膜マイクロマシンニング
自然界の生物のマイクロスケールの構造は、その特徴的な大きさに比べて比較的薄い膜でできています。この基本的な特性により、生命は化学的・物理的な観点から非常に適応性の高いシステムとなっています。また、膜の厚さが小さいため、生体とその周囲の環境との間の熱や物質の輸送が促進され、生体に柔らかさを与え、環境に適応するための受動的・能動的な形態変化を可能にします。
このような生体微細構造の特性は、新しいタイプのマイクロデバイスの開発を大いに後押ししてくれるはずです。当研究室では、このような生体膜マイクロデバイスの3次元微細加工技術とそのバイオ・メディカル分野への応用を研究しています。
膜を用いたマイクロデバイスの主な応用例としては、低侵襲手術用具が挙げられます。我々は、圧力駆動型マイクロアクティブカテーテルとその作製プロセスを開発しました。このカテーテルは、「メンブレンマイクロエンボスフォローエキシマレーザーアブレーション（MeME-X）プロセス」を用いて作製されました。
このカテーテルは、先端に高分子薄膜からなる片側中空ベローズを有しています。ベローズは、折り畳まれたマイクロチャンバーと、マイクロチャンバーをつなぐマイクロチャネルで構成されています。注射器で内圧を上げると、折りたたまれたマイクロチャンバーが片側に膨らみ、ベローズ全体が0～180°の範囲で一方向に曲がります。このマイクロアクティブカテーテルは、狭くて複雑な血管の安全な血管内手術に役立つと期待されます。また、このカテーテルの非電気的な作動機構は、ソフトマイクロボットに広く応用することができます。
- M. Ikeuchi and K. Ikuta, "Development of pressure-driven micro active catheter using membrane micro emboss following excimer laser ablation (MeME-X) process," 2009 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2009, pp. 4469-4472, doi: 10.1109/ROBOT.2009.5152869.
相分離支援エレクトロスプレーによるマイクロポーラス3Dプリンティング
エレクトロスピニングでは、ポリマー溶液の粘度が製品の形態に影響を与えます。ポリマー溶液の粘度を下げると、ナノファイバーが徐々に微粒子化され、十分に低い粘度では微粒子が形成されます（エレクトロスプレーと呼ばれるプロセス）。我々は、高湿度環境下でエレクトロスプレー法により生成されたナノファイバーとマイクロ粒子の中間的な形態である「ナノメッシュマイクロカプセル」を発見しました[1]。
ナノメッシュマイクロカプセルは、ナノファイバーとマイクロパーティクルの両方の特徴を有しています。つまり、マイクロカプセルの表面はナノファイバーで構成されており、同時に粒子として扱うことができます。ここでは、ナノメッシュマイクロカプセルの集束に静電レンズを用いた新しい方法を紹介します。ターゲット電極を移動させることで、マイクロカプセルの形成と任意形状のパターニングをワンステップで実現することができます。
- 組織工学用ポリ乳酸ナノファイバマイクロカプセルのエレクトロスプレーデポジションとダイレクトパターニング. Biomed Microdevices 14, 35-43 (2012). https://doi.org/10.1007/s10544-011-9583-x
犠牲成形を用いたマイクロ流路の作製
我々は、ポリジメチルシロキサン（PDMS）の透湿性を利用して、PDMS薄膜内部にマイクロ流路を作製する新しい方法を開発しました。
本手法では、まず、砂糖を加熱して調製したキャラメルをマイクロノズルを用いてPDMS薄膜に直接塗布します。次に、PDMS内に封入されたキャラメルを水蒸気で溶出させてマイクロ流路を作製します。
既存の方法であるソフトリソグラフィーと比較して、特別な装置を必要とせず、作製工程もシンプルで短時間で行えます。さらに、断面が円形のマイクロ流路の作製にも応用が可能です。また、本手法は生体適合性に優れており、バイオテクノロジーや医療分野への応用が可能です。本手法を用いて、最小直径1μmの円形断面直線流路、最小幅8μmの2次元形状流路、立体交差流路を作製することができました。
- Y. Koyata, M. Ikeuchi and K. Ikuta, "Sealless 3-D microfluidic channel fabrication by sacrificial caramel template direct-patterning," 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2013, pp. 311-314, doi: 10.1109/MEMSYS.2013.6474240.