フレキシブルな世界最薄のガラス流体チップを開発

ポイント

• 分析や細胞操作などさまざまな実験に必要な流路を、手のひらほどの空間に集積した従来のガラス流体チップは、厚く、重く、硬いため、小型、軽量、柔軟さ、高耐圧の性能の向上が求められていました。
• 市販の超薄板ガラスを高精度に加工する技術を開発し、世界最薄のガラス流体チップの作製に成功しました。
• 個別化医療、生命科学研究、エネルギーデバイスなど幅広い分野への展開が期待されます。

＜合田 圭介　プログラム・マネージャーのコメント＞

本成果は、ＩｍＰＡＣＴ「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」に参画する理化学研究所の研究チームによるものです。本チームでは、膨大な細胞集団から高速・正確に細胞を計測分取するための装置に必要な薄い流体チップの作製技術を開発しています。今回の成果は、超薄板ガラスを利用したガラスの加工技術を確立し、極限まで薄いガラスチップの作製に成功したもので、今後は本プログラムの基礎技術として重要な役割を果たすものと期待されます。

＜研究の背景と経緯＞

個別化医療、生命科学研究、エネルギーデバイスなどの分野で、小型、軽量、柔軟で高速反応の実現に高効率なデバイスとして流体チップが最近注目されています。材料にはポリジメチルシロキサン^注４）に代表される樹脂が広く使われています。しかし、樹脂はガラスと比べて有機溶媒と反応しやすく、気体も吸収してしまうため、試料の操作、観測、分析や検出が正しく行えない欠点があります。また、物理的・化学的安定性にも欠け、光の透過率が低いため分光学的にも制限があります。さらに、樹脂同士の弱い接着では、流体を通すためにかける高い圧力に耐えられません。厚みや柔軟性にも限界があり、小型、軽量、柔軟な流体チップは実現できませんでした。

そこで、本研究チームは近年開発・市販されている厚さ４μｍ（マイクロメートル）の超薄板ガラスに着目しました。このガラスは軽量なフィルム状でよく曲がります。しかし、このような薄いガラスの加工は、従来の技術では対応できませんでした。そのため、図１Ａのようなリボンのように扱える超薄型ガラス製の流体チップの作製には、超薄板ガラスの取り扱い方法を含む、新たな加工技術の開発が必要でした。

＜研究の内容＞

従来のガラスの加工技術は、前処理、固定、洗浄などの加工手順が多く、ガラス破損や不要なひび割れが発生するリスクが高いため、柔軟で薄いガラス流体チップの作製に適しませんでした。そこで本研究チームは超短パルスレーザー技術に着目しました。この技術は極めて短いパルスで微小エネルギーを発し、ガラスを少しずつ削っていく手法で、前述の問題がありません。この技術により、超薄板ガラスに高精度で溝構造を彫ることに成功しました。

続いて、これまでに開発した薄板ガラスの接合技術を利用し、超薄型ガラス流体チップの作製にも成功しました。三枚の超薄板ガラス（厚み４μｍ）を用意し、一枚目に流体の入り口と出口として直径１ｍｍの穴を、二枚目に幅１０μｍの流路を加工しました。そして、一枚目、二枚目、加工していない三枚目の順に熱で接合し、厚さ１２μｍの非常に柔軟なガラス流体チップを作製しました（図１Ｂ）。このチップの断面を電子顕微鏡で観察し、設計通りの流体チップであることを確認しました（図１Ｃ）。

次に、超薄型ガラス流体チップを通常のスライドガラス板と樹脂製の貯水池で挟み（図２Ａ）、赤い色素を含む流体を貯水池から流体チップの溝に流し込み、出口を観察しました（図２Ｂ）。流体は、毛細管現象^注５）により入り口から出口まで移動し、流体チップとして機能することが確認されました（図２Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）。

さらに、作製した超薄型ガラス流体チップの柔軟さを、長さ方向と幅方向での曲げ実験と長さ方向でのねじり実験で評価し、長さ方向での最小曲げ半径^注６）は２ｍｍ、幅方向での最小曲げ半径は３ｍｍ、ねじり上限^注７）は約４０度と測定され（図３）、柔軟であることを証明しました。

＜今後の展開＞

本研究で開発した超薄板ガラスの加工技術を利用して作製したガラス流体チップは、個別化医療、生命科学研究、エネルギーデバイスなど幅広い分野への貢献が期待できます。具体的な応用例として図４のようなものがあります。生命科学研究においては、微小な細胞や細菌、バクテリアを高分解能^注８）かつ高倍率で観察するために、開口数^注９）の大きなレンズを使用し、レンズから細胞までの距離を可能な限り接近させる必要があります。本研究で開発した技術を用いると、従来のカバーガラスとスライドガラスで構成されたガラスチップの約１００分の１まで薄くした流体チップを提供でき、飛躍的な研究の進展が期待できます（図４Ａ）。従来、薄いガラスは割れやすく、チップを作ることは困難で、今回、薄いガラスのハンドリング法も併せて開発したことで、このような薄さが可能になりました。また、超薄型ガラスの優れた性質を活用すれば、これまでにない軽くて薄い、寿命の長い、電気性能も優れたウェアラブルデバイス^注１０）の開発につながると期待されます（図４Ｂ）。さらに、医療分野においては、従来の２０分の１の薄さで、頑丈で小さい薬物送達デバイス^注１１）としての応用も考えられ、周囲の組織や脳へのダメージが少ない送薬が期待できます（図４Ｃ）。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 研究チーム

本発表の研究チームメンバーは、理化学研究所 生命システム研究センター 集積バイオデバイス研究ユニット　田中 陽（ユニットリーダー）、ヤリクン・ヤシャイラ（特別研究員）、奈良先端科学技術大学院大学 生体プロセス工学研究室　細川 陽一郎（教授）、飯野 敬矩（特任助教）で構成される。

注２） 流体チップ

微量な溶液や生体試料の混合、反応、分離、精製、検出などさまざまな化学、生物操作をミクロ化できる、半導体製造技術を用いて作製したデバイス。

注３） 超短パルスレーザー技術

フェムト秒レーザーは、極めて短いパルスで瞬間的に放つ極めて高い出力を利用したレーザー。レーザーの平均出力は小さく、１つのパルスがもつエネルギーの総量も小さいが、それぞれのパルスの持続時間が非常に短いため、瞬間的なピーク出力は極めて高くなる。

注４） ポリジメチルシロキサン

コンタクトレンズや医用器具からエラストマー、防水剤、潤滑油、耐熱タイルまで幅広く使用されている世界で最も普及しているシリコンゴム。

注５） 毛細管現象

細い管状構造の内側の液体が、管内表面の濡れ性により管の中を充填する物理現象。

注６） 最小曲げ半径

ガラス流体チップの長さ方向で曲げられる限界。

注７） ねじり上限

ガラス流体チップの長さ方向でのねじれる限界。

注８） 分解能

顕微鏡など多くの結像光学系において、その系が見分けうる２点間の最小距離のこと。

注９） 開口数（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ａｐｅｒｔｕｒｅ、ＮＡ）

対物レンズ、コンデンサーの性能を示す指標で、ＮＡ＝ｎ·ｓｉｎθで求められる。 ｎ：標本と対物レンズ間の媒体の屈折率で空気は１、オイルでは１．５１５
θ：光軸と、一番外側を通る光線とがなす角

注１０） ウェアラブルデバイス

材料はガラスであるため、物理特性が安定で、体液の回収デバイスに使用できる。さらに、ガラスの電気特性と熱伝導率が有機材料より優れるため、ウェアラブル電気計測や体温発電デバイスに使用可能である。

注１１） 薬物送達デバイス

従来の治療法のような、薬を飲んだり、注射したりせず、標的部位に極限まで近づき、薬を徐放させることで、薬品の血中濃度を長期に維持し、病変部のみに薬を運ぶデバイスのこと。

＜論文情報＞

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