EP4359165A1 - Laser-induzierter vorwärtstransfer (lift) mit angepasster dampfblase - Google Patents

Laser-induzierter vorwärtstransfer (lift) mit angepasster dampfblase

Info

Publication number
EP4359165A1
EP4359165A1 EP22736228.2A EP22736228A EP4359165A1 EP 4359165 A1 EP4359165 A1 EP 4359165A1 EP 22736228 A EP22736228 A EP 22736228A EP 4359165 A1 EP4359165 A1 EP 4359165A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
carrier
transfer
pulsed
focused laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22736228.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Richard Lensing
Nadine NOTTRODT
Arnold Gillner
Martin Wehner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP4359165A1 publication Critical patent/EP4359165A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/04—Coating on selected surface areas, e.g. using masks
    • C23C14/048—Coating on selected surface areas, e.g. using masks using irradiation by energy or particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/34—Laser welding for purposes other than joining
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation

Definitions

  • LIFT Laser-induced forward transfer
  • the present invention relates to a method for the laser-induced transfer of different materials, in which a pulsed, tunable laser beam source is used and the radiation energy is absorbed and a vapor bubble is formed directly in the transfer material.
  • a pulsed, tunable laser beam source is used and the radiation energy is absorbed and a vapor bubble is formed directly in the transfer material.
  • thin absorber layers are used to absorb the energy of a laser beam.
  • DRL dynamic release layers
  • the absorption of the radiation energy in the absorber layer between the carrier substrate and the transfer material results in focused local heating and the formation of a vapor bubble, which causes a jet of transfer material, resulting in a targeted transfer of transfer material and/or materials in the transfer material over a short distance between the transfer carrier and the transfer material Receiver carrier is enabled.
  • the absorption of the radiant energy locally destroys or damages the thin absorber layer between the carrier substrate and the transfer material, so that a repeated transfer from the same position is no longer possible.
  • particles released from the absorber layer can also be transferred and contaminate the printed material in the form of nanoparticles or larger fragments.
  • the presence of an absorber layer also reduces control over the generated vapor bubble geometry, since penetration of the laser radiation into the transfer material itself is prevented and the laser beam profile used is only insufficiently reflected in the geometry of the vapor bubble.
  • the absorber layer can be composed of different materials.
  • metallic absorber layers such as titanium, gold and silver
  • hot particles from the absorber layer can penetrate deep into the transfer material and create smaller additional vapor bubbles there, which have a negative effect on the transfer process.
  • the hot particles can also damage thermally sensitive materials.
  • hydrogels such as collagen and Matrigel
  • UV lasers with wavelengths below 200 nm are usually used. Due to the short wavelength of UV light, damage to the DNA can occur during the transfer process of biological materials.
  • the purity and integrity of the transferred material and precise control over the volumes of the transferred liquid droplets are particularly relevant.
  • the applications range from printing imperfection-free optical elements to the transfer of individual living cells in the field of cell sorting and tissue printing (tissue engineering).
  • the transfer of liquid quantities in the range from 10 fL to 7000 pL has been shown in the so-called laser-induced forward transfer (LIFT).
  • LIFT laser-induced forward transfer
  • different structures and layer thicknesses of the transfer material are required for different droplet sizes.
  • a precise adjustment of the droplet size over a large range as well as the expansion of the previously established process to smaller and larger amounts of liquid is of increasing importance for current applications of the technology.
  • the attempt to reduce the droplet volume is mainly driven by the increasing miniaturization of components.
  • An example of this is the gluing of the smallest components with high precision, in which individual drops of glue are to be transferred automatically and without contact.
  • New requirements for the maximum amount of liquid that can be transferred are made, for example, in Laser Assisted Bioprinting (LAB) for the construction of artificial tissues.
  • LAB Laser Assisted Bioprinting
  • the number of cells transferred per unit of time must be increased.
  • Precisely adjustable droplet sizes enable precise positioning of the required cell types and cell counts, while liquid quantities of over 7000 pL enable rapid area filling.
  • FF-LIFT film-free LIFT
  • Patrascioiu et al. Laser-generated liquid microjets. Correlation between bubble dynamics and liquid ejection, Microfluid Nanofluid, 2014, 16 (1-2), pp. 55-63) a method in which the laser radiation from below through the basin of the transfer material just below the surface is focused.
  • high fluences in the range of 10 12 W/cm 2 are required in order to convert sufficient energy of the laser radiation into the vapor bubble kinetics via non-linear absorption.
  • the transfer material is exposed outside of the focus, which can lead to undesirable aging processes in the case of photo-sensitive transfer materials.
  • Zhang et al. In the case of the in Zhang et al.
  • BA-LIFT blister actuated LIFT process
  • a polymer layer with a layer thickness of 1 to 10 ⁇ m is used instead of a metallic or organic absorber layer.
  • the vapor bubble that triggers the transfer does not form in the transfer material itself, but rather between the carrier and the polymer layer, with the latter being irreversibly deformed into a blister.
  • the momentum of the sudden expansion is passed on to the transfer material, where a jet is formed.
  • the jet formation is analogous to the usual LIFT process using a metallic or organic absorber layer to absorb the radiant energy.
  • the BA-LIFT process reduces or eliminates the risk of particle contamination from the absorber layer in the printed material, as the polymer layer separates the vapor bubble from the transfer material itself.
  • this strict separation also has the disadvantage that the possibility of controlling the transfer jet is severely restricted by complex vapor bubble geometries.
  • multiple printing at the same position is not possible due to the irreversible deformation of the polymer layer at the location of the laser focus. There is therefore a need for an improved method for laser-induced transfer of materials that allows contamination-free and precise transfer over a wide range of adjustable transfer volumes.
  • the present invention solves the problem on which it is based by the subject matter of the independent claims.
  • the present invention describes in particular a method in which a specific absorber layer can be dispensed with and the amount of material transferred from a transfer carrier to a receiver carrier can be set precisely and over a large range in a LIFT process.
  • the invention relates in particular to a method for laser-induced transfer of material comprising the steps: a) providing a transfer carrier comprising a carrier substrate transparent to laser radiation and a carrier material comprising the material to be transferred and a pulsed, tunable laser beam source, b) adjusting the properties of at least one pulsed, focused laser beam, c) emitting the at least one pulsed, focused laser beam through the carrier substrate into the carrier material, the at least one pulsed, focused laser beam having the properties set in step b) and leading to the formation of at least one vapor bubble in the carrier material, and d) transmission of the material to be transferred from the transfer medium to a receiver medium.
  • the method according to the invention is a LIFT method that is based on the use of a pulsed, tunable laser beam source and the setting of the properties of a pulsed focused laser beam used to transfer material from a transfer medium to a receiving medium, in particular its laser wavelength, Rayleigh length , Pulse length, pulse energy, focus position and/or laser beam profile, so that the targeted formation of a vapor bubble, in particular a vapor bubble with predetermined localization, dimensions and geometry, can be achieved directly in the carrier material, in particular in the volume of the carrier material, without a separate one Require absorber layer on the transfer carrier.
  • the method according to the invention is more economical, in particular less labor-intensive and cheaper, than LIFT methods in which a transfer carrier coated with an absorber layer is used to absorb the radiation energy.
  • the method also offers great flexibility in terms of setting the desired amount of material to be transferred.
  • the method according to the invention allows material to be transferred to be transferred several times in succession from the same position on the transfer carrier to a receiving carrier. This flexibility enables the user to use the method according to the invention in numerous technical fields of application.
  • the method can be used for bioprinting, such as cell sorting, organ printing and tissue engineering.
  • the method according to the invention also allows miniaturization in the targeted transfer of material, as is required, for example, for the precise positioning of the smallest drops of adhesive or the printing of micro-optics.
  • the transfer carrier has no absorber layer.
  • the carrier material additionally has at least one substance suitable for absorbing the pulsed laser beam.
  • the carrier material additionally has at least one substance suitable for absorbing the pulsed laser beam.
  • no other substance suitable for absorbing the pulsed laser beam is particularly preferably used in the method according to the invention.
  • the carrier substrate of the transfer carrier which is transparent to laser radiation, consists of glass, preferably of quartz.
  • the carrier material of the transfer carrier particularly preferably has a layer thickness of 1 to 500 ⁇ m, preferably 5 to 400 ⁇ m, preferably 10 to 300 ⁇ m, preferably 20 to 200 ⁇ m, preferably 30 to 150 ⁇ m, preferably 50 to 100 ⁇ m.
  • the carrier material of the transfer carrier preferably has a layer thickness of at most 500 ⁇ m, preferably at most 450 ⁇ m, preferably at most 400 ⁇ m, preferably at most 350 ⁇ m, preferably at most 300 ⁇ m, preferably at most 250 ⁇ m, preferably at most 200 ⁇ m, preferably at most 150 ⁇ m, preferably at most 100 ⁇ m, preferably at most 75 ⁇ m, preferably at most 50 ⁇ m.
  • the carrier material is a liquid or an aqueous gel.
  • the water-containing gel particularly preferably comprises at least one substance selected from the group consisting of gelatin, agarose, chitosan, matrigel, collagen and methyl cellulose.
  • the carrier material is a solid.
  • the pulsed, tunable laser beam source is a laser selected from the group of optical parametric oscillators (OPO), in particular an OPO that emits in the infrared spectral range.
  • OPO optical parametric oscillators
  • the pulsed, tunable laser beam source is particularly preferably an OPO with an emission in the range from 2 to 5 ⁇ m, preferably 2.5 to 4.5 ⁇ m, preferably 2.6 to 4.2 ⁇ m, preferably 2.7 to 3.9 ⁇ m, preferably 2.8 to 3.4 ⁇ m, preferably 2.9 to 3.0 ⁇ m, particularly preferably 2.94 ⁇ m.
  • the pulsed, tunable laser beam source is an OPO pumped by a laser source with 800 to 1400 nm, preferably 900 to 1200 nm, preferably 1000 to 1100 nm, particularly preferably 1064 nm.
  • the pulsed, tunable laser beam source is preferably an OPO, which is generated by a laser source with a pulse duration of at least 0.1 ns, preferably at least 0.5 ns, preferably at least 1 ns, preferably at least 5 ns, preferably at least 10 ns. preferably at least 20 ns, preferably at least 30 ns, preferably at least 40 ns.
  • the pulsed, tunable laser beam source is an OPO, which is emitted by a laser source with a pulse duration of at most 50 ns, preferably at most 45 ns, preferably at most 40 ns, preferably at most 35 ns, preferably at most 30 ns, preferably at most 25 ns, preferred at most 20 ns, preferably at most 15 ns, preferably at most 10 ns, preferably at most 5 ns, preferably at most 2 ns, preferably at most 1 ns.
  • the pulsed, tunable laser beam source is particularly preferably an OPO, which is generated by a laser source with a pulse duration of 0.1 to 50 ns, preferably 0.5 to 40 ns, preferably 1 to 30 ns, preferably 5 to 20 ns. is pumped.
  • the at least one pulsed, tunable laser beam source is a laser selected from the group of optical parametric oscillators (OPO) with an emission in the range from 2.7 to 3.9 ⁇ m, which is emitted by a laser source is pumped with a wavelength of 1000 to 1100 nm with a pulse duration of 0.1 to 50 ns.
  • OPO optical parametric oscillators
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) are selected from the group consisting of laser wavelength, Rayleigh length, pulse length, pulse energy, focal position and laser beam profile.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) are preferably at least two, preferably at least three, preferably at least four properties selected from the group consisting of laser wavelength, Rayleigh length, pulse length, pulse energy, focus position and laser beam profile.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the wavelength.
  • the wavelength set in step b) is preferably in the range from 2.5 to 3.5 ⁇ m, preferably from 2.75 to 3.25 ⁇ m.
  • the wavelength set in step b) is particularly preferably at most 5 ⁇ m, preferably at most 4.5 ⁇ m, preferably at most 4 ⁇ m, preferably at most 3.5 ⁇ m, preferably at most 3.25 ⁇ m, preferably at most 3 ⁇ m.
  • the wavelength set in step b) is at least 0.5 ⁇ m, preferably at least 1 ⁇ m, preferably at least 1.25 ⁇ m, preferably at least 1.5 ⁇ m, preferably at least 1.75 ⁇ m, preferably at least 2 ⁇ m, preferably at least 2.25 ⁇ m, preferably at least 2.5 ⁇ m.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the Rayleigh length.
  • the Rayleigh length set in step b) is particularly preferably in a range from 10 ⁇ m to 10 mm, preferably 100 ⁇ m to 10 mm, preferably 150 ⁇ m to 5 mm, preferably 200 ⁇ m to 1 mm, preferably 250 ⁇ m to 1 mm, preferably 500 ⁇ m to 1 mm.
  • the Rayleigh length set in step b) is at least 10 ⁇ m, preferably at least 50 ⁇ m, preferably at least 100 ⁇ m, preferably at least 150 ⁇ m, preferably at least 200 ⁇ m, preferably at least 250 ⁇ m, preferably at least 500 ⁇ m. preferably at least 1 mm.
  • the Rayleigh length set in step b) is at most 10 mm, preferably at most 8 mm, preferably at most 6 mm, preferably at most 4 mm, preferably at most 2 mm, preferably at most 1 mm, preferably at most 750 ⁇ m, preferably at most 500 ⁇ m, preferably at most 250 ⁇ m, preferably at most 200 ⁇ m, preferably at most 150 ⁇ m, preferably at most 100 ⁇ m, preferably at most 50 ⁇ m, preferably at most 25 ⁇ m.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the pulse length.
  • the pulse length set in step b) is preferably in the range from 1 fs to 500 ns, preferably 10 fs to 250 ns, preferably 50 fs to 100 ns, preferably 100 fs to 1 ns.
  • the pulse length set in step b) is particularly preferably in the range from 0.01 to 10 ns, preferably 0.05 to 5 ns, preferably 0.1 to 1 ns.
  • the pulse length set in step b) is at most 500 ns, preferably at most 250 ns, preferably at most 100 ns, preferably at most 50 ns, preferably at most 25 ns, preferably at most 10 ns, preferably at most 5 ns, preferably at most 2 .5 ns, preferably at most 1 ns.
  • the pulse length set in step b) is at most 500 ps, preferably at most 250 ps, preferably at most 100 ps, preferably at most 50 ps, preferably at most 25 ps, preferably at most 10 ps, preferably at most 5 ps, preferably at most 2.5 ps, preferably at most 1 ps.
  • the in is preferably Step b) set pulse length at most 500 fs, preferably at most 250 fs, preferably at most 100 fs, preferably at most 50 fs, preferably at most 25 fs, preferably at most 10 fs, preferably at most 5 fs.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the pulse energy.
  • the pulse energy set in step b) is 1 pj to 20 ⁇ J, preferably 1 pj to 15 ⁇ J, preferably 1 pj to 10 ⁇ J, preferably 1 pj to 5 ⁇ J, preferably 2 pj to 10 ⁇ J 2 ⁇ J to 5 ⁇ J, preferably 3 ⁇ J to 10 ⁇ J, preferably 3 ⁇ J to 5 ⁇ J, preferably 5 ⁇ J to 10 ⁇ J, preferably 6 ⁇ J to 10 ⁇ J, preferably 8 ⁇ J to 10 ⁇ J.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the focal position.
  • the focus of the pulsed focused laser beam set in step b) is preferably in the carrier material at a distance of at least 0.1 ⁇ m, preferably at least 0.25 ⁇ m, preferably at least 0.5 ⁇ m, preferably at least 1 ⁇ m, preferably at least 2 ⁇ m at least 3 ⁇ m, preferably at least 4 ⁇ m, preferably at least 5 ⁇ m, preferably at least 10 ⁇ m, preferably at least 15 ⁇ m, preferably at least 20 ⁇ m, preferably at least 25 ⁇ m, preferably at least 30 ⁇ m, preferably at least 35 ⁇ m, preferably at least 40 ⁇ m, preferably at least 45 ⁇ m, preferably at least 50 ⁇ m, away from the interface between carrier substrate and carrier material of the transfer carrier.
  • the properties of the at least one pulsed focused laser beam set in step b) include the diameter of the focal spot, in particular the diameter of the laser beam profile.
  • the diameter of the laser focal spot in particular the diameter of the laser beam profile, is 10 ⁇ m to 400 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 300 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, preferably 15 ⁇ m to 150 ⁇ m. preferably 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m to 90 ⁇ m, preferably 30 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 70 ⁇ m.
  • at least one pulsed focused laser beam is emitted in step c) in the form of at least one ultrashort pulse.
  • At least one pulsed focused laser beam is particularly preferably emitted in the form of at least one short pulse, in particular a short pulse with a pulse length of 0.1 to 50 ns, preferably 0.5 to 40 ns, preferably 1 to 30 ns 5 to 20 ns.
  • the at least one pulsed focused laser beam emitted in step c) has an oval beam profile.
  • the at least one pulsed, focused laser beam emitted in step c) particularly preferably has a circular beam profile.
  • the at least one pulsed focused laser beam emitted in step c) has an annular beam profile.
  • a toroidal vapor bubble can be generated in the transfer material by using a pulsed, focused laser beam with a ring-shaped beam profile.
  • At least two, preferably at least three, preferably at least four, pulsed focused laser beams are emitted in step c).
  • at least two, preferably at least three, preferably at least four, pulsed focused laser beams are emitted simultaneously.
  • At least two, preferably at least three, preferably at least four, pulsed, focused laser beams are emitted with a time offset, in particular at a distance of 5 ns to 100 ps, preferably 10 ns to 50 ps, preferably 10 ns to 10 ps.
  • At least two, preferably at least three, preferably at least four, pulsed, focused laser beams are emitted with a time offset at a distance of at least 5 ns, preferably at least 10 ns, preferably at least 20 ns, preferably at least 30 ns, preferably at least 40 ns, preferably at least 50 ns, preferably at least 100 ns, preferably at least 1 ps, preferably at least 2 ps, preferably at least 3 ps, preferably at least 4 ps, preferably at least 5 ps, preferably at least 10 ps, preferably at least 25 ps, preferably at least 50 ps.
  • multi-spot optics and/or diffractive beam splitters By using multi-spot optics and/or diffractive beam splitters, it is possible in this way to transmit the data to be transmitted at different points at the same time or at different times Material from the transfer carrier to a receiver carrier.
  • the arrangement of the individual pulsed, focused laser beams can be fixed or set flexibly by a spatial modulator (spatial light modulator, SLM).
  • the center of the vapor bubble formed in step c) is in the carrier material at a distance of at least 0.1 ⁇ m, preferably at least 0.25 ⁇ m, preferably at least 0.5 ⁇ m, preferably at least 1 ⁇ m at least 2 ⁇ m, preferably at least 3 ⁇ m, preferably at least 4 ⁇ m, preferably at least 5 ⁇ m, preferably at least 10 ⁇ m, preferably at least 15 ⁇ m, preferably at least 20 ⁇ m, preferably at least 25 ⁇ m, preferably at least 30 ⁇ m, preferably at least 35 ⁇ m, preferably at least 40 ⁇ m, preferably at least 45 ⁇ m, preferably at least 50 ⁇ m, away from the interface between the carrier substrate and
  • Carrier material of the transfer carrier is particularly preferably formed in the volume of the carrier material and not at the interface between the carrier substrate and the carrier material of the transfer carrier.
  • the vapor bubble formed in step c) in the carrier material, in particular in the volume of the carrier material, is particularly preferably a vapor bubble with a predetermined localization, dimensioning and geometry. It is thus possible with the aid of the method according to the invention, by a suitable choice of the properties of the laser beam emitted by the pulsed, tunable laser beam source, in particular by a suitable choice of the laser wavelength, Rayleigh length, pulse length, pulse energy, locus position and/or the laser beam profile, in the carrier material of the transfer carrier to form a vapor bubble in a targeted manner, which has a predetermined localization, dimensioning and geometry.
  • the formation of the jet in particular the jet volume, the jet length, the jet speed and/or the jet shape, and the associated quantity and speed of the material to be transferred from the transfer carrier to the receiver carrier can be controlled in a targeted manner.
  • the distance between the transfer carrier and the receiver carrier in step d) is 20 ⁇ m to 6000 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 5000 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 4000 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 3000 ⁇ m, preferably 20 ⁇ m to 2000 ⁇ m, preferably 25 ⁇ m to 1800 ⁇ m, preferably 30 ⁇ m to 1600 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m to 1400 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 1200 ⁇ m, preferably 60 ⁇ m to 1100 ⁇ m, preferably 70 ⁇ m to 1100 ⁇ m, preferably 80 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 90 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 100 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 200 ⁇ m to 900 ⁇ m, preferably 300 ⁇ m to 800 ⁇ m, preferably 400 ⁇ m to 800 ⁇ m.
  • the distance between the transfer carrier and the receiver carrier in step d) is preferably at least 20 ⁇ m, preferably at least 25 ⁇ m, preferably at least 50 ⁇ m, preferably at least 100 ⁇ m, preferably at least 200 ⁇ m, preferably at least 250 ⁇ m, preferably at least 500 ⁇ m, preferably at least 750 ⁇ m, preferably at least 1000 ⁇ m, preferably at least 1500 ⁇ m, preferably at least 2000 mm, preferably at least 3000 ⁇ m, preferably at least 4000 ⁇ m, preferably at least 5000 ⁇ m.
  • the distance between the transfer carrier and the receiver carrier in step d) is at most 6000 ⁇ m, preferably at most 5000 ⁇ m, preferably at most 4000 ⁇ m, preferably at most 3000 ⁇ m, preferably at most 2500 ⁇ m, preferably at most 2000 ⁇ m, preferably at most 1750 ⁇ m, preferably at most 1500 ⁇ m, preferably at most 1250 ⁇ m, preferably at most 1000 ⁇ m, preferably at most 750 ⁇ m, preferably at most 500 ⁇ m, preferably at most 250 ⁇ m, preferably at most 100 ⁇ m.
  • the subject matter of the present invention is also a device for laser-induced transfer of material, comprising: an optical system comprising a pulsed, tunable laser beam source and a holder for receiving a transfer carrier. wherein the laser wavelength, Rayleigh length, pulse length, pulse energy, focus position and/or the laser beam profile of at least one pulsed focused laser beam emitted by the laser beam source can be set in the device.
  • the device for laser-induced transfer of material is a device for carrying out the method according to the invention.
  • the present invention also relates to the use of a pulsed, focused laser beam with a set laser wavelength, Rayleigh length, pulse length, pulse energy, focus position and laser beam profile in a LIFT method for forming at least one vapor bubble with defined localization, dimensions and geometry in a carrier material of a transfer carrier, in particular in the volume the carrier material of a transfer carrier.
  • the terms “comprising” and “having” mean that in addition to the elements explicitly covered by these terms, other elements that are not explicitly mentioned can also occur. In connection with the present invention, these terms also mean that only the elements explicitly mentioned are covered and no further elements are present. In this particular embodiment, the meaning of the terms “comprising” and “comprising” is synonymous with the term “consisting of”. In addition, the terms “comprising” and “having” also include compositions that, in addition to the elements explicitly mentioned, also contain other elements that are not mentioned, but which are of a functionally and qualitatively subordinate nature. In this embodiment, the terms “comprising” and “comprising” are synonymous with the term “consisting essentially of”.
  • the first and second decimal place or the second decimal place are/is not specified, they are/is to be set as 0.
  • an absorber such as that required in the AFA-LIFT or BA-FIFT can advantageously be dispensed with. It was shown that biological material can be reliably transferred from a transfer carrier to a receiver carrier using the method according to the invention and that mammalian cells transferred in this way have a significantly higher survival rate during the transfer than with AFA-LIFT with a wavelength of 355 nm and a titanium absorber layer.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-induzierten Übertragung verschiedener Materialien, bei dem eine gepulste, durchstimmbare Laserstrahlquelle verwendet wird und eine Absorption der Strahlungsenergie und Ausbildung einer Dampfblase direkt im Transfermaterial erfolgt. Auf diese Weise wird eine präzise regulierbare Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie der im Trägermaterial erzeugten Dampfblase ermöglicht, wodurch eine präzise verunreinigungsfreie Übertragung definierter Volumina an zu übertragenden Materialien von einem Transferträger auf einen Empfängerträger erzielt werden kann.

Description

BESCHREIBUNG
Laser-induzierter Vorwärtstransfer (LIFT) mit angepasster Dampfblase
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laser-induzierten Übertragung verschiedener Materialien, bei dem eine gepulste, durchstimmbare Laserstrahlquelle verwendet wird und eine Absorption der Strahlungsenergie und Ausbildung einer Dampfblase direkt im Transfermaterial erfolgt. Auf diese Weise wird eine präzise regulierbare Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie der im Trägermaterial erzeugten Dampfblase ermöglicht, wodurch eine präzise verunreinigungsfreie Übertragung definierter Volumina an zu übertragenden Materialien von einem Transferträger auf einen Empfängerträger erzielt werden kann.
Beim Laser-induzierten Drucken von flüssigen Materialien werden dünne Absorberschichten, sogenannte „dynamic release layer“ (DRL) verwendet, um die Energie eines Laserstrahls zu absorbieren. Durch die Absorption der Strahlungsenergie in der Absorberschicht zwischen Trägersubstrat und Transfermaterial kommt es zur fokussierten lokalen Erhitzung und Ausbildung einer Dampfblase, die einen Jet aus Transfermaterial bewirkt, wodurch ein gezielter Transfer von Transfermaterial und/oder im Transfermaterial befindlichen Materialien über eine kurze Distanz zwischen Transferträger und Empfängerträger ermöglicht wird. Durch die Absorption der Strahlungsenergie wird die dünne Absorberschicht zwischen Trägersubstrat und Transfermaterial lokal zerstört oder beschädigt, sodass ein wiederholter Transfer von derselben Position nicht mehr möglich ist. Zudem können aus der Absorberschicht gelöste Partikel mitübertragen werden und in Form von Nanopartikeln oder größeren Fragmenten das gedruckte Material verunreinigen. Auch reduziert das Vorliegen einer Absorber Schicht die Kontrolle über die erzeugte Dampfblasengeometrie, da ein Eindringen der Laserstrahlung in das Transfermaterial selbst verhindert wird und das verwendete Laserstrahlprofil sich nur unzureichend in der Geometrie der Dampfblase widerspiegelt.
Die Absorberschicht kann aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein. Bei metallischen Absorber schichten wie Titan, Gold und Silber wurde gezeigt, dass heiße Partikel der Absorber Schicht tief in das Transfermaterial Vordringen können und dort kleinere zusätzliche Dampfblasen erzeugen, die den Transferprozess negativ beeinflussen. Auch kann es durch die heißen Partikel zu einer Schädigung von thermisch sensiblen Materialien kommen. Bei der Verwendung von Hydrogelen, wie Kollagen und Matrigel, als Absorberschicht werden für gewöhnlich UV-Laser mit Wellenlängen unterhalb von 200 nm eingesetzt. Durch die geringe Wellenlänge von UV-Licht kann es nachteiliger Weise während des Übertragungsprozesses von biologischen Materialien zur Schädigung der DNA kommen.
Im Bereich des zweidimensionalen (2D) und dreidimensionalen (3D) Drucks von flüssigen Materialien ist neben der Positionierungsgenauigkeit und Übertragungsrate insbesondere die Reinheit und Unversehrtheit des übertragenen Materials sowie eine präzise Kontrolle über die Volumina der übertragenen Flüssigkeitstropfen relevant. Bezüglich der Reinheitsanforderungen reichen die Anwendungen vom Drucken störstellenfreier optischer Elemente bis hin zum Transfer einzelner lebender Zellen im Bereich der Zellsortierung und des Gewebedrucks (Tissue Engineering). Bezüglich der Flüssigkeitsvolumina ist im sogenannten Laser-induzierten Vorwärtstransfer (LIFT) bisher die Übertragung von Flüssigkeitsmengen im Bereich von 10 fL bis 7000 pL gezeigt worden. Allerdings werden für verschiedene Tropfengrößen auch unterschiedliche Aufbauten und Schichtdicken des Transfermaterials benötigt. Eine präzise Einsteilbarkeit der Tropfengröße über einen großen Bereich sowie die Erweiterung des bisher etablierten Prozesses zu kleineren und größeren Flüssigkeitsmengen ist für aktuelle Anwendungen der Technologie von zunehmender Bedeutung. Das Bestreben nach einer Verringerung der Tropfenvolumina ist dabei hauptsächlich durch die zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen getrieben. Ein Beispiel dafür ist das Kleben von kleinsten Bauteilen mit hoher Präzision, bei dem einzelne Tropfen an Klebstoff kontaktfrei und automatisiert übertragen werden sollen. Neue Anforderungen an die maximal übertragbare Flüssigkeitsmenge werden beispielsweise im Laser Assisted Bioprinting (LAB) für den Aufbau von künstlichen Geweben gestellt. Um zunehmend größere Gewebe drucken zu können, muss die pro Zeiteinheit übertragene Anzahl an Zellen erhöht werden. Präzise einstellbare Tropfengrößen ermöglichen dabei die präzise Positionierung der benötigten Zelltypen und Zellzahlen, während Flüssigkeitsmengen über 7000 pL eine schnelle Flächenfüllung ermöglichen.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Ansätze zur Vermeidung einer Absorber Schicht für den Laser-induzierten Transfer von Materialien bekannt. Ein Ansatz basiert auf dem Transfer aus einem Volumenbecken, auch film-free LIFT (FF-LIFT) genannt. Zhang et al. (, Sacrificial-layer free transfer of mammalian cells using near infrared femtosecond laser pulses, PloS one, 2018, 13 (5)) beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Laser-induzierter Zelltransfer dadurch erreicht wird, dass Laserstrahlung durch den Empfangsträger und das Biomaterial hindurch in der tieferliegenden Flüssigkeit fokussiert wird. Als Laserstrahlquelle wird ein Yb:KYW-Laser mit einer Wellenlänge von 1030 nm eingesetzt und eine maximale Pulsenergie von 10 m J bei 450 fs Pulsdauer verwendet. In einem alternativen Ansatz beschreibt Patrascioiu et al. ( Laser-generated liquid microjets. Correlation between bubble dynamics and liquid ejection, Microfluid Nanofluid, 2014, 16 (1-2), S. 55-63) ein Verfahren, bei dem die Laserstrahlung von unten durch das Becken des Transfermaterials knapp unter der Oberfläche fokussiert wird. Bei den vorgenannten Verfahren aus dem Stand der Technik werden hohe Fluenzen im Bereich von 1012 W/cm2 benötigt, um über nicht-lineare Absorption ausreichend Energie der Laserstrahlung in die Dampfblasenkinetik umzusetzen. Des Weiteren kommt es zu einer Belichtung des Transfermaterials außerhalb des Fokus, was bei fotosensiblen Transfermaterialien zu unerwünschten Alterungsprozessen führen kann. Im Falle von dem in Zhang et al. beschriebenen Verfahren können einzelne bereits übertragene Flüssigkeitstropfen das Strahlprofil beeinträchtigen, da sie aufgrund des gewählten Strahlengangs bei weiteren Übertragungsvorgängen im Strahlengang selbst liegen können und je nach Brechungsindex des Transfermaterials wie eine Linse wirken. Bei dem von Patrascioiu et al. beschriebenen Verfahren liegt durch die Tiefe des Beckens ein großes Totvolumen vor, das für den Transfer nicht genutzt werden kann.
Ein weiterer Ansatz zur Laser-induzierten Übertragung von Materialien ist das sogenannte „blister actuated“ LIFT- Verfahren (BA-LIFT). Bei diesem Verfahren wird anstelle einer metallischen oder organischen Absorberschicht eine Polymerschicht mit einer Schichtdicke von 1 bis 10 μm verwendet. Dabei bildet sich die den Transfer auslösende Dampfblase nicht im Transfermaterial selbst, sondern zwischen Träger und Polymerschicht, wobei letztere irreversibel zu einem Blister verformt wird. Der Impuls der schlagartigen Ausdehnung wird an das Transfermaterial weitergegeben, wo sich ein Jet ausbildet. Dabei verläuft die Jet- Ausbildung analog zum gewöhnlichen LIFT- Verfahren unter Verwendung einer metallischen oder organischen Absorberschicht zur Absorption der Strahlungsenergie. Das BA-LIFT-Verfahren verringert oder umgeht die Gefahr von Verunreinigungen durch Partikel aus der Absorber Schicht im gedruckten Material, da die Polymerschicht die Dampfblase vom Transfermaterial selbst trennt. Diese strikte Trennung hat allerdings auch den Nachteil, dass die Möglichkeit einer Kontrolle des Transferjets durch komplexe Dampfblasengeometrien stark eingeschränkt ist. Zudem ist ein mehrfaches Drucken an derselben Position durch die irreversible Verformung der Polymerschicht am Ort der Laserfokus sierung nicht möglich. Es besteht daher der Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur Laser-induzierten Übertragung von Materialien, das eine Verunreinigung sfreie und präzise Übertragung über einen großen Bereich einstellbarer Transfervolumina erlaubt.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundeliegende Problem durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
Dabei beschreibt die vorliegende Erfindung insbesondere ein Verfahren, bei dem auf eine spezifische Absorberschicht verzichtet werden kann und die von einem Transferträger auf einen Empfängerträger übertragene Materialmenge in einem LIFT-Prozess präzise und über einen großen Bereich eingestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Laser-induzierten Übertragung von Material umfassend die Schritte: a) Bereitstellung eines Transferträgers umfassend ein für Laserstrahlung durchlässiges Trägersubstrat und ein das zu übertragende Material umfassendes Trägermaterial sowie einer gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle, b) Einstellung der Eigenschaften mindestens eines gepulsten fokussierten Laserstrahls, c) Emittierung des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls durch das Trägersubstrat in das Trägermaterial, wobei der mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften aufweist und in dem Trägermaterial zur Ausbildung mindestens einer Dampfblase führt, und d) Übertragung des zu übertragenden Materials vom Transferträger auf einen Empfängerträger.
Demnach handelt es sich bei dem erfindungsgemäße Verfahren um ein LIFT- Verfahren, das auf der Verwendung einer gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle und der Einstellung der zur Übertragung von Material von einem Transferträger auf einen Empfangsträger verwendeten Eigenschaften eines gepulsten fokussierten Laserstrahls basiert, insbesondere dessen Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und/oder Laserstrahlprofil, sodass die gezielte Ausbildung einer Dampfblase, insbesondere einer Dampfblase mit vorbestimmter Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie, direkt im Trägermaterial, insbesondere im Volumen des Trägermaterials, erzielt werden kann ohne dafür eine separate Absorber Schicht auf dem Transferträger zu benötigen. Auf diese Weise kann eine höhere Qualität der Druckerzeugnisse, insbesondere eine verunreinigungsfreie Übertragung von Material zwischen einem Transferträger und einem Empfängerträger, bewerkstellig werden. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren ökonomischer, insbesondere weniger arbeitsaufwendig und günstiger, als LIFT- Verfahren bei denen ein mit einer Absorberschicht beschichteter Transferträger zur Absorption der Strahlungsenergie verwendet wird. Das Verfahren bietet ferner eine große Flexibilität in Bezug auf die Einsteilbarkeit der gewünschten zu übertragenden Materialmenge. Zusätzlich erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren durch die Möglichkeit des Verzichts auf eine Absorberschicht, zu übertragendes Material mehrmals hintereinander von derselben Position auf dem Transferträger auf einen Empfangsträger zu übertragen. Durch diese Flexibilität wird dem Nutzer die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in zahlreichen technischen Anwendungsgebieten ermöglicht. So kann das Verfahren zum Bioprinting eingesetzt werden, wie beispielsweise zur Zellsortierung, zum Organprinting und zum Tissue Engineering. Auch erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Miniaturisierung bei der gezielten Materialübertragung, wie sie beispielsweise für die präzise Positionierung von kleinsten Klebstofftropfen oder das Drucken von Mikrooptiken erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Transferträger keine Absorber Schicht auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Trägermaterial zusätzlich mindestens eine zur Absorption des gepulsten Laserstrahls geeignete Substanz auf. Besonders bevorzugt wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren neben dem Trägermaterial selbst keine weitere zur Absorption des gepulsten Laserstrahls geeignete Substanz eingesetzt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das für Laserstrahlung durchlässige Trägersubstrat des Transferträgers aus Glas, bevorzugt aus Quarz.
Besonders bevorzugt weist das Trägermaterial des Transferträgers eine Schichtdicke von 1 bis 500 μm , bevorzugt 5 bis 400 μm , bevorzugt 10 bis 300 μm , bevorzugt 20 bis 200 μm , bevorzugt 30 bis 150 μm , bevorzugt 50 bis 100 μm , auf. Bevorzugt weist das Trägermaterial des Transferträgers eine Schichtdicke von höchstens 500 μm , bevorzugt höchstens 450 μm , bevorzugt höchstens 400 μm , bevorzugt höchstens 350 μm , bevorzugt höchstens 300 μm , bevorzugt höchstens 250 μm , bevorzugt höchstens 200 μm , bevorzugt höchstens 150 μm , bevorzugt höchstens 100 μm , bevorzugt höchstens 75 μm , bevorzugt höchstens 50 μm , auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Trägermaterial um eine Flüssigkeit oder ein wasserhaltiges Gel.
Besonders bevorzugt umfasst das wasserhaltige Gel mindestens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gelatine, Agarose, Chitosan, Matrigel, Kollagen und Methylzellulose.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Trägermaterial um einen Feststoff.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen Laser ausgewählt aus der Gruppe der optisch-parametrischen Oszillatoren (OPO), insbesondere um einen OPO, der im infraroten Spektralbereich emittiert.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen OPO mit einer Emission im Bereich von 2 bis 5 μm , bevorzugt 2,5 bis 4,5 p m, bevorzugt 2,6 bis 4,2 μm , bevorzugt 2,7 bis 3,9 μm , bevorzugt 2,8 bis 3,4 μm , bevorzugt 2,9 bis 3,0 μm , besonders bevorzugt 2,94 μm .
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen OPO, der von einer Laserquelle mit 800 bis 1400 nm, bevorzugt 900 bis 1200 nm, bevorzugt 1000 bis 1100 nm, besonders bevorzugt 1064 nm, gepumpt wird.
Bevorzugt handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen OPO, der von einer Laserquelle bei einer Pulsdauer von mindestens 0,1 ns, bevorzugt mindestens 0,5 ns, bevorzugt mindestens 1 ns, bevorzugt mindestens 5 ns, bevorzugt mindestens 10 ns, bevorzugt mindestens 20 ns, bevorzugt mindestens 30 ns, bevorzugt mindestens 40 ns, gepumpt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen OPO, der von einer Laserquelle bei einer Pulsdauer von höchstens 50 ns, bevorzugt höchstens 45 ns, bevorzugt höchstens 40 ns, bevorzugt höchstens 35 ns, bevorzugt höchstens 30 ns, bevorzugt höchstens 25 ns, bevorzugt höchstens 20 ns, bevorzugte höchstens 15 ns, bevorzugt höchstens 10 ns, bevorzugt höchstens 5 ns, bevorzugt höchstens 2 ns, bevorzugt höchstens 1 ns, gepumpt wird.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen OPO, der von einer Laserquelle bei einer Pulsdauer von 0,1 bis 50 ns, bevorzugt 0,5 bis 40 ns, bevorzugt 1 bis 30 ns, bevorzugt 5 bis 20 ns, gepumpt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der mindestens einen gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle um einen Laser ausgewählt aus der Gruppe der optisch-parametrischen Oszillatoren (OPO) mit einer Emission im Bereich von 2,7 bis 3,9 μm , der von einer Laserquelle mit einer Wellenlänge von 1000 bis 1100 nm bei einer Pulsdauer von 0,1 bis 50 ns gepumpt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil.
Bevorzugt sind die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, Eigenschaften ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls die Wellenlänge.
Bevorzugt liegt die in Schritt b) eingestellte Wellenlänge im Bereich von 2,5 bis 3,5 μm , bevorzugt 2,75 bis 3,25 μm .
Besonders bevorzugt beträgt die in Schritt b) eingestellte Wellenlänge höchstens 5 μm , bevorzugt höchstens 4,5 μm , bevorzugt höchstens 4 μm , bevorzugt höchstens 3,5 μm , bevorzugt höchstens 3,25 μm , bevorzugt höchstens 3 μm . Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die in Schritt b) eingestellte Wellenlänge mindestens 0,5 μm , bevorzugt mindestens 1 μm , bevorzugt mindestens 1,25 μm , bevorzugt mindestens 1,5 μm , bevorzugt mindestens 1,75 μm , bevorzugt mindestens 2 μm , bevorzugt mindestens 2,25 μm , bevorzugt mindestens 2,5 μm . Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls die Rayleighlänge.
Besonders bevorzugt liegt die in Schritt b) eingestellte Rayleighlänge in einem Bereich von 10 μm bis 10 mm, bevorzugt 100 μm bis 10 mm, bevorzugt 150 μm bis 5 mm, bevorzugt 200 μm bis 1 mm, bevorzugt 250 μm bis 1 mm, bevorzugt 500 μm bis 1 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die in Schritt b) eingestellte Rayleighlänge bei mindestens 10 μm , bevorzugt mindestens 50 μm , bevorzugt mindestens 100 μm , bevorzugt mindestens 150 μm , bevorzugt mindestens 200 μm , bevorzugt mindestens 250 μm , bevorzugt mindestens 500 μm , bevorzugt mindestens 1 mm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die in Schritt b) eingestellte Rayleighlänge bei höchstens 10 mm, bevorzugt höchstens 8 mm, bevorzugt höchstens 6 mm, bevorzugt höchstens 4 mm, bevorzugt höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 750 μm , bevorzugt höchstens 500 μm , bevorzugt höchstens 250 μm , bevorzugt höchstens 200 μm , bevorzugt höchstens 150 μm , bevorzugt höchstens 100 μm , bevorzugt höchstens 50 μm , bevorzugt höchstens 25 μm .
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls die Pulslänge.
Bevorzugt liegt die in Schritt b) eingestellte Pulslänge im Bereich von 1 fs bis 500 ns, bevorzugt 10 fs bis 250 ns, bevorzugt 50 fs bis 100 ns, bevorzugt 100 fs bis 1 ns. Besonders bevorzugt liegt die in Schritt b) eingestellte Pulslänge im Bereich von 0.01 bis 10 ns, bevorzugt 0.05 bis 5 ns, bevorzugt 0.1 bis 1 ns.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt die in Schritt b) eingestellte Pulslänge höchstens 500 ns, bevorzugt höchstens 250 ns, bevorzugt höchstens 100 ns, bevorzugt höchstens 50 ns, bevorzugt höchstens 25 ns, bevorzugt höchstens 10 ns, bevorzugt höchstens 5 ns, bevorzugt höchstens 2,5 ns, bevorzugt höchstens 1 ns.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die in Schritt b) eingestellte Pulslänge höchstens 500 ps, bevorzugt höchstens 250 ps, bevorzugt höchstens 100 ps, bevorzugt höchstens 50 ps, bevorzugt höchstens 25 ps, bevorzugt höchstens 10 ps, bevorzugt höchstens 5 ps, bevorzugt höchstens 2,5 ps, bevorzugt höchstens 1 ps. Bevorzugt beträgt die in Schritt b) eingestellte Pulslänge höchstens 500 fs, bevorzugt höchstens 250 fs, bevorzugt höchstens 100 fs, bevorzugt höchstens 50 fs, bevorzugt höchstens 25 fs, bevorzugt höchstens 10 fs, bevorzugt höchstens 5 fs.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls die Pulsenergie.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die in Schritt b) eingestellte Pulsenergie 1 pj bis 20 μJ, bevorzugt 1 pj bis 15 μJ, bevorzugt 1 pj bis 10 μJ, bevorzugt 1 pj bis 5 μJ, bevorzugt 2 pj bis 10 μJ, bevorzugt 2 pj bis 5 μJ, bevorzugt 3 μJ bis 10 pj, bevorzugt 3 μJ bis 5 μJ, bevorzugt 5 μJ bis 10 μJ, bevorzugt 6 μJ bis 10 μJ, bevorzugt 8 μJ bis 10 μJ.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls die Fokuslage.
Bevorzugt liegt der in Schritt b) eingestellte Fokus des gepulsten fokussierten Laserstrahls im Trägermaterial in einem Abstand von mindestens 0,1 μm , bevorzugt mindestens 0,25 μm , bevorzugt mindestens 0,5 μm , bevorzugt mindestens 1 μm , bevorzugt mindestens 2 μm , bevorzugt mindestens 3 μm , bevorzugt mindestens 4 μm , bevorzugt mindestens 5 μm , bevorzugt mindestens 10 μm , bevorzugt mindestens 15 μm , bevorzugt mindestens 20 μm , bevorzugt mindestens 25 μm , bevorzugt mindestens 30 μm , bevorzugt mindestens 35 μm , bevorzugt mindestens 40 μm , bevorzugt mindestens 45 μm , bevorzugt mindestens 50 μm , entfernt von der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und Trägermaterial des Transferträgers.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls den Durchmesser des Brennflecks, insbesondere den Durchmesser des Laserstrahlprofils.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Durchmesser des Laserbrennflecks, insbesondere der Durchmesser des Laserstrahlprofils, 10 μm bis 400 μm , bevorzugt 10 μm bis 300 μm , bevorzugt 10 μm bis 250 μm , bevorzugt 10 μm bis 200 μm , bevorzugt 15 μm bis 150 μm , bevorzugt 20 μm bis 100 μm , bevorzugt 25 μm bis 90 μm , bevorzugt 30 μm bis 80 μm , bevorzugt 40 μm bis 80 μm , bevorzugt 50 μm bis 70 μm . In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in Schritt c) die Abgabe mindestens eines gepulsten fokussierten Laserstrahls in der Form mindestens eines Ultrakurzpulses.
Besonders bevorzugt erfolgt in Schritt c) die Abgabe mindestens eines gepulsten fokussierten Laserstrahls in der Form mindestens eines Kurzpulses, insbesondere eines Kurzpulses mit einer Pulslänge von 0,1 bis 50 ns, bevorzugt 0,5 bis 40 ns, bevorzugt 1 bis 30 ns, bevorzugt 5 bis 20 ns.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der in Schritt c) abgegebene mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl ein ovales Strahlprofil auf. Besonders bevorzugt weist der in Schritt c) abgegebene mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl ein kreisrundes Strahlprofil auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der in Schritt c) abgegebene mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl ein ringförmiges Strahlprofil auf. Durch die Verwendung eines gepulsten fokussierten Laserstrahls mit einem ringförmigen Strahlprofil kann im Transfermaterial eine toroide Dampfblase erzeugt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt in Schritt c) die Abgabe von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, gepulsten fokussierten Laserstrahlen. Bevorzugt erfolgt die Abgabe von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, gepulsten fokussierten Laserstrahlen zeitgleich.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Abgabe von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, gepulsten fokussierten Laserstrahlen zeitlich versetzt, insbesondere in einem Abstand von 5 ns bis 100 ps, bevorzugt 10 ns bis 50 ps, bevorzugt 10 ns bis 10 ps.
Besonders bevorzugt erfolgt die Abgabe von mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, bevorzugt mindestens vier, gepulsten fokussierten Laserstrahlen zeitlich versetzt in einem Abstand von mindestens 5 ns, bevorzugt mindestens 10 ns, bevorzugt mindestens 20 ns, bevorzugt mindestens 30 ns, bevorzugt mindestens 40 ns, bevorzugt mindestens 50 ns, bevorzugt mindestens 100 ns, bevorzugt mindestens 1 ps, bevorzugt mindestens 2 ps, bevorzugt mindestens 3 ps, bevorzugt mindestens 4 ps, bevorzugt mindestens 5 ps, bevorzugt mindestens 10 ps, bevorzugt mindestens 25 ps, bevorzugt mindestens 50 ps.
Durch den Einsatz einer Multispot-Optik und/oder diffraktive Strahlteiler kann auf diese Weise an unterschiedlichen Stellen zeitgleich oder zeitlich versetzt eine Übertragung des zu übertragenden Materials vom Transferträger auf einen Empfängerträger erfolgen. Dabei kann die Anordnung der einzelnen gepulsten fokussierten Laserstrahlen fest vorgegeben sein oder durch einen räumlichen Modulator (spatial light modulator, SLM) flexibel eingestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt das Zentrum der in Schritt c) ausgebildeten Dampfblase im Trägermaterial in einem Abstand von mindestens 0,1 μm , bevorzugt mindestens 0,25 μm , bevorzugt mindestens 0,5 μm , bevorzugt mindestens 1 μm , bevorzugt mindestens 2 μm , bevorzugt mindestens 3 μm , bevorzugt mindestens 4 μm , bevorzugt mindestens 5 μm , bevorzugt mindestens 10 μm , bevorzugt mindestens 15 μm , bevorzugt mindestens 20 μm , bevorzugt mindestens 25 μm , bevorzugt mindestens 30 μm , bevorzugt mindestens 35 μm , bevorzugt mindestens 40 μm , bevorzugt mindestens 45 μm , bevorzugt mindestens 50 μm , entfernt von der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und
Trägermaterial des Transferträgers. Besonders bevorzugt wird die Dampfblase im Volumen des Trägermaterials und nicht an der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und Trägermaterial des Transferträgers ausgebildet. Somit kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer gezielten Volumendisposition im Trägermaterial des Transferträgers.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der im Schritt c) im Trägermaterial, insbesondere im Volumen des Trägermaterials, ausgebildeten Dampfblase um eine Dampfblase mit vorbestimmter Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie. So ist es durch mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, durch eine geeignete Wahl der Eigenschaften des von der gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls, insbesondere durch eine geeignete Wahl der Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Lokuslage und/oder des Laserstrahlprofils, im Trägermaterial des Transferträgers gezielt eine Dampfblase auszubilden, die eine vorbestimmte Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise die Jetbildung, insbesondere das Jetvolumen, die Jetlänge, die Jetgeschwindigkeit und/oder Jetform, und damit verbunden die Menge und Geschwindigkeit des vom Transferträger auf den Empfängerträger zu übertragenden Materials gezielt gesteuert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Distanz zwischen dem Transferträger und dem Empfängerträger in Schritt d) 20 μm bis 6000 μm , bevorzugt 20 μm bis 5000 μm , bevorzugt 20 μm bis 4000 μm , bevorzugt 20 μm bis 3000 μm , bevorzugt 20 μm bis 2000 μm , bevorzugt, 25 μm bis 1800 μm , bevorzugt 30 μm bis 1600 μm , bevorzugt 40 μm bis 1400 μm , bevorzugt 50 μm bis 1200 μm , bevorzugt 60 μm bis 1100 μm , bevorzugt 70 μm bis 1100 μm , bevorzugt 80 μm bis 1000 μm , bevorzugt 90 μm bis 1000 μm , bevorzugt 100 μm bis 1000 μm , bevorzugt 200 μm bis 900 μm , bevorzugt 300 μm bis 800 μm , bevorzugt 400 μm bis 800 μm .
Bevorzugt beträgt die Distanz zwischen dem Transferträger und dem Empfängerträger in Schritt d) mindestens 20 μm , bevorzugt mindestens 25 μm , bevorzugt mindestens 50 μm , bevorzugt mindestens 100 μm , bevorzugt mindestens 200 μm , bevorzugt mindestens 250 μm , bevorzugt mindestens 500 μm , bevorzugt mindestens 750 μm , bevorzugt mindestens 1000 μm , bevorzugt mindestens 1500 μm , bevorzugt mindestens 2000 mm, bevorzugt mindestens 3000 μm , bevorzugt mindestens 4000 μm , bevorzugt mindestens 5000 μm .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Distanz zwischen dem Transferträger und dem Empfängerträger in Schritt d) höchstens 6000 μm, bevorzugt höchstens 5000 μm , bevorzugt höchstens 4000 μm , bevorzugt höchstens 3000 μm , bevorzugt höchstens 2500 μm , bevorzugt höchstens 2000 μm , bevorzugt höchstens 1750 μm , bevorzugt höchstens 1500 μm , bevorzugt höchstens 1250 μm , bevorzugt höchstens 1000 μm , bevorzugt höchstens 750 μm , bevorzugt höchstens 500 μm , bevorzugt höchstens 250 μm , bevorzugt höchstens 100 μm .
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Laser-induzierten Übertragung von Material, umfassend: ein optisches System umfassend eine gepulste, durchstimmbare Laserstrahlquelle und eine Halterung zur Aufnahme eines Transferträgers. wobei in der Vorrichtung die Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und/oder das Laserstrahlprofil mindestens eines von der Laserstrahlquelle emittierten gepulsten fokussierten Laserstrahls eingestellt werden können.
In besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Vorrichtung zur Laser-induzierten Übertragung von Material um eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines gepulsten fokussierten Laserstrahls mit eingestellter Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil in einem LIFT- Verfahren zur Ausbildung mindestens einer Dampfblase mit definierter Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie in einem Trägermaterial eines Transferträgers, insbesondere im Volumen des Trägermaterial eines Transferträgers. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Laser- induzierten Übertragung von Material getroffenen Aussagen und beschriebenen Ausführungsformen gelten mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laser-induzierten Übertragung von Material und die Verwendung eines gepulsten fokussierten Laserstrahls mit eingestellter Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil in einem LIFT- Verfahren zur Ausbildung mindestens einer Dampfblase mit definierter Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie in einem Trägermaterial eines Transferträgers.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter den Begriffen „umfassend“ und „aufweisend“ verstanden, dass zusätzlich zu den von diesen Begriffen explizit erfassten Elementen noch weitere, nicht explizit genannte Elemente hinzutreten können. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter diesen Begriffen auch verstanden, dass allein die explizit genannten Elemente erfasst werden und keine weiteren Elemente vorliegen. In dieser besonderen Ausführungsform ist die Bedeutung der Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „bestehend aus“. Darüber hinaus erfassen die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ auch Zusammensetzungen, die neben den explizit genannten Elementen auch weitere nicht genannte Elemente enthalten, die jedoch von funktionell und qualitativ untergeordneter Natur sind. In dieser Ausführungsform sind die Begriffe „umfassend“ und „aufweisend“ gleichbedeutend mit dem Begriff „im Wesentlichen bestehend aus“.
Sofern im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die erste und zweite Nachkommastelle oder die zweite Nachkommastelle nicht angegeben sind/ist, sind/ist diese als 0 zu setzen.
Unter dem Begriff „und/oder“ wird in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstanden, dass alle Mitglieder einer Gruppe, welche durch den Begriff „und/oder“ verbunden sind, sowohl alternativ zueinander als auch jeweils untereinander kumulativ in einer beliebigen Kombination offenbart sind. Dies bedeutet für den Ausdruck „A, B und/oder C“, dass folgender Offenbarungsgehalt darunter zu verstehen ist: a) A oder B oder C oder b) (A und B) oder c) (A und C) oder d) (B und C) oder e) (A und B und C).
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen illustriert.
Beispiel 1: Einfluss der Wellenlänge auf biologisches Material
Durch Abstimmung der Wellenlänge auf den Absorptionspeak von Wasser bei 2940 nm kann vorteilhafterweise auf einen Absorber wie er im AFA-LIFT oder BA-FIFT benötigt wird verzichtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zuverlässig biologisches Material von einem Transferträger auf einen Empfängerträger übertragen werden kann und dass auf diese Weise übertragene Säugetierzellen beim Transfer eine signifikant höhere Überlebensrate aufweisen als bei AFA-LIFT mit 355 nm Wellenlänge und Titan-Absorberschicht.
Beispiel 2: Übertragung mittels spezifisches Gasblasengeometrie
Es konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung eines gepulsten fokussierten Faserstrahls mit ringförmigem Strahlprofil im Trägermaterial toroide Dampfblasen erzeugt werden, mit deren Hilfe eine erfolgreiche Übertragung von Zellen von einem Transferträger auf einen Empfängerträger erfolgt ist.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Laser-induzierten Übertragung von Material umfassend die Schritte: a) Bereitstellung eines Transferträgers umfassend ein für Laserstrahlung durchlässiges Trägersubstrat und ein das zu übertragende Material umfassendes Trägermaterial sowie einer gepulsten, durchstimmbaren Laserstrahlquelle, b) Einstellung der Eigenschaften mindestens eines gepulsten fokussierten Laserstrahls, c) Emittierung des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls durch das Trägersubstrat in das Trägermaterial, wobei der mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften aufweist und in dem Trägermaterial zur Ausbildung mindestens einer Dampfblase führt, und d) Übertragung des zu übertragenden Materials vom Transferträger auf einen Empfängerträger.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transferträger keine Absorber Schicht aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial des Transferträgers eine Schichtdicke von 1 bis 500 μm aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine Flüssigkeit oder ein wasserhaltiges Gel ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserhaltige Gel mindestens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Gelatine, Agarose, Chitosan, Matrigel, Kollagen und Methylzellulose, umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls eine Wellenlänge im Bereich von 2,5 bis 3,5 μm , bevorzugt 2,75 bis 3,25 μm , umfassen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls eine Pulslänge im Bereich von 1 fs bis 500 ns umfassen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls eine Pulsenergie im Bereich von 1 μJ bis 20 μJ umfassen.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls eine Fokuslage des Laserstrahls im Trägermaterial in einem Abstand von mindestens 0,1 μm entfernt von der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und Trägermaterial des Transferträgers umfassen.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) eingestellten Eigenschaften des mindestens einen gepulsten fokussierten Laserstrahls einen Durchmesser des Laserbrennflecks, insbesondere einen Durchmesser des Laserstrahlprofils, im Bereich von 10 μm bis 400 μm umfassen.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentrum der in Schritt c) ausgebildeten Dampfblase im Trägermaterial in einem Abstand von mindestens 0,1 μm entfernt von der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und Trägermaterial des Transferträgers liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schritt c) abgegebene mindestens eine gepulste fokussierte Laserstrahl ein ringförmiges Strahlprofil aufweist.
14. Vorrichtung zur Laser-induzierten Übertragung von Material, umfassend: ein optisches System umfassend eine gepulste, durchstimmbare Laserstrahlquelle und eine Halterung zur Aufnahme eines Transferträgers. wobei in der Vorrichtung die Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und das Laserstrahlprofil mindestens eines von der Laserstrahlquelle emittierten gepulsten fokussierten Laserstrahls eingestellt werden können.
15. Verwendung eines gepulsten fokussierten Laserstrahls mit eingestellter Laserwellenlänge, Rayleighlänge, Pulslänge, Pulsenergie, Fokuslage und Laserstrahlprofil in einem LIFT- Verfahren zur Ausbildung mindestens einer Dampfblase mit definierter Lokalisierung, Dimensionierung und Geometrie in einem Trägermaterial eines Transferträgers.
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