DE102004061731A1 - Programmierbarer Mikrostempel auf Hydrogelbasis - Google Patents

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Abstract

Programmierbarer Mikrostempel zum Bedrucken oder Manipulieren von Oberflächen, der über mehrere Einzelaktoren (1, 1a, 1b) auf Basis smarter Hydrogele verfügt, die durch eine elektrische oder elektronikkompatible Schnittstelle hinsichtlich ihrer Auslenkung bzw. ihres Quellverhaltens so ansteuerbar sind, dass ein gewünschtes Stempelprofil und damit ein gewünschtes Bild erzeugt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen programmierbaren Mikrostempel auf Hydrogelbasis zum gesteuerten Bedrucken von Oberflächen oder Manipulieren von Prozessmedien oder deren Bestandteile, der aus mehreren mikro- oder millimeterskalierten hydrogelbasierten Aktoren besteht, welche über eine entsprechende Schnittstelle elektrisch oder elektronisch steuerbar sind.
  • US 2004/0011231 A1, US 2004/0159633 A1, US 2004/0137148 A1, US 2004/0134883 A1, US 2004/0075710 A1, WO 2004/013697 A2, US 2003/0010241 A1, US 2004/033546 A1, US 2003/228637 A1, US 5,948,621 und EP 1442887 A1 offenbaren Einrichtungen, mit denen Oberflächen definiert und mikroskaliert durch Stempeln oder Drucken mit Substanzen beschichtet werden können. Dieses Bedruck- bzw. Beschichtungsverfahren wird allgemein mit Micro-Contact Printing (μCP) bezeichnet.
  • Vorgenannte US-Dokumente beschreiben Verfahren und Einrichtungen, mit denen Stempel für das Mikro-Kontakt-Drucken fabriziert und angewendet werden können. Die Stempel werden mit herkömmlichen Verfahren der Mikrotechnik hergestellt.
  • WO 2004/013697 A2, US 2004/0159633 A1 und US 2004/0137148 A1 nutzen Self-Assembly-Monolayer (SAM) zum Erzeugen von Stempelstrukturen mit hoher Auflösung.
  • US 2004/033546 A1 und US 2003/228637 A1 beschreiben Mikroarrays auf Basis von nicht smarten Hydrogelen, auf denen bestimmte Kompositionen von Verbindungen an diskreten Orten aufgebracht sind und die mit Proben in Kontakt gebracht werden.
  • US 5,948,621 offenbart einen Mikrostempel auf Basis nicht smarter Hydrogele. Der Mikrostempel wird in eine Schale ge taucht, welche Reservoirs für jedes Hydrogel-Pad aufweist. Anschließend werden entsprechende Muster gedruckt.
  • Diese Methoden und Einrichtungen besitzen den Nachteil, dass kein selektives Stempeln möglich ist, da das Beschichtungsprodukt immer nur ein Abbild des gefertigten Stempels liefern wird.
  • In US 2004/0075710 A1 wird dieses Problem dadurch gelöst, dass ein Tintenstrahl-Druckkopf zum „beschreibenden" Auftrag des Druckmediums genutzt wird. Dieses Verfahren garantiert ein hohes Maß an Flexibilität, ist aber wesentlich kostenaufwändiger und komplizierter als eine Stempelmethode.
  • Eine in EP 1442887 A1 beschriebene Ausführungsform eines Tintenstrahl-Druckkopfes nutzt als Antrieb ein durch elektrische Feldgrößen steuerbares smartes Hydrogel. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes quillt das Hydrogel definiert und drückt ein Fluid durch die Düse.
  • Um sowohl die Vorteile des Mikro-Kontakt-Stempelns als auch des flexiblen Beschichtens nutzen zu können, bedarf es eines programmierbaren Stempels.
  • Für solche Einrichtungen sind smarte Hydrogele von besonderem Interesse, da sie sehr günstige aktorische und mechanische Eigenschaften und zudem eine herausragende Miniaturisierbarkeit besitzen.
  • Als smarte Hydrogele werden Polymernetzwerke bezeichnet, die bei Einwirkung bestimmter Umgebungsgrößen einen diskontinuierlichen Volumenphasenübergang durchführen. Sie ändern dabei ihr Volumen vom gequollenen zum entquollenen Zustand um bis zu 90% unter Abgabe des Quellmittels. Dieser Vorgang ist reversibel und reproduzierbar. Einwirkende Umgebungsgrößen können die Temperatur, elektrische Feldgrößen, Licht, pH-Wert sowie Stoff- und Ionenkonzentrationen sein.
  • Aus DE 10157317 A1 und A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, 748–753 ist ein Grundelement eines Mikrofluidikprozessors in Form elektronisch steuerbarer Mikroventile auf Basis smarter Hydrogele bekannt. Der Ventilsitz besteht aus einem temperatursensitiven Hydrogel, dessen Quellungsgrad durch eine thermisch-elektrische Schnittstelle gesteuert werden kann.
  • Ein ähnliches Prinzip wird in DE 10226746 A1 zum Realisieren taktiler Anzeigeeinheiten verwendet. Hier sind Hydrogelaktoren in einer Matrix angeordnet, wobei jeder Aktor einen taktilen Bildpunkt darstellt. Die Pixelsteuerung erfolgt durch elektronikkompatible Schnittstellen über Heizstrukturen oder Licht bzw. andere Strahlung, welche ebenfalls eine Hydrogelerwärmung verursacht.
  • Einen nahezu identischen Grundaufbau wie DE 10226746 A1 besitzt eine in US 2004/0053334 A1 beschriebene Einrichtung zum Binden von Zellen oder Molekülen an der Oberfläche eines temperatursensitiven Hydrogels. Diese besteht aus einem Array von Heizelementen, welche unterhalb einer Schicht aus temperatursensitiven Hydrogelen angeordnet sind. Im gequollenen Zustand lagern sich Zellen oder Moleküle an der Oberfläche an bzw. werden an dieser gebunden. Wird das Hydrogel durch Betätigen entsprechender Heizelemente partiell durch Überschreiten der Phasenübergangstemperatur zum Entquellen angeregt, verändert sich die Zell- bzw. Molekülhaftung an der Oberfläche, so dass diese sich an den beheizten Stellen ablösen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen programmierbaren Mikro-Kontakt-Stempel zu entwickeln, welcher über mehrere einzeln steuerbare Stempelpixel verfügt, einfach aufgebaut, leicht in komplexe Systeme integrierbar sowie elektronisch ansteuerbar ist, eine Leistungsaufnahme im mW-Bereich und zudem minimale Ansprechzeiten im Subsekunden- bis Sekunden -Bereich besitzt.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 14 angegeben. Der Stempel besteht erfindungsgemäß zumindest teilweise aus quellfähigen Polymernetzwerken mit Volumenphasenübergangsverhalten, den smarten Hydrogelen. Die smarten Hydrogele fungieren als Aktoren der einzelnen Stempelabschnitte oder -pixel. Die einzelnen Stempelpixel verfügen über Schnittstellen zum übergeordneten System, mit denen der Quellungsgrad der smarten Hydrogele definiert in den Positionen „vollständig gequollen" und „vollständig entquollen" gesteuert werden kann.
  • Ein programmierbarer Mikro-Kontakt-Druck-Stempel auf Hydrogelbasis zum definierten Bedrucken von Oberflächen oder zum mechanischen Manipulieren von Probanden besteht prinzipiell aus mehreren voneinander unabhängigen Hydrogelaktoren, die jeweils durch die Steuerung ihres Quellungsgrades aktiviert werden können. In einem besonderen Fall kann das erfindungsgemäße System auch aus einem einzigen Aktor bestehen.
  • Zum Steuern des Quellungsgrades smarter Hydrogele über Umgebungsgrößen dienen bevorzugt physikalische Größen, die einfach durch elektronische bzw. elektrische Mittel erzeugt werden können und Volumenphasenübergänge in quellfähigen Polymernetzwerken auslösen. Sehr einfach elektrisch erzeugbare Steuergrößen sind elektrische und magnetische Feldgrößen, Licht und Temperatur. Elektrische und magnetische Feldgrößen sowie Licht sind derzeit relativ schwierig zum Steuern des Quellungsgrades smarter Hydrogele verwendbar, da die Hydrogel-Effekte zum Teil nur eingeschränkt reversibel und langsam sind. Temperatursensitive Hydrogele lassen sich hingegen schnell, reversibel und reproduzierbar in ihrem Quellverhalten beeinflussen. Eine elektronisch-thermische Schnittstelle kann z.B. aus einer Heizstruktur aus einem Widerstandsmaterial bestehen, wobei die über dem Widerstand abfallende Verlustleistung die Heizleistung ist. Eine Erwärmung der Hydrogelaktoren ist auch durch energiereiche Strahlung, insbeson dere Licht, möglich, indem diese durch Absorption im oder am Hydrogel in Wärme umgesetzt wird. Als Lichtquellen eignen sich z.B. besonders solche mit einem Spektrum im infraroten Bereich und Laser.
  • Temperatursensitive Hydrogele mit Lower Critical Solution Temperature (LOST) – Charakteristik sind bei niedrigen Temperaturen, z.B. Raumtemperatur, gequollen. Um einen Hydrogelaktor zu deaktivieren bzw. entquellen zu lassen, muss er über seine Phasenübergangstemperatur erwärmt werden. Dann entquillt das Gel. Da jeder Temperatur genau ein Quellungsgrad des Hydrogels zugeordnet ist, lassen sich auch beliebige Zwischenzustände anfahren. Um ein inverses Aktorverhalten bei gleichem Aufbau erreichen zu können, ist ein Polymernetzwerk mit Upper Critical Solution Temperature (UCST)-Charakteristik einzusetzen. Dieses ist bei hohen Temperaturen gequollen und entquillt bei Unterschreiten seiner Phasenübergangstemperatur.
  • Die benötigte thermische Energie kann auch auf anderen Wegen erzeugt werden. So kann Licht absorbiert und in Wärme umgesetzt werden. Im Regelfall absorbiert das Hydrogel genug Licht, um über die Phasenübergangstemperatur erwärmt werden zu können. Der Wirkungsgrad der Licht-Wärmeumwandlung kann durch den Einsatz spezieller Materialien in und am Hydrogel verbessert werden, insbesondere durch Materialien mit einem hohen Lichtabsorptionsgrad, die wegen der geringen Lichtreflexion meist dunkel gefärbt sind. Es bietet sich auch der Einsatz von Wärmestrahlung an.
  • Es sind weiterhin Anwendungsfälle denkbar, bei denen die Hydrogelaktoren automatisch aktivierbar sind. Ihr Quellungsgrad wird dann durch Zustandsgrößen des Prozesses direkt gesteuert. Als steuernde Größen können z.B. der pH-Wert und andere Ionenkonzentrationen, die Ionenstärke und Stoffkonzentrationen, wie Konzentrationen organischer lösungsmittel, biologischer und pharmazeutischer Wirkstoffe, insbesondere Enzyme und Proteine, dienen. Vorteilhaft können die Hydrogele der einzelnen Aktoren hinsichtlich ihres Phasenübergangsverhaltens verschieden sein.
  • Derartige automatische Mikro-Kontakt-Druck-Stempel können auch in Kombination mit elektronischen Schnittstellen ausgeführt sein.
  • Durch die große nutzbare Volumenänderung sind Hydrogelaktoren hochgradig miniaturisierbar. Der Miniaturisierungsgrad des Hydrogels wird im wesentlichen von der eingesetzten Strukturierungstechnologie des Aktors bestimmt. Derzeit lassen sich mit einer im späteren ausführlich beschriebenen Photovernetzungstechnologie minimale Aktorabmessungen von 4 bis 10 μm Strukturbreite bei 0,5...30 μm Trocken-Strukturhöhe und minimalen Strukturabständen von 4 bis 20 μm reproduzierbar herstellen. Diese Auflösung ist so hoch, dass die tatsächlich realisierbare Miniaturisierung des Stempel-Arrays eher durch die Miniaturisierbarkeit der elektronischen Ansteuerung bzw. durch die gegebenenfalls notwendigen Maßnahmen der Wärmeentkopplung der einzelnen Aktoreinheiten untereinander beschränkt wird.
  • Ein scheinbarer Nachteil des Mikrostempel-Arrays ist der direkte Kontakt des Hydrogels mit dem Prozessmedium, welches insbesondere in Medien mit Pharmaka oder der Biotechnologie problematisch erscheint. Hydrogele sind jedoch „normale" Kunststoffe, besitzen im allgemeinen eine hohe chemische Beständigkeit und können biokompatibel ausgeführt sein. Diese Eigenschaften sind durch die Wahl der Ausgangsstoffe, die Art und Qualität der Synthesen beeinflussbar.
  • Zum Beladen des Stempels mit dem aufzutragenden Stoff können alle bekannten Methoden genutzt werden. Die Hydrogelaktoren können mit einer speziellen Beschichtung versehen sein, welche die für das zu stempelnde Medium benötigten Oberflächeneigenschaften besitzen. Das Stempel-Array kann auch über eine vollständig austauschbare Abdeckung, z.B. in Form einer Folie, verfügen. Sie dient als Verschmutzungsschutz des Stempels, kann aber auch bereits mit dem zu stempelnden Stoff vorbehandelt sein, so dass der Stempel nicht extra mit diesem Material benetzt werden muss. Als Anbindungsmechanismen an den Mikrostempel bzw. seine Abdeckung können die bekannten Immobilisierungsverfahren mittels physikalischer Adsorption oder speziellen Oberflächenwechselwirkungen genutzt werden. Die in-situ-Synthese sowie die kovalente Anbindung ist ebenfalls problemlos unter Nutzung einer austauschbaren Abdeckung möglich.
  • Insbesondere zur Beschichtung mit flüssigen oder gelösten Stoffen definierter Quantität sind auch die Speichereigenschaften der Hydrogele verwendbar. Wird der Entquellvorgang beim Kontakt mit der zu benetzenden Oberfläche ausgelöst, gibt der Hydrogelaktor das bis dahin in ihm gespeicherte Medium auf die Oberfläche ab.
  • Mikro-Kontakt-Stempel sind Grundelemente der Mikro-Array-Technologie. Diese besitzt fundamentale Bedeutung in der Bindungschemie, der Molekül-Immobilisierung, der Untersuchung von Analyten sowie für viele Untersuchungs- und Bestimmungsmethoden. Die Palette der zu prozessierenden Stoffe ist außerordentlich groß: RNA, DNA, Zellextrakte, lebende Zellen, Protein-Mischungen, Enzyme, Körperflüssigkeiten, Fermentierungsprodukte, Umweltproben, Mikroorganismen und vieles mehr. Durch die Mikrokontakt-Stempel lassen sich sehr einfach, material- und kostengünstig Mikroarrays herstellen, mit denen man z.B. die Wechselwirkungen verschiedener Substanzen untersuchen kann. Bei vielen Applikationen können allein schon durch Parallelisierung verschiedener Schritte bei der Probenpräparation und Untersuchungsdurchführung enorme Zeit- und Kostenersparnisse erreicht werden.
  • Ein programmierbarer Mikro-Kontakt-Stempel generiert nicht nur durch seine Wiederverwend- und vielseitige Einsetzbarkeit Kostenvorteile, sondern reduziert allein schon durch einen geringeren Bedarf an Chemikalien und biologischen Reagenzien die Kosten bedeutend. In der kombinatorischen Chemie, der Biotechnologie und beim Screening generiert der Bedarf diesen Substanzen oft ¾ der Prozesskosten. Da das hier vorgeschlagene μCP-Prinzip nahezu ideal kompatibel zur Mikrosystemtechnik ist, liegt die Verwendbarkeit für „Lab on a Chip" -Konzeptionen nahe. Einen Überblick über mögliche Anwendungsgebiete des programmierbaren Mikro-Kontakt-Stempels bietet z.B. Q. Xu, K.S. Lam, Protein and Chemical Microarrays – Powerful Tools for Proteomics, J. Biomedicine Biotechnology 2003:5 (2003), 257–266.
  • Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
  • 1 den prinzipiellen Aufbau eines programmierbaren Mikro-Kontaktdruck-Stempels auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele mit LCST-Charakteristik, die durch Photovernetzen hergestellt werden,
  • 1a die Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors im gequollenen bzw. aktiven Zustand,
  • 1b die Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors im entquollenen bzw. inaktiven Zustand,
  • 2 das Volumenphasenübergangsverhalten temperatursensitiver smarter Hydrogele,
  • 3 den prinzipiellen Aufbau eines programmierbaren Mikro-Kontaktdruck-Stempels mit Abdeckfolie,
  • 4 die Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors zum mechanischen Manipulieren von Probanden,
  • 5 die Auslenkungszeit eines einzelnen Hydrogelaktors auf Basis des temperatursensitiven Hydrogels PNIPAAm in Abhängigkeit von der applizierten Heizleistung.
  • Anhand von 1 soll zunächst ein mögliches Fertigungsverfahren und dann die Wirkungsweise sowie Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Mikro-Arrays vorgestellt werden.
  • Bei einem möglichen Fertigungsverfahren werden zunächst auf der Vorderseite des Ansteuerlayers (2), welcher aus Weichglas D263 (550 μm Dicke, Berliner Glas AG) besteht, Gold- Leiterzüge (4) und Platin- Heizelemente (3) (jeweils 100nm Dicke, Widerstand der Heizelemente (4) ca. 50 Ω, Widerstand der Leiterzüge (5) im mΩ-Bereich, Haftvermittlerschicht 10nm Titan) mit einer photolithographischen Platin-Dünnfilm-Technologie (Malz & Schmidt MSBA-400SP) erzeugt und anschließend mit Siliziumdioxid passiviert (800nm Dicke, PECVD-Verfahren mit Plasmalab 80+ CVD, Oxford Technologies). Die elektrische Verbindung mit der Ansteuerelektronik kann durch Bonden realisiert werden. Der Ansteuerlayer (2) kann zum Erreichen einer verbesserten mechanischen Stabilität noch auf einen Support aufgebracht werden. Er kann auch aus Gründen der verbesserten Wärmeisolation der einzelnen Heizstrukturen untereinander mit Wärmewiderständen in Form von Schlitzen, entsprechenden Materialkombinationen, Materialverdünnungen usw. versehen sein.
  • Zum Gewährleisten einer guten Haftung der Hydrogelaktoren auf der SiO2-Isolation des Ansteuerlayers (2) wird diese Oberfläche mit einem Haftvermittler, z.B. 1,1,1,3,3,3-Hexamethyldisilazan (HMDS) vorbehandelt.
  • Die Erzeugung der Hydrogelstrukturen wird bei photovernetzbaren N-Isopropylacrylamid (NIPRAm)-basierten Polymeren die polymere Lösung in definierter Menge aufgebracht, dann mit Spin Coating gleichmäßig verteilt, die gewünschte Schichtdicke eingestellt und anschließend getrocknet. Die Lösung kann neben den polymeren Ausgangsstoffen und den Lösungsmitteln noch ca. 4 wt% des Photoinitiators Thioxanthon (THX) enthalten, welche eine verbesserte UV-Vernetzung bei Licht-Wellenlängen größer 300 nm ermöglicht.
  • Die Strukturierung der erhaltenen Schicht erfolgt durch UV-Bestrahlung (z.B. mit einer 400W-Hg-Lampe der Wellenlänge zwischen (360 und 450)nm) unter Nutzung von Masken. Als Resultat liegt eine Positivstruktur vernetzter und frei stehender Aktor-Dots vor, die z.B. mit einem Ethanol-Wasser-Gemisch entwickelt wird, wobei das unvernetzte Polymer ausgewaschen wird und nur die belichteten Dots erhalten bleiben, da bei einer Belichtung mit UV-Licht photochemisch über eine [2+2]-Cycloaddition Netzknoten in den belichteten, getrockneten Schichten aufgebaut werden.
  • Zur Synthese dieser Gele werden an das NIPAAm bzw. dessen Copolymeren Chromophore verschiedener Art angebunden. So ist ein Copolymer auf Basis von NIPAAm und Dimethylmaleinimid-Chromophoren P(NIPAAm co DMIAAm) nutzbar. Die Copolymerisation erfolgt hier als freie radikalische Polymerisation von NIPAAm und 2-(Dimethylmaleinimid)-N-Ethyl-Acrylamid (DMIAAm) unter Einsatz des Initiators Azobis(Isobutyronitril) (AIBN) bei einer Temperatur von 70°C unter Stickstoffatmosphäre. Das gereinigte Polymer liegt nach Fällung und Rückfällung in Tetrahydrofuran und Diethylether vor.
  • Das Auflösungsvermögen der Strukturierung ist eine Funktion der Belichtungszeit und der Schichtdicke. Eine geringe Bestrahlung bewirkt stark quellbare Hydrogelstrukturen, die einerseits ungenügende Hafteigenschaften auf dem Substrat und andererseits eine verminderte Konturgenauigkeit besitzen. Typische Belichtungszeiten mit guten Resultaten liegen im Bereich von (10–60) min, wobei unter Umständen ähnliche Ergebnisse schon bei 200s erzielbar sind. Das Auflösevermögen liegt derzeit für Schichtdicken von ca. 1 μm bei 4 μm Strukturabstand (Line Spacing) und 4 μm Strukturbreite (Line Width), für Schichten der Dicke 10 μm bei 20 μm Strukturabstand und 30 μm Strukturbreite. Weitere Verbesserungen sind möglich. Das detaillierte Synthese- und Strukturierungsverfahren ist in A. Richter et al., J. Microelectromech. Syst. 12 (2003) 5, 748–753) beschrieben.
  • Die Funktionsweise des programmierbaren Mikrostempels zum Kontakt-Druck lässt sich anhand 1a und 1b sowie 2 erklären. Bei Verwendung eines Hydrogels mit Lower Critical Solution Temperature (LCST) – Charakteristik sind die Einzelaktoren im Ausgangszustand gequollen (1a). Das notwendige Quellmittel kann dem Mikrostempel z.B. in einem Aufbewahrungsbehälter zur Verfügung gestellt werden. Anschließend wird der Mikrostempel programmiert, indem die nicht notwendigen Einzelaktoren (1) durch ihre Heizmäander (3) über die Volumenphasenübergangstemperatur beheizt werden, so dass sie entquellen (1b). Nun wird der Mikrostempel mit dem Druckmedium bestückt, was z.B. durch Tauchen, Besprühen, Aufstreichen, Aufsetzen u.ä. erfolgen kann. Nun kann der Stempelvorgang durch Aufsetzen des Stempels auf das Substrat durchgeführt werden. Da die gequollenen Hydrogelaktoren (1a) die entquollenen Aktoren (1b) erheblich überragen, wird nur durch die gequollenen Hydrogelaktoren (1a) bzw. ihre Abdeckung (5) ein Stempelabbild auf dem Substrat erzeugt. Die viskoelastischen Eigenschaften des Hydrogels garantieren eine gleichbleibende Stempelqualität auch bei Substratunebenheiten oder geringem Stempelverkanten.
  • 2 verdeutlicht das Volumenphasenübergangsverhalten einiger temperatursensitiver Hydrogele. Es sind zwei Verhaltenscharakteristika smarter temperatursensitiver Hydrogele bekannt. Die meisten dieser smarten Hydrogele besitzen eine Lower Critical Solution Temperature (LCST) – Charakteristik, d.h., sie sind bei niedrigen Temperaturen gequollen und entquellen bei Überschreiten der Phasenübergangstemperatur. Für das bekannteste Hydrogel mit LCST-Charakteristik, das Homopolymer Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAAm), beträgt die Pha senübergangstemperatur 32,8 °C. Die Lage der Phasenübergangs- bzw. Schalttemperatur von NIPAAm-basierten Hydrogelen kann aber durch Copolymerisation und Variation der Syntheseparameter in einem Bereich von +5 °C und etwa 60 °C eingestellt werden. Diese Möglichkeiten bestehen auch für andere Polymernetzwerksysteme.
  • Ähnlich gute Phasenübergangs-Eigenschaften mit LOST-Charakteristik besitzt z.B. das in 2 gezeigte Poly (Methylvinylether) (PVME). Die Lage der Phasenübergangstemperatur dieses Hydrogels liegt bei etwa 37 °C. Ein mögliches Syntheseverfahren von PVME ist in K.-F. Arndt, T. Schmidt, H. Menge, Poly (vinyl methyl ether) Hydrogel Formed by High Energy Radiation, Macromol. Symp. 164 (2001) 313–322 beschrieben.
  • Weitere Vertreter mit LCST-Charakteristik basieren z.B. auf Hydroxypropylcellulose (B. Kabra, S.H. Gehrke, R. Spontak, Microporous Responsive HPC Gels 1. Synthesis and Microstructure, Macromolecules 31(1998), 2166–2173).
  • 2 zeigt neben den beiden Vertretern mit LCST- Verhaltenscharakteristik noch das durch Copolymerisation von Hydroxyethyl Methacrylat (HEMA) und Acetoacetoxyethyl Methacrylat(AAEM) hergestellte Hydrogel HEMA/AAEM mit UCST-Verhalten, dessen Synthese in V. Boyko et al., Preparation and characterization of acetoacetoxyethyl methacrylate-based gels, Macromol. Chem. Phys. 204 (2003), 2031–2039 beschrieben ist. Das dargestellte Verhalten tritt in einer 60wt% : 40wt% Ethanol/Wasser auf und zeigt eine Phasenübergangstemperatur von 31,5°C.
  • 3 verdeutlicht die Funktionsweise eines Mikro-Stempels mit einer Abdeckfolie (6). Die Abdeckfolie wird zunächst mit dem Stempelmedium beschichtet. Dies kann durch Bedrucken, Aufstreichen, Rakeln, Tauchen, Besprühen oder ähnliches geschehen. Es ist auch möglich, eine Array-Struktur entsprechend der Stempelstruktur aufzutragen, was den Materialein satz vermindert. Anschließend wird die Folie auf den Stempel aufgelegt oder aufgespannt. Beim Stempelvorgang werden nur die Abschnitte der Abdeckfolie (6) mit dem zu stempelnden Substrat in Berührung kommen, welche durch die gequollenen Hydrogelaktoren (1a) stark ausgelenkt sind. Zur Verbesserung des Auslenkverhaltens kann neben Abstandhaltern (7) auch ein leichter Unterdruck zwischen Ansteuerlayer 2 und Abdeckfolie (6) angelegt sein, da sich dann die Folie besser an die Aktor-Dots anpassen. Die Abdeckfolien (6) besitzen als weiteren Vorteil ihre Austauschbarkeit. Damit können diese hinsichtlich ihren Adsorptions-, Beständigkeits- und anderen Eigenschaften optimal an das Stempel-Medium angepasst werden.
  • 4 verdeutlicht eine Verwendungsmöglichkeit des Mikro-Aktor-Systems, welche über eine herkömmliche Stempelanwendung hinausgeht. Unter Nutzung der Auslenkung eines Hydrogelaktors können Partikel in einem durchströmbaren Querschnitt „gefangen" und platziert werden. Dies ist z.B. für die Fixierung von Zellen oder großen Molekülen u.a. in der Mikroskopie oder anderen analytischen Verfahren von Bedeutung.
  • Der in einem Strömungsquerschnitt (9) befindliche Proband (8) bewegt sich entsprechend den Strömungsbedingungen. Hält er sich unterhalb des Hydrogelaktors (1) auf, so wird dieser bei entsprechender Aktivierung der Heizstruktur (3) durch Unter- oder Überschreiten der Phasenübergangstemperatur, welches abhängig von der Verhaltenscharakteristik des eingesetzten temperatursensitiven Hydrogels ist (UCST- oder LCST-Verhalten), zum Quellen angeregt. Dadurch wird der Proband vom Aktor (1a) an die Kammerwand gedrückt und somit mechanisch fixiert. Durch Auslösen des Entquellvorganges ist die mechanische Fixierung des Probanden (8) wieder aufhebbar.
  • Das zeitliche Auslenkverhalten der Hydrogelaktoren wird neben konstruktiven Parametern maßgeblich durch den Betriebsparameter Heizleistung bestimmt. 5 zeigt den Einfluss der Heizleistung auf die Auslenkzeit eines PNIPAAm-basierten Aktors verschiedener Größen. Ab einer Heizleistung von etwa 275 mW gibt sie in weniger als 1 s den gespeicherten Wirkstoff vollständig ab.
  • Die Phasenübergangstemperatur temperatursensitiver smarter Hydrogele kann durch Bestandteile des Prozessmediums beeinflusst werden. Im Regelfall kommt es zu einer Absenkung. Diesem Umstand kann man durch entsprechende Wahl der stofflichen Basis des Aktormaterials Rechnung tragen.
  • Konstruktive Parameter, die das zeitliche Abgabeverhalten Verhalten des Mikrostempels bestimmen, sind u.a. die Größe der Aktoren, das verwendete Material und die Wärmekapazität der zu beheizenden Anordnung. Prinzipiell gilt: das für den Schaltvorgang aufzuheizende Gesamtvolumen ist möglichst gering zu halten.
  • 1, 1a, 1b
    Hydrogelaktor
    2
    Ansteuerlayer
    3
    Heizmäander/Heizstruktur
    4
    Leiterzüge
    5
    Abdeckung/Beschichtung des Hydrogelaktors
    6
    Abdeckfolie
    7
    Abstandhalter
    8
    Proband
    9
    Strömungsquerschnitt
    10
    Kammerwand

Claims (14)

  1. Programmierbarer Mikrostempel auf Hydrogelbasis zum gesteuerten Bedrucken von Oberflächen oder Manipulieren von Prozessmedien oder deren Bestandteile, der aus mehreren mikro- oder millimeterskalierten hydrogelbasierten Aktoren besteht, welche über eine entsprechende Schnittstelle elektrisch oder elektronisch steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Mikrostempel über mehrere Einzelaktoren (1, 1a, 1b) auf Basis quellfähiger Polymernetzwerke mit Volumenphasenübergangsverhalten (smarte Hydrogele) verfügt – der Volumenquellungsgrad und damit die Auslenkung der Einzelaktors (1, 1a, 1b) durch eine elektrisch oder elektronisch kompatible Schnittstellengröße steuerbar ist – die Steuerbarkeit des Volumenquellungsgrades und damit der Auslenkung der Einzelaktoren (1, 1a, 1b) die Erzeugung eines gewünschten Stempelprofiles ermöglicht.
  2. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße die Temperatur ist.
  3. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermisch-elektrische Schnittstelle die Temperatur – durch resistive Heizwiderstände (3), oder – durch Licht- bzw. Strahlungseinwirkung erzeugt.
  4. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Steuergröße „Temperatur" für den Hydrogelaktor (1, 1a, 1b) ein Temperatursensor in unmittelbarer Hydrogelnähe integriert ist.
  5. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße Licht ist.
  6. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstellengröße eine elektrische und/oder magnetische Feldgröße ist.
  7. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass temperatursensitive Hydrogele mit Lower Critical Solution Temperature – Charakteristik verwendet sind, insbesondere Hydrogele auf Basis von N-Isopropylacrylamid und Poly(Vinylmethylether).
  8. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass temperatursensitive Hydrogele mit Upper Critical Solution Temperature – Charakteristik verwendet sind, insbesondere Hydrogele auf Basis von Hydroxyethyl Methacrylat und Acetoacetoxyethyl Methacrylat.
  9. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmeentkopplung der Einzelaktoren (1, 1a, 1b) untereinander der Ansteuerlayer (2) mit Wärmewiderständen versehen ist.
  10. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmewiderstände – Materialverdünnungen, – Materialien oder Materialkombinationen mit einem hohen Wärmewiderstand – Luftschlitze oder andere Hohlräume sind.
  11. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelaktoren (1, 1a, 1b) mit einzelnen Abdeckungen bzw. Beschichtungen (5) versehen sind.
  12. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrostempel mit einer Abdeckfolie (6) versehen ist.
  13. Programmierbarer Mikrostempel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelaktoren (1, 1a, 1b), die Abdeckungen bzw. Beschichtungen (5) oder die Abdeckfolie (6) hinsichtlich ihrer Adsorptions-, Beständigkeits- und anderen Eigenschaften optimal an das Stempel-Medium angepasst sind.
  14. Programmierbarer Mikrostempel nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Prozessmedium oder seine Bestandteile zwecks Manipulation eine gesteuerter mechanischer Krafteinwirkung ausübbar ist.
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