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平成28年5月26日

科学技術振興機構(JST)
理化学研究所
内閣府政策統括官(科学技術・イノベーション担当)

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

内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の合田 圭介 プログラム・マネージャーの研究開発プログラムの一環として、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の田中 陽 ユニットリーダーとヤリクン・ヤシャイラ 特別研究員らのチーム注1)は、超薄板ガラスを用いた柔軟な次世代型流体チップ注2)の作製技術を開発しました。

ガラスはほとんどの溶媒・溶質に対して安定でどのような流体にも対応できるため、さまざまな分野において、効率良く高速反応を実現する小型の次世代型流体チップの材料として期待されています。しかし、従来のガラス流体チップには厚い、重い、硬いなどの特徴があり、小型、軽量、柔軟さ、高耐圧性が求められる場合に問題が生じていました。

本研究チームは、近年開発され市販されている厚さ4μm(マイクロメートル:髪の直径の50分の1程度)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、従来の技術では、このような薄いガラスの加工ができませんでした。

そこで、本研究では奈良先端科学技術大学院大学の飯野特任助教らと共同して開発した超短パルスレーザー注3)を用いた超薄板ガラスの高精度な加工技術と、これまでに開発したガラスの接合技術を用いて、複数の薄板ガラスを接合した従来のガラスチップより格段に軽く柔軟な、世界最薄(12μm)のガラス流体チップを作製し、次世代のガラスデバイス作製の基盤技術を確立しました。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貢献が期待できます。

本研究は、2016年5月26日18時(日本時間)に英国の科学雑誌『Lab on a Chip』オンライン速報版に掲載されます。

本成果は、以下のプログラム・研究開発課題によって得られました。

PM

田中 陽

PM

Yalikun Yaxiaer

内閣府 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT) http://www.jst.go.jp/impact/

プログラム・マネージャー 合田 圭介
研究開発プログラム セレンディピティの計画的創出による新価値創造
研究開発課題 細胞検索エンジン(セレンディピター)のための計測プラットフォームおよび細胞分取技術の開発
研究開発責任者 田中 陽
(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 ユニットリーダー)
チームメンバー ヤリクン・ヤシャイラ(Yalikun Yaxiaer)
(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 特別研究員)
研究期間 平成27年4月~平成29年3月

本研究開発プログラムでは、膨大な細胞集団から単一の目的細胞を発見する細胞検索エンジンの開発に取り組んでいます。その中で、田中チームは、高速流体中の細胞の計測や分取を可能にする「高耐圧薄型ガラス流体チップ」の開発に取り組んでいます。

<合田 圭介 プログラム・マネージャーのコメント>

PM

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>

図1 超薄型ガラス流体チップとその構造

(A)超薄型ガラス流体チップのイメージ図。薄くて柔軟で、リボンのように扱える。(B)今回開発した技術で作成した超薄型ガラス流体チップ写真。(C)超薄型ガラス流体チップの断面を電子顕微鏡で観察した結果。上、中、下の三層構造で、厚みは12μm。

図2 超薄型フレキシブルなガラス流体チップの機能確認実験

超薄型ガラス流体チップをガラス板と樹脂製の貯水池で挟み、流体を溝に供給し、溝の機能を確認した。(A)実際のチップと実験設置の写真。(B1、B2、B3)毛細管現象により入り口の貯水池から出口まで赤い色素を含む流体の移動が確認できた。

図3 超薄型フレキシブルなガラス流体チップの柔軟さの評価

長さ方向での最小曲げ半径は2mm、幅方向での最小曲げ半径は3mm、ねじり上限は約40度を示した。

図4 本技術の応用例

(A)顕微鏡で観察するため、微小な細胞、細菌やバクテリアをスライドガラスにのせ、上にカバーガラスで閉じて、観察する必要がある。しかし、高分解能で高倍率観察は至近距離で行う必要があるため、カバーガラスの厚みの影響は無視できず、観察方向は上部からのみに限定される。本デバイスは従来の厚みの約1.2%と薄く、分解能の高い高倍率レンズ(NAの大きなレンズ)を用いた上下両方向からの高分解能で高倍率観察が可能になる。(B)超薄型ガラスの優れた電気特性、耐久性、薄さ、軽さ、柔軟さを用いて、これまでにない優れたウェアラブルデバイスの開発が可能になる。(C)従来の薬物送達デバイスの20分の1の厚みを持つ超薄型ガラスチップは脳内などの局所的な部位での送薬システムの構築に役に立つ。

<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>

タイトル An all-glass 12 μm ultra-thin and flexible micro-fluidic chip fabricated by femtosecond laser processing
(フェムト秒レーザーにより作製した12μm超薄型フレキシブルなガラス流体チップ)
著者名 Yaxiaer Yalikun, Yoichiroh Hosokawa, Takanori Iino, Yo Tanaka
掲載誌 Lab on a chip
doi 10.1039/c6lc00132g

<お問い合わせ先>

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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
ユニットリーダー:田中 陽(タナカ ヨウ) E-mail:
特別研究員:Yalikun Yaxiaer(ヤリクン・ヤシャイラ) E-mail:
Tel:06-6105-5132

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理化学研究所 広報室 報道担当
Tel:048-467-9272
E-mail:

(英文)“World’s thinnest all-glass flexible microfluidic chip”