DE29908248U1

DE29908248U1 - Mikrofluidik-Vorrichtung

Info

Publication number: DE29908248U1
Application number: DE29908248U
Authority: DE
Original assignee: Amersham Pharmacia Biotech AB
Current assignee: Gyros Protein Technologies AB
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2009-05-08

Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GbR

PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN

Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch

Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-33617BIELEFELD

Case: PU9813DE - Me/lm

7.5.1999

Amersham Pharmacia Biotech AB

SE-751 84, Uppsala Schweden

Mikrofluidik-Vorrichtung

Priorität: GB 9809943.5, 8. Mai 1998

• ·

TERMEER STEINMEISTER ^PARTNER GbR"' -2-

Amersham Pharmacia Biotech AB Case: PU9813DE - Me/lm 7.5.1999

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft Mikrofluidik-Vorrichtungen, welche für eine Vielzahl biologischer Verfahren, beispielsweise das Screening putativer biologisch aktiver Moleküle gegenüber Zellkulturen oder die Abtrennung biologischer Materialien, verwendet werden können, die Herstellung solcher Vorrichtungen und deren Verwendung.

Die PCT-Patentanmeldung 97/21090 beschreibt ein Mikroanalyse-/Mikrosynthese-System für die biologische und chemische Analyse, das eine rotierbare Mikroplattform umfajßt, beispielsweise eine Scheibe, mit Einlaßöffnungen, Mikrokanälen, Detektionskammern und Auslaj3öffnungen, durch welche ein Fluid strömen kann.

Es hat sich nun gezeigt, daß Mikrofluidik-Vorrichtungen hergestellt werden können, in welchen ein Fluidstrom dadurch reguliert werden kann, daß verschiedene Oberflächen des die Vorrichtung bildenden Substrates mit verschiedenen Oberflächencharakteristika vorgesehen sind. Mit "Mikrofluidik-Vorrichtungen" sind Vorrichtungen gemeint, mit welchen Mikrovolumina von Reagenzien gehandhabt werden können, beispielsweise können Proben von weniger als 1 &mgr;&idiagr;, geeigneterweise weniger als 500 nl und vorzugsweise zwischen 1 und 10 nl, in die Vorrichtung eingeführt werden. Mit "Fluid" sind trockene Pulver und Flüssigkeiten einschließlich Suspensionen von Feststoffteilchen in Flüssigkeiten gemeint.

Demnach wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Mikrofluidik-Vorrichtung vorgesehen, welche so ausgelegt ist, daß der Strom von Fluiden innerhalb der Vorrichtung durch verschiedene Oberflächen der Vorrichtung, welche verschiedene Oberflächencharakteristika aufweisen, reguliert wird.

Die Natur der Oberflächencharakteristika, welche den Fluid-Strom regulieren, ist abhängig von der Natur des Fluids selbst. Wenn beispielsweise das Fluid eine Flüssigkeit ist, ist das Oberflächencharakteristikum, welches den Flüssigkeitsstrom reguliert, vorzugsweise die Oberflächenenergie des Materials, beispielsweise sind Oberflächen mit geringer Energie

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normalerweise hydrophob, während Oberflächen mit hoher Energie normalerweise hydrophil sind. Die Energie einer Oberfläche kann in Form der kritischen Oberflächenspannung (siehe beispielsweise Surface and Interfacial Aspects of Biomedical Polymers, Band I, Plenum Press, New York, 1985, Kapitel 7) gemessen werden. Wenn das Fluid teilchenförmig ist, ist das Oberflächencharakteristikum, welches den Strom der Teilchen reguliert, abhängig von der Natur der Teilchen, beispielsweise wird die Oberfläche behandelt um mit dem Teilchen in Wechselwirkung zu treten, beispielsweise wenn das Teilchen eine Ladung trägt, besitzt die Oberfläche die gleiche oder eine entgegengesetzte Ladung, in gleicherweise, wenn das Teilchen magnetisch ist, kann die Oberfläche permanent oder vorübergehend magnetisiert werden.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Mikrofluidik-Vorrichtung vorgesehen, umfassend ein Substrat, dessen Oberfläche behandelt ist, um Bereiche verschiedener Oberflächencharakteristika vorzusehen, wobei die Bereiche so angeordnet sind, um eine Regulierung des Stroms von Fluiden, welche das Substrat passieren, zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Substrat eine hydrophobe Oberfläche aufweisen, welche mit einer Vielzahl von hydrophilen Bereichen durchsetzt ist. Alternativ kann das Substrat eine hydrophile Oberfläche aufweisen, welche mit einer Vielzahl von hydrophoben Bereichen durchsetzt ist. Vorzugsweise ist das Substrat nicht aus einem hydratisiertem Oxidmaterial gebildet. Vorzugsweise ist das Substrat aus einem Kunststoffmaterial gebildet, wie etwa einem PoIycarbonat oder einem Kohlenwasserstoffpolymeren (einschliej31ich einem halogenierten Kohlenwasserstoffpolymeren), wie etwa ein Polyolefin oder ein ähnliches Material, welches dem Substrat eine hydrophobe Oberfläche verleiht. Während das Substrat aus einem Material gebildet ist, welches dem Substrat eine hydrophobe Oberfläche verleiht, kann diese hydrophobe Oberfläche wie nachfolgend beschrieben behandelt werden, um sie in eine hydrophile Oberfläche umzuwandeln.

Vorzugsweise besitzt die Vorrichtung ein zweites Substrat, das in etwa parallel zu dem ersten angeordnet ist; wobei das erste und wahlweise das

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zweite Substrat Oberflächenbereiche mit verschiedenen Oberflächencharakteristika aufweisen, welche den Fluid-Strom innerhalb der Vorrichtung regulieren.

Wenn das Substrat eine hydrophobe Oberfläche umfaßt, welche mit hydrophilen Bereichen durchsetzt ist, umfassen diese hydrophilen Bereiche geeigneterweise eine Vielzahl von Anordnungen hydrophiler Punkte auf der hydrophoben Oberfläche. Mit einer Anordnung von Punkten ist eine Anzahl von Punkten, geeigneterweise größer als 10 und vorzugsweise größer als 50, beispielsweise 200 gemeint, welche auf der Oberfläche innerhalb der gleichen Fluid-Laufbahn in einem vorbestimmten Muster angeordnet sind. Die Anordnung kann eindimensional, d. h. eine Linie aus Punkten, oder multidimensional sein.

Mit Bereichen verschiedener Oberflächencharakteristika ist gemeint, daß Bereiche der Oberflächen des Substrats verschiedene relative Charakteristika aufweisen, beispielsweise im Falle von Flüssigkeiten verschiedene relative Hydrophobizitäten und Hydrophilizitäten. Grenzen zwischen solchen Bereichen können ihrer Wirkung nach "Wände" bilden, welche die Fluid-Laufbahn innerhalb der Vorrichtung definieren. Alternativ können sie "Ventile" bilden, welche den Fluid-Strom über die Grenze verhindern, bis das Fluid entweder mit ausreichend Energie versehen worden ist, um es ihm zu ermöglichen, den Unterschied in den Oberflächenenergien der Oberflächen zu überwinden, oder, wenn das Charakteristikum der Oberfläche vorübergehend der Oberfläche verliehen werden kann, beispielsweise in Form einer elektrischen Ladung, eines magnetischen Feldes, einer bestimmten Temperatur oder Lichtintensität, durch Ändern des Charakteristikums der Oberfläche.

Wenn eine Grenze zwischen einer hydrophilen und einer hydrophoben Oberfläche verwendet wird, um ein Ventil zu kreieren, was hierin ebenso als Bruch bezeichnet wird, können die physikalischen Parameter, welche mit dem Ventil oder Bruch assoziiert sind, so ausgelegt sein, um vorbestimmte Durchbruchdrücke zu ergeben (d.h., der erforderliche Druck, um

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eine Fluidpassage über die Grenze herzustellen). Solche pysikalischen Parameter beinhalten die Dimensionen des Ventils mit Bezug auf dessen Breite und Ausdehnung, verglichen mit den korrespondierenden Dimensionen des Kanals, welcher in dieses führt, der Hydrophobizität der Oberfläche, welche das Ventil bildet, wenn die Vorrichtung eine Rotationsscheibe ist, der Länge des Kanals, welcher in das Ventil führt.

Normalerweise ist es möglich, ein Fluid mehrmals durch ein Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung zu führen. Bestimmte Fluide (beispielsweise ein Serum mit einem hohen Proteingehalt) können jedoch die hydrophobe Oberfläche modifizieren und diese hydrophil machen, so daß das Ventil nur einmal funktioniert. Wenn es in diesem Fall erwünscht ist, weiteres Fluid hinzuzufügen, wird dieses über einen zweiten Kanal eingeführt, welcher ebenso ein hydrophobes/hydrophiles Ventil enthält, das in den ersten Kanal mündet.

Es wird davon ausgegangen, daß die Begriffe "hydrophob" und "hydrophil" dem Fachmann bestens bekannt sind. Daj3 eine Oberfläche hydrophob ist, bedeutet, daß Wasser sich nicht darauf ausbreitet, sondern in Form von Tropfen steht, wobei der Kontaktwinkel derjenige ist, welcher von der Ebene der Oberfläche und der Tangente der Wasseroberfläche an der 3-Phasen-Grenzlinie gemessen wird. In diesem Sinne sind hydrophobe Oberflächen dadurch charakterisiert worden, daß sie große Kontaktwinkel mit Wasser aufweisen, oftmals im Bereich von 40 bis 110 Grad (Zettlemeyer, Hydrophobie Surfaces, Ed.F.M. Fowkes, Academic Press (New York)). Hydrophile Oberflächen sind solche, welche geringe Kontaktwinkel mit Wasser aufweisen, oftmals im Bereich von Ibis 25 Grad. Ohne Beschränkung und lediglich zu Zwecken der Erläuterung umfassen geeignete hydrophobe Oberflächen Kohlenwasserstoffpolymere einschließlich halogenierten Kohlenwasserstoffpolymeren, siehe beispielsweise Tabelle 1, während geeignete hydrophile Oberflächen nicht verunreinigte Metalloxide, siliciumoxidhaltige Materialien, wie Glas und Polysaccharide umfassen. Oberflächen von Materialen können modifiziert werden, um deren Eigenschaften zu ändern, d. h. hydrophilen Materialien können durch Oberflächenbe-

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handlung mit einem hydrophoben Material, wie Kohlenwasserstoff, perfluoriertem Kohlenwasserstoff oder silikonhaltigen Spezies, hydrophobe Eigenschaften verliehen werden. In ähnlicher Weise können hydrophobe Materialien durch Einführung geladener Gruppen oder Hydroxyl-, Amid-5 oder Polyether-Gruppen auf der Oberfläche hydrophil gemacht werden. Oftmals ist es zweckmäßig, den gesamten Teil (oder im wesentlichen den gesamten Teil) einer hydrophoben Oberfläche zu einer hydrophilen Oberfläche zu machen und dann Hydrophobizitätsbereiche auf der hydrophilen Oberfläche einzuführen. Ein kleiner Abschnitt einer monomolekularen Schicht kann ausreichend sein, um die Oberflächencharakteristika drastisch zu ändern. Wenn die hydrophoben/hydrophilen Grenzen "Wände" und "Ventile" bilden, kann der Oberflächenenergieunterschied zur Bildung einer Wand gleich oder verschieden sein zu dem für ein Ventil, jedoch ist der Energieunterschied für eine Wand normalerweise höher als für ein Ventil.

Einige oder sämtliche der Bereiche, welche auf der Oberfläche verstreut sind (sollen sie hydrophob oder hydrophil sein) können in geeigneter Weise behandelt werden, um die Kultur von Zellen auf diesen zu ermöglichen. Bei dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung beispielsweise für das Screening intrazellulärer Ereignisse verwendet werden (wie dies durchgeführt werden kann, siehe beispielsweise Europäisches Patent 650 396 B).

Geeignete Flüssigkeiten zur Verwendung in den erfindungsgemäJ3en Vorrichtungen sind solche, welche eine Oberflächenspannung von vorzugsweise größer als 18 mNm'1 aufweisen. Wäßrige Lösungen oder Suspensionen, welche eine Oberflächenspannung von größer als 50 rnNm'* aufweisen, sind bevorzugt.

Geeignete Feststoffteilchen zur Verwendung in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind Pulver oder Kügelchen mit einer Teilchengröße von weniger als 200 &mgr;&idiagr;&eegr;. Solche Pulver oder Kügelchen sind vorzugsweise in irgendeiner Weise behandelt, beispielsweise tragen sie eine elektrische Ladung oder sind magnetisch, welches sie für eine Strömung durch die erfin-

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dungsgemäße Vorrichtung zugänglicher macht. Zwar sieht die vorliegende Erfindung die Verwendung von Feststoffteilchen in den erfindungsgemä-J3en Vorrichtungen in Abwesenheit eines flüssigen Trägers vor, jedoch können diese ebenso in einem solchen flüssigen Träger vorliegen.
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Die Mikrofluidik-Vorrichtung ist vorzugsweise kreisförmig und zur Rotation um ihre Achse angepaßt. Eine solche Anpassung kann die Form eines Loches an der Achse eines oder beider Substrate annehmen, welches dazu in der Lage ist, eine Antriebswelle aufzunehmen. Weitere Verfahren zum Rotieren der Vorrichtung umfassen das Einklemmen der Vorrichtung und das Kontaktieren des Perimeters mit einer sich bewegenden Oberfläche, beispielsweise sich bewegenden Rädern, oder das Plazieren der Vorrichtung auf einem Drehtisch und Rotieren des Drehtisches.

Wenn die Vorrichtung kreisförmig ist, richtet sich der Fluideinlaß normalerweise gegen die Achse der Vorrichtung. Der Einlaß kann eine einzelne Öffnung sein, welche an einem ringförmigen Einspeisungskanal innerhalb der Vorrichtung angebracht ist, oder es kann sich um eine Reihe von Öffnungen handeln, welche in ringförmigen Intervallen im Abstand um die Achse herum angeordnet sind. Ein ringförmiger AuslaJ3 ist normalerweise in Richtung des Kreisumfanges der Vorrichtung angeordnet. Das Fluid kann in laminarer Weise über die Oberfläche der Vorrichtung strömen oder es kann in Kanälen, die entweder durch hydrophobe/hydrophile Grenzen oder durch Innenwände, welche zwei Substrate verbinden, gebildet sind. Die Innenwände sind geeigneterweise radial um die Achse der Vorrichtung herum angeordnet. Die Kanäle weisen normalerweise geeignete Dimensionen auf, um es Kapillarkräften zu ermöglichen, auf das Fluid innerhalb des Kanals zu wirken.

Wenn die Vorrichtung für die Zellkultur ausgelegt ist, ist es bevorzugt, eine Quelle für Gase verfügbar zu haben, welche das Zellwachstum fördern. In diesem Fall gibt es einen und mehrere Gaseinlässe in der Vorrichtung, welche zweckmäjSigerweise in enger Nähe zu den zu kultivierenden Zellen angeordnet sind. Es sind Gas-Durchgangswege vorgesehen, welche die

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Gaseinlässe zu den Zellen oder die mit den Zellen verbundenen Fluid-Laufbahnen verbinden, welche es somitt ermöglichen, Kulturmedium/Nährstoffe und Gas, beispielsweise Luft, den Fluid-Laufbahnen zuzuführen.
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Die Substrate, welche die Vorrichtung bilden, sind zweckmäj3igerweise parallel und sind vorzugsweise ausreichend eng zusammen, geeigneterweise in einem Abstand von weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als lmm, um es Flüssigkeiten in der Vorrichtung zu ermöglichen, daj3 sie Kapillarkräften unterliegen. Somit kann eine Flüssigkeit in den Fluid-Einlaß eingespeist werden und wird dann entlang den Fluid-Laufbahnen durch Kapillarwirkung gesaugt, bis sie ein Ventil, zweckmäj3igerweise eine hydrophobe/hydrophile Grenze, erreicht, über die hinaus sie nicht strömen kann, bis weitere Energie zugeführt wird. Diese Energie kann beispielsweise durch die Zentrifugalkraft, welche durch Rotieren der Vorrichtung erzeugt wird, vorgesehen werden. Nachdem die Zentrifugalkraft einmal ausreichend ist, strömt die Flüssigkeit über das Ventil und weiter in eine Richtung nach außen, bis sie den ringförmigen Fluidauslaß erreicht. Wenn die auf der Oberfläche verstreuten Bereiche hydrophil sind, wird das Fluid eine Oberflächenspannung von mehr als 50 rnNrn'¹ aufweisen, beispielsweise bei wäj3rigen Lösungen oder Suspensionen, und wenn diese hydrophob sind, wird das Fluid hydrophob sein, beispielsweise nicht polare organische Lösungsmittel. Das Fluid wird somit zu den Bereichen/Punkten auf der Oberfläche angezogen werden.

Bei einer Ausführungsform bilden die Bereiche Anordnungen von Punkten aus Hydrophobizitäten oder Hydrophilizitäten eines vorbestimmten Musters. Solche Anordnungen können dazu verwendet werden, Ablagerungen von Materialien, welche zu analysieren sind, zu bilden, beispielsweise Antikörper, Oligonucleotide oder eine chemische Bibliothek. Beispielsweise bilden sich Tropfen aus Lösungsmitteln, welches das zu analysierende Material enthalten, auf der Oberfläche, das Lösungsmittel verdampft und das Material wird abgeschieden.

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Bei einer zweiten Ausführungsform sind Laufbahnen zwischen parallelen Substraten gebildet. In diesem Falle können die Oberflächen, welche FIuid-Laufbahnen bilden, selbst Bereiche abwechselnder Hydrophobizität und Hydrophilizität aufweisen, welche wie oben Anordnungen aus Punkten bilden. Diese alternierenden Bereiche aus Hydrophobizität/Hydrophilizität können auf der Oberfläche eines oder beider Substrate gebildet sein, beispielsweise kann eine Oberfläche alternierende Bereiche aufweisen, während die gegenüberliegende Oberfläche dies nicht tut.

Alternativ hierzu können die Fluid-Laufbahnen eine Substanz für die Trennung chemischer/biologischer Materialien enthalten, beispielsweise ein Gel für die Chromatographie oder Elektrophorese, oder es können Kügelchen in den Laufbahnen eingeschlossen sein, um Assays durchzuführen; beispielsweise Szintillations-Näherungs-Assays oder es können über spezifische Oberflächenerkennung Zellen in den Laufbahnen eingeschlossen sein.

Bereiche aus Hydrophobizität/Hydrophilizität auf einer Oberfläche können durch dem Fachmann bekannte Methoden gebildet werden, beispielsweise

1) Maskierung und Plasmabehandlung

Dies ist auf die meisten Oberflächen anwendbar und ermöglicht mit Leichtigkeit die Erzielung verschiedener Grade an Hydrophilizität/Hydrophobizität. Eine Maske (Klebeband oder Gießfolie) wird so befestigt, daj3 sie an sämtlichen Oberflächenmerkmalen dicht anliegt. Eine Plasmabehandlung wird dann auf der unmaskierten Oberfläche durchgeführt.

2) Hydrophiler "Photoresist"

Die Kunststoffoberfläche wird mit einer sehr dünnen Schicht eines hydrophilen Polymeren (beispielsweise Polyvinylcinnamat) beschichtet, das mittels Bestrahlung durch eine Maske belichtet wird. Nicht vernetztes

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Polymer wird ausgewaschen.

3) Vernetzbares, oberflächenaktives Polymer

Ein oberflächenaktives, reaktives Polymer wird aus wäßriger Lösung auf Kunststoffoberflächen adsorbiert und durch eine Maske belichtet. Unvernetztes Polymer wird ausgewaschen.

4) Polymerisierbar oberflächenaktive Mittel
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Eine Monoschicht aus polymerisierbarem oberflächenaktivem Mittel (beispielsweise die Diazetylen-funktionellen Phospholipide von Biocompatibles Ltd.) wird adsorbiert und durch eine Maske belichtet. Unvernetztes oberflächenaktives Mittel wird ausgewaschen.
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5) Photo-Oxidation

Die Kunststoffoberflächen werden mit einer energiereichen Lichtquelle (beispielsweise Hg-Lampe oder UV-Laser) durch eine Maske belichtet, so daß die belichteten Bereiche durch atmosphärischen Sauerstoff oxidiert werden.

6) Elektronenstrahlbehandlung

Der Kunststoff wird durch eine Maske bestrahlt, so daß die bestrahlten Bereiche mit Luft (oder einem anderem reaktiven Medium) in Berührung sind, und werden unter Erzeugung hydrophiler Gruppen oxidiert.

Zurweiteren Veranschaulichung der Erfindung werden nachfolgend lediglieh beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen verschiedene Ausführungsformen beschrieben.

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In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine graphische Darstellung einer gemäß der Erfindung behandelnden Oberfläche;
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Figuren 2 und 3 graphische Darstellungen ähnlich Figur 1, welche verschiedene Anordnungen zeigen;

Figur 4 eine graphische Darstellung einer erfindungsgemäßen Doppelsubstrat-Mikrofluidik-Vorrichtung;

Figur 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Verwendung hydrophiler Bereiche, um Zellen wachsen zu lassen;

Figur 6 eine teilweise Draufsicht einer erfindungsgemäßen Rotationsscheiben-Mikrofluidik-Vorrichtung; und

Figur 7 eine Teilansicht der Figur 6 zur Veranschaulichung weiterer Einzelheiten.

Zuerst bezugnehmend auf Figur 1 ist dort eine Maske mit einer Anordnung aus 6x6 hydrophilen Punkten 1, jeweils aus 3x3 mm, auf einer 50 &khgr; 50 mm hydrophoben Oberfläche 2 gezeigt, welche mittels Mac DrawPro hergestellt und auf einem Laserdrucker gedruckt worden ist. Der Ausdruck wurde in einem Kopiergerät auf eine Klarsichtfolie kopiert.

Das Volumen eines 25 mm dicken Films auf einer 5Ox 50 mm Oberfläche 2 beträgt 62, 5 ml. Dieses Volumen Polyacrylamid (PAA) wurde auf der hydrophoben Seite einer Gelbondä-Folie abgeschieden, und die obige Maske wurde auf den Tropfen gelegt. Der Bereich unter der Maske wurde durch Kapillarkräfte benetzt (ein kleiner Teil der Lösung gelangte außerhalb der Maske). Eine Photopolymerization durch die Maske wurde während einer Belichtungszeit von 3 Minuten durchgeführt. Die Maske wurde entfernt und die Oberfläche mit Wasser abgespült. Aufgrund der selektiven Benet-

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zung an der PAA-Oberfläche wurde ein klares Muster sichtbar.

Figur 2 veranschaulicht ein Scheibensubstrat 3 mit einer hydrophoben Oberfläche, aufweicher acht 6x5 Anordnungen hydrophiler Punkte 1 gebildet sind. Figur 3 veranschaulicht eine eindimensionale Anordnung hydrophiler Punkte 1 auf einer hydrophoben Oberfläche 4. Wie es erklärt werden wird, kann durch Anwendung einer geeigneten Kraft ein Fluid dazu veranlaßt werden, von Punkt zu Punkt zu wandern, so daJ3 die Struktur einen definierten Kanal für den Fluid-Strom bildet.

Figur 4 veranschaulicht eine Anordnung, umfassend eine Ober- und eine Bodenplatte 5, 6 in Form rotierbarer Scheiben mit einer gemeinsamen Rotationsachse. Die Scheiben sind lediglich zu Zwecken der Klarheit in räumlicher Entfernung gezeigt; in der Praxis sind die Scheiben durch einen Abstand voneinander getrennt, welcher durch ringförmige Stützwände 7 definiert wird, welcher Abstand für die Bewegung von Flüssigkeit zwischen den Platten durch Kapillarwirkung geeignet ist.

Die obere Scheibe 5 ist mit EinlaJ31öchern 8 für die Zufuhr von Flüssigkeiten zu dem Inneren versehen. In Übereinstimmung hiermit befinden sich korrespondierende Bereiche 9 auf der oberen Oberfläche der Bodenscheibe 6, welche hydrophil sind. In Achsialrichtung zwischen den Bereichen 9 verlaufend ist ein länglicher Bereich 10. welcher ebenso hydrophil ist. Die verbleibenden Teile der oberen Oberfläche der Scheibe 6 sind hydrophob. Der längliche Bereich 10 bildet in wirksamer Weise einen Flüssigkeitskanal zwischen den Bereichen 9. Die hydrophile Oberfläche des Bereichs 10, welche an beide Seiten durch die hydrophobe obere Oberfläche der Scheibe 6 begrenzt ist, stellt sicher, daß die Flüssigkeits-Laufbahn klar durch die "Wände" definiert ist, welche durch die Grenzfläche zwischen den hydrophoben und hydrophilen Bereichen gebildet sind.

Wenn die Scheiben zusammen um ihre gemeinsame Achse rotiert werden, zeigt sich, daß die Zentrifugalkraft Flüssigkeit entlang des durch den Bereich 10 gebildeten Kanals vom innersten Bereich 9 zum äußersten Be-

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reich 9 drücken wird.

Figur 5 veranschaulicht, wie Zellen auf einen hydrophilen Bereich 2 aufgebracht werden können. Ein Einlaß 23 ist für die Einführung von Zellen und Reagenz und ein hydrophober Kanal 24 ist für die Respiration der Zellen während deren Wachstum auf dem Bereich 2 und zum Spülen zwischen Prüfungen vorgesehen.

Es wird nun auf die Figuren 6 und 7 Bezug genommen, welche eine Mikrofluidik-Vorrichtung in Form einer Kompaktdisk (CD) 10 zeigen, aufweicher hydrophobe und hydrophile Bereiche gebildet sind, um zu ermöglichen, daj3 Flüssigkeiten auf der Oberfläche der Scheibe geführt werden können, um die automatische und gleichzeitige Durchführung mehrfacher chemischer/biologischer Tests bei mehreren Proben zu ermöglichen.

Figur 6 zeigt einen Abschnitt der Kompaktdisk 10 mit einem Perimeterrand 11 und einem Zentralloch 12, an welchem sie zur Rotation innerhalb eines CD-Lesegerätes (nicht gezeigt) montiert werden kann. Auf der Oberfläche der CD sind 40 sektorförmige, multidimensionale Anordnungen 16 aus hydrophilen Punkten gebildet. Wie in der vergrößerten Ansicht A in Figur 7 verdeutlicht, sind die Punkte in einzelnen geraden Kanälen 13 angeordnet, welche radial vom Zentrum der Scheibe strahlenförmig ausgehen. Jeder Kanal umfaßt alternierende hydrophobe Bereiche oder Brüche 14 und hydrophile Bereiche oder Punkte 15. Die hydrophoben Brüche 14 sind typischerweise in Radialrichtung 75 &mgr;&pgr;&igr; breit. Die hydrophilen Punkte 15 sind typischerweise in Radialrichtung 108 &mgr;&eegr;&tgr; breit.

Bei der gezeigten Ausführungsform sind 20 Kanäle in jeder Anordnung 16 sowie 200 hydrophile Punkte 15 in jedem Kanal vorgesehen. Somit sind 4000 hydrophile Punkte in jeder Anordnung 16 enthalten.

Die Kanäle in jeder Anordnung 16 beginnen in einem gemeinsamen hydrophilen Bereich 17 und enden in einem gemeinsamen hydrophoben Bereich 18, welcher einen Bruch darstellt. Von dem hydrophoben Bereich 1 8 radial

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nach außen positioniert ist ein gemeinsamer Abfallkanal 19.

Ein flüssiges Reagenz zur Verwendung bei der Durchführung der Tests wird in einen inneren ringförmigen Kanal 20 eingeführt, welcher sämtlichen Anordnungen 16 gemeinsam ist. Von dem Kanal 20 sich erstreckend sind 40 sich radial ausdehnende, hydrophobe Brüche 21, die sich zu den hydrophilen Bereich 17 einer entsprechenden Anordnung 16 erstrecken, vorgesehen. Eine zu untersuchende Probe wird in den hydrophilen Bereich 16 bei 22 eingeführt. Auf diese Weise können 40 verschiedene Proben gleichzeitig untersucht werden.

Die Probeuntersuchung wird durchgeführt, indem jedem der hydrophilen Bereiche 14 eine Probe eines bekannten Reaktanten, beispielsweise ein bekanntes Oligonucleotid, zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung das Potential zur Untersuchung jeder Probe gegenüber 4000 verschiedenen Reaktanten aufweist. Auf jedem hydrophilen Punkt kann durch Verdampfung eine Kappe gebildet werden, und beim Verdampfen tritt eine akkurate Vorkonzentrierung auf.

Als nächstes wird der Reagenzkanal 20 gefüllt und die Scheibe rotiert, um zu bewirken, daß das Reagenz über das "Ventil", welches durch den hydrophoben Bruch 21 bewirkt worden ist, springt sowie radial nach außen zu dem Abfallkanal 19 gelangt. Der Fortschritt entlang den einzelnen Kanälen 13 erfolgt durch eine Reihe von Sprüngen über die wirksamen "Venti-Ie", welche durch die hydrophilen Brüche 14 verursacht sind. Die zur Überwindung der Brüche erforderliche Kraft wird durch die Zentrifugalwirkung der rotierenden Scheibe vorgesehen.

Nachdem das Reagenz in den Abfallkanal 19 gelangt ist, wird die Scheibe gestoppt und eine Flüssigkeitsprobe bei 22 zugegeben. Typischerweise beträgt das Probevolumen 0,1 &mgr;&idiagr;. Die Scheibe wird nun bei zwei alternierenden Geschwindigkeiten rotiert (für die Hybridisationsmischung), woraufhin die Zentrifugalkraft den Flüssigkeitspropfen entlang den Kanälen 13 herausbewegen wird, und die Kapillarwirkung den Flüssigkeitsstau bewe-

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gen wird. Typischerweise beträgt das für jeden Punkt 15 benötigte Probevolumen 44 pl.

Das Ablesen der Testergebnisse folgt durch Prüfung der einzelnen Punkte 15 unter Verwendung eines geeigneten Ablesegerätes. Nachdem die Untersuchung abgeschlossen ist, kann die Scheibe durch Zuführung einer geeigneten Spülflüssigkeit zu dem Kanal 20 und Rotieren der Scheibe zur Bewegung der Spülflüssigkeit nach außen entlang den Kanälen 13 durch Zentrifugalkraft gespült werden.
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Die folgenden Beispiele erläutern die Herstellungvon Oberflächen mit verschiedenen Charakteristika auf einem hydrophoben Substrat.

Beispiel 1

Eine aus Zeonex (ein von Nippon Zeon hergestelltes Cycloolefin-Copolymer) hergestellte CD-Scheibe mit vertieften mikrofabrizierten Kanälen auf der Oberfläche wurde selektiv durch Aufbringen eines viskosen filmbildenden Fluids an erwünschten Punkten in den Kanälen maskiert. Als filmbildendes Fluid wurde entweder Owoco Rod (basierend auf einem synthetischen, wasserlöslichen Polymer) oder Owoco Rosa (basierend auf einer synthetischen Kautschuklatex-Dispersion), beide vertrieben von Owoco AB, Stockholm, Schweden, verwendet. Nach dem Trocknen wurde die Scheibe in einen Plasmareaktor eingebracht (Plasma Science PS0500 von BOC Coating Technology, Concord Ca USA) und mit einem Sauerstoffplasma (15 cm^/min Gasstrom, 500 W RF-Leistung) während 10 Minuten behandelt. Die Maske wurde dann durch Spülen mit Wasser und anschließender Ethanolspülung entfernt. Die unmaskierten Bereiche besaßen einen Wasser-Kontaktwinkel von 50 Grad, während die maskierten Bereiche einen Kontaktwinkel von 90 Grad aufwiesen. Ein Weichsilikonkautschuk-Deckel wurde über der Scheibe angebracht, und eine wäßrige Farbstofflösung wurde in die Kanäle eingeführt. Die Lösung penetrierte durch Selbstsaugung in die nicht-maskierten Kanalbereiche, stoppte jedoch bei den hydrophoben maskierten Bereichen. Durch Rotieren der Scheibe bei 3000

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U/min gelang es, die Lösung ebenfalls über die maskierten Bereiche hinaus zu bringen.

Beispiel 2
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Eine aus Polycarbonat hergestellte CD-Scheibe mit vertieften mikrofabrizierten Kanälen auf der Oberfläche wurde in einen Plasmareaktor (Plasma Science PS 05000 von BOC Coating Technology, Concord Ca USA) eingebracht, und mit einem Sauerstoffplasma (5 cm^/min Gasstrom, 500 W RF-Leistung) während 10 Minuten behandelt. Nach der Behandlung besaß die Scheibenoberfläche einen Wasser-Kontaktwinkel von 5 Grad. Eine 0,5 %ige Lösung von Polyisobutylen in Cyclohexan wurde dann lokal an ausgewählten Punkten aufgebracht und eintrocknen gelassen. Die mit Polyisobutylen beschichteten Bereiche besaßen einen Wasser-Kontaktwinkel von 100 Grad. Ein Weichsilikonkautschuk-Deckel wurde dann über der Scheibe angeordnet und eine wäßrige Farbstofflösung wurde in die Kanäle eingeführt. Die Lösung penetrierte durch Selbstsaugung in die nicht beschichteten Kanalbereiche, stoppte jedoch an den hydrophoben beschichteten Bereichen. Durch Rotieren der Scheibe bei 3000 U/min gelang es, die Lösung ebenso über die beschichteten Bereiche hinaus zu bringen.

Beispiel 3

Eine aus Polycarbonat hergestellte CD-Scheibe mit vertieften mikrofabrizierten Kanälen auf der Oberfläche wurde durch Verdampfung über eine Schattenmaske mit einem Goldmuster versehen. Zuerst wurde eine 40 nm dicke Schicht aus Chrom durch die Maske verdampft. Die CD-Scheibe wurde dann in einen Plasmareaktor (Plasma Science PS05000 von BOC Coating Technology, Concord Ca USA) eingebracht und mit einem Luftplasma (10 cm^/min Gasstrom, 500 W RF-Leistung) während 10 Minuten behandelt. Nach der Behandlung besaß die Scheibenoberfiäche einen Wasser-Kontaktwinkel von 6 Grad. Die CD-Scheibe wurde dann in einen Glascontainer eingebracht, und es wurden 50 ml einer 1 mM Lösung von Octadecylmercaptan in Ethanol zugegeben. Nach einer Stunde in der

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Thiollösung wurde die CD-Scheibe vorsichtig mit Ethanol gespült. Der Wasser-Kontaktwinkel auf dem Polycarbonatbereich betrug 7 Grad, und 79 Grad auf der Goldoberfläche. Dann wurde ein Weichsilikonkautschuk-Deckel über der Scheibe angeordnet, und eine wäßrige Farbstofflösung wurde in die Kanäle eingeführt. Die Lösung penetrierte durch Selbstsaugung in die nicht beschichteten Kanalbereiche, stoppte jedoch an den hydrophoben goldbeschichteten Bereichen. Durch Rotieren der Scheibe bei 3200 U/min gelang es, die Lösung ebenfalls über die beschichteten Bereiche hinaus zu bringen.

Tabelle 1

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Oberfläche	Wasserkontaktwinkel (Grad)
Polytetrafluorethylen (Teflon)*	108
Polyethylen*	94
Polypropylen*	95
Polymethylmethacrylat*	80
Platin*	40
Glas**	"klein"
Gold*	65,5

* A. C. Zettlemoyer (Hydrophobie Surfaces, Ed P. M. Fowkes, Academic Press (New York) 1969, Seiten 1 - 27

** A. W. Adamson, Physikal Chemistry of Surfaces, 5. Auflage, Wiley-Interscience 1990, 9397

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Claims

TERMEER STEINMEISTeVt&VARTNTO GtJR""' -18- Amersham Pharmacia Biotech AB Case: PU9813DE - Me/lm 7.5.1999 Schutzansprüche

1. Mikrofluidik-Vorrichtung, welche in der Weise ausgelegt ist, daj3 die Strömung von Fluiden innerhalb der Vorrichtung durch verschiedene Oberflächen der Vorrichtung, welche verschiedene Oberflächencharakteristika aufweisen, reguliert wird.

2. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend ein Substrat, dessen Oberfläche behandelt ist, um Bereiche mit verschiedenen Oberflächencharakteristika vorzusehen, wobei die Bereiche so angeordnet sind, daß sie eine Regulierung des Stroms von Fluiden,welche das Substrat passieren, ermöglichen.

3. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, mit der Maßgabe, daJ3 das Substrat kein hydratisiertes Oxidmaterial ist.

4. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Substrat eine hydrophobe Oberfläche aufweist, welche mit hydrophilen Bereichen durchsetzt ist.

5. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 4, umfassend weiterhin ein zweites Substrat, welches in etwa parallel zu dem ersten Substrat angeordnet ist, so daß ein Fluid, welches in die Vorrichtung zwischen den Substraten eintritt, entlang vorbestimmten Laufbahnen strömt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5. wobei die Vielzahl hydrophiler Bereiche eine Anordnung aus hydrophilen Punkten ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die hydrophilen Punkte in Linien angeordnet sind, welche strahlenförmig von einem zentralen Punkt auf dem ersten Substrat ausgehen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Linien aus Punkten durch Wände getrennt sind, welche die zwei Substrate miteinander verbinden.

9. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Sub-

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strat hydrophobe und hydrophile Oberflächenbereiche aufweist, welche eine Laufbahn für ein Fluid definieren, um über die Oberfläche zu wandern, worin mindestens eine hydrophobe/hydrophile Grenzfläche bzw. Grenzschicht vorgesehen ist.

10. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 1 mit vorbestimmten Laufbahnen für die Fluidströmung, wobei die Oberflächen solcher Laufbahnen hydrophil sind, wobei ein Ventil durch einen Abschnitt in einer Laufbahn mit einer hydrophoben Oberfläche gebildet wird.

11. Mikrofluidik-Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Oberfläche mindestens einiger der hydrophilen Oberflächen behandelt ist, um die Kultur von Zellen zu ermöglichen.

12. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 11, welche Gas-Laufbahnen enthält, um den Zutritt von Luft zu der Zellkultur zu ermöglichen.

13. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 1. wobei die verschiedenen Oberflächencharakteristika durch verschiedene Bereiche der Oberfläche, welche unterschiedliche elektrische Ladungen tragen, definiert sind.

14. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Ladung auf der Oberfläche zu wechseln, um die Fluid-Laufbahn zu ändern.

15. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die verschiedenen Oberflächencharakteristika durch verschiedene Bereiche der Oberfläche, welche unterschiedlich magnetisiert sind, definiert sind.

16. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Magnetisierung der Oberfläche zu wechseln, um die Fluid-Laufbahn zu ändern.

17. Mikrofluidik-Vorrichtung nach mindestens einem der vorangehen-

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1 den Ansprüche, welche kreisförmig ist.

18. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 17, welche zur Rotation der Vorrichtung ausgelegt ist.

19. Mikrofluidik-Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18. welche einen Einlaß für Fluide zum Zentrum der Vorrichtung und einen ringförmigen Auslaß für Fluide zum Kreisumfang der Vorrichtung aufweist.