EP2051147B1 - Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat - Google Patents

Verfahren zum Herstellen funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat Download PDF

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EP2051147B1
EP2051147B1 EP20080018317 EP08018317A EP2051147B1 EP 2051147 B1 EP2051147 B1 EP 2051147B1 EP 20080018317 EP20080018317 EP 20080018317 EP 08018317 A EP08018317 A EP 08018317A EP 2051147 B1 EP2051147 B1 EP 2051147B1
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EP
European Patent Office
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particles
toner
functionalized
functional
toner particles
Prior art date
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EP20080018317
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French (fr)
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EP2051147A2 (de
EP2051147A3 (de
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Achim Dr. Weber
Guenter Dr. Tovar
Kirsten Dr. Borchers
Stefan Dr. Güttler
Andrzej Grzesiak
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/14—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base
    • G03G15/16—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base of a toner pattern, e.g. a powder pattern, e.g. magnetic transfer
    • G03G15/1625—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern for transferring a pattern to a second base of a toner pattern, e.g. a powder pattern, e.g. magnetic transfer on a base other than paper
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03G—ELECTROGRAPHY; ELECTROPHOTOGRAPHY; MAGNETOGRAPHY
    • G03G15/00—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern
    • G03G15/22—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern involving the combination of more than one step according to groups G03G13/02 - G03G13/20
    • G03G15/225—Apparatus for electrographic processes using a charge pattern involving the combination of more than one step according to groups G03G13/02 - G03G13/20 using contact-printing

Definitions

  • Powdered toner is transferred to the exposed photo-roll in a subsequent step, the toner being rubbed in the printing unit is electrostatically charged and therefore able to adhere only to the discharged areas of the photo-roll.
  • To influence the electrostatic charge of the toner today's commercially available toner contain about 2 to 4 vol.% Charge control additives.
  • About 5 to 18% by volume of the toner contains a dye fraction, for example in the form of carbon black.
  • the toner is ultimately only able to adhere to the paper due to adhesive forces; however, for the final fixation of the toner, a targeted heat action is required, through which the toner is melted and in this way is able to penetrate into the fiber structure of the paper.
  • the method according to the invention for producing local, functional surface areas on a surface substrate is characterized by the combination of the following method steps:
  • toner particles are provided, which are provided with so-called functional particles, which have a mean diameter of 50 nm to 5 microns.
  • the functional particles must be selected from at least one of the following substance groups: surface-modified silica nanoparticles, functional particles consisting of plastic with a molecularly embossed surface, elastomer particles and / or hydrogel particles.
  • the toner particles themselves consist at least in part of a dry solvent, the matrix referred to above, and have a diameter typically between 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the toner particles are preferably polymers having a melting point of less than 100 ° C, preferably less than 80 ° C.
  • the laser printing technique makes it possible to have the functionalized toner particles in any spatial arrangement on the surface of the surface substrate deposit. With this, spatial structures such as points, rectangles or lines with an extent of 100 ⁇ m and smaller can be generated. Moreover, the laser printing process allows the formation of planar deposits of functional toner with an evenly uniform distribution of the functional particles within the toner. The latter property plays a decisive role, in particular in those cases in which the functional particles are used for sensory purposes, for example as biochemical or chemosensors, as the further statements will show.
  • the functionalized toner adhering to the paper surface is melted, wherein it should be ensured that the toner flows as evenly as possible under the influence of the surface tension, so that a uniform distribution of the functional particles within the liquefied toner results.
  • the surface substrate in this case the piece of paper, is heated homogeneously to a defined temperature for a defined time.
  • the exact thermal conditions required for this depend on the respective toner properties.
  • the heating of the surface substrate is preferably carried out in an oven outside the printer, since in this way a uniform heating of the surface substrate on the one hand very easily possible and on the other hand can be avoided to thermally stress the printer itself.
  • integrated heaters are also conceivable, in which case the substrate is preferably non-contact, for example by means of radiant heat applied, e.g. through IR emitters, to heat.
  • the toner resolidified on the surface of the surface substrate will be subjected to a chemical aftertreatment in which the toner adjuvants, ie primarily the dry solvent and any charge control additives, are removed and in this way the functional particles are uncovered.
  • a chemical aftertreatment in which the toner adjuvants, ie primarily the dry solvent and any charge control additives, are removed and in this way the functional particles are uncovered.
  • the functional particles are to react by chemical or biochemical interaction with other particles in the environment for a correspondingly intended use of the functionalized surface areas.
  • the exposure of the functional particles which are usually present as nanoparticles, is preferably carried out in the presence of a chemical solvent which can dissolve and wash away the dry solvent or the matrix and any adjuvants present in the toner.
  • the silica nanoparticles can also be modified on their surface with proteins from an extracellular matrix, which contain recognition sequences for the adhesion of cells.
  • proteins from an extracellular matrix are selected from one of the substance groups collagen, elastin, fibronectin, vitronectin, laminin.
  • the functional particles have a Molecular Imprinted Particles (MIP) surface, which is structured to selectively bind specific organic substances.
  • MIP Molecular Imprinted Particles
  • the method according to the solution offers the possibility of printing differently functionalized toner particles onto the respective substrate surface within a single production step using a multiplicity of corresponding printing units. For example, so-called test strips with several sensitive test fields can be produced.
  • hydrogel particles for the purpose of functionalizing the toner particles is also conceivable, for example hydrogel particles from one of the substance groups: polyethylene glycols, poly (N-isopropylacrylamide), polymethacrylic acid, polyacrylic acid, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetate, dextran, hyaluronic acid, chitosan, collagen, or copolymers the said polymers.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat.
    • Stand der Technik
  • Die Laserdrucktechnik, die auf dem Prinzip der Xerographie basiert, stellt eine weit verbreitete Drucktechnik dar, mit der technische Oberflächen, zumeist in Form von Papier- oder Folienoberflächen mit in Pulverform vorliegenden Substanzen bedruckt werden können. Grundsätzlich wird beim Laserdruckverfahren eine rotierende Fotowalze, die mit einem Fotohalbleitermaterial beschichtet ist, elektrostatisch aufgeladen, beispielsweise mit Hilfe einer Vorladungswalze oder einer Corona, und anschließend mittels einer Laseranordnung oder einem LED-Array an lokalen Stellen belichtet, wodurch sie an diesen belichteten Bereichen zumindest teilweise elektrisch entladen wird. Alle übrigen, unbelichteten Bereiche der Fotowalze bleiben elektrisch geladen und entsprechen dem Negativabbild der zu druckenden zweidimensionalen Strukturen, beispielsweise in Form von Texten, Bildern etc.. Auf die belichtete Fotowalze wird in einem anschließenden Schritt pulverförmiger Toner übertragen, wobei der Toner durch Reibung im Druckwerk elektrostatisch aufgeladen wird und sich deshalb nur auf den entladenen Bereichen der Fotowalze anzuhaften vermag. Zur Beeinflussung der elektrostatischen Aufladung des Toners enthalten heutige kommerziell erhältliche Toner zu etwa 2 bis 4 Vol. % Ladungssteuerungszusätze. Der überwiegende Bestandteil des Toners, d.h. ca. 80 bis 90 Vol. % besteht aus einem Trockenlösungsmittel, der sogenannten Matrix, die typischerweise aus einem Gemisch aus Kunstharz und Wachs besteht. Etwa zu einem Anteil von 5 bis 18 Vol. % enthält der Toner einen Farbstoffanteil, beispielsweise in Form von Ruß.
  • Für den Tonertransfer von der Fotowalze auf das Papier wird ein elektrostatisches Transferfeld angelegt, das der elektrostatischen Aufladung des Toners entgegengesetzt ist, wofür unterhalb des zu bedruckenden Mediums, beispielsweise des Papiers, eine Elektrode angeordnet ist, die beispielsweise als Walze aus leitfähigem Schaumstoff ausgeführt sein kann. Der Tonerübertrag auf das Papier basiert physikalisch, neben den herrschenden elektrostatischen Anziehungskräften zwischen den aufgeladenen Tonerpartikeln und der Elektrode, bzw. dem durch die Elektrode elektrostatisch aufgeladenen Papier, zudem auch auf Adhäsionskräften, d.h. auf molekularen Anziehungskräften, die zwischen den einzelnen Tonerpartikeln und der Papieroberfläche wirken. So vermag der Toner nach dem Druckvorgang letztlich nur aufgrund von Adhäsionskräften auf dem Papier zu haften, jedoch bedarf es zur endgültigen Fixierung des Toners einer gezielten Wärmeeinwirkung, durch die der Toner geschmolzen wird und auf diese Weise in die Faserstruktur des Papiers einzudringen vermag.
  • Um Farbstoffe im Wege der Laserdrucktechnik auf Papier oder einem anderen Trägersubstrat aufzubringen, bedarf es jeweils unterschiedlich eingefärbter Tonerpartikel, die über jeweils getrennte Fotowalzen auf das Papier in der vorstehend bezeichneten Weise aufgebracht werden. Zur Herstellung unterschiedlich eingefärbter Toner werden das die Matrix der jeweiligen Tonerpartikel darstellende Trockenlösungsmittel, der Farbstoff sowie die Ladungssteuerungsmittel miteinander vermischt und bei einer Temperatur von etwa 80 °C bis 150 °C extrudiert. Die im Wege der Extrusion gewonnene Substanz wird zu Korngrößen von ca. 6 µm bis 10 µm gemahlen, gesiebt und gesichtet und in einem weiteren Prozessschritt beispielsweise mit Siliziumdioxid beschichtet, wodurch eine Agglomeration der einzelnen Tonerkörner verhindert werden kann und ihre Rieselfähigkeit verbessert wird.
  • Weitere Möglichkeiten zur Tonerherstellung basieren auf dem so genannten chemischen Mahlverfahren sowie der Emulsionspolymerisation. Beim chemischen Mahlverfahren werden die einzelnen Komponenten des Toners in ein flüssiges Trägermedium, beispielsweise Wasser, bei ca. 80 °C bis ca. 100 °C gegeben, in dem sie schmelzen sich jedoch nicht lösen. Durch rotierende Mühlräder wird die dabei erhaltene Suspension vermischt und winzige Tröpfchen mit einem Tröpfchendurchmesser von 6 µm bis 10 µm erzeugt, die abgekühlt und abgesiebt werden.
  • Bei der Emulsionspolymerisation wird eine Vorstufe des Trockenlösungsmittels mit den übrigen Komponenten des Toners in einer Mühle vermischt, wobei die Bildung von Tonerpartikeln durch eine gezielt eingeleitete Polymerisationsreaktion erfolgt. Die Eigenschaften der Tonerpartikel, insbesondere ihre Größe, sind von einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Einflüssen abhängig. Auch der nach einem der beiden chemischen Verfahren hergestellte Toner kann in einem anschließenden Prozessschritt beschichtet werden. Ein derartiges Verfahren ist der EP 1 491 969 A2 zu entnehmen.
  • Grundsätzlich ist festzustellen, dass Tonerpartikel, die chemisch hergestellt werden, im Gegensatz zu gemahlenem Toner, über runde und glatte Oberflächen verfügen.
  • Aus der Druckschrift DE 20 2005 018 237 U1 ist eine Vorrichtung zum Bedrucken eines flächensteifen Flächensubstrats zu entnehmen, das eine Mehrfachbedruckung vorgegebener Oberflächenbereiche des flächensteifen Flächensubstrats mit einem funktionalisierten Toner, vorzugsweise einem Aminosäure-Toner, ermöglicht.
  • Zu Zwecken der Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften sowie der Fliesseigenschaften von Tonerpartikel ist der US 2005/0058924 A1 ein Herstellverfahren für Tonermaterial zu entnehmen, dessen Tonerpartikeloberfläche mit Silicapartikel zu Schaffung einer hydrophoben Toneroberfläche überzogen wird.
    • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf möglichst einfachem und kostengünstigem Wege flächige Strukturen auf einem Flächensubstrat oder dreidimensionale, über eine Flächensubstratoberfläche erhabene Strukturen zu erzeugen, die über anwenderspezifische technisch, chemisch oder biologisch nutzbare Eigenschaften verfügen sollen.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Lösungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
  • Das lösungsgemäße Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat zeichnet sich durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte aus:
  • In einem ersten Schritt werden Tonerpartikel zur Verfügung gestellt, die mit so genannten Funktionspartikeln versehen sind, die über einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 5 µm verfügen. Je nach Anwendung oder Einsatzbedingungen der funktionalisierten Oberflächenbereiche sind die Funktionspartikel aus wenigstens einer der nachfolgenden Stoffgruppen auszuwählen: oberflächenmodifizierte Silica-Nanopartikel, aus Kunststoff mit einer molekular geprägten Oberfläche bestehende Funktionspartikel, Elastomerpartikel und/oder Hydrogelpartikel. Die Tonerpartikel selbst bestehen zumindest teilweise aus einem Trockenlösungsmittel, der vorstehend bezeichneten Matrix, und verfügen über einen Durchmesser typischerweise zwischen 1 µm bis 50 µm. Für die Tonerpartikel eignen sich bevorzugt Polymere mit einem Schmelzpunkt kleiner 100°C, vorzugsweise kleiner 80°C.
  • Besonders eignen sich hierfür bei niedriger Temperatur schmelzende Polymere aus einer der Stoffgruppen Polybutylenterephthalat, Polyamid oder Polyethylen. Im Weiteren werden die mit Funktionspartikeln versehenen Tonerpartikel als funktionalisierte Tonerpartikel bezeichnet.
  • Die funktionalisierten Tonerpartikel werden nachfolgend auf ein Flächensubstrat aufgebracht und dies im Wege des Laserdruckverfahrens, bei dem die lokal an einer Fotowalze anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikel im Wege eines Rollendruckes auf lokale Oberflächenbereiche des Flächensubstrates übertragen werden. In Abhängigkeit der im Laserdruckverfahren speziell auftretenden elektrostatischen Bedingungen, die den Tonertransfer auf die belichtete Fotowalze und von der Fotowalze auf das Flächensubstrat zumindest unterstützen, werden den Tonerpartikeln bei ihrer Herstellung in gleicher Weise wie bei der Herstellung konventioneller Tonerpartikel Ladungssteuerungszusätze beigegeben. Schließlich erfolgt ein Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat bevorzugt im Wege einer Erwärmung und Aufschmelzung der funktionalisierten Tonerpartikel zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner. Weitere Möglichkeiten zur Fixierung der funktionalisierten Tonerpartikel sind das Ausüben von mechanischem Druck auf das Substrat, wodurch die Tonerpartikel in das Substrat eingewalzt werden, oder die Anwendung chemischer Lösungsmittel, welche die Tonerpartikel anlösen und nach dem Abtrocknen des Lösungsmittels zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner führen. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der verschiedenen Fixierverfahren möglich.
  • Abschließend erfolgt eine Nachbehandlung der auf dem Flächensubstrat fixierten, funktionalisierten Tonerpartikel, um zumindest einen Teil der sich im Toner befindlichen Funktionspartikel zumindest teilweise freizulegen. In bevorzugter Weise erfolgt die Nachbehandlung durch Zugabe eines chemischen Lösungsmittels.
  • In Abhängigkeit der gewählten Funktionspartikel lassen sich auf die vorstehend beschriebene Weise auf die Oberfläche eines Flächensubstrates kleinste Strukturen, sowohl flächige als auch dreidimensionale Strukturen aufdrucken, die über vielfältige jeweils anwenderspezifische, technisch funktionalisierte Eigenschaften verfügen. Durch die Laserdrucktechnik ist es möglich, die funktionalisierten Tonerpartikel in einer beliebigen räumlichen Anordnung auf der Oberfläche des Flächensubstrates abzuscheiden. Hiermit können räumliche Strukturen wie bspw. Punkte, Rechtecke oder Linien mit einer Ausdehnung von 100 µm und kleiner erzeugt werden. Überdies ermöglicht das Laserdruckverfahren die Ausbildung flächiger Abscheidungen aus funktionellem Toner mit einer flächig gleichmäßigen Verteilung der Funktionspartikel innerhalb des Toners. Letztere Eigenschaft spielt insbesondere in jenen Fällen eine entscheidende Rolle, in denen die Funktionspartikel zu sensorischen Zwecken, beispielsweise als Bio- oder Chemosensoren, eingesetzt werden, wie dies die weiteren Ausführungen noch zeigen werden.
  • Selbstverständlich können als Flächensubstrate sämtliche flächigen, flexiblen sowie auch flächensteifen Materialien eingesetzt werden, die für das Laserdruckverfahren geeignet sind, so beispielsweise Kunststofffolien, Glasscheiben, Scheiben aus Hartkunststoff, Gewebeflächen, Papiere um nur einige zu nennen. Üblicherweise können flexible Flächensubstrate mit einer Dicke bis zu ca. 0,5 mm mit konventionellen Laserdruckem bedruckt werden. Gilt es hingegen dickere Flächensubstrate oder gar flächensteife Flächensubstrate unter Ausnutzung der Laserdrucktechnik zu bedrucken, so bietet es sich an, eine in der DE 20 2005 018 237.0 beschriebene Vorrichtung zum Bedrucken flächensteifer Flächensubstrate einzusetzen.
  • Im Folgenden wird ein lösungsgemäßer Druckvorgang unter Bezugnahme auf in einer an sich bekannten Laserdruckeranordnung vorhandenen Komponenten beschrieben. Bei Verwendung eines konventionellen Laserdruckers wird ein mit funktionellen Tonerpartikeln zu bedruckendes Stück Papier, üblicherweise im Format DIN A 4, mittels eines Förderbandes an die Fotowalze eines Druckwerkes gefördert und über Gummi- oder Schaumstoffwalzen, die unter dem Förderband angeordnet sind, an die Fotowalze angedrückt. Die Vorschubgeschwindigkeit des zu bedruckenden Flächensubstrates ist an die Rotationsgeschwindigkeit der Fotowalze synchronisiert angepasst, so dass die Walze mit den strukturiert daran anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikeln schlupffrei auf dem zu bedruckendem Papier abrollt und der funktionalisierte Toner auf die Papieroberfläche übertragen wird. Gilt es auf ein und demselben Stück Papier mehrere unterschiedlich funktionalisierte Tonerarten abzuscheiden, so werden entsprechend viele Druckwerke mit entsprechenden Fotowalzen hintereinander längs des Förderbandes angeordnet.
  • Im drauffolgenden Schritt wird der auf der Papieroberfläche anhaftende funktionalisierte Toner angeschmolzen, wobei darauf zu achten ist, dass ein möglichst gleichmäßiges Verfließen des Toners unter dem Einfluss der Oberflächenspannung erfolgt, so dass sich eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Funktionspartikel innerhalb des verflüssigten Toners ergibt. Hierzu wird das Flächensubstrat, in diesem Fall also das Stück Papier, homogen auf eine definierte Temperatur für eine definierte Zeit erwärmt. Die hierzu erforderlichen genauen thermischen Bedingungen hängen von den jeweiligen Tonereigenschaften ab. Die Erwärmung des Flächensubstrats erfolgt bevorzugt in einem Ofen außerhalb des Druckers, da auf diese Weise eine gleichmäßige Erwärmung des Flächensubstrates einerseits sehr einfach möglich ist und andererseits dabei vermieden werden kann den Drucker selbst thermisch zu belasten. Selbstverständlich sind auch integrierte Heizungen denkbar, wobei in diesem Fall das Substrat vorzugsweise berührungslos, beispielsweise im Wege applizierter Strahlungswärme, z.B. durch IR-Strahler, zu erwärmen ist.
  • In einem nachfolgenden Behandlungsschritt wird der auf der Oberfläche des Flächensubstrates wiederverfestigte Toner einer chemischen Nachbehandlung unterworfen werden, bei der die Tonerhilfsstoffe, d.h. in erster Linie das Trockenlösungsmittel sowie gegebenenfalls vorhandene Ladungssteuerungszusätze entfernt und auf diese Weise die Funktionspartikel freigelegt werden. Ein derartiges Freilegen ist vorteilhaft, sofern die Funktionspartikel durch chemische oder biochemische Wechselwirkung mit anderen, sich in der Umgebung befindlichen Teilchen für einen entsprechend bestimmungsgemäßen Gebrauch der funktionalisierten Oberflächenbereiche reagieren sollen. Das Freilegen der zumeist als Nanoteilchen vorliegenden Funktionspartikel erfolgt vorzugsweise in Gegenwart eines chemischen Lösungsmittels, das das Trockenlösungsmittel bzw. die Matrix sowie gegebenenfalls vorhandene Hilfsstoffe des Toners auflösen und wegwaschen kann. Die Anhaftung der Funktionspartikel an der Oberfläche des Flächensubstrates gilt es dabei unbeeinträchtigt zu belassen, indem beispielsweise die zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche wirkenden Adhäsionskräfte möglichst unbeeinflusst und unbeschadet verbleiben. Alternativ oder in Kombination zu den zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche des Flächensubstrates wirkenden Adhäsionskräften können gleichwohl auch chemische Bindungen zwischen den Funktionspartikeln und der Oberfläche herrschen. Auch derartige chemische Bindungen sind bei einer entsprechenden Freilegung der Funktionspartikel möglichst unbeschadet zu belassen.
  • Insbesondere die Verwendung einer Druckvorrichtung, die, wie vorstehend bereits erwähnt, aus der DE 20 2005 018 237 U1 zu entnehmen ist, eröffnet die Möglichkeit einer Mehrfachdruckbeschichtung eines Flächenbereiches auf dem Flächensubstrat zur Ausbildung von Vielfachschichtsystemen, beispielsweise von dreidimensional strukturierten Funktionsschichten oder von Multilayerschichten, die aus einem vielschichtigen Aufbau bestehen, bei dem jede Schicht aus unterschiedlich funktionalisierten Tonerpartikeln gebildet wird. Hierzu bietet es sich an, flächensteife Flächensubstrate zu verwenden, um die reproduzierbare Positioniergenauigkeit des Substrats im Drucker zu ermöglichen, die für mehrere Druckdurchgänge auf ein und dasselbe Substrat erforderlich ist.
  • Im Weiteren werden konkrete Anwendungsbeispiele für das lösungsgemäße Verfahren beschrieben, mit dem die Herstellung kostengünstiger Biosensoren möglich wird.
  • Zur Herstellung sogenannter in vivo Diagnostik-Chips werden als Funktionspartikel Silika-Nanopartikel mit Durchmessern zwischen 50 nm bis 5 µm bereitgestellt, die an ihrer Oberfläche chemisch modifiziert werden, so beispielsweise unter Verwendung von Amino-, Thiol-, Epoxy-, Aldehyd- oder Carboxy-Gruppen. Die derart vorbehandelten Funktionspartikel werden in der vorstehend beschriebenen Weise Tonerpartikeln beigemengt. Die derartig funktionalisierten Tonerpartikel werden unter Verwendung des Laserdruckverfahrens auf eine Kunststofffolie oder einen Glasträger übertragen, wobei beispielsweise Partikelflächen mit der Größe 100µm x 100µm oder kleiner erzeugt werden. Der nach dem Druck- und Fixiervorgang auf das Substrat aufgebrachte wiederverfestigte Toner wird anschließend in der vorstehend beschriebenen Weise einer chemischen Nachbehandlung unterworfen. Hierbei wird die Oberfläche zumindest eines Teils der modifizierten Silika-Nanopartikel zumindest teilweise freigelegt. Anschließend werden die Funktionspartikel chemisch unter Beigabe von 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) aktiviert. Weiterhin werden Fängerstoffe, insbesondere Proteine, Antikörper, DNA, RNA oder andere Sondenstoffe gezielt auf die vorbehandelten Funktionspartikel aufgebracht, die an der Oberfläche der Funktionspartikel andocken.
  • Je nach Wahl der Fängermoleküle lassen sich somit biochemische Sensoroberflächen auf einem Flächensubstrat mit Hilfe der Laserdrucktechnik realisieren. Beispielsweise kann in einem einzigen Druckvorgang eine große Vielzahl einzelner, vorzugsweise arrayförmig auf dem Flächensubstrat angeordneter, Biosensorflächen hergestellt werden, die durch anschließende Dotierung mit unterschiedlichen Fängermolekülen zu Biosensoren für eine Vielzahl unterschiedlicher zu detektierender Substanzen werden.
  • Ebenso lassen sich die Silica-Nanopartikel an ihrer Oberfläche mit biofunktionellen Fragmenten von Proteinen modifizieren, welche als Erkennungssequenzen für die Adhäsion von Zellen dienen. Vorzugsweise werden die biofunktionellen Fragmente der Proteine aus einer der nachfolgenden Stoffgruppen ausgewählt: RGD und RGD-enthaltende Sequenzen, PHSRN und PHSRN-enthaltende Sequenzen (Fibronektin-Fragmente), YIGSR und YIGSR-enthaltende Sequenzen (Laminin-Fragment), FYFDLRLKGK und FYFDLRLKGK-enthaltende Sequenzen.
  • Auch lassen sich die Silica-Nanopartikel an ihrer Oberfläche mit Proteinen aus einer Extrazellulären Matrix modifizieren, welche Erkennungssequenzen für die Adhäsion von Zellen enthalten. Vorzugsweise werden die Proteine der Extrazellulären Matrix aus einer der Stoffgruppe Kollagen, Elastin, Fibronektin, Vitronektin, Laminin ausgewählt.
  • Ein weiteres Beispiel für den vorteilhaften Einsatz des lösungsgemäßen Verfahrens stellt die Herstellung von Teststreifen mit künstlichen Antikörpern für die Human-, Veterinär-, Lebensmittel- sowie auch Umweltdiagnostik dar. Ein besonders populäres Beispiel für derartige Teststreifen ist das weite Feld der Drogen- und Doping-Untersuchungen. In diesem Fall werden aus Kunststoff bestehende Funktionspartikel den Tonerpartikeln beigemengt, wobei der Kunststoff aus den nachfolgenden Stoffgruppen ausgewählt wird: Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamid, Methylmethacrylat, Vinylpyridin, Ethylstyrol, Vinylimidazol, Vinylpyrolidon, Ethylenglycoldimethacrylat, N'-Methylenbiacrylamid, Biphenol A, Divinylbenzol. Als Flächensubstrat dient vorzugsweise ein poröses Trägermaterial, beispielsweise eine über eine aufgeraute Oberfläche verfügende Kunststofffolie. Die Funktionspartikel verfügen über eine molekular geprägte Oberfläche (Molecular Imprinted Particles, MIP), die so strukturiert ist, dass spezifische organische Substanzen selektiv daran binden. Auch in diesem Fall wird nach dem Druck- und Fixiervorgang das im Toner befindliche Trockenlösungsmittel und weitere Hilfsstoffe von der bedruckten Oberfläche des Flächensubstrates entfernt, so dass die als Nanopartikel vorliegenden Funktionspartikel zumindest teilweise freigelegt sind, so dass eine stoffspezifische Anbindung von Substanzen an den jeweiligen Oberflächen der Funktionspartikel erfolgen kann.
  • Für den Nachweis unterschiedlicher Substanzen werden unterschiedliche Oberflächenprägungen der Funktionspartikel benötigt. Hierfür bietet das lösungsgemäße Verfahren die Möglichkeit innerhalb eines einzigen Fertigungsschrittes unter Verwendung einer Vielzahl entsprechender Druckwerke unterschiedlich funktionalisierte Tonerpartikel auf die jeweilige Substratoberfläche aufzudrucken. Beispielsweise können so an sich bekannte Teststreifen mit mehreren sensitiven Testfeldern hergestellt werden.
  • Ferner eignen sich auch Elastomerpartikel zum Zwecke der Funktionalisierung der Tonerpartikel. Besonders bevorzugte Elastomerpartikel sind aus den Stoffgruppen Polynitrilbutadien und funktionalisiertes Polynitrilbutadien (z.B. Carboxyfunktionalisiert), Polylacton-Copolymere oder Butylacrylat / Dimethyl-1,3-Isopropenylbenzyl-Isocyanate-Copolymere auszuwählen.
  • Auch der Einsatz von Hydrogelpartikeln zum Zwecke der Funktionalisierung der Tonerpartikel ist denkbar, so beispielsweise Hydrogelpartikel aus einer der Stoffgruppen: Polyethylenglycole, Poly(N-isopropylacrylamid), Polymethacrylsäure, Polyacrylsäure, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Dextran, Hyaluronsäure, Chitosan, Kollagen, oder Copolymeren aus den genannten Polymeren.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Herstellen lokaler, funktioneller Oberflächenbereiche auf einem Flächensubstrat, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte:
    - Bereitstellen von mit Funktionspartikeln, in Form von oberflächenmodifizierten Silica-Nanopartikeln und/oder aus Kunststoff mit einer molekular geprägten Oberfläche bestehenden Funktionspartikeln und/oder Elastomerpartikeln und/oder Hydrogelpartikeln, die einen mittleren Durchmesser von 50 nm bis 5 µm aufweisen, versehenen Tonerpartikel, die wenigstens aus einem Trockenlösungsmittel bestehen und über einen Durchmesser von 1 µm bis 50 µm verfügen, im Weiteren als funktionalisierte Tonerpartikel bezeichnet,
    - Aufbringen der funktionalisierten Tonerpartikel auf das Flächensubstrat im Wege eines Laserdruckverfahrens, bei dem die lokal an einer Fotowalze anhaftenden funktionalisierten Tonerpartikel im Wege eines Rollendruckes auf lokale Oberflächenbereiche des Flächensubstrats übertragen werden,
    - Fixieren der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat zur Ausbildung von lokalen Oberflächenbereichen aus wiederverfestigtem, funktionellem Toner, und
    - Nachbehandeln zumindest eines Teils des wiederverfestigten funktionellen Toners derart, dass zumindest ein Teil der sich im Toner befindlichen Funktionspartikel zumindest teilweise frei gelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Nachbehandlung durch Zugabe eines chemischen Lösungsmittels erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen, Aufbringen und Fixieren von funktionalisierten Tonerpartikeln wenigstens zweimal hintereinander auf ein und dem gleichen Flächensubstrat ausgeführt wird zur Herstellung mehrschichtiger funktioneller Oberflächenbereiche.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Silica-Nanopartikel an ihrer Oberfläche jeweils mit Amino-, Thiol-, Epoxy-, Aldehyd- oder Carboxy-Gruppen oder
    mit biofunktionellen Fragmenten von Proteinen modifiziert werden, welche als Erkennungssequenzen für die Adhäsion von Zellen dienen, modifiziert werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufbringen, Fixieren und Nachbehandeln der funktionalisierten Tonerpartikel auf dem Flächensubstrat die Silica-Nanopartikel chemisch aktiviert werden,
    dass die chemische Aktivierung mittels 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC) erfolgt, und
    dass Fängermoleküle gezielt auf die Silica-Nanopartikel aufgebracht werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Fängermoleküle Proteine, Antikörper, DNA, RNA verwendet werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die biofunktionellen Fragmente der Proteine aus einer der Stoffgruppen RGD und RGD-enthaltende Sequenzen, PHSRN und PHSRN-enthaltende Sequenzen (Fibronektin-Fragmente), YIGSR und YIGSR-enthaltende Sequenzen (Laminin-Fragment), FYFDLRLKGK und FYFDLRLKGK-enthaltende Sequenzen ausgewählt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Silica-Nanopartikel an ihrer Oberfläche mit Proteinen aus einer Extrazellulären Matrix modifiziert werden, welche Erkennungssequenzen für die Adhäsion von Zellen enthalten.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Proteine der Extrazellulären Matrix aus einer der Stoffgruppe Kollagen, Elastin, Fibronektin, Vitronektin, Laminin ausgewählt werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die aus Kunststoff bestehenden Funktionspartikel aus nachfolgender Stoffgruppe ausgewählt werden: Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamid, Methylmethacrylat, Vinylpyridin, Ethylstyrol, Vinylimidazol, Vinylpyrolidon, Ethylenglycoldimethacrylat, N'-Methylenbiacrylamid, Biphenol A, Divinylbenzol.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elastomerpartikel aus den Stoffgruppen Polynitrilbutadien und funktionalisiertes Polynitrilbutadien (z.B. Carboxyfunktionalisiert), Polylacton-Copolymere oder Butylacrylat / Dimethyl-1,3-Isopropenylbenzyl-Isocyanate-Copolymere ausgewählt werden.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Hydrogelpartikel aus einer der Stoffgruppen Polyethylenglycole, Poly(N-isopropylacrylamid), Polymethacrylsäure, Polyacrylsäure, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, Dextran, Hyaluronsäure, Chitosan, Kollagen, oder Copolymeren aus den genannten Polymeren ausgewählt werden.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Flächensubstrat eine Kunststofffolie oder ein Glasträger verwendet wird und die funktionalisierten Oberflächenbereiche als Sensoroberfläche für einen in vivo Diagnostikchip dienen.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedlich funktionalisierte Tonerpartikel auf einem Flächensubstrat nebeneinander aufgebracht werden, und dass das Flächensubstrat als Teststreifen ausgebildet wird zum Einsatz in der Human-, Veterinär-, Lebensmittel- oder Umweltdiagnostik.
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