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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Verstärkung
der Hydrophilität
einer Polymeroberfläche
durch eine Behandlung mit Plasma.
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Ein verbreitetes Verfahren zur Modifikation
von Oberflächen
von Plastikarten ist es, sie verschiedenartigen Formen einer Plasmabehandlung
zu unterziehen (Chan et al., Surface Science Reports 24 (1996) 1–54; und
Garbassi et al., Polymer Surfaces – From Physics to Technology,
John Wiley (1998) 238–241).
Dies wird in einem Plasmareaktor durchgeführt, welcher ein Vakuumgefäß ist, mit
einem Gas bei niedrigem Druck, typischerweise 10 – 1000 mTorr).
Wenn ein hochfrequentes elektrisches Feld an dem Reaktor angelegt
wird, wird ein Plasma (ebenfalls Glühentladung genannt) gebildet,
welches reaktive Spezies enthält
wie Ionen und freie Radikale und Vakuum-UV-Photonen. Diese Spezies
reagieren mit der Oberfläche
der Plastikarten und verursachen eine chemische Modifikation mit
Eigenschaften in Abhängigkeit
von der Natur des Gases und den Paramentern des Plasmas. Gase wie
Sauerstoff und Argon werden typischerweise für Hydrophilisierungen und Verbesserungen
der Adhäsion
auf nichtpolaren Plastikarten verwendet, während Dämpfe von polymerisierenden,
Monomeren verwendet werden können,
um dünne
Beschichtungen auf Plastikarten für eine Anzahl von unterschiedlichen
Zwecken aufzubringen (Yasuda, Plasma Polymerization, Academic Press
1985).
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Es gibt eine Anzahl von Publikationen
zur Behandlung von Polycarbonatoberflächen mit Sauerstoff- und Argon-Plasmen.
Eine Stabilitätsstudie
(Morra et al., Angew. Makromol.. Chem. 189 (3184) (1991), 125–136) zeigte,
daß viel
von der Hydrophilität
der behandelten Oberfläche
verloren wurde nach entweder einer Wasserextraktion oder 3 Tagen
trockener Lagerung. Der Hydrophilitätsverlust nach der Wasserextraktion war
auf die Bildung von wasserlöslichen
Oberflächenspezies
von niedrigem Molekulargewicht während
der Plasma-Behandlung
zurückzuführen. Die
Lagerungsinstabilität
wurde auf das Rearrangement der Polymerketten in der Oberfläche zurückgeführt. Eine
ESCA-Studie (Greenwood et al., Macromolecules 30 (1997) 1091-1098)
zeigte, daß 79%
des in die Polycarbonatoberfläche
inkorporierten Sauerstoffs durch eine Sauerstoffplasmabehandlung
durch das Waschen mit einer 1:1 Mischung von Cyclohexan/Isopropanol
entfernt wurde. Dies wird dem Abbau von Polymerketten während der
Plasmabehandlung zugeschrieben.
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Ähnliche
Effekte wurden ebenfalls für
Polystyrol beobachtet. Eine ESCA-Studie einer plasmabehandelten
Gewebekultur-Polystyroloberfläche
zeigte einen Verlust von 35% Oberflächensauerstoff nach dem Waschen
mit Wasser (Onyiriuka et al., J. Coll. Interf. Sci. 144 (1) (1991)
98). In zwei anderen ESCA-Studien ergab mit Sauerstoff-Plasma behandeltes
Polystyrol einen Verlust von 25% des Oberflächensauerstoffs nach dem Waschen
mit Wasser (Gallen et al., J. Vac. Sci. Technol. A 13(4) (1991)
2023-2029), (Morra et al., Angew. Makromol. Chem. 189 (3184) (1991)
125–136).
Eine mit einem Sauerstoffplasma behandelte Polystyroloberfläche hatte
anfänglich
einen Wasserkontaktwinkel von 7°,
aber nach einem Waschen mit Methanol erhöhte sich der Kontaktwinkel
auf 64° (Murakami
et al., J. Coll. Interf. Sci 202 (1998) 37–44).
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Die WO 9618498 beschreibt einen Versuch
eine in permanenter Weise hydrophilisierte Oberfläche, die aus
Plastik gemacht ist, herzustellen. Das Verfahren umfaßt einen
ersten Schritt in einem anorganischen Gasplasma, um Ladungen auf
der Oberfläche
einzuführen
und einen zweiten Schritt, während
dessen ein polyionisches Polymer mit der entgegengesetzten Ladung
an die Oberfläche
adsorbiert wird.
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Die EP-A-106 046 beschreibt die Hydrophilisierung
von fluorierten Polymeroberflächen
durch eine Behandlung mit einem Gasplasma in welchem der Hauptbestandteil
eine polymerisierbare Stickstoff enthaltende organische Verbindung
ist.
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Die GB 2 061 969 beschreibt die Herstellung
eines hydrophilen und antistatischen Vinylchloridpolymers durch
eine Behandlung in einem anorganischen Gasplasma. Das Problem die
Plastikarten permanent hydrophil zu machen wird nicht erwähnt.
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Die
DE
3712491 beschreibt ein Plasmaverfahren, welches ein nicht
polymerisierbares Gas bei Unterdruck verwendet für die Hydrophilisierung von
porösen
Membranen, welche aus Polyolefinen gemacht sein können wie
Polyethylen, Polypropylen, etc.
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Die
EP
467 639 beschreibt ein Plasma-Hydrophilisierungsverfahren,
welches ein nichtpolymerisierendes Gas bei atmosphärischem
Druck für
die Hydrophilisierung von verschiedenartigen Materialien verwendet.
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Das elektrische Anregungsfeld, welches
angelegt wird, hat typischerweise eine Frequenz im Bereich der Radiowellen
oder Mikrowellen, d. h. kHZ bis MHz oder bzw. GHz. Die Modifizierung
(Hydrophilisierung), die durch das Plasma auf der Polymeroberfläche verursacht
wird, wird hauptsächlich
von einer Anzahl interner Plasmaparameter abhängen wie: der Art der Spezies,
welche in dem Plasma vorhanden ist, den räumlichen Verteilungen, den Energieverteilungen
und den Richtungsverteilungen. Diese Parameter hängen wiederum in einer komplexen
Weise von den externen Plasmaparametern ab: der Geometrie des Reaktors,
der Art der Anregung, der angelegten Spannung, der Art des Prozessgases,
dem Gasdruck und der Gasflußrate.
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In vielen Anwendungen, welche den
Kontakt zwischen polaren Flüssigkeiten
und Oberflächen
einschließen,
ist es nicht von einer großen
Bedeutung, ob eine eingeführte
Hydrophilität
gegenüber
einem Waschen stabil ist oder nicht. Auf besondere Probleme trifft
man in dem Fall, wenn die Polymeroberfläche ein Teil eines Kanals von
kapillaren Ausmaßen
ist, wo ein hoher Grad an Hydrophilität notwendig ist, falls wäßrige Flüssigkeiten
durch Selbstansaugung oder durch zentripetale Kräfte eingeführt werden sollen. Dies trifft
insbesondere zu, falls ein wiederholter Kontakt in einer reproduzierbaren
Weise stattfinden soll, wobei in diesem Fall eine instabile Oberflächenmodifikation
während
des ersten Flüssigkeitskontaktes
weggewaschen wird. Je kleiner die Abmessungen des Kanals sind, desto
schwerwiegender wird das Problem.
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Im Kontext der Erfindung wird der
Ausdruck „plasmabehandelte
Oberfläche", falls nicht in
einer anderen Weise spezifisch angegeben, sich auf eine unbeschichtete,
nackte plasmabehandelte Oberfläche
beziehen, die möglicherweise
derivatisiert ist, um getrennte reaktive Spezies, welche fest an
die Oberfläche
gebunden sind, zu enthalten.
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Mikrofluide Vorrichtungen, in welchen
Flüssigkeitstransportsysteme
definiert werden durch hydrophile/hydrophobe Barrieren, wurden zuvor
beschrieben, zum Beispiel in der WO 9 958 245. Der Flüssigkeitstransport
kann durch Kapillar- und/oder Zentrifugalkraft getrieben werden
(= Zentripetalkraft, wie hierin betrachtet).
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Die WO 9 721 090 beschreibt eine
mikrogefertigte Vorrichtung, welche ein Flüssigkeitstransportsystem enthält, in welchem
der Flüssigkeitsfluß durch
Zentrifugalkraft getrieben . wird. Wenn man die Hydrophilisierung
diskutiert, wird die Verwendung von reaktiven oder nicht reaktiven
Gasplasmen vorgeschlagen als eine von vielen Alternativen.
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Experimentelle Ergebnisse, welche
teilweise dieser Erfindung entsprechen, wurden auf dem zweiten internationalen
Symposium zu Polymeroberflächenmodifikation
New Ark, Juni 1999 (Anders Larsson: Plasma Treated Polycarbonate
as Substrate for Culture of Adherent Mammalian Cells) präsentiert.
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Eine mikrogefertigte Vorrichtung
hat eines oder mehrere Flüssigkeitstransportsysteme,
welches bzw. welche Kanäle
und Kammern mit einer Tiefe ≤ 1000 μm umfaßt bzw.
umfassen, wie ≤ 100 μm oder sogar
noch feinkörniger
(grounder) als 10μm
so wie ≤ 1 μm. Man sagt,
daß die
Kammern/Kanäle
im Mikroformat seien. Eine mikrogefertigte Vorrichtung hat typischerweise
ihre Kanäle
und Kammern in einer Ebene, wie in der Oberfläche einer Platte, zum Beipiel
auf einer Scheibe. Die Platte kann rund, oval, rechteckig oder von
jedweder anderen 2D geometrischen Form sein.
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Ziele der
Erfindung
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Die Ziele beziehen sich auf Flüssigkeitskontaktoberflächen von
Flüssigkeitstransportsystemen
in mikrogefertigten Vorrichtungen.
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– Ein
Erstes Ziel ist es, ein Gasplasmaverfahren für die Hydrophilisierung von
Polymeroberflächen
vorzusehen, wobei dieses Verfahren die Stabilität der eingeführten Hydrophilität verstärkt.
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– Ein
zweites Ziel ist es, plasmabehandelte Oberflächen bereitzustellen, welche
nach der Behandlung hydrophil sind und so verbleiben, nach wiederholtem
Naßmachen/Trocknen.
In anderen Worten, Flüssigkeitskontaktoberflächen in
mikrogefertigten Vorrichtungen, welche eine anfängliche Hydrophilität haben,
welche nicht in einer signifikanten Weise bei dem Kontakt mit hydrophilen
Flüssigkeiten
verändert
wird, zum Beispiel Mischungen von Ethanol/Wasser und welche ein
wiederholtes Einführen
von wäßrigen Lösungen auf
eine reproduzierbare Weise gestatten.
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– Ein
drittes Ziel ist es, Flüssigkeitstransportsysteme
von mikrogefertigten Vorrichtungen bereit zu stellen, in welchen
mindestens ein Teil der inneren Oberfläche mit dem zweiten Ziel übereinstimmt.
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Diese Ziele werden hauptsächlich an
Oberflächen
angepaßt,
welche vor der Plasmabehandlung einen relativ hohen sofortigen Wasserkontaktwinkel
haben, d. h. ≥ 30° oder ≥ 50°. Mit dem
Begriff „sofortiger
Wasserkontaktwinkel" meint
man, daß der
Kontaktwinkel auf einer trockenen Oberfläche gemessen wird, bevor eine
angewendete Flüssigkeit
in einer signifikanten Weise verdampft ist. Siehe im experimentellen
Teil.
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Die Erfindung
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Wir haben nun gefunden, daß die vorausstehend
gegebenen Ziele erreicht werden können, falls die Polymeroberfläche (Plastikoberfläche) in
Kontakt mit einem Gasplasma mit einer hohen Intensität gebracht wird
(Energieinput pro Gasmolekül).
Unser Befund ist erklärbar
durch zwei Arten von polaren Gruppen, welche eingeführt werden:
(1) Gruppen welche fest auf der Polymeroberfläche zurückgehalten werden und (2) Gruppen,
welche in einer losen Weise gehaltenen Abbaufragmenten zugewiesen
wurden. Die erste Alternative wird in einer stabilen Hydrophilität resultieren.
Die zweite Alternative wird in einer Hydrophilität resultieren, welche leicht
durch den Kontakt mit polaren Flüssigkeiten
wie wäßrigen Lösungen entfernt
wird.
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Entsprechend bezieht sich die Erfindung
darauf, eine Polymeroberfläche
(Plastikoberfläche),
die eine Flüssigkeitskontaktoberfläche eines
Flüssigkeitstransportsystems
in einer mikrogefertigten Vorrichtung definieren soll, permanent
hydrophiler zu machen durch das In-Kontakt-Bringen der Oberfläche mit
einem Gasplasma, so daß fest
gebundene polare Gruppen auf der Oberfläche eingeführt werden. Am wahrscheinlichsten werden
diese polaren Gruppen in einer direkten Weise auf dem Polymerskelett,
welches die Oberfläche
bildet, eingeführt,
möglicherweise
ein Kreuzvernetzen der Oberflächenschicht
einschließend.
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Hydroxy- und/oder Aminogruppen, Carboxygruppen,
Ethergruppen etc. und andere Gruppen, in welchen ein Kohlenstoffatom
an ein Heteroatom, ausgewählt
aus Sauerstoff, Schwefel und Stickstoff, bindet, sind Beispiele
für polare
Gruppen, welche eingeführt
werden können.
Veränderungen
bei dem Vorhandensein auf der Oberfläche von dieser Art von Gruppen,
können
durch ESCA (XPS) studiert werden.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist
die Verwendung einer Gasplasma-hydrophilisierten Oberfläche eines
Substrats, welches aus Plastikmaterial gemacht ist, als eine Flüssigkeitskontaktoberfläche in einem
Flüssigkeitstransportsystem
einer mikrogefertigten Vorrichtung. Das Flüssigkeitstransportsytem umfaßt Kanäle und Kammern
mit einer Tiefe ≤ 1000 μm und ist
definiert in der Gasplasma-hydrophilisierten Oberfläche und bedeckt
durch eine Bedeckung. Die durch Gasplasma hydrophilisierte Oberfläche
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- – hat
einen Wasserkontaktwinkel ≤ 30° welcher
nicht mehr als ± 20%
und/oder ± 5° durch ein
Waschen mit 70%-igem Ethanol verändert
wird, wie in dem experimentellen Teil definiert, und
- – welche
durch ein Verfahren erhalten wurde, umfassend die Schritte von (i)
das Vorsehen einer nicht-hydrophilisierten Form des Substrates,
in welcher die Oberfläche
einen Wasserkontaktwinkel ≥ 30° hat; und (ii)
das Behandeln der Oberfläche
des in Schritt (i) vorgesehenen Substrates in einem Gasplasma eines nicht
polymerisierbaren Gases bei einer Plasmaintensität, welche ausgewählt ist
aus dem Intervall ≥ 5 W/cm3/ min.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung
ist eine mikrogefertigte Vorrichtung, welche ein Flüssigkeitstransportsystem
umfaßt,
in welchem es Kanäle
und Kammern mit einer Tiefe ≤ 1000
um gibt, definiert in einer Oberfläche eines aus Plastikmaterial
gemachten Substrates und bedeckt durch eine Bedeckung, worin mindestens ein
Teil der Oberfläche
eine Flüssigkeitskontaktoberfläche in dem
Flüssigkeitstransportsystem
ist. Die Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, daß die Flüssigkeitskontaktoberfläche
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- (a) einen Wasserkontaktwinkel ≤ 30° hat, welcher
nicht mehr als ± 20%
und/oder ± 5° durch ein
Waschen mit 70%-igem Ethanol verändert
wird, wie in dem experimentellen Teil definiert, und
- (b) welche durch ein Hydrophilisierungs-Verfahren mit Gasplasma
erhalten wurde, in welchem das Gas in dem Plasma nicht polymerisierbar
war.
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Die Ausdrücke „in einer permanenten Weise
hydrophiler" und „stabile
Hydrophilität" betrachten, daß der sofortige
Wasserkontaktwinkel im wesentlichen unverändert bleibt nach einem Waschen
mit Ethanol (70% Gew./Gew., Waschverfahren wie in dem experimentellen
Teil gegeben). Dies bedeutet, daß es dem Waschverfahren nicht
gestattet sein sollte, den sofortigen Wasserkontaktwinkel mehr als ± 20% und/oder
mehr als ± 5° zu ändern.
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Die Lagerungsstabilität (in trockener
Form) der hydrophilisierten Oberfläche sollte mindestens ein Monat
sein, mit akzeptablen Erhöhungen
bei dem sofortigen Wasserkontakt-Wasserwinkel,
die nicht höher
sind als 10°,
bevorzugtermaßen
nicht größer als
5°. Falls
die Lagerungsstabilität
in einer trockenen Form nicht akzeptabel ist, kann eine hinreichende
Lagerungsstabilität
oft erreicht werden durch das Lagern in einer wäßrigen Atmosphäre oder
einer wäßrigen Flüssigkeit.
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Das Verfahren, das für die Hydrophilisierung
verwendet wurde, kann einen wahlweisen Waschschritt folgend auf
den Schritt der Gasplasmabehandlung haben. Dieser Waschschritt bedeutet,
daß die
Gasplasma-behandelte Oberfläche
mit einer wäßrigen Lösung kontaktiert
wird oder irgendeiner anderen polaren Flüssigkeit, um in loser Weise
gehaltene hydrophile Verbindungen zu entfernen. Die Waschlösung ist
bevorzugtermaßen
Wasser, eine mit Wasser mischbare Flüssigkeit oder eine Mischung
von diesen. Beispiele für
mit. Wasser mischbare Flüssigkeiten
sind Methanol, Ethanol, Isopropanol, n-Propano1, t-Butanol, sec-Butanol,
Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Aceton und andere flüssige Verbindungen
mit ähnlichen
Löslichkeiten
in Wasser.
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Die erforderliche Intensität des Plasmas
wird abhängen
von den vorausstehend diskutierten Variablen. Zufriedenstellende
Gasplasmen können
gefunden werden, falls die elektrische Erregungsleistung, die angewendet
wird, ≥ 250
W ist, mit einer Preferenz für ≥ 300 W, und
typischerweise 500 ± 100W
mit einem Gasfluß, der
in dem Intervall von ≤ 50
cm3/min gewählt ist mit einer Präferenz für ≤ 25 cm3/min. Die Plasmaintensität ist normalerweise ≥ 5 W/cm3/min, wie ≥ 10
W/cm3/min oder ≥ 20 W/cm3/min
oder sogar ≥ 35
W/cm3/min. Normalisierte Werte pro m2 Elektrodenbereich werden typischerweise ≥ 30 W/m2/cm3/min sein, wie ≥ 60 W/m2/cm3/min oder ≥ 120 W/m2/cm3/min oder sogar ≥ 215 W/m2/cm3/min. Die Drücke sind
typischerweise geringer als 100 mTorr, mit einer Präferenz für Drücke, welche ≤ 50 mTorr
sind. Diese Bereiche finden Anwendung für eine Temperatur von 25°C, atmosphärischen
Druck und Sauerstoff. Für
andere Gase müssen
die Werte multipliziert werden mit MO
2/Mx worin MO
2 und Mx jeweils
die Molekulargewichte von Sauerstoff und dem anderen Gas sind.
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Die verwendeten Gase sollten nicht
polymerisierbar bei dem Typ des betrachteten Plasmas sein. Solche
typischen- Gase sind anorganisch. Dies bedeutet, daß geeignete
Gase gefunden werden unter Sauerstoff, Stickstoff, Edelgasen (wie
Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon) sowie Mischungen davon so wie
Luft und Mischungen, welche andere Anteile von Sauerstoff und Stickstoff
enthalten. Andere mögliche
nützliche
Gase sind Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf etc., die entweder
alleine oder in Kombination verwendet werden können. Durch das Variieren der
Zusammensetzungen des Gases in den Gruppen, welche auf die Oberfläche eingeführt werden,
ist es wahrscheinlich, daß die
Gruppen variiert werden können
unter Bezug auf die Arten und die Dichte.
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Erläuternde Beispiele für polymerisierbare
Gase sind flüchtige
niedere organische Moleküle
wie niedere Kohlenwasserstoffe und Dämpfe von Allyl- oder Acrylmonomeren,
aromatischen Stoffen etc. Ein anorganisches nicht polymerisierbares
Gas kann vorhanden sein, zusammen mit einer polymerisierbaren organischen
Verbindung in Gasform.
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Plasmareaktorgefäße, welche einen hinreichend
hohen Energieausstoß ermöglichen
kombiniert mit geeigneten Gasflußgeschwindigkeiten, sind kommerziell
erhältlich.
Wie vorausstehend festgestellt, sollten die Reaktorgefäße einen
elektrischen Erregungsleistungsinput ermöglichen, zum Beispiel in den
Bereichen von Mikrowellen oder Radiowellen. Ein geeigenter Plasmareaktor
ist PSO500 (BOC Coating Technology, USA), welcher eine Radiofrequenz
(RF) -Leistung von 0–500
W und einen Gasfluß von
0–100
oder 0–1000
Standard cm3/min gestattet.
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Die Ergebnisse einer Behandlung können von
dem Design des Reaktorgefäßes, welches
verwendet wird, abhängen,
was bedeutet, daß das
optimale Intervall in einem gewissen Ausmaß von einem Reaktordesign zu
einem anderen variieren wird. Die Ergebnisse können ebenfalls davon abhängen, wo
in dem Reaktor die Oberfläche
während
der Behandlung plaziert wird.
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Der sofortige Wasserkontaktwinkel
des Polymermaterials (Plastik) der Oberfläche, die Gasplasma-behandelt
werden soll, ist typischerweise ≥ 20°. Die größten Vorteile
bei der Erfindung werden erhalten bei Polymermaterialien, welche
für größere sofortige
Wasserkontaktwinkel sorgen, wie ≥ 30°, zum Beispiel ≥ 50°. Diese Zahlen
beziehen sich auf Plastikoberflächen,
welche gesäubert
wurden unter Bezug auf wasserlösliche
Verbindungen und Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht (typischerweise ≤ 1 kDa). Erläuternde
Beispiele dafür,
wie der Wasserkontaktwinkel mit dem Polymer variieren kann, werden
in der Tabelle 1 gegeben. Das erfinderische Verfahren resultiert
typischerweise in einem Anstieg bei der permanenten Hydrophilität, welche einer
Erniedrigung des sofortigen Wasserkontaktwinkels der anfänglichen
Oberfläche
des Plastiks um mehr als 20% entspricht, so wie mehr als 50% (nach
dem Entfernen der wasserlöslichen
Verbindungen, der Verbindungen mit einem niedrigen Molekulargewicht
und dergleichen). Ein großer
Anstieg bei der Hydrophilität
ist wichtiger für
hydrophobe als für
hydrophile Plastikarten. Tabelle
1
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Typischerweise wurde das Polymer
auf der Oberfläche
erhalten durch eine Polymerisierung von Monomeren, welche Ungesättigtheit
umfassen, so wie Kohlenstoff-Kohlenstoff- Doppelbindungen oder Kohlenstoff-Kohlenstoff-Dreifachbindungen.
Das Polymer kann ein Homopolymer oder ein Copolymer sein.
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Die Monomere können zum Beispiel ausgewählt werden
aus Mono-, Di- und Poly-/Oligoungesättigten Verbindungen z.B Vinylverbindungen
und anderen Verbindungen, welche Ungesättigtheit enthalten. Monomere
können
Halogensubstituenten enthalten oder nicht, wie Fluor und/oder Chlor.
Erläuternde
Monomere sind:
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- (i) Altrene/Allcadiene (so wie Ethylen, Butadien,
Propylen und einschließlich
substituierter Formen wie Vinylether), Cycloalkene, Monofluorvinyl
und Di- und Polyfluorvinylkohlenwasserstoffe (zum Beispiel Tetrafluorethylen),
Alken enthaltende Säuren,
Ester, Amide, Nitrile etc. zum Beispiel verschiedene Methacry/Acrylverbindungen
und
- (ii) Vinylarylverbindungen (wie Mono-, Di- und Trivinylbenzole)
welche wahlweise substituiert sein können mit zum Beispiel niederen
Alkylgruppen (C1-C6)
etc..
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Eine andere Art von Polymeren sind
Kondensationspolymere in welchen die Monomere ausgewählt sind
aus Verbindungen, welche zwei oder mehr Gruppen aufweisen, ausgewählt unter
Amino-, Hydroxy-, Carboxy- etc. Gruppen (sogenannte polyfunktionelle
Verbindungen). Besonders betonte Monomere sind Polyaminomonomere,
Polycarboxymonomere (einschließlich
entsprechender reaktiver Halide, Ester und Anhydride), Polyhydroxymonomere,
Amino-Carboxymonomere, Amino-Hydroxymonomere und Hydroxy-Carboxymonomere,
in welchen Poly für
zwei, drei oder mehr funktionelle Gruppen steht. Polyfunktionelle
Verbindungen schließen
Verbindungen ein mit einer funktionellen Gruppe, welche zweimal
reaktiv ist, zum Beispiel Kohlensäure oder Formaldehyd. Die betrachteten
Polymere sind typischerweise Polycarbonate, Polyamide, Polyamine,
Polyether etc. Polyether schließen
die entsprechenden Siliconanaloga ein wie Silicongummi.
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Die Polymere können in einer kreuzvernetzten
Form sein.
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Das Polymer auf der Oberfläche kann
eine Mischung von zwei oder mehr verschiedenen Polymeren)/Copolymer(en)
sein. In diesem Fall finden die Wasserkontaktwinkel und ihre Veränderungen,
die vorausstehend diskutiert wurden, auf diese Mischungen Anwendung,
d. h. die tatsächliche
Oberfläche.
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Besonders interessante Polymere sind
diejenigen, welche eine nicht signifikante Fluoreszenz für Erregungswellenlängen in
dem Intervall von 200 – 800
nm haben und Emissionswellenlängen
in dem Intervall von 400 – 900
nm. Mit einer nicht signifikanten Fluoreszenz meint man, daß die Fluoreszenzintensität in dem vorausstehend
gegebenen Emissionswellenlängenintervall
unterhalb von 50% der Fluoreszenzintensität für eine Referenzplastikart sein sollte
(= ein Polycarbonat aus Bisphenol A ohne fluoreszierende Zusatzstoffe). Tatsächlich macht
es nichts aus, falls die Fluorezenzintensität der Plastikart noch niedriger
ist wie < 30 %
oder < 15 %, so
wie < 5 % oder < 1 % der Fluoreszentintensität der Referenzplastikart.
Typische Plastikarten mit einer akzeptablen Fluoreszenz sind Polymere
von aliphatischen Monomeren, welche polymerisierbare Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen
enthalten, wie Polymere von Cykloalkenen (z.B Norbornen und substituierte
(substituterade) Norbornene), Ethylen, Propylene etc. sowie andere
nicht aromatische Polymere von einer hohen Reinheit, z. B. bestimmte
Grade von Polymethylmethacrylat.
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Nach der Plasmabehandlung, wahlweise
nach einem Waschverfahren, um in einer losen Weise gehaltene hydrophile
Verbindungen zu entfernen, kann die Oberfläche weiter derivatisiert werden,
um eine oder mehrere Arten reaktiver Gruppen aufzuweisen, d. h.
Gruppen, welche in der Lage sind andere Verbindungen entweder über eine
Art von Affinität
oder über
eine kovalente Verknüpfung
zu binden. Eine Derivatisierung findet bevorzugtermaßen nach
dem Waschschritt statt, und ein Beschichtungsschritt kann vorausgehen,
zum Beispiel um die Oberfläche
mit einer Beschichtung, welche zusätzliche hydrophile Gruppen
trägt,
zu versehen, welche für
eine Derivatisierung verwendet werden können.
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Durch das Maskieren bestimmter Teile
der Oberfläche
und indem man andere Teile vor einer Hydrophilisierung unmaskiert
läßt, können hydrophile
Muster auf einer hydrophoben Oberfläche erhalten werden. Alternativerweise
kann ein hydrophobes Muster auf die Oberfläche nach der Hydrophilisierung
gedruckt werden. Diese Techniken können von Wert bei der Herstellung
von mikrogefertigten Flüssigkeitstransportsystemen sein.
Siehe nachstehend.
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Verschiedenartige Verfahren zur Einführung reaktiver
Gruppen auf Polymeren, welche hydrophile Gruppen aufweisen, wie
Hydroxy-, Amino- oder Carboxy- etc. Gruppen sind dem durchschnittlich
geschickten Fachmann im Gebiet bekannt. Gut bekannte Affinitätsgruppen
sind geladene Gruppen und Gruppen, welche eine Affinität über Wechselwirkungen
anderer Art ausüben,
möglicherweise
in Kombination mit Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen. Erläuternde
Beispiele für
geladene Gruppen sind Ionenaustauschgruppen, wie Anionen und Kationen
austauschende Gruppen, wobei typische Beispiele Ammoniumionen sind
(primäre,
sekundäre,
tertiäre
und quartäre
Ammoniumionen), Sulphate, Sulphonate, Phosphate, Phosphonate etc.
Erläuternde
Beispiele für
andere Affinitätsgruppen
sind sogenannte Bioaffinitätsgruppen,
einschließlich
einzelner Mitglieder von Liganden-Rezeptor-Paaren wie Antikörper-Antigen/Hapten,
komplementäre
Nukleinsäuren,
Ig-bindende Proteine – Ig
(z.B Protein A oder G – IgG),
Lektin-Kohlenhydratstrukturen, Zell-Zell-Anheftungsmoleküle (Fibronektin,
Collagen, RGD-Peptide) etc. Eingeschlossen bei den Bioaffiitätsgruppen
sind ebenfalls semi- und vollständig
synthetische Liganden, welche mehr oder weniger vollständig die
nativen Bioaffinitätsliganden nachahmen.
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Die hydrophilisierte Oberfläche kann
einen signifikanten Teil der Flüssigkeitskontaktoberflächen in Systemen,
die für
den Transport von wäßrigen Flüssigkeiten
gedacht sind, bereitstellen. Diese Systeme können Kanäle haben, welche von kapillaren
Abmessungen sein können,
zum Beispiel mit einer Entfernung zwischen zwei gegenüberliegenden
Wänden,
die ≤ 1000 μm ist, wie ≤ 100 μm oder sogar ≤ 10μm so wie ≤ 1 μm. Diese
Systeme können
ebenfalls eine oder mehrere Kammern enthalten, welche mit den Kanälen verbunden sind,
und Volumina haben, die ≤ 500 μl sind, so
wie ≤ 100 μl und sogar ≤ 10 μl so wie ≤ 1 μl. Die Tiefen
der Kammern können
typischerweise in dem Intervall ≤ 1000 μm liegen
so wie ≤ 100 μm so wie ≤ 10 μm oder sogar ≤ 1 μm. Der untere
Grenzwert ist immer in einer signifikanten Weise größer als
das größte der
verwendeten Reagenzien. Der untere Grenzwert liegt typischerweise
in dem Bereich von 0,1 – 0,01 μm für Vorrichtungen, welche
in einer trockenen Form geliefert werden sollen. Eines oder mehrere
der Flüssigkeitstransportsysteme dieser
Art können
auf einer gewöhnlichen
Platte plaziert werden, zum Beispiel auf einer drehbaren, wie einer Scheibe
vom CD-Typ. In dem Fall drehbarer Formen, kann die Flüssigkeit
durch eines oder mehrere Segmente des Transportsystems durch ein
Drehen der Scheibe (Zentripetalkraft) gezwungen werden. In diesem
letzten Fall werden die Flüssigkeitstransportsysteme
radial plaziert. Andere Arten von Druck erzeugenden Systemen können ebenfalls
für den
Transport von Flüssigkeit
in den Flüssigkeitstransportsystemen,
die vorausstehend diskutiert wurden, verwendet werden.
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Die Kanäle und/oder Kammern sind definiert
durch Flüssigkeitsbarrieren,
welche einen Flüssigkeitsfluß leiten
sollen. Die Flüssigkeitsbarrieren
können
in der Form physikalischer Wände,
Böden oder
Bedeckungen sein. Wände
in der Form hydrophober Barrieren zum Leiten von wäßrigen Flüssigkeiten
wurden deswegen. vorgeschlagen (WO 9 955 827). Durch das Bedecken
einer Oberfläche
(I) die hydrophilisiert werden soll, mit einer Maske, welche ein
Muster kommunizierender Linien und Punkte unmaskiert läßt und hydrophilisiert, zum
Beispiel wie vorausstehend hervorgehoben, wird die Oberfläche (I)
ein hydrophiles Muster aufweisen. Wenn man eine hydrophobe Oberfläche (II)
(Bedeckung oder Deckel) gegen das hydrophile Muster plaziert und
einen Kapillarspalt zwischen den Oberflächen läßt, wird ein Flüssigkeitstransportsystem
erhalten werden. Die Oberfläche
(II) kann ebenfalls ein hydrophiles Muster haben, welches dem hydrophilen
Muster der Oberfläche
(I) entspricht. Wie vorausstehend diskutiert, kann das hydrophile
Muster ebenfalls erhalten werden, indem man die gesamte Oberfläche hydrophilisiert
und dann das gewünschte
hydrophobe Muster darauf druckt. Die Bedeckung/der Deckel wird das
Verdampfen von Flüssigkeit
verhindern und kann durch sie/ihn hindurchgehende Löcher haben,
welche für
die Zugabe /die Entfernung von Flüssigkeiten gedacht sind.
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Eine vorteilhafte Weise, die Bedeckung/den
Deckel auf der hydrophoben Oberfläche anzuheften ist das Heißverkleben
wie in der WO 0 154 810 beschrieben.
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Die Flüssigkeitstransportsysteme der
Art, auf die vorausstehend Bezug genommen wird, können ebenfalls
Ventile, Pumpen, Filter und dergleichen enthalten.
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Die Oberfläche kann verwendet werden für das Durchführen chemischer
Reaktionen anorganischer und/oder organischer/biochemischer Natur.
Die Oberfläche
kann als eine Trägermatrix
bei der Chromatographie, für
die Zellkultur, für
eine chemische Festphasensynthese von Oligo-/Polypeptiden, Oligo-/Polynukleotiden,
anderen organischen Polymeren und anderen organischen Verbindungen
verwendet werden. Erläuternde
Beispiele für
Reaktionen, die auf der Oberfläche
der Erfindung laufen gelassen werden sollen, sind konventionelle
chemische Reaktionen oder Reaktionen, welche auf Affinität beruhen,
welche die Wiedererkennung durch das geometrische Passen und Wechselwirkungen,
welche auf Wasserstoffbindungen, Van-Der-Waals-Bindungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen,
Ladung-Dipol-Wechselwirkungen,
Ladung-Ladung-Wechselwirkungen etc. basieren. Reaktionsgefäße mit inneren
Oberflächen,
welche gemäß der Erfindung
behandelt wurden, haben, können
für die
Lagerung verschiedenartiger Arten von organischen und anorganischen
Chemikalien und/oder Flüssigkeiten
verwendet werden. Für
die Zellkultivierung werden weitere Details nachstehend gegeben
Vorteilhafte weitere Entwicklungen von Oberflächen, welche durch die vorliegende Erfindung
gegeben werden, werden in der WO 0 147 637 beschrieben. Bei diesen
Entwicklungen wurde die erfinderische Plasmahydrophilisierung an
einem Teil angewendet oder an dem vollständigen Flüssigkeitstransportsystem. Nach
der Hydrophilisierung wird Polyethylenimin, an welches Monomethoxypolyethylenglycolketten
gebunden sind, an die behandelte Oberfläche adsorbiert. Bevorzugte
Designs von Flüssigkeitstransportsystemen
werden ebenfalls beschrieben.
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Das Zellkultivieren kann innerhalb
der mikrogefertigten Vorrichtungen der Erfindung ausgeführt werden,
welches einschichtige Kultur einschließt, Suspensionskultur etc.
und das Kultivieren von Zellaggregaten, Geweben, Biopsien etc. ausschließt. Diese
Verwendung umfaßt
inhärent
die normale Zellkultivierungspraxis.
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Die Zellen können verankerungs- oder nicht
verankerungsabhängig
sein. Sie können
von normalem oder von Tumorursprung sein und sie können in
der Kultur genetisch manipuliert sein. Sie können von Säugern stammen, von Bakterien,
Pilzen (Hefe), Pflanzen, Fisch, Vögeln, Amphibien, Reptilien
etc. Unter Bezug auf Säugetierzellen
können
sie von jedwedem Gewebe stammen, z. B. epithelialen, endothelialen,
Fibroblasten-, Muskel-, Nerven-, Pigment-, hämatopoetischen und Keimzellen.
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Die Erfindung wird nun erläutert werden
durch nicht beschränkende
Experimente. Die Erfindung wird weiter definiert in den anhängigen Ansprüchen, welche
Teil des Anmeldungstextes sind.
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Experimenteller
Teil Materialien
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Oberflächen (Scheiben, CDs): CD Rohlinge
aus Polycarbonat von Bisphenol A und Polymethylmethacrylat, spritzgegossen
bei Toolex Alpha AB, Sundbyberg, Schweden. Ungemusterte CD Rohlinge,
spritzgegossen aus Zeonex (ein Cycloolefin-Copolymer von Nippon
Zeon, Japan) oder Luran KR2536 (ein Styrol-Acrylonitril-Copolymer
(SAN) von BASF Deutschland) bei ÅMIC AB Uppsala, Schweden).
Die planare (angemusterte) Seite der Scheiben wurde in allen Experimenten
verwendet.
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Gase: Sauerstoff, Argon und synthetische
Luft waren von L'Air
Liquide, Frankreich.
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Plasmareaktor: Plasma Science PSO500
(BOC Coating Technology) mit per Hand einstellbaren Parametern:
Radiofrequenz- (RF) Leistung 0–500W,
und Gasflußrate
0–100
oder 0–1000
sccm (Standard cm3/min).
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Normalerweise ist der Reaktor PSO500
ausgestattet mit drei Elektrodenplatten, aber nach einem Umbau verblieb
nur eine Platte.
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Methoden
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Waschen: Vor der Plasmabehandlung
wurden alle Scheiben in pro Analysi Isopropanol während 2
Minuten untergetaucht, kurz mit 99%-igem Ethanol gespült und mit
Hausstickstoff trockengeblasen. Dies wurde getan, um jedwede freisetzenden
Mittel zu entfernen, antistatische Mittel etc., welche mit den Plasmabehandlungen
interferieren könnten.
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Plasmabehandlungen: Die Scheiben
wurden in dem Plasmareaktor in einer von zwei Positionen plaziert,
entweder auf einem Plastikträger,
20,5 cm vom Boden der Kammer entfernt oder auf Glasträgern, welche auf
der Elektrodenplatte. (45 cm von dem Boden der Kammer entfernt)
plaziert waren. Nach einer Evakuierung auf einen Basisdruck von
60 mTorr, wurde der Gasfluß auf
das gewünschte
Niveau eingestellt. Die RF-Leistung wurde dann angeschaltet für die beabsichtigte
Zeit, und die Reaktorkammer wurde schließlich mit Umgebungsluft belüftet.
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Messungen des Kontaktwinkels: Direkt
nach der Behandlung wurde der Gleichgewichtswasserkontaktwinkel
gemessen mit dem Verfahren des festsitzenden Tropfens (sessile drop
method) auf einer Ramé-Hart-Goniometerbank.
Für jede
Probe wurde sechs Messungen durchgeführt (zwei Seiten von jedem
von drei Tröpfchen).
Die Kontaktwinkelmessungen wurden ebenfalls durchgeführt nachdem
die Plasma-behandelten Scheiben zwei Minuten lang in 70%-igem Ethanol/Wasser
untergetaucht worden waren und mit Hausstickstoff trockengeblasen
worden waren. Die Messungen wurde innerhalb von 20 Sekunden gemacht,
nachdem die Flüssigkeit
angewendet worden war, um Veränderungen
im Kontaktwinkel, z. B. aufgrund von einem Verdampfen der Tröpfchen zu
vermeiden.
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Kontrolle auf die Einführung von
Kreuzvernetzungen: Das Polymermaterial wurde in einem geeigneten Lösemittel
für das
ursprüngliche
Polymer gelöst,
aber nicht für
Polymerketten, welche während
der Plasmabehandlung vor und nach den Gasplasmabehandlungen kreuzvernetzt
wurden. Das Vorhandensein jedweden unlöslichen Materials nach der
Behandlung wurde als ein Anzeichen für das Einführen von Kreuzvernetzungen genommen.
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Kontrolle der Einführung polarer
Gruppen, welche Sauerstoff enthalten: Vorläufige Studien durch ESCA zeigten,
daß die
Muster dieser Gruppen auf der Oberfläche sich nach einer Gasplasmabehandlung
in einer Art veränderten,
welche einen Anstieg bei dem Oberflächen-gebundenen Sauerstoff
nahelegte. ESCA kann verwendet werden, um die verschiedenartigen
polaren/geladenen Gruppen zu bestimmen, welche von einer Wichtigkeit
für das
Kultivieren von Zellen sein können.
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Lagerungsstudie: Die plasmabehandelten
Scheiben wurden in Polystyrolpetrischalen plaziert und unter Umgebungslaborbedingungen
gelagert. In regelmäßigen Intervallen
wurden kleine Stücke
abgeschnitten und der sofortige Wasserkontaktwinkel gemessen, sowohl
in direkter Weise als auch nach einem Untertauchen in 70%-igem Ethanol/Wasser.
Die abgeschnittenen Proben wurden nach den Messungen verworfen.
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Kriterien zur Akzeptanz: Das vorläufige Akzeptanzkriterium
war, daß der
Wasserkontaktwinkel 120° oder
geringer nach einem Waschen in 70%-igem Ethanol sein sollte.
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Zellkultur
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Verfahren zur Bewertung
von Oberflächen:
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Die Zellkultur wurde als ein Verfahren
zur Bewertung der plasmabehandelten Oberflächen verwendet, da Zellen extrem
hohe Anforderungen an ihre Unterlage (substratum) stellen.
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Stücke von plasmabehandeltem Material
wurden in Multivertiefungs- bzw. Multiwellplatten plaziert, eine
Suspension von Zellen in Kulturmedium wurde zu jeder Vertiefung
bzw. zu jedem Well zugegeben, und die Platten wurden, in einer Zellkulturatmosphäre verschiedene
Zeiten lang inkubiert. Die Zelladhäsion, Morphologie und Proliferation
wurden mikroskopisch und gelegentlich durch die Verwendung von Immuncytochemie
gegen Zellproliferationsmarker und adhäsive Kontakte bewertet. Vorläufige Ergebnisse
haben offengelegt, daß die
plasmabehandelten Oberflächen
für Zellkultur
verwendet werden können
und daß die
Zellen die notwendigen Charakteristika für ein optimales Verhalten aufweisen.
Solche Charakteristika schließen
die Adhäsion
von nahezu allen plattierten Zellen in einem gleichmäßigen Muster
ein, ein richtiges Ausbreiten der Zelle auf der Materialoberfläche, Zeichen
normaler Zellbeweglichkeit und Zellteilung. Pathologische Zeichen
einschließlich
von Vakuolen, exzessive Mengen an lysosomalen Granula, die Bildung
von Ausstülpungen
(blebbing), oder die Membranzerstörung waren nicht signifikant.
Die bisher getesteten Zelllinien schließen MRC5 (normale Lungenfibroblasten),
HeLa (Zervixkarzinomzellen von epithelartigem Ursprung), Chang (Hepatom, Leberzellen)
ein. Die Zellen wurden so ausgewählt,
daß sie
einen weiten Bereich von Ansprüchen
an die Oberflächen
abdecken. Nicht verankerungsabhängige
Zellen stellen sehr kleine Ansprüche
an die Oberflächen
als solche. Ein Beispiel für
solche Zellen (Raji Lymphom) wurde in einer erfolgreichen Weise
in Gegenwart der plasmabehandelten Oberflächen kultiviert.
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Unsere Ergebnisse legen wirksame
Zellkultivierungseigenschaften für
unsere erfinderischen plasmahydrophilisierten Oberflächen nahe.
Eine effiziente Zelladhäsion
und ein effizientes Wachstum konnten für fibroblastenartige Zellen
auf Oberflächen
mit Wasserkontaktwinkeln in dem Intervall von 10–40° und für epithelartige Zellen in dem
Intervall von 5–40° erreicht
werden.
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Ergebnisse
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Planare CD-Scheiben plasmabehandelt
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Plasma Science PSO500 Reaktor mit
einer Elektrodenplatte
Proben plaziert auf einem Polypropylenträger 20 cm
von dem Reaktorkammerboden im Zentrum der Kammer.
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