JP2007014936A - 微小構造体の製造方法およびマイクロリアクター - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の形状を有し、かつサイズのバラツキが小さい微小構造体を、歩留まり良く、かつ、簡便安価に形成する方法を提供することを提供すること。
【解決手段】 本発明の微小構造体の製造方法は、
第１の流路に第１の液体を供給する工程と；該第１の流路を包囲するように形成された第２の流路に第２の液体を供給する工程と；該第１の流路と該第２の流路とが合流する地点で該第１の液体と該第２の液体とを接触させる工程とを含み、該第１の液体および該第２の液体を層流状態で接触させる。
【選択図】 なし

Description

本発明は、微小構造体の製造方法およびマイクロリアクターに関する。より詳細には、本発明は、所望の形状を有し、かつサイズのバラツキが小さい微小構造体を、歩留まり良く、かつ、簡便安価に製造する方法、および、そのような微小構造体を容易に製造することが可能なマイクロリアクターに関する。

微小構造体（例えば、ナノメートルまたはマイクロメートルの径を有するファイバー）は、比表面積が非常に大きい。このような微小構造体は、固体でありながら気体または液体との界面が非常に大きくなる。その結果、微小構造体は、表面特性が全体の特性に与える影響の度合いが非常に大きい。また例えば、ナノメートルサイズの径を有するファイバーは、その径が光の波長よりも小さくなること、導体の平均自由工程よりも小さくなること、磁性体の磁区よりも小さくなること等に起因して、同じ物質のバルク状態とは全く異なる電子的、光学的、電気的、磁気的および機械的特性を発揮する（量子サイズ効果）（非特許文献１参照）。

従来、ファイバーの製造方法としては、溶融紡糸法、湿式紡糸法、界面重合法等が知られている。しかし、このような従来技術では、ナノメートルサイズの径を有するファイバーを安定的に製造することは実質的に不可能である。

特に、ナノメートルサイズ〜マイクロメートルサイズのファイバーを製造しようとする場合、非常に高価で大型の装置が必要となる。しかも、そのような装置を用いても、歩留まりが非常に悪い。加えて、得られるファイバーの径の分布が非常に大きく、また、所望の形状（例えば、楕円形、星形、中空のような断面形状）を有するファイバーを製造することは実質的に不可能である。

一方、微小構造体の別の代表例である微粒子を形成する方法として液相法が知られている。液相法としては、共沈法、ゾル−ゲル法、噴射熱分解法（液滴−粒子転換プロセス）等が知られている。共沈法、ゾル−ゲル法は、製造工程が煩雑であるという問題を有する。噴射熱分解法は、比較的装置が単純で、ワンステップでの製造が可能であるという点で注目を集めている。しかし、これらの方法はいずれも、非常に微小な（例えば、ナノサイズの）微粒子を形成することは実質的に困難である。
「ナノ粒子の製造・評価・応用・機器の最新技術」、小泉光恵ら編集、シー・エム・シー出版発行 特開２００４−１９５４３３号公報

本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、所望の形状を有し、かつサイズのバラツキが小さい微小構造体を、歩留まり良く、かつ、簡便安価に形成する方法を提供することにある。

本発明の微小構造体の製造方法は、第１の流路に第１の液体を供給する工程と；該第１の流路を包囲するように形成された第２の流路に第２の液体を供給する工程と；該第１の流路と該第２の流路とが合流する地点で該第１の液体と該第２の液体とを接触させる工程とを含み、該第１の液体および該第２の液体を層流状態で接触させる。

好ましい実施形態においては、上記層流のレイノルズ数は０．１〜２００である。

好ましい実施形態においては、上記第１の液体の流量は、上記第２の液体の流量より小さい。

好ましい実施形態においては、上記製造方法は、上記第１の液体および第２の液体を接触させた後、触媒に接触させる工程をさらに含む。

好ましい実施形態においては、上記製造方法は、上記第１の液体および第２の液体を接触させて、形状保持物質で形状保持された中間体を形成した後、微小構造体を形成し、該微小構造体から該形状保持物質を除去する工程をさらに含む。

好ましい実施形態においては、上記第１の液体は連続的に供給される。別の実施形態においては、上記第１の液体は脈動的に供給される。

好ましい実施形態においては、上記第１の流路は、直径１〜１０００μｍの実質的に円形の断面形状を有する。別の実施形態においては、上記第１の流路は、楕円形、多角形、十字形または星形の断面形状を有する。

好ましい実施形態においては、上記第１の液体はアルギン酸水溶液とテトラエトキシシランとの混合液であり、上記第２の液体は塩化カルシウム水溶液である。

好ましい実施形態においては、上記製造方法は、微粒子、ロッドまたはファイバーを形成する。

本発明の別の局面においては、マイクロリアクターが提供される。本発明のマイクロリアクターは、第１の液体が供給される第１の流路と、第２の液体が供給される第２の流路と、該第１の流路と該第２の流路が３次元的に合流して形成される合流流路を備え、該第１の流路における出口を端部とする少なくとも一部が該第２の流路に包囲されてなる。

好ましい実施形態においては、本発明のマイクロリアクターは、上記第２の流路への第２の液体の供給口を複数個備える。

好ましい実施形態においては、本発明のマイクロリアクターは、上記第１の流路の出口の内径が０．０５〜０．８ｍｍである。

好ましい実施形態においては、本発明のマイクロリアクターは、上記第２の流路における、上記第１の流路の出口を含む断面の内径が、（上記第１の流路の出口の内径＋０．２）ｍｍ以上、（上記第１の流路の出口の内径＋１．６）ｍｍ以下である。

好ましい実施形態においては、本発明のマイクロリアクターは、上記第１の流路に、上記第１の液体を脈動的に流すためのパルス発生手段が備えられている。

好ましい実施形態においては、上記パルス発生手段は、上記第１の流路の一部をダイアフラム部として該ダイアフラム部をアクチュエーターで振動させる。

好ましい実施形態においては、本発明のマイクロリアクターは、上記第１の流路中における第１の液体の流量と上記第２の流路中における第２の液体の流量を可変するための流量制御手段を備える。

本発明によれば、マイクロリアクターを用いて反応液を層流状態で接触させることにより、以下のような利点が得られる：（１）液−液界面での反応となるので、材料選択の自由度が大きく、かつ、安全である；（２）微小空間において非常に安定で精密な反応が実現されるので、得られる微小構造体の均一性にきわめて優れる；（３）流路および反応液の供給形態を変えることにより、所望の形状の微小構造体を形成することが可能である；（４）流量を制御するだけで得られる微小構造体のサイズを変えることが可能である；および（５）歩留まり良く、低コストで効率良く微小構造体を製造することが可能である。本発明で得られる微小構造体としては、例えば、ナノ・マイクロサイズのマイクロファイバー、マイクロ構造体（繊維（ファイバー）、中空繊維、粒子、異形粒子、マイクロロット、各種形状マイクロカプセルなど）などが挙げられる。

以下、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれらの実施形態には限定されない。なお、本発明において、流路の「内径」とは、流路方向から見た断面形状が実質的に円形の場合にはその内部の直径を、流路方向から見た断面形状が円形以外の場合には内部の径に対応する長さを意味するものとする。例えば、断面形状が実質的に正方形の場合には、その内部の対角線の長さを意味するものとする。

図１（ａ）は、本発明の好ましい実施形態による製造方法に好ましく用いることができる装置（マイクロリアクター）１００の流路方向に沿った概略断面図であり、図１（ｂ）は、そのＢ−Ｂ線による（すなわち、流路方向から見た）断面図である。図２は装置１００を上方から見た概略図であり、図３は装置１００の斜視図である。この装置１００は、第１の流路１０と、第１の流路を包囲するように設けられた第２の流路２０と、第１の流路１０および第２の流路２０が合流して形成される合流流路３０とを有する。第１の流路１０と第２の流路２０とは、合流点（すなわち、合流流路の上流端部）３１の上流側（図示例では右側）においては、隔壁４０によって仕切られている。装置１００は、第１の流路１０への供給口１０１、第２の流路２０への供給口１０２、１０２´を備える。供給口１０１、１０２、１０２´の形状および位置は、目的に応じて適宜設計され得る。例えば、図１〜３に示すように、供給口１０１、１０２、１０２´が全て上方に位置する場合であってもよいし、図４（装置１００を上方から見た概略図）に示すように、供給口１０１、１０２、１０２´が全て側面に位置する場合であってもよい。それぞれの流路１０、２０および３０の形状は、目的に応じて適宜設計され得る。例えば、図１〜３に示すような実施形態においては、第１の流路１０の流路方向に沿った断面は実質的に直線状であり、第２の流路２０の流路方向に沿った断面はテーパー状であり、合流流路３０の流路方向に沿った断面は実質的に直線状である。別の実施形態においては、第１の流路１０の流路方向に沿った断面は実質的にテーパー状であり、かつ、第２の流路のテーパーよりも小さいテーパーであり得る。また、例えば、図４に示すように、供給口１０１から第１の流路１０へ向かう流路や、供給口１０２（１０２´）から第２の流路２０へ向かう流路が、流路方向に沿って障害となる突起部や角部などを有さない形状であることも、気泡等の混入を避ける点で好ましい形態の１つである。

１つの実施形態においては、この装置の流路の全長Ｌは、約３０ｍｍ〜約６０ｍｍである。１つの実施形態においては、第１の流路の径（流路方向から見た断面形状が実質的に円形の場合）または径に対応するサイズ（流路方向から見た断面形状が異形の場合）は、１μｍ〜１０００μｍである。

本発明のマイクロリアクターは、好ましい実施形態として、図１〜４の装置１００に示すように、第１の液体が供給される第１の流路１０と、第２の液体が供給される第２の流路２０と、該第１の流路と該第２の流路が３次元的に合流して形成される合流流路３０を備え、該第１の流路１０における出口を端部とする少なくとも一部が該第２の流路２０に包囲されてなる。

本発明のマイクロリアクターは、図１〜４の装置１００に示すように、第２の流路２０への第２の液体の供給口を複数個備える（図１〜４においては１０２と１０２´）ことが好ましい。より好ましくは２〜５個、さらに好ましくは２〜３個である。このような構造とすることで、第２の流路２０中における気泡の発生等を防止することが可能となるとともに、十分な層流を実現することが可能となる。

本発明のマイクロリアクターは、第１の流路１０の出口の内径が０．０５〜０．８ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．１〜０．８ｍｍ、さらに好ましくは０．２〜０．７ｍｍ、特に好ましくは０．２〜０．６ｍｍ、最も好ましくは０．３〜０．５ｍｍである。第１の流路１０の出口の内径が上記範囲にあることによって、第１の液体と第２の液体とが、層流状態で３次元的に合流でき、所望の微小構造体を得ることが可能となる。

本発明のマイクロリアクターは、第２の流路における、第１の流路の出口を含む断面の内径が、（第１の流路の出口の内径＋０．２）ｍｍ以上、（第１の流路の出口の内径＋１．６）ｍｍ以下である、ことが好ましく、より好ましくは、（第１の流路の出口の内径＋０．２）ｍｍ以上、（第１の流路の出口の内径＋１．３）ｍｍ以下、さらに好ましくは、（第１の流路の出口の内径＋０．３）ｍｍ以上、（前記第１の流路の出口の内径＋１．０）ｍｍ以下である。第２の流路における、第１の流路の出口を含む断面の内径が上記範囲にあることによって、第１の液体と第２の液体とが、層流状態で３次元的に合流でき、所望の微小構造体を得ることが可能となる。

本発明のマイクロリアクターは、例えば、図５に示すように、第１の流路１０に、第１の液体を脈動的に流すためのパルス発生手段５０が備えられていてもよい。パルス発生手段５０の位置は、第１の流路１０の途中であればどこでもよく、目的に応じて適宜設計され得る。パルス状の圧力をかけるタイミングと時間とを制御することにより、得られる微小構造体の長さや形を任意に調整することが可能になる。パルスの長さが短い場合には、微小構造体の長さが短くなり、ロットや微粒子などのマイクロ構造体の製造が可能となる。より好ましい実施形態においては、パルス発生手段５０は、第１の流路１０の一部をダイアフラム部として該ダイアフラム部をアクチュエーターで振動させる。例えば、図６に示すように、第１の流路１０の一部に形成したダイアフラム部６０をアクチュエーター７０で振動させる。振動数は、好ましくは１〜３０Ｈｚである。アクチュエーター７０としては、例えば、株式会社タウザー研究所製のリニアアクチュエーター（ＰＭＮＡ−１００５Ｓ）が挙げられる。ダイアフラム部の薄肉部厚みは、好ましくは０．０５〜０．５０ｍｍ、より好ましくは０．０７〜０．４０ｍｍ、さらに好ましくは０．１０〜０．３０ｍｍである。後述する光造形法によれば、図６に示すような構造のマイクロリアクターを容易に作製することができる。

本発明のマイクロリアクターは、第１の流路１０中における第１の液体の流量と第２の流路２０中における第２の液体の流量を可変するための流量制御手段を備えていてもよい。流量制御手段は、好ましくは、出口側よりも供給口側に近いところ（上流側）に備える。流量制御手段としては、例えば、シリンジポンプ、ギアポンプなどが挙げられ、好ましくはシリンジポンプである。流量制御手段を備えることにより、第１の流路１０中における第１の液体の流量と第２の流路２０中における第２の液体の流量を可変できるため、得られる微小構造体の径を任意に制御することができ、また、微小構造体の種類によっては、硬化具合、硬化肉厚、中空断面などを任意に制御することができる。

本発明のマイクロリアクターは、どのような方法で作製しても良いが、容易且つ正確に作製できる等の点で、光造形法により作製することが好ましい。光造形法とは、３次元ＣＡＤデータで設計された立体像を２次元のスライスデータに変換し、このデータに基づいて、レーザーで一層ずつ光硬化性樹脂を硬化させていき、３次元に積層造形していく方法である。より具体的には、３次元ＣＡＤデータで設計された立体像を、幾層もの薄い断面体にスライスして２次元のスライスデータに変換し、この２次元のスライスデータに基づいてレーザーがタンク内の光硬化性樹脂の表面を走査して断面形状を描いていく。レーザーが当たった部分は硬化し、エレベーター上に一層分の断面体が形成される。その後、エレベーターが一層分ずつ下降して、連続的に幾層もの薄い断面体を積層し、３次元に積層造形していく。最後にエレベーターを引き上げることで、３次元に積層造形されたモデルを取り出し、後処理を施して完成させる。光造形法に用いることができる光造形装置としては、例えば、株式会社ディーメック製の光造形装置（例えば、ＳＣＳ−１０００ＨＤなど）が挙げられる。光造形法に用いることができる光硬化性樹脂としては、例えば、株式会社ディーメック製の光硬化性樹脂（例えば、オキセタン系のＳＣＲ９５０など）が挙げられる。レーザーとしては、例えば、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（ピーク波長＝３２５ｎｍ）が挙げられる。レーザーのスポットサイズは、例えば、φ１０〜１００μｍが好ましく、φ３０〜７０μｍがより好ましい。硬化させて得られる樹脂一層分の厚みは、例えば、１０〜５０μｍが好ましく、２０〜４０μｍがより好ましい。

本発明の好ましい実施形態による製造方法は、上記第１の流路１０に第１の液体を供給する工程と；上記第２の流路２０に第２の液体を供給する工程と；該第１の流路と該第２の流路の合流点３１で該第１の液体と該第２の液体とを接触させる工程とを含む。本発明においては、上記のような装置を用いることにより、第１の液体および第２の液体はその合流点３１および合流流路３０で層流を形成する。すなわち、本発明においては、第１の液体および第２の液体は、層流状態で接触する。第１の液体および第２の液体は、目的に応じて適宜選択され得る（第１の液体および第２の液体の代表例の詳細については後述する）。第１の液体および第２の液体を層流状態で接触させることにより、液−液界面での非常に安定な反応が可能となる。その結果、例えば第１の液体を連続的に供給する場合には、非常に安定な直線状の反応固化が実現され、非常に微小な径を有し、かつ径のばらつきがきわめて小さいファイバーが安定的に形成され得る。

本発明においては、第１の液体および第２の液体を層流状態で接触させるので、層流の界面における物質の移動・拡散を利用でき、界面において、「溶解から凝固」、「イオン交換」、「重縮合」などの化学反応を起こすことが可能となる。また、本発明においては第１の流路と該第２の流路を３次元的に合流させることで第１の液体および第２の液体を層流状態で接触させるので、比界面積が特に大きい３次元液−液界面を安定的に生成することができ、界面に沿った断面形状を有する微小構造体を流路進行方向に安定的に生成させることができる。

上記層流のレイノルズ数は好ましくは０．１〜２００であり、さらに好ましくは０．５〜５０であり、特に好ましくは１〜２０であり、最も好ましくは１〜８である。このような非常に小さいレイノルズ数であれば、第１の液体と第２の液体の流量比を調整することにより、第１の液体の合流後の液幅を制御することができる。その結果、所望のサイズを有する微小構造体を非常に正確に得ることができる。このような非常に小さいレイノルズ数を有する層流状態における液−液反応を実現したことが本発明の大きな成果の１つである。また、レイノルズ数を上記範囲に制御することにより、マイクロリアクター内の第１の液体または第２の液体の流速を上昇させても、層流状態に乱れが生じ難く、３次元液−液界面に沿った断面形状を有する微小構造体を流路進行方向に安定的に生成させることができる。

好ましくは、上記第１の液体の流量は、上記第２の液体の流量より小さい。第１の液体の流量を第２の液体の流量よりも小さくすることにより、微小構造体の非常に安定した形成が可能となる。例えばファイバーを形成する場合には、非常に小さい径を有し、かつ、径のばらつきがないファイバーを得ることができる。さらに、第２の液体の流量を大きくすることにより、合流流路３０における生成微小構造体に起因する摩擦や閉塞を防止することができる。具体的には、第１の液体の流量は、好ましくは０．０５〜１μｌ／秒であり、第２の液体の流量は、好ましくは０．２〜４０μｌ／秒である。第１の液体と第２の液体の流量比は、好ましくは１：５０〜１：４００である。

本発明においては、上記第１の液体が供給される流路（図１の第１の流路１０）の形状および上記第１の液体の供給方法を変化させることにより、任意の適切な形状およびサイズの微小構造体を得ることができる。１つの実施形態においては、上記第１の流路１０は、直径１〜１０００μｍの実質的に円形の断面形状を有する。別の実施形態においては、上記第１の流路１０は、楕円形、多角形、十字形または星形の断面形状を有する。さらに別の実施形態においては、上記第１の流路１０は、多層構造（例えば、上層と下層の２層構造、上層と中間層と下層の３層構造）や多重構造（例えば、図７の断面図に示すような内側流路と外側流路との２重構造、内側流路と中間流路と外側流路との３重構造）を有していてもよい。１つの実施形態においては、上記第１の液体は連続的に（すなわち、実質的に整流で）供給される。別の実施形態においては、上記第１の液体は脈動的に供給される。例えば、第１の流路１０として実質的に円形の断面形状を有する流路を用い、上記第１の液体を連続的に供給すると、図８（ａ）に示すようなファイバーが得られる。また例えば、第１の流路１０として四角形の断面形状を有する流路を用い、上記第１の液体を連続的に供給すると、図８（ｂ）に示すようなファイバーが得られる。第１の流路形状を平坦な形状とすることにより、非常に薄い平坦なファイバーが得られる（図示せず）。例えば、第１の流路１０として実質的に円形の断面形状を有する流路を用い、上記第１の液体を脈動的に供給すると、図８（ｃ）に示すような微粒子が得られる。第１の液体の流路形状を変化させることにより、図８（ｄ）に示すような微粒子が得られる。脈動のパルス形状を変化させることにより、図８（ｅ）に示すようなロッドやいわゆる串団子状の微小構造体が得られる。また、反応液（第１の液体および第２の液体）の種類を適切に選択することにより、第１の液体を連続的に供給する場合であっても、微粒子が得られ得る。

本発明においては、反応液（第１の液体および第２の液体）の種類を適切に選択し、および／または、第１の液体および第２の液体の流速を適切に選択し（リアクター内での接触時間を適切に選択）、および／または、適切な化学処理や表面処理を行うことにより、中空の微小構造体や多孔質の微小構造体を得ることができる。

本発明における第１の液体と第２の液体の組み合わせ例（いずれが第１の液体でいずれが第２の液体かは問わない）としては、例えば、ポリ−Ｌ−乳酸溶液とイオン交換水、テトラエトキシシラン透明重合溶液とアンモニア水、などが挙げられる。

本発明においては、第１の液体中に予め他の物質を含有させておくことにより、得られる微小構造体中に他の物質を封入してなるマイクロ構造体を得ることができる。第１の液体と他の物質との組み合わせとしては、例えば、アルギン酸水溶液と顔料、アルギン酸水溶液と微生物、などが挙げられる。

本発明の製造方法の一例として、上記第１の液体としてアルギン酸水溶液（実用的には、アルギン酸ナトリウム水溶液）とテトラエトキシシランとの混合液を用い、上記第２の液体として塩化カルシウム水溶液を用いる場合について説明する。第１の流路１０に上記混合液を連続的に供給し、第２の流路２０に塩化カルシウム水溶液を連続的に供給する。合流点３１で上記混合液と塩化カルシウム水溶液が接触すると、アルギン酸が塩化カルシウムのカルシウムイオンによって部分的にイオン架橋される。その結果、水に不溶性の（ゼリー状の）アルギン酸カルシウムが形成される。ここで、上記のように、混合液（アルギン酸）と塩化カルシウム水溶液は層流状態で接触するので、アルギン酸と塩化カルシウム水溶液とは実質的に混合されることなく、液−液界面でのみ反応する。その結果、上記混合液と塩化カルシウム水溶液との界面にアルギン酸カルシウムのゲル状膜が形成される。言い換えれば、ゲル状膜で構成された中空ファイバー状の外郭とその内部に含有された液体状のテトラエトキシシランとを有する、いわゆる芯鞘構造のファイバー状中間体が形成される。このアルギン酸カルシウムのゲル状膜が、形成される微小構造体の形状保持機能を有する。また、ゲル状膜内部のテトラエトキシシランは、ＳｉＯ_２の前駆体として機能する。なお、このような形状保持物質（ここでは、アルギン酸カルシウム）による中間体自体が、微小構造体であり得る。

好ましくは、上記ファイバー状中間体を触媒（例えば、ＮａＯＨ、ＮＨ_４ＯＨ、塩酸）に接触させる。その結果、下記のような加水分解と脱水縮合反応が起こり、テトラエトキシシランからＳｉＯ_２が生成する。上記アルギン酸カルシウムのゲル状膜を形成する場合には、得られるＳｉＯ_２は微粒子となる。より具体的には、ＳｉＯ_２微粒子がアルギン酸カルシウムのゲル状中空ファイバーに内包された状態で得られる。一方、テトラエトキシシランと触媒を直接接触させることにより、非常に小さい径を有し、かつ、径のばらつきがないＳｉＯ_２ファイバーが得られ得る。
Ｓｉ（Ｃ_２Ｈ_５Ｏ）_４ ＋ ４Ｈ_２Ｏ → Ｓｉ（ＯＨ）_４ + ４Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ
Ｓｉ（ＯＨ）_４ → ＳｉＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ

必要に応じて、得られたＳｉＯ_２ファイバーからアルギン酸カルシウムのゲル状膜を除去する。アルギン酸カルシウムのゲル状膜の除去は、例えば飽和食塩水で洗浄することにより行われる。また、アルギン酸ナトリウム水溶液の濃度を変化させることにより、アルギン酸ナトリウム水溶液とテトラエトキシシランとの混合比率を変化させることにより、あるいは、アルギン酸カルシウムの除去の際に任意の適切な処理を行うことにより、所望の表面特性を有する微粒子（例えば、表面が平滑な微粒子、表面に凹凸構造を有する微粒子、または多孔質の微粒子）を得ることができる。

以上のようにして、ＳｉＯ_２微粒子が得られる。アルギン酸水溶液とテトラエトキシシランとの混合液の供給形態や流路形状を変更することにより、ＳｉＯ_２の異形微粒子やロッドが得られることはいうまでもない。

以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図１〜３に示すマイクロリアクターについて、光造形装置（株式会社ディーメック製、商品名：ＳＣＳ−１０００ＨＤ）を用い、３次元ＣＡＤデータで設計された立体像を、幾層もの薄い断面体にスライスして２次元のスライスデータに変換した。タンク内に光硬化性樹脂（株式会社ディーメック製、商品名：ＳＣＲ９５０）とエレベーターを入れ、この２次元のスライスデータに基づいてレーザー（Ｈｅ−Ｃｄレーザー、ピーク波長＝３２５ｎｍ）をタンク内の光硬化性樹脂の表面に走査させ、断面形状を描いていった。レーザーのスポットサイズはφ５０μｍであった。レーザーが当たった部分は硬化し、エレベーター上に一層分の断面体（樹脂一層分の厚み＝３０μｍ）が形成された。その後、エレベーターが一層分ずつ下降して、連続的に幾層もの薄い断面体を積層し、３次元に積層造形していった。最後にエレベーターを引き上げることで、３次元に積層造形されたモデルを取り出し、後処理を施して、図１〜３に示すマイクロリアクターを完成させた。

３．５重量％アルギン酸ナトリウム水溶液１０ｍｌとテトラエトキシシラン（純度９５％）２ｍｌをビーカー中でスタラーを用いて十分に攪拌し、混合液を調製した。一方、塩化カルシウム粒子０．５ｇを水９９．５ｇに溶解し、０．５重量％の塩化カルシウム溶液を調製した。実施例１で作製したマイクロリアクターを用い、第１の流路（内側流路）に上記混合液を流し、第２の流路（外側流路）に上記塩化カルシウム溶液を流した。混合液および塩化カルシウム溶液のいずれも、シリンジポンプを用いて連続的に流した。混合液の流量は０．４５μｌ／秒であり、塩化カルシウム溶液の流量は２９．１μｌ／秒であり、流量比は１：６４であった。リアクターの合流点で混合液と塩化カルシウム水溶液とを接触させることにより、テトラメトキシシラン（ＳｉＯ_２前駆体）をアルギン酸カルシウムで内包したファイバー状中間体を得た。このファイバー状中間体を２８重量％アンモニア水中に７２時間沈水して、ＳｉＯ_２微粒子をアルギン酸カルシウムで内包したファイバーを得た。このファイバーを飽和食塩水に沈水し、アルギン酸カルシウムを除去した。次いで、メンブレンフィルターを用いてＳｉＯ_２微粒子を回収した。得られた微粒子を２日間乾燥した。

上記ＳｉＯ_２微粒子を内包したアルギン酸カルシウムのファイバーをエネルギー分散型蛍光Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）で分析した。その結果、ファイバーの材質がアルギン酸カルシウムであることが確認された。また、ファイバーを破壊してファイバー内部を分析した結果、ＳｉＯ_２微粒子が形成されていると推定された。さらに、アルギン酸カルシウムのファイバーおよびＳｉＯ_２微粒子を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。その結果、ファイバーの断面は実質的に円形で、外径は約８１μｍ、厚みは約１０μｍであった。微粒子のサイズは直径２００ｎｍ以下と推定された。

混合液の流量を０．０８μｌ／秒、塩化カルシウム溶液の流量を２９．１μｌ／秒、したがって流量比を１：３６５としたこと以外は実施例２と同様にして、ＳｉＯ_２微粒子をアルギン酸カルシウムで内包したファイバーおよびＳｉＯ_２微粒子を得た。得られたファイバーおよび微粒子について、実施例２と同様の評価に供した。その結果、ファイバーの材質がアルギン酸カルシウムであることが確認された。また、ファイバー内部にはＳｉＯ_２微粒子が形成されていると推定された。ファイバーの断面は実質的に円形で、外径は約２５μｍ、厚みは約５μｍであった。微粒子のサイズは直径２００ｎｍ以下と推定された。

混合液を脈動的に流したこと以外は実施例２と同様にして、ＳｉＯ_２微粒子をアルギン酸カルシウムで内包したロッドおよびＳｉＯ_２微粒子を得た。混合液の脈動的な供給は、オンオフバルブ（Ｌｅｅ Ｃｏｍｐａｎｙ社製の超小型プランジャーバルブＩＮＫＸ０５１４３００Ａ）により行った。バルブの駆動条件は２４Ｖであり、脈動のパルスは１０ｐｐｓ（パルス／秒）であった。得られたロッドおよび微粒子について、実施例２と同様の評価に供した。その結果、ロッドの材質がアルギン酸カルシウムであることが確認された。また、ロッド内部にはＳｉＯ_２微粒子が形成されていると推定された。ロッドの断面は楕円形で、径（（長辺＋短辺）／２）は約７２μｍであった。ロッドの長さは約１．１ｍｍであった。微粒子のサイズは直径２００ｎｍ以下と推定された。

実施例１で作製したマイクロリアクターを用い、第１の流路（内側流路）に０．５重量％アルギン酸水溶液を流し、第２の流路（外側流路）に３．５重量％塩化カルシウム水溶液を流した。アルギン酸水溶液および塩化カルシウム水溶液のいずれも、シリンジポンプを用いて連続的に流した。アルギン酸水溶液の流量は２７．８ｎｌ／秒であり、塩化カルシウム水溶液の流量は５．５５μｌ／秒であり、直径５０μｍのアルギン酸カルシウムファイバーを得た。このときの製造速度は、マイクロファイバー１０ｍｍ当たり０．７１秒であった。
〔比較例１〕

湿式二重紡糸機を用い、直径１００μｍ以下のアルギン酸カルシウムファイバーからなる極細中空繊維の紡糸を行った。低い溶液濃度による粘度低下や、ノズルと凝固浴面との距離であるギャップ部分の延長による自重延伸などを試みても、極細中空繊維が得られなかった。

ポリ−Ｌ−乳酸１５重量部をジオキサン８５重量部に溶解させ、１５重量％のポリ−Ｌ−乳酸溶液を作って被凝固ポリマー溶液として用いた。凝固液として、イオン交換水を用いた。両方の溶液をともに長時間室温に放置し、２５℃の室温になったことを確かめて使用した。実施例１で作製したマイクロリアクターを用い、ポリ−Ｌ−乳酸溶液を鞘部（第２の流路）に、イオン交換水を芯部（第１の流路）に、シリンジポンプによって同じ速度でゆっくりと送り込んだ。顕微鏡により、層流状態でマイクロリアクター（合流流路）の内部を流れることを確かめ、凝固反応をマイクロリアクター（合流流路）の中で行い、紡糸した。ノズルから出た中空繊維に水ミストを付着させ、自重延伸させながら、中空繊維外面のさらなる凝固をさせ、直径２０μｍの極細多孔質ポリ−Ｌ−乳酸中空繊維を得た。

液状テトラエトキシシラン１７０重量部、水２９０重量部、エチルアルコール４０重量部、１Ｎ塩酸１滴を加えて、１２時間室温で液状テトラエトキシシランの加水分解と縮重合反応を起こさせ、均一な透明重合溶液を得た。この均一なテトラエトキシシラン透明重合溶液を被凝固ポリマー溶液として用いた。凝固液として、０．１Ｎアンモニア水を用いた。両方の溶液をともに長時間室温に放置し、２５℃の室温になったことを確かめて使用した。実施例１で作製したマイクロリアクターを用い、均一なテトラエトキシシラン透明重合溶液を鞘部（第２の流路）に、０．１Ｎアンモニア水を芯部（第１の流路）に、ギアポンプによって同じ速度でゆっくりと送り込んだ。顕微鏡により、層流状態でマイクロリアクター（合流流路）の内部を流れることを確かめ、凝固反応をマイクロリアクター（合流流路）の中で行い、紡糸した。ノズルから出た中空繊維に０．１Ｎアンモニア水ミストを付着させ、自重延伸させながら、中空繊維外面のさらなる凝固をさせ、直径１５μｍの極細多孔質シリカ繊維を得た。

液状テトラエトキシシラン１７０重量部、水２９０重量部、エチルアルコール４０重量部、１Ｎ塩酸１滴を加えて、１２時間室温で液状テトラエトキシシランの加水分解と縮重合反応を起こさせた後、ポリアクリルアミド１０重量部を加え、均一な有機無機ハイブリッド透明重合溶液を得た。この均一な有機無機ハイブリッド透明重合溶液を被凝固ポリマー溶液として用いた。凝固液として、０．１Ｎアンモニア水を用いた。両方の溶液をともに長時間室温に放置し、２５℃の室温になったことを確かめて使用した。実施例１で作製したマイクロリアクターを用い、均一な有機無機ハイブリッド透明重合溶液を鞘部（第２の流路）に、０．１Ｎアンモニア水を芯部（第１の流路）に、ギアポンプによって同じ速度でゆっくりと送り込んだ。顕微鏡により、層流状態でマイクロリアクター（合流流路）の内部を流れることを確かめ、凝固反応をマイクロリアクター（合流流路）の中で行い、紡糸した。ノズルから出た中空繊維に０．１Ｎアンモニア水ミストを付着させ、自重延伸させながら、中空繊維外面のさらなる凝固をさせ、直径１０μｍの極細多孔質有機無機ハイブリッド繊維を得た。

本発明の製造方法は、非常に安全であり、かつ、高精度であるので、各種の化学産業に広範囲に利用され得る。

（ａ）は、本発明のマイクロリアクターの好ましい実施形態の流路方向に沿った概略断面図であり、（ｂ）は、そのマイクロリアクターの流路方向から見た断面図である。 図１におけるマイクロリアクターを上方から見た概略図である。 図１におけるマイクロリアクターの斜視図である。 本発明のマイクロリアクターの別の好ましい実施形態を上方から見た概略図である。 本発明のマイクロリアクターのさらに別の好ましい実施形態の流路方向に沿った概略断面図である。 本発明のマイクロリアクターにおけるパルス発生手段の好ましい実施形態を示す概略断面図である。 本発明のマイクロリアクターにおける第１の流路が内側流路と外側流路との２重構造を有する場合の流路方向から見た断面図である。 本発明の製造方法により得られる微小構造体の代表例を説明する概略図である。

符号の説明

１００ マイクロリアクター
１０ 第１の流路
２０ 第２の流路
３０ 合流流路
３１ 合流点
４０ 隔壁
４０´ 隔壁
５０ パルス発生手段
６０ ダイアフラム
７０ アクチュエーター
１０１ 第１の流路への供給口
１０２ 第２の流路への供給口
１０２´ 第２の流路への供給口

Claims (18)

1. 第１の流路に第１の液体を供給する工程と；
   該第１の流路を包囲するように形成された第２の流路に第２の液体を供給する工程と；
   該第１の流路と該第２の流路とが合流する地点で該第１の液体と該第２の液体とを接触させる工程とを含み、
   該第１の液体および該第２の液体を層流状態で接触させる、微小構造体の製造方法。
2. 前記層流のレイノルズ数が０．１〜２００である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記第１の液体の流量が、前記第２の液体の流量より小さい、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記第１の液体および第２の液体を接触させた後、触媒に接触させる工程をさらに含む、請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記第１の液体および第２の液体を接触させて、形状保持物質で形状保持された中間体を形成した後、微小構造体を形成し、該微小構造体から該形状保持物質を除去する工程をさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記第１の液体が連続的に供給される、請求項１から５のいずれかに記載の製造方法。
7. 前記第１の液体が脈動的に供給される、請求項１から５のいずれかに記載の製造方法。
8. 前記第１の流路が、直径１〜１０００μｍの実質的に円形の断面形状を有する、請求項１から７のいずれかに記載の製造方法。
9. 前記第１の流路が、楕円形、多角形、十字形または星形の断面形状を有する、請求項１から７のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記第１の液体がアルギン酸水溶液とテトラエトキシシランとの混合液であり、前記第２の液体が塩化カルシウム水溶液である、請求項１から９のいずれかに記載の製造方法。
11. 微粒子、ロッドまたはファイバーを形成する、請求項１から１０のいずれかに記載の製造方法。
12. 第１の液体が供給される第１の流路と、第２の液体が供給される第２の流路と、該第１の流路と該第２の流路が３次元的に合流して形成される合流流路を備え、該第１の流路における出口を端部とする少なくとも一部が該第２の流路に包囲されてなる、マイクロリアクター。
13. 前記第２の流路への第２の液体の供給口を複数個備える、請求項１２に記載のマイクロリアクター。
14. 前記第１の流路の出口の内径が０．０５〜０．８ｍｍである、請求項１２または１３に記載のマイクロリアクター。
15. 前記第２の流路における、前記第１の流路の出口を含む断面の内径が、（前記第１の流路の出口の内径＋０．２）ｍｍ以上、（前記第１の流路の出口の内径＋１．６）ｍｍ以下である、請求項１２から１４までのいずれかに記載のマイクロリアクター。
16. 前記第１の流路に、前記第１の液体を脈動的に流すためのパルス発生手段が備えられている、請求項１２から１５までのいずれかに記載のマイクロリアクター。
17. 前記パルス発生手段は、前記第１の流路の一部をダイアフラム部として該ダイアフラム部をアクチュエーターで振動させる、請求項１６に記載のマイクロリアクター。
18. 前記第１の流路中における第１の液体の流量と前記第２の流路中における第２の液体の流量を可変するための流量制御手段を備える、請求項１２から１７までのいずれかに記載のマイクロリアクター。
    
    

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