JP7543711B2 - マイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ流体デバイスに関する。

従来、細胞及び組織培養は、培養ディッシュやプレートを使用して行われてきた。これら培養ディッシュやプレートを用いた細胞及び組織の培養は、２次元（平面）の環境で行われるものであるため、細胞外微小環境を再現することができない。そこで、近年、従来法では困難であった、３次元（立体）の細胞培養・実験環境を作製できるマイクロ流路を有するマイクロ流体デバイス（「細胞培養チップ」、「バイオチップ」、「マイクロチップ」等とも称される）が提案されている。

例えば、特許文献１には、二つの基板を互いに接合して、少なくとも一方の基板に形成された流路形成用段差によって、接合した両基板の接合部に包囲された流路を形成したマイクロ流体デバイスが記載されている。

ところで、複数の分析プレートをホルダーに収容したアセンブリを分析装置に供することが知られている（特許文献２参照）。ホルダーは、分析プレートの端部に設けられた突起に対応する凹部を有し、突起と凹部を嵌め合わせることでホルダーに対して分析プレートを固定している。

特開２０１９－７８７０７号公報 特開２０１９－１０５５２８号公報

マイクロ流路を有するプレートを、保持体に収容したマイクロ流体デバイスが求められている。プレートを保持体に収容したマイクロ流体デバイスを分注装置のテーブルに載置できると、取扱いの利便性が向上する。

しかしながら、当該プレートを保持体に収容する際、例えば特許文献２のように突起と凹部を嵌め合わせることで保持体に対してプレートを固定するためには、凹部を突起に対して大きな寸法（高さ、幅ともに）とする必要がある。この場合、プレートが保持体に対してガタついてしまう。当該ガタつきは、観察のタイミング毎の観察面の高さのバラツキにつながり好ましくない。

また、当該プレートが樹脂よりなる場合、その製造過程や使用環境において反りやうねり等の変形を生じる場合がある。当該変形は、マイクロ流体デバイス毎の観察面の高さのバラツキにつながり好ましくない。

本発明は、上記の課題に鑑み、観察面の高さのバラツキを低減することができるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。

本発明に係るマイクロ流体デバイスは、内部に流路が形成されたプレートと、
前記プレートを保持する保持体と、を備え、
前記保持体は、前記プレートの第一主面の少なくとも外周縁と当接する第一保持部材と、前記第一主面の反対側の前記プレートの第二主面の少なくとも外周縁と当接する第二保持部材と、前記第一保持部材と前記第二保持部材との間に前記プレートを挟み込んだ状態で前記第一保持部材と前記第二保持部材を固定する固定部材と、を有する。

この構成によれば、保持体は、第一保持部材と第二保持部材によりプレートを両面から挟み込んで保持するため、保持体とプレートの間のガタツキが抑制され、観察のタイミング毎の観察面の高さのバラツキを低減することができる。また、第一保持部材と第二保持部材との間にプレートを挟み込んだ状態で固定部材により第一保持部材と第二保持部材が固定されるため、第一保持部材、第二保持部材、及びプレートが一体となって、全体として形状が矯正され、マイクロ流体デバイス毎の観察面の高さのバラツキを低減することができる。

マイクロ流体デバイスにおいて、前記プレート並びに前記第一保持部材及び前記第二保持部材は、それぞれ樹脂で構成されており、前記第一保持部材及び前記第二保持部材を構成する樹脂の吸水率は、前記プレートを構成する樹脂の吸水率よりも大きく、且つ前記プレートの硬さは、前記第一保持部材及び前記第二保持部材の硬さよりも硬いという構成でもよい。

この構成によれば、吸湿に伴い第一保持部材と第二保持部材がプレートよりも大きく変形したとしても、第一保持部材及び第二保持部材よりも硬いプレートがマイクロ流体デバイス全体の変形を抑制することができる。

マイクロ流体デバイスにおいて、前記プレートの前記第一主面の中央領域には、前記流路に流体を注入するための複数の開口が形成されており、前記第一保持部材は、前記中央領域の周囲に位置する前記第一主面の外周縁と当接する枠状であるという構成でもよい。

この構成によれば、開口が第一保持部材によって覆われないため、開口から流路へ流体を確実に注入することができる。

マイクロ流体デバイスにおいて、前記保持体の外形は、平面視において４本の辺を有する矩形であり、前記固定部材は、一つの辺に等間隔で複数設けられているという構成でもよい。

複数の固定部材を等間隔で設けることで、第一保持部材と第二保持部材とを確実にバランスよく固定することができる。

マイクロ流体デバイスにおいて、前記保持体の外形は、平面視において４本の辺を有する矩形であり、前記固定部材は、一つの辺の中央に設けられているという構成でもよい。

辺の中央に固定部材を設けることで、第一保持部材と第二保持部材とをバランスよく固定することができる。

本実施形態に係るマイクロ流体デバイスの斜視図 図１に示すマイクロ流体デバイスの分解斜視図 図１に示すマイクロ流体デバイスのＡ－Ａ断面図 図１に示すマイクロ流体デバイスのＢ－Ｂ断面図 プレートの上面図 図５に示すプレートのＣ－Ｃ断面図 プレートの硬さの評価方法を説明するための図 上枠の硬さの評価方法を説明するための図 他の実施形態に係る固定部材を示す断面図 他の実施形態に係る固定部材を示す斜視図及び断面図

本発明に係るマイクロ流体デバイスの実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面は模式的に図示されたものであり、図面上の寸法比は必ずしも実際の寸法比と一致しておらず、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

図１は、マイクロ流体デバイス１００の斜視図であり、図２は、マイクロ流体デバイス１００の分解斜視図である。図３は、図１に示すマイクロ流体デバイス１００のＡ－Ａ断面図である。図４は、図１に示すマイクロ流体デバイス１００のＢ－Ｂ断面図である。図１に示すように、マイクロ流体デバイス１００は、プレート１と、プレート１を保持する保持体２と、を有する。

以下において、ＸＹＺ座標系を適宜参照して説明される。また、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「＋Ｘ方向」、「－Ｘ方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「Ｘ方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「Ｘ方向」と記載されている場合には、「＋Ｘ方向」と「－Ｘ方向」の双方が含まれる。Ｙ方向及びＺ方向についても同様である。本実施形態において、水平面は、ＸＹ平面に平行であり、鉛直方向は、－Ｚ方向である。プレート１の主面はＸＹ平面に平行である。

［プレート］
図５は、プレート１の上面図である。プレート１は、図２に示すように第一基板１１と第二基板１２とを含む。第二基板１２は、第一基板１１の下面に貼り合わされている。第一基板１１及び第二基板１２はいずれも略矩形板状であり、プレート１は全体として略矩形板状である。図５に示すように、第二基板１２は第一基板１１よりも小さく、第二基板１２を構成する側面が第一基板１１を構成する側面よりも内側に位置する。

プレート１は、第一主面１ａと、第一主面１ａの反対側の面である第二主面１ｂと、第一主面１ａと第二主面１ｂとをつなぐ４つの側部１ｃと、を有する。第一主面１ａは第一基板１１の上面であり、第二主面１ｂは第二基板１２の下面である。また、側部１ｃは、Ｘ方向又はＹ方向にそれぞれ平行に延びている。

図６は、図５に示すプレート１のＣ－Ｃ断面図である。プレート１の内部には、流路１３が形成されている。具体的には、第一基板１１の下面に溝を形成し、この溝を覆うように第二基板１２を第一基板１１に貼り合わせることにより、両基板（１１，１２）に挟まれた中空状の流路１３が形成される。この中空状の流路は、マイクロメートルからミリメートルのオーダーの幅及び深さを有するマイクロ流路（微小流路）である。

第一主面１ａの中央領域には、複数の開口１４が形成されている。一つの流路１３に対し、二つの開口１４が接続されている。接続された二つの開口１４から流路１３に流体を注入したり、流路１３から開口１４を介して流体を排出したりすることができる。流路１３は、流路１３内に流体があるときに、該流体が流れを形成する状態にあるとは限らない。例えば、細胞を培養するために、細胞を含む流体を貯溜する状態など、流体の流れの無い状態にあることを含む。

第一基板１１は、Ｙ方向に延伸するスリット状の空隙１５を有する。空隙１５は、Ｘ方向に離間した複数箇所に形成されている。空隙１５は、隣り合う開口１４の間に形成される。空隙１５は、その両端がいずれも側部１ｃの内側に位置している。複数のスリット状の空隙１５を第一基板１１に形成することで、プレート１を両面から加圧した際に反りやうねりが矯正されやすい。

また、プレート１の側部１ｃ（第一基板１１の側面）には、凹部１６が設けられる。詳細は後述するが、凹部１６に保持体２の突出部２２３が挿入され、凹部１６の底に突出部２２３の先端が接触する。

第一基板１１又は第二基板１２を構成する材料として、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーン等の樹脂材料が挙げられる。本実施形態では、第一基板１１及び第二基板１２にＣＯＰを使用している。なお、これらの樹脂材料が２種以上組み合わせられていても構わない。また、第一基板１１と第二基板１２とで使用する材料を異ならせてもよい。

［保持体］
保持体２は、上枠２１（第一保持部材の一例）と、下枠２２（第二保持部材の一例）と、を有する。保持体２の外形は、平面視において矩形状である。上枠２１と下枠２２は、図３に示すように、プレート１を上下から挟み込んだ状態で互いに固定される。

上枠２１は、全体として矩形枠状を呈している。上枠２１の枠部分の断面は、Ｚ方向に長尺な長方形状をしており、上面２１ａ、底面２１ｂ、内側面２１ｃ、及び外側面２１ｄを有する。内側面２１ｃは、プレート１の側部１ｃよりも内側に位置する（図４参照）。すなわち、４つの内側面２１ｃで構成される貫通孔２１ｅは、プレート１の外形よりも小さい。また、内側面２１ｃは、プレート１の複数の開口１４よりも水平方向の外側に位置する（図１参照）。一方、外側面２１ｄは、プレート１の側部１ｃよりも水平方向の外側に位置する（図４参照）。これにより、上枠２１の底面２１ｂは、複数の開口１４が形成された中央領域の周囲に位置する第一主面１ａの外周縁１０ａに当接することができる。

上枠２１のＺ方向の厚みは、プレート１のＺ方向の厚みよりも大きい。また、上枠２１のＺ方向の厚みは、下枠２２の支持板２２１（後述する）のＺ方向の厚みよりも大きい。

上枠２１には、貯液槽４が形成されている。貯液槽４は、複数の槽に区画されている。貯液槽４は、図４に示すように、上面２１ａから下面２１ｂへ向かって形成された凹部である。貯液槽４の目的は、プレート１内に注入される液の濃度変化を抑制することである。プレート１内に注入される液は微量であるため、時間の経過とともに注入した液が蒸発することがある。液が蒸発すると流路１３に残存する液の濃度が変化し、細胞の培養や観察に好ましくない。そこで、貯液槽４に、プレート１の雰囲気の湿度を制御するための液体（例えば、水）を注入し、液体を貯溜する。これにより、プレート１の雰囲気の湿度の低下を防ぎ、プレート１に注入された液の蒸発を防ぐ。

上枠２１の外側面２１ｄには、外側に向けて突出する係止突起３１が形成されている。Ｘ方向に平行な外側面２１ｄには、３個の係止突起３１がＸ方向に等間隔で設けられている。３個の係止突起３１のうち真ん中の係止突起３１は、外側面２１ｄのＸ方向中央部に設けられている。Ｙ方向に平行な外側面２１ｄには、Ｙ方向中央部に１個の係止突起３１が設けられている。なお、一つの外側面２１ｄに設ける係止突起３１の個数は特に限定されず、少なくとも１個設ければよい。

係止突起３１の断面は、図４に示すように略三角形である。係止突起３１の上部３１ａはＸＹ平面に略平行な平坦面となっている。係止突起３１の下部３１ｂは、＋Ｚ方向に向かうに連れて上枠２１の外側面２１ｄから離れる方向に延びる傾斜面となっている。

下枠２２は、全体として矩形枠状を呈している。すなわち、下枠２２と上枠２１を有する保持体２は、中央領域が貫通した矩形枠状を呈しており、マイクロ流体デバイス１００の上側（＋Ｚ側）から光を照射し、マイクロ流体デバイス１００の下側（－Ｚ側）においてプレート１の流路１３を透過した光を分析できる。下枠２２は、支持板２２１と、支持板２２１の外周縁からＺ方向に立ち上がる側壁２２２と、を有する。

側壁２２２は、プレート１の側部１ｃ及び上枠２１の外側面２１ｄよりも外側に位置し、且つ側壁２２２の上端は、上枠２１の上面２１ａよりも高くなっている。これにより、側壁２２２は、プレート１及び上枠２１を側方から取り囲む。プレート１及び上枠２１は、下枠２２の上方から側壁２２２内に嵌め入れられる。

支持板２２１は、中央部にプレート１の外形よりも小さな貫通孔２２ｅを有する矩形枠状を呈している。これにより、支持板２２１は、プレート１の第二主面１ｂの外周縁１０ｂに当接して、プレート１を下方から支持することができる。

側壁２２２は、下壁２２２ａと、下壁２２２ａより薄くなった上壁２２２ｂと、を有する。上壁２２２ｂの外側面は、下壁２２２ａの外側面より内側にオフセットされている。上壁２２２ｂの外側であって下壁２２２ａの上側には、マイクロ流体デバイス１００を上方から覆うカバー（不図示）の側面板を配置することができる。

下壁２２２ａと支持板２２１で形成される隅部には、突出部２２３が設けられている（図２参照）。突出部２２３は、プレート１に設けられた凹部１６に挿入でき、凹部１６の底面に接触できる構造である。これにより、プレート１を下枠２２に嵌め入れる際、プレート１の凹部１６の底が突出部２２３に接触するように押し付けることで、プレート１を下枠２２に対して位置決めすることができる。

上壁２２２ｂには、上壁２２２ｂを貫通する複数の係止孔３２が形成されている。Ｘ方向に平行な上壁２２２ｂには、三つの係止孔３２がＸ方向に等間隔で設けられている。三つの係止孔３２のうち真ん中の係止孔３２は、上壁２２２ｂのＸ方向中央部に設けられている。Ｙ方向に平行な上壁２２２ｂには、Ｙ方向中央部に一つの係止孔３２が設けられている。

係止孔３２は、上枠２１の係止突起３１に対応する位置に設けられ、係止突起３１が挿入される。係止孔３２の両側には、スリット３３が形成されている。スリット３３を設けることで、係止孔３２が形成された部分の上壁２２２ｂは外方へ撓みやすくなるため、係止突起３１を係止孔３２に挿入しやすい。

係止突起３１を係止孔３２に挿入することで、上枠２１と下枠２２との間にプレート１を挟み込んだ状態で上枠２１と下枠２２を固定することができる。すなわち、本実施形態では、係止突起３１と係止孔３２が固定部材に相当する。

係止孔３２は、上枠２１と下枠２２でプレート１を挟み込んだ状態で、支持板２２１の上面から係止孔３２の上縁部３２ａまでの高さが、支持板２２１の上面から係止突起３１の上部３１ａまでの高さと略同じとなるように形成されている。これにより、上枠２１でプレート１の第一主面１ａの外周縁１０ａを押圧し、下枠２２でプレート１の第二主面１ｂの外周縁１０ｂを押圧することができるため、上枠２１、下枠２２、及びプレート１が一体となって、全体として形状が矯正される。

上枠２１又は下枠２２の材質は、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、シリコーン等の樹脂材料が挙げられる。本実施形態では、上枠２１及び下枠２２にＰＳを使用している。

上枠２１及び下枠２２を構成する樹脂の吸水率は、プレート１を構成する樹脂の吸水率よりも大きく、且つプレート１の硬さは、上枠２１及び下枠２２の硬さよりも硬いことが好ましい。これにより、吸湿に伴い上枠２１と下枠２２がプレート１よりも大きく変形したとしても、プレート１が上枠２１及び下枠２２よりも硬いため、上枠２１と下枠２２でプレート１を挟み込む際、プレート１の形状に沿うように上枠２１及び下枠２２が変形し、結果としてマイクロ流体デバイス１００全体の変形が抑制される。

マイクロ流体デバイス１００は、例えば温度３７度、湿度９０％の条件下で使用される。本実施形態で使用しているＰＳの吸水率は、本実施形態で使用しているＣＯＰの吸水率よりも大きい。

なお、本発明における「硬さ」とは、部品の一辺を把持固定した状態で、前記一辺に対向する辺を、部品に対し垂直に一定の力で押圧した際の変形量δの大小で評価される。プレート１であれば、図７に示すように、Ｙ方向に平行な一対の辺のうち一方の辺を把持固定した状態で、他方の辺をプレート１に対し垂直に（－Ｚ方向に）一定の力で押圧した際の変形量δを計測する。このとき、押圧する領域は、辺の全域（図７（ａ）に示す領域Ａｒ１）、又は辺の端部（図７（ａ）に示すＡｒ２）とする。領域Ａｒ１を押圧して「硬さ」を評価する場合、図７（ｂ）に示すように、プレート１の高さ方向（Ｚ方向）の反りの矯正に関して評価できる。一方、領域Ａｒ２を押圧して「硬さ」を評価する場合、図７（ｃ）に示すように、プレート１の底面のうねりの矯正に関して評価できる。

上枠２１であれば、図８に示すように、Ｙ方向に平行な一対の辺のうち一方の辺を把持固定した状態で、他方の辺を上枠２１に対し垂直に（－Ｚ方向に）一定の力で押圧した際の変形量δを計測する。下枠２２も上枠２１と同様に「硬さ」を評価できる。

以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記の各実施形態で採用している構造を他の任意の実施形態に採用することは可能である。各部の具体的な構成は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

（１）上記実施形態に係るマイクロ流体デバイス１００においては、上枠２１と下枠２２を固定する固定部材として、係止突起３１と係止孔３２の組み合わせを示しているが、これに限定されない。固定部材としては、例えば図９に示すように、下枠２２の側壁２２２の上端に形成された係止爪３４でもよい。係止爪３４を上枠２１の上面２１ａに係止することで、上枠２１と下枠２２を固定することができる。

（２）また、上枠２１と下枠２２を固定する固定部材としては、図１０に示すようなネジ３５でもよい。図１０（ａ）はマイクロ流体デバイス１００を下方から見た斜視図であり、図１０（ｂ）はネジ３５を含む断面図である。下枠２２に設けられたネジ３５により上枠２１を下枠２２側に引き付ける構成としてもよい。これにより、上枠２１と下枠２２は、プレート１を上下から挟み込んだ状態で互いに固定される。

（３）上記実施形態に係るマイクロ流体デバイス１００においては、プレート１の第二主面１ｂの少なくとも外周縁１０ｂに当接する第二保持部材として、下枠２２を示しているが、これに限定されない。第二保持部材としては、中央領域が貫通していない矩形板状の保持部材でもよい。この場合、マイクロ流体デバイス１００の上側から光を照射し、プレート１の流路１３の内部で反射した光又は散乱した光を使用して、細胞や組織の分析を行うとよい。

（４）上記実施形態に係るマイクロ流体デバイス１００においては、一つの流路１３に対し、直線状の流路１３の端部にそれぞれ開口１４が接続されている例を示したが、これに限定されない。流路１３は、例えばＹ字状でもよく、この場合、一つの流路１３に対し、Ｙ字状の流路１３の端部にそれぞれ開口１４が接続される。流路１３及び開口１４の形状、個数等は適宜設定され得る。

（５）マイクロ流体デバイスの用途として、細胞や組織の培養と分析を上述した。しかしながら、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、細胞や組織の培養と分析以外にも使用できる。例えば、本発明に係るマイクロ流体デバイスは、化学薬品の混合、分離、反応、合成、抽出又は分析等の様々な用途に使用できる。

１ ：プレート
１ａ ：第一主面
１ｂ ：第二主面
１ｃ ：側部
２ ：保持体
４ ：貯液槽
１０ａ ：第一主面の外周縁
１０ｂ ：第二主面の外周縁
１１ ：第一基板
１２ ：第二基板
１３ ：流路
１４ ：開口
２１ ：上枠
２２ ：下枠
３１ ：係止突起
３２ ：係止孔
３４ ：係止爪
３５ ：ネジ
１００ ：マイクロ流体デバイス

Claims (6)

1. 内部に流路が形成されたプレートと、
   前記プレートを保持する保持体と、を備え、
   前記保持体は、前記プレートの第一主面の少なくとも外周縁と当接する枠状の第一保持部材と、前記第一主面の反対側の前記プレートの第二主面の少なくとも外周縁と当接する枠状の第二保持部材と、前記第一保持部材と前記第二保持部材との間に前記プレートを挟み込んだ状態で前記第一保持部材と前記第二保持部材を固定する固定部材と、を有する、マイクロ流体デバイス。
2. 前記プレート並びに前記第一保持部材及び前記第二保持部材は、それぞれ樹脂で構成されており、前記第一保持部材及び前記第二保持部材を構成する樹脂の吸水率は、前記プレートを構成する樹脂の吸水率よりも大きく、且つ前記プレートの硬さは、前記第一保持部材及び前記第二保持部材の硬さよりも硬い、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記プレートの前記第一主面の中央領域には、前記流路に流体を注入するための複数の開口が形成されており、前記第一保持部材は、前記中央領域の周囲に位置する前記第一主面の外周縁と当接する枠状である、請求項１又は２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 前記保持体の外形は、平面視において４本の辺を有する矩形であり、前記固定部材は、一つの辺に等間隔で複数設けられている、請求項１～３の何れか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
5. 前記保持体の外形は、平面視において４本の辺を有する矩形であり、前記固定部材は、一つの辺の中央に設けられている、請求項１～３の何れか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
6. 前記第二保持部材は、前記プレートの第二主面の少なくとも外周縁と当接する支持板と、前記支持板から立ち上がって前記第一保持部材の外側面を取り囲む側壁と、を有し、
   前記固定部材は、前記第一保持部材の外側面から突出する係止突起と、前記第二保持部材の側壁に形成されて前記係止突起が挿入される係止孔と、で構成される、請求項１～５の何れか１項に記載のマイクロ流体デバイス。

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