DE10353697A1

DE10353697A1 - Oberfläche mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen und deren Anwendungen

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Publication number: DE10353697A1
Application number: DE2003153697
Authority: DE
Inventors: Joachim Spatz; Stefan Graeter; Wouter Roos; Jens Ulmer
Original assignee: Universitaet Heidelberg
Current assignee: Universitaet Heidelberg
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2005-06-23
Also published as: WO2005049479A2; WO2005049479A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, die wenigstens einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen besitzen, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweisen und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche 90% der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L¶90¶-Wert), wenigstens 5 mum beträgt und für 90% der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt: DOLLAR A L >= 4 (A)·1/2·. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Gegenstände, die als Sensoren zur Bestimmung von Kräften ausgestaltet sind, sowie eine Messanordnung, die einen derartigen Sensor umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, die wenigstens einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen besitzen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Gegenstände, die als Sensoren zur Bestimmung von Kräften ausgestaltet sind sowie eine Messanordnung die einen derartigen Sensor umfasst.

Mikrostrukturen im μm- und nm-Bereich sind für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse, z.B. für elektronische und optische Bauelemente, Sensoren etc. Zudem weisen sie häufig ungewöhnliche Oberflächeneigenschaften auf. So wird der von Barthlott et al. (Biologie in unserer Zeit, 28, S.314-322) beschriebene Lotuseffekt auf Zusammenspiel der makroskopischen Eigenschaften der Oberfläche, d.h. ihre chemische Zusammensetzung, und der Mikrostrukturierung der Oberfläche zurückgeführt. Yoshimitsu et al. (Langmuir 18 (2002) S. 5818-5812) beschreiben eine Oberfläche mit einer Anordnung von Säulen mit einer Dicke von etwa 50 μm und einer Höhe von etwa 148 μm. Auf diesen Oberflächen weisen Wassertropfen einen Kontaktwinkel >150° auf.

Verschiedentlich wurden mikrostrukturierte Oberflächen im Sinne von Sensoren zur Bestimmung von Kräften, die von isolierten Zellen auf Oberflächen ausgeübt werden, genutzt.

So beschreiben N. Q. Balaban et al. (Nature Cell Biology, Vol. 3 (2001) S. 466 bis S. 472) den Einsatz einer mikrostrukturierten Oberfläche mit einer Vielzahl, regelmäßiger Säulen aus Polydimethylsiloxan, die eine rechteckige Grundfläche mit einer Abmessung 0,4 μm × 0,4 μm und eine Höhe von 0,3 μm aufweisen, zur Bestimmung der Kräfte, die von Herzfibroblasen und Herz-Myocyten auf Oberflächen ausgeübt werden.

J. L. Tan et al. PNAS, Vol. 100 No. 4 (2003), S. 1484-1489, beschreiben die Untersuchung der Adhäsionskräfte einzelner Zellen auf einer Oberfläche, die eine regelmäßige Anordnung einer Vielzahl von Säulen mit kreisförmiger oder elliptischer Querschnittsfläche aufweist. Das Verhältnis von Höhe H zu Durchmesser D dieser Säulen ist etwa 3.

Die dort beschriebenen Oberflächen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Insbesondere sind sie weder zur Untersuchung von sehr kleinen Kräften, z.B. < 1 nN geeignet, noch für aerodynamische oder hydrodynamische Untersuchungen, wo aus relativ großer Entfernung kleine Kräfte detektiert werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand mit einer mikrostrukturierten Oberfläche bereitzustellen, die eine ortslokalisierte Bestimmung sehr kleiner mechanischer Kräfte, insbesondere von Kräften < 1 nN erlauben. Insbesondere sollte der Gegenstand eine 2-dimensionale, d.h. flächige Untersuchung von kleinen Kräften aus einer vergleichsweise großen Entfernung erlauben, um somit die Untersuchung aerodynamischer oder hydrodynamischer Effekte zu ermöglichen, insbesondere die Analyse von Schubspannungsfeldern.

Es wurde gefunden, dass diese Aufgabe durch eine mikrostrukturierte Oberfläche bzw. einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich auf einem Gegenstand gelöst wird, der durch eine Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen charakterisiert ist, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweisen und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L₉₀-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation f gilt: L ≥ 4√Α (1)

Demnach betrifft die vorliegende Erfindung Gegenstände, die wenigstens eine derartige Oberfläche oder einen Oberflächenbereich aufweisen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen derartigen Gegenstand in Form eines Sensors zur Bestimmung von Kräften, insbesondere von Kräften ≤ 1 nN, oder zur Bestimmung von Kräften, insbesondere zur 2-dimensionalen Bestimmung von Kräften über eine größere Entfernung und speziell zur Untersuchung von 2-dimensionalen Schubspannungsfeldern in Gas- oder Flüssigkeitsströmen.

"Oberfläche" bzw. "Oberflächenbereich" steht hier und im Folgenden für einen makroskopischen Flächenbereich auf der Oberfläche eines Gegenstands. Der erfindungsgemäß mikrostrukturierte Oberflächenbereich kann – abhängig von der gewünschten Anwendung – die gesamte Oberfläche des Gegenstands ausmachen oder einen Teil davon. Zur Erzielung einer makroskopischen Eigenschaft wird der Flächenbereich in der Regel eine Ausdehnung von wenigstens 0,1 mm², häufig von wenigstens 1 mm², vorzugsweise wenigstens 1 cm² aufweisen. Die Ausdehnung kann aber auch sehr viel größer sein, z.B. 1 m² oder auch darüber.

"Mikrostruktur" und "mikrostrukturiert" bedeuten, dass die säulenförmigen Erhebungen, hier auch als Säule bezeichnet, ebenso Abmessungen im Mikrometerbereich haben wie die Abstände, die benachbarten säulenförmige Erhebungen aufweisen.

Alle hier und im Folgenden gemachten Angaben zu Abmessungen beziehen sich auf durch mikroskopische Untersuchungen für eine repräsentative Anzahl (in der Regel wenigstens 10 Säulen) ermittelten Werte.

Der Begriff "säulenförmige Erhebung" bzw. "Säule" steht für eine regelmäßige, längliche Erhebung, deren Dicke weitgehend, in der Regel über einen Bereich von 80 % ihrer Länge nahezu konstant ist, d.h. in diesem Bereich nicht mehr als 20 % und insbesondere nicht mehr als 10 % von der durchschnittlichen Dicke in diesem Bereich abweicht. Die säulenförmige Erhebung kann allerdings auch an ihrem Fuß und ihrem Scheitel eine Verdickung, z.B. eine kugel-, quader-, pyramidal- oder napf- bzw. tellerförmige Verdickung aufweisen. Die Form der Säule ist von untergeordneter Bedeutung, d.h. die Form der Querschnittsfläche ist grundsätzlich beliebig und kann beispielsweise polygonal, z.B. dreieckig, viereckig, z.B. rechteckig oder insbesondere quadratisch, sechseckig, oder rund, z.B. kreisförmig oder elliptisch sein. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche regelmäßig, d.h. der minimale Durchmesser, bzw. die kleinste Seitenhalbierende unterscheidet sich vom maximalen Durchmesser bzw. der größten Seitenhalbierenden um weniger als 50 %. Bevorzugt weisen die Säulen eine kreisförmige oder elliptische Geometrie auf.

Der Begriff "Dicke" steht hier für die Quadratwurzel der Querschnittsfläche A und entspricht damit bei einer Säule mit kreisförmigem Querschnitt etwa dem 1,2-fachen des Durchmessers der Säule und bei einer Säule mit rechteckigem Querschnitt dem quadratischen Mittel der Kantenlänge der Querschnittsfläche.

"Anordnung" bedeutet die geometrische Anordnung der Säulen auf einer Grundfläche, wobei der überwiegende Anteil der Säulen, in der Regel wenigstens 90 % isoliert voneinander auf einer Grundfläche angeordnet sind. Üblicherweise sind die Säulen senkrecht zur Oberfläche angeordnet, wobei Abweichungen von bis zu 10° ebenfalls mit umfasst sein sollen. Die Anordnung kann regelmäßig oder unregelmäßig sein. Bevorzugt sind regelmäßige Anordnungen, d.h. der individuelle Abstand zweier benachbarter Säulen wird in der Regel nicht mehr als 10 % vom Mittelwert dieses Abstands abweichen. Beispiele für regelmäßige Anordnungen umfassen sowohl solche im Sinne eines hexagonalen Flächengitters als auch solche im Sinne eines tetragonalen, insbesondere eines quadratischen Flächengitters.

Die Höhe bzw. Länge, die wenigstens 90 % der Säulen eines erfindungsgemäßen Oberflächenbereichs aufweisen, beträgt erfindungsgemäß wenigstens 5 μm, insbesondere 10 μm vorteilhafterweise wenigstens 15 μm und kann bis 200 μm betragen. Häufig wird sie einen Wert von 150 μm und insbesondere 100 μm nicht überschreiten.

Die Dicke, d.h. Quadratwurzel der Querschnittsfläche A, die wenigstens 90 % der Säulen eines Oberflächenbereichs aufweisen, liegt in der Regel im Bereich von 0,1 μm bis 40 μm und insbesondere im Bereich von 1 bis 15 μm.

Vorzugsweise sind die Abmessungen und Geometrie der Säulen einheitlich, d.h. die individuelle Länge einer Säule wird in der Regel nicht mehr als 20 % und vorzugsweise nicht mehr als 10 % vom Mittelwert der Länge der Säulen abweichen. Entsprechendes gilt für die Dicke √A.

Erfindungsgemäß ist die Länge einer Säule und ihre Dicke [= √A] durch die Relation I miteinander verknüpft, d.h. wenigstens 90 % der Säulen weisen eine Länge auf, die das wenigstens 4-fache, vorzugsweise das wenigstens 5-fache, insbesondere das wenigstens 10-fache der Dicke beträgt. In der Regel wird Verhältnis von Länge zu Dicke einen Wert von 100, insbesondere 80 und speziell 50 nicht überschreiten.

Der Abstand, den benachbarte Säulen eines Oberflächenbereichs zueinander aufweisen, wird in der Regel bei 90 % aller Säulen einen Wert von 0,1 μm, insbesondere 0,5 μm, und speziell 1 μm nicht unterschreiten und üblicherweise einen Wert von 200 μm, häufig 100 μm und insbesondere 50 μm nicht überschreiten.

Erfindungsgemäß sind die Säulen aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut. Hierdurch wird eine reversible Vertormbarkeit der Säule, insbesondere die Reversibilität der Auslenkung der Säule aus ihrer Ruheposition (in der Regel senkrecht zur Oberfläche) gewährleistet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein elastomeres Polymer. Im Hinblick auf eine Verformung/Auslenkung einer Säule durch die bei aerodynamischen oder hydrodynamischen Untersuchung auftretenden Kräfte ist es von Vorteil, wenn das elastisch verformbare Material ein Elastizitäts-Modul von nicht mehr als 10⁷ N/m², und insbesondere nicht mehr 10⁶ N/m² aufweist. In der Regel wird das Elastizitätsmodul einen Wert von 10² N/m² nicht unterschreiten, um eine hinreichende Stabilität der Säulen zu gewährleisten. Elastomere Materialien mit derartigen Elastizitätsmodulen sind dem Fachmann bekannt, und können der Literatur entnommen werden, z.B. aus J. Brandrup, E. H. Immergut (Herausgeber) "Polymer Handbook", 3. Auflage, Wiley, New York 1989. Beispiele für geeignete elastisch verformbare Materialien auf Polymerbasis sind Polystyrole, Polyalkylmethacrylate wie Polymethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat sowie Copolymere von Alkylmethacrylaten mit Alkylacrylaten und/oder Styrol, Epoxidharze und Polyurethanharze, insbesondere solche, die als Lacke/Photoresists für photolithographische Methoden eingesetzt werden.

Als elastisch verformbare Materialien kommen grundsätzlich auch Metalle und Halbmetalle, z.B. Silizium, in Betracht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein vernetztes Polydialkylsiloxan, insbesondere um eine Polydimethylsiloxan. Polydialkylsiloxane sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden durch Kondensation von Dialkyldialkoxysilanen wie Dimethyldietoxysilan oder deren Oligomeren mit geeigneten Vernetzungsmitteln, in der Regel Trialkoxyalkylsilanen und/oder Tetralkoxysilanen wie Tetraethoxysilan, gegebenenfalls in Gegenwart geeigneter Kondensationshilfsmittel, z.B. Säuren oder organischen Anhydriden wie Acetanhydrid, hergestellt. Mischungen aus Dialkyldialkoxysilanen und Tetralkoxysilanen sind in der Regel flüssig und härten bei Einwirkung von Feuchtigkeit und/oder bei erhöhter Temperatur, in Gegenwart der Kondensationshilfsmittel zum vernetzten Polydialkylsiloxan aus. Derartige Mischungen und sind bekannt und ihre Bestandteile sowie anwendungsfertige Formulierungen können kommerziell erworben werden, beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Sylgard^® der Fa. Dow-Corning.

In einer anderen ebenfalls bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein vernetztes Epoxid-Harz. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein Polymer auf Basis ethylenisch ungesättigter Monomere, beispielsweise um ein Polyalkylmethacrylat, z.B. um Polybutylmethacrylat oder Polymethylmethacrylat, oder um ein Copolymer auf Basis von Alkylmethacrylaten wie Butylmethacrylt oder Methylmethacrylat mit copolymerisierbaren Monomeren, z.B. (Cyclo)Alkylacrylaten wie Ethylacrylat, Butylacrlat, Cyclohexylacrylat, Vinylaromaten wie Styrol, weiterhin Acrylnitril und dergleichen.

Die Herstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche kann beispielsweise nach dem im folgenden angegebenen Verfahren erfolgen. In der Regel wird man hierbei zunächst in einem ersten festen Material ein Negativbild der Oberfläche erzeugen (Schritt a). Das so behandelte Material weist ein Vielzahl von tiefen Löchern auf, deren Tiefe der Länge der Säulen und deren Querschnittsfläche der Querschnittsfläche A der Säulen entspricht. Das Negativbild dient als Gussform für die Herstellung der mikrostrukturierten Oberfläche. In die so erhaltene Form gibt man ein flüssiges Monomer oder Präpolymer, so dass die Löcher in der Gussform vollständig gefüllt sind und das flüssige Monomer bzw. Präpolymer eine geschlossene Schicht bildet (Schritt b). Das flüssige Monomer/Präpolymer wird dann ausgehärtet, wobei sich das elastisch verformbare Material bildet, aus dem die Säulen aufgebaut sind (Schritt c). Nach dem Aushärten wird der so erhaltene polymere Film von der Gussform entfernt (Schritt d).

Die Herstellung der Gussform kann mittels konventioneller Techniken zur Herstellung von Löchern mit Abmessungen im μm-Bereich erfolgen, z.B. mittels Photo- oder Elektronenstrahl-Lithographie, durch reaktives lonenätzen (RIE), durch elektrochemisches Ätzen oder ähnliche Verfahren. Durch diese Verfahren werden in einem Substrat Löcher mit einem Durchmesser zwischen 100 nm und 50 μm sowie einer Tiefe von bis zu 200 μm erzeugt. Das Substratmaterial zur Herstellung der Gussform kann ein organisches Polymer, z.B. auf Basis eines Polyalkylmethacrylats, z.B. Polymethylmethacrylat, ein vernetztes Epoxid-Harz oder ein Metall oder Halbmetall sein wie einkristallines Silizium z.B. ein Silizium[001]-Wafer. Sofern es sich bei dem die Gussform bildenden Material um ein organisches Polymer handelt, kann dieses auf einem Träger angeordnet sein, z.B. Glas, Metall, Silizium und dergleichen. Bevorzugte organische Polymere zur Herstellung der Gussform sind insbesondere Negativ-Resiste, z.B. solche auf Basis von Epoxid-Harzen. Geeignete organische Polymere zur Herstellung der Gussform sind ausserdem Positiv-Resiste, z.B. auf Basis von Polyalkylmethacrylaten.

In Schritt b wird dann eine flüssige Zusammensetzung, umfassend ein oder mehrere Präpolymere oder Monomere oder eine Mischung aus Monomer und Präpolymer und in die Gussform gegeben. Die flüssige Zusammensetzung kann zusätzlich noch Katalysatoren, Initiatoren oder sonstige Vernetzungsmittel enthalten, durch welche das Aushärten beschleunigt wird. Gegebenefalls wird man zuvor die Gussform vorbehandeln, um ein leichteres Ablösen von Gussform und Polymerfilm in Schritt d zu erreichen. Beispiele für Vorbehandlungsmaßnahmen umfassen das Hydrophobisieren der Gussform, z.B. indem man die Oberfläche mit Fluororganischen Gruppen ausrüstet, beispielsweise durch Behandlung mit Fluoralkylsil(ox)anen, sowie das Hydrophilisieren der Gussform, z.B. indem man die Oberfläche der Gussform mit OH oder COOH-Gruppen ausrüstet, z.B. durch Behandlung im Sauerstoffplasma.

Als Monomere/Präpolymere können grundsätzlich alle organischen oder anorganischen Substanzen eingesetzt werden, die (gegebenenfalls als Mischung Monomer/Präpolymer) flüssig sind und durch eine chemische Reaktion zu einem Material aushärten, das die gewünschte elastische Verformbarkeit der Säulen gewährleistet. Beispiel für Monomere sind die vorgenannten Siloxane, Dialkyldialkoxysilane, flüssige Siloxan-Oligomere, ethylenisch ungesättigte Monomere wie die vorgenannten Vinylaromaten, (Cyclo)Alkylacrylate und -methacrylate, Acrylnitril und dergleichen, weiterhin flüssige Präpolymere mit wenigstens 2 Epoxidgruppen oder Präpolymere mit ethylenisch ungesättigte Gruppen wie Urethanacrylate sowie Mischungen der Präpolymere mit sogenannten Reaktiwerdünnern, d.h. ethylenisch ungesättigten Monomeren oder Epoxid-Gruppen aufweisenden Verbindungen. Insbesondere sind die oben ennrähnten Dialkyldialkoxysilane und ihre Mischungen mit Vernetzern wie den oben erwähnten Tri- und Tetralkoxysilanen und gegebenenfalls Kondensationshilfsmitteln geeignet.

Das Aushärten von Monomer/Präpolymer erfolgt in der Regel durch eine chemische Reaktion, z.B. eine radikalische Polymerisation oder eine Polykondensation, die beispielsweise durch Licht oder Wärme ausgelöst wird. Verfahren hierzu sind dem Fachmann geläufig. Bei Einsatz von Dialkyldialkoxysilan/Vernetzer wird man in der Regel auf Temperaturen oberhalb 40°C, z.B. im Bereich von 40 bis 150°C und insbesondere von 50 bis 110°C erwärmen.

Nach Aushärten wird in Schritt d) die Gussform entfernt, wobei man einen Polymerfilm erhält, der eine erfindungsgemäß mikrostrukturierte Oberfläche aufweist. Das Entfernen kann durch Auflösen der Gussform oder durch vorsichtiges Abheben des Polymerfilms von der Gussform erfolgen. Die so erhaltene Polymerfolie wird dann in der Regel auf einen Träger, in der Regel die konventionelle Oberfläche eines Gegenstands, z.B. auf ein konventionelles Folienmaterial aufgebracht und fixiert, so dass man den erfindungsgemäßen Gegenstand erhält.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächen kann man auch so vorgehen, dass man zunächst im Sinne eines Positiv-Bildes der zu generierenden Oberfläche in einer Kunststoffschicht Stellen/Bereiche mit verminderter Löslichkeit erzeugt, beispielsweise durch photolitographische Methoden, und anschließend die Schicht mit einem die Kunststoffschicht lösenden Lösungsmittel so behandelt, dass die Bereiche verminderter Löslichkeit nicht gelöst werden. Verfahren hierzu sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Kunststoffschichten sind insbesondere Positiv-Resist-Lacke geeignet.

Sofern die elastomeren Materialien aus einem Metall oder Halbmetall, insbesondere Silizium aufgebaut sind, kann man in Analogie zu dem vorgenannten Verfahren vorgehen, indem man zunächst auf einer Oberfläche des die Säulen bildenden (Halb)metalls diejenigen Bereiche, an denen sich später die Säulen befinden sollen, mit einer inerten Maske, z.B. einer Nickel- oder Goldmaske nach bekannten Verfahren abdeckt, und anschließend durch reaktives lonenätzen (RIE) in Analogie zu bekannten Verfahren die nicht abgedeckten Bereich entfernt. Verfahren zum Aufbringen von inerten Masken, z.B. Nickel oder Goldmasken auf Metalloberflächen sind beispielsweise in Brunner, Timothy A. (Herausgeber) "Optical/Laser Microlithography VIII, 22-24 Februar 1995, Santa Clara, California. [In: Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 1995; 2440], (1995), S. 948 zusammenfassend dargestellt. Die Erzeugung der Säulen kann z.B. durch RIE nach den von A.A. Ayon et al., J. Electrochem. Soc. 1999, 146, S. 339-349 beschriebenen Methoden erfolgen.

Die so erhaltenen Gegenstände sind aufgrund der elastischen Verformbarkeit der Säulen, und insbesondere ihrer Eigenschaft, dass ein Verbiegen, Auslenken reversibel ist, für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. So kann man in Analogie zu der von J. L Tan et al. (s.o.) beschriebenen Methode eine derartige Oberfläche nutzen, Kräfte, insbesondere zweidimensionale Schubspannungsfelder, im Bereich weniger nN oder auch unter 1 nN, z.B. Kräfte im Bereich von 0,01 bis 1 nN mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die Bestimmung kann dabei sowohl orts- als auch zeitaufgelöst erfolgen.

Ein bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Sensor zur Messung von Kräften und insbesondere zur Bestimmung von zweidimensionalen Schubspannungsfeldern. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit sind derartige Sensoren besonders zur orts- und zeitaufgelösten Untersuchung von aerodynamischen oder hydrodynamischen Effekten, d.h. zur Untersuchung von Kräften bzw. Kraftfeldern, die in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen auftreten geeignet. Sie eignen sich speziell zur dynamischen Analyse von Kanalströmungen bei verschiedenen Reynolds-Zahlen und erlauben erstmalig die quantitative, zeit- und ortsaufgelöste Betrachtung von Turbulenzen (Wandschubspannungen als Indikator für wandnahe turbulente Wirbelstrukturen).

Ein erfindungsgemäßer Sensor weist in der Regel einen begrenzten Oberflächenbereich auf, der in der erfindungsgemäßen Weise mikrostrukturiert ist. Dieser Oberflächenbereich weist in der Regel eine Abmessung von wenigstens 0,1 mm² und insbesondere im Bereich von 1 bis 1000 mm² auf. In der Regel wird dieser Oberflächenbereich von einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Polymerfolie gebildet sein, die auf einem Träger fixiert ist. Als Trägermaterialien kommen beispielsweise in Betracht anorganische Substrate wie Glas, Siliziumdioxid, Halbleitermaterialien wie Silizium, Germaniumarsenid und dergleichen weiterhin Kunststoffe, insbesondere viskoelastische Polymere in Betracht.

Die Bestimmung der Kräfte erfolgt über die Auslenkung Δx des Säulenkopfs aus seiner Ruheposition, d.h. der Position, den der Säulenkopf bei Abwesenheit von Kräften aufweist. Als Auslenkung Δx wird die räumliche Auslenkung des Säulenkopfs senkrecht zur Längsachse der Säule zugrundegelegt. Für die Kraft F, die für die Auslenkung Δx des Säulenkopfs aus der Ruheposition erforderlich ist, gilt bei kleinen Auslenkungen, d.h. Auslenkungen, die weniger als 20 % der Säulenlänge L betragen die Gleichung: F = kΔx,wobei k für die Federkonstante der Säule in N/m steht. Die Federkonstante k wiederum ist proportional zum Elastizitätsmodul, wobei in erster Näherung gilt: k = 3/(4π)E A2/L3.

In dieser Gleichung steht A für die Querschnittsfläche der Säule, L für deren Länge und E für das Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Säule aufgebaut ist. Für Säulen mit kreisförmigem Querschnitt und einem Radius R der Querschnittsfläche gilt dementsprechend: k = ¾πER4/L3

Auf diese Weise lässt sich die Federkonstante k aus dem für das Säulenmaterial bekannten Elastizitätsmodul E und der Säulengeometrie berechnen.

Zur genauen Bestimmung der Beziehung zwischen Kraft F und Auslenkung Δx einer Säule ist es ebenfalls möglich, diese zu kalibrieren. Verfahren hierzu sind z.B. aus J. L. Tan et al, S. 1485; US 2002162388 A1 , sowie L. A. Bottomley et al, Analytical Chemistry (1996), 68(12), S. 185-230 bekannt. Hierzu wird beispielsweise eine Glaskapillare mit bekannter Federkonstante (siehe A.C. Crawford et al. J. Physiol. 364 (1985) 359-379) auf einem piezoelektrischen Manipulator montiert. Unter mikroskopischer Beobachtung wird die Säulenspitze mit der Glaskapillare um definierte Beträge ausgelenkt, wodurch die Spitze der Glaskapillare ihrerseits eine Auslenkung erfährt. Hierbei entspricht das Verhältnis der Auslenkungen von Glaskapillarenspitze zu Säulenspitze dem Verhältnis der Federkonstanten von Glaskapillare und Säule. Entsprechende Glaskapillaren sind kommerziell erhältlich, z.B. unter der Bezeichnung mTip, von der Fa. World Precision Instruments, Sarasota, USA, FL. Zur Kalibrierung sind auch Methoden der Resonanzbestimmung bei Oszillation der Säulen. Grundsätzlich ist auch die Bestimmung der Kraft bei kleinen Auslenkungen auf rechnerischem Wege möglich.

Die Bestimmung der Kraft erfolgt nunmehr durch Bestimmung der Auslenkung. Hierzu wird man sich in der Regel eines bildgebenden Verfahrens bzw. einer bildgebenden Vorrichtung bedienen. Unter einer bildgebenden Vorrichtung versteht man eine Vorrichtung zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildinformationen, z.B. ein Mikroskop gegebenenfalls in Kombination mit einer Kamera und einer Vorrichtung zur Wiedergabe der Bildinformation. Dementsprechend ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Messanordnung, die einen erfindungsgemäßen Sensor und eine Vorrichtung zur Bildgebung, z.B. eine Mikroskop und/oder eine geeignete Kamera, umfasst. Diese Messanordnung kann mit geeigneten Methoden zur Wiedergabe und Speicherung der Bildinformation verbunden sein, sowie mit Mikroprozessoren zur Steuerung des Sensors und zur Auswertung der Bildinformation. Für die Untersuchung dynamischer Phänomene hat sich insbesondere der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras (CCD-Kameras), gegebenenfalls in Kombination mit Licht-Mikroskopen oder Teleskopen, bewährt. Auf diese Weise können neben einer hohen Ortsauflösung der Kraftbestimmung auch eine hohe Zeitauflösung erreicht werden.

Im Hinblick auf die zu bestimmenden Kräfte wird man die Abmessungen der Säule und das elastisch verformbare Material so wählen, dass die Kraftkonstante der Säule im Bereich von 10² N/m bis 10⁷ N/m liegt.

In der Regel wird man daher die Säulengeometrie so wählen, dass für 90 % der Säulen die Relation gilt: 50√A ≥ L ≥ 5√A und insbesondere 30√A ≥ L ≥ 7√A. Vorzugsweise liegt die Dicke der Säulen, d.h. √A der Querschnittsfläche, im Bereich von 1 bis 50 μm und insbesondere im Bereich von 1 bis 10 μm.

Weiterhin hat es sich für diesen Anwendungszweck als vorteilhaft erwiesen, wenn 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 3 μm vorzugsweise 5 μm und insbesondere wenigstens 10 μm aufweisen, wobei der Abstand vorzugsweise einen Wert von 150 μm nicht überschreitet. Vorzugsweise werden Dicke √A und Abstand D so bemessen sein, dass das Verhältnis von D/√A möglichst gering ist, ohne dass bereits Wechselwirkungen zwischen den Säulen entstehen.

Die Erfinder haben außerdem überraschenderweise gefunden, dass die erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Oberflächen Gase einschließen, wenn man die Oberfläche mit einem Gas belädt und dann mit einer Flüssigkeit bedeckt. Diese Eigenschaft ist in mehrere Hinsicht von Interesse. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines Gegenstands zum Einschluss von Gasen in Oberflächen, sowie eine Verfahren zum Einschluss von Gasen in Oberflächen von Gegenständen, umfassend das Bereitstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, Beladen der mikrostrukturierten Oberfläche mit einem Gas und bedecken der Oberfläche mit Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Anordnung Vielzahl säulenförmiger Erhebungen aufweist, die durch eine Länge L und eine Querschnittsfläche A charakterisiert sind und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L₉₀-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt.

Im Hinblick auf diesen Effekt wird man die Abmessungen der Säule und das elastisch verformbare Material so wählen, dass die Kraftkonstante der Säule im Bereich von 10^–1 N/m bis 10^–6 N/m liegt.

In der Regel wird man daher die Säulengeometrie so wählen, dass für 90 % der Säulen die Relation gilt: 200√A ≥ L ≥ 10√A und insbesondere 100√A ≥ L ≥ 10√A. Vorzugsweise liegt die Dicke der Säulen, d.h. √A der Querschnittsfläche, im Bereich von 0,1 bis 5 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3 μm.

Weiterhin hat es sich für das Speichern/Einschließen von Gasen als vorteilhaft erwiesen, wenn 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von nicht mehr als 30 μm vorzugsweise nicht mehr als 20 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 30 μm und speziell im Bereich von 1 bis 20 μm. Vorzugsweise werden Dicke √A und Abstand D so bemessen sein, dass das Verhältnis von D/√A im Bereich von 1 bis 5 liegt.

Derart mikrostrukturierte Oberflächen sind in der Lage, wenn sie mit einer Flüssigkeit abgedeckt werden die zwischen den Säulen befindlichen Gase einzuschließen. Die Gase werden auch bei Einwirken mechanischer Energie wie Ultraschall nicht freigesetzt. Man nimmt an, dass aufgrund der Oberflächenspannung der Sperrflüssigkeit diese nicht in die Zwischenräume zwischen den Säulen einzudringen vermag, wenn sich dort bereits ein Gas befindet. Mit anderen Worten, die eine Benetzung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche, die mit einem Gas beladen ist, ist minimal bzw. findet nicht statt (siehe auch Yoshimitsu et al. loc. cit.)

Das Beladen der Oberflächenstruktur erfolgt durch in Kontakt bringen der mikrostrukturierten Oberfläche mit dem einzuschließenden Gas. Gegebenenfalls wird man eine gewisse Zeit warten, bis das zwischen den Säulen ursprünglich vorhandene Gas bzw. Gasgemisch durch das Gas, mit welchem die Oberfläche in Kontakt gebracht wurde, verdrängt ist. Die hierfür erforderliche Zeit liegt vermutlich im Bereich weniger Sekunden bis hin zu einigen Minuten. Außerdem kann man die mikrostrukturierte Oberfläche mit dem Gas beladen, indem man in die Sperrflüssigkeit Gasblasen des einzuschließenden Gases einbringt und diese mit der Oberfläche in Kontakt bringt.

Die Art des Gases ist nicht eingeschränkt und umfasst beispielsweise die folgenden Gase und deren Mischungen, z.B. Edelgase wie Helium, Argon etc. diatomare Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff ebenso wie Gase mit mehr als 2 Atomen wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Schwefelhexafluorid und dergleichen. In der Regel wird man allerdings nur solche Gase verwenden, welche die Oberfläche nicht korrodieren oder in diese in nennenswertem Umfang hinein diffundieren.

Das Abdecken mit der Sperrflüssigkeit erfolgt durch in Kontakt bringen mit der Sperrflüssigkeit, z.B. durch Eintauchen in oder durch Überleiten von Flüssigkeit. Als Sperrflüssigkeit sind grundsätzlich alle Flüssigkeiten geeignet, die das Gas nicht oder nicht in nennenswertem Umfang lösen und vorteilhafter Weise nicht zu einer nennenswerten Korrosion der Oberfläche führen. Zu nennen sind Wasser, Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Kohlenwasserstoffe wie Hexan, Cyclohexan, Toluol, Xylole, Petrolether, Ether sowie Mischungen der vorgenannten Flüssigkeiten.

Auf die hier beschriebene Weise können die Gase in der mikrostrukturierten Oberfläche eingeschlossen bzw. lokalisiert werden. Diese Eigenschaft kann in verschiedenster Weise genutzt werden, beispielsweise um Gase für Reaktionen oder für ihre Analyse an der Oberfläche zu binden, oder um den Kontakt der Oberfläche, beispielsweise von Gefäßen oder Leitungen, mit den Flüssigkeiten zu verhindern, um auf diese Weise eine Diffusion der Flüssigkeit in die Oberfläche zu vermindern oder zu verhindem.

Die folgenden Figuren und Beispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung.
1a bis 1c zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen verschiedener erfindungsgemäßer Oberflächen mit einer Vielzahl Säulen mit kreisförmiger Querschnittsfläche. Bei 1a handelt es sich um Säulen aus Silizium mit einer Länge von 15 μm und einem Durchmesser von 0,7–1 μm und einem Abstand von 10 μm Bei 1b handelt es sich um Säulen aus Polydimethyldisiloxan mit einer Länge von 20 μm und einem Durchmesser von 5 μm und einem Abstand von 15 μm. Bei 1c handelt es sich um Säulen aus Vernetztem Epoxidharz mit einer Länge von 15 μm und einem Durchmesser von 2,7 μm und einem Abstand von 5 μm
2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit einer Vielzahl runder Säulen aus Polydimethylsiloxan mit einer Länge von 17 μm und einem Durchmesser von 3 μm und einem Abstand von 7 μm.
3 zeigt eine Luftblase, die in der erfindungsgemäßen Oberfläche aus 2 unter einer Wasserschicht eingeschlossen ist. Die Aufnahme erfolgte mittels eines Wasserimmersionsobjektivs.
4 zeigt eine optische Mikroskopieaufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit darauf präparierten Kollagenfasern. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 25 μm, einen Abstand von 50 μm und eine Höhe von 100 μm auf. Zur Bestimmung der Kontraktionskraft der getrockneten Kollagenfaser, welche einzelne Säulen aus PDMS verbinden, wurde die Auslenkung aus der Idealposition, dargestellt durch die eingezeichneten Hilfslinien, ermittelt.
5 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche, in der die säulenförmigen Erhöhungen von einer Kollagenschicht überspannt werden. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 3 μm, einen Abstand von 5 μm und eine Höhe von 14 μm auf. Die Kollagenschicht verbiegt aufgrund von, in der Schicht auftretenden mechanischen Spannungen die PDMS-Säulen.
6 zeigt eine optische Mikroskopieaufnahme einer efindungsgemäßen Oberfläche mit darauf präparierten Herzmuskelzellen. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 3 μm, einen Abstand von 5 μm und eine Höhe von 20 μm auf. Das Pulsieren der Herzmuskelzellen resultiert in einer Deformation der PDMS-Säulen.
I. Herstellung einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit aus Polydimethylsiloxan aufgebauten Säulen
1. Allgemeine Herstellungsvorschrift A: Oberfläche mit Säulen aus Silizium

(a) Ein Si(100)-Wafer wird mittels Photolithographie mit einer Nickel- oder Gold-Maske strukturiert, wie von T.A. Brunner (Herausgeber) in "Optical/Laser microlithography VIII, 22-24 February 1995, Santa Clara, California. [In: Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 1995; 2440] (1995), S. 948 ff. und der dort zitierten Literatur beschrieben.
(b) Anschließend wird das so erhaltene Silizium-Substrat einem reaktiven Inonenätzen unterzogen, wie von A.A. Ayon et al., J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 339-349" beschrieben. Auf diese Weise kann ein Vehältnis Höhe/Durchmesser von bis zu 50 erzielt werden. 1A zeigt beispielhaft ein mit Säulen strukturiertes Si(100) Substrat.

2. Allgemeine Herstellungsvorschrift B: Oberfläche mit Säulen aus Polydimethyldisiloxan

(a) Auf einen Glasträger wird ein Epoxidharz-basierter Negativ-Resist (NanoSu8 Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm – 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Nickelmaske gemäß der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Anschließend wird die Schicht mit UV-Licht (Wellenlänge 320 nm) bestrahlt. Die nicht bestrahlten Bereiche der Epoxidschicht werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst. Auf diese Weise können in der Schicht Löcher mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei Tiefe der Löcher von der Schichtdicke abhängig ist.
(b) Auf die so strukturierte Schicht (Templat) wird ein handelsübliches, flüssiges, Polydimethylsiloxan bildendes Präpolymer (beispielsweise Sylgard 184 der Fa. Dow Corning) so aufgebracht, dass Präpolymer in die Löcher fließt und das Templat vollständig bedeckt. Anschließend wird das so behandelte Templat zum Aushärten des Präpolymers thermisch bei einer Temperatur zwischen 40 – 110°C nach Herstellerangaben behandelt. Danach wird die so erhaltene erstarrte Polydimethylsiloxan-Schicht von der Templat und aus den Löchern mechanisch abgezogen, wobei man eine erfindungsgemäße Oberfläche mit Säulen aus Polydimethylsiloxan erhält. Beispiele für so hergestellte Oberflächen sind die in den 1B und 2 bis 6 gezeigten Oberflächen.

3. Allgemeine Herstellungsvorschrift C: Oberfläche mit Säulen aus Epoxidharz

(a) Auf einen Glasträger wird ein Epoxidharz-basierter Negativ-Resist (NanoSu8 Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm – 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Lochmaske aus Nickel analog der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Dann wird die Schicht mit UV-Licht (Wellenlänge 320 nm) bestrahlt. Die nicht bestrahlten Bereiche der Epoxidschicht werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst. Die bestrahlten Bereiche bilden die säulenförmigen Erhebungen. Auf diese Weise können in der Schicht Erhebungen mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei Tiefe der Höhe der Erhebungen von der Bestrahlungsintensität abhängig ist. Ein Beispiel für eine derart erhaltene Oberfläche ist in 1C gezeigt.

4. Allgemeine Herstellungsvorschrift D: Oberfläche mit Säulen aus Polymethylmethacrylat (PMMA)

(a) Auf einen Glasträger wird ein PMMA-basierter Positiv-Resist (NanoSu8 Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm – 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Lochmaske aus Nickel analog der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Dann wird die Schicht mit UV-Licht (Wellenlänge 320 nm) bestrahlt. Die bestrahlten Bereiche der PMMA werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst. Die nicht bestrahlten Bereiche bilden die säulenförmigen Erhebungen. Auf diese Weise können in der Schicht Erhebungen mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei Tiefe der Höhe der Erhebungen von der Bestrahlungsintensität abhängig ist.

II. Untersuchung von kleinsten Kräften im Bereich < 1 nN
1. Bestimmung der Federkonstanten der auf den Oberflächen angeordneten Säulen
Die Eichung der Oberfläche bezüglich Ihrer Kraftkonstante kann sowohl nach der von R. Proksch in US 2002162388 beschriebenen Methode sowie nach der von L.A. Bottomley et al. Analytical Chemistry (1996), 68(12), 185-230 beschriebenen Methode erfolgen, die auf der gezielten Deformation der Säulen mit einem kalibrierten Stab und Bestimmung der auftretenden Deformation basiert.
Im Detail wurde wie folgt vorgegangen: Ein rechteckiger Borosilicat-Glasstab mit einer Länge von 100 mm eine Breite von 1 mm und einer Dicke von 0.2 mm (VitroCom Inc., Mountain Lakes, NJ, U.S.A.) wurde mit einem Laser-Micropipetten-Gerät (P-2000, Sutter Instrument Co., Novato,CA, U.S.A.) in zwei Mikroplättchen zerteilt. Die Spitze eines Mikroplättchens weist typischerweise eine Breite von 20 μm und eine Dicke von 5 μm auf. Ihre Länge kann durch die Zugparameter variert werden, so dass man unterschiedliche Steifheiten einstellen kann. Ein Silizüumnitrid(SiN)-Faden cantilever mit einer nominellen Federkonstante von 0,05 N/m, wie er für die AFM üblich ist (OMCL-RC-800PSA-W, Olympus Optical Co.,Ltd., Tokyo, Japan) wurde senkrecht zu der Glasplatte einer Beobachtungskammer montiert. Dann wurde das Mikroplättchen auf einen Micromanipulator montiert und so an den SiN-Faden angenähert, dass der Faden und das Mikroplättchen parallel zueinander angeordnet waren. Um elektrostatische Wechselwirkungen zu vermeiden, wurde die Beobachtungskammer mit Wasser gefüllt. Dann wurde das Mikroplättchen gegen den Faden geschoben, so dass beide ausgelenkt wurden. Die Auslenkung wurde mit einer Hamamatsu Kamera aufgezeichnet. Durch anschließende Auswertung der Bildaufnahme wurde die Federkonstante des Glasplättchens ermittelt, wobei sich die Federkonstante durch Multiplikation des Verhältnisses der Auslenkung von Faden und Mikroplättchen mit der bekannten Federkonstante des Fadens berechnen lässt. Auf diese Weise erhält man ein geeichtes Glasplättchen, dass dann zur Eichung der erfindungsgemäßen Oberfläche eingesetzt werden kann. Die Bestimmung der Federkonstanten der Säulen der erfindungsgemäßen Oberfläche erfolgt analog zur der Eichung der Mikroplättchen.
Auf diese Weise wurde für die in 4 gezeigte Oberfläche eine Federkonstante der Säulen von 0,021 N/m bestimmt.
2. Untersuchung von durch Collagenfäden ausgeübte Kontraktionskräfte:
Eine handelsübliche Lösung von Fibronektin (Sigma Chemicals) wurde mit PBS-Puffer (Gibco) auf eine Konzentration von 10 μg/l verdünnt. Kollagen (Typ I, Fluka) wurde in 0,01 M HBSS-Puffer (Gibco) bei 4°C in einer Konzentration von 1 mg/ml gelöst, anschließend mit kaltem 0,01 M HBSS-Puffer auf die gewünschte Endkonzentration verdünnt und mit 0,1 M Natronlauge neutralisiert.
Eine nach I, Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 25 μm, Abstand 50 μm, Höhe von 100 μm, Federkonstante 0,021 N/m) wurde in einer Durchflusszelle mit PBS-Puffer überschichtet. Anschließend wurde die gepufferte Fibronektin-Lösung durchgespült und man inkubierte 10 min. Dann wurde mehrmals mit 0,01 M HBSS-Puffer gespült und danach die neutralisierte Kollagen-Lösung mit einer Konzentration von 500 μg/ml zugegeben. Dann inkubierte man 30 min. bei 37°C. Dann wurde das Deckglas vorsichtig lateral über die Säulenspitzen abgezogen. Auf diese Weise erhielt man dünne Bündel von Kollagen-Fasern, die an den Spitzen der Säulen fixiert waren. Eine lichtmikroskopische Aufnahmen der so präparierten präparierten Oberflächen ist in 4 gezeigt. Die in 4 angegebenen Kräfte F wurden über die Beziehung
berechnet, wobei k die Kraftkonstante, Δx die Auslenkung der Säulenspitze parallel zur Oberfläche in einer ersten Richtung und Δy die Auslenkung der Säulenspitze parallel zur Oberfläche und senkrecht zu der ersten Richtung bedeutet.
3. Untersuchung von durch Collagenfolie ausgeübte Kontraktionskräfte
Auf eine nach I, Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 3 μm, Abstand 5 μm, Höhe von 14 μm) wurde Kollagen Typ I analog der unter 2. angegebenen Vorschrift aufgebracht, wobei man im Unterschied zu der unter 2. angegebenen Vorschrift die Durchflusszelle vor Entfernen des Deckglas mit PBS-Puffer flutete. Auf diese Weise erhielt man eine dünne Folie eines Kollagen-Gels auf den Säulenspitzen der Oberflächen (siehe 5). Die von der Kollagenfolie ausgeübten Kräfte führen zu einer Auslenkung der Säulen aus der Flächennormalen, wie 5 entnommen werden kann.
4. Untersuchung von durch Herzmuskelzellen ausgeübte Kontraktionskräfte
Zellsuspensionen von Herzmuskelzellen von Ratten wurden nach der von N.Q. Balaban, Nature Cell Biology, 2001, S. 466 beschriebenen Methode präpariert. Die Zellsuspension wurden mit einer nach I, Vorschrift B hergestellten Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 3 μm, Abstand 5 μm, Höhe von 20 μm) in Kontakt gebracht. Nach ca. 24 h bei 37°C begannten die Herzmuskelzellen zu pulsieren, was durch entsprechende Auslenkungen der Säulenspitzen beobachtet werden konnte.
III. Einschluss von Gasen
Eine nach Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit Säulen aus Polydimethylsiloxan wurde nach Kontakt mit Luft in Wasser eingetaucht. Hierbei wird ein Luftvolumen eingeschlossen (siehe 3). Das Luftvolumen lässt sich auch durch längere Behandlung mit Ultraschall nicht von der Oberfläche entfernen.

Claims

Gegenstand, der wenigstens einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich aufweist, welcher durch eine Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen charakterisiert ist, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweise und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L₉₀-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt: L ≥ 4√A (I)
Gegenstand nach Anspruch 1, wobei das elastisch verformbare Material ein elastomeres Polymer ist, das durch ein Elastizitäts-Modul im Bereich von 102 bis 10⁷ N/m² charakterisiert ist.
Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das elastisch verformbare Material ein vernetztes Polydialkylsiloxan ist.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für die Querschnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation II gilt: √A≥ 0,1μm(II)
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 0,1 μm aufweisen.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Querschnittsfläche der säulenförmigen Erhebungen eine kreisförmige oder elliptische Geometrie aufweist.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der L₉₀-Wert im Bereich von 10 bis 200 μm liegt.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Form einer Polymerfolie, die eine mikrostrukturierte Oberfläche besitzt.
Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Form eines Sensors für die Messung von mechanischen Kräften.
Gegenstand nach Anspruch 9, worin für die Querschnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation III gilt: 1μm ≤ √A ≤ 50 μm (IIIa)
Gegenstand nach einem Ansprüche 9 oder 10, worin 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 2 μm aufweisen.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin für 90 % der Säulenförmigen Erhebungen die Relation IV gilt: 50 √A ≥ L ≥ 5√Α (IV)
Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin für die Querschnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation IIIa gilt: 0,5μm ≤ √Α ≤ 5 μm (IIIa)
Gegenstand nach einem Ansprüche 13, worin 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn im Bereich von 0,5 bis 30 μm aufweisen.
Gegenstand nach einem der Ansprüche 13 oder 14, worin für 90 % der Säulenförmigen Erhebungen die Relation IV gilt: 100 √Α≥ L ≥ 10 √Α (IVa)
Messanordnung zur Messung mechanischer Kräfte umfassend einen Gegenstand gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 und eine Vorrichtung zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildinformationen (bildgebende Vorrichtung).
Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder einer Messanordnung nach Anspruch 16, zur Bestimmung von Kräften im Bereich von 0,1 bis 1000 nN.
Verwendung nach Anspruch 18 zur orts- und zeitaufgelösten Bestimmung zweidimensionaler Schubspannungsfelder in Gas- und Flüssigkeitsströmen.
Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 13 bis 15 zum Einschluss von Gasen in Oberflächen.
Verfahren zum Einschluss von Gasen in Oberflächen von Gegenständen, umfassend das Bereitstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, Beladen der strukturierten Oberfläche mit einem Gas und bedecken der Oberfläche mit Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Anordnung Vielzahl säulenförmiger Erhebungen aufweist, die durch eine Länge L und eine Querschnittsfläche A charakterisiert sind und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L₉₀-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gemäß Anspruch 1 gilt.