将来への展望

本研究では、バイオマイクロデバイス作製に用いる微細加工法を提案し、その応用 例についてまとめた。微細加工技術は厚膜感光性材料の特徴を利用し、2次元平面の みでなく3次元的な構造作製に利用できる。また、ポーラス構造など、従来の平面的 な加工法では微細な構造を集積できない面に対しても構造を集積できる。これらの特 徴は、オープンマイクロフルイディクスや、それと組み合わせたペーパーマイクロフ ルイディクスへの応用に寄与できると考えられる。

オープンマイクロフルイディクスは、マイクロ流路を封止せず、微量の流体を制御 する技術である[1]。通常のマイクロフルイディクスでは、密閉性の高いマイクロ流路 に液体を送液する。一方で、オープンマイクロフルイディクスでは、封止されていな い構造とその表面状態を利用する。マイクロ流路は封止されないため、流路内の任意 の位置に容易にアプローチできる。また、一般的に問題となるマイクロ流路内で送液 を阻害する気泡は、オープンマイクロフルイディクスを利用したデバイスでは、発生 した気泡を流路の開放部分から簡単に取り除ける。

従 来 の オ ー プ ン マ イ ク ロ フ ル イ デ ィ ク ス に お け る 研 究 で は 、Poly Methyl

Methacrylate (PMMA)などの樹脂を基板材料としたマイクロ流路の利用が多い[2]。ほ

とんど変形しない材料であるので、流路断面の形状を設計し、安定してマイクロ流路 内に送液することができる。あるいは、PDMSを利用し、ドロップレットを用いたス フェロイドの作製も取り組まれている[3]。流路からぶら下がるように形成される液 体内で細胞を培養することで、細胞の凝縮によるスフェロイド構築ができる。また、

上部の解放されたマイクロ流路をペーパー上に作製するペーパーマイクロフルイデ ィクスの研究も行われている。ペーパーマイクロフルイディクスは、インクジェット やナノインプリント技術を利用してペーパー上にマイクロ流路を作製する方法であ る。ペーパーベースであるので、材料価格は低く、焼却により破棄できるので、バイ オ応用に適したディスポーザブルデバイスとしての利用が期待されている[4-6]。

本論文で提案した加工技術により、厚膜感光性材料を用いることで、空隙率の大き いスカフォールドに対して微細な構造を集積できることを示した。例えば、空隙率 50 %前後の紙など、より空隙率の低い材料に対しても本手法を適応できると考えられ る。そこで、紙などの空隙を有する構造上に本稿提案手法を利用して微細な構造を集 積することで、オープンマイクロフルイディクスとそのバイオ応用の範囲を拡張でき ると考えられる。また、上底面からの細胞に対する刺激や観察の幅が広がるのみでな

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く、流路の開放面積が拡大するので、液体内への酸素の供給などの課題を緩和できる と考えられる。

従来のインクジェットやナノインプリントなどの方法は、量産や低価格化には適し ているが、複雑かつ立体的な形状の作製には不向きである。本提案手法を利用するこ とで、ペーパー上に、より複雑な形状や要素を集積できると考えられる。例えば、ペ ーパー上に微細電極などを集積し、評価機能を備えたペーパーデバイスへの応用がで きると考えている。

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参考文献

[1] J. Berthier, K. Brakke, and E. Berthier, Open Microfluidics. Wiley, 2016.

[2] S.B. Berry, J.J. Lee, J. Berthier, E. Berthier, and A.B. Theberge,” Open channel droplet-based microfluidics”, bioRxiv, pp. 436675_1-436675_14, 2018.

[3] O. Frey, P.M. Misun, D.A. Fluri, J.G. Hengstler, and A. Hierlemann, “Reconfigurable microfluidic hanging drop network for multi-tissue interaction and analysis”, Nature Communications, Vol. 5, pp. 4250_1-4250_11, 2014.

[4] T.S. Park and J.Y. Yoon, “Smartphone detection of escherichia coli from field water samples on paper microfluidics”, IEEE Sensors Journal, Vol. 15, pp. 1902-1907, 2015.

[5] T.S. Park, W. Li, K. E. McCracken, and J.Y. Yoon, “Smartphone quantifies salmonella from paper microfluidics”, Lab on a Chip, Vol. 13, pp. 4832-4840, 2013.

[6] G.A. Cooksey and J. Atencia, “Pneumatic valves in folded 2D and 3D fluidic devices made from plastic films and tapes”, Lab on a Chip, Vol. 14, pp. 1653-1792, 2014.

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謝辞

本研究を遂行するにあたり、研究を行うのに必要不可欠な知識のご指導、非常に充実 した研究環境、非常に有益な助言を賜りました群馬大学 教授 鈴木孝明先生に心から 深謝の意を表します。また、本研究の討論の場で大変有益なご指導、ご助言を賜りまし た群馬大学 山田功先生、荘司郁夫先生、曾根逸人先生、佐藤記一先生に深く感謝いた します。

本研究の特に細胞を利用した実験において、浅学な著者に対し、基礎的な実験方法か ら、研究者としての在り方まで詳細にご教示いただきました、奈良先端科学技術大学院 大学 駒井章治先生、米国国立標準技術研究所 Mandy B. Esch先生に心より感謝を申し 上げます。

修士課程時に、ご助言を賜りました香川大学 名誉教授 大平文和先生、香川大学 教 授 下川房男先生、高尾英邦先生、寺尾京平先生に心から感謝いたします。

実験を遂行するにあたり、プロセス時における有益な御指導、御助言を賜りました香 川県科学技術研究センターFROM香川 メカトロ研究室職員 森功好氏、比嘉久雄氏、近 藤尚子氏、中田智恵美氏、庄司聡子氏、鈴木勝順氏、大野宏美氏に深く感謝いたします。

本研究において様々な視点からのご助言を頂き、また有益な議論を交わした鈴木研 究室、ならびに、ロボティクス研究室の皆様に心から感謝の意を表します。

最後に、ここまでの学生生活に対して、長期間に渡る勉学への理解と惜しみない援助 をして頂いた家族に深謝の意を表します。

上野 秀貴

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本研究に関する成果

学術論文

[1] H. Tamai, H. Ueno, K. Maruo, K. Terao, H. Kotera and T. Suzuki, “Development of low fluorescence thick photoresist for high aspect ratio microstructures in bio application” , Biomicrofluidics, Vol. 9, pp. 022405_1-022405_9, 2015. (参考論文)

[2] M. B. Esch, H. Ueno, D. R. Applegate and M. L. Shuler, “Modular, pumpless body-on-a-chip platform for the co-culture of GI tract epithelium and 3D primary liver tissue”, Lab on a Chip, Vol. 16, pp. 2719-2729, 2016. (参考論文)

[3] H. Ueno, S. Komai, K. Terao, H. Takao, F. Shimokawa, H. Kotera and T. Suzuki,

“Development of a local light stimulation device integrated with micro electrode array”, Mechanical Engineering Journal, Vol. 3, pp. 15_00570_1-15-00570-10, 2016. (参考論 文)

[4] H. Ueno, K. Yamada, T. Suzuki, “Integration method of microchannel and vertical micromesh structure for three-dimensional cell culture by using inclined exposure and inclined oxygen ashing”, Micromachines, Vol. 9, pp. 681_1-681_13, 2018. (関連論文) [5] H. Ueno, M. Inoue, A. Okonogi, H. Kotera, T. Suzuki, “Correlation between cells-on-chips

materials and cell adhesion/proliferation focused on material’s surface free energy”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 565, pp.188-194, 2018. (関連論文)

国際学会発表

[1] H. Ueno, S. Komai, K. Terao, H. Takao, F. Shimokawa, H. Kotera, T. Suzuki,

“Development of a local light stimulation device integrated with micro electrodes array”, JSME-IIP/ASME-ISPS Joint Conference on Micromechatronics for Information and Precision Equipment (MIPE2015), Kobe, Japan, June, 2015.（修士課程以前の業績）

[2] H. Ueno, T. Suzuki, “Fabrication method for three-dimensional polymer microstructures using inclined exposure and oxygen plasma ashing”, The International Conference on

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Advanced Engineering and Its Education in 2016, Gunma, Japan, October, 2016.

[3] H. Ueno, T. Suzuki, M. B. Esch, “Design and operation of a body-in-a-cube platform”, The 62^nd International Conference on Elerectron, Ion, and Photon Beam Technology &

Nanofabrication, Rio Grande, Puerto Rico, May, 2018.

[4] H. Ueno, T. Suzuki, M. B. Esch, “Modular designed body-on-a-chip platform for the co-culture of ten human organ tissues”, SELECTBIO -Organ-on-a-Chip, Tissue-on-a-Chip Europe 2018, Rotterdam, Netherlands, June, 2018.

[5] H. Ueno, T. Suzuki, M. B. Esch, “Evaluation of body-on-a-chip platform for the co-culture of ten human organ tissues”, 4BIO Summit, San Francisco, USA, September, 2018.

[6] H. Ueno, K. Yamada, T. Suzuki, “Cell culture chip for mixing medium with low share stress”, SELECTBIO - Lab-on-a-Chip and Microfluidics World Congress 2018, California, USA, October, 2018.（最優秀ポスター賞受賞）

[7] H. Ueno, K. Yamada, T. Suzuki, “Fabrication method of scaffold for three dimensional cell culture by using thick photoresist”, SELECTBIO - Organ-on-a-Chip World Congress and 3D-Bioprinting 2018, California, USA, October, 2018.

[8] H. Ueno, K. Yamada, T. Suzuki, “Micro integration method for three-dimensional cell culture by using adhesiveness and detachability of thick photoresist”, 31st International Microprocesses and Nanotechnology Conference, Sapporo, Japan, November, 2018.

[9] H. Ueno, T. Suzuki, “Micro integration method for local light stimulation by using adhesiveness of photoresist”, 9th International Conference on Advanced Micro‐Device Engineering, Gunma, Japan, December, 2018.

国内学会発表

[1] 玉井秀隆，井上雅俊，上野秀貴，寺尾京平，小此木孝仁，小寺秀俊，鈴木孝明, “集 積型細胞培養マイクロシステムを用いた MEMS 材料の細胞毒性評価”, 第 30 回

「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 宮城, 2013 年 11 月.

（修士課程以前の業績）

[2] 上野秀貴, 駒井章治, 寺尾京平, 高尾英邦, 下川房男, 小寺秀俊, 鈴木孝明, “神経 細胞ネットワーク解析のための局所光刺激デバイスの開発”, 日本機械学会 情 報・知能・精密機器部門講演会（IIP 2014）, 東京, 2014年3月. （修士課程以前 の業績）

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[3] 上野秀貴, 駒井章治, 寺尾京平, 高尾英邦, 下川房男, 小寺秀俊, 鈴木孝明, “電位 計測アレイを集積化した細胞組織内局所光刺激デバイスの開発”, 第 31 回「セン サ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 島根, 2014年10月. （修士 課程以前の業績）

[4] 鈴木孝明, 圓尾且也, 上野秀貴, 寺尾京平, 高尾英邦, 下川房男, 小寺秀俊,

“BioMEMS 向け厚膜フォトレジストの開発”, 電気学会フィジカルセンサ/バイ

オ・マイクロシステム合同研究会, 東京都, 2015年8月. （修士課程以前の業績）

[5] 上野秀貴, 駒井章治, 寺尾京平, 高尾英邦, 下川房男, 小寺秀俊, 鈴木孝明,

“Si/polymer/glass チップを用いた神経細胞組織内局所光刺激デバイスの開発”, 第

32回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, 新潟, 2015年10 月. （修士課程以前の業績）

[6] 上野秀貴, 駒井章治, 寺尾京平, 高尾英邦, 下川房男, 小寺秀俊, 鈴木孝明, “神経 細胞ネットワーク解析に向けた局所光刺激・多点電位計測デバイスの開発”, 日本 機械学会 情報・知能・精密機器部門講演会（IIP 2016）, 東京, 2016年3月. （修 士課程以前の業績）

[7] 上野秀貴, 鈴木孝明, Mandy B Esch, “臓器細胞共培養用 Body-on-a-Chip プラット フォームの開発”, 電気学会BMS研究会, 群馬, 2017年10月.

[8] 海野陽平, 上野秀貴, 伊東貴広, 飯田泰基, 山田功, 小寺秀俊, 駒井章治, 鈴木孝 明, “厚膜レジストを用いたオプトジェネティクス解析のための局所光刺激機構 と神経電位解析アレイの集積化”, 第 24 回「エレクトロニクスにおけるマイクロ 接合・実装技術」シンポジウム, 神奈川, 2018年1月.

[9] 上野秀貴, 圓尾且也, 鈴木孝明, “バイオ応用のための低自家蛍光感光性樹脂の開 発”, 化学とマイクロ・ナノシステム学会 第37回研究会, 茨城, 2018年5月.

[10] 上野秀貴, 山田功, 鈴木孝明, “厚膜感光性材料の接着性を利用した 3 次元集積

技術”, 電気学会E部門総合研究会, 奈良, 2018年7月.

[11] 上野秀貴, 鈴木孝明, Mandy B Esch, “10 臓器共培養用 Body-on-a-Chip プラット フォームの作製と評価”, 電気学会 第35回「センサ・マイクロマシンと応用シス テム」シンポジウム, 北海道, 2018年10月.

[12] 上野秀貴, 山田功, 鈴木孝明, ” 厚膜感光性材料の接着性と剥離性を利用したポ

ーラス材料上微細電極集積法”, 第 25 回「エレクトロニクスにおけるマイクロ接 合・実装技術」シンポジウム, 神奈川, 2019年1月.