EP4412764A1 - Thermisch leitenden mikroplatten - Google Patents

Thermisch leitenden mikroplatten

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EP4412764A1
EP4412764A1 EP22800135.0A EP22800135A EP4412764A1 EP 4412764 A1 EP4412764 A1 EP 4412764A1 EP 22800135 A EP22800135 A EP 22800135A EP 4412764 A1 EP4412764 A1 EP 4412764A1
Authority
EP
European Patent Office
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microplate
thermally conductive
injection
well
thermoplastic material
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
EP22800135.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Summer
Ralph Noll
Stefan Golz
Bernd Kalthof
Jörg HÜSER
Andreas Schade
Mike Küster
Torsten Feller
Andreas Nicol
Jochen KUTTIG
Günther KNEBEL
Philipp KROHM
Rainer Heller
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.)
Bayer AG
Greiner Bio One GmbH Germany
Original Assignee
Bayer AG
Greiner Bio One GmbH Germany
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/756—Microarticles, nanoarticles

Definitions

  • the present invention relates to a thermally conductive microplate and methods of making the same.
  • Microplates also referred to as microtiter plates, are laboratory consumables for investigating biological and/or chemical-physical properties of substances, substance mixtures, chemical or chemical-biological systems, which are used in particular in pharmaceutical or crop protection research.
  • Microplates are generally made of plastic and usually contain wells (also referred to as wells or cavities) that are insulated from one another and are arranged in rows and columns in the form of a matrix.
  • wells also referred to as wells or cavities
  • the dimensions of common microplates are standardized according to the ANSI standard recommended by the Society for Laboratory Automation and Screening (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSESLAS 3-2004, ANSESLAS 4-2004, and ANSESLAS 6-2004) .
  • Temperature-sensitive analysis and synthesis methods based on temperature changes such as PCR (polymerase chain reaction, chain extension reaction) methods, thermophoresis, for example in the development of active ingredients in the pharmaceutical industry, in particular microscale thermophoresis, cellular thermal shift assays (CETSA), chemical syntheses, biological assays, Storage, diagnostics or microscopy FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) require uniform, controllable process parameters. Genetic material is amplified as part of a PCR process, with this amplification taking place in a series of cycles using a polymerase.
  • thermophoresis proteins or small molecules are analyzed together with biological samples such as proteins under the influence of temperature.
  • CETSA cellular thermal shift assay
  • the corresponding methods are usually carried out in very small volumes in the respective wells of a microplate arranged in a thermal cycler or another suitable analysis device, the desired number of cycles or method steps being run through in a sequence of heating and/or cooling steps.
  • the microplate enables any measuring method, e.g. B. fluorescence and / or luminescence.
  • Thermostable microplates have been used for many temperature-sensitive and thermocycling reactions (including qPCR) for years. Many models of microplates are commercially available which have an uneven bottom or texture. As a result, these microplates cannot homogeneously conduct the heat from a heating and/or cooling hotplate. Many of these microplates have special formats and cannot be used with standard equipment.
  • Thermally conductive microplates should therefore be characterized not only by a large number of wells, but also by high, uniform thermal conductivity and stability.
  • a microplate is referred to as thermally conductive within the meaning of the invention if it enables rapid heat transport from a heating plate to the microplate as uniformly as possible over all well bottoms.
  • the provided microplates are intended to automate the handling, in particular the movement of the microplates in the warm state between heating blocks in a measuring device (as shown e.g. according to Fig. 15 schematically), whereby the dimensional stability of the microplates as far as possible during the entire handling is maintained.
  • the object was achieved by providing a microplate distinguished by a uniform base thickness and a high degree of flatness over all the thinnest well bases possible.
  • the provision of well bottoms with a high degree of evenness and uniform bottom thickness is particularly challenging due to the comparatively high number of wells in the specified microplate format on the one hand and the thin well bottom required for many applications on the other. It is also challenging to provide microplates with well bottoms, with compaction of the base material is uniform across all well bases.
  • Another object of the invention is a thermally conductive thermoplastic microplate according to claim 10.
  • the wells are arranged in a microplate body, the microplate body forming the well walls and well bottoms in that each well wall opens upwards into a well opening and each well is closed by the well bottom on the opposite lower side of the microplate body.
  • the microplate body integrally forms the wells formed from well walls and well bottoms, the well bottoms being aligned on a well bottom plane and forming a continuous bottom element (also called microplate bottom or bottom of the microplate body).
  • bottom thickness BT corresponds to "bottom thickness” as defined in the Society for Laboratory Automation and Screening ANSI standard for well bottom elevation, i. H. the average thickness of all well bottoms on a single microplate, or in the present invention on a single microplate body, as shown in Figure 6B.
  • Floor thickness is reported as a nominal value [ASNI_SLAS_6, https://www.slas.org/SLAS/assets/File/public/standards/ASNI SLAS 6-
  • a low variability of the base thickness over the entire microplate body is crucial for a thermal conductivity that is uniform over the microplate. This is according to the AN SI standard of the Society for Laboratory Automation and Screening regarding well bottom elevation characterized by the following parameters:
  • WBEV Well Bottom Elevation Variation
  • IWBEV Intra-Well Bottom Elevation Variation
  • WD Well Depth
  • composite microplates which are constructed in two parts, in particular from a frame forming the well walls and ridges and a rigid, transparent base element which is glued or welded on one side to the end faces of the well walls (see, for example, DE 101 09 704 B4).
  • Composite microplates are also known, in which a part that makes up the well bottom and part of the well wall is made of a thermally conductive material and the frame support and the remaining part of the well wall are made of a thermally insulating material (see WO 2009/030908 A2 ).
  • Such composite microplates are expensive to produce and may have leaks.
  • the present invention is therefore based on the technical problem of providing thermally conductive microplates and methods for their production which meet the above requirements, in particular providing thermally conductive microplates which are characterized by a particularly high degree of flatness and uniform base thickness and in particular uniform compression of the material in the well bottoms, in particular in all well bottoms, and are therefore particularly suitable for use in PCR methods, in particular qPCR and real-time PCR methods, thermophoresis methods, synthesis methods, CETSA and/or FISH methods.
  • the microplate body is arranged in a fixed frame support, in particular welded, glued or riveted to it.
  • the microplate according to the invention is in two parts.
  • the present invention solves the technical problem on which it is based by providing the present teaching, in particular the teaching of the independent claims and the associated description.
  • the present invention relates to a method for producing a thermally conductive microplate made of thermoplastic material, comprising a microplate body with a microplate base and at least 96 wells arranged in the microplate body, each well being defined by a well wall and a planar well base, the microplate base being flat and all well bottoms are aligned on a well bottom plane, and the microplate body has a bottom thickness of at most 1000 ⁇ m between the well bottom plane and the microplate bottom, the method comprising a) providing liquefied thermoplastic material, b) carrying out an injection compression molding step in an injection compression molding machine, comprising an injection unit with a screw conveyor and an embossing tool suitable for forming the thermally conductive microplate body, while introducing a first portion of the liquefied thermoplastic through the screw conveyor into the at least partially open embossing tool under a first injection pressure, closing the embossing tool while exerting a closing pressure on the thermoplastic, c) subsequently carrying out an injection molding step with
  • the present invention also relates to a thermally conductive microplate which is produced or can be produced by means of the method according to the invention.
  • the present invention also relates to a thermally conductive microplate made of thermoplastic material comprising a microplate body with a microplate bottom and at least 96 wells arranged in the microplate body, each well being defined by a well wall and a flat well bottom, the microplate bottom being flat and all well bottoms on one Well bottom plane are aligned, and the microplate body between the well bottom plane and the microplate bottom has a bottom thickness of at most 1000 ⁇ m.
  • the microplate according to the invention is suitable through the combination of a thin bottom and the solid frame support for carrying out reactions that take place at different precisely set temperatures, in a device comprising several heating blocks connected by a transport system for rapid heating or cooling of the microplate by the Microplate to be transferred between the heating blocks.
  • these microplates can be used to perform quantitative polymerase chain reactions (qPCR) without being limited to this application.
  • the thermally conductive microplate, or the microplate body can be produced by the following method: a) providing liquefied thermoplastic material, b) carrying out an injection-compression molding step in an injection-compression molding machine, comprising an injection unit with a screw conveyor and a for forming the microplate body suitable embossing tool, with imports of a first portion of the liquefied thermoplastic material through the screw conveyor in the at least partially opened embossing tool under a first injection pressure, closing the embossing tool while exerting a closing pressure on the thermoplastic, c) subsequently carrying out an injection molding step while introducing a second portion of the liquefied thermoplastic through the screw conveyor into the closed embossing tool under a second injection pressure and d) obtaining the microplate body.
  • the present invention provides the teaching of providing a thermally conductive microplate which, due to its method of manufacture, is advantageously characterized by a particularly high degree of flatness and/or uniform base thickness and/or uniform compaction of the material of the well bases.
  • the thermally conductive microplates provided according to the invention are distinguished by a particularly high level of homogeneity with regard to the flatness of the well bottoms, the bottom thickness of the well bottoms and the compaction of the material in the area of the well bottoms.
  • This homogeneity with regard to the flatness and thickness of the well bottoms and the compaction of the material in the well bottoms preferably extends over the entire thermally conductive microplate, in particular over the entire area of the microplate body in which the well bottoms are present.
  • the well bottoms are preferably designed as flat bottoms.
  • the cup bottoms of all cups are jointly aligned on a flat cup bottom plane and form a flat, level, continuous bottom element in their entirety.
  • Both the well bottoms and the well walls are an integral part of the microplate body and are therefore advantageously in one piece and thus avoid the disadvantages associated with a two-piece well structure in the prior art.
  • the microplate body particularly preferably has a continuous base element which forms the bases of all wells and this base element has a thickness of at most 1000 ⁇ m and is flat.
  • the thermally conductive microplate according to the invention is characterized in particular in that the microplate body is provided in a special 2-stage manufacturing process, in particular in that it is produced by using an injection-compression molding step in an injection-compression molding machine and a subsequent one in the same Injection-compression molding machine carried out injection molding step is formed and by this procedure a very flat, uniformly thick and uniformly compressed cell bottom is provided.
  • the injection-compression molding machine used according to the invention is characterized in that it has an embossing tool and an injection unit in which at least one screw conveyor is designed for introducing, in particular injecting, the liquefied thermoplastic into the embossing tool.
  • the embossing tool is designed three-dimensionally in such a way that it enables the desired microplate body to be formed.
  • liquefied thermoplastic material is provided, of which a first portion, in particular a predominant first portion, is introduced, in particular injected, in a subsequent process step b) in the injection compression molding machine under a first injection pressure into the partially open embossing tool.
  • the embossing tool has at least two tool parts that enclose and form a cavity or cavity, it being possible for this cavity to be varied by moving the at least two tool parts relative to one another.
  • the at least two tool parts define a comparatively large cavity into which the liquefied thermoplastic is introduced, so that the at least two tool parts can be moved relative to one another during and/or after insertion, so that the liquefied plastic compressed. Accordingly, the embossing tool is closed after insertion, with a closing pressure being exerted on the thermoplastic material present in the embossing tool and with this solidifying.
  • a subsequent process step c) in an injection molding step under a second injection pressure, a second portion of the liquefied thermoplastic material still in the injection unit, in particular the screw conveyor, is introduced into the closed embossing tool.
  • the embossing tool is not opened either before or during method step c).
  • the second portion of the liquefied thermoplastic material is introduced into the embossing tool through the screw conveyor, the spray nozzle preferably provided at the end of the screw conveyor toward the embossing tool, and the corresponding receiving channel of the embossing tool.
  • the second portion of the liquefied thermoplastic that is introduced thus reaches the injection point of the thermoplastic that is already in the embossing tool and originates from process step b) and thus levels out any unevenness formed at this point and/or leads to a uniform compaction of the base material.
  • microplate bodies produced according to the invention are therefore characterized in particular by the fact that they were produced in one piece in a two-stage process comprising an injection compression molding process step and an injection molding process step and their well bottoms formed by the bottom element have a particularly high degree of evenness. This is particularly because the injection molding process step carried out after the injection-compression molding process step in the molded part produced in process step b) eliminates any unevenness in the base element and in the cell bottoms caused by plastic injected in process step c).
  • the microplate bodies therefore have a very flat, uniformly thick and uniformly compacted bottom element and therefore very flat well bottoms, all of which lie in one plane and which are characterized in particular by the absence of (any) functionally disruptive bumps, bulges or other artefacts around the injection point, here too distinguish referred to as a sprue.
  • the microplate bodies have a very high level of homogeneity, particularly with regard to the thickness of the well bottoms.
  • the high homogeneity of the flatness of the cup bottoms provided according to the invention allows a particularly high homogeneity of the heat transfer, which leads to particularly reliable and precise reactions.
  • the thermally conductive microplates according to the invention are therefore particularly suitable as PCR microplates, in particular qPCR microplates (quantitative PCR).
  • the thermally conductive microplates according to the invention allow reactions carried out in their wells to be evaluated by means of a camera.
  • the thermally conductive microplates according to the invention allow PCR reactions carried out in their wells to be evaluated after each cycle by means of a camera, thus enabling real-time PCR.
  • the microplate body is preferably arranged in a frame support, in particular welded, glued or riveted. This achieves better stability for transport and handling despite the thin base.
  • thermally conductive microplates according to the invention are particularly suitable for automation, high-throughput screening and high-throughput diagnostics.
  • the thermally conductive microplates according to the invention are PCR microplates.
  • the microplate body has a bottom thickness (Bottom Thickness BT) of 20 to 900 ⁇ m, in particular 20 to 800 ⁇ m, in particular 20 to 600 ⁇ m, in particular 20 to 550 ⁇ m, in particular 20 to 500 ⁇ m, in particular 20 to 450 ⁇ m, in particular 20 to 400 ⁇ m, in particular 20 to 350 ⁇ m, in particular 20 to 300 ⁇ m, in particular 20 to 250 ⁇ m, in particular 20 to 200 ⁇ m, in particular 20 to 190 ⁇ m.
  • Bottom Thickness BT bottom thickness of 20 to 900 ⁇ m, in particular 20 to 800 ⁇ m, in particular 20 to 600 ⁇ m, in particular 20 to 550 ⁇ m, in particular 20 to 500 ⁇ m, in particular 20 to 450 ⁇ m, in particular 20 to 400 ⁇ m, in particular 20 to 350 ⁇ m, in particular 20 to 300 ⁇ m, in particular 20 to 250 ⁇ m, in particular 20 to 200 ⁇ m, in particular 20 to 190 ⁇ m.
  • the microplate body has a bottom thickness BT of at most 300 ⁇ m.
  • an average intra-well bottom elevation variation (IWBEV) for the microplate body of maximum ⁇ 0.05 mm can be achieved.
  • microplate of the present invention meets the requirements of the Society for Laboratory Automation and Screening ANSI standard
  • the low bottom thickness allows the use of a thermoplastic with a thermal conductivity of 0.1 to 0.8 W/mK, measured using the method of Horst Czichos (ed.) [The fundamentals of engineering, D materials, thermal conductivity of materials. 31st edition. Springer, 2000, ISBN 3-540-66882-9, p. D 54.].
  • the microplate When used in many biological test methods, the microplate, as a disposable item, is sealed with a sealing film in the prior art after the reactants have been placed in the wells have been filled.
  • the transparent thin sealing film can be made from polycarbonate, polypropylene, cyclic olefins or other plastic materials, or multilayer films made from two or more clear materials with desired barrier properties as are known in the art.
  • the seal can be achieved by welding the sealing film to the body of the disposable. Experiments have shown that the use of thermoplastic material containing a thermal conductivity-enhancing medium makes sealing more difficult using the conventional welding method.
  • thermoplastic material particularly preferably contains no thermal conductivity-enhancing medium, such as e.g. B. carbon black or thermally conductive ceramic filler.
  • the required thermal conductivity is achieved through the structure of the microplate, in particular through the thin bottom.
  • thermoplastic is particularly preferably stable at at least 120.degree.
  • the thermoplastic is polypropylene and/or COC (cycloolefin copolymer) and/or polystyrene, in particular polypropylene.
  • thermoplastic does not bind any proteins and/or nucleic acids.
  • thermoplastic material is used from which the prepared microplate can be sealed using commercially available microtiter plate sealing foils or adhesive tapes to protect the contents of the wells from leakage, contamination and evaporation during assay processing, incubation or storage to protect.
  • the microplate has at least 96, preferably 384, 1536 or 3456, particularly preferably 1536 wells, in the formats established according to the ANSI standard of the Society for Laboratory Automation and Screening with regard to the well positions for microplates (e.g. e.g. ANSI/SLAS 4-2004 https://www.slas.org/SLAS/assets/File/public/standards/ANSI_SLAS_4-
  • the cell wall has a thickness of 300 to 800 ⁇ m, in particular 400 to 700 ⁇ m, in particular 500 to 600 ⁇ m.
  • the cells have a circular, square or rectangular shape when viewed in cross section.
  • the thermally conductive microplates have at least 96, in particular 384, in particular 1536 wells, and the length and width dimensions according to the ANSI standard of the Society for Laboratory Automation and Screening (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSI/SLAS 3-2004 and/or ANSI/SLAS 4-2004).
  • the microplate body has a height of 1 to 8 mm, in particular 2 to 5 mm, in particular 3.3 mm.
  • the wells each have an internal volume of at most 10 pl, in particular 0.3 to 6 pl, in particular 0.5 to 4 pl, in particular 4 pl or 1 pl.
  • the microplate body is arranged in a frame support, in particular welded, glued or riveted, in particular riveted, to it.
  • a microplate body arranged in a frame support together form a microplate within the meaning of the invention.
  • the frame support is made of polycarbonate or polystyrene.
  • the microplate body and/or the frame support can be colored transparent or opaque as desired.
  • An opaquely colored microplate is preferred, particularly for applications in a measuring device with optical evaluation.
  • the thermally conductive microplate is colored to be opaque black or white.
  • the frame support for the thermally conductive microplate according to the invention together with the microplate body have the dimensions defined in the ANSI standard of the Society for Laboratory Automation and Screening [ANSI/SLAS Microplate Standards - https://www.slas .org/education/ansi-slas-microplate-standards/; ANSI SLAS 1-2004 (R2012): Footprint Dimensions, ANSI SLAS 2-2004 (R2012): Height Dimensions, ANSI SLAS 3-2004 (R2012): Bottom Outside Flange Dimensions, ANSI SLAS 4-2004 (R2012): Well Positions, ANSI SLAS 6-2012: Well Bottom Elevation],
  • the thermally conductive microplates have the length and width dimensions in accordance with the ANSI standard of the Society for Laboratory Automation and Screening (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSI/SLAS 3- 2004 and/or ANSI/SLAS 4-2004), in particular length 127.76 mm * width 85.48 mm.
  • the frame support of the thermally conductive microplates according to the invention has a height of 10.4 mm.
  • the frame beam is rectangular.
  • the microplate of the present invention can be provided by the manufacturing method of the present invention.
  • step b) an injection-compression molding step is carried out in an injection-compression molding machine, with introduction of a first portion of the liquefied thermoplastic material through the conveyor screw into the at least partially open embossing tool under a first injection pressure, closing of the embossing tool while exerting a closing pressure on the thermoplastic material,
  • “at least partially open embossing tool” in step b) preferably means an offset in the embossing tool due to the opening (FIG. 2);
  • the optimal offset is from 0.1 to 0.8 mm, preferably 0.3 to 0.6 mm, preferably 0.5 mm, but is preferably determined or confirmed experimentally.
  • the first injection pressure provided in method step b) is higher than the second injection pressure provided in method step c).
  • the first injection pressure provided in method step b in particular the higher first injection pressure provided in method step b) than the second injection pressure provided in method step c), is exerted over a shorter period of time than the second injection pressure provided in method step c). injection pressure.
  • the first injection pressure is 700 to 1100, in particular 750 to 1000, in particular 750 to 950, in particular 750 to 900, in particular 900 bar.
  • the first injection pressure is applied over a period of 0.1 to 10, in particular 0.1 to 9, in particular 0.1 to 5, in particular 0.1 to 2, in particular 0.25 seconds.
  • the first portion of the liquefied thermoplastic is introduced into the embossing tool in process step b) at a speed of 100 mm/second.
  • the second injection pressure is 200 to 700, in particular 250 to 700, in particular 300 to 700, in particular 500 bar.
  • the second injection pressure is applied over a period of 10 to 30, in particular 11 to 30, in particular 12 to 28, in particular 14 to 25 seconds.
  • a method for producing a thermally conductive microplate according to the invention is provided, the injection molding step provided in method step c) being carried out in two phases, in particular in at least two phases with two different injection pressures, in particular with a first second and a second second injection pressure .
  • the first second injection pressure is preferably greater than the second second injection pressure, in particular twice as great.
  • the first second injection pressure which is greater than the second injection pressure in a preferred embodiment, is preferably a Period of 4 to 13 seconds, in particular 7 to 11 seconds, in particular 9 seconds and the second injection pressure is preferably exerted over a period of 2 to 8 seconds, in particular 4 to 6 seconds, in particular 5 seconds, the sum of the periods preferably being 10 to 30 seconds, in particular 12 to 28, in particular 14 to 25 seconds.
  • the closing pressure is 600 to 1000, in particular 700 to 900, in particular 800 kN.
  • a particularly preferred embodiment provides a method for producing a thermally conductive microplate according to the invention, the closing pressure being maintained until the embossing tool is opened to obtain a thermally conductive microplate, in particular over the period of method step c).
  • thermoplastic is stable at at least 120°C.
  • thermoplastic being polypropylene and/or cycloolefin polymer (COP) and/or COC (cycloolefin copolymer) and/or polystyrene, in particular polypropylene.
  • COP cycloolefin polymer
  • COC cycloolefin copolymer
  • thermoplastic in a particularly preferred embodiment of the present invention there is provided a method of making a thermally conductive microplate of the invention wherein the mass of the first portion of the liquified thermoplastic is greater than the mass of the second portion of the liquified thermoplastic.
  • a method for the production of a thermally conductive microplate according to the invention in which—based on the total mass of liquefied thermoplastic material introduced in method steps b) and c)—“40 to 90, in particular 50 to 80, in particular 60 to 70% by weight as the first proportion and 10 to 60, in particular 20 to 50, in particular 30 to 40% by weight, as the second proportion of thermoplastic material.
  • the first proportion of the liquefied thermoplastic introduced in accordance with process step b) is 50 to 80% by weight, in particular 60 to 70% by weight
  • the second proportion of the liquefied thermoplastic introduced in accordance with process step c) is 20 to 50, in particular 30 to 40 % by weight (in each case based on the total mass of the thermoplastic material imported).
  • a method for producing a thermally conductive microplate according to the invention is provided, wherein the mass ratio of the first portion of the liquefied thermoplastic to the second portion of the liquefied thermoplastic is from 0.5 to 2.5, in particular 1 to 2. in particular 2 first part to 1 second part.
  • the method in method step b) is carried out as a gating method, in particular a needle valve gating method.
  • the method in method step c) is carried out as a gating method, in particular a needle valve gating method.
  • the method in method step b) and c) is carried out as a gating method, in particular a needle valve gating method.
  • the injection-compression molding machine used according to the invention comprises at least one injection unit and at least one embossing tool, wherein the injection unit has in particular at least one plasticizing cylinder and a rotatable screw conveyor, and wherein there is an injection nozzle at the end of the screw conveyor facing the embossing tool represents the transition to the embossing tool.
  • Injection unit and embossing tool can be temperature-controlled, in particular temperature-controlled, and can have different temperatures.
  • the embossing tool used according to the invention comprises at least two tool parts which define a cavity for forming the thermally conductive microplate with variable volume according to the invention, with a first tool part defining the bottom surface of the thermally conductive microplate and the second tool part relative to the first Tool part can be moved, in particular in its normal direction and has a number of stamping core elements corresponding to the number of cups.
  • a “sprue” is understood to mean the point on the microplate body at which the injection nozzle of the injection compression molding machine introduces the liquefied thermoplastic into the compression tool.
  • a “sink mark” is understood to mean a depression in a microplate body that leads to a reduced base thickness, compaction and/or unevenness, particularly in the area of the well base.
  • thermalally conductive means the property of a material to conduct heat within the material without mass transfer taking place.
  • the term “and/or” means that all members of a group that are connected by the term “and/or” are shown both cumulatively in any combination and as alternatives to one another.
  • the expression "A, B and/or C” includes the following disclosure content: i) (A or B or C), or ii) (A and
  • thermoplastic/melt 15 thermally conductive microplate
  • FIG 1 the injection-compression molding machine (1) with injection unit (11) and embossing tool (12), wherein in the injection unit the non-melted thermoplastic Plastic (14) is present.
  • the screw conveyor (112) is in the starting position and the embossing tool is in a slightly open state, recognizable by the offset (16) between an element (50) having a central, relatively movable embossing core element (60) and an edge element (51) of the Tool part (122) which define the volume (13) formed by the cup walls.
  • FIG. 2 shows the injection-compression molding machine (1), the thermoplastic material (14) being injected via the injection nozzle (113) into the cavity (13) of the embossing tool (12) at a first injection pressure.
  • the auger moves towards the spray nozzle.
  • the thermoplastic material (14) was melted (plasticized) in the area of the heating elements (400) of the screw conveyor by heating and friction.
  • FIG. 3 shows the injection-compression molding machine (1), with the embossing tool (12) being closed and exerting a closing pressure. This can be seen from the movement of the central element (50) of the tool part (122) that defines the volume formed by the cup walls, relative to the edge element (51) of the tool part (122).
  • FIG. 4 shows the injection-compression molding machine (1), with further thermoplastic material (14) being introduced into the closed embossing tool (12) by the conveying screw (112), with a second injection pressure being exerted.
  • FIG. 5 the receipt of the microplate body (150) by opening the embossing tool (12).
  • FIG. 6A shows a schematic representation of a microplate (15) in a side view with a microplate body (150) arranged in a frame carrier (300).
  • FIG. 6B shows an enlarged section of FIG. 6A indicating the essential quality parameters of a microplate (15) according to the invention.
  • FIG. 7 shows a 3D scan of the surface of a microplate body (150) in which there is no sink point in the area of the sprue (155), therefore no indentations that lead to a reduced bottom thickness, compaction or unevenness in the Well bottom leads, is present and the bottom is particularly flat compared to a non-inventive microplate, which has depressions which lead to a reduced bottom thickness, compaction or unevenness in the well bottom.
  • FIG. 8 shows a 3D scan of the surface of a microplate not produced according to the invention (injection-compression molding process), in which there is a sink mark in the area of the sprue (155) and the bottom is not flat compared to a thermally conductive microplate body according to the invention.
  • FIG. 9 shows a photo of the surface of a microplate body (150) produced according to the invention, in which no sink mark can be seen in the area of the sprue (155) and the bottom is particularly flat compared to a microplate not produced according to the invention.
  • FIG. 10 shows a photo of the surface of a microplate not produced according to the invention (injection-compression molding process), in which a sink mark (155) can be seen in the area of the sprue and the bottom is not flat compared to a microplate body produced according to the invention
  • FIGS. 11A and 11B show 3D views obliquely from above and obliquely from below of a thermally conductive microplate (15) according to the invention with 1536 wells
  • microplate body (150) is riveted in a frame support 300.
  • Fig. 12A shows the cross-sectional structure of a thermographic experiment using the microplate of the present invention.
  • 12B shows an image of the experimental setup taken from above using the FLIR 645 sc (LWIR) thermographic camera, with the position SP1 identifying a well in the microplate.
  • 13 shows a detailed recording of the measurement carried out in the cup (151) at different temperatures of 60° C., 80° C. and 95° C. and a color scale for comparison.
  • FIG. 15 shows a schematic representation of such a measuring device comprising 3 PCR blocks B1 to B3 for rapid heating or cooling of the microplate.
  • Fig. 16 shows a plot of a measurement taken with an sCMOS camera with a 35mm Fl.6 C-mount lens showing the homogeneous amplification over the entire plate.
  • Fig. 17a and 17b and 18 show topographical measurements by white light interferometry for the plates produced by the injection compression molding process and by the process described according to the invention.
  • 17a, 17b show image recording of the interference signal by the CCD sensor of the measuring device.
  • 19a and 19b show white light interferometry around the injection point, in each case for the plates produced by the injection-compression molding method and by the method described according to the invention.
  • 21a and 21b show white-light interferometry of the flatness within the cups, each for the plates produced by the injection-compression molding method or by the method described according to the invention.
  • Figure 22 shows the corresponding profile measurements of in-cell flatness.
  • the method described below for producing a thermally conductive microplate (15) is carried out in an injection-compression molding machine (1) which has an injection unit (11), the injection unit having a rotatable screw conveyor (112) in a plasticizing cylinder (111) provided with heating elements (400), a spray nozzle (113) being located at the end of the screw conveyor facing the embossing tool (12).
  • the injection-compression molding machine also has an embossing tool (12) which is made up of at least two tool parts (121/122), and the two tool parts can be moved relative to one another and form a cavity (13) into which the liquefied thermoplastic material (14 ) is filled in and forms the thermally conductive microplate there.
  • One of the tool parts (121) defines the bases of the cells, while another tool part defines the volume (122) formed by the cell walls (see also the structure of the injection-compression molding machine in FIG. 1).
  • a first process step a polypropylene was provided in liquefied form as a melt (14).
  • the embossing tool (12) was provided in a half-open state (FIG. 1); the embossing tool was at 0.5 mm opening and a first portion of the liquefied polypropylene, namely 15 g (67% by weight or about 2 times the first portion), via the screw conveyor (112) - which is 87% of the injection required distance to the nozzle - introduced with a first injection pressure of 900 bar into the cavity (13) of the embossing tool over a period of 0.25 seconds (Figure 2), the embossing tool was closed and a closing pressure of 800 kN was exerted ( Figure 3 ).
  • a two-phase injection molding step was carried out with a first second injection pressure of 500 bar over a period of 9 seconds and then with a second second injection pressure of 250 bar over a period of 5 seconds, i.e. a total of 14 seconds, with a second Proportion of liquefied polypropylene, namely 7.5 g (33% by weight), through the screw conveyor into the closed embossing tool (when closed, the embossing tool was at an opening of 0.3 mm), with the screw conveyor moving the remaining 13% of the distance required for injection (FIG. 4).
  • the embossing tool was opened and, in a process step d), the microplate body (150) for the thermally conductive microplate (15) according to the invention was obtained (FIG. 5).
  • the microplate body (150) produced was fixed in a frame support (300) made of polycarbonate by means of rivets (301).
  • FIG. 6A shows a thermally conductive microplate (15) obtained according to the invention.
  • the wells (151) arranged in a microplate body (150) with well walls (152) can be seen, the individual well bottoms (153) of which lie in a formed well bottom plane (200), the microplate bottom (154) being flat.
  • Each cell is formed from a cell wall (152) that is circular, seen in cross-section, which ends in a cell opening at the top and is closed and delimited on the opposite lower side by the flat cell bottom (153).
  • the microplate body (150) is fixed in the frame support (300) with rivets (301).
  • FIG. 6B shows an enlarged section of FIG. 6A indicating the essential quality parameters of a microplate (15) according to the invention.
  • FIGS. 7 to 10 show the advantages of the method according to the invention for producing the microplate compared to microplates produced using a conventional injection-compression molding method.
  • the thermally conductive microplate (15) according to the invention also had a particularly flat microplate base (154), particularly in the area of the sprue (155) in FIG. 8 on.
  • a sink mark causing unevenness can be seen in the microplates not according to the invention in the form of a depression (compare Figure 7 with Figure 8, in particular the area between 4 and 6 mm (x-axis), and Figure 9 with FIG. 10, in particular the area to the right of the sprue, the darker area).
  • FIG. 11A and FIG. 11B shows a 3D view obliquely from above and from below of a thermally conductive microplate (15) according to the invention riveted in a frame support (300), this microplate having 1536 wells (151).
  • thermographic experiment a microplate (15) according to the invention with empty wells was placed on a heating plate (500), covered with a light-tight cover plate (501) with the exception of one well (151 / spl) and using a thermographic camera (600) z.
  • thermographic camera 600
  • type FLIR 645 sc LWIR
  • illumination 601
  • Fig. 12A shows the structure of the thermographic experiment in cross section.
  • FIG. 12B shows an image of the experimental setup taken from above using the FLIR 645 sc (LWIR) thermographic camera, with the position SP1 identifying a well in the microplate.
  • LWIR FLIR 645 sc
  • 13 shows a detailed recording of the measurement carried out in the cup (151) at different temperatures of 60° C., 80° C. and 95° C. and a color scale for comparison.
  • 14 shows the heating curve of the microplate (15) according to the invention when heated from 60° C. to 95° C. over time and its reproduction! did. With a nominal temperature jump of 35K, the increase is 20K in approx. 2s. This thermal experiment shows that rapid heat transfer from the hotplate to the microplate is achieved.
  • microplate (15) was then sealed (not shown) with an optically clear permanent adhesive film (Applied Biosystems, 4311971), the microplate (15) was centrifuged and placed in a real-time PCR meter (also called a PC meter).
  • a real-time PCR meter also called a PC meter
  • Fig. 15 shows a schematic representation of such a measuring device comprising 3 PCR blocks Bl to B3 for rapid heating or cooling of the microplate according to an implementation protocol with heating blocks (500) and an image recording station I comprising a heating block (500) and a transparent heating plate (501 ) for tempering the microplate (15), as well as an illumination (401) and an sCMOS camera with a 35mm Fl.6 C-mount lens (600').
  • the microplate (15) is shown schematically with horizontal arrows using a transport system, moved between the PCR blocks B1 to B3 (the numbering is arbitrary) and the image recording station I according to the implementation protocol.
  • the following implementation protocol was used in the PCR measuring device: After an initial time of 2 min at 95°C, there follows a cycle of 3 temperature steps with first 10 seconds at 95°C, second 30 seconds at 60°C and third 5 seconds at 72°C . This cycle is repeated 45 times. In each cycle, after the third step (72° C.), the plate is irradiated/excited with light having a wavelength of 539 nm and the light which is then emitted again is recorded/measured at 569 nm.
  • FIG. 16 shows a plot of a measurement taken with an sCMOS camera with a 35 mm Fl.6 C-mount objective, which shows the homogeneous amplification over the entire plate.
  • the homogeneous distribution of the temperature over the entire plate shows the advantage of the manufacturing process, especially in the area of the sprue.
  • Polypropylene was provided in liquefied form as a melt for all manufacturing processes.
  • the melt was fed into the cavity (13) of the mold/embossing tool with the parameter listed below.
  • the embossing die was opened and the microplate body was obtained.
  • the melt was introduced into the cavity (13) of the not completely closed embossing tool with the following parameters: 950 kN holding force, injection time of 0.3 s, switching point of 10.61 mm and injection speed 106.1 mm/s.
  • the melt with similar parameters is introduced into a suitable mold.
  • the achievable base thickness of such panels is at least 0.6 mm; such plates are not suitable for qPCR experiments due to their insufficient heat transfer.
  • the plate according to the invention was provided according to the method described above.
  • White light interferometry is a non-contact optical measurement method that uses the interference of broadband light (white light) and thus allows 3D profile measurements of structures with dimensions between a few centimeters and a few micrometers.
  • White light interferometry is often used to measure (quality check) wafers.
  • Each of the measurement objects was placed in the white light interferometer and measured.
  • the effective area in white light interferometry was about 80 mm x 120 mm.
  • FIGS. 17a and 17b show an interference signal obtained by the CCD sensor of the measuring device for each individual pixel as a function of the position of the measurement object.
  • 18 shows the respective curvature of the plates at different points of the respective reference profiles Pa and Pb derived according to the method from the prior art on the basis of the measured values for the respective pixels.
  • the plate produced using the classic injection-compression molding process shows an interference signal that is partly outside the measuring range (grey area, Fig. 17a). In the measurable area, the plate shows a general curvature of about 0.35 mm (Fig. 18, profile Pa).
  • All interference signals of the plate produced by the method according to the invention are in the measuring range (FIG. 17b); this plate shows an improved flatness of about 0.15 mm (Fig. 18, profile Pb).
  • 19a and 19b show white-light interferometry measurements around the injection point, in each case for the panels produced by the injection-compression molding process and by the process according to the invention.
  • 20 shows the corresponding profiles at the injection point on the respective positions Pa and Pb.
  • An effective area of 8 mm ⁇ 8 mm was defined for the white-light interferometry measurement from the underside of the board around the injection point (FIGS. 19a, 19b). All wells must show comparable performance for reliable qPCR results.
  • the pronounced sink marks at the injection point within the qPCR plate produced using classic transfer molding lead to uneven contact between the underside of the plate and the heat source. The result is incorrect or at least delayed signal strength in qPCR.
  • 21a and 21b show white-light interferometry measurements of the flatness within the cups, each for the plates produced by the injection-compression molding method and by the method according to the invention.
  • 22 shows the corresponding profile measurements of the flatness within the cups, on the respective reference profiles Pa and Pb.
  • FIGS. 21a and 21b The white light interferometry measurements of the measured plates are shown in FIGS. 21a and 21b.
  • the cell bottom in the plate produced by the method according to the invention is flatter than the cell bottom in the plate produced by the classic injection-compression molding method.

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Abstract

Eine thermisch leitende Mikroplatte aus thermoplastischem Kunststoff, umfassend einen Mikroplattenkörper (150) mit mindestens 96 in dem Mikroplattenkörper (150) angeordneten Näpfchen (151), wobei der Mikroplattenkörper (150) einen ebenen Mikroplattenboden (154) aufweist und jedes Näpfchen (151) mindestens eine Näpfchenwand (152) und einen planen, auf einer allen Näpfchenböden (153) gemeinsamen Näpfchenbodenebene (200) ausgerichteten Näpfchenboden (153) mit einer Bodendicke von höchstens 1000 µm aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung der thermisch leitende Mikroplatten. Der Mikroplattenkörper (150) ist bevorzugt in einem Rahmenträger (300) angeordnet, insbesondere mit diesem verschweißt, verklebt oder vernietet. Hochformatige thermisch leitende Mikroplatten sind für das automatisierte Prozessieren mit hoher thermischer Leitfähigkeit für den Einsatz in temperatursensitive und auf Temperaturwechsel basierende Analyse- und Synthesemethoden optimiert.

Description

Thermisch leitenden Mikroplatten
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch leitende Mikroplatte und Verfahren zu deren Herstellung.
Mikroplatten, auch als Mikrotiter-Platten bezeichnet, sind Laborverbrauchsmaterial zur Untersuchung von biologischen oder/und chemisch-physikalischen Eigenschaften von Substanzen, Substanzgemischen, chemischen oder chemisch-biologischen Systemen, die insbesondere in der Pharma- oder Pflanzenschutzforschung Anwendung finden. Mikroplatten werden in der Regel aus Kunststoff hergestellt und enthalten üblicherweise voneinander isolierte Näpfchen (auch als Well, oder Kavität bezeichnet), welche in Reihen und Spalten in Form einer Matrix angeordnet sind. Die Abmessungen üblicher Mikroplatten sind gemäß ANSI-Standard auf Empfehlung der Society for Laboratory Automation and Screening standardisiert (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSESLAS 3-2004, ANSESLAS 4-2004, und ANSESLAS 6-2004). Temperatursensitive und auf Temperaturwechsel basierende Analyse- und Synthesemethoden wie PCR (Polymerase Chain Reaction, Kettenverlängerungsreaktion)-Verfahren, Thermophorese, zum Beispiel in der Wirkstoffentwicklung der pharmazeutischen Industrie, insbesondere Microscale Thermophorese, Cellular Thermal Shift Assays (CETSA), chemische Synthesen, biologische Assays, Lagerung, Diagnostik oder Mikroskopie-FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) erfordern einheitliche, kontrollierbare Prozessparameter. Im Rahmen eines PCR- Verfahrens wird Erbsubstanz vervielfältigt, wobei diese Vervielfälti ung mittels einer Polymerase in einer Reihe von Zyklen geschieht. In der Thermophorese werden Proteine oder kleine Moleküle zusammen mit biologischen Proben, wie Proteinen, unter Einwirkung von Temperatur analysiert. Im zellulären thermischen Shift Assay (Cellular Thermal Shift Assay (CETSA)) werden Interaktionen zwischen Wirkstoffen und Target-Proteinen quantifiziert.
Die entsprechenden Verfahren werden üblicherweise in sehr kleinen Volumina in den jeweiligen Näpfchen einer in einem Thermocycler oder einem anderen geeigneten Analysegerät angeordneten Mikroplatte durchgeführt, wobei in einer Folge von Erhitzungs- und/oder Ab kühl schritten die jeweils erwünschte Zahl an Zyklen oder Verfahrensschritten durchlaufen wird. Dabei ermöglicht die Mikroplatte alle beliebigen Messmethoden, wie z. B. Fluoreszenz und / oder Lumineszenz. Thermostabile Mikrotiterplatten werden seit Jahre für viele temperatursensitive und auf Temperaturwechsel basierende Reaktionen (einschließlich qPCR) verwendet. Viele Modelle von Mikroplatten sind kommerziell erhältlich, deren Boden uneben ist oder eine Struktur aufweist. Hiermit können diese Mikroplatten nicht homogen die Wärme aus einer erhitzenden und/oder abkühlenden Heizplatten leiten. Viele dieser Mikroplatten weisen Sonderformate auf und sind mit Standardgeräten nicht anwendbar.
Insbesondere die Nutzung von üblichen hochformatigen, das heißt eine große Anzahl an Näpfchen aufweisende, Mikroplatten zusammen mit zur Erhitzung und/oder Abkühlung Heizplatten oder Wasserbäder ermöglicht vor allem im temperaturempfindlichen PCR- Verfahren lediglich Endpunktanalysen. So sind Realtime-PCR-Reaktionen, bei denen eine Messung bzw. Quantifizierung der PCR-Reaktion nach jedem Zyklus erfolgt, mit solchen Vorrichtungen nicht möglich.
Die Durchführung eines verlässlichen und präzisen thermischen Verfahrens an in einer Mikroplatten befindlichen Proben setzt eine präzise und über die gesamte Mikroplatte einheitliche Anwendung der Prozessparameter voraus. Thermisch leitende Mikroplatten sollten sich daher neben einer hohen Anzahl an Näpfchen durch eine hohe, uniforme Wärmeleitfähigkeit und -Stabilität auszeichnen. Als thermisch leitende im Sinne der Erfindung wird eine Mikroplatte bezeichnet, die möglichst einheitlich über alle Näpfchenböden einen schnellen Wärmetransport von einer Heizplatte in die Mikroplatte ermöglicht.
Die bereitgestellten Mikroplatten sollen eine Automatisierung der Handhabung, insbesondere die Bewegung der Mikroplatten im warmen Zustand zwischen Heizblöcke in einem Messgerät (wie z. B. nach Fig. 15 schematisch dargestellt) ermöglichen, wobei die Formstabilität der Mikroplatten so weit wie möglich während der gesamten Handhabung aufrechterhalten wird.
Die Aufgabe wurde durch die Bereitstellung einer Mikroplatte, ausgezeichnet durch eine gleichmäßigen Bodendicke und ein hohes Maß an Ebenheit über sämtliche möglichst dünne Näpfchenböden, gelöst. Die Bereitstellung von Näpfchenböden mit einer großen Ebenheit und gleichmäßiger Bodendicke stellt sich aufgrund einerseits der vergleichsweise hohen Anzahl an Näpfchen im vorgegebenen Mikroplattenformat und andererseits des für viele Anwendungen notwendigen dünnen Näpfchenbodens als besonders herausfordernd dar. Ebenso ist es herausfordernd Mikroplatten mit Näpfchenböden bereitzustellen, wobei die Verdichtung des Materials der Böden über sämtliche Näpfchenböden gleichmäßig ist.
Das Problem wurde durch ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden Mikroplatte aus thermoplastischem Kunststoff gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine thermisch leitende Mikroplatte aus thermoplastischem Kunststoff gemäß Anspruch 10.
Besondere Ausführungsformen ergeben sich aus den dem Anspruch 1 bzw. 10 nachgeordneten Patentansprüchen.
In der erfindungsgemäßen Mikroplatte sind die Näpfchen in einem Mikroplattenkörper angeordnet, wobei der Mikroplattenkörper die Näpfchenwände und Näpfchenböden ausbildet, indem jede Näpfchenwand nach oben in einer Näpfchenöffnung mündet und auf der gegenüberliegenden unteren Seite des Mikroplattenkörpers jedes Näpfchen durch das Näpfchenboden verschlossen ist. Der Mikroplattenkörper bildet einteilig die aus Näpfchenwänden und Näpfchenböden gebildeten Näpfchen aus, wobei die Näpfchenböden auf einer Näpfchenbodenebene ausgerichtet sind und ein durchgehendes Bodenelement (auch Mikroplattenboden oder Boden des Mikroplattenkörpers genannt) ausbilden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung entspricht die „Bodendicke“ BT, im Sinne der Anmeldung der „Bottom Thickness“ wie in der ANSI-Standard der Society for Laboratory Automation and Screening bezüglich der Well Bottom Elevation definiert, d. h. die durchschnittliche Dicke aller Näpfchenböden auf einer einzelnen Mikroplatte, bzw. bei der vorliegenden Erfindung auf einem einzelnen Mikroplattenkörper, wie Fig. 6B dargestellt. Die Bodendicke wird als Nominalwert ausgewiesen [ASNI_SLAS_6, https://www.slas.org/SLAS/assets/File/public/standards/ASNI SLAS 6-
W el 1 B oft omEl evati on . p d f| .
Eine geringe Variabilität der Bodendicke über den gesamten Mikroplattenkörper ist für eine über die Mikroplatte uniforme Wärmeleitfähigkeit entscheidend. Diese wird gemäß der AN SI- Standard der Society for Laboratory Automation and Screening bezüglich der Well Bottom Elevation durch folgende Parameter gekennzeichnet:
- Well Bottom Elevation Variation (WBEV) ist die maximal zulässige Streuung zwischen dem höchsten und niedrigsten WBE-Punkt auf einer einzelnen Mikroplatte. Er wird typischerweise als Maximalwert angegeben. (Siehe Abbildung 2. ASNI SLAS 6- WellBottomElevationy,
- Intra-Well Bottom Elevation Variation (IWBEV) ist der Bereich (Maximum-Minimum) des Abstands vom Bezugspunkt -A- bis zu einer beliebigen Stelle auf der inneren Bodenfläche eines einzelnen Bohrlochs. Es wird als Maximalwert typischerweise gemeldet (siehe Abbildung 3 ASNI SLAS 6-WellBottomElevationy,
- Well Depth (WD): Ist der Abstand von der maximalen Projektion jedes einzelnen Bohrlochs bis zu einer beliebigen Stelle auf der inneren Bodenfläche des Bohrlochs. Es wird typischerweise als Nennwert mit einer Toleranz angegeben (siehe Abbildung 4 ASNI SLAS 6- WellBottomElevatiori) .
So ist es zwar schon bekannt, zur Herstellung von Mikroplatten Kunststoffspritz- Spritzgussverfahren einzusetzen. Mittels dieser Verfahren ist es jedoch üblicherweise nicht möglich, die erforderlichen geringen Bodendicken mit der erforderlichen Ebenheit sowie gleichmäßiger Bodendicke und/oder gleichmäßiger Verdichtung des Materials herzustellen.
Insbesondere aus diesem Grund wurden sogenannte Komposit-Mikroplatten entwickelt, die zweiteilig aufgebaut sind und zwar insbesondere aus einem die Näpfchenwände und -Stege bildenden Rahmen und einem steifen transparenten Bodenelement, das einseitig auf die Stirnflächen der Näpfchenwände aufgeklebt oder geschweißt wird (siehe zum Beispiel DE 101 09 704 B4). Auch bekannt sind Komposit-Mikroplatten, bei welchen ein Teil, welches den Näpfchenboden und einen Teil der Näpfchenwand ausmacht, aus einem thermisch leitenden Material und der Rahmenträger und der restliche Teil der Näpfchenwand aus einem thermisch isolierenden Material hergestellt werden (siehe WO 2009/030908 A2). Derartige Komposit-Mikroplatten sind aufwendig herzustellen und weisen gegebenenfalls Leckagen auf.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2007 003 536 Ul ist die Bereitstellung von Mikroplatten mittels Kunststoff- Spritzprägeverfahren bekannt. Auch die mittels dieses Verfahrens hergestellten Mikroplatten weisen unerwünschte Unebenheiten insbesondere im Bereich des Angusses auf. Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, thermisch leitende Mikroplatten und Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen, die den vorstehenden Anforderungen genügen, insbesondere thermisch leitende Mikroplatten bereitzustellen, welche sich durch ein besonders hohes Maß an Ebenheit und gleichmäßiger Bodendicke und insbesondere gleichmäßiger Verdichtung des Materials in den Näpfchenböden, insbesondere in sämtlichen Näpfchenböden, auszeichnen und hiermit insbesondere zur Anwendung in PCR- Verfahren, insbesondere qPCR- und Realtime-PCR- Verfahren, Therm ophorese- Verfahren, Synthese- Verfahren, CETSA und/oder FISH- Verfahren geeignet sind.
Für die nötige Formstabilität wird der Mikroplattenkörper in einem festen Rahmenträger angeordnet, insbesondere mit diesem verschweißt, verklebt oder vernietet. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße Mikroplatte zwei-teilig.
Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrunde liegende technische Problem durch die Bereitstellung der vorliegenden Lehre, insbesondere der Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der dazugehörigen Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden Mikroplatte aus thermoplastischem Kunststoff, umfassend einen Mikroplattenkörper mit einem Mikroplattenboden und mindestens 96 in dem Mikroplattenkörper angeordneten Näpfchen, wobei jedes Näpfchen durch eine Näpfchenwand und einen planen Näpfchenboden definiert ist, wobei der Mikroplattenboden eben ist und alle Näpfchenbböden auf einer Näpfchenbodenebene ausgerichtet sind, und der Mikroplattenkörper zwischen der Näpfchenbodenebene und dem Mikroplattenboden eine Bodendicke von höchstens 1000 pm aufweist, wobei das Verfahren umfasst das a) Bereitstellen von verflüssigtem thermoplastischem Kunststoff, b) Durchführen eines Spritzprägeschrittes in einer Spritzprägemaschine, umfassend eine Spritzeinheit mit einer Förderschnecke und ein zur Ausbildung des thermisch leitenden Mikroplattenkörpers geeignetes Prägewerkzeug, unter Einführen eines ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischem Kunststoffes durch die Förderschnecke in das zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug unter einem ersten Spritzdruck, Schließen des Prägewerkzeugs unter Ausüben eines Schließdrucks auf den thermoplastischen Kunststoff, c) anschließendes Durchführen eines Spritzgußschrittes unter Einführen eines zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes durch die Förderschnecke in das geschlossene Prägewerkzeug unter einem zweiten Spritzdruck und d) Erhalten des Mikroplattenkörpers.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine thermisch leitende Mikroplatte, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist, beziehungsweise herstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine thermisch leitende Mikroplatte aus thermoplastischem Kunststoff umfassend einen Mikroplattenkörper mit einem Mikroplattenboden und mindestens 96 in dem Mikroplattenkörper angeordneten Näpfchen, wobei jedes Näpfchen durch eine Näpfchenwand und einen planen Näpfchenboden definiert ist, wobei der Mikroplattenboden eben ist und alle Napfböden auf einer Näpfchenbodenebene ausgerichtet sind, und der Mikroplattenkörper zwischen der Näpfchenbodenebene und dem Mikroplattenboden eine Bodendicke von höchstens 1000 pm aufweist.
Die erfindungsgemäße Mikroplatte ist durch die Kombination eines dünnen Bodens und des festen Rahmenträgers für die Durchführung von Reaktionen geeignet, die bei unterschiedlichen präzis eingestellten Temperaturen stattfinden, in einem Gerät umfassend mehrere Heizblöcke verbunden durch ein Transportsystem zum schnellen Heizen bzw. Abkühlen der Mikroplatte, indem die Mikroplatte zwischen den Heizblöcke transferiert werden. Zum Beispiel können diese Mikroplatten für die Durchführung von quantitativen Polymerase Chain Reaction (qPCR) verwendet werden, ohne auf diese Anwendung begrenzt zu sein.
In einer besonderen Ausführungsform ist die thermisch leitende Mikroplatte, bzw. der Mikroplattenkörper, mittels des folgenden Verfahrens herstellbar: a) Bereitstellen von verflüssigtem thermoplastischem Kunststoff, b) Durchführen eines Spritzprägeschrittes in einer Spritzprägemaschine, umfassend eine Spritzeinheit mit einer Förderschnecke und ein zur Ausbildung des Mikroplattenkörpers geeignetes Prägewerkzeug, unter Einfuhren eines ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischem Kunststoffes durch die Förderschnecke in das zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug unter einem ersten Spritzdruck, Schließen des Prägewerkzeugs unter Ausüben eines Schließdrucks auf den thermoplastischen Kunststoff, c) anschließendes Durchführen eines Spritzgußschrittes unter Einführen eines zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes durch die Förderschnecke in das geschlossene Prägewerkzeug unter einem zweiten Spritzdruck und d) Erhalten des Mikroplattenkörpers.
Die vorliegende Erfindung stellt demgemäß die Lehre bereit, eine thermisch leitende Mikroplatte bereitzustellen, die sich aufgrund ihrer Herstellweise in vorteilhafter Weise durch ein besonders hohes Maß an Ebenheit und/oder gleichmäßiger Bodendicke und/oder gleichmäßiger Verdichtung des Materials der Näpfchenböden auszeichnet. Die erfindungsgemäß bereitgestellten thermisch leitenden Mikroplatten zeichnen sich durch eine besonders hohe Homogenität in Hinblick auf die Ebenheit der Näpfchenböden, die Bodendicke der Näpfchenböden und die Verdichtung des Materials im Bereich der Näpfchenböden aus. Diese Homogenität in Hinblick auf die Ebenheit und Dicke der Näpfchenböden sowie die Verdichtung des Materials in den Näpfchenböden erstreckt sich bevorzugt über die gesamte thermisch leitende Mikroplatte, insbesondere über den gesamten Bereich des Mikroplattenkörpers, in dem Näpfchenböden vorliegen.
Die Näpfchenböden sind bevorzugt als Flachboden ausgebildet. Die Näpfchenböden sämtlicher Näpfchen sind gemeinsam auf einer planen Näpchenbodenebene Näpfchenbodenebene ausgerichtet und bilden in ihrer Gesamtheit ein planes, ebenes, durchgängiges Bodenelement aus. Sowohl die Näpfchenböden als auch die Näpfchenwände sind integraler Bestandteil des Mikroplattenkörpers und damit vorteilhafter Wei se einstückig und vermeiden so die im Stand der Technik mit einer zweistückigen Näpfenstruktur verbundenen Nachteile. Besonders bevorzugt weist der Mikroplattenkörper demgemäß ein durchgängiges Bodenelement auf, das die Böden sämtlicher Näpfchen bildet und wobei dieses Bodenelement eine Dicke von höchstens 1000 pm aufweist und plan ist.
Die erfindungsgemäße thermisch leitende Mikroplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Mikroplattenkörper in einem speziellen 2-stufigen Herstellungsverfahren bereitgestellt wird, insbesondere dadurch, dass sie durch den Einsatz eines Spritzprägeschrittes in einer Spritzprägemaschine und eines darauffolgenden, in der gleichen Spritzprägemaschine durchgeführten Spritzgussschrittes ausgebildet wird und durch diese Verfahrensweise ein sehr ebener, gleichmäßig dicker und gleichmäßig verdichteter Näpfchenboden bereitgestellt wird.
Die erfindungsgemäß eingesetzte Spritzprägemaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein Prägewerkzeug und eine Spritzeinheit aufweist, in der mindestens eine Förderschnecke zum Einbringen, insbesondere Einspritzen, des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes in das Prägewerkzeug ausgebildet ist. Das Prägewerkzeug ist dreidimensional so ausgebildet, dass es die Ausformung des gewünschten Mikroplattenkörpers ermöglicht.
Demgemäß wird in einem ersten Verfahrensschritt a) verflüssigter thermoplastischer Kunststoff bereitgestellt, von dem ein erster Anteil, insbesondere überwiegender erster Anteil, in einem darauffolgenden Verfahrensschritt b) in der Spritzprägemaschine unter einem ersten Spritzdruck in das teilweise geöffnete Prägewerkzeug eingeführt, insbesondere eingespritzt, wird. Das Prägewerkzeug weist mindestens zwei Werkzeugteile auf, die eine Kavität beziehungsweise einen Hohlraum umschließen und gleichsam bilden, wobei diese Kavität durch relatives Verschieben der mindestens zwei Werkzeugteile zueinander variierbar ist. In dem geöffneten Zustand des Prägewerkzeugs definieren die mindestens zwei Werkzeugteile eine vergleichsweise große Kavität, in die der verflüssigte, thermoplastische Kunststoff eingeführt wird, so dass während und/oder nach dem Einführen die mindestens zwei Werkzeugteile relativ zueinander verfahren werden können, sodass sich der verflüssigte Kunststoff komprimiert. Demgemäß wird das Prägewerkzeug nach dem Einführen geschlossen, wobei ein Schließdruck auf den in dem Prägewerkzeug vorhandenen thermoplastischen Kunststoff ausgeübt wird und wobei sich dieser verfestigt. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt c) wird erfmdungsgemäß nun in einem Spritzgussschritt unter einem zweiten Spritzdruck ein Einführen eines zweiten Anteils des sich noch in der Spritzeinheit, insbesondere der Förderschnecke, befindlichen verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes in das geschlossene Prägewerkzeug durchgeführt. Eine Öffnung des Prägewerkzeug ist nach Verfahrensschritt b) weder vor noch während Verfahrensschritt c) vorgesehen.
Das Einführen des zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs in das Prägewerkzeug erfolgt durch die Förderschnecke, die bevorzugt vorgesehene am Prägewerkzeug-seitigen Ende der Förderschnecke angeordnete Spritzdüse und den entsprechenden Aufnahmekanal des Prägewerkzeugs. Der auf diese Art und Weise eingeführte zweite Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs gelangt so auf den Einspritzpunkt des sich bereits im Prägewerkzeug befindlichen, aus Verfahrensschritt b) stammenden thermoplastischen Kunststoffs und egalisiert so sich an dieser Stelle ausgebildete Unebenheiten und/oder führt zu einer gleichmäßigen Verdichtung des Materials des Bodens. Die erfindungsgemäß hergestellten Mikroplattenkörper zeichnen sich daher insbesondere dadurch aus, dass sie einstückig in einem zweistufigen, einen Spritzprägeverfahrensschritt und einen Spritzgussverfahrensschritt aufwei senden Verfahren hergestellt wurden und ihre durch das Bodenelement ausgebildeten Näpfchenböden ein besonders hohes Maß an Ebenheit aufweisen. Dies insbesondere deshalb, weil der im Anschluss an das Spritzprägeverfahrensschritt durchgeführte Spritzgussverfahrensschritt in dem im Verfahrensschritt b) hergestellten Formteil vorhandene Unebenheiten in dem Bodenelement und in den Näpfchenböden durch in Verfahrensschritt c) nachgespritzten Kunststoff beseitigt. Die Mikroplattenkörper weisen also ein sehr ebenes, gleichmäßig dickes und gleichmäßig verdichtetes Bodenelement und daher sehr ebene Näpfchenböden auf, die sämtlich in einer Ebene liegen und die sich insbesondere durch das Fehlen (jeglicher) funktionsstörender Unebenheiten, Ausbuchtungen oder sonstiger Artefakte um den Einspritzpunkt, hier auch als Anguss bezeichnet auszeichnen. Die Mikroplattenkörper weisen eine sehr hohe Homogenität, insbesondere in Hinblick auf die Dicke der Näpfchenböden auf. Die erfindungsgemäß bereitgestellte hohe Homogenität der Ebenheit der Näpfchenböden erlaubt eine besonders hohe Homogenität der Wärmeübertragung, die zu besonders verlässlichen und präzisen Reaktionen führt. Die erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten sind daher insbesondere auch als PCR-Mikroplatten, insbesondere qPCR-Mikroplatten (quantitative PCR), geeignet. In vorteilhafter Weise erlauben es die erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten in ihren Näpfchen durchgeführte Reaktionen mittels einer Kamera auszuwerten. Insbesondere erlauben es die erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten in ihren Näpfchen durchgeführte PCR -Reaktionen nach jedem Zyklus mittels einer Kamera auszuwerten und so eine Realtime-PCR zu ermöglichen.
Bevorzugt wird der Mikroplattenkörper in einem Rahmenträger angeordnet, insbesondere verschweißt, verklebt oder vernietet. Hiermit wird eine bessere Stabilität für Transport und Handhabung trotz dünnen Bodens erreicht.
Die erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten sind besonders geeignet für die Automatisierung, das Hochdurchsatzscreening und die Hochdurchsatzdiagnostik. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erfmdungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten PCR-Mikroplatten.
Es wird bevorzugt die Wärmeleitfähigkeit des Mikroplattenkörpers über die Bodendicke zu optimieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Mikroplattenkörper eine Bodendicke (Bottom Thickness BT) von 20 bis 900 pm, insbesondere 20 bis 800 pm, insbesondere 20 bis 600 pm, insbesondere 20 bis 550 pm, insbesondere 20 bis 500 pm, insbesondere 20 bis 450 pm, insbesondere 20 bis 400 pm, insbesondere 20 bis 350 pm, insbesondere 20 bis 300 pm, insbesondere 20 bis 250 pm, insbesondere 20 bis 200 pm, insbesondere 20 bis 190 pm auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Mikroplattenkörper eine Bodendicke BT von höchstens 300 pm auf.
Durch die Anwendung des beschriebenen Herstellungsverfahrens, kann eine geringe Variabilität (Well Bottom Elevation Variation WBEV), insbesondere maximal 0,15 mm, über die Gesamtfläche des Mikroplattenkörpers erreicht werden.
Durch die Anwendung des beschriebenen Herstellungsverfahrens, kann eine durchschnittliche Intra-Well Bottom Elevation Variation (IWBEV) für den Mikroplattenkörper von maximal ± 0,05 mm erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Mikroplatte erfüllt die Anforderung des ANSI-Standards der Society for Laboratory Automation and Screening
[https://www.slas.org/SLAS/assets/File/public/standards/ASNI_SLAS_6-
W el IB ottomEl evati on . p df]
Die niedrige Bodendicke ermöglicht die Anwendung eines thermoplastischen Kunststoffs mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,1 bis 0,8 W/mK, gemessen mit der Methode von Horst Czichos (Hrsg.) [Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften, D Werkstoffe, Wärmeleitfähigkeit von Werkstoffen. 31. Auflage. Springer, 2000, ISBN 3-540-66882-9, S. D 54.].
Bei ihrer Nutzung in vielen biologischen Testverfahren wird im Stand der Technik die Mikroplatte, als Einwegartikel mit einer Siegelfolie abgedichtet, nachdem die Reaktanten in die Vertiefungen gefüllt wurden. Die transparente dünne Versiegelungsfolie kann aus Polycarbonat, Polypropylen, cyclischen Olefinen oder anderen Kunststoffmaterialien hergestellt sein, oder aus Mehrschichtfolien, die aus zwei oder mehr klaren Materialien mit gewünschten Barriere-Eigenschaften hergestellt sind, wie sie im Stand der Technik bekannt sind. Die Versiegelung kann durch Verschweißen der Versiegelungsfolie mit dem Körper des Einwegartikels erreicht werden. Experimente haben gezeigt, dass die Nutzung von thermoplastischem Kunststoff enthaltend einem wärmeleitfähigkeitsverstärkenden Medium die Versiegelung nach der herkömmlichen Verschweißmethode erschwert.
Besonders bevorzugt enthält der thermoplastische Kunststoff kein wärmeleitfähigkeitsverstärkendes Medium, wie z. B. Leitruß oder wärmeleitenden keramischen Füllstoff.
Die benötigte thermische Leitfähigkeit wird durch den Aufbau der Mikroplatte erreicht, insbesondere durch den dünnen Boden.
Besonders bevorzugt ist der thermoplastische Kunststoff bei mindestens 120 °C stabil.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der thermoplastische Kunststoff Polypropylen und/oder COC(Cycloolefin-Copolymer) und / oder Polystyrol, insbesondere Polypropylen.
In besonders bevorzugter Ausführungsform bindet der thermoplastische Kunststoff keine Proteine und / oder Nukleinsäuren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein thermoplastischer Kunststoff verwendet, aus dem die hergestellte Mikroplatte mit Hilfe von kommerziell verfügbaren Mikrotiterplatten-Versiegelungsfolien oder -Klebebänder dicht verschließbar ist, um den Inhalt der Näpfchen vor Auslaufen, Kontamination und Verdunstung während der Assay- Verarbeitung, Inkubation oder Lagerung zu schützen.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Mikroplatte mindestens 96, bevorzugt 384, 1536 oder 3456, besonders bevorzugt 1536 Näpfchen, in den gemäß der ANSI-Standard der Society for Laboratory Automation and Screening bezüglich der Well Positions for Microplates etablierten Formate (z. B. ANSI/SLAS 4-2004 https://www.slas.org/SLAS/assets/File/public/standards/ANSI_SLAS_4-
2004_WellPositions.pdf) auf.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Näpfchenwand eine Dicke von 300 bis 800 pm, insbesondere 400 bis 700 pm, insbesondere 500 bis 600 pm auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Näpfchen, im Querschnitt gesehen, kreisförmige, quadratische oder rechteckige Form auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die thermisch leitenden Mikroplatten mindestens 96, insbesondere 384, insbesondere 1536 Näpfchen, und die Längen- und Breiten-Abmessungen, gemäß ANSI-Standard der Society for Laboratory Automation and Screening (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSI/SLAS 3-2004 und/oder ANSI/SLAS 4-2004) auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weist der Mikroplattenkörper eine Höhe von 1 bis 8 mm, insbesondere 2 bis 5 mm, insbesondere 3,3 mm auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weisen die Näpfchen jeweils ein Innenvolumen von höchstens 10 pl, insbesondere 0,3 bis 6 pl, insbesondere 0,5 bis 4 pl, insbesondere 4 pl oder 1 pl, auf.
In besonders bevorzugter Ausführungsform ist der Mikroplattenkörper in einem Rahmenträger angeordnet, insbesondere mit diesem verschweißt, verklebt oder vernietet, insbesondere vernietet. Ein Mikroplattenkörper angeordnet in einem Rahmenträger bilden zusammen eine Mikroplatte im Sinne der Erfindung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Rahmenträger aus Polycarbonat oder Polystyrol hergestellt.
Der Mikroplattenkörper und / oder der Rahmenträger können transparent oder beliebig deckend eingefärbt sein. Insbesondere für Anwendungen in einem Messgerät mit optischer Bewertung wird eine deckend eingefärbte Mikroplatte bevorzugt. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die thermisch leitende Mikroplatte schwarz oder weiß deckend eingefärbt. In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen der Rahmenträger für die erfindungsgemäße thermisch leitende Mikroplatte zusammen mit dem Mikroplattenkörper die in den ANSI-Standard der Society for Laboratory Automation and Screening definierten Abmessungen auf [ANSI/SLAS Microplate Standards - https://www.slas.org/education/ansi-slas-microplate-standards/; ANSI SLAS 1-2004 (R2012): Footprint Dimensions, ANSI SLAS 2-2004 (R2012): Height Dimensions, ANSI SLAS 3-2004 (R2012): Bottom Outside Flange Dimensions, ANSI SLAS 4-2004 (R2012): Well Positions, ANSI SLAS 6-2012: Well Bottom Elevation],
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die thermisch leitenden Mikroplatten die Längen- und Breiten-Abmessungen gemäß ANSI- Standard der Society for Laboratory Automation and Screening (ANSI/SLAS 1-2004, ANSI/SLAS 2-2004, ANSI/SLAS 3-2004 und/oder ANSI/SLAS 4-2004) auf, insbesondere Länge 127,76 mm * Breite 85,48 mm.
In besonders bevorzugter Ausführungsform weist der Rahmenträger der erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatten eine Höhe von 10,4 mm auf.
In besonders bevorzugter Auffassung der vorliegenden Erfindung ist der Rahmenträger rechteckig.
Die erfindungsgemäße Mikroplatte kann durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren bereitgestellt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird im Schritt b) ein Spritzprägeschritt in einer Spritzprägemaschine durchgeführt, unter Einführen eines ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes durch die Förderschnecke in das zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug unter einem ersten Spritzdruck, Schließen des Prägewerkzeugs unter Ausüben eines Schließdrucks auf den thermoplastischen Kunststoff,
Im Sinne der Erfindung bedeutet zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug“ im Schritt b), bevorzugt einen öffnungsbedingten Versatz im Prägewerkzeug (Fig. 2); der optimale Versatz beträgt erfahrungsgemäß von 0,1 bis 0,8 mm, bevorzugt 0,3 bis 0,6 mm bevorzugt 0,5 mm, wird aber bevorzugt experimentell ermittelt oder bestätigt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der in Verfahrensschritt b) vorgesehene erste Spritzdruck höher als der in Verfahrensschritt c) vorgesehene zweite Spritzdruck ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der in Verfahrens schritt b) vorgesehene erste Spritzdruck, insbesondere der in Verfahrensschritt b) vorgesehene höhere erste Spritzdruck als der in Verfahrensschritt c) vorgesehene zweite Spritzdruck, über einen kürzeren Zeitraum ausgeübt, als der in Verfahrensschritt c) vorgesehene zweite Spritzdruck.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der erste Spritzdruck 700 bis 1100, insbesondere 750 bis 1000, insbesondere 750 bis 950, insbesondere 750 bis 900, insbesondere 900 bar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erste Spritzdruck über einen Zeitraum von 0,1 bis 10, insbesondere 0,1 bis 9, insbesondere 0,1 bis 5, insbesondere 0,1 bis 2, insbesondere 0,25 Sekunden ausgeübt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erste Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs in Verfahrensschritt b) mit einer Geschwindigkeit von 100 mm / Sekunde in das Prägewerkzeug eingeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt der zweite Spritzdruck 200 bis 700, insbesondere 250 bis 700, insbesondere 300 bis 700 insbesondere 500 bar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der zweite Spritzdruck über einen Zeitraum von 10 bis 30, insbesondere 11 bis 30, insbesondere 12 bis 28, insbesondere 14 bis 25 Sekunden ausgeübt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei der in Verfahrensschritt c) vorgesehene Spritzgußschritt zweiphasig, insbesondere in mindestens zwei Phasen mit zwei unterschiedlichen Spritzdrücken, durchgeführt wird, insbesondere mit einem ersten zweiten und einem zweiten zweiten Spritzdruck. Bevorzugt ist gemäß dieser Ausführungsform der erste zweite Spritzdruck größer als der zweite zweite Spritzdruck, insbesondere doppelt so groß. Der erste zweite Spritzdruck, der in bevorzugter Ausführungsform größer als der zweite Spritzdruck ist, wird vorzugsweise über einen Zeitraum von 4 bis 13 Sekunden, insbesondere 7 bis 11 Sekunden, insbesondere 9 Sekunden ausgeübt und der zweite Spritzdruck vorzugsweise über einen Zeitraum von 2 bis 8 Sekunden, insbesondere 4 bis 6 Sekunden, insbesondere 5 Sekunden ausgeübt, wobei die Summe der Zeiträume vorzugsweise 10 bis 30 Sekunden, insbesondere 12 bis 28, insbesondere 14 bis 25 Sekunden beträgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt der Schließdruck 600 bis 1000, insbesondere 700 bis 900, insbesondere 800 kN.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei der Schließdruck bis zum Öffnen des Prägewerkzeugs zum Erhalt einer thermisch leitenden Mikroplatte aufrechterhalten wird, insbesondere über den Zeitraum des Verfahrensschrittes c).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei der thermoplastische Kunststoff bei mindestens 120 °C stabil ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei der thermoplastische Kunststoff Polypropylen und / oder Cycloolefin Polymer (COP) und / oder COC (Cycloolefin-Copolymer) und / oder Polystyrol ist, insbesondere Polypropylen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei die Masse des ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes größer ist als die Masse des zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfmdungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei - bezogen auf die Gesamtmasse an in den Verfahrensschritten b) und c) eingeführtem verflüssigtem thermoplastischen Kunststoff -” 40 bis 90, insbesondere 50 bis 80, insbesondere 60 bis 70 Gew.-% als erster Anteil und 10 bis 60, insbesondere 20 bis 50, insbesondere 30 bis 40 Gew.-% als zweiter Anteil an thermoplastischem Kunststoff eingeführt werden. In besonders bevorzugter Ausführungsform beträgt der erste Anteil des gemäß Verfahrensschritt b) eingeführten verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs 50 bis 80, insbesondere 60 bis 70 Gew.-% und der zweite Anteil des gemäß Verfahrensschritt c) eingebrachten verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs 20 bis 50, insbesondere 30 bis 40 Gew.-% (jeweils bezogen auf Gesamtmasse des eingeführten thermoplastischen Kunststoffs). In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte vorgesehen, wobei das Masseverhältnis von dem ersten Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs zu dem zweiten Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs von 0,5 bis 2,5, insbesondere 1 bis 2, insbesondere 2 erster Anteil zu 1 zweiter Anteil beträgt.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren in Verfahrensschritt b) als Anguss-Verfahren, insbesondere Nadelverschlussanguss- Verfahren, durchgeführt.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren in Verfahrensschritt c) als Anguss- Verfahren, insbesondere Nadelverschlussanguss- Verfahren, durchgeführt.
In besonders bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren in Verfahrensschritt b) und c) als Anguss-Verfahren, insbesondere Nadelverschlussanguss- Verfahren, durchgeführt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erfindungsgemäß eingesetzte Spritzprägemaschine mindestens eine Spritzeinheit und mindestens ein Prägewerkzeug, wobei die Spritzeinheit insbesondere mindestens einen Plastifizierzylinder und eine rotierbare Förderschnecke aufweist, und wobei sich an dem Prägewerkzeug zugewandten Ende der Förderschnecke eine Spritzdüse befindet, die den Übergang zum Prägewerkzeug darstellt. Spritzeinheit und Prägewerkzeug sind temperierbar, insbesondere Temperatur geführt, und können unterschiedliche Temperaturen aufweisen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäß eingesetzte Prägewerkzeug mindestens zwei Werkzeugteile, die eine Kavität zur Ausbildung der erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte mit variierbarem Volumen definieren, wobei ein erstes Werkzeugteil die Bodenfläche der thermisch leitenden Mikroplatte definiert und das zweite Werkzeugteil relativ zu dem ersten Werkzeugteil verfahrbar ist, insbesondere in dessen Normalenrichtung und eine der Anzahl der Näpfchen entsprechende Vielzahl an Prägekernelementen aufweist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem „Anguss“ die Stelle des Mikroplattenkörpers verstanden, an welcher die Spritzdüse der Spritzprägemaschine den verflüssigten thermoplastischen Kunststoff in das Prägewerkzeug einführt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Einfallstelle“ eine Vertiefung in einem Mikroplattenkörper verstanden, die zu einer reduzierten Bodendicke, Verdichtung und/oder Unebenheit insbesondere im Bereich der Näpfchenboden führt.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter „thermisch leitend“ die Eigenschaft eines Materials verstanden, Wärme innerhalb des Materials zu leiten, ohne dass ein Stofftransport stattfindet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „und/oder“ verstanden, dass alle Mitglieder einer Gruppe, welche durch den Begriff „und/oder“ verbunden sind, sowohl untereinander kumulativ in einer beliebigen Kombination als auch alternativ zueinander dargestellt sind. Exemplarisch ist für den Ausdruck „A, B und/oder C“ folgender Offenbarungsgehalt darunter zu verstehen: i) (A oder B oder C), oder ii) (A und
B), oder iii) (A und C), oder iv) (B und C), oder v) (A und B und C), oder vi) (A und B oder
C), oder vii) (A oder B und C), oder viii) (A und C oder B).
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
B ezugszeichenli ste
I Spritzprägemaschine
I I Spritzeinheit
I I I Plastifizierzylinder
112 Förderschnecke
113 Spritzdüse
12 Prägewerkzeug
121/122 Werkzeugteile
13 Kavität/V olumen
14 thermoplastischer Kunststoff/Schmelze 15 thermisch leitende Mikroplatte
150 Mikroplattenkörper
151 Näpfchen
152 Näpfchenwände
153 Näpfchenboden
154 Bodenelement / Boden des Mikroplattenkörpers / Mikroplattenboden
155 Anguss
16 Öffnungsbedingter Versatz in Prägewerkzeug
50 Prägekemelemente aufweisendes mittleres Element des Werkzeugteils 122
51 randständiges Element des Werkzeugteils 122
60 Prägekernelement
200 Näpfchenbodenebene
300 Rahmenträger
301 Niete
WBE - WELL BOTTOM ELEVATION / Erhöhung des Näpfchenbodens
WD - WELL DEPTH / Näpfchentiefe
ECTP - EXTERNAL CLEARANCE TO PLATE BOTTOM / Außere Abstand zum
Plattenfuss
WBW - WELL BOTTOM WIDTH / Näfchenbreite
BT - BOTTOM THICKNESS / Bodendicke
IWBEV - Intra-Well Bottom Elevation Variation / Variation der internen Erhöhung des Näpfchenbodens
400 Heizelemente zum Aufschmelzen des Kunststoffes
500 Heizplatte
501 Ab deckplatte
600 / 600‘ Kamera
601 Beleuchtung
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
Die Figuren zeigen:
Figur 1 die Spritzprägemaschine (1) mit Spritzeinheit (11) und Prägewerkzeug (12), wobei in der Spritzeinheit der nicht-aufgeschmolzene thermoplastische Kunststoff (14) vorliegt. Die Förderschnecke (112) befindet sich in der Ausgangsposition und das Prägewerkzeug befindet sich in einem leicht geöffneten Zustand, erkennbar an dem Versatz (16) zwischen einem mittleren relativ verfahrbaren Prägekemelemente (60) aufweisenden Element (50) und einem randständigen Element (51) des Werkzeugteil (122), die das von dem Näpfchenwänden gebildete Volumen (13) definieren.
Figur 2 die Spritzprägemaschine (1), wobei der thermoplastische Kunststoff (14) über die Spritzdüse (113) in die Kavität (13) des Prägewerkzeugs (12) mit einem ersten Spritzdruck eingespritzt wird. Hierbei bewegt sich die Förderschnecke zur Spritzdüse hin. Der thermoplastische Kunststoff (14) wurde im Bereich der Heizelemente (400) der Förderschnecke durch Aufheizen und Friktion aufgeschmolzen (plastifiziert).
Figur 3 die Spritzprägemaschine (1), wobei das Prägewerkzeug (12) geschlossen wird und einen Schließdruck ausübt. Erkennbar ist dies an der Bewegung des mittleren Elements (50) des Werkzeugteils (122), dass das von dem Näpfchenwände gebildete Volumen definiert, relativ zu dem randständigen Element (51) des Werkzeugteil (122).
Figur 4 die Spritzprägemaschine (1), wobei durch die Förderschnecke (112) weiterer thermoplastischer Kunststoff (14) in das geschlossene Prägewerkzeug (12) eingeführt wird, wobei ein zweiter Spritzdruck ausgeübt wird.
Figur 5 den Erhalt des Mikroplattenkörpers (150) durch Öffnung des Prägewerkzeugs (12).
Figur 6A eine schematische Darstellung einer Mikroplatte (15) in Seitenansicht mit Mikroplattenkörper (150) angeordnet in einem Rahmenträger (300), .
Figur 6B zeigt einen vergrößerten Abschnitt von Fig. 6A mit Angabe der wesentlichen Qualitätsparameter einer erfindungsgemäßen Mikroplatte (15).
Figur 7 zeigt einen 3D-Scan der Oberfläche eines Mikroplattenkörpers (150), bei dem im Bereich des Angusses (155) keine Einfall stelle, daher keine Vertiefungen, die zu einer reduzierten Bodendicke, Verdichtung oder Unebenheit im Näpfchenboden führt, vorliegt und der Boden besonders eben ausgebildet ist im Vergleich zu einer nicht-erfindungsgemäßen Mikroplatte, welche Vertiefungen aufweist, welche zu einer reduzierten Bodendicke, Verdichtung oder Unebenheit im Näpfchenboden führen.
Figur 8 zeigt einen 3D-Scan der Oberfläche einer nicht-erfindungsgemäß hergestellten Mikroplatte (Spritzprägeverfahren), bei der im Bereich des Angusses (155) eine Einfallstelle vorliegt und der Boden nicht eben ausgebildet ist im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplattenkörper.
Figur 9 zeigt ein Foto der Oberfläche eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroplattenkörpers (150), bei der im Bereich des Angusses (155) keine Einfallstelle zu sehen ist und der Boden besonders eben ausgebildet ist im Vergleich zu einer nicht-erfindungsgemäß hergestellten Mikroplatte.
Figur 10 zeigt ein Foto der Oberfläche einer nicht-erfindungsgemäß hergestellten Mikroplatte (Spritzprägeverfahren), bei der im Bereich des Angusses eine Einfallstelle (155) zu sehen ist und der Boden nicht eben ausgebildet ist im Vergleich zu einem erfindungsgemäß hergestellten Mikroplattenkörper
(150).
Figur HA und 11B zeigen 3D-Ansichte schräg von oben und schräg von unten einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte (15) mit 1536 Näpfchen
(151), wobei der Mikroplattenkörper (150) in einem Rahmenträger 300 vernietet ist.
Fig. 12A zeigt den Aufbau im Querschnitt eines thermographischen Experiments mit der erfindungsgemäßen Mikroplatte.
Fig. 12B zeigt eine Bildaufnahme des experimentellen Aufbaus von oben aufgenommen mit der Thermographie Kamera Typ FLIR 645 sc (LWIR), wobei die Position SP1 kennzeichnet ein Näpfchen in der Mikroplatte. Fig. 13 zeigt eine Detailaufnahme der im Näpfchen (151) durchgeführten Messung bei unterschiedlichen Temperaturen von 60°C, 80°C und 95°C sowie eine Farbskala zum Vergleich.
Fig. 14 zeigt die Aufheizkurve der erfindungsgemäßen Mikroplatte (15) bei einem Aufheizen von 60°C auf 95°C über die Zeit und ihre Reproduktivität.
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstelllung ein solches Messgerät umfassend 3 PCR- Blöcke Bl bis B3 zum schnellen Heizen bzw. Abkühlen der Mikroplatte.
Fig. 16 zeigt ein Plot einer Messung aufgenommen mit einer sCMOS Kamera mit einem 35mm Fl.6 C-mount Objektiv, der die homogene Amplifikation über die gesamte Platte zeigt.Fig. 17a und 17b und 18 zeigen topographische Messungen durch Weißlichtinterferometrie für die Platten hergestellt nach dem Spritzprägeverfahren, bzw. nach dem erfindungsgemäßen beschriebenen Verfahren. Fig. 17a, 17b zeigen Bildaufnahme des Interferenzsignals durch den CCD-Sensor des Messgeräts.
Fig. 18 zeigt die jeweiligen Wölbungen der Platten an verschiedene Messpunkte der Profile Pa und Pb.
Fig. 19a und Fig. 19b zeigen Weißlichtinterferometrie um den Anspritzpunkt herum, jeweils für die Platten hergestellt nach dem Spritzprägeverfahren, bzw. nach dem erfindungsgemäßen beschriebenen Verfahren.
Fig. 20 zeigt die entsprechenden Wölbungen an den Anspritzpunkt.
Fig. 21a und Fig. 21b zeigen Weißlichtinterferometrie der Ebenheit innerhalb der Näpfchen, jeweils für die Platten hergestellt nach dem Spritzprägeverfahren, bzw. nach dem erfindungsgemäßen beschriebenen Verfahren.
Fig. 22 zeigt die entsprechenden Profilmessungen der Ebenheit innerhalb der Näpfchen.
Beispiel
Das nachfolgend dargestellte Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden Mikroplatte (15) wird in einer Spritzprägemaschine (1) durchgeführt, welches eine Spritzeinheit (11) aufweist, wobei die Spritzeinheit eine rotierbare Förderschnecke (112) in einem mit Heizelementen (400) versehenen Plastifizierzylinder (111) umfasst, wobei sich an der dem Prägewerkzeug (12) zugewandten Ende der Förderschnecke eine Spritzdüse (113) befindet. Die Spritzprägemaschine weist darüber hinaus ein Prägewerkzeug (12) auf, welches aus zumindest zwei Werkzeugteilen (121/122) aufgebaut ist, und wobei die beiden Werkzeugteile relativ zueinander verfahrbar sind und eine Kavität (13) ausbilden, in die der verflüssigte thermoplastische Kunststoff (14) eingefüllt wird und dort die thermisch leitende Mikroplatte ausbildet. Eines der Werkzeugteile (121) definiert die Böden der Näpfchen, während ein anderes Werkzeugteil das von dem Näpfchenwände gebildete Volumen (122) definiert (siehe auch Aufbau der Spritzprägemaschine in Figur 1).
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen und exemplarischen angegebenen Einstellungen näher beschrieben und erläutert.
Die Verwendung sämtlicher hierin bereitgestellter Beispiele oder beispielhafter Formulierungen (z. B. "wie") soll lediglich die Erfindung besser beleuchten und schränkt den Umfang der Erfindung nicht ein, sofern nicht anders angegeben.
Die Erfindung umfasst alle Modifikationen und Äquivalente des Gegenstands, die in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt sind, soweit dies nach geltendem Recht zulässig ist. Darüber hinaus umfasst jede Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen möglichen Variationen davon die Erfindung, sofern hierin nicht anders angegeben oder durch den Kontext eindeutig widersprochen.
In einem ersten Verfahrensschritt a) wurde Polypropylen in verflüssigter Form als Schmelze (14) bereitgestellt. In einem zweiten Verfahrensschritt b) wurde das Prägewerkzeug (12) in halb geöffnetem Zustand bereitgestellt (Figur 1); das Prägewerkzeug stand auf 0,5 mm Öffnung und ein erster Anteil des verflüssigten Polypropylens, nämlich 15 g (67 Gew.-% oder ca. 2-fache erste Anteil), über die Förderschnecke (112) - welche sich 87 % des zur Einspritzung benötigten Weges hin zur Spitzdüse bewegt - mit einem ersten Spritzdruck von 900 bar in die Kavität (13) des Prägewerkzeug über einen Zeitraum von 0,25 Sekunden eingeführt (Figur 2), das Prägewerkzeug wurde geschlossen und ein Schließdruck von 800 kN ausgeübt (Figur 3). In einem anschließenden Verfahrensschritt c) wurde ein zweiphasiger Spritzgussschritt mit einem ersten zweiten Spritzdruck von 500 bar über einen Zeitraum von 9 Sekunden und dann mit einem zweiten zweiten Spritzdruck von 250 bar über einen Zeitraum von 5 Sekunden, also insgesamt 14 Sekunden durchgeführt, wobei ein zweiter Anteil verflüssigten Polypropylens, nämlich 7,5 g (33 Gew.-%), durch die Förderschnecke in das geschlossene Prägewerkzeug (im geschlossenen Zustand stand das Prägewerkzeug auf 0,3 mm Öffnung) eingeführt wird, wobei sich die Förderschnecke die restlichen 13 % des zur Einspritzung benötigten Weges bewegt (Figur 4). Nach Verfestigung des verflüssigten Polypropylens wurde das Prägewerkzeug geöffnet und in einem Verfahrensschritt d) der Mikroplattenkörper (150) für die erfmdungsgemäße thermisch leitende Mikroplatte (15) erhalten (Figur 5). Der erzeugte Mikroplattenkörper (150) wurden mittels Nieten (301) in einem Rahmenträger (300) hergestellt aus Polycarbonat fixiert.
Die erzeugten Mikroplatten weisen zusammenfassend folgende Merkmale auf: Anzahl der Näpfchen: 1536 Näpfchen; WBE = 7,4mm; WD = 3mm; WBW = 1,2mm ; BT = 0,3mm; ECTP =7, 1mm; Material des Mikroplattenkörpers Polypropylen; Material des Rahmenträgers: Poly carbonat.
In Figur 6A ist eine erfindungsgemäß erhaltene thermisch leitende Mikroplatte (15) dargestellt. Erkennbar sind die in einem Mikroplattenkörper (150) angeordneten Näpfchen (151) mit Näpfchenwänden (152), deren einzelne Näpfchenböden (153) in einer gebildeten Näpfchenbodenebene (200) liegen, wobei der Mikroplattenboden (154) eben ist. Jedes Näpfchen wird aus einer, im Querschnitt gesehen, kreisförmigen Näpfchenwand (152) gebildet, die nach oben hin in einer Näpfchenöffnung mündet und auf der gegenüberliegenden unteren Seite durch den planen Näpfchenboden (153) verschlossen und begrenzt ist. Der Mikroplattenkörper (150) ist mit Nieten (301) im Rahmenträger (300) fixiert. Figur 6B zeigt einen vergrößerten Abschnitt von Fig. 6A mit Angabe der wesentlichen Qualitätsparameter einer erfindungsgemäßen Mikroplatte (15). Oberflächen- Messungen der Gesamtplatte oder eines Plattenausschnitts von unten mittels eines Oberflächenmessgerät mit konfokalem Abstandssensor zur Bestimmung von Höhenprofilen durch einzelne Messlinien zeigen, dass das Spritzprägen zu einer Durchbiegung der Platte < 0,1mm führt. Diese geringe Durchbiegung wurde bei den Mustern der Mikroplatte nach Standard-Herstellungsverfahren (Durchbiegung > 0,3mm) nicht erreicht.
Für die Auswertung der Durchbiegung einzelner Wells wurde eine Plattenausschnitts von unten vermessen. Die Messungen zeigten, dass das Spritzprägen zu einer gleichmäßigen Bodenstruktur der Platte mit Abweichung < 10 pm führte. Diese Gleichmäßigkeit und Ebenheit wurde bei den Mustern der Mikroplatte nach Standard-Herstellungsverfahren (Abweichungen > 14 pm) nicht erreicht. Die Figuren 7 bis 10 zeigen die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Mikroplatte im Vergleich zu Mikroplatten hergestellt mit einem üblichen Spritzprägeverfahren.
Die erfmdungsgemäße thermisch leitende Mikroplatte (15) wies außerdem einen besonders ebenen Mikroplattenboden (154) insbesondere im Bereich des Angusses (155) in Figur 7 (erfmdungsgemäße Mikroplatte) als Kreis mit dunkler Innenfläche erkennbar - im Vergleich zu einer nach Standard Herstellungsverfahren Mikroplatte in Fig. 8 auf. Im Bereich zwischen dem Anguss und den Näpfchen der Mikroplatte ist eine Unebenheit verursachende Einfallstelle bei den nicht-erfindungsgemäßen Mikroplatten in Form einer Vertiefung erkennbar (vergleich Figur 7 mit Figur 8, insbesondere der Bereich zwischen 4 und 6 mm (x-Achse), und Figur 9 mit Figur 10, insbesondere der Bereich rechts vom Anguss der dunklere Bereich).
Die erfmdungsgemäße Verfahrensweise zur Herstellung einer thermisch leitenden Mikroplatte führt daher zu einer besonders stark ausgeprägten Ebenheit des Bodens (154/153) und besonders gleichmäßiger Bodendicke der thermisch leitenden Mikroplatte (15). Figur 11A und Fig. 11B zeigt eine 3D-Ansicht schräg von oben und von unten einer erfindungsgemäßen thermisch leitenden Mikroplatte (15) vernietet in einem Rahmenträger (300) dargestellt, wobei diese Mikroplatte 1536 Näpfchen (151) aufweist.
In einem weiteren Experiment wurde eine erfmdungsgemäße Mikroplatte (15) mit leeren Näpfchen auf eine Heizplatte (500) gelegt, mit einer lichtdichten Abdeckplatte (501) mit Ausnahme eines Näpfchens (151 / spl) abgedeckt und mit Hilfe einer Thermographie Kamera (600) z. B. Typ FLIR 645 sc (LWIR) und einer Beleuchtung (601) die Veränderung der Temperatur auf dem Näpfchenboden (153) aufgenommen und gemessen. Fig. 12A zeigt den Aufbau des thermographischen Experiments im Querschnitt.
Fig. 12B zeigt eine Bildaufnahme des experimentellen Aufbaus von oben aufgenommen mit der Thermographie Kamera Typ FLIR 645 sc (LWIR), wobei die Position SP1 kennzeichnet ein Näpfchen in der Mikroplatte.
Fig. 13 zeigt eine Detailaufnahme der im Näpfchen (151) durchgeführten Messung bei unterschiedlichen Temperaturen von 60°C, 80°C und 95°C sowie eine Farbskala zum Vergleich. Fig. 14 zeigt die Aufheizkurve der erfindungsgemäßen Mikroplatte (15) bei einem Aufheizen von 60°C auf 95°C über die Zeit und ihre Reproduktiv! tät. Der Anstieg beträgt bei einem Temperatursprung von nominell 35K, 20K in ca. 2s. Dieses thermischen Experiment zeigt, dass ein schneller Wärmetransport von der Heizplatte in die Mikroplatte erreicht ist.
Darüber hinaus wurde die Anwendbarkeit der erfmdungsgemäßen Mikroplatte für Real- Time PCR experimentell geprüft.
In einer erfmdungsgemäßen weißen Mikroplatte mit 1536 Näpfchen wurden beispielsweise folgende Schritte durchgeführt: Pro Näpfchen der Mikroplatte (15) wurde eine Mischung aus folgenden Lösung verwendet und in die Näpfchen (151) pipettiert:
Anschließend wurde die Mikroplatte (15) mit einer optisch klaren, permanent klebenden Folie (Applied Biosystems, 4311971) versiegelt (nicht angezeigt), die Mikroplatte (15) zentrifugiert und in einen Messgerät für Echtzeit PCR Messungen (auch PC-Messgerät genannt) gelegt.
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstelllung ein solches Messgerät umfassend 3 PCR- Blöcke Bl bis B3 zum schnellen Heizen bzw. Abkühlen der Mikroplatte gemäß eines Durchführungsprotokolls mit Heizblocken (500) und einen Bildaufnahmestation I umfassend einen Heizblock (500) und eine durchsichtige Heizplatte (501) zur Temperierung der Mikroplatte (15), sowie eine Beleuchtung (401) und eine sCMOS Kamera mit einem 35mm Fl.6 C-mount Objektiv (600‘). Die Mikroplatte (15) wird mit Hilfe eines Transportsystems schematisch mit horizontalen Pfeilen dargestellt, zwischen den PCR- Blöcke Bl bis B3 (die Nummerierung ist beliebig) und die Bildaufnahmestation I nach dem Durchführungsprotokoll bewegt.
In dem PCR-Messgerät wurde folgendes Durchführungsprotokoll verwendet: Nach einer initialen Zeit von 2 min bei 95°C folgt ein Zyklus aus 3 Temperaturschritten mit je erstens 10 Sekunden 95°C, zweitens 30 Sekunden bei 60°C und drittens 5 Sekunden 72°C. Dieser Zyklus wird 45 mal wiederholt. In jedem Zyklus wird nach dem dritten Schritt (72°C) die Platte mit Licht einer Wellenlänge von 539 nm bestrahlt/angeregt und das dann wieder emittierte Licht bei 569 nm aufgenommen/gemessen.
Übersicht der verwendeten Primer/Probe für die PCR Reaktion:
Fig. 16 zeigt ein Plot einer Messung aufgenommen mit einer sCMOS Kamera mit einem 35mm Fl.6 C-mount Objektiv, der die homogene Amplifikation über die gesamte Platte zeigt.
Die homogene Verteilung der Temperatur über die gesamte Platte zeigt den Vorteil des Herstellungsverfahrens insbesondere im Bereich des Angusses.
Weitere Vergleiche von 1536-WeII-PIattenkörper, die mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren hergestellt wurden:
Verglichen wurden 1536 Well-Plattenkörper hergestellt durch klassisches Spritzprägen, Standardspritzgießen und bzw. das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der Form aus Fig. 1.
Für alle Herstellungsprozesse wurde Polypropylen in verflüssigter Form als Schmelze bereitgestellt. Die Schmelze wurde in die Kavität (13) der Form/des Prägewerkzeugs eingeführt mit dem unten aufgeführten Parameter. Nach Verfestigung des verflüssigten Polypropylens wurde das Prägewerkzeug geöffnet und der Mikroplattenkörper erhalten.
Für das Spritzprägen des Plattenkörpers wurde die Schmelze in die Kavität (13) des nicht völlig geschlossenem Prägewerkzeugs mit folgenden Parameter eingeführt: 950 kN Haltekraft, Einspritzzeit von 0,3 s, Umschaltpunkt von 10,61 mm und Einspritzgeschwindigkeit 106,1 mm/s.
Für das Standardspritzgießen wird die Schmelze mit ähnlichen Parameter in eine dafür geeignete Form eingeführt. Erfahrungsgemäß beträgt die erreichbare Bodendicke solcher Platten jedoch mindestens 0,6 mm; solche Platten sind aufgrund ihrer unzureichenden ärmeübertragung nicht für qPCR-Experi mente geeignet.
Die erfmdungsgemäße Platte wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren bereitgestellt.
Topographische Messungen der Unterseite der jeweiligen Plattenkörper wurden mit Hilfe eines Weißlichtinterferometers bei Raumtemperatur durchgeführt. Weißlichtinterferometrie ist eine berührungslose optische Messmethode, welche die Interferenz breitbandigen Lichts (Weißlicht) ausnutzt und so 3D-Profilmessungen von Strukturen mit Abmessungen zwischen einigen Zentimetern und einigen Mikrometern erlaubt. Weißlichtinterfeometrie wird häufig in zur Vermessung (Qualitätsprüfung) von Wafern verwendet.
Jedes der Messobjekte wurde in das Weißlichtinterferometer platziert und gemessen.
Der effektive Bereich bei der Weißlichtinterferometrie betrug etwa 80 mm x 120 mm.
Die Figuren 17a und 17b zeigen in Abhängigkeit von der Position des Messobjektes für jedes einzelne Pixel ein Interferenzsignal erhalten durch den CCD-Sensor des Messgeräts. Fig. 18 zeigt die jeweilige Wölbung der Platten an verschiedenen Punkten der jeweiligen Referenzprofile Pa bzw. Pb abgeleitet nach der Methode aus dem Stand der Technik auf Basis des gemessenen Werte für die jeweiligen Pixels.
Die im klassischen Spritzprägeverfahren hergestellte Platte zeigt ein Interferenzsignal, das teilweise außerhalb des Messbereichs liegt (grauer Bereich, Fig. 17a). Die Platte zeigt im messbaren Bereich eine allgemeine Wölbung von etwa 0,35 mm (Fig. 18, Profil Pa).
Alle Interferenz signale der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Platte liegen im Messbereich (Fig. 17b); diese Platte zeigt eine verbesserte Ebenheit von ca. 0,15 mm (Fig. 18, Profil Pb).
Ebenheit und Wölbung können sogar durch Kompression der zwei-teiligen Platte 15 zwischen zwei Heizplatten (500, 501) während der Nutzung bei einer Temperatur von 95 °C in einem Gerät nach Fig. 5 weiter verbessert werden.
Ein geringer Plattenverzug ist für den qPCR-Prozess unerlässlich, da er einen zuverlässig engen Kontakt zwischen Plattenboden und Wärmequelle ermöglicht.
Messungen zur Einfallstelle am Anspritzpunkt:
Fig. 19a und Fig. 19b zeigen Weißlichtinterferometrie Messung um den Anspritzpunkt herum, jeweils für die Platten hergestellt nach dem Spritzprägeverfahren, bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Fig. 20 zeigt die entsprechenden Profile am Anspritzpunkt auf die jeweiligen Positionen Pa bzw. Pb. Für die Weißlichtinterferometrie Messung von der Plattenunterseite um den Anspritzpunkt (Fig. 19a, 19b) wurde ein Wirkbereich von 8 mm x 8 mm definiert. Für zuverlässige qPCR- Ergebnisse müssen alle Wells eine vergleichbare Leistung zeigen. Die ausgeprägten Einfallstellen am Anspritzpunkt innerhalb der mit klassischem Spritzpressen hergestellten qPCR-Platte führen zu einem ungleichmäßigen Kontakt zwischen Plattenunterseite und Wärmequelle. Falsche oder zumindest verzögerte Signalstärke bei der qPCR ist die Folge.
Messungen der Ebenheit innerhalb der Näpfchen
Fig. 21a und Fig. 21b zeigen Weißlichtinterferometrie Messungen der Ebenheit innerhalb der Näpfchen, jeweils für die Platten hergestellt nach dem Spritzprägeverfahren, bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Fig. 22 zeigt die entsprechenden Profilmessungen der Ebenheit innerhalb der Näpfchen, auf die jeweiligen Referenzprofile Pa bzw. Pb.
Zur Messung wurde ein 7 mm x 9 mm großer Abschnitt in jeder Platte vom Plattenboden aus gemessen. In den Figuren 21a und Fig. 21b sind die Weißlichtinterferometrie Messungen der gemessenen Platten dargestellt.
Der Näpfchenboden in der Platte, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, ist mit einer Abweichung unter 10 pm ebener als der Näpfchenboden der durch das klassische Spritzprägeverfahren hergestellte Platte.
Für verlässliche qPCR-Ergebnisse müssen alle Näpfchen/Wells eine vergleichbare Leistung zeigen. Die ausgeprägte Abweichung des Well-Bodens bei durch klassisches Injektionskomprimieren hergestellten Platten führt zu einer ungleichmäßigen Wärmeübertragung zwischen Platte und Wärmequelle. Falsche oder zumindest verzögerte Signalstärke in der qPCR ist die Folge.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer thermisch leitenden Mikroplatte (15) aus thermoplastischem Kunststoff (14), umfassend einen Mikroplattenkörper (150) mit mindestens 96 in dem Mikroplattenkörper (150) angeordneten Näpfchen (151), wobei der Mikroplattenkörper (150) einen ebenen Mikroplattenboden (154) aufweist und jedes Näpfchen (151) mindestens eine Näpfchenwand (152) und einen planen, auf einer allen Näpfchenböden (153) gemeinsamen Näpfchenbodenebene (200) ausgerichteten Näpfchenboden (153) mit einer Bodendicke von höchstens 1000 pm aufweist, wobei das Verfahren umfasst das a) Bereitstellen von verflüssigtem thermoplastischem Kunststoff (14), b) Durchführen eines Spritzprägeschrittes in einer Spritzprägemaschine (1), umfassend eine Spritzeinheit (11) mit einer Förderschnecke (112) und ein zur Ausbildung des Mikroplattenkörpers (150) geeignetes Prägewerkzeug (12), unter Einführen eines ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischem Kunststoffes (14) durch die Förderschnecke (112) in das zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug (12) unter einem ersten Spritzdruck, Schließen des Prägewerkzeugs (12) unter Ausüben eines Schließdrucks auf den thermoplastischen Kunststoff (14), c) anschließendes Durchführen eines Spritzgußschrittes unter Einführen eines zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes (14) durch die Förderschnecke (112) in das geschlossene Prägewerkzeug (12) unter einem zweiten Spritzdruck und d) Erhalten des Mikroplattenkörpers (150).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Spritzdruck 700 bis 1100 bar beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Spitzdruck 200 bis 700 bar beträgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schließdruck 600 bis 1000 kN beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoplastische Kunststoff (14) bei mindestens 120 °C stabil ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoplastische Kunststoff (14) Polypropylen oder COC ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoplastische Kunststoff kein wärmeleitfähigkeitsverstärkendes Medium enthält.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikroplattenkörper (150) in einem Rahmenträger (300) angeordnet ist, insbesondere verschweißt, verklebt oder vernietet wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Masseverhältnis von dem ersten Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs (14) zu dem zweiten Anteil des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffs (14) von 0,5 bis 2,5, insbesondere 1 bis 2, insbesondere 2 erster Anteil zu 1 zweiter Anteil beträgt.
10. Thermisch leitenden Mikroplatte (15) aus thermoplastischem Kunststoff, umfassend einen Mikroplattenkörper (150) mit einem Mikroplattenboden (154) und mindestens 96 in dem Mikroplattenkörper angeordneten Näpfchen (151), wobei jedes Näpfchen (151) durch einen Näpfchenwand (152) und einen planen Näpchenboden (153) definiert ist, wobei der Mikroplattenboden (154) eben ist, alle Napfböden (153) auf einer Näpchenbodenebene (200) ausgerichtet sind, und der Mikroplattenkörper (15) zwischen der Näpchenbodenebene (200) und dem Mikroplattenboden (154) eine Bodendicke von höchstens 1000 pm aufweist.
11. Thermisch leitenden Mikroplatte (15) nach Anspruch 10, wobei der thermoplastische Kunststoff kein wärmeleitfähigkeitsverstärkendes Medium enthält.
12. Thermisch leitenden Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoplastische Kunststoff (14) Polypropylen oder COC ist.
13. Thermisch leitenden Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikroplattenkörper (150) in einem Rahmenträger (300) angeordnet ist, insbesondere mit diesem verschweißt, verklebt oder vernietet ist.
14. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikroplattenkörper (150) mittels des folgenden Verfahrens herstellbar ist: a. Bereitstellen von verflüssigtem thermoplastischem Kunststoff (14), b. Durchführen eines Spritzprägeschrittes in einer Spritzprägemaschine (1), umfassend eine Spritzeinheit (11) mit einer Förderschnecke (112) und ein zur Ausbildung des thermisch leitenden Mikroplattenkörper (150) geeignetes Prägewerkzeug (12), unter Einführen eines ersten Anteils des verflüssigten thermoplastischem Kunststoffes (14) durch die Förderschnecke (112) in das zumindest teilweise geöffnete Prägewerkzeug (12) unter einem ersten Spritzdruck, Schließen des Prägewerkzeugs (12) unter Ausüben eines Schließdrucks auf den thermoplastischen Kunststoff (14), c. anschließendes Durchführen eines Spritzgußschrittes unter Einführen eines zweiten Anteils des verflüssigten thermoplastischen Kunststoffes (14) durch die Förderschnecke (112) in das geschlossene Prägewerkzeug (12) unter einem zweiten Spritzdruck und d. Erhalten des thermisch leitenden Mikroplattenkörper (150).
15. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mikroplattenkörper (150) und / oder der Rahmenträger (300) deckend eingefärbt ist.
16. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch leitende Mikroplattenkörper (150) und / oder der Rahmenträger (300) schwarz oder weiß deckend eingefärbt ist.
17. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Näpfchen (151) jeweils ein Innenvolumen von höchstens 10 pl, insbesondere 0,3 bis 6 pl, insbesondere 0,5 bis 4 pl, insbesondere 4 pl, insbesondere 1 fj.1, aufweisen. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch leitende Mikroplatte (15) keine Proteine bindet. Thermisch leitende Mikroplatte (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermisch leitende Mikroplatte eine Höhe von 2 bis 5 mm aufweist.
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