WO2005049479A2 - Oberfläche mit einer anordnung einer vielzahl säulenförmiger erhebungen und deren anwendungen - Google Patents

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WO2005049479A2
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Joachim Spatz
Stefan Graeter
Wouter Roos
Jens Ulmer
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Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
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    • G01N2013/0216—Investigating surface tension of liquids by measuring skin friction or shear force

Definitions

  • the present invention relates to objects which have at least one microstructured surface area with an arrangement of a plurality of columnar elevations.
  • the present invention relates in particular to objects of this type which are designed as sensors for determining forces, and to a measuring arrangement which comprises such a sensor.
  • Microstructures in the ⁇ m and nm range are of interest for a variety of applications, e.g. for electronic and optical components, sensors etc. In addition, they often have unusual surface properties. So the one by Barthlott et al. (Biology in our time, 28, pp. 314-322) described lotus effect on the interaction of the macroscopic properties of the surface, i.e. their chemical composition, and the microstructure of the surface. Yoshimitsu et al. (Langmuir 18 (2002) pp. 5818-5812) describe a surface with an arrangement of columns with a thickness of approximately 50 ⁇ m and a height of approximately 148 ⁇ m. Water drops have a contact angle> 150 ° on these surfaces.
  • Microstructured surfaces have been used in various ways in the sense of sensors to determine the forces exerted by isolated cells on surfaces.
  • N.Q. Balaban et al. (Nature Cell Biology, Vol. 3 (2001) p. 466 to p. 472) the use of a microstructured surface with a large number of regular columns made of polydimethylsiloxane, which have a rectangular base with a dimension of 0.4 ⁇ m x 0.4 ⁇ m and have a height of 0.3 ⁇ m to determine the forces exerted by cardiac fibroblasts and cardiac myocytes on surfaces.
  • the present invention has for its object to provide an object with a microstructured surface that allows a localized determination of very small mechanical forces, in particular forces ⁇ 1 nN.
  • the object should permit a two-dimensional, ie flat, investigation of small forces from a comparatively large distance, in order to enable the investigation of aerodynamic or hydrodynamic effects, in particular the analysis of shear stress fields.
  • a microstructured surface or a microstructured surface area arranged on an object which is characterized by an arrangement of a plurality of columnar elevations which have a length L and a cross-sectional area A and which are made of an elastically deformable material are constructed, the length, which have at least 90% of the columnar elevations (Z 90 value), being at least 5 ⁇ m, and the relation I applies to at least 90% of the columnar elevations:
  • the present invention relates to objects which have at least one such surface or a surface area.
  • the invention relates in particular to such an object in the form of a sensor for determining forces, in particular forces ⁇ 1 nN, or for the two-dimensional determination of forces over a greater distance and especially for the investigation of two-dimensional shear stress fields in gas or liquid flows.
  • surface or “surface area” stands for a macroscopic surface area on the surface of an object.
  • the microstructured surface area according to the invention can make up the entire surface of the object or a part thereof.
  • the surface area will generally have an extent of at least 0.1 mm 2 , often at least 1 mm 2 , preferably at least 1 cm 2 .
  • the extension can also be much larger, for example 1 m 2 or more.
  • Microstructure and “microstructured” mean that the columnar elevations, also referred to here as pillars, have dimensions in the micrometer range as well as the distances between adjacent columnar elevations.
  • columnar elevation stands for a regular, elongated elevation, the thickness of which is largely constant, generally over a range of at least 80% of its length, ie in this area not more than 20% and in particular does not deviate more than 10% from the average thickness in this area.
  • the columnar elevation can, however, also have an arbitrarily shaped thickening at its base and apex, for example a spherical, cuboid, pyramidal or bowl-shaped or plate-shaped thickening.
  • the shape of the column is of minor importance, ie the shape of the cross-sectional area is basically arbitrary and can be, for example, polygonal, for example triangular, quadrangular, for example rectangular or in particular square, hexagonal, or round, for example circular or elliptical.
  • the cross-sectional area is preferably regular, ie the minimum diameter or the smallest side bisector differs from the maximum diameter or the largest side bisector by less than 50%.
  • the columns preferably have a circular or elliptical geometry.
  • thickness here stands for the square root of the cross-sectional area A and thus corresponds to about 1.2 times the diameter of the column in the case of a column with a circular cross-section and the square mean of the edge length of the cross-sectional area in the case of a column with a rectangular cross-section.
  • Arrangement means the geometrical arrangement of the columns on a base area, the majority of the columns, usually at least 90% isolated from one another, being arranged on a base area.
  • the columns are usually arranged perpendicular to the surface, with deviations of up to 20 °, in particular up to 10 °, also to be included.
  • the arrangement can be regular or irregular. Regular arrangements are preferred, i.e. the individual distance between two neighboring columns will usually not deviate more than 10% from the mean value of this distance. Examples of regular arrangements include those in the sense of a hexagonal area grid as well as those in the sense of a tetragonal, in particular a square area grid.
  • the height or length which have at least 90% of the columns of a surface area according to the invention, is at least 5 ⁇ m, in particular at least 10 ⁇ m, advantageously at least 15 ⁇ m and can be up to 200 ⁇ m. It will often not exceed a value of 150 ⁇ m and in particular 100 ⁇ m.
  • the thickness, ie square root of the cross-sectional area A, which has at least 90% of the columns of a surface area, is generally in the range from 0.1 ⁇ m to 40 ⁇ m and in particular in the range from 1 to 15 ⁇ m.
  • the dimensions and geometry of the columns are preferably uniform, ie the individual length of a column will generally not deviate by more than 20% and preferably not more than 10% from the mean of the length of the columns. The same applies to the thickness VA.
  • the ratio of length to thickness will not exceed a value of 100, in particular 80 and especially 50.
  • the distance between adjacent columns of a surface area is usually not less than 0.1 ⁇ m, in particular 0.5 ⁇ m, and especially 1 ⁇ m in 90% of all columns, and usually a value of 200 ⁇ m, often 100 ⁇ m and in particular not exceed 50 ⁇ m.
  • the columns are constructed from an elastically deformable material.
  • the elastically deformable material is preferably an elastomeric polymer.
  • the elastically deformable material has an elastic modulus of no more than 10 7 N / m 2 , and in particular no more than 10 6 N / m 2 . As a rule, the elastic modulus will not fall below a value of 10 2 N / m 2 in order to ensure sufficient stability of the columns.
  • Elastomeric materials with such elasticity modules are known to the person skilled in the art and can be found in the literature, for example from J. Brandrup, EH Immergut (editor) "Polymer Handbook", 3rd edition, Wiley, New York 1989.
  • suitable elastically deformable materials Polystyrenes, polyalkyl methacrylates such as polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate and copolymers of alkyl methacrylates with alkyl acrylates and / or styrene, epoxy resins and polyurethane resins, in particular those which are used as lacquers / photoresists for photolithographic methods, are based on polymers.
  • the elastically deformable material is a crosslinked polydialkylsiloxane, in particular one Polydimethylsiloxane.
  • alkyl and alkoxy stand for linear or branched alkyl or alkoxy groups with 1 to 4 carbon atoms, such as methyl, ethyl, n-propyl, isopropyl, n-butyl, 2-butyl, methoxy, ethoxy, n-propoxy , iso-propoxy, n-butoxy, 2-butoxy, iso-butoxy, etc.
  • Polydialkylsiloxanes are known from the prior art and are obtained by condensation of dialkyldialkoxysilanes such as dimethyldiethoxysilane or their oligomers with suitable crosslinking agents, usually trialkoxyalkylsilanes and / or tetralkoxysilanes such as tetraethoxysilane, optionally in the presence of suitable condensation aids, for example acids or organic anhydrides such as acetic anhydride.
  • suitable condensation aids for example acids or organic anhydrides such as acetic anhydride.
  • Mixtures of dialkyldialkoxysilanes and tetralkoxysilanes are generally liquid and cure under the action of moisture and / or at elevated temperature in the presence of the condensation aids to form the crosslinked polydialkylsiloxane. Mixtures of this type are known and their constituents and ready-to-use formulations can be purchased commercially, for example under the trade name Sylgard® from Dow Corning.
  • the elastically deformable material is a cross-linked epoxy resin.
  • the elastically deformable material is a polymer based on ethylenically unsaturated monomers, for example a polyalkyl methacrylate, e.g. polybutyl methacrylate or polymethyl methacrylate, or a copolymer based on alkyl methacrylates such as butyl methacrylate or methyl methacrylate with copolymerizable monomers, e.g. (Cyclo) alkyl acrylates such as ethyl acrylate, butyl acrylate, cyclohexyl acrylate, vinyl aromatics such as styrene, furthermore acrylonitrile and the like.
  • a microstructured surface according to the invention can be produced, for example, by the method specified below.
  • a negative image of the surface will first be created in a first solid material (step a).
  • the material treated in this way has a large number of deep holes, the depth of which corresponds to the length of the columns and the cross-sectional area of which corresponds to the cross-sectional area A of the columns.
  • the negative image serves as a mold for the production of the microstructured surface.
  • a liquid monomer or prepolymer is added to the mold thus obtained, so that the holes in the casting mold are completely filled and the liquid monomer or prepolymer forms a closed layer (step b).
  • the liquid monomer / prepolymer is then cured, forming the elastically deformable material from which the columns are constructed (step c).
  • the polymer film thus obtained is removed from the mold (step d).
  • the casting mold can be produced by means of conventional techniques for producing holes with dimensions in the ⁇ m range, for example by means of photo or electrical Rone beam lithography, by reactive ion etching (RIE), by electrochemical etching or similar processes. These processes produce holes with a diameter between 100 nm and 50 ⁇ m and a depth of up to 200 ⁇ m in a substrate.
  • the substrate material for producing the casting mold can be an organic polymer, for example based on a polyalkyl methacrylate, for example polymethyl methacrylate, a crosslinked epoxy resin or a metal or semimetal such as single-crystal silicon, for example a silicon [001] wafer. If the material forming the casting mold is an organic polymer, this can be arranged on a carrier, for example glass, metal, silicon and the like.
  • Preferred organic polymers for producing the casting mold are, in particular, negative resists, for example those based on epoxy resins. Suitable organic polymers for producing the casting mold are also positive resists, for example based on polyalkyl methacrylates.
  • a liquid composition comprising one or more prepolymers or monomers or a mixture of monomer and prepolymer is then added to the mold.
  • the liquid composition can additionally also contain catalysts, initiators or other crosslinking agents by means of which curing is accelerated.
  • the mold will be pretreated beforehand in order to achieve easier detachment of the mold and polymer film in step d.
  • pretreatment measures include making the mold hydrophobic, e.g. by equipping the surface with organofluorine groups, for example by treatment with fluoroalkyIsil (ox) anenes, and hydrophilizing the mold, e.g. by equipping the surface of the mold with OH or COOH groups, e.g. by treatment in oxygen plasma.
  • all organic or inorganic substances can be used as monomers / prepolymers that are liquid (possibly as a monomer / prepolymer mixture) and harden through a chemical reaction to a material that ensures the desired elastic deformability of the columns.
  • Examples of monomers are the aforementioned siloxanes, dialkyldialkoxysilanes, liquid siloxane oligomers, ethylenically unsaturated monomers such as the aforementioned vinyl aromatics, (cyclo) alkyl acrylates and methacrylates, acrylonitrile and the like, and also liquid prepolymers with at least 2 epoxy groups or prepolymers with ethylenically unsaturated groups such as urethane acrylates and mixtures of the prepolymers with so-called reactive diluents, ie compounds containing ethylenically unsaturated monomers or compounds containing epoxy groups.
  • dialkyldialkoxysilanes mentioned above and their mixtures with crosslinking agents such as the trialkoxyalkylsilanes and tetralkoxysilanes mentioned above and optionally condensation aids are particularly suitable.
  • the monomer / prepolymer is generally cured by a chemical reaction, for example a radical polymerization or a polycondensation, which is triggered, for example, by light or heat. Methods for this are known to the person skilled in the art. If dialkyldialkoxysilane / crosslinking agent is used, the temperature will generally be raised to above 40 ° C., for example in the range from 40 to 150 ° C. and in particular from 50 to 110 ° C.
  • the casting mold is removed in step d), giving a polymer film which has a microstructured surface according to the invention.
  • the removal can be done by dissolving the mold or by carefully lifting the polymer film off the mold.
  • the polymer film thus obtained, which has the desired surface structure on one side, is then usually placed on a support, usually the conventional surface of an object, e.g. applied to a conventional film material and fixed, whereby the object according to the invention is obtained.
  • the elastomeric materials are made up of a metal or semimetal, in particular silicon, one can proceed analogously to the above-mentioned method by first of all on those surfaces on which the (semi-) metal forming the pillars are located, on which the pillars are later to be located , with an inert mask, for example a nickel or gold mask, using known methods and then removing the uncovered area by reactive ion etching (RIE) in analogy to known methods.
  • RIE reactive ion etching
  • the columns can be generated, for example, by RIE according to AA Ayon et al., J. Electrochem. Soc. 1999, 146 , Pp. 339-349 described methods.
  • the objects obtained in this way are due to the elastic deformability of the columns and in particular their property that bending, deflection is reversible, suitable for a variety of applications.
  • J. L Tan et al. using such a surface to determine forces, in particular two-dimensional shear stress fields, in the range of less nN or below 1 nN, for example forces in the range from 0.01 to 1 nN with high accuracy. The determination can take place both locally and time-resolved.
  • a preferred subject of the present invention is therefore a sensor for measuring forces and in particular for determining two-dimensional shear stress fields. Due to their surface structure in connection with their sensitivity, such sensors are particularly suitable for the spatially and time-resolved investigation of aerodynamic or hydrodynamic effects, i.e. suitable for the investigation of forces or force fields that occur in gas or liquid flows. They are particularly suitable for the dynamic analysis of channel flows at various Reynolds numbers and allow for the first time the quantitative, time- and location-resolved consideration of turbulence (wall shear stresses as an indicator for turbulent vortex structures near the wall).
  • a sensor according to the invention generally has a limited surface area which is microstructured in the manner according to the invention.
  • This surface area generally has a dimension of at least 0.1 mm 2 and in particular in the range from 1 to 1000 mm 2 .
  • this surface area will be formed by a microstructured polymer film according to the invention, which is fixed on a carrier.
  • Suitable carrier materials are, for example, inorganic substrates such as glass, silicon dioxide, semiconductor materials such as silicon, germanium arsenide and the like, furthermore plastics, in particular viscoelastic polymers.
  • the forces are determined via the deflection ⁇ x of the column head from its rest position, i.e. the position of the column head in the absence of forces.
  • the spatial deflection of the column head perpendicular to the longitudinal axis of the column is used as the deflection ⁇ x.
  • k stands for the spring constant of the column in N / m.
  • A stands for the cross-sectional area of the column, L for its length and E for the modulus of elasticity of the material from which the column is constructed.
  • K 4 ⁇ ER 4 / L 3/3: accordingly applies for columns with circular cross section and a radius R of the cross-sectional area
  • the spring constant k can be calculated from the elastic modulus E known for the column material and the column geometry.
  • the tip of the column with the glass capillary is deflected by defined amounts, as a result of which the tip of the glass capillary is itself deflected.
  • the ratio of the deflections of the glass capillary tip to the column tip corresponds to the ratio of the spring constants of the glass capillary and column.
  • Corresponding glass capillaries are commercially available, e.g. under the name mTip, from World Precision Instruments, Sarasota, FL, USA. Methods of determining the resonance when the columns oscillate are also suitable for calibration. In principle, it is also possible to determine the force with small deflections by calculation.
  • an imaging method or an imaging device will generally be used.
  • An imaging device is understood to be a device for recording and reproducing image information, for example a microscope, possibly in combination with a camera and a device for reproducing the image information.
  • the invention further relates to a measurement arrangement which comprises a sensor according to the invention and a device for imaging, for example a microscope and / or a suitable camera.
  • This measurement arrangement can be connected to suitable methods for reproducing and storing the image information, and to microprocessors for controlling the sensor and for evaluating the image information.
  • the use of high-speed cameras (CCD cameras), possibly in combination with light microscopes or telescopes, has proven particularly useful for the investigation of dynamic phenomena.
  • the dimensions of the column and the elastically deformable material will be selected so that the force constant of the column is in the range from 10 2 N / m to 10 7 N / m.
  • the column geometry will therefore be selected so that the relation applies to 90% of the columns: 50VA ⁇ L> 5VA and in particular 3 ⁇ VA ⁇ L> 7VA.
  • the thickness of the columns is i.e. VA (square root cross-sectional area), in the range from 1 to 50 ⁇ m and in particular in the range from 1 to 10 ⁇ m.
  • At least 90% of the columnar elevations have a distance D from their nearest neighbors of at least 3 ⁇ m, preferably 5 ⁇ m and in particular at least 10 ⁇ m, the distance preferably not exceeding 150 ⁇ m - strides.
  • Thickness ⁇ / A and distance D are preferably dimensioned such that the ratio of D / VA is as low as possible without interactions already occurring between the columns.
  • the microstructured surfaces according to the invention include gases when the surface is: loaded with a gas and then covered with a liquid.
  • This property is of interest in several ways.
  • the present invention therefore also relates to the use of an object for the inclusion of gases in surfaces, and to a method for the inclusion of gases in the surfaces of objects, comprising the provision of a microstructured surface according to the invention on an object, loading the microstructured surface with a gas and covering it the surface with liquid, characterized in that the surface has an arrangement of a plurality of columnar elevations, which are characterized by a length L and a cross-sectional area A and which are constructed from an elastically deformable material, the length being at least 90% of the columnar elevations have (Z 90 value), - is at least 5 ⁇ m, and the relation I applies to at least 90% of the columnar elevations.
  • the dimensions of the column and the elastically deformable material will be chosen so that the force constant of the column is in the range from 10 '1 N / m to 10 "6 N / m.
  • the column geometry will therefore be selected so that the relation applies to at least 90% of the columns: 200VA> L ⁇ 1 ⁇ VA and in particular 10 ⁇ VA>L> 1 ⁇ VA.
  • the thickness of the columns ie VA (square root cross-sectional area) is preferably in the range from 0.1 to 5 ⁇ m and in particular in the range from 0.5 to 3 ⁇ m.
  • it has proven to be advantageous for the storage / containment of gases if at least 90% of the columnar elevations have a distance D from their nearest neighbors of not more than 30 ⁇ m, preferably not more than 20 ⁇ m and in particular in the range from 0.5 to 30 ⁇ m and especially in the range from 1 to 20 ⁇ m.
  • Thickness A and distance D are preferably dimensioned such that the ratio of D / VA is in the range from 1 to 5.
  • microstructured surfaces are able, when covered with a liquid, to trap the gases between the columns.
  • the gases are not released even when exposed to mechanical energy such as ultrasound. It is believed that due to the surface tension of the barrier liquid, it cannot penetrate the spaces between the columns if there is already a gas. In other words, the wetting of a microstructured surface according to the invention which is loaded with a gas is minimal or does not take place (see also Yoshimitsu et al. Loc. Cit.).
  • the surface structure is loaded by contacting the microstructured; Surface with the gas to be trapped. If necessary, one will wait a certain time until the gas or gas mixture originally present between the columns is displaced by the gas with which the surface has been brought into contact. The time required for this is probably in the range from a few seconds to a few minutes.
  • the gas can be loaded onto the microstructured surface by introducing gas bubbles of the gas to be enclosed into the sealing liquid and bringing them into contact with the surface.
  • the type of gas is not restricted and includes, for example, the following gases and their mixtures, e.g. Noble gases such as helium, argon etc. diatomic gases such as hydrogen, oxygen, nitrogen as well as gases with more than 2 atoms such as methane, ethane, ethene, ethyne, sulfur hexafluoride and the like.
  • Noble gases such as helium, argon etc.
  • diatomic gases such as hydrogen, oxygen, nitrogen as well as gases with more than 2 atoms such as methane, ethane, ethene, ethyne, sulfur hexafluoride and the like.
  • the barrier liquid is covered by bringing it into contact with the barrier liquid, for example by immersing it in or by passing liquid over it.
  • all liquids are suitable as barrier liquid which do not or not to a significant extent dissolve the gas and advantageously do not lead to any appreciable corrosion of the surface.
  • water alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, ethylene glycol, glycerin, hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, toluene, xylenes, petroleum ether, ethers such as diethyl ether, methyl tert.- butyl ether, tetrahydrofuran, esters such as ethyl acetate, butyl acetate, and mixtures of the aforementioned liquids.
  • alcohols such as methanol, ethanol, propanol, isopropanol, ethylene glycol, glycerin, hydrocarbons such as hexane, cyclohexane, toluene, xylenes, petroleum ether, ethers such as diethyl ether, methyl tert.- butyl ether, tetrahydrofuran, esters such as ethyl acetate, but
  • the gases can be enclosed or localized in the microstructured surface.
  • This property can be used in a variety of ways, for example to bind gases for reactions or for their analysis on the surface, or to prevent the surface, for example of vessels or lines, from contacting the liquids in order to prevent diffusion of the To reduce or prevent liquid in the surface.
  • FIGS. 1 a to 1 c show electron micrographs of various surfaces according to the invention with a large number of columns with a circular cross-sectional area.
  • Figure 1a is. Columns made of silicon with a length of 15 ⁇ m, a diameter of 0.7-1 ⁇ m and a distance of 10 ⁇ m.
  • 1b is a column made of polydimethyldisiloxane (PDMS) with a length of 20 ⁇ m, a diameter of 5 ⁇ m and a distance of 15 ⁇ m.
  • Figure 1c is made up of columns. Smeared epoxy resin with a length of 15 ⁇ m, a diameter of 2.7 ⁇ m and a distance of 5 ⁇ m.
  • PDMS polydimethyldisiloxane
  • Figure 2 shows an electron micrograph of a surface according to the invention with a plurality of round polydimethylsiloxane columns with a length of 17 microns, a diameter of 3 microns and a distance of 7 microns.
  • FIG. 3 shows an air bubble which is enclosed in the surface according to the invention from FIG. 2 under a water layer.
  • the picture was taken with a water immersion lens.
  • FIG. 4 shows an optical micrograph of a surface according to the invention with collagen fibers prepared thereon.
  • the columnar elevations are made of polydimethylsiloxane and have a diameter of approx. 25 ⁇ m, a distance of 50 ⁇ m and a height of 100 ⁇ m.
  • FIG. 5 shows an electron micrograph of a surface according to the invention, in which the columnar elevations are spanned by a collagen layer.
  • the columnar elevations are made of polydimethylsiloxane and have a diameter of approx. 3 ⁇ m, a distance of 5 ⁇ m and a height of 14 ⁇ m.
  • the collagen layer bends the PDMS columns due to mechanical stresses occurring in the layer.
  • FIG. 6 shows an optical micrograph of a surface according to the invention with cardiac muscle cells prepared thereon.
  • the columnar elevations are made of polydimethylsiloxane and have a diameter of approx. 3 ⁇ m, a distance of 5 ⁇ m and a height of 20 ⁇ m.
  • the pulsation of the heart muscle cells results in a deformation of the PDMS columns.
  • FIG. 1A shows an example of a Si (100) substrate structured with columns.
  • An epoxy resin-based negative resist (NanoSu ⁇ lacquer from MicroChem, Newton, MA, USA) is deposited on a glass substrate with a thickness of 100 nm - 200 ⁇ m in accordance with the manufacturer's instructions. A metal mask, in particular a nickel mask, is then applied to this layer in accordance with the method given under 1. (a). The layer is then irradiated with UV light (wavelength 320 nm). The non-irradiated areas of the epoxy layer are then removed with a solvent according to the manufacturer's instructions. In this way, holes with a diameter between 0.7 and 30 ⁇ m can be produced in the layer, the depth of the holes depending on the layer thickness.
  • a commercially available, liquid, polydimethylsiloxane-forming prepolymer for example Sylgard 184 from Dow Corning
  • the template treated in this way is then treated thermally at a temperature between 40-110 ° C. according to the manufacturer's instructions in order to cure the prepolymer.
  • the solidified polydimethylsiloxane layer thus obtained is mechanically removed from the template and from the holes, a surface according to the invention having polydimethylsiloxane columns being obtained. Examples of surfaces produced in this way are the surfaces shown in FIGS. 1B and 2 to 6.
  • the calibration of the surface with regard to its force constant can be carried out both by the method described by R. Proksch in US 2002162388 and by the method described by L.A. Bottomley et al. Analytical Chemistry (1996), 68 (12), 165-230 described method, which is based on the targeted deformation of the columns with a calibrated rod and determination of the deformation occurring.
  • a rectangular borosilicate glass rod with a length of 100 mm, a width of 1 mm and a thickness of 0.2 mm (VitroCom Inc., Mountain Lakes, NJ, USA) was laser-micropipetted.
  • Device P-2000, Sutter Instrument Co., Novato, CA, USA
  • the tip of a microplate typically has a width of 20 ⁇ m and a thickness of 5 ⁇ m. Their length can be varied using the tensile parameters so that different stiffnesses can be set.
  • the microplate was then mounted on a micromanipulator and approximated to the SiN thread in such a way that the thread and the microplate were arranged parallel to one another.
  • the observation chamber was filled with water. Then the microplate was pushed against the thread so that both were deflected. The deflection was recorded with a Hamamatsu camera.
  • the spring constant of the glass plate was determined by subsequent evaluation of the image recording, the spring constant being able to be calculated by multiplying the ratio of the deflection of the thread and the micro plate by the known spring constant of the thread. In this way, a calibrated glass plate is obtained which can then be used to calibrate the surface according to the invention.
  • the spring constants of the pillars of the surface according to the invention are determined analogously to the calibration of the microplates.
  • a surface produced according to I, regulation B with columnar elevations made of polydimethylsiloxane (diameter approx. 25 ⁇ m, distance 50 ⁇ m, height of 100 ⁇ m, spring constant 0.021 N / m) was covered with PBS buffer in a flow cell.
  • the buffered fibronectin solution was then rinsed through and incubated for 10 min. Then it was rinsed several times with 0.01 M HBSS buffer and then the neutralized collagen solution was added at a concentration of 500 ⁇ g / ml. Then incubated for 30 min. at 37 ° C. Then the cover slip was carefully pulled laterally over the top of the column. In this way, thin bundles of collagen fibers were obtained, which were fixed to the top of the columns.
  • FIG. 4 A light micrograph of the prepared surfaces is shown in Figure 4.
  • Cell suspensions of rat cardiac muscle cells were prepared according to the method described by NQ Balaban, Nature Cell Biology, 2001, p. 466. The cell suspension was brought into contact with a surface produced according to I, regulation B with columnar elevations made of polydimethylsiloxane (diameter approx. 3 ⁇ m, distance 5 ⁇ m, height of 20 ⁇ m). After about 24 hours at The heart muscle cells began to pulsate at 37 ° C, which could be observed by appropriate deflections of the column tips.
  • a surface produced according to regulation B with polydimethylsiloxane columns was immersed in water after contact with air.
  • An air volume is included (see Figure 3). The air volume cannot be removed from the surface even after a long treatment with ultrasound.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände die wenigstens einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen besitzen, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweisen und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (L90-Wert), wenigstens 5 µm beträgt, und für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt: (I). Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Gegenstände, die als Sensoren zur Bestimmung von Kräften ausgestaltet sind sowie eine Messanordnung die einen derartigen Sensor umfasst.

Description

Oberfläche mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen und deren Anwendungen
Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, die wenigstens einen mikrostrukturier- ten Oberflächenbereich mit einer Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen besitzen. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere derartige Gegenstände, die als Sensoren zur Bestimmung von Kräften ausgestaltet sind, sowie eine Messanordnung, die einen derartigen Sensor umfasst.
MikroStrukturen im μm- und nm-Bereich sind für eine Vielzahl von Anwendungen von Interesse, z.B. für elektronische und optische Bauelemente, Sensoren etc. Zudem weisen sie häufig ungewöhnliche Oberflächeneigenschaften auf. So wird der von Barthlott et al. (Biologie in unserer Zeit, 28, S. 314-322) beschriebene Lotuseffekt auf Zusammenspiel der makroskopischen Eigenschaften der Oberfläche, d.h. ihre chemische Zusammensetzung, und der Mikrostruktunerung der Oberfläche zurückgeführt. Yoshi- mitsu et al. (Langmuir 18 (2002) S. 5818-5812) beschreiben eine Oberfläche mit einer Anordnung von Säulen mit einer Dicke von etwa 50 μm und einer Höhe von etwa 148 μm. Auf diesen Oberflächen weisen Wassertropfen einen Kontaktwinkel >150° auf.
Verschiedentlich wurden mikrostrukturierte Oberflächen im Sinne von Sensoren zur Bestimmung von Kräften, die von isolierten Zellen auf Oberflächen ausgeübt werden, genutzt.
So beschreiben N. Q. Balaban et al. (Nature Cell Biology, Vol. 3 (2001) S. 466 bis S. 472) den Einsatz einer mikrostrukturierten Oberfläche mit einer Vielzahl, regelmäßiger Säulen aus Polydimethylsiloxan, die eine rechteckige Grundfläche mit einer Abmessung 0,4 μm x 0,4 μm und eine Höhe von 0,3 μm aufweisen, zur Bestimmung der Kräfte, die von Herzfibroblasen und Herz-Myocyten auf Oberflächen ausgeübt werden.
J. L. Tan et al. PNAS, Vol. 100 No. 4 (2003), S. 1484-1489, beschreiben die Untersuchung der Adhäsionskräfte einzelner Zellen auf einer Oberfläche, die eine regelmäßige Anordnung einer Vielzahl von Säulen mit kreisförmiger oder elliptischer Querschnittsfläche aufweist. Das Verhältnis von Höhe H zu Durchmesser D dieser Säulen ist etwa 3.
Die dort beschriebenen Oberflächen haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Insbesondere sind sie weder zur Untersuchung von sehr kleinen Kräften, z.B. < 1 nN, geeignet, noch für aerodynamische oder hydrodynamische Untersuchungen, wo aus relativ großer Entfernung kleine Kräfte detektiert werden müssen. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gegenstand mit einer mikrostrukturierten Oberfläche bereitzustellen, der eine ortslokalisierte Bestimmung sehr kleiner mechanischer Kräfte, insbesondere von Kräften < 1 nN erlaubt. Insbesondere sollte der Gegenstand eine 2-dimensionale, d.h. flächige Untersuchung von klei- nen Kräften aus einer vergleichsweise großen Entfernung erlauben, um somit die Untersuchung aerodynamischer oder hydrodynamischer Effekte zu ermöglichen, insbesondere die Analyse von Schubspannungsfeldern.
Es wurde gefunden, dass diese Aufgabe durch eine auf einem Gegenstand angeordnete mikrostrukturierte Oberfläche bzw. einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich gelöst wird, der durch eine Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen charakterisiert ist, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweisen und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (Z90-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt:
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Demnach betrifft die vorliegende Erfindung Gegenstände, die wenigstens eine derarti- ge Oberfläche oder einen Oberflächenbereich aufweisen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen derartigen Gegenstand in Form eines Sensors zur Bestimmung von Kräften, insbesondere von Kräften < 1 nN, oder zur zweidimensionalen Bestimmung von Kräften über eine größere Entfernung und speziell zur Untersuchung von zweidimensionalen Schubspannungsfeldern in Gas- oder Flüssigkeitsströmen.
"Oberfläche" bzw. "Oberflächenbereich" steht hier und im Folgenden für einen makroskopischen Flächenbereich auf der Oberfläche eines Gegenstands. Der erfindungsgemäß mikrostrukturierte Oberflächenbereich kann - abhängig von der gewünschten Anwendung - die gesamte Oberfläche des Gegenstands ausmachen oder einen Teil davon. Zur Erzielung einer makroskopischen Eigenschaft wird der Flächenbereich in der Regel eine Ausdehnung von wenigstens 0,1 mm2, häufig von wenigstens 1 mm2, vorzugsweise wenigstens 1 cm2 aufweisen. Die Ausdehnung kann aber auch sehr viel größer sein, z.B. 1 m2 oder auch darüber.
"MikroStruktur" und "mikrostrukturiert" bedeuten, dass die säulenförmigen Erhebungen, hier auch als Säule bezeichnet, ebenso Abmessungen im Mikrometerbereich haben wie die Abstände, die benachbarten säulenförmige Erhebungen aufweisen.
Alle hier und im Folgenden gemachten Angaben zu Abmessungen beziehen sich auf durch mikroskopische Untersuchungen für eine repräsentative Anzahl (in der Regel wenigstens 10 Säulen) ermittelten Werte. Der Begriff "säulenförmige Erhebung" bzw. "Säule" steht für eine regelmäßige, längliche Erhebung, deren Dicke weitgehend, in der Regel über einen Bereich von wenigstens 80 % ihrer Länge nahezu konstant ist, d.h. in diesem Bereich nicht mehr als 20 % und insbesondere nicht mehr als 10 % von der durchschnittlichen Dicke in diesem Bereich abweicht. Die säulenförmige Erhebung kann allerdings auch an ihrem Fuß und ihrem Scheitel eine beliebig geformte Verdickung, z.B. eine kugel-, quader-, pyramidal- oder napf- bzw. tellerförmige Verdickung aufweisen. Die Form der Säule ist von untergeordneter Bedeutung, d.h. die Form der Querschnittsfläche ist grundsätzlich beliebig und kann beispielsweise polygonal, z.B. dreieckig, viereckig, z.B. rechteckig oder insbesondere quadratisch, sechseckig, oder rund, z.B. kreisförmig oder elliptisch sein. Bevorzugt ist die Querschnittsfläche regelmäßig, d.h. der minimale Durchmesser, bzw. die kleinste Seitenhalbierende, unterscheidet sich vom maximalen Durchmesser bzw. der größten Seitenhalbierenden um weniger als 50 %. Bevorzugt weisen die Säulen eine kreisförmige oder elliptische Geometrie auf.
Der Begriff "Dicke" steht hier für die Quadratwurzel der Querschnittsfläche A und entspricht damit bei einer Säule mit kreisförmigem Querschnitt etwa dem 1 ,2-fachen des Durchmessers der Säule und bei einer Säule mit rechteckigem Querschnitt dem quad- ratischen Mittel der Kantenlänge der Querschnittsfläche.
"Anordnung" bedeutet die geometrische Anordnung der Säulen auf einer Grundfläche, wobei der überwiegende Anteil der Säulen, in der Regel wenigstens 90 % isoliert voneinander auf einer Grundfläche angeordnet sind. Üblicherweise sind die Säulen senk- recht zur Oberfläche angeordnet, wobei Abweichungen von bis zu 20°, insbesondere bis 10°, ebenfalls mit umfasst sein sollen. Die Anordnung kann regelmäßig oder unregelmäßig sein. Bevorzugt sind regelmäßige Anordnungen, d.h. der individuelle Abstand zweier benachbarter Säulen wird in der Regel nicht mehr als 10 % vom Mittelwert dieses Abstands abweichen. Beispiele für regelmäßige Anordnungen umfassen sowohl solche im Sinne eines hexagonalen Flächengitters als auch solche im Sinne eines tetragonalen, insbesondere eines quadratischen Flächengitters.
Die Höhe bzw. Länge, die wenigstens 90 % der Säulen eines erfindungsgemäßen Oberflächenbereichs aufweisen, beträgt erfindungsgemäß wenigstens 5 μm, insbe- sondere wenigstens 10 μm vorteilhafterweise wenigstens 15 μm und kann bis 200 μm betragen. Häufig wird sie einen Wert von 150 μm und insbesondere 100 μm nicht überschreiten.
Die Dicke, d.h. Quadratwurzel der Querschnittsfläche A, die wenigstens 90 % der Säu- len eines Oberflächenbereichs aufweisen, liegt in der Regel im Bereich von 0,1 μm bis 40 μm und insbesondere im Bereich von 1 bis 15 μm. Vorzugsweise sind die Abmessungen und Geometrie der Säulen einheitlich, d.h. die individuelle Länge einer Säule wird in der Regel nicht mehr als 20 % und vorzugsweise nicht mehr als 10 % vom Mittelwert der Länge der Säulen abweichen. Entsprechendes gilt für die Dicke VA.
Erfindungsgemäß ist die Länge einer Säule und ihre Dicke [= VA] durch die Relation I miteinander verknüpft, d.h. wenigstens 90 % der Säulen weisen eine Länge auf, die das wenigstens 4-fache, vorzugsweise das wenigstens 5-fache, insbesondere das we- nigstens 10-fache der Dicke beträgt. In der Regel wird Verhältnis von Länge zu Dicke einen Wert von 100, insbesondere 80 und speziell 50 nicht überschreiten.
Der Abstand, den benachbarte Säulen eines Oberflächenbereichs zueinander aufweisen, wird in der Regel bei 90 % aller Säulen einen Wert von 0,1 μm, insbesondere 0,5 μm, und speziell 1 μm nicht unterschreiten und üblicherweise einen Wert von 200 μm, häufig 100 μm und insbesondere 50 μm nicht überschreiten.
Erfindungsgemäß sind die Säulen aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut. Hierdurch wird eine reversible Verformbarkeit der Säule, insbesondere die Re- versibilität der Auslenkung der Säule aus ihrer Ruheposition (in der Regel senkrecht zur Oberfläche) gewährleistet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein elastomeres Polymer. Im Hinblick auf eine Verformung/Auslenkung einer Säule durch die bei aerodynamischen oder hydrodynamischen Untersuchung auftretenden Kräfte ist es von Vorteil, wenn das elastisch verformbare Material ein Elastizitäts-Modul von nicht mehr als 107 N/m2, und insbesondere nicht mehr 106 N/m2 aufweist. In der Regel wird das Elastizitätsmodul einen Wert von 102 N/m2 nicht unterschreiten, um eine hinreichende Stabilität der Säulen zu gewährleisten. Elastomere Materialien mit derartigen Elastizitätsmodulen sind dem Fachmann bekannt, und können der Literatur entnommen werden, z.B. aus J. Brandrup, E. H. Immergut (Herausgeber) "Polymer Handbook", 3. Auflage, Wiley, New York 1989. Beispiele für geeignete elastisch verformbare Materialien auf Polymerbasis sind Polystyrole, Polyalkylmethacrylate wie Polymethylmethacrylat, Polybutylmethacrylat sowie Co- polymere von Alkylmethacrylaten mit Alkylacrylaten und/oder Styrol, Epoxidharze und Polyurethanharze, insbesondere solche, die als Lacke/Photoresists für photolithogra- phische Methoden eingesetzt werden.
Als elastisch verformbare Materialien kommen grundsätzlich auch Metalle und Halbmetalle, z.B. Silizium, in Betracht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein vernetztes Polydialkylsiloxan, insbesondere um eine Polydimethylsiloxan. Alkyl und Alkoxy stehen hier und im Folgenden für lineare oder verzweigte Alkyl- bzw. Alkoxygruppen mit 1 bis 4 C-Atomen wie Methyl, Ethyl, n-Propyl, Isopropyl, n-Butyl, 2-Butyl, Methoxy, Ethoxy, n-Propoxy, iso-Propoxy, n-Butoxy, 2-Butoxy, iso-Butoxy, etc. Polydialkylsiloxane sind aus dem Stand der Tech- nik bekannt und werden durch Kondensation von Dialkyldialkoxysilanen wie Dimethyl- diethoxysilan oder deren Oligomeren mit geeigneten Vernetzungsmitteln, in der Regel Trialkoxyalkylsilanen und/oder Tetralkoxysilanen wie Tetraethoxysilan, gegebenenfalls in Gegenwart geeigneter Kondensationshilfsmittel, z.B. Säuren oder organischen Anhydriden wie Acetanhydrid, hergestellt. Mischungen aus Dialkyldialkoxysilanen und Tetralkoxysilanen sind in der Regel flüssig und härten bei Einwirkung von Feuchtigkeit und/oder bei erhöhter Temperatur, in Gegenwart der Kondensationshilfsmittel zum vernetzten Polydialkylsiloxan aus. Derartige Mischungen sind bekannt und ihre Bestandteile sowie anwendungsfertige Formulierungen können kommerziell erworben werden, beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Sylgard® der Fa. Dow Corning.
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem elastisch verformbaren Material um ein vernetztes Epoxid-Harz. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem elastisch verformba- ren Material um ein Polymer auf Basis ethylenisch ungesättigter Monomere, beispielsweise um ein Polyaikylmethacrylat, z.B. um Polybutylmethacrylat oder Polymethyl- methacrylat, oder um ein Copolymer auf Basis von Alkylmethacrylaten wie Butyl- methacrylt oder Methylmethacrylat mit copolymerisierbaren Monomeren, z.B. (Cyclo)Alkylacrylaten wie Ethylacrylat, Butylacrylat, Cyclohexylacrylat, Vinylaromaten wie Styrol, weiterhin Acrylnitril und dergleichen.
Die Herstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche kann beispielsweise nach dem im Folgenden angegebenen Verfahren erfolgen. Hierbei wird man üblicherweise zunächst in einem ersten festen Material ein Negativbild der Oberfläche erzeugen (Schritt a). Das so behandelte Material weist ein Vielzahl von tiefen Löchern auf, deren Tiefe der Länge der Säulen und deren Querschnittsfläche der Querschnittsfläche A der Säulen entspricht. Das Negativbild dient als Gussform für die Herstellung der mikrostrukturierten Oberfläche. In die so erhaltene Form gibt man ein flüssiges Monomer oder Präpolymer, so dass die Löcher in der Gussform vollständig gefüllt sind und das flüssige Monomer bzw. Präpolymer eine geschlossene Schicht bildet (Schritt b). Das flüssige Monomer/Präpolymer wird dann ausgehärtet, wobei sich das elastisch verformbare Material bildet, aus dem die Säulen aufgebaut sind (Schritt c). Nach dem Aushärten wird der so erhaltene polymere Film von der Gussform entfernt (Schritt d). Die Herstellung der Gussform kann mittels konventioneller Techniken zur Herstellung von Löchern mit Abmessungen im μm-Bereich erfolgen, z.B. mittels Photo- oder Elekt- ronenstrahl-Lithographie, durch reaktives lonenätzen (RIE), durch elektrochemisches Ätzen oder ähnliche Verfahren. Durch diese Verfahren werden in einem Substrat Löcher mit einem Durchmesser zwischen 100 nm und 50 μm sowie einer Tiefe von bis zu 200 μm erzeugt. Das Substratmaterial zur Herstellung der Gussform kann ein organi- sches Polymer, z.B. auf Basis eines Polyalkylmethacrylats, z.B. Polymethylmethacry- lat, ein vernetztes Epoxid-Harz oder ein Metall oder Halbmetall sein wie einkristallines Silizium z.B. ein Silizium[001]-Wafer. Sofern es sich bei dem die Gussform bildenden Material um ein organisches Polymer handelt, kann dieses auf einem Träger angeordnet sein, z.B. Glas, Metall, Silizium und dergleichen. Bevorzugte organische Polymere zur Herstellung der Gussform sind insbesondere Negativ-Resiste, z.B. solche auf Basis von Epoxid-Harzen. Geeignete organische Polymere zur Herstellung der Gussform sind außerdem Positiv-Resiste, z.B. auf Basis von Polyalkylmethacrylaten.
In Schritt b wird dann eine flüssige Zusammensetzung, umfassend ein oder mehrere Präpolymere oder Monomere oder eine Mischung aus Monomer und Präpolymer in die Gussform gegeben. Die flüssige Zusammensetzung kann zusätzlich noch Katalysatoren, Initiatoren oder sonstige Vernetzungsmittel enthalten, durch welche das Aushärten beschleunigt wird. Gegebenenfalls wird man zuvor die Gussform vorbehandeln, um ein leichteres Ablösen von Gussform und Polymerfilm in Schritt d zu erreichen. Beispiele für Vorbehandlungsmaßnahmen umfassen das Hydrophobisieren der Gussform, z.B. indem man die Oberfläche mit fluororganischen Gruppen ausrüstet, beispielsweise durch Behandlung mit FluoralkyIsil(ox)anen, sowie das Hydrophilisieren der Gussform, z.B. indem man die Oberfläche der Gussform mit OH oder COOH-Gruppen ausrüstet, z.B. durch Behandlung im Sauerstoffplasma.
Als Monomere/Präpolymere können grundsätzlich alle organischen oder anorganischen Substanzen eingesetzt werden, die (gegebenenfalls als Mischung Monomer/Präpolymer) flüssig sind und durch eine chemische Reaktion zu einem Material aushärten, das die gewünschte elastische Verformbarkeit der Säulen gewährleistet. Beispiel für Monomere sind die vorgenannten Siloxane, Dialkyldialkoxysilane, flüssige Siloxan-Oligomere, ethylenisch ungesättigte Monomere wie die vorgenannten Vinyl- aromaten, (Cyclo)Alkylacrylate und -methacrylate, Acrylnitril und dergleichen, weiterhin flüssige Präpolymere mit wenigstens 2 Epoxidgruppen oder Präpolymere mit ethylenisch ungesättigte Gruppen wie Urethanacrylate sowie Mischungen der Präpolymere mit sogenannten Reaktivverdünnern, d.h. ethylenisch ungesättigten Monomeren oder Epoxid-Gruppen aufweisenden Verbindungen. Insbesondere sind die oben erwähnten Dialkyldialkoxysilane und ihre Mischungen mit Vernetzern wie den oben erwähnten Trialkoxyalkylsilanen und Tetralkoxysilanen und gegebenenfalls Kondensationshilfsmitteln geeignet. Das Aushärten von Monomer/Präpolymer erfolgt in der Regel durch eine chemische Reaktion, z.B. eine radikalische Polymerisation oder eine Polykondensation, die beispielsweise durch Licht oder Wärme ausgelöst wird. Verfahren hierzu sind dem Fachmann geläufig. Bei Einsatz von Dialkyldialkoxysilan/Vernetzer wird man in der Regel auf Temperaturen oberhalb 40 °C, z.B. im Bereich von 40 bis 150 °C und insbesondere von 50 bis 110 °C erwärmen.
Nach Aushärten wird in Schritt d) die Gussform entfernt, wobei man einen Polymerfilm erhält, der eine erfindungsgemäß mikrostrukturierte Oberfläche aufweist. Das Entfer- nen kann durch Auflösen der Gussform oder durch vorsichtiges Abheben des Polymerfilms von der Gussform erfolgen. Die so erhaltene Polymerfolie, welche auf der einen Seite die gewünschte Oberflächenstruktur aufweist, wird dann in der Regel auf einen Träger, in der Regel die konventionelle Oberfläche eines Gegenstands, z.B. auf ein konventionelles Folienmaterial aufgebracht und fixiert, wodurch man den erfindungs- gemäßen Gegenstand erhält.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Oberflächen kann man auch so vorgehen, dass man zunächst im Sinne eines Positiv-Bildes der zu generierenden Oberfläche in einer Kunststoffschicht Stellen/Bereiche mit verminderter Löslichkeit erzeugt, bei- spielsweise durch photolithographische Methoden, und anschließend die Schicht mit einem die Kunststoffschicht lösenden Lösungsmittel so behandelt, dass die Bereiche verminderter Löslichkeit nicht gelöst werden. Verfahren hierzu sind aus dem Stand der Technik bekannt. Als Kunststoffschichten sind insbesondere Positiv-Resist-Lacke geeignet.
Sofern die elastomeren Materialien aus einem Metall oder Halbmetall, insbesondere Silizium aufgebaut sind, kann man in Analogie zu dem vorgenannten Verfahren vorgehen, indem man zunächst auf einer Oberfläche des die Säulen bildenden (Halb)metalls diejenigen Bereiche, an denen sich später die Säulen befinden sollen, mit einer inerten Maske, z.B. einer Nickel- oder Goldmaske nach bekannten Verfahren abdeckt und anschließend durch reaktives lonenätzen (RIE) in Analogie zu bekannten Verfahren die nicht abgedeckten Bereich entfernt. Verfahren zum Aufbringen von inerten Masken, z.B. Nickel oder Goldmasken auf Metalloberflächen sind beispielsweise in Brunner, Timothy A. (Herausgeber) "Optical/Laser Microlithography VIII, 22-24, Februar 1995, Santa Clara, California. [In: Proc. SPIE-Int. Soc. Opt. Eng., 1995; 2440], (1995), S. 948 zusammenfassend dargestellt. Die Erzeugung der Säulen kann z.B. durch RIE nach den von A. A. Ayon et al., J. Electrochem. Soc. 1999, 146, S. 339-349 beschriebenen Methoden erfolgen. Die so erhaltenen Gegenstände sind aufgrund der elastischen Verformbarkeit der Säulen und insbesondere ihrer Eigenschaft, dass ein Verbiegen, Auslenken reversibel ist, für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. So kann man in Analogie zu der von J. L Tan et al. (s.o.) beschriebenen Methode eine derartige Oberfläche nutzen, Kräfte, insbesondere zweidimensionale Schubspannungsfelder, im Bereich weniger nN oder auch unter 1 nN, z.B. Kräfte im Bereich von 0,01 bis 1 nN mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Die Bestimmung kann dabei sowohl orts- als auch zeitaufgelöst erfolgen.
Ein bevorzugter Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Sensor zur Messung von Kräften und insbesondere zur Bestimmung von zweidimensionalen Schubspannungsfeldern. Aufgrund ihrer Oberflächenstruktur in Verbindung mit ihrer Empfind- lichkeit sind derartige Sensoren besonders zur orts- und zeitaufgelösten Untersuchung von aerodynamischen oder hydrodynamischen Effekten, d.h. zur Untersuchung von Kräften bzw. Kraftfeldern, die in Gas- oder Flüssigkeitsströmungen auftreten, geeignet. Sie eignen sich speziell zur dynamischen Analyse von Kanalströmungen bei verschiedenen Reynolds-Zahlen und erlauben erstmalig die quantitative, zeit- und ortsaufgelös- te Betrachtung von Turbulenzen (Wandschubspannungen als Indikator für wandnahe turbulente Wirbelstrukturen).
Ein erfindungsgemäßer Sensor weist in der Regel einen begrenzten Oberflächenbe- , reich auf, der in der erfindungsgemäßen Weise mikrostrukturiert ist. Dieser Oberflä- chenbereich weist in der Regel eine Abmessung von wenigstens 0,1 mm2 und insbesondere im Bereich von 1 bis 1000 mm2 auf. In der Regel wird dieser Oberflächenbereich von einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Polymerfolie gebildet sein, die auf einem Träger fixiert ist. Als Trägermaterialien kommen beispielsweise in Betracht anorganische Substrate wie Glas, Siliziumdioxid, Halbleitermaterialien wie Silizium, Ger- maniumarsenid und dergleichen weiterhin Kunststoffe, insbesondere viskoelastische Polymere in Betracht.
Die Bestimmung der Kräfte erfolgt über die Auslenkung Δx des Säulenkopfs aus seiner Ruheposition, d.h. der Position, den der Säulenkopf bei Abwesenheit von Kräften auf- weist. Als Auslenkung Δx wird die räumliche Auslenkung des Säulenkopfs senkrecht zur Längsachse der Säule zugrundegelegt. Für die Kraft F, die für die Auslenkung Δx des Säulenkopfs aus der Ruheposition erforderlich ist, gilt bei kleinen Auslenkungen, d.h. Auslenkungen, die weniger als 20 % der Säulenlänge L betragen die Gleichung: F = kΔx,
wobei k für die Federkonstante der Säule in N/m steht. Die Federkonstante k wiederum ist proportional zum Elastizitätsmodul, wobei in erster Näherung gilt: k = 3/(4π) E A2/L3. In dieser Gleichung steht A für die Querschnittsfiäche der Säule, L für deren Länge und E für das Elastizitätsmodul des Materials, aus dem die Säule aufgebaut ist. Für Säulen mit kreisförmigem Querschnitt und einem Radius R der Querschnittsfläche gilt dementsprechend: k = 3/4 π E R4/L3
Auf diese Weise lässt sich die Federkonstante k aus dem für das Säulenmaterial bekannten Elastizitätsmodul E und der Säulengeometrie berechnen.
Zur genauen Bestimmung der Beziehung zwischen Kraft F und Auslenkung Δx einer Säule ist es ebenfalls möglich, diese zu kalibrieren. Verfahren hierzu sind z.B. aus J. L. Tan et al., S. 1485, US 2002162388 A1 , sowie L. A. Bottomley et al., Analytical Che- mistry (1996), 68(12), S. 185-230 bekannt. Hierzu wird beispielsweise eine Glaskapilla- re mit bekannter Federkonstante (siehe A. C. Crawford et al., J. PhysioL 364 (1985) 359-379) auf einem piezoelektrischen Manipulator montiert. Unter mikroskopischer Beobachtung wird die Säulenspitze mit der Glaskapillare um definierte Beträge ausgelenkt, wodurch die Spitze der Glaskapillare ihrerseits eine Auslenkung erfährt. Hierbei , entspricht das Verhältnis der Auslenkungen von Glaskapillarenspitze zu Säulenspitze dem Verhältnis der Federkonstanten von Glaskapillare und Säule. Entsprechende Glaskapillaren sind kommerziell erhältlich, z.B. unter der Bezeichnung mTip, von der Fa. World Precision Instruments, Sarasota, FL, USA. Zur Kalibrierung sind auch Methoden der Resonanzbestimmung bei Oszillation der Säulen geeignet. Grundsätzlich ist auch die Bestimmung der Kraft bei kleinen Auslenkungen auf rechnerischem Wege möglich.
Die Bestimmung der Kraft erfolgt nunmehr durch Bestimmung der Auslenkung. Hierzu wird man sich in der Regel eines bildgebenden Verfahrens bzw. einer bildgebenden Vorrichtung bedienen. Unter einer bildgebenden Vorrichtung versteht man eine Vor- richtung zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildinformationen, z.B. ein Mikroskop gegebenenfalls in Kombination mit einer Kamera und einer Vorrichtung zur Wiedergabe der Bildinformation. Dementsprechend ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Messanordnung, die einen erfindungsgemäßen Sensor und eine Vorrichtung zur Bild- gebung, z.B. eine Mikroskop und/oder eine geeignete Kamera, umfasst. Diese Mess- anordnung kann mit geeigneten Methoden zur Wiedergabe und Speicherung der Bildinformation verbunden sein, sowie mit Mikroprozessoren zur Steuerung des Sensors und zur Auswertung der Bildinformation. Für die Untersuchung dynamischer Phänomene hat sich insbesondere der Einsatz von Hochgeschwindigkeitskameras (CCD- Kameras), gegebenenfalls in Kombination mit Licht-Mikroskopen oder Teleskopen, bewährt. Auf diese Weise können neben einer hohen Ortsauflösung der Kraftbestimmung auch eine hohe Zeitauflösung erreicht werden. Im Hinblick auf die zu bestimmenden Kräfte wird man die Abmessungen der Säule und das elastisch verformbare Material so wählen, dass die Kraftkonstante der Säule im Bereich von 102 N/m bis 107 N/m liegt.
In der Regel wird man daher die Säulengeometrie so wählen, dass für 90 % der Säulen die Relation gilt: 50VA ≥ L > 5VA und insbesondere 3θVA ≥ L > 7VA. Vorzugsweise liegt die Dicke der Säulen, d.h. VA (Quadratwurzel Querschnittsfläche), im Bereich von 1 bis 50 μm und insbesondere im Bereich von 1 bis 10 μm.
Weiterhin hat es sich für diesen Anwendungszweck als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 3 μm vorzugsweise 5 μm und insbesondere wenigstens 10 μm aufweisen, wobei der Abstand vorzugsweise einen Wert von 150 μm nicht über- schreitet. Vorzugsweise werden Dicke Λ/A und Abstand D so bemessen sein, dass das Verhältnis von D/VA möglichst gering ist, ohne dass bereits Wechselwirkungen zwischen den Säulen entstehen.
Die Erfinder haben außerdem überraschenderweise gefunden, dass die erfindungsge- mäßen mikrostrukturierten Oberflächen Gase einschließen, wenn man die Oberfläche : mit einem Gas belädt und dann mit einer Flüssigkeit bedeckt. Diese Eigenschaft ist in mehrere Hinsicht von Interesse. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher auch die Verwendung eines Gegenstands zum Einschluss von Gasen in Oberflächen, sowie eine Verfahren zum Einschluss von Gasen in Oberflächen von Gegenständen, umfassend das Bereitstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, Beladen der mikrostrukturierten Oberfläche mit einem Gas und bedecken der Oberfläche mit Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Anordnung Vielzahl säulenförmiger Erhebungen aufweist, die durch eine Länge L und eine Querschnittsfläche A charakterisiert sind und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (Z90-Wert),- wenigstens 5 μm beträgt, und für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt.
Im Hinblick auf diesen Effekt wird man die Abmessungen der Säule und das elastisch verformbare Material so wählen, dass die Kraftkonstante der Säule im Bereich von 10'1 N/m bis 10"6 N/m liegt.
In der Regel wird man daher die Säulengeometrie so wählen, dass für wenigstens 90 % der Säulen die Relation gilt: 200VA > L ≥ 1θVA und insbesondere 10θVA > L > 1θVA. Vorzugsweise liegt die Dicke der Säulen, d.h. VA (Quadratwurzel Querschnittsfläche), im Bereich von 0,1 bis 5 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 3 μm. Weiterhin hat es sich für das Speichern/Einschließen von Gasen als vorteilhaft erwiesen, wenn wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von nicht mehr als 30 μm vorzugsweise nicht mehr als 20 μm und insbesondere im Bereich von 0,5 bis 30 μm und speziell im Bereich von 1 bis 20 μm aufweisen. Vorzugsweise werden Dicke A und Abstand D so bemessen sein, dass das Verhältnis von D/VA im Bereich von 1 bis 5 liegt.
Derart mikrostrukturierte Oberflächen sind in der Lage, wenn sie mit einer Flüssigkeit abgedeckt werden, die zwischen den Säulen befindlichen Gase einzuschließen. Die Gase werden auch bei Einwirken mechanischer Energie wie Ultraschall nicht freigesetzt. Man nimmt an, dass aufgrund der Oberflächenspannung der Sperrflüssigkeit diese nicht in die Zwischenräume zwischen den Säulen einzudringen vermag, wenn sich dort bereits ein Gas befindet. Mit anderen Worten, die Benetzung einer erfin- dungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche, die mit einem Gas beladen ist,.ist minimal bzw. findet nicht statt (siehe auch Yoshimitsu et al. loc. cit.).
Das Beladen der Oberflächenstruktur erfolgt durch Inkontaktbringen der, mikrostrukturierten; Oberfläche mit dem einzuschließenden Gas. Gegebenenfalls wird man eine gewisse Zeit warten, bis das zwischen den Säulen ursprünglich vorhandene Gas bzw. Gasgemisch durch das Gas, mit welchem die Oberfläche in Kontakt gebracht wurde, verdrängt ist. Die hierfür erforderliche Zeit liegt vermutlich im Bereich weniger Sekunden bis hin zu einigen Minuten. Außerdem kann man die mikrostrukturierte Oberfläche mit dem Gas beladen, indem man in die Sperrflüssigkeit Gasblasen des einzuschlie- ßenden Gases einbringt und diese mit der Oberfläche in Kontakt bringt.
Die Art des Gases ist nicht eingeschränkt und umfasst beispielsweise die folgenden Gase und deren Mischungen, z.B. Edelgase wie Helium, Argon etc. diatomare Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff ebenso wie Gase mit mehr als 2 Atomen wie Methan, Ethan, Ethen, Ethin, Schwefelhexafluorid und dergleichen. In der Regel wird man allerdings nur solche Gase verwenden, welche die Oberfläche nicht korrodieren oder in diese in nennenswertem Umfang hinein diffundieren.
Das Abdecken mit der Sperrflüssigkeit erfolgt durch in Kontakt bringen mit der Sperr- flüssigkeit, z.B. durch Eintauchen in oder durch Überleiten von Flüssigkeit. Als Sperrflüssigkeit sind grundsätzlich alle Flüssigkeiten geeignet, die das Gas nicht oder nicht in nennenswertem Umfang lösen und vorteilhafter Weise nicht zu einer nennenswerten Korrosion der Oberfläche führen. Zu nennen sind Wasser, Alkohole wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Ethylenglykol, Glycerin, Kohlenwasserstoffe wie He- xan, Cyclohexan, Toluol, Xylole, Petrolether, Etherwie Diethylether, Methyl-tert.- butylether, Tetrahydrofuran, Ester wie Ethylacetat, Butylacetat, sowie Mischungen der vorgenannten Flüssigkeiten.
Auf die hier beschriebene Weise können die Gase in der mikrostrukturierten Oberfläche eingeschlossen bzw. lokalisiert werden. Diese Eigenschaft kann in verschiedenster Weise genutzt werden, beispielsweise um Gase für Reaktionen oder für ihre Analyse an der Oberfläche zu binden, oder um den Kontakt der Oberfläche, beispielsweise von Gefäßen oder Leitungen, mit den Flüssigkeiten zu verhindern, um auf diese Weise eine Diffusion der Flüssigkeit in die Oberfläche zu vermindern oder zu verhindern.
Die folgenden Figuren und Beispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung.
Figuren 1 a bis 1 c zeigen elektronenmikroskopische Aufnahmen verschiedener erfin- dungsgemäßer Oberflächen mit einer Vielzahl Säulen mit kreisförmiger Querschnittsfläche. Bei Figur 1a handelt es sich um. Säulen aus Silizium mit einer Länge von 15 μm, einem Durchmesser von 0,7-1 μm und einem Abstand von 10 μm. Bei Figur 1 b handelt es sich um Säulen aus Polydimethyldisiloxän (PDMS) mit einer Länge von 20 μm, einem Durchmesser von 5 μm und einem Abstand von 15 μm. Bei Figur 1c handelt es sich um Säulen aus. Verhetztem Epoxidharz mit einer Länge von 15 μm, einem Durchmesser von 2,7 μm und einem Abstand von 5 μm.
Figur 2 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit einer Vielzahl runder Säulen aus Polydimethylsiloxan mit einer Länge von 17 μm, einem Durchmesser von 3 μm und einem Abstand von 7 μm.
Figur 3 zeigt eine Luftblase, die in der erfindungsgemäßen Oberfläche aus Abbildung 2 unter einer Wasserschicht eingeschlossen ist. Die Aufnahme erfolgte mittels eines Wasserimmersionsobjektivs.
Figur 4 zeigt eine optische Mikroskopieaufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit darauf präparierten Kollagenfasern. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 25 μm, einen Abstand von 50 μm und eine Höhe von 100 μm auf. Zur Bestimmung der Kontraktionskraft der ge- trockneten Kollagenfaser, welche einzelne Säulen aus PDMS verbinden, wurde die Auslenkung aus der Idealposition, dargestellt durch die eingezeichneten Hilfslinien, ermittelt.
Figur 5 zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche, in der die säulenförmigen Erhöhungen von einer Kollagenschicht überspannt werden. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 3 μm, einen Abstand von 5 μm und eine Höhe von 14 μm auf. Die Kollagenschicht verbiegt aufgrund von in der Schicht auftretenden mechanischen Spannungen die PDMS-Säulen.
Figur 6 zeigt eine optische Mikroskopieaufnahme einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit darauf präparierten Herzmuskelzellen. Die säulenförmigen Erhebungen sind aus Polydimethylsiloxan und weisen einen Durchmesser von ca. 3 μm, einen Abstand von 5 μm und eine Höhe von 20 μm auf. Das Pulsieren der Herzmuskelzellen resultiert in einer Deformation der PDMS-Säulen.
I. Herstellung einer erfindungsgemäßen Oberfläche mit aus Polydimethylsiloxan aufgebauten Säulen
1. Allgemeine Herstellungsvorschrift A: Oberfläche mit Säulen aus Silizium
,(a) Ein Si(100)-Wafer wird mittels Photolithographie mit einer Nickel- oder Gold- Maske strukturiert, wie von T. A. Brunner (Herausgeber) in "Optical/Laser Micro- lithography VIII, 22-24 February 1995, Santa Clara, California. [In: Prρ ,SPIE-lnt. Soe; Opt. Eng., 1995; 2440] (1995), S. 948 ff. und der dort zitierten Literatur be- schrieben.
(b) Anschließend wird das so erhaltene Silizium-Substrat einem reaktiven lonen- ätzen unterzogen, wie von A. A. Ayon et al., J. Electrochem. Soc. 1999, 146, 339-349" beschrieben. Auf diese Weise kann ein Verhältnis Höhe/Durchmesser von bis zu 50 erzielt werden. Figur 1A zeigt beispielhaft ein mit Säulen strukturiertes Si(100) Substrat.
2. Allgemeine Herstellungsvorschrift B: Oberfläche mit Säulen aus Polydimethyldisiloxän
(a) Auf einen Glasträger wird ein Epoxidharz-basierter Negativ-Resist (NanoSuδ Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm - 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Nickelmaske gemäß der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Anschließend wird die Schicht mit UV- Licht (Wellenlänge 320 nm) bestrahlt. Die nicht bestrahlten Bereiche der Epoxid- schicht werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst. Auf diese Weise können in der Schicht Löcher mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei Tiefe der Löcher von der Schichtdi- cke abhängig ist. (b) Auf die so strukturierte Schicht (Templat) wird ein handelsübliches, flüssiges, Polydimethylsiloxan bildendes Präpolymer (beispielsweise Sylgard 184 der Fa. Dow Corning) so aufgebracht, dass Präpolymer in die Löcher fließt und das Templat vollständig bedeckt. Anschließend wird das so behandelte Templat zum Aushärten des Präpolymers thermisch bei einer Temperatur zwischen 40 - 110 °C nach Herstellerangaben behandelt. Danach wird die so erhaltene erstarrte Polydimethylsiloxan-Schicht von der Templat und aus den Löchern mechanisch abgezogen, wobei man eine erfindungsgemäße Oberfläche mit Säulen aus Polydimethylsiloxan erhält. Beispiele für so hergestellte Oberflächen sind die in den Figuren 1B und 2 bis 6 gezeigten Oberflächen.
3. Allgemeine Herstellungsvorschrift C: Oberfläche mit Säulen aus Epoxidharz
(a) Auf einen Glasträger wird ein Epoxidharz-basierter Negativ-Resist (NanoSuδ Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm - 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Lochmaske aus Nickel analog der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Dann wird die Schicht mit UV- Licht (Wellenlänge 320 nm) bestrahlt. Die nicht bestrahlten Bereiche der Epoxid- schicht werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst. Die bestrahlten Bereiche bilden die säulenförmigen Erhebungen. Auf diese Weise können in der Schicht Erhebungen mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei die Höhe der Erhebungen von der Bestrah- lungsintensität abhängig ist. Ein Beispiel für eine derart erhaltene Oberfläche ist in Abbildung 1C gezeigt. ;
4. Allgemeine Herstellungsvorschrift D: Oberfläche mit Säulen aus Polymethyl- methacrylat (PMMA) (a) Auf einen Glasträger wird ein PMMA-basierter Positiv-Resist (NanoSuδ Lack der Firma MicroChem, Newton, MA, USA) mit einer Dicke von 100 nm - 200 μm gemäß Herstellerangaben abgeschieden. Anschließend wird auf diese Schicht eine Metallmaske, insbesondere eine Lochmaske aus Nickel analog der unter 1. (a) angegebenen Methode aufgebracht. Dann wird die Schicht mit UV-Licht (Wel- lenlänge 320 nm) bestrahlt. Die bestrahlten Bereiche der PMMA werden dann mit einem Lösungsmittel nach Herstellerangaben herausgelöst Die nicht bestrahlten Bereiche bilden die säulenförmigen Erhebungen. Auf diese Weise können in der Schicht Erhebungen mit einem Durchmesser zwischen 0,7 und 30 μm erzeugt werden, wobei Tiefe der Höhe der Erhebungen von der Bestrahlungsintensität abhängig ist. II. Untersuchung von kleinsten Kräften im Bereich < 1 nN
1. Bestimmung der Federkonstanten der auf den Oberflächen angeordneten Säulen
Die Eichung der Oberfläche bezüglich Ihrer Kraftkonstante kann sowohl nach der von R. Proksch in US 2002162388 beschriebenen Methode sowie nach der von L. A. Bottomley et al. Analytical Chemistry (1996), 68(12), 165-230 beschriebenen Methode erfolgen, die auf der gezielten Deformation der Säulen mit einem kalibrierten Stab und Bestimmung der auftretenden Deformation basiert.
Im Detail wurde wie folgt vorgegangen: Ein rechteckiger Borosilicat-Glasstab mit einer Länge von 100 mm eine Breite von 1 mm und einer Dicke von 0,2 mm (VitroCom Inc., Mountain Lakes, NJ, U.S.A.) wurde mit einem Laser- Micropipetten-Gerät (P-2000, Sutter Instrument Co., Novato, CA, U.S.A.) in zwei Mikroplättchen zerteilt. Die Spitze eines Mikroplättchens weist typischerweise eine Breite von 20 μm und eine Dicke von 5 μm auf. Ihre Länge kann durch die Zugparameter variiert werden, so dass man unterschiedliche Steifheiten einstellen kann. Ein Siliziiumnitrid(SiN)-Faden cantilever mit einer nominellen Federkonstante von 0,05 N/m, wie er für die AFM üblich ist (OMCL-RC-300PSA-W, Olympus Optical Co., Ltd., Tokyo, Japan) wurde senkrecht zu der Glasplatte einer Beobachtungskammer montiert. Dann wurde das Mikroplättchen auf einen Micromanipulator montiert und so an den SiN-Faden angenähert, dass der Faden und das Mikroplättchen parallel zueinander angeordnet waren. Um elektrostatische Wechselwirkungen zu vermeiden, wurde die Beobachtungskammer mit Wasser gefüllt. Dann wurde das Mikroplättchen gegen den Faden geschoben, so dass beide ausgelenkt wurden. Die Auslenkung wurde mit einer Hamamatsu Kamera aufgezeichnet. Durch anschließende Auswertung der Bildaufnahme wurde die Federkonstante des Glasplättchens ermittelt, wobei sich die Federkonstante durch Multiplikation des Verhältnisses der Auslenkung von Faden und Mikroplättchen mit der bekannten Federkonstante des Fadens berechnen lässt. Auf diese Weise erhält man ein geeichtes Glasplättchen, dass dann zur Eichung der erfindungsgemäßen Oberfläche eingesetzt werden kann. Die Bestimmung der Federkonstanten der Säulen der erfindungsgemäßen Oberfläche erfolgt analog zur der Eichung der Mikroplättchen.
Auf diese Weise wurde für die in Abbildung 4 gezeigte Oberfläche eine Federkonstante der Säulen von 0,021 N/m bestimmt.
Untersuchung von durch Collagenfäden ausgeübte Kontraktionskräfte: Eine handelsübliche Lösung von Fibronektin (Sigma Chemicals) wurde mit PBS- Puffer (Gibco) auf eine Konzentration von 10 μg/l verdünnt. Kollagen (Typ I, Flu- ka) wurde in 0,01 M HBSS-Puffer (Gibco) bei 4 °C in einer Konzentration von 1 mg/ml gelöst, anschließend mit kaltem 0,01 M HBSS-Puffer auf die gewünschte Endkonzentration verdünnt und mit 0,1 M Natronlauge neutralisiert.
Eine nach I, Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 25 μm, Abstand 50 μm, Höhe von 100 μm, Federkonstante 0,021 N/m) wurde in einer Durchflusszelle mit PBS- Puffer überschichtet. Anschließend wurde die gepufferte Fibronektin-Lösung durchgespült und man inkubierte 10 min. Dann wurde mehrmals mit 0,01 M HBSS-Puffer gespült und danach die neutralisierte Kollagen-Lösung mit einer Konzentration von 500 μg/ml zugegeben. Dann inkubierte man 30 min. bei 37 °C. Dann wurde das Deckglas vorsichtig lateral über die Säulenspitzen abgezogen. Auf diese Weise erhielt man dünne Bündel von Kollagen-Fasern, die an den Spitzen der Säulen fixiert waren. Eine lichtmikroskopische Aufnahmen der so präparierten präparierten Oberflächen ist in Abbildung 4 gezeigt. Die in Abbildung 4 angegebenen Kräfte F wurden über die Beziehung F = k V(Δx2 + Δy2) berechnet, wobei k die Kraftkonstante, Δx die Aύslenkung der Säulenspitze parallel zur Oberfläche in einer ersten Richtung und Δy die Auslenkung der Säulenspitze parallel zur Oberfläche und senkrecht zu der ersten Richtung bedeutet.
3. Untersuchung von durch Collagenfolie ausgeübte Kontraktionskräfte Auf eine nach I, Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 3 μm, Abstand 5 μm, Höhe von 14 μm) wurde Kollagen Typ I analog der unter 2. angegebenen Vorschrift aufgebracht, wobei man im Unterschied zu der unter 2. angegebenen Vorschrift die Durchflusszelle vor Entfernen des Deckglas mit PBS-Puffer flutete. Auf diese Weise erhielt man eine dünne Folie eines Kollagen-Gels auf den Säulenspitzen der Oberflächen (siehe Abbildung 5). Die von der Kollagenfolie ausgeübten Kräfte führen zu einer Auslenkung der Säulen aus der Flächennormalen, wie Abbildung 5 entnommen werden kann.
4. Untersuchung von durch Herzmuskelzellen ausgeübte Kontraktionskräfte
Zellsuspensionen von Herzmuskelzellen von Ratten wurden nach der von N. Q. Balaban, Nature Cell Biology, 2001, S. 466 beschriebenen Methode präpariert. Die Zellsuspension wurden mit einer nach I, Vorschrift B hergestellten Oberfläche mit säulenförmigen Erhebungen aus Polydimethylsiloxan (Durchmesser ca. 3 μm, Abstand 5 μm, Höhe von 20 μm) in Kontakt gebracht. Nach ca. 24 h bei 37 °C begannen die Herzmuskelzellen zu pulsieren, was durch entsprechende Auslenkungen der Säulenspitzen beobachtet werden konnte.
III. Einschluss von Gasen
Eine nach Vorschrift B hergestellte Oberfläche mit Säulen aus Polydimethylsiloxan wurde nach Kontakt mit Luft in Wasser eingetaucht. Hierbei wird ein Luftvolumen eingeschlossen (siehe Figur 3). Das Luftvolumen lässt sich auch durch längere Behandlung mit Ultraschall nicht von der Oberfläche entfernen.

Claims

Patentansprüche:
1. Gegenstand, der wenigstens einen mikrostrukturierten Oberflächenbereich aufweist, welcher durch eine Anordnung einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen charakterisiert ist, die eine Länge L und eine Querschnittsfläche A aufweisen und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (Z90-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gilt:
Figure imgf000019_0001
2. Gegenstand nach Anspruch 1 , wobei das elastisch verformbare Material ein elastomeres Polymer ist, das durch ein Elastizitäts-Modul im Bereich von 102 bis 107 N/m2 charakterisiert ist.
3. Gegenstand nach Anspruch 2, wobei das elastisch verformbare Material ein ver- netztes Polydialkylsiloxan ist.
4. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin für die Quer- schnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation II gilt: s[Ä ≥ 0,lμm (II)
5. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 0,1 μm aufweisen.
6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Querschnittsfläche der säulenförmigen Erhebungen eine kreisförmige oder elliptische Geo- metrie aufweist.
7. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin deri90-Wert im Bereich von 10 bis 200 μm liegt.
δ. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Form einer Polymerfolie, die eine mikrostrukturierte Oberfläche besitzt.
9. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in Form eines Sensors für die Messung von mechanischen Kräften.
10. Gegenstand nach Anspruch 9, worin für die Querschnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation III gilt:
Figure imgf000020_0001
11. Gegenstand nach einem Ansprüche 9 oder 10, worin wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn von wenigstens 2 μm aufweisen.
12. Gegenstand nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , worin für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation IV gilt:
Figure imgf000020_0002
13. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin für die Querschnittsfläche A von wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation lila gilt: -
Figure imgf000020_0003
14. Gegenstand nach einem Ansprüche 13, worin wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen einen Abstand D zu ihren nächsten Nachbarn im Bereich von 0,5 bis 30 μm aufweisen.
15. Gegenstand nach einem der Ansprüche 13 oder 14, worin für wenigstens 90 % ; der Säulenförmigen Erhebungen die Relation IV gilt:
Figure imgf000020_0004
16. Messanordnung zur Messung mechanischer Kräfte umfassend einen Gegen- stand gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12 und eine Vorrichtung zur Aufnahme und Wiedergabe von Bildinformationen (bildgebende Vorrichtung).
17. Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 9 bis 11 oder einer Messanordnung nach Anspruch 16, zur Bestimmung von Kräften im Bereich von 0,1 bis 1000 nN.
1δ. Verwendung nach Anspruch 1δ zur orts- und zeitaufgelösten Bestimmung zwei- dimensionaler Schubspannungsfelder in Gas- und Flüssigkeitsströmen.
19. Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis δ oder 13 bis 15 zum Einschluss von Gasen in Oberflächen.
20. Verfahren zum Einschluss von Gasen in Oberflächen von Gegenständen, umfas- send das Bereitstellung einer erfindungsgemäß mikrostrukturierten Oberfläche auf einem Gegenstand, Beladen der strukturierten Oberfläche mit einem Gas und bedecken der Oberfläche mit Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche eine Anordnung Vielzahl säulenförmiger Erhebungen aufweist, die durch eine Länge L und eine Querschnittsfläche A charakterisiert sind und die aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sind, wobei die Länge, welche wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen aufweisen (Z90-Wert), wenigstens 5 μm beträgt, und für wenigstens 90 % der säulenförmigen Erhebungen die Relation I gemäß Anspruch 1 gilt.
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