学会賞受賞論文のポイント
マイクロ流体デバイスにおけるピッチングマシーン
2022年度日本機械学会賞（論文）受賞
Boxcar型電極を用いた誘電泳動整列技術による1粒子1液滴封入の高収率化
馬淵 研一，巽 和也，栗山 怜子，中部 主敬
日本機械学会論文集, 2022, 88巻, 905号, p .21-00300.
DOI: 10.1299/transjsme.21-00300
高い制球力でマイクロ流路に粒子・細胞を流す
近年、Lab-on-a-chip、micro-Total-Analysis-Systems、マイクロ流体デバイスと呼ばれる微細加工技術を活用した超小型分析機器の開発と実用化が進められている。これらの機器では、流路に各種センサ、分取機構、液滴封入機構、そのほか捕獲・操作・反応・刺激・抽出などの各種機能を実装することで、1細胞解析に代表されるように細胞の高速・高度解析が行われている。これにより1細胞単位という高い分解能で特性評価と診断が可能となり、機器の測定精度が飛躍的に向上し測定時間も短縮できる。一方、機械工学で運動制御が重要な基礎技術であるように、マイクロ流体デバイスでも各機能要素の高度化・高感度化に伴い、流路における粒子・細胞の位置決め・同期精度が機器の性能と信頼度を決めることになる。そのため分散した粒子・細胞を1列に整列する技術など、粒子・細胞の運動制御に関する研究と開発が行われている。
粒子・細胞の位置決め・同期の技術開発は、さながら高精度なピッチングマシーンをマイクロ流体デバイス内に構築するものであると言える。野球の試合であれば投手はバッターに打たれないようにコースとタイミングを外すが、ここではバッターの打率10割を目指すことが目的なので、常に同じ位置に同じタイミングで球をバッターに投げる必要がある（図1）。バッターが素振りするかのように単純にバットを振るところに、タイミングを計って投げられることが望ましい。このピッチングマシーンのような高い制球力で粒子・細胞を流す技術を開発することが本研究の目的である。
このような技術の開発は世界で進められている。その一つとして流体力を活用した技術がある（1）（2）。これはせん断流れにおける浮力と流路の曲がりでの遠心力とのつり合いの位置に粒子が集中（Focus）する特性、もしくは流路断面に形成される2次流れにおいて、流れのよどみ領域に粒子が集中する特性を利用したものである。さらに粒子により形成される流れにより、粒子を一定間隔で流す技術も開発されている。
これに対して本研究では誘電泳動力と呼ばれる電気的な力を粒子に作用することで、粒子の整列と同期（タイミング制御）を行った。
図1 精密ピッチングマシーンを構築
粒子・細胞の整列・同期技術
流路に分散している粒子・細胞を断面内の1点に集中させるため、Rail型電極を流路に敷設し、その中心線上の特定の高さに粒子・細胞が集まるような誘電泳動力の場を設けて断面内での位置制御を行った（3）～（5）。主流方向に粒子・細胞を等間隔に整列し、さらに特定の通過タイミングに同期するには、さらにもう一工夫が必要であり、本手法では空間と時間で周期的な力を粒子・細胞に作用することでそれを実現した（3）～（5）。
図2のように主流方向に周期的に正と負の力、すなわち粒子・細胞を加速と減速させる領域を設ける。この力を時間周期的にオン・オフすることにより、流れにおける粒子・細胞は周期的なつり合いの位置に収束する。これは進行波に乗って移動する物体と似ているが、本手法では波は移動せず、前述の空間周期構造を設けるだけで簡便に動作できる利点を持つ。つり合いの位置にある粒子・細胞はオン・オフの周波数fと主流方向の周期長さLpitchに対応して周期運動しながら進むため、その速度は両者の積Lpitchfと等しくなる。さらに、粒子・細胞の位置・時刻はオン・オフの信号の位相と対応するため、その通過タイミングも制御できる。
なお、粒子・細胞が一次元系の運動をする場合、複数の粒子・細胞が同じつり合いの位置に集まる可能性があるが、本手法ではつり合いの位置に複数個の粒子・細胞が集まった場合でも、高さ方向の誘電泳動力と流れの速度分布により2次元の運動を行うことで粒子・細胞は離隔し、整列することができる（4）。
図2 空間・時間の周期的な力の作用によるつり合いの位置に収束し整列する粒子
液滴封入（カプセル化）技術への実装
液滴封入（カプセル化：Encapsulation）技術を粒子・細胞の整列・同期に関する本技術の導入対象とし、マイクロ流体デバイスにて液滴封入機構の上流に本手法を実装した。液滴封入は1個もしくは一定数の粒子・細胞を一つの液滴で捕集する技術である。マイクロ流体工学では、流体のせん断力・伸長力・慣性力を利用してある液体の流れの中に別の液体の液滴を高速かつ周期的に流路内に生成することが可能であり、これまで多くの技術が開発されてきた。この場合、表面張力と操作性の関係から2液体として水とオイルを用いる場合が多い。
本研究では、安定して液滴を生成するため、2液体の表面張力に加えて、流路壁の濡れ性の影響を検討した。壁面処理により濡れ性を制御し、これに加えて液滴生成の条件として流路形状、連続的に流れる流体（オイル：連続相）と液滴の流体（水：分散相）の流量と表面張力から定まるキャピラリー数をそれぞれ検証した後に、液滴封入機構を流路に実装した。この液滴封入機構の上流に設置した整列・同期機構を作動し、流路入り口から流れてきた粒子の位置・間隔・タイミングを液滴生成に同期させて粒子を下流に供給した（図3）。これにより1液滴1粒子の生成に関して収率を100％とし、不良率を0%とすることができた。
図3 1液滴1粒子封入を収率100％で実現
参考文献
(1) Di Carlo, D., Irimia, D., Tompkins, R. G. and Toner, M., Continuous inertial focusing, ordering, and separation of particles in microchannels, PNAS, Vol.104, No.48 (2007), pp.18892-18897.
(2) Dietsche, C., Mutlu, B. R., Edd, J. F., Koumoutsakos, J. and Toner, M., Dynamic particle ordering in oscillatory inertial microfluidics, Microfluidics and Nanofluidics. Vol.23 (2019), 83.
(3) Tatsumi, K., Kawano, K., Shintani, H. and Nakabe, K., Particle timing control and alignment in microchannel flow by applying periodic force control using dielectrophoretic force, Analytical Chemistry, Vol. 91, No.10 (2019), pp. 6462-6470.
(4)本間怜人，巽和也，栗山怜子，中部主敬, Boxcar 型電極を用いた誘電泳動力によるマイクロ流路内粒子の離隔と整列機構，日本機械学会論文集，Vol. 86, No.890 (2020), DOI:10.1299/transjsme.20-00117.
(5) Tatsumi, K., Noma, A., Honma, R., Kuriyama, R. and Nakabe, K., Particle timing and spacing control in microchannel flow by applying periodic force over space and time, Microfluidics Nanofluidics, Vol.25 (2021), 15.
＜正員＞
巽 和也
◎京都大学 工学研究科 准教授
◎専門：機械工学、伝熱工学、マイクロ流体工学
キーワード：学会賞受賞論文のポイント