤色蛍光（点線；６６０〜７１１ｎｍ、λexcitation＝６３３ｎｍ）の強度。挿入図：各ポリマーの最大（初期）自己蛍光。
【図５−１】図５および５’は、（Ａ）パーフルオロデカリン、（Ｂ）テトラヒドロフラン、（Ｃ）イソプロパノール、および（Ｄ）２５μＭ  Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ中に２４時間含浸したＰＵＭＡディスクを示す（５３３ｎｍ励起での蛍光画像）。
【図５−２】図５および５’は、（Ａ）パーフルオロデカリン、（Ｂ）テトラヒドロフラン、（Ｃ）イソプロパノール、および（Ｄ）２５μＭ  Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ中に２４時間含浸したＰＵＭＡディスクを示す（５３３ｎｍ励起での蛍光画像）。
【図６−１】図６は、ＰＵＭＡ基板の界面動電特性を示す。（Ａ）ＥＯＦ測定に使用した回路の回路図。（１：−２ｋＶ  Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ  ＰＳ３５０電源；２：ホウ酸塩緩衝液を充填した５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ）チャネルを有するＰＵＭＡチップ；３：１００ｋΩ抵抗、４：Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６４８５ピコ電流計；５：データ取得用ＰＣ）。（Ｂ）動電駆動流下での電流トレース。挿入図：ｖｅｏｆ測定の統計分布；Ｎ＝６８。（Ｃ）印加電場の関数としての電流トレース。（Ｄ）接合後のＰＵＭＡチップの経過日数の関数としてのｖｅｏｆ。
【図６−２】図６’は、ＰＵＭＡ基板の界面動電特性を示す。（Ａ）ＥＯＦ測定に使用した回路の回路図。（Ｂ）動電駆動流下での電流トレース。挿入図：ｖｅｏｆ測定の統計分布；Ｎ＝６８。（Ｃ）印加電場の関数としての電流トレース。（Ｄ）接合後のＰＵＭＡチップの経過日数の関数としてのｖｅｏｆ。
【図７−１】図７は、（Ａ）ＰＵＭＡチップの成形および硬化を示す配置図である。深さ２ｍｍの陥凹部を有するＰＤＭＳ型１にＰＵＭＡ樹脂２を充填し、ＰＴＦＥポスト３を埋め込む。一度樹脂が硬化したら剥離することができる界面セロファン（またはＡｃｌａｒ）シート５を有する透明ポリプロピレンシート４で、樹脂の頂部を被覆する。１：ＰＤＭＳ型；２：ＰＵＭＡ樹脂；３：ＰＴＦＥポスト；４：透明ポリプロピレンシート；５：セロファン（またはＡｃｌａｒ）。（Ｂ）外部配管をチップに接続するための２つの方法を示す概略図。左：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ１を、１／８インチＯＤポリウレタン配管３によって返し付きコネクタ２に接続することができ；漏洩を防止するために、配管の回りに追加のＰＵＭＡ樹脂４を施してもよい。右：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ５を、１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管６に接続することができる。５：ＰＵＭＡ基板；６：１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管；７：ポリオレフィン熱収縮；８：止め輪；９：追加の接着剤；１０：１／８インチ外径ポリウレタン配管；１１：追加のＰＵＭＡ樹脂。
【図７−２】図７’は、（Ａ）ＰＵＭＡチップの成形および硬化を示す配置図を示す。（Ｂ）外部配管をチップに接続するための２つの方法を示す概略図。
【図８−１】図８および８’は、（Ａ）密集した高アスペクト比の柱のアレイのＰＵＭＡ複製、（Ｂ）（Ａ）と反対の極性を有するＤＲＩＥ生成ケイ素マスター、および（Ｃ）  （Ｂ）におけるケイ素マスターから作製されたＰＤＭＳ複製の走査型電子顕微鏡画像を示す。
【図８−２】図８および８’は、（Ａ）密集した高アスペクト比の柱のアレイのＰＵＭＡ複製、（Ｂ）（Ａ）と反対の極性を有するＤＲＩＥ生成ケイ素マスター、および（Ｃ）  （Ｂ）におけるケイ素マスターから作製されたＰＤＭＳ複製の走査型電子顕微鏡画像を示す。
【図９−１】図９は、ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡチップの正確な解放のための特別設計解放引張器を示す。Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎは、レバーを引くと下方に平行移動し、レバーを離すと、そのバネ駆動動作が上方に平行移動し、ＰＵＭＡチップが正確に１８０度にＰＤＭＳ型から引き離されることが確実となる。灰色の輪郭は、標準的なＤｒｅｍｅｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎコンポーネント１を示す。直径１インチのビニル吸引カップ２が穿孔され、装着され、１／８インチ（内径）Ｔｙｇｏｎ配管を介して真空ポンプに接続された。対向吸引カップ３が下方に装着され、これもまた真空に接続された。金属ベース４は、対向吸引カップをＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎに固定するために使用された。
【図９−２】図９’は、ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡチップの正確な解放のための特別設計解放引張器を示す。
【図１０−１】図１０および１０’は、（Ａ）高アスペクト比構造の複製において立体鏡下で一般に観察される欠陥を示す。波状壁１は、通常、各複製動作間のＰＤＭＳ型の不十分な清浄化によりもたらされ、一方規則的なアレイに囲まれた不規則な黒点２は、構造が互いに対し傾いていたことを示している（ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡの解放中の機械的損傷）。（Ｂ）損傷した高アスペクト比の柱のＳＥＭ画像であり、真空引張器は使用されていない。（Ｃ）前述された真空引張器を使用して完璧に解放されＰＵＭＡチップの光学画像である。
【図１０−２】図１０および１０’は、（Ａ）高アスペクト比構造の複製において立体鏡下で一般に観察される欠陥を示す。波状壁１は、通常、各複製動作間のＰＤＭＳ型の不十分な清浄化によりもたらされ、一方規則的なアレイに囲まれた不規則な黒点２は、構造が互いに対し傾いていたことを示している（ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡの解放中の機械的損傷）。（Ｂ）損傷した高アスペクト比の柱のＳＥＭ画像であり、真空引張器は使用されていない。（Ｃ）前述された真空引張器を使用して完璧に解放されＰＵＭＡチップの光学画像である。
【図１１−１】図１１および１１’は、封入されたチャネルを形成するためにＰＵＭＡチップを接合する方法を示す。ＰＵＭＡチップは、まず酸素プラズマを使用し、続いて＞７５℃で２３日間焼成することにより接合することができる。Ｏ２プラズマは、チップと底部カバーとの間のコンフォーマルな接触を改善する。高アスペクト比または繊細な構造に対しては、コンフォーマルな密着に使用される圧力を制御するために、真空包装機の使用が推奨される。良好なコンフォーマルな密着が達成されたら、単にチップを長期間の紫外線暴露に供するか、プログラム可能な赤外線加熱炉を使用するか、または超音波溶接により、恒久的接合を形成することができる。
【図１１−２】図１１および１１’は、封入されたチャネルを形成するためにＰＵＭＡチップを接合する方法を示す。ＰＵＭＡチップは、まず酸素プラズマを使用し、続いて＞７５℃で２３日間焼成することにより接合することができる。Ｏ２プラズマは、チップと底部カバーとの間のコンフォーマルな接触を改善する。高アスペクト比または繊細な構造に対しては、コンフォーマルな密着に使用される圧力を制御するために、真空包装機の使用が推奨される。良好なコンフォーマルな密着が達成されたら、単にチップを長期間の紫外線暴露に供するか、プログラム可能な赤外線加熱炉を使用するか、または超音波溶接により、恒久的接合を形成することができる。
【図１２−１】図１２は、（Ａ）ＰＵＭＡ樹脂に製造された高アスペクト比スリット（画像の右側）によるＭＣＦ−７癌細胞の保持を示す。公称流量は０．３ｍｌ／ｍｉｎであり；細胞は４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定した。（Ｂ）ＰＵＭＡ樹脂から作製された高アスペクト比スリットによる１５μｍ径ビーズの保持である。（Ａ）および（Ｂ）に対し同じマイクロ流体デザインを使用したが、高アスペクト比スリットを備える濾過障壁は、マイクロチャネルの出口側に設置した。
【図１２−２】図１２’は、（Ａ）ＰＵＭＡ樹脂に製造された高アスペクト比スリット（画像の右側）によるＭＣＦ−７癌細胞の保持または蓄積を示す。（Ｂ）ＰＵＭＡ樹脂から作製された高アスペクト比スリットによる１５μｍ径ビーズの保持または蓄積である。
【図１３】図１３は、本開示の一実施形態によるマイクロ流体基板の断面図である。
【図１４】図１４は、本開示の一実施形態によるＰＵＭＡ樹脂を使用したマイクロ流体基板を製造するための方法を示すフローチャートである。
【図１５−１】図１５Ａ〜１５Ｆは、本開示の一実施形態に従い、ＰＵＭＡ樹脂を使用して、およびＳＵ−８マスターから複製することによりマイクロ流体基板を製造するための方法の段階を概略的に示す断面図である。
【図１５−２】図１５Ａ〜１５Ｆは、本開示の一実施形態に従い、ＰＵＭＡ樹脂を使用して、およびＳＵ−８マスターから複製することによりマイクロ流体基板を製造するための方法の段階を概略的に示す断面図である。
【図１６】図１６Ａ〜１６Ｂは、本開示の一実施形態に従い、ＰＵＭＡ樹脂および深堀反応性イオンエッチングにより製造されたケイ素マスターを使用してマイクロ流体基板を製造するための方法の段階を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（概要）
本開示の実施形態は、生物学的存在を蓄積するためのマイクロ流体基板およびマイクロ流体チップに関する。そのような基板は、マイクロ流体デバイス等のデバイスとの使用に好適となり得る。いくつかの実施形態において、基板は、生体適合性材料で形成される。他の実施形態において、基板は、１つ以上の封入された流路を有するマイクロ流体チップを形成するために使用される。さらなる実施形態において、基板壁は、放射線を吸収する。
【００１３】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスが提供される。デバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を含み得る。
【００１４】
本開示の別の態様は、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法に関する。この方法は、形成された基板を型から解放するステップを含み得る。この方法はまた、形成された基板を表面に対して押し付けるために真空を提供するステップと、形成された基板と表面との間の密着を形成するためにエネルギーを提供するステップとを含み得る。一実施形態において、形成された基板は、樹脂を放射線に暴露させることによって形成される。
【００１５】
本開示の具体的実施形態は、臨床診断用途における使い捨てマイクロ流体基板としての使用のための、紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）樹脂に関する。また、特に、高密度および高アスペクト比の特徴を含有するマイクロ流体システムのための、ＰＵＭＡ樹脂から製造されたチップの生成のための方法が開示される。例えば、ＰＵＭＡ樹脂からチップを生成するための方法の一実施形態は、マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する型解放プロセスを含む。また、繊細な構造を破壊し得る過度の圧縮力を回避することができる、ＰＵＭＡ基板間の密着を形成するための単純ながら拡張可能な方法も開示される。さらに、ＰＵＭＡマイクロ流体デバイスとの相互接続を形成するための２つの方法も開示される。別の態様において、本開示は、密集した高アスペクト比のフィンを含有する精密濾過デバイスに関する。いくつかの実施形態において、精密濾過デバイスは、高度に希釈された懸濁液からの細胞またはビーズを保持および濃縮することに好適である。
【００１６】
本開示のさらなる態様は、生物学的存在を蓄積するためのデバイスの使用に関し、デバイスは、ＰＵＭＡの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を含む。いくつかの実施形態において、デバイスは、電気泳動、電気クロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー、濾過、表面選択的捕捉、ＤＮＡ増幅、ポリメラーゼ連鎖反応、サザンブロット分析、細胞培養、細胞増殖アッセイ、またはそれらの組み合わせに使用することができる。他の実施形態において、デバイスは、臨床診断に使用することができる。
【００１７】
本明細書において使用される場合、「蓄積」は、局所的密度または濃度の増加を指す。蓄積は、静止した場所、材料のマトリックス内、または移動相内で生じ得る。蓄積の例には、凝集、濃縮、分離、単離、富化、収束、強度の増加、または静的または移動性であてもよい明確なバンドもしくはスポットの形成が含まれ得る。
【００１８】
本明細書に記載の特定の実施形態に限定されず、「生物学的存在」は、細胞、細胞小器官、細胞下構造、細菌、ウイルス、タンパク質、抗体、ＤＮＡもしくはＲＮＡ（もしくはアプタマー）分子、アミノ酸、脂質分子、生体複合粒子または他の生物学的もしくは生体適合性材料を示し得る。例えば、一実施形態において、生物学的存在は、癌細胞等の細胞であってもよい。いくつかの実施形態において、デバイスは、希少または異型細胞等の存在度が低い生物学的存在を蓄積することに好適である。
【００１９】
本明細書に記載の特定の実施例に限定されず、「生体複合粒子」は、生体複合ビーズ、ナノ粒子、磁性ナノ粒子、量子ドット、ポリマー分子、または色素分子を含み得る。
【００２０】
（マイクロ流体デバイス用の基板およびそのような基板を含むマイクロ流体デバイスの実施形態）
図１３は、本開示の一実施形態によるマイクロ流体チップ１３３０の断面図である。図１３に示されるように、マイクロ流体チップ１３３０は、ＰＵＭＡ樹脂から形成されたＰＵＭＡ基板等の基板１３２６を含み得る。マイクロ流体チップ１３３０はまた、基板１３２６に接合されたガラス部分１３２８を含み得る。一実施形態において、ガラス部分１３２８は、ガラス部分１３２８上の接着剤被覆層１３３２によって基板１３２６に接合されている。一実施形態において、接着剤被覆層１３３２は、ＰＵＭＡ等の医療グレード接着剤を含む。接着剤被覆層１３３２は、図示されるように、レリーフ特徴１３３６が密着され、それによりマイクロ流体チップ１３３０に１つ以上の流路１３３４を形成するように、エネルギー（例えば紫外線、熱）を付与することよって基板１３２６にコンフォーマルに接合され得る。一実施形態において、精密濾過チップ１３３０は、高度に希釈された懸濁液からの細胞またはビーズを保持および濃縮することに好適である。
【００２１】
流路１３３４の壁は、ある特定の物理的および化学的特性を有する基板材料から構築される。これらの物理的および化学的特性は、放射線吸収、熱機械的応答、硬度、弾力性（弾性または非弾性）、化学組成、化学的または生物学的適合性、表面および界面挙動（例えば、接触角または吸着）ならびに電気的応答（例えば、動電フローの生成）を含む。
【００２２】
一実施形態において、基板１３２６およびレリーフ特徴１３３６の壁は、ポリマー基板材料から構築される。一実施形態において、ポリマーは熱可塑性である。別の実施形態において、ポリマーは非弾性である。さらなる実施形態において、ポリマーは、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態において、チップ１３３０等の生物学的存在を蓄積するためのマイクロ流体チップは、レリーフ特徴１３３６の壁等の壁の中に封入された１つ以上の流路１３３４を備え、壁は、医療グレードの接着剤を架橋させることによって形成される。
【００２３】
いくつかの実施形態において、基板１３２６材料は、注射試験、皮内試験、もしくは移植試験、またはそれらの組み合わせによれば、生体適合性であるポリマーである。
【００２４】
一実施形態において、レリーフ特徴１３３６を含むポリマーは、注射試験によれば、生体適合性である。注射試験は、米国薬局方（ＵＳＰ）または国際標準化機構（ＩＳＯ）によって指定されているような、医療グレードのプラスチックの試験のためのガイドラインに従い行うことができる。例えば、注射試験は、前記ポリマーの抽出物を、塩化ナトリウム溶液、塩化ナトリウムを含むアルコール溶液、ポリエチレングリコール４００の溶液、または植物油中で、５０℃、７０℃または１２１℃で調製することにより行うことができる。次いで抽出物は、マウスに注射される。ブランク標準を注射された動物と比較して、抽出物を注射された動物のいずれも反応性を示さない場合、ポリマーは生体適合性とみなされる。
【００２５】
別の実施形態において、ポリマーは、皮内試験に従う生体適合性である。皮内試験は、米国薬局方（ＵＳＰ）または国際標準化機構（ＩＳＯ）によって指定されているような、医療グレードのプラスチックの試験のためのガイドラインに従い行うことができる。例えば、皮内試験は、前記ポリマーの抽出物を、塩化ナトリウム溶液、塩化ナトリウムを含むアルコール溶液、ポリエチレングリコール４００の溶液、または植物油中で、５０℃、７０℃または１２１℃で調製することにより行うことができる。次いで抽出物は、ウサギに注射される。ブランク標準を注射された動物と比較して、抽出物を注射された動物のいずれも反応性を示さない場合、ポリマーは生体適合性とみなされる。
【００２６】
さらなる実施形態において、ポリマーは、移植試験に従う生体適合性である。移植試験は、米国薬局方（ＵＳＰ）または国際標準化機構（ＩＳＯ）により指定されているような、医療グレードのプラスチックの試験のためのガイドラインに従い行うことができる。例えば、移植試験は、前記ポリマーのストリップを１０×１ｍｍ以上に切り出し、ウサギに移植することによって行うことができる。対照標準を移植された部位と比較して、ポリマーストリップの移植部位が反応性を示さない場合、ポリマーは生体適合性とみなされる。
【００２７】
いくつかの実施形態において、壁は、ポリマーから構築される。一実施形態において、ポリマーは熱可塑性である。別の実施形態において、このポリマーは非弾性である。別の実施形態において、ポリマーは、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含む。一実施形態において、生物学的存在を蓄積するための装置は、放射線を吸収する生体適合性の壁内に封入された流路を備え、壁は、医療グレードの接着剤を架橋させることによって形成される。
【００２８】
本明細書においては、マイクロ流体デバイス製造のための新材料として、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）基板が紹介されるが、これは、供給業者により、米国薬局方（ＵＳＰ）クラスＶＩ準拠として認定されている。ＵＳＰクラスＶＩ材料は、全身注射試験、皮内試験、および移植試験により試験され、生体適合性および非毒性であることが証明されている。ＰＵＭＡマイクロ流体デバイスの物理的、光学的、および化学的、ならびに動電学的特性の特性決定とともに、我々は、マイクロ構造の２つの極めて強固な複製プロセスも報告するが、これらは、現在他のプロトタイピング法を利用している研究者がこの新たな基板の使用から利益が得られるように、既存の複製マスター（例えば、ケイ素上のＳＵ−８フォトレジストまたはケイ素）に適合する。
【００２９】
（Ｃ．マイクロ流体基板を製造するための方法）
本開示のさらなる態様は、上述の基板およびそのような基板を有するデバイスを製造するための方法に関する。図１４は、本開示の一実施形態によるＰＵＭＡ樹脂を使用したマイクロ流体基板を製造するための方法１４００を示すフローチャートである。方法１４００は、例えば、微細特徴をＰＵＭＡ基板上に複製するために使用することができる。一実施形態において、方法１４００は、ＰＤＭＳ型を形成するためにＰＤＭＳを鋳造するステップを含む（ブロック１４０２）。いくつかの実施形態において、ＰＤＭＳを鋳造するステップは、例えばＰＤＭＳチャネルを有するＰＤＭＳインプリント（すなわち、レリーフに対して反対の極性）を生成するためにＰＤＭＳをＳＵ−８マスター上に鋳造するステップを含み得る。他の実施形態において、および高アスペクト比特徴を複製するために、ＰＤＭＳ１４０２を鋳造するステップは、ＰＤＭＳインプリントを深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）されたケイ素マスター上に鋳造するステップを含み得る。
【００３０】
方法１４００はまた、ＰＵＭＡ基板を形成するために、ＰＵＭＡ樹脂をＰＤＭＳ型に鋳造するステップ（ブロック１４０４）を含む。方法１４００は、さらに、ＰＤＭＡ型からＰＵＭＡ基板を解放するステップ（ブロック１４０６）を含む。方法１４００はまた、ステップ１４０６の後、ＰＵＭＡ基板をＰＵＭＡ被覆ガラス基板に接合するステップ（ブロック１４０８）、およびＰＵＭＡチップを形成するために、紫外線および／または熱エネルギーを接合されたＰＵＭＡ基板およびＰＵＭＡ被覆ガラスに付与するステップ（ブロック１４１０）を含む。いくつかの実施形態において、ＰＵＭＡチップは、例えば、使い捨てマイクロ流体デバイス等のマイクロ流体デバイスにおける使用に好適なマイクロ流体基板である。
【００３１】
図１５Ａ〜１５Ｆは、本開示の一実施形態に従い、ＰＵＭＡ樹脂を使用して、およびＳＵ−８マスターから複製することによりマイクロ流体基板を製造するための方法、例えば図１４に関して上述した方法の段階を概略的に示す断面図である。
【００３２】
図１５Ａは、ＰＤＭＳ材料１５０６をＳＵ−８マスター１５０２の上表面１５０８上に注ぐ（例えば鋳造する）ことにより、レリーフ特徴１５０４と反対の極性を有するＰＤＭＳインプリント（１５１０、図１５Ｂに示されている）を生成するために使用される、レリーフ特徴１５０４を有するＳＵ−８マスター１５０２を示す。ＰＤＭＳ材料が鋳造されると、図１５Ｂに示されるように、ＰＤＭＳインプリント１５１０はプラズマ中で酸化され、次いで、真空デシケータ内で（例えば、すでに形成されているＰＤＭＳインプリント１５１０に硬化直後のＰＤＭＳが付着することを防止するため）（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランでシラン化される。追加のＰＤＭＳをシラン化ＰＤＭＳインプリント１５１０の上に注ぎ、７５℃で少なくとも２時間硬化させ、インプリント１５１０から慎重に分離することによって、ＰＤＭＳ複製１５１２（すなわち、ＳＵ−８マスター１５０２と同じ極性）が生成される。（ＳＵ−８マスター１５０２の）ＰＤＭＳ複製１５１２は、次いで、ＰＵＭＡ樹脂１５１６の型１５１４として使用することができる（図１５Ｃ）。各複製間の清浄化により（以下でより詳説される）、ＰＤＭＳ「マスター」型１５１４は、複数回使用することができる。一実施形態において、ＰＵＭＡ樹脂１５１６はＳＵ−８マスター１５０２からの解放が困難となり得るため、ＳＵ−８マスター１５０２のＰＤＭＳ複製１５１２の生成が望ましい可能性がある。
【００３３】
図１５Ａ〜１５Ｂは、ＰＤＭＳ複製に使用される既存のＳＵ−８マスターを利用する方法におけるステップを示している。しかしながら、別の実施形態において、ＳＵ−８マスター１５０２は、ＰＵＭＡ樹脂１５１６の所望の極性と同じ極性を有するレリーフ特徴１５０４を有するように構成され得る。この実施形態において、ＰＤＭＳ型１５１４は、ＰＤＭＳインプリント１５１０を作製する追加のステップを必要とすることなく、Ｓｕ−８マスターから直接作製することができる。
【００３４】
再び図１５Ｃを参照すると、ＰＵＭＡ樹脂１５１６をＰＤＭＳ型１５１４に施し（例えば３ｍｍの厚さで）、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明カバー１５１８、例えば透明ポリプロピレンの裏地（例えば、厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシート等で被覆することができる。いくつかの用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ）；図示せず）を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂１５１６に埋め込むことができる。得られるアセンブリ１５２０を、紫外線源に８０秒置き（ＰＵＭＡ樹脂側１５２２からの暴露）、続いてさらに４０秒置いて（ＰＤＭＳ型側１５２４からの暴露）、ＰＵＭＡ基板１５２６を形成することができる（図１５Ｄ参照）。図１５Ｄは、本方法において、ＰＤＭＳ型１５１４がＰＵＭＡ基板１５２６から外される段階を示す。図１５Ｅに示されるように、型１５１４から解放されたら、ＰＵＭＡ基板１５２６は、弱い機械的圧力を使用することによりＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラス１５２８にコンフォーマルに接合され、ＰＵＭＡチップ１５３０を形成する。
【００３５】
図１５Ｆに示されるように、ガラス１５２８上のＰＵＭＡ被覆１５３２とＰＵＭＡ基板１５２６との間のコンフォーマルな接合は、ＰＵＭＡチップ１５３０を紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、恒久的接合に変換される。ＰＵＭＡチップ１５３０は、ＰＵＭＡ基板１５２６とＰＵＭＡ被覆１５３２との間に形成された１つ以上の流路１５３４を有し得る。ＰＵＭＡ材料は、放射線吸収性であるため、流路１５３４の壁１５３６は、放射線（例えば、波長３００〜５００ｎｍ）を吸収することができる。
【００３６】
各複製の間、ＰＤＭＳ型１５１４をイソプロパノールおよび水の中で超音波照射し、７５℃で少なくとも１５分間焼成することができる。
【００３７】
図１６Ａ〜１６Ｂは、本開示の一実施形態に従い、ＰＵＭＡ樹脂および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって製造されたケイ素マスターを使用してマイクロ流体基板を製造するための方法、例えば図１３に関して上述した方法の段階を概略的に示す断面図である。
【００３８】
図１６Ａ〜Ｂに示されるように、高アスペクト比の特徴を複製するために、ＰＵＭＡ鋳造用のＰＤＭＳ型は、ＤＲＩＥ−Ｓｉマスター上に鋳造されたＰＤＭＳインプリントであってもよい。図１６Ａは、ＰＤＭＳ型（図１５Ｃに示されるＰＤＭＳ型１５１４等）の生成に使用されるレリーフ特徴１６０４を有するＤＲＩＥ−Ｓｉマスター１６０２を示す。図１６Ｂに示されるように、ＰＤＭＳ材料１６０６をＤＲＩＥ−Ｓｉマスター１６０２の上表面１６０８上に鋳造することにより、ＤＲＩＥ−Ｓｉマスター１６０２と反対の極性を有するＰＤＭＳ型（図１５Ｃに示されるＰＤＭＳ型１５１４等）を形成することができる。図１６Ａ〜１６Ｂに示されるステップから得られるＰＤＭＳ型は、図１５Ｃ〜１５Ｆに示されるステップにおいて示されるようなＰＵＭＡチップの形成に使用することができる。
【００３９】
図１６Ａ〜１６Ｂに記載の手法は、傾倒しやすくなり得るか、または崩壊しやすくなり得る高アスペクト比のレリーフ特徴をＰＤＭＳに生成する必要性を排除する。さらに、図１６Ａ〜１６Ｂに記載の手法は、マイクロ構造のアスペクト比が増加した場合等に、ＰＤＭＳの２つの互いに噛み合った部分（例えば、図１５Ｂに示される）を分離する際に生じ得る断裂の可能性を排除することができる。
【００４０】
本開示は、以下の実施例によりさらに例示されるが、それにより限定されることを意図しない。
【００４１】
（Ｄ．基板、装置、ならびにそのような基板および装置を作製および使用する方法の実施例および追加的実施形態）
（材料および方法）
光学的測定。紫外線硬化性ＰＵＭＡ樹脂（１４０−Ｍ  Ｍｅｄｉｃａｌ／Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｈｅｓｉｖｅ、Ｄｙｍａｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）をＰＤＭＳ型に注ぎ込むことにより、ＰＵＭＡ基板（２５ｍｍ（Ｗ）×７５ｍｍ（Ｌ）×２ｍｍ（Ｈ））を鋳造した。架橋反応の酸素阻害を防止するために、剥離可能なセロファンの界面シートを有する透明ポリプロピレンシート（厚さ８ミル）で樹脂の頂面を被覆した。樹脂および型を高強度紫外線源（ＡＤＡＣ  Ｃｕｒｅ  Ｚｏｎｅ  ２  ＵＶ  Ｆｌｏｏｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ、４００Ｗ金属ハライドランプを装着、３６５ｎｍで公称８０ｍＷ／ｃｍ２を供給）に１分間暴露させ、次いで裏返してさらに１分間暴露させた。次いで、硬化したＰＵＭＡ基板を型から解放した。
【００４２】
熱硬化性ポリエステル（ＴＰＥ）片を、Ｐｏｌｙｌｉｔｅ３２０３０−１０樹脂（Ｒｅｉｃｈｈｏｌｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ製、ＮＣ）を使用して上述したように調製した。
【００４３】
１ｎｍ分解能のＵＶ−ＶＩＳ分光光度計（Ｂｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ社製、ＤＵ７２０）を使用して、光透過スペクトルを収集した。ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの試料は全て厚さ２ｍｍであったが、ガラス基板は厚さ１ｍｍであった。各材料に対して３つのスペクトルを収集し、平均化した。
【００４４】
Ｎｉｋｏｎ  ＴＥ−２０００本体をベースとした特別設計の共焦点顕微鏡を使用して、各材料からの自己蛍光を収集した。固体ダイオード励起４８８ｎｍレーザ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、ＣＡ、ＵＳＡ）およびＨｅＮｅ  ６３３ｎｍレーザからのレーザ励起を１００×対物の背面口径に結合した（Ｎ．Ａ．１．４）。蛍光は、アバランシェフォトダイオード（ＳＰＣＭ−ＡＱＲ−１４、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ社製、Ｆｒｅｍｏｎｔ、ＣＡ、ＵＳＡ）により収集した。各材料からの蛍光は、緑色波長範囲（５１０〜５６５ｎｍ）および赤色波長領域（６６０〜７１０ｎｍ）の両方において、３回収集した。
【００４５】
接触角測定。前項に記載した処置と同じ処置を使用して、ＰＵＭＡスラブ（２５ｍｍ（Ｗ）×７５ｍｍ（Ｌ）×３ｍｍ（Ｈ））を調製した。増加したスラブ厚を補うために、紫外線硬化時間を８０秒に延長し、続いてＰＤＭＳ型を裏返してさらに４０秒間型を通して暴露させた。表面上のプラズマ酸化の効果を決定するために、３つのＰＵＭＡスラブをプラズマチャンバ（ＰＤＣ−００１、Ｈａｒｒｉｃｋ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｃｏｒｐ製、Ｏｓｓｉｎｉｎｇ、ＮＹ）内で酸素プラズマに６分間供した（公称Ｏ２圧力２００ｍｔｏｒｒで２９．６ＷがＲＦコイルに印加された）。プラズマ酸化後の疎水性の回復を特性決定するために、これらの酸化ＰＵＭＡ基板をガラス瓶内に封入し、炉内で７５℃において２日間焼成した。
【００４６】
接触角を測定するために、静的液適法を使用し、周囲温度でＰＵＭＡ基板上の１−μＬ  ＭｉｌｌｉＱ水滴の側面輪郭をＣＣＤカメラで撮影した。水−ＰＵＭＡ界面と水−空気界面との間の静的接触角は、ＩｍａｇｅＪソフトウェアのＤｒｏｐ  Ａｎａｌｙｓｉｓプラグインを使用して測定した。硬化ＰＤＭＳ上の接触角もまた、文献値との比較のために測定した。最低３回の測定を行った。
【００４７】
溶媒適合性。小型の円形貯蔵部（６ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を有するＰＤＭＳ型内にＰＵＭＡ樹脂を鋳造し、紫外線下で硬化させることにより、小型のＰＵＭＡディスクを作製した。マイクロ流体用途において一般的に使用される２０の異なる化学物質中に、ディスクを室温で２４時間含浸した。実験の際簿にディスクの円形領域における変化を観察することにより、適合性を決定した。３回の試料を収集し、結果を平均化した。立体鏡下でＣＣＤカメラを使用して各ディスクの頂面画像を撮像し、ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して円形領域を測定した。
【００４８】
検討される化学物質は、水性または有機溶媒、酸、塩基、および染料を含む。染料（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ）の浸透を観察するために、Ｎｉｋｏｎ  ＡＺ１００顕微鏡によって５３３ｎｍ励起下においてＰＵＭＡディスクの蛍光画像を得た。
【００４９】
電気浸透流。ＥＯＦを測定するためのマイクロ流体チャネルは、チャネルの両端に３ｍｍ（Ｄ）液体貯蔵部を有する直線チャネル（５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ））であった。電気回路および電流検出素子は、以前に説明された電流監視方法（Ｈｕａｎｇ，Ｘ．Ｈ．；Ｇｏｒｄｏｎ，ＭＪ．；Ｚａｒｅ，Ｒ．Ｎ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  １９８８，６０，１８３７−１８３８；およびＬｏｃａｓｃｉｏ，Ｌ．Ｅ．；Ｐｅｒｓｏ，Ｃ．Ｅ．；Ｌｅｅ，ＣＳ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｒｏｍｏｔｏｇｒａｐｈｙ  Ａ  １９９９，８５７，２７５−２８４）に従う。負極性プログラム可能２ｋＶ  ＤＣ電源（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  ＰＳ３５０）を、カソード貯蔵部内に含浸したＰｔ電極に接続した。アノード貯蔵部内に含浸した第２の電極をＫｅｉｔｈｌｙ６４８５ピコ電流計と直列に１００ｋΩ抵抗に接続した。ピコ電流計により読み出された電流は、次いで、高電圧電源の出力も制御する特製のＬａｂ  Ｖｉｅｗプログラムを使用するコンピュータにより記録された。ホウ酸ナトリウム溶液（１０ｍＭおよび２０ｍＭ）を緩衝液として使用した。溶液は、不慮の気泡の生成を低減するために、使用直前に超音波照射した。ゴム球で吸い上げることによりＰＵＭＡチャネルを充填し、次いで貯蔵部を排気して６０μＬのホウ酸塩溶液で再充填した。
【００５０】
電気浸透移動度に対するチップの経過時間の効果を検討するために、３回の別個の生成運転から複数のチップを調製し、次いで単純に周囲条件下においてペトリ皿内で保存した。保存前、チャネルは乾燥しており、ＥＯＦ測定の直前にのみ緩衝液で充填した。各チップは、１日のみ使用した（すなわち後日ＥＯＦ測定に再利用しなかった）。
【００５１】
（結果および考察）
一般的な物理的特性。ＰＤＭＳ、ＴＰＥ、およびＰＵＭＡの主要な物理的および表面特性は、表１に要約される。
【００５２】
【表１−１】
2012507721.tif 000003
【表１−２】
2012507721.tif 000004
Ｄｙｍａｘ１４０−Ｍ樹脂ベースのようなＰＵＭＡは、ＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社製Ｓｙｌｇａｒｄ１８４）に匹敵する粘度を有し、したがってＰＤＭＳが可能な程微細な特徴を複製することが期待される。ＰＤＭＳよりも極めて硬い硬化したＰＵＭＡ樹脂は、高アスペクト比のマイクロ構造を生成することにより好適である。ＰＵＭＡは硬化すると熱可塑性であり、供給業者によるその定格使用温度は−５５℃と２００℃との間であるが、我々は、＞７５℃である程度の軟化を認め、これを利用して接合することができる。ＰＤＭＳに類似して（ただしＴＰＥとは異なり）、ＰＵＭＡは臭気が非常に低く、特別な換気下で取り扱う必要がない。
【００５３】
特徴の複製。図１’は、ＳＵ−８マスター１１２（左側）から、および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によって製造されたケイ素マスター１２１（右側）から複製することによりＰＵＭＡチップを生成するための処置の単純化された図を示す。
【００５４】
特徴の複製。図１は、ＳＵ−８マスター（左側）から、および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造されたケイ素マスター（右側）から複製することによりＰＵＭＡチップを生成するための処置の単純化された図を示す。
【００５５】
図１’は、微細特徴をＰＵＭＡ基板上に複製するために使用される２つの処置を示し、左側（ステップ１００、１０１、１０５、１０６、１０７、および１０８）は、ＰＤＭＳチャネルの生成を目的とするＳＵ−８マスター１１２からのステップを示し、一方、右側（ステップ１２０、１２２、１０５、１０６、１０７、および１０８）は、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）されたケイ素マスター１２１からのステップを示す。
【００５６】
図１は、微細特徴をＰＵＭＡ基板上に複製するために使用される２つの処置を示し、左側は、ＰＤＭＳチャネルの生成を目的とするＳＵ−８マスターからのステップを示し、一方右側は、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）されたケイ素マスターからのステップを示す。
【００５７】
図１’の左側（ステップ１００、１０１、１０５、１０６、１０７、１０８）に従い、レリーフ特徴を有するＳＵ−８マスター１１２を使用してＰＤＭＳインプリント１１１（すなわち、レリーフに対し反対の極性）を生成した。このＰＤＭＳインプリント１１１をプラズマ中で酸化し、次いで、真空デシケータ内で（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランでシラン化したが、このプロセスは、すでに形成されているＰＤＭＳインプリント１１１に硬化直後のＰＤＭＳが付着することを防止した。追加のＰＤＭＳをシラン化インプリント１１１の上に注ぎ、７５℃で少なくとも２時間硬化させ、インプリント１１１から慎重に分離することにより、ＰＤＭＳ複製１１３（すなわち、ＳＵ−８マスター１１１と同じ極性）を生成した。次いで、（ＳＵ−８マスターの）ＰＤＭＳ複製１１３を、ＰＵＭＡ樹脂１３１の型１３２として使用した。各複製間の清浄化により（以下でより詳説される）、ＰＤＭＳ「マスター」は、複数回使用することができた。このＰＤＭＳ上のＰＤＭＳの複製は、ＰＵＭＡがＳＵ−８から良好に解放されないために必要であった。ＳＵ−８マスターが正しい極性を有する場合は、１つのＰＤＭＳ複製のみで十分である。我々は、ＰＤＭＳ複製に使用される既存のＳＵ−８マスターを使用してＰＵＭＡデバイスを作製することができるように、この処置を記載する。
【００５８】
図１の左側に従い、レリーフ特徴を有するＳＵ−８マスターを使用してＰＤＭＳインプリント（すなわち、レリーフに対して反対の極性）を生成した。このＰＤＭＳインプリントをプラズマ中で酸化し、次いで、真空デシケータ内で（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランでシラン化したが、このプロセスは、すでに形成されているＰＤＭＳインプリントに硬化直後のＰＤＭＳが付着することを防止した。追加のＰＤＭＳをシラン化インプリントの上に注ぎ、７５℃で少なくとも２時間硬化させ、インプリントから慎重に分離することにより、ＰＤＭＳ複製（すなわち、ＳＵ−８マスターと同じ極性）を生成した。次いで、（ＳＵ−８マスターの）ＰＤＭＳ複製を、ＰＵＭＡ樹脂の型として使用した。各複製間の清浄化により（以下でより詳説される）、ＰＤＭＳ「マスター」は、複数回使用することができた。このＰＤＭＳ上でのＰＤＭＳの複製は、ＰＵＭＡがＳＵ−８から良好に解放されないために必要であった。ＳＵ−８マスターが正しい極性を有する場合は、１つのＰＤＭＳ複製のみで十分である。我々は、ＰＤＭＳ複製に使用される既存のＳＵ−８マスターを使用してＰＵＭＡデバイスを作製することができるように、この処置を記載する。
【００５９】
正しいＰＤＭＳ型１３２が得られた後、ＰＵＭＡ樹脂１３１を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型１３２に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地１３０（厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシートで被覆した。重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂に埋め込んだ。アセンブリ全体を、紫外線源１３４に８０秒置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒置いた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板１５３を、弱い機械的圧力を使用することにより別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラス（１５２および１５１）にコンフォーマルに接合し、封入されたチャネルを形成する。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源１６２下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【００６０】
正しいＰＤＭＳ型が得られた後、ＰＵＭＡ樹脂を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地（厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシートで被覆した。重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂に埋め込んだ。アセンブリ全体を、紫外線源に８０秒置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒置いた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板を、弱い機械的圧力を使用することにより別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラスにコンフォーマルに接合した。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【００６１】
各複製の間に、ＰＤＭＳ型をイソプロパノールおよび水の中で超音波照射し、７５℃で少なくとも１５分間焼成した。
【００６２】
高アスペクト比の特徴を複製するために、ＰＵＭＡ鋳造用の型は、図１’の右側（ステップ１２０、１２２、１０５、１０６、１０７、および１０８）に記載されるように、ＤＲＩＥ−Ｓｉマスター１２１上に鋳造されたＰＤＭＳインプリント１２３であった。この手法は、傾倒しやすい、または崩壊しやすい高アスペクト比のレリーフ特徴をＰＤＭＳに生成する必要性を排除する。さらに、図１’の左側の第２のステップ（ステップ１０１）に記載されるように、マイクロ構造のアスペクト比が増加すると、ＰＤＭＳの２つの互いに噛み合った部分は、分離中に極めて断裂しやすい。
【００６３】
高アスペクト比の特徴を複製するために、ＰＵＭＡ鋳造用の型は、図１の右側に記載されるように、ＤＲＩＥ−Ｓｉマスター上に鋳造されたＰＤＭＳインプリントであった。この手法は、傾倒しやすいか、または崩壊しやすい高アスペクト比のレリーフ特徴をＰＤＭＳに生成する必要性を排除する。さらに、図１の左側の第２のステップに記載されるように、マイクロ構造のアスペクト比が増加すると、ＰＤＭＳの２つの互いに噛み合った部分は、分離中に極めて断裂しやすい。
【００６４】
流体貯蔵部または相互接続用の穴を形成するためには、我々は、ＰＴＦＥポストの埋没が単純な処置であることを見出した。ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、レーザ切断もまた、流体貯蔵部または相互接続穴を形成する上で効果的な方法である。穿孔は壁に大量の屑を生成し、接触点において基板の屈曲をもたらしたため、穿孔は推奨されない。
【００６５】
複製忠実度。紫外線硬化プロセスにおける主な課題は、鋳造物の厚さに応じた紫外線量の制御である。紫外光は、樹脂を貫通するに従い減衰するので、樹脂の頂部が最初に硬化する。これにより、樹脂の頂部が過度に硬化し（硬すぎる）、一方ＰＤＭＳ型と接触した界面、特に微細特徴は、未硬化のままとなる。困難を悪化させることには、ＰＵＭＡの架橋反応が、ＰＤＭＳによってやや阻害される。弾性シリコーンは優れた型解放特性を有するが、過度の紫外線硬化は、樹脂と型との間の恒久的接合をもたらした。したがって、最適な紫外線暴露の時間枠が存在し、暴露は、樹脂の上から、および透明な型を通して、両方で行う必要がある。この枠は、各紫外線暴露源に対し、個々に綿密に設定しなければならない。時間枠が手作業により正確に従うには短すぎる場合、光子束を減少させることによって、例えば、より低い強度の光源を使用することによって、または強度を減衰させるために樹脂の上にガラス板を置くことによって、より許容差を与えることができる。
【００６６】
図２’は、（Ａ）シラン化ＰＤＭＳインプリント２１０および（Ｂ）対応するＰＵＭＡ複製２２０のＳＥＭ画像を示す。挿入図２３０は、より高倍でのデザインの微細構造を示す。図２’Ａは、シラン化ＰＤＭＳインプリント２１０のＳＥＭ画像を示し、図２’Ｂは、対応するＰＵＭＡ複製２２０（インプリントと同じ極性）を示す。
【００６７】
図２は、（Ａ）シラン化ＰＤＭＳインプリントおよび（Ｂ）対応するＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。挿入図は、より高倍でのデザインの微細構造を示す。図２Ａは、シラン化ＰＤＭＳインプリントのＳＥＭ画像を示し、図２Ｂは、対応するＰＵＭＡ複製（インプリントと同じ極性）を示す。
【００６８】
このＰＵＭＡ複製２２０は、図１’の左側（ステップ１００、１０１、１０５、１０６、１０７、および１０８）に従い記載される２段階ＰＤＭＳ転写法を使用して生成した。複製忠実度は、図２’Ｂの挿入図２３０に示されるように、約２μｍまでと良好であった。ＰＤＭＳインプリント２１０のＳＥＭ画像は著しい表面割れ２１１を示していることが分かり、これらの割れ２１１は肉眼で視認できるほど十分長かったが、非常に微細で表面的であるようであった。プラズマ衝撃に供されたＰＤＭＳのＳＥＭ画像においては、酸素プラズマによるか、またはＳＥＭ試料調製中のＡｕ／Ｐｄ薄膜被覆のスパッタリングによるこの表面割れの挙動が、一貫して観察された。ほとんどの場合、これらの表面割れは、ＰＵＭＡ複製２２０においては見られなかった。
【００６９】
このＰＵＭＡ複製は、図１の左側に従い記載される２段階ＰＤＭＳ転写法を使用して生成した。複製忠実度は、図２Ｂの挿入図に示されるように、約２μｍまでと良好であった。ＰＤＭＳインプリントのＳＥＭ画像は著しい表面割れを示していることが分かり、これらの割れは肉眼で視認できるほど十分長かったが、非常に微細で表面的であるようであった。プラズマ衝撃に供されたＰＤＭＳのＳＥＭ画像においては、酸素プラズマによる、またはＳＥＭ試料調製中のＡｕ／Ｐｄ薄膜被覆のスパッタリングによるこの表面割れの挙動が、一貫して観察された。ほとんどの場合、これらの表面割れは、ＰＵＭＡ複製においては見られなかった。
【００７０】
図３’は、様々なＰＵＭＡ複製３１０、３２０、３３０、３４０のＳＥＭ画像を示す。図３’（Ａ）は、２μｍ（Ｈ）×４μｍ（Ｗ）の狭窄部３１２を示す。図３’（Ｂ）は、２層チャネル構造（水平チャネル３２２：３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）；垂直チャネル３２１：１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ））を示す。図３’（Ｃ）は、異なる幅の中実壁（３３２、３３３）および周期的な間隔の柱３３１からなる試験パターンを示す。図３’（Ｄ）は、（Ｃ）に示される高アスペクト比の柱３３１の側面図を示す。
【００７１】
図３は、様々なＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像を示す。図３（Ａ）は、２μｍ（Ｈ）×４μｍ（Ｗ）の狭窄部を示す。図３（Ｂ）は、２層チャネル構造（水平チャネル：３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）；垂直チャネル：１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ））を示す。図３（Ｃ）は、異なる幅の中実壁および周期的な間隔の柱からなる試験パターンを示す。図３（Ｄ）は、（Ｃ）に示される高アスペクト比の柱の側面図を示す。
【００７２】
具体的には、図３’は、ＰＵＭＡに複製されたマイクロ構造のさらなるＳＥＭ画像を示す。図３’Ａは、頸部が幅４μｍの高さ２μｍのマイクロチャネル狭窄部３１２のＰＵＭＡ複製３１０を示す。ＳＥＭ画像において観察され得るように、チャネルのテーパ３１１の細部が良好に維持されていた。図３’Ｂは、２層構造であり、２つの直交するチャネル３２１および３２２は異なる高さであり、水平チャネル３２２は３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）であり、一方垂直チャネル３２１は１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ）であった。２層構造は、型解放ステップにおいていかなる問題もなかった。
【００７３】
具体的には、図３は、ＰＵＭＡに複製されたマイクロ構造のさらなるＳＥＭ画像を示す。図３Ａは、頸部が幅４μｍの高さ２μｍのマイクロチャネル狭窄部のＰＵＭＡ複製を示す。ＳＥＭ画像において観察され得るように、チャネルのテーパの細部が良好に維持されていた。図３Ｂは、２層構造であり、２つの直交するチャネルは異なる高さであり、水平チャネルは３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）であり、一方垂直チャネルは１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ）であった。２層構造は、型解放ステップにおいていかなる問題もなかった。
【００７４】
図３’Ｃは、ＰＵＭＡ上に複製された、異なる幅の交互する中実壁（３３２および３３３）および間隔（３３４および３３５）からなる試験パターンのＳＥＭ画像を示す。図３’Ａおよび３’Ｂに示される複製（３１０および３２０）とは異なり、図３’Ｃにおける複製は、図１’に概説される処置の右側（ステップ１２０、１２２、１０５、１０６、１０７、および１０８）、すなわちＤＲＩＥエッチングされたＳｉマスター１２１を起点とする複製プロセスに従うことにより得られた。この試験パターンは、（１）紫外線架橋が、特徴の密度の関数として不均一である可能性があるかどうか、および（２）高密度特徴が、型解放による損傷をより受け易い可能性があるかどうかを試験するために開発された。マイクロ構造の高さは約４０μｍであった。図３’Ｄは、図３’Ｃの下半分の柱３３１の横からの図であり、これらの密集した柱３４１は、明確な直立した側壁を有し、傾倒や広がりの形跡はなかった。この場合に達成されたアスペクト比（Ｈ／Ｗ）は、約３．５であった。
【００７５】
図３Ｃは、ＰＵＭＡに複製された、異なる幅の交互する中実壁および間隔からなる試験パターンのＳＥＭ画像を示す。図３Ａおよび３Ｂに示される複製とは異なり、図３Ｃにおける複製は、図１に概説される処置の右側、すなわちＤＲＩＥエッチングされたＳｉマスターを起点とする複製プロセスに従うことにより得られた。この試験パターンは、（１）紫外線架橋が、特徴の密度の関数として不均一である可能性があるかどうか、および（２）高密度特徴が、型解放による損傷をより受け易い可能性があるかどうかを試験するために開発された。マイクロ構造の高さは約４０μｍであった。図３Ｄは、図３Ｃの下半分の柱の横からの図であり、これらの密集した柱は、明確な直立した側壁を有し、傾倒や広がりの形跡はなかった。この場合に達成されたアスペクト比（Ｈ／Ｗ）は、約３．５であった。
【００７６】
接触角。文献値との比較のために、我々の設定で測定された未処理ＰＤＭＳ上の水の接触角は１０２°であり、これはＨｉｌｌｂｏｒｇらによる報告値と一致している。紫外線硬化ＰＵＭＡ基板は７２°の接触角を有していたが、これはＰＤＭＳと比較して大幅により親水性である。この値は、この樹脂の主成分であるポリウレタンの報告値に非常に近い。酸素プラズマによる処理は、ＰＵＭＡの接触角をさらに５３°まで低減させたが、これはまた酸化ポリウレタンの値と一致している。接触角のプラズマによる低下は焼成により逆転し、接触角は７５°に戻ったが、これは未処理ＰＵＭＡ基板との統計的な一致の範囲内である。
【００７７】
光学特性。硬化したＰＵＭＡは光学的に透明であり、１．５０４の屈折率を有する。図４’Ａは、ＰＵＭＡ４１４、ＰＤＭＳ４１１、ガラス４１２、およびＴＰＥ４１３の光透過特性４１０を示す。図４’Ｂは、ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの緑色蛍光（実線４３２、４３３、４３５；５１０〜５６５ｎｍ、λexcitationよび赤色蛍光（点線４３１、４３４、４３６；６６０〜７１１ｎｍ、λexcitation＝６３３ｎｍ）強度を示す。挿入図：各ポリマーの最大（初期）自己蛍光。
【００７８】
光学特性。硬化したＰＵＭＡは光学的に透明であり、１．５０４の屈折率を有する。図４（Ａ）は、ＰＵＭＡ、ＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥの光透過特性を示す。図４（Ｂ）は、ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの緑色蛍光（実線；５１０〜５６５ｎｍ、λexcitation＝４８８ｎｍ）および赤色蛍光（点線；６６０〜７１１ｎｍ、λexcitation＝６３３ｎｍ）強度を示す。挿入図：各ポリマーの最大（初期）自己蛍光。
【００７９】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備える。別の実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）を含む。さらなる実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含む。
【００８０】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、注射試験、皮内試験、移植試験、またはそれらの組み合わせによれば、生体適合性である。
【００８１】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、壁は、医療グレードの接着剤を架橋させることによって形成される。
【００８２】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、３００〜５００ｎｍの波長の放射線を吸収する。別の実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、３５０〜５００ｎｍの波長の放射線を吸収する。
【００８３】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、３００〜５００ｎｍ、または別の実施形態においては３５０〜５００ｎｍの波長の放射線の２０％超を吸収する。図４’Ａのトレース４１２に示されるように、ＰＤＭＳは、３００〜５００ｎｍの放射線の８０％超を透過し、２０％超を吸収しない。
【００８４】
さらなる実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、ポリマーは、５００〜１０００ｎｍの波長の放射線の２０％未満を吸収するが、３５０〜５００ｎｍの波長の放射線の２０％超を吸収する。図４’Ａに示されるＰＵＭＡ樹脂から製造された壁の光透過性は、可視スペクトル範囲（５００〜１０００ｎｍ）の光透過性（＞８０％の透過）を示し、放射線が樹脂により吸収されると紫外線範囲（３５０〜５００ｎｍ）において急速に不透明（透過しない）となった。
【００８５】
図４’Ａは、２００〜１０００ｎｍ波長にわたる、それからチャネル壁が構築されるＰＵＭＡを通した光透過性をプロットしたものである。光透過性は、３００〜５００ｎｍの範囲内で急激に低下したが、これは紫外線の強い吸収を示している。
【００８６】
図４’Ａは、２００〜１０００ｎｍにわたるＰＵＭＡ（トレース４１４）を通した光透過性を、ＴＰＥ（トレース４１３）、ＰＤＭＳ（トレース４１１）、およびガラス（トレース４１２）の光透過性とともにプロットしたものである。ＰＵＭＡは、可視範囲においてガラスと同様の光学的透明度を有するが、架橋用の紫外線光開始剤が数多く残存するため、紫外線範囲において鋭い吸収が予測される。
【００８７】
図４Ａは、２００〜１０００ｎｍにわたるＰＵＭＡを通した光透過性を、ＴＰＥ、ＰＤＭＳ、およびガラスの光透過性とともにプロットしたものである。ＰＵＭＡは、可視範囲においてガラスと同様の光学的透明度を有するが、架橋用の紫外線光開始剤が存在するため、当然ながら紫外線範囲において鋭い吸収が予測される。したがって、ＰＵＭＡは、ＴＰＥ同様、紫外線吸収用途には特に好適ではない。
【００８８】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、壁は、自己蛍光性ではない。例えば、いくつかの実施形態において、壁は、４８８ｎｍの照射下で自己蛍光性を示さない。他の実施形態において、壁は、６３３ｎｍの照射下で自己蛍光性を示さない。
【００８９】
図４’Ｂは、４８８ｎｍおよび６３３ｎｍ励起下でのポリマー基板による自己蛍光性を示す。３つ全てのポリマー基板の自己蛍光レベル（４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６）は、他のプラスチック材料における観察と一致して経時的に減衰した。図４’Ｂの挿入図は、ＰＤＭＳ（４２４、４２５）、ＰＵＭＡ（４２２、４２３）、およびＴＰＥ（４２６、４２７）の最大自己蛍光レベルを比較したものであり、ＰＵＭＡはＴＰＥよりも低い自己蛍光性を示したが、ＰＤＭＳより高い自己蛍光性を示した。この自己蛍光性のレベルは、蛍光検出が関連するほとんどの用途に好適である。しかしながら、高感度単一分子研究においては、基板からのバックグラウンド信号を効率的に排除することができる共焦点検出構成を使用することができる。
【００９０】
図４Ｂは、４８８ｎｍおよび６３３ｎｍ励起下でのポリマー基板による自己蛍光性を示す。３つ全てのポリマー基板の自己蛍光レベルは、他のプラスチック材料における観察と一致して経時的に減衰した。図４Ｂの挿入図は、ＰＤＭＳ、ＰＵＭＡ、およびＴＰＥの最大自己蛍光レベルを比較したものであり、ＰＵＭＡはＴＰＥよりも低い自己蛍光性を示したが、ＰＤＭＳより高い自己蛍光性を示した。この自己蛍光性のレベルは、蛍光検出が関連するほとんどの用途に好適である。しかしながら、高感度単一分子研究においては、基板からのバックグラウンド信号を効率的に排除することができる共焦点検出構成を使用すべきである。
【００９１】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内に少なくとも部分的に画定される流路を備え、壁は、油、酸または塩基に対して耐性である。例えば、壁は、鉱物油、フロリナートオイル、パーフルオロデカリン、またはシリコーン油に対して耐性であってもよい。
【００９２】
溶媒適合性。表２は、各化学物質中でのＰＵＭＡディスクの観察された膨潤比を一覧にしたものである。
【００９３】
【表２】
2012507721.tif 000005
ＰＵＭＡは、染料、酸、塩基、水、ホルムアルデヒド、鉱物油、シリコーン油、フロリナート、およびパーフルオロデカリンに対して非常に耐性であることが判明した。純度１００％のほとんどの有機溶媒は膨潤を引き起こしたが、ＰＵＭＡは、アセトンおよびアセトニトリルに対して、ＴＰＥの膨潤比よりも低い膨潤比を有していた。メタノールおよびエタノール等の低分子量アルコールに対しては、ＰＵＭＡは、約１．１の膨潤比を有していたポリウレタン単独と比較してより膨潤したようであることが分かる。
【００９４】
図５’は、（Ａ）パーフルオロデカリン、（Ｂ）テトラヒドロフラン、（Ｃ）イソプロパノール、および（Ｄ）２５μＭ  Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ中に２４時間含浸したＰＵＭＡディスク５１０、５２０、５３０、および５４０を示す（５３３ｎｍ励起での蛍光画像）。図５’は、含浸の効果を例示するために、様々な有機化合物および染料中で２４時間含浸した後のＰＵＭＡディスク５１０、５２０、５３０、および５４０の選択された画像を示す。水と混合しない油は、ＰＵＭＡディスク５１０に影響しなかった（図５’Ａ）。我々はまた、鉱物油、フロリナート、およびパーフルオロデカリン中で試料を９０℃まで加熱することによりＰＵＭＡの追加試験を行ったが、円の領域における明確な変化または分解は観察されなかった。したがって、ＰＵＭＡは、これらの油の多くを使用する液滴マイクロ流体工学における新たな用途に適合することができる。一方、アルコール、ヘプタン、ＤＭＳＯ、および、特にテトラヒドロフラン中では、著しい膨潤が観察され、大きな亀裂が観察された（図５’Ｂ、ディスク５２０）。いくつかの溶媒に対しては、均一な膨張を引き起こさず、いくつかのディスク５３０は、含浸の結果、中心に陥凹部５３２を形成した（図５’Ｃ、イソプロパノールの場合）。これは、浸透速度がより緩やかであるために、２４時間後でもディスクの中心部はほぼ影響されないままであることに起因するものと思われる。
【００９５】
図５は、（Ａ）パーフルオロデカリン、（Ｂ）テトラヒドロフラン、（Ｃ）イソプロパノール、および（Ｄ）２５μＭ  Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ中に２４時間含浸したＰＵＭＡディスクを示す（５３３ｎｍ励起での蛍光画像）。図５は、含浸の効果を例示するために、様々な有機化合物および染料中で２４時間含浸した後のＰＵＭＡディスクの選択された画像を示す。水と混合しない油は、ＰＵＭＡディスクに影響しなかった（図５Ａ）。我々はまた、鉱物油、フロリナート、およびパーフルオロデカリン中で試料を９０℃まで加熱することによりＰＵＭＡの追加試験を行ったが、円の領域における明確な変化または分解は観察されなかった。この事実により、ＰＵＭＡは、これらの油の多くを使用する液滴マイクロ流体工学における新たな用途に適合するはずである。一方、アルコール、ヘプタン、ＤＭＳＯ、および、特にテトラヒドロフラン中では、著しい膨潤が観察され、大きな亀裂が観察された（図５Ｂ）。いくつかの溶媒に対しては、均一な膨張を引き起こさず、いくつかのディスクは、含浸の結果、中心に陥凹部を形成した（図５Ｃ、イソプロパノールの場合）。これは、浸透速度がより緩やかであるために、２４時間後でもディスクの中心部はほぼ影響されずに残ることに起因するものと思われる。
【００９６】
染料の浸透は、２５μＭのＲｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ（図５’Ｄ）に含浸したＰＵＭＡディスク５４０に観察されたが、フルオレセインには観察されなかった。Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂによる染料の浸透は残念であるが、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂはほとんどのポリマー材料に浸透することが知られているため、予想されることである。
【００９７】
染料の浸透は、２５μＭのＲｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ（図５Ｄ）に含浸したＰＵＭＡディスクに観察されたが、フルオレセインには観察されなかった。Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂによる染料の浸透は残念であるが、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂはほとんどのポリマー材料に浸透することが知られているため、予想されることである。
【００９８】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、流路は、動電フローを生成する。
【００９９】
電気浸透流。図６’Ａは、ＥＯＦ実験の電気回路を示す。図６’は、ＰＵＭＡ基板の界面動電特性を示す。図６’Ａは、ＥＯＦ測定に使用した回路の回路図である。（６０１：−２ｋＶ  Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ  ＰＳ３５０電源；６０２：ホウ酸塩緩衝液を充填した５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ）チャネル６０６を有するＰＵＭＡチップ；６０３：１００ｋΩ抵抗、６０４：Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６４８５ピコ電流計；６０５：データ取得用ＰＣ）。図６’Ｂは、動電駆動電流下での電流トレース６１１、６１２、および６１３を示す。挿入図６２０は、ｖｅｏｆ測定の統計分布を示し、Ｎ＝６８である。図６’Ｃは、印加電場の関数としての電流トレース６３１および６３２を示す。図６’Ｄは、接合後のＰＵＭＡチップの経過日数の関数としてのｖｅｏｆ（６４１）をプロットしたものである。未処理ＰＵＭＡは、非常に強い電気浸透移動度を示し、ＥＯＦはカソードに向かって移動するが、これはＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥの場合と同じ方向である。これは、未処理ＰＵＭＡ表面もまた、使用した緩衝環境下において負電荷を示すことを示唆している。ホウ酸塩緩衝液中、ＰＵＭＡの電気浸透移動度ｖｅｏｆは５．５×１０−４  ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１であったが、これは石英ガラスキャピラリの場合に極めて匹敵するものであり、図６’Ｂの挿入図（６２０）は、電気浸透移動度測定の統計分布を示す。この値は、文献に報告されている熱硬化ポリウレタンの値よりも約２倍高い。図６’Ｂは、アノード貯蔵部を２０ｍＭホウ酸塩緩衝液と置き換えると電流６１１、６１２、および６１３がいかにして安定化したかを示している。ＥＯＦがアノード貯蔵部内の２０ｍＭ緩衝溶液を駆動して以前チャネル内にあった１０ｍＭ緩衝液を押し出すと、イオン強度が増加し、チャネル全体が２０ｍＭ緩衝液で充填されるまで電流の増加をもたらした。電場が２００Ｖ／ｃｍから６６７Ｖ／ｃｍ（我々の電源からの最大出力）に増加すると、新たな定常状態に達する時間が予測通り減少した。我々が印加した電場の範囲内で、ジュール加熱は全く認められなかった。図６’Ｃは、印加電場の関数としての、１０ｍＭおよび２０ｍＭホウ酸塩緩衝液を使用して測定された電流６３１および６３２をプロットしたものである。６６７Ｖ／ｃｍまでは、これらの関係は線形であり、ジュール加熱によるイオン伝導率の変化は示さなかった。
【０１００】
電気浸透流。図６Ａは、ＥＯＦ実験の電気回路を示す。図６は、ＰＵＭＡ基板の界面動電特性を示す。図６Ａは、ＥＯＦ測定に使用した回路の回路図である。（１：−２ｋＶ  Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ  ＰＳ３５０電源；２：ホウ酸塩緩衝液を充填した５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ）チャネルを有するＰＵＭＡチップ；３：１００ｋΩ抵抗、４：Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６４８５ピコ電流計；５：データ取得用ＰＣ）。図６（Ｂ）は、動電駆動流下での電流トレースを示す。挿入図は、ｖｅｏｆ測定の統計分布を示し、Ｎ＝６８である。（Ｃ）印加電場の関数としての電流トレース。図６（Ｄ）は、接合後のＰＵＭＡチップの経過日数の関数としてのｖｅｏｆをプロットしたものである。未処理ＰＵＭＡは、非常に強い電気浸透移動度を示し、ＥＯＦはカソードに向かって移動するが、これはＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥの場合と同じ方向である。これは、未処理ＰＵＭＡ表面もまた、使用した緩衝環境下において負電荷を示すことを示唆している。ホウ酸塩緩衝液中、ＰＵＭＡの電気浸透移動度ｖｅｏｆは５．５×１０−４Ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１であったが、これは石英ガラスキャピラリの場合に極めて匹敵するものであり、図６Ｂの挿入図は、電気浸透移動度測定の統計分布を示す。この値は、文献に報告されている熱硬化ポリウレタンの値よりも約２倍高い。図６Ｂは、アノード貯蔵部を２０ｍＭホウ酸塩緩衝液と置き換えた場合に電流が安定化した様子を示している。ＥＯＦがアノード貯蔵部内の２０ｍＭ緩衝溶液を駆動して以前チャネル内にあった１０ｍＭ緩衝液を押し出すと、イオン強度が増加し、チャネル全体が２０ｍＭ緩衝液で充填されるまで電流の増加をもたらした。電場が２００Ｖ／ｃｍから６６７Ｖ／ｃｍ（我々の電源からの最大出力）に増加すると、新たな定常状態に達する時間が予測通り減少した。我々が印加した電場の範囲内で、ジュール加熱は全く認められなかった。図６Ｃは、印加電場の関数としての、１０ｍＭおよび２０ｍＭホウ酸塩緩衝液を使用して測定された電流をプロットしたものである。６６７Ｖ／ｃｍまでは、これらの関係は線形であり、ジュール加熱によるイオン伝導率の変化は示さなかった。
【０１０１】
ＰＤＭＳまたはＴＰＥとは異なり、ＰＵＭＡ表面は、高ＥＯＦを達成するために酸化する必要はなく、さらに、電気浸透移動度は、製造後著しく安定であった。図６’Ｄは、製造後の異なる日数で測定した電気浸透移動度６４１を示し、１回のみの生成運転からのサンプリングに関連したシステムのサンプリング誤差を回避するために、３回の生成運転から選択された様々な日数の異なるチップを各測定に使用した。図６’Ｄに示されるように、平均（水平線６４１）は、１２日まではチップの日数に対して不変であった。しかしながら、チップが古くなるにつれて測定を妨害する気泡の頻度の増加が認められた。この観察の正確な原因は不明であるが、我々は、使用前に全ての溶液に超音波照射し、視認可能ないかなる泡も顕微鏡検査下で吸い出すことにより、一般的な気泡源を排除するように細心の注意を払った。我々は、窒素または真空下でのＰＵＭＡチップの保存が、おそらくは泡生成の発生を低減することに役立つ可能性があると推察する。
【０１０２】
ＰＤＭＳまたはＴＰＥとは異なり、ＰＵＭＡ表面は、高ＥＯＦを達成するために酸化する必要はなく、さらに、電気浸透移動度は、製造後著しく安定であった。図６Ｄは、製造後の異なる日数で測定した電気浸透移動度を示し、１回のみの生成運転からのサンプリングに関連したシステムのサンプリング誤差を回避するために、３回の生成運転から選択された様々な日数の異なるチップを各測定に使用した。図６Ｄに示されるように、平均（水平線）は、１２日まではチップの日数に対して不変であった。しかしながら、チップが古くなるにつれて測定を妨害する気泡の頻度の増加が認められた。この観察の正確な原因は不明であるが、我々は、使用前に全ての溶液に超音波照射し、視認可能ないかなる泡も顕微鏡検査下で吸い出すことにより、一般的な気泡源を排除するように細心の注意を払った。我々は、窒素または真空下でのＰＵＭＡチップの保存が、おそらくは泡生成の発生を低減することに役立つ可能性があると推察する。
【０１０３】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、デバイスは、臨床診断に使用される。
【０１０４】
ＰＵＭＡは、臨床的状況における使い捨ての使用のためのマイクロ流体デバイス製造用の極めて有望な材料である。原材料がすでにＵＳＰクラスＶＩ準拠であることが認められているため、その化学的不活性、使用温度、生体適合性、および滅菌可能性は良く特性決定されており、この材料から製造されたデバイスは、規制認可に適合することが推定され得る。本論文は、高密度および高アスペクト比であっても高い忠実度のマイクロ構造複製を提供する、細かく調整された生成プロセスを報告した。この生成プロセスは、Ｓｉ上ＳＵ−８マスターまたはＤＲＩＥエッチングされたＳｉマスターから製造された既存のＰＤＭＳ型をベースとし得る。ＰＵＭＡは、可視領域において光学的透明度を提供し、非弾性である。その表面特性は、ＰＤＭＳと比較して極めて安定である。ほとんどがポリウレタンで構成されるＰＵＭＡは表面は、ポリウレタンと同様の生物付着耐性を有すると推定される。熱硬化に必要とされる数時間ではなく、数分（我々の処置では＜２分であり、連続生成中の紫外線量の正確な計測には、コンベヤベルト上に紫外線源を装着してもよい）の時間を要する紫外線硬化プロセスは、より高い生成処理量に直結すると推測され、これは、使い捨てマイクロ流体デバイスの製造コストの低減に必要である。さらに、ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、封入されたマイクロ流体デバイスを形成するための接合が容易で強固であり、今回、我々は、コンフォーマルに密着したチップを、長期間紫外線源下に置いただけであった。超音波溶接、急勾配赤外線加熱炉（例えば、回路基板修復における半田のリフローにしばしば使用される）、または他の商業的な非溶媒結合手法は、品質管理において追加的な利点を提供し得る。これらの特性により、ＰＵＭＡは、使い捨てマイクロ流体ベースの診断デバイスの製造における有用な基板であることが期待される。
【０１０５】
上に報告されるのは、非弾性であり、特に臨床診断用途における使い捨てマイクロ流体基板として優れた品質を有する、新たな紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）樹脂の実施形態である。このＰＵＭＡ基板は、光学的に透明であり、生物付着耐性であり、マイクロ流体用途において使用される多くの化学物質に適合し、典型的な厚さ（ほぼガラススライドの厚さ）まで硬化可能であり、封入されたデバイスを形成するために容易に接合可能であり、表面改質なしに石英ガラスキャピラリに匹敵する電気浸透流を生成することができる。供給業者により米国薬局方（ＵＳＰ）クラスＶＩ準拠として認定されたこのＰＵＭＡ樹脂は、その化学的不活性、使用温度、生体適合性、および滅菌可能性、つまり医療診断デバイス製造に必要な全ての品質について十分に試験されている。
【０１０６】
また、本出願において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法であって、
形成された基板を型から解放するステップと、
形成された基板を表面に対して押し付けるように、真空を提供するステップと、
形成された基板と表面との間の密着を形成するように、エネルギーを提供するステップと
を含む、方法も開示される。
【０１０７】
一実施形態において、マイクロ流体流路は、生物学的存在を流動させるように構成される。
【０１０８】
一実施形態において、形成された基板は、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）を含む。
【０１０９】
一実施形態において、形成された基板は、樹脂を放射線に暴露させることにより形成される。別の実施形態において、形成された基板は、樹脂を放射線に暴露させることにより形成され、放射線は、３００〜５００ｎｍの波長を有する。さらなる実施形態において、形成された基板は、樹脂を放射線に暴露させることにより形成され、樹脂は、ウレタン、アクリレート、メタクリレート、シリコーン、またはそれらの組み合わせを含有する。
【０１１０】
一実施形態において、形成された基板は、９０℃を超える角度で引き出すことにより型から解放される。別の実施形態において、形成された基板は、真空吸引を使用して型から解放される。
【０１１１】
いくつかの実施形態において、形成された基板を表面に対して押し付けるように提供される真空は、変形可能な袋またはバッグの中に含まれる。一実施形態において、変形可能な袋またはバッグには、成形された基板および表面が封入される。
【０１１２】
一実施形態において、形成された基板と表面との間の密着を形成するためのエネルギーは、紫外線である。別の実施形態において、形成された基板と表面との間の密着を形成するためのエネルギーは、熱エネルギーまたは赤外線である。さらなる実施形態において、形成された基板と表面との間の密着を形成するためのエネルギーは、酸化エネルギーである。
【０１１３】
以下の議論は、ＰＵＭＡ樹脂の紫外線鋳造における後半のステップである型解放、接合、および外部流体送達への相互接続に焦点を置く。型解放の間、高アスペクト比のマイクロ構造は、せん断により誘引される損傷を受けやすく、一方接合の間、それらは圧縮に関係した損傷を受けやすい。これらの２つのステップ中の損失は、紫外線鋳造の収率に関与してはならず、この収率は、紫外線量および樹脂の厚さが適切に最適化されれば極めて一貫する。我々は、型解放および接合ステップをトラブルシューティングするために多大なる努力を重ね、非一貫性および複製されたマイクロ構造に対する不慮の損傷を排除するための技法を開発した。その結果、品質管理が向上し、収率が改善した。これらの技法はまた、商業規模の生成にも容易に適合させることができる。
【０１１４】
（実験）
図７’を参照すると、ケイ素ウエハの深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により成形マスターを調製し、これを（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランで一晩シラン化したことを除いて、前述のラピッドプロトタイピング処置に従いポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）型７１１を調製した。ＰＵＭＡ樹脂７１２（Ｄｙｍａｘ１４０−Ｍ、Ｔｏｒｒｉｎｇｔｏｎ、ＣＴ）を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型７１１に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地７１４（厚さ８ミル）に貼られたセロファン７１５のシートで被覆した（図７’Ａ）。
【０１１５】
ケイ素ウエハの深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により成形マスターを調製し、これを（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランで一晩シラン化したことを除いて、以前に説明したラピッドプロトタイピング処置に従いポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）型を調製した。ＰＵＭＡ樹脂（Ｄｙｍａｘ１４０−Ｍ、Ｔｏｒｒｉｎｇｔｏｎ、ＣＴ）を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地（厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシートで被覆した（図７Ａ）。
【０１１６】
具体的には、図７’Ａは、ＰＵＭＡチップの成形および硬化を示す配置図を示す。深さ２ｍｍの陥凹部を有するＰＤＭＳ型７１１にＰＵＭＡ樹脂７１２を充填し、ＰＴＦＥポスト７１３を埋め込む。一度樹脂が硬化したら剥離することができる界面セロファン（またはＡｃｌａｒ）シート７１５を有する透明ポリプロピレンシート７１４で、樹脂の頂部を被覆する。７１１：ＰＤＭＳ型；７１２：ＰＵＭＡ樹脂；７１３：ＰＴＦＥポスト；７１４：透明ポリプロピレンシート；７１５：セロファン（またはＡｃｌａｒ）。図７’Ｂは、外部配管をチップに接続するための２つの方法を示す概略図である。左：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ７２１を、１／８インチＯＤポリウレタン配管７２３によって返し付きコネクタ７２２に接続することができ；漏洩を防止するために、配管の回りに追加のＰＵＭＡ樹脂７２４を施してもよい。右：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ７３１を、１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管７３５に接続することができる。７３１：ＰＵＭＡ基板；７３５：１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管；７３６：ポリオレフィン熱収縮；７３７：止め輪；７３４：追加の接着剤；７３３：１／８インチ外径ポリウレタン配管；７３４：追加のＰＵＭＡ樹脂。
【０１１７】
具体的には、図７（Ａ）は、ＰＵＭＡチップの成形および硬化を示す配置図を示す。深さ２ｍｍの陥凹部を有するＰＤＭＳ型１にＰＵＭＡ樹脂２を充填し、ＰＴＦＥポスト３を埋め込む。一度樹脂が硬化したら剥離することができる界面セロファン（またはＡｃｌａｒ）シート４を有する透明ポリプロピレンシート５で、樹脂の頂部を被覆する。１：ＰＤＭＳ型；２：ＰＵＭＡ樹脂；３：ＰＴＦＥポスト；４：透明ポリプロピレンシート；５：セロファン（またはＡｃｌａｒ）。図７（Ｂ）は、外部配管をチップに接続するための２つの方法を示す概略図である。左：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ１を、１／８インチＯＤポリウレタン配管２によって返し付きコネクタ３に接続することができ；漏洩を防止するために、配管の回りに追加のＰＵＭＡ樹脂４を施してもよい。右：１／８インチ穴を有するＰＵＭＡチップ５を、１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管６に接続することができる。５：ＰＵＭＡ基板；６：１／１６インチＯＤ  ＰＴＦＥ配管；７：ポリオレフィン熱収縮；８：止め輪；９：追加の接着剤；１０：１／８インチ外径ポリウレタン配管；１１：追加のＰＵＭＡ樹脂。
【０１１８】
重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート７１５（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト７１３（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂７１２に埋め込んだ。アセンブリ全体を高強度紫外線源（ＡＤＡＣ  Ｃｕｒｅ  Ｚｏｎｅ  ２  ＵＶ  Ｆｌｏｏｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ、４００Ｗ金属ハライドランプを装着、３６５ｎｍで公称８０ｍＷ／ｃｍ２を供給）に８０秒間置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒間暴露させた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板を、弱い機械的圧力により別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラスにコンフォーマルに接合した。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【０１１９】
重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂に埋め込んだ。アセンブリ全体を高強度紫外線源（ＡＤＡＣ  Ｃｕｒｅ  Ｚｏｎｅ  ２  ＵＶ  Ｆｌｏｏｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ、４００Ｗ金属ハライドランプを装着、３６５ｎｍで公称８０ｍＷ／ｃｍ２を供給）に８０秒間置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒間暴露させた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板を、弱い機械的圧力により別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラスにコンフォーマルに接合した。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【０１２０】
また、本出願において、型の汚損を防止することにより形成された基板を型から解放する方法も記載される。型は、音響エネルギーの存在下で、一連の溶媒による長期間の洗浄に供される。
【０１２１】
各複製の間、ＰＤＭＳ型を、イソプロパノールおよび水の中で超音波照射し、７５℃で少なくとも１５分間焼成した。
【０１２２】
（結果および考察）
流体相互連結。図７’Ｂは、外部流体送達のためのＰＵＭＡチップの連結の２つの例を示す。これらの２つの連結法を用いて作製されたチップは、高体積流量（１〜１０ｍＬ／ｍｉｎ）または高流体抵抗が関与する用途に適用すると、通常最大４０ｐｓｉまで耐えた。図７’Ｂの左側は、外部配管の単純な取り付けを可能にする９０℃屈曲部７２２の使用を示している。屈曲部７２２は、厚肉ポリウレタン（ＰＵ）配管７２３（１／８インチ外径（ＯＤ）、１／１６インチ内径（ＩＤ））に挿入したが、これはせん断に対する機械的アンカーとして機能した。次いで、ＰＵ配管７２３を、ＰＵＭＡ基板７２１の１／８インチ穴（ＰＴＦＥポストの埋没またはレーザ切断により形成された）に挿入し、追加の接着剤７２４  を結合部周囲に施した。このデザインは、返し付きコネクタからの外部配管の迅速な取り外しを可能にする。
【０１２３】
流体相互連結。図７Ｂは、外部流体送達のためのＰＵＭＡチップの連結の２つの例を示す。これらの２つの連結法を用いて作製されたチップは、高体積流量（１〜１０ｍＬ／ｍｉｎ）または高流体抵抗が関与する用途に適用すると、通常最大４０ｐｓｉまで耐えた。図７Ｂの左側は、外部配管の単純な取り付けを可能にする９０℃屈曲部の使用を示している。屈曲部は、厚肉ポリウレタン（ＰＵ）配管（１／８インチ外径（ＯＤ）、１／１６インチ内径（ＩＤ））に挿入したが、これはせん断に対する機械的アンカーとして機能した。次いで、ＰＵ配管を、ＰＵＭＡ基板の１／８インチ穴（ＰＴＦＥポストの埋没またはレーザ切断により形成された）に挿入し、追加の接着剤を結合部周囲に施した。このデザインは、返し付きコネクタからの外部配管の迅速な取り外しを可能にする。
【０１２４】
第２のデザイン（図７’Ｂの右側）は、１／１６インチＯＤ（またはＢｅｃｔｏｎ  Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ社製ＰＥ１００配管と同等の寸法）のＰＴＦＥ配管７３５とＰＵＭＡチップ７３１との連結を示す。（１）ＰＥ表面は接着剤接合に抵抗性を有し、（２）極めて弾性の配管は長さ方向に引くと容易に破断することから、我々は、ＰＤＭＳベースのマイクロ流体デバイスとの連結に一般的に使用される従来のポリエチレン（ＰＥ）配管（例えば、ＰＥ１００）が、ＰＵＭＡチップとうまく機能しないことに気付いた。我々が見出した最良の配管は、１／１６インチＯＤのＰＴＦＥ配管である。ＰＴＦＥ配管７３５に化学的に結合することはほぼ不可能であるが、これは、外表面をポリオレフィン熱収縮７３６で被覆することにより回避することができる。次いで、ＰＴＦＥ配管７３５は、１／１６インチ径の穴に直接挿入して追加の樹脂で固定するか、または、せん断アンカーとしての補助ＰＵ配管７３３（１／８インチＯＤ）で１／８インチの穴に挿入して追加の樹脂７３４で固定することができる。
【０１２５】
第２のデザイン（図７Ｂの右側）は、１／１６インチＯＤ（またはＢｅｃｔｏｎ  Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ社製ＰＥ１００配管と同等の寸法）のＰＴＦＥ配管とＰＵＭＡチップとの連結を示す。（１）ＰＥ表面は接着剤接合に抵抗性を有し、（２）極めて弾性の配管は長さ方向に引くと容易に破断することから、我々は、ＰＤＭＳベースのマイクロ流体デバイスとの連結に一般的に使用される従来のポリエチレン（ＰＥ）配管（例えば、ＰＥ１００）が、ＰＵＭＡチップとうまく機能しないことに気付いた。我々が見出した最良の配管は、１／１６インチＯＤのＰＴＦＥ配管である。ＰＴＦＥ配管に化学的に結合することはほぼ不可能であるが、これは、外表面をポリオレフィン熱収縮で被覆することにより回避することができる。次いで、ＰＴＦＥ配管は、１／１６インチ径の穴に直接挿入して追加の樹脂で固定するか、または、せん断アンカーとしての補助ＰＵ配管（１／８インチＯＤ）で１／８インチの穴に挿入して追加の樹脂で固定することができる。
【０１２６】
ＰＤＭＳチップとの比較。硬化したＰＵＭＡ樹脂はショア硬度Ｄ６０を有し、これは弾性ＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社製Ｓｙｌｇａｒｄ１８４に対してはショアＡ５０）よりも著しく硬い。独立した機械的に脆い特徴（特に支持されていない高い垂直柱またはウィスカー）の場合、ＰＤＭＳは、その低い剛性率のために製造材料として使用することはできず、特徴は、重力下で単に傾いて倒壊する。
【０１２７】
図８’は、（Ａ）密集した高アスペクト比の柱８１２および８１６のアレイのＰＵＭＡ複製８１０、（Ｂ）（Ａ）と反対の極性を有するＤＲＩＥ生成ケイ素マスター８２０、および（Ｃ）（Ｂ）におけるケイ素マスター８２０から作製されたＰＤＭＳ複製８３０の走査型電子顕微鏡画像を示す。
【０１２８】
図８は、（Ａ）密集した高アスペクト比の柱のアレイのＰＵＭＡ複製、（Ｂ）（Ａ）と反対の極性を有するＤＲＩＥ生成ケイ素マスター、および（Ｃ）（Ｂ）におけるケイ素マスターから作製されたＰＤＭＳ複製の走査型電子顕微鏡画像を示す。
【０１２９】
図８’は、ＰＵＭＡでは製造可能であるがＰＤＭＳでは製造可能でない特徴の一例を示す。図８’Ａは、ＰＵＭＡ樹脂における複製８１０の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、複製のための試験パターンは、中実壁（８１１および８１７）と交互した密集した垂直柱（８１２および８１６）からなる。特徴の高さは約４０μｍであり、垂直柱（８１２、８１６）のアスペクト比は約３．５であった。複製または解放プロセスにおいて方向における問題がある場合のトラブルシューティングの一助となるように、屈曲部がデザインに組み込まれた。図８’Ａにおいて明確なように、ＰＵＭＡに生成された柱（８１２、８１６）は、傾倒の徴候のない明確な垂直プロファイルを有していた。
【０１３０】
図８は、ＰＵＭＡでは製造可能であるがＰＤＭＳでは製造可能でない特徴の一例を示す。図８Ａは、ＰＵＭＡ樹脂における複製の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、複製のための試験パターンは、中実壁と交互した密集した垂直柱からなる。特徴の高さは約４０μｍであり、垂直柱のアスペクト比は約３．５であった。複製または解放プロセスにおいて方向における問題がある場合のトラブルシューティングの一助となるように、屈曲部がデザインに組み込まれた。図８Ａにおいて明確なように、ＰＵＭＡに生成された柱は、傾倒の徴候のない明確な垂直プロファイルを有していた。
【０１３１】
図８’Ｂは、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して生成されたケイ素マスター８２０のＳＥＭ画像を示す。このマスター８２０は、逆の極性を有し（すなわち、レリーフは陥凹部となる）、図８’Ａと同じ極性でＰＤＭＳに特徴を複製することを意図するものであった。Ｓｉウエハ上のＳＵ−８フォトレジストがマスターを生成するより一般的な手法であるが、ここでは、深い陥凹部における未硬化ＳＵ−８樹脂の完全除去を確実とするのは困難であるため、ＤＲＩＥを使用してマスター８２０を生成した。深い陥凹部におけるＳＵ−８の存在は、複製ＰＤＭＳにおける特徴の収縮に寄与し、これは陥凹部におけるＰＤＭＳの不完全な充填から区別することができない。図８’Ｃは、図８’Ｂにおけるケイ素マスター８２０から成形されたＰＤＭＳ８３０を示す。ＰＤＭＳ柱（８３１、８３２）は、長い湾曲した壁と同じ高さのものであり、これは良好な複製を示すにもかかわらず、自重を支えることができず、したがって傾いてしまったことがすぐに分かる。自重による倒壊またはたるみはまた、低アスペクト比のＰＤＭＳマイクロチャネルでも予測される。
【０１３２】
図８Ｂは、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して生成されたケイ素マスターのＳＥＭ画像を示す。このマスターは、逆の極性を有し（すなわち、レリーフは陥凹部となる）、図８Ａと同じ極性でＰＤＭＳに特徴を複製することを意図するものであった。Ｓｉウエハ上のＳＵ−８フォトレジストがマスターを生成するより一般的な手法であるが、ここでは、深い陥凹部における未硬化ＳＵ−８樹脂の完全除去を確実とするのは困難であるため、ＤＲＩＥを使用してマスターを生成した。深い陥凹部におけるＳＵ−８の存在は、複製ＰＤＭＳにおける特徴の収縮に寄与し、これは陥凹部におけるＰＤＭＳの不完全な充填から区別することができない。図８Ｃは、図８Ｂにおけるケイ素マスターから成形されたＰＤＭＳを示す。ＰＤＭＳ柱は、長い湾曲した壁と同じ高さのものであり、これは良好な複製を示すにもかかわらず、自重を支えることができず、したがって傾いてしまったことがすぐに分かる。自重による倒壊またはたるみはまた、低アスペクト比のＰＤＭＳマイクロチャネルでも予測される。
【０１３３】
解放プロセス。低アスペクト（Ｈ／Ｗ＜１）の特徴においては、（１）硬化した樹脂から若干型を剥離することにより、または（２）樹脂と型との間にメスを差し込んで静かに樹脂を浮かせることにより、硬化したＰＵＭＡ樹脂をＰＤＭＳ型から解放することができることが判明した。ここで、解放中にレリーフ特徴を損傷する可能性は非常に低かった。しかしながら、高アスペクト比の特徴では、特に支持の不足により機械的に脆い特徴では、解放プロセスはチップ収率において重要な役割を担う。
【０１３４】
解放プロセスを改善するために、我々はＰＤＭＳに対しいくつかの表面改質プロセス（例えば、プラズマ酸化、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランによるシラン化、およびｎ−ドデシル−ベータ−Ｄ−マルトシド（ＤＤＭ）、Ｇｒａｎｓｕｒｆ７１、およびＧｒａｎｓｕｒｆ７７等の界面活性剤の薄い被覆）を試みた。これらの表面改質技術は複製プロセスを改善せず、シラン化の場合には、単に表面の疎水性が強すぎてＰＵＭＡ樹脂が適切に湿潤しなかった。また、我々は、熱膨張（例えば、−８０℃への急速冷凍または熱）の差の利用を試み、熱処理は硬化した樹脂から反対の方向へのＰＤＭＳの歪みをもたらしたが、硬化した樹脂はまた、歪んだＰＤＭＳに全体的に適応した。その結果、ＰＵＭＡ樹脂が歪み、続く平面基板へのコンフォーマルな密着が不可能となった。
【０１３５】
一実施形態において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法は、形成された基板を型から解放するステップを含み、形成された基板は、９０度を超える角度で引き出すことにより型から解放される。別の実施形態において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法は、形成された基板を型から解放するステップを含み、形成された基板は、１２０度を超える角度で、または、他の実施形態において、１５０度を超える角度もしくは１８０度を超える角度で引き出すことにより、型から解放される。
【０１３６】
ある特定の実施形態において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法は、形成された基板を型から解放するステップを含み、形成された基板は、真空吸引を使用して型から解放される。
【０１３７】
また、本明細書において、９０度を超える角度で反対の真空吸引力を加えることにより、形成された基板を型から解放するための装置および方法が記載される。図９’に関して議論されるように、そのような装置および方法は、せん断面における不慮の運動を最小化することにより、複製されたマイクロ構造およびチャネルへの機械的損傷を大幅に低減する。
【０１３８】
いかなる具体的な機構にも制限されることを望まないが、解放プロセスの間は不慮の機械的せん断が阻止されなければならない可能性があり、我々は、硬化した樹脂をＰＤＭＳ型から分離するための単純な引張ステーションを考案した。分離の方向および速度を正確に制御することにより、マイクロ構造への損傷は大きく最小化される。
【０１３９】
図９’は、ＰＤＭＳ型９２２からのＰＵＭＡ基板９２１の正確な解放のための特別設計解放引張器９１１を示す。引張器９１１は、レバー９１２を引くと下方に平行移動し、レバー９１２を離すと、そのバネ駆動動作が上方に平行移動し、ＰＵＭＡ基板９２１が正確に１８０度（方向９１９）にＰＤＭＳ型９２２から引き離されることが確実となる。直径１インチのビニル吸引カップ９１４が穿孔され、装着され、１／８インチ（内径）Ｔｙｇｏｎ配管９１３を介して真空ポンプに接続された。対向吸引カップ９１５が下方に装着され、これもまた真空９１７に接続された。金属ベース９１６は、対向吸引カップ９１５をＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ９１０に固定するために使用された。
【０１４０】
図９は、ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡチップの正確な解放のための特別設計解放引張器を示す。Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎは、レバーを引くと下方に平行移動し、レバーを離すと、そのバネ駆動動作が上方に平行移動し、ＰＵＭＡチップが正確に１８０度にＰＤＭＳ型から引き離されることが確実となる。灰色の輪郭は、標準的なＤｒｅｍｅｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎコンポーネント１を示す。直径１インチのビニル吸引カップ２が穿孔され、装着され、１／８インチ（内径）Ｔｙｇｏｎ配管を介して真空ポンプに接続された。対向吸引カップ３が下方に装着され、これもまた真空に接続された。金属ベース４は、対向吸引カップをＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎに固定するために使用された。
【０１４１】
図９’は、引張ステーション９１１の概略図を示す。これは、卓上型穿孔盤用に意図されたＤｒｅｍｅｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ  ２２０−０１アセンブリ９１０に基づいた。Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎは、シャフトに沿った垂直の平行移動を制御するバネ駆動レバー９１２を備え、レバー９１２を離すと、上部マウントが停止部に衝突するまで上方に平行移動した。直径１インチのビニル吸引カップ９１４が、ＰＵＭＡ基板９２１への取付のために上部マウントに固定され、ＰＤＭＳ型９２２への取付のための第２のビニル吸引カップ９１５が金属ベース９１６に固定された。ダイヤフラム真空ポンプへの接続のために、貫通穴（直径１／１６インチ）が吸引カップ９１４および９１５のベースに穿孔された。
【０１４２】
図９は、引張ステーションの概略図を示す。これは、卓上型穿孔盤用に意図されたＤｒｅｍｅｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ  ２２０−０１アセンブリに基づいた。Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎは、シャフトに沿った垂直の平行移動を制御するバネ駆動レバーを備え、レバーを離すと、上部マウントが停止部に衝突するまで上方に平行移動した。直径１インチのビニル吸引カップが、ＰＵＭＡチップへの取付のために上部マウントに固定され、ＰＤＭＳ型への取付のための第２のビニル吸引カップが金属ベースに固定された。ダイヤフラム真空ポンプへの接続のために、貫通穴（直径１／１６インチ）が吸引カップのベースに穿孔された。
【０１４３】
紫外線硬化後、ＰＵＭＡ−ＰＤＭＳアセンブリ（９２０、９２１および９２２）をベース吸引カップ９１５上に設置し、真空ポンプをオンにした。ベース吸引カップ９１５はＰＤＭＳ型９２２を適所に保持し、一方で、硬化した樹脂（形成された基板）９２１の頂部上の透明ポリプロピレンカバー９２０に接触するまで上方吸引カップ９１４を徐々に引き下ろした。速度は、形成された基盤９２１に対し最小限の下向きの力が作用するように、十分緩やかであるべきである。真空計が大気圧からポンプの最終圧力まで降下したら（これは上部吸引カップ９１４とポリプロピレンカバー９２０との間に良好な真空密着が達成されたことを示す）、バネ駆動レバー９１２を離して、形成された基板９２１および型９２２を引き離した。
【０１４４】
紫外線硬化後、ＰＵＭＡ−ＰＤＭＳアセンブリをベース吸引カップ上に設置し、真空ポンプをオンにした。ベース吸引カップはＰＤＭＳ型を適所に保持し、一方で、硬化した樹脂の頂部上の透明ポリプロピレンカバーに接触するまで上方吸引カップを徐々に引き下ろした。速度は、樹脂に対し最小の下向きの力が作用するように、十分緩やかであるべきである。真空計が大気圧からポンプの最終圧力まで降下したら（これは上部吸引カップとポリプロピレンカバーとの間に良好な真空密着が達成されたことを示す）、バネ駆動レバーを離して、樹脂および型を引き離した。
【０１４５】
我々は、引張ステーション９１１の設計において、（１）力を均一に分散させるために、上部吸引カップ９１４およびベース吸引カップ９１５を適切に位置合わせしなければならないこと、ならびに（２）水平方向（マイクロ構造でのせん断面）の不慮の振動または運動を回避するために、全ての部品をしっかりと締結しなければならないことに気付いた。解放速度（速いほど良い）もまた、欠陥を低減することに役立った。
【０１４６】
我々は、引張ステーションの設計において、（１）力を均一に分散させるために、上部吸引カップおよびベース吸引カップを適切に位置合わせしなければならないこと、ならびに（２）水平方向（マイクロ構造でのせん断面）の不慮の振動または運動を回避するために、全ての部品をしっかりと締結しなければならないことに気付いた。解放速度（速いほど良い）もまた、欠陥を低減することに役立った。
【０１４７】
図１０’Ａは、高アスペクト比構造の複製において立体鏡下で一般に観察される欠陥を示す。波状壁１０１１は、通常、各複製動作間のＰＤＭＳ型の不十分な清浄化によりもたらされ、一方規則的なアレイに囲まれた不規則な黒点１０１２は、構造が互いに対し傾いていたことを示している（ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡの解放中の機械的損傷）。図１０’Ｂは、損傷した高アスペクト比の柱１０２１のＳＥＭ画像１０２０であり、真空引張器は使用されていない。図１０’Ｃは、前述された真空引張器を使用して完璧に解放されたＰＵＭＡ基板１０３０の光学画像である。
【０１４８】
図１０Ａは、高アスペクト比構造の複製において立体鏡下で一般に観察される欠陥を示す。波状壁１は、通常、各複製動作間のＰＤＭＳ型の不十分な清浄化によりもたらされ、一方規則的なアレイに囲まれた不規則な黒点２は、構造が互いに対し傾いていたことを示している（ＰＤＭＳ型からのＰＵＭＡの解放中の機械的損傷）。図１０（Ｂ）は、損傷した高アスペクト比の柱のＳＥＭ画像であり、真空引張器は使用されていない。図１０（Ｃ）は、前述された真空引張器を使用して完璧に解放されたＰＵＭＡチップの光学画像である。
【０１４９】
図１０’は、引張器により提供された型解放の改善を示す。図１０’Ａは、引張器の支援なしでのＰＵＭＡ複製１０１０（図８’Ａと同じパターン）の立体鏡下で撮影された画像である。２種類の欠陥が明らかであり、（１）長く湾曲した壁１０１１がリボン状の外観を有し、また（２）垂直柱１０１２が不規則であった。リボン様の長く湾曲した壁１０１１は、側方に屈曲した壁によるものであるが、これは複製運転間のＰＤＭＳ型の不適切な清浄化に起因し、型と樹脂との間の接着を増加させる。新鮮な未使用のＰＤＭＳ型は、硬化条件に厳密に従った場合、この問題を示さなかった。複製間のイソプロパノールおよび水による綿密な超音波照射により、波状壁１０１１の発生は大きく低減した。
【０１５０】
図１０は、引張器により提供された型解放の改善を示す。図１０Ａは、引張器の支援なしでのＰＵＭＡ複製（図８Ａと同じパターン）の立体鏡下で撮影された画像である。２種類の欠陥が明らかであり、（１）長く湾曲した壁がリボン状の外観を有し、また（２）垂直柱が不規則であった。リボン様の長く湾曲した壁は、側方に屈曲した壁によるものであるが、これは複製運転間のＰＤＭＳ型の不適切な清浄化に起因し、型と樹脂との間の接着を増加させる。新鮮な未使用のＰＤＭＳ型は、硬化条件に厳密に従った場合、この問題を示さなかった。複製間のイソプロパノールおよび水による綿密な超音波照射により、波状壁の発生は大きく低減した。
【０１５１】
図１０’Ｂは、立体鏡検査下で「不規則」とみなされた垂直ポスト１０２１のＳＥＭ画像を示す。不規則性は互いに傾いたポスト１０２１によるものであった。ＰＵＭＡはＰＤＭＳよりも著しく硬いが、このスケールにおいては、特徴は機械的に脆い。図１０’Ｃは、引張器を使用して完璧に解放されたＰＵＭＡ複製１０３０の立体鏡画像を示す。垂直ポスト間の間隔は周期的であった（不規則な暗点がなかった）。
【０１５２】
図１０Ｂは、立体鏡検査下で「不規則」とみなされた垂直ポストのＳＥＭ画像を示す。不規則性は互いに傾いたポストによるものであった。ＰＵＭＡはＰＤＭＳよりも著しく硬いが、このスケールにおいては、特徴は機械的に脆い。図１０Ｃは、引張器を使用して完璧に解放されたＰＵＭＡ複製の立体鏡画像を示す。垂直ポスト間の間隔は周期的であった（不規則な暗点がなかった）。
【０１５３】
接合。図１１’は、封入されたＰＵＭＡマイクロチャネルを形成するために使用され得るいくつかの方法を示す。図１１’。封入されたチャネルを形成するためにＰＵＭＡを接合する方法。ＰＵＭＡチップは、まず酸素プラズマ１１２１を使用し（ステップ１１２０）、続いて＞７５℃で２〜３日間焼成する（ステップ１１２５）ことにより接合することができる。Ｏ２プラズマ１１２１は、チップ（形成された基板）１１２８と底部カバー１１２６との間のコンフォーマルな接触を改善する。高アスペクト比または繊細な構造に対しては、コンフォーマルな密着に使用される圧力を制御するために、真空包装機（１１４１）の使用（１１４０）が推奨される。良好なコンフォーマルな密着が達成されたら、単にチップを長期間の紫外線暴露に供する（ステップ１１５０）か、プログラム可能な赤外線加熱炉を使用する（ステップ１１６０）か、または超音波溶接（ステップ１１７０）により、恒久的接合を形成することができる。
【０１５４】
接合。図１１は、封入されたＰＵＭＡマイクロチャネルを形成するために使用され得るいくつかの方法を示す。図１１。封入されたチャネルを形成するためにＰＵＭＡを接合する方法。ＰＵＭＡチップは、まず酸素プラズマを使用し、続いて＞７５℃で２３日間焼成することにより接合することができる。Ｏ２プラズマは、チップと底部カバーとの間のコンフォーマルな接触を改善する。高アスペクト比または繊細な構造に対しては、コンフォーマルな密着に使用される圧力を制御するために、真空包装機の使用が推奨される。良好なコンフォーマルな密着が達成されたら、単にチップを長期間の紫外線暴露に供するか、プログラム可能な赤外線加熱炉を使用するか、または超音波溶接により、恒久的接合を形成することができる。
【０１５５】
ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、加熱は、マイクロチャネル基板と蓋との間の恒久的接合を形成する効果的な手法である。しかしながら、マイクロ構造の損傷を回避するため、接合プロセス中は過剰の軟化または圧力を回避しなければならない。
【０１５６】
ある特定の実施形態において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法は、形成された基板を表面に押し付けるために真空を提供するステップを含む。一実施形態において、形成された基板を表面に対し押し付けるための真空は、変形可能な袋またはバッグの中に含まれる。例えば、袋またはバッグには、形成された基板および表面が封入され得る。
【０１５７】
また、本出願において、形成された基板を表面に押し付けて封入された流路を形成するために真空を提供するための装置および方法が記載される。そのような装置および方法は、図１１’を参照して説明されたように、変形可能な袋またはバッグ内に真空を提供し、圧縮力を加えると同時にいかなる捕捉空気も除去して、形成された基板と接触表面との間の接触を改善する。
【０１５８】
図１１’を参照すると、基板の剛性に起因して、ＰＵＭＡのコンフォーマルな密着（ステップ１１４０）はＰＤＭＳの場合程単純ではない。捕捉された気泡を回避するための注意も必要である。我々の好ましい方法は、チップ１１４３をプラスチックバッグ１１４２に入れ、台所用品として市販されている真空包装機１１４１を使用して袋を真空引きし、収縮するバッグに依存してチップに対し均一に圧力を加えコンフォーマルな密着を形成することである。真空バッグ１１４２は、多くの場合、空気ポケットの捕捉を低減するための畝を有し、これらの畝は、ＰＵＭＡ基板１１４３上にインプリントを残す可能性があるが、これは真空バッグ１１４２を糸くずの出ない布で裏打ちすることにより回避することができる。
【０１５９】
基板の剛性に起因して、ＰＵＭＡのコンフォーマルな密着はＰＤＭＳの場合程単純ではない。捕捉された気泡を回避するための注意も必要である。我々の好ましい方法は、チップをプラスチックバッグに入れ、台所用品として市販されている真空包装機を使用して袋を真空引きし、収縮するバッグに依存してチップに対し均一に圧力を加えコンフォーマルな密着を形成することである。真空バッグは、多くの場合、空気ポケットの捕捉を低減するための畝を有し、これらの畝は、ＰＵＭＡ基板上にインプリントを残す可能性があるが、これは真空バッグを糸くずの出ない布で裏打ちすることにより回避することができる。
【０１６０】
コンフォーマルな密着（ステップ１１４０）の後、封入されたチップを紫外線ランプ下に１０〜１５分間置いた（ステップ１１５０）。強力な紫外線および熱は、ＰＵＭＡ基板の軟化をもたらし、コンフォーマルな密着は、リフロープロセスの間に恒久的な結合となった。リフローは、通常、まだやわらかい間にチップ上に圧力が加えられない限りは、マイクロ構造の歪みをもたらすことはない。チップが冷却されたら、恒久的な密着は、高圧（２０〜３０ｐｓｉ）下で高流量（＞１ｍｌ／ｍｉｎ）に耐えることができるが、チップの底面を構成する顕微鏡カバースリップ（Ｎｏ．２）が、恒久的密着が失敗する前に破壊されることが通例的に観察された。この接合法１１５０は、我々の最適な方法であるが、以下に簡単に説明する他の接合技術が使用されてもよい。
【０１６１】
コンフォーマルな密着の後、封入されたチップを紫外線ランプ下に１０〜１５分間置いた。強力な紫外線および熱は、ＰＵＭＡ基板の軟化をもたらし、コンフォーマルな密着は、リフロープロセスの間に恒久的な結合となった。リフローは、通常、まだやわらかい間にチップ上に圧力が加えられない限りは、マイクロ構造の歪みをもたらすことはない。チップが冷却されたら、恒久的な密着は、高圧（２０〜３０ｐｓｉ）下で高流量（＞１ｍｌ／ｍｉｎ）に耐えることができるが、チップの底面を構成する顕微鏡カバースリップ（Ｎｏ．２）が、恒久的密着が失敗する前に破壊されることが通例的に観察された。この接合法は、我々の最適な方法であるが、以下に簡単に説明する他の接合技術が使用されてもよい。
【０１６２】
ある特定の実施形態において、封入されたマイクロ流体流路を形成する方法は、形成された基板と表面との間の密着を形成するように、エネルギーを提供するステップを含む。いくつかの実施形態において、エネルギーは、紫外線である。他の実施形態において、エネルギーは、熱エネルギーまたは赤外線である。さらに別の実施形態において、エネルギーは、イオンもしくは電子衝撃、酸素プラズマへの暴露、または酸化化学物質への暴露から得られる酸化エネルギーである。
【０１６３】
再び図１１’を参照すると、コンフォーマルな密着を向上させるために、酸素プラズマ（ステップ１１２０）が使用され得るが、１５分の酸素プラズマ１１２１後、コンフォーマルな接触は改善された。泡の捕捉はより少なく、密着領域が増加した。しかしながら、密着領域はＰＤＭＳとガラスとの間に典型的に見られるように１００％には程遠いため、通常手作業による気泡の排除が依然として必要である。封入されたチップ（１１２８および１１２６）を７５℃の炉に２日間置くと、恒久的な結合が形成されたが、この処置を使用すると、実験中に密着が失敗する頻度は、上述の第１の接合方法を使用して生成されたチップの場合よりも高い。
【０１６４】
コンフォーマルな密着を向上させるために酸素プラズマ使用することができるが、１５分の酸素プラズマ後、コンフォーマルな接触が改善された。泡の捕捉はより少なく、密着領域が増加した。しかしながら、密着領域はＰＤＭＳとガラスとの間に典型的に見られるように１００％には程遠いため、通常手作業による気泡の排除が依然として必要である。封入されたチップを７５℃の炉に２日間置くと、恒久的な結合が形成されたが、この処置を使用すると、実験中に密着が失敗する頻度は、上述の第１の接合方法を使用して生成されたチップの場合よりも高い。
【０１６５】
熱可塑性物質の商業生産により類似した代替の非溶媒接合法が使用されてもよい。例えば、温度の急勾配を提供し、回路基板製造における半田のリフローにしばしば使用されるプログラム可能な赤外線加熱炉（ステップ１１６０）は、紫外線ランプよりも信頼性のある温度制御を提供するはずである。局所的溶融によるマイクロ構造の損傷を低減するために操作条件が適切に最適化される限り、熱可塑性物質を接合するための一般的技術である超音波溶接（ステップ１１７０）が使用されてもよい。
【０１６６】
熱可塑性物質の商業生産により類似した代替の非溶媒接合法が使用されてもよい。例えば、温度の急勾配を提供し、回路基板製造における半田のリフローにしばしば使用されるプログラム可能な赤外線加熱炉は、紫外線ランプよりも信頼性のある温度制御を提供するはずである。局所的溶融によるマイクロ構造の損傷を低減するために操作条件が適切に最適化される限り、熱可塑性物質を接合するための一般的技術である超音波溶接が使用されてもよい。
【０１６７】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、生物学的存在は、癌細胞である。別の実施形態において、生物学的存在は、希少な細胞（例えば、存在度が低い細胞）である。細胞は、その濃度が１）流体中の全細胞集団の１０％未満、２）流体中の全細胞集団の１％未満、または３）流体１ミリリットル当たり百万細胞未難である場合に、希少であるとみなすことができる。
【０１６８】
ある特定の実施形態において、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備えるデバイスは、生物学的存在を蓄積するために使用され得る。流路は、さらに、電気泳動、電気クロマトグラフィー、クロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）、濾過、表面選択的捕捉（選択的抗体−タンパク質捕捉、ＤＮＡハイブリダイゼーション、酵素結合免疫測定法（ＥＬＩＳＡ）を含む）、ＤＮＡ増幅、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、サザンブロット分析、細胞培養、増殖アッセイ、もしくはその他のアッセイ、またはそれらの組合せのために使用され得る。さらなる実施形態において、デバイスは、臨床診断に使用され得る。
【０１６９】
ある特定の実施形態において、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＭＭＡ）の壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備えるデバイスは、生物学的存在を蓄積するために使用され得る。流路は、電気泳動、電気クロマトグラフィー、クロマトグラフィー、高圧液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）、濾過、表面選択的捕捉（選択的抗体−タンパク質捕捉、ＤＮＡハイブリダイゼーション、酵素結合免疫測定法（ＥＬＩＳＡ）を含む）、ＤＮＡ増幅、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）、サザンブロット分析、細胞培養、増殖アッセイ、もしくはその他のアッセイ、またはそれらの組合せのために使用され得る。さらなる実施形態において、デバイスは、臨床診断に使用され得る。
【０１７０】
ある特定の実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、流路を画定する壁の少なくとも１つは、抗体で被覆される。
【０１７１】
表面選択的捕捉のための抗体の例には、ｐａｎ−サイトケラチン抗体Ａ４５Ｂ／Ｂ３、ＡＥ１／ＡＥ３、もしくはＣＡＭ５．２（サイトケラチン８（ＣＫ８）、サイトケラチン１８（ＣＫ１８）、もしくはサイトケラチン１９（ＣＫ１９）を認識するｐａｎ−サイトケラチン抗体および乳癌抗原ＮＹ−ＢＲ−１に対するもの（Ｂ７２６Ｐ、ＡＮＫＲＤ３０Ａ、アンキリン反復ドメイン３０Ａとしても知られる）；Ｂ３０５ＤアイソフォームＡもしくはＣ（Ｂ３０５Ｄ−Ａ  ｒｏ  Ｂ３０５Ｄ−Ｃ；抗原Ｂ３０５Ｄとしても知られる）；Ｈｅｒｍｅｓ抗原（抗原ＣＤ４４、ＰＧＰ１としても知られる）；Ｅ−カドヘリン（ウボモルリン、カドヘリン−１、ＣＤＨ１としても知られる）；癌胎児抗原（ＣＥＡ；ＣＥＡＣＡＭ５もしくは癌胎児抗原関連細胞接着分子５としても知られる）；β−ヒト絨毛性腺刺激ホルモン（β−ＨＣＧ；ＣＧＢ、慢性性腺刺激ホルモン、βポリペプチドとしても知られる）；カテプシン−Ｄ（ＣＴＳＤとしても知られる）；神経ペプチドＹ受容体Ｙ３（ＮＰＹ３Ｒとしても知られる；リポ多糖体関連タンパク質３、ＬＡＰ３、融合；ケモカイン（ＣＸＣモチーフ、受容体４）；ＣＸＣＲ４）；腫瘍遺伝子ＥＲＢＢｌ（ｃ−ｅｒｂＢ−１、上皮成長因子受容体、ＥＧＦＲとしても知られる）；Ｈｅｒ−２Ｎｅｕ（ｃ−ｅｒｂＢ−２もしくはＥＲＢＢ２としても知られる）；ＧＡＢＡ受容体Ａ、パイ（π）ポリペプチド（ＧＡＢＡＲＡＰ、ＧＡＢＡ−Ａ受容体、パイ（π）ポリペプチド（ＧＡＢＡ  Ａ（π）、γ−アミノ酪酸型Ａ受容体パイ（π）サブユニットとしても知られる）、もしくはＧＡＢＲＰ）；ｐｐＧａｌＮａｃ−Ｔ（６）（β−１−４−Ｎ−アセチル−ガラクトサミニル−トランスフェラーゼ６、ＧａｌＮＡｃトランスフェラーゼ６、ＧａＩＮＡｃＴ６、ＵＤＰ−Ｎ−アセチル−ｄ−ガラクトサミン：ポリペプチドＮ−アセチルガラクトサミニルトランスフェラーゼ６、もしくはＧＡＬＮＴ６としても知られる）；ＣＫ７（サイトケラチン７、サルコレクチン、ＳＣＬ、ケラチン７、もしくはＫＲＴ７としても知られる）；ＣＫ８（サイトケラチン８、ケラチン８、もしくはＫＲＴ８としても知られる）；ＣＫ１８（サイトケラチン１８、ケラチン１８もしくはＫＲＴ１８としても知られる）；ＣＫ１９（サイトケラチン１９、ケラチン１９、もしくはＫＲＴ１９としても知られる）；ＣＫ２０（サイトケラチン２０、ケラチン２０、もしくはＫＲＴ２０としても知られる）；Ｍａｇｅ（メラノーマ抗原ファミリーＡ亜型もしくはＭＡＧＥ−Ａ亜型としても知られる）；Ｍａｇｅ３（メラノーマ抗原ファミリーＡ３、もしくはＭＡＧＡ３としても知られる）；肝細胞成長因子受容体（ＨＧＦＲ、乳頭状腎細胞癌２、ＲＣＣＰ２、癌原遺伝子ｍｅｔ、またはＭＥＴとしても知られる）；ムチン−１（ＭＵＣ１、癌腫抗原１５．３、（ＣＡ１５．３）、癌腫抗原２７．２９（ＣＡ２７．２９としても知られる）；ＣＤ２２７抗原、エピシアリン、上皮膜抗原（ＥＭＡ）、多形上皮ムチン（ＰＥＭ）、ピーナツ反応性尿ムチン（ＰＵＭ）、腫瘍関連糖タンパク質１２（ＴＡＧ１２））；Ｇｒｏｓｓ  Ｃｙｓｔｉｃ  Ｄｉｓｅａｓｅ  Ｆｌｕｉｄ  Ｐｒｏｔｅｉｎ（ＧＣＤＦＰ−１５、プロラクチン誘発性タンパク質���ＩＰとしても知られる）；ウロキナーゼ受容体（ｕＰＲ、ＣＤ８７抗原、プラスミノゲン活性化因子受容体ウロキナーゼ型、ＰＬＡＵＲとしても知られる）；ＰＴＨｒＰ（副甲状腺ホルモン関連タンパク質；ＰＴＨＬＨとしても知られる）；ＢＳ１０６（Ｂ５１１Ｓ、小乳房上皮ムチン、もしくはＳＢＥＭとしても知られる）；プロスタテイン（Ｐｒｏｓｔａｔｅｉｎ）様リポフィリンＢ（ＬＰＢ、ＬＰＨＢ；抗原ＢＵｌＯｌ、分泌グロビンファミリー１−Ｄメンバー２、ＳＣＧＢ１−Ｄ２としても知られる）；マンマグロビン２（ＭＧＢ２；マンマグロビンＢ、ＭＧＢＢ、ラクリグロビン（Ｌａｃｒｙｇｌｏｂｉｎ）（ＬＧＢ）リポフィリンＣ（ＬＰＣ、ＬＰＨＣ）、分泌グロビンファミリー２Ａメンバー１、もしくはＳＣＧＢ２Ａ１としても知られる）；マンマグロビン（ＭＧＢ；マンマグロビン１、ＭＧＢ１、マンマグロビンＡ、ＭＧＢＡ、分泌グロビンファミリー２Ａメンバー２、もしくはＳＣＧＢ２Ａ２としても知られる）；乳房セリンプロテアーゼ阻害剤（マスピン、セリン（もしくはシステイン）プロテイナーゼ阻害剤クレードＢ（オボアルブミン）メンバー５、もしくはＳＥＲＰＩＮＢ５としても知られる）；前立腺上皮特異的Ｅｔｓ転写因子（ＰＤＥＦ；無菌アルファモチーフ指向性ドメイン（Ｓｔｅｒｉｌｅ  ａｌｐｈａ  ｍｏｔｉｆ  ｐｏｉｎｔｅｄ  ｄｏｍａｉｎ）含有ｅｔｓ転写因子、もしくはＳＰＤＥＦとしても知られる）；腫瘍関連カルシウムシグナル伝達物質１（結腸直腸癌抗原ＣＯ１７−１Ａ、上皮糖タンパク質２（ＥＧＰ２）、上皮糖タンパク質４０ｋＤａ（ＥＧＰ４０）、上皮細胞接着分子（ＥｐＣＡＭ）、上皮特異的抗原（ＥＳＡ）、胃腸腫瘍関連抗原７３３−２（ＧＡ７３３−２）、ＫＳ１／４抗原、染色体膜成分４表面マーカー１（Ｍ４Ｓ１）、ＭＫ−１抗原、ＭＩＣ１８抗原、ＴＲＯＰ−１抗原、もしくはＴＡＣＳＴＤ１）；テロメラーゼ逆転写酵素（テロメラーゼ触媒サブユニット、もしくはＴＥＲＴとしても知られる）；トレフォイル因子１（乳癌エストロゲン誘発性配列、ＢＣＥＩ、胃腸トレフォイルタンパク質、ＧＴＦ、ｐＳ２タンパク質、もしくはＴＦＦ１としても知られる）；葉酸塩；またはトレフォイル因子３（腸トレフォイル因子、ＩＴＦ、ｐ１．Ｂ；もしくはＴＦＦ３としても知られる）が含まれるが、これらに限定されない。
【０１７２】
一実施形態において、生物学的存在を蓄積するためのデバイスは、生体適合性および放射線吸収性ポリマーの壁内で少なくとも部分的に画定される流路を備え、生物学的存在は、細胞、細胞小器官、細菌、ウイルス、タンパク質、抗体、ＤＮＡ、または生体複合粒子である。
【０１７３】
応用。我々のＰＵＭＡチップの開発の原動力となる１つの動機は、精密濾過における応用のための高アスペクト比スリットの高密度アレイを製造する必要性であった。図１２’は、高密度充填された細胞１２１１（図１２’Ａ）およびビーズ１２２３（図１２’Ｂ）が、ＰＵＭＡに生成された垂直柱またはフィン１２１３のアレイにより保持、捕捉、および蓄積された顕微鏡画像を示す。
【０１７４】
応用。我々のＰＵＭＡチップの開発の原動力となる１つの動機は、精密濾過への応用のための高アスペクト比スリットの高密度アレイを製造する必要性であった。図１２は、高密度充填された細胞（図１２Ａ）およびビーズ（図１２Ｂ）が、ＰＵＭＡに生成された垂直柱またはフィンのアレイにより保持、捕捉、および蓄積された顕微鏡画像を示す。
【０１７５】
特に、図１２’Ａは、ＰＵＭＡ樹脂に製造された高アスペクト比スリット１２１４（画像の右側）によるＭＣＦ−７癌細胞１２１１の保持および蓄積を示す。公称流量は０．３ｍｌ／分であり；細胞は４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定した。図１２’Ｂは、ＰＵＭＡ樹脂から作製された高アスペクト比スリット１２２４による１５μｍ径ビーズ１２２３の保持および蓄積を示す。（Ａ）および（Ｂ）に対し同じマイクロ流体デザインを使用したが、高アスペクト比スリット１２１４を備える濾過障壁１２１３は、マイクロチャネル１２２１の出口１２２２側に設置した。
【０１７６】
特に、図１２（Ａ）は、ＰＵＭＡ樹脂に製造された高アスペクト比スリット（画像の右側）によるＭＣＦ−７癌細胞の保持を示す。公称流量は０．３ｍｌ／分であり；細胞は４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定した。図１２（Ｂ）は、ＰＵＭＡ樹脂から作製された高アスペクト比スリットによる１５μｍ径ビーズの保持を示す。（Ａ）および（Ｂ）に対し同じマイクロ流体デザインを使用したが、高アスペクト比スリットを備える濾過障壁は、マイクロチャネルの出口側に設置した。
【０１７７】
一態様において、「蓄積」は、別の類似種の枯渇を必要としない。蓄積は、種の絶対数の増加を指す。第２の種に対する比の増加をもたらす第２の種の枯渇による富化は、蓄積と同じではない。例えば、最初に種Ａが１０、種Ｂが１０存在し（１：１比）、最後に種Ａが１０、種Ｂが２存在する（５：１比）場合、種Ａの絶対数は増加していないため、これは富化であるが蓄積ではない。
【０１７８】
両方の実験において、同じマイクロ流体デザインを使用したが、柱１２１３間の距離は８μｍであり、柱１２１３の高さは４０μｍであった。図１２’Ａにおいては、固定された培養癌細胞１２１１（４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定されたＭＣＦ−７細胞）の希釈溶液を使用し、０．３ｍｌ／ｍｉｎでチップに流通させた。小領域に細胞を濃縮する能力は、特に細胞が高度に希釈された濃度で存在する場合、より正確で迅速な細胞計数を可能にするため、そのようなマイクロ流体フィルタは、臨床診断用途の既存のグリッド式手動血球計を補完するように機能し得る。図１２’Ｂにおいては、直径１５μｍのビーズ１２２３を使用した。ビーズをマイクロチャネルに充填するこの能力はまた、親和性精製（例えば、ビーズが抗体と共役した場合）またはサイズ排除クロマトグラフィー等、広範な用途を見出すことができる。そのような精密濾過に基づく全ての用途において、ただ１つのフィンの複製の欠陥が全チップの欠陥へと繋がるため、濾過素子を高収率で製造することができることが急務である。本論文は、注意を払う限り、また記載されたマイクロ加工処置に従う限り、ＰＵＭＡがそのような要求の厳しいマイクロ流体システムを製造するための重要な特性を有することを示す。
【０１７９】
両方の実験において、同じマイクロ流体デザインを使用したが、柱間の距離は８μｍであり、柱の高さは４０μｍであった。図１２Ａにおいては、固定された培養癌細胞（４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定されたＭＣＦ−７細胞）の希釈溶液を使用し、０．３ｍｌ／ｍｉｎでチップに流通させた。小領域に細胞を濃縮する能力により、特に細胞が高度に希釈された濃度で存在する場合、より正確で迅速な細胞計数が可能となるため、そのようなマイクロ流体フィルタは、臨床診断用途の既存のグリッド式手動血球計を補完するように機能し得る。図１２Ｂにおいては、直径１５μｍのビーズを使用した。ビーズをマイクロチャネルに充填するこの能力はまた、親和性精製（例えば、ビーズが抗体と共役した場合）またはサイズ排除クロマトグラフィー等、広範な用途を見出すことができる。そのような精密濾過に基づく全ての用途において、ただ１つのフィンの複製の欠陥が全チップの欠陥へとつながるため、濾過素子を高収率で製造することができることが急務である。本論文は、注意を払う限り、また記載されたマイクロ加工処置に従う限り、ＰＵＭＡがそのような要求の厳しいマイクロ流体システムを製造するための重要な特性を有することを示す。
【０１８０】
結論として、ＰＵＭＡは、臨床診断用途のマイクロ流体チップの商業生産において極めて有望な基板である。ＰＵＭＡは非弾性基板であるため、型解放中、または封入されたマイクロ流体デバイスを形成するための接合中は、高アスペクト比のマイクロ構造への損傷を避けるように特に注意が必要である。ＰＵＭＡ樹脂の紫外線硬化プロセスは極めて堅牢であるが、不適切な解放または接合は、チップ収率を大きく低減し得る。我々は、マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する解放引張器を使用することにより、我々の精密濾過チップにおいて使用されるもの等の高密度アレイにおいても、高アスペクト比のマイクロ構造を完璧に複製することができることを示した。コンフォーマルな密着中の過度の圧縮力を回避するため、真空包装機を使用してＰＵＭＡ複製とチップの底面との間の空気を除去しながら、収縮する真空バッグを利用して、穏やかながら均一な圧縮力を作用させるべきである。コンフォーマルな密着が確立されたら、チップをさらに硬化および加熱するための紫外線ランプの使用、高収率および強固な接合を提供するプロセスを含む、様々な接合方式を使用して、このコンフォーマルな密着を恒久的な接合に変換することができる。高アスペクト比のマイクロ構造を複製するＰＵＭＡの能力は、広範な分析用途における使用が見出されるはずであり、ＰＵＭＡは、使い捨てマイクロ流体デバイス、特に臨床的環境において使用されるものの製造において、既存の基板を補完すると考えられる。
【０１８１】
全ての目的において参照によりその全内容が本明細書に組み込まれる２つの記事のコピーを、別紙ＡおよびＢとして本明細書に添付する。本発明の実施形態に従い使用するための材料の一例の製品シートを、別紙Ｃとして本明細書に添付する。
【０１８２】
技術の様々な実施形態を上に記載した。上で説明された詳細は、当業者が開示された実施形態を作製および使用することができるように十分な様式で実施形態を説明するために提供されることが理解される。しかしながら、詳細および利点のいくつかは、いくつかの実施形態の実践には必要でない可能性がある。さらに、様々な実施形態の関連した説明を不必要に不明瞭化することを避けるために、いくつかの周知の構造または機能は、詳細には示されていない、または説明されていない可能性がある。いくつかの実施形態は特許請求の範囲内であり得るが、図面に関連して詳細に説明されていない可能性がある。さらに、様々な実施形態の特徴、構造、または特性は、任意の好適な様式で組み合わされている可能性がある。さらに、上述のものに類似した機能を実行するために使用することができる他の技術が多く存在し、したがって特許請求の範囲は、本明細書に記載されるデバイスまたは方法に限定されるべきではないことが、当業者には理解される。いくつかのプロセスは所定の順番で記載されているが、代替の実施形態は、異なる順番のステップを有する方法を実行してもよく、いくつかのプロセスは、削除、移動、追加、分割、結合、および／または修正され得る。したがって、これらの方法はそれぞれ、様々な異なる様式で実行され得る。また、いくつかの方法は、連続的に行われるように示されている時があるが、これらの方法は、代わりに並行して行われてもよく、または異なる時間に行われてもよい。本明細書に記載される見出しは、利便性のみを目的とし、特許請求の範囲または意味を説明するものではない。
【０１８３】
説明において使用される用語は、特定された実施形態の詳細な説明に関連して使用されているとしても、その最も広い妥当な様式で解釈されることを意図する。
【０１８４】
明らかに文脈により異なる意味が求められない限り、説明および特許請求の範囲全体にわたり、「備える」、「備えている」等の単語は、排他的または網羅的な意味ではなく、包含的な意味で、つまり「含むが限定されない」という意味で解釈されるものとする。単数または複数を使用した単語はまた、それぞれ、複数または単数を含む。請求項が２つ以上の項目のリストに関連して「または」という単語を使用する場合、この単語は、単語の以下の解釈の全てを包含する：リスト中の項目のいずれか、リスト中の項目の全て、およびリスト中の項目の任意の組合せ。
【０１８５】
付随する出願用紙にリストされ得る任意の書類を含め、いかなる特許、出願およびその他の参考文献も、参照することにより本明細書に組み込まれる。説明された技術の態様は、必要に応じて、さらなる実施形態を提供するために、上述した様々な参考文献のシステム、機能、および概念を使用するように変更され得る。
【０１８６】
これらの変更および他の変更は、上記の発明を実施するための形態に照らして行うことができる。上記説明は、ある特定の実施形態を詳説し、企図される最良の形態を説明しているが、いかに詳細であっても、様々な変更を行うことができる。実施の詳細は著しく変動し得るが、それでも本明細書に開示される技術に包含される。上述のように、技術のある特定の特徴または態様を説明する際に使用される特定の用語は、その用語が、本明細書において、その用語が関連する技術の任意の具体的特性、特徴、または態様に制限されるように再定義されていることを暗示するように解釈されるべきではない。一般に、以下の特許請求の範囲において使用される用語は、上記の発明を実施するための形態の項が明示的にそのような用語を定義していない限り、特許請求の範囲を明細書に開示される具体的実施形態に限定するように解釈されるべきではない。したがって、実際の特許請求の範囲は、開示された実施形態だけでなく、全ての等価物もまた包含する。
付属書類Ａ
使い捨てマイクロ流体デバイス製造のための新たなＵＳＰクラスＶｌ準拠基板
Ｊａｓｏｎ  Ｓ．Ｋｕｏ、Ｌａｉｙｉｎｇ  Ｎｇ、Ｇｌｏｒｉａ  Ｓ．Ｙｅｎ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．Ｌｏｒｅｎｚ、Ｐｅｒｒｙ  Ｇ．Ｓｃｈｉｒｏ、Ｊ．Ｓｃｏｔｔ  Ｅｄｇａｒ、Ｙｏｎｇｘｉ  Ｚｈａｏ、Ｄａｖｉｄ  Ｓ．Ｗ．Ｌｉｍ、Ｐｅｔｅｒ  Ｂ．Ａｌｌｅｎ、Ｇａｖｉｎ  Ｄ．Ｍ．Ｊｅｆｆｒｉｅｓ、およびＤａｎｉｅｌ  Ｔ．Ｃｈｉｕ＊
ワシントン大学化学部、Ｓｅａｔｔｌｅ、ＷＡ  ９８１９５−１７００
＊連絡先：
Ｅｍａｉｌ：ｃｈｉｕ＠ｃｈｅｍ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ
Ｆａｘ：＋１  ２０６  ６８５  ８６６５
Ｔｅｌ：＋１  ２０６  ５４３  １６５５
受領日
（緒言）
臨床診断における使用のためのマイクロ流体デバイスは、医学的用途の材料の要求に適合すると同時に完全に使い捨てとなり得るように、いかにしてこれらのデバイスを経済的に生産するかという商業化への課題に常に直面している。大部分はケイ素またはガラス基板上１−８に開発されている第１世代のマイクロ流体デバイスは、半導体加工ツールに大きく依存している。これらの基板に対する加工に必要な高額の資本投資のため、ケイ素またはガラスベースのデバイスは、使い捨てとすることに十分安価に販売することができなかった。
【０１８７】
１９９０年代後半、ポリマーベースのラピッドプロトタイピング（例えば、成形またはエンボス加工）が、マイクロ流体デバイスの第２世代へとつながった９−２１。最も顕著には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）が、ラピッドプロトタイピング複合マイクロ流体システムにおける非常に有望なポリマー基板材料となった２２−２５。その複製の混合−鋳造−焼成法は、迅速で、極めて一貫性を有し、そして単純である。ラピッドプロトタイピングにおいて便利である程、ＰＤＭＳは全てのマイクロ流体用途に対し普遍的な材料ではない２６。その弾性的性質は空気弁にとっては重要であるが、この同じ特性により、高流体圧に曝されると膨張しやすく、または高アスペクト比の特徴もしくは低アスペクト比のチャネルが関与すると崩壊しやすくなる。また、ＰＤＭＳの恒久的表面改質では、その表面が疎水性の状態に再び戻る傾向が高いため、課題が残されている２７−２９。
【０１８８】
最近、マイクロ流体デバイスの第３の波が最善のＰＤＭＳ複製戦略となっており、ある種の用途における基板としてのＰＤＭＳの欠点のいくつかに対応している２６，３０−３８。生産速度を増加させるために、熱硬化の代わりに紫外線硬化が次第に好ましくなっている。Ｆｉｏｒｉｎｉら２６，３８は、ＰＤＭＳを補完する基板材料として、紫外線硬化された熱硬化性ポリマー（ＴＰＥ）を探求した。Ｎｏｒｌａｎｄ６３３９、またはポリアクリレートの特性ブレンド４０等の市販の光学接着剤の紫外線硬化が提案されているが、常に樹脂または光開始剤の選択に起因して、妥当な時間内に薄層（約１００μｍ）しか硬化することができない。この問題に対応するため、Ｆｉｏｒｉｎｉら２６は、紫外線硬化後の熱硬化を使用して、典型的な厚さのマイクロ流体チップを製造した。さらに、これらの基板材料は、医学用途に対して評価されておらず、樹脂分解、反応性、溶媒残渣、または架橋副生成物に関してはほとんど知られていない。
【０１８９】
マイクロ流体デバイスの臨床用途への応用に対する関心が増大するとともに、製造上経済的であり、かつ規制認可に適合し得る基板材料を開発することが重要である。本論文は、マイクロ流体デバイス製造のための新材料として、ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）基板を紹介するが、これは、供給業者により、米国薬局方（ＵＳＰ）クラスＶＩ準拠として認定されている。ＵＳＰクラスＶＩ材料は、全身注射試験、皮内試験、および移植試験により試験され、生体適合性および非毒性であることが証明されている４１。ＰＵＭＡマイクロ流体デバイスの物理的、光学的、および化学的、ならびに動電学的特性の特性決定とともに、我々は、マイクロ構造の２つの極めて強固な複製プロセスも報告するが、これらは、現在他のプロトタイピング法を利用している研究者がこの新たな基板の使用から利益が得られるように、既存の複製マスター（例えば、ケイ素上のＳＵ−８フォトレジストまたはケイ素）に適合する。
【０１９０】
（材料および方法）
光学的測定。紫外線硬化性ＰＵＭＡ樹脂（１４０−Ｍ  Ｍｅｄｉｃａｌ／Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｄｈｅｓｉｖｅ、Ｄｙｍａｘ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製）をＰＤＭＳ型に注ぎ込むことにより、ＰＵＭＡ基板（２５ｍｍ（Ｗ）×７５ｍｍ（Ｌ）×２ｍｍ（Ｈ））を鋳造した。架橋反応の酸素阻害を防止するために、剥離可能なセロファンの界面シートを有する透明ポリプロピレンシート（厚さ８ミル）で樹脂の頂面を被覆した。樹脂および型を高強度紫外線源（ＡＤＡＣ  Ｃｕｒｅ  Ｚｏｎｅ  ２  ＵＶ  Ｆｌｏｏｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ、４００Ｗ金属ハライドランプを装着、３６５ｎｍで公称８０ｍＷ／ｃｍ２を供給）に１分間暴露させ、次いで裏返してさらに１分間暴露させた。次いで、硬化したＰＵＭＡ基板を型から解放した。
【０１９１】
熱硬化性ポリエステル（ＴＰＥ）片を、Ｐｏｌｙｌｉｔｅ３２０３０−１０樹脂（Ｒｅｉｃｈｈｏｌｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ製、ＮＣ）を使用して上述したように調製した１０，２６，３８。
【０１９２】
１ｎｍ分解能のＵＶ−ＶＩＳ分光光度計（Ｂｅｃｋｍａｎ  Ｃｏｕｌｔｅｒ社製、ＤＵ７２０）を使用して、光透過スペクトルを収集した。ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの試料は全て厚さ２ｍｍであったが、ガラス基板は厚さ１ｍｍであった。各材料に対して３つのスペクトルを収集し、平均化した。
【０１９３】
Ｎｉｋｏｎ  ＴＥ−２０００本体をベースとした特別設計の共焦点顕微鏡を使用して、各材料からの自己蛍光を収集した。固体ダイオード励起４８８ｎｍレーザ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｓａｐｐｈｉｒｅ、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ、ＣＡ、ＵＳＡ）およびＨｅＮｅ  ６３３ｎｍレーザからのレーザ励起を、１００×対物の背面口径に結合した（Ｎ．Ａ．１．４）。蛍光は、アバランシェフォトダイオード（ＳＰＣＭ−ＡＱＲ−１４、Ｐｅｒｋｉｎ  Ｅｌｍｅｒ社製、Ｆｒｅｍｏｎｔ、ＣＡ、ＵＳＡ）により収集した。各材料からの蛍光は、緑色波長範囲（５１０〜５６５ｎｍ）  および赤色波長領域（６６０〜７１０ｎｍ）の両方において、３回収集した。
【０１９４】
接触角測定。前項に記載した処置と同じ処置を使用して、ＰＵＭＡスラブ（２５ｍｍ（Ｗ）×７５ｍｍ（Ｌ）×３ｍｍ（Ｈ））を調製した。増加したスラブ厚を補うために、紫外線硬化時間を８０秒に延長し、続いてＰＤＭＳ型を裏返してさらに４０秒間型を通して暴露させた。表面上のプラズマ酸化の効果を決定するために、３つのＰＵＭＡスラブをプラズマチャンバ（ＰＤＣ−００１、Ｈａｒｒｉｃｋ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｃｏｒｐ製、Ｏｓｓｉｎｉｎｇ、ＮＹ）内で酸素プラズマに６分間供した（公称Ｏ２圧力２００ｍｔｏｒｒで２９．６ＷがＲＦコイルに印加された）。プラズマ酸化後の疎水性の回復を特性決定するために、これらの酸化ＰＵＭＡ基板をガラス瓶内に封入し、炉内で７５℃で２日間焼成した。
【０１９５】
接触角を測定するために、静的液適法を使用し、周囲温度でＰＵＭＡ基板上の１−μＬ  ＭｉｌｌｉＱ水滴の側面輪郭をＣＣＤカメラで撮影した。水−ＰＵＭＡ界面と水−空気界面との間の静的接触角は、ＩｍａｇｅＪソフトウェアのＤｒｏｐ  Ａｎａｌｙｓｉｓプラグインを使用して測定した。硬化ＰＤＭＳ上の接触角もまた、文献値との比較のために測定した。最低３回の測定を行った。
【０１９６】
溶媒適合性。小型の円形貯蔵部（６ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を有するＰＤＭＳ型内にＰＵＭＡ樹脂を鋳造し、紫外線下で硬化させることにより、小型のＰＵＭＡディスクを作製した。マイクロ流体用途において一般的に使用される２０の異なる化学物質中に、ディスクを室温で２４時間含浸した。実験の際簿にディスクの円形領域における変化を観察することにより、適合性を決定した。３回の試料を収集し、結果を平均化した。立体鏡下でＣＣＤカメラを使用して各ディスクの頂面画像を撮像し、ＩｍａｇｅＪ処理ソフトウェアを使用して円形領域を測定した。
【０１９７】
検討される化学物質は、水性または有機溶媒、酸、塩基、および染料を含む。染料（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ）の浸透を観察するために、Ｎｉｋｏｎ  ＡＺ１００顕微鏡によって５３３ｎｍ励起下においてＰＵＭＡディスクの蛍光画像を得た。
【０１９８】
電気浸透流。ＥＯＦを測定するためのマイクロ流体チャネルは、チャネルの両端に３ｍｍ（Ｄ）液体貯蔵部を有する直線チャネル（５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ））であった。電気回路および全流検出要素は、前記電流監視方法に従う４２，４３。負極性プログラム可能２ｋＶ  ＤＣ電源（Ｓｔａｎｆｏｒｄ  ＰＳ３５０）を、カソード貯蔵部内に含浸したＰｔ電極に接続した。アノード貯蔵部内に含浸した第２の電極をＫｅｉｔｈｌｙ６４８５ピコ電流計と直列に１００ｋΩ抵抗に接続した。ピコ電流計により読み出された電流は、次いで、高電圧電源の出力も制御する特製のＬａｂ  Ｖｉｅｗプログラムを使用するコンピュータにより記録された。ホウ酸ナトリウム溶液（１０ｍＭおよび２０ｍＭ）を、緩衝液として使用した。溶液は、不慮の気泡の生成を低減するために、使用直前に超音波照射した。ゴム球で吸い上げることによりＰＵＭＡチャネルを充填し、次いで貯蔵部を排気して６０μＬのホウ酸塩溶液で再充填した。
【０１９９】
電気浸透移動度に対するチップの経過時間の効果を検討するために、３回の別個の生成運転から複数のチップを調製し、次いで単純に周囲条件下においてペトリ皿内に保存した。保存前、チャネルは乾燥しており、ＥＯＦ測定の直前にのみ緩衝液で充填した。各チップは、１日のみ使用した（すなわち後日ＥＯＦ測定に再利用しなかった）。
【０２００】
（結果および考察）
一般的な物理的特性。ＰＤＭＳ、ＴＰＥ、およびＰＵＭＡの主要な物理的および表面特性は、表１に要約される。Ｄｙｍａｘ１４０−Ｍ樹脂ベースのようなＰＵＭＡは、ＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社製Ｓｙｌｇａｒｄ１８４）に匹敵する粘度を有し、したがってＰＤＭＳが可能な程微細な特徴を複製することが期待される。ＰＤＭＳよりも極めて硬い硬化したＰＵＭＡ樹脂は、高アスペクト比のマイクロ構造を生成することにより好適である。ＰＵＭＡは硬化すると熱可塑性であり、供給業者によるその定格使用温度は−５５℃から２００℃の間であるが、我々は、＞７５℃である程度の軟化を認め、これを利用して接合することができる。ＰＤＭＳに類似して（ただしＴＰＥとは異なり）、ＰＵＭＡは臭気が非常に低く、特別な換気下で取り扱う必要がない。
【０２０１】
特徴の複製。図１は、微細特徴をＰＵＭＡ基板上に複製するために使用される２つの処置を示し、左側は、ＰＤＭＳチャネルの生成を目的とするＳＵ−８マスターからのステップを示し、一方右側は、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）されたケイ素マスターからのステップを示す。
【０２０２】
図１の左側に従い、レリーフ特徴を有するＳＵ−８マスターを使用してＰＤＭＳインプリント（すなわち、レリーフに対し反対の極性）を生成した。このＰＤＭＳインプリントをプラズマ中で酸化し、次いで、真空デシケータ内で（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランでシラン化したが、このプロセスは、すでに形成されているＰＤＭＳインプリントに硬化直後のＰＤＭＳが付着するをこと防止した。追加のＰＤＭＳをシラン化インプリントの上に注ぎ、７５℃で少なくとも２時間硬化させ、インプリントから慎重に分離することにより、ＰＤＭＳ複製（すなわち、ＳＵ−８マスターと同じ極性）を生成した。次いで、（ＳＵ−８マスターの）ＰＤＭＳ複製を、ＰＵＭＡ樹脂の型として使用した。各複製間の清浄化により（以下でより詳説される）、ＰＤＭＳ「マスター」は、複数回使用することができた。このＰＤＭＳ上のＰＤＭＳの複製は、ＰＵＭＡがＳＵ−８から良好に解放されないため必要であった。ＳＵ−８マスターが正しい極性を有する場合は、１つのＰＤＭＳ複製のみで十分である。我々は、ＰＤＭＳ複製に使用される既存のＳＵ−８マスターを使用してＰＵＭＡデバイスを作製することができるように、この処置を記載する。
【０２０３】
正しいＰＤＭＳ型が得られた後、ＰＵＭＡ樹脂を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地（厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシートで被覆した。重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂に埋め込んだ。アセンブリ全体を、紫外線源に８０秒置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒置いた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板を、弱い機械的圧力を使用することにより別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラスにコンフォーマルに接合した。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【０２０４】
各複製間に、ＰＤＭＳ型を、イソプロパノールおよび水の中で超音波照射し、７５℃で少なくとも１５分間焼成した。
【０２０５】
高アスペクト比の特徴を複製するために、ＰＵＭＡ鋳造用の型は、図１の右側に記載されるように、ＤＲＩＥ−Ｓｉマスター上に鋳造されたＰＤＭＳインプリントであった。この手法は、傾倒しやすい、または崩壊しやすい高アスペクト比のレリーフ特徴をＰＤＭＳに生成する必要性を排除する。さらに、図１の左側の第２のステップに記載されるように、マイクロ構造のアスペクト比が増加すると、ＰＤＭＳの２つの互いに噛み合った部分は、分離中に極めて断裂しやすい。
【０２０６】
流体貯蔵部または相互接続用の穴を形成するためには、我々は、ＰＴＦＥポストの埋没が単純な処置であることを見出した。ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、レーザ切断もまた、流体貯蔵部または相互接続穴を形成する上で効果的な方法である。穿孔は壁に大量の屑を生成し、接触点において基板の屈曲をもたらしたため、穿孔は推奨されない。
【０２０７】
複製忠実度。紫外線硬化プロセスにおける主な課題は、鋳造物の厚さに応じた紫外線量の制御である。紫外光は、樹脂を貫通するに従い減衰するため、樹脂の頂部が最初に硬化する。これにより、樹脂の頂部が過度に硬化し（硬すぎる）、一方ＰＤＭＳ型と接触した界面、特に微細特徴は、未硬化のままとなる。困難を悪化させることには、ＰＵＭＡの架橋反応が、ＰＤＭＳによりやや阻害される。弾性シリコーンは優れた型解放特性を有するが、過度の紫外線硬化は、樹脂と型との間の恒久的接合をもたらした。したがって、最適な紫外線暴露の時間枠が存在し、暴露は、樹脂の上から、および透明な型を通して、両方で行う必要がある。この枠は、各紫外線暴露源に対し、個々に綿密に設定しなければならない。時間枠が手作業により正確に従うには短すぎる場合、光子束を減少させることによって、例えば、より低い強度の光源を使用することによって、または強度を減衰させるために樹脂の上にガラス板を置くことによって、より許容差を与えることができる。
【０２０８】
図２Ａは、シラン化ＰＤＭＳインプリントのＳＥＭ画像を示し、図２Ｂは、対応するＰＵＭＡ複製（インプリントと同じ極性）を示す。このＰＵＭＡ複製は、図１の左側に従い記載される２段階ＰＤＭＳ転写法を使用して生成した。複製忠実度は、図２Ｂの挿入図に示されるように、約２μｍまでと良好であった。ＰＤＭＳインプリントのＳＥＭ画像は著しい表面割れを示していることが分かり、これらの割れは肉眼で視認できるほど十分長かったが、非常に微細で表面的であるようであった。プラズマ衝撃に供されたＰＤＭＳのＳＥＭ画像においては、酸素プラズマによる、またはＳＥＭ試料調製中のＡｕ／Ｐｄ薄膜被覆のスパッタリングによるこの表面割れの挙動が、一貫して観察された４４。ほとんどの場合、これらの表面割れは、ＰＵＭＡ複製においては見られなかった。
【０２０９】
図３は、ＰＵＭＡに複製されたマイクロ構造のさらなるＳＥＭ画像を示す。図３Ａは、頸部が幅４μｍの高さ２μｍのマイクロチャネル狭窄部のＰＵＭＡ複製を示す。ＳＥＭ画像において観察され得るように、チャネルのテーパの細部が良好に維持されていた。図３Ｂは、２層構造であり、２つの直交するチャネルは異なる高さであり、水平チャネルは３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）であり、一方垂直チャネルは１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ）であった。２層構造は、型解放ステップにおいていかなる問題もなかった。
【０２１０】
図３Ｃは、ＰＵＭＡに複製された、異なる幅の交互する中実壁および間隔からなる試験パターンのＳＥＭ画像を示す。図３Ａおよび３Ｂに示される複製とは異なり、図３Ｃにおける複製は、図１に概説される処置の右側、すなわちＤＲＩＥエッチングされたＳｉマスターを起点とする複製プロセスに従うことにより得られた。この試験パターンは、（１）紫外線架橋が、特徴の密度の関数として不均一である可能性があるかどうか、および（２）高密度特徴が、型解放による損傷をより受け易い可能性があるかどうかを試験するために開発された。マイクロ構造の高さは約４０μｍであった。図３Ｄは、図３Ｃの下半分の柱の横からの図であり、これらの密集した柱は、明確な直立した側壁を有し、傾倒や広がりの形跡はなかった。この場合に達成されたアスペクト比（Ｈ／Ｗ）は、約３．５であった。
【０２１１】
接触角。文献値との比較のために、我々の設定で測定された未処理ＰＤＭＳ上の水の接触角は１０２°であり、これはＨｉｌｌｂｏｒｇらにより報告値と一致している４５。紫外線硬化ＰＵＭＡ基板は７２°の接触角を有していたが、これはＰＤＭＳと比較して大幅により親水性である。この値は、この樹脂の主成分であるポリウレタンの報告値４６に非常に近い。酸素プラズマによる処理は、ＰＵＭＡの接触角をさらに５３°まで低減させたが、これはまた酸化ポリウレタンの値４６と一致している。接触角のプラズマによる低下は焼成により逆転し、接触角は７５°に戻ったが、これは未処理ＰＵＭＡ基板との統計的な一致の範囲内である。
【０２１２】
光学特性。硬化したＰＵＭＡは光学的に透明であり、１．５０４の屈折率を有する。図４Ａは、２００〜１０００ｎｍにわたるＰＵＭＡを通した光透過性を、ＴＰＥ、ＰＤＭＳ、およびガラスの光透過性とともにプロットしたものである。ＰＵＭＡは、可視範囲においてガラスと同様の光学的透明度を有するが、架橋用の紫外線光開始剤が存在するため、当然ながら紫外線範囲において鋭い吸収が予測される。したがって、ＰＵＭＡは、ＴＰＥ同様、紫外線吸収用途には特に好適ではない。
【０２１３】
図４Ｂは、４８８ｎｍおよび６３３ｎｍ励起下でのポリマー基板による自己蛍光性を示す。３つ全てのポリマー基板の自己蛍光レベルは、他のプラスチック材料における観察４７と一致して経時的に減衰した。図４Ｂの挿入図は、ＰＤＭＳ、ＰＵＭＡ、およびＴＰＥの最大自己蛍光レベルを比較したものであり、ＰＵＭＡはＴＰＥよりも低い自己蛍光性を示したが、ＰＤＭＳより高い自己蛍光性を示した。この自己蛍光性のレベルは、蛍光検出が関連するほとんどの用途に好適である。しかしながら、高感度単一分子研究においては、基板からのバックグラウンド信号を効率的に排除することができる共焦点検出構成を使用すべきである。
【０２１４】
溶媒適合性。表２は、各化学物質中でのＰＵＭＡディスクの観察された膨潤比を一覧にしたものである。ＰＵＭＡは、染料、酸、塩基、水、ホルムアルデヒド、鉱物油、シリコーン油、フロリナート、およびパーフルオロデカリンに対し非常に耐性であることが判明した。純度１００％のほとんどの有機溶媒は膨潤を引き起こしたが、ＰＵＭＡは、アセトンおよびアセトニトリルに対して、ＴＰＥの膨潤比２６よりも低い膨潤比を有していた。メタノールおよびエタノール等の低分子量アルコールに対しては、ＰＵＭＡは、約１．１の膨潤比を有していたポリウレタン単独４６と比較してより膨潤したようであることが分かる。
【０２１５】
図５は、含浸の効果を例示するために、様々な有機化合物および染料中で２４時間含浸した後のＰＵＭＡディスクの選択された画像を示す。水と混合しない油は、ＰＵＭＡディスクに影響しなかった（図５Ａ）。我々はまた、鉱物油、フロリナート、およびパーフルオロデカリン中で試料を９０℃まで加熱することによりＰＵＭＡの追加試験を行ったが、円の領域における明確な変化または分解は観察されなかった。この事実により、ＰＵＭＡは、これらの油の多くを使用する液滴マイクロ流体工学における新たな用途に適合するはずである。一方、アルコール、ヘプタン、ＤＭＳＯ、および、特にテトラヒドロフラン中では、著しい膨潤が観察され、大きな亀裂が観察された（図５Ｂ）。いくつかの溶媒に対しては、均一な膨張を引き起こさず、いくつかのディスクは、含浸の結果、中心に陥凹部を形成した（図５Ｃ、イソプロパノールの場合）。これは、浸透速度がより緩やかであるために、２４時間後でもディスクの中心部はほぼ影響されずに残ることに起因するものと思われる。
【０２１６】
染料の浸透は、２５μＭのＲｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ（図５Ｄ）に含浸したＰＵＭＡディスクに観察されたが、フルオレセインには観察されなかった。Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂによる染料の浸透は残念であるが、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂはほとんどのポリマー材料に浸透することが知られているため、予想されることである。
【０２１７】
電気浸透流。図６Ａは、ＥＯＦ実験の電気回路を示す。未処理ＰＵＭＡは、非常に強い電気浸透移動度を示し、ＥＯＦはカソードに向かって移動するが、これはＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥの場合と同じ方向である。これは、未処理ＰＵＭＡ表面もまた、使用した緩衝環境下において負電荷を示すことを示唆している。ホウ酸塩緩衝液中、ＰＵＭＡの電気浸透移動度ｖｅｏｆは５．５×１０−４  ｃｍ２Ｖ−１ｓｅｃ−１であったが、これは石英ガラスキャピラリの場合に極めて匹敵するものであり、図６Ｂの挿入図は、電気浸透移動度測定の統計分布を示す。この値は、文献に報告されている熱硬化ポリウレタンの値４６よりも約２倍高い。図６Ｂは、アノード貯蔵部を２０ｍＭホウ酸塩緩衝液と置き換えた場合に電流が安定化した様子を示している。ＥＯＦがアノード貯蔵部内の２０ｍＭ緩衝溶液を駆動して以前チャネル内にあった１０ｍＭ緩衝液を押し出すと、イオン強度が増加し、チャネル全体が２０ｍＭ緩衝液で充填されるまで電流の増加をもたらした。電場が２００Ｖ／ｃｍから６６７Ｖ／ｃｍ（我々の電源からの最大出力）に増加すると、新たな定常状態に達する時間が予測通り減少した。我々が印加した電場の範囲内で、ジュール加熱は全く認められなかった。図６Ｃは、印加電場の関数としての、１０ｍＭおよび２０ｍＭホウ酸塩緩衝液を使用して測定された電流をプロットしたものである。６６７Ｖ／ｃｍまでは、これらの関係は線形であり、ジュール加熱によるイオン伝導率の変化は示さなかった。
【０２１８】
ＰＤＭＳまたはＴＰＥとは異なり、ＰＵＭＡ表面は、高ＥＯＦを達成するために酸化する必要はなく、さらに、電気浸透移動度は、製造後著しく安定であった。図６Ｄは、製造後の異なる日数で測定した電気浸透移動度を示し、１回のみの生成運転からのサンプリングに関連したシステムのサンプリング誤差を回避するために、３回の生成運転から選択された様々な日数の異なるチップを各測定に使用した。図６Ｄに示されるように、平均（水平線）は、１２日まではチップの日数に対して不変であった。しかしながら、チップが古くなるにつれて測定を妨害する気泡の頻度の増加が認められた。この観察の正確な原因は不明であるが、我々は、使用前に全ての溶液に超音波照射し、視認可能ないかなる泡も顕微鏡検査下で吸い出すことにより、一般的な気泡源を排除するように細心の注意を払った。我々は、窒素または真空下でのＰＵＭＡチップの保存が、おそらくは泡生成の発生を低減することに役立つ可能性があると推察する。
【０２１９】
（結論）
ＰＵＭＡは、臨床的状況における使い捨ての使用のためのマイクロ流体デバイス製造用の極めて有望な材料である。原材料がすでにＵＳＰクラスＶＩ準拠であることが認められているため、その化学的不活性、使用温度、生体適合性、および滅菌可能性は良く特性決定されており、この材料から製造されたデバイスは、規制認可に適合することが推定され得る。本論文は、高密度および高アスペクト比であっても高い忠実度のマイクロ構造複製を提供する、細かく調整された生成プロセスを報告した。この生成プロセスは、Ｓｉ上ＳＵ−８マスターまたはＤＲＩＥエッチングされたＳｉマスターから製造された既存のＰＤＭＳ型をベースとし得る。ＰＵＭＡは、可視領域において光学的透明度を提供し、非弾性である。その表面特性は、ＰＤＭＳと比較して極めて安定である。ほとんどがポリウレタンで構成されるＰＵＭＡの表面は、ポリウレタンと同様の生物付着耐性を有すると推定される。熱硬化に必要とされる数時間ではなく、数分（我々の処置では＜２分であり、連続生成中の紫外線量の正確な計測には、コンベヤベルト上に紫外線源を装着してもよい）の時間を要する紫外線硬化プロセスは、より高い生成処理量に直結すると推測され、これは、使い捨てマイクロ流体デバイスの製造コストの低減に必要である。さらに、ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、封入されたマイクロ流体デバイスを形成するための接合が容易で強固であり、今回、我々は、コンフォーマルに密着したチップを、長期間紫外線源下に置いただけであった。超音波溶接、急勾配赤外線加熱炉（例えば、回路基板修復における半田のリフローにしばしば使用される）、または他の商業的な非溶媒結合手法は、品質管理において追加的な利点を提供し得る。これらの特性により、ＰＵＭＡは、使い捨てマイクロ流体ベースの診断デバイスの製造における有用な基板であることが期待される。
【０２２０】
（謝辞）
本研究に対するＬｉｆｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ  Ｆｕｎｄ（ＬＳＤＦ）、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｓ  ｏｆ  Ｈｅａｌｔｈ（ＥＢ００５１９７）、およびＫｅｃｋ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎの支援に感謝の意を表します。
【０２２１】
（図面の説明）
図１．ＳＵ−８マスター（左側）から、および深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により製造されたケイ素マスター（右側）から複製することによりＰＵＭＡチップを生成するための処置。
【０２２２】
図２．（Ａ）シラン化ＰＤＭＳインプリントおよび（Ｂ）対応するＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像。挿入図：より高倍でのデザインの微細構造。
【０２２３】
図３．様々なＰＵＭＡ複製のＳＥＭ画像。（Ａ）２μｍ（Ｈ）×４μｍ（Ｗ）の狭窄部。（Ｂ）２層チャネル構造（水平チャネル：３μｍ（Ｗ）×３μｍ（Ｈ）；垂直チャネル：１０μｍ（Ｗ）×１０μｍ（Ｈ））。（Ｃ）異なる幅の中実壁および周期的な間隔の柱からなる試験パターン。（Ｄ）（Ｃ）に示される高アスペクト比の柱の側面図。
【０２２４】
図４．（Ａ）ＰＵＭＡ、ＰＤＭＳ、ガラス、およびＴＰＥの光透過特性。（Ｂ）ＴＰＥ、ＰＵＭＡ、およびＰＤＭＳの緑色蛍光（実線；５１０〜５６５ｎｍ、λexcitation＝４８８ｎｍ）および赤色蛍光（点線；６６０〜７１１ｎｍ、λexcitation＝６３３ｎｍ）強度。挿入図：各ポリマーの最大（初期）自己蛍光。
【０２２５】
図５．（Ａ）パーフルオロデカリン、（Ｂ）テトラヒドロフラン、（Ｃ）イソプロパノール、および（Ｄ）２５μＭ  Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  Ｂ中に２４時間含浸したＰＵＭＡディスク（５３３ｎｍ励起での蛍光画像）。
【０２２６】
図６．ＰＵＭＡ基板の界面動電特性。（Ａ）ＥＯＦ測定に使用した回路の回路図。（１：−２ｋＶ  Ｓｔａｎｄｆｏｒｄ  ＰＳ３５０電源；２：ホウ酸塩緩衝液を充填した５０μｍ（Ｈ）×５０μｍ（Ｗ）×３ｃｍ（Ｌ）チャネルを有するＰＵＭＡチップ；３：１００ｋΩ抵抗、４：Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６４８５ピコ電流計；５：データ取得用ＰＣ）。（Ｂ）動電駆動流下での電流トレース。挿入図：ｖｅｏｆ測定の統計分布；Ｎ＝６８。（Ｃ）印加電場の関数としての電流トレース。（Ｄ）接合後のＰＵＭＡチップの経過日数の関数としてのｖｅｏｆ。
【０２２７】
（表の説明）
表１．ＰＤＭＳ、ＴＰＥ、およびＰＵＭＡの物理的特性。
【０２２８】
１製造業者から入手可能なより高粘度のバージョン。
【０２２９】
２＞５分のＯ２プラズマ後。
【０２３０】
３プラズマ処理後７５℃で２日間焼成された。
【０２３１】
表２．様々な溶媒中で２４時間含浸した後のＰＵＭＡディスクの面積比。
（参考文献）
【０２３２】
【表３−１】
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【０２３３】
【表３−２】
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【０２３４】
【表４】
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【０２３５】
【表５】
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【０２３６】
【表６】
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【０２３７】
【表７】
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【０２３８】
【表８】
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【０２３９】
【表９】
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【０２４０】
【表１０】
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【０２４１】
【表１１】
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付属書類Ｂ
ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）使い捨てマイクロ流体デバイスに高アスペクト比構造を製造するための最適化された方法
Ｊａｓｏｎ  Ｓ．Ｋｕｏ、Ｙｏｎｇｘｉ  Ｚｈａｏ、Ｌａｉｙｉｎｇ  Ｎｇ、Ｇｌｏｒｉａ  Ｓ．Ｙｅｎ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍ．Ｌｏｒｅｎｚ、Ｄａｖｉｄ  Ｓ．Ｗ．Ｌｉｍ、およびＤａｎｉｅｌ  Ｔ．Ｃｈｉｕ＊
ワシントン大学化学部、Ｓｅａｔｔｌｅ、ＷＡ  ９８１９５−１７００  ＵＳＡ
＊連絡先：
Ｅｍａｉｌ：ｃｈｉｕ＠ｃｈｅｍ．ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ．ｅｄｕ
Ｆａｘ：＋１  ２０６  ６８５  ８６６５
Ｔｅｌ：＋１  ２０６  ５４３  １６５５
（要約）
我々は最近、臨床診断用途における使い捨てマイクロ流体基板として優れた品質を有する、新たな紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）樹脂を報告した。本論文は、特に、高密度および高アスペクト比の特徴を含有するマイクロ流体システムについて、ＰＵＭＡ樹脂から製造されたチップの生産歩留まりを改善するためのいくつかの戦略について検討する。具体的には、マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する型解放処置を説明する。また、繊細な構造を破壊し得る過度の圧縮力を回避する、ＰＵＭＡ基板間の密着を形成するための単純ながら拡張可能な方法を示す。最後に、ＰＵＭＡマイクロ流体デバイスとの相互接続を形成するための２つの方法を詳説する。これらの製造上の改善は、高度に希釈された懸濁液からの細胞またはビーズを保持および濃縮することに好適な、密集した高アスペクト比のフィンを含有する、精密濾過デバイスを生産するために配備された。
【０２４２】
キーワード．ポリジメチルシロキサン、ＰＤＭＳ、ポリウレタン−メタクリレート、ＰＵＭＡ、バイオチップ、マイクロ流体、紫外線硬化、鋳造、ラピッドプロトタイピング、臨床診断。
【０２４３】
（緒言）
ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、使い捨てマイクロ流体デバイスの製造用の魅力的な基板であるが、その利点のうちの主なものには、製造の容易性、および簡易なオンチップ弁形成を可能とするその弾性的性質が含まれる１−４。しかしながら、高アスペクト比レリーフ特徴または低アスペクト比マイクロチャネルの鋳造は、弾性ＰＤＭＳにおいては極めて困難であり、低い剛性率に起因して、しばしばマイクロ構造が自重で屈曲する５−７か、マイクロ構造がたわんだシーリングから離断するか、または動作圧が増加すると開口が拡張する。これらの機械的完全性の問題に対応するための取り組みには、ｈ−ＰＤＭＳ（「硬質」ＰＤＭＳ）等のより硬いマイクロ流体基板の導入８，９、および熱硬化性ポリマー（ＴＰＥ）４，１０またはＮｏｒｌａｎｄ６３１１もしくはポリアクリレートのブレンド１２を含む市販の光学接着剤の紫外線硬化が含まれる。
【０２４４】
我々は最近、非弾性であり、特に臨床診断用途における使い捨てマイクロ流体基板として優れた品質を有する、新たな紫外線硬化性ポリウレタン−メタクリレート（ＰＵＭＡ）樹脂を報告した。このＰＵＭＡ基板は、光学的に透明であり、生物付着耐性であり、マイクロ流体用途において使用される多くの化学物質に適合し、典型的な厚さ（ほぼガラススライドの厚さ）まで硬化可能であり、封入されたデバイスを形成するために容易に接合可能であり、表面改質なしに石英ガラスキャピラリに匹敵する電気浸透流を生成することができる。供給業者により米国薬局方（ＵＳＰ）クラスＶＩ準拠として認定されたこのＰＵＭＡ樹脂は、その化学的不活性、使用温度、生体適合性、および滅菌可能性、つまり医療診断デバイス製造に必要な全ての品質について十分に試験されている。
【０２４５】
本論文では、ＰＵＭＡ樹脂の紫外線鋳造における後半のステップである型解放、接合、および外部流体送達への相互接続に焦点を置く。型解放の間、高アスペクト比のマイクロ構造は、せん断により誘引される損傷を受けやすく、一方接合の間、それらは圧縮に関係した損傷を受けやすい。これらの２つのステップ中の損失は、紫外線鋳造の収率に関与してはならず、この収率は、紫外線量および樹脂の厚さが適切に最適化されれば極めて一貫する。我々は、型解放および接合ステップをトラブルシューティングするために多大なる努力を重ね、非一貫性および複製されたマイクロ構造に対する不慮の損傷を排除するための技法を開発した。その結果、品質管理が向上し、収率が改善した。これらの技法はまた、商業規模の生成にも容易に適合させることができる。
【０２４６】
（実験）
ケイ素ウエハの深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）により成形マスターを調製し、これを（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランで一晩シラン化したことを除いて、以前に説明した１３ラピッドプロトタイピング処置に従いポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）型を調製した。ＰＵＭＡ樹脂（Ｄｙｍａｘ１４０−Ｍ、Ｔｏｒｒｉｎｇｔｏｎ、ＣＴ）を３ｍｍの厚さまでＰＤＭＳ型に施し、次いで、架橋反応の酸素阻害を防止するために、透明ポリプロピレン裏地（厚さ８ミル）に貼られたセロファンのシートで被覆した（図１Ａ）。重要な用途においては、セロファンの代わりに、可塑剤を含有しないポリクロロ−トリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）ポリマーであるＡｃｌａｒシート（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ社製、Ｍｏｒｒｉｓｔｏｗｎ、ＮＪ）を使用することができる。流体貯蔵部または外部接続用の穴を形成するために、ＰＴＦＥポスト（３ｍｍ（Ｄ）×３ｍｍ（Ｈ））を、硬化前にＰＵＭＡ樹脂に埋め込んだ。アセンブリ全体を高強度紫外線源（ＡＤＡＣ  Ｃｕｒｅ  Ｚｏｎｅ  ２  ＵＶ  Ｆｌｏｏｄ  Ｌｉｇｈｔ  Ｓｏｕｒｃｅ、４００Ｗ金属ハライドランプを装着、３６５ｎｍで公称８０ｍＷ／ｃｍ２を供給）に８０秒間置き（樹脂側からの暴露）、続いてさらに４０秒間暴露させた（型側からの暴露）。型から解放されたら、ＰＵＭＡ基板を、弱い機械的圧力により別のＰＵＭＡ被覆（硬化）ガラスにコンフォーマルに接合した。ＰＵＭＡチップを紫外線フラッド源下にさらに１０分間置くことにより、このコンフォーマルな接合を恒久的接合に変換した。
【０２４７】
各複製間に、ＰＤＭＳ型を、イソプロパノールおよび水の中で超音波照射し、７５℃で少なくとも１５分間焼成した。
【０２４８】
（結果および考察）
流体相互連結。図１Ｂは、外部流体送達のためのＰＵＭＡチップの連結の２つの例を示す。これらの２つの連結法を用いて作製されたチップは、高体積流量（１〜１０ｍＬ／ｍｉｎ）または高流体抵抗が関与する用途に適用すると、通常最大４０ｐｓｉまで耐えた。図１Ｂの左側は、外部配管の単純な取り付けを可能にする９０℃屈曲部の使用を示している。屈曲部は、厚肉ポリウレタン（ＰＵ）配管（１／８インチ外径（ＯＤ）、１／１６インチ内径（ＩＤ））に挿入したが、これはせん断に対する機械的アンカーとして機能した。次いで、ＰＵ配管を、ＰＵＭＡ基板の１／８インチ穴（ＰＴＦＥポストの埋没またはレーザ切断により形成された）に挿入し、追加の接着剤  を結合部周囲に施した。このデザインは、返し付きコネクタからの外部配管の迅速な取り外しを可能にする。
【０２４９】
第２のデザイン（図１Ｂの右側）は、１／１６インチＯＤ（またはＢｅｃｔｏｎ  Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ社製ＰＥ１００配管と同等の寸法）のＰＴＦＥ配管とＰＵＭＡチップとの連結を示す。（１）ＰＥ表面は接着剤接合に抵抗性を有し、（２）極めて弾性の配管は長さ方向に引くと容易に破断することから、我々は、ＰＤＭＳベースのマイクロ流体デバイスとの連結に一般的に使用される従来のポリエチレン（ＰＥ）配管（例えば、ＰＥ１００）が、ＰＵＭＡチップとうまく機能しないことに気付いた。我々が見出した最良の配管は、１／１６インチＯＤのＰＴＦＥ配管である。ＰＴＦＥ配管に化学的に結合することはほぼ不可能であるが、これは、外表面をポリオレフィン熱収縮で被覆することにより回避することができる。次いで、ＰＴＦＥ配管は、１／１６インチ径の穴に直接挿入して追加の樹脂で固定するか、または、せん断アンカーとしての補助ＰＵ配管（１／８インチＯＤ）で１／８インチの穴に挿入して追加の樹脂で固定することができる。
【０２５０】
ＰＤＭＳチップとの比較。硬化したＰＵＭＡ樹脂はショア硬度Ｄ６０を有し、これは弾性ＰＤＭＳ（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ社製Ｓｙｌｇａｒｄ１８４に対してはショアＡ５０）よりも著しく硬い。独立した機械的に脆い特徴（特に支持されていない高い垂直柱またはウィスカー）の場合、ＰＤＭＳは、その低い剛性率のために製造材料として使用することはできず６、特徴は、重力下で単に傾いて倒壊する。
【０２５１】
図２は、ＰＵＭＡでは製造可能であるがＰＤＭＳでは製造可能でない特徴の一例を示す。図２Ａは、ＰＵＭＡ樹脂における複製の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示し、複製のための試験パターンは、中実壁と交互した密集した垂直柱からなる。特徴の高さは約４０μｍであり、垂直柱のアスペクト比は約３．５であった。複製または解放プロセスにおいて方向における問題がある場合のトラブルシューティングの一助となるように、屈曲部がデザインに組み込まれた。図２Ａにおいて明確なように、ＰＵＭＡに生成された柱は、傾倒の徴候のない明確な垂直プロファイルを有していた。
【０２５２】
図２Ｂは、深堀反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して生成されたケイ素マスターのＳＥＭ画像を示す。このマスターは、逆の極性を有し（すなわち、レリーフは陥凹部となる）、図２Ａと同じ極性でＰＤＭＳに特徴を複製することを意図するものであった。Ｓｉウエハ上のＳＵ−８フォトレジストがマスターを生成するより一般的な手法であるが、ここでは、深い陥凹部における未硬化ＳＵ−８樹脂の完全除去を確実とするのは困難であるため、ＤＲＩＥを使用してマスターを生成した。深い陥凹部におけるＳＵ−８の存在は、複製ＰＤＭＳにおける特徴の収縮に寄与し、これは陥凹部におけるＰＤＭＳの不完全な充填から区別することができない。図２Ｃは、図２Ｂにおけるケイ素マスターから成形されたＰＤＭＳを示す。ＰＤＭＳ柱は、長い湾曲した壁と同じ高さのものであり、これは良好な複製を示すにもかかわらず、自重を支えることができず、したがって傾いてしまったことがすぐに分かる。自重による倒壊またはたるみはまた、低アスペクト比のＰＤＭＳマイクロチャネルでも予測される。
【０２５３】
解放プロセス。低アスペクト（Ｈ／Ｗ＜１）の特徴においては、（１）硬化した樹脂から若干型を剥離することにより、または（２）樹脂と型との間にメスを差し込んで静かに樹脂を浮かせることにより、硬化したＰＵＭＡ樹脂をＰＤＭＳ型から解放することができることが判明した。ここで、解放中にレリーフ特徴を損傷する可能性は非常に低かった。しかしながら、高アスペクト比の特徴では、特に支持の不足により機械的に脆い特徴では、解放プロセスはチップ収率において重要な役割を担う。
【０２５４】
解放プロセスを改善するために、我々はＰＤＭＳに対しいくつかの表面改質プロセス（例えば、プラズマ酸化、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）トリクロロシランによるシラン化、およびｎ−ドデシル−ベータ−Ｄ−マルトシド（ＤＤＭ）１４、Ｇｒａｎｓｕｒｆ７１、およびＧｒａｎｓｕｒｆ７７等の界面活性剤の薄い被覆）を試みた。これらの表面改質技術は複製プロセスを改善せず、シラン化の場合には、単に表面の疎水性が強すぎてＰＵＭＡ樹脂が適切に湿潤しなかった。また、我々は、熱膨張（例えば、−８０℃への急速冷凍または熱）の差の利用を試み、熱処理は硬化した樹脂から反対の方向へのＰＤＭＳの歪みをもたらしたが、硬化した樹脂はまた、歪んだＰＤＭＳに全体的に適応した。その結果、ＰＵＭＡ樹脂が歪み、続く平面基板へのコンフォーマルな密着が不可能となった。
【０２５５】
解放プロセスの間は不慮の機械的せん断が阻止されなければならないことを仮定して、我々は、硬化した樹脂をＰＤＭＳ型から分離するための単純な引張ステーションを考案した。分離の方向および速度を正確に制御することにより、マイクロ構造への損傷は大きく最小化される。
【０２５６】
図３は、引張ステーションの概略図を示す。これは、卓上型穿孔盤用に意図されたＤｒｅｍｅｌ  Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ  ２２０−０１アセンブリに基づいた。Ｗｏｒｋｓｔａｔｉｏｎは、シャフトに沿った垂直の平行移動を制御するバネ駆動レバーを備え、レバーを離すと、上部マウントが停止部に衝突するまで上方に平行移動した。直径１インチのビニル吸引カップが、ＰＵＭＡチップへの取付のために上部マウントに固定され、ＰＤＭＳ型への取付のための第２のビニル吸引カップが金属ベースに固定された。ダイヤフラム真空ポンプへの接続のために、貫通穴（直径１／１６インチ）が吸引カップのベースに穿孔された。
【０２５７】
紫外線硬化後、ＰＵＭＡ−ＰＤＭＳアセンブリをベース吸引カップ上に設置し、真空ポンプをオンにした。ベース吸引カップはＰＤＭＳ型を適所に保持し、一方で、硬化した樹脂の頂部上の透明ポリプロピレンカバーに接触するまで上方吸引カップを徐々に引き下ろした。速度は、樹脂に対し最小限の下向きの力が作用するように、十分緩やかであるべきである。真空計が大気圧からポンプの最終圧力まで降下したら（これは上部吸引カップとポリプロピレンカバーとの間に良好な真空密着が達成されたことを示す）、バネ駆動レバーを離して、樹脂および型を引き離した。
【０２５８】
我々は、引張ステーションの設計において、（１）力を均一に分散させるために、上部吸引カップおよびベース吸引カップを適切に位置合わせしなければならないこと、ならびに（２）水平方向（マイクロ構造でのせん断面）の不慮の振動または運動を回避するために、全ての部品をしっかりと締結しなければならないことに気付いた。解放速度（速いほど良い）もまた、欠陥を低減することに役立った。
【０２５９】
図４は、引張器により提供された型解放の改善を示す。図４Ａは、引張器の支援なしでのＰＵＭＡ複製（図２Ａと同じパターン）の立体鏡下で撮影された画像である。２種類の欠陥が明らかであり、（１）長く湾曲した壁がリボン状の外観を有し、また（２）垂直柱が不規則であった。リボン様の長く湾曲した壁は、側方に屈曲した壁によるものであるが、これは複製運転間のＰＤＭＳ型の不適切な清浄化に起因し、型と樹脂との間の接着を増加させる。新鮮な未使用のＰＤＭＳ型は、硬化条件に厳密に従った場合、この問題を示さなかった。複製間のイソプロパノールおよび水による綿密な超音波照射により、波状壁の発生は大きく低減した。
【０２６０】
図４Ｂは、立体鏡検査下で「不規則」とみなされた垂直ポストのＳＥＭ画像を示す。不規則性は互いに傾いたポストによるものであった。ＰＵＭＡはＰＤＭＳよりも著しく硬いが、このスケールにおいては、特徴は機械的に脆い。図４Ｃは、引張器を使用して完璧に解放されたＰＵＭＡ複製の立体鏡画像を示す。垂直ポスト間の間隔は周期的であった（不規則な暗点がなかった）。
【０２６１】
接合。図５は、封入されたＰＵＭＡマイクロチャネルを形成するために使用され得るいくつかの方法を示す。ＰＵＭＡは熱可塑性であるため、加熱は、マイクロチャネル基板と蓋との間の恒久的接合を形成する効果的な手法である。しかしながら、マイクロ構造の損傷を回避するため、接合プロセス中は過剰の軟化または圧力を回避しなければならない。
【０２６２】
基板の剛性に起因して、ＰＵＭＡのコンフォーマルな密着はＰＤＭＳの場合程単純ではない。捕捉された気泡を回避するための注意も必要である。我々の好ましい方法は、チップをプラスチックバッグに入れ、台所用品として市販されている真空包装機を使用して袋を真空引きし、収縮するバッグに依存してチップに対し均一に圧力を加えコンフォーマルな密着を形成することである。真空バッグは、多くの場合、空気ポケットの捕捉を低減するための畝を有し、これらの畝は、ＰＵＭＡ基板上にインプリントを残す可能性があるが、これは真空バッグを糸くずの出ない布で裏打ちすることにより回避することができる。
【０２６３】
コンフォーマルな密着の後、封入されたチップを紫外線ランプ下に１０〜１５分間置いた。強力な紫外線および熱は、ＰＵＭＡ基板の軟化をもたらし、コンフォーマルな密着は、リフロープロセスの間に恒久的な結合となった。リフローは、通常、まだやわらかい間にチップ上に圧力が加えられない限りは、マイクロ構造の歪みをもたらすことはない。チップが冷却されたら、恒久的な密着は、高圧（２０〜３０ｐｓｉ）下で大流量（＞１ｍｌ／ｍｉｎ）に耐えることができるが、チップの底面を構成する顕微鏡カバースリップ（Ｎｏ．２）が、恒久的密着が失敗する前に破壊されることが通例的に観察された。この接合法は、我々の最適な方法であるが、以下に簡単に説明する他の接合技術が使用されてもよい。
【０２６４】
コンフォーマルな密着を向上させるために酸素プラズマ使用することができるが、１５分の酸素プラズマ後、コンフォーマルな接触が改善された。泡の捕捉はより少なく、密着領域が増加した。しかしながら、密着領域はＰＤＭＳとガラスとの間に典型的に見られるように１００％には程遠いため、通常手作業による気泡の排除が依然として必要である。封入されたチップを７５℃の炉に２日間置くと、恒久的な結合が形成されたが、この処置を使用すると、実験中に密着が失敗する頻度は、上述の第１の接合方法を使用して生成されたチップの場合よりも高い。
【０２６５】
熱可塑性物質の商業生産により類似した代替の非溶媒接合法が使用されてもよい。例えば、温度の急勾配を提供し、回路基板製造における半田のリフローにしばしば使用されるプログラム可能な赤外線加熱炉は、紫外線ランプよりも信頼性のある温度制御を提供するはずである。局所的溶融によるマイクロ構造の損傷を低減するために操作条件が適切に最適化される限り、熱可塑性物質を接合するための一般的技術である超音波溶接が使用されてもよい。
【０２６６】
応用。我々のＰＵＭＡチップの開発の原動力となる１つの動機は、精密濾過への応用のための高アスペクト比スリットの高密度アレイを製造する必要性であった。図６は、高密度充填された細胞（図６Ａ）およびビーズ（図６Ｂ）が、ＰＵＭＡに生成された垂直柱またはフィンのアレイにより保持、捕捉、および蓄積された顕微鏡画像を示す。両方の実験において、同じマイクロ流体デザインを使用したが、柱間の距離は８μｍであり、柱の高さは４０μｍであった。図６Ａにおいては、固定された培養癌細胞（４％パラホルムアルデヒド中で１５分間固定されたＭＣＦ−７細胞）の希釈溶液を使用し、０．３ｍｌ／ｍｉｎでチップに流通させた。小領域に細胞を濃縮する能力により、特に細胞が高度に希釈された濃度で存在する場合、より正確で迅速な細胞計数が可能となるため、そのようなマイクロ流体フィルタは、臨床診断用途の既存のグリッド式手動血球計を補完するように機能し得る。図６Ｂにおいては、直径１５μｍのビーズを使用した。ビーズをマイクロチャネルに充填するこの能力はまた、親和性精製（例えば、ビーズが抗体と共役した場合）またはサイズ排除クロマトグラフィー等、広範な用途を見出すことができる。そのような精密濾過に基づく全ての用途において、ただ１つのフィンの複製の欠陥が全チップの欠陥へとつながるため、濾過素子を高収率で製造することができることが急務である。本論文は、注意を払う限り、また記載されたマイクロ加工処置に従う限り、ＰＵＭＡがそのような要求の厳しいマイクロ流体システムを製造するための重要な特性を有することを示す。
【０２６７】
（結論）
ＰＵＭＡは、臨床診断用途のマイクロ流体チップの商業生産において極めて有望な基板である。ＰＵＭＡは非弾性基板であるため、型解放中、または封入されたマイクロ流体デバイスを形成するための接合中は、高アスペクト比のマイクロ構造への損傷を避けるように特に注意が必要である。ＰＵＭＡ樹脂の紫外線硬化プロセスは極めて堅牢であるが、不適切な解放または接合は、チップ収率を大きく低減し得る。我々は、マイクロ構造でのせん断面における運動を最小化する解放引張器を使用することにより、我々の精密濾過チップにおいて使用されるもの等の高密度アレイにおいても、高アスペクト比のマイクロ構造を完璧に複製することができることを示した。コンフォーマルな密着中の過度の圧縮力を回避するため、真空包装機を使用してＰＵＭＡ複製とチップの底面との間の空気を除去しながら、収縮する真空バッグを利用して、穏やかながら均一な圧縮力を作用させるべきである。コンフォーマルな密着が確立されたら、チップをさらに硬化および加熱するための紫外線ランプの使用、高収率および強固な接合を提供するプロセスを含む、様々な接合方式を使用して、このコンフォーマルな密着を恒久的な接合に変換することができる。高アスペクト比のマイクロ構造を複製するＰＵＭＡの能力は、広範な分析用途における使用が見出されるはずであり、ＰＵＭＡは、使い捨てマイクロ流体デバイス、特に臨床的環境において使用されるものの製造において、既存の基板を補完すると考えられる。
【０２６８】
（参考文献）
【０２６９】
【表１２】
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【０２７０】
【表１３】
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【０２７１】
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【０２７２】
【表１５】
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【０２７３】
【表１６】
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【０２７４】
【表１７】
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【０２７５】
【表１８】
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付属書類Ｃ
【０２７６】
【表１９】
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【０２７７】
【表２０】
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【０２７８】
【表２１】
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【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１１−１】
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【図１１−２】
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【図１２−１】
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【図１２−２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
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【図１５Ｆ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【国際調査報告】
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