"Lab on a Chip" is a burgeoning field with important applications in chemistry, biology, medicine and other life sciences. Lab-on-a-chip devices offer the ability to perform laboratory operations on a small scale with significant lower reagent consumptions, quicker times, and better process controls. They also hold the possibility of massive parallelization and thereby the promise of integrating an entire laboratory onto a single chip. However, due to the high surface area-to-volume ratio in chip-based microfluidic devices especially in highly miniaturized and integrated systems, control of surface properties in lab-on-a-chip devices is an indispensable prerequisite for successful applications.

In this dissertation, from the angle of surface engineering, two critical problems in bio-related lab-on-a-chip devices are resolved. They are the control of bioadsorptions and the control of microfluidic flow. These two controls are usually very difficult to realize simultaneously, especially in an electrokinetic controlled lab-on-a-chip device, where surface charge is unfavorable to decrease bioadsorptions. These two controls were achieved by taking advantage of simple surface modifications based on three kinds of newly designed phospholipid polymers. They are, as presented in this dissertation, PMBSSi (an anionic phospholipid polymer), PMSi (a neutral phospholipid polymer) and PMBASi (a cationic phospholipid polymer). Main achievements of this dissertation are as followings.

Three kinds of phospholipid polymers (PMBSSi, PMSi and PMBASi) having different charge units (anionic, non- and cationic) and silane coupling units were designed with a view to be applied to the surface modification of EOF controlled silica-based Lab-on-a-chip devices. These polymers were easily synthesized by conventional radical polymerization techniques.

Permanent and homogenous charged/noncharged phospholipid polymer (PMBSSi, PMSi and PMBASi) interfaces were successfully constructed on silica-based substrates with simple one-step dip coating processes. Their interfacial properties were proved advantageous for lab-on-a-chip devices by systematically characterizations in combination of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), static contact angle (SCA), dynamic contact angle (DCA), and atomic force microscopy(AFM) techniques. The ζ-potential on the quartz surface can be modulated in a wide range from ?24.2 ± 2.5 mV to 26.1 ± 0.6 mV at neutral pH after these interfaces were constructed.

Behaviors of protein adsorptions on the charged/noncharged phospholipid polymer (PMBSSi, PMSi and PMBASi) interfaces were investigated qualitatively and quantitatively both in chip and on substrate by using tools of fluorescence microscopy, AFM and microBCA protocol. The excellent protein-adsorption resistance (control) was validated. Proteins with various electrical (acidic and cationic) natures hardly adsorb on all three kind of interfaces (independent of protein's pI value), although PMBSSi and PMBASi interfaces are charged. Further, high cell adhesion-resistances were demonstrated on all three kinds of phospholipid polymer interfaces, which broaden the application of these biointerfaces to those cell-related lab-on-a-chip devices.

The electroosmotic flow (EOF) generated from the phospholipid polymer interface is significant and stable, and is only slightly influenced by the change in pH. The EOF on the interface can be easily regulated by adjusting the concentration of polymer solution for modification. Since this control is dependent on surface differences rather than the change in the buffer composition, it would be more suited for miniaturized systems for biological applications requiring neutral buffer conditions. The consequent variation in the EOF mobility resulted from protein adsorption was also suppressed. Therefore, to facilitate easy EOF control with compatibility to biomolecules delivered in the lab-on-a-chip devices, these phospholipid polymer interfaces could be a promising option.

As perspective, the research of this dissertation could provide a feasible approach to simultaneous control of multiple electroosmotic flows and simultaneously suppress non-specific bioadsorptions in lab-on-a-chip systems, which would significantly contribute to control of chemical reactions, biomolecule analysis and cell interrogation on chip.

マイクロ流路を組み込んだチップは、試薬の消費量の抑制、反応時間の短縮および良好な反応プロセスの制御と多くの利点を有する点で、有機合成反応、バイオ分子の検出などに利用が期待されている。しかしながら、表面積と体積との比率が相対的に大きくなるために、反応種が表面に吸着したり活性化したりすることが、問題として残されている。したがって、マイクロ流路の表面特性を制御することは、極めて重要である。特に、最近注目されているバイオ領域で利用するマイクロ流路チップにおいては、バイオ分子や細胞など生体関連成分とマテリアル表面との相互作用がチップ全体の性能に影響するため、表面の構築法の開拓は強く求められている。本論文では、バイオチップにおける生体関連成分の吸着抑制と輸送特性の制御を目指した表面電位の制御を、表面処理に利用するポリマーマテリアルの創製と関連させて研究している。

本論文は6章から構成されている。

第1章では、細胞膜類似表面の創製により、生体関連成分の吸着抑制と、表面電位を制御することについて、その研究背景と概念を述べ、電荷を有するリン脂質ポリマーの分子設計論をまとめ、本研究の意義を述べている。

第2章では、側鎖にホスホリルコリン基を有する2?メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン(MPC)を一成分とし、マイクロ流路チップの基材であるシリカに対して共有結合により安定に被覆できるシランカップリング基と正荷電あるいは負荷電を有する官能基を担持したポリマーを設計し、これのラジカル共重合反応による合成と、分子構造の解析について述べている。

第3章では、MPCポリマーを利用して、シリカ基板の表面処理を行い、その表面特性と電気的特性について議論している。シリカ基板はMPCポリマー溶液からの一段階操作により、均一で安定な表面処理がなされること、表面の親水性が維持できることを、X線光電子分光、静的および動的接触角測定、原子間力顕微鏡観察を駆使して解析している。その結果、負荷電から正荷電へとMPCポリマーを系統的に変化させることで、表面電位を-24.2mVから26.1mVまで幅広く変化させることに成功している。

第4章では、荷電を有するMPCポリマーで基材を修飾し、タンパク質吸着と細胞粘着を抑制するバイオ界面のマイクロ流路内への構築について議論している。タンパク質吸着量は、タンパク質の等電点にかかわらず、MPCポリマーのよる表面処理により、ポリマー中の荷電の有無にかかわらず未処理のシリカ基板に比較して有意に低下することを明らかにしている。このことは、タンパク質の電荷と表面電荷との間には明確な引力が存在しないことを示しており、すなわち、生体環境では静電的相互作用がほとんど寄与しないことを見いだしている。さらに、細胞の粘着についても同様に抑制されることを見いだし、MPCポリマーによる処理がバイオ界面を創製することに有効であると結論している。

第5章では、マイクロ流体を移動させるために利用する電気浸透流について検討し、その制御についてMPCポリマーの構造との関連を議論している。MPCポリマーによる表面処理は媒体のpHの影響をほとんど受けずに、安定な電気浸透流を誘起することを見いだした。また、表面修飾の際のMPCポリマーの濃度により、容易に電気浸透流速度を変化させることができることを示した。これにより、MPCポリマーで修飾することによりマイクロ流路内での細胞の粘着を阻止でき、また移動速度と方向を電気浸透流により制御できることを明らかにした。以上のように、バイオチップにおいて重要となる2つの特性を有するマイクロ流路表面の作成に成功している。

第6章は総括である。

本研究は、微細加工技術により作成されるマイクロ流路チップをバイオ分野に適用し、生体関連成分の分析を行うために重要な表面での非特異的な反応と輸送を制御するための表面処理ポリマーの分子設計と表面処理法に関連するものであり、ポリマーの荷電状態により幅広い特性を発現できることを示している。これは、バイオチップなど、マテリアル工学を基盤としたマイクロ分析デバイスの開発に大きな福音をもたらし、効率的なバイオ分析や有用バイオ分子探索など、医学、薬学の分野に対しても多大な貢献をするものである。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認める。