マイクロ流路デバイスとは？原理や材質別の特徴、低コストでの作り方

マイクロ流路デバイスとは、樹脂・ガラス等を材質とする基板に、液体が流れる微細な流路（一般的に幅または深さ数µmから数百µm程度のもの）を形成した装置です。マイクロ流路チップまたはマイクロ流路機器とも呼ばれています。

マイクロ流路デバイスに用いられている技術が、マイクロ流体力学（マイクロフルイディクス/ microfluidics）です。マイクロ流体力学によって、マイクロ流路デバイス内の少量の流体をマイクロスケールの非常に狭い流路を通して移動させたり、マイクロ液体や液体中を流れる微粒子をマイクロスケールで混合したり、分流したりが可能になります。

マイクロ流路デバイスはおもに医療分野の研究にて用いられていましたが、近年さまざまな分野にも応用されています。マイクロ流路デバイスの分野別におもな用途を以下にまとめました。

また、臓器（オルガン）の持つ生体機能を流路で表現できる「オルガン オン チップ」や、集積化した複数のオルガンオンチップによって、生体システム全体を再現できる「ヒューマン オン チップ」など、用途によってマイクロ流路デバイスも細分化されています。

マイクロ流路デバイスによって、マイクロスケール空間を利用しての研究や実験、分析、観察などが実現可能です。

従来では大型の機器やスペース、作業が必要な科学的作業は、作業そのものが煩雑になったり、機器や人材をそろえるコストが発生したりといった問題がありました。マイクロ流路デバイスは抗体との反応や細胞分離・抽出、溶液の混合、精製、検出といった複雑な作業もマイクロスケール空間内で実現できます。

現在はソフトウェアの開発から、複雑な構造の流路、流れ、拡散の実現や、精度の高い予測も可能となりました。各科学的作業の小型化ができるため、研究や実験回数の増加も可能です。より気軽に科学的作業ができることで、多くのトライ＆エラーが必要となる試薬や開発といった分野にも有効と言えるでしょう。

マイクロスケール空間で科学的作業を行うことから、少ない原料でも精度の高い、反応の早い結果が得られるメリットがあります。高価なサンプル、有限のサンプル、希少な試薬の原料などを減量できます。さらに、作業後に発生する廃液の量も減らせるので、処理の負担やコストの削減にもつながるでしょう。

マイクロ流体デバイスは他のデバイスよりも小型であるため、デバイスそのものの持ち運びがしやすいこともメリットです。サンプルや検体としてそのまま送付もしやすいです。輸送の制限がかかりにくい、デバイスを移送したいときなどにも便利と言えます。輸送コストの削減にもつながるでしょう。

マイクロ流路デバイスによってマイクロスケール空間での科学的作業ができることは、作業そのものの効率化と高精度化にもつながります。流体が大量の場合は制御や調整、分離などの作業がしにくいですが、マイクロスケールでの流体にすることで制御がしやすくなります。そのため作業も効率化し、精度の高い結果も得やすいでしょう。

石英ガラスやホウケイ酸ガラスは、透明性や寸法安定性が求められるマイクロ流路に利用されています。多くの薬液に対して良好な耐性を示しますが、薬品の種類や濃度、温度に応じた確認が必要です。硬く脆い材料のため、加工・接合方法や取り扱いも考慮します。

シリコンは、半導体・MEMS分野で広く使用される高剛性の材料です。フォトリソグラフィーやエッチングにより、精密な流路やセンサー構造を形成できます。一方、可視光を透過しないため、流路内部を光学観察する場合は、ガラスなどとの接合を含めて構造を検討します。

PDMS（ポリジメチルシロキサン）は、透明性、柔軟性、ガス透過性を持つシリコーン系エラストマーです。マスターにPDMSを流し込んで硬化・剥離し、基板に接合するソフトリソグラフィーで広く使用されています。

柔軟性を生かしたマイクロバルブにも利用される一方、特定の有機溶媒による膨潤、疎水性低分子の吸収、タンパク質などの表面吸着が実験結果に影響する場合があります。使用する試薬と観察条件に応じた評価が必要です。

詳しくは、PDMSとは？特徴・用途とPDMSデバイスの製作方法をご覧ください。

下記動画は、BMFの可溶性樹脂とPDMSの転写プロセスを示しています。

光硬化性樹脂は、SLA、DLP、PµSLなどの光造形方式で使用されます。微細な分岐や混合構造を含む部品の直接造形、またはPDMS転写用モールドの製作に活用できます。透明性、耐薬品性、吸水性、後硬化条件などは、使用する材料ごとに確認します。

LTCC（Low-temperature co-fired ceramics）とは、シート積層で形成されるセラミック基板のことです。

物理的・化学的な耐久性が高く、流路の構造や内部配線が形成しやすい特徴があります。レーザーや光による影響も受けません。洗浄や滅菌処理での再利用も可能です。

ただし、シリコンと同じく光透過性はありません。

マイクロ流路デバイスは、基盤としてさまざまな材質が採用されており、材質によって得意とする作業内容や特徴が異なります。マイクロ流路デバイスの用途に応じた材質を、まずは選定することが重要です。

詳細は３章を確認してください。

マイクロ流路の製作には、フォトリソグラフィー、ソフトリソグラフィー、切削、レーザー加工、射出成形、高精度3Dプリントなどの方法があります。平面的な流路を繰り返し複製する場合と、立体的な流路を少量試作する場合では、適した方法が異なります。

複雑な分岐や立体的な内部構造を少量試作する場合は、高精度3Dプリントも選択肢になります。ただし、実際の適用可否は、流路寸法、流路長、材料、造形方向、未硬化樹脂の排出・洗浄方法などによって異なります。

図：BMFのPµSL技術で造形した微細流路のサンプル

BMFのmicroArch®シリーズによる微細流路の造形例は、以下の動画でご覧いただけます。

造形事例：蛍光検出マイクロ流体

各加工法の特徴や、マイクロ流体デバイスの製作に3Dプリントを活用する方法については、マイクロ流体デバイスの製作方法と3Dプリントの活用例をご覧ください。