ES2340398T3 - Fabricacion de estructuras de polimeros. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de fabricación de una estructura o patrón que comprende un material polimérico sobre un sustrato, que comprende (a) proporcionar un sustrato; (b) proporcionar una fase líquida que comprende un material polimerizable en contacto con una superficie de dicho sustrato; (c) dirigir un haz de radiación que golpee sobre dicha superficie en la interfaz de substrato/fase líquida para causar el calentamiento localizado del sustrato y así iniciar la polimerización adyacente al sitio irradiado; y (d) hacer que el haz explore en un patrón predeterminado, iniciando así la polimerización en un patrón correspondiente.
Description
Fabricación de estructuras de polímeros.
La presente invención describe ampliamente la
fabricación de estructuras poliméricas controladas espacialmente
utilizando un haz de partículas o radiación. Las estructuras
resultantes encuentran uso en una variedad de aplicaciones de
sensores y electroforéticas, incluyendo ensayos clínicos, cribado
de alto rendimiento para genomas, aplicaciones proteómicas y
farmacéuticas, diagnósticos in vitro inmediatos, análisis
genético molecular y diagnósticos de ácido nucléico, separaciones
celulares, e investigaciones en biología en general, cribado de
alto rendimiento de materiales para separación y catálisis.
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La tecnología de fabricación de micromatrices se
ha desarrollado recientemente, basada en el depósito de una
cantidad discreta de materiales mediante un dispositivo de
manipulación robótica. En este enfoque, una matriz de mezcla de
pre-polimerización líquida que comprende monómero
líquido que se puede combinar con otro(s)
monómero(s),
solvente, iniciador, compuesto(s) químico(s) y bioquímico(s), el polímero disuelto se deposita primero sobre un sustrato y luego se polimeriza in situ mediante la exposición de la matriz a las condiciones de iniciación. Este enfoque adolece de la dificultad de mantener la integridad de los materiales depositados antes de la exposición a las condiciones de iniciación, que tiene grandes consecuencias sobre la calidad de las estructuras poliméricas resultantes. La evaporación, el efecto de la presencia de oxígeno, las propiedades de la superficie del sustrato, la cantidad que se puede depositar y las formas de las estructuras que se pueden fabricar, todo afecta a la calidad y a la cantidad de material depositado, lo que hace muy difícil su control.
solvente, iniciador, compuesto(s) químico(s) y bioquímico(s), el polímero disuelto se deposita primero sobre un sustrato y luego se polimeriza in situ mediante la exposición de la matriz a las condiciones de iniciación. Este enfoque adolece de la dificultad de mantener la integridad de los materiales depositados antes de la exposición a las condiciones de iniciación, que tiene grandes consecuencias sobre la calidad de las estructuras poliméricas resultantes. La evaporación, el efecto de la presencia de oxígeno, las propiedades de la superficie del sustrato, la cantidad que se puede depositar y las formas de las estructuras que se pueden fabricar, todo afecta a la calidad y a la cantidad de material depositado, lo que hace muy difícil su control.
Las matrices de polímeros pueden formarse usando
fotomáscaras (EP1331516). Este procedimiento es similar a la
fabricación de circuitos integrados. La luz es aplicada a través de
una máscara que tiene un patrón de imagen predefinido que conduce a
la iniciación en la polimerización en determinadas regiones de un
sustrato, pero no en otras. El sustrato puede incluir sólidos, tal
como silicio, vidrio, cuarzo y polímeros. La fabricación de una
matriz de componentes múltiples, en general, requiere el uso de
múltiples variedades de máscaras, que no siempre es conveniente.
Además, este planteamiento adolece de las limitaciones mencionadas
anteriormente.
Según otro enfoque, la fotolitografía óptica
directa se puede realizar con un haz óptico sin el uso de
fotomáscaras (US 6.480.324). Los patrones de luz son generados por
un modulador espacial de luz controlado por un ordenador, en lugar
de ser definidos por un patrón sobre una fotomáscara. Aquí cada
píxel se ilumina con un haz óptico de intensidad adecuada y la
proyección de imagen (impresión) de una característica individual de
un sustrato se determina de forma dinámica mediante el control del
ordenador. La presente invención emplea una matriz programable de
microespejo, que juega un papel esencialmente similar a fotomáscara.
Se centra alrededor del desarrollo de matrices de ácido nucleico y
también implica la fotoquímica. Muchos de los compuestos que son
potencialmente útiles para la fabricación de matrices de polímeros
son fotosensibles y pueden descomponer ante la iluminación.
El documento US 6 214 276 describe un
procedimiento para la fabricación de un patrón de material
polimérico en un sustrato en el que un haz de la radiación es
absorbido directamente en la solución líquida polimerizable para
iniciar la polimerización.
Una realización preferida de la invención puede
proporcionar un procedimiento de fabricación que evita o reduce las
limitaciones antes mencionadas a fin de producir estructuras
poliméricas modeladas. Así, la invención proporciona un
procedimiento de fabricación de una estructura o un patrón que
comprende un material polimérico sobre un sustrato, que comprende
(a) proporcionar un sustrato, (b) proporcionar una fase líquida que
comprende un material polimerizable en contacto con una superficie
de dicho sustrato, (c) dirigir un haz de radiación para incidir
sobre dicha superficie en la interfaz de fase substrato/líquida con
el fin de causar el calentamiento localizado del sustrato y de ese
modo para iniciar la polimerización adyacente al sitio irradiado, y
(d) hacer que el haz inspeccione en un patrón predeterminado,
iniciando así la polimerización en un patrón correspondiente. NB:
La referencia de causar que el haz para "escanear" significa
que se hace pasar por la superficie de forma controlada que
corresponde a un patrón deseado, que puede ser continuo o
discontinuo (o ambos en diferentes regiones).
El haz es preferiblemente un rayo láser,
especialmente un rayo láser de infrarrojos.
Las estructuras poliméricas espacialmente
controladas se fabrican utilizando un rayo láser, preferentemente
una láser de CO_{2} generador de calor por infrarrojos, que inicia
la polimerización en las áreas pre-determinadas de
la superficie. Las estructuras de polímeros se crean en una
superficie del sustrato, dirigiendo el rayo láser de acuerdo a un
patrón predeterminado. En consecuencia, la invención proporciona un
medio para crecer, más que para depositar, polímeros de las formas
deseadas a partir de una mezcla de
pre-polimerización en la fase líquida en un
sustrato según sea predeterminado por el usuario. Los dispositivos
de sujeción encuentran uso en una variedad de aplicaciones de
sensores y electroforesis, entre ellas ensayos clínicos, detección
de alto rendimiento de aplicaciones genómicas, proteómicas y
farmacéuticas, diagnóstico inmediato in vitro, análisis
genético molecular y diagnósticos de ácido nucléico, separaciones de
la célula, y de investigadores en biología en general, cribado de
alto rendimiento de materiales para la separación y catálisis.
Una realización preferida de la invención será
ahora descrita con referencia a los dibujos acompañantes.
La Figura 1 muestra un esquema de la realización
de la invención;
La figura 2 muestra una realización alternativa
de la invención;
La figura 3 es una fotografía de una matriz de
25 puntos de polímero fabricado de acuerdo con una realización de
la invención, tal como se muestra en la Figura 1;
La figura 4 es una fotografía de un punto
individual.
La primera realización de la presente invención
describe la realización de la deposición de polímeros utilizando un
láser de infrarrojos con sistema de barrido galvanómetro láser
electromecánico. La puesta a punto consiste en un depósito 2 que
contiene una solución 3 punto, con una mezcla de monómero(s)
con el iniciador disuelto en un disolvente apropiado. La mezcla de
monómero está en contacto con una lámina delgada 1 de un sustrato.
Normalmente, el sustrato cubre el depósito, y un rayo láser 4 se
aplica desde arriba (4).
El rayo láser es generado por un láser
infrarrojo CO_{2} 10 y pasa a un espejo móvil 12, movido por un
motor 14 controlado por un ordenador 16. El diagrama es muy
esquemático, en la práctica se utilizó un producto comercial, un
marcador láser FENIX (SYNRAD, Inc., Wisconsin, EE.UU.), con un láser
CO_{2} 30 W y un espejo de detección de X. El rayo láser 4 se
dirige a pasar a través el sustrato (1) siguiendo un patrón diseñado
por el usuario. Se calientan localmente zonas del sustrato. El
iniciador en las proximidades de estas zonas en la superficie
inferior del sustrato se descompone, iniciando la polimerización. El
crecimiento de estructuras de polímero 5 depende de factores como
la intensidad del haz, tiempo de exposición, y propiedades del
sustrato y su superficie.
En algunas realizaciones de la presente
invención las propiedades del sustrato y/o la longitud de onda y/o
la intensidad del haz de láser se adaptan con procedimientos bien
establecidos en la materia, para permitir un mayor control sobre la
adhesión de polímeros, morfología y tiempo de polimerización. Así,
la superficie del sustrato puede ser opcionalmente modificada con
un compuesto polimerizable o con moléculas iniciadoras
inmovilizadas para promover el crecimiento y la adherencia del
polímero.
En algunas realizaciones, el iniciador no está
presente en la solución y se utiliza sólo en forma inmovilizada.
La mezcla de pre-polimerización
puede contener uno o varios monómeros y combinarse con solventes,
iniciadores de polimerización, polímeros disueltos, bioquímicos
naturales o sintéticos y compuestos químicos.
Un depósito para sujetar de la mezcla puede ser
de silicio, vidrio, metal, plástico, cerámica o una combinación de
éstos. La cavidad que contiene una mezcla de
pre-polimerización se puede vaciar y volver a llenar
con la mezcla de pre- polimerización de diferentes composiciones
para permitir la fabricación de una matriz de estructuras de
naturaleza, composición y propiedades diferentes.
En otras realizaciones de la invención, la
energía se aplicará para iniciar la polimerización en diferentes
maneras, incluyendo el uso de la luz (por ejemplo, un láser
excimer), iones focalizados, partículas, rayos X y haces de
electrones. El patrón puede ser modificado mediante el enfocado
adicional y la reorientación de la energía aplicada.
En algunas realizaciones de la invención, la
mezcla de monómero contiene moléculas de plantilla que se extraen
de las estructuras de polímero formadas creando cavidades
imprimibles capaces de reconocimiento selectivo, señalización o
catálisis. El desarrollo de estos materiales (polímeros
molecularmente impresos) es un proceso bien establecido.
Dependiendo de la aplicación, monómero(s)
funcional(es) y/o la plantilla pueden contener etiquetas
fluorescentes (reporteras) que permitirán la detección de compuestos
objetivo. La aplicación de etiquetas fluorescentes y sondas
sensibles ambientales es bien conocida en la técnica.
La invención también se ocupa de la aplicación
de las estructuras poliméricas espacialmente controladas fabricadas.
Estos dispositivos pueden ser utilizados en una variedad de
aplicaciones, incluyendo, por ejemplo, pruebas de detección de alto
rendimiento en el descubrimiento de fármacos, inmunoensayos,
diagnóstico, análisis genético, y similares. En otro aspecto las
estructuras (matrices) se utilizarán como componentes de sensores,
laboratorio en chip para la realización de experimentos químicos
y/o biológicos y como plataforma de investigación para el estudio y
la optimización de la separación, reconocimiento molecular y
procesos catalíticos.
La presente invención será ahora más
particularmente descrita con referencia a los siguientes ejemplos no
limitativos.
1. Desarrollo de la matriz de polímero
"superior". Este aparato utilizado como se muestra en la figura
1. La mezcla de pre-polimerización consistió en los
monómeros de ácido metacrílico (MAA) y
2-vinilpiridina (2-VyP), el
etilenglicol dimetacrilato de reticulado (EGDMA), el porogen poli
(vinil acetato) (PVA), y el iniciador azobisisobutironitrilo
(AIBN), todos disueltos en acetonitrilo. El sustrato (1) fue un
cubreobjetos de microscopio de vidrio borosilicato. El láser
empleado fue un LASER infrarrojo CO_{2} (\lambda=1066 nm) y fue
programado para escanear repetidamente 25. puntos en forma de
pulsos láser, organizados en una matriz de 5 por 5 puntos. En este
ejemplo particular, el calor local fue generado en la superficie del
sustrato (1) ya que el borosilicato no es transparente a la luz
infrarroja. Los pulsos de calor generados localmente durante cada
pulso de láser iniciaron el proceso de polimerización y produjeron
puntos como los que se muestran en la Figura 3. La imagen ampliada
de un solo punto se presenta en la Figura 4.
2. Desarrollo de la matriz de polímero
"inferior". Este aparato utilizado como se muestra en la figura
2. La mezcla de pre-polimerización era la misma que
en el Ejemplo 1. El aparato fue básicamente el mismo, excepto que
la capa de cubierta de 21 fue de un material sustancialmente
transparente a la radiación láser, en este caso un cristal haluro
de plata de 3 mm de espesor (AgCl_{x}Br_{1-x}).
Como anteriormente, el láser se programó para escanear
repetidamente 25 puntos como pulsos láser, organizados en una matriz
de 5 por 5 puntos. En este ejemplo, el calor local y se generó en
la parte inferior del depósito, en una capa de sustrato 22. Así, el
patrón de polímero se generó allí.
Los materiales para uso como capas de cobertura
y/o sustratos inferiores incluyen vidrio, plástico, metal,
cerámica, cuarzo, cerámica, haluro de plata
(AgCl_{x}Br_{1-x} y combinaciones de estos. Si
la invención es para producir una matriz sobre una capa de fondo,
entonces claramente la capa de cobertura debe ser al menos
parcialmente transparente a la radiación. Todavía puede calentarse
de manera significativa si se hace uso de iniciador revestido sobre
la capa de fondo en lugar de estar en solución. Por supuesto, el
"sustrato inferior" no tiene por qué ser el fondo del
depósito, pero podría ser un elemento de material en hoja colocada
en el depósito.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto
el máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al
respecto.
\vskip1.000000\baselineskip
\bullet US 6656668 B [0002]
\bullet US 6480324 B [0002] [0005]
\bullet US 0028804 A1 [0002]
\bullet US 6544698 B [0002]
\bullet US US2003186140 A [0002]
\bullet EP 1331516 A [0002][0004]
\bullet US 6214276 B [0006]
Claims (14)
1. Procedimiento de fabricación de una
estructura o patrón que comprende un material polimérico sobre un
sustrato, que comprende (a) proporcionar un sustrato; (b)
proporcionar una fase líquida que comprende un material
polimerizable en contacto con una superficie de dicho sustrato; (c)
dirigir un haz de radiación que golpee sobre dicha superficie en la
interfaz de substrato/fase líquida para causar el calentamiento
localizado del sustrato y así iniciar la polimerización adyacente
al sitio irradiado; y (d) hacer que el haz explore en un patrón
predeterminado, iniciando así la polimerización en un patrón
correspondiente.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que dicho haz es un haz de luz visible, infrarrojos,
ultravioleta, rayos X, iones, partículas o electrones.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que el haz es un haz láser.
4. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que el haz es IR.
5. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que el haz se dirige a través del substrato a la
interfaz y genera calor por la interacción con el sustrato.
6. Procedimiento según con cualquier
reivindicación anterior, en el que dicho rayo es un rayo láser
infrarrojo.
7. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que dicha fase líquida es una solución que
comprende monómeros polimerizables.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que la solución contiene un iniciador de polimerización.
9. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que dicha superficie soporta moléculas iniciadoras
inmovilizadas.
10. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que dicha superficie soporta material polimerizable
inmovilizado.
11. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que la etapa de exploración emplea un espejo móvil
controlado por ordenador.
12. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que después de la etapa (d), la fase líquida se
sustituye por una fase líquida diferente y las etapas (c) y (d) se
repiten para depositar un segundo material polimérico
diferente.
13. Procedimiento según cualquier reivindicación
anterior, en el que dicha fase líquida contiene moléculas de
plantilla y, después de la etapa (d) las moléculas de plantilla se
retiran del polímero para formar cavidades impresas.
14. Proceso que comprende la fabricación de una
estructura o un patrón mediante un procedimiento según cualquier
reivindicación anterior y a continuación utilizar la estructura o
patrón fabricado en un proceso seleccionado a partir de ensayos de
cribado de alto rendimiento para el descubrimiento de fármacos,
inmunoensayos, diagnóstico, análisis genético, o como componente de
sensor, laboratorio en chip para la realización de experimentos
químicos y/o biológicos o como plataforma de investigación para el
estudio y la optimización de separación, reconocimiento molecular o
procesos catalíticos.
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