3次元マイクロ・ナノ光造形による光制御バイオチップの開発

• Project/Area Number: 16686017
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Intelligent mechanics/Mechanical systems
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 丸尾 昭二 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 助教授 (00314047)
• Project Period (FY): 2004 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000); Fiscal Year 2006: ¥8,840,000 (Direct Cost: ¥6,800,000、Indirect Cost: ¥2,040,000); Fiscal Year 2005: ¥9,620,000 (Direct Cost: ¥7,400,000、Indirect Cost: ¥2,220,000); Fiscal Year 2004: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: マイクロ光造形法 / マイクロマシン / 光トラッピング / マイクロポンプ / マイクロマニピュレータ / マイクロ化学分析システム

Research Abstract

本研究では、「3次元マイクロ・ナノ光造形法」を用いて、光駆動マイクロ・ナノマシン群を作製し、それらを流体回路に内蔵した「光制御バイオチップ」の開発を目指した。本年度は、従来の容積型マイクロポンプに加えて、マイクロ領域で支配的となる粘性を活用した「光駆動シングルディスクマイクロポンプ」を開発した。バイオチップ内部で生体試料を操作する光制御マイクロマニピュレータの高機能化を行い、レーザー光の2次元走査によって3次元的な把持動作が可能な「ローリング機構を利用したマイクロマニピュレータ」を新規に開発し、微粒子の把持実験を行った。以下に、具体的な成果をまとめる。
(1)光駆動シングルディスクマイクロポンプの開発と駆動実証
2光子マイクロ光造形法を用いて、単一のディスク型ローター(直径:10μm)をU字型マイクロ流路に内蔵させた粘性型マイクロポンプを考案・試作した。有限要素法に基づくマイクロ流れ解析によって、流路形状の最適化を行い、ディスク周辺の粘性を高効率に流体の駆動力に変化させる形状を決定した。実際に、2光子造形によってマイクロポンプを試作し、駆動検証実験を行った結果、解析結果とよく一致する結果を得た。このポンプは、脈動が全くなく、生体試料をダメージ無く輸送できるという特長がある。
(2)光制御ローリングマニピュレータの作製と微粒子把持実験
2光子マイクロ光造形法を用いて、レーザー光によってローリングするマイクロアーム構造を造形し、2本のアームを協調制御することによって、微小物体を3次元的に把持することが可能なマニピュレータを考案・試作した。実際に、機能検証実験を行い、微粒子を安定に3次元的に把持することができることを確かめた。今後、光制御バイオチップに内蔵すれば、細胞分析などに応用可能なマニピュレータとして有用である。

Research Products

• [Journal Article] 光で操るマイクロ・ナノマシンの未来 (2007)
  • Author(s): 丸尾昭二
  • Journal Title: 化学工業 58・1 Pages: 52-57
• [Journal Article] フォトニック流体制御による光制御バイオチップの開発 (2007)
  • Author(s): 丸尾昭二
  • Journal Title: 日本ロボット学会誌 25・2 Pages: 40-41
  • NAID: 10018869530
• [Journal Article] 2光子造形による光制御バイオチップの開発 (2007)
  • Author(s): 丸尾昭二
  • Journal Title: 化学とマイクロ・ナノシステム研究会誌 6・1 Pages: 118-122
  • NAID: 40015423664
• [Journal Article] Optically driven micropump produced by three-dimensional two-photon microfabrication (2006)
  • Author(s): S.Maruo, H.Inoue
  • Journal Title: Appl. Phys. Lett. 89・14 Pages: 144101-144101
  • NAID: 120000921279
• [Journal Article] 2光子マイクロ光造形による光駆動マイクロギアの開発 (2006)
  • Author(s): 井上宏之, 芳賀誠士, 丸尾昭二
  • Journal Title: 電気学会論文誌E 126-E・6 Pages: 216-221
  • NAID: 10017582258
• [Journal Article] マイクロ流体制御のためのMEMS技術 ~光制御バイオチップの提案・開発~ (2006)
  • Author(s): 丸尾昭二
  • Journal Title: 機械の研究 58・7 Pages: 735-741
  • NAID: 40007365250
• [Journal Article] 2光子マイクロ光造形による光駆動マイクロギアの開発 (2006)
  • Author(s): 井上宏之, 芳賀誠士, 丸尾昭二
  • Journal Title: 電気学会論文誌E 126-E・6(印刷中)(6月予定)
  • NAID: 10017582258
• [Journal Article] 光制御マイクロマニピュレーションシステムの開発 (2005)
  • Author(s): 平塚洋二郎, 丸尾昭二
  • Journal Title: 電気学会論文誌E 125-E・12 Pages: 473-478
  • NAID: 10017079095
• [Journal Article] All optically controlled micromanipulation systems (2005)
  • Author(s): S.Maruo, Y.Hiratsuka
  • Journal Title: Proc.of Micro Total Analysis Systems Pages: 1206-1208
• [Journal Article] Optically driven micropump produced by two-photon microstereolithography (2005)
  • Author(s): S.Maruo, H.Inoue
  • Journal Title: Proc.of Micro Total Analysis Systems Pages: 590-592
• [Journal Article] 光で操るマイクロ・ナノマシン (2005)
  • Author(s): 丸尾 昭二
  • Journal Title: 日本物理学会誌 60・3 Pages: 180-186
  • NAID: 110002078667
• [Journal Article] Light-drive biomedical micro-tools and biochemical IC chips fabricated by 3D micro/nano stereolithography (2005)
  • Author(s): K.Ikuta, S.Maruo, T.Hasegawa, S.Itho, H.Korogi, A.Takahashi
  • Journal Title: Proceedings of SPIE 5604(印刷中)
• [Journal Article] Laser-driven multi-degrees-of-freedom nanomanipulators produced by two-photon microstereolithography (2004)
  • Author(s): S.Maruo, K.Ikuta, M.Ogawa
  • Journal Title: Proceedings of SPIE 5662 Pages: 89-94
• [Book] ナノオプティクス・ナノフォトニクスのすべて-ナノ光技術の基礎から実用まで- (2006)
  • Author(s): 丸尾昭二(分担執筆)
  • Total Pages: 352
  • Publisher: フロンティア出版
• [Book] ナノオプティクス・ナノフォトニクス -ナノ光テクノロジーの実用化- (2006)
  • Author(s): 丸尾昭二(分担執筆)
  • Publisher: (株)フロンティア出版(印刷中)(5月予定)
• [Book] レーザーマイクロ・ナノプロセッシング (2004)
  • Author(s): 丸尾 昭二(分担執筆)
  • Total Pages: 386
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Patent(Industrial Property Rights)] マイクロポンプ (2007)
  • Inventor(s): 丸尾昭二, 井上宏之
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人横浜国立大学
  • Industrial Property Number: 2007-008572
  • Filing Date: 2007-01-17
• [Patent(Industrial Property Rights)] 流体制御素子 (2005)
  • Inventor(s): 丸尾昭二, 井上宏之
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人横浜国立大学
  • Industrial Property Number: 2005-209761
  • Filing Date: 2005-07-20
• [Patent(Industrial Property Rights)] 微小構造体の製造方法 (2004)
  • Inventor(s): 向井 剛輝, 丸尾 昭二, 八高 隆雄
  • Industrial Property Rights Holder: 横浜国立大学
  • Industrial Property Number: 2004-217825
  • Filing Date: 2004-07-26