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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Einrichtung
und ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Einrichtung.
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Mikrofluidische
Einrichtungen, die Elemente in Mikrometergröße
enthalten, sind bisher aus nicht-Silizium-Materialien nur schwer
herzustellen. Insbesondere Einrichtungen, die viele gleichartige Strukturelemente
mit Abmessungen deutlich kleiner als 10 μm enthalten, lassen
sich nur schwer realisieren. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehr
als zwei Dimensionen Strukturabmessungen in dieser Größenordnung
aufweisen sollen.
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Abformende
Verfahren wir Spritzguss, Mikrospritzguss, Spritzprägen,
Heißprägen oder Laserstrukturierung können
entweder nur, verglichen mit den Mikrostrukturen, vergleichsweise
große Körper realisieren oder sind hinsichtlich
der möglichen Formgebung eingeschränkt. Lithographische
Verfahren schränken auf der anderen Seite die Materialvielfalt ein
und erlauben meist nur ebene Strukturierungen.
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Poröse
Membranen sind flächige, ebene oder röhrenförmige
Strukturen aus festen Materialien mit durch diese Strukturen durchführende
Poren oder Durchbrüchen, die sich besonders zur Abtrennung von
festen Teilchen aus Gasen oder Flüssigkeiten einsetzen
lassen (Pusch & Walch
Angew. Chem. Int. Engl. Ed. 1982, 94, 660). Hierbei haben
sich insbesondere mikroporöse Membranen, d. h. Membranen mit
Porendurchmessern unterhalb von 0.001 mm als besonders vorteilhaft
erwiesen.
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Eine
besondere Klasse von poröse Membranen sind die sogenannten
Mikrosiebe, d. h. Membranen mit Durchbrüchen einheitlicher
Durchmesser, bei denen die Membrandicke nicht wesentlich oberhalb des
Durchmessers der Durchbrüche liegt (van Rijn, C.
J. M.; Elwenspoek, M. C. in Proc. of the workshop of Micro Electro
Mechanical Systems, IEEE, Amsterdam 1995, 83–87./Kuiper,
S.; van Rijn, C. J. M.; Nijdam, W.; Elwenspoek, M. C. J. Membr.
Sci. 1998, 150, 1–8./van Rijn, C. J. M.;
Veldhuis, G. J.; Kuiper, S. Nanotechnology 1998, 9, 343–345/van
Rijn, C. J. M. in Nano and Micro Engineered Membrane Technology,
Membrane Science and Technology (Series 10), Elsevier, Amsterdam
2003).
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Diese
Mikrosiebe haben im Vergleich zu anderen porösen Membranen
die Vorteile einer schärferen Größenselektivität,
eines geringeren Strömungs- bzw. Diffusionswiderstandes und
einer geringeren Tendenz zur Ablagerung eines Filterkuchens. Mikrosiebe
können nur aus einer einfachen dünnen Platte bestehen,
die außer den Durchbrüchen einheitlicher Größe
keine weiteren Strukturierungen enthält oder hierarchisch
aufgebaut sein, d. h. zusätzlich zu den Durchbrüchen
Strukturen auf anderen Längenskalen als den Durchmessern
der Durchbrüche besitzen, die z. B. für eine verbesserte
mechanische Stabilität sorgen. Mikrosiebe können
mittels lithographischer Verfahren durch Abformen lithographisch hergestellter
Master, durch Einbetten einheitlicher Partikel in eine dünne
Membran und deren anschließendes Herauslösen,
oder durch Tintenstrahldruck erzeugt werden.
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Aus
der
DE 10 2006
036 863 A1 ist ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur
Erzeugung von Mikrosieben bekannt, die mittels der sogenannten partikelassistierten
Benetzung hergestellt werden. Hierbei wird eine Mischung bestehend
aus einem Monomer, einem Photoinitiator, Partikeln und einem Lösungsmittel
auf einer Wasseroberfläche aufgebracht. Das Lösungsmittel
wird abgedampft und das Monomer wird durch Aktivierung des Photoinitiators mittels
UV-Strahlung ausgehärtet, so dass eine Membran entsteht.
Zuletzt werden die Partikel aus der Membran entfernt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstige
mikrofluidische Einrichtung mit integrierter mikroporöser
Membran und ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung
einer mikrofluidischen Einrichtung mit integrierter mikroporöser
Membran anzugeben.
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Erfindungsgemäß gelöst
wird diese Aufgabe durch eine mikrofluidische Einrichtung mit zumindest einem
strukturierten Substrat, das zumindest eine fluidaufnehmende und/oder
-transportierende Struktur aufweist, und zumindest einer mikroporösen Membran,
die mit dem strukturierten Substrat zur Aufnahme und/zum Transport
eines Fluids verbunden ist.
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Hierdurch
ist es möglich, die mikroporöse Membran getrennt
vom strukturierten Substrat herzustellen. Auf eine kostenintensive,
integrale Herstellung von mikroporösen Strukturen und fluidstransportierenden,
bzw. fluidaufnehmenden Strukturen kann verzichtet werden. Darüber
hinaus kann die Gestaltungsfreiheit derartiger mikrofluidischer
Einrichtungen im Hinblick auf die Strukturierung der mikroporösen
Membran erhöht werden. Unter einem Fluid sind Flüssigkeiten
oder Gase zu verstehen. Diese können – müssen
aber nicht – zumindest teilweise als Träger anderer
Substanzen dienen.
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Vorzugsweise
ist die mikroporöse Membran ein Mikrosieb. Mikrosiebe weisen
Membranen mit Durchbrüchen einheitlicher Größe
auf, bei denen die Membrandicke nicht wesentlich oberhalb des Durchmessers,
bzw. des äquivalenten Durchmessers der Durchbrüche
liegt. Ein Mikrosieb besteht aus aktiver Schicht (übernimmt
die Filteraufgabe) und Stützstruktur (Stabilisierung der
aktiven Schicht).
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Vorzugsweise
weist die mikroporöse Membran eine hierarchische Struktur
auf, d. h. verfügt zusätzlich zu den Mikrostrukturen über
weitere Strukturen auf anderen Längenskalen als den Mikrostrukturen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel überspannt die
mikroporöse Membran die fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur zumindest teilweise.
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Vorzugsweise
sind das strukturierte Substrat und die mikroporöse Membran
als separate Bauteile ausgebildet, die in getrennten Herstellungsprozessen
zeitversetzt und/oder an unterschiedlichen Orten hergestellt werden
können.
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Vorzugsweise
besteht die mikroporöse Membran aus zumindest einem Polymer.
Hierdurch können die Kosten der mikrofluidischen Einrichtung weiter
reduziert werden.
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Vorzugsweise
weist die fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur zumindest
einen Kanal und/oder eine Vertiefung und/oder ein Reservoir und/oder
ein Loch und/oder eine Erhebung auf.
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Vorzugsweise
ist die fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur kleiner
10 mm, vorzugsweise kleiner 1 mm, und vorzugsweise größer
10 μm.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die mikroporöse
Membran durchgehende Poren auf. Somit lässt sich die bevorzugte mikrofluidische
Einrichtung zur Filtration von Substanzen, beispielsweise zur Blutfiltration
einsetzen. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Ausführungsform,
in der das Mikrosieb aus einem oder mehreren Polymeren besteht,
als ganz besonders vorteilhaft eine Ausführungsform in
der ein Mikrosieb enthalten ist, dass durch Abformen und Herauslösen von
Partikeln insbesondere über partikelassistierte Benetzung
hergestellt wurde.
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Vorzugsweise
enthält die mikroporöse Membran Poren kleiner
100 μm, vorzugsweise kleiner 10 μm, vorzugsweise
kleiner 5 μm, die vorzugsweise mittels partikelassistierter
Benetzung hergestellt sind. Alternativ oder zusätzlich
enthält die mikroporöse Membran Poren größer
10 μm, die vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens hergestellt
sind. Vorzugsweise beträgt die Standardabweichung der Porengröße
weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10%, ganz besonders
bevorzug weniger als 3% der mittleren Porengröße.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Dicke der mikroporösen
Membran kleiner/gleich einem doppelten Durchmesser einer Pore der
mikroporösen Membran, vorzugsweise kleiner gleich dem Durchmesser
einer Pore, vorzugsweise kleiner gleich 60% des Durchmessers einer
Pore. Hierdurch sind mikrofluidische Einrichtungen realisierbar,
bei denen die Porengröße in derselben Größenordnung
liegt wie die Membrandicke.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die mikroporöse Membran mit dem
strukturierten Substrat mittels einer stoffschlüssigen
Fügung, vorzugsweise mittels Flüssigkleben oder
Lösemittelkleben oder Klebeband oder Schweißen
oder Thermokompressionsbonden oder Ultraschallbonden oder einer
Kombination dieser Fügungen, verbunden ist. Dies ermöglicht
eine besonders zuverlässige Verbindung der mikroporösen
Membran mit dem strukturierten Substrat.
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Vorzugsweise
sind zumindest zwei mikroporöse Membranen, die sich vorzugsweise
zumindest teilweise überdecken, auf dem strukturierten
Substrat aufgebracht. Durch die zwei mikroporösen Membranen
ist die bevorzugte mikrofluidische Einrichtung in der Lage, Substanzen
unterschiedlicher Größe aus einer Flüssigkeit
zu filtern, wenn sich die Porengröße der Membranen
unterscheidet. Die Überdeckung der mikroporösen
Membranen dient der Verstärkung im Hinblick auf zu erwartende
Druckverhältnisse.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zumindest
ein erstes und ein zweites strukturiertes Substrat einander gegenüberliegend
angeordnet, und die mikroporöse Membran ist zwischen den
beiden strukturierten Substraten angeordnet. Hierdurch wird ein
besonders kostengünstiger Aufbau der bevorzugten mikrofluidischen
Einrichtung realisiert, da die mikroporöse Membran auf
einfache Art und Weise zwischen fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Strukturen eingebettet werden kann.
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Vorzugsweise
weist zumindest das erste strukturierte Substrat ein Reservoir auf,
das durch die mikroporöse Membran überspannt ist,
und zumindest das zweite strukturierte Substrat weist einen Kanal
auf, der zum Reservoir führt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das erste
strukturierte Substrat einen weiteren Kanal auf, der in das Reservoir
mündet, und die beiden Kanäle verlaufen vorzugsweise
in unterschiedlichen Ebenen, vorzugsweise in Parallelebenen.
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Vorzugsweise
weisen beide strukturierten Substrate Kanäle auf, die zumindest
teilweise nur durch die mikroporöse Membran voneinander
getrennt sind.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn in zumindest einem Bereich, in dem sich
die Kanäle überschneiden, die Kanäle
des einen strukturierten Substrates im Wesentlichen rechtwinklig
zu den Kanälen des anderen strukturierten Substrats verlaufen.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele der mikrofluidischen Einrichtung
sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Die
vorgenannte Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Einrichtung,
insbesondere einer mikrofluidischen Einrichtung nach zumindest einem
der vorangegangenen Ausführungsbeispiele, mit den folgenden
Schritten:
- – Ausbilden zumindest einer
fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur in zumindest einem
Substrat, und
- – Aufbringen und Verbinden zumindest einer mikroporösen
Membran auf und mit dem strukturierten Substrat.
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Da
diese mikrofluidische Einrichtung nicht integral hergestellt werden
muss, ermöglicht das erfindungsgemäße
Verfahren die Verringerung der Herstellungskosten. Ferner können
die mikroporöse Membran und das strukturierte Substrat
aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden.
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Vorzugsweise
wird die mikroporöse Membran auf das strukturierte Substrat
derart aufgebracht, dass die mikroporöse Membran die fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur zumindest teilweise überspannt.
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Vorzugsweise
werden Poren der mikroporösen Membran durch Einbetten und
anschließendes Herauslösen von Partikeln erzeugt.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die mikroporöse
Membran durch Aufbringen von Mischungen aus Partikeln und einer aushärtbaren
Flüssigkeit auf die Oberfläche einer als Unterlage
dienenden Flüssigkeit, Aushärten der aushärtbaren
Flüssigkeit und Entfernen der Partikel erzeugt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn vor dem Aufbringen der mikroporösen
Membran auf das strukturierte Substrat die fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt
wird. Beim Aufbringen und Verbinden der mikroporösen Membran
begünstigt die vorhandene Flüssigkeit das Überspannen
der fluidaufnehmenden und/oder -transportierenden Struktur mittels
der mikroporösen Membran. Ferner wird beispielsweise das
Verfahren der partikelassistierten Benetzung durch die vorhandene
Flüssigkeit direkt auf dem strukturierten Substrat anwendbar.
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Vorzugsweise
wird in zumindest einem der strukturierten Substrate die fluidaufnehmende und/oder
transportierende Strukturen zumindest teilweise mit einer als Unterlage
dienenden Flüssigkeit gefüllt, und auf dieser
wird durch Aufbringen von Mischungen aus Partikeln und einer aushärtbaren
Flüssigkeit, Aushärten der aushärtbaren
Flüssigkeit und Entfernen der Partikel eine mikroporöse
Membran erzeugt.
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Vorzugsweise
wird die fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur mittels
eines (um-)formenden oder eines abtragenden oder eines lithographischen
Verfahrens oder einer Kombination dieser Verfahren hergestellt.
Auf diese Weise sind die größeren Strukturen der
mikrofluidischen Einrichtung kostengünstig herstellbar,
wobei die kleineren Strukturen der mikroporösen Membran
vorzugsweise durch andere Verfahren hergestellt werden, da umformende,
abtragende und lithographische Verfahren die Materialvielfalt und/oder
die realisierbare Größenordnung und/oder die Geometrie
der mikroporösen Membran unnötig einschränken.
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Vorzugsweise
werden in der mikroporösen Membran Poren kleiner 100 μm,
vorzugsweise kleiner 10 μm, vorzugsweise kleiner 5 μm,
ausgebildet, die vorzugsweise mittels partikelassistierter Benetzung
hergestellt werden. Hierdurch ist eine kostengünstige Herstellung
sich wiederholender, kleiner Strukturen möglich, um die
Kosten für das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Verfahrens zur Herstellung einer mikrofluidischen Einrichtung
weiter zu verringern.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden in der
mikroporösen Membran Poren oder weitere Poren größer
10 μm ausgebildet, die vorzugsweise mittels eines Druckverfahrens
hergestellt werden. Auch hierdurch lassen sich die Herstellungskosten
verringern.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die mikroporöse
Membran mit dem strukturierten Substrat mittels eines stoffschlüssigen
Fügeverfahrens, vorzugsweise mittels Flüssigkleben
oder Lösemittelkleben oder Klebeband oder Schweißen
oder Thermokompressionsbonden oder Ultraschallbonden oder einer
Kombination dieser Fügeverfahren, verbunden.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn die mikroporöse Membran oder eine
weitere mikroporöse Membran und/oder Stützstruktur
auf dem strukturierten Substrat oder einer zuvor aufgebrachten,
mikroporösen Membran mittels eines Druckverfahrens, vorzugsweise
mittels Inkjet-Drucks, aufgedruckt wird. Indem die mikroporöse
Membran oder Stützstruktur mittels Materialaufdrucks auf
das strukturierte Substrat oder auf eine andere, zuvor aufgebrachte
mikroporöse Membran aufgebracht wird, können die
Herstellungskosten weiter verringert werden. Des Weiteren ist der
Materialaufdruck besonders flexibel einsetzbar, so dass mikroporöse
Membranen unterschiedlicher Geometrien hergestellt werden können.
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Ebenfalls
ist es von Vorteil, wenn die mikroporöse Membran oder eine
weitere mikroporöse Membran auf dem strukturierten Substrat
oder einer zuvor aufgebrachten, mikroporösen Membran mittels partikelassistierter
Benetzung ausgebildet wird. Auch hierdurch werden die Herstellungskosten
weiter verringert.
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Vorzugsweise
werden zumindest zwei mikroporöse Membranen, die sich vorzugsweise
zumindest teilweise überdecken, auf dem strukturierten Substrat
aufgebracht. Hierdurch ist es möglich, Substanzen unterschiedlicher
Größe aus dem zu filternden Fluid herauszufiltern
und/oder die mikroporösen Membranen durch Überdeckung
im Hinblick auf die zu überspannende Fläche lokal
zu verstärken. Dies ist insbesondere dann von Vorteil,
wenn die Membran nicht als Diffusionsmembran eingesetzt wird, sondern
wenn im Betrieb vor und hinter der Membran unterschiedliche Drücke
herrschen.
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Vorzugsweise
werden zumindest ein erstes und ein zweites strukturiertes Substrat
einander gegenüberliegend angeordnet, und die mikroporöse Membran
wird zwischen den beiden strukturierten Substraten angeordnet.
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Vorzugsweise
wird die mikrofluidischen Einrichtung nach zumindest einem der vorangegangenen
Ausführungsbeispiele zum Trennen von biologischer Materie
von einer die biologische Materie umgebenden Flüssigkeit
verwendet.
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Eine
vorteilhafte Verwendung dieser mikrofluidischen Einrichtung ist
die Separation von Zellen aus biologischen Flüssigkeiten,
insbesondere Blut.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung
einer mikrofluidischen Einrichtung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen
dargelegt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen Figuren näher
erläutert. In diesen zeigen:
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1 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer mikrofluidischen
Einrichtung,
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2a ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
einer mikrofluidischen Einrichtung, bei dem eine mikroporöse
Membran direkt auf einem strukturierten Substrat ausgebildet wird,
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2b ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
einer mikrofluidischen Einrichtung, bei dem eine bereits hergestellte mikroporöse
Membran auf ein strukturiertes Substrat aufgebracht wird, und
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2c ein
drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
einer mikrofluidischen Einrichtung, bei dem eine mikroporöse
Membran durch eine Stützstruktur verstärkt wird
und anschließend auf ein strukturiertes Substrat aufgebracht
wird.
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Die
mikrofluidische Einrichtung 1 weist mit Bezug auf 1 in
ihrem oberen Bereich ein erstes strukturiertes Substrat 2a und
in ihrem unteren Bereich ein zweites strukturiertes Substrat 2b auf.
Jedoch ist es prinzipiell auch möglich, dass die mikrofluidische
Einrichtung 1 nur ein einziges strukturiertes Substrat
oder mehr als zwei strukturierte Substrate aufweist.
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In
das erste strukturierte Substrat 2a ist eine erste fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3a eingebracht. In
das zweite strukturierte Substrat 2b ist eine zweite fluidaufnehmende und/oder
-transportierende Struktur 3b eingebracht. Während
die erste fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur 3a an
der Unterseite des ersten strukturierten Substrats 2a vorgesehen
ist, ist die zweite fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur 3b an der Oberseite des zweiten strukturierten
Substrats 2b vorgesehen. Auch andere Anordnungen der fluidaufnehmenden
und/oder -transportierenden Strukturen 3a, 3b sind
möglich.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind beide fluidaufnehmenden
und/oder -transportierenden Strukturen 3a, 3b als
Vertiefungen, vorzugsweise als Kanäle, ausgebildet. Diese
beiden Kanäle verlaufen in unterschiedlichen Ebenen, vorzugsweise,
wie in 1 gezeigt, in Parallelebenen. Es ist jedoch auch
möglich, dass die beiden Kanäle in derselben Ebene
verlaufen, bzw. in sich schneidenden Ebenen. In 1 verlaufen
die beiden Kanäle zudem rechtwinklig zueinander. Beispielsweise
ist es jedoch auch möglich, dass beide Kanäle
in derselben Richtung verlaufen.
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An
einem Überkreuzungspunkt sind die beiden Kanäle
nur durch eine mikroporöse Membran 5 getrennt.
Die strukturierten Substrate 2a, 2b sind einander
gegenüber angeordnet, und die mikroporöse Membran 5 ist
zwischen den beiden strukturierten Substraten 2a, 2b angeordnet.
Hierzu kann die mikroporöse Membran 5 entweder
am ersten strukturierten Substrat 2a oder am zweiten strukturierten Substrat 2b oder
an beiden strukturierten Substraten 2a, 2b befestigt
sein.
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Durch
den ersten Kanal im ersten strukturierten Substrat 2a wird
ein Fluid mit einer zu filternden Substanz 4 transportiert.
Am Schnittpunkt der beiden Kanäle diffundiert das Fluid
durch die mikroporöse Membran 5, die vorzugsweise
als Mikrosieb mit durchgängigen Poren 7 ausgeführt
ist, und gelangt in den zweiten Kanal im zweiten strukturierten
Substrat 2b. Es ist auch möglich, dass aufgrund
eines Druckunterschieds das Fluid durch die mikroporöse
Membran gepresst wird. Größere Bestandteile der
zu filternde Substanz 4 sind zu groß und werden
von der mikroporösen Membran 5 zurückgehalten
und beispielsweise durch einen weiteren Kanal abtransportiert.
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Weiterhin
ist es möglich, dass eines der beiden strukturierten Substrate 2a, 2b ein
Reservoir aufweist, während das andere strukturierte Substrat 2a, 2b einen
Kanal aufweist, der zum Reservoir führt. Das Reservoir
wird teilweise oder vollständig durch die mikropo röse
Membran 5 überspannt. Ein weiterer Kanal, der
im selben strukturierten Substrat 2a, 2b vorgesehen
ist wie das Reservoir, mündet in das besagte Reservoir.
Das Reservoir kann auch in beiden strukturierten Substraten 2a, 2b ausgebildet
sein Weiterhin ist es möglich, dass beide strukturierten Substrate 2a, 2b Kanäle
aufweisen, die zumindest teilweise nur durch die mikroporöse
Membran 5 voneinander getrennt sind und beide von strömenden Fluiden
durchspült sind. Die durch die mikroporöse Membran 5 von
der einen Seite zur anderen durchtretenden Substanzen können
so durch die Strömung fortgetragen und z. B. zu einer Analyseeinheit weitertransportiert
werden.
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Vorzugsweise
sind in den strukturierten Substraten 2a, 2b jeweils
eine Mehrzahl von fluidaufnehmenden und/oder -transportierende Strukturen 3a, 3b vorgesehen.
Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Mehrzahl von Kanälen
und Reservoirs handeln. Ebenso ist es beispielsweise denkbar, dass mehrere
Kanäle zu einem einzelnen Reservoir hinführen
und/oder von diesem wegführen.
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Jedoch
sind auch andere fluidaufnehmende und/oder -transportierende Strukturen 3a, 3b denkbar,
beispielsweise Vertiefungen und/oder Löcher und/oder Erhebungen
in einem der strukturierten Substrate 2a, 2b oder
in beiden strukturierten Substraten 2a, 2b.
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Gleiches
gilt für eine mikrofluidische Einrichtung 1, die
nur ein einziges strukturiertes Substrat aufweist. Hier kann die
mikroporöse Membran 5 beispielsweise in einen
Kanal eingebracht sein und diesen in einen ersten Abschnitt und
einen zweiten Abschnitt unterteilen.
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Dementsprechend
weist die mikrofluidische Einrichtung 1 zumindest ein strukturiertes
Substrat 2a, 2b auf, das zumindest eine fluidaufnehmende und/oder
-transportierende Struktur 3a, 3b aufweist. Ferner
ist zumindest eine mikroporöse Membran 5 vorgesehen,
die mit dem strukturierten Substrat 2a, 2b zur
Aufnahme und/oder zum Transport des Fluids verbunden ist. Vorzugsweise
ist die mikroporöse Membran 5 mit dem strukturierten
Substrat 2a, 2b mittels eines stoffschlüssigen
Fügeverfahrens verbunden. Hierbei kann es sich um Flüssigkleben
oder Lösemittelkleben oder Klebeband oder Schweißen oder
Thermokompressionsbonden oder Ultraschallbonden handeln. Auch eine
Kombination der vorgenannten Fügeverfahren ist möglich.
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Die
mikroporöse Membran 5 ist auf oder in dem strukturierten
Substrat 2a, 2b derart angeordnet, dass sie die
fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b,
bei spielsweise den Kanal oder das Reservoir, teilweise oder vollständig überspannt.
Insbesondere ist es hierbei von Vorteil, wenn die mikroporöse
Membran 5 ein Mikrosieb mit durchgehenden Poren 7 ist.
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Das
strukturierte Substrat 2a, 2b und die mikroporöse
Membran 5 sind als separate Bauteile ausgebildet. Beispielsweise
ist es in diesem Zusammenhang möglich, die mikroporöse
Membran 5 aus zumindest einem Polymer herzustellen. Das
strukturierte Substrat 2a, 2b kann zumindest teilweise
aus Silizium und/oder Keramik und/oder Glas und/oder Metall bestehen.
Jedoch ist auch eine Herstellung des strukturierten Substrats 2a, 2b aus
einem oder mehreren Polymeren möglich. Dieses Polymer oder
diese Polymere können mit dem Polymer oder den Polymeren
der mikroporösen Membran 5 identisch sein, können
jedoch auch unterschiedlich sein.
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Es
ist möglich, die mikroporöse Membran 5 mittels
eines Druckverfahrens, vorzugsweise mittels Inkjet-Drucks, direkt
auf das strukturierte Substrat 2a, 2b aufzubringen
und somit stoffschlüssig ohne weiteres Fügeverfahren
mit dem strukturierten Substrat 2a, 2b zu verbinden.
Ebenso ist es möglich, die mikroporöse Membran 5 mittels
partikelassistierter Benetzung direkt auf dem strukturierten Substrat 2a, 2b auszubilden
und somit stoffschlüssig ohne weiteres Fügeverfahren
mit dem strukturierten Substrat 2a, 2b zu verbinden.
Auf diese Herstellungsmöglichkeiten wird separat noch eingegangen
werden.
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Mit
den vorgenannten Verfahren ist es jedoch auch möglich,
die mikroporöse Membran 5 als separates Bauteil
zeitversetzt und/oder an einem anderen Ort herzustellen.
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Hinsichtlich
der Strukturgröße der fluidaufnehmenden und/oder
-transportierenden Struktur 3a, 3b weist ein Querschnitt
der fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b vorzugsweise
eine Breite oder einen (äquivalenten) Durchmesser im Bereich
von 10 μm bis 10 mm auf. Vorzugsweise liegt dieser Bereich
zwischen 10 μm und 1 mm, insbesondere vorzugsweise zwischen
50 μm und 500 μm.
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Hinsichtlich
der Strukturgröße der mikroporösen Membran 5 weist
die mikroporöse Membran 5 Poren 7 auf,
deren Querschnitt vorzugsweise eine Breite oder einen (äquivalenten)
Durchmesser im Bereich von 10 μm bis 100 μm hat,
wobei eine derartige mikroporöse Membran 5 vorzugsweise
mittels eines Druckverfahrens hergestellt wird, jedoch auch andersartig
hergestellt werden kann. Die Breite bzw. der Durchmesser der Poren 7 kann
auch kleiner als 10 μm, vorzugsweise kleiner als 5 μm
sein, wobei es hierzu von Vorteil ist, wenn eine derartige mikroporöse
Membran 5 mittels partikelassistierter Benetzung hergestellt
wird. Vorzugsweise beträgt die Standardabweichung der Porengröße
weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10%, ganz besonders bevorzug
weniger als 3% der mittleren Porengröße.
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Insbesondere
ist es von Vorteil, wenn die Porengröße der mikroporösen
Membran 5 in derselben Größenordnung
liegt, wie die Dicke der mikroporösen Membran 5.
Vorzugsweise ist daher die Dicke der mikroporösen Membran 5 kleiner/gleich
einem doppelten (äquivalenten) Durchmesser bzw. einer doppelten
Breite des Querschnitts einer Pore 7 der mikroporösen
Membran 5, besonders bevorzugt kleiner gleich dem Durchmesser
einer Pore 7, ganz besonders bevorzugt kleiner gleich 60%
des Durchmessers einer Pore 7.
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Um
die Struktur der mikroporösen Membran 5 zu verstärken,
ist es möglich, dass sich zwei oder mehrere mikroporöse
Membranen 5 zumindest teilweise überdecken. Insbesondere
ist es beispielsweise möglich, dass auf eine beispielsweise
mittels partikelassistierter Benetzung hergestellte Membran eine
oder mehrere Stützstrukturen 8 beispielsweise mittels
eines Druckverfahrens aufgebracht werden.
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Sämtliche
vorherigen Erläuterungen gelten gleichermaßen
für mikrofluidische Einrichtungen 1, die zwei
oder mehrere strukturierte Substrate 2a, 2b aufweisen,
und bei denen die mikroporöse Membran 5 zwischen
zwei benachbarten mikrostrukturierten Substraten 2a, 2b angeordnet
ist.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung einer bevorzugten mikrofluidischen
Einrichtung 1, wie sie beispielsweise zuvor erläutert
worden ist, beschrieben.
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In
zumindest einem Substrat 2a, 2b wird eine fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b ausgebildet.
Anschließend wird zumindest eine mikroporöse Membran 5 zur
Aufnahme und/oder zum Transport eines Fluids in das strukturierten
Substrat 2a, 2b integriert.
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Die
mikroporöse Membran 5 kann einerseits beispielsweise
mittels partikelassistierter Benetzung hergestellt werden. Hierbei
wird eine Mischung bestehend aus einem oder mehreren Monomeren und/oder
Polymeren, zumindest einem Photoinitiator, Partikeln und zumindest
einem Lösungsmittel auf eine Flüssigkeitsoberfläche
aufgebracht. Das Lösungsmittel wird abgedampft und das
Monomer/Polymer wird bzw. die Monome re/Polymere werden ausgehärtet,
so dass eine Membran entsteht. Vorzugsweise geschieht dies durch
Aktivierung des Photoinitiators durch eine Strahlung der entsprechenden Wellenlänge,
beispielsweise UV-Strahlung. Zuletzt werden die Partikel aus der
Membran entfernt, indem die Partikel beispielsweise aufgelöst
und ausgeschwemmt werden.
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Andererseits
ist es auch möglich, eine mikroporöse Membran 5 mittels
eines Druckverfahrens, d. h. mittels eines materialdruckenden Verfahrens
herzustellen. Hierzu wird beispielsweise eine Mischung aus einem
oder mehreren Monomeren/Polymeren, zumindest einem Photoinitiator
und zumindest einem Lösungsmittel in den Druckkopf eines
Inkjet-Druckers, beispielsweise eines Dimatix-Materialdruckers gegeben.
Diese Mischung wird mit dem gewünschten Porenmuster und
der gewünschten Porengröße in einem oder
mehreren Schritten ausgedruckt, das Lösungsmittel wird
abgedampft und das Monomer/Polymer wird bzw. die Monomere/Polymere
werden ausgehärtet. Vorzugsweise geschieht dies durch Aktivierung
des Photoinitiators durch eine Strahlung der entsprechenden Wellenlänge,
beispielsweise UV-Strahlung. Auf diese Art und Weise ist es beispielsweise
auch möglich, eine Stützstruktur 8 auf eine
zuvor hergestellte, mikroporöse Membran 5 aufzudrucken.
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Alternativ
ist es auch möglich, mittels eines Inkjet-Druckers auf
einem Substrat zunächst porenbildende Tropfen einer Flüssigkeit
abzusetzten und diese mit einer aushärtbaren Flüssigkeit,
die mit der porenbildenden Flüssigkeit eine Mischungslücke
aufweist, so zu Oberschichten, dass die porenbildenden Tropfen die
Schicht der aushärtbaren Flüssigkeit durchstoßen,
die aushärtbaren Flüssigkeit auszuhärten
und anschließend das Substrat und die porenbildende Flüssigkeit
zu entfernen.
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Weist
die mikroporöse Membran nur Strukturgrößen
größer 10 μm auf, ist es möglich,
eine solche Membran ausschließlich mittels eines Druckverfahrens
herzustellen. Sollen die Strukturgrößen kleiner
als 10 μm sein, insbesondere kleiner als 5 μm
wie beispielsweise zur Filtration von Blut und anderen zellhaltigen
Flüssigkeiten, ist es von Vorteil, die mikroporöse
Membran 5 mittels partikelassistierter Benetzung herzustellen.
Generell ist es jedoch auch möglich, beide Herstellungsverfahren
bei der Herstellung der mikroporösen Membran 5 zu
kombinieren, wobei sich die Strukturen, die mittels partikelassistierter
Benetzung und die Strukturen, die mittels des Druckverfahrens hergestellt
werden, überlappen können aber nicht überlappen
müssen.
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Es
ist möglich, die mikroporöse Membran 5, vorzugsweise
mit einer hierarchischen Struktur, mittels partikelassistierter
Benetzung und/oder mittels des Druckverfahrens zeitlich und/oder
räumlich getrennt von dem strukturierten Substrat 2a, 2b herzustellen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist es jedoch auch möglich, die mikroporöse Membran 5 mittels
partikelassistierter Benetzung, vorzugsweise mit einer hierarchischen
Struktur, direkt auf dem strukturierten Substrat 2a, 2b herzustellen,
bzw. mittels des Druckverfahrens direkt auf das strukturierte Substrat 2a, 2b aufzudrucken.
Auch eine Kombination der beiden Verfahren direkt auf dem strukturierten
Substrat 2a, 2b ist möglich.
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Hierbei
ist es insbesondere von Vorteil, wenn vor dem Aufbringen der mikroporösen
Membran 5 mittels partikelassistierter Benetzung die fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b des
strukturierten Substrats 2a, 2b zumindest teilweise
mit einer Flüssigkeit 6, vorzugsweise wässrige Phase,
gefüllt wird. Beim anschließenden Aufbringen der
mikroporösen Membran 5 auf das strukturierte Substrat 2a, 2b ist
es dann auf einfache Art und Weise möglich, die fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b teilweise
oder vollständig zu überspannen, da sie mit der
Flüssigkeit 6 gefüllt ist.
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Vorzugsweise
wird, wie bereits zuvor erläutert, die mikroporöse
Membran 5 aus zumindest einem Kunststoff, insbesondere
einem oder mehrere Monomeren, einem oder mehreren Polymeren oder einer
Kombination aus Monomeren und Polymeren, hergestellt. Die fluid-aufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b wird
vorzugsweise mittels eines (um-)formenden oder eines abtragenden
oder eines lithographischen Verfahrens oder einer Kombination dieser
Verfahren in dem Substrat 2a, 2b ausgebildet.
Insbesondere kann die fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur 3a, 3b als Kanal und/oder Vertiefung
und/oder Reservoir und/oder Loch und/oder Erhebung in dem Substrat 2a, 2b ausgebildet
werden. Es ist von Vorteil, wenn die mikroporöse Membran 5 als
Mikrosieb vorzugsweise mit durchgehenden Poren 7 hergestellt
wird.
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Wenn
die mikroporöse Membran 5 separat vom strukturierten
Substrat 2a, 2b hergestellt wird, d. h. nicht
direkt auf dem strukturierten Substrat 2a, 2b mittels
partikelassistierter Benetzung ausgebildet wird oder mittels des
Druckverfahrens aufgedruckt wird, ist es von Vorteil, die mikroporöse
Membran 5 mittels eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens
mit dem strukturieren Substrat 2a, 2b zu verbinden.
Vorzugsweise kommen hierzu Flüssigkleben oder Lösemittelkleben
oder Klebeband oder Schweißen oder Thermo kompressionsbonden
oder Ultraschallbonden oder eine Kombination dieser Fügeverfahren
zu Einsatz.
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Auch
ist es möglich, eine mikroporöse Membran 5 mittels
eines dieser Fügeverfahren auf dem strukturierten Substrat 2a, 2b aufzubringen
und eine weitere mikroporöse Membran mittels partikelassistierter
Benetzung und/oder des Druckverfahrens direkt auf der zuvor aufgebrachten,
mikroporösen Membran 5 aufzubringen, so dass sich
die beiden Membranen teilweise oder vollständig überlappen. Umgekehrt
ist es ebenso möglich, auf einer mittels partikelassistierter
Benetzung direkt auf dem strukturierten Substrat 2a, 2b ausgebildeten,
mikroporösen Membran 5 eine weitere mikroporöse
Membran aufzubringen und mittels eines oder mehrerer der vorgenannten
stoffschlüssigen Fügeverfahren zu verbinden.
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Die
vorgenannten Erläuterungen gelten nicht nur für
die Herstellung einer mikrofluidischen Einrichtung 1 mit
einem einzigen strukturierten Substrat 2a, 2b und
einer oder mehrerer mikroporöser Membranen 5,
sondern auch für die Herstellung einer mikrofluidischen
Einrichtung 1, bei der eine oder mehrere mikroporöse
Membranen 5 zwischen zwei oder mehreren strukturierten
Substraten 2a, 2b angeordnet werden.
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In 2a ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
der mikrofluidischen Einrichtung 1 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel
wird die mikroporöse Membran 5 direkt auf dem
strukturierten Substrat 2a, 2b, vorzugsweise mittels
partikelassistierter Benetzung, ausgebildet.
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Zu
Beginn wird ein Substrat mit einer oder mehreren fluidaufnehmenden
und/oder -transportierenden Strukturen 3a, 3b versehen.
Im konkreten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei diesen
fluidaufnehmenden und/oder -transportierenden Strukturen 3a, 3b um
einen oder mehrere Kanäle. Wie bereits zuvor erläutert,
können diese fluidaufnehmenden und/oder -transportierenden
Strukturen 3a, 3b jedoch auch anders ausgebildet
sein.
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Diese
Substrate können sowohl als erstes als auch als zweites
strukturiertes Substrat 2a, 2b verwendet werden.
Ebenfalls ist es möglich, ein Substrat als unstrukturiertes
Substrat 2c auszubilden, um ein strukturiertes Substrat 2a, 2b abzudecken.
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In
Schritt A wird die so hergestellte fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur 3a, 3b des strukturierten Substrats 2b mit
einer Flüssigkeit 6 gefüllt. Vorzugsweise
geschieht dies aus der wässrigen Phase.
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In
Schritt A1 wird eine Mischung aus Partikeln, beispielsweise Kieselgelpartikeln,
und einem Monomer auf die Oberfläche der Flüssigkeit 6 aufgetragen.
Wie bereits zuvor erläutert, kann es sich bei diesen Mischungen
auch um komplexere Mischungen mit mehreren Partikelsorten und/oder
mehreren Monomeren und/oder mehreren Polymeren und/oder einem Photoinitiator
handeln.
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In
Schritt A2 wird das Monomer ausgehärtet, und in Schritt
A3 wird die Flüssigkeit 6 entfernt. Hierbei können
auch schon die Partikel aus dem ausgehärteten Monomer entfernt
werden, so dass die mikroporöse Membran 5 mit
darin eingelagerten oder durchgehenden Poren 7 entsteht.
Es ist jedoch auch möglich, die Partikel erst zu einem
späteren Zeitpunkt zu entfernen.
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Schritt
A4 zeigt eine bevorzugte Modifikation des Verfahrens, wobei eine
Stützstruktur 8 auf die mikroporöse Membran 5 aufgebracht
wird. Vorzugsweise wird diese Stützstruktur 8 aufgedruckt,
beispielsweise mittels Inkjet-Druck. Es ist möglich, nicht
nur eine Stützstruktur 8 sondern mehrere deckungsgleiche
oder unterschiedlich strukturierte Stützstrukturen 8 auf
die mikroporöse Membran 5 aufzubringen. Auch ist
es möglich, anstelle der Stützstruktur 8 eine oder
mehrere zusätzliche mikroporöse Membranen auf
die zuerst aufgebrachte mikroporöse Membran 5 aufzubringen.
Dies kann mittels der zuvor beschriebenen partikelassistierten Benetzung,
wie in den Schritten A1 bis A3, geschehen oder mittels eines anderen
Herstellungsverfahrens, beispielsweise mittels eines Druckverfahrens.
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In
den Schritten A5 und A6 wird zur Herstellung der mikrofluidischen
Einrichtung 1 ein weiteres strukturiertes Substrat 2a auf
die in Schritt A4, bzw. in Schritt A3 hergestellte Baugruppe gefügt.
Randbereiche der mikroporösen Membran 5 befinden
sich nach dieser Fügung zwischen den beiden strukturierten Substraten 2a, 2b.
Vorzugsweise erfolgt die Fügung stoffschlüssig,
jedoch sind auch andere Fügungen möglich.
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In 2b ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
der mikrofluidischen Einrichtung 1 gezeigt. Wie bereits
im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben, liegt zu Beginn
ein strukturiertes Substrat bei 2b vor, das zumindest eine fluidaufnehmende
und/oder -transportierende Struktur 3b aufweist. Ferner
wird im zweiten Ausführungsbeispiel eine mikroporöse
Membran 5 in einem separaten Herstellungsverfahren hergestellt.
Wie bereits zuvor erläutert, kann diese mikroporöse
Membran 5 bei spielsweise mittels partikelassistierter Benetzung oder
mittels eines Druckverfahrens hergestellt werden.
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Vorzugsweise
wird in Schritt B1 die fluidaufnehmende und/oder -transportierende
Struktur 3b des strukturierten Substrats 2b mit
einer Flüssigkeit 6, wie bereits im ersten Ausführungsbeispiel
erläutert, gefüllt.
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Anschließend
wird in Schritt B2 die separat hergestellte mikroporöse
Membran 5 derart auf das strukturierte Substrat 2b aufgebracht
und mit diesem verbunden, dass die mikroporöse Membran 5 zumindest
teilweise die fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur 3b überspannt.
Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens,
beispielsweise mittels Flüssigkleben oder Lösemittelkleben
oder Klebeband oder Schweißen oder Thermokompressionsbonden
oder Ultraschallbonden oder einer Kombination dieser Fügeverfahren.
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Wie
in Schritt B3 gezeigt, ist es jedoch auch möglich, die
mikroporöse Membran 5 auf das strukturierte Substrat 2b aufzubringen
und mit diesem zu verbinden, ohne dass die fluidaufnehmende und/oder
-transportierende Struktur 3b mit einer Flüssigkeit 6 gefüllt
ist.
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Im
Schritt B4 kommt zur Herstellung der mikrofluidischen Einrichtung 1 ein
weiteres strukturiertes Substrat 2 zum Einsatz, wie dies
bereits in den Schritten A5 und A6 des ersten Ausführungsbeispiels erläutert
worden ist. Optional kann vor oder nach dem Schritt B4 die Flüssigkeit 6 entfernt
werden.
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Obwohl
dies im zweiten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist,
ist es auch möglich, mehrere mikroporöse Membranen
auf das strukturierte Substrat 2b, bzw. auf eine zuvor
aufgebrachte, mikroporöse Membranen 5 aufzubringen.
Dies geschieht durch Wiederholung des Schritts B2 bzw. des Schritts
B3. Ebenso ist es möglich, eine oder mehrere Stützstrukturen 8 auf
die auf dem strukturierten Substrat 2b aufgebrachte mikroporöse
Membran 5 aufzubringen.
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In 2c ist
ein drittes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung
der mikrofluidischen Einrichtung gezeigt.
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Die
Verfahrensschritte C1 bis C4 sind im Wesentlichen identisch zu den
Verfahrensschritten B1 bis B4 des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Das
Verfahren in 2c unterscheidet sich von dem
Verfahren in 2b dadurch, dass vor dem Aufbringen
der mikroporosen Membran 5 auf das strukturierte Substrat 2b,
die mikroporöse Membran 5 in Schritt C mit einer
oder mehreren Strukturen versehen wird. Bei diesen Strukturen kann
es sich um Stützstrukturen 8 oder um weitere mikroporöse
Membranen handeln. Beispielsweise kann es sich um ein Sieb mit größeren
Poren handeln, das als Stützstruktur verwendet wird. Die
Stützstruktur 8 und/oder die weitere poröse
Membran wird auf der zuvor hergestellten mikroporösen Membran 5 vorzugsweise
mittels partikelassistierter Benetzung oder mittels eines Druckverfahrens,
wie bereits zuvor erläutert, hergestellt.
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Die
vorangegangenen Ausführungsbeispiele betreffen eine mikrofluidische
Einrichtung 1 mit zumindest einem strukturierten Substrat 2a, 2b,
das zumindest eine fluidaufnehmende und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b aufweist,
und zumindest einer mikroporösen Membran 5, die
mit dem strukturierten Substrat 2a, 2b zur Aufnahme
und/oder zum Transport eines Fluids verbunden ist.
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Ebenso
betreffen die vorangegangenen Ausführungsbeispiele ein
Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Einrichtung 1 mit
den folgenden Schritten:
- – Ausbilden
zumindest einer fluidaufnehmenden und/oder -transportierende Struktur 3a, 3b in
zumindest einem Substrat 2a, 2b, und
- – Aufbringen und Verbinden zumindest einer mikroporösen
Membran 5 auf und mit dem strukturierten Substrat 2a, 2b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006036863
A1 [0007]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Pusch & Walch Angew.
Chem. Int. Engl. Ed. 1982, 94, 660 [0004]
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