JP7416331B2 - マイクロ流路チップ及びマイクロ流路チップの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ流路チップに関する。
本願は、２０２１年８月３１日に、日本に出願された特願２０２１－１４１７２５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

近年、化学工業（特に、医薬品や試薬等の製造に関する医薬品工業）の分野では、マイクロミキサー又はマイクロリアクターと呼ばれる微小容器を用いたマイクロ流路チップの開発が進められている。マイクロ流路チップには、複数のマイクロチャネル（マイクロ流路と繋がるマイクロキャビティ）が設けられている。マイクロチャネルを通じて複数種の流体をマイクロキャビティ内で合流させることで、複数種の流体を混合し、或いは、混合と共に化学反応を生じさせる。

このようなマイクロ流路チップとして、例えば特開２０１５－１９９３４０号公報（特許文献１）には、一方の面に流路溝を有する樹脂基板と、流路溝を覆うように樹脂基板に接合される被覆材とを備えるものが開示されている。流路溝を有する樹脂基板は、例えば金型を用いて射出成形によって形成することができ、そのようにすることで、マイクロ流路チップを低コストに製造することができる。

ところで、そのような金型を形成するための方法の一例として、直彫り加工によるものが挙げられる。しかし、直彫り加工によって形成された金型では、通常、角が丸みを帯びており、そのような金型を用いて製造される樹脂基板の角も丸まってしまう場合があった。樹脂基板の角（特に、流路溝の縁部の角）が丸まっていると、被覆材を接合した際に前記部位に微小空間が残ってしまい、流路内に気泡が発生する原因となってしまう可能性があった。

日本国特開２０１５－１９９３４０号公報

本発明は上記課題に鑑みてなされ、直彫り加工による金型を用いて流路溝を有する樹脂基板を形成し低コストにマイクロ流路チップを製造しつつ、流路内に気泡を生じにくくすることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、以下の構成を採用する。
［１］．直彫り加工によって形成された金型を用いて製造され、一方の面に流路溝を有する樹脂基板と、前記流路溝を覆うように前記樹脂基板に接合される被覆材と、を備え、前記樹脂基板における、前記被覆材との接合面と前記流路溝を区画する内側面との境界に形成される角部の丸みが、Ｒ５μｍ以下である、マイクロ流路チップ。

［２］．前記樹脂基板を構成する樹脂材料の荷重たわみ温度をＴ１として、前記樹脂基板は、（Ｔ１－２０℃）以上Ｔ１以下に加熱された前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を注入することによって形成される、［１］に記載のマイクロ流路チップ。

［３］．前記樹脂基板を構成する樹脂材料のガラス転移温度をＴｇとして、前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１６０℃）以下に加熱された溶融樹脂を注入することによって形成される、［１］又は［２］に記載のマイクロ流路チップ。

［４］．前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の注入圧で注入することによって形成される、［１］～［３］のいずれか一項に記載のマイクロ流路チップ。

本発明によれば、直彫り加工による金型を用いて流路溝を有する樹脂基板を形成し低コストにマイクロ流路チップを製造しつつ、流路内に気泡を生じにくくすることができる。

本実施形態に係るマイクロ流路チップの模式断面図である。 本実施形態に係るマイクロ流路チップの製造用の金型の模式断面図である。 本実施形態に係るマイクロ流路チップの製造用の金型の製造過程の一局面を示す模式断面図である。 本実施形態に係るマイクロ流路チップの成形工程の一局面を示す模式断面図である。 本実施形態に係るマイクロ流路チップの成形工程の一局面を示す模式断面図である。 本実施形態に係るマイクロ流路チップの組立工程の一局面を示す模式断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
以下に説明する実施形態は、本発明の理解を容易にするための一例に過ぎず、本発明を限定しない。すなわち、以下に説明する部材の形状、寸法、配置等については、本発明の趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれる。
また、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

本実施形態に係るマイクロ流路チップについて、図面を参照して説明する。本実施形態のマイクロ流路チップ１は、図１に示すように、樹脂基板２と、この樹脂基板２に接合される被覆材３とを備えている。

樹脂基板２を構成する樹脂は、耐熱性及び透明性に優れたものを適宜選択することができる。樹脂基板２は、例えばポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチル（メタ）アクリレート、及びポリエチレンテレフタレートからなる群から選択される樹脂で構成することができる。

樹脂基板２は、一方の面（本実施形態では、被覆材３との接合面２ａ）に流路溝２１を有する。流路溝２１の本数は、１本であっても良いし複数本であっても良い。複数本の流路溝２１が設けられる場合には、それらの流路溝２１が直列に設けられても良いし並列に設けられても良い。また、流路溝２１が分岐を有しても良い。流路溝２１は、例えば、幅が１ｍｍ以下で、かつ、深さが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であって良い。このようにすれば、微小なスケールでの実験等を行うことができる。

樹脂基板２の外形形状及びサイズは、ハンドリング性や分析適合性（分析手法及び分析装置への適合性）等を考慮して適宜設定することができる。例えば四角形（正方形又は長方形）であれば、例えば一辺１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下であることがより好ましい。樹脂基板２の外形形状は、その他の多角形、円形、又は楕円形等であっても良い。

被覆材３は、例えば樹脂フィルムや樹脂プレート等で構成することができる。被覆材３を構成する樹脂は、耐熱性及び透明性に優れたものを適宜選択することができる。被覆材３は、例えばポリカーボネート、シクロオレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリメチル（メタ）アクリレート、及びポリエチレンテレフタレートからなる群から選択される樹脂で構成することができる。被覆材３を構成する樹脂は、樹脂基板２を構成する樹脂と同じ樹脂であっても良いし、異なる樹脂であっても良い。

被覆材３の厚みは、特に限定されないが、例えば０．０１ｍｍ以上１ｍｍ以下とすることができる。０．０１ｍｍ以上であることにより、接合時にシワ等が発生しにくく、十分に流路溝２１を密閉することができる。また、１ｍｍ以下であることにより、樹脂基板２の凹凸への良好な追随性を得ることができる。

樹脂基板２と被覆材３とは、樹脂基板２の接合面２ａ（流路溝２１が形成されている方の面）と、被覆材３の一方の面である接合面３ａとが接するように積層されている。被覆材３は、流路溝２１を覆うように樹脂基板２に接合されている。こうして、樹脂基板２と被覆材３との間に、流路溝２１からなるマイクロ流路が形成される。このようなマイクロ流路チップ１は、例えば核酸チップ、プロテインチップ、抗体チップ、アプタマーチップ、及び糖タンパクチップ等のバイオチップ、或いは、各種の化学分析用のマイクロ分析チップとして、好適に用いることができる。

本実施形態のマイクロ流路チップ１は、樹脂基板２における、被覆材３との接合面２ａと流路溝２１を区画する内側面２ｂとの境界に形成される角部２ｃ（図１を参照）の丸みが、Ｒ５μｍ以下であることを特徴とする。角部２ｃの丸みがＲ５μｍ超であると、樹脂基板２に被覆材３を接合した際、角部２ｃの部位に微小空間が残ってしまい、流路内に気泡が発生する原因となってしまう可能性がある。この点、本実施形態のように角部２ｃの丸みをＲ５μｍ以下とすることによって、樹脂基板２に被覆材３を接合する際に、流路溝２１の縁部も含めて樹脂基板２と被覆材３とをしっかりと密着させることができる。その結果、樹脂基板２と被覆材３との間に微小空間がほとんど残らず、最終的に得られるマイクロ流路チップ１において、流路内に気泡を生じにくくすることができる。

被覆材３との接合面２ａと流路溝２１を区画する内側面２ｂとの境界の角部２ｃの丸みは、Ｒ４．８μｍ以下であることが好ましく、Ｒ４．６μｍ以下であることがより好ましく、Ｒ４．４μｍ以下であることがさらに好ましい。これらによれば、流路内に気泡をさらに生じにくくすることができる。

本実施形態のマイクロ流路チップ１は、射出成形用の金型５と熱プレス機とを用いて製造することができる。例えば、金型５を用いて樹脂基板２を作製し（成形工程）、その樹脂基板２と別途作製される被覆材３とを熱プレス機を用いて熱圧着して（組立工程）、製造することができる。マイクロ流路チップ１は、樹脂基板２と被覆材３とを接着剤、粘着剤、又は粘着フィルム等によって貼り合わせて製造することもできる。

金型５は、図２に示すように、凹部５１を有する第一型５Ａと、凸条部５２を有する第二型５Ｂとを備える。凹部５１は、樹脂基板２の外形形状に対応している。凸条部５２は、流路溝２１の内面形状に対応している。第一型５Ａと第二型５Ｂとが型締めされたとき、凹部５１の内面（第一内面５ｃ）と第二型５Ｂにおける凸条部５２が形成されている部位の周辺の内面（第二内面５ｄ）とで囲まれた空間として、キャビティ空間Ｃが形成される（図４を参照）。第二型５Ｂには、キャビティ空間Ｃに連通するゲート５３も形成されている。

ところで、本実施形態では、樹脂基板２の射出成形のために用いられる金型５として、電鋳加工ではなく、直彫り加工によって形成されたものを用いる。直彫り加工は、金属製のブロックを切削して金型を作製する加工方法であり、例えばＮＣ（数値制御）フライス盤等を用いて行うことができる。このような直彫り加工によって形成された金型５（ここでは特に、凸条部５２を有する第二型５Ｂ）では、図３の上段に示すように、第二型５Ｂにおける第二内面５ｄと凸条部５２の外側面５ｅとの間の隅部５ｆに、丸みが残ってしまうのが通常である。隅部５ｆの丸みは、例えばＲ１０μｍ以上であり、典型的にはＲ２０μｍ以上であり得る。

本実施形態では、金型５の製造において、通常の直彫り加工を行った後、図３に示すように、第二内面５ｄと凸条部５２の外側面５ｅとの間の隅部５ｆが直角に近い状態となるようにさらに切削する角出し加工を行う。角出し加工は、角出し工具７を用いて行うことができる。角出し加工を行うことにより、第二内面５ｄと凸条部５２の外側面５ｅとの間の隅部５ｆの丸みを、例えばＲ５μｍ以下とする。隅部５ｆの丸みは、Ｒ４．８μｍ以下とすることが好ましく、Ｒ４．６μｍ以下とすることがより好ましく、Ｒ４．４μｍ以下とすることがさらに好ましい。

このようにして得られる金型５を用いて、一方の面に流路溝２１を有する樹脂基板２を形成する（成形工程）。この成形工程では、図４に示すように、第一型５Ａと第二型５Ｂとを型締めし、それらの間に形成されるキャビティ空間Ｃに、ゲート５３から溶融樹脂を注入する。

成形工程で用いられる金型５の温度は、特に限定されないが、樹脂基板２を構成する樹脂材料の高荷重（１．８ＭＰａ）での荷重たわみ温度をＴ１［℃］とした場合に、例えば（Ｔ１－２０℃）以上（Ｔ１℃）以下であることが好ましく、（Ｔ１－１５℃）以上（Ｔ１℃）以下であることがより好ましく、（Ｔ１－１０℃）以上（Ｔ１℃）以下であることがさらに好ましい。この構成によれば、金型温度に関する成形条件の最適化の観点から、さらに気泡を生じにくくすることができる。

荷重たわみ温度は、ＪＩＳ Ｋ ７１９１－１ Ａ法に準拠して測定することができる。

金型５の温度が上記下限値未満であると、注入後に溶融樹脂の温度が急激に低下することによってその流動性が低下し、金型５への追従性が損なわれる可能性がある。一方、金型５の温度を上記上限値超とすると、エネルギー消費が増大するとともに冷却にも時間を要し、生産性の低下につながり得る。そこで、金型温度を上記範囲内とすることで、生産性良く、所望の形状の樹脂基板２を得ることができる。

成形工程で金型５内に注入される溶融樹脂の温度は、特に限定されないが、樹脂基板２を構成する樹脂材料のガラス転移温度をＴｇ［℃］とした場合に、例えば（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１６０℃）以下であることが好ましく、（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１５５℃）以下であることがより好ましく、（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１５０℃）以下であることがさらに好ましい。この構成によれば、樹脂温度に関する成形条件の最適化の観点から、さらに気泡を生じにくくすることができる。

溶融樹脂の温度が上記下限値未満であると、流動性が十分でなく金型５への追従性が損なわれる可能性がある。一方、溶融樹脂の温度を上記上限値超とすると、エネルギー消費が増大する割には流動性の向上効果は限定的となる。そこで、樹脂温度を上記範囲内とすることで、生産性良く、所望の形状の樹脂基板２を得ることができる。

成形工程で金型５内に溶融樹脂を注入する際の注入圧は、特に限定されないが、例えば９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下であることが好ましく、９５ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下であることがより好ましく、１００ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下であることがさらに好ましい。この構成によれば、射出圧力に関する成形条件の最適化の観点から、さらに気泡を生じにくくすることができる。

溶融樹脂の注入圧が上記下限値未満であると、溶融樹脂がキャビティ空間Ｃの全体に行き渡らずに金型５への追従性が損なわれる可能性がある。一方、溶融樹脂の注入圧を上記上限値超とすると、エネルギー消費が増大する割には金型５への追従性の向上効果は限定的となる。そこで、溶融樹脂の注入圧を上記範囲内とすることで、生産性良く、所望の形状の樹脂基板２を得ることができる。

冷却後、型開きすると、図５に示すように、第一型５Ａの凹部５１に対応する外形を有するとともに、第二型５Ｂの凸条部５２に対応する内面を有する流路溝２１が一方の面に形成された樹脂基板２が得られる。このとき、通常の直彫り加工に加えて角出し加工が施された金型５を用いていることで、被覆材３との接合面２ａと流路溝２１を区画する内側面２ｂとの境界に形成される角部２ｃ（図１を参照）の丸みがＲ５μｍ以下に抑えられた樹脂基板２を得ることができる。

その後、上記の成形工程で得られた樹脂基板２と、別途作製された被覆材３とを積層して、これらを接合する（組立工程）。組立工程では、まず図６に示すように、流路溝２１を覆うように樹脂基板２に被覆材３を積層する。その後、その積層体を熱プレス機にかけて、樹脂基板２と被覆材３とを熱圧着することにより、それらを接合する。熱プレス機は、第一ブロックと、前記第一ブロックとの間に樹脂基板２と被覆材３との積層体を挟み込んで圧着する第二ブロックとを備える。第一ブロック及び第二ブロックは、それぞれ内蔵ヒーターを有している。

上述したように、本実施形態の成形工程で得られた樹脂基板２は、接合面２ａと流路溝２１の内側面２ｂとの境界の角部２ｃの丸みがＲ５μｍ以下に抑えられている。このため、樹脂基板２と被覆材３とを接合した際に、流路溝２１の縁部も含めて樹脂基板２と被覆材３とがしっかりと密着する。これにより、樹脂基板２と被覆材３との間（特に、流路溝２１の縁部の部分）に、微小空間がほとんど残らない。従って、マイクロ流路チップ１の流路内に、気泡を生じにくくすることができる。

以上、マイクロ流路チップについて、具体的な実施形態を示して詳細に説明したが、本発明はそれに限定されない。本明細書において開示された実施形態は全ての点で例示であって、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

直彫り加工による金型を用いて流路溝を有する樹脂基板を形成し低コストにマイクロ流路チップを製造しつつ、流路内に気泡を生じにくくすることができる。

１ マイクロ流路チップ
２ 樹脂基板
２ａ 接合面
２ｂ 内側面
２ｃ 角部
３ 被覆材
３ａ 接合面
５ 金型
５Ａ 第一型
５Ｂ 第二型
５ｃ 第一内面
５ｄ 第二内面
５ｅ 外側面
５ｆ 隅部
２１ 流路溝
５１ 凹部
５２ 凸条部
５３ ゲート
Ｃ キャビティ空間

Claims (2)

1. 直彫り加工及び角出し加工によって形成された金型を用いて製造され、一方の面に流路溝を有する樹脂基板と、
   前記流路溝を覆うように前記樹脂基板に接合される被覆材と、を備え、
   前記樹脂基板における、前記被覆材との接合面と前記流路溝を区画する内側面との境界に形成される角部の丸みが、Ｒ５μｍ以下であり、
   前記流路溝は、幅が１ｍｍ以下であり、かつ、深さが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
   前記樹脂基板を構成する樹脂材料の荷重たわみ温度をＴ１として、
   前記樹脂基板は、（Ｔ１－２０℃）以上Ｔ１以下に加熱された前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を注入することによって形成され、
   前記樹脂基板を構成する樹脂材料のガラス転移温度をＴｇとして、
   前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１６０℃）以下に加熱された溶融樹脂を注入することによって形成され、
   前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の注入圧で注入することによって形成される、マイクロ流路チップ。
2. 金型を用いて樹脂基板を作製する工程と、
   前記樹脂基板と被覆材とを熱圧着する工程と、
   を含む、マイクロ流路チップの製造方法であって、
   前記樹脂基板は、直彫り加工及び角出し加工によって形成された前記金型を用いて製造され、一方の面に流路溝を有し、
   前記流路溝を覆うように前記樹脂基板に前記被覆材が接合され、
   前記樹脂基板における、前記被覆材との接合面と前記流路溝を区画する内側面との境界に形成される角部の丸みが、Ｒ５μｍ以下であり、
   前記流路溝は、幅が１ｍｍ以下であり、かつ、深さが０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であり、
   前記樹脂基板を構成する樹脂材料の荷重たわみ温度をＴ１として、
   前記樹脂基板は、（Ｔ１－２０℃）以上Ｔ１以下に加熱された前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を注入することによって形成され、
   前記樹脂基板を構成する樹脂材料のガラス転移温度をＴｇとして、
   前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に（Ｔｇ＋１３０℃）以上（Ｔｇ＋１６０℃）以下に加熱された溶融樹脂を注入することによって形成され、
   前記樹脂基板は、前記金型内に形成されるキャビティ空間内に溶融樹脂を９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の注入圧で注入することによって形成される、請求項１に記載のマイクロ流路チップの製造方法。

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