若きサイエンスの萌芽 第 1 回 TOBIRA 研究助成田中啓二特別賞 マイクロ構造物を迷路構造に配列し，血液中の血球を捕捉 し血漿成分を効率よく抽出する，マイクロ血漿成分抽出 フィルタの開発 筒井博司 大阪工業大学工学部ロボット工学科 高齢化社会を迎え， 医療は QOL （Quality of Life） を重視し， 治療から 予防や早期発見へ重心を移すとともに， POC （Point of Care） に用いるμ -TAS または Lab on a Chip と呼ばれるマイクロ血液分析デバイスの研究が 盛んになった． 本研究は， 遠心分離機やメンブレンフィルタなどによる前処 理を必要としない， 使い捨てマイクロ血液分析デバイスに組み込むことので きる， マイクロ血漿成分抽出フィルタの実現を目指すものである． 本フィル タの原理は， MEMS 技術を用いることにより， 血球を破壊することなく血漿 成分のみを抽出するものである． ●マイクロ構造物を迷路構造に配列 （基本原理） マイクロ血液分析デバイスの特徴は， ごく少量の血 液採取によりその場で分析ができることである． そこ で遠心分離機やメンブレンフィルタの前処理を必要と せず， マイクロデバイス内で目詰まりや血球を破壊す ることなく血漿成分のみを抽出できるフィルタの構造を 考案した． マイクロ血液分析デバイスは基本的には ディスポーザブルであることから， メンブレンフィルタ が 3 次元的構造に対し， 本研究のマイクロ血漿成分 抽出フィルタはシンプルに 2 次元的構造， すなわち 面として構成することを基本とした． マイクロ流路内で， フィルタを通過する血液中の血 球成分のみをフィルタ全面で捕捉し， 血漿成分のみ を 抽 出 で き る 構 造 を， MEMS 技 術 （Micro Electro Mechanical Systems） を用いて考案した． そ の 原 理 を Fig.1 に 示 Fig.1 す． 図のようにフィルタ面 全面にマイクロ構造物を迷 路のように配置する． 図中 赤丸は赤血球， 青の矢印 は血液の流れ， 小さな四 角はマイクロ構造物であ る． フィルタ内に左側から 全 血 が 注 入 さ れ る と， 血 球は迷路状に配置された柱状のマイクロ構造物からな るポケットに捕捉されるが， 血漿成分は構造物の隙間 を通過して前方に抽出される． 最終的に血球成分は フィルタ全面に捕捉され， 血漿成分のみがフィルタ外 に抽出される． ●MEMS 技術 マイクロ血液分析デバイスはディスポーザブルであ ることを目指し， 樹脂加工が可能なマイクロ構造物で あることを前提として， フォトリソグラフィ技術により微 細構造を作製した． 赤血球は直径約 8μm， 厚さ約 2μm の円盤状をしているが， 非常に柔らかく変形能 力が大きいために， マイクロ構造物の高さと間隙の決 定が重要である． 原理実証実験において， フィルタ 面積 510×510μm2 柱状 Fig.2 マイクロ構造物の底面 3.4×3.4μm2， 高 さ 5μ m， 間隙 0.85μm とした． フォトリソグラフィ技術により ガラス基板上にフォトレジ ストを用いてマイクロ構造 物およびマイクロ流路を作 製し， 樹脂製蓋を接着す る こ と に よ り 完 成 す る． Fig.2 に作製した流路とフィ ルタ部マイクロ構造物の写真を示す． ●血漿成分抽出実験 Fig.3 にヒトの全血を用いた血漿成分抽出実験を示 す． (a) ～ (c) は全血がフィルタ内を通過するに従い 血球成分と血漿成分に時系列に分離し， 最終的に (d) のようにフィルタ外に血漿成分が抽出された． Fig.3 に示すように， 左側 面より注入した全血のうち 赤血球はフィルタ入口より 徐々に捕捉され， 透明の 血漿成分のみが前方に抽 出 さ れ る． 血 液 を 前 方 に 押し出す力は現在毛細管 現象を利用し， 外部圧力 Fig.3 を 負 荷 し て い な い． そ の ため， 微細構造物のポケットに捕捉された赤血球に は毛細管現象による流体にかかる圧力以外に負荷が かからないため， 赤血球が破壊損傷することがない． この点が本血漿成分抽出フィルタの重要な特長であ る． ●今後の展開 以上の原理実証に基づき， 今後は実用サイズに 拡張した血漿成分分離実験を経て， ディスポーザブ ルを目指したデバイスに取り組んで行く予定である． E-mail : [email protected] URL : http://www.tobiraproject.or.jp/ TEL : 042-367-5638 産 ・ 官 ・ 学 ・ 医の連携を
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