特許 6304688 バルブ、マイクロ流体デバイス、マイクロ構造体、及びバルブシート、並びに、バルブシートの製造方法、及びマイクロ流体デバイスの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6304688

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】バルブ、マイクロ流体デバイス、マイクロ構造体、及びバルブシート、並びに、バルブシートの製造方法、及びマイクロ流体デバイスの製造方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 31/70 20060101AFI20180326BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20180326BHJP

   B81C 3/00 20060101ALI20180326BHJP

   G01N 37/00 20060101ALI20180326BHJP

【ＦＩ】

   F16K31/70 Z

   B81B3/00

   B81C3/00

   G01N37/00 101

【請求項の数】20

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2014-510090(P2014-510090)

(86)(22)【出願日】2013年3月15日

(86)【国際出願番号】JP2013057453

(87)【国際公開番号】WO2013153912

(87)【国際公開日】20131017

【審査請求日】2016年1月28日

(31)【優先権主張番号】特願2012-91089(P2012-91089)

(32)【優先日】2012年4月12日

(33)【優先権主張国】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100140774

【弁理士】

【氏名又は名称】大浪 一徳

(74)【代理人】

【識別番号】100175824

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 淳一

(72)【発明者】

【氏名】一木 隆範

(72)【発明者】

【氏名】竹原 宏明

(72)【発明者】

【氏名】塩野 博文

【審査官】 関 義彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００８／１０５３０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０３−０８４２７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１８１６８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２５７２３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０３６１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１６８２１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１８５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５２４０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００９０４９４４５（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｋ ３１／７０

Ｆ１６Ｋ ７／１４

Ｂ８１Ｃ ３／００

Ｂ８１Ｂ １／００

Ｂ０１Ｊ １９／００

Ｇ０１Ｎ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブであって、変形することにより、前記流路中の流体の流れを調節し、
前記流路は、前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成する、バルブ。

【請求項2】

温度変化によって、前記流路中を前記流体が流れる状態とする開状態、又は前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態、に変形可能である請求項１に記載のバルブ。

【請求項3】

加熱されることにより、前記流路中を前記流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブである請求項１に記載のバルブ。

【請求項4】

加熱されることにより、前記流路中の前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブである請求項１に記載のバルブ。

【請求項5】

加熱されることにより、前記流路中の前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、及び加熱されることにより、前記流路中を前記流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブである請求項１に記載のバルブ。

【請求項6】

前記開状態は、前記閉状態をバイパスするための凹型形状を有する状態である請求項２〜５のいずれか一項に記載のバルブ。

【請求項7】

前記開状態は、前記閉状態をバイパスするための貫通型形状を有する状態である請求項２〜５のいずれか一項に記載のバルブ。

【請求項8】

生体分子が流される流路に配設された形状記憶ポリマーからなる構造体であって、
前記流路は、前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成し、
加熱条件を制御することにより変形量が調節されることを特徴とした構造体。

【請求項9】

前記変形量の調節に応じて所定の生体分子を堰き止めることを特徴とする請求項８に記載の構造体。

【請求項10】

流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブを備えた流体デバイスであって、
前記流路は、前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成し、
前記バルブは、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする流体デバイス。

【請求項11】

流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブを備えた流体デバイスであって、前記流体デバイスは、
第一面に配置され、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブと、
第一面と対向した第二面に配置され、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブと、
を備え、
ノーマリーオープンバルブとノーマリークローズバルブとが、互いに対向して配置されたことを特徴とする流体デバイス。

【請求項12】

流路に配設された形状記憶ポリマーからなる複数のバルブからなるポンプを備えた流体デバイスであって、
前記流路は、前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成し、
前記複数のバルブは、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる二つ以上であることを特徴とする流体デバイス。

【請求項13】

前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分の温度を変化させることによって、前記開状態及び前記閉状態を制御する手段を備えた請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の流体デバイス。

【請求項14】

加熱条件を制御することにより前記形状記憶ポリマーの変形量を制御し、前記流路中の流体の流量を制御する加熱手段を備えた請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の流体デバイス。

【請求項15】

前記加熱手段として電極を備えた請求項１４に記載の流体デバイス。

【請求項16】

光吸収剤を用いた加熱手段を備えた請求項１４に記載の流体デバイス。

【請求項17】

形状記憶ポリマーからなるバルブが配列されたバルブシートであって、
前記バルブは、流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種であり、
前記流路は、前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成する、バルブシート。

【請求項18】

形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び／又は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の凹部を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを成形する工程を有し、
前記形状記憶ポリマーからなるシートと流路形成層とが積層されることにより形成され、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり深さが０．０１μｍから１００ｍｍである流路用であり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成する、バルブシートの製造方法。

【請求項19】

形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び／又は、
前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の貫通孔を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを成形する工程を有することを特徴とするバルブシートの製造方法。

【請求項20】

バルブシートと流路形成層からなる流路デバイスの製造方法であって、
形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、第１のノーマリークローズ・バルブを成形する工程、
前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の凹部を設け、前記シート上に、第１のノーマリーオープン・バルブを成形する工程、
前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、第２のノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び、
前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の貫通孔を設け、前記シート上に、第２のノーマリーオープン・バルブを成形する工程からなる群から選ばれる少なくとも一工程を有するバルブシートの製造方法によりバルブシートを製造する第１工程と、
前記第１工程において製造されたバルブシートと流路形成層とを積層する第２工程と、を有し、
前記流路は、幅が０．０１μｍ〜１００ｍｍであり、深さが０．０１μｍから１００ｍｍであり、
前記形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が前記流路の少なくとも一部を形成する、流体デバイスの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、バルブ、マイクロ流体デバイス、マイクロ構造体、及びバルブシート、並びに、バルブシートの製造方法、及びマイクロ流体デバイスの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、体外診断分野における試験の高速化、高効率化、および集積化、又は、検査機器の超小型化を目指したμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ)の開発などが注目を浴びており、世界的に活発な研究が進められている。

【0003】

μ−ＴＡＳは、少量の試料で測定、分析が可能なこと、持ち運びが可能となること、低コストで使い捨てが可能なこと等、従来の検査機器に比べて優れている。
更に、高価な試薬を使用する場合や少量多検体を検査する場合において、有用性が高い方法として注目されている。

【0004】

μ−ＴＡＳにおいて、マイクロバルブは、チップ中の流路における生体試料等を含む流体の流れを制御するために不可欠な要素である。
従来提案されているマイクロバルブは、アクチュエーター等の可動部材を用いるものが一般的であったが、近年では、流路の天井にガス圧をかけて流路を塞ぐマイクロバルブが提案されている（特許文献１、非特許文献１参照。）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２００３−５１６１２９号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Marc A. Unger, et.al., Science, (2000) vol.288, pp.113-116.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に記載のマイクロバルブでは、流体の流れる流路の上部に、ガス流路のネットワークを形成する必要があり、簡便にかつ低コストでマイクロバルブを製造するという点においては改良の余地がある。
また、このようなマイクロバルブを用いることにより、マイクロ流路デバイスの設計の自由度が奪われている。
更に、流路を塞ぐために逐一ガスをガス流路に送り込む必要があり、簡便に流体の流れを制御するという点においては改良の余地がある。

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、簡便にかつ低コストで製造でき、流体の流れを簡便かつ自在に制御することができるバルブ、該バルブを備えたマイクロ流路デバイス、マイクロ構造体、及び該バルブが配列されたバルブシート、並びに、該バルブシート及びマイクロ流路デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは上記の課題を解決するため、鋭意研究を行った結果、形状記憶ポリマーを用いることにより課題を解決できることを見出した。本発明の一実施態様は、下記（１）〜（９）を提供するものである。
（１）本発明の一実施態様におけるバルブは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブであって、変形することにより、前記流路中の流体の流れを調節することを特徴とする。
（２）本発明の一実施態様における構造体は、生体分子が流される流路に配設された形状記憶ポリマーからなる構造体であって、加熱条件を制御することにより変形量が調節されることを特徴とする。
（３）本発明の一実施態様における流体デバイスは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブを備えた流体デバイスであって、前記バルブは、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする。
（４）本発明の一実施態様における流体デバイスは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブを備えた流体デバイスであって、前記流体デバイスは、第一面に配置され、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブと、前記第一面と対向した第二面に配置され、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブと、を備え、前記ノーマリーオープン・バルブと前記ノーマリークローズ・バルブとが互いに対向して配置されたことを特徴とする。
（５）本発明の一実施態様における流体デバイスは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなる複数のバルブからなるポンプを備えた流体デバイスであって、前記複数のバルブは、前記流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる二つ以上であることを特徴とする。
（６）本発明の一実施態様におけるバルブシートは、形状記憶ポリマーからなるバルブが配列されたバルブシートであって、前記バルブは、流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、前記流路中の前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする。
（７）本発明の一実施態様におけるバルブシートの製造方法は、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを形成する工程、及び／又は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の凹部を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを形成する工程を有することを特徴とする。
（８）本発明の一実施態様におけるバルブシートの製造方法は、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを形成する工程、及び／又は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の貫通孔を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを形成する工程を有することを特徴とする。
（９）本発明の一実施態様における流路デバイスの製造方法は、バルブシートと流路形成層からなる流路デバイスの製造方法であって、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、第１のノーマリークローズ・バルブを形成する工程、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の凹部を設け、前記シート上に、第１のノーマリーオープン・バルブを形成する工程、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、第２のノーマリークローズ・バルブを形成する工程、及び、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の貫通孔を設け、前記シート上に、第２のノーマリーオープン・バルブを形成する工程からなる群から選ばれる少なくとも一工程を有するバルブシートの製造方法によりバルブシートを製造する第１工程と、前記第１工程において製造されたバルブシートと流路形成層とを積層する第２工程と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、流体の流れを簡便に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】形状記憶ポリマーを説明するための模式図である。

【図2】本実施形態におけるバルブの一態様の概略断面図である。

【図3】本実施形態におけるバルブの一態様の概略断面図である。

【図4】本実施形態におけるバルブの一態様の概略断面図である。

【図5】本実施形態におけるバルブの一態様の概略断面図である。

【図6】本実施形態におけるバルブの一態様の概略断面図である。

【図7】本実施形態におけるマイクロ構造体の一態様の概略断面図である。

【図8】本実施形態におけるバルブシートの一態様の正面図である。

【図9】本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの一態様の正面図である。

【図10】本実施形態におけるバルブシートの製造方法の一態様の模式図である。

【図11】本実施形態におけるバルブシートの製造方法の一態様の模式図である。

【図12】本実施形態におけるバルブシートの製造方法の一態様の模式図である。

【図13】本実施形態におけるバルブシートの製造方法の一態様の模式図である。

【図14】本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの一態様の正面図である。

【図15】本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの一態様の概略断面図である。

【図16】本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの一態様の正面図である。

【図17】本実施形態におけるマイクロ流体デバイスの一態様の概略断面図である。

【図18】実施例１におけるマイクロ流体デバイスの製造工程を示す模式図である。

【図19】実施例１におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図20】実施例１におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図21】実施例２におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図22】実施例３におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図23】実施例４におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図24】実施例５におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【図25】実施例６におけるマイクロ流体デバイスの動作確認結果である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

≪バルブ≫
本発明のバルブは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブであって、変形することにより、前記流路中の流体の流れを調節する。

【0013】

形状記憶ポリマーとは、成形加工後に外力を加えて変形しても、ある温度以上に加熱すると元の形状に回復するポリマーであり、ある温度（以下、形状回復温度）以上で流動性を帯びる可逆相と、可逆相が変形する温度では変形を生じない物理的又は化学的結合部位（架橋点）からなる固定相から構成されている。
図１に示すように、形状記憶ポリマーは、成形加工又は機械加工により形成した形状を樹脂中の固定相により記憶し、形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下において、記憶した形状を自由な形状に変形させることができる。そして、この変形させた状態を維持したまま形状回復温度未満の温度に冷却することで、この変形を固定することができる。この形状回復温度未満の温度に冷却して加えた変形を固定させたものを、形状回復温度以上で融点未満の温度に加熱することにより、成形加工又は機械加工により形成した形状が復元される。

【0014】

本発明においては、成形加工又は機械加工により、形状記憶ポリマーからバルブを成形する。バルブは、流路中を流体が流れる状態とする開状態、又は流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態に成形される。
更に、該形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度で、このバルブに変形を加えた後、形状回復温度未満の温度に冷却して変形を固定させる。この変形は、開状態のバルブを閉状態とする変形か、閉状態のバルブを開状態とする変形である。
このように変形の加えられたバルブを流路に配設する。変形の加えられたバルブの形状が、開状態である場合には、バルブ配設後、流路中を流体が自由に流れる。変形の加えられたバルブの形状が、閉状態である場合には、バルブ配設後、流路中の流体の流れは堰き止められている。
次いで、該バルブを形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度で加熱することにより、バルブ成形時の形状が復元する。開状態となるように変形の加えられたバルブは、加熱されることにより閉状態となり、流路中の流体の流れは堰き止められる。閉状態となるように変形の加えられたバルブは、加熱されることにより開状態となり、流路中を流体が自由に流れるようになる。
このように、本発明によれば、形状記憶ポリマーからなるバルブを流路に配設することにより、流路中の流体の流れを自在に制御することができる。
また、本発明によるバルブは、形状記憶ポリマーの少なくとも一部分が流路の少なくとも一部を形成しているため、簡便に低コストで製造でき、簡便かつ自在に開状態や閉状態を制御することができる。また、本発明のバルブは、加熱などの温度変化によって、流路中を流体が流れる状態とする開状態、又は流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態、に変形可能である。
以下、本発明のバルブの好ましい実施形態について説明するが、これらの実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために一例として説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

【0015】

＜マイクロバルブ＞
本実施形態のバルブは、マイクロ流体デバイス（流体デバイス）に好適に用いられるマイクロバルブである。該マイクロバルブとしては、ノーマリーオープン・バルブ、ノーマリークローズ・バルブ、又はこれらを直列に配設してなる直列バルブが挙げられる。なお、本実施形態におけるマイクロ流体デバイスはマイクロメートルスケールであっても、ミリメートルスケールであってもよい。
以下、各マイクロバルブの詳細について説明する。

【0016】

［ノーマリーオープン・バルブ］
図２は、本発明のバルブの第１実施形態を示す概略断面図である。本実施形態のバルブは、加熱されることにより、流路２中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ４である。

【0017】

（凹型形状）
図２に示すように、流路２は、流路形成層１とシート３とが積層されることにより形成される。
尚、図２においては、シート３の上に流路形成層１が積層され流路２が形成されているが、これらの上下関係は問わず、流路形成層の上にシートが積層され、この積層により流路が形成されていてもよい。
流路形成層１は、堰１ａを有しており、堰１ａによって流路２中の流体の流れが堰き止められている。これに対し、ノーマリーオープン・バルブ４は、定常状態においては、堰１ａによって堰き止められた流体を迂回させるためのバイパスとしての流路（バイパス路）として機能する。
形状記憶ポリマーからなるシート３は、その形成時に、平坦の形状を記憶している。図２において、ノーマリーオープン・バルブ４は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、外力を加えることにより、凹型形状に成形されている。
ノーマリーオープン・バルブ４は、加熱前は、流体の流れが堰き止められた閉状態をバイパスするための形状を有し、流路２を流体が流れる状態とする開状態にある。ここで、図２において、ノーマリーオープン・バルブ４の開状態とは、閉状態をバイパスするための凹型形状を有する状態である。即ち、ノーマリーオープン・バルブ４は、定常状態では、凹型形状の開状態にある。
そして、加熱後は、シート３が平坦形状に復元することにより、流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形する。

【0018】

（貫通型形状）
また、図３に示されるように、ノーマリーオープン・バルブ４の開状態とは、閉状態をバイパスするための貫通型形状を有する状態であってもよい。図３において、ノーマリーオープン・バルブ４は、形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、外力を加えることにより、貫通型形状に成形されている。即ち、ノーマリーオープン・バルブ４は、定常状態では、貫通型形状の開状態にある。
そして、加熱後は、シート３が平坦形状に復元することにより、ノーマリーオープン・バルブ４は、流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形する。

【0019】

ノーマリーオープン・バルブ４を構成する形状記憶ポリマーとしては、特に限定されず、例えば、形状記憶性を有するエラストマー等の高分子材料を挙げることができる。
形状記憶性を有するエラストマーの具体例としては、ポリウレタン、ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリノルボルネン、スチレン−ブタジエン共重合体；エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル、メラニン樹脂；ポリカプロラクトン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド；等のポリマーを、例えば有機過酸化物、過酸化ベンゾイルといった過酸化物を使用した熱による化学的架橋手法によって架橋されたものが挙げられる。

【0020】

［ノーマリークローズ・バルブ］
図４は、本発明のバルブの第２実施形態を示す概略断面図である。本実施形態のバルブは、加熱されることにより、流路１２中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ５である。

【0021】

（凹型形状バルブ）
図４に示すように、流路１２は、流路形成層１とシート１３とが積層されることにより形成される。尚、本実施形態においても、シートと流路形成層との上下関係は問わない。
流路形成層１は、堰１ａを有しており、堰１ａによって流路１２中の流体の流れが堰き止められている。これに対し、ノーマリークローズ・バルブ５は、定常状態においては、平坦の形状を有しており、流体の流れが堰き止められた状態となっている。
形状記憶ポリマーからなるシート１３は、その形成時に、凹型形状を記憶している。図４において、ノーマリークローズ・バルブ５は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、外力を加えることにより、平坦の形状に成形されている。
ノーマリークローズ・バルブ５は、加熱後は、流体の流れが堰き止められた閉状態をバイパスするための形状を有し、流路１２を流体が流れる状態とする開状態にある。ここで、図４において、ノーマリークローズ・バルブ５の開状態とは、閉状態をバイパスするための凹型形状を有する状態である。
よって、加熱後は、シート１３が凹型形状に復元することにより、ノーマリークローズ・バルブ５は、流路中を流体が流れる状態とする開状態へと変形する。

【0022】

（貫通型形状バルブ）
また、図５に示されるように、ノーマリークローズ・バルブ５の開状態とは、閉状態をバイパスするための貫通型形状を有する状態であってもよい。図５において、ノーマリークローズ・バルブ５は、形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、外力を加えることにより、平坦の形状に成形されている。即ち、ノーマリークローズ・バルブ５は、定常状態では、平坦の形状の閉状態にある。
そして、加熱後は、シート３が貫通型形状に復元することにより、ノーマリークローズ・バルブ５は、流体が流れる状態とする開状態へと変形する。

【0023】

ノーマリークローズ・バルブ５を構成する形状記憶ポリマーとしては、ノーマリーオープン・バルブ４を構成する形状記憶ポリマーと同様のものを挙げることができる。

【0024】

［直列バルブ］
図６は、本発明のバルブの第３実施形態を示す概略断面図である。例えば、本実施形態のバルブは、ノーマリークローズ・バルブ２４及びノーマリーオープン・バルブ２５が、流路２２の上流から、この順に配設されてなる直列バルブ６である。また、本実施形態のバルブは、ノーマリークローズ・バルブ２４及びノーマリーオープン・バルブ２５が、流路２２に沿って直列的に配置されている直列バルブである。尚、本実施形態のバルブは、ノーマリーオープン・バルブ２５及びノーマリークローズ・バルブ２４が、流路２２の上流から、この順に配設されている直列バルブであってもよい。

【0025】

本実施形態においては、ノーマリークローズ・バルブ２４及びノーマリーオープン・バルブ２５の開状態が、ともに凹型形状である場合について説明するが、ともに貫通型形状であってもよく、または、凹型形状及び貫通型形状の組合せであってもよい。
図６に示すように、流路２２は、流路形成層２１とシート２３とが積層されることにより形成される。尚、本実施形態においても、シートと流路形成層との上下関係は問わない。
流路形成層２１は、堰２１ｂ及び堰２１ｃを上流側からこの順に有しており、それぞれの堰に対応するバルブとして、ノーマリークローズ・バルブ２４及びノーマリーオープン・バルブ２５がそれぞれ堰２１ｂ及び堰２１ｃの直下に設けられている。
流体の流れは、先ず、流路２２の上流側に位置する堰２１ｂによって、堰き止められている。ノーマリークローズ・バルブ２４は、定常状態においては、平坦の形状を有しており、流体の流れが堰き止められたままとなっている。従って、直列バルブ６は全体として閉状態にある。
次いで、シート２３において、ノーマリークローズ・バルブ２４が設けられている箇所の流路形成層２１と接しない側を加熱することにより、ノーマリークローズ・バルブ２４は、流体が流れる状態とする開状態へと変形する。堰２１ｂを迂回した流体は、ノーマリーオープン・バルブ２５が開状態であることにより、下流側に位置する堰２１ｃをさらに迂回することができる。従って、直列バルブ６は全体として開状態にある。
次いで、シート２３において、ノーマリーオープン・バルブ２５が設けられている箇所の流路形成層２１と接しない側を加熱することにより、ノーマリーオープン・バルブ２５は、流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形する。これにより、堰２１ｂを迂回した流体の流れは、ノーマリーオープン・バルブ２５が閉状態に変化することにより、堰２１ｃによって堰き止められる。従って、直列バルブ６は全体として閉状態にある。
形状記憶ポリマーの性質上、形状記憶ポリマーからなるバルブは、開閉状態の変化が付加逆的であるものと一般的に考えられているが、本実施形態のバルブによれば、閉状態から開状態へ、さらに開状態から閉状態へと変形し、流体の流れを柔軟に制御することができる。

【0026】

これら本実施形態のバルブによれば、形状記憶ポリマーからなるシートに形状を記憶させておくだけで簡便にかつ低コストで製造でき、加熱操作（温度操作）を行うだけで、流体の流れを簡便かつ自在に制御することができる。

【0027】

＜マイクロ構造体＞
本実施形態のマイクロ構造体は、流路に配設された形状記憶ポリマーからなる。該形状記憶ポリマーの形としては特に限定されず、上述したノーマリーオープン・バルブ、ノーマリークローズ・バルブ、直列バルブ等であってもよい。本実施形態のマイクロ構造体は、上述したノーマリーオープン・バルブ、ノーマリークローズ・バルブ、直列バルブ等と同様の成型方法で成型することができる。本実施形態のマイクロ構造体は、これらのバルブを適度に加熱することにより、例えば、ノーマリーオープン・バルブを一部閉状態としたもの、又はノーマリークローズ・バルブを一部開状態としたものからなることが好ましい。このように、図７（ａ）に示すように、バルブを種々「半開き」の状態にすることにより、流路の幅及び深さを制限し、流体の流れを自在に選択的に制御することができる。
本実施形態のマイクロ構造体によれば、マイクロ流体デバイス中に別途ゲルろ過カラム装置等を設けずとも、図７（ｂ）に示すように、流体中の所望の大きさの分子を選別することができる。例えば、本実施形態の構造体によれば、血液中の赤血球とＣｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｕｍｏｒ ｃｅｌｌ（ＣＴＣ；血中循環がん細胞）を大きさで選別することができる。また、図７（ｃ）に示すように、複数のマイクロ構造体を流路に配設した場合に、マイクロ構造体間の距離をあらかじめ調整することによって、液体中の所望の大きさの分子の選別をすることができる。
また、本実施形態のマイクロ構造体によれば、工程に応じてマイクロ構造体の変形量を制御することで、流体の流れを自在に選択的に制御することができる。一例として、図７（ｄ）に示すように、マイクロ構造体によって流体中の所望の大きさの分子を選別して一時的にせき止め、その後マイクロ構造体を加熱などによって完全に開状態にすることで、せき止めていた分子を流すことができる。
このように、本実施形態におけるマイクロ構造体は、その構造体の変形量を選択的に制御することによって、流路中におけるフィルターとして機能させることが可能である。

【0028】

上述した様に、本実施形態の流体デバイス中の流路は、流路形成層とシートとが積層されることにより形成される。
先ず、バルブシート及び流路形成層について説明する。

【0029】

［バルブシート］
本実施形態のバルブシートは、形状記憶ポリマーからなるバルブが配列されたバルブシートであって、前記バルブは、加熱されることにより、流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、加熱されることにより、流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へと変形するノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種である。
図８は、本実施形態のバルブシート５０の基本構成を示す正面図であり、図９は、本実施形態のバルブシート５０を用いたマイクロ流体デバイス５７の基本構成を示す模式図である。
図８に示すように、本実施形態のバルブシート５０は、ノーマリーオープン・バルブ５１、ノーマリークローズ・バルブ５２、及び直列バルブ５３が、図９に示されるマイクロ流体デバイス５７に設けられた流路５４，５５，５６中の流体の流れを調節できる位置に配列されている。図８において、各バルブが制御する流路、及び各バルブを加熱するためのヒーター用配線の対応位置を示してある。
図８においては、これらのバルブを１種類ずつ配列してなるバルブシートを示しているが、配列するバルブの数及び種類については、特に限定されず、対応するマイクロ流路デバイスによって適宜組み合わされる。
本実施形態のバルブシート５０の材質としては、シートを構成するバルブが形状記憶ポリマーからなるものであれば、特に限定されないが、簡便に製造できる観点及びバルブの開閉機能を安定に担保する観点からバルブ以外の部分も形状記憶ポリマーであることが好ましい。
バルブシート５０の材質としての形状記憶ポリマーとしては、上述したポリウレタン、ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリノルボルネン、スチレン−ブタジエン共重合体；エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル、メラニン樹脂；ポリカプロラクトン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリブチレンサクシネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド；等のポリマーを、例えば有機過酸化物、過酸化ベンゾイルといった過酸化物を使用した熱による化学的架橋手法によって架橋された形状記憶性を有するエラストマーが挙げられる。

【0030】

［バルブシートの製造方法］
（第１実施形態（凹型形状バルブシートの製造方法））
本実施形態のバルブシートの製造方法は、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを形成する工程、及び／又は、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の凹部を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを形成する工程を有する。
このように、本実施形態のバルブシートの製造方法は、シート上に、ノーマリークローズ・バルブを形成する工程、及び／又は、ノーマリーオープン・バルブを形成する工程を有する。これらの工程は、バルブシートに配列するバルブの数及び種類によって適宜組み合わされる。以下、各工程について説明する。

【0031】

（ノーマリークローズ・バルブの成形工程）
図１０に示されるように、ノーマリークローズ・バルブの形成工程において、先ず形状記憶ポリマーからなるシート６０に、形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部６１を設ける。成形加工としては、射出成形やホットエンボスによる加工が挙げられる。機械加工としては、例えば、エンドミル６２による切削加工が挙げられる。シート６０は、この第１の凹部６１の凹型形状を記憶している。
次いで、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、平板の型６６を用いて、第１の凹部６１に外力を加えて第１の凹部６１を平坦にし、シート６０上に、ノーマリークローズ・バルブ６３を成形する。シート６０と流路形成層６４を接着（又は接合）することにより、流路６５が形成される。

【0032】

（ノーマリーオープン・バルブの成形工程）
図１１に示されるように、ノーマリーオープン・バルブの成形工程は、形状記憶ポリマーからなるシート７０に、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、凸型形状を有する型７６を用いて、シート７０に外力を加えて、第２の凹部７１を設け、シート７０上に、ノーマリーオープン・バルブ７３を成形する。シート７０は、シート形成時の平坦形状を記憶している。シート７０と流路形成層７４を接着（又は接合）することにより、流路７５が形成される。

【0033】

（第２実施形態（貫通型形状バルブシートの製造方法））
本実施形態のバルブシートの製造方法は、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、ノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び／又は、
前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて、第２の貫通孔を設け、前記シート上に、ノーマリーオープン・バルブを成形する工程を有する。
本実施形態のバルブシートの製造方法は、第１の実施形態と同様、シート上に、ノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び／又は、ノーマリーオープン・バルブを成形成する工程を有する。これらの工程は、バルブシートに配列するバルブの数及び種類によって適宜組み合わされる。以下、各工程について説明する。

【0034】

（ノーマリークローズ・バルブの成形工程）
図１２に示されるように、ノーマリークローズ・バルブの成形工程は、先ず形状記憶ポリマーからなるシート８０に、形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔８１を成形する。機械加工については、特に限定されず、例えば、エンドミル８２による切削加工が挙げられる。シート８０は、この第１の貫通孔８１の貫通型形状を記憶している。
次いで、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、平板の型８６を用いての第１の貫通孔８１に外力を加えての第１の貫通孔８１を平坦にし、シート８０上に、ノーマリークローズ・バルブ８３を成形する。シート８０と流路形成層８４を接着（又は接合）することにより、流路８５が形成される。

【0035】

（ノーマリーオープン・バルブの成形工程）
図１３に示されるように、ノーマリーオープン・バルブの成形工程は、形状記憶ポリマーからなるシート９０に、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、棒型形状を有する型９６を用いて、シート９０に外力を加えて、第２の貫通孔９１を設け、シート９０上に、ノーマリーオープン・バルブ９３を成形する。シート９０は、シート形成時の平坦形状を記憶している。シート９０と流路形成層９４を接着（又は接合）することにより、流路９５が形成される。

【0036】

［流路形成層］
次いで、本実施形態に用いられる流路形成層について説明する。この流路形成層は、本実施形態のバルブシートとともに、本実施形態のマイクロ流体デバイスを構成するものである。かかる流路形成層としては特に限定されないが、簡便にマイクロ流体デバイスを製造できる観点から、流路付き樹脂シートであることが好ましい。

【0037】

流路付き樹脂シートの材質としては、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、シリコーンポリマー；ポリ（ビス（フルオロアルコキシ）ホスファゼン）（ＰＮＦ、Ｅｙｐｅｌ−Ｆ）、ポリ（カルボラン−シロキサン）（デキシル（Ｄｅｘｓｉｌ））、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン）（ニトリルゴム）、ポリ（１−ブテン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン−ビニリデンフルオリド）コポリマー（Ｋｅｌ−Ｆ）、ポリ（エチルビニルエーテル）、ポリ（ビニリデンフルオリド）、ポリ（ビニリデンフルオリド−ヘキサフルオロプロピレン）コポリマー（バイトン（Ｖｉｔｏｎ））、ポリビニルクロリド（ＰＶＣ）のエラストマー組成物、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレン；クロロシラン、メチルシラン、エチルシラン、フェニルシラン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等が挙げられる。

【0038】

これらの材質からなる樹脂シートに形成される流路の寸法としては、本実施形態のバルブによって、流体の流れを制御し得るものであれば特に限定されないが、例えば以下の寸法が好ましく挙げられる。
幅対深さの比としては０．１：１〜１００：１であることが好ましく、１：１〜５０：１であることがより好ましく、２：１〜２０：１であることが特に好ましく、３：１〜１５：１であることが最も好ましい。
流路の幅は、一例として、０．０１〜１０００μｍ、０．０５〜１０００μｍ、０．２〜５００μｍ、１〜２５０μｍ、１０〜２００μｍが挙げられる。また、更に一例として、流路の幅は、０．０１〜１００ｍｍ、０．０５〜１００ｍｍ、０．２〜５０ｍｍ、１〜２５ｍｍ、１．５〜１５ｍｍが挙げられる。
流路の深さとしては、一例として、０．０１〜１０００μｍ、０．０５〜５００μｍ、０．２〜２５０μｍ、１〜１００μｍ、２〜２０μｍが挙げられる。また、更に一例として、流路の深さとしては、０．０１〜１００ｍｍ、０．０５〜１００ｍｍ、０．２〜５０ｍｍ、１〜２５ｍｍ、１．５〜１５ｍｍが挙げられる。

【0039】

＜マイクロ流体デバイス＞
本実施形態のマイクロ流体デバイスは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなるバルブを備えたマイクロ流体デバイスであって、前記バルブは、加熱されることにより、流路中を流体が流れる状態とする開状態から、前記流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態へと変形するノーマリーオープン・バルブ、加熱されることにより、流路中の流体の流れを堰き止めた状態とする閉状態から、前記流体が流れる状態とする開状態へとノーマリークローズ・バルブ、並びに、前記ノーマリークローズ・バルブ及び前記ノーマリーオープン・バルブが、流路の上流から、この順に直列的に配設されてなる直列バルブからなる群から選ばれる少なくとも一種である。
本実施形態のマイクロ流体デバイスは、上述したバルブシートと流路形成層を接着（又は接合）することにより形成される。また、本実施形態のマイクロ流体デバイスは、加熱などによって形状記憶ポリマーの少なくとも一部分の温度を変化させ、開状態及び閉状態を制御する手段を備えている。
以下、本実施形態のマイクロ流路デバイスについて説明する。

【0040】

（第１実施形態）
図１４は、本実施形態のマイクロ流体デバイス３０の基本構成を示す模式図である。図１４に示すように、本実施形態のマイクロ流体デバイス３０は、駆動源３１、分岐流路３２、ノーマリーオープン・バルブ３３、ノーマリークローズ・バルブ３４、及び直列バルブ３５を備えている。分岐流路３２は、分岐点３７よりも上流側の流路である上流流路３６と、分岐点３７よりも下流側の流路である下流流路３８，３９，４０と、からなる。

【0041】

駆動源３１は、上流流路３６に接続されており、所定の押出力で流体を下流側に送るものである。駆動源３１としては、シリンジポンプ等が挙げられる。

【0042】

ノーマリーオープン・バルブ３３、ノーマリークローズ・バルブ３４、及び直列バルブ３５は、それぞれ下流流路３８，３９，４０中に設けられ、各流路中の流体の流れを選択的に（局所的に）調節できる位置に配列されている。
本実施形態のマイクロ流体デバイス３０は、例えば血液等の検体から核酸等の生体分子を精製する場合の精製試料回収部に用いられる。
駆動源３１によって、緩衝液等の駆動液に押し流された検体の溶解液は、上流流路３６に存在する図示略のカラム等の精製装置を通り、分岐点３７を通過する。検体の溶解液中、最初に分岐点３７を通過するものは、不要物質であるため、開状態であるノーマリーオープン・バルブ３３が設けられている下流流路３８を通り、排出される。次いで、ノーマリーオープン・バルブ３３に備え付けられた加熱手段３３ａによって、ノーマリーオープン・バルブ３３は閉状態となる。
次いで、直列バルブ３５に備え付けられた加熱手段３５ａによって、直列バルブ３５は開状態となる。検体の溶解液中２番目に分岐点３７を通過するものは、下流流路４０を通り、第１分画物質として採取される。
次いで、加熱手段３５ａによって、直列バルブ３５は閉状態となり、ノーマリークローズ・バルブ３４に備え付けられた加熱手段３４ａによって、ノーマリークローズ・バルブ３４は開状態となる。検体の溶解液中３番目に分岐点３７を通過するものは、下流流路３９を通り、第２分画物質として採取される。
このように本実施形態のマイクロ流体デバイス３０によれば、精製試料回収部において検体溶解液の分画を効率よく行うことができる。

【0043】

ここで、ノーマリーオープン・バルブ３３、ノーマリークローズ・バルブ３４、及び直列バルブ３５に備え付けられた加熱手段３３ａ，３４ａ，３５ａは、ヒーターによる加熱であってもよく、レーザー光照射による加熱であってもよい。また、加熱手段３３ａ，３４ａ，３５ａは、電極による加熱であってもよい。
加熱手段３３ａ，３４ａ，３５ａがレーザー光照射による加熱である場合には、図１５に示されるように、バルブシートの流路形成層に接する面とは反対の面側に光熱変換層１４０が設けられていることが好ましい。
光熱変換層１４０は光吸収剤を含むものである。光熱変換層１４０にレーザー光照射された放射エネルギーは、光吸収剤によって吸収され、熱エネルギーに変換される。発生した熱エネルギーによって、バルブは、加熱されて変形する。即ち、本実施形態のマイクロ流体デバイスは、光吸収剤を用いた加熱手段を備えていることが好ましい。
なお、本実施形態における加熱手段は、例えば、光熱変換層１４０が設けられているバルブシートに対して、マスクを用いて選択的な（局所的な）レーザー光照射による加熱を行ってもよい。

【0044】

光吸収剤としては、使用する波長の放射エネルギーを吸収するものであることが好ましい。放射エネルギーの波長としては、３００〜２０００ｎｍが好ましく、３００〜１５００ｎｍがより好ましい。
光吸収剤としては、例えば、カーボンブラック、グラファイト粉、鉄、アルミニウム、銅、ニッケル、コバルト、マンガン、クロム、亜鉛、テルル等の微粒子金属粉末；黒色酸化チタンなどの金属酸化物粉末；芳香族ジアミノ系金属錯体、脂肪族ジアミン系金属錯体、芳香族ジチオール系金属錯体、メルカプトフェノール系金属錯体、スクアリリウム系化合物、シアニン系色素、メチン系色素、ナフトキノン系色素、アントラキノン系色素等の染料又は顔料が挙げられる。光熱変換層１４０は、これらの染料又は顔料と樹脂からなるものであってもよい。光熱変換層１４０に用いられる樹脂としては、特に限定されず、バルブシートに用いられる形状記憶ポリマーと同じものであってもよい。
また、光熱変換層１４０は、これらの光吸収剤を、金属蒸着膜を含む膜状の形態としたものであってもよい。
また、図１５には、バルブシートと光熱変換層１４０とが独立したものとして示されているが、バルブシート自体が、上述した形状記憶ポリマーと光吸収剤からなるものであってもよい。

【0045】

光熱変換層１４０中の光吸収剤の濃度は、光吸収剤の種類、粒子形態、分散度等によっても異なるが、５〜７０体積％であることが好ましい。５体積％以上の濃度の場合、光熱変換層１４０の発熱によりバルブが効率よく変形する。７０体積以下の濃度の場合、光熱変換層の成膜性がよく、バルブシートとの接着効率がよい。

【0046】

光熱変換層の厚さとしては、０．１μｍ〜５μｍであることが好ましい。光熱変換層の厚さが、０．１μｍの場合、十分な光吸収を行うために要求される光吸収剤の濃度が高くなりすぎないため、光熱変換層の成膜性がよく、バルブシートとの接着効率がよい。光熱変換層の厚さが、５μｍ以下の場合、光熱変換層中の光透過率がよいため、発熱効率がよい。

【0047】

加熱手段として電極を備える場合には、加熱条件を制御することにより、形状記憶ポリマーの変化量をより制御できる。一例として電極は、流路の上流から下流に向けて電気抵抗値が減少する構成を有する。

【0048】

（第２実施形態）
図１６は、本実施形態のマイクロ流体デバイス１４１の基本構成を示す模式図である。本実施形態のマイクロ流体デバイス１４１は、例えば血液等の検体から核酸等の生体分子を精製する場合の精製装置導入部に用いられる。
図１６に示すように、本実施形態のバルブシート１４１は、駆動源１４６の下流に、４つの液溜部１４７，１４８，１４９，１５０を有しており、液溜部１４７，１４８，１４９，１５０には、それぞれ、溶出液、溶解液、洗浄液、液状の検体が溜められている。そして、駆動源１４６の上流に位置する液溜部１５１には、駆動液が溜められている。更に、液溜部１４７，１４８，１４９の上流の流路には、それぞれ、ノーマリークローズ・バルブ１５３、ノーマリーオープン・バルブ１５４、直列バルブ１５５が設けられている。駆動源１４６から押出された駆動液が、これらバルブの開閉により、各バルブの下流に位置する液溜部に溜められている液体を選択的に押出ことにより、各液体が、液溜部１４７，１４８，１４９，１５０の下流に位置する精製装置１５２へと選択的に押出される。

【0049】

駆動源１４６によって、液溜部１５０に溜められている液状の検体、及び開状態であるノーマリーオープン・バルブ１５４が上流に設けられている液溜部１４８に溜められている溶解液が押出され、カラム等で構成される精製装置１５２を通り、検体中の生体分子が溶解され、精製装置１５２に捕捉される。次いで、ノーマリーオープン・バルブ１５４に備え付けられた加熱手段１５４ａによって、ノーマリーオープン・バルブ１５４は閉状態となり、精製装置１５２への溶解液の流入が止められる。
次いで、直列バルブ１５５に備え付けられた加熱手段１５５ａによって、直列バルブ１５５は開状態となり、液溜部１５５に溜められている洗浄液が精製装置１５２へ流入し、精製装置１５２から不要物が排出される。
次いで、加熱手段１５５ａによって、直列バルブ１５５は閉状態となり、精製装置１５２への洗浄液の流入が止められる。
次いで、ノーマリークローズ・バルブ１５３に備え付けられた加熱手段１５３ａによって、ノーマリークローズ・バルブ１５３は開状態となり、液溜部１４７に溜められている溶出液が精製装置１５２へ流入し、精製試料が精製装置１５２から溶出される。
このように本実施形態のマイクロ流体デバイス１４１によれば、生体分子の精製を効率よく行うことができる。

【0050】

（第３実施形態）
図１７は、本実施形態のマイクロ流体デバイス２４１の基本構成を示す模式図である。図１７に示すように、本実施形態のマイクロ流体デバイス２４１は、第一面に配置されたノーマリーオープン・バルブ２４２と、第一面と対向した第二面に配置されたノーマリークローズ・バルブ２４３と、を備えている。そして、本実施形態のマイクロ流体デバイス２４１において、ノーマリーオープン・バルブ２４２とノーマリークローズ・バルブ２４３とが互いに対向して配置されている。
定常状態において、流体は、流路２４０の下部に形成されたノーマリーオープンバルブ２４２を介して、堰として機能しているノーマリークローズバルブ２４３を迂回している。
次いで、ノーマリーオープンバルブ２４２の下部に備え付けられた加熱手段２４２ａによって、ノーマリーオープンバルブ２４２は閉状態となり、流体の流れは、ノーマリークローズ・バルブ２４３によって堰き止められる。
次いで、ノーマリークローズバルブ２４３の上部に備え付けられた加熱手段２４３ａによって、ノーマリークローズバルブ２４３は開状態となり、堰き止められていた流体は再び流れ出す。
本実施形態のマイクロ流体デバイス２４１によれば、全体として開状態から閉状態へ、さらに閉状態から開状態へと変形するバルブを有するため、流体の流れを柔軟に制御することができる。

【0051】

（第４実施形態）
本実施形態のマイクロ流体デバイスは、流路に配設された形状記憶ポリマーからなる複数のバルブから構成されるポンプを備えたものである。本実施形態においては、図１４における駆動源３や図１６における駆動源１４６が、上述した本実施形態のノーマリーオープン・バルブ、ノーマリークローズ・バルブ、及び直列バルブからなる群から選ばれる二つ以上からなる。ポンプを構成する複数のバルブの種類は同一でも、異なっていてもよい。
例えば、図１６における液溜部１５１から流体が常に流れる状態にしてある場合、バルブの開閉状態を制御することにより、複数のバルブは、駆動源（ポンプ）として機能する。

【0052】

（第５実施形態）
本実施形態のマイクロ流体デバイスは、加熱条件を制御することにより前記形状記憶ポリマーの変形量を制御し、前記流路中の流体の流量を制御する加熱手段を備える。加熱条件の例として、時間や熱量が挙げられる。
一例としてマイクロ流路デバイスを構成する流路の幅をミリメートルサイズにすることにより、加熱条件の変化に応じた形状記憶ポリマーの変化量が厳密に制御されたものとなる。

【0053】

［マイクロ流体デバイスの製造方法］
本実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法は、バルブシートと流路形成層からなるマイクロ流路デバイスの製造方法であって、形状記憶ポリマーからなるシートに、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の凹部を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記第１の凹部に外力を加えて前記第１の凹部を平坦にし、前記シート上に、第１のノーマリークローズ・バルブを成形する工程、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の凹部を設け、前記シート上に、第１のノーマリーオープン・バルブを成形する工程、前記形状記憶ポリマーの融点未満の温度下で、成形加工若しくは機械加工により、第１の貫通孔を形成し、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲内の温度下で、前記第１の貫通孔に外力を加えて前記第１の貫通孔を平坦にし、前記シート上に、第２のノーマリークローズ・バルブを成形する工程、及び、前記形状記憶ポリマーの形状回復温度以上融点未満の温度範囲の温度下で、前記シートに外力を加えて第２の貫通孔を設け、前記シート上に、第２のノーマリーオープン・バルブを成形する工程からなる群から選ばれる少なくとも一工程を有するバルブシートの製造方法によりバルブシートを製造する第１工程と、
前記第１工程において製造されたバルブシートと流路形成層とを積層する第２工程と、を有する。

【0054】

第１工程は、バルブシートの製造工程である。この第１工程は、上述した凹型形状のノーマリークローズ・バルブ（第１のノーマリークローズ・バルブ）の成形工程、貫通型形状のノーマリークローズ・バルブ（第２のノーマリークローズ・バルブ）の成形工程、凹型形状のノーマリーオープン・バルブ（第１のノーマリーオープン・バルブ）の成形工程、及び貫通型形状のノーマリーオープン・バルブ（第２のノーマリーオープン・バルブ）の成形工程からなる群から適宜組み合わせてバルブシートを製造する工程である。
第１工程には、ノーマリークローズ・バルブの成形工程とノーマリーオープン・バルブの成形工程を用いることによって成形することができる直列バルブの形成工程も含まれる。

【0055】

第２工程は、第１工程において製造されたバルブシートと流路形成層とを積層する工程である。流路形成層は、上述した材料を用いて公知の製造方法により成形される。
第２工程において、バルブシートと流路形成層とを積層した後、これらを位置合わせして接合させることが好ましい。係る第１工程及び第２工程を有する製造方法により本実施形態のマイクロ流路デバイスが製造される。

【0056】

本実施形態のマイクロ流路デバイスの製造方法によれば、簡便にかつ低コストでマイクロ流路デバイスを製造することができる。

【0057】

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【実施例】

【0058】

≪実施例１≫
＜デバイス部材の作製＞
［ＰＣＬ（ポリカプロラクトン）シートの作製］
ＰＣＬ、キシレン、及び過酸化ベンゾイルを４０：６０：１の重量比で混合して混合液を調製した。この混合液を２枚のガラス板ではさみ、オーブン中で８０℃３時間加熱し、架橋した。
２枚のガラス板の内、片方のガラス板のポリマーと接する面の一部に、凸型モールド形状を形成しておき、ポリマー架橋時にシートの一部に凹型形状を記憶させた。
架橋後ガラス板から取り出し、アセトン中でキシレンを除去した後に乾燥させると、一部に凹型形状を有するＰＣＬシートを得た。

【0059】

［ヒーター用配線付きガラス基板の作製］
ガラス基板上にスパッタリングにより、金属薄膜を形成した後、フォトリソグラフィーとウエットエッチングにより、金属薄膜をパターニングすることによりヒーター用配線付きガラス基板を得た。

【0060】

［流路付きＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）シートの作製］
モールド（型）上に架橋前のＰＤＭＳポリマーを流し込み、オーブン中で８０℃１．５時間加熱し、架橋し、ＰＤＭＳシートを得た。モールドからＰＤＭＳシートを剥がし、ＰＤＭＳシートに穴をあけ、チューブを接続し、流路付きＰＤＭＳシートを得た。

【0061】

＜デバイスの作製＞
作製したデバイス部材を用いてデバイスを作製した（図１８（ａ）参照）。
［ホットエンボスによるＰＣＬシートの形状記憶］
ヒーター用配線付きガラス板上に、一部に凹型形状を有するＰＣＬシートを、凹型形状を有する面と反対の面が、ガラス板の表面と接するように、積層し、８０℃に加熱することにより、ヒーター用配線付きガラス板にＰＣＬシートを接着した。
次いで、このＰＣＬシートの上に、ホットエンボス用のモールドを設置し、８０℃の温度下で、モールドの上から、１０ｋＮの力を加え、バルブ（ノーマリーオープン・バルブ、ノーマリークローズ・バルブ）の形状をＰＣＬシート上に形成した（図１８（ｂ）参照）。
このホットエンボス用のモールドは、対応するＰＣＬシートに形成された凹型形状とは異なる位置に、凸型モールド形状を有しており、その他の箇所は平坦状である。
そのため、エンボス加工前にＰＣＬシート上に形成されていた凹型形状は、平らになり、ＰＣＬシート上にノーマリークローズ・バルブが形成される。また、ホットエンボス用のモールドが有する凸型モールド形状に対応する箇所に、凹型形状が形成され、ＰＣＬシート上にノーマリーオープン・バルブが形成される。

【0062】

［デバイスの組み立て］
ＰＣＬシートが接着されたヒーター用配線付きガラス板、及び流路付きＰＤＭＳシートに、酸素プラズマ（１００Ｗ、２５Ｐａ）を１０ｓｅｃ照射し、ＰＣＬシート、及び流路付きＰＤＭＳシートの接着面を表面処理した。次いで、ＰＣＬシートが接着されたヒーター用配線付きガラス板のＰＣＬシート上に、流路付きＰＤＭＳシートを、流路付きＰＤＭＳシートの流路が形成されている面と、ヒーター用配線付きガラス板に接着されたＰＣＬシートの表面とが接するように、積層し、ＰＣＬシートが接着されたヒーター用配線付きガラス板のＰＣＬシートに、流路付きＰＤＭＳシートを接着し、デバイスを組み立てた（図１８（ｃ）参照）。

【0063】

［デバイスの動作確認］
デバイス中のヒーター用配線に１０ｍＡの電流を流して、発熱したヒーターにより、ヒーター用配線上のＰＣＬを変形させた。又は、８０℃に熱したホットプレート上にデバイスを載せ、ＰＣＬを変形させた。
シリンジポンプを用いて、青色色素を含む溶液をデバイスのマイクロ流路に送液し、バルブの開閉状態を、光学顕微鏡を用いて観察した。

【0064】

図１９（ａ）上段は、加熱前の流路及びノーマリーオープン・バルブの断面図を示し、図１９（ａ）中段及び下段は、加熱前の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示す。
図１９（ｂ）上段は、加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの断面図を示し、図１９（ｂ）中段は、ホットプレートによる加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示し、図１９（ｂ）下段は、ヒーターによる加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示す。
図１９に示されるように、ノーマリーオープン・バルブは、加熱により閉状態となり、青色色素を含む溶液の流れが堰き止められていることが確認された。

【0065】

図２０（ａ）上段は、加熱前の流路及びノーマリークローズ・バルブの断面図模式図を示し、図２０（ａ）下段は、加熱前の流路及びノーマリークローズ・バルブの正面図を示す。
図２０（ｂ）上段は、加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの断面図を示し、図２０（ｂ）下段は、ヒーターによる加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示す。
図２０に示されるように、ノーマリークローズ・バルブは、加熱により開状態となり、青色色素を含む溶液の流れが確認された。

【0066】

≪実施例２≫
ヒーター用配線付きガラス基板に代えて、クロム薄膜層が積層されたガラス基板を用い、このクロム薄膜層にノーマリーオープン・バルブが設けられたＰＣＬシートと、流路付きＰＤＭＳシートをこの順に積層した以外は、実施例１と同様の方法で、デバイスを組み立てた。
次いで、図２１（ａ）上段に示すように、レーザーを用いて、ＰＤＭＳシートの上から、デバイスのノーマリーオープン・バルブが設けられた領域に、１０６４ｎｍのレーザー光を１０秒間照射し、ノーマリーオープン・バルブを加熱した。図２１（ａ）下段、図２１（ｂ）下段に示すように、加熱によるノーマリーオープン・バルブの変形を、光学顕微鏡を用いて観察したところ、ノーマリーオープン・バルブは、加熱により閉状態になっていることが確認された。

【0067】

≪実施例３≫
図２２（ａ）上段に示すように、ＰＣＬシートに貫通型形状のノーマリーオープン・バルブを設けた以外は、実施例１と同様の方法で、デバイスを組み立てた。次いで、ヒーターでデバイスを加熱してＰＣＬを変形させた。
図２２（ａ）下段及び図２２（ｂ）下段に示すように、加熱によるノーマリーオープン・バルブの変形を、光学顕微鏡を用いて観察したところ、ノーマリーオープン・バルブは、加熱により閉状態になっていることが確認された。

【0068】

≪実施例４≫
図２３（ａ）上段に示すように、ＰＣＬシートに貫通型形状のノーマリークローズ・バルブを設けた以外は、実施例１と同様の方法で、デバイスを組み立てた。次いで、ヒーターでデバイスを加熱してＰＣＬを変形させた。
図２３（ａ）下段及び図２３（ｂ）下段に示すように、加熱によるノーマリークローズ・バルブの変形を、光学顕微鏡を用いて観察したところ、ノーマリークローズ・バルブは、加熱により開状態になっていることが確認された。

【0069】

≪実施例５≫
流路の幅を２ｍｍにスケールアップするとともに、全体を等比率でスケールアップした以外は、実施例１と同様の方法にてデバイスを作製した。シリンジポンプを用いて、青色色素を含む溶液をデバイスの流路に送液し、バルブの開閉状態を、光学顕微鏡を用いて観察した。

【0070】

図２４（ａ）は、加熱前の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示し、図２４（ｂ）は、加熱後の流路及びノーマリーオープン・バルブの正面図を示す。
図２４に示されるように、ノーマリーオープン・バルブは、加熱により閉状態となり、青色色素を含む溶液の流れが堰き止められていることが確認された。

【0071】

≪実施例６≫
実施例５と同様の方法にてデバイスを作製した。シリンジポンプを用いて、蛍光色素（０．０５質量％スルフォローダミンＢ）を含む溶液をデバイスのマイクロ流路に送液し、マイクロヒーターを用いて、流路に０,１１,２２,４４,６６,１１０ジュールの熱量を加えていった。図２５（ａ）は、ノーマリーオープン・バルブの開状態と閉状態を示す。図２５（ａ）中、破線円で示す領域の蛍光強度を測定し、熱量を加えていない状態（０ジュール）の蛍光強度を１として、各熱量を加えたときの蛍光強度の比を算出した。結果を図２５（ｃ）に示す。
図２５（ｃ）に示すように、加えた熱量に依存して蛍光強度が減少することが確認された。図２５（ｂ）に示すように、流路に加える熱量が０ジュールのとき、ノーマリーオープン・バルブは、開状態であり、流路に加える熱量が２２ジュールのとき（ＮＯＲＭＡＬＩＺＥＤ ＶＡＬＶＥ ＯＰＥＮＩＮＧが０．５のとき）、ノーマリーオープン・バルブは、「半開き」状態であり、流路に加える熱量が６６ジュールのとき、ノーマリーオープン・バルブは、ほぼ閉状態であった。このように、流路に加える熱量により、流体の流量を制御できることが確認された。

【0072】

以上の結果から、本実施形態によれば、設計の自由度を奪われることなく、容易にバルブを作製することができ、容易に流体の流れを制御できることが明らかである。

【産業上の利用可能性】

【0073】

簡便にかつ低コストで製造でき、流体の流れを簡便かつ自在に制御することができるバルブ、該バルブを備えたマイクロ流路デバイス、及び該バルブが配列されたバルブシート、並びに、該バルブシート及びマイクロ流路デバイスの製造方法を提供できる。

【符号の説明】

【0074】

１，２１，６４，７４，８４，９４…流路形成層、１ａ，２１ｂ，２１ｃ…堰、２，１２，２２，６５，７５，８５，９５…流路、３，１３，２３，６０，７０，８０，９０…シート、４，２５，３３，５１，７３，９３，１５４，２４２…ノーマリー・オープンバルブ、５，２４，３４，５２，６３，８３，１５３，２４３…ノーマリー・クローズバルブ、６，３５，５３，１５５…直列バルブ、３０，５７，１４１，２４１…マイクロ流体デバイス、３１，１４６…駆動源、３２…分岐流路、３３ａ，３４ａ，３５ａ，１５３ａ，１５４ａ，１５５ａ，２４２ａ，２４３ａ…加熱手段、３６…上流流路、３７…分岐点、３８，３９，４０…下流流路、５０…バルブシート、５４，５５，５６…流路、６１…第１の凹部、６２，８２…エンドミル、６６，７６，８６…型、７１…第２の凹部、８１…第１の貫通孔、９１…第２の貫通孔、１４０…光熱変換層、１４７，１４８，１４９，１５０，１５１…液溜部、１５２…精製装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】