三次元細胞培養用チップサイズの足場の微細加工

こんにちは、私はStefan Reです。生物学的界面研究所に所属しています。本記事では、「チップ」と呼ばれる微細構造スカフォールドの作製プロセスについて解説します。これらのチップの作製には、ホットエンボス加工に特定の後処理を組み合わせた手法と、当研究センターで最近開発された「Squi」と呼ばれるマイクロサーマルフォーミングプロセスの2つの異なる手法を用いています。現在はクリーンルームテントにおります。右側に見えるのが典型的な真空ホットエンボス機で、この装置を使用して微細構造セルチップを作製します。まず、微細構造モールドを導入します。

これはこのようなプレートに固定されており、ここに2つの金型が見えます。この金型はマイクロマシン加工によって作製され、材質は真鍮です。それでは、この微細構造金型を装置に取り付けます。

ホットエンボス加工プロセスでは、こちらのようなポリマープレートを使用します。通常、セルチップの作製にはポリカーボネートまたはPMAが用いられます。ここで、ポリマープレートを装置のプレート中央に挿入し、ツールを閉じます。装置を閉じた後、チャンバー内を真空にし、その後、金型またはツール全体を成形温度まで加熱し、加熱されたポリマーを微細構造を持つ金型にプレスします。

この成形手順の後、金型全体を冷却し、装置内の自動脱型プロセスを行います。ここでご覧いただいているのは、成形部分を持つ成形済みセルチップで、2つのセルチップと、ホットエンボス加工によって生じた典型的な残留層が見て取れます。ホットエンボス工程の後、部品の残留層を薄くし、最終的に完全に除去する必要があります。

そのため、金型部品などのパーツをトリミングし、このマウントプレート上に凍結させます。マウント後、パーツの背面で微細構造グリッドが開くように、残留層を一定の厚さまでミーリングします。ミーリング工程の間、マイクロコンテナの壁は凍結した水によって安定化されます。

最終的に、上部が両側とも開いたMicroConコンテナの自立型グリッドを持つ、2枚の成形済みセルチップが得られます。次に、ミリング工程の後、これらの開口したMicroConコンテナアレイの底部に多孔質膜を接合します。市販の穿孔済みポリカーボネート膜をオープンセルチップの背面に接合し、微多孔性コンテナアレイを作成します。

ここでは、薄いポリマー・トラックエッジ膜をこのチャンバーに挿入します。膜の厚さは約10 micronsの範囲であり、これらの膜の上にセルチップを配置します。その後、この空洞を密閉し、最初のステップとしてチャンバー内を真空にします。

次に、気化した溶媒を注入してポリマーの表面を溶解させ、この積層体に圧力を加えることで、膜をセルチップに接合します。最終ステップとして、チャンバーを減圧し、完成したセルチップを取り出します。最近、私たちは熱成形プロセスに基づいたセルチップの新しい作製技術を開発しました。これはマイクロスケールに適応させたものであるため、マイクロ熱成形（micro thermoforming）と呼んでいます。

多孔質セパレータを製作するため、加速重イオンを照射したポリフィルムを使用します。これはUnilog社の協力のもとで行われ、重イオンがポリマーフィルムを完全に貫通することで、フィルム内に直線的なトラックを形成します。その後、熱成形プロセスによってこれらの直線的なトラックが維持され、孔が形成されます。

次に、これらのラテン格子のトラックを、定義されたサイズの細孔へとエッチングする成形工程が行われます。右側に、このマイクロサーマル成形プロセス用に適合させた装置が表示されています。これは、本プロセス向けに最適化されたホットエンボス機です。

この装置は主に3つのパーツ、すなわち上部プレートと下部プレートで構成されています。これらにはガス加圧用および真空排気用のコネクタが備わっており、さらに天井のような3つ目のパーツがあります。最初のステップとして、厚さが約50から100µmの範囲の薄膜を挿入します。

次にツールを閉じ、第2段階へと進みます。これら2枚のプレートと天井によって構成されるチャンバー内を真空にします。真空排気後、ポリマーフィルムをこれら2枚のプレートの間で加圧し、成形温度まで加熱します。成形工程です。

ここでの温度はガラス転移温度の範囲内であり、これはポリマーが溶融しているのではなく、ゴム弾性状態にあることを意味します。続く工程で、ガス圧を印加します。ここではガスとして窒素を使用し、このガスによって、ゴム弾性状態のポリマーフィルムが、あらかじめ真空排気されたマイクロモールド内に引き延ばされます。

この成形ステップの後、ツール全体を冷却し、ツールを開きます。最後に、マイクロ構造ポリマーフォームを手動で脱型します。この新しいプロセスの利点は、標準的なマイクロ射出成形プロセスやホットエンボスプロセスと比較して、工程数を劇的に削減できることです。

熱成形したヘビーアイロンポリマーフィルムを用い、ラテン・トラックを選択的にエッチングして、定義されたサイズのポアを作成します。この工程では、シンプルなガラスビーカーのセットアップを使用し、水酸化ナトリウムでラテン・トラックをエッチングします。その際、緩やかに攪拌し、約60 °Cの温度まで加熱します。このエッチング手順は、異なるポアサイズを得るために、約1時間から数時間かけて行います。

ここに、完成した2つの製品があります。1つは成形されたセルチップの背面にマイクロ孔膜を備えた、ホットアンドバス（hot and bused）セルチップです。そして左手にあるのが、真空成形による薄壁のフレキシブルセルチップです。これらは細胞培養に使用する前に、ガンマ線照射によって洗浄および滅菌されます。