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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Prägeeinrichtung zum Herstellen eines Trägerelements für eine Analyseeinrichtung und einem Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Die
DE 10 2010 041 287 A1 beschreibt ein Fertigungsverfahren, bei dem zwischen transparente Trägerplatten eine nichttransparente Membran aus thermoplastischem Elastomer fixiert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Prägeeinrichtung zum Herstellen eines Trägerelements für eine Analyseeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Vorteilhafterweise wird durch den hier vorgestellten Ansatz ein Bilden von Bindenähten und Forminnendruckverlusten vermieden und ein gleichmäßiges Füllverhalten ermöglicht, durch das Unebenheiten, Verzug und Spannungen vermieden werden.
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Es wird eine Prägeeinrichtung zum Herstellen eines Trägerelements für eine Analyseeinrichtung vorgestellt. Die Prägeeinrichtung weist dazu einen Prägekorpus mit einer ersten Ausnehmung und einer zweiten Ausnehmung auf, wobei die erste Ausnehmung eine erste Oberflächenstruktur und die zweite Ausnehmung eine sich von der ersten Oberflächenstruktur unterscheidende zweite Oberflächenstruktur aufweist. Weiterhin weist die Prägeeinrichtung ein verfahrbares Formelement auf, das ausgebildet ist, um in der ersten Ausnehmung einen der ersten Ausnehmung zugeführten ersten Werkstoff zu einem Rohelement zu formen, wobei das Rohelement insbesondere mittels Unterdrucks an dem Formelement befestigbar oder befestigt ist. Die Prägeeinrichtung weist außerdem einen mit der ersten Ausnehmung des Prägekorpus verbundenen ersten Zuführkanal auf, der ausgebildet ist, um der ersten Ausnehmung den ersten Werkstoff zuzuführen, und einen mit der zweiten Ausnehmung verbundenen zweiten Zuführkanal, der ausgebildet ist, um der zweiten Ausnehmung einen zweiten Werkstoff zuzuführen. Dabei ist beispielsweise der zweite Zuführkanal derart ausgebildet, das Rohelement in der zweiten Ausnehmung zumindest teilweise mit dem zweiten Werkstoff zu umgeben, um das Trägerelement herzustellen.
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Die Prägeeinrichtung kann beispielsweise als ein Spritzprägewerkzeug realisiert sein, durch welches das Trägerelement hergestellt werden kann. Das Trägerelement kann beispielsweise als eine Trägerplatte für die Analyseeinrichtung realisiert sein, die beispielsweise als eine Lab-on-Chip (LoC)-Kartusche realisiert ist. Die erste Oberflächenstruktur kann beispielsweise zumindest einen Fluidanschluss aufweisen und die zweite Oberflächenstruktur kann ausgebildet sein, um beispielsweise zumindest einen Reagenzriegel in dem Trägerelement auszuformen. Das Formelement kann beispielsweise als ein Prägestempel ausgeformt sein, der sich in die erste Ausnehmung bewegen kann, um aus dem ersten Werkstoff, der beispielsweise einen Kunststoff mit hohen optischen Eigenschaften und mit einer FDA-Zulassung (Food and Drug Administration) beinhaltet, das Rohelement zu formen. Der zweite Werkstoff kann beispielsweise einen kostengünstigen Kunststoff umfassen, wie beispielsweise Polypropylen (PP), Polystyrol (PS, SAN), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA, MABS). Der erste und zusätzlich oder alternativ der zweite Werkstoff kann beispielsweise in Form einer Schmelze der ersten und zusätzlich oder alternativ der zweiten Ausnehmung zugeführt werden. Vorteilhafterweise können durch eine Materialwahl der Werkstoffe Materialkosten eingespart werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Prägekorpus eine erste Schale und eine von der ersten Schale an einer Trennebene trennbare zweite Schale aufweisen, um das Rohelement und zusätzlich oder alternativ das Trägerelement aus dem Prägekorpus zu entnehmen. Vorteilhafterweise kann die Trennebene entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Prägekorpus verlaufen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Ausnehmung und zusätzlich oder alternativ die zweite Ausnehmung von der Trennebene ausgehend angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann jede Schale des Prägekorpus je einen Teilabschnitt der ersten und zusätzlich oder alternativ der zweiten Ausnehmung aufweisen, sodass die Ausnehmungen in geschlossenem Zustand der Schalen von dem Prägekorpus umgeben sind.
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Weiterhin kann der Prägekorpus zumindest einen Vakuumkanal aufweisen, der ausgebildet ist, um das Rohelement mittels Unterdrucks an einer Wand der zweiten Ausnehmung zu befestigen. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Verrutschen des Rohelements in der zweiten Ausnehmung verhindert werden.
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Der Prägekorpus kann ausgebildet sein, um ein Negativ der ersten Oberflächenstruktur im Rohelement von dem zweiten Werkstoff freizuhalten. Vorteilhafterweise kann das Rohelement durch den Unterdruck derart an der Wand der zweiten Ausnehmung gehalten werden, dass ein Eindringen des zweiten Werkstoffs durch einen Spalt zwischen Negativ und Wand verhindert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die erste Ausnehmung ausgebildet sein, um mehrere Fluidkanäle in dem Rohelement auszuprägen. Vorteilhafterweise kann dadurch ein späterer Fluss beispielsweise eines Probenmaterials durch die Fluidkanäle ermöglicht werden.
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Die Prägeeinrichtung kann gemäß einer Ausführungsform zumindest eine Erfassungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um einen auf den ersten Werkstoff wirkenden Druck und zusätzlich oder alternativ eine Werkstofftemperatur des ersten Werkstoffs in der ersten Ausnehmung zu erfassen. Dabei kann die Prägeeinrichtung ausgebildet sein, um das Formelement unter Verwendung des erfassten Drucks und zusätzlich oder optional der erfassten Werkstofftemperatur anzusteuern. Die Erfassungseinrichtung kann beispielsweise als ein Temperatursensor und zusätzlich oder alternativ als ein Drucksensor realisiert sein. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Herstellungsprozess geregelt, kontrolliert und zusätzlich oder alternativ eine reproduzierbare Bauteilqualität ermöglicht werden.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements vorgestellt, das einen Schritt des Zuführens eines ersten Werkstoffs in eine erste Ausnehmung eines Prägekorpus einer Prägeeinrichtung in einer der zuvor genannten Varianten umfasst. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt des Formens des ersten Werkstoffs durch Bewegen des Formelements in die erste Ausnehmung, um das Rohelement herzustellen. In einem Schritt des Einlegens wird das Rohelement in die zweite Ausnehmung eingelegt. In einem Schritt des Zuführens wird der zweite Werkstoff der zweiten Ausnehmung des Prägekorpus zugeführt, um das Trägerelement herzustellen. Vorteilhafterweise kann das Rohelement vor dem Einlegen aushärten. Vorteilhafterweise kann das Trägerelement zumindest zwei unterschiedliche Negative aufweisen, die den Oberflächenstrukturen entsprechen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens einer Werkstofftemperatur und zusätzlich oder alternativ eines auf den Werkstoff wirkenden Drucks umfassen, wobei der Schritt des Formens unter Verwendung des erfassten Drucks und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung der erfassten Werkstofftemperatur ausgeführt wird. Vorteilhafterweise kann auf diese Weise das Verfahren kontrolliert durchgeführt werden.
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Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt des Befestigens des Trägerelements an dem Formelement und zusätzlich oder alternativ des Rohelements an einer Wand der zweiten Ausnehmung mittels Unterdrucks umfassen. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Verrutschen des Rohelements verhindert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können im Schritt des Einlegens Schalen des Prägekorpus an einer Trennebene zusammengefügt werden, sodass die zweite Oberflächenstruktur tiefer in einen Bereich einer Schale hineinragt als das Rohelement. Vorteilhafterweise weist die zweite Oberflächenstruktur dadurch ein großes Ausnahmevolumen für Reagenzien auf.
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Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt des Belüftens eines Bereichs zwischen dem Rohelement und dem Formelement umfassen, um das Rohelement von dem Formelement zu lösen. Eine solche Ausführungsform des hier vorgestellten Ansatzes bietet den Vorteil einer besonders einfachen und kostengünstigen Möglichkeit für die Fixierung und nachfolgende Lösung des Rohelementes von dem Formelement.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Prägeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Prägeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel während einer Werkstoffzufuhr;
- 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer Prägeeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel nach einer Werkstoffzufuhr;
- 4 eine schematische Darstellung einer Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung einer Analyseeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Trägerelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Prägeeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Prägeeinrichtung 100 ist dabei ausgebildet, um ein Trägerelement 102 für eine Analyseeinrichtung herzustellen. Die Analyseeinrichtung kann dabei beispielsweise als eine LoC-Kartusche (Lab on Chip) realisiert sein. Dabei weist die Prägeeinrichtung 100 einen Prägekorpus 105 auf, der wiederum eine erste Ausnehmung 110 und eine zweite Ausnehmung 115 aufweist. Dabei weist die erste Ausnehmung 110 eine erste Oberflächenstruktur 120 und die zweite Ausnehmung 115 eine zweite Oberflächenstruktur 125 auf, die sich von der ersten Oberflächenstruktur 120 unterscheidet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Oberflächenstruktur 120 in Form von zumindest einem Reagenzriegel ausgeformt. Weiterhin weist die Prägeeinrichtung 100 ein bewegliches Formelement 130 auf, das ausgebildet ist, um in der ersten Ausnehmung 110 einen der ersten Ausnehmung 110 zugeführten ersten Werkstoff 135 zu einem Rohelement 137 zu formen. Dabei ist das Rohelement 137 mittels Unterdrucks an dem Formelement 130 befestigbar oder befestigt. Die Prägeeinrichtung 100 weist außerdem einen mit der ersten Ausnehmung 110 des Prägekorpus 105 verbundenen ersten Zuführkanal 140 auf, der ausgebildet ist, um der ersten Ausnehmung 110 den ersten Werkstoff 135 zuzuführen, und einen mit der zweiten Ausnehmung 115 verbundenen zweiten Zuführkanal 145 auf. Der zweite Zuführkanal 145 ist dabei ausgebildet, um der zweiten Ausnehmung 115 einen zweiten Werkstoff 150 zuzuführen. Der zweite Werkstoff 150 ist dabei ausgebildet, um das Rohelement 137 in der zweiten Ausnehmung 115 zumindest teilweise zu umgeben, um das Trägerelement 102 herzustellen.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist der Prägekorpus 105 eine erste Schale 155 und eine zweite Schale 160 auf, die an einer Trennebene 165 voneinander trennbar ausgeformt sind, um das Rohelement und/oder das Trägerelement 102 aus dem Prägekorpus 105 zu entnehmen. Das bedeutet, dass der Prägekorpus 105 beispielsweise aus zwei Hälften besteht, die zusammensetzbar sind. Sind sie beispielsweise zusammengefügt, so sind die Ausnehmungen 110, 115 als jeweils ein Hohlraum ausgeformt. In anderen Worten sind die Ausnehmungen 110, 115 von der Trennebene 165 ausgehend an dem Prägekorpus 105 angeordnet. Anders ausgedrückt sind die erste Ausnehmung 110 und die zweite Ausnehmung 115 auf der Trennebene 165 übereinander in dem Prägekorpus 105 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Ausnehmung 110 ausgebildet, um mehrere Fluidkanäle 170 in dem Rohelement 137 auszuprägen. Weiterhin optional ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Negativ 175 der ersten Oberflächenstruktur 125 im Rohelement 137 dargestellt, das beispielsweise in der zweiten Ausnehmung 115 von dem zweiten Werkstoff 150 umgeben ist. Der Prägekorpus 105 ist beispielsweise ausgebildet, um das Negativ 175 im Rohelement 137 von dem zweiten Werkstoff 150 freizuhalten, wenn gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Rohelement 137 in der zweiten Ausnehmung 115 angeordnet ist. Dabei wird das Rohelement 137 lediglich optional mittels Unterdrucks an einer Wand 180 der zweiten Ausnehmung 115 mittels zumindest eines Vakuumkanals 185 des Prägekorpus 105 befestigt.
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Weiterhin optional weist die Prägeeinrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zumindest eine Erfassungseinrichtung 190 auf, die ausgebildet ist, um einen auf den ersten Werkstoff 140 wirkenden Druck und/oder eine Werkstofftemperatur des ersten Werkstoffs 140 in der ersten Ausnehmung 110 zu erfassen. Dabei ist die Prägeeinrichtung 105 ausgebildet, um das Formelement 130 unter Verwendung des erfassten Drucks und/oder der erfassten Werkstofftemperatur anzusteuern. Die Erfassungseinrichtung 190 ist dem entsprechend beispielsweise als ein Thermometer realisiert und/oder als ein Drucksensor. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Prägeeinrichtung 100 optional eine weitere Erfassungseinrichtung 190' auf, die beispielsweise ausgebildet ist, um den wirkenden Druck zu erfassen, wenn die Erfassungseinrichtung die Werkstofftemperatur des ersten Werkstoffs erfasst oder um die Werkstofftemperatur zu erfassen, wenn die Erfassungseinrichtung den wirkenden Druck erfasst.
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In anderen Worten ausgedrückt wird durch den hier vorgestellten Ansatz ein biokompatibles Trägerelement 102 aus beispielsweise zwei kombinierten Kunststoffen für Einweg-Kartuschen von LoC-Systemen und druckgeregeltes Zweikomponenten-Spritzprägeverfahren zur spannungsfreien Herstellung beschrieben.
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Im Allgemeinen werden medizinische Kartuschen aus unterschiedlichen Kunststoffkomponenten beispielsweise für Mikrofluidik-Analysesysteme zur Auswertung von Körperflüssigkeiten und zeitnahen Diagnostik in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt. Die dafür verwendeten Einweg-Kartuschen der sogenannten Lab-on-Chip Systeme bestehen dabei aus zwei transparenten Kunststoff-Trägerplatten mit Mikrofluidikkanälen und zahlreichen Pneumatik- und/oder Fluidanschlüssen, die aus einem kostenaufwendigen Polycarbonat mit hohen optischen Anforderungen hergestellt werden. Die optischen Anforderungen werden dabei nur in einem maximal lcm2 großen Bereich benötigt, der von einer Kamera im Analysesystem ausgelesen wird. Da die Platten zahlreiche Durchbrüche aufweisen, kommt es bei der Füllung der Kavität mit der flüssigen Kunststoffschmelze zu Bindenähten und Forminnendruckverlusten. Das ungleichmäßige Füllverhalten führt bei einer anschließenden Aushärtung der Trägerplatten im temperierten Spritzgießwerkzeug zu inneren Spannungen, Verzug und Unebenheiten. Die Reproduzierbarkeit der Druck- und Temperaturverläufe in der Kavität wird dabei nicht aufgezeichnet. Zwischen den Trägerplatten werden in nachfolgenden Montageschritten die notwendigen Funktionsbauteile, wie beispielsweise versiegelte Reagenzriegel, elastische Pumpmembranen und Sensoren, durch Schweißprozesse integriert. Dabei führen die inneren Spannungen, Verzug und Unebenheiten zu schlechten Schweißverbindungen an der integrierten Elastomerschicht wodurch undichte Bereiche mit Lufteinzug erzeugt werden. Weiterhin entstehen ungleichmäßige Mikrofluidikkanalquerschnitte, die einen eingestellten Flüssigkeitstransport beeinträchtigen. Da bei einer Analyse im Diagnosesystem partielle Bereiche der auch als Analyseeinrichtung bezeichneten Kartusche beispielsweise mit Heizern kurzzeitig auf beispielsweise 95°C temperiert werden, lösen sich dabei die entstandenen inneren Spannungen und es entstehen Undichtigkeiten mit Lufteinzug zu einer angeschweißten Pumpenmembran. Die transparenten Trägerplatten werden in der Serie beispielsweise aus einem speziellen Polycarbonat hergestellt, um das vorteilhafte Fluoreszenzverhalten in dem kleinen optischen Auslesebereich zu nutzen.
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Vor diesem Hintergrund wird die transparente Kunststoffschmelze, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel als erster Werkstoff 140 bezeichnet ist, in die geöffnete erste Ausnehmung 110, die auch als erste Kavität bezeichnet ist, mit zurück gezogenem Formelement 130, das auch als Prägestempel bezeichnet wird, in einer Teilfüllung beispielsweise unter 100 bar über die auch als Spritzgießmaschine bezeichneten Prägeeinrichtung 100 eingespritzt, die auf eine Temperatur beispielsweise zwischen 245°C bis 315°C aufgeheizt ist, und den hier als ersten Zuführkanal 135 bezeichneten Heißkanal in der Prägeeinrichtung aufweist. Dabei ist der erste Werkstoff 140 transparent und weist hohe optische Eigenschaften auf, wie beispielsweise ein Polycarbonat (PC) mit einer „Medical-grade“- Bezeichnung und einer FDA Zulassung. Für eine optionale Aushärtung des ersten Werkstoffs 140 wird der Prägekorpus 105 beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 75°C bis 150°C temperiert.
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Über die Erfassungseinrichtung 190, 190', die beispielsweise als angussnahe Forminnendruck- und/oder Temperatursensor bezeichnet ist, wird die Position einer Schmelzfront erkannt und ab zumindest einem programmierten Grenzwert parallel das Formelement 130 druckgeregelt bewegt. Wenn die Erfassungseinrichtung 190, 190' an einem Fließwegende die Grenzwerte erreicht, wird das Formelement 130 gestoppt und die Position bis zum Ende einer vorgegebenen Kühlzeit gehalten. Dabei berührt das Formelement 130 gemäß diesem Ausführungsbeispiel die auch als Einsätze in der Kavität bezeichnete erste Oberflächenstruktur 125, welche unterschiedliche Durchbrüche erzeugt und verdichtet den jeweiligen Randbereich dessen. Nach einer Kühlzeit wird die Trennebene 165 der Prägeeinrichtung 100 geöffnet und das transparente Trägerplattenteil, das hier als Rohelement 137 bezeichnet ist, für die Fluidik und die optische Auslesung durch das Formelement 130 ausgestoßen. Lediglich optional übernimmt ein Handling das Rohelement 137 und legt es in die zweite Ausnehmung 115 ein, wo es durch ein Vakuum an der Wand 180 gehalten wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden gleichzeitig zugeschnittene Verbundfolien 185 über das Handling in den Bereich der Reagenzriegel eingesetzt und über das Vakuum dort in Form gesaugt. Über einen zweiten Angusskanal, der hier als zweiter Zuführkanal 145 bezeichnet ist, wird der zweite Werkstoff 150, das bedeutet eine Schmelze einer kostengünstigen Kunststoffvariante ohne FDA-Zulassung, wie beispielsweise ein Polypropylen (PP), ein Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol (PS, SAN), Polymethylmethacrylat (PMMA, MABS) oder Blend auf die Verbundfolie 185 und um das Rohelement 137 haftfest gespritzt.
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Somit werden sehr ebene Trägerelemente 102 mit Fluidkanälen 170, die auch als Mikrofluidikkanäle bezeichnet werden, und bereits integrierten Reagenzriegeln sowie einem optischen Auslesebereich erzeugt, die beispielsweise in einem anschließenden Laserschweißprozess optimal mit einer TPU-Membrane zusammengefügt werden. Da das Trägerelement 102 ohne innere Spannungen gefertigt ist, sind im späteren Diagnosesystem auch partielle Bereiche aufheizbar und die Schweißverbindungen mit einer Abdichtung zur Membran sowie die Querschnitte der Mikrofluidikkanäle bleiben stabil.
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Da der medizinische Kunststoff nur wenige Stabilisierungsfüllstoffe aufweist, diffundieren dabei keine Bestandteile aus dem Material, die das Analyseergebnis beeinflussen könnten. Da eine Pneumatik-Trägerplatte durch die zwischengelagerte Elastomermembrane keinen Kontakt zur Analyseflüssigkeit hat, ist sie vollständig aus dem kostengünstigen Kunststoff ohne FDA-Zulassung, wie beispielsweise ein Polypropylen (PP), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol (PS, SAN), Polymethylmethacrylat (PMMA, MABS) oder Blend herstellbar.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts 200 einer Prägeeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel während einer Werkstoffzufuhr. Der hier dargestellte Abschnitt 200 kann beispielsweise einem die erste Ausnehmung 110 umfassenden Teil der Prägeeinrichtung 100 entsprechen oder zumindest ähneln, wie sie in 1 beschrieben wurde. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der Prägeeinrichtung 100, genauer gesagt der ersten Ausnehmung 110, der erste Werkstoff 140 zugeführt, sodass in 2 eine Momentaufnahme der Werkstoffzufuhr abgebildet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Schmelzfront 205 des ersten Werkstoffs 140 auf Höhe der Erfassungseinrichtung 190 angeordnet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts 200 einer Prägeeinrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel nach einer Werkstoffzufuhr. Der hier abgebildete Abschnitt 200 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel dem in 2 beschriebenen Abschnitt 200 entsprechen oder zumindest ähneln. Lediglich abweichend zu 2 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Momentaufnahme nach der Werkstoffzufuhr abgebildet. Das bedeutet, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zum einen der erste Werkstoff 140 die Ausnehmung 110 vollständig füllt und dass das Formelement 130 derart positioniert ist, dass es die erste Oberflächenstruktur 125 berührt. Dadurch sind beispielsweise Durchgangsöffnungen in dem Rohelement 137 ausformbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Analyseeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Analyseeinrichtung 400 ist beispielsweise als eine Lab-on-Chip (LoC)-Kartusche ausgeformt und ausgebildet, um beispielsweise Patientenproben zu analysieren. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Analyseeinrichtung 400 dazu ein Trägerelement 102 auf, das beispielsweise auch als Fluidik-Trägerplatte bezeichnet ist. Das Trägerelement 102 wurde dabei optional in einer Prägeeinrichtung hergestellt, wie es beispielsweise in einer der 1 bis 3 beschrieben wurde. Weiterhin weist die Analyseeinrichtung 400 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Membran 405 auf, beispielsweise eine Elastomermembran, sowie ein Pneumatik-Trägerelement 410.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Membran 405 dabei zwischen dem Trägerelement 102 und dem Pneumatik-Trägerelement 410 angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Trägerelement 102 zumindest einen Fluidanschluss 415 auf, der beispielsweise als Durchgangsöffnung realisiert ist und in ein Negativ einer ersten Oberflächenstruktur 125 der Prägeeinrichtung führt. Teil des Negativs ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls ein optisches Auslesefenster 417. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Trägerelement 102 auch ein weiteres Negativ 420 einer zweiten Oberflächenstruktur der Prägeeinrichtung auf. Dabei ist das weitere Negativ 420 für eine Reagenzienaufnahme ausgeformt.
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Das Pneumatik-Trägerelement 410 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel weitere Fluidkanäle 425 auf, die mit zumindest einem Pneumatikanschluss 430 verbunden sind.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Analyseeinrichtung 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier abgebildete Analyseeinrichtung 400 kann der in 4 beschriebenen Analyseeinrichtung 400 entsprechen oder zumindest ähneln. Lediglich beispielhaft ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel farblich gekennzeichnet, welche Abschnitte der Trägerelemente 102, 410 aus dem ersten Werkstoff 140 und/oder aus dem zweiten Werkstoff 150 ausgeformt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist das Negativ der ersten Oberflächenstruktur 125 den ersten Werkstoff 140 auf und das weitere Negativ 420 den zweiten Werkstoff 150. Das Pneumatik-Trägerelement 410 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel aus dem zweiten Werkstoff 150 ausgeformt und/oder ausformbar.
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6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Herstellen eines Trägerelements gemäß einem Ausführungsbeispiel. Durch das Verfahren wird beispielsweise ein Trägerelement hergestellt, wie es in einer der 4 bis 5 beschrieben ist. Das Verfahren 600 kann beispielsweise das Trägerelement mittels einer Prägeeinrichtung, wie sie in einer der 1 bis 3 beschrieben wurde, hergestellt werden. Das Verfahren 600 umfasst dabei einen Schritt 605 des Zuführens eines ersten Werkstoffs in eine erste Ausnehmung eines Prägekorpus einer Prägeeinrichtung. In einem Schritt 610 des Formens wird der erste Werkstoff durch Bewegen des Formelements in die erste Ausnehmung geformt, um das Rohelement herzustellen. Das Verfahren 600 umfasst weiterhin einen Schritt 615 des Einlegens des Rohelements in die zweite Ausnehmung und einen Schritt 620 des Zuführens des zweiten Werkstoffs in die zweite Ausnehmung des Prägekorpus, um das Trägerelement herzustellen.
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Im Schritt 615 des Einlegens werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel Schalen des Prägekorpus an einer Trennebene zusammengefügt, sodass die zweite Oberflächenstruktur tiefer in einen Bereich einer Schale hineinragt als das Rohelement.
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Lediglich optional umfasst das Verfahren 600 weiterhin einen Schritt 625 des Erfassens einer Werkstofftemperatur und/oder eines auf den Werkstoff wirkenden Drucks. Dabei wird der Schritt 610 des Formens unter Verwendung des erfassten Drucks und/oder unter Verwendung der erfassten Werkstofftemperatur ausgeführt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Verfahren 600 ferner weiterhin optional einen Schritt 630 des Aushärtens, in dem beispielsweise der das Rohelement ausformende erste Werkstoff ausgehärtet wird. Lediglich optional umfasst das Verfahren 600 zusätzlich einen Schritt 635 des Belüftens eines Bereichs zwischen dem Rohelement und dem Formelement, um das Rohelement von dem Formelement zu lösen. Das Verfahren 600 umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schritt 640 des Befestigens der Trägerschicht an dem Formelement und/oder des Rohelements an einer Wand der zweiten Ausnehmung mittels Unterdrucks.
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Durch das hier vorgestellte Verfahren 600 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein biokompatibles Trägerelement für beispielsweise Einweg-Kartuschen von Lab-on-Chip-Systemen spannungsfrei und mit einer möglichst ebenen Oberfläche reproduzierbar und kostengünstig hergestellt. Dabei wird die flüssige Kunststoffschmelze gleichmäßig und ohne Bindenähte in die erste Ausnehmung, die Kavität, der Prägeeinrichtung eingespritzt und mit flächigem Druck in die benötigte Bauteilform, das bedeutet in die entsprechende Schale der Prägeeinrichtung, gebracht. Mit der Erfassungseinrichtung, die auch als Prozesssensorik bezeichnet wird, wird zeitgleich die Fertigung geregelt und/oder überwacht und eine reproduzierbare Bauteilqualität erreicht.
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Aus dem transparenten Kunststoff diffundieren beispielsweise auch bei hohen Temperaturen im Analysegerät möglichst wenige Stabilisierungsfüllstoffe heraus und das Material weist eine FDA-Zulassung auf. Am Ende wird für einen optionalen Fügeprozess ein sehr ebenes Trägerelement mit integrierten Mikrofluidikkanälen und einem optischen Auslesefenster gefertigt, das spannungsarm und verzugsfrei ist.
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Mit dem hier vorgestellten Verfahren 600 wird ein Herstellen von spannungs- und verzugsfreien Trägerelementen mit Mikrofluidikkanälen für Einweg-Kartuschen von Lab-on-Chip Systemen reproduzierbar und kostengünstig hergestellt. Dafür wird die Schmelze eines transparenten Kunststoffs mit wenigen Stabilisierungsfüllstoffen und FDA Zulassung, wie beispielsweise ein medizinisches Polycarbonat (PC) mit hohen optischen Eigenschaften, gleichmäßig und ohne Bindenähte mit einer Teilfüllung drucklos in die erste Ausnehmung der Prägeeinrichtung gespritzt und parallel das Formelement vorgefahren. Die Trennebene der Prägeeinrichtung wird nach einer bestimmten Kühlzeit geöffnet und das Rohelement mit den ausgeformten Fluidkanälen sowie einem optischen Auslesebereich durch das Formelement ausgestoßen. Über beispielsweise ein Handling wird das Rohelement in die zweite Ausnehmung gesetzt und beispielsweise mittels eines Vakuums dort fixiert. Gleichzeitig werden zugeschnittene Verbundfolien über das Handling in den Bereich der Reagenzriegel eingesetzt und über das Vakuum dort in Form gesaugt. Über den zweiten Zuführkanal wird der zweite Werkstoff, wie beispielsweise ein Polypropylen (PP), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polystyrol (PS, SAN), Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Blend auf die Verbundfolie und um das Rohelement haftfest gespritzt, um das Trägerelement zu erhalten.
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7 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 700 ist beispielsweise ausgebildet, um ein Verfahren zum Herstellen eines Trägerelements durchzuführen oder anzusteuern, wie es in 6 beschrieben wurde. Die Vorrichtung weist dazu eine Zuführeinheit 705, eine Formeinheit 710, eine Einlegeeinheit 715 und eine weitere Zuführeinheit 720 auf. Die Zuführeinheit 705 ist dabei ausgebildet, um beispielsweise unter Verwendung eines Zuführsignals 725 ein Zuführen eines ersten Werkstoffs in eine erste Ausnehmung eines Prägekorpus einer Prägeeinrichtung zu bewirken. Die Formeinheit 710 ist ausgebildet, um beispielsweise unter Verwendung eines Formsignals 730 ein Formen des ersten Werkstoffs durch Bewegen des Formelements in die erste Ausnehmung zu bewirken, um das Rohelement herzustellen. Weiterhin ist die Einlegeeinheit 715 ausgebildet, um unter Verwendung eines Einlegesignals 735 ein Einlegen des Rohelements in die zweite Ausnehmung zu bewirken. Die weitere Zuführeinheit 720 ist ausgebildet, um beispielsweise unter Verwendung eines weiteren Zuführsignals 740 ein Zuführen des zweiten Werkstoffs in die zweite Ausnehmung des Prägekorpus zu bewirken, um das Trägerelement herzustellen.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010041287 A1 [0002]
