2014 Fiscal Year Research-status Report
光電子デバイスによる局所温度制御マイクロ流体システムの構築
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26820083
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
竹内 大 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (20713374)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | マイクロヒータ / 局所加熱 / 細胞操作 / マイクロ流体デバイス / 光電子デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，細胞やモデル生物の操作，解析を行うために，光電子デバイスによる局所加を用いた新たなラボオンチップの創製を目指している．光電子デバイスは光を熱エネルギーに変換し局所的な加熱を行うことができるデバイスであり，これを流路と組み合わせることで流路内の温度を制御し，マイクロバルブや細胞等への温度刺激へと用いる．
今年度は光電子デバイスの実現を目指しアモルファスシリコンによる光電子効果の実現を目指した．しかしながら，今年度使用したアモルファスシリコンでは光電効果が十分に得られず，局所加熱を実現するに至らなかった．そのため，プローブ型の局所加熱ヒータを用いた局所加熱についても検討を行った．特に，細胞が局所加熱を行った際にダメージを負ってしまうことがないか実験により確認し，局所加熱の細胞応用への可能性を示した．
また，局所的に融解させることでマイクロ流路を作製するための材料として，ゼラチンをベースとしたハイドロゲルを検討し，ガラス基板上に作製したマイクロ電極を用いた局所融解実験や熱伝導方程式を用いた解析を行った．特にゼラチンベースの約40度で融解するハイドロゲルを作製し用いることで，マイクロチャネルを数秒で作製することに成功した．このハイドロゲル内で細胞を培養し，細胞の増殖を確認することでハイドロゲルの生体適合性についても確認した．これらの事から，ガラス基板上にアレイ状に配置した電極を用いてこのハイドロゲルを局所的に融解することで，細胞等生物試料をサンプルとして使用できる，流路形状が可変なマイクロ流路デバイスが実現できる可能性を示した．
今後は，上記アモルファスシリコンなど光電子材料を用いた光電子デバイスによる局所加熱デバイスの作製を継続すると共に，マイクロ電極等の他の手法による局所加熱及び可変マイクロ流体デバイスの実現についても検討を行っていく．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
今年度は光電子デバイスの実現を目指しアモルファスシリコンによる光電子効果の実現を目指した．しかしながら，今年度使用したアモルファスシリコンでは光電効果が十分に得られず，局所加熱を実現するに至らなかった．これは，アモルファスシリコン内の水素原子含有量が少なく，光照射により発生した電子がアモルファスシリコンのダングリングボンドにトラップされやすくなっていることが原因と考えられる．そのため，アモルファスシリコンの水素含有量の調整することで，光電効果により発生した電子をアモルファスシリコン内でより効率的に移動させることを目指す必要がある．また，アモルファスシリコンの他にポリシリコンなど他の光電子材料を用いる方法や，プローブ型の局所加熱ヒータを用いた局所加熱について検討を行っている．
局所加熱デバイスとしては，その他にもガラス基板上にマイクロ電極をパターニングし，この電極から発生するジュール熱を用いて局所加熱を行うデバイスについて検討を行っている．これまでに単純な直線形状の電極をフォトリソグラフィー技術によって作製し，この電極を用いた局所加熱によりゼラチンベースのハイドロゲルを局所的に融解させマイクロ流路を作製することに成功した．また，ハイドロゲル内でマウスの線維芽細胞を培養し，その増殖を確認することで，ハイドロゲルの生体適合性についても確認をした．
今後は，上記のような各種方法から有効なものを選択し，局所加熱デバイスによる流路形状をダイナミックに変化できるマイクロ流体デバイスの実現を目指していく．
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| Strategy for Future Research Activity |
アモルファスシリコンによる光電子効果を用いた局所加熱デバイスの実現を目指すと共に，ガラス基板上にアレイ状電極をフォトリソグラフィー技術によってパターニングし，局所加熱の実現を目指すことも検討する．また，ヘキサデカン等の固液相変化材料を固体状態に保持するためのクーリングシステムについてもペルチェ素子と空冷または水冷システムとの組み合わせにより実現することを目指す．特に，水など凝固点が低い固液相変化材料を用いる場合にはペルチェ素子の放熱側を効率的に冷却する必要が生じるため，使用する材料及び冷却システムについては合わせて検討する必要がある．
また，固液相変化材料として今年度検討してきたゼラチンベースのハイドロゲルについても継続して検討していく．特にハイドロゲルを構成する材料の割合を変化させることで，応答性及び精度よくマイクロ流路を作製できるハイドロゲルの実現を目指す．また，ガラス基板上に作製する電極の形状を検討することで，できるだけ多様な流路形状を一つのデバイスで実現できるようにする．
上記局所加熱デバイスが実現後には，細胞や線虫等生物試料を導入できるように局所加熱による可変マイクロチャネルデバイスについて検討する．この時には，ソフトリソグラフィー技術により作製したシリコン樹脂によるマイクロ流路と局所加熱デバイスを組み合わせる他，上記のハイドロゲルのみによるマイクロ流路の実現についても検討を行っていく．
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| Causes of Carryover |
本年度はアモルファスシリコンを用いた光電子デバイスの作製について計画に遅れが生じており，デバイスの作製後に行う予定であったクーリングシステム等の作製について実施することができなかったため，必要額が当初の使用予定額を下回った．
来年度は本年度行うことができなかったクーリングシステムの構築やマイクロ流体デバイス作製のためのフォトレジスト等の消耗品等で当初予定していた使用額よりも必要な物品購入費が増えると予想されるため，次年度使用額が生じた．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度実施できなかったクーリングシステム作製のためのペルチェ素子や空冷，水冷システム構築に必要なデバイスの購入，また，マイクロ流体デバイス作製のために必要となるフォトレジスト等の消耗品の購入に使用する．また，細胞など生物試料の購入，及びそれらの維持のっための培養液や試薬など消耗品の購入に使用する予定である．
研究成果を公表するための学会参加費，旅費，及び学術雑誌への掲載費への使用も計画している．
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Research Products
(6 results)
