DE102022122570B3

DE102022122570B3 - Device and method for transferring material from a starting substrate to a target substrate using laser radiation

Info

Publication number: DE102022122570B3
Application number: DE102022122570.4A
Authority: DE
Inventors: Robin Alexander Krüger; Malte Schulz-Ruhtenberg
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2022-08-31
Filing date: 2022-09-06
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2042-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Übertragung von biologischem Material (1) von einem Ausgangssubstrat (3) in ein Zielsubstrat (4) mittels Laserstrahlung (2), die hierzu mit geeigneten Vertiefungen (5) ausgestattet sind. Wesentlicher Gedanke der erfindungsgemäßen Querschnittsform der Vertiefung (5) ist einerseits die Erzeugung von Kapillarkräften zur Fixierung der Zellen in den Vertiefungen (5), auch in der Überkopfposition, andererseits die Optimierung des Ausstoßes aus der Vertiefung (5) des Ausgangssubstrats (3), beispielsweise durch einen Düseneffekt innerhalb der Vertiefung (5), um so den Materialaustrag mit reduziertem thermischen Energieeintrag zu verbessern.The invention relates to a device and a method for transferring biological material (1) from a starting substrate (3) to a target substrate (4) using laser radiation (2), which are equipped with suitable depressions (5) for this purpose. The essential idea of the cross-sectional shape of the recess (5) according to the invention is, on the one hand, the generation of capillary forces for fixing the cells in the recesses (5), even in the overhead position, and, on the other hand, the optimization of the ejection from the recess (5) of the starting substrate (3), for example through a nozzle effect within the recess (5) in order to improve the material discharge with reduced thermal energy input.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Übertragung von Material, insbesondere Biomaterialien, Partikeln und Zellen, mittels Laserstrahlung von einem Ausgangssubstrat auf ein Zielsubstrat.The invention relates to a device and a method for transferring material, in particular biomaterials, particles and cells, from a starting substrate to a target substrate using laser radiation.

Bei dem sogenannten laserinduzierten Vorwärtstransfer LIFT (laser-induced forward transfer) wird das Material mittels der Laserstrahlung von einem Ausgangssubstrat auf ein Zielsubstrat übertragen. Hierbei handelt es sich um einen lasergestützten Druckprozess. Das Verfahren ermöglicht es, ein großes Spektrum an Materialien, wie beispielsweise Metalle, Kunststoffe und Biomaterialien bis hin zu lebenden Zellen, mit hoher Präzision zu übertragen.In the so-called laser-induced forward transfer LIFT (laser-induced forward transfer), the material is transferred from a starting substrate to a target substrate using laser radiation. This is a laser-based printing process. The process makes it possible to transfer a wide range of materials, such as metals, plastics and biomaterials to living cells, with high precision.

Durch das LIFT-Verfahren ist es auch möglich, geringste Mengen an Flüssigkeit zu verarbeiten, da keine Totvolumina durch Zuleitungen vorhanden sind. Zudem ist das Verfahren sehr schonend zu den zu übertragenen Materialien. Daher eignet es sich insbesondere für die Positionierung von Biomaterialien.The LIFT process also makes it possible to process the smallest amounts of liquid, as there are no dead volumes due to supply lines. The process is also very gentle on the materials being transferred. It is therefore particularly suitable for positioning biomaterials.

Der Laser wirkt dabei nicht unmittelbar durch Strahlungskräfte wie etwa bei einer optischen Pinzette, sondern wird nur als Mittel zum kontrollierten Energieeintrag genutzt und löst den Materialtransfer thermisch aus, wobei die Materialien in unterschiedlichen Umgebungen (Matrix) als Trägersubstrat eingebettet sein können.The laser does not act directly through radiation forces, such as with optical tweezers, but is only used as a means of controlled energy input and thermally triggers the material transfer, whereby the materials can be embedded in different environments (matrix) as a carrier substrate.

Bei dem Verfahren müssen viele unterschiedliche Parameter betrachtet werden. Dabei haben unterschiedliche Faktoren Einfluss auf den Prozess. Es können zum einen unterschiedliche biologische Materialien übertragen werden. Auch die eingesetzte Strahlquelle beeinflusst mit der Wellenlänge, der Pulsdauer, dem Strahlprofil und der Fokussierung den Prozess.Many different parameters have to be considered during the process. Different factors influence the process. On the one hand, different biological materials can be transferred. The beam source used also influences the process with its wavelength, pulse duration, beam profile and focusing.

Es sind auch Verfahrensvarianten bekannt, bei welchen der Laserstrahl nicht auf der Rückseite des Ausgangssubstrats eintritt, sondern durch das Zielsubstrat hindurch auf der Vorderseite des Ausgangssubstrats und damit die Richtung des Materialflusses entgegengesetzt der Richtung des Laserstrahls ist.There are also known process variants in which the laser beam does not enter on the back of the starting substrate, but rather through the target substrate on the front of the starting substrate and thus the direction of the material flow is opposite to the direction of the laser beam.

Dabei werden verschiedene Effekte ausgenutzt, um den Übertrag auszulösen. Das zu übertragende Material kann aufgeschmolzen und durch thermische Ausdehnung oder durch verdampfte Anteile aus der Schicht herausgelöst werden. Das Material absorbiert die Laserstrahlung entweder selbst oder ist auf ein absorbierendes Hilfsmedium angewiesen.Various effects are used to trigger the carryover. The material to be transferred can be melted and removed from the layer by thermal expansion or by evaporated components. The material either absorbs the laser radiation itself or relies on an absorbing auxiliary medium.

Die Absorberschicht kann beispielsweise aus Material bestehen, das bei Bestrahlung Gas freisetzt. Dies können organische Moleküle sein, die Stickstoff freisetzen, wie z. B. Photopolymere und Triazen-Polymere, insbesondere Aryltriazen-Photopolymere. Eine solche Schicht kann durch die Laserstrahlung verbraucht werden. Die Absorberschicht kann aus Material bestehen, das bei Bestrahlung verdampft und so die Energie des Laserstrahls in Bewegungsenergie umwandelt.The absorber layer can, for example, consist of material that releases gas when irradiated. These can be organic molecules that release nitrogen, such as: B. photopolymers and triazene polymers, especially aryltriazene photopolymers. Such a layer can be consumed by the laser radiation. The absorber layer can consist of material that evaporates when irradiated and thus converts the energy of the laser beam into kinetic energy.

Für die Ausbildung eines Flüssigkeitstropfens muss ausreichend viel Energie in das System eingebracht werden. Wird zu wenig Leistung eingesetzt, so findet kein Übertrag statt. Wird zu viel Leistung eingesetzt, so bilden sich viele kleine Tropfen, die sich auf dem Empfänger als Spray verteilen. Idealerweise entsteht ein gerichteter Mikrostrahlbereich.In order to form a liquid drop, a sufficient amount of energy must be introduced into the system. If too little power is used, no transfer takes place. If too much power is used, many small drops are formed that spread across the receiver as a spray. Ideally, a directed micro-beam area is created.

Je nach zu übertragenem Material muss auch der Empfängerträger vorbereitet werden. Dabei können bestimmte, für die Herstellung von Microarrays spezialisierte Haftschichten für Materialien zum Einsatz kommen. Um die entstehenden Scherkräfte bei der Übertragung lebender Zellen zu begrenzen, werden Hydrogelschichten eingesetzt, um als Dämpferschicht den Aufprall abzufangen, eine mechanische Schädigung zu reduzieren und das Überleben der Zellen zu ermöglichen.Depending on the material to be transferred, the recipient carrier must also be prepared. Certain adhesive layers for materials that are specialized for the production of microarrays can be used. In order to limit the resulting shear forces when transferring living cells, hydrogel layers are used to act as a damper layer to absorb the impact, reduce mechanical damage and enable the cells to survive.

Die US 7 875 324 B2 beschreibt den Lasertransfer biologischer Materialien. Ein gepulster Laser sendet Laserpulse in das Zielsubstrat und durch den Träger. Die Impulse werden von der Zwischenschicht absorbiert, wodurch ein Teil des Übertragungsmaterials auf ein Empfangssubstrat übertragen wird. Das Zielsubstrat, das Empfangssubstrat und die Photonenenergiequelle können relativ zueinander bewegbar sein. Die Laserabsorption und Energieumwandlung durch die Zwischenschicht führt zur Entfernung eines dreidimensionalen Pixels aus Biomaterial vom Ziel und zum aufnehmenden Substrat. Die Technik ermöglicht die Übertragung sehr kleiner übertragener Volumina (<pL-Maßstab), Punktgrößen von nur 20 - 50 µm und hat die Fähigkeit, Muster einzelner Zellen abzuscheiden.The US 7,875,324 B2 describes the laser transfer of biological materials. A pulsed laser sends laser pulses into the target substrate and through the carrier. The pulses are absorbed by the intermediate layer, thereby transferring some of the transfer material to a receiving substrate. The target substrate, the receiving substrate and the photon energy source may be movable relative to one another. Laser absorption and energy conversion through the interface results in the removal of a three-dimensional pixel of biomaterial from the target and to the receiving substrate. The technique allows for the transfer of very small transferred volumes (<pL scale), spot sizes as small as 20 - 50 µm and has the ability to deposit patterns of individual cells.

Die US 6 936 311 B2 bezieht sich auf ein Verfahren zum Abscheiden eines Biomaterials, beispielsweise eine lebende Zellkultur, auf ein Aufnahmesubstrat. Die Laserenergie hat eine ausreichende Energie, um die Desorption des Transfermaterials zu bewirken und es auf dem Aufnahmesubstrat abzuscheiden. Die laserabsorbierende Schicht kann Gold, Chrom und Titan umfassen.The US 6,936,311 B2 refers to a method for depositing a biomaterial, such as a living cell culture, onto a receiving substrate. The laser energy has sufficient energy to cause the desorption of the transfer material and deposit it on the receiving substrate. The laser absorbing layer can include gold, chromium and titanium.

Aus dem Stand der Technik ist es auch bereits bekannt, für Hochdurchsatz-Screenings Mikrotiterplatten einzusetzen, die bis zu mehrere Tausend Vertiefungen, sogenannte Wells, enthalten können. Die Befüllung solcher Vertiefungen kann bei hohen Probenzahlen automatisiert mit Pipettierrobotern realisiert werden, deren Funktionsweise beispielsweise auf Extrusion oder dem Inkjetdruck basiert.It is also already known from the prior art to use microtiter plates for high-throughput screenings that contain up to several Tau send depressions, so-called wells, may contain. For large numbers of samples, the filling of such wells can be carried out automatically using pipetting robots whose functionality is based, for example, on extrusion or inkjet printing.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Transfer von insbesondere ebenden Zellen, Partikeln oder Biomaterial wesentlich zu verbessern. Insbesondere soll die Übertragung zielgerichteter, materialschonender sowie auch mit unterschiedlichen Orientierungen des Ausgangssubstrats gegenüber dem Zielsubstrat ermöglicht werden. Zudem soll ein großes Volumen übertragen werden können, ohne den Energieeintrag zu erhöhen.The invention is based on the object of significantly improving the transfer of, in particular, cells, particles or biomaterial. In particular, the transfer should be made possible in a more targeted, material-friendly manner and with different orientations of the source substrate compared to the target substrate. In addition, a large volume should be able to be transferred without increasing the energy input.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved according to the invention with a device according to the features of claim 1. The further embodiment of the invention can be found in the subclaims.

Indem erfindungsgemäß das Ausgangssubstrat und/oder Zielsubstrat mehrere durch eine Bodenfläche und eine Wandfläche begrenzte, konturierte Vertiefungen aufweist, die zur Aufnahme von Materialvolumina im Pikoliter- und Nanoliter-Bereich ausgeführt sind, wird in überraschend einfacher Weise eine schonende und zugleich zuverlässige Übertragung des Materials, insbesondere zusammen mit einer Trägerflüssigkeit, ermöglicht, wobei zugleich der Energieeintrag der Laserstrahlung reduziert und das übertragene Volumen vergrößert ist. Indem das Ausgangssubstrat mit Vertiefungen ausgestattet ist, welche den Stoffstrom begünstigen, insbesondere konzentrieren oder fokussieren, wird nicht nur ein optimaler Mikrostrahl erzeugt, durch den Verluste durch Spray vermieden werden, sondern die zur Übertragung erforderliche Energie ist zugleich verringert. Darüber hinaus kann auch das Zielsubstrat mit entsprechenden Vertiefungen ausgestattet sein, die so beschaffen sind, insbesondere also einen derart geringen Öffnungsquerschnitt aufweisen, dass das eintretende Material ausschließlich durch die Wirkung von Kapillarkräften gehalten werden kann. Als besonderer Vorteil ist dabei auch das vergleichsweise schonende Auftreffen des Materials in der Vertiefung des Zielsubstrats zu sehen, welches durch eine Verzögerung infolge der Kapillarkräfte entsteht. Da der Durchmesser der Vertiefungen nur etwas größer als der Tropfendurchmesser sein muss, kann die Luftverdrängung beim Eintreten des Tropfens in die Vertiefung größer sein, was zu einem Abbremsen und damit einem schonenderen Übertrag führen kann.According to the invention, the starting substrate and/or target substrate has a plurality of contoured recesses delimited by a base surface and a wall surface, which are designed to accommodate material volumes in the picoliter and nanoliter range, a gentle and at the same time reliable transfer of the material is achieved in a surprisingly simple manner. in particular together with a carrier liquid, while at the same time the energy input of the laser radiation is reduced and the transmitted volume is increased. By equipping the starting substrate with depressions that promote, in particular concentrate or focus, the material flow, not only is an optimal micro-jet generated, which avoids losses due to spray, but the energy required for transmission is also reduced. In addition, the target substrate can also be equipped with corresponding depressions which are designed in such a way, in particular have such a small opening cross section, that the incoming material can be held exclusively by the effect of capillary forces. A particular advantage is the comparatively gentle impact of the material in the recess of the target substrate, which is caused by a delay as a result of the capillary forces. Since the diameter of the depressions only has to be slightly larger than the drop diameter, the air displacement when the drop enters the depression can be greater, which can lead to braking and thus a gentler transfer.

Erfindungsgemäß kann so Material in überraschend einfacher Weise von dem Ausgangssubstrat auf das Zielsubstrat übertragen werden, weil die Orientierung eines der Substrate in einer Überkopfposition, also mit einer nach unten gerichteten Öffnung der Vertiefung, problemlos möglich ist und keine zusätzlichen Maßnahmen erfordert. Durch die Kapillarkräfte wird das Material in der Überkopfposition des Ausgangssubstrats gehalten, bis dieses durch den thermische Energieeintrag des Lasers ausgestoßen wird. In der Überkopfposition des Zielsubstrats wird das eintretende Material ebenso durch die Kapillarkräfte gehalten. Dadurch kann die relative Orientierung des Ausgangssubstrats gegenüber dem Zielsubstrat sogar während des Übertragungsprozesses verändert werden, weil die Effekte der Schwerkraft eine lediglich untergeordnete Wirkung entfalten.According to the invention, material can be transferred from the starting substrate to the target substrate in a surprisingly simple manner because the orientation of one of the substrates in an overhead position, i.e. with a downward opening of the recess, is possible without any problems and does not require any additional measures. The material is held in the overhead position of the starting substrate by the capillary forces until it is ejected by the thermal energy input of the laser. In the overhead position of the target substrate, the incoming material is also held by the capillary forces. As a result, the relative orientation of the starting substrate relative to the target substrate can even be changed during the transfer process because the effects of gravity only have a minor effect.

Bei gleichem Volumen können die Vertiefungen mit höherem Aspektverhältnis weiter gefüllt werden, ohne dass das Risiko des Vermischens von Flüssigkeiten zwischen den Vertiefungen zunimmt. Auf ebenen Substraten ohne Vertiefungen lässt sich das Vermischen nicht vermeiden, da flüssige Medien verlaufen und so ineinanderlaufen würden. Die Vertiefungen erlauben daher eine bessere Ausnutzung der Fläche des Arrays. Außerdem verbessern Vertiefungen mit hohem Aspektverhältnis das Verhältnis von Flüssigkeitsoberfläche zu Volumen, was beispielsweise die Verdampfung reduziert. Bei gleichem Volumen weisen Flüssigkeiten in Vertiefungen mit großem Aspektverhältnis einen längeren optischen Weg auf, was beispielsweise die Sensibilität optischer Untersuchung verbessert. Vertiefungen mit geringer Grundfläche können in geringerem Abstand zueinander angeordnet werden, wodurch mit der gleichen optischen Auswerteeinheit mehrere Proben gleichzeitig analysiert werden können.For the same volume, the higher aspect ratio wells can be filled further without increasing the risk of mixing of liquids between the wells. Mixing cannot be avoided on flat substrates without depressions, as liquid media would run and run into each other. The depressions therefore allow better utilization of the area of the array. In addition, high aspect ratio wells improve the liquid surface to volume ratio, which reduces evaporation, for example. For the same volume, liquids in wells with a large aspect ratio have a longer optical path, which, for example, improves the sensitivity of optical examination. Wells with a small base area can be arranged at a smaller distance from one another, which means that several samples can be analyzed at the same time with the same optical evaluation unit.

Bei Proben auf ebenen Substraten ist die Fläche zur Wechselwirkung mit beispielsweise an der Substratoberfläche angebundenen Antikörpern geringer. Dadurch ist zum einen die absolute Anzahl an Wechselwirkungen geringer, zum anderen auch die Dauer, bis eine bestimmte Menge an Anbindungen stattgefunden hat größer. Die dreidimensionale Oberfläche von Substraten mit Vertiefungen hat einen größeren Kontakt zum Volumen der Flüssigkeit, wodurch mehr Anbindungen stattfinden. Dies ist vorteilhaft, weil beispielsweise schneller eine Detektionsschwelle erreicht werden kann oder wenn Zellen mit Antigenen, Rezeptorwechselwirkungen etc. stimuliert werden.For samples on flat substrates, the area for interaction with, for example, antibodies bound to the substrate surface is smaller. As a result, on the one hand, the absolute number of interactions is lower, and on the other hand, the time it takes for a certain number of connections to take place is longer. The three-dimensional surface of substrates with depressions has greater contact with the volume of the liquid, resulting in more binding. This is advantageous because, for example, a detection threshold can be reached more quickly or when cells are stimulated with antigens, receptor interactions, etc.

Die Vertiefungen beschränken sich dabei nicht lediglich auf eine äußerst geringe und aus dem Stand der Technik bisher unbekannte Querschnittsfläche. In besonders vorteilhafter Weise sind die Wandflächen der Vertiefungen so konturiert, dass gegenüberliegende Wandabschnitte zwischen der Bodenfläche und der Öffnung zumindest abschnittsweise nicht parallel, also zueinander geneigt verlaufen. Insbesondere sind die Vertiefungen zumindest abschnittsweise nicht zylindrisch, sondern beispielsweise kegelförmig ausgeführt, wobei sich mehrere kegelförmige Abschnitte mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln oder auch gegensinnigen Öffnungswinkeln in Richtung der Hauptachse aneinander anschließen können. Selbstverständlich kann zumindest eine Querschnittsebene, insbesondere im Bereich der Bodenfläche oder der Öffnung der Vertiefung, eine von der Kreisform abweichende, beliebige andere, beispielsweise ovale oder polygonale Form und Geometrie aufweisen, wobei paarweise gegenüberliegende Wandabschnitte entlang desselben Abschnitts der Längsachse parallel und zueinander geneigt verlaufen können.The depressions are not limited to an extremely small cross-sectional area that was previously unknown in the prior art. In a particularly advantageous manner, the wall surfaces of the recesses are contoured in such a way that opposing wall sections between the bottom surface and the opening do not run parallel, that is to say inclined to one another, at least in sections. In particular, the depressions are not cylindrical, at least in sections, but rather, for example wise conical, with several conical sections with different opening angles or opposite opening angles in the direction of the main axis can connect to one another. Of course, at least one cross-sectional plane, in particular in the area of the bottom surface or the opening of the recess, can have any other, for example oval or polygonal, shape and geometry that deviates from the circular shape, with opposite wall sections in pairs being able to run parallel and inclined to one another along the same section of the longitudinal axis .

Die Vertiefungen des Ausgangssubstrats und/oder Zielsubstrats weisen Vertiefungen auf, die bevorzugt ein Aspektverhältnis (Tiefe zu Weite) von größer 1 oder größer 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr haben.The depressions of the starting substrate and/or target substrate have depressions which preferably have an aspect ratio (depth to width) of greater than 1 or greater than 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 or more.

Die Vertiefungen können bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Der Durchmesser von kreisförmigen Vertiefungen beträgt bevorzugt zwischen 10 und 1000 µm oder mehr, bevorzugt 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1000 µm. Die Tiefe der Vertiefungen beträgt bevorzugt zwischen 20 und 1100 µm oder mehr, bevorzugt 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1000 µm oder 1100 µm.The depressions can preferably have a circular cross section or a rectangular cross section. The diameter of circular depressions is preferably between 10 and 1000 µm or more, preferably 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm or 1000 µm. The depth of the depressions is preferably between 20 and 1100 µm or more, preferably 50 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm, 1000 µm or 1100 µm .

Die Vertiefungen weisen bevorzugt einen Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt von 105 %, 110 %, 120 %, 130 %, 140 %, 150 %, 160 %, 170 %, 180 %, 190 %, 200 %, 300 %, 400 % oder 500 % oder mehr des Durchmessers bzw. der Kantenlänge auf. Der Abstand von der Kante einer Vertiefung zur nächstliegenden Kante einer benachbarten Vertiefung beträgt bevorzugt 2 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 60 µm, 70 µm, 80 µm, 90 µm, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1000 µm oder mehr. Die Dichte der Vertiefungen beträgt bevorzugt zwischen 0,25 pro mm² und 6.944 pro mm², bevorzugt 0,5 pro mm², 1 pro mm², 5 pro mm², 10 pro mm², 20 pro mm², 30 pro mm², 40 pro mm², 50 pro mm², 60 pro mm², 70 pro mm², 80 pro mm², 90 pro mm², 100 pro mm², 200 pro mm², 300 pro mm², 400 pro mm², 500 pro mm², 600 pro mm², 700 pro mm², 800 pro mm², 900 pro mm², 1.000 pro mm², 2.000 pro mm², 3.000 pro mm², 4.000 pro mm², 5.000 pro mm², 6.000 pro mm².The depressions preferably have a distance from center to center of 105%, 110%, 120%, 130%, 140%, 150%, 160%, 170%, 180%, 190%, 200%, 300%, 400% or 500% or more of the diameter or edge length. The distance from the edge of a depression to the nearest edge of an adjacent depression is preferably 2 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm, 40 µm, 50 µm, 60 µm, 70 µm, 80 µm, 90 µm, 100 µm , 200 µm, 300 µm, 400 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm or 1000 µm or more. The density of the depressions is preferably between 0.25 per mm ² and 6,944 per mm ² , preferably 0.5 per mm ² , 1 per mm 2 , 5 per mm ² , 10 per mm ² , 20 per mm ² ^, 30 per mm ² , 40 per ^mm2 , 50 per ^mm2 , 60 per ^mm2 , 70 per ^mm2 , 80 per ^mm2 , 90 per mm2, 100 per ^mm2 , 200 per ^mm2 , ³⁰⁰ per ^mm2 , 400 per mm ² , 500 per ^mm2 , 600 per ^mm2 , 700 per ^mm2 , 800 per ^mm2 , 900 per mm2, 1,000 per ^mm2 , 2,000 per ^mm2 , 3,000 per ^mm2 , 4,000 per ^mm2 ^, 5,000 per mm ² , 6,000 per mm ² .

Indem beispielsweise verschiedene Wandabschnitte rotationssymmetrische Vertiefungen mit einer Mittellängsachse der Vertiefung oder der Symmetrieachse einen Neigungswinkel einschließen, entstehen Düseneffekte, welche bei unverändertem Energieeintrag die Strömungsgeschwindigkeit des zu übertragenden Materials wesentlich erhöhen. Hierzu hat die Vertiefung eine Engstelle mit einer Querschnittsfläche, die geringer ist als die Bodenfläche der Vertiefung.For example, by different wall sections having rotationally symmetrical depressions with a central longitudinal axis of the depression or the axis of symmetry enclosing an angle of inclination, nozzle effects arise which significantly increase the flow speed of the material to be transferred while the energy input remains unchanged. For this purpose, the depression has a constriction with a cross-sectional area that is smaller than the bottom area of the depression.

Dabei ist die Wandfläche der Vertiefung nicht auf ebene Flächen beschränkt, vielmehr können gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung zumindest einzelne Wandabschnitte abschnittsweise einen konkaven oder konvexen, nicht ebenen Verlauf aufweisen, wodurch sowohl eine Strömungsoptimierung als auch eine Verbesserung der Kapillareffekte erreicht wird. Der Druckverlauf kann so durch die Gestaltung der Wandfläche bestimmt werden.The wall surface of the recess is not limited to flat surfaces; rather, according to a further preferred embodiment of the invention, at least individual wall sections can have a concave or convex, non-planar course in sections, whereby both flow optimization and an improvement in the capillary effects are achieved. The pressure gradient can be determined by the design of the wall surface.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist der Wand- oder Bodenfläche der Vertiefung zumindest des Ausgangssubstrats eine Absorberschicht zugeordnet, auf welche die Laserstrahlung gerichtet wird. Diese kann beispielsweise auch als Beschichtung der Bodenfläche oder einer gegenüberliegenden rückseitigen Fläche ausgeführt sein.According to a further preferred embodiment of the invention, the wall or bottom surface of the recess of at least the starting substrate is assigned an absorber layer onto which the laser radiation is directed. This can also be designed, for example, as a coating on the bottom surface or an opposite rear surface.

Außerdem kann der Absorber auch flüssig oder fließfähig sein und aufgrund der Kapillar-effekte innerhalb der Vertiefung auch in einer Überkopfposition mit einer unten liegenden Öffnung verwendet werden, wobei das unbeabsichtigte Austreten der Absorberflüssigkeit ausgeschlossen ist.In addition, the absorber can also be liquid or flowable and, due to the capillary effects within the recess, can also be used in an overhead position with an opening at the bottom, whereby the unintentional escape of the absorber liquid is excluded.

Selbstverständlich kann die Absorberflüssigkeit auch bei in einer gewöhnlichen Position der Vertiefung mit unten liegender Bodenfläche verwendet werden, wobei bei einer weiteren Variante die Dichte der Absorberflüssigkeit größer als die Dichte des Materials bzw. der Trägerflüssigkeit ist, sodass diese unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten wandert, um die Basisschicht innerhalb der Vertiefung zu bilden und gegebenenfalls das Material von der Bodenfläche zu verdrängen und anzuheben. Wenn das Absorbermaterial auf den Boden der Vertiefung sinkt und vorhandene Zellen anhebt, kann die Laserstrahlung dorthin fokussiert werden, was das Risiko einer Schädigung der Zellen durch die Laserstrahlung verringert. Of course, the absorber liquid can also be used in a normal position of the recess with the bottom surface at the bottom, whereby in a further variant the density of the absorber liquid is greater than the density of the material or the carrier liquid, so that it migrates downwards under the influence of gravity , to form the base layer within the depression and, if necessary, displace and lift the material from the floor surface. As the absorber material sinks to the bottom of the well and lifts existing cells, the laser radiation can be focused there, reducing the risk of damage to the cells by the laser radiation.

Da die Absorberschicht ggf. eine mikroskopische Analyse des Inhalts der Vertiefung behindert, kann das Absorbermaterial erst kurz vor der Ausführung des LIFT-Prozesses eingebracht werden. Das ist bei ebenen Substraten nach dem Stand der Technik aufgrund des Verlaufens von Flüssigkeiten nicht ohne Weiteres möglich.Since the absorber layer may hinder microscopic analysis of the contents of the well, the absorber material can only be introduced shortly before the LIFT process is carried out. This is not easily possible with flat substrates according to the prior art due to the flow of liquids.

Bevorzugt haben zumindest einzelne der Vertiefungen eine zumindest abschnittsweise transparente Bodenfläche, sodass die optische Erfassung der Probe durch die Bodenfläche erfolgt, wobei zumindest ein wesentlicher Anteil der Vertiefungen des Probenträgers ein Aspektverhältnis der Höhe der Vertiefung gegenüber dem Durchmesser bzw. der Kantenlänge der Öffnung größer als 1 aufweist.Preferably, at least some of the depressions have a bottom surface that is at least partially transparent, so that the sample is optically detected through the bottom surface, whereby at least a significant proportion of the recesses of the sample carrier have an aspect ratio of the height of the recess to the diameter or edge length of the opening greater than 1.

Bei einer weiter besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ausgangssubstrat und/oder das Zielsubstrat als ein Glassubstrat ausgeführt, wobei die Vertiefungen in dem Ausgangssubstrat und/oder Zielsubstrat mittels Laserstrahlung hergestellt sind. Dabei erfährt der Fokus der Laserstrahlung eine räumliche Strahlformung entlang einer Strahlachse der Laserstrahlung, wodurch Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden, sodass anschließend die Vertiefungen in dem Glassubstrat durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums und durch sukzessives Aufätzen infolge des anisotropen Materialabtrags in dem jeweiligen Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden. Das Substrat kann aus Silizium bestehen, wobei die Vertiefungen durch den Boschprozess (reaktives Tiefenionenätzen) hergestellt werden. Das Substrat kann außerdem aus Metall, Kunststoff und anderen Materialien bestehen. Das Substrat kann aus mehreren Materialien, die miteinander verbunden sind, bestehen, beispielsweise aus einer Siliziumplatte mit Vertiefungen in Form von Durchgangslöchern und einem angebundenen Glassubstrat als Boden der Vertiefungen. Die Vertiefungen können mittels Laserbohren und anderen abtragenden Verfahren hergestellt werden.In a further particularly preferred embodiment of the invention, the starting substrate and/or the target substrate is designed as a glass substrate, with the depressions in the starting substrate and/or target substrate being produced by means of laser radiation. The focus of the laser radiation undergoes a spatial beam shaping along a beam axis of the laser radiation, whereby modifications are generated in the glass substrate, so that the depressions in the glass substrate are subsequently created by the action of an etching medium and by successive etching as a result of the anisotropic material removal in the respective area of the modifications are generated in the glass substrate. The substrate can be made of silicon, with the depressions made using the Bosch process (reactive deep ion etching). The substrate can also be made of metal, plastic and other materials. The substrate can consist of several materials that are bonded together, for example a silicon plate with depressions in the form of through holes and a bonded glass substrate as the bottom of the depressions. The depressions can be created using laser drilling and other ablative processes.

Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch noch mit einem Verfahren gelöst, bei dem der Laserstrahl auf eine Wandfläche der Vertiefung gerichtet wird. Die Erfindung macht sich dabei zunutze, dass sich das Material mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit im Bereich der Bodenfläche sammelt. Ein besonders materialschonender Energieeintrag wird dementsprechend dadurch erreicht, dass der Laserstrahl beabstandet zu der Bodenfläche auf die Wandfläche gerichtet wird, die aufgrund ihrer Konturierung, insbesondere der Querschnittsreduzierungen bzw. -erweiterungen, das Ausstoßen des Materials auch dann gestattet, wenn sich der Fokuspunkt des Energieeintrags zwischen dem Material und der Öffnung der Vertiefung befindet.Furthermore, the object according to the invention is also achieved with a method in which the laser beam is directed onto a wall surface of the recess. The invention takes advantage of the fact that the material has a certain probability of collecting in the area of the floor surface. A particularly material-friendly energy input is achieved by directing the laser beam at a distance from the floor surface onto the wall surface, which, due to its contouring, in particular the cross-sectional reductions or expansions, allows the material to be ejected even if the focus point of the energy input is between the material and the opening of the recess.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in

1 unterschiedliche relative Orientierungen eines Ausgangssubstrats gegenüber einem Zielsubstrat, wobei zumindest eines der Substrate mehrere Vertiefungen für das Material aufweist;
2 ein Ausgangs- oder Zielsubstrat in einer Querschnittsdarstellung mit unterschiedlich konturierten Vertiefungen;
3 ein Ausgangs- oder Zielsubstrat in einer Draufsicht mit mehreren Vertiefungen mit unterschiedlicher Querschnittsform;
4 verschiedene Positionen möglicher Fokuspunkte der Laserstrahlung innerhalb der Vertiefungen in einer Querschnittsdarstellung;
5 die gezielte Passivierung einer ausgewählten Zelle innerhalb einer Vertiefung;
6 die Übertragung einzelner Zellen zwischen dem Ausgangs- und dem Zielsubstrat;
7 die Übertragung einzelner Zellen zwischen dem Ausgangs- und dem Zielsubstrat mittels eines Hilfsmaterials;
8 das Einbringen von Absorberschichten vor bzw. nach dem Einbringen einer Zelle in die Vertiefung.

The invention allows for various embodiments. To further clarify its basic principle, one of them is shown in the drawing and is described below. This is shown in a schematic representation in

1 different relative orientations of a starting substrate relative to a target substrate, at least one of the substrates having a plurality of wells for the material;
2 a starting or target substrate in a cross-sectional representation with differently contoured depressions;
3 a starting or target substrate in a plan view with a plurality of depressions with different cross-sectional shapes;
4 different positions of possible focus points of the laser radiation within the depressions in a cross-sectional representation;
5 the targeted passivation of a selected cell within a well;
6 the transfer of individual cells between the source and target substrates;
7 the transfer of individual cells between the source and target substrates using an auxiliary material;
8th the introduction of absorber layers before or after the introduction of a cell into the well.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt 1 die Grundidee der Übertragung insbesondere von biologischem Material 1, wie etwa die dargestellten Einzelzellen von einem Ausgangssubstrat 3 in ein Zielsubstrat 4 mittels Laserstrahlung 2, die hierzu mit geeigneten Vertiefungen 5 ausgestattet sind. Wesentlicher Gedanke der erfindungsgemäßen Querschnittsform der Vertiefung 5 ist einerseits die Erzeugung von Kapillarkräften zur Fixierung der Zellen in den Vertiefungen 5, auch in der Überkopfposition, andererseits die Optimierung des Ausstoßes aus der Vertiefung 5 des Ausgangssubstrats 3, beispielsweise durch einen Düseneffekt innerhalb der Vertiefung 5 infolge einer Engstelle E, um so den Materialaustrag mit reduziertem thermischen Energieeintrag zu verbessern. The invention is explained in more detail below with reference to the figures. This shows 1 the basic idea of transferring, in particular, biological material 1, such as the individual cells shown, from a starting substrate 3 into a target substrate 4 by means of laser radiation 2, which are equipped with suitable depressions 5 for this purpose. The essential idea of the cross-sectional shape of the recess 5 according to the invention is, on the one hand, the generation of capillary forces for fixing the cells in the recesses 5, even in the overhead position, and on the other hand, the optimization of the ejection from the recess 5 of the starting substrate 3, for example due to a nozzle effect within the recess 5 a bottleneck E in order to improve the material discharge with reduced thermal energy input.

Dieser Materialaustrag wird mittels des auch als LIFT-Verfahren bezeichneten, an sich bekannten laser-induced forward transfer erreicht, wodurch die Zellen direkt oder gebunden an sogenannte Beads als Hilfssubstanz bzw. Transferhilfsmittel 6 wie in 7 dargestellt, aus der Vertiefung 5 bzw. von der Fläche des Ausgangssubstrats 3 in die Vertiefung 5 bzw. auf die Fläche des Zielsubstrats 4 übertragen werden. Wie gezeigt, kann eines der Substrate 3, 4 dabei auch eben sein. Es können auch lediglich die Beads übertragen werden, die beispielsweise Biomoleküle der Zellen, beispielsweise DNA, gebunden haben.This material discharge is achieved by means of the known laser-induced forward transfer, also known as the LIFT process, whereby the cells are directly or bound to so-called beads as an auxiliary substance or transfer aid 6 as in 7 shown, are transferred from the recess 5 or from the surface of the starting substrate 3 into the recess 5 or onto the surface of the target substrate 4. As shown, one of the substrates 3, 4 can also be flat. Only the beads that have bound biomolecules of the cells, for example DNA, can also be transferred.

Die Immobilisierung der Zellen, insbesondere in Richtung der großen Erstreckung des Substrats 3, 4, ist Aufgabe der Erfindung. Bei ebenen Substraten 3, 4 kann die Anwendung des LIFT-Verfahrens zu Bewegung von Zellen in unmittelbarer Nähe des Übertrags führen. Daher muss vor jeder einzelnen Übertragung detektiert werden, wo sich Zellen befinden und wohin die Laserstrahlung 2 fokussiert werden soll, um zu verhindern, Zellen direkt zu bestrahlen oder mehrere Zellen zu übertragen. Die Verwendung von Vertiefungen 5 ermöglicht es, die Position 12 der Zellen einmal zu bestimmen und damit eine Zellkarte zu erstellen. Anschließend kann diese Karte genutzt werden, um die Laserstrahlung 2 bei der Übertragung an geeignete Positionen 12 zu fokussieren. Bei länger andauernden Experimenten mit Zellen findet außerdem immer eine Zellwanderung statt. Die Vertiefungen 5 beschränken dies auf eine wesentlich kleinere Fläche pro Zelle.The object of the invention is to immobilize the cells, particularly in the direction of the large extent of the substrate 3, 4. In the case of flat substrates 3, 4, the use of the LIFT method can lead to immediate movement of cells proximity to the carry. Therefore, before each individual transfer, it must be detected where cells are located and where the laser radiation 2 should be focused in order to avoid directly irradiating cells or transferring multiple cells. The use of wells 5 makes it possible to determine the position 12 of the cells once and thus create a cell map. This card can then be used to focus the laser radiation 2 during transmission to suitable positions 12. In long-term experiments with cells, cell migration always occurs. The depressions 5 limit this to a much smaller area per cell.

Die Laserstrahlung 2 kann wahlweise von oben einwirken oder von unten. Zur Übertragung des Materials 1 wird die Laserenergie in Hitze umgewandelt, welche schlagartig Flüssigkeit verdampft und das Material 1 vorantreibt, wobei als Absorber 7 der Laserenergie ein Medium, beispielsweise Wasser, oder Reagenzien bzw. zugesetzte Absorber 7 dienen kann. Die Druckausbreitung wird dabei durch eine Wandfläche 8 der Vertiefung 5 kanalisiert und konzentriert und das Material 1 in Richtung der Öffnung 9 der Vertiefung 5 fokussiert und dabei zielgerichtet abgelenkt.The laser radiation 2 can act either from above or from below. To transfer the material 1, the laser energy is converted into heat, which suddenly evaporates liquid and drives the material 1 forward, with a medium, for example water, or reagents or added absorbers 7, being able to serve as the absorber 7 of the laser energy. The pressure propagation is channeled and concentrated through a wall surface 8 of the recess 5 and the material 1 is focused in the direction of the opening 9 of the recess 5 and thereby deflected in a targeted manner.

Durch die Wandfläche 8 wird die Spritzerneigung reduziert, sodass mit höherer Energie eingewirkt und damit ein größeres Volumen aus der Vertiefung 5 transportiert werden kann, um so die Effizienz des Material-Transfers im Vergleich zu einer ebenen Substratfläche zu erhöhen. Zudem ist es nahezu ausgeschlossen, dass unerwünschte, nicht ausgewählte Partikel oder Zellen transportiert werden, weil diese durch die Vertiefungen 5 physisch getrennt sind. Demgegenüber können bei ebenen Substraten nach dem Stand der Technik „Übertragungsvolumina“ entstehen bzw. durch laterale Strömungen das Material vermischt werden. Erfindungsgemäß führen die in 2 in der Variante 2 gezeigten Querschnittsverengungen mit der Engstelle E innerhalb der Vertiefungen 5 die auseinandertreibenden Strömungen wieder zusammen, sodass diese konzentriert bzw. fokussiert austreten. Bei der in 2 in der Variante 3 dargestellten Querschnittsform der Vertiefung 5 entsteht ein hoher Druck im Bereich einer Bodenfläche 10, der benötigt wird, um das Material 1 in Bewegung zu bringen. Durch die zunehmende Querschnittsfläche wird der Druck reduziert, um die Spritzergefahr zu reduzieren. Demgegenüber zeigt 2 in der Variante 4 eine Querschnittsform mit starker Fokussierung des Materialstroms durch eine stetig abnehmende Querschnittsfläche und somit einer langen Wegstrecke für eine noch bessere Fokussierung.The wall surface 8 reduces the tendency to spatter, so that higher energy can be applied and a larger volume can be transported out of the recess 5 in order to increase the efficiency of the material transfer compared to a flat substrate surface. In addition, it is almost impossible for unwanted, unselected particles or cells to be transported because they are physically separated by the depressions 5. In contrast, with flat substrates according to the state of the art, “transfer volumes” can arise or the material can be mixed by lateral flows. According to the invention, the in 2 Cross-sectional constrictions shown in variant 2 with the constriction E within the depressions 5 bring the diverging flows together again, so that they emerge in a concentrated or focused manner. At the in 2 In the cross-sectional shape of the recess 5 shown in variant 3, a high pressure arises in the area of a bottom surface 10, which is required to get the material 1 in motion. As the cross-sectional area increases, pressure is reduced to reduce the risk of spatter. In contrast, shows 2 in variant 4 a cross-sectional shape with strong focusing of the material flow through a constantly decreasing cross-sectional area and thus a long distance for even better focusing.

Über die Parameter Laserleistung, Wellenlänge, Absorber 7, Flüssigkeit zur Einstellung des Druckprozesses hinaus ergeben sich durch die Formgebung der Vertiefungen 5 weitere Möglichkeiten, den Parameterraum zu vergrößern und die Übertragung des Materials 1 zwischen Ausgangssubstrat 3 und Zielsubstrat 4 zu optimieren, und dabei insbesondere das unerwünschte und unerkannte Vermischen von Zellen zu vermeiden.In addition to the parameters of laser power, wavelength, absorber 7, liquid for setting the printing process, the shape of the depressions 5 results in further possibilities for increasing the parameter space and optimizing the transfer of the material 1 between the starting substrate 3 and the target substrate 4, and in particular that to avoid unwanted and undetected mixing of cells.

Durch die in 3 gezeigten unterschiedlichen Querschnittsformen der Vertiefungen 5 entstehen zudem weitere Einflussmöglichkeiten auf den Übertragungsprozess mit einem noch größeren Parameterraum.Through the in 3 The different cross-sectional shapes of the depressions 5 shown also create further possibilities for influencing the transmission process with an even larger parameter space.

Dabei können, wie in 2, unten, ersichtlich, die Materialeigenschaften an die verschiedenen Funktionen, nämlich der Beobachtung des Materials 1 durch transparente Materialeigenschaften einerseits und der Absorption der Laserenergie andererseits angepasst werden, wobei auch eine Anpassung durch den Einsatz unterschiedlicher Laser in vorteilhafter Weise realisierbar ist. Die Wahl der Laserquelle richtet sich nach den eingesetzten Flüssigkeiten und ggf. verwendeten Absorbermaterialien. Daher kann jede Art von Laserquelle genutzt werden.You can, as in 2 , below, it can be seen that the material properties are adapted to the various functions, namely the observation of the material 1 through transparent material properties on the one hand and the absorption of the laser energy on the other hand, with adaptation also being possible in an advantageous manner through the use of different lasers. The choice of laser source depends on the liquids used and any absorber materials used. Therefore, any type of laser source can be used.

Es können beispielsweise gepulste Laserquellen eingesetzt werden. Dabei kann die Pulsdauer zwischen 100 fs bis 100 µs liegen. Die Wellenlänge wird so gewählt, dass die Laserstrahlung 2 möglichst in der Nähe der Zellen absorbiert wird und nicht von den Zellen selbst. Dabei kann beispielsweise Wasser als Absorber 7 dienen und eine Laserwellenlänge im Bereich von 2 µm genutzt werden. Alternativ werden Absorbermaterialien genutzt, die an die Wellenlänge der Laserquelle angepasst sind. Grundsätzlich können beliebige Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot genutzt werden.For example, pulsed laser sources can be used. The pulse duration can be between 100 fs and 100 µs. The wavelength is chosen so that the laser radiation 2 is absorbed as close as possible to the cells and not by the cells themselves. Water, for example, can serve as an absorber 7 and a laser wavelength in the range of 2 μm can be used. Alternatively, absorber materials that are adapted to the wavelength of the laser source are used. In principle, any wavelength from ultraviolet to infrared can be used.

Weiterhin kann das Substrat 3, 4 aus Glas beispielsweise mit einer absorbierenden Beschichtung ausgestattet sein, wozu sich insbesondere Gold durch seine inerten und gut absorbierenden Eigenschaften eignet.Furthermore, the substrate 3, 4 made of glass can, for example, be equipped with an absorbent coating, for which gold is particularly suitable due to its inert and well-absorbing properties.

Der Energieeintrag kann, wie in 4 gezeigt, in unterschiedlichen Bereichen der Bodenfläche 10 oder der Wandfläche 8 der Vertiefung 5 erfolgen, wobei eine sich ausbildende Druckblase 11 innerhalb der Vertiefung 5 in 4 verdeutlich ist. Bei einigen Positionen 12 in unmittelbarer Nachbarschaft der Zelle kann die ortsnahe Fokussierung unerwünscht sein, weil diese, wie in 5 zu erkennen, zu einer Passivierung der Zelle führen kann. Durch die Neigung der Wandfläche 8 wird die Druckblase 11 nach unten gelenkt und reflektiert.The energy input can, as in 4 shown, in different areas of the bottom surface 10 or the wall surface 8 of the recess 5, with a pressure bubble 11 forming within the recess 5 in 4 is clear. For some positions 12 in the immediate vicinity of the cell, local focusing may be undesirable because, as in 5 detecting can lead to passivation of the cell. Due to the inclination of the wall surface 8, the pressure bubble 11 is directed downwards and reflected.

Wie in 7 erkennbar, können auch sogenannte Beads als Transferhilfsmittel 6 , beispielsweise mittels Inkjet oder LIFT, in die Vertiefungen 5 gedruckt oder gespült werden, an welches das zu transportierende Material 1 gebunden ist. Dies erlaubt auch bei ungenauer Fokussierung einen zuverlässigen Transport des Materials 1. Indem eine Wellenlänge genutzt wird, welche die Zellen nicht absorbiert, wird mittels der in den Vertiefungen 5 enthaltenen Beads ohne Beeinträchtigung der Zellen der gewünschte Transport erreicht.As in 7 recognizable, so-called beads can also be used as transfer aids 6, for example using inkjet or LIFT, into the depressions 5 are printed or rinsed, to which the material 1 to be transported is bound. This allows reliable transport of the material 1 even with inaccurate focusing. By using a wavelength that does not absorb the cells, the desired transport is achieved using the beads contained in the wells 5 without affecting the cells.

Wie in 8 erkennbar, kann eine gesonderte Absorberschicht durch Einbringen eines Hydrogels mit Absorber 7 erzeugt werden, die beispielsweise vor dem Einbringen der Zellen in die Vertiefung 5 eingebracht wird, was sich besonders bei fluoreszierenden Zellen eignet. Die Absorberschicht kann auch nach der Zelle eingebracht werden. Indem diese eine höhere Dichte hat, schwimmt die Zelle auf und die Laserenergie kann ohne das Risiko einer Beeinträchtigung der Zelle auf das Volumen der Absorberschicht fokussiert werden. Hierzu kann beispielsweise eine hoch konzentrierte Zuckerlösung verwendet werden, die erst zum Entnehmen in die Vertiefung 5 eingebracht wird.As in 8th recognizable, a separate absorber layer can be created by introducing a hydrogel with absorber 7, which is introduced into the well 5, for example, before the cells are introduced, which is particularly suitable for fluorescent cells. The absorber layer can also be introduced after the cell. Because it has a higher density, the cell floats and the laser energy can be focused on the volume of the absorber layer without the risk of damaging the cell. For this purpose, for example, a highly concentrated sugar solution can be used, which is only introduced into the recess 5 for removal.

BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST

11: Materialmaterial
22: LaserstrahlungLaser radiation
33: AusgangssubstratStarting substrate
44: ZielsubstratTarget substrate
55: Vertiefung deepening
66: TransferhilfsmittelTransfer aids
77: Absorberabsorber
88th: Wandflächewall surface
99: Öffnungopening
1010: Bodenfläche floor area
1111: Druckblasepressure bubble
1212: Position position
EE: Engstellebottleneck

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Material (1), insbesondere Biomaterialien, Zellen und anderen Partikeln, von einem Ausgangssubstrat (3) auf ein Zielsubstrat (4), wobei das Ausgangssubstrat (3) und/oder Zielsubstrat (4) mehrere durch eine Bodenfläche (10) und eine oder mehrere Wandflächen (8) begrenzte Vertiefungen (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein wesentlicher Anteil der Vertiefungen (5) des Ausgangssubstrats (3) und/oder Zielsubstrats (4) ein Aspektverhältnis der Höhe der Vertiefung (5) gegenüber der Querschnittsfläche der Vertiefung (5) größer als 1 aufweist.Device for transferring material (1), in particular biomaterials, cells and other particles, from a starting substrate (3) to a target substrate (4), the starting substrate (3) and/or target substrate (4) passing several times through a floor surface (10). and one or more wall surfaces (8) have delimited depressions (5), characterized in that at least a significant proportion of the depressions (5) of the starting substrate (3) and / or target substrate (4) have an aspect ratio of the height of the depression (5). the cross-sectional area of the recess (5) is greater than 1.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung des Materials (1) mittels elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung (2), erfolgt.Device according to Claim 1 , characterized in that the material (1) is transferred by means of electromagnetic radiation, in particular laser radiation (2).

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) zur Aufnahme eines Materialvolumens von weniger als 1 Mikroliter ausgeführt sind.Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the depressions (5) are designed to accommodate a material volume of less than 1 microliter.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Vertiefungen (5) in dem Ausgangssubstrat (3) und/oder Zielsubstrat (4) zumindest abschnittsweise zylindrisch und/oder konisch und/oder mit einem Neigungswinkel (Taperwinkel) der Wandfläche (8) gegenüber der Normalen zur Querschnittsebene oder Substratebene zwischen 1° und 30° ausgeführt sind.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least individual depressions (5) in the starting substrate (3) and/or target substrate (4) are at least partially cylindrical and/or conical and/or with an angle of inclination (taper angle) of the wall surface ( 8) are designed between 1° and 30° relative to the normal to the cross-sectional plane or substrate plane.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5), insbesondere das Aspektverhältnis, so bemessen sind, dass das übertragene Material (1) durch Kapillarkräfte in der Vertiefung (5) gehalten ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions (5), in particular the aspect ratio, are dimensioned such that the transferred material (1) is held in the depression (5) by capillary forces.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Wandabschnitte einen nicht ebenen Verlauf mit einer konkaven und/oder konvexen Formgebung aufweisen.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least individual wall sections have a non-planar course with a concave and/or convex shape.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Neigung der Wandabschnitte zwischen der Bodenfläche (8) und der Öffnungen (9) der Vertiefung (5) zumindest einmal wechselt.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the inclination of the wall sections changes at least once between the bottom surface (8) and the openings (9) of the recess (5).

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (5) eine Engstelle (E) mit einer Querschnittsfläche kleiner als die Bodenfläche (10) der Vertiefung (5) beabstandet zwischen der Öffnung (9) und der Bodenfläche (10) aufweist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depression (5) has a constriction (E) with a cross-sectional area smaller than the bottom surface (10) of the depression (5) spaced between the opening (9) and the bottom surface (10). having.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (5) eine nicht-rotationssymmetrische, insbesondere polygonale Querschnittsform in der Hauptrichtung der Vertiefung (5), insbesondere orthogonal zu der Haupterstreckungsebene des Ausgangssubstrats (3) und/oder Zielsubstrats (4), und/oder quer zu der Hauptrichtung der Vertiefung (5) aufweist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depression (5) has a non-rotationally symmetrical, in particular polygonal, cross-sectional shape in the main direction of the depression (5), in particular orthogonal to the main extension plane of the starting substrate (3) and/or target substrate (4 ), and/or transverse to the main direction of the recess (5).

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenfläche (10) eine für die Laserstrahlung (2) absorbierende Beschichtung und/oder eine Absorberschicht aufweist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the bottom surface (10) has a coating that absorbs the laser radiation (2) and/or an absorber layer.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat (3) und/oder das Zielsubstrat (4) zumindest abschnittsweise eine für die Übertragungsenergie absorbierende Beschichtung aufweisen.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the starting substrate (3) and/or the target substrate (4) have, at least in sections, a coating that absorbs the transmission energy.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat (3) und/oder das Zielsubstrat (4) als ein Glassubstrat ausgeführt ist.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the starting substrate (3) and/or the target substrate (4) is designed as a glass substrate.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (5) in dem als Glassubstrat ausgeführten Ausgangssubstrat (3) und/oder Zielsubstrat (4) hergestellt sind mittels Laserstrahlung, deren Fokus eine räumliche Strahlformung entlang ihrer Strahlachse erfährt, und mittels der Laserstrahlung (2) entlang der Strahlachse Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden, sodass anschließend die Vertiefungen (5) in dem Glassubstrat durch die Einwirkung eines ätzenden Mediums und durch sukzessives Aufätzen infolge des anisotropen Materialabtrags in dem jeweiligen Bereich der Modifikationen in dem Glassubstrat erzeugt werden.Device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the depressions (5) in the starting substrate (3) and/or target substrate (4) designed as a glass substrate are produced by means of laser radiation, the focus of which undergoes spatial beam shaping along its beam axis, and by means of the laser radiation (2) along the beam axis, modifications are generated in the glass substrate, so that the depressions (5) are then created in the glass substrate by the action of an etching medium and by successive etching as a result of the anisotropic material removal in the respective area of the modifications in the glass substrate .

Verfahren zur Übertragung von Material (1), insbesondere Biomaterialien und Zellen, mittels Laserstrahlung (2) von einem Ausgangssubstrat (3) auf ein Zielsubstrat (4) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (2) auf die Bodenfläche (10) und/oder die Wandfläche (8) der Vertiefung (5) gerichtet wird.Method for transferring material (1), in particular biomaterials and cells, by means of laser radiation (2) from a starting substrate (3) to a target substrate (4) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the laser radiation (2) onto the floor surface (10) and/or the wall surface (8) of the recess (5) is directed.

Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt die Position der Zellen insbesondere mittels einer Kamera, eines optischen Sensors etc. festgestellt wird und anschließend die Zellen übertragen werden, wobei die Laserstrahlung (2) beabstandet oder mit einem Offset zu der Position jeder Zelle eingestrahlt wird.Procedure according to Claim 14 , characterized in that in a first step the position of the cells is determined, in particular by means of a camera, an optical sensor, etc., and the cells are then transmitted, the laser radiation (2) being irradiated at a distance or with an offset to the position of each cell .