JP2015123012A - マイクロ流体チップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種ユーザーにカスタマイズされたマイクロ流体チップ装置を、安価に且つ迅速に製造することができるマイクロ流体チップ装置を提供する。
【解決手段】マイクロ流体チップ１は、分岐するマイクロ流体流路１０を設けた分岐流路モジュール２と、マイクロ流体流路及びチューブバルブ部を設けたバルブモジュールと、マイクロ流体流路５ｂ及びチューブポンプ部５ａを設けたポンプモジュール５と、またはマイクロ流体流路７ｂ及びチャンバー部７ａを設けたチャンバーモジュール７と、から選択される少なくとも２つのモジュールを、一定の形状にモジュール化して分割形成される。分岐流路モジュール２、バルブモジュール３、ポンプモジュール５、チャンバーモジュール７のうちの少なくとも２つのモジュールを接合させ、各モジュールのマイクロ流体流路をコネクタ１２により相互に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、培養液、各種試薬等をマイクロ流体チップのマイクロ流体流路に流して、細胞培養、試薬スクリーニング、化学分析などを行うマイクロ流体チップ装置に関し、特にユーザーのニーズに合せた流路形態や機能を有するチップ装置を、低コストで迅速に製造することが可能なマイクロ流体チップ装置に関する。

従来、例えば、細胞の機能や応答を評価するために、マイクロ流体流路を内部に設けたマイクロ流体チップを有するマイクロ流体チップ装置が知られており、下記特許文献１では、マイクロチップのマイクロ流体流路を通して、培養部に培養液を流すとともに、試薬を培養部に流して、細胞培養を行い、或いは試薬の評価を行なうマイクロ流体チップ装置が提案されている。

特開２０１３−１０６５９５号公報

しかし、この従来のマイクロ流体チップ装置は、基台上にマイクロチップを、固定具を介して固定し、ポンプ、バルブ等のマイクロデバイスを基台上に取り付け、さらに基台上に多数の液供給口を配設し、目的とする細胞培養を行なうように、マイクロチップ内にマイクロ流体流路を形成するとともに、それらのマイクロ流体流路、培地供給用流路、試薬供給用流路などを液供給口に接続して、製作される。

また、この種のマイクロ流体チップ装置は、通常、細胞の研究者、化学分析の研究者などにより、各研究者の独自の研究方法に合せて設計し製作されるため、ユーザーごとに異なった流路形態や機能を持ったマイクロ流体チップ装置をメーカは製造することとなる。

また、マイクロ流体チップは、ＰＤＭＳ，ＰＭＭＡ，シリコーン樹脂等の合成樹脂を素材として、内部にマイクロ流体流路を設けて製造されるため、マイクロ流体チップ装置の製造メーカは、ユーザーの希望に沿って、そのユーザー専用のマイクロ流体チップを設計し、合成樹脂で型成形する必要がある。このため、マイクロ流体チップ装置の製造には、非常に多くの時間と工数、及び多くのコストが必要となる課題があった。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、予め製作された各種のマイクロチップモジュールを組み合わせて使用することにより、各種ユーザーにカスタマイズされたマイクロ流体チップ装置を、安価に且つ迅速に製造することができるマイクロ流体チップ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマイクロ流体チップ装置は、
シート状のマイクロ流体チップ内にマイクロ流体流路が形成され、該マイクロ流体流路の一部に、マイクロ流体流路を開閉するバルブ部、液体を送液するポンプ部、または液体を溜めるチャンバー部のうちの少なくとも１つの部分が配設され、該マイクロ流体流路に液体を流すマイクロ流体チップ装置であって、
該マイクロ流体チップは、分岐するマイクロ流体流路を設けた分岐流路モジュールと、マイクロ流体流路及びチューブバルブ部を設けたバルブモジュールと、マイクロ流体流路及びチューブポンプ部を設けたポンプモジュールと、またはマイクロ流体流路及びチャンバー部を設けたチャンバーモジュールと、から選択される少なくとも２つのモジュールを、一定の形状にモジュール化して分割形成され、
該分岐流路モジュール、該バルブモジュール、該ポンプモジュール、該チャンバーモジュールのうちの少なくとも２つのモジュールを接合させ、該各モジュールの該マイクロ流体流路をコネクタにより相互に接続し、全ての該モジュールをホルダー内に収納したことを特徴とする。

この発明のマイクロ流体チップ装置によれば、分岐するマイクロ流体流路を設けた分岐流路モジュール、マイクロ流体流路及びチューブバルブ部を設けたバルブモジュール、マイクロ流体流路及びチューブポンプ部を設けたポンプモジュール、マイクロ流体流路及びチャンバー部を設けたチャンバーモジュールを、予め製作しておき、ユーザーの要望に合せて、それらのモジュールから必要なモジュールを選択し、それらのモジュールを組み合わせることにより、ユーザーのニーズに合ったマイクロ流体チップ装置を、安価に且つ迅速に製造することができる。

ここで、上記ホルダー内に収納される分岐流路モジュール、バルブモジュール、ポンプモジュール、またはチャンバーモジュールのうちの少なくとも２つのモジュールは、平面を略三角形とする三角形シートから形成される構成とすることが好ましい。また、該モジュール内の該マイクロ流体流路の各ポートは、該三角形シートの辺部の中央位置で開口するように構成することが好ましい。

これによれば、三角形シート状の各モジュールの辺部を接して、各モジュールを組み合わせ配置するので、４個の三角形シート状の各モジュールを組み合わせて、フロータイプのマイクロ流体流路を持ったマイクロ流体チップを、略三角形状で小型形状に、簡単に製作することができる。また、６個のモジュールを環状に組み合わせれば、環状のマイクロ流体流路を設けて液体を循環させる循環式のマイクロ流体チップを、簡単に製造することができる。

また、上記分岐流路モジュール内のマイクロ流体流路は、３本の流路に分岐して形成され、該３本の流路は各々前記三角形シートの各辺部の中央位置に開口することが好ましい。

またここで、上記ホルダーは硬質の合成樹脂から成形され、分岐流路モジュール、バルブモジュール、ポンプモジュール、及びチャンバーモジュールは軟質の透明合成樹脂から成形され、各モジュール内のマイクロ流体流路は軟質のチューブ状に形成することが好ましい。

また、上記ポンプモジュールは、ポンプ駆動部の回転部をモジュール内のチューブに押し当てて回転駆動するチューブポンプとして形成され、上記バルブモジュールは、バルブ駆動部のヘッド部をモジュール内のチューブポンプ部に押し当てて駆動するバルブとして形成することが好ましい。

これによれば、マイクロ流体チップ装置の接液部が、マイクロ流体チップのマイクロ流体流路のみとなるから、細胞培養や化学分析を行う際、ホルダー、ポンプ駆動部、バルブ駆動部を除くマイクロ流体チップを容易に交換し、洗浄し、或いは使い捨てとして使用することができ、コンタミネーションや細菌の混入を防止することができる。

またここで、上記チャンバーモジュールは、チャンバー部が露出するように、ホルダーの対応箇所に開口部を形成することが好ましい。これによれば、マイクロ流体チップ装置を例えば細胞培養に使用する場合、チャンバーモジュールのチャンバー部を培養スペースとし、細胞の培養状態を顕微鏡などで容易に観察することができる。

また、上記ホルダーは、板状に形成される板状本体上に、モジュール用のシート状凹部を形成し、該板状本体上をカバー板で覆った状態で、締付ねじなどの締付手段により該カバー板を締付固定する構成とすることができる。これによれば、ホルダーを容易に分解して、そこに収納されたマイクロ流体チップを簡単に交換し、洗浄し、或いは使い捨てることができる。

またここで、上記マイクロ流体チップ装置は、分岐流路モジュール、２個の前記ポンプモジュール、及びチャンバーモジュールから構成し、該分岐流路モジュールを中央に位置させ、該分岐流路モジュールの周囲の辺部に２個の該ポンプモジュール及び該チャンバーモジュールを接して配置し、全体として略三角形状に形成することができる。

また、上記マイクロ流体チップ装置は、２ポート２方弁型の前記バルブモジュール、３ポート２方弁型の前記バルブモジュール、前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールから構成し、各モジュールを１列状に辺部を接して配置するように構成することができる。

また、上記マイクロ流体チップ装置は、２ポート２方弁型の前記バルブモジュール、３ポート２方弁型の２個の前記バルブモジュール、前記分岐流路モジュール、２個の前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールから構成し、該分岐流路モジュール、該チャンバーモジュール、３ポート２方弁型の該バルブモジュール、２ポート２方弁型の該バルブモジュール、３ポート２方弁型の該バルブモジュール、該ポンプモジュールを、略六角形の環状に辺部を接して配置し、該分岐流路モジュールの外側の辺部に接して別の該ポンプモジュールを配置するように構成することができる。

本発明のマイクロ流体チップ装置によれば、予め製作された各種のマイクロチップモジュールを組み合わせて、各種ユーザーにカスタマイズされたマイクロ流体チップ装置を、安価に且つ迅速に製造することができる。

本発明の第１実施形態のマイクロ流体チップ装置の平面構成図である。 同マイクロ流体チップ装置の正面図である。 同マイクロ流体チップ装置の底面図である。 図２のIV-IV断面図である。 各モジュールの平面図である。 各モジュールの平面図である。 第１実施形態のマイクロ流体チップ装置の使用態様を示す平面図である。 同マイクロ流体チップ装置の機能を示す概略符号図である。 第１実施形態のマイクロ流体チップ装置の変形例を示す平面図である。 同マイクロ流体チップ装置の機能を示す概略符号図である。 第２実施形態のマイクロ流体チップ装置の平面構成図である。 同マイクロ流体チップ装置の正面図である。 同マイクロ流体チップ装置の底面図である。 図１２のXIV-XIV断面図である。 第２実施形態のマイクロ流体チップ装置の使用態様を示す平面図である。 同マイクロ流体チップ装置の別の態様を示す概略符号図である。 同マイクロ流体チップ装置の斜視図である。 同マイクロ流体チップ装置の斜め下側から見た斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図８は第１実施形態のマイクロ流体チップ装置を示し、このマイクロ流体チップ装置は、細胞培養を目的としたマイクロ流体チップ装置の一例を示している。

このマイクロ流体チップ装置は、図１〜図４に示すように、板状のホルダー９内に形成されたシート状の空間内に、シート状のマイクロ流体チップ１を収納し、ホルダー９の下側に、２台のポンプ駆動部１８を取り付けて構成される。マイクロ流体チップ１は後述のように三角形シートを本体とする略三角形状のチップモジュールを４個組み合わせて構成される。

ホルダー９は、板状本体９ａとその上を覆うカバー体９ｂとを備え、板状本体９ａの上面に、マイクロ流体チップ１を収納するためのシート状の空間を形成し、その上を覆うようにカバー体９ｂが取り付けられる。カバー体９ｂは締付ねじ９ｄなどの締付手段により板状本体９ａ上に締付固定される。板状本体９ａの下側４箇所に、脚部９ｃが取り付けられ、図２に示すように、収納されたマイクロ流体チップ１を水平状態として保持することができる。板状本体９ａとカバー体９ｂは硬質の透明合成樹脂により成形され、内部のマイクロ流体チップ１のマイクロ流体流路１０内を流れる液体を、観察できるようになっている。

また、後述のチャンバーモジュール７に設けた培養室７ａに対応する、ホルダー９の板状本体９ａとカバー体９ｂには、開口部が設けられ、露出した培養室７ａを、顕微鏡などで容易に観察できるようになっている。また、板状本体９ａの下部には、図２，３に示すように、ポンプ用の開口部とともにポンプ駆動部１８を取り付けるための取付部が設けられる。ポンプ駆動部１８は、ポンプロータの外周面をマイクロ流体チップ１のポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａに押し付け、ポンプロータを回転駆動して液体を送液する、所謂ペリスタポンプ（チューブポンプ）の駆動部である。

なお、ポンプ駆動部１８は、ステッピングモータ、エアーモータなどにより円筒型のポンプロータを回転駆動する構造で、ポンプロータに設けたローラの側面を、チューブポンプ部５ａの内周面に押し付けながら回転させ、送液する。

ホルダー９内に収納されるマイクロ流体チップ１は、図１，３，４に示すように、分岐するマイクロ流体流路１０を設けた分岐流路モジュール２と、マイクロ流体流路５ｂ及びチューブポンプ部５ａを設けたポンプモジュール５と、マイクロ流体流路７ｂ及びチャンバー部（培養室７ａ）を設けたチャンバーモジュール７と、を略三角形状に組み合わせ、構成される。各モジュールは、ＰＤＭＳ、シリコーン樹脂等の軟質の透明合成樹脂から、シート状の三角形シートを本体として形成され、内部にマイクロ流体流路、チューブバルブ部、チューブポンプ部、チャンバー等が形成される。

図１，３，４に示すマイクロ流体チップ１は、分岐流路モジュール２、２個のポンプモジュール５、及びチャンバーモジュール７から構成され、分岐流路モジュール２を中央に位置させ、分岐流路モジュール２の周囲の辺部に２個のポンプモジュール５及びチャンバーモジュール７を接して配置し、全体として略三角形状に形成される。

分岐流路モジュール２は、その３つの辺部の中央に、ポートが開口し、３つのポートを略Ｙ字状のマイクロ流体流路１０で接続するように構成される。ポンプモジュール５は、図３，５に示すように、本体の２辺部中央にマイクロ流体流路５ｂのポートを開口させ、マイクロ流体流路５ｂの略中央部にチューブポンプ部５ａを設けて構成される。上記のように、チューブポンプ部５ａには、ホルダー９の下部に取り付けたポンプ駆動部１８のポンプロータが押し当てられる。チャンバーモジュール７は、本体の略中央に培養室（チャンバー）７ａを形成し、培養室７ａの両側にマイクロ流体流路７ｂを延設し、それらのマイクロ流体流路７ｂの端部を、本体の２辺部中央のポートで開口させている。

図１，３，４に示すように、各モジュールのマイクロ流体流路５ｂ、７ｂ、１０は、略三角形状の三角形シートの辺部中央に設けたポートに開口し、それらの各ポートには、ステンレスパイプ製のコネクタ１２が接続され、コネクタ１２は、隣接して配置された各モジュールのマイクロ流体流路５ｂ、７ｂ、１０を接続する。また、コネクタ１２は、図１に示すように、各モジュールの外部接続ポートにも接続され、培養液の供給部１３、試薬の供給部１４、或いは廃液収容部１５までのチューブがそれらコネクタ１２を介して外部接続ポートに接続される。

上記構成のマイクロ流体チップ装置を製造するに際し、予め各種のモジュールが上記のような略三角形状にモジュール化して設計・製作され、ユーザーの要望に合せて、それらのモジュールを選択し、組み合わせ、マイクロ流体チップ装置を簡単に且つ迅速に製造することができるようになっている。

図５、６は、予め製作される各種モジュールの例を示しており、基本的に、各モジュールは、同じ形状の略三角形状のシート状本体を有して形成され、略三角形状の本体内に、分岐流路、チューブバルブ部、チューブポンプ部、培養室（チャンバー）等が形成される。

図５に示すバルブモジュール３は、略中央にチューブバルブ部３ａを設け、チューブバルブ部３ａの両側にマイクロ流体流路３ｂを延設し、マイクロ流体流路３ｂの端部を２辺部に設けた２ポートで開口するように構成される。このバルブモジュール３のチューブバルブ部３ａには、ホルダー９の下部に取り付けたバルブ駆動部１７のプランジャ先端（押圧部）が押し付けられ、チューブバルブ部３ａを押し潰して弁の開閉を行なう構造である。なお、バルブ駆動部１７には電磁弁の場合、ソレノイドバルブのソレノイドプランジャが使用されるが、空圧式のエアープランジャを使用することもできる。また、バルブモジュール３は、バルブ駆動部１７を設けない場合、２ポートを有する単純な流路モジュールとして使用することもできる。

図５に示す分岐流路モジュール２は、バルブモジュール４としても兼用使用可能なモジュールである。この分岐流路モジュール２は、中央部で略Ｔ字状に交差する３本のマイクロ流体流路１０（４ｂ）を設けて構成され、３本のマイクロ流体流路１０（４ｂ）は、略三角形状のシート状本体の各辺部に設けた３ポートで開口する。分岐流路モジュール２をバルブモジュール４として使用する場合には、中央で分岐された１本のマイクロ流体流路４ｂの中間部がチューブバルブ部４ａとなり、その部分にバルブ駆動部１７のプランジャ先端（押圧部）が押し付けられ、流路を開閉する。このバルブモジュール４では、３本に分岐される流路のうちの１本のマイクロ流体流路４ｂがバルブ駆動部１７の動作により開閉される。

図５に示すポンプモジュール５は、上記のように、マイクロ流体流路５ｂの２ポートが、略三角形状のシート状本体の２辺部中央に開口し、マイクロ流体流路５ｂの略中央部にチューブポンプ部５ａが設けられる。チューブポンプ部５ａには、ホルダー９の下部に取り付けたポンプ駆動部１８のポンプロータが押し当てられ、マイクロ流体流路５ｂ内の液体を送液する。

図６に示すチャンバーモジュール７は、上記のように、略三角形状本体の略中央に培養室（チャンバー）７ａを形成し、培養室７ａの両側にマイクロ流体流路７ｂを延設し、それらのマイクロ流体流路７ｂの端部を、本体の２辺部中央に設けたポートで開口させる構造である。また、図６のチャンバーモジュール８は、略三角形状本体の略中央に培養室（チャンバー）８ａを形成し、培養室８ａから３本のマイクロ流体流路８ｂを延設し、それらのマイクロ流体流路８ｂの端部を、本体の３辺部中央に設けたポートに開口させる構造である。

なお、図５，６に示す以外のモジュールとして、この実施形態では外付けとしている培養液の供給部、試薬の供給部或いは廃液収容部を、チップモジュールとして構成することもできる。

図１〜図４に示すマイクロ流体チップ１は、分岐流路モジュール２、２個のポンプモジュール５、及びチャンバーモジュール７，８を、選択的に使用し、それらを略三角形状に配置して組み合わせ、各辺部の中央に開口した各ポートを、コネクタ１２により接続し、細胞培養のための加圧式流路を形成する。

すなわち、図１〜図４に示すマイクロ流体チップ１は、中央に分岐流路モジュール２を上下反転させて配置し、分岐流路モジュール２の上に一方のポンプモジュール５を配置し、分岐流路モジュール２の右側に他のポンプモジュール５を配置するとともに、分岐流路モジュール２の左側にチャンバーモジュール７を配して構成され、隣接する各モジュールの１つの辺部は接して配置され、各辺部の中央にポートが位置するため、各モジュールのマイクロ流体流路は各ポートでコネクタ１２を介して相互に接続される。

つまり、図４に示すように、一方のポンプモジュール５の下辺部のポートに開口するマイクロ流体流路５ｂは、分岐流路モジュール２の上側のポートに開口するマイクロ流体流路１０とコネクタ１２を介して接続される。他方のポンプモジュール５の左辺部のポートに開口するマイクロ流体流路５ｂは、分岐流路モジュール２の右辺部のポートに開口するマイクロ流体流路１０とコネクタ１２を介して接続される。さらに、チャンバーモジュール７の右辺部のポートに開口するマイクロ流体流路７ｂは、分岐流路モジュール２の左辺部のポートに開口するマイクロ流体流路１０とコネクタ１２を介して接続される。

そして、図１に示す如く、一方のポンプモジュール５の左辺部のポートに開口するマイクロ流体流路５ｂは、コネクタ１２を介して外部の培養液の供給部１３にチューブなどで接続される。他方のポンプモジュール５の下辺部のポートに開口するマイクロ流体流路５ｂは、コネクタ１２を介して外部の試薬の供給部１４にチューブなどで接続される。また、チャンバーモジュール７の左辺部のポートに開口するマイクロ流体流路７ｂは、コネクタ１２を介して外部の廃液収容部１５にチューブなどで接続される。

このように、各モジュールは三角形シートを本体として略三角形状に形成されるため、図１，３，４に示す如く、各モジュールを上下反転させるなどして組み合わせることにより、目的の流路構成を持ったマイクロ流体チップ１をコンパクトに集約して形成することができる。特に、後述する図１１〜図１８のマイクロ流体チップ３１のように、各モジュールを環状に配置して組み合わせることによって、循環のマイクロ流体流路を持ったマイクロ流体チップをコンパクトに簡単に構成することができる。

なお、上記マイクロ流体チップ１は、加圧型のマイクロ流体チップとして構成され、２個のポンプモジュール５にポンプ駆動部１８を取り付けて送液駆動する場合、図１、図７に示すように、培養液の供給部１３から培養液を吸引し加圧して培養室７ａに送液し、さらに、試薬の供給部１４から試薬を吸引し加圧して培養室７ａに送液する加圧式のものであるが、図９、図１０に示すように、吸引型のマイクロ流体チップ２１として構成することもできる。

この場合、図９、図１０に示すように、マイクロ流体チップ２１は、左端に２方向弁のバルブモジュール３を上下反転して配置し、その右側に３方向弁のバルブモジュール４を、辺部を接して配置し、その右側にポンプモジュール５を、辺部を接し且つ上下反転させて配置し、さらにその右側にチャンバーモジュール７を、辺部を接して配置することにより、各モジュールを横方向に１列に並設して構成される。バルブモジュール４の３ポート２方弁は、１本の流路を開閉する弁であるが、２ポートを切り替える通常の３方弁とすることもでき、それを含む概念である。

各モジュールの辺部は相互に接して配置されるため、各辺部の中央に位置する各モジュールのポート（マイクロ流体流路の開口部）は同じ位置で当接し、各モジュールの各マイクロ流体流路３ｂ、４ｂ、５ｂ、７ｂのポートは、コネクタ１２により相互に接続される。そして、図９に示すマイクロ流体チップ２１の左端部に開口するマイクロ流体流路３ｂのポートは、チューブを介して培養液の供給部１３に接続され、マイクロ流体チップ２１の下端部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートは、チューブを介して試薬の供給部１４に接続される。また、マイクロ流体チップ２１の右端部に開口するマイクロ流体流路７ｂのポートにコネクタ１２を介して外部の廃液収容部１５にチューブなどで接続される。

このマイクロ流体チップ２１を使用して細胞培養を行なう場合、ポンプモジュール５の動作によって培養液及び試薬を吸引して送液する。このマイクロ流体チップ２１では、先ず、バルブモジュール３のチューブバルブ部３ａを開き、ポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて培養液を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａ内に送液する。次に、バルブモジュール４のチューブバルブ部４ａを開き、バルブモジュール３のチューブバルブ部３ａを閉じ、ポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて試薬を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａに試薬を送液する。このように、図９，１０に示すマイクロ流体チップ２１を使用することにより、吸引型のマイクロ流体チップ装置を構成することができる。

上述の如く、本発明のマイクロ流体チップ装置では、各種形態で各種の機能を有した複数のモジュールを予め製作しておき、ユーザーの要望に合せて、それらのモジュールから必要なモジュールを選択し、それらを組み合わせて、ユーザーのニーズに合ったマイクロ流体チップ装置を容易に製作することができ、これにより、装置を安価に且つ迅速に製造することができる。

次に、上記構成の図１〜図４に示すマイクロ流体チップ１を用いたマイクロ流体チップ装置の使用態様を説明する。このマイクロ流体チップ装置は、細胞培養に使用される。この場合、図１に示す如く、培養液の供給部１３に、培養液が入れられ、試薬の供給部１４には成長因子などの試薬が入れられる。その後、培養室７ａに細胞を入れる。チャンバーモジュール７の培養室７ａ内面には、細胞を播種するために、コラーゲン、フィブリノーゲンがコーティングされ、細胞が培養室７ａ内で付着しやすくする。

この状態で、先ず、培養液用のポンプ駆動部１８を駆動し、そのポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて、供給部１３から培養液を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａ内に送液し注入する。次に、試薬用のポンプ駆動部１８を駆動し、そのポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて、供給部１４から試薬を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａ内に送液し注入する。

なお、不要な気泡が培養室７ａ内に侵入しないようにするために、細胞を含む培養液を培養室７ａに送液する前に、培養室７ａを培養液で満たしておくことが有効である。

このような状態で、細胞培養に必要な時間を経過させ、細胞を培養する。そして、培養室７ａ内の培養液は、チャンバーモジュール７の排出側のマイクロ流体流路７ｂを通して廃液される。培養液の供給と廃棄は細胞培養が終了するまで定期的に繰り返される。

このように、全ての接液部を含むマイクロ流体チップ１は、バルブ駆動部１７やポンプ駆動部１８とは分離してシート状に形成され、ホルダー９のカバー体９ｂを外せば、簡単に取り出すことができるため、接液部を容易に滅菌処理或いは洗浄することができ、使い捨て器具として使用することもできる。これにより、培養液のコンタミネーションや細菌の混入を防止することができる。

図１１〜図１８は第２実施形態のマイクロ流体チップ装置を示している。なお、下記の第２実施形態のマイクロ流体チップ装置の説明において、上記第１実施形態と同じ構成の部分については、図に上記と同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。

このマイクロ流体チップ装置は、図１１に示すように、マイクロ流体チップ３１のマイクロ流体流路を循環流路とするように、各モジュールを組み合わせ、循環流路内で培養液及び試薬を循環させるように構成される。

図１７、１８に示す如く、マイクロ流体チップ装置は、板状のホルダー１９内に形成されたシート状の空間内に、シート状のマイクロ流体チップ３１を収納し、ホルダー１９の下側に、３個のバルブ駆動部１７と２台のポンプ駆動部１８を取り付けて構成される。マイクロ流体チップ３１は、上記と同様、三角形シートを本体とする略三角形状のチップモジュールを、ここでは７個組み合わせて構成される。

ホルダー１９は、板状本体１９ａとその上を覆うカバー体１９ｂとを備え、板状本体１９ａの上面に、マイクロ流体チップ３１を収納するためのシート状の空間を形成し、その上を覆うようにカバー体１９ｂが取り付けられる。カバー体１９ｂは締付ねじ９ｄ等の締付手段により板状本体１９ａ上に締付固定される。板状本体１９ａの下側４箇所に、脚部１９ｃが取り付けられ、内部に収納されたマイクロ流体チップ３１を水平状態として保持することができる。

板状本体１９ａとカバー体１９ｂは硬質の透明合成樹脂により成形され、内部のマイクロ流体チップ３１のマイクロ流体流路内を流れる液体を、観察できるようになっている。また、チャンバーモジュール７の培養室７ａに対応したホルダー１９の板状本体１９ａとカバー体１９ｂに、開口部が設けられ、露出した培養室７ａを、顕微鏡などで容易に観察できるようになっている。

ホルダー１９内に収納されるマイクロ流体チップ３１は、図１１，１３，１４、１５に示すように、分岐するマイクロ流体流路１０を設けた分岐流路モジュール２と、マイクロ流体流路５ｂ及びチューブポンプ部５ａを設けた２台のポンプモジュール５と、マイクロ流体流路７ｂ及び培養室７ａを設けたチャンバーモジュール７と、２方向のマイクロ流体流路３ｂ及びチューブバルブ部３ａを設けたバルブモジュール３と、Ｔ字状に分岐する３方向のマイクロ流体流路４ｂ及びチューブバルブ部４ａを設けた２台のバルブモジュール４とを、略六角形状（異形の六角形状）の環状に組み合わせて構成される。

図１５に示す如く、マイクロ流体チップ３１は、略三角形状のシート状本体を有する６個のモジュールを、環状に配置して六角形状に配置するとともに、分岐流路モジュール２の外側に、１台のポンプモジュール５を付加するように配置して構成される。このマイクロ流体チップ３１は、隣接する各モジュールの辺部を接して配置することにより、各辺部中央に開口する各マイクロ流体流路３ｂ、４ｂ、５ｂ、７ｂ、１０の各ポートを同じ位置に配設し、それらを相互にコネクタ１２で接続することにより、マイクロ流体流路による循環流路をコンパクトに形成することができる。

マイクロ流体チップ３１は、図１５に示すように、分岐流路モジュール２の右側に、一方のポンプモジュール５を上下反転した状態で配置し、分岐流路モジュール２の左側に他方のポンプモジュール５を配置し、分岐流路モジュール２の下側にチャンバーモジュール７を上下反転させて配置する。

さらに、チャンバーモジュール７の左側に、３方向に分岐したマイクロ流体流路４ｂとチューブバルブ部４ａを有する一方のバルブモジュール４を配置し、バルブモジュール４の左側に２方向弁のバルブモジュール３を上下反転して配置し、さらに、バルブモジュール３の上に３方向に分岐したマイクロ流体流路４ｂとチューブバルブ部４ａを有する他方のバルブモジュール４を配置して構成される。隣接する各モジュールの１〜３つの辺部は接して配置され、各辺部の中央にポートが位置するため、各モジュールのマイクロ流体流路は各ポートでコネクタ１２を介して正確に接続することができる。

図１５に示すように、このマイクロ流体チップ３１では、分岐流路モジュール２の左側の辺部に開口するマイクロ流体流路１０のポートが、その左側に隣接する一方のポンプモジュール５の右側の辺部のマイクロ流体流路５ｂのポートに、コネクタ１２を介して接続される。さらに、そのポンプモジュール５の左側の辺部に開口するマイクロ流体流路５ｂのポートは、その左側に隣接するバルブモジュール４の右側の辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートに、コネクタ１２を介して接続される。

さらに、バルブモジュール４の下辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートが、それに隣接するバルブモジュール３の上辺部に開口するマイクロ流体流路３ｂのポートに、コネクタ１２を介して接続され、バルブモジュール３の右側辺部に開口するマイクロ流体流路３ｂのポートが、そこに隣接する他方のバルブモジュール４の左側辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートに接続される。さらに、そのバルブモジュール４の右側辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートは、その右側に隣接するチャンバーモジュール７の左側辺部に開口するマイクロ流体流路７ｂのポートに、コネクタ１２を介して接続される。

そして、図１５に示す如く、一方のポンプモジュール５の右辺部に開口するマイクロ流体流路５ｂのポートは、コネクタ１２を介して外部の試薬の供給部１４にチューブなどで接続される。他方のバルブモジュール４の左辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートは、コネクタ１２を介して外部の培養液の供給部１３にチューブなどで接続される。また、下側に位置するバルブモジュール４の下辺部に開口するマイクロ流体流路４ｂのポートは、コネクタ１２を介して外部の廃液収容部１５にチューブなどで接続される。

このように、各モジュールは三角形シートを本体として略三角形状に形成されるため、図１１〜図１５に示すように、全体として略六角形状に組み合わせることが容易にでき、これにより、環状のマイクロ流体流路を設けたマイクロ流体チップ３１をコンパクトに集約して形成することができる。

なお、上記の試薬の供給部１４に接続されるポンプモジュール５に、停止時閉路機能がない場合、図１６に示すように、ポンプモジュール５の流路にバルブモジュール４を接続し、閉弁動作を行なうことが好ましい。

次に、上記構成のマイクロ流体チップ３１を用いて細胞培養に使用されるマイクロ流体チップ装置の使用態様を説明する。図１１に示す如く、培養液の供給部１３に、培養液が入れられ、試薬の供給部１４には成長因子などの試薬が入れられる。その後、培養室７ａに細胞を入れる。チャンバーモジュール７の培養室７ａ内面には、細胞を播種するために、コラーゲン或いはフィブリノーゲンがコーティングされる。

細胞培養を行なう場合、先ず、バルブモジュール４のバルブ駆動部１７を動作させ、チューブバルブ部４ａを開き、培養液用のポンプモジュール５のポンプ駆動部１８を駆動し、そのポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて、供給部１３から培養液を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａ内に送液し注入する。次に、試薬用のポンプモジュール５のポンプ駆動部１８を駆動し、そのポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させて、供給部１４から試薬を吸引し、チャンバーモジュール７の培養室７ａ内に送液し注入する。

そして、このような状態で、２台のポンプモジュール５のポンプ駆動部１８を駆動し、２個のポンプモジュール５のチューブポンプ部５ａを動作させ、マイクロ流体チップ３１内に形成されたマイクロ流体流路３ｂ、４ｂ、５ｂ、７ｂ、１０及び培養室７ａからなる循環路で、培養液と試薬を必要な時間、循環させ、細胞を培養する。そして、細胞培養が終了した後は、バルブモジュール４のバルブ駆動部１７を動作させ、チューブバルブ部４ａを開き、培養室７ａ内の培養液を、チャンバーモジュール７の排出側のマイクロ流体流路７ｂからバルブモジュール４のマイクロ流体流路４ｂを通して廃液収容部１５に廃液する。

このように、マイクロ流体チップ３１を含むマイクロ流体チップ装置では、循環流路を形成して、培養液と試薬を所望の時間、循環させて細胞培養を行なうことができる。また、全ての接液部を含むマイクロ流体チップ３１は、バルブ駆動部１７やポンプ駆動部１８とは分離してシート状に形成され、ホルダー１９のカバー体１９ｂを外せば、簡単に取り出すことができるため、接液部を容易に滅菌処理或いは洗浄することができ、使い捨て器具として使用することもでき、これにより、培養液のコンタミネーションや細菌の混入を防止することができる。

なお、上記実施形態では、本発明のマイクロ流体チップ装置を細胞培養に使用する例を説明したが、各種の化学合成や化学分析に使用することもできる。上記では、各モジュールのマイクロ流体流路をステンレスパイプ製のコネクタにより接続したが、コネクタの材質には合成樹脂などを使用することができる。

１ マイクロ流体チップ
２ 分岐流路モジュール
３ バルブモジュール
３ａ チューブバルブ部
３ｂ マイクロ流体流路
４ バルブモジュール
４ａ チューブバルブ部
４ｂ マイクロ流体流路
５ ポンプモジュール
５ａ チューブポンプ部
５ｂ マイクロ流体流路
７ チャンバーモジュール
７ａ 培養室
７ｂ マイクロ流体流路
８ チャンバーモジュール
８ａ 培養室
８ｂ マイクロ流体流路
９ ホルダー
９ａ 板状本体
９ｂ カバー体
９ｃ 脚部
１０ マイクロ流体流路
１２ コネクタ
１３ 供給部
１４ 供給部
１５ 廃液収容部
１７ バルブ駆動部
１８ ポンプ駆動部
１９ ホルダー
１９ａ 板状本体
１９ｂ カバー体
１９ｃ 脚部
２１ マイクロ流体チップ
３１ マイクロ流体チップ

Claims (12)

1. シート状のマイクロ流体チップ内にマイクロ流体流路が形成され、該マイクロ流体流路の一部に、マイクロ流体流路を開閉するバルブ部、液体を送液するポンプ部、または液体を溜めるチャンバー部のうちの少なくとも１つの部分が配設され、該マイクロ流体流路に液体を流すマイクロ流体チップ装置であって、
   該マイクロ流体チップは、分岐するマイクロ流体流路を設けた分岐流路モジュールと、マイクロ流体流路及びバルブ部を設けたバルブモジュールと、マイクロ流体流路及びポンプ部を設けたポンプモジュールと、またはマイクロ流体流路及びチャンバー部を設けたチャンバーモジュールと、から選択される少なくとも２つのモジュールを、一定の形状にモジュール化して分割形成され、
   該分岐流路モジュール、該バルブモジュール、該ポンプモジュール、該チャンバーモジュールのうちの少なくとも２つのモジュールを接合させ、該各モジュールの該マイクロ流体流路をコネクタにより相互に接続し、全ての該モジュールをホルダー内に収納したことを特徴とするマイクロ流体チップ装置。
2. 前記ホルダー内に収納される前記分岐流路モジュール、前記バルブモジュール、前記ポンプモジュール、または前記チャンバーモジュールのうちの少なくとも
   ２つのモジュールは、平面を略三角形とする三角形シートから形成されたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
3. 前記モジュール内の前記マイクロ流体流路の端部は、前記三角形シートの辺部の中央位置で開口することを特徴とする請求項２記載のマイクロ流体チップ装置。
4. 前記ホルダーは硬質の合成樹脂から成形され、前記分岐流路モジュール、前記バルブモジュール、前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールは軟質の透明合成樹脂から成形され、該各モジュール内のマイクロ流体流路は軟質のチューブ状に形成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
5. 前記分岐流路モジュール内のマイクロ流体流路は、３本の流路に分岐して形成され、該３本の流路のポートは各々前記三角形シートの各辺部の中央位置に開口することを特徴とする請求項２記載のマイクロ流体チップ装置。
6. 前記ポンプモジュールは、ポンプ駆動部の回転部をモジュール内のチューブに押し当てて回転駆動するチューブポンプとして形成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
7. 前記バルブモジュールは、バルブ駆動部のヘッド部をモジュール内のチューブに押し当てて駆動するバルブとして形成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
8. 前記チャンバーモジュールは、チャンバー部が露出するように、前記ホルダーの対応箇所に開口部が形成されることを特徴とする請求項４記載のマイクロ流体チップ装置。
9. 前記ホルダーは、板状に形成される板状本体上に、モジュール用のシート状凹部を形成し、該板状本体上をカバー板で覆った状態で、締付手段により該カバー板を締付固定して形成されることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
10. 前記マイクロ流体チップ装置は、前記分岐流路モジュール、２個の前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールから構成され、該分岐流路モジュールを中央に位置させ、該分岐流路モジュールの周囲の辺部に２個の該ポンプモジュール及び該チャンバーモジュールが接して配置され、全体として略三角形状に形成されたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
11. 前記マイクロ流体チップ装置は、２ポート２方弁型の前記バルブモジュール、３ポート２方弁型の前記バルブモジュール、前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールから構成され、各モジュールを１列状に辺部を接して配置したことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。
12. 前記マイクロ流体チップ装置は、２ポート２方弁型の前記バルブモジュール、３ポート２方弁型の２個の前記バルブモジュール、前記分岐流路モジュール、２個の前記ポンプモジュール、及び前記チャンバーモジュールから構成され、該分岐流路モジュール、該チャンバーモジュール、３ポート２方弁型の該バルブモジュール、２ポート２方弁型の該バルブモジュール、３ポート２方弁型の該バルブモジュール、該ポンプモジュールを、略六角形の環状に辺部を接して配置し、該分岐流路モジュールの外側の辺部に接して別の該ポンプモジュールを配置したことを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体チップ装置。

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