圧電材料基板上のマイクロ流路を用いた単分散多相エマルション生成法の開発
東京工業大学精密工学研究所

西 迫

貴 志

Monodisperse double emulsions (also referred to as multiple emulsions) have numerous potential applications
in various fields, such as cosmetics, pharmaceutics, food, and colloid science. In conventional two-step mixing
technique, however, it is difficult to produce monodisperse double emulsions. Here, we propose a novel microfluidic
technique to produce monodisperse double emulsions by applying surface acoustic wave (SAW) streaming.
The microfluidic device consists of two planar substrates: a piezoelectric substrate with interdigital transducers(IDTs), and a polymethyl metacr ylate (PMMA) plate with microfabricated grooves. The IDTs were fabricatedon a planar piezoelectric (LiNbO3) substrate by conventional lithographical technique. The microgrooves on thePMMA substrate were fabricated by mechanical machining. The microchannel geometry consists of a Y-shaped
junction to infuse aqueous and organic phases and to generate a water-in-oil (W/O) emulsion by SAW, and a sheathflow geometry to form water-in-oil-in-water (W/O/W) double emulsions by shear-rupturing mechanism. First, bygenerating SAW, we could produce polydisperse W/O emulsion droplets of 1-10 μm in diameter at the Y-junction.
Then, at the sheath-flow junction, organic droplets encapsulating fine aqueous droplets (i.e., W/O/W emulsiondroplets) could be reproducibly formed in the external aqueous stream. The breakup rate was approximately 200
drops / s-1. The produced W/O/W droplets were highly monodisperse, with a mean diameter of 150 μm and acoefficient of variation (CV) below 5 %.

１．緒

そこで本研究では，弾性表面波（Surface Acoustic Wave,

言

これまで，コスメトロジーに関する分野

1−5）SAW）の機械振動とマイクロ流路の分岐構造を組み合わに限らず，せて単分散多相エマルションを生成する手法を提案する．

医学，薬学，食品科学，コロイド科学等を含めた幅広い分

弾性表面波とは基板表面を伝播する超音波振動のひとつ

野において，多相エマルション（図１）の潜在的応用事例であり，圧電材料基板上に配置した櫛型電極（interdigitalについて数多くの研究が成されてきた．にもかかわらず，

transducer, IDT）に高周波電圧を印加することで発生さ実際に実用化された事例は数少ないと言える．こうした現せることができる．現在，弾性表面波デバイスは通信用の状の背景としては，従来技術（二段階攪拌法，図２）では，電子回路素子として広く普及しているが，その一方で，霧液滴サイズや内包率が高精度に制御された多相エマルショ化ンを簡便に調製できなかったという事情が挙げられる．特等，微小液体のハンドリング方法に関する数多くの研究

８-10），微小液滴や微小物体の搬送11-15），液相の混合16, 17）に，サイズのばらつき（多分散性）に由来する多相エマル事例が近年報告されている．図 3 に，water-in-oil-in-water

ションの不安定性は，実用化における最も大きな障害であ（W/O/W）型の多相エマルションを例として，本研究でると考えられる．

提案する技術の概要を示す．本技術における多相エマルシ

一方，筆者は近年，マイクロ流路の２段階分岐構造を用いた単分散多相エマルション生成法を開発した

６, ７）

．この

ョン生成手順は，以下の（1）〜（4）から構成される：（1）IDT を配置した圧電基板とマイクロ流路基板を図３のように貼り合せる．

手法は，外部液滴と内部液滴をともに単分散状に調製できるほか，内包液滴数を精密に制御できるという長所を有す（2）Y 字路に内水相と有機相を導入し，低レイノルズ数（Re<<1）の二相流を形成する．

る．しかし本手法には，（a）流路壁面の局所的な化学修飾が必要であるため装置作製が難しい，（b）流路の目詰ま（3）IDT へ高周波電圧を印加して SAW を放射させて二相流に作用させ，W/O エマルションを得る．

りや圧力損失の増大といった制限から，1 〜数 μm の内包（4）下流部の分岐路で外水相を合流させて分散相をせん断滴の生成が困難，といった課題があった．

し，単分散 W/O/W 液滴を連続的に得る．
Preparation of monodisperse double
emulsions in microfluidic channels on a
piezoelectric substrate
Takasi Nisisako
Precision and Intelligence Laboratory,
Tokyo Institute of Technology

本研究課題では，上記の手法により，内包滴の平均径が1−10 μm 程度であり，且つ外部液滴径の変動係数（＝標準偏差 ÷ 平均径，CV 値）が５％以下である，単分散多相エマルションの調製を目標とした．

− 25 −コスメトロジー研究報告 Vol.16, 2008

図１ 多相エマルション概念図．(a) water-in-oil-in-water (W/O/W) 型．(b) oil-in-waterin-oil (O/W/O) 型．

図２

図３

２．実
２・１

二段階攪拌による多相エマルション生成法の概念図．

弾性表面波（SAW）を用いた多相エマルション生成法の概念図．

２・２

験

マイクロ流路加工

アクリル樹脂（PMMA）基板上に，エンドミル（刃径：IDT 電極の作成

100 μm）を用いた機械加工によってマイクロ流路の分岐圧電材料基板として 128°Y カットのニオブ酸リチウム構造を作成した．加工溝の断面は矩形状であり，流路の幅（LiNbO3）（伝播方向：X 軸方向，厚さ 1.0 mm，山寿セラは最小部で 100 μm，深さは一様に 100 μm とした．加工溝ミックス）基板を用い，表面にフォトリソグラフィによりの密封は透明粘着テープによって行い，IDT 電極を作成

10 対の IDT を作成した（図４）．この IDT に交流電圧をした圧電基板と互いに貼り合せた状態で使用した．

印加することにより，基板表面に弾性表面波の一種であるレイリー波を励振，電波させることができる．電極サイズ

２・３材料

は，電極幅 0.2 mm, 電極間距離 0.2 mm, 電極交差幅４mm

W/O/W エ マ ル シ ョ ン の 内 水 相 と し て イ オ ン 交 換 水とした．電極はスパッタリングにて Ti を 100 nm，Au を（18.0 MΩ・cm），中間相としてデカン（和光純薬工業）100 nm を順に堆積させることで作製した．に脂溶性界面活性剤（CR-310, 阪本薬品工業）を 1.0 wt％− 26 −

圧電材料基板上のマイクロ流路を用いた単分散多相エマルション生成法の開発

添加したもの，外水相として超純水にポリビニルアルコー

水相流中に高速で連続生成される様子が観察された（図ル（PVA）を 2.0 wt％添加したものを用いた．

5a）．高速度ビデオカメラによる映像で確認したところ，液滴生成周期は毎秒 200 個程度であった．ただし内水相液

２・４

その他の機材

滴サイズのばらつきが大きく，且つ分岐路への供給が不規IDT への高周波電圧の印加には，RF 発生源であるアマチュア無線機（IC-703，アイコム）を使用した．スペク則に行われたため，内包液滴個数にも大きなばらつきがあった．

トラムアナライザ（U3751，アドバンテスト）を用いて印加電圧を 35Vpp とした際の W/O/W 液滴生成の様子

SAW 基板の周波数特性を測定し，その結果から駆動周波を図 5b に示す．印加電圧を上昇させることでより強力な数として主に 50MHz を選択した．

SAW を発生させ，より径の小さい 1−10 μm 程度の W/O

マイクロ流路内の観察は，光学式顕微鏡（BX-51，オリエマルション滴が生成される様子を確認することができた．

ンパス）に高速度ビデオカメラ（フォトロン，Fastcam-

ただし，SAW によるミキシングは連続的ではなく間欠的1024PCI）を組み合わせて行った．流路内への各液体のに生じたため，W/O エマルションに密な部分と疎な部分送液および流量制御にはシリンジポンプ（KDS200，KDが生じる様子が観察された．下流部の液滴生成地点では外Scientific）およびガラスシリンジ（Hamilton）を組み合

水相流中に毎秒 200 個程度の速度で W/O/W エマルショわせて用いた．生成液滴径の測定は，デジタルデータの画ン滴が連続生成される様子を確認することができた．ただ像処理によって行った．

し，生成される W/O/W 液滴には，内包率のばらつきが３．結３・１観察された．

果W/O/W 多相エマルションの生成

３・２生成された W/O/W エマルション滴

図５に，SAW による二液混合とマイクロ流路分岐構造

図 6a に生成された W/O/W 多相エマルションの顕微鏡での液滴生成を組み合わせた W/O/W エマルション生成

写真を示す．外部液滴サイズのほぼ均一な W/O/W 液滴の様子を示す．まず印加電圧を 25Vpp にし，内水相と中間が得られていることがわかる．外部液滴の平均径は約 149-1相の流量をともに 0.5mL h としたところ，Y 字路近傍で内．一方，内包されてμm，CV 値は 4.2％であった（図 6b）

水相と中間相が粗く混合し，直径 10−150 μm 程度でばらいる水滴のサイズは直径１μm 以下から 10 μm 程度の間でつきの大きい水滴が有機相中に生成される様子が観察さればらついており，多分散状であった．さらに，内水相と中た．この状態で２つの外水相流の流量をともに 4.0mL h と間相の比率が 1：1 になるように流量条件を設定したもの

したところ，合流箇所にて，水滴を内包した有機相滴が外の，外部液滴によっては水滴をあまり含まず明らかに内水-1図４作成した IDT 電極の顕微鏡写真．

図５ W/O/W エマルション生成の様子． (a) 印加電圧 25Vpp の場
合．(b) 印加電圧 35Vpp の場合．流量条件は，内水相と中間相がともに 0.5 mL h-1，外水相が 8.0 mL h-1 (4.0 mL h-1 × 2)．スケー
ルバーは 200μm．

− 27 −

コスメトロジー研究報告 Vol.16, 2008

相の体積分率が 50％を下回るものも観察され，各外部液ると言える．しかしながら一方では，マイクロ流路分岐構滴の水滴内包率には大きなばらつきがあった．なお，生成造を用いた液滴生成法で一般的な CV 値（1 − 3％）に比したエマルションを 1 時間程度放置して後に観察したとこ

べると，やや大きな値となっている．これは，SAW によろ，合一による多分散化は確認されず，単分散性を保ってって生成されてマイクロ流路分岐に供給される W/O エマいた．

ルションの濃度が流れの中で一様ではなく，そのため流れ４．考に見かけ上の粘度のむらが生じ，外部液滴の生成をやや不察安定にしたためと考えられる．

印加電圧が小さい場合，サイズおよびばらつきの大き５．総い W/O エマルションが生成されたが，印加電圧を上昇さ括せることで，これを改善することが可能であった．しかし

以上のように，弾性表面波による二液体の混合技術と，印加電圧を上昇させると IDT 電極周囲の温度上昇につなマイクロ流路の分岐構造を用いた液滴生成法を組み合わせ，がり，これによるマイクロ流路の変形，破損や液体材料成単分散多相エマルションの生成が可能であることを明らか分の変性等が懸念される．この問題を解決するためには，にした．本研究の手法では，マイクロ流路の二段分岐構造

SAW 励振のための入力波を単純なサイン波ではなく，高を用いた単分散多相エマルション生成法に比べ，容易に内周波と低周波の２つを組み合わせたものにする（バースト

包液滴を著しく小さくすることができ，また流路内の表面駆動）こと，およびペルチェ素子等の冷却機構を装置に組処理も要さないという長所がある．また，本手法により生み込むことが有効であると予想される．また，印加電圧を成される多相エマルションは単分散性に優れるため，従来上昇させた場合においても W/O エマルションに疎，密な手法による多分散の生成物に比べて，経時安定性の大幅な部分が生じたが，これは SAW によるミキシングが連続的改善が見込まれる．また本手法では，外部液滴サイズ，内ではなく間欠的で不安定であったためと考えられる．これ

部液滴サイズ，および内包率を容易且つ高精度に制御できを改善するには，SAW 励振の入力波の条件検討とともに，るため，不安定薬剤の安定化，内包成分の徐放特性，経時マイクロ流路内に Passive な混合を行える構造を設けるこ

安定性やレオロジー特性等を評価するためのモデル系の調とも有効と考えられる．

製手段としても有効と考えられる．

W/O/W エマルションの外部液滴に関しては，CV 値４

今後，諸条件の検討により，SAW 発生における発熱や％程度の液滴径分布を確認することができた．この CV 値安定性の問題を解決することで，より簡便な多相エマルシは，既存の多相エマルション生成法による値（数十％）にョン生成法として本技術が利用可能になることが期待され比べると格段に良い値であり，生成物は十分に単分散である．また，現状の装置では１流路素子での生産量は最大で図６ 生成された W/O/W 多相エマルション滴と液滴径分布．(a)W/O/W エマルション滴の顕微鏡写真．生成流量条件は
内水相と中間相がともに 0.5 mL h-1, 外水相が 8.0 mL h-1 (4.0 mL h-1 × 2)．(b) 外部液滴径分布．平均径 149μm，CV値 4.2%．

− 28 −

圧電材料基板上のマイクロ流路を用いた単分散多相エマルション生成法の開発

１g/h 程度にすぎないため，産業界における大量生産の要

multiple-phase microfluidic system, Soft Matter, 1,望に応えるためには生産量の大幅なスケールアップが求め

23- 27, 2005.

られる．これには，リソグラフィ技術の利用による，流路８）Kurosawa M, Watanabe T, Futami A, Higuchi T,および電極の集積化が有効であると考えられる．たとえば: Surface acoustic wave atomizer, Sens. Actuator

100 − 1000 本の流路の集積化により数百 g/h 〜数 kg/h

A-Phys., 50, 69 -74, 1995.の生産量が見込まれるが，この生産量は数〜数十トン／年９）Chono K, Shimizu N, Matsui Y, et al., : Developmentの生産量に相当し，パイロットプラント用装置として十分of novel atomization system based on SAW streaming,なスループットであると考えられる．なお現時点で，流路Jpn J. Appl. Phys., 43, 2987-2991, 2004.の集積化によるエマルション生成のスケールアップに関し
18）10）Kim JW, Yamagata Y, Takasaki M, et al., : A device．今後，電極を集積化した圧電基

for fabricating protein chips by using a surface

板上への 100 − 200 流路の配置により，上記の生産量を達

acoustic wave atomizer and electrostatic deposition,ては実証済みである

Sens. Actuator B-Chem., 107, 535-545, 2005.

成することが可能と考えられる．

11）Wixforth A, Strobl CJ, Gauer C, et al., Acoustic

謝辞manipulation of small droplets, Anal. Bioanal. Chem.,

本研究を遂行するに当たり，ご支援をいただきました財
団法人コスメトロジー研究振興財団に深く感謝いたします．

379, 982-991, 2004.
12）Guttenberg Z, Müller H, Habermüller H, et al., : Planar
chip device for PCR and hybridization with surface（引用文献）

acoustic wave pump, Lab Chip, 5, 308-317, 2005.

１）Bonina F, Bader S, Montenegro L, et al., : Three

13）Yamamoto A, Nishimura M, Ooishi Y, et al., :phase emulsions for controlled delivery in the cosmetic

Atomization and stirring of droplets using surface

field, Int. J. Cosmet. Sci., 14, 65-74, 1992.

acoustic wave for integrated droplet manipulation, J.

２）Yoshida K, Sekine T, Matsuzaki F, et al., :Stability ofvitamin A in oil-in-water-in-oil-type multiple emulsions,14）Renaudin A, Tabourier P, Zhang V, et al., : SAW
nanopump for handling droplets in view of biological

J. Am. Oil Chem. Soc., 76, 195-200, 1999.
３）Sekine T, Yoshida K, Matsuzaki F, et al., : A novel
method for preparing oil-in-water-in-oil type multipleemulsions using organophilic montmorillonite clay

applications, Sens. Actuators B-Chem., 113, 389-397,2006.
15）Smorodin T, Beierlein U, Ebbecke J, WixforthA, : Surface-acoustic-wave-enhanced alignment ofmineral, J. Surfactants Deterg., 2, 309-315, 1999.
４）Miyazawa K, Yajima I, Kaneda I, Yanaki T, :Preparation of a new soft capsule for cosmetics, J.

thiolated carbon nanotubes on gold electrodes, Small, 1,1188-1190, 2005.
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５）関根知子，：第 3 章Robotics Mechatronics, 18, 146-152, 2006.

マルチプルエマルションの調製法と特徴，角田光雄監修：機能性エマルションの技術とAcoustic mixing at low Reynold’s numbers, Appl.
Phys. Lett., 88, 054102, 2006.
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６）Okushima S, Nisisako T, Torii T, Higuchi T,: Controlled production of monodisperse double
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profiling of a surface-acoustic-wave nanopump, Phys.
Rev. E, 70, 056311, 2004.
18）Nisisako T, Torii T, : Microfluidic large-scale
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７）Nisisako T, Okushima S, Torii T, : Controlledformation of monodisperse double emulsions in amonodisperse droplets and particles, Lab Chip, 7,
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