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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Um
sowohl die Vorteile des Mikro-Kontakt-Stempelns als auch des flexiblen
Beschichtens nutzen zu können,
bedarf es eines programmierbaren Stempels.
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Für solche
Einrichtungen sind smarte Hydrogele von besonderem Interesse, da
sie sehr günstige aktorische
und mechanische Eigenschaften und zudem eine herausragende Miniaturisierbarkeit
besitzen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Derartige
automatische Mikro-Kontakt-Druck-Stempel können auch in Kombination mit elektronischen
Schnittstellen ausgeführt
sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines programmierbaren Mikro-Kontaktdruck-Stempels
auf Basis temperatursensitiver smarter Hydrogele mit LCST-Charakteristik,
die durch Photovernetzen hergestellt werden,
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1a die
Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors im gequollenen bzw.
aktiven Zustand,
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1b die
Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors im entquollenen bzw.
inaktiven Zustand,
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2 das
Volumenphasenübergangsverhalten
temperatursensitiver smarter Hydrogele,
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3 den
prinzipiellen Aufbau eines programmierbaren Mikro-Kontaktdruck-Stempels
mit Abdeckfolie,
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4 die
Konfiguration eines einzelnen Hydrogelaktors zum mechanischen Manipulieren
von Probanden,
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5 die
Auslenkungszeit eines einzelnen Hydrogelaktors auf Basis des temperatursensitiven Hydrogels
PNIPAAm in Abhängigkeit
von der applizierten Heizleistung.
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Anhand
von 1 soll zunächst
ein mögliches
Fertigungsverfahren und dann die Wirkungsweise sowie Anwendungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Mikro-Arrays
vorgestellt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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