ラボオンチップ／生体外診断

材料選択で促進するマイクロ流体工学
アレクシオス・P・ツァニス実現技術としてのマイクロ流体工学は、最高性能のためにロバストな材料を必要とする。
一滴の血液よりも小さい体積のものをしばしばベストパフォーマンスかつ最もは、ガラスの温度特性や化学的安定性機能的領域に移動させるフローセルは、コスト効率のよい消耗材料が、ガラスの利点があり、一方で自家蛍光は無視

パワフルな生体外診断（ IVD ）システムやハイブリッドガラス材料である。

できるほどだ。また、ガラス表面はシの開発、自動化、小型化の根底にあるものだ。これらのシステムは次々に幅広形状と設計の複雑さラン化によって無限に調節でき、多数の特性を可能にする。

いアプリケーションやデバイスを可能に寸法が下がるにつれて、かつて欠点

シリコンはしばしば、一細胞を閉じしている。それには、創薬やバイオアナとされた表面異常は機能的となり、基込めたり、特定のフロープロファイルリシスにおいて、デジタル生物学、次世

板加工技術はバイオポリマーや細胞構を作ったりするのに必要な高アスペク

代ゲノムシーケンシング、生体機能チッ造と同じ大きさの形状を作り出せる。

ト比に対しては最適な材料である。だプ、ハイスループットな細胞アッセイ、反応性イオンエッチング（ RIE ）はガラが、例えば、ガラスが持つ他の特性（光高密度な多機能チップがある。

スに細胞と生体分子のドッキングステ

学的な滑らかさ、誘電率、金属加工ス

サンプルサイズや試薬消費量を下ーションを作り、増加した表面粗度はテップの必要性、結合法など）も理想

げ、そして解析スピードを上げてコス感受性増加により、アプタマーのようとされる時は、回路基板としてガラストを減らす目標を掲げることで、IVDな分子認識要素と結合できる。ナノ流を使うことができる。半導体産業がもデバイスは複雑化や機能統合化が進み体工学は、スケールの小さい現象を利たらした加工技術は高アスペクト比のつつも、製造の新たな限界を超えてい用してサブミクロンチャネルにおいてマイクロ・ナノチャネルの製造を可能る。寸法や複雑性は重要な課題である体積を制限する。にする。一方で、レーザマイクロ加工が、コーティングのような製造後の後ソフトリソグラフィによるポリジメと化学エッチングを組み合わせる加工

加工もまた製品のワークフローやコス

チルシロキサン（ PDMS ）は学術研究では、ガラスにおいて 20:1 というアスペトに影響を与える。

よく使われているが、そのような材料クト比を証明している。ガラス表面のIVD デバイスに用いられる材料を規よりも多くの優位性を与えるのが、ガ

多くの修飾は、回路基板としてガラス定するものは、配列や加工だけでなく、ラスの機械的、化学的、光学的特性でが最も化学的に調節できる表面を持つデバイスの製造、性能、機能性、コスある。例えば、壁面の剛性と安定性は、ことを示す。

トだ。レーザ加工やフォトリゾグラフィ、ナノまたはマイクロチャネルが結合や生物学への応用では、光学の統合、エッチングの自動化、基板結合、機能密閉で耐えるのに助かっており、フロ光学ウィンドウ、電極、エレクトロニ付与、室温 UV 接着、その他の加工のー圧に抵抗できるガラスの結合能は重クス、そして壁や孔といった 3 次元構進展により、IVD デバイス向けとして要である。多くのアプリケーションで造が要求される時がある。超高速レーザ製造のような減算技術と、化学めっ

図 1 等方的にエッチングされたチャネルを持つ
0.3mm 以下のガラス基板は、1mm の厚さのガラス基板に室温の UV で接着される。ガラス結合は、カプセル化された生体分子や細胞の生物活性を維持する。

きや CDV のような加算法と化学エッチングを組み合わせることで、ポリマー表面を含む複雑で多機能なチップをガラスや溶融石英で作ることができる。各材料は、特定のアプリケーションと設計パラメータに利点のある強みを持つ。ハイブリッド材料のデバイス

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2018.11 Laser Focus World Japan図２ ガラス上の極小の柱は相互作用のための表面面積を大きくする。

は生きた細胞に関連する課題を克服できるため、各材料の特性を利用するのが最善の方法だ。
チップベースの IVD 細胞構造システ
ムにおける材料の選択、構造，製造後加工は、細胞、培地、観察する現象に依存する。チャネル設計ですら細胞の生存に影響を与える。ある細胞は他よりもせん断応力の影響を受けやすい。
そこで、PDMS がしばしば用いられる。
PDMS の透過性は、チップ上やチップ周囲の環境で細胞間のガス交換を可能にするためだ。しかし、この特性は、化する単分子膜（ SAM ）を使い、接着、リーを用いる。選別においてさまざま意図しないガスやイオンの移動が生じ潤滑、湿潤、タンパク質の物理吸着にな方法があり、例えば、光学力、動電学、た時、細胞に危険をもたらす。同様に、関する表面機能を化学的に規定するこ

音響光学、磁性、機械的、パッシブだ。

デバイスの特定の部分に細胞を配置さとだ。チオールベースの SAM は金とターゲット、波長、検出限界（LOD）

せるパターニングには多くの利点があ反応し、金属はすぐにガラス上に配置の蛍光効率によって、ガラスまたは溶るものの、その表面は細胞の形状や生される。ガラスの反応化学がよく知ら融石英が低い自家蛍光の理由からベス

理機能に影響を与えるため、細胞はやれている、もう 1 つのパワフルなツー

トのパフォーマンスを出す傾向にあがて弱まってしまうかもしれない。

ルであるオルガノシランは、IVD に重る。しかし、例えば電極のような他の神経細胞は電極で計測されることが要な表面の改質が可能だ。これには、材料が必要だ。ラベルフリーな手法は、多く、ガラスまたはシリコンにおける細胞や生体分子の接着に対する疎水性ガラスを選択する理由となった光透過電極の標準化されたパターニングが、の増加、液滴やデジタルのマイクロ流性と低い自家蛍光が必ずしもないわけどちらの材料を選ぶかの理由となって体工学がある。また、生体素材の吸収ではない。仮に、内在性の蛍光、光学い る。 透 明 な 酸 化 イ ン ジ ウ ム ス ズを抑える親水性の増加、イオン会合や的、光電子光学的なピンセットが使わ（ ITO ）の電極を実装する性能は、ガラ他の目的のための表面改変がある。

れたなら、ガラスまたはガラスハイブスにとって有利となる。なぜなら、細細胞を円形か正方形のどちらに閉じ胞を顕微鏡、さらには電極表面でモニ込めるかどうかといった配列の操作がタリングできるからだ。

細胞処理に決定的な影響を与えることリッドが最適になり得る。

ゲノム応用

ガラスはしばしば光学的方法では最が、近年の研究で明らかになっている。

他のバイオアッセイのように、ハイ適な材料である。UV を用いる室温接深掘り反応性エッチング（ DRIE ）は多スループットで小型な核酸分析に向い着に適しており、これは生物毒性や生様な配列と間隔で極小の柱を作ることた最適な材料を決定するのは、検出メ態適合性のデータが産業で検証されたができる（図 2 ）。

カニズムと材料の温度特性だ。光学的ものとして知られている（図 1 ）。

細胞接着とソーティング
細胞を特定の領域に閉じ込める方法には、表面のマイクロまたはナノパター同様に、生物適合性のある写真画像な検出のためにはガラスが理想であ接着（ PBA ）は、経済的だがいまだにり、また回路基板としても他の理由か複雑な流体工学チャネルシステムで、ら魅力的である。光学ガラスや溶融石

標準的な MEMS 加工を用いてガラス

英はポリメラーゼ連鎖反応（ PCR ）の酵に直接設置する。

素を強く阻害せず、酵素反応を妨げる

ニング、TMMF の利用、光構造材料

不均一な細胞集団をソートする必要がある。細胞をキャプチャして培養し、性が、広いアプリケーションにある。セ2.5 次元構造を呼ばれる中間層を作る

ルソーティングには 3 つのカテゴリ、す1000 ドルゲノムの目標が達成した大ためだ。もう 1 つの戦略は、自己組織

なわち蛍光ラベル、ビーズ、ラベルフ

きなイノベーションは、サンプル調整水やイオンを放出したり取り込んだりしない。

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ゲノムを達成する際に重要な技術は、配列されたフローセルを作るためにガラス表面を構成することだ。この配列は、イメージ取得時間を大きく減少させる。この成功の重要なところは、サブミクロンでの基板レベル配列の正確性であり、これによりマイクロ流体チップにおいてシーケンシング空間を非常に高密度にパッケージングでき、従来の蛍光イメージングシステムの光学的な解像度の限界に到達する。
図３ 圧が誘導する液滴のマイクロ流体コンポーネントの製造は、ガラスの優れた表面特性に依存する。すなわち、低い表面粗度と化学的不活性、そして製作公差の高精度により、高い再現性で液滴の体積を保証する。

1000 ドルゲノムが 100 ドルゲノムに近づいているように、高価な試薬の量を減少させることでコストを最小化する要望は、検出限界（ LOD ）の目標をの役割だという認識だった。これには、の一部である米レインダンス社さらに推進する。これにより、フローサンプルを一分子区画に分ける方法で（ Raindance ）と米クオンタライフ社

セルの基板の自家蛍光を低くする必要あるデ ジタル PCR（ dPCR ）を 用 い た（ Quantalife ）は、マイクロ流体工学チ性、そして大規模な製造法の応用が増DNA ライブラリの増幅と定量を含む。

ャネルの配置と界面化学を用いた完全している。

そのような小さな区画によって、わずな液滴作成技術を持っている。これは、ラベルフリー手法がガラスの光学特かな割合で起きる配列を定量化できる。

液滴に囲まれた（親水的な）流体と液滴性を取り除いたように見える一方で、均一なサイズの液滴を数千から数を囲む（疎水的な）流体と相互作用する。

ガラスにはまだいくつかの利点があ百万と作る重要な性能は、デジタルマ

ガラスは、圧が誘導する液滴のマイる。シリコンやガラスにとって、チャイクロ流体工学チップの設計と製造にクロ流体コンポーネントを製造するう

ネルのエッチ深さをサブミクロンで制大きく依存する（図 3 ）。その結果によえで大きな役割を持つ。ガラスは、低御することは、インピーダンス検出にる正確性と選択性は、がんのような疾い表面粗度と化学的不活性、そして製おけるシグナルノイズ比を向上させ患における複雑な発現経路の理解や、作公差の高精度といった特性を可能にる。すぐに ITO 電極を組み込める性能リキッドバイオプシーのような治療診するからだ。加えて、よく知られた表は、デジタルマイクロ流体によるサン断アプローチを可能にする。

面化学により、親水性のガラス上に疎プル調整の統合を可能にし、貴重なサ現在は米イルミナ社（ Illumina ）の一水領域を比較的配置しやすく、均一なンプルや高価な試薬の消費量を減らす部である米アドバンストリキッドロジ

液滴の体積を形成し、液滴のソーティことにつながる。

ック社（ Advanced Liquid Logic ）や、ングをアシストする。

いずれも米バイオラッド社（ Bio-Rad ）アプリケーションに関係なく、IVD

デジタルマイクロ流体工学は、液滴開発者は、生物学の必要性とデバイスを作成したり、そのサイズや動きを制工学のバランスを取るべきである。あ御したりするために、電極の配列やエらゆる場合において、フローセルの材レクトロウェッティングを用いる。これ料を選択する時の基本的なステップはにとってガラスは最適な材料であり、大きな影響を与える。

また必要とされる高密度の ITO 電極は迅速にガラス上に配列される（図 4 ）。
多くの次世代シーケンシング（ NGS ）図４ 高密度な酸化インジウムスズ（ ITO ）は迅速にガラス上に配列される。

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技術は、ガラスの光学特性が活用される光学的な手法を用いる。1000 ドル

著者紹介
アレクシオス・P・ツァニスは、スイス IMT 社ライフサイエンスのビジネス開発マネージャーである。e-mail：atzannis@imtag.ch
URL：www.imtag.ch/en
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