DE102020123415A1 - Tröpfchenweise digital gesteuertes Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit - Google Patents

Tröpfchenweise digital gesteuertes Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit (103). Die Verwendung umfasst ein tröpfchenweises digital gesteuertes Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf eine Oberfläche (112, 712).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit, eine Vorrichtung, welche ausgebildet ist zu einer entsprechenden Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit, sowie eine Anlage zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, welche eine entsprechende Vorrichtung umfasst.
  • Aus dem Stand der Technik ist die Auftragung von kryogenen Flüssigkeiten auf verschiedene Oberflächen zu verschiedenen Zwecken bekannt. Allerdings erlauben herkömmliche Verfahren oftmals nur eine grobe Kontrolle des Aufragvorgangs, der vielen Anforderungen nicht gerecht wird.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verwendung einer kryogener Flüssigkeiten zu schaffen sowie eine Vorrichtung, welche ausgebildet ist zu einer entsprechenden verbesserten Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird jeweils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Ausführungsformen der Erfindung können miteinander kombiniert werden sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
  • In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise digital gesteuert auf eine Oberfläche aufgebracht wird.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine kryogene Flüssigkeit präzise tröpfchenweise, d.h. tröpfchengenau, auf die Oberfläche aufgebracht wird. Dies ermöglicht eine feinstrukturierte Temperatursteuerung bzw. Abkühlsteuerung auf der entsprechenden Oberfläche. Beispielsweise kann es sich bei den Tröpfchen um Tröpfchen kleiner Tröpfchengröße handeln. Beispielsweise kann es sich um Tröpfchen einer Tröpfchengröße von weniger als 100 Picolitern (pl), vorzugsweise weniger als 10 pl handeln. Beispielsweise kann es sich um Tröpfchen einer Tröpfchengröße von 1 pl bis 10 pl, vorzugsweise 1 pl bis 5 pl handeln. Eine entsprechende feinstrukturierte Temperatursteuerung bzw. Temperaturregulierung auf der Oberfläche ermöglicht es, physikalische und/oder chemische Vorgänge bzw. Reaktionen auf der Oberfläche präzise bzw. punktgenau zu steuern. Ferner kann beispielsweise durch Regulierung der lokal aufgebrachten Menge an kryogener Flüssigkeit die entsprechende Kühlwirkung nicht nur zweidimensional, sondern auch dreidimensional gesteuert werden. Wird lokal mehr kryogene Flüssigkeit aufgetragen, so kann deren Kühlwirkung beispielsweise weitreichender sein. Die Kühlwirkung kann sich beispielsweise weiter in das die behandelte Oberfläche aufweisende Objekt hinein erstrecken. Dies kann beispielsweise durch eine Abkühlung in Form von Wärmeleitung und/oder infolge einer zumindest teilweisen Absorption der kryogenen Flüssigkeit erfolgen. Eine entsprechende Absorption ist abhängig von der Art der verwendeten kryogenen Flüssigkeit und/oder von der strukturellen und chemischen Beschaffenheit der Oberfläche. Wird lokal mehr kryogene Flüssigkeit aufgetragen, so kann deren Kühlwirkung beispielsweise länger anhalten, da ein größeres Kältereservoir bereitgestellt wird.
  • Bei der Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche kann ein zur Aufbringung verwendeter Druckkopf mit der Oberfläche in Kontakt treten oder von dieser beabstandet sein.
  • Nach Ausführungsformen wird durch das digital gesteuerte Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit eine Position des tröpfchenweisen Aufbringens in 2D oder 3D, ein Volumen des tröpfchenweisen Aufbringens und/oder ein Winkel des tröpfchenweisen Aufbringens relativ zu der Oberfläche gesteuert. Beispielsweise kann das Volumen und/oder der Winkel positionsabhängig sein.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit positionsabhängig gesteuert werden kann. Hierbei kann die Position eines oder mehrerer Druckköpfe und/oder einer oder mehrerer Druckdüsen eines Druckkopfes relativ zu der Oberfläche erfasst und gesteuert werden. Beispielsweise erfolgt das tröpfchenweise Aufbringen abhängig von einer Position in 2D, d.h. abhängig von einer Position innerhalb einer Ebene parallel zu der Oberfläche. Beispielsweise erfolgt das tröpfchenweise Aufbringen in Abhängigkeit von einer Position 3D, d.h. in Abhängigkeit von einer Position in drei Dimensionen oberhalb der Oberfläche. Beispielsweise kann die Oberfläche Strukturen umfassen und der Druckkopf kann zusätzlich zu Bewegungen in x- und y-Richtung parallel zur Oberfläche zusätzlich in z-Richtung senkrecht zur Oberfläche bewegt werden. Bei den Richtungen x, y und z handelt es sich beispielsweise um Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems.
  • Ferner kann beispielsweise das Volumen der aufgebrachten kryogenen Flüssigkeit, insbesondere positionsabhängig, gesteuert werden. Durch eine entsprechende Volumenregulierung kann beispielsweise der Grad der Kälte- bzw. Kühlwirkung, eine zeitliche Dauer und/oder eine räumliche Ausdehnung der Kälte- bzw. Kühlwirkung der kryogenen Flüssigkeit, insbesondere in das die Oberfläche aufweisende Objekt hinein, gesteuert werden. Das Volumen der aufgebrachten kryogenen Flüssigkeit kann beispielsweise gesteuert werden durch Steuerung der Anzahl und/oder Größe der an derselben Position aufgebrachten Tröpfchen kryogener Flüssigkeit.
  • Eine Winkelsteuerung des tröpfchenweisen Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit relativ zu der Oberfläche ermöglicht es beispielsweise im Falle einer strukturierten Oberfläche entsprechende Strukturelemente der Oberfläche punktgenau mit kryogener Flüssigkeit zu bedecken. Beispielsweise können im Falle von Erhebungen und/oder Vertiefungen auch Seitenwände der entsprechenden Erhebungen und/oder Vertiefungen in der Oberfläche präzise tröpfchenweise mit kryogener Flüssigkeit bedeckt werden. Beispielsweise ist es möglich, selektiv entsprechende Seitenflächen zu bedecken.
  • Unter einer digitalen Steuerung wird eine computerbasierte Steuerung unter Verwendung von Steuerungsbefehlen verstanden, welche beispielsweise positionsabhängig das tröpfchenweise Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit steuert. Insbesondere kann dabei die Abgabeposition der kryogenen Flüssigkeit in 2D oder 3D sowie das Volumen, d.h. die Anzahl der Tröpfchen und/oder Tröpfchengröße, sowie der Winkel der Tröpfchenabgabe gesteuert werden. Beispielsweise kann auch eine Rate, mit der die Tröpfchen abgegeben werden, gesteuert werden.
  • Eine digitale Steuerung der tröpfchenweisen Abgabe der kryogenen Flüssigkeit kann den Vorteil haben, dass die abgegebene Menge an kryogener Flüssigkeit präzise gesteuert werden kann, und zwar tröpfchenweise, d.h. beispielsweise im Pikoliterbereich. Im Falle einer digitalen Steuerung erfolgt die Steuerung unter Verwendung von digitalen Steuerungsbefehlen. Entsprechende Steuerungsbefehle übersetzen beispielsweise ein vordefiniertes Verteilungsschema zum Verteilen der kryogenen Flüssigkeit auf der Oberfläche in Instruktionen zum Steuern einer die kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche aufbringenden Druckeinheit.
  • Nach Ausführungsformen ist die kryogene Flüssigkeit in einem Behälter gelagert, welcher mit einem digitalen Druckkopf fluidisch verbunden ist. Der digitale Druckkopf wird für das tröpfchenweise Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche digital angesteuert.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass beispielsweise eine Druckeinheit bereitgestellt werden kann mit einem digitalen Druckkopf, welcher digital angesteuert wird und in Abhängigkeit von der Ansteuerung die kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise auf der Oberfläche aufbringt.
  • Nach Ausführungsformen ist der digitale Druckkopf relativ zu der Oberfläche bewegbar.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch eine Bewegung des digitalen Druckkopf in 2D oder 3D verschiedene Abgabepositionen relativ zu der Oberfläche eingenommen werden können und die kryogene Flüssigkeit in Abhängigkeit von der jeweiligen Abgabeposition abgegeben bzw. auf die Oberfläche aufgebracht werden kann. Nach alternativen Ausführungsformen kann ein die Oberfläche umfassendes Objekt in 2D und/oder 3D relativ zu dem Druckkopf bewegbar sein. Beispielsweise können sowohl der Druckkopf als auch das Objekt bewegbar sein. Beispielsweise ist ferner eine Erfassungseinheit vorgesehen, welche die relative Position von Oberfläche und digitalem Druckkopf zueinander erfasst. Hierzu können beispielsweise das Objekt und/oder der digitale Druckkopf Positionsmarkierungen aufweisen, welche von der entsprechenden Erfassungseinheit erfasst werden. Die entsprechende Erfassungseinheit kann beispielsweise einen Bildsensor zur Erfassung von Bilddaten umfassen. Beispielsweise kann die entsprechende Erfassungseinheit zu einer Abstandsmessung mittels Interferometrie, insbesondere Laserinterferometrie, konfiguriert sein.
  • Beispielsweise kann die Position des digitalen Druckkopfs so gesteuert werden, dass dieser einen vordefinierten Mindestabstand zu der Oberfläche einhält. Beispielsweise kann die Position des digitalen Druckkopfs so gesteuert werden, dass dieser einen konstanten Abstand zu der Oberfläche und/oder einen Abstand innerhalb eines vordefinierten Intervalls einhält.
  • Beispielsweise kann die Position des digitalen Druckkopfs so gesteuert werden, dass der Abstand des digitalen Druckkopfs zur Oberfläche positionsabhängig variiert. Dies kann beispielsweise bei komplexen und/oder zerklüfteten 3D Strukturen der Oberfläche vorteilhaft sein.
  • Nach Ausführungsformen hat die Oberfläche vor dem Aufbringen der Flüssigkeit eine Temperatur von über -50°C, von über -20°C, insbesondere von über 0°C. Nach Ausführungsformen hat die Oberfläche vor dem Aufbringen der Flüssigkeit Raumtemperatur. Nach Ausführungsformen hat die Oberfläche vor dem Aufbringen der Flüssigkeit Körpertemperatur eines Tieres oder eines Menschen.
  • Nach Ausführungsformen hat die Oberfläche vor dem Aufbringen der Flüssigkeit eine Temperatur von maximal 100 °C.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass mittels der kryogenen Flüssigkeit eine starke lokale Kühlung der Oberfläche erzielt werden kann. Beispielsweise kann die Temperatur der kryogenen Flüssigkeit -275 bis -75°C betragen. Beispielsweise kann die kryogene Flüssigkeit im Falle von Helium -272°C bis -269°C, im Falle von Wasserstoff -259°C bis - 252°C, im Falle von Stickstoff -210 bis -196°C, im Falle von Argon 189 bis -186°C, im Falle von Sauerstoff -218°C bis -183°C und im Falle von Kohlenstoffdioxid -78,5°C betragen. Durch Anpassung des Drucks können die entsprechenden Temperaturbereiche variiert werden. Beispielsweise können bei einem niedrigeren Druck tiefere Temperaturen mit der kryogenen Flüssigkeit erzielt werden, ohne dass es zu einem Phasenübergang von flüssig zu fest kommt. Beispielsweise können bei einem höheren Druck höhere Temperaturen mit der kryogenen Flüssigkeit erzielt werden, ohne dass es zu einem Phasenübergang von flüssig zu gasförmig kommt.
  • Nach Ausführungsformen erfolgt das Ausbringen der kryogenen Flüssigkeit unter einer Schutzatmosphäre. Nach Ausführungsformen erfolgt das Ausbringen der kryogenen Flüssigkeit unter einer Schutzatmosphäre mit erhöhtem oder verringertem Sauerstoffgehalt relativ zur Normalatmosphäre.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch Verwendung einer Schutzatmosphäre unerwünschte chemische Reaktionen der kryogenen Flüssigkeit und/oder chemischer Komponenten der Oberfläche unterbunden werden können. Für die Schutzatmosphäre können beispielsweise Schutzgase verwendet werden, wie etwa Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Argon, Helium, Wasserstoff und/oder Kohlenstoffdioxid. Der Gehalt der entsprechenden Schutzgase in der Atmosphäre kann relativ zur Normalatmosphäre erhöht werden. Beispielsweise kann eine Schutzatmosphäre, welche ausschließlich ein oder mehrere Schutzgase umfasst, verwendet werden. Beispielsweise kann die Schutzatmosphäre ein Schutzgas umfassen oder ausschließlich aus einem Schutzgas bestehen, welches identisch ist mit der oder den verwendeten kryogenen Flüssigkeiten. Beispielsweise kann der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre verändert werden, insbesondere kann eine sauerstofffreie Atmosphäre verwendet werden, etwa im Falle einer Verwendung von Wasserstoff als kryogener Flüssigkeit. Andererseits kann beispielsweise der Sauerstoffgehalt in der Schutzatmosphäre erhöht werden relativ zur Normalatmosphäre. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, falls die Verwendung der kryogenen Flüssigkeit in Zusammenhang mit einem Oxidationsprozess erfolgt. In diesem Fall wird beispielsweise kein Wasserstoff als kryogene Flüssigkeit verwendet.
  • Nach Ausführungsformen erfolgt das Ausbringen der kryogenen Flüssigkeit unter Überdruck. Nach Ausführungsformen erfolgt das Ausbringen der kryogenen Flüssigkeit unter Unterdruck.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch eine Steuerung des Drucks, unter welchem die kryogene Flüssigkeit aufgebracht wird, die Temperatur der aufgebrachten kryogenen Flüssigkeit gesteuert werden kann. Dies bedeutet, dass der physikalische Zustand der kryogenen Flüssigkeit in der flüssigen Phase abhängig vom Druck ist. Durch Änderung des Drucks kann die Temperatur, bei welcher sich die kryogene Flüssigkeit tatsächlich im flüssigen Zustand befindet, gesteuert werden. Somit kann auch die Temperatur, welche die kryogene Flüssigkeit beim Auftragen als Flüssigkeit aufweist, variiert werden. Beispielsweise kann der Druck verringert werden und dadurch können tiefere Temperaturen mit der kryogenen Flüssigkeit realisiert werden, ohne dass diese in die feste Phase übergeht. Beispielsweise kann der Druck erhöht werden und dadurch können höhere Temperaturen mit der kryogenen Flüssigkeit realisiert werden, ohne dass diese in die Gasphase übergeht. Ferner können durch eine Steuerung des Drucks der Atmosphäre, in welcher die kryogene Flüssigkeit auf die Oberfläche aufgebracht wird, gesteuert werden, ob die aufgebrachte kryogene Flüssigkeit in der flüssigen Phase verbleibt oder in eine gasförmige bzw. feste Phase übergeht. Somit können beispielsweise Kontaktzeiten zwischen der kryogenen Flüssigkeit und der Oberfläche gesteuert werden. Dies ermöglicht einerseits die Wirkung des Fülleffekts zu steuern und zum anderen können somit Interaktionen der kryogenen Flüssigkeit mit weiteren physikalischen und/oder chemischen Prozessen, für welche die Kühlung erfolgt, gesteuert und/oder unterbunden werden. Beispielsweise kann der Druck reduziert werden und dadurch ein Übergang der kryogenen Flüssigkeit von der flüssigen in die gasförmige Phase erzielt werden. Somit kann sich die kryogene Flüssigkeit innerhalb kurzer Zeit von der Oberfläche wieder lösen und eine Störung weiterer nachfolgender physikalischer und/oder chemischer Prozesse vermieden werden.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der kryogenen Flüssigkeit um Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe.
  • Nach Ausführungsformen umfasst die Verwendung ferner:
    • • Erfassen einer 2D und/oder 3D Struktur der Oberfläche und/oder eines Objekts, das die Oberfläche umfasst,
    • • Bestimmen von Strukturelementen der Oberfläche, auf welche die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist, in Abhängigkeit von der erfassten 2D und/oder 3D Struktur; und
    • • Erzeugen von Steuerungsdaten, die zum Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente ausgebildet sind.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine 2D- und/oder 3D-Struktur der Oberfläche bzw. des die Oberfläche umfassenden Objekts erfasst wird. Eine entsprechende Erfassung kann beispielsweise visuell mittels einer Kamera erfolgen. Beispielsweise kann die Erfassung mittels eines Mikroskops erfolgen. Insbesondere kann beispielsweise ein Rastersondenmikroskop, wie etwa ein Rastertunnelmikroskop, Rasterkraftmikroskop, Magnetkraftmikroskop, optisches Rasternahfeldmikroskop oder ein akustisches Rasternahfeldmikroskop verwendet werden. Beispielsweise wird unter Verwendung der erfassten Daten ein digitales Modell, beispielsweise ein 3D Modell, der Oberfläche erstellt. Basierend auf der erfassten 2D- und/oder 3D-Oberflächenstrukturen können Strukturelemente der Oberfläche bestimmt werden, auf welche die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist. Eine entsprechende Bestimmung der Strukturelemente kann beispielsweise durch eine Auswahl eines Nutzers erfolgen oder automatisch unter Verwendung eines Bilderkennungsverfahrens.
  • Beispielsweise kann für eine bestimmte Anwendung vorgegeben sein, welche charakteristischen Eigenschaften Strukturelemente aufweisen, auf welche kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist. Entsprechende Eigenschaften können beispielsweise geometrische Eigenschaften sein oder physikalische Eigenschaften, wie etwa Farbe im Falle einer Bilderfassung der Oberflächenstruktur. Farbe bezieht sich hier auf das Reflexionsverhalten unter Bestrahlung mit Licht ein oder mehrere Wellenlängen im sichtbaren und/oder nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, d.h. monochromatischem oder polychromatischem Licht. In Abhängigkeit von den bestimmten Strukturelementen können Steuerungsdaten erzeugt werden, welche das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente steuern. Die entsprechenden Steuerungsdaten können beispielsweise definieren, an welchen Positionen welche Volumen kryogener Flüssigkeit in welchem Winkel abzugeben bzw. aufzubringen sind. Beispielsweise kann ferner eine zeitliche Steuerung erfolgen, wann an welchen Positionen mit welcher Rate kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise aufzubringen ist.
  • Nach Ausführungsformen umfasst die Verwendung ferner ein Erstellen eines digitalen Verteilungsschemas zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente in Abhängigkeit von der erfassten 2D und/oder 3D Struktur. Die Steuerungsdaten sind zum Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente gemäß dem Verteilungsschema ausgebildet.
  • Beispielsweise wird ein digitales Verteilungsschema erstellt, welches das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente in Abhängigkeit der erfassten 2D- und/oder 3D-Struktur definiert. Hierzu wird beispielsweise eine 3D Modell der Strukturen der Oberfläche verwendet. Ein entsprechendes Verteilungsschema kann insbesondere zur Visualisierung eines Vorschlags zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit verwendet werden. Ein entsprechender Vorschlag wird beispielsweise automatisch erzeugt und/oder unter Verwendung von Nutzereingaben. Beispielsweise kann anhand der erfassten 2D- und/oder 3D-Struktur bzw. eines unter Verwendung der erfassten Daten erzeugten digitalen Modells der Oberfläche definiert werden, an welchen Positionen unter welchen Winkeln kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist. Ferner kann beispielsweise anhand von 3D-Strukturen definiert werden, welches Volumen an kryogener Flüssigkeit aufzubringen ist. Soll beispielsweise eine Erhebung vollständig abgekühlt werden, so kann es erforderlich sein, eine größere Menge kryogener Flüssigkeit, d.h. ein größeres Volumen, lokal auf die entsprechende Erhebung aufzubringen als im Falle einer ebenen Struktur, bei der keine Kühlwirkung in die Tiefe, d.h. senkrecht zu der Oberfläche in das entsprechende Objekt, notwendig ist. Beispielsweise sind die Steuerungsdaten so ausgebildet, dass sie das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die bestimmten Strukturelemente gemäß dem Verteilungsschema steuern. Mit anderen Worten kann es sich bei den Steuerungsdaten um eine Übersetzung des Verteilungsschemas in Steuerungsdaten, d.h. Steuerungsbefehle, für ein das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit steuerndes Steuergerät handeln.
  • Nach Ausführungsformen wird das digitale Verteilungsschema auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt und das Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit unter Verwendung der Steuerungsdaten gemäß dem Verteilungsschema setzt einen Empfang einer Bestätigung des angezeigten Verteilungsschemas über eine Eingabevorrichtung voraus.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass das digitale Verteilungsschema auf der Anzeigevorrichtung angezeigt und einem Nutzer somit visualisiert wird. Der Nutzer kann das entsprechende Verteilungsschema prüfen. Beispielsweise wird das entsprechende Verteilungsschema zusammen mit einer Abbildung und/oder einem digitalen Modell der erfassten Oberflächenstruktur angezeigt. Der Nutzer kann das Verteilungsschema bestätigen oder Korrekturen festlegen. Beispielsweise kann der Nutzer Positionen verändern, an welchen kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise aufzubringen ist, er kann beispielsweise die Tröpfchengröße, Tröpfchenanzahl und/oder Tröpfchenrate verändern. Ferner können beispielsweise Winkel eingestellt werden, unter welchen die kryogene Flüssigkeit aufgebracht wird. Beispielsweise setzt eine Verwendung der Steuerungsdaten gemäß des Verteilungsschemas eine explizite Bestätigung des angezeigten Verteilungsschemas durch den Nutzer voraus. Eine entsprechende Bestätigung kann von dem Nutzer direkt in Antwort auf die Anzeige des Verteilungsschemas empfangen werden oder nach einem Empfang von Korrekturangaben und einer Änderung des Verteilungsschemas gemäß den empfangenen Korrekturdaten.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Oberfläche um lebendes oder totes biologisches Material. Das biologische Material umfasst insbesondere: Mikroorganismen, eine Zellkultur und/oder einen Zellverband, insbesondere einen in-vivo oder in-vitro Zellverband, insbesondere einen in-vitro Zellverband für das Wachstum eines künstlichen Organs oder eines Organteils, wobei das biologische Material insbesondere menschliche oder tierische Haut oder eine Gewebeprobe ist.
  • Durch sehr schnelles Abkühlen von Zellen bilden sich innerhalb wie auch an der Oberfläche von Zellen Eiskristalle, die die Zellmembran perforieren. Es kommt dadurch zum Eindringen von Wasser in die Zelle, dem Zusammenbruch lebensnotwendiger Regelungsprozesse und zum raschen Zelltod. Es hat sich gezeigt, dass die Geschwindigkeit des Einfrierens einen starken Einfluss auf den Anteil der Zellen hat, die aufgrund des Einfrierens sterben. Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass sie eine Abkühlgeschwindigkeit („Gefriergeschwindigkeit“) von über 100°C pro Minute haben und das Gewebe dabei auf unter - 25° C, vorzugsweise auf eine Temperatur von -45°C bis -25°C, abkühlen. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein sehr hoher Anteil der derart abgekühlten Zellen stirbt. Dieser Temperaturbereich ist insbesondere bei solchen Anwendungen sinnvoll, bei welchen die niedrigen Temperaturen zur gezielten Abtötung von Zellen in einem räumlich eng umgrenzten Bereich verwendet werden.
  • In anderen Ausführungsformen wird die Menge der aufgetragenen kryogenen Flüssigkeit so dosiert, dass die Temperatur der Zellen auf ca. 0,5°C bis 15°C abgekühlt wird. Dies führt zu einem lokalen Unterdrücken von Schmerzempfindungen und kann z.B. ergänzend zu lokalen chirurgischen, z.B. Laser-basierten Eingriffen erfolgen. Beispielsweise kann zunächst auf ein bestimmtes zu operierendes oder mit einem Laser zu behandelndes Gewebe mit dem Druckkopf die kryogene Flüssigkeit aufgetragen werden, sodass das Gewebe lokal stark abkühlt, ohne dass es jedoch zur Bildung von Eiskristallen und Zelltod kommt. Die Abkühlung führt aber zu einer Unterdrückung des Schmerzempfindens an dieser Stelle, sodass eine nachfolgende chirurgische Behandlung mit z.B. Skalpell oder Laser als weniger schmerzhaft empfunden wird. Beispielsweise kann die kryogene Flüssigkeit zusätzlich oder ausschließlich an den Außenrändern desjenigen Gewebebereiches aufgebracht werden, der später mittels Skalpells oder Laser entfernt wird oder bereits in einem vorhergehenden Behandlungsschritt entfernt wurde.
  • Beispielsweise kann ein Steuerungsgerät die Menge der über den Druckkopf pro Zeiteinheit abgegebenen kryogenen Flüssigkeit und/oder die Position des Druckkopfes relativ zu der Oberfläche so steuern, dass durch die Menge und Frequenz der aufgetragenen Tröpfchen sichergestellt ist, dass die Temperatur der Gewebeoberfläche und/oder der Zellen innerhalb eines in-vivo oder in-vitro Gewebes während einer vordefinierten Zeitspanne innerhalb eines vordefinierten Temperaturbereiches gehalten wird. Der Temperaturbereich und das Tiefenprofil des Temperaturbereiches hängen von der jeweiligen Anwendungsform (kryogene Zerstörung von Zellen oder Schmerzreduktion, Tiefe und 3D Struktur subkutaner Strukturen (z.B. Warzen, Krebsgeschwüre u.a.) ab.
  • Nach Ausführungsformen wird das Verfahren mehrfach, z.B. zweimal oder dreimal, wiederholt auf die gleiche Oberfläche angewandt, z.B. mehrfach innerhalb einer Stunde oder mehrfach innerhalb einer Sekunde. Dies kann den Anteil der abgestorbenen und/oder thermisch inaktivierten Zellen weiter erhöhen.
  • Gemäß Ausführungsformen ist das Steuerungsgerät dazu konfiguriert, das Aufbringen von Tröpfchen der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche so zu steuern, dass die Aufbringung kontinuierlich ist und einzelne Bereiche auf und unter der Oberfläche für einen definierten Zeitraum auf einer definierten Temperatur hält.
  • Nach einer Ausführungsform hat die Vorrichtung mehrere Behälter für mehrere kryogene Flüssigkeitsvolumina. Der Druckkopf hat mehrere Düsen, die je mit einem der Behälter fluidisch verbunden sind. Die Behälter beinhalten verschiedene kryogene Flüssigkeiten und/oder kryogene Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperaturen. Hierdurch ist es möglich, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldruck, durch komplexe Steuerung der von den einzelnen Druckdüsen erzeugten Druckmuster sehr feingranular Oberflächenbereiche und/oder Gewebebereiche auf eine bestimmte Temperatur herabzukühlen.
  • Beispielsweise kann der Druckvorgang so gesteuert werden, dass eine erste kryogene Flüssigkeit eine ersten Behälter mit besonders tiefer Temperatur in hoher Tropfendichte von einer ersten Düse auf einen ersten Bereich der Oberfläche aufgebracht wird, unter welcher sich das Zentrum des zu zerstörenden Gewebes (z.B. Warze, Krebsgeschwür, etc.) befindet. Das Gewebe wird dabei so stark gekühlt, dass die Zellen durch Perforation der Zellwände durch Eiskristalle sterben. Zusätzlich wird eine zweite kryogene Flüssigkeit eines zweiten Behälters mit einer nicht ganz so tiefen Temperatur und/oder mit geringerer Tropfendichte auf umliegende, „zweite“ Bereiche der Oberfläche aufgebracht. Die umliegenden Haut- und Gewebebereiche werden hierbei gekühlt, jedoch auf Temperaturen über 0°C, um Eisbildung zu vermeiden.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu hat die Vorrichtung mehrere Düsen, die individuell ansteuerbar sind und Tröpfchen der kryogenen Flüssigkeit in unterschiedlicher Größe und/oder unterschiedlicher Frequenz abgeben. Auch hierdurch ist es möglich, durch komplexe Steuerung der von den einzelnen Druckdüsen erzeugten Druckmuster sehr feingranular Oberflächenbereiche und/oder Gewebebereiche auf eine bestimmte Temperatur herabzukühlen.
  • Beispielsweise kann der Druckvorgang so gesteuert werden, dass eine erste Düse die kryogene Flüssigkeit in hoher Tropfendichte und/oder mit großem Tropfenvolumen auf einen ersten Bereich der Oberfläche aufbringt, unter welcher sich das Zentrum des zu zerstörenden Gewebes befindet. Das Gewebe wird dabei so stark gekühlt, dass die Zellen durch Perforation der Zellwände durch Eiskristalle sterben. Zusätzlich bringt eine zweite Düse die kryogene Flüssigkeit in geringer Tropfendichte und/oder mit kleinem Tropfenvolumen auf umliegende, „zweite“ Bereiche der Oberfläche auf. Die umliegenden Haut- und Gewebebereiche werden hierbei gekühlt, jedoch auf Temperaturen über 0°C, um Eisbildung zu vermeiden.
  • „Kleine“ bzw. „große/hohe“ Tropfendichte bzw. Volumina können eine relative Angabe sein, die z.B. beinhaltet, dass ein „kleiner“ Tropfen ein um mindestens 20% kleineres Volumen hat als ein „großer“ Tropfen bzw. dass eine „kleine“ Tropfendicht mindestens 20% geringer ist als eine „große“ Tropfendichte.
  • Dies kann vorteilhaft sein, weil eine kryobasierte Zerstörung von Gewebe und eine kryobasierte, zerstörungsfreie Kühlung umliegenden Gewebes zum Zwecke der Schmerzreduktion in einem einzigen Anwendungsschritt durchgeführt werden kann. Teilweise werden niedrige Temperaturen schon jetzt zur Schmerzlinderung bei chirurgischen Eingriffen (z.B. mit Skalpellen oder Lasern) eingesetzt. Allerdings haben diese Verfahren den Nachteil, dass sie mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden sind (neben den chirurgischen Geräten sind zusätzliche Kryogeräte erforderlich). Ausführungsformen der Erfindung können demgegenüber den Vorteil haben, dass der chirurgische Eingriff und die Kühlung zur Schmerzlinderung in einem einzigen Arbeitsschritt und mit der gleichen Vorrichtung vorgenommen werden können. Dies hat auch den Vorteil einer verbesserten räumlichen Koordination zwischen dem zellzerstörenden, kryochirurgischen Eingriff und einer rein „zellsedierenden“, schmerzlindernden Behandlung des umliegenden Gewebes. Denn sowohl die Zellzerstörung als auch die sedierende Kühlung werden von der gleichen Vorrichtung und dem gleichen Steuerungsgerät gesteuert.
  • Als „kryogene Flüssigkeit” wird hier eine Flüssigkeit bezeichnet, die benutzt wird, um Objekte durch Auftragen dieser Flüssigkeit zu kühlen, z.B. in technischen Anwendungen oder wissenschaftlichen Experimenten. Typischerweise hat eine kryogene Flüssigkeit eine Temperatur von unter 0 °C. Beispielsweise kann die kryogene Flüssigkeit ein flüssiges Gas sein, das z.B. von zentralen Einrichtungen oder kommerziellen Anbietern durch Verflüssigung der entsprechenden Gase erzeugt wird (für Luft/Stickstoff z. B. nach dem Linde-Verfahren) und mit besonderen Transportbehältern zur jeweiligen Anwendung gebracht. Bei dem flüssigen Gas kann es sich z.B. um flüssigen Stickstoff und/oder flüssiges Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Sauerstoff oder Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Gase handeln.
  • Bei der kryogenen Flüssigkeit, die für biologische, medizinische und/oder kosmetische Zwecke verwendet wird, kann es sich insbesondere um flüssigen Stickstoff oder andere nicht toxische, biokompatible kryogene Flüssigkeiten handeln.
  • Der Einsatz kryogener Flüssigkeiten ermöglicht es, sehr hohe Gefriergeschwindigkeiten zu erzielen und ist in der Handhabung (Explosions- und Brandgefahr) weniger gefährlich als beispielsweise flüssiger Sauerstoff.
  • Nach Ausführungsformen ist der Druckkopf als Matrix-Druckkopf ausgebildet, bei dem durch den gezielten Abschuss oder das Ablenken kleiner Flüssigkeitströpfchen ein Auftragsmuster bzw. Druckbild erzeugt wird. Der Druckkopf kann z.B. als Drop On Demand Druckkopf ausgebildet sein, d.h. als ein einzelner Tropfen verschießender Druckkopf.
  • Nach Ausführungsformen ist der Druckkopf dazu ausgebildet, Tröpfchen einer Tröpfchengröße von weniger als 100 Picolitern (pl), vorzugsweise weniger als 10 Picolitern, zu erzeugen. Die Erzeugung derart feiner Tröpfchen kann den Vorteil haben, dass ein besonders feinstrukturiertes Muster erzeugt werden kann. Spitzengeräte liegen im Bereich von 1 pl bis 5 pl. Die Tröpfchen können beispielsweise mit einer Frequenz von über 10.000 Tropfen/ Sekunde gespritzt werden. Nach Ausführungsformen enthält der Druckkopf mehrere Druckdüsen, die die Tröpfchen in einer düsen-individuellen Frequenz abgeben können, wobei die Düsen einzeln angesteuert werden können und Tröpfchen in unterschiedlicher Frequenz erzeugen können. Die Erzeugung sehr kleiner Tröpfchen in hoher und vorzugsweise variabel einstellbarer
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Verwendung um ein Verfahren zur medizinischen und/oder ästhetischen Behandlung von Hautveränderungen. Bei den Hautveränderungen kann es sich um ein oder mehrere der folgenden Hautveränderungen handeln:
    • - Pigmentflecken;
    • - Narbengewebe, insb. überschießendes Narbengewebe (Keloid);
    • - Warzen, insbesondere Stilwarzen und Dellwarzen (Molluscum contagiosum),
    • - Fibroma molle Geschwulste,
    • - Lentigo solaris Läsionen,
    • - Hämangiome,
    • - Feuermale,
    • - Keratosen, insbesondere Seborrhoische Keratose;
    • - hautkrebsbedingte Hautveränderungen.
  • Beispielsweise kann die Entfernung von Pigmentflecken, Narbengewebe, Feuermalen, Warzen und/oder Keratosen ästhetischen Zwecken dienen.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Verwendung um:
    • - ein kryochirurgisches Verfahren, insbesondere um ein lokales dermatologisches Verfahren; und/oder
    • - ein interventionelles Therapieverfahren von Tumoren, z.B. Therapie von Lebermetastasen, Lungen- oder Prostatatumoren;
    • - ein Verfahren zur temporären oder permanenten Inaktivierung oder Zerstörung von Nervenzellen, z.B. Schmerztherapie bei Phantomschmerzen oder zur Verringerung von Schmerzen durch chirurgische Eingriffe.
  • Beispielsweise kann die temporäre Inaktivierung von Nervenzellen zur Verringerung von operationsbedingten Schmerzen vor, während oder nach der Operation durchgeführt werden. Vorzugsweise ist die Operation ein kryochirurgischer Eingriff, der durch die gleiche Vorrichtung vorgenommen wird, die auch die kryogene Flüssigkeit zur Schmerzbekämpfung vornimmt. Vorzugsweise werden der kryochirurgische Eingriff und der schmerzbehandelnde Eingriff in einem einzigen Arbeitsschritt zusammen gesteuert und durchgeführt.
  • Ein Kryomittel-Strahl von ungefähr 5 Millisekunden mit flüssigem Stickstoff kann bereits eine deutliche Schmerzlinderung bewirken.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Oberfläche um eine menschliche oder tierische Haut in vivo oder in vitro.
  • Als „in vivo“ werden hier Prozesse bezeichnet, die im lebendigen Organismus ablaufen. Im Gegensatz dazu werden Abläufe, die in künstlicher Umgebung (z. B. im Reagenzglas) oder ganz allgemein außerhalb lebender Organismen stattfinden, mit dem Begriff „in vitro“ belegt.
  • Bei einer „in vitro“ Haut handelt es sich um zweidimensionale oder dreidimensionale Zellverbände, die aus Hautzellen bestehen oder diese beinhalten und mittels verschiedener Verfahren auf Nährmedien oder Nährsubstraten gezüchtet werden. Durch regelmäßiges „Bedrucken“ von Oberflächenbereichen dieses Zellverbandes mit kryogener Flüssigkeit kann auf definierte Weise das Wachstum der Zellen lokal gesteuert werden. Bereiche des Zellverbands, die regelmäßig gekühlt wurden, wachsen langsamer, bei starker Kühlung tritt Zelltod ein. Somit kann das Wachstum von Hautzellen in 2D und/oder 3D lokal gezielt beeinflusst werden und dadurch dem (z.B. für Transplantationszwecke) gezüchteten Gewebe eine gewisse Form gegeben werden.
  • Die Wachstumskontrolle von „in Vitro“ Haut und sonstigen „in vitro“ Zellverbänden kann aus mehreren Gründen vorteilhaft sein:
    • Zum einen wird dadurch eine sehr feingranulare lokale Wachstumskontrolle ermöglicht. Wachstumshemmende Wirkstoffe können kaum lokal begrenzt angewendet werden, da sie im Medium diffundieren. Auch eine zeitliche Kontrolle der Zellhemmung ist durch die kryogene Flüssigkeit möglich, denn sie kann jederzeit beendet oder verlängert werden. Wachstumshemmende Stoffe können dagegen nicht mehr aus dem Zellkulturmedium entfernt werden.
  • Außerdem handelt es sich um ein digital kontrolliertes, vollautomatisches Druckverfahren welches vollautomatisiert, regelmäßig und unter sterilen Bedingungen durchgeführt werden kann. So kann z.B. die Druckvorrichtung komplett in einen sterilen Inkubator für Zellkulturen integriert werden, sodass ein Öffnen des Inkubators zur Durchführung manueller, das Zellwachstum manipulierender Schritte, nicht notwendig ist.
  • Bei der „in vitro“ Synthese von Haut und anderen Organen handelt es sich um ein Feld mit sehr großem medizinischem Potential. Für manche Zelltypen konnte gezeigt werden, dass sie auf einer Matrix wachsen (z.B. Knorpelzellen auf einer Matrix aus Quallenkollagen). Die Matrix ermöglicht es, die 3D Struktur der Zellen zu bestimmen. Dies ist jedoch nicht bei allen Zelltypen möglich. Die selektive Hemmung des Zellwachstums durch Reduktion der Temperatur scheint jedoch universell für alle Zelltypen anwendbar zu sein, da die Wachstumshemmung zumindest teilweise auf einer temperaturbedingten Verlangsamung biochemischer Prozesse und chemischer Reaktionen in der Zelle zurückführbar ist.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Oberfläche um ein Substrat. Es werden ein oder mehrere Strukturierungsschritte durchgeführt, um die Oberfläche zu strukturieren und/oder eine zwei- oder dreidimensionale Struktur auf die Oberfläche aufzubringen. Das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit erfolgt beispielsweise zumindest vor einem der Strukturierungsschritte, um den nachfolgenden Strukturierungsschritt zu beeinflussen. Beispielsweise erfolgt durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit ein Strukturierungsschritt.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch die Verwendung der kryogenen Flüssigkeit lokal Strukturierungsprozesse eines Substrats gesteuert werden können. Beispielsweise kann durch Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit lokal die Oberflächentemperatur punktgenau variiert werden. Von der entsprechenden Oberflächentemperatur können physikalische und/oder chemische Prozesse, welche die Oberfläche betreffen, abhängen. Beispielsweise können chemische Reaktionsgeschwindigkeiten gesteuert werden. Beispielsweise kann eine Abscheidungsrate temperaturabhängig sein und somit eine Strukturbildung auf der Oberfläche gesteuert werden. Beispielsweise kann ein chemischer Abtragungsprozess, wie etwa ein Ätzverfahren, temperaturabhängig sein und somit eine Steuerung der Abtragungsrate durch Steuerung der lokalen Temperatur erfolgen. Beispielsweise kann eine Synthesereaktion im Zuge einer Polymerisation, d.h. eine Synthesereaktion, welche gleichartige oder unterschiedliche Monomere in Polymere überführt, temperaturabhängig sein. Durch eine lokale Temperaturvariation kann lokal ein entsprechender Polymerisationsvorgang gesteuert werden.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei dem Strukturierungsschritt um eine chemische Reaktion, einen physikalischen Abscheidungsschritt und/oder eine Polymerisation.
  • Nach Ausführungsformen wird durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit eine Reaktionsgeschwindigkeit der chemischen Reaktion lokal gesteuert wird.
  • Nach Ausführungsformen wird durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit lokal ein Aggregatszustand eines an der chemischen Reaktion, dem physikalischen Abscheidungsschritt und/oder der Polymerisation beteiligten Stoffes geändert.
  • Durch eine lokale Temperaturvariation können lokal Aggregatszustände variiert werden. Beispielsweise können beteiligte Stoffe von einer Gasphase durch Abkühlung in eine flüssige oder feste Phase überführt werden. Eine entsprechende Änderung des Aggregatszustandes kann Einfluss auf eine chemische Reaktion, einen physikalischen Abscheidungsschritt und/oder eine Polymerisation haben. Beispielsweise können durch einen Phasenübergang ein Kontakt der entsprechenden Stoffe mit der Oberfläche hergestellt, erhöht und/oder Kontaktzeiten bzw. Kontaktraten gesteuert werden.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Oberfläche um ein Substrat für eine gedruckte Schaltung handelt.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die kryogene Flüssigkeit beispielsweise für eine Strukturierung eines Substrats, auf welches eine Schaltung gedruckt werden soll, verwendet werden kann. Durch die Strukturierung kann eine für das Aufdrucken bzw. die geometrische Ausgestaltung der Schaltung notwendige strukturelle Voraussetzung geschafft werden.
  • Nach Ausführungsformen erfolgt die Verwendung der kryogenen Flüssigkeit zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, insbesondere einer integrierten elektronischen Schaltung, auf Silizium- und/oder Germanium-Basis oder polymerelektronischer Basis.
  • Nach Ausführungsformen erfolgt das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit vor einem Dotierungsschritt, um eine Dotierung lokal zu modulieren.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass durch eine lokale Temperatursteuerung mittels der kryogenen Flüssigkeit eine Dotierung lokal moduliert werden kann. Beispielsweise kann eine Dotierung mittels Diffusion erfolgen. Bei einer Diffusion handelt es sich um einen thermisch aktivierten Ausgleichsprozess eines Konzentrationsunterschieds, beispielsweise in einem Festkörper. Im Falle eines vorhandenen Konzentrationsunterschieds können Fremdatome bei ausreichend hohen Temperaturen in einen anderen Festkörper eindringen und sich dort bewegen. Die entsprechende Bewegung der Fremdatome basiert beispielsweise auf brownschen Molekularbewegungen. Durch eine lokale Temperaturvariation, insbesondere Temperatursenkung mittels Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit, kann lokal die Temperatur und damit die Bewegung von Molekülen bzw. Atomen eingeschränkt werden. Somit kann lokal beispielsweise eine Dotierungsrate gesenkt werden.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung ausgebildet zur Durchführung der Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit nach einer der hier geschilderten Ausführungsformen. Die Vorrichtung ist beispielsweise konfiguriert für ein oder mehrere oder jede der vorgenannten Ausführungsformen einer Verwendung der kryogenen Flüssigkeit.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit auf eine Oberfläche mit einem Behälter zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit, einem digitalen Druckkopf, der mit dem Behälter fluidisch verbunden ist und einem Steuerungsgerät zur Ansteuerung des Druckkopfes für ein tröpfchenweises Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass eine entsprechende Vorrichtung beispielsweise in Form einer Druckeinheit bereitgestellt werden kann, welche mittels des digitalen Druckkopfes die kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise auf die Oberfläche aufdruckt.
  • Das tröpfchenweise Aufbringen wird dabei von einem Steuerungsgerät gesteuert. Zur Steuerung verwendet das entsprechende Steuerungsgerät beispielsweise Steuerungsdaten. Die entsprechenden Steuerungsdaten können beispielsweise aus einem für das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit vorgesehenen Verteilungsschema resultieren. Mit anderen Worten können die Steuerungsdaten das entsprechende Verteilungsschema in Steuerungsbefehle übersetzen, mit welchen das Steuerungsgerät die Druckeinheit steuert. Bei dem Steuerungsgerät kann es sich um ein in die Druckeinheit integriertes Gerät handeln oder beispielsweise um ein Computersystem, an welches die Druckeinheit angeschlossen ist.
  • Nach Ausführungsformen enthält der Druckkopf mehrere individuell ansteuerbare Düsen. Jede der Düsen ist dazu konfiguriert, die Größe und/oder Frequenz der Tropfen, die von der jeweiligen Düse ausgestoßen werden, in Abhängigkeit von Steuerungsdaten des Steuerungsgerätes zu steuern.
  • Nach Ausführungsformen handelt es sich bei der Vorrichtung um ein medizintechnisches Gerät, insbesondere um ein medizinisches Gerät zum selektiven Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf ein Organ oder ein Organteil. Bei dem Organ kann es sich insbesondere menschliche oder tierische Haut handeln. Bei dem medizinischen Gerät kann es sich auch um ein Gerät zum selektiven Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf einzelne Zellen, insbesondere Nervenzellen, handeln.
  • Die menschliche Haut gliedert sich in drei wesentliche Schichten: Epidermis (Oberhaut), Dermis (Lederhaut, lat. Corium) und Subcutis (Unterhaut). Bei der Epidermis handelt es sich um ein mehrschichtiges verhornendes Plattenepithel, das üblicherweise zwischen 0,03 und 0,05 Millimeter dick ist. An den Handinnenflächen und den Fußsohlen ist die Hornschicht bis zu mehreren Millimeter dick („Hornhaut“). Die Dermis besteht vorwiegend aus Bindegewebsfasern und dient der Ernährung und Verankerung der Epidermis. Sie beinhaltet Blutgefäße, Nerven und die für die Temperaturregelung wichtige glatte Muskulatur und Blutgefäße. Die Unterhaut enthält die größeren Blutgefäße und Nerven für die oberen Hautschichten sowie das subkutane Fett und lockeres Bindegewebe. In der Unterhaut liegen Sinneszellen für starke Druckreize, zum Beispiel die Lamellenkörperchen.
  • Durch entsprechende Steuerung des Druckkopfes können alle Hautschichten auf Temperaturen von unter 10°C, auch unter 0°C, auch unter -20°C, auch unter -40°C für eine vordefinierte Dauer gekühlt werden. Hierdurch kann Gewebe zerstört und/oder die darin befindlichen Nerven in ihrer Aktivität reduziert werden, insbesondere zum Zweck der Schmerzlinderung).
  • Nach Ausführungsformen kann die Vorrichtung als ein Werkzeug mit einer Formgebung, die das Führen und Positionieren des Druckkopfes mit einer Hand ermöglicht, ausgebildet sein.
  • Die Formgebung kann insbesondere die Form eines Stiftes, Mal- oder Zeichengerätes haben.
  • Beispielsweise kann die Vorrichtung eine längliche Form haben und der Druckkopf am vorderen Ende der Vorrichtung angebracht sein. Vorzugsweise hat die Vorrichtung einen Haltebereich, der so gestaltet ist, dass er die Aufnahme und Führung der Vorrichtung durch eine menschliche Hand ermöglicht. Beispielsweise kann der Haltebereich eine Vertiefung oder Verjüngung aufweisen und/oder aus elastischem Material bestehen.
  • Zusätzlich oder alternativ dazu kann es sich bei der Vorrichtung um ein Endoskop handeln. Beispielsweise kann die Vorrichtung eine erste Einheit umfassen, die der Behälter und das Steuerungsgerät beinhaltet, und eine zweite Einheit umfassen, die zur Einführung in den Körper bestimmt ist um dort z.B. Metastasen oder andere unerwünschte Gewebeformationen zu zerstören und/oder einzelne Nerven temporär oder dauerhaft zu inaktivieren. Die zweite Einheit beinhaltet den Druckkopf und optional weitere Elemente (Kamera, Temperatursensor, ggf. chirurgische Zangen, Laser, etc.) und ist an die erste Einheit über eine vorzugsweise flexible Verbindung gekoppelt.
  • Beispielsweise kann es sich bei der Vorrichtung um ein Endoskop mit einer Kamera handeln. Die Kamera ist am gleichen Ende der Vorrichtung angebracht wie der Druckkopf und ist so ausgerichtet, dass die Kamera dazu ausgebildet ist, Bilder von dem Druckkopf und der von diesem kontaktierten Oberfläche zu erfassen. Dies kann vorteilhaft sein, da der behandelnde Nutzer, z.B. ein Arzt, hierdurch eine visuelle Kontrolle und ein Feedback-Signal bezüglich des Druckvorgangs mit der kryogenen Flüssigkeit erhält.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung eine Druckvorrichtung, die integraler Bestandteil eines Geräts zur automatisierten Züchtung von ein oder mehreren Zellkulturen.
  • In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Anlage zur Herstellung eines elektronischen Bauelements umfassend eine Vorrichtung nach einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen. Bei der Oberfläche handelt es sich um ein Substrat. Die Anlage führt im Zuge der Herstellung des elektronischen Bauelements ein oder mehrere Strukturierungsschritte durch, um die Oberfläche zu strukturieren und/oder eine zwei- oder dreidimensionale Struktur auf die Oberfläche aufzubringen. Das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit durch die Vorrichtung erfolgt beispielsweise zumindest vor einem der Strukturierungsschritte, um den nachfolgenden Strukturierungsschritt zu beeinflussen. Beispielsweise erfolgt durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit ein Strukturierungsschritt.
  • Ausführungsformen können den Vorteil haben, dass die kryogene Flüssigkeit im Zuge einer Herstellung eines elektronischen Bauelements zur Steuerung physikalischer und/oder chemischer Prozesse verwendet werden kann. Beispielsweise umfasst eine Anlage zur Herstellung eines entsprechenden Bauelements eine entsprechende Druckeinheit, mit welcher die kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise auf einer Oberfläche eines Substrats bzw. auf ein Substrat aufgebracht werden kann. Das Aufbringen kann beispielsweise simultan zu weiteren Strukturierungsschritten erfolgen. In diesem Fall sind beispielsweise eine Druckeinheit und eine entsprechende Strukturierungseinheit, welche mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse die Oberfläche strukturiert, in eine Einheit integriert. Alternativ kann ein Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit beispielsweise vor einem Strukturierungsschritt erfolgen. In diesem Fall kann beispielsweise eine Druckeinheit vorgesehen sein, welche die Oberfläche entsprechend durch Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit vorbereitet. Eine Strukturierung erfolgt anschließend in einer benachbarten Strukturierungseinheit, in welche die behandelte Oberfläche überführt wird.
  • Im Weiteren werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Vorrichtung zur Aufbringung einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 2 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Druckeinheit zur Aufbringung einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 3 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Druckeinheit zur Aufbringung einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 4 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Anlage zur Herstellung eines elektronischen Bauelements;
    • 5 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 6 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 7 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 8 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Vorrichtung zur kryochirurgischen Applikation einer kryogenen Flüssigkeit;
    • 9 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Vorrichtung zur manuellen Aufbringung einer kryogenen Flüssigkeit in-vitro; und
    • 10 eine schematische Ansicht einer exemplarischen Vorrichtung zur automatischen Aufbringung einer kryogenen Flüssigkeit in-vitro.
  • Elemente der nachfolgenden Ausführungsbeispiele, die einander entsprechen oder identisch sind, werden jeweils mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine exemplarische Vorrichtung 100 zum tröpfchenweisen Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit 103 auf eine Oberfläche 112 eines Objekts 113. Beispielsweise wird eine Druckeinheit 104 bereitgestellt, welche einen Druckkopf 106 umfasst, welcher dazu konfiguriert ist, Tröpfchen 111 von kryogener Flüssigkeit 103 auf die Oberfläche 112 aufzubringen. Zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit 103 wird ein entsprechendes Objekt 113 beispielsweise in der Druckeinheit 104 platziert. Die Druckeinheit 104 ist mittels einer Leitung 110 beispielsweise fluidisch mit einem Behälter 108 verbunden, in welchem sich die aufzubringende kryogene Flüssigkeit 103 befindet. Es können beispielsweise ein oder mehrere Druckköpfe 106 vorgesehen sein, welche durch eine Bewegungseinheit 107 in zwei oder drei Raumrichtungen bewegbar sind. Die Druckköpfe 106 können beispielsweise jeweils einen oder mehrere individuell ansteuerbare Düsen umfassen. Jede der Düsen kann beispielsweise dazu konfiguriert sein, die Größe und/oder Frequenz der Tropfen, die von der jeweiligen Düse ausgestoßen werden, in Abhängigkeit von Steuerungsbefehlen eines Steuerungsgeräts 102 zu steuern. Innerhalb der Druckeinheit 104 kann beispielsweise eine Schutzatmosphäre herrschen. Ferner kann der Druck in der Druckeinheit 104 gegenüber dem Normaldruck der Umgebung erhöht oder verringert sein.
  • Bei dem Steuerungsgerät 102 kann es sich beispielsweise um ein Computersystem bzw. ein Computergerät handeln. Das entsprechende Computergerät kann Hardware 114 umfassen mit ein oder mehreren Prozessoren sowie einem Speicher, in welchem Programminstruktionen gespeichert sind zur Steuerung des Computersystems 102 sowie der Druckeinheit 104. Zum Empfang von Eingaben kann das Steuerungsgerät 102 Eingabegeräte, wie etwa eine Tastatur 116 und/oder eine Maus 118, umfassen. Ferner kann das Steuerungsgerät eine Anzeigevorrichtung 120, wie etwa einen Bildschirm, umfassen, auf welchem eine grafische Benutzeroberfläche bzw. GUI („Graphical User Interface“) angezeigt wird. Die entsprechende grafische Benutzeroberfläche 122 kann beispielsweise ein Bild 127 der Oberfläche 112 darstellen sowie ein Verteilungsschema 126, welches eine vorgesehene Verteilung der kryogenen Flüssigkeit auf der Oberfläche 112 anzeigt. Zur Bestätigung eines vorgeschlagenen Verteilungsschemas 126 und/oder zur Korrektur des entsprechenden Vorschlags kann die grafische Benutzeroberfläche 122 beispielsweise Steuerungselemente 124 umfassen. Mittels der entsprechenden Steuerungselemente 124 kann ein Nutzer unter Verwendung der Eingabegeräte 116, 118 das vorgeschlagene Verteilungsschema 126 bestätigen und/oder Korrekturen des vorgeschlagenen Verteilungsschemas 126 vornehmen. Zur Erfassung des Bilds 127 der Oberfläche 112 kann die Vorrichtung 100 beispielsweise ferner eine Erfassungsvorrichtung umfassen. Bei der entsprechenden Erfassungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine visuelle Erfassungsvorrichtung, wie etwa eine Kamera, handeln.
  • Insbesondere kann es sich bei der Erfassungsvorrichtung um ein Mikroskop handeln. Anhand des Bildes 127 der Oberfläche 112 können Strukturelemente bestimmt werden, auf welche die kryogene Flüssigkeit 103 aufzubringen ist. Beispielsweise kann ein Verteilungsschema 126 basierend auf einer Bilderkennung von bereits vorhandenen Strukturen der Oberfläche 112 unter Verwendung des Bildes 127 bestimmt werden. Alternativerweise kann ein Strukturierungsschema für die Strukturierung der Oberfläche 112 vorgegeben sein, welches auf das Bild 127 übertragen wird und in Abhängigkeit von dem vorgesehenen Strukturierungsschema kann ein Verteilungsschema 126 der kryogenen Flüssigkeit erzeugt werden.
  • 2 zeigt eine Detailansicht einer exemplarischen Druckeinheit 104 aus 1. Die entsprechende Druckeinheit 104 umfasst einen Druckkopf 106. Der entsprechende Druckkopf kann eine oder mehrere Druckdüsen umfassen. Eine Position des entsprechenden Druckkopfs relativ zu der Oberfläche 112 kann beispielsweise durch eine Bewegungseinheit 107 gesteuert werden. Die entsprechende Bewegungseinheit 107 ermöglicht beispielsweise ein Verfahren des Druckkopfs 106 relativ zu der Oberfläche 112 in 2D, d.h. in einer Ebene parallel zu der Oberfläche 112, und/oder in 3D. Somit kann beispielsweise im Falle eines Verfahrens in 3D ein Abstand D des Druckkopfs 106 von der Oberfläche 112 eingestellt werden. Beispielsweise kann der entsprechende Abstand D variiert werden, insbesondere in Abhängigkeit von einer 2D-Position relativ zu der Oberfläche 112. Ferner kann der Abstand D konstant gehalten werden und/oder konstant innerhalb eines vorgegebenen Intervalls gehalten werden. Ferner kann beispielsweise durch Regulierung des Abstands D ein Mindestabstand zwischen Druckkopf 106 und Oberfläche 112 eingehalten werden. Ferner kann ein Winkel α variiert werden, unter welchem der Druckkopf 106 die kryogene Flüssigkeit tröpfchenweise auf die Oberfläche 112 aufbringt. Eine entsprechende Variation des Winkels α kann beispielsweise durch ein Verschwenken des Druckkopfs 106 um eine, zwei oder drei senkrecht aufeinanderstehende Schwenkachsen erfolgen.
  • Innerhalb der Druckeinheit 104 kann beispielsweise eine Schutzatmosphäre erzeugt werden und/oder der herrschende Druck kann reguliert werden. Durch Verwendung einer Schutzatmosphäre und/oder Regulieren des Drucks, unter denen die kryogene Flüssigkeit auf die Oberfläche 112 aufgebracht wird, kann die Wirkung der kryogenen Flüssigkeit, insbesondere die Wirkung auf die Oberfläche und/oder auf an physikalischen und/oder chemischen Reaktionen beteiligter Stoffe gezielt lokal gesteuert werden. Ferner kann die Wirkung von der an den physikalischen und/oder chemischen Reaktionen beteiligten Stoffe durch Verwendung einer Schutzatmosphäre und/oder Regulieren des Drucks gesteuert werden.
  • 3 zeigt eine weitere exemplarische Ausführungsform einer Druckeinheit 104, welche eine Mehrzahl von Druckköpfen 106 umfasst. Die Bewegungseinheit 107 kann beispielsweise dazu ausgelegt sein, dass die individuellen Druckköpfe 106 unabhängig voneinander in 2D und/oder 3D verfahren werden können. Ferner können die entsprechenden Druckköpfe beispielsweise unabhängig voneinander um eine, zwei und/oder drei Schwenkachsen, welche senkrecht aufeinanderstehen, verschwenkt werden.
  • 4 zeigt eine Anlage 105 zur Herstellung eines elektronischen Bauelements. Hierzu wird beispielsweise ein Objekt 113 bereitgestellt, bei dessen Oberfläche 112 sich um ein Substrat handelt, welches zur Herstellung des elektronischen Bauelements zu strukturieren ist. Für eine lokale Steuerung des Strukturierungsprozesses bzw. der an den Strukturierungsprozess beteiligten physikalischen und/oder chemischen Prozessen wird mittels des Druckkopfs 106 kryogene Flüssigkeit auf die Oberfläche 112 aufgebracht. Das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit kann beispielsweise simultan zu einer Strukturierung der Oberfläche 112 erfolgen. In diesem Fall wäre die Druckeinheit 104 in die Strukturierungseinheit 109 integriert. Alternativ kann das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit, wie in 4 gezeigt, vor einem entsprechenden Strukturierungsschritt erfolgen. In diesem Fall wird beispielsweise die kryogene Flüssigkeit mittels des unter Verwendung der Bewegungseinheit 107 positionierbaren Druckkopfs 106 auf die Oberfläche 112 des Objekts 113 aufgebracht. Das Aufbringen kann beispielsweise gemäß eines vorher definierten Verteilungsschemas erfolgen. Anschließend wird das entsprechende Objekt 113 in die Strukturierungseinheit 109 überführt. Beispielsweise herrschen in der Druckeinheit 104 der Strukturierungseinheit 109 dieselben Atmosphären, insbesondere eine Schutzatmosphäre. Ferner kann in beiden Einheiten 104, 109 jeweils identischer Druck herrschen. Alternativ könnten sich die in den Einheiten 104, 109 herrschenden Drücke unterscheiden.
  • Bei der Strukturierungseinheit 109 kann es beispielsweise um eine Einheit handeln, welche dazu konfiguriert ist, eine chemische Reaktion, einen physikalischen Abscheidungsschritt und/oder eine Polymerisation auszuführen. Hierzu stellt die Strukturierungseinheit 109 beispielsweise die an dem entsprechenden Strukturierungsschritt beteiligten Stoffe bereit und steuert die physikalischen Rahmenbedingungen. Eine lokale Temperaturvariation zur Beeinflussung des Strukturierungsschritts erfolgt dann beispielsweise durch die lokale Verteilung der kryogenen Flüssigkeit.
  • 5 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit auf eine Oberfläche. In Block 204 wird ein Verteilungsschema erzeugt. Ein entsprechendes Verteilungsschema kann beispielsweise von einem Nutzer vorgegeben bzw. eingestellt werden. Alternativ kann ein Verteilungsschema auf einer vordefinierten herzustellenden Struktur der Oberfläche basieren, auf welche die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist. Beispielsweise wird eine entsprechende Strukturierungsvorlage bereitgestellt, welche die vordefinierten herzustellenden Struktur definiert. Beispielsweise kann es sich bei dem Verteilungsschema um eine Verteilung der kryogenen Flüssigkeit gemäß der vorgegebenen Strukturformen handeln. In Block 210 werden unter Verwendung des Verteilungsschemas Steuerungsdaten erzeugt. Bei den entsprechenden Steuerungsdaten handelt es sich beispielsweise um Steuerungsbefehle zur Steuerung eines oder mehrerer Druckköpfe zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf eine Oberfläche. Beispielsweise können die Steuerungsdaten definieren, an welchen Positionen des Druckkopfs relativ zu der Oberfläche, wie viel kryogene Flüssigkeit unter welchem Winkel aufzubringen ist. In Block 212 wird eine entsprechende Vorrichtung, etwa eine Druckeinheit, zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche unter Verwendung der Steuerungsdaten gesteuert. Mit anderen Worten erfolgt ein Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf der Oberfläche gemäß dem in Block 204 erzeugten Verteilungsschema. Im Anschluss an oder gleichzeitig zu dem Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit können beispielsweise weitere physikalische und/oder chemische Prozesse gesteuert ausgeführt werden, welche durch die von der kryogenen Flüssigkeit hervorgerufenen lokalen Temperaturänderung beeinflusst werden.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit, welches zusätzlich zu dem in 5 gezeigten Verfahren ein Erfassen einer Struktur der Oberfläche in Block 200 umfasst. Ein entsprechendes Erfassen einer Struktur der Oberfläche kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn die physikalischen und/oder chemischen Prozesse, welche durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit beeinflusst werden sollen, von vorgegebenen Strukturen der Oberfläche abhängen. In diesem Fall wird beispielsweise in Block 200 die Struktur der Oberfläche erfasst. In Block 202 werden Strukturelemente bestimmt, auf welche die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist. Das entsprechende Bestimmen der Strukturelemente kann beispielsweise durch Eingabe eines Nutzers erfolgen und/oder automatisch erfolgen. Im Falle eines automatischen Bestimmens der Strukturelemente kann beispielsweise ein Verfahren zur Bilderkennung verwendet werden. Die entsprechenden Strukturelemente können beispielsweise anhand ihrer Geometrie und/oder ihres visuellen Erscheinungsbilds, wie etwa ihrer Farbe, bestimmt werden. Das Verteilungsschema in Block 204 wird beispielsweise basierend auf den bestimmten Strukturelementen so erzeugt, dass die Positionen, an welchen die kryogene Flüssigkeiten auf die Oberfläche aufgebracht werden, mit der Positionen der Strukturelemente übereinstimmen. Ferner können beispielsweise die Mengen der aufgebrachten kryogenen Flüssigkeit in Abhängigkeit von den Strukturelementen festgelegt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von den geometrischen Dimensionen der bestimmten Strukturelemente. Ferner kann beispielsweise der Winkel, unter welchem die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist, in Abhängigkeit von der Geometrie der Strukturelemente variiert werden. In Block 210 werden unter Verwendung des Verteilungsschemas Steuerungsdaten erzeugt, welche in Block 212 zum Steuern einer entsprechenden Vorrichtung zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit verwendet wird. Im Anschluss an oder gleichzeitig zu dem Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit können beispielsweise weitere physikalische und/oder chemische Prozesse gesteuert ausgeführt werden, welche durch die von der kryogenen Flüssigkeit hervorgerufenen lokalen Temperaturänderung beeinflusst werden.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines weiteren exemplarischen Verfahrens zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit auf eine Oberfläche. Wie bereits in dem Verfahren gemäß 6 wird zunächst in Block 200 die Struktur einer Oberfläche, auf welche die kryogene Flüssigkeit aufzubringen ist, erfasst. In Block 202 werden Strukturelemente bestimmt, welche mit der kryogenen Flüssigkeit zumindest teilweise zu bedecken sind. Im Block 204 wird unter Verwendung der bestimmten Strukturelemente ein Verteilungsschema zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit erzeugt. In Block 206 wird das erzeugte Verteilungsschema beispielsweise auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt. In Block 208 wird eine Bestätigung eines Nutzers für das Verteilungsschema empfangen. Alternativ können Korrekturen des Verteilungsschemas empfangen und das angezeigte Verteilungsschema entsprechend korrigiert werden. Beispielsweise wird nach Abschluss der Korrekturen das entsprechend korrigierte Verteilungsschema bestätigt. In Block 210, dessen Voraussetzung beispielsweise die Bestätigung des Verteilungsschemas ist, werden Steuerungsdaten zur Steuerung einer Vorrichtung zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit gemäß des Verteilungsschemas erzeugt. In Block 212 erfolgt schließlich das Steuern der entsprechenden Vorrichtung unter Verwendung der im Block 210 erzeugten Steuerungsdaten. Simultan und/oder anschließend zu dem Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit können ein oder mehrere weitere physikalische und/oder chemische Prozesse gesteuert ablaufen, welche durch die lokale Temperatursteuerung mittels der kryogenen Flüssigkeit lokal gesteuert werden.
  • Die 8 zeigt eine exemplarische Vorrichtung 700 zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit 708 auf eine Oberfläche 712 zur Verwendung im medizinischen oder kosmetischen Kontext. Die Vorrichtung kann z.B. zur Zerstörung oder Entfernung von Hautveränderungen verwendet werden. Die Vorrichtung beinhaltet einem Behälter 702 zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit, einem digitalen Druckkopf 706, der mit dem Behälter fluidisch verbunden ist und einem Steuerungsgerät 704 zur Ansteuerung des Druckkopfes für ein tröpfchenweises Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf die Oberfläche.
  • Bei der Vorrichtung 700 kann es sich also um ein medizintechnisches Gerät, insbesondere um ein medizinisches Gerät zum selektiven Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit auf ein Organ oder ein Organteil handeln. Beispielsweise kann das Gerät für kryochirurgischer medizinische oder kosmetische Anwendungen verwendet werden.
  • Bei der Oberfläche 712 kann es sich z.B. um die Epidermis menschlicher oder tierischer Haut 710 handeln oder um eine sonstige Oberfläche einzelner Zellen oder eines Zellverbandes.
  • Die menschliche Haut gliedert sich in drei wesentliche Schichten: Epidermis (Oberhaut), Dermis (Lederhaut, lat. Corium) und Subcutis (Unterhaut). Bei der Epidermis handelt es sich um ein mehrschichtiges verhornendes Plattenepithel, das üblicherweise zwischen 0,03 und 0,05 Millimeter dick ist. An den Handinnenflächen und den Fußsohlen ist die Hornschicht bis zu mehreren Millimeter dick („Hornhaut“). Die Dermis besteht vorwiegend aus Bindegewebsfasern und dient der Ernährung und Verankerung der Epidermis. Sie beinhaltet Blutgefäße, Nerven und die für die Temperaturregelung wichtige glatte Muskulatur und Blutgefäße. Die Unterhaut enthält die größeren Blutgefäße und Nerven für die oberen Hautschichten sowie das subkutane Fett und lockeres Bindegewebe. In der Unterhaut liegen Sinneszellen für starke Druckreize, zum Beispiel die Lamellenkörperchen.
  • Durch entsprechende Steuerung des Druckkopfes können alle Hautschichten auf Temperaturen von unter 10°C, auch unter 0°C, auch unter -20°C, auch unter -40°C für eine vordefinierte Dauer gekühlt werden. Hierdurch kann Gewebe zerstört und/oder die darin befindlichen Nerven in ihrer Aktivität reduziert werden, insbesondere zum Zweck der Schmerzlinderung vor, während oder nach einer lokalen Operation.
  • Die Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise nicht nach dem „Alles oder Nichts“ Prinzip, sondern über eine Vielzahl von Düsen, die individuell steuerbar sind und die Tropfen der kryogenen Flüssigkeit so ausstoßen, dass der Tröpfchenausstoß der verschiedenen Düsen sich im Hinblick auf Größe und/oder Frequenz unterscheidet. Hierdurch können komplexe Muster entstehen, die sich individuell an die zu behandelnde Haut- und Unterhautstrukturen anpassen. Beispielsweise ist es sogar möglich, ringförmige Druckmuster sehr starker Kühlung zu produzieren, sodass die Zellen innerhalb des ringförmigen Druckmusters absterben aber die Zellen im Zentrum nicht. Solche Strukturen treten bei verschiedenen Hautläsionen immer wieder auf. Mit herkömmlichen Geräten, die nach dem „Alles oder Nichts-Prinzip“ (On-Off-Prinzip) arbeiten, war es nicht möglich, derartige Strukturen auf möglichst schonende Weise zu behandeln, da das gesamte Gewebe auf den die kryogene Flüssigkeit aufgebracht wurde abstarb, obwohl oft nur ein Teilbereich wirklich entfernt werden sollte. Die Verwendung eines Druckkopfes mit mehreren individuell ansteuerbaren Düsen ermöglicht es dagegen auch komplexe Hautläsionen einschließlich solcher, die näherungsweise ringförmig sind und gesundes Gewebe im Zentrum umschließen, so zu behandeln, dass die gesunden Zellen im Zentrum weniger stark gekühlt werden als die Zellen des ringförmigen umgebenden krankhaften Gewebes. Somit ist eine zielgerichtete und für den Patienten schonendere Behandlung möglich.
  • Der Wärmeverlust von menschlicher Haut im Kontakt mit Luft ist unwesentlich, da Luft ein ausgezeichneter thermischer Isolator ist. Die Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit bewirkt eine starke Abkühlung der Oberfläche, auf die die Tröpfchen aufgetragen werden, wobei sich die Kälte auch ins darunterliegende Gewebe ausbreitet, insbesondere dann, wenn von dem Druckkopf weiterhin auf diese Oberflächenstelle kryogene Flüssigkeitströpfchen appliziert werden.
  • Die seitliche thermische Diffusion und die Kühlung durch die Blutperfusion begünstigten die Ausbreitung der Kühlung ins Innere des Gewebes, wobei dies einige Sekunden dauern kann. Das auf die Haut aufgebrachte Kryomittel erzeugt eine Wärmesenke unterhalb der Oberfläche der Haut, die als Temperaturgradient ausgebildet ist. Je steiler der Gradient ist, desto schneller wird eine gegebene Wärmemenge entzogen. Folglich sollte das Kryomittel, um einen Erfolg zu erzielen, so schnell wie möglich einen großen Abfall der Oberflächentemperatur erzeugen.
  • Die 9 zeigt eine manuell bedienbare Vorrichtung 800 zur Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit in-vitro. Beispielsweise können flächige 2D- oder 3D- Zellverbände, z.B. bakterielle Zellverbände („Biofilm“), künstliche Haut, künstliche Knorpel, Verbände von Leberzellen, Muskelzellen u.a. in zunehmendem Maße in vitro, hier z.B. in einer Petrischale 802, gezüchtet werden. Durch manuelle und vorzugsweise wiederholte Applikation einer kryogenen Flüssigkeit auf bestimmte Stellen des Zellverbandes kann das Wachstum der Zellen einschließlich des dreidimensionalen Wachstums gesteuert werden. Der Druckkopf 706 wird hierbei manuell auf den Bereichen des Zellverbands positioniert, der zerstört oder im Wachstum verlangsamt werden soll. Anstelle einer Petrischale können auch Zellkulturschalen verschiedener Größe und Formate verwendet werden. Eine stark lokal begrenzte Applikation einer kryogenen Flüssigkeit kann neben medizinischen und kosmetischen Zwecken auch für wissenschaftliche Fragestellungen verwendet werden, z.B. um in bestimmten Bereichen den Stoffwechsel und das Wachstum von Zellen zu verlangsamen bzw. den Zellmetabolismus selektiv in einer ausgewählten Region durch sehr rasches Abkühlen auf unter 0°C für weitere Analysen zu konservieren.
  • 10 zeigt eine Vorrichtung 900 zur automatischen Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit über einen Druckkopf 706 in-vitro. Die Vorrichtung 900 ist an einem beweglichen Element 902 starr oder beweglich (z.B. rotierbar und/oder verschwenkbar) befestigt. Bei dem beweglichen Element kann es sich z.B. um einen Roboterarm oder eine sonstige automatisch betriebene Einheit zur mechanischen Bewegung der Vorrichtung 900 innerhalb einer Ebene x, y, die im Wesentlichen parallel zu einer von der Unterseite des Zellkulturgefäßes aufgespannten Ebene verläuft, und optional zusätzlich auch zur mechanischen Bewegung der Vorrichtung 900 entlang einer Dimension y, die im Wesentlichen orthogonal zu der Eben x, y verläuft. Die Kombination aus einer automatischen Positionierung des Gerätes mit der automatischen tröpfchenförmigen Aufbringung der kryogenen Flüssigkeit über den Druckkopf 706 kann den Vorteil haben, dass die Kontrolle darüber, wo genau eine kryogene Flüssigkeit aufgebracht wird, erhöht wird. Entsprechende Ausführungsformen sind also für Hochpräzisionsanwendungen besonders geeignet. Vorzugsweise verfügt der Druckkopf 706 über mehrere individuell ansteuerbare Druckdüsen.
  • In einer Ausführungsform sind die Vorrichtung und der Arm 902 integraler Bestandteil eines Inkubators oder sonstigen Geräts, welches der Temperierung und optional auch der Bewegung von ein oder mehreren prokaryotischen oder eukaryotischen Zellkulturen dient. Dies kann den Vorteil haben, dass die Vorrichtung regelmäßig auf bestimmten Oberflächenbereichen des Zellverbandes positioniert werden kann, um dort die kryogene Flüssigkeit zu applizieren und das Zellwachstum zu steuern. Da sowohl Vorrichtung 900 als auch die bewegliche Einheit 902 Bestandteil des Inkubators bzw. Geräts sind, kann wiederholt eine Kryobehandlung durchgeführt werden ohne das Infektionsrisiko zu erhöhen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Vorrichtung
    102
    Steuerungsgerät
    103
    kryogene Flüssigkeit
    104
    Druckereinheit
    105
    Herstellungsanlage
    106
    Druckkopf
    107
    Bewegungseinheit
    108
    Behälter
    109
    Strukturierungseinheit
    110
    fluidische Leitung
    111
    Tröpfchen kryogener Flüssigkeit
    112
    Oberfläche
    113
    Objekt
    114
    Hardwarekomponente
    116
    Eingabegerät
    118
    Eingabegerät
    120
    Bildschirm
    122
    grafische Benutzeroberfläche
    124
    Steuerungselemente
    126
    Verteilungsschema
    127
    Oberflächenbild
    700
    Vorrichtung zur medizinischen oder kosmetischen Kryobehandlung
    702
    Behälter mit kryogener Flüssigkeit
    704
    Steuerungsgerät
    706
    Druckkopf
    708
    Tröpfchen kryogener Flüssigkeit
    710
    Haut
    712
    Oberfläche
    800
    Vorrichtung zur in-vitro Kryobehandlung
    802
    Petrischale/Zellkulturgefäß
    900
    Vorrichtung zur Kryobehandlung
    902
    Einheit zur Bewegung der Vorrichtung

Claims (27)

  1. Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit (103), dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit (103) tröpfchenweise digital gesteuert auf eine Oberfläche (112, 712) aufgebracht wird.
  2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei durch das digital gesteuerte Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) eine Position des tröpfchenweisen Aufbringens in 2D oder 3D, ein Volumen des tröpfchenweisen Aufbringens und/oder ein Winkel des tröpfchenweisen Aufbringens relativ zu der Oberfläche (112, 712) gesteuert wird, wobei das Volumen und/oder der Winkel positionsabhängig sein kann.
  3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die kryogene Flüssigkeit (103) in einem Behälter (108, 702) gelagert ist, welcher mit einem digitalen Druckkopf (106, 706) fluidisch verbunden ist, wobei der digitale Druckkopf (106, 706) für das tröpfchenweise Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf die Oberfläche (112, 712) digital angesteuert wird.
  4. Verwendung nach Anspruch 3, wobei der digitale Druckkopf (106, 706) relativ zu der Oberfläche (112, 712) bewegbar ist.
  5. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (112, 712) vor dem Aufbringen der Flüssigkeit (103) eine Temperatur von über - 50°C, von über -20°C, insbesondere von über 0°C, oder Raumtemperatur oder Körpertemperatur eines Tieres oder eines Menschen hat.
  6. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche (112, 712) vor dem Aufbringen der Flüssigkeit (103) eine Temperatur von maximal 100 °C hat.
  7. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ausbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) unter einer Schutzatmosphäre erfolgt, insbesondere unter einer Schutzatmosphäre mit erhöhtem oder verringertem Sauerstoffgehalt relativ zur Normalatmosphäre.
  8. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) unter Überdruck oder Unterdruck erfolgt.
  9. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der kryogenen Flüssigkeit (103) um Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon, Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid oder eine Mischung aus einem oder mehreren dieser Stoffe handelt.
  10. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verwendung ferner umfasst: • Erfassen einer 2D und/oder 3D Struktur der Oberfläche (112, 712) und/oder eines Objekts (113), das die Oberfläche (112, 712) umfasst, • Bestimmen von Strukturelementen der Oberfläche (112, 712), auf welche die kryogene Flüssigkeit (103) aufzubringen ist, in Abhängigkeit von der erfassten 2D und/oder 3D Struktur; und • Erzeugen von Steuerungsdaten, die zum Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit (103) auf die bestimmten Strukturelemente ausgebildet sind.
  11. Verwendung nach Anspruch 10, wobei die Verwendung ferner ein Erstellen eines digitalen Verteilungsschemas (126) zum Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf die bestimmten Strukturelemente in Abhängigkeit von der erfassten 2D und/oder 3D Struktur umfasst, wobei die Steuerungsdaten ausgebildet sind zum Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit (103) auf die bestimmten Strukturelemente gemäß dem Verteilungsschema (126).
  12. Verwendung nach Anspruch 11, wobei das digitale Verteilungsschema (126) auf einer Anzeigevorrichtung (120) angezeigt wird und das Steuern des Aufbringens der kryogenen Flüssigkeit (103) unter Verwendung der Steuerungsdaten gemäß dem Verteilungsschema (126) einen Empfang einer Bestätigung des angezeigten Verteilungsschemas (126) über eine Eingabevorrichtung (116, 118) voraussetzt.
  13. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Oberfläche (112, 712) um lebendes oder totes biologisches Material handelt, wobei das biologische Material insbesondere umfasst: Mikroorganismen, eine Zellkultur und/oder einen Zellverband, insbesondere einen in-vivo oder in-vitro Zellverband, insbesondere einen in-vitro Zellverband für das Wachstum eines künstlichen Organs oder eines Organteils, wobei das biologische Material insbesondere menschliche oder tierische Haut (710) oder eine Gewebeprobe ist.
  14. Verwendung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Oberfläche (112, 712) um eine menschliche oder tierische Haut (710) in vivo oder in vitro handelt.
  15. Verwendung nach Anspruch 14, wobei es sich bei der Verwendung um ein Verfahren zur medizinischen und/oder ästhetischen Behandlung von Hautveränderungen handelt, wobei die Hautveränderungen insbesondere ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend: • Pigmentflecken; • überschießendes Narbengewebe (Keloid); • Warzen, insbesondere Stilwarzen und Dellwarzen (Molluscum contagiosum), • Fibroma molle Geschwulste, • Lentigo solaris Läsionen, • Hämangiome, • Feuermale, • Keratosen, insbesondere Seborrhoische Keratose; • hautkrebsbedingte Hautveränderungen.
  16. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei es sich bei der Oberfläche (112) um ein Substrat handelt, wobei ein oder mehrere Strukturierungsschritte durchgeführt werden, um die Oberfläche (112) zu strukturieren und/oder eine zwei- oder dreidimensionale Struktur auf die Oberfläche (112) aufzubringen, wobei zumindest vor einem der Strukturierungsschritte das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) erfolgt, um den nachfolgenden Strukturierungsschritt zu beeinflussen, oder wobei durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) ein Strukturierungsschritt erfolgt.
  17. Verwendung nach Anspruch 16, wobei es sich bei dem Strukturierungsschritt um eine chemische Reaktion, einen physikalischen Abscheidungsschritt und/oder eine Polymerisation handelt.
  18. Verwendung nach Anspruch 17, wobei durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) eine Reaktionsgeschwindigkeit der chemischen Reaktion lokal gesteuert wird und/oder wobei durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) lokal ein Aggregatszustand eines an der chemischen Reaktion, dem physikalischen Abscheidungsschritt und/oder der Polymerisation beteiligten Stoffes geändert wird.
  19. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei es sich bei der Oberfläche (112) um ein Substrat für eine gedruckte Schaltung handelt.
  20. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 19 zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, insbesondere einer integrierten elektronischen Schaltung, auf Silizium- und/oder Germanium-Basis oder polymerelektronischer Basis.
  21. Verwendung nach Anspruch 20, wobei vor einem Dotierungsschritt das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) erfolgt, um eine Dotierung lokal zu modulieren.
  22. Vorrichtung (100, 700, 800, 900) ausgebildet zur Durchführung der Verwendung einer kryogenen Flüssigkeit (103) nach einem der vorigen Ansprüche.
  23. Vorrichtung (100, 700, 800, 900) zum Aufbringen einer kryogenen Flüssigkeit (103) auf eine Oberfläche (112, 712) mit einem Behälter (108, 702) zur Aufnahme der kryogenen Flüssigkeit (103), einem digitalen Druckkopf (106, 706), der mit dem Behälter (108, 702) fluidisch verbunden ist und einem Steuerungsgerät (102, 704) zur Ansteuerung des Druckkopfes (106, 706) für ein tröpfchenweises Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf die Oberfläche (112, 712).
  24. Vorrichtung (700) nach einem der Ansprüche 22 bis 23, wobei es sich bei der Vorrichtung (700) um ein medizintechnisches Gerät handelt zum selektiven Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf ein Organ oder ein Organteil, insbesondere menschliche oder tierische Haut (710), oder zum selektiven Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) auf einzelne Zellen, insbesondere Nervenzellen, handelt.
  25. Vorrichtung (700, 800) nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Vorrichtung (700, 800) ausgebildet ist als: • ein Werkzeug mit einer Formgebung, die das Führen und Positionieren des Druckkopfes (106, 706) mit einer Hand ermöglicht, wobei die Formgebung insbesondere die Form eines Stiftes, Mal- oder Zeichengerätes hat; und/oder • ein Endoskop; und/oder • ein Endoskop mit einer Kamera, wobei die Kamera am gleichen Ende der Vorrichtung angebracht ist wie der Druckkopf (106, 706) und so ausgerichtet ist, dass die Kamera dazu ausgebildet ist, Bilder (127) von dem Druckkopf (106, 706) und der von diesem kontaktierten Oberfläche (112, 712) zu erfassen.
  26. Vorrichtung (100, 700, 800, 900) nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei der Druckkopf (106, 706) mehrere individuell ansteuerbare Düsen enthält, wobei jede der Düsen dazu konfiguriert ist, die Größe und/oder Frequenz der Tropfen, die von der jeweiligen Düse ausgestoßen werden, in Abhängigkeit von Steuerungsdaten des Steuerungsgerätes (102, 704) zu steuern.
  27. Anlage (105) zur Herstellung eines elektronischen Bauelements umfassend eine + (100) nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei es sich bei der Oberfläche (112) um ein Substrat handelt, wobei die Anlage (105) im Zuge der Herstellung des elektronischen Bauelements ein oder mehrere Strukturierungsschritte durchführt, um die Oberfläche (112) zu strukturieren und/oder eine zwei- oder dreidimensionale Struktur auf die Oberfläche (112) aufzubringen, wobei zumindest vor einem der Strukturierungsschritte das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) durch die Vorrichtung (100) erfolgt, um den nachfolgenden Strukturierungsschritt zu beeinflussen, oder wobei durch das Aufbringen der kryogenen Flüssigkeit (103) ein Strukturierungsschritt erfolgt.
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