【目次】
1. PDMSとは？
2. PDMSデバイス（PDMSチップ）の特徴
3. PDMSデバイス（PDMSチップ）の用途
4. フォトリソグラフィによる一般的な製作方法
5. BMFの精密3Dプリントを用いたPDMSデバイス製作
6. PDMSとは？まとめ
PDMS（ポリジメチルシロキサン）は、シロキサン結合を主鎖にもつシリコーンの一種です。透明性、柔軟性、成形のしやすさなどから、マイクロ流路チップ、医療・バイオ研究用デバイス、光学部品などに広く利用されています。
特にマイクロ流体分野では、微細な流路形状をモールドから転写しやすく、内部を観察しやすいことから、試作・実験用デバイスの代表的な材料の一つです。一方、疎水性、低分子化合物の吸着、ガス透過性、圧力による変形など、用途によって考慮すべき特性もあります。
この記事では、PDMSの基本的な特徴と用途、PDMSデバイスの一般的な製作方法を整理し、BMFの精密3Dプリントと可溶性樹脂モールドを活用したPDMS転写の選択肢について紹介します。
この記事でわかること
PDMSとは何か、シリコン・シリコーンとの違い
PDMSがマイクロ流路に使われる理由と注意点
フォトリソグラフィと精密3Dプリントを用いた製作方法の違い
BMFの可溶性樹脂モールドで対応しやすい微細構造
PDMSとは？
PDMSは「Polydimethylsiloxane（ポリジメチルシロキサン）」の略称で、ケイ素と酸素が交互に結合したシロキサン骨格をもつ高分子材料です。日本語ではシリコーンの一種に分類されます。元素の「シリコン（ケイ素）」と、材料群を表す「シリコーン」は意味が異なるため、区別が必要です。
PDMSは配合や架橋条件によって液状からゴム状まで性質が変わります。マイクロ流体デバイスでは、一般に主剤と硬化剤を混合し、モールドへ注型して硬化させたエラストマーが用いられます。
透明性、柔軟性、微細形状の転写性、ガス透過性などは研究・試作で利点になります。一方で、疎水性による濡れ性の低さ、疎水性分子の吸着、溶媒による膨潤、圧力による流路変形などが結果に影響する場合があります。採用時には、試薬、圧力、観察方法、滅菌・表面処理、使用期間を含めて評価することが重要です。
PDMSデバイス（PDMSチップ）の特徴
PDMSデバイスとは、PDMSを材料としたマイクロ流体デバイスを意味する用語で、PDMSチップと表現されることもあります。
そもそもマイクロ流体デバイスとは、マイクロ流体力学が適用できる微小な経路を基板に形成した装置で、ガラスや樹脂、PDMSなどのシリコンが材料として使用されます。マイクロ流体力学で重要な「層流」が形成されるため、流体の挙動が予測しやすいという特長を活かしてさまざまな試験に活用されているデバイスです。
例えば、化学反応を均一に行いたい場合や温度変化を均一に保ちたい場合には、マイクロ流体デバイスの利用が効果的です。また、希少な試薬や高額な試薬を使用する場合に、マイクロ流体デバイスであれば必要な試薬が少量で済む点も大きなメリットとなります。
PDMSデバイスは、ガラスや樹脂を用いたマイクロ流体デバイスと比較して以下で紹介するような特徴を持ちます。材質によって特徴が異なるため、マイクロ流体デバイスの用途に合わせて材質を選定することが重要です。
透明で内部を観察しやすい
PDMSは可視光域で透明性が高く、流路内の液体、粒子、細胞などを顕微鏡で観察しやすい材料です。このため、分析、細胞培養、反応評価など、内部観察を伴うマイクロ流体デバイスに利用されています。
柔軟で微細形状を転写しやすい
硬化後のPDMSは柔軟性をもち、モールドから剥離しやすいため、微細な流路やパターンの転写に適しています。設計変更を伴う試作では、モールド製作方法と組み合わせて形状を検証できます。
少量試作に対応しやすい
PDMSデバイスは、フォトリソグラフィで作製したマスターや、精密3Dプリントで造形したモールドを用いて製作できます。金型量産に移行する前の形状確認や研究用途の少量試作に向いています。ただし、実際の納期・コストは形状、寸法、表面処理、接合、検査条件によって異なります。
材料特性による制約がある
PDMSは疎水性で、疎水性化合物や一部のタンパク質を吸着する場合があります。また、使用する有機溶媒によっては膨潤し、柔軟性が高いため高圧条件では流路が変形する可能性があります。ガラスや熱可塑性樹脂などと比較し、用途に合う材料を選ぶ必要があります。
PDMSデバイス（PDMSチップ）の用途
PDMSデバイスは、少量の液体を扱うマイクロ流体実験、細胞培養、創薬スクリーニング、化学反応・混合、液滴生成、粒子分離、センサー、Lab-on-a-Chipなどに利用されています。
透明性を活かした顕微鏡観察、柔軟性を活かしたバルブ・ポンプ構造、ガス透過性を活かした細胞培養など、目的によって利点が異なります。ただし、薬剤の吸着や溶媒による膨潤が評価結果に影響する可能性があるため、用途ごとに材料適合性を確認してください。
フォトリソグラフィによる一般的な製作方法
PDMS製マイクロ流路は、フォトリソグラフィでマスターを作製し、PDMSへ形状を転写するソフトリソグラフィによって製作されることが一般的です。
基本工程は次のとおりです。
1. 基板上のフォトレジストを露光・現像し、流路形状のマスターを作製する
2. 主剤と硬化剤を混合したPDMSをマスターへ注型し、脱泡・硬化する
3. 硬化したPDMSをマスターから剥離し、入口・出口を加工する
4. 必要に応じて酸素プラズマ処理などを行い、ガラスやPDMS基板と接合する
フォトリソグラフィは平面的な微細流路を高い再現性で作りやすい一方、クリーンルーム設備や工程管理が必要で、アンダーカット、閉じた内部構造、複雑な三次元形状ではマスター製作や離型が難しくなる場合があります。
BMFの精密3Dプリントを用いたPDMSデバイス製作
BMFでは、PDMSそのものを光造形3Dプリンターで直接造形するのではなく、独自のPµSL（Projection Micro Stereolithography）技術で高精細なモールドを造形し、PDMSの転写・キャスティング工程と組み合わせる方法を提案しています。
通常のモールドを用いる方法
開放形状で離型可能な流路や微細パターンでは、精密3Dプリントでマスターまたはモールドを造形し、PDMSへ形状を転写します。フォトマスクを作り直さずに設計変更を反映できるため、複数案の比較や少量試作に適しています。
可溶性樹脂モールドを用いる方法
アンダーカット、複雑な三次元形状、ラティスなど、硬いモールドからの離型が難しい形状では、BMFの可溶性感光性樹脂（SR）でモールドを造形し、PDMS硬化後に高温のアルカリ溶液でモールドを溶解除去する方法を選択できます。
この方法は、従来の型開きや工具経路の制約を受けやすい微細構造を検討する際の選択肢です。ただし、形状、最小寸法、PDMSの配合、未硬化材料の充填、気泡、硬化条件、モールド溶解、洗浄、要求品質によって製作可否が異なります。具体的な形状は事前評価が必要です。
詳しい工程と造形例は、可溶性樹脂モールドとは？精密3Dプリントによる射出成形・PDMS転写への応用をご覧ください。
PDMSとは？まとめ
PDMSは、透明性、柔軟性、微細形状の転写性などを備え、マイクロ流体デバイスで広く利用されるシリコーン材料です。一方、疎水性、分子吸着、溶媒による膨潤、圧力による変形などの特性があるため、使用条件に合わせた材料選定が欠かせません。
平面的な流路ではフォトリソグラフィを用いたソフトリソグラフィが一般的です。設計変更を繰り返す試作や、離型が難しい三次元微細構造では、精密3Dプリントによるモールド、または可溶性樹脂モールドとPDMS転写を組み合わせる方法が選択肢になります。
BMF Japanでは、PDMS転写用モールドの設計検討、精密3Dプリント、可溶性樹脂モールドを活用した試作を支援しています。流路寸法、形状、使用条件、必要数量を確認したうえで製作可否を検討します。PDMS製マイクロ流体デバイスや複雑な微細構造の試作については、[お問い合わせ]ください。
