温度で分離条件を「空間プログラム」するマイクロ流体チップを開発ー1枚のチップで多段階粒子分離とがん細胞・白血球・赤血球の選別を実証ー

2026-08-25

2026-08-24 東京科学大学

東京科学大学の研究グループは、温度応答性高分子PNIPAMを微細柱に用い、1枚のマイクロ流体チップ内で分離条件を位置ごとに変更できる「空間プログラム型DLD」を開発した。2つのペルチェ素子で流路に温度勾配を形成すると、PNIPAM柱が温度に応じて膨張・収縮し、粒子や細胞を分ける臨界径を流路に沿って連続的に変化させられる。これにより、チップを作り直すことなく温度条件だけで分離プロファイルを変更でき、3種類の粒子を1回の通過で3分画するほか、4種類の粒子の組み合わせを再設定することに成功した。さらに、乳がん由来MCF-7細胞を添加した希釈全血から、がん細胞、白血球、赤血球を3つの出口へ選別し、MCF-7細胞で純度94.8％、回収率88.9％を達成した。液体生検、単一細胞解析、再生医療・細胞製造などへの応用が期待される。

図1. 空間プログラム型DLDの原理とデバイス構成。低温側ではPNIPAMピラーが膨らみ、高温側では縮むため、流路に沿って臨界径が増加し、粒子・細胞の移動様式が位置ごとに変わる。

＜関連情報＞

多段階マイクロ流体分離のための空間的にプログラム可能な決定論的横方向変位

Spatially programmable deterministic lateral displacement for multi-stage microfluidic separation

Ze Jiang;Yusuke Kanno;Takasi Nisisako

Lab on a Chip Published:29 July 2026

DOI:https://doi.org/10.1039/d6lc00402d

Deterministic lateral displacement (DLD) is a widely used microfluidic technique for continuous size-based separation. However, a conventional uniform DLD array is characterized by a single critical diameter (D_c) fixed by its geometry, restricting its ability to fractionate complex samples containing multiple particle populations. Here we present a DLD platform that spatially programs the geometrically estimated D_c after fabrication by thermally modulating the pillar geometry along a single array. Two independently controlled Peltier elements establish a longitudinal temperature field that progressively changes the pillar diameter and inter-pillar gap, generating an estimated D_c(x) profile ranging from 4.7 to 19.2 μm within an array fabricated with uniform initial geometry. As particles traverse the array, size-dependent transitions between bump and zigzag migration modes occur at different positions, producing distinct cumulative lateral displacements and enabling sequential separation within a single device. Using the three-outlet architecture, the device further enables reconfigurable grouping of a four-component particle mixture into three outlet fractions by shifting the applied temperature window. Furthermore, the platform selectively isolated tumor cells, white blood cells, and red blood cells from diluted whole-blood samples spiked with MCF-7 cells. A descriptive assay indicated high post-processing viability of the MCF-7 cells. By enabling post-fabrication programming of the operating separation profile, this work demonstrates how the same physical array can be reconfigured for different separation tasks by changing the applied temperature window.