WO2016005173A1 - Kulturkammervorrichtung zur erzeugung von flusslosen und zeitstabilen gradienten - Google Patents

Kulturkammervorrichtung zur erzeugung von flusslosen und zeitstabilen gradienten Download PDF

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WO2016005173A1
WO2016005173A1 PCT/EP2015/063925 EP2015063925W WO2016005173A1 WO 2016005173 A1 WO2016005173 A1 WO 2016005173A1 EP 2015063925 W EP2015063925 W EP 2015063925W WO 2016005173 A1 WO2016005173 A1 WO 2016005173A1
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WO
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observation chamber
silicon
supply
supply channel
layer
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/063925
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Inventor
Siegfried Steltenkamp
Simon Tätzner
Sam Schmitz
Peter Holik
Georg Siebke
Simon Stepniak
Luis Alvarez
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Stiftung Caesar Center Of Advanced European Studies
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Publication date
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    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/36—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of biomass, e.g. colony counters or by turbidity measurements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04—Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/10—Perfusion

Definitions

  • the invention relates to a culture chamber device for generating flowless and time-stable gradients.
  • cell cultures defined can be supplied with nutrient solution or exposed to an attractant gradient or other chemicals (in the context of this application under the term supply fluid
  • the supply fluid is freely adjustable in the form of all essential mathematical functions.
  • the cell cultures are subjected to different compositions of the supply fluid, so that the development of the cell cultures as a function of the supply fluid
  • Composition of the supply fluid can be observed.
  • the cell cultures are arranged in an observation chamber, which is filled with a fluid.
  • the fluid in the observation chamber is not subject to any appreciable flow in a flowless gradient. Only by diffusion can at different areas of the
  • Observation chamber a relatively high flow.
  • the supply channels are all arranged laterally to the observation chamber; The diffusion of the nutrient solution can therefore only take place from one side into the observation chamber. This already requires a strong limitation with respect to the adjustability in all spatial directions of the
  • Concentration structure in the observation chamber Furthermore, the pores can each be acted upon only with a fluid component; it is thus possible to adjust only discrete concentration steps on the pores.
  • the device is formed of several components, which are formed among other things of POMS.
  • the gradients run in the third level pointed upwards. This means that this device only allows the study of chemotaxis on adherent-moving cells and can not produce uniform gradients orthogonal to the gradient plane.
  • the patent DE 10 201 1 102 071 shows a device for investigating the differentiation of cells upon contact with a gradient of at least one biologically active species.
  • a chamber part for receiving cells in a nutrient solution.
  • a mixer part at least two different concentrations of the biologically active species are provided.
  • An at least partially perforated membrane is disposed between the mixer part and the chamber part.
  • a disadvantage is that a partition wall is provided in the chamber part, whereby no migration of cells can be investigated.
  • Bonding layer that does not allow micrometer-precise distances in the structure.
  • PDMS has been used in such culture chamber devices.
  • PDMS incorporates water over time (water absorption of about 5%) and is susceptible to contamination.
  • these PDMS chips are unsuitable for purification or recycling.
  • the culture chamber device according to claim 1 comprises
  • an observation chamber in which a concentration structure is three-dimensionally adjustable, a plurality of supply channels, for flowing through with a supply fluid,
  • the culture chamber device is characterized in that a first arrangement of supply channels is arranged above the observation chamber and a second arrangement of supply channels is arranged below the observation chamber.
  • An advantage of the invention is, in particular, to supply the observation chamber not only from one but from two sides in a targeted manner by diffusion with the supply fluid.
  • the concentration structure within the observation chamber can now be set much finer and more variable. So far, such concepts for the most flexible possible adjustment of the concentration structure failed because complex supply channel structures on both sides at the expense of transparency.
  • Flowless gradient means that the liquid in the observation chamber, which is in particular a space without partitions or other barriers, does not move significantly. Although a main supply current is provided in the supply channels, it is kept out of the observation chamber by the partition walls.
  • both supply channel arrangements upstream of the pores each comprise a plurality of inflow openings, through which different fluid components can flow into the respective supply channel arrangements. This means that through the supply channel arrangements not only a single fluid or a
  • Fluid component flows through it, but that a plurality of fluid components are introduced there, wherein it is to a defined predetermined mixing within the
  • Supply channel arrangement comes.
  • a laminar flow is set in the supply channel arrangements. This allows a concentration structure across the - -
  • the supply channel is in particular by a partition wall at one of
  • Limited observation chamber facing side and limited by a housing wall on a side facing away from the observation chamber.
  • the housing wall then serves in particular to delimit the supply channel from the environment.
  • both the partitions and the housing walls are formed of a transparent material. This serves the improved insight despite the fact that the supply channels are arranged on both sides of the observation chamber.
  • the partition is made of silicon dioxide.
  • Silica is characterized in particular by the transparency and the high variability in processability.
  • silicon or silicon nitride may be used as the material to be used for the partition, but plastics such as polycarbonate or porous materials may also be considered.
  • the housing wall is preferably made of glass or a
  • Glass material formed can be structured by an etching process.
  • the invention further relates to the use of such a device.
  • the laminar flow is given in the area of the pores.
  • the laminar flow has no flow velocity in its outer regions, that is to say on the partitions.
  • the rather small pores in the dividing wall ensures that in the
  • pores preferably have a diameter of at most 10 ⁇ , preferably of at most 5 ⁇ , in particular of about - -
  • the thickness of the partition or the length of the pores is in particular 100 nm to 100 ⁇ , preferably in about 1 ⁇ .
  • Fluid components are targeted and in particular steplessly or continuously influenced.
  • Observation chamber can be adjusted in the region of the respective pores.
  • linear gradients can be generated, but also, induced by the mixing geometry in the plane with the supply channels, any shapes orthogonal to the flow direction, as already stated above.
  • the gradient can be freely set in the observation chamber.
  • the gradient is set in the third spatial direction (H direction) by the two mixing planes and the variation of the pore matrix.
  • the supply fluid is formed by different fluid components, which in the
  • Supply fluid preferably laminar from one end face with the inflow openings to another end face with drain openings.
  • the preferably laminar flow is achieved, in particular, by the fact that, on the one hand, the supply channel has a constant, in particular rectangular, cross section over its length.
  • the supply fluid in particular flows from at least more than 0.1 ⁇ / min up to 500 ⁇ / min through the supply channel. There may be a maximum pressure of 10 bar in the inlets of the supply channels.
  • Such a device is therefore preferably used in such a way that by laminar introduction of the fluid components into the two supply channel arrangements both above and below the observation chamber a laminar flow with a predetermined gradient is generated transversely to the flow direction.
  • the gradient in the observation chamber in all three spatial directions is set freely by the targeted generation of the laminar flow with a predetermined gradient transversely to the flow direction within the supply channel arrangements.
  • the arrangement of the pores, the gradient in the observation chamber can be influenced.
  • the gradient is set in the supply channels.
  • This gradient is set by the arrangement of the meanders and the number of connections.
  • Supply channels is about the number of inlets with the respective
  • Supply concentration can be set freely during operation.
  • the object is further achieved by a method for producing such
  • a silicon wafer comprising a first silicon layer and a first silicon dioxide layer adjoining it is provided. By structuring the silicon dioxide layer, the pores are generated.
  • Silicon dioxide layer is the first partition on the finished device.
  • Silicon layer may then form on the later device either the observation chamber or at least parts thereof or a supply channel or at least parts thereof.
  • At least one further, preferably two further, silicon wafers are used in the course of the further production process, each comprising a silicon layer.
  • the supply channels namely in particular the upper or the lower supply channel are formed.
  • the layers, in particular the silicon layers or silicon dioxide layers, which have been provided on different wafers, are preferably by wafer bonding, preferably
  • the wafer bonding has the advantage over bonding, plasma activation or thermal bonding that this compound is irreversible and inert and withstands high pressures and without water absorption into the device.
  • the adhesive layer is eliminated.
  • through the wafer bonding be excluded that leaks caused by gluing or other predetermined breaking points.
  • a further partition wall is formed between the observation chamber and the other of the supply channels.
  • the joining of this partition wall that is to say the silicon dioxide layer with the silicon layer which delimits the observation chamber, preferably again takes place by wafer bonding.
  • the supply channel is covered on the side facing away from the observation chamber by a glass wafer.
  • This can be structured, in particular by a chemical or physico-chemical etching process.
  • an etching process in particular with a preceding exposure process with a mask for structuring, is suitable for the production method.
  • the structuring can preferably take place by UV or electron beam lithography.
  • the device presented here is suitable for high pressure operation and is easily cleaned with many different acids, especially Caro's sour.
  • Another advantage of this device is the negligible water absorption, the inertness to many common acids and bases and the adjustable hydrophilicity, or
  • FIG. 1 shows a culture chamber device according to the invention, cut open and in
  • FIG. 2 shows the culture chamber device in detail
  • FIG. 3 a shows a plan view of the supply channel of the culture chamber device from FIG. 1 in a sectional representation with exemplary fluid components; b) is a front view of the supply channel of Figure 3a;
  • FIG. 4 shows an exemplary concentration structure in the observation chamber in the case of a three-stage gradient in the respective supply planes
  • FIGS. 1 and 2 show a culture chamber device 1 according to the invention.
  • Cells are cultivated in an observation chamber 2, which cells are supplied with a defined nutrient solution or chemicals (in the following, supply fluid 10).
  • supply fluid 10 a defined nutrient solution or chemicals
  • the supply fluid 10 diffuses from the upper and lower supply channels 4 0 , through micropores 5 in the
  • the supply channels 4 are each part of an upper or lower mixing level 3 0 , 3 u, in which a predetermined concentration structure of the supply fluid 10 is formed defined.
  • the mixing levels 3 0 , 3 y are formed from a respective housing wall 14. In this
  • Housing wall 14 a plurality of inlet holes 16 are provided through the
  • FIG. 3a shows a supply channel 4 shown in simplified form in cross-section along the flow direction of the supply fluid. By three inflow openings 7 at the first
  • Face 6 selectively flow different fluid components 11 ⁇ 1 1 2 , 11 3 in the supply channel 4 in the direction of discharge openings 9 at a second end face 8. It turns over the width B a continuous concentration structure, as shown in FIG 3c is shown. It can adjust versatile concentration structure, even under
  • the supply channel 4 may be rectangular, as indicated in the embodiment; the flow in the region of the pores is preferably laminar.
  • the front side can be understood as the region in which the individual fluid components open into the common supply channel 4 for the first time.
  • the observation chamber can also have a curved course.
  • the pores 5 can be seen, which may have a diameter of about 2 ym.
  • the thickness of the partition wall (corresponds to the length of the pores) is 1 ⁇ .
  • the geometric design and arrangement of the pores can be varied as desired. For example, pores 5, smaller diameter and larger diameter pores 5 2 are possible. Also, the distances between the pores can vary. This allows flexible adjustment of the gradient in the observation chamber.
  • the partition wall 13 can also be formed by a membrane. Alternatively, the partition can also be formed by a porous material which is suitable for the
  • Supply fluid is permeable.
  • suitable coating or structuring of the surface By suitable coating or structuring of the surface, the permeability at individual points can be defined reduced or increased.
  • Observation chamber 2 can be adjusted variably and infinitely. Again, be here
  • Supply channel 4u becomes a center rising and outward sloping
  • the concentration structure within the observation chamber 2 which is represented by the six diagrams on the right.
  • the middle diagrams represent the concentration structure in a middle one
  • D1> D2 means that the pores in the area L have a smaller diameter than in the area L 2 .
  • the concentration structure in the observation chamber 2 is similar to that in the lower supply channel 4 y ; in the upper region H 3 , the concentration structure is similar to that in the upper supply channel 4 0 . Due to the smaller pore size in the region L, the concentration level is generally lower there than in the region L 2 .
  • Concentration structure in the middle range H 2 represents a mixture of the
  • FIG. 5 shows a so-called silicon-on-insulator wafer 21.
  • This comprises two silicon layers HL, DL, which are arranged on both sides of a silicon dioxide insulating layer IL.
  • the one silicon layer HL is the so-called handle layer
  • the other layer DL is the so-called device layer.
  • the handle layer is used during the manufacturing process to hold the wafer during production.
  • the device layer layer DL, 24 is patterned during the process and provides material for the later device.
  • Such a silicon-onsulater wafer 21, hereafter referred to as wafer or silicon wafer for short, is disclosed in US Pat
  • This first silicon wafer 21 is provided on the free side, ie the side facing away from the handle layer HL, with a first silicon dioxide layer 27.
  • the pore structure is transferred into the first silicon dioxide layer 27.
  • the first silicon dioxide layer 27 later in the finished device the partition wall 13 by structuring the pores 5 are generated.
  • further structures 30 can be produced, which in the later device are components of inflows or the like (FIG. 6).
  • the dividing wall 13 or the structured first silicon dioxide layer 27 is connected to a second silicon wafer 22 having a second silicon layer 25, which is formed by the device layer DL of the second silicon wafer 22. This is done by bonding.
  • the insulating layer IL and the handle layer HL were already removed from the first silicon wafer 21, so that only the first
  • FIG. 8 shows the arrangement from first silicon layer 24 with partition 13 and second silicon wafer 22 attached thereto
  • the first silicon layer 24 is patterned in an etching process (FIG. 9). From the first silicon layer 24 is now up to the
  • Silicon layer 25 later forms the lower supply channel 4 U in the finished device.
  • a further third, silicon wafer 23 having a silicon dioxide layer (third silicon dioxide layer 29) is then applied to the upper side of the side walls 31, in turn 29, 19.
  • This corresponds exactly to the arrangement as shown in Figure 6 and described above.
  • Reference numeral 29 for the third silicon dioxide layer is inserted in parentheses.
  • the third silicon layer 26 later forms the upper supply channel 40 .
  • the partition wall 13, which is formed by the third silicon dioxide layer 29, is now placed on the side walls 31 and bonded.
  • the third silicon layer is then patterned 26, whereby the upper delivery channel 4 0 is formed, and also etched structures 30, which are components of a receipt or payment later.
  • a glass wafer 32 ( Figure 13), which covers the upper supply duct 4 0 is applied to the above-structured third silicon layer 26th At the same time, it also stabilizes the previously produced arrangement for further processing.
  • the following silicon layer 25 is structured in order to form the lower supply channel 4 U.
  • step according to FIG. 12 could also be carried out differently with the second silicon layer 25 instead of the third silicon layer 26.
  • a further glass wafer 32 is applied to the structured second silicon layer 25, which forms the lower supply channel 4 U , and optionally structured.
  • the two structured glass wafers 32 then form the housing wall 14 on the finished culture chamber device 1.
  • the finished culture chamber device can thus formed by the glass
  • Housing wall 14 through the supply channel 4 0 , 4 y and the thin partition wall 13 are looked through to observe the processes in the observation chamber 2, optionally from both sides. This results in the suitability for through and

Abstract

Kulturkammervorrichtung zur Erzeugung von flusslosen und zeitstabilen Gradienten (1), umfassend eine Beobachtungskammer (2), in der ein Konzentrationsgefüge dreidimensional einstellbar ist, mehrere Versorgungskanäle (4) zur Durchströmung mit einem Versorgungsfluid (10), jeweils eine Trennwand (13) zwischen den Versorgungskanälen (4) und der Beobachtungskammer (2), wobei die Trennwand (13) Poren (5) zur Diffusion von Versorgungsfluid zwischen dem jeweiligen Versorgungskanal (4) und der Beobachtungskammer (2) aufweist, wobei eine erste Anordnung von Versorgungskanälen (40) oberhalb der Beobachtungskammer (2) und eine zweite Anordnung von Versorgungskanälen (4υ) unterhalb der Beobachtungskammer (2) angeordnet sind.

Description

Kulturkammervorrichtung zur Erzeugung von flusslosen und zeitstabilen Gradienten Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Kulturkammervorrichtung zur Erzeugung von flusslosen und zeitstabilen Gradienten.
In einer solchen Kulturkammervorrichtung können unter anderem Zellkulturen definiert mit Nährlösung versorgt oder einem Lockstoffgradienten oder anderen Chemikalien ausgesetzt werden (im Rahmen dieser Anmeldung unter den Begriff Versorgungsfluid
zusammengefasst). Dabei ist das Versorgungsfluid frei in der Form von allen wesentlichen mathematischem Funktionen einstellbar. In unterschiedlichen Bereichen der Kulturkammer werden die Zellkulturen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des Versorgungsfluids beaufschlagt, so dass die Entwicklung der Zellkulturen in Abhängigkeit von der
Zusammensetzung der Versorgungsfluids beobachtet werden kann. Die Zellkulturen sind dabei in einer Beobachtungskammer angeordnet, die mit einem Fluid gefüllt ist. Das Fluid in der Beobachtungskammer unterliegt bei einem flusslosen Gradienten keiner nennenswerten Strömung. Lediglich durch Diffusion kann an unterschiedlichen Bereichen der
Beobachtungskammer die Konzentration des Fluids beeinflusst werden.
Die US 2012/0135446 A1 zeigt eine solche Kulturkammervorrichtung. Durch
unterschiedliche Versorgungskanäle strömen unterschiedliche Fluidkomponenten hindurch, die zu einem gemeinsamen Abflusskanal fließen. Nachteilig wirkt sich dabei aus, dass die unterschiedlichen Fluidkomponenten jeweils einen separaten Zufluss benötigen. So kann nur ein diskreter Gradient entstehen. Große Mikroporen im Bereich der Zuflusskanäle
ermöglichen eine Diffusion der Fluidkomponenten in die Beobachtungskammer hinein. Durch die relativ großen Poren von 80 μηη bis 100 μηι im Durchmesser besitzt die
Beobachtungskammer einen relativen hohen Fluss. Die Versorgungskanäle sind allesamt seitlich zu der Beobachtungskammer angeordnet; die Diffusion der Nährlösung kann daher nur von einer Seite in die Beobachtungskammer erfolgen. Dies bedingt bereits eine starke Begrenzung bezüglich der Einstellbarkeit in allen Raumrichtungen des
Konzentrationsgefüges in der Beobachtungskammer. Ferner sind die Poren jeweils nur mit einer Fluidkomponente beaufschlagbar; es lassen sich so nur diskrete Konzentrationsschritte an den Poren einstellen. Die Vorrichtung wird aus mehreren Komponenten gebildet, die unter anderem aus POMS gebildet sind. In dieser Vorrichtung laufen die Gradienten in der dritten Ebene spitz nach oben zu. Dies bedeutet, dass diese Vorrichtung ausschließlich die Untersuchung der Chemotaxie an adhärent-bewegenden Zellen erlaubt und keine einheitlichen Gradienten orthogonal zur Gradientenebene erzeugen kann.
Des Weiteren zeigt das Patent DE 10 201 1 102 071 eine Vorrichtung zur Untersuchung der Differenzierung von Zellen bei Kontakt mit einem Gradienten aus mindestens einer biologisch wirksamen Spezies. Es ist ein Kammerteil zur Aufnahme von Zellen in einer Nährlösung vorgesehen. In einem Mischerteil werden mindestens zwei unterschiedliche Konzentrationen der biologisch wirksamen Spezies bereitgestellt. Eine zumindest teilweise perforierte Membran ist zwischen dem Mischerteil und dem Kammerteil angeordnet. Als nachteilig ist zu bemerken, dass im Kammerteil eine Trennwand vorgesehen ist, wodurch keine Migration von Zellen untersucht werden kann.
Bei der häufig in diesem Bereich angewendeten Verklebung von Kunststoffen muss ein zusätzlicher Klebstoff verwendet werden, der auch unweit der Poren aufzubringen ist. Da die Poren aber sehr klein sind, besteht bei dem Klebeprozess stets die Gefahr des Zusetzens dieser Poren. Zusätzlich entsteht durch den Klebeprozess eine Undefiniert dicke
Verbindungsschicht, die keine mikrometergenauen Abstände in dem Aufbau zulässt.
Vielfach wird bei solchen Kulturkammervorrichtungen bislang PDMS eingesetzt. PDMS inkorporiert im Laufe der Zeit Wasser (Wasseraufnahme von ca. 5%) und ist anfällig gegen Verunreinigungen. Zusätzlich sind diese PDMS Chips auf Grund der Wasseraufnahme für eine Aufreinigung oder Wiederverwertung ungeeignet. Des Weiteren ist PDMS
luftdurchlässig, so dass bei mikrofluidischen Aufbauten Probleme durch Blasenbildung auftreten
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kulturkammervorrichtung bereit zu stellen, die sich insbesondere durch folgende Vorteile auszeichnet: Bei der Herstellung der Vorrichtung soll im Bereich der Poren möglichst auf Kunststoffe sowie Verklebungen verzichtet werden; das Konzentrationsgefüge in der Beobachtungskammer soll hoch flexibel - in alle Raumrichtungen quasi frei einstellbar sein. Die Beobachtungskammer soll von beiden Seiten einsehbar sein und damit insbesondere für durch- und/oder
auflichtmikroskopische Analyseverfahren geeignet sein. -
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch eine
Kulturkammervorrichtung nach Anspruch 1 ; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die erfindungsgemäße Kulturkammervorrichtung umfasst
eine Beobachtungskammer, in der ein Konzentrationsgefüge dreidimensional einstellbar ist, mehrere Versorgungskanäle, zur Durchströmung mit einem Versorgungsfluid,
jeweils eine Trennwand zwischen den Versorgungskanälen und der Beobachtungskammer, wobei die Trennwand Poren zur Diffusion des Versorgungsfluids zwischen dem jeweiligen Versorgungskanal und der Beobachtungskammer aufweist. Die Kulturkammervorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anordnung von Versorgungskanälen oberhalb der Beobachtungskammer und eine zweite Anordnung von Versorgungskanälen unterhalb der Beobachtungskammer angeordnet ist. Durch Abstimmung der Versorgungskanäle oberhalb und unterhalb der Beobachtungskammer zueinander kann ein dreidimensionaler Gradient in der Beobachtungskammer frei eingestellt werden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, die Beobachtungskammer nicht nur von einer, sondern von zwei Seiten gezielt durch Diffusion mit dem Versorgungsfluid zu versorgen. Durch die Beaufschlagung von zwei Seiten lässt sich das Konzentrationsgefüge innerhalb der Beobachtungskammer nun deutlich feiner und variabler einstellen. Bislang scheiterten solche Konzepte zur möglichst flexiblen Einstellung des Konzentrationsgefüges daran, dass komplexe Versorgungskanalstrukturen auf beiden Seiten zu Lasten der Durchsichtigkeit gehen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren, welches weiter unten noch näher erläutert wird, kann eine entsprechende Vorrichtung realisiert werden.
Flussloser Gradient bedeutet dabei, dass sich die Flüssigkeit in der Beobachtungskammer, die insbesondere ein Raum ohne Trennwände oder sonstige Barrieren ist, nicht wesentlich bewegt. Ein Hauptversorgungsstrom ist zwar in den Versorgungskanälen vorgesehen, wird aber durch die Trennwände aus der Beobachtungskammer herausgehalten.
Vorzugsweise umfassen beide Versorgungskanalanordnungen stromaufwärts der Poren jeweils mehrere Zuflussöffnungen, durch die unterschiedliche Fluidkomponenten in die jeweiligen Versorgungskanalanordnungen einfließen können. Das bedeutet, dass durch die Versorgungskanalanordnungen nicht nur ein einziges Fluid beziehungsweise eine
Fluidkomponente hindurchströmt, sondern dass mehrere Fluidkomponenten dort eingeführt werden, wobei es zu einer definiert vorgegebenen Vermischung innerhalb der
Versorgungskanalanordnung kommt. Bevorzugt wird in den Versorgungskanalanordnungen eine laminare Strömung eingestellt. So lässt sich ein Konzentrationsgefüge quer zur - -
Strömungsrichtung definiert einstellen. Es sind eine Vielzahl mathematischer Funktionen abbildbar, wie z.B. Exponential-, Sinus-, Tangens, Polynom- Sägezahn-, Signum- oder Stufenfunktionen. Einzelnen Poren innerhalb der Trennwand kann so stufenlos eine bestimmte Konzentration der durch sie hindurch diffundierenden Fluidkomponenten vorgegeben werden. Durch eine Variation der Porendurchmesser, der Porenmatrix und / oder der Porosität der Trennwand ist so ein nahezu stufenloser Gradient in beliebiger Form möglich.
Dabei wird der Versorgungskanal insbesondere durch eine Trennwand an einer der
Beobachtungskammer zugewandten Seite begrenzt und durch eine Gehäusewand an einer der Beobachtungskammer abgewandten Seite begrenzt. Die Gehäusewand dient dann insbesondere zur Abgrenzung des Versorgungskanals gegenüber der Umgebung.
Vorzugsweise sind sowohl die Trennwände als auch die Gehäusewände aus einem durchsichtigen Material gebildet. Dies dient der verbesserten Einsichtmöglichkeit trotz des Umstandes, dass auf beiden Seiten der Beobachtungskammer die Versorgungskanäle angeordnet sind.
Vorzugsweise ist dabei die Trennwand aus Siliziumdioxid. Siliziumdioxid zeichnet sich insbesondere durch die Durchsichtigkeit und die hohe Variabilität in der Verarbeitbarkeit aus. Alternativ sind Silizium oder Siliziumnitrid als zu verwendendes Material für die Trennwand möglich, Es kommen aber auch Kunststoffe wie zum Beispiel Polycarbonat oder poröse Materialien in Betracht. Die Gehäusewand ist vorzugsweise aus Glas bzw. einem
Glaswerkstoff gebildet. Insbesondere kann ein Glaswafer durch einen Ätzprozess strukturiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Vorrichtung. Durch das
Einbringen der Fluidkomponenten wird innerhalb des Versorgungskanals eine laminare Strömung erzeugt. Die in einem gemeinsamen Versorgungskanal geführten
unterschiedlichen Fluidkomponenten werden insbesondere mit einer identischen
Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet. Wesentlich ist, dass die laminare Strömung im Bereich der Poren gegeben ist. Insbesondere weist der laminare Fluss in seinen äußeren Bereichen, also an den Trennwänden, keine Fließgeschwindigkeit auf. Im Zusammenspiel mit den recht kleinen Poren in der Trennwand wird sichergestellt, dass in der
Beobachtungskammer kein Fluss entsteht. Dafür weisen die Poren vorzugsweise einen Durchmesser von maximal 10 μηι, vorzugsweise von maximal 5 μΐη, insbesondere von etwa - -
2 μΐη auf. Die Dicke der Trennwand bzw. die Länge der Poren beträgt insbesondere 100 nm bis 100 μπΊ, vorzugsweise in etwa 1 μιτι.
In unterschiedlichen Bereichen der laminaren Strömung (insbesondere quer zur
Strömungsrichtung betrachtet) kann das Versorgungsfluid nun unterschiedliche
Konzentrationen der Fluidkomponenten aufweisen. Durch gezielte geometrische Vorgaben der Poren, insbesondere die Position und/oder die Gestalt, dabei insbesondere der
Durchmesser und / oder die Länge der Poren, kann die Diffusion einzelner
Fluidkomponenten gezielt und insbesondere stufenlos bzw. kontinuierlich beeinflusst werden. Im Zusammenspiel mit der gezielten Einstellung der Konzentrationen kann wiederum die Zusammensetzung des Versorgungsfluids im Inneren der
Beobachtungskammer im Bereich der jeweiligen Poren eingestellt werden. So können nicht nur lineare Gradienten erzeugt werden, sondern auch, induziert durch die Mischgeometrie in der Ebene mit den Versorgungskanälen, beliebige Formen orthogonal zur Flussrichtung, wie oben bereits angegeben. Durch die Variation der Porenmatrix kann in der ersten und der zweiten Mischebene (z.B. LB-Ebene) der Gradient frei in der Beobachtungskammer eingestellt werden. Der Gradient wird in der dritten Raumrichtung (H-Richtung) durch die beiden Mischebenen und die Variation der Porenmatrix eingestellt.
Das Versorgungsfluid wird durch unterschiedliche Fluidkomponenten gebildet, die im
Versorgungskanal eine Durchmischung erfahren. Im Versorgungskanal fließt das
Versorgungsfluid vorzugsweise laminar von der einen Stirnseite mit den Zuflussöffnungen zu einer anderen Stirnseite mit Abflussöffnungen. Die vorzugsweise laminare Strömung wird insbesondere dadurch erreicht, dass zum einen der Versorgungskanal einen konstanten, insbesondere rechteckigen, Querschnitt über seine Länge aufweist. Zum anderen strömt das Versorgungsfluid insbesondere von zumindest mehr als 0,1 μΙ/min bis zu 500 μΙ/min durch den Versorgungskanal. Es kann in den Einlässen der Versorgungskanäle ein Druck maximal 10 bar anliegen.
Eine solche Einrichtung wird folglich bevorzugt derart verwendet, dass durch gezieltes Einbringen der Fluidkomponenten in die beiden Versorgungskanalanordnungen sowohl oberhalb als auch unterhalb der Beobachtungskammer eine laminare Strömung mit einem vorgegebenen Gradienten quer zur Strömungsrichtung erzeugt wird. Dabei wird durch die gezielte Erzeugung der laminaren Strömung mit einem vorgegebenen Gradienten quer zur Strömungsrichtung innerhalb der Versorgungskanalanordnungen insbesondere der Gradient in der Beobachtungskammer in allen drei Raumrichtungen frei eingestellt. - -
So kann durch die Anordnung der Poren der Gradient in der Beobachtungskammer gezielt beeinflusst werden. Zunächst wird dazu ein gewünschter Gradient innerhalb der
Beobachtungskammer festgelegt. Anschließend werden Verhältnisse einander
gegenüberliegender Poren in den beiden Trennwänden, basierend auf dem gewünschten Gradienten, festgelegt, wodurch der Verlauf des Gradienten in H-Richtung (vertikal zur Ebene des Versorgungskanal) eingestellt wird. Das Verhältnis der Porenanordnung in einer Trennwand definiert den Gradienten in L-Richtung (parallel zur Strömungsrichtung in dem Versorgungskanal). Die beiden vorgenannten Planungsschritte erfolgen in direktem
Zusammenhang miteinander. Anschließend wird der Gradient in den Versorgungskanälen festgelegt. Dieser Gradient wird über die Anordnung der Mäander und die Anzahl der Anschlüsse eingestellt. Die Ordnung (linear, quadratisch, kubisch, etc.) des Verlaufs des Gradienten in B-Richtung (quer zur Strömungsrichtung parallel zur Ebene des
Versorgungskanals) ist über die Anzahl der Einlässe mit den jeweiligen
Anfangskonzentrationen festgelegt und kann durch die Veränderung der
Versorgungskonzentration während des Betriebes frei eingestellt werden.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen
Vorrichtung. Zur Bildung der Trennwand wird ein Siliziumwafer, umfassend eine erste Siliziumschicht und sich eine daran anschließende erste Siliziumdioxidschicht, bereitgestellt. Durch Strukturieren der Siliziumdioxidschicht werden die Poren erzeugt. Die erste
Siliziumdioxidschicht stellt an der fertigen Vorrichtung die erste Trennwand dar. Die
Siliziumschicht kann dann an der späteren Vorrichtung entweder die Beobachtungskammer oder zumindest Teile davon oder einen Versorgungskanal oder zumindest Teile davon bilden.
Es werden zumindest ein weiterer, vorzugsweise zwei weitere, Siliziumwafer im Laufe des weiteren Herstellungsverfahrens verwendet, welche jeweils eine Siliziumschicht umfassen. Durch Strukturieren der jeweiligen Siliziumschicht werden die Versorgungskanäle, nämlich insbesondere der obere oder der untere Versorgungskanal gebildet. Die Schichten, insbesondere die Siliziumschichten oder Siliziumdioxidschichten, die an unterschiedlichen Wafern bereitgestellt wurden, werden bevorzugt durch Waferbonding, vorzugsweise
Fusionsbonden, miteinander verbunden. Das Waferbonding hat im Vergleich zum Verkleben, Plasma-Aktivierung oder Thermobonden den Vorteil, dass diese Verbindung irreversibel und inert ist sowie hohen Drücken und ohne Wasseraufnahme in die Vorrichtung standhält.
Zusätzlich entfällt die Klebeschicht. Durch das Waferbonding kann zusätzlich ausgeschlossen werden, dass Leckagen durch Kleben oder anderen Sollbruchstellen entstehen.
Vorzugsweise wird durch Strukturieren einer an dem weiteren Siliziumwafer angebrachten Siliziumdioxidschicht eine weitere Trennwand zwischen der Beobachtungskammer und dem anderen der Versorgungskanäle gebildet. Das Verbinden dieser Trennwand, also der Siliziumdioxidschicht mit der Siliziumschicht, die die Beobachtungskammer begrenzt, findet vorzugsweise wiederum durch Waferbonding statt.
Vorzugsweise wird der Versorgungskanal auf der der Beobachtungskammer abgewandten Seite durch einen Glaswafer abgedeckt. Dieser kann, insbesondere durch einen chemischen oder physikalisch-chemischen Ätzprozess, strukturiert werden.
Für das Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere ein Ätzprozess insbesondere mit einem vorhergehenden Belichtungsprozess mit einer Maske zur Strukturierung.
Vorzugsweise kann die Strukturierung durch UV- oder Elektronenstrahllithographie erfolgen.
Durch die Integration der Herstellung in die MEMS-Technologie ist die hier vorgestellte Vorrichtung für den Betrieb mit hohen Drücken geeignet und lässt sich einfach mit vielen verschiedenen Säuren, insbesondere Caro'scher Sauere, reinigen. Ein weiterer Vorteil dieser Vorrichtung ist die zu vernachlässigende Wasseraufnahme, die Inertheit gegenüber vielen gängigen Säuren und Basen und der einstellbaren Hydrophilie, bzw
Oberflächenenergie und Ladung.
Die Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert. Hierin zeigt:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Kulturkammervorrichtung, aufgeschnitten und in
Explosionsdarstellung,
Figur 2 die Kulturkammervorrichtung in Einzelteildarstellung;
Figur 3 a) eine Aufsicht auf den Versorgungskanal der Kulturkammervorrichtung aus Figur 1 in Schnittdarstellung mit beispielhaften Fluidkomponenten; b) eine Frontalansicht des Versorgungskanals nach Figur 3a;
c) ein beispielhaftes paraboloides Konzentrationsgefüge innerhalb des Versorgungskanals nach Figur 3a;
Figur 4 ein beispielhaftes Konzentrationsgefüge in der Beobachtungskammer bei einem dreistufigen Gradienten in den jeweiligen Versorgungsebenen; Figuren 5 bis 15 einzelne Stufen während der Herstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Kulturkammervorrichtung 1. In einer Beobachtungskammer 2 werden Zellen kultiviert, die definiert mit einer Nährlösung oder Chemikalien (im Folgenden stets Versorgungsfluid 10) versorgt werden. In der
Beobachtungskammer 2 ist keine Strömung vorhanden. Das Versorgungsfluid 10 diffundiert aus den oberen und unteren Versorgungskanälen 40, durch Mikroporen 5 in die
Beobachtungskammer 2 hinein. In den Versorgungskanälen 4 wird eine laminare Strömung erzeugt, die aus unterschiedliche Fluidkomponenten gebildet wird. Die Versorgungskanäle sind Bestandteil jeweils einer oberen bzw. unteren Mischebene 30, 3u, in denen ein vorgegebenes Konzentrationsgefüge des Versorgungsfluids 10 definiert gebildet wird.
Die Mischebenen 30, 3y werden gebildet aus je einer Gehäusewand 14. In dieser
Gehäusewand 14 sind mehrere Einlassbohrungen 16 vorgesehen, durch die
unterschiedliche Fluidkomponenten von unterschiedlicher Konzentration eingelassen werden können. In einem daran anschließenden Mischbereich 18, im vorliegenden Beispiel aufweisend eine Mäanderstruktur, werden die unterschiedlichen Fluidkomponenten vermischt. Die gemischten Fluidkomponenten werden dann anschließend durch
Zuflussöffnungen 7, die sich an einer ersten Stirnseite 6 des Versorgungskanals 4 befinden, in den Versorgungskanal 4 eingelassen. Über eine Abflussöffnung 9 an einer zweiten Stirnseite 8 strömt das Versorgungsfluid 10 aus dem Versorgungskanal 4 aus. Über eine Auslassbohrung 17 wird das ausgeströmte Versorgungsfluid zur Entsorgung nach außen geleitet. Beide Mischebenen 30 und 3y sind weitgehend identisch zueinander ausgebildet. Über eine Zugangsbohrung 19 kann die Beobachtungskammer 2 entlüftet oder entwässert werden oder initial mit Fluid aufgefüllt werden.
Figur 3a zeigt einen vereinfacht dargestellten Versorgungskanal 4 im Querschnitt entlang der Flussrichtung des Versorgungsfluides. Durch drei Zuflussöffnungen 7 an der ersten
Stirnseite 6 (Figur 3b) strömen gezielt unterschiedliche Fluidkomponenten 11 ^ 1 12, 113 in den Versorgungskanal 4 ein in Richtung zu Abflussöffnungen 9 an einer zweiten Stirnseite 8. Es stellt sich über die Breite B ein stufenloses Konzentrationsgefüge ein, wie es in Figur 3c gezeigt ist. Es lassen sich vielseitige Konzentrationsgefüge einstellen, auch unter
Verwendung unterschiedlichster Fluidkomponenten 1 1. - -
Der Versorgungskanal 4 kann rechteckig sein, wie im Ausführungsbeispiel angegeben; die Strömung im Bereich der Poren ist vorzugsweise laminar. Unter Stirnseite kann der Bereich verstanden werden, in welchem die einzelnen Fluidkomponenten erstmalig in den gemeinsamen Versorgungskanal 4 münden. Auch die Beobachtungskammer kann einen gekrümmten Verlauf aufweisen.
In Figur 2 sind die Poren 5 zu erkennen, die einen Durchmesser von etwa 2 ym aufweisen können. Die Dicke der Trennwand (entspricht der Länge der Poren) beträgt 1 μιη. Innerhalb einer Trennwand kann die geometrische Ausbildung und Anordnung der Poren beliebig variiert werden. So sind zum Beispiel Poren 5, mit kleinerem Durchmesser und Poren 52 mit größerem Durchmesser möglich. Auch können die Abstände der Poren untereinander variieren. Dadurch lässt sich der Gradient in der Beobachtungskammer flexibel einstellen. Die Trennwand 13 kann auch durch eine Membran gebildet werden. Alternativ kann die Trennwand auch durch ein poröses Material gebildet werden, welches für das
Versorgungsfluid durchlässig ist. Durch geeignete Be-schichtungen oder Strukturierung der Oberfläche kann die Durchlässigkeit an einzelnen Stellen definiert verringert oder vergrößert werden.
Anhand Figur 4 soll verdeutlicht werden, wie sich in den Versorgungskanälen oberhalb und unterhalb der Beobachtungskammer 2 das Konzentrationsgefüge (Gradient) in der
Beobachtungskammer 2 variabel und stufenlos einstellen lässt. Auch hier werden
beispielhaft gleichartige Fluidkomponenten verwendet, die sich nur durch die Konzentration voneinander unterscheiden. Im oberen Versorgungskanal 40 wird ein in etwa lineares Konzentrationsgefüge erzeugt, welches von links nach rechts abfällt. Im unteren
Versorgungskanal 4u wird ein zur Mitte ansteigendes und nach außen abfallendes
Konzentrationsgefüge erzeugt.
Dies zeigt sich auch in dem Konzentrationsgefüge innerhalb der Beobachtungskammer 2, welches durch die sechs Diagramme rechts dargestellt ist. Die oberen Diagramme stellen das Konzentrationsgefüge in einer oberen Position h = H3 im Bereich der oberen Trennwand dar; die mittleren Diagramme stellen das Konzentrationsgefüge in einer mittleren
Höhenposition h = H2 dar; die unteren Diagramme stellen das Konzentrationsgefüge in einer unteren Position h = ΗΊ dar. Die linken Diagramme stellen das Konzentrationsgefüge in einer Längenposition I = L< dar, eher der ersten Stirnseite 7 zugewandt: die rechten Diagramme stellen das Konzentrationsgefüge in einer Längenposition I = L2 dar, eher der zweiten - -
Stirnseite 8 abgewandt; D1 > D2 bedeutet, dass die Poren im Bereich L, einen kleineren Durchmesser aufweisen als im Bereich L2.
Im unteren Bereich H, ähnelt das Konzentrationsgefüge in der Beobachtungskammer 2 dem im unteren Versorgungskanal 4y; im oberen Bereich H3 ähnelt das Konzentrationsgefüge dem im oberen Versorgungskanal 40. Durch die geringere Porengröße im Bereich L, ist das Konzentrationsniveau dort grundsätzlich geringer als im Bereich L2. Das
Konzentrationsgefüge im mittleren Bereich H2 stellt eine Mischung aus dem
Konzentrationsgefüge im oberen und unteren Bereich dar.
Anhand Figuren 5 bis 15 wird das Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Vorrichtung erläutert. Figur 5 zeigt einen sogenannten Silicon-on-lnsulater-Wafer 21. Dieser umfasst zwei Siliziumschichten HL, DL, die beidseits einer Siliziumdioxidschicht (insulating layer) IL angeordnet sind. Bei der einen Siliziumschicht HL handelt es sich um den sogenannten handle layer, die andere Schicht DL ist der sogenannte device layer. Der handle layer wird während des Herstellungsverfahrens benutzt, um den Wafer während der Produktion halten zu können. Die device layer Schicht DL, 24 wird im Laufe des Verfahrens strukturiert und stellt Material für die spätere Vorrichtung bereit. Ein solcher Silicon-on- lnsulater-Wafer 21 , nachfolgend kurz Wafer oder Siliziumwafer genannt, wird im
beschriebenen Verfahren mehrfach eingesetzt; der grundsätzliche Aufbau eines solchen Wafers 21 bleibt stets identisch. Dieser erste Siliziumwafer 21 ist an der freien Seite, also die Seite, die dem handle layer HL abgewandt ist, mit einer ersten Siliziumdioxidschicht 27 versehen.
In einem ersten Ätzvorgang wird die Porenstruktur in die erste Siliziumdioxidschicht 27 übertragen. Die erste Siliziumdioxidschicht 27 stellt in der fertigen Vorrichtung später die Trennwand 13 dar. Durch die Strukturierung werden die Poren 5 erzeugt. Sogleich können bei Bedarf auch weitere Strukturen 30 erzeugt werden, die in der späteren Vorrichtung Bestandteile von Zuflüssen oder Ähnlichem sind (Figur 6).
In einem nächsten Verfahrensschritt (Figur 7) wird die Trennwand 13 bzw. der strukturierten ersten Siliziumdioxidschicht 27 mit einem zweiten Siliziumwafer 22 mit einer zweiten Siliziumschicht 25, die durch die device layer DL des zweiten Siliziumwafers 22 gebildet ist, verbunden. Dies geschieht durch Bonden. Vom ersten Siliziumwafer 21 wurde dabei bereits die Isolierschicht IL und der handle layer HL entfernt, so dass lediglich die erste
Siliziumschicht 24 und die Siliziumdioxidschicht 27 übrig bleibt. Figur 8 zeigt die Anordnung - aus erster Siliziumschicht 24 mit Trennwand 13 und daran befestigtem zweiten Siliziumwafer 22
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die erste Siliziumschicht 24 in einem Ätzprozess strukturiert (Figur 9). Von der ersten Siliziumschicht 24 wird nun bis auf die
Seitenwandungen 31 , die die spätere Beobachtungskammer seitlich begrenzen, sämtliches Material abgetragen. Auch hier können freigeätzte Strukturen 30 als Bestandteile späterer Zu- oder Abflüsse bestehen bleiben. Der zwischen den Seitenwandungen 31 gebildete Raum stellt in der fertigen Vorrichtung die Beobachtungskammer 2 dar. Die zweite
Siliziumschicht 25 bildet später in der fertigen Vorrichtung den unteren Versorgungskanal 4U.
In Figur 0 wird nun auf die Oberseite der Seitenwandungen 31 wiederum ein weiterer dritter, Siliziumwafer 23 mit einer Siliziumdioxidschicht (dritte Siliziumdioxidschicht 29) aufgebracht 29,13. Dies entspricht exakt der Anordnung, wie sie in Figur 6 gezeigt ist und weiter oben beschrieben wurde. Zur Verdeutlichung sind daher in Figur 6 die Bezugszeichen 23 für den dritten Siliziumwafer, Bezugszeichen 26 für die dritte Siliziumschicht und
Bezugszeichen 29 für die dritte Siliziumdioxidschicht in Klammern eingefügt. Die dritte Siliziumschicht 26 bildet später den oberen Versorgungskanal 40. Die Trennwand 13, die durch die dritte Siliziumdioxidschicht 29 gebildet wird, wird nun auf die Seitenwandungen 31 aufgesetzt und gebondet.
Die entstehende Anordnung ist in Figur 1 1 gezeigt.
In einem weiteren Verfahrensschritt (Figur 12) wird nun die dritte Siliziumschicht 26 strukturiert, wodurch der obere Versorgungskanal 40 gebildet wird, sowie ebenfalls geätzte Strukturen 30, die später Bestandteile eines Zu- oder Abflusses darstellen.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die zuvor strukturierte dritte Siliziumschicht 26 ein Glaswafer 32 aufgebracht (Figur 13), der den oberen Versorgungskanal 40 abdeckt. Zugleich stabilisiert er auch die bisher erzeugte Anordnung für die weitere Prozessierung. In einem weiteren Schritt (Figur 14) wird die folgende Siliziumschicht 25 strukturiert, um den unteren Versorgungskanal 4U auszubilden.
Es ist ersichtlich, dass der Schritt nach Figur 12 auch abweichend zunächst mit der zweiten Siliziumschicht 25 anstelle der dritten Siliziumschicht 26 durchgeführt werden könnte.
Entsprechend würde sich auch der Ablauf der nachfolgenden Schritte verändern. In einem weiteren Verfahrensschritt in Figur 15 wird auf die strukturierte zweite Siliziumschicht 25, die den unteren Versorgungskanal 4U bildet, ein weiterer Glaswafer 32 aufgebracht und ggf. strukturiert. Die beiden strukturierten Glaswafer 32 bilden dann die Gehäusewand 14 an der fertigen Kulturkammervorrichtung 1 aus.
Bei der fertigen Kulturkammervorrichtung kann so durch die aus Glas gebildete
Gehäusewand 14, durch den Versorgungskanal 40, 4y und die dünne Trennwand 13 hindurch geblickt werden, um die Vorgänge in der Beobachtungskammer 2 zu beobachten, wahlweise von beiden Seiten. Daraus ergibt sich die Eignung für durch- und
auflichtmikroskopische Analyseverfahren.
- -
Bezugszeichenliste
1 Kulturkammervorrichtung
2 Beobachtungskammer
3 Mischebene
4 Versorgungskanal
5 Poren
6 erste Stirnseite
7 Zuflussöffnung
8 zweite Stirnseite
9 Abflussöffnung
10 Versorgungsfluid
1 1 Fluidkomponente
12 laminarer Strömungsbereich
13 Trennwand
14 Gehäusewand
15 Wandung der Beobachtungskammer
16 Einlassbohrung
17 Auslassbohrung
18 Mäanderstruktur (Mischbereich)
19 Zugangsbohrung zu Beobachtungskammer
21 erster Siliziumwafer
22 zweiter Siliziumwafer
23 dritter Siliziumwafer
24 erste Siliziumschicht (auf ersten Siliziumwafer)
25 zweite Siliziumschicht (auf zweitem Siliziumwafer)
26 dritte Siliziumschicht (auf drittem Siliziumwafer)
27 erste Siliziumdioxidschicht (auf erstem Siliziumwafer)
28 zweite Siliziumdioxidschicht (auf zweitem Siliziumwafer)
29 dritte Siliziumdioxidschicht (auf drittem Siliziumwafer)
30 geätzte Strukturen als Bestandteile späterer Zu- oder Abflüsse
31 Seitenwandungen der Beobachtungskammer
32 Glaswafer
IL Insulating Layer
HL Handling Layer
DL Device Layer

Claims

WO 2016/005173 - 14 - PCT/EP201S/06392S Ansprüche
1. Kulturkammervorrichtung zur Erzeugung von flusslosen und zeitstabilen Gradienten
(1), umfassend
eine Beobachtungskammer (2), in der ein Konzentrationsgefüge dreidimensional einstellbar ist,
mehrere Versorgungskanäle (4) zur Durchströmung mit einem Versorgungsfluid (10), jeweils eine Trennwand (13) zwischen den Versorgungskanälen (4) und der
Beobachtungskammer (2), wobei die Trennwand (13) Poren (5) zur Diffusion von Versorgungsfluid zwischen dem jeweiligen Versorgungskanal (4) und der
Beobachtungskammer (2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine erste Anordnung von Versorgungskanälen (40) oberhalb der
Beobachtungskammer (2) und eine zweite Anordnung von Versorgungskanälen (4y) unterhalb der Beobachtungskammer (2) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass beide Versorgungskanalanordnungen (4) stromaufwärts der Poren (5), insbesondere an einer ersten Stirnseite (6), jeweils mehrere Zuflussöffnungen (7) aufweisen, durch die unterschiedliche Fluidkomponenten in die jeweiligen
Versorgungskanalanordnungen (4) einfließen können.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Versorgungskanal (4) durch eine Trennwand (13) an einer der
Beobachtungskammer (2) zugewandten Seite und durch eine Gehäusewand (14) an einer der Beobachtungskammer (2) abgewandten Seite begrenzt wird, insbesondere der Umgebung begrenzt wird, wobei sowohl die Trennwand (13) als auch die
Gehäusewand (14) aus einem durchsichtigen Material gebildet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Trennwand (13) aus Silizium, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Gehäusewand (14) aus einem durchsichtigen Material, insbesondere einem Glaswerkstoff oder einem durchsichtigen Kunststoff, gebildet ist.
6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche und des
Anspruchs 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch gezieltes Einbringen der Fluidkomponenten (1 1 ) in die beiden
Versorgungskanalanordnungen (4) sowohl oberhalb als auch unterhalb der
Beobachtungskammer eine laminare Strömung mit einem Gradienten quer zur Strömungsrichtung erzeugt wird.
7. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch die gezielte Erzeugung der laminaren Strömung mit einem vorgegebenen Gradienten quer zur Strömungsrichtung innerhalb der Versorgungskanalanordnungen (4) der Gradient in der Beobachtungskammer in allen drei Raumrichtungen frei einstellbar ist.
8. Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zur Bildung der Trennwand (13) ein Siiiziumwafer (21), umfassend eine erste
Siliziumschicht (24) und eine erste Siliziumdioxidschicht (27) bereitgestellt wird, wobei durch Strukturieren der ersten Siliziumdioxidschicht (27) die Poren (5) in die erste Siliziumdioxidschicht (27) eingebracht werden.
9. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Strukturieren der ersten Siliziumschicht (24) Wandungen (31 ) der
Beobachtungskammer (2) gebildet werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch zumindest einen, vorzugsweise zwei, weitere Siiiziumwafer (22, 23), jeweils umfassend eine weitere Siliziumschicht (25, 26), und durch Strukturieren der jeweiligen Siliziumschicht (25, 26) die Versorgungskanäle (4Q, 4y) gebildet werden.
11. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Siliziumschichten oder Siliziumoxidschichten, die an unterschiedlichen Wafern bereitgestellt wurden, durch Waferbonding, vorzugsweise Fusionsbonding, miteinander verbunden werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass durch Strukturieren einer an dem weiteren Siliziumwafer (22, 23) angebrachten Siliziumdioxidschicht (29) eine weitere Trennwand (13) zwischen der
Beobachtungskammer (2) und einem der Versorgungskanäle (4) gebildet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Versorgungskanal (4) auf der der Beobachtungskammer (2) abgewandten Seite durch einen Glaswafer (32) abgedeckt wird, der insbesondere durch einen Ätzprozess strukturiert wird.
PCT/EP2015/063925 2014-07-07 2015-06-22 Kulturkammervorrichtung zur erzeugung von flusslosen und zeitstabilen gradienten WO2016005173A1 (de)

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