-
Die
Erfindung betrifft einen programmierbaren Mikrostempel zum gesteuerten
Bedrucken von Oberflächen
mit mehreren mikro- oder
millimeterskalierten Einzelaktoren, 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
1 442 887 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 1 442 887 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 101 57 317 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
102 26 746 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 102 26 746 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.
-
Letztlich
sind aus der nicht vorveröffentlichten
Druckschrift
DE 103
28 730 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Microarrays
und eine Vorrichtung hierzu bekannt, wobei das Mikroarray einen
Träger aufweist,
auf dem mehrere unterschiedlich ausgebildete Beschichtungsbereiche
nebeneinander angeordnet sind. Die Vorrichtung weist eine Trägerplatte mit Öffnungen
auf, in denen jeweils ein für
wässrige Lösungen saugfähiges Substrat
angeordnet ist, das zur Bildung eines Stempelkissens mit einem Teilbereich
aus der Öffnung
herausragt. Das Mikroarray selbst hat eine in hydrophile und hydrophobe
Bereiche strukturierte Oberfläche
und dient zum Nachweis von bestimmten Liganden in einer zu analysierenden Probe.
-
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 7 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, insbesondere
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 (LCST) – 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
beschichtete Stempelfolie verfügen,
so dass der Stempel nicht extra mit diesem Material benetzt werden muss.
Als Anbindungsmechanismen an den Mikrostempel bzw. seine Stempelfolie
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 Stempelfolie 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 beschichteter Stempelfolie,
-
4 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
100 nm Dicke, Widerstand der Heizelemente 4 ca. 50 Ω, Widerstand der
Leiterzüge 5 im
mΩ-Bereich,
Haftvermittlerschicht 10 nm Titan) mit einer photolithographischen Platin-Dünnfilm-Technologie
(Malz & Schmidt
MSBA-400SP) erzeugt und anschließend mit Siliziumdioxid passiviert
(800 nm 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
(NIPAAm)-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 400-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 200 s 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 1a 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 Aktoren 1a (1a)
die entquollenen Aktoren 1b (1b) erheblich überragen,
wird nur durch die gequollenen Hydrogelaktoren 1a (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
(LOST) – 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 Phasenübergangstemperatur
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 LCST-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 LOST- 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 beschichteten
Stempelfolie 6. Die Stempelfolie 6 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 Materialeinsatz
vermindert. Anschließend
wird die Stempelfolie 6 auf den Stempel aufgelegt oder
aufgespannt. Beim Stempelvorgang werden nur die Abschnitte der beschichtete
Stempelfolie 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 beschichteter
Stempelfolie 6 angelegt sein, da sich dann die Folie besser
an die Aktor-Dots anpassen. Die beschichtete Stempelfolien 6 besitzen als
weiteren Vorteil ihre Austauschbarkeit. Damit können diese hinsichtlich ihren
Adsorptions-, Beständigkeits-
und anderen Eigenschaften optimal an das Stempel-Medium angepasst
werden.
-
Das
zeitliche Auslenkverhalten der Hydrogelaktoren wird neben konstruktiven
Parametern maßgeblich
durch den Betriebsparameter Heizleistung bestimmt. 4 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.
-
- 1a,
1b
- Hydrogelaktor
- 2
- Ansteuerlayer
- 3
- Heizmäander/Heizstruktur
- 4
- Leiterzüge
- 5
- beschichtete
Stempelfolie/Beschichtung des
-
- Hydrogelaktors
- 6
- beschichtete
Stempelfolie
- 7
- Abstandhalter