DE112011106142B3

DE112011106142B3 - Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran, ihre Verwendung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE112011106142B3
Application number: DE112011106142.0T
Authority: DE
Inventors: Daniel Brassard; Emmanuel Roy; Kebin Li; Teodor Veres
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2031-02-16

Abstract

Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran), aufweisend Durchbrechungen mit einer Größe von 1-200 µm und 1 oder weniger als 1 Defekt oder Verformung je 10 Durchbrechungen in der Membran, wobei die TPE-Membran ein Styren-Ethylen/Butylen-Styren-Block-Copolymer, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, ein Styren-Isopren-Butadien-Block-Copolymer, ein ionomerisches TPE, ein schmelzverarbeitbares Einphasen-TPE oder ein Gemisch daraus enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membranen (TPE-Membranen), Verfahren zur Herstellung durchbrochener TPE-Membranen und dreidimensionale Mikrofluid-Vorrichtungen auf der Grundlage derartiger Membranen.
Stand der Technik
Die genaue Aufbringung und Strukturierung von biologischen Sonden auf einer festen Unterlage ist für zahlreiche Biotests von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel sind Protein- und DNA-Mikroanordnungen, welche die interessante Möglichkeit bieten, die Wechselwirkung zwischen einer Zielprobe und einer großen Anzahl von unterschiedlichen biologischen Sonden gleichzeitig zu untersuchen, zu Schlüsselkomponenten bei der Entwicklung neuer Pharmazeutika, in der klinischen Diagnostik und bei der Gensequenzierung geworden. Jedoch sind Mikroanordnungen noch immer stark abhängig von der Nachweistechnik, wie beispielsweise der Fluoreszenzmarkierung oder der Oberflächen-Plasmon-Resonanz, die im Fall von Point-of-Care-Anwendungen schwierig einzusetzen sind. In jüngster Zeit sind neue Nachweisverfahren bekannt geworden, welche integrierte Sensoren mit mikrostrukturell gefertigten biosensorischen Elementen einbeziehen, darunter Nano-Drähte, Feldeffekttransistoren, optische sensorische Wellenleiter und elektrochemische Sensoren. Diese neue Generation von mikrostrukturell gefertigten Biosensor-Anordnungen bewirkt die dringliche Notwendigkeit der Entwicklung von Techniken, welche die hochqualitative Fixierung verschiedenartiger biologischer Sonden mit hoher Positioniergenauigkeit auf den im Mikrometerbereich liegenden Sensorelementen der Chips ermöglichen.
Es sind zahlreiche Techniken zur Fixierung von DNA, Proteinen, Zellen oder anderen biologischen Sonden auf einer festen Oberfläche entwickelt worden, wozu das Nadeldrucken, das Tintenstrahldrucken, die Mikroprägung und die Mikrofluidik gehören. Das Nadeldrucken, bei dem Stifte aus festem Material auf eine Fläche gedrückt werden, um winzige Mengen von Flüssigkeit zu übertragen, ist noch immer eine weit verbreitete Technik aufgrund ihrer relativen Einfachheit und der Möglichkeit, Anordnungen mit Tausenden von Spots zu gestalten. Jedoch sind die genaue Positionierung und die Erfassung dieser Spots schwierig zu steuern und erfordern aufwendige und besonders ausgeklügelte Werkzeuge. Auch kann das schnelle und unkontrollierte Trocknen der abgeschiedenen Flüssigkeit zu ungleichförmigen Spots und zu denaturierenden Bedingungen führen, und zwar insbesondere dann, wenn die Abmessungen der Spots auf unter etwa 80 µm gesenkt werden.
Die Mikrofluidik bietet einen einfachen Weg, die Fixierungsbedingungen sowie die Abmessung, die Positionierung und die Gleichförmigkeit des Aufbringungsbereichs besser zu steuern. Mikrofluid-Fixierungsvorrichtungen bestehen im Allgemeinen aus einem Netzwerk von Kanälen, die in Polydimethylsiloxan (PDMS) strukturiert worden sind, einem wärmehärtbaren Elastomer, das für die meisten festen Unterlagen eine reversible konforme Abdichtung schaffen kann. Die biologischen Sonden werden dann in die Vorrichtung fließen gelassen, inkubiert und gewaschen und bewirken so fixierte Strukturen, die der Geometrie der Kanäle entsprechen. Mit dieser Technik wird die Abmessung der Spots genau durch die Geometrie der Kanäle eingestellt (eine Spotbreite von weniger als 1 µm ist bereits vorgeführt worden), und es wird damit eine bessere Steuerung der Fixierungsbedingungen erreicht, was für sensible Biomoleküle wie beispielsweise Proteine von entscheidender Bedeutung ist. Andererseits sind einfache Mikrofluid-Vorrichtungen, die ein 2D-Netzwerk von Kanälen aufweisen, von Natur aus darauf beschränkt, kontinuierliche Merkmalszüge zu strukturieren, und können daher nicht eingesetzt werden, um eine Anordnung von isolierten Spots zu bilden, wie dies beispielsweise erforderlich wäre, um biologische Sonden nur auf den sensorischen Elementen einer mikrostrukturell gefertigten Biosensor-Anordnung zu fixieren. Da sich die biologischen Sonden auch im Kontakt mit dem aktivierten Substrat über die gesamte Länge der 2D-Mikrofluid-Vorrichtung befinden, wird typischerweise eine rasche Verarmung der Fixierungslösung während ihres Transports in den Kanälen beobachtet.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, sind verschiedenartige komplexe Konstruktionen auf der Grundlage der 3D-Geometrie vorgeschlagen worden. Bei diesen Konstruktionen sind die Kanäle typischerweise in das Innere der Mikrofluid-Vorrichtung eingebettet, und die Flüssigkeit wird mit dem Substrat nur auf den gewünschten Stellen unter Einsatz von Durchbrechungen in Kontakt gebracht (z. B. „Vias“) (Chiu 2000; Griscom 2001; Juncker 2002; Juncker 2005; Kloter 2004; Wang 2006), die Kanäle sind rechtwinklig zum Substrat ausgerichtet (Chang-Yen 2006; Eddings 2008; Natarajan 2008a; Natarajen 2008b; Eddings 2009) oder es werden Wirkungen der Strömungsbegrenzung genutzt (Hofmann 2002; Juncker 2005; Eddings 2009).
3D-Mikrofluid-Fixiervorrichtungen sind zuerst von Chui et al. vorgeführt worden. Sie berichten über die Strukturierung von bis zu drei Arten von Proteinen oder Zellen auf isolierten Bereichen unter Anwendung einer dünnen PDMS-Membrane mit Durchbrechungen, um Verbindungen zwischen zwei Lagen von Kanälen herzustellen (Chiu 2000). Juncker et al. berichten auch über 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen, die durch das Ätzen von Durchbrechungen in Silikon-Wafern mit tiefer reaktiver Ionenätzung hergestellt worden sind (Juncker 2002; Juncker 2005; Kloter 2004). Kapillarphänomene wurden dann als Triebkraft benutzt, um bis zu 11 unabhängige Protein-Spots von 50 µm Größe auf einem PDMS-Substrat zu strukturieren. In jüngster Zeit entwarfen die Arbeitsgruppen von Gale und Myszaka ein mehrschichtiges 3D-Strukturiersystem auf der Grundlage von Kanälen, die rechtwinklig zum Substrat ausgerichtet sind, um die Fixierung von bis zu 48 unabhängigen biologischen Sonden auf isolierten Spots von etwa 400 µm Größe zu ermöglichen (Chang-Yen 2006; Eddings 2008; Natarajan 2008a; Natarajan 2008b; Eddings 2009).
Sudarsan et. al. beschreiben die Herstellung von Mikrofluid-Vorrichtungen aus einem TPE, das aus einer im Hause entwickelten Mischung von SEBS und Mineralöl besteht und durch Erhitzen der Bestandteile im Vakuum über Nacht hergestellt wurde (Sudarsan 2004a; Sudarsan 2004b; Sudarsan 2005). Obwohl eine Vorrichtung aus wenigen Schichten dieses TPE kurz beschrieben ist, wurde keine Methode aufgezeigt, wie diese Vorrichtungen mit einer dichten Anordnung von Vias mit TPE hergestellt werden oder wie mikroskopisch kleine Durchbrechungen in einem solchen Material geschaffen werden. In dem einzigen vorgelegten Beispiel wurde die Fluidverbindung zwischen den Schichten durch einfaches Stanzen eines makroskopischen Loches von Hand hergestellt. Diese Methode kann nicht benutzt werden, um komplexe Vorrichtungen mit einem 3D-Netzwerk von Kanälen zu schaffen.
Stoyanov et al. benutzten thermoplastische Polyurethanfolien (einem speziellen Typ von TPE), um lösemittelbeständige Mikrofluid-Vorrichtungen für den Einsatz mit einem flächenhaften Schallwellen-Sensorchip herzustellen (Stoyanov 2005; Stoyanov 2006). Diese Folien wurden durch Warmprägung strukturiert, und die Durchbrechungen wurden aufgezeigt. Es wurden jedoch keine 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen aufgezeigt oder diskutiert. Lediglich zwei ziemlich große (größer als 300 µm) Durchbrechungen wurden auf den Vorrichtungen strukturiert, und diese wurden lediglich als Eintritts- und Austrittsöffnungen (und nicht als 3D-Zwischenverbindungen oder Vias) benutzt. Auch weist die für das Experiment benutzte TPU-Güteklasse (Walopur™ 2201 AU) eine Shore-Härte über 85 A auf, die zu hoch ist, um ein reversibles und konformes Abdichten auf einer Fläche zu gewährleisten oder das Entformen von hinterschnittenen Profilen zu ermöglichen. Auch war ein hoher Druck (50-120 Bar) erforderlich, um die TPU-Folien einwandfrei zu strukturieren, was den Einsatz von preisgünstigen Photoresist-Formkörpern verhinderte und Metallformen erforderlich machte.
Trotz dieser jüngsten Entwicklungen müssen viele Herausforderungen noch bewältigt werden, bevor die Mikrofluidik als ein universelles biologisches Werkzeug für die Strukturierung akzeptiert werden kann. Bereits vorhandene Verfahren sind typischerweise sehr herausfordernd, arbeitsaufwendig und/oder von Natur aus schleppend. Auch die Eigenschaften der in solchen 3D-Vorrichtungen benutzten Materialien sind typischerweise alles andere als ideal. Die Folge davon ist, dass die Kompatibilität der Vorrichtungen häufig lediglich auf die meisten Standard-Lösemittel beschränkt ist und dass komplizierte und kostenaufwendige Schritte für das Strukturieren und das Zusammenfügen der Mehrfach-Schichten, aus denen die Vorrichtungen gebaut werden, erforderlich sind. Diese Nachteile haben die 3E-Mikrofluidik in den Bereich der relativ einfachen akademischen Herstellung von Prototypen verbannt und haben im großen Rahmen die Forscher und die Industrie von weiterer Forschungsarbeit an diesen Methoden abgebracht. Die Folge davon ist, dass, obwohl mittlerweile mehr als zehn Jahre an Forschungstätigkeit seit dem ersten Erscheinen des Konzepts der 3D-Mikrofluidik vergangen sind, heute die Mikrofluid-Vorrichtungen noch immer fast ausschließlich auf einem Netzwerk von Kanälen beruhen, die in einer einzelnen 2D-Ebene strukturiert worden sind.
Der kritischste Streitpunkt, über den sich diskutieren lässt, ergibt sich aus dem innewohnenden Bedürfnis, die Mikrofluid-Strukturiervorrichtungen nur einmal zu benutzen, um die Problematik der Querkontamination zu vermeiden. Unter derartigen Umständen ist die Entwicklung von Verfahren für die Massenproduktion mit hohen Durchsatzwerten zwecks Erzielung von niedrigen Kosten pro Gerät von entscheidender Bedeutung. Leider haben fast alle bisherigen Entwürfe von Mikrofluid-Strukturiervorrichtungen auf PDMS vertraut, das für eine kostengünstige Massenproduktion nicht sehr verbesserungsfähig ist. Weitere Nachteile von PDMS werden weiter unten diskutiert. Es ist auch bemerkenswert, dass viele der bislang vorgeschlagenen 3D-Mikrofluid-Konstruktionen die genaue und schwierige Ausrichtung von vielen Elastomerschichten über große Flächen sowie den Einsatz von kostenaufwendigen und langwierigen Nachbearbeitungsverfahren erfordern, um die zahlreichen Zugangslöcher zu stanzen und die Vorrichtungen in ihre endgültige Gestalt zu schneiden.
Die Methoden des Herangehens an die Herstellung von 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen können in drei Kategorien unterteilt werden (i) geschichtete PDMS-Mikrofluidik; (ii) geschichtete Mikrofluid-Vorrichtungen aus harten Materialien; (iii) 3D-Gießen.
Geschichtete PDMS-Mikrofluidik
Die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von 3D-Vorrichtungen beinhaltet die Fertigung und das Aufeinanderschichten von mehreren dünnen durchbrochenen Schichten aus PDMS (Polydimethylsiloxan), einem weichen wärmehärtbaren Elastomer.
Jede einzelne Schicht wird entweder durch das Aufschleudern von nicht ausgehärtetem PDMS-Vorpolymer auf eine Gießform (so dass die höchsten Merkmalszüge der Gießform durch die PDMS hindurchbrechen) oder durch das Einklemmen eines Tropfens des PDMS-Vorpolymers zwischen eine Gießform und eine Kopfplatte hergestellt. Die dünnen PDMS-Schichten werden dann ausgehärtet, von der Gießform abgelöst, im O₂-Plasma oxidiert, ausgerichtet und in eine 3D-Mikrofluid-Vorrichtung zusammengefügt.
PDMS ist sowohl für die 2D- als auch für die 3D-Mikrofluidik das Standardmaterial und auch das am meisten eingesetzte Material dafür. Obwohl es einige sehr attraktive Eigenschaften aufweist, wie beispielsweise seine hohe Transparenz, die geringe Härte, seine Elastizität und die relativ niedrigen Kosten, zeigt es auch einige ernsthafte Nachteile, welche die industrielle Eignung von PDMS für die Massenproduktion ausschließen. Da PDMS ein Durpolast ist, bedarf es zunächst langwieriger Schritte für das Aushärten und Entgasen, wodurch sein Einsatz für die Massenproduktion sehr unpraktisch wird. Dieses Problem wird kritisch, wenn es um die Fertigung von geschichteten 3D-Vorrichtungen geht, da für die Fertigung einer einzelnen Vorrichtung viele Schichten unabhängig voneinander entgast und ausgehärtet werden müssen. Die Duroplast-Eigenschaften von PDMS verhindern auch den Einsatz von einfachen Techniken, wie beispielsweise der thermischen Verbindung zum Zusammenfügen der fertigen Vorrichtungen. In der Tat beinhaltet das Verbinden von PDMS-Schichten typischerweise einen Schritt der Plasmaoxidation, dem ganz schnell (in weniger als 1 Minute) die Ausrichtung und das Verbinden der Schichten folgen müssen. Ein weiteres Problem besteht in der dem Material innewohnenden Porosität des PDMS und seiner relativ hohen Gasdurchlässigkeit. Das Ergebnis ist, dass Wasser dazu neigt, schnell durch das PDMS hindurch zu verdampfen, wodurch die Maximallänge eines Tests begrenzt wird, und dass dies kritisch sein kann bei Anwendungen, bei denen die Osmolalität sorgfältig überwacht werden muss (beispielsweise Zellstudien und dergleichen). Dieses Problem wird bei geschichteten 3D-Vorrichtungen durch den Einsatz von dünnen Schichten aus PDMS (typischerweise etwa 100 µm) erheblich verstärkt.
Die Fertigung von geschichteten 3D-Vorrichtungen aus PDMS erfordert typischerweise das manuelle Ablösen der Membrane von den Gießformen. Dieses Verfahren ist nicht nur von innen heraus mühsam, sondern ist auch infolge der geringen mechanischen Festigkeit von PDMS sehr problematisch. Die PDMS-Membranen können daher während ihrer Handhabung brechen oder sich auf sehr signifikante Weise verformen, wodurch das Ausrichten schwierig oder gar unmöglich wird. Schließlich ist PDMS mit einer großen Anzahl von Lösemitteln nicht verträglich und wird somit größtenteils in die Ecke der Chemie auf Wasserbasis verbannt. Zum Beispiel absorbiert PDMS nicht nur Kohlenwasserstoff-Lösemittel, sondern auch einige Analyte mit einem leichten Lipid-Charakter.
Auch wenn PDMS für Prototype und für das akademische Vorstellen von Konzepten sehr wichtig ist, so ist sein Einsatz für die Massenproduktion von komplexen geschichteten 3D-Vorrichtungen weit entfernt vom Idealzustand.
Geschichtete Mikrofluid-Vorrichtungen aus harten Materialien
Eine ähnliche, auch auf der Grundlage von Schichtung beruhende Herangehensweise ist zum Einsatz gelangt, um 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen aus den folgenden harten Materialien zu fertigen: Silikon, Glas, Keramik, Metall, Hart-Thermoplaste, biologisch abbaubare Polymere, lichthärtbare Polymere, Photoresist-Materialien und Papier. Auch wenn die Fertigungstechniken je nach dem Material, das gerade von Interesse ist, sehr unterschiedlich sind, so ist ihnen allen gemeinsam, dass durchbrochene Schichten zu fertigen und zu einer 3D-Vorrichtung zusammenzufügen sind. Je nach dem Material werden die Durchbrechungen durch Techniken wie beispielsweise Bohren, Ätzen, Stanzen, Foto-Strukturierung, Warmprägen und Laser-Schneiden erreicht. Diese Schichten müssen dann zu 3D-Vorrichtungen zusammengefügt werden, wobei Techniken wie beispielsweise das thermische Verbinden, das Photoresist-Aushärten oder die doppelseitige Bandklebung zum Einsatz gelangen.
Die Verwendung von harten Materialien für geschichtete 3D-Mikrofluidik kann einige der beim PDMS vorgefundenen Probleme mildern. Sie haben jedoch auch ihre eigenen Grenzen. Der größte Nachteil ergibt sich aus der starren Natur dieser Materialien. Im Unterschied zu weichen Elastomer-Materialien machen harte Materialien eine reversible und konforme Abdichtung auf einer beliebigen Fläche nicht möglich und bieten somit auch nicht die Möglichkeit der Schaffung von leicht implementierbaren Schemata für die Strömungsregulierung. Auch sind einige der für die Herstellung von 3D-Vorrichtungen eingesetzten Materialien nicht transparent (Silikon, Keramik, Wachs, Papier usw.).
Die Fertigung von vielschichtigen 3D-Vorrichtungen mit harten Materialien ist typischerweise auch etwas problematischer als mit PDMS. Das Strukturieren von anorganischen Materialien, wie beispielsweise Glas, Silikon, Metall und Keramik, kann nicht mit kostengünstigen schnellen Prototyp-Werkzeugen ausgeführt werden. Die Produktionskosten bei diesen Materialien sind somit generell zu hoch, um komplexe 3D-Vorrichtungen für Einzeleinsätze zu einem vernünftigen Preis herstellen zu können. Das Strukturieren von harten thermoplastischen Materialien ist im Allgemeinen viel einfacher als für harte anorganische Materialien, weist aber auch einige strittige Punkte auf. Es stellt in der Tat eine große Herausforderung dar, mikroskopisch kleine Durchbrechungen auf verlässliche Weise in harten thermoplastischen Materialien zu schaffen Zum Beispiel mit Warmprägen werden sowohl hohe Drücke als auch hohe Temperaturen benötigt, um auf einwandfreie Weise die Struktur der Gießform zu übertragen und durch eine Kunststofffolie zu stanzen. Unter diesen Bedingungen ist es nicht möglich, kostengünstige Gießformen auf Photoresist-Basis einzusetzen (wie sie typischerweise beim PDMS-Gießen verwendet werden), und daher müssen kostenaufwendige Gießformen aus Metall vorbereitet werden. Die starre Natur der harten thermoplastischen Materialien macht auch das Entformen schwierig oder gar unmöglich, wenn hohe Ansprüche an die Geometrieverhältnisse gestellt werden. Verschiedenartige Strategien müssen implementiert werden, um das Vorhandensein einer dünnen Restschicht an der Oberseite einer jeden Durchbrechung zu vermeiden. Das typische Schema erfordert den Einsatz und das Ausrichten einer Aufnahme-Gießform mit Löchern, die den vortretenden Merkmalszügen der Prägeform entsprechen. Es ist auch möglich, eine Polymer-Opferschicht einzusetzen, so dass die Merkmalszüge der Gießform in diese zweite Schicht vordringen und Durchbrechungen im thermoplastischen Teil zurück bleiben.
Schließlich muss hervorgehoben werden, dass für die meisten harten Materialien das Verbinden ein schwieriges Problem darstellt. Im Allgemeinen wird es durch das Zusammenpressen der verschiedenen Schichten unter der Wirkung einer spezifischen Kraft und Temperatur erreicht. Infolge der hohen Steifigkeit dieser Materialien können jedoch mikroskopisch kleine Defekte, Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche oder nicht ideale Bedingungen beim Verbinden leicht zu einem teilweise verbundenen Abschnitt und zu Leckstellen führen. Da die Wahrscheinlichkeit von Defekten mit der Anzahl der zu verbindenden Schichten zunimmt, kann es eine große Herausforderung darstellen, komplexe 3D-Vorrichtungen auf eine zuverlässige Weise aus harten Materialien herzustellen. Folglich stellen die Verbindungstechniken noch immer einen sehr aktiven Forschungsbereich in der 3D-Mikrofluidik dar. Zum Beispiel sind in jüngster Zeit solche Methoden des Herangehens wie beispielsweise der Einsatz von doppelseitigem Klebeband oder von teilweise ausgehärteten Photoresist-Materialien vorgeschlagen worden, um die Zuverlässigkeit der Verbindung zu erhöhen. Dennoch sind die harten Materialien aufgrund ihrer starren Natur nicht für Anwendungen kompatibel, die ein reversibles und konformes Abdichten auf beliebigen Flächen erfordern.
D-Gießen und direkte 3D-Fertigung
Die dritte und letzte Methode des Herangehens beinhaltet die Herstellung einer 3D-Opfergießform, welche die gewünschte Geometrie für das Netzwerk von Kanälen auf direkte Weise enthält. Die Mikrofluid-Vorrichtung wird dann aus dieser 3D-Gießform durch Einsatz von Techniken wie beispielsweise der Metall-Galvanoplastik oder des Formgusses eines Vorpolymers oder eines Epoxykunstharzes gefertigt. Die endgültige Mikrofluid-Vorrichtung wird dann durch Aufschmelzen oder Auflösen der Gießform freigegeben. Es muss angemerkt werden, dass die Gießform geopfert werden muss und nicht wieder verwendet werden kann, sobald die Konstruktion hängende Merkmalszüge aufweist. Die Gießformen werden im Allgemeinen durch Festkörperdrucken von Materialien mit niedriger Schmelztemperatur, wie beispielsweise Wachs, gefertigt. Auf alternative Weise können die Mikrofluid-Vorrichtungen auch auf direktem Wege durch 3D-Fertigungstechniken hergestellt werden, die derjenigen ähnlich sind, die für die Herstellung der 3D-Opfergießformen eingesetzt werden (z. B. Stereolithographie).
Der Hauptvorteil des 3D-Gießens und der direkten 3D-Fertigung besteht darin, dass die Schritte des Ausrichtens und des Verbindens vermieden werden, die bei der schichtweisen Herstellung erforderlich sind. Jedoch begrenzt der langwierige und kostenaufwendige Vorgang der Fertigung entweder einer komplexen 3D-Opfergießform für jede Vorrichtung oder einer jeden 3D-Mikrofluid-Vorrichtung in Serie diese Technik auf den Entwurf der Vorrichtung und die Herstellung der ersten Prototypen. Die gedruckten 3D-Gießformen weisen typischerweise auch eine hohe Rauigkeit und eine relativ niedrige Auflösung (etwa 100 Mikron) auf. Schließlich sind einige Arten von Merkmalen wie beispielsweise lange hängende Kanäle bei dieser Herangehensweise schwierig zu verwirklichen.
Aus der DE 103 92 199 T5 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Folie mit einer Mikroarchitektur bekannt.
Auch wenn der Nachweis des Konzepts für die Mikrofluid-Fixierung von biologischen Sonden vor mehr als einem Jahrzehnt erbracht worden ist, können keine der bis heute vorgeschlagenen Mikrofluid-Vorrichtungen all diejenigen charakteristischen Merkmale miteinander verbinden, die für eine weit verbreitete Annahme dieser Technologie erforderlich sind. Es verbleibt die Notwendigkeit der Suche nach neuen Mikrofluid-Vorrichtungen, die unter Einsatz einfacher Techniken und Materialien gebaut werden können, und die für die ins Auge gefassten Anwendungsfälle geeignete Eigenschaften aufweisen.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt neue durchbrochene Membranen für den Einsatz bei der Konstruktion und bei der Fertigung von 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen vor.
Es wird eine thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran) vorgestellt, die Durchbrechungen mit einer Größe von 1-200 µm aufweist und die 1 oder weniger als 1 Defekt oder Verformung je 10 Durchbrechungen in der Membran aufweist, wobei die TPE-Membran ein Styren-Ethylen/Butylen-Styren-Block-Copolymer, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, ein Styren-Isopren-Butadien-Block-Copolymer, ein ionomerisches TPE, ein schmelzverarbeitbares Einphasen-TPE oder ein Gemisch daraus enthält.
Ferner wird noch eine 3D-Mikrofluid-Vorrichtung vorgestellt, die eine thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran) der vorliegenden Erfindung umfasst.
Ferner wird noch der Einsatz einer thermoplastischen Elastomer-Membran (TPE-Membran) der vorliegenden Erfindung in einer 3D-Mikrofluid-Vorrichtung vorgestellt.
Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung von Durchbrechungen in einer thermoplastischen Membran (TPE-Membran) vorgestellt, aufweisend die Schritte: (i) Bereitstellen eines Formkörpers mit vorspringenden Elementen zur Herstellung von Durchbrechungen in der TPE-Membrane; (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper; (iii) Bereitstellen von ausreichend TPE-Material im Formkörper derart, dass nach der Bearbeitung der Hohlraum des Formkörpers mit dem TPE-Material vollständig gefüllt ist; (iv) Erhitzen des TPE-Materials auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des TPE-Materials, um das TPE-Material weich zu machen; (v) Anlegen eines Pressdrucks zwischen Formkörper und Gegenplatte über eine ausreichende Zeitspanne, um die TPE-Membran aus dem TPE-Material zu formen und zu strukturieren, ohne einen Kontakt der vorspringenden Elemente des Formkörpers mit der Gegenplatte zuzulassen, wobei gewährleistet wird, dass eine überschüssige Schicht des TPE-Materials zwischen den vorspringenden Elemente und der Gegenplatte verbleibt; (vi) Abkühlen der TPE-Membran; und (vii) Entformen der strukturierten TPE-Membran, wodurch das Entformen direkt zum Entfernen der überschüssigen Schicht von der TPE-Membran führt um die Durchbrechungen in der TPE-Membran zu erzeugen, wobei das Entfernen der überschüssigen Schicht durch die Adhäsion zwischen dem TPE und dem Formkörper oder der Gegenplatte gesteuert wird.
Ferner wird eine thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran) ohne signifikante Defekte oder Deformationen vorgestellt, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 33 hergestellt wird und die Durchbrechungen im Mikrometerbereich aufweist.
Jeder beliebige Typ und jede beliebige Güteklasse des TPE-Materials sind bei dem vorgestellten Verfahren einsetzbar. Es ist ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens, dass die preisgünstigen handelsüblichen Güteklassen von TPE eingesetzt werden können, die besonders gut für die Massenproduktion von geschichteten 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen geeignet sind. Einige Beispiele von geeigneten TPE-Materialien sind Styren-Ethylen/Butylen-Styren-Blockpolymere (SEBS, z. B. Versaflex™ CL30), Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA, z. B. Evatane™), Styren-Isopren-Butadien-Blockpolymere (SIBS) Ionomer-TPE, schmelzverarbeitbares Einphasen-TPE und Mischungen daraus. Das TPE-Material kann ferner einen oder mehrere Zusatzstoffe enthalten wie zum Beispiel Öle (organische oder anorganische), Klebrigmacher oder Gemische daraus. Öle und/oder Klebrigmacher sind vorzugsweise in einer Menge von weniger als 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des TPE-Materials, vorhanden. Das TPE-Material kann in dem Formkörper in jeder geeigneten Form vorliegen wie beispielsweise als extrudierte Folie, Pellets usw. Vorzugsweise wird das TPE-Material in den Formkörper als extrudierte Folie eingebracht. In dem Formkörper befindliche extrudierte TPE-Folien haben eine Stärke, die geringfügig größer ist als die Höhe der vorspringenden Elemente in dem Formkörper , um zu gewährleisten, dass der Hohlraum des Formkörpers vollständig mit TPE gefüllt ist.
Wegen ihrer geringen Härte und ihrer elastomeren Natur können TPE-Materialien auf den meisten Oberflächen eine reversible und wasserdichte Verbindung erzielen und werden leicht in komplexe Strömungsreguliersysteme implementiert. Im Vergleich mit PDMS bieten die TPE-Materialien die zusätzlichen Vorteile der kürzeren Verarbeitungszeit (keine Notwendigkeit des Aushärtens), der hohen Kompatibilität mit den Werkzeugen der Massenproduktion bei einer hohen Durchsatzmenge, wie beispielsweise Warmprägen und Spritzgießen, der geringeren Porosität und Gasdurchlässigkeit, der einfach implementierbaren thermischen Verbindung von mehreren Schichten, der besseren Kompatibilität mit Kohlenwasserstoff-Lösemitteln und Analyten, der höheren mechanischen Festigkeit, der höheren Elastizität, der stärkeren reversiblen Verbindung und der Leichtigkeit der Lagerung und des Einsatzes auf Nachfrage (es besteht also nicht die Notwendigkeit, dass unmittelbar die Vorpolymere vor der Fertigung der Vorrichtungen erst gemischt und entgast werden müssen).
Der Formkörper kann für die Herstellung von Durchbrechungen weitere Elemente zusätzlich zu den vorspringenden Elementen umfassen. Diese weiteren Elemente können beispielsweise Elemente zum Ausbilden von Kanälen, Kammern, Ausrichtungsmarken, Ventilen, Pumpen, Mischbereichen usw. umfassen. Die Formkörper können aus jedem beliebigen Material gefertigt sein, das für den Einsatz beim Gießen von TPE geeignet ist wie beispielsweise Metall, Metalllegierung, Polymer, Polymer-Verbundmaterialien usw. Formkörper, die Polymer-Materialien umfassen, werden bevorzugt. Es ist ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens, dass die Formkörper aus relativ kostengünstigen Polymer-Materialien gefertigt werden können wie beispielsweise aus Photoresist-Materialien (z. B. SU8-Photoresist), Epoxypolymeren, Polyimiden, elastomeren Polymeren usw. Der Formkörper kann mit geeigneten Elementen je nach dem Material des Formkörpers nach jeder beliebigen Methode gefertigt werden, wie beispielsweise maschinelle Bearbeitung, Stanzen, Druckgießen, Stereolithographie, Photolithographie usw.
Die Gegenplatte umfasst vorzugsweise ein hartes Material, wie beispielsweise Metall, Metalllegierung, Silikon, Epoxypolymer, Polyimid oder einen hitzebeständigen Kunststoff, der sich während des Strukturiervorgangs nicht signifikant verformt. Gegenplatten, die Silikon enthalten, sind relativ billig, haben sehr glatte Oberflächen und sind ausgezeichnete Wärmeleiter. Für große Stückzahlen können vorteilhafterweise polierte Gegenplatten aus Metall eingesetzt werden. Die Gegenplatte kann auch eine Schicht aus flexiblem hitzebeständigem Material wie beispielsweise Polytetrafluorethylenen enthalten. Die Gegenplatte kann flach sein oder sie kann strukturiert sein, um eine doppelseitige Strukturierung zu erzielen.
Die Gegenplatte kann auch eine elastische Schicht enthalten, die eine Erweichungstemperatur oberhalb derjenigen Temperatur aufweist, bei der die TPE-Membrane ausgebildet und strukturiert wird. Eine solche elastische Schicht steht während der Strukturierung im direkten Kontakt mit dem TPE-Material und weist eine ausreichende Elastizität auf, um während der Abkühlung eine gleichbleibende Druckkraft auf die Membrane zu übertragen. Diese elastische Schicht wird während der Bearbeitung nicht permanent verformt, sondern wird vielmehr auf elastische Weise verformt. Während der Strukturierung wird diese elastische Schicht auf elastische (d. h. auf reversible) Weise durch den Bearbeitungsdruck komprimiert. Diese elastische Kompression wird während des Abkühlens örtlich aufgehoben (d. h. dort, wo keine Durchbrechungselemente vorliegen), um ein Schrumpfen des TPE zu kompensieren. Der Betrag an elastischer Druckverformung der elastischen Schicht während der Bearbeitung ist im Allgemeinen signifikant höher als der Betrag des Schrumpfens, das beim TPE auftritt. Somit wird die Formänderung im TPE stets kompressiv bleiben, wodurch Defekte im Zusammenhang mit dem Schrumpfen vermindert werden. Ein zu hoher Grad an elastischer Druckbeanspruchung wird zu einer hohen lokalen Verformung der TPE-Membrane um die Durchbrechungselemente herum führen. Somit verringert eine dicke und weiche elastische Schicht das Auftreten von Defekten, maximiert aber die Verformung rund um die Öffnungen, während eine dünne und härtere elastische Schicht die Gefahr der Bildung von Defekten erhöht, jedoch die Verformung minimiert. Daher hängen die idealen charakteristischen Merkmale der elastischen Schicht (z. B. der Youngsche Modul und die Stärke) von vielen Parametern ab, darunter der Güteklasse des TPE, der Verarbeitungstemperatur, der Dichte der Durchbrechungen usw.
Das Vorhandensein der elastischen Schicht trägt somit dazu bei, ein lokalisiertes Schrumpfen der TPE-Membrane während der Abkühlung zu verringern, wodurch das Auftreten von Defekten, wie beispielsweise von Einsackstellen in der TPE-Membrane, herabgesetzt wird. Die elastische Schicht hat einen Youngschen Modul, der niedrig genug ist, um genug elastische Verformung aufzubringen, damit das Schrumpfen des TPE völlig kompensier wird. Vorzugsweise liegt der Youngsche Modul der elastischen Schicht im Bereich von 0,01 MPa bis 100 MPa. Die elastische Schicht umfasst vorzugsweise einen wärmehärtbaren Gummi (z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS)) oder ein thermoplastisches Elastomer, das eine höhere Erweichungstemperatur aufweist als die Temperatur, bei der die TPE-Strukturierung durchgeführt wird. Die elastische Schicht ist vorzugsweise relativ dünn im Vergleich mit dem Rest der Gegenplatte, auch wenn es bei einigen Anwendungsfällen möglich ist, die Gegenplatte durch eine lose Schicht aus elastischem Material direkt im Kontakt mit dem TPE zu ersetzen. Vorzugsweise hat die elastische Schicht eine Stärke von etwa 300 µm oder weniger, wobei eine Stärke von etwa 25-300 µm stärker vorzuziehen wie beispielsweise eine solche um etwa 100 µm . Vorzugsweise wird die Adhäsionskraft zwischen der elastischen Schicht und dem TPE gesteuert, um das Entfernen der überschüssigen Schicht von der TPE-Membrane während des Entformens zu erleichtern, während ein leichtes Entfernen der gegossenen TPE-Membrane noch ermöglicht wird.
Auf dem Fachgebiet ist bekannt, dass eine starke Schicht Gummi (mehrere mm) in Kontakt mit einer der Metallplatten (oder beiden) eines Prägesystems gebracht werden kann, um die Fehlausrichtung oder das ständige Durchbiegen/Ungleichmäßigkeiten des Werkzeugs zu kompensieren. Diese Schicht aus Gummi gewährleistet, dass derartige permanente Verformungen des Werkzeugs nicht auf signifikante Weise den Prägevorgang beeinträchtigen. Der hier beschriebene Einsatz einer elastischen Schicht unterscheidet sich auf signifikante Weise von dem des Standes der Technik. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung steht die Gummischicht des Standes der Technik nicht im Kontakt mit dem thermoplastischen Material, das strukturiert wird, sondern befindet sich vielmehr entweder zwischen der Gegenplatte und dem Werkzeug oder zwischen des Formkörpers und dem Werkzeug. Es ist somit unmöglich, bei diesem Verfahren des Standes der Technik das lokale Schrumpfen des TPE zu kompensieren. Auch ist in dem vorliegenden Verfahren die elastische Schicht im Allgemeinen nicht dick genug. um die makroskopische Verformung des Werkzeugs zu kompensieren, sondern bringt eher lokal eine Druckkraft auf die TPE-Membrane auf.
Um das TPE-Material im Formkörper zu formen und zu strukturieren, wird das TPE-Material auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des TPE-Materials erhitzt (Glasübergangstemperatur (T_g)), um das TPE-Material zu erweichen. Vorzugsweise ist die Verarbeitungstemperatur niedriger als die Zersetzungstemperaturen des TPE-Materials. Auch für das Block-Copolymer TPE beträgt die Verarbeitungstemperatur vorzugsweise 30 °C oder mehr oberhalb der T_g der weichen gummiartigen Phase des TPE, während für das statistische Copolymer TPE die Verarbeitungstemperatur vorzugsweise 5 °C oder mehr oberhalb der T_g des TPE liegt. Nachdem das TPE-Material in ausreichendem Maße erweicht ist, wird eine Druckkraft zwischen dem Formkörper und der Gegenplatte über eine ausreichend lange Zeitspanne aufgebracht, um die TPE-Membrane aus dem TPE-Material zu formen und zu strukturieren, ohne dass zugelassen wird, dass die vorspringenden Elemente mit der Gegenplatte in Kontakt kommen. Diese Druckkraft kann mit jeder beliebigen Ausrüstung aufgebracht werden, wie beispielsweise einer Vorrichtung mit einem Werkzeug aus Metall, einer hydraulischen Quelle, aus einem unter Druck befindlichen Medium (Luft oder Flüssigkeit) usw. Es können Einrichtungen und Verfahren der Warmprägung eingesetzt werden (z B. ein EVG520, EVG750-Systeme (EV-Gruppe, Schärding, Österreich)) unter Aufbringung von Standardwerten für die aufgebrachte Kraft (z. B. 1-100 kN) und den Umgebungsdruck (z. B. 10^-3 bis 10^-1 mbar). Zu keinem Zeitpunkt durchdringen die vorspringenden Elemente des Formkörpers den gesamten Weg durch das TPE bis zur Gegenplatte. Eine dünne überschüssige Schicht TPE wird zwischen den vorspringenden Elementen und der Gegenplatte belassen. Diese überschüssige Schicht ist vorzugsweise weniger als 1 µm stark, beispielsweise 0,01-1 µm.
Die Adhäsion von TPE am Formkörper und der Gegenplatte kann, falls gewünscht, gesteuert werden durch Oberflächenbehandlung des Formkörpers und/oder der Gegenplatte mit einem oder mehreren Adhäsionsmodifikatoren (z. B. Adhäsionshemmern), um zu gewährleisten, dass die Membran während des anfänglichen Entformens auf der Gegenplatte (oder des Formkörper, falls gewünscht) verbleibt. Adhäsionshemmer enthalten beispielsweise Fluorpolymere (z. B. Polytetrafluorethylene), Silane (z. B. 1H,1H,1H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan), Cytop usw. Die Oberflächenbehandlung kann ausgeführt mit beliebigen geeigneten Mitteln werden, wie beispielsweise durch Aufschleudern, Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, selbstorganisierte Monoschicht, Dampfabscheidung, reaktive Ionenätzung, Zerstäubungsbeschichtung und Elektronenstrahlbehandlung, gefolgt von Glühen, falls erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Formkörper mit einem Adhäsionshemmer behandelt, so dass die TPE-Membrane während des anfänglichen Entformens an der Gegenplatte haftet. Wenn das Entformen durch das Entfernen der TPE-Membrane von der Gegenplatte zum Abschluss gebracht wird, wird die Adhäsion der dünnen überschüssigen Schicht an der Gegenplatte zum Entfernen der überschüssigen Schicht von den Durchbrechungen der TPE-Membrane führen. Wenn eine elastische Schicht in der Gegenplatte enthalten ist, wird die dünne überschüssige Schicht TPE an der elastischen Schicht haften, wenn die TPE-Membrane von der elastischen Schicht entfernt wird. In einer anderen Ausführungsform kann während des anfänglichen Entformens die TPE-Membrane am Formkörper kleben und weniger an der Gegenplatte. Auch kann die Adhäsion der dünnen überschüssigen Schicht entweder an der Oberseite der vorspringenden Elemente des Formkörpers oder an der Gegenplatte erfolgen, so dass dies zum Entfernen der überschüssigen Schicht von den Durchbrechungen führt, wenn die TPE-Membrane vom Formkörper oder der Gegenplatte entfernt wird.
Durchlöcherte thermoplastische Elastomer-Membranen (TPE-Membranen) der vorliegenden Erfindung umfassen Durchbrechungen (z. B. Vias, Eintrittsöffnungen, Austrittsöffnungen usw.) und andere Merkmale (z. B. Kanäle, Kammern, Ventile usw.) mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Die Durchbrechungen und anderen Merkmale können von beliebiger Größe sein und können vorteilhafterweise so klein wie etwa 1000 µm oder darunter, etwa 1-500 µm oder sogar etwa 1-200 µm sein, ohne dass sie signifikante Defekte oder Verformungen aufweisen. Die Anzahl der Defekte oder Verformungen in der Membran beträgt vorteilhafterweise 1 oder noch weniger je 10 Durchbrechungen oder andere Merkmale in der Membran und kann 1 oder weniger auf je 50 oder sogar 1 oder weniger auf je 100 oder gar 1 oder weniger auf je 500 betragen. Vorteilhafterweise kann die oben angeführte Anzahl der Defekte oder Verformungen auf der Anzahl der Durchbrechungen oder anderen Merkmalen beruhen, die eine Größe von etwa 200 µm oder darunter aufweisen. Die Membranstärke kann auch im Mikrometerbereich liegen. Die Membranstärke kann etwa 1000 µm oder weniger betragen wie zum Beispiel etwa 1-500 µm oder etwa 1-200 µm. Das Geometrieverhältnis eines Loches oder anderen Merkmalzuges ist das Verhältnis von Höhe zu Breite. Für Durchbrechungen ist die Lochhöhe im Wesentlichen dieselbe wie die Membranstärke. Geometrieverhältnisse (d. h. das Verhältnis von Höhe zu Breite) der Durchbrechungen und anderen Merkmalen kann im Bereich von etwa 200:1 bis 1: 1000 liegen wie zum Beispiel 1:10 bis 10:1. Lange enge Löcher oder andere Merkmale weisen Geometrieverhältnisse von etwa 200:1 bis 1:1 auf, während kurze weite Löcher oder andere Merkmale Geometrieverhältnisse von 1:1 bis 1: 1000 aufweisen. Es ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass lange enge Durchbrechungen oder andere Merkmale ohne signifikante Defekte oder Verformungen ausgebildet werden können.
Die Dichte der Durchbrechungen und anderen Merkmalen kann ähnlich im Mikrometerbereich liegen. Daher ist es möglich, dass Anordnungen von Durchbrechungen und anderen Merkmalen Abstände in der Größenordnung von etwa 1-50 µm oder sogar etwa 1-20 µm haben. Durchbrechungen und andere Merkmale können jede beliebige gewünschte Form haben (z. B. rund, elliptisch, dreieckig, quadratisch, rechteckig, polygonal usw.) sowie jedes Profil (z. B. hinterschnitten, überschnitten, unregelmäßig usw.). Wegen der hohen Elastizität der TPE-Membranen können die Porosität der durchbrochenen Membran und die Form der Durchbrechungen und anderen Merkmalen in der Membran auf reversible Weise durch Dehnen der TPE-Membrane eingestellt werden. Ein solches Einstellen ist über einen weiten Bereich (bis zu 1000 %) nach der anfänglichen Strukturierung der Membran durch den geeigneten Einsatz von mechanischen, elektrischen oder magnetischen Kräften möglich.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membranen (TPE-Membranen) sind besonders für den Einsatz in Mikrofluid-Vorrichtungen geeignet, insbesondere in 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen. Zu Mikrofluid-Vorrichtungen, die derartige Membranen umfassen, gehören zum Beispiel Mikrofluid-Fixierungsvorrichtungen, Mikrofluid-Spotter, Mischvorrichtungen, Regulierventile, Generatoren für Konzentrationsgradienten, Vorrichtungen zur Schwerkraftfokussierung, magnetische Fangvorrichtungen, Vorrichtungen für die Polymerase-Kettenreaktion, Vorrichtungen mit einer hohen Dichte an Eintritts- oder Austrittsöffnungen usw. Derartige Vorrichtungen finden Anwendung in einer Vielfalt von Bereichen wie beispielsweise beim Nachweis von toxischen Gasen, Sprengstoffen und Krankheitserregern, bei der Entwicklung von biologischen Markern, bei der Fertigung von Mikroanordnungen (z. B. DNA, Proteine, Zellen usw.), in der kombinatorischen Chemie, bei der klinischen und medizinischen Diagnose und im Umweltschutz und in der Nahrungsmittelsicherheit. durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membranen finden auch Anwendung auf verschiedenen anderen Gebieten wie beispielsweise für die weiche Lithographie (Schattenmaskierung, Strukturierung von Materialien, Biomolekülen und Zellen, strukturierte Elektroabscheidung usw.), Filtration (Filterporengrößen, die durch Strecken der Membranen abgestimmt werden können), streckbare Gerüstanordnungen (z. B. für das Ausrichten von Röhren oder optischen Fasern) usw.
Das vorliegende Verfahren ermöglicht das rasche, zuverlässige und wirkungsvolle Strukturieren von dicht gepackten und willkürlich angeordneten Durchbrechungen und Kanälen im Mikrometerbereich mit einem hohen Geometrieverhältnis und mit beliebiger Gestalt oder Wandprofil in dünnen TPE-Membranen. Dieses Verfahren kann leicht in vorhandene Verfahrene des Warmprägens integriert werden, um die Massenproduktion von komplexen 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen zu niedrigen Kosten in einem einzigen oder in aufeinander folgenden Herstellungsschritten zu ermöglichen, wobei einer oder mehrere der oben diskutierten Punkte der Materialverträglichkeit und Massenproduktion verbessert werden. Vorteilhafterweise ist das vorliegende Verfahren ein Einzelschritt und erfordert keine Ausrichtung des Formkörpers und der Gegenplatte. Dies steht im Gegensatz zum Strukturieren von Durchbrechungen bei den meisten harten thermoplastischen Materialien (TP), wo typischerweise komplizierte Warmprägevorrichtungen, Ausrichtungsverfahren und Schritte der Nachbearbeitung erforderlich sind, um die Löcher zu stanzen (siehe z. B. Worgull 2009). Ferner kann das hier beschriebene Verfahren der TPE-Strukturierung leicht in ein Einzelverfahren für die Fertigung und das Zusammenfügen von durchbrochenen Membranen in geschichtete 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen integriert werden.
Tatsächlich wird während der Strukturierung einer TPE-Membrane durch ein Verfahren der vorliegenden Erfindung die Stärke der überschüssigen Schicht, die an der Oberseite einer jeden Durchbrechung vorhanden ist, schnell auf den Punkt verringert, an dem sich die überschüssige Schicht während des Entformens systematisch abtrennt. Daher können Durchbrechungen in TPE bei Drücken und Temperaturen erreicht werden, die mit kostengünstigen Formkörpern auf Photoresist-Basis und ohne den Einsatz eines Aufnahme- Formkörpers (Mazzeo 2007) oder einer Opferschicht aus Polymer (Heckele 2001; Heckele 2006; Schift 2006) kompatibel sind. Die hohe Elastizität und der niedrige Elastizitätsmodul des TPE erleichtern das Entformen von Merkmalen mit hohem Geometrieverhältnis und hinterschnittenen Merkmalszügen und schützen die Formkörper vor den thermischen Spannungen, die in den strukturierten Membranen vorhanden sind. Dieses Verfahren ermöglicht daher die Fertigung von Durchbrechungen im Mikrometerbereich mit willkürlichen Wandprofilen, die auch leicht durch elastische Verformung der TPE-Materialien verändert werden können. Dies bringt einen entscheidenden Vorteil für die Herstellung von geschichteten 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen mit Vermaschungen von beliebiger Gestalt und einstellbarer Porosität. Ferner kann das vorliegende Verfahren auf eine stark parallele Weise durchgeführt werden und erfordert keine manuelle Handhabung der TPE-Membranen, um 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen herzustellen und zusammenzufügen.
Der Einsatz von thermoplastischen Elastomeren (TPE) gegenüber Duroplast-Polymeren, wie beispielsweise PDMS, weist einige signifikante Vorteile für die Herstellung und den Zusammenbau von durchbrochenen Membranen auf. Zum Beispiel kann das Ausgangsmaterial (d. h. entweder Pellets oder zuvor extrudierte Rollen von TPE) über ausgedehnte Zeiträume gelagert werden und bei Bedarf zum Einsatz kommen, während Duroplastmaterialien eine unablässige Vorbereitung (Mischen, Entgasen, Gießen usw.) von neuen Vorpolymerlösungen erfordern. Diese gesonderten Verfahrensschritte in Kombination mit der zusätzlichen Zeit, die für das Aushärten des Vorpolymers erforderlich ist, komplizieren auf signifikante Weise den Einsatz von Duroplastmaterialien bei der Massenproduktion von Mikrofluid-Vorrichtungen. Auch kann entweder das reversible oder ständige Verbinden einer TPE-Membrane mit einem anderen TPE-Material oder einem anderen Material leicht ohne Vorbehandlung der Membranen erreicht werden. Die Klebrigkeit von TPE ermöglicht das Verbinden von zwei Membranen, die dann voneinander getrennt werden können. Auf alternative Weise kann durch schnelles (in ein paar Minuten erfolgendes) und druckfreies thermisches Verbinden eine permanente Bindung ausgebildet werden, während für PDMS typischerweise eine O₂-Plasmabehandlung durchgeführt werden muss, unmittelbar bevor die beiden Membranen ausgerichtet und zusammengepresst werden, um eine Bindung herzustellen. Auf alternative Weise ermöglicht eine geschickte Auswahl von TPE-Materialien das permanente Verbinden von TPE-Membranen mit TPE oder anderen Materialien bei Raumtemperatur binnen weniger Stunden ohne das Aufbringen von Druck. Schließlich können die Oberflächen von TPE-Membranen permanent hydrophil gestaltet werden, wodurch ein selbsterhaltender Medienstrom und Medienverbindung zwischen multiplen Medienpegeln ermöglicht wird.
Weitere Merkmale der Erfindung werden noch beschrieben oder werden offensichtlich im Laufe der folgenden ausführlichen Beschreibung.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen nun Ausführungsformen ausführlich anhand von Beispielen beschrieben werden, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Bei diesen handelt es sich um:

1 ist eine schematische Seitenansicht, in der eine Ausführungsform des Strukturierverfahrens der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von Durchbrechungen in einer TPE-Membrane abgebildet ist;
2A ist die Abbildung einer mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) angefertigten Mikroaufnahme, die in Seitenansicht den Schnitt durch eine 90 µm starke TPE-Membrane darstellt mit einer Anordnung von 30 µm breiten und 90 µm hohen quadratischen Durchbrechungen, die in der Membrane mit einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
2B ist die Abbildung einer mit einem Rasterelektronenmikroskop in Draufsicht angefertigten Mikroaufnahme der in 2A abgebildeten Durchbrechungen;
3A ist die Abbildung einer mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) angefertigten Mikroaufnahme, die in Draufsicht den Schnitt durch eine 90 µm starke TPE-Membrane darstellt mit einer Anordnung von 10 µm im Durchmesser messenden und 90 µm hohen runden Durchbrechungen, die in der Membrane mit einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;
3B ist die Abbildung einer mit einem Rasterelektronenmikroskop in Draufsicht angefertigten Mikroaufnahme von einigen der in 3A abgebildeten Durchbrechungen;
4A und 4B sind Abbildungen von REM-Mikroaufnahmen eines SU8-Formkörpers nach zwei Warmpräge-Durchläufen, in denen der Formkörper sowohl dicke vorspringende Elemente zur Strukturierung von Durchbrechungen als auch dünne Elemente zur Strukturierung von Kanälen aufweist;
4C ist eine REM-Mikroaufnahme, bei der eine Unteransicht einer TPE-Membrane mit Durchbrechungen gezeigt wird, die nach einem Strukturierverfahren der vorliegenden Erfindung mit dem in 4A und 4B abgebildeten Formkörper hergestellt worden sind;
4D ist eine REM-Mikroaufnahme, bei der eine Draufsicht auf eine TPE-Membran mit Durchbrechungen gezeigt wird, die nach einem Strukturierverfahren der vorliegenden Erfindung mit dem in 4A und 4B abgebildeten Formkörper hergestellt worden sind;
5A ist eine schematische Darstellung, in der das Strukturieren von TPE ohne offen-durchgängige Löcher gezeigt wird;
5B ist eine schematische Darstellung, in der das Strukturieren von TPE mit Durchbrechungen gezeigt wird, in denen Spannungen, die durch das Schrumpfen der TPE-Membrane während der Abkühlung entstehen, Defekte hervorrufen;
5C ist die Abbildung einer REM-Mikroaufnahme, die ein Beispiel von Defekten zeigt, die während der Abkühlung nach der Strukturierung von durchbrochenen TPE-Membranen auftreten können;
5D ist eine schematische Darstellung, in der das Strukturieren von TPE mit Durchbrechungen gezeigt wird, in denen eine 100 µm starke elastische Schicht aus PDMS benutzt wird, um die Spannungen abzubauen, die durch das Schrumpfen der TPE-Membrane während der Abkühlung verursacht werden;
5E ist die Abbildung einer REM-Mikroaufnahme, die ein Beispiel der durchbrochenen TPE-Membrane zeigt, das mit Hilfe des in 5D gezeigten Verfahrens erhalten worden ist;
6 ist eine schematische Darstellung, in der ein Verfahren zur Fertigung und zum Zusammenfügen von durchbrochenen Membranen in geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen gezeigt wird;
7 ist eine rechnergestützte Konstruktion (CAD) einer der geschichteten 3D-Mikrofluid-Spotting-Vorrichtungen, die nach dem in 6 abgebildeten Verfahren gefertigt worden sind;
8 ist eine Abbildung von ausgewählten REM-Mikroaufnahmen, welche die Fertigung der in 6 schematisch abgebildeten geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen veranschaulichen, worin: (a) eine Abbildung des SU8-Formkörpers ist, die zur Fertigung der unteren TPE-Membran benutzt wird; (b) die Abbildung einer Draufsicht auf die untere TPE-Membran darstellt; (c) die Abbildung einer Unteransicht der unteren TPE-Membran ist; (d) die Abbildung des SU8- Formkörpers ist, die für die Fertigung der oberen TPE-Membran benutzt wird; (e) die Abbildung einer Draufsicht auf die obere TPE-Membran ist; und (f) eine Nahaufnahme der oberen TPE-Membran ist, bei der die Skalenstreifen in den Einsätzen von (a), (b), (c) und (d) den Werten 50 µm, 20 µm 10µm bzw. 200 µm entsprechen. Die in (d) und (e) gezeigten Bilder wurden aus mehreren REM-Mikroaufnahmen zusammengesetzt, um das gewünschte Sichtfeld zu erzielen;
9 zeigt Fotografien von der zusammengebauten geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtung, in denen (a) die Vorrichtung vor dem Füllen mit Farbstoffen zeigt, (b) die Vorrichtung nach dem Füllen mit rotem (R) und grünem (G) Farbstoff zeigt und c) ein ausgewähltes Bild des sich ergebenden Rot-Grün-Musters zeigt, das im mittleren Bereich der Vorrichtung mit einem Lichtmikroskop erhalten worden ist;
10 ist eine schematische Darstellung, in der die Wirkweise einer geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt ist;
11 zeigt die Fixierung von Cy5-markierten DNA-Sonden auf einem Zeonor-Substrat mit geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, in der (a) ein mit einem Lichtmikroskop erhaltenes Bild die mit der DNA-Lösung gefüllten Kanäle zeigt, (b)-(c) Fluoreszenzmikroskopbilder der fixierten DNA auf dem Zeonor-Substrat zeigen und (d) die Abbildung des Profils der Fluoreszenzintensität des in (c) gezeigten Bildes ist
12 zeigt die Fixierung und die Hybridisierung von Proteinen auf einem Zeonor-Substrat mit geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen der vorliegenden Erfindung, in der (a) das mit einem Lichtmikroskop erhaltene Bild die Kanäle zeigt, die mit den Kaninchen-IgG- und den Maus-IgG-Lösungen gefüllt sind und in der die Buchstaben M (Maus) und R (Kaninchen) in (a) die Position der Maus-IgG- und der Kaninchen-IgG-Lösung angeben, (b) das mit dem Fluoreszenzmikroskop aufgenommene Bild des Zeonor-Substrats nach der Hybridisierung mit Cy5-markierten Ziegen-Anti-Kaninchen-IgG zeigt und (c) das mit dem Fluoreszenzmikroskop aufgenommene Bild des Zeonor-Substrats nach der darauffolgenden Hybridisierung mit Cy3-markiertem Schaf-Anti-Kaninchen IgG zeigt, wobei die Farben Rot (R) und Grün (G) in (c) die Cy5- bzw. die Cy3-Kanäle des Fluoreszenzmikroskops bezeichnen.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Materialien und Methoden:
Die Membranen und die Mikrofluid-Vorrichtungen, die in den Beispielen beschrieben sind, wurden entweder aus Versaflex™ CL30 (von der GLS Corporation, McHenry, IL, USA), einem schmelzverarbeitbarem Elastomer auf der Grundlage von Styren-Ethylen/Butylen-Steren-Block-Copolymer oder aus Evatene™ 42-60 (von der Arkema Corporation, Colombes, Frankreich), einem schmelzverarbeitbarem Elastomer auf der Grundlage eines statistischen Ethylen-Vinyl-Copolymers, gefertigt. Durch alle Beispiele hindurch betrifft der Ausdruck TPE entweder Versaflex™ CL30 oder Evatene™ 42-60. Pellets aus Versaflex™ CL30 und Evatene™ 42-60 sind beim Eingang bei einer Temperatur von 165 °C bzw. 120 °C extrudiert worden, um mehrere Meter lange Folien mit Dicken von etwa 90 µm, 140 µm oder 240 µm zu bilden.
Die Formkörper wurden vorbereitet durch Strukturierung von einer oder zwei Schichten von aufgeschleudertem SU8-Photoresist-Material (GM1060 und GM1075; Gersteltec, Pully, Schweiz) auf Silikon-Wafern mit einem Durchmesser von 100 mm unter Anwendung von standardisierten Photolithographie-Verfahren (Geissler 2009b). Durch Photoplotting behandelte Folien, die mit einer Auflösung von 65.000 dpi bedruckt wurden sind (Fileline Imaging, Colorado Springs, CO, USA), wurden als Photolithographiemasken benutzt. Nach der Strukturierung der SU8-Elemente wurde an den Formkörpern eine Antiadhäsivbehandlung durch Aufspritzen einer dünnen Schicht aus Teflon™ AF (DuPont, Wilmington, DE, USA) sowie ein Nachglühen bei 200 °C über einen Zeitraum von 2 Stunden vorgenommen.
Für die Herstellung der Mikrofluid-Vorrichtungen wurde ein Stück TPE aus der extrudierten Folie mit Scheren ausgeschnitten und zwischen den Formkörper und die Gegenplatte gebracht. Die Gegenplatte umfasste einen Silikon-Wafer, der entweder mit aus der Dampfphase unter vermindertem Druck abgeschiedenem 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctyltrichlorsilan (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA) oder einer dünnen elastischen Schicht aus PDMS (Sylgard™ 184, Dow Corning Corp., Midland, MI, USA) beschichtet war, die durch Aufschleudern einer entgasten Vorpolymerlösung und Aushärten bei 200 °C für die Dauer von 2 Stunden als flexible Schicht abgeschieden wurde. Das Warmprägen wurde mit einem EVG520-System (EV-Gruppe, Schärding, Österreich) bei einer Temperatur von 170 °C für Versaflex™ CL30 und 110 °C für Evatene™ 42-60, einer aufgebrachten Kraft von 10 kN und einem Umgebungsdruck von 10^-2 mbar durchgeführt. Die Behandlungen mit Sauerstoff-Plasma (Plasmalabs 80plus, Oxford Instruments, Bristol, Vereinigtes Königreich) wurden 4 Minuten lang bei einem Druck von 50 mTorr und einem O₂-Volumenstrom von 20 Standard-Kubikzentimetern pro Minute durchgeführt. Die Bilder vom Rasterelektronenmikroskop (REM) wurde mit einer Hitachi S-4800 (Hitachi High Technologies Canada, Toronto, ON) erhalten, und die lichtmikroskopischen Mikroaufnahmen wurden mit einem Mikroskop Nikon Eclipse L150 (Nikon Instruments, Melville, NY) erhalten. Die Schritte der mikrostrukturellen Fertigung und des Zusammenfügens der Vorrichtung wurden in einem Reinraum der Klasse 1000 ausgeführt.
Numerische Simulationen wurden unter Einsatz eines im Hause entwickelten Code auf der Grundlage der Lattice-Boltzmann-Methode mit einem dreidimensionalen Zweiphasen-D3Q19-Schema durchgeführt, das durch ein mesoskopisches Potential vom Shan-Chen-Typ angetrieben wurde (Chen 1998; Clime 2009). Der Kontaktwinkel der Flüssigkeit mit der Oberfläche der Spottingvorrichtungen wurde auf einen Wert von etwa 56° durch Einstellen des Potentials der Feststoff-Flüssigkeit-Wechselwirkung eingestellt. Es wurde auf die Flüssigkeit keine äußere Kraft aufgebracht.
Tests zur Protein- und DNA-Fixierung wurden auf Zeonor-1060R-Substraten (Zeon Chemicals, Louisville, KY) ausgeführt, die durch ein Verfahren des Spritzgießens hergestellt wurden. Vor den Fixierungsversuchen wurden die Zeonor-Objektträger einer Ozonbehandlung über eine Zeitspanne von etwa 15 Minuten unter Verwendung eines Ozongenerators Ozo 2vtt (Ozomax, Shefford, QC, Kanada) ausgesetzt. Sie wurden dann 90 Minuten lang in einer frisch vorbereiteten Lösung von 17 µM N-Hydroxysuccinimid (NHS; Sigma-Aldrich) und 42 µM 1-Ethyl-3-[3-Dimethylaminopropyl]Carbodiimid-Hydrochlorid (EDC; Sigma-Aldrich) inkubiert, gespült und mit einem Stickstoffstrom trocken geblasen. Beim Eingang wurden die mit Cy3- oder Cy5-Fluorophor markierten aminomodifizierten 27-mer Oligonukleotidlösungen (Integrated DNA Technologies, Coralville, IA) zunächst in H₂O auf 40 µM verdünnt. Diese Lösung wurde dann im Volumenverhältnis 1:1 mit Dimethylsulfoxid (DMikrofluid-SpotterO; Sigma-Aldrich) für die DNA-Fixierungsversuche verdünnt. Mäuse-Immunoglobulin G (IgG), Kaninchen-IgG, Cy3-markiertes Schaf-Antimaus-IgG und Cy5-markiertes Ziegen-Antikaninchen-IgG wurden bei den Jackson ImunoResearch Laboratories (West Grove, PA) beschafft und auf ihre Endkonzentration in phosphatgepufferter Salzsole (PBS, pH 7,4, Sigma Aldrich) verdünnt.
Für die Fixierungsversuche wurden die hergestellten geschichteten 3D-TPE-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen zunächst auf die frisch aktivierten Zeonor-Objektträger gebracht. Es wurde festgestellt, dass sich die TPE-Mikrofluid-Vorrichtungen spontan an die Form der meisten ebenen Oberflächen angepasst haben und somit eine reversible wasserdichte Abdichtung zu den Zeonor-Substraten bilden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, zusätzlichen Druck oder Wärme aufzubringen. Die Fixierungslösungen wurden auf die ausgewählten Eintrittsöffnungen der hergestellten Mikrofluid-Vorrichtungen unter Verwendung einer Pipette aufgebracht. Nach 2 Stunden Inkubation in feuchter Umgebung bei Raumtemperatur wurden die Zeonor-Substrate zunächst in eine Lösung von 0,1 % Natriumdodecylsulfat (SDS; Sigma-Aldrich) in PBS eingebracht, in der die Mikrofluid-Vorrichtungen vom Substrat abgelöst wurden. Das Zeonor-Substrat wurde dann in einem neuen Bad aus 0,1 % SDS in PBS 5 Minuten lang gewaschen und in Wasser gespült. Die Mikrofluid-Vorrichtungen wurden nur einmal verwendet, um wechselseitige Verunreinigung zu vermeiden. Vor der Hybridisierung wurden die Zeonor-Substrate unter Verwendung einer Lösung von 1 mg/ml Rinderserumalbumin (BSA; Sigma.Aldrich) in PBS 15 Minuten lang bei Raumtemperatur blockiert. Für die Hybridisierung wurde ein 10-µl-Tropfen der Ziellösung auf das Zeonor-Substrat unter Verwendung eines Deckglases verbreitet. Nach Inkubationszeiten von 5 bzw. 30 Minuten für die Protein- und die DNA-Versuche wurde das Deckglas entfernt, und das Zeonor-Substrat wurde in PBS und Wasser gespült. Ein Umkehr-Fluoreszenz-Mikroskop Eclipse TE2000-U (Nikon Instruments), ausgestattet mit einer EM-CCD-Kamera (Hamamatsu, Bridgewater, NJ) wurde benutzt, um die fixierten DNA und Proteine, die mit Cy3- oder Cy5-Fluorophoren markiert waren, zu kennzeichnen.
Beispiel 1: Herstellung von TPE-Membranen mit im Mikrometerbereich liegenden Durchbrechungen
1 veranschaulicht auf schematische Weise ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von TPE-Membranen mit Durchbrechungen. Wie 1 zeigt, wird im Schritt (i) die vorextrudierte Folie 1 aus TPE zunächst zwischen den Formkörper 10 und die ebene Gegenplatte 20 gebracht. Die TPE-Folie hat eine Dicke, die fast mit den höchsten vorspringenden Elementen 15a, 15b des Formkörpers übereinstimmt oder geringfügig darüber liegt. Die höchsten vorspringenden Elemente enthalten die vorspringenden Elementen 15a zur Herstellung von Durchbrechungen in der Membran und die Elemente 15b zum Schneiden der Membran, die während des Warmprägens erzeugt wird. Wie Schritt (ii) in 1 zeigt, wird die Anordnung 30 dann auf eine Temperatur erhitzt, bei der das TPE ausreichend weich geworden ist und dann solange gepresst wird, bis die höchsten Merkmalszüge des Formkörpers die Gegenplatte fast erreichen und nur eine überschüssige Schicht 8 aus TPE mit einer Stärke im Submikronbereich zwischen den höchsten vorspringenden Elementen und der Gegenplatte zurückgelassen wird. In 1 ist die Stärke der überschüssigen Schicht 8 der Deutlichkeit halber übertrieben dargestellt. Wie in 1 dargestellt ist, zeigen die Schritte (iii) und (iv) das Entformen; da diese überschüssige TPE-Schicht 8 dünn genug ist, löst sie sich systematisch ab, wenn die ausgebildete TPE-Membrane 3 von der Gegenplatte 20 entfernt wird, wodurch die Durchbrechungen 5 in der Membran 3 entstehen. Verschiedene Oberflächenbehandlungen, die an dem Formkörper und der Gegenplatte durchgeführt werden, gewährleisten, dass die durchbrochenen TPE-Membranen während des Entformens auf der Gegenplatte verbleiben (1 Schritt (iii)). Der Formkörper kann somit unmittelbar für einen weiteren Durchgang benutzt werden, und die Gegenplatte kann dann einen harten Träger liefern, um die Handhabung der Membranen in den darauffolgenden Schritten der Nachbearbeitung zu vereinfachen. Wie in 1 veranschaulicht ist, ermöglicht diese Technik auch das Schneiden der Membranen während des Schritts der Strukturierung durch das Aufbringen von Elementen 15b rund um jede Vorrichtung auf dem Formkörper. Bei Benutzung eines Formkörpers mit einem Durchmesser von 100 mm ist es möglich, in einem Verfahren mit nur einem Schritt routinemäßig bis zu 32 TPE-Membranen von 1 x 1 cm zu strukturieren und zu schneiden, von denen jede mehrere Durchbrechungen aufweist.
2A zeigt die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erhaltene Mikroaufnahme einer Anordnung von 30 µm breiten und 90 µm hohen quadratischen Durchbrechungen, die in TPE mithilfe des obigen Verfahrens unter Verwendung eines Formkörpers strukturiert worden sind, die mit SU8-Photoresist-Material gefertigt worden ist. Die Durchbrechungen haben ein Geometrieverhältnis von 3 zu 1. 2B zeigt die Draufsicht auf eine der Durchbrechungen. Die Merkmalszüge der Membran sind gut festgelegt, und um die Durchbrechungen herum ist keine erkennbare überschüssige TPE-Schicht oder Verformung sichtbar.
3A zeigt die mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) erhaltene Mikroaufnahme einer Anordnung von 10 µm im Durchmesser messenden und 90 µm hohen runden Durchbrechungen, die in TPE mithilfe des obigen Verfahrens unter Verwendung eines Formkörpers strukturiert worden sind, die mit SU8-Photoresist-Material gefertigt worden ist. Die Durchbrechungen haben ein Geometrieverhältnis von 9 zu 1. 3B zeigt die Draufsicht auf einige der Durchbrechungen. Die Merkmalszüge der Membrane sind gut festgelegt, und um Durchbrechungen herum ist keine erkennbare überschüssige TPE-Schicht oder Verformung sichtbar.
4A und 4B zeigen eine SU-8-Formkörper mit 100 µm starken und 50 µm breiten Pfeilern und 10 µm dicken Kanälen. Die entsprechende durchbrochenen TPE-Membrane nach zwei Warmpräge-Durchläufen ist in 4C und 4D dargestellt. Trotz des signifikanten hinterschnittenen Profils der Pfeiler ist am Formkörper kein Schaden sichtbar, folglich könnte dieser Formkörper für zahlreiche weitere Warmpräge-Durchläufe von durchbrochenen TPE-Membranen trotz der signifikanten unterschnittenen Profile der Pfeiler verwendet werden.
Durch Verwendung einer TPE-Folie geeigneter Stärke als Ausgangsmaterial ist es möglich, Durchbrechungen in weniger als 10 Minuten Prägezeit durch Aufbringen einer relativ geringen Kraft von 10 kN auf den Formkörper mit 100 mm Durchmesser zu erhalten. Auch wenn bei höheren Kräften kürzere Verweilzeiten erreicht werden könnten, ermöglicht doch diese niedrige Kraft den wiederholten Einsatz der SU8-Formkörper auf der Basis von Photoresist-Material, wodurch die Notwendigkeit der Herstellung von kostenaufwendigen Formkörper aus Metall entfällt. Dies zeigt, dass eine dichte Anordnung von Durchbrechungen mit einem hohen Geometrieverhältnis in TPE-Membranen mit kostengünstigen Formkörpern auf der Grundlage von SU8-Photoresist-Material erreicht werden kann.
Beispiel 2: Herabsetzung des Auftretens von Defekten in durchbrochenen TPE-Membranen während der Herstellung
Auch wenn das vorliegende Verfahren beträchtlichen Nutzen hinsichtlich der Erleichterung der Strukturierung von TPE bringt, wäre natürlich auch zusätzlich eine Verbesserung hinsichtlich der systematischen Erhöhung der Qualität der durchbrochenen TPE-Membranen von Nutzen. Spannungen, die durch das relativ starke Schrumpfen (1-2 %) der TPE-Membrane während des Schritts der Abkühlung hervorgerufen werden, können das Auftreten von Defekten verursachen, wenn Durchbrechungen in die Membranen gestanzt werden. Dies steht im Gegensatz zum Warmprägen von TPE, bei dem die Durchbrechungen nicht hergestellt werden. 5A ist eine schematische Darstellung, die das Strukturieren von TPE ohne Durchbrechungen zeigt. Die durch das Schrumpfen der TPE-Membrane 40 während der Abkühlung erzeugten Spannungen werden durch die vertikale Bewegung der Gegenplatte 41 abgebaut. Dagegen ist 5B eine schematische Darstellung, welche die Strukturierung von TPE mit Durchbrechungen zeigt, bei der die Gegenplatte 45 das Schrumpfen der TPE-Membrane 44 während des Abkühlens nicht kompensieren kann und die durch dieses Schrumpfen bewirkten Spannungen zu den Defekten 46 führen. 5 C zeigt eine REM-Mikroaufnahme, wo ein Beispiel der Defekte dargestellt ist, die während der Abkühlung nach der Strukturierung der durchbrochenen Membranen auftreten können.
Wie in 5D dargestellt ist, kann zur Herabsetzung des Auftretens dieser Defekte eine dünne elastische Schicht 57 aus wärmehärtbarem Gummi (z. B. eine 100 µm starke Schicht aus PDMS) zwischen die Gegenplatte 55 und die TPE-Membrane 54 gebracht werden, wobei die elastische Schicht sich im direkten Kontakt mit der TPE-Membrane befindet. Das Vorhandensein dieser elastischen Schicht trägt dazu bei, das Schrumpfen der TPE-Membrane während der Abkühlung zu kompensieren, wodurch das Auftreten von Defekten in der TPE-Membrane herabgesetzt wird. In 5E ist eine REM-Mikroaufnahme dargestellt, die ein Beispiel für eine durchbrochene Membrane zeigt, die mit dem in 5D dargestellten Verfahren erhalten worden ist. Die in 5E dargestellte Membrane weist keine Defekte auf.
Das hier offenbarte Verfahren unterscheidet sich auf signifikante Weise von den bekannten Verfahren zur Herstellung von Durchbrechungen in harten thermoplastischen Polymeren (TP). Wie auf den Seiten 152-161 von Worgull (2009) beschrieben ist, sind viele Techniken entwickelt worden, um offen-durchgängige Löcher in harten thermoplastischen Materialien durch Warmprägung zu strukturieren. Zum Beispiel können eine Polymerschicht und eine Metallfolie auf die Gegenplatte gebracht werden, wobei die Metallfolie in Kontakt mit dem Polymer gegossen ist. Wie Worgull anführt, ist es mit dieser Technik möglich, die Restschicht auf großen Kontaktflächen beizubehalten, wie beispielsweise an den Randbereichen der Formkörper-Werkzeugeinsätze, und die Restschicht in kleine Kontaktgebiete aufzubrechen (zum Beispiel die Merkmalszüge zur Herstellung der offen-durchgängigen Löcher), um sie vollständig in die Schichten zu verschieben, die auf die Gegenplatte aufgebracht sind. Diese Techniken beruhen somit auf der permanenten Verformung der Schichten, die auf die Gegenplatte aufgebracht sind, um die Restschicht oberhalb eines jeden offen-durchgängigen Loches aufzubrechen und zu entfernen. Bei dem hier offenbarten Verfahren wird die Adhäsion des TPE an der Gegenplatte eher dazu benutzt, um die Restschicht während des Entformens direkt aufzubrechen, ohne dass die Notwendigkeit besteht, eine permanente Verformung in den auf die Gegenplatte aufgebrachten Schichten zu erzeugen. Dies hat gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. Zunächst entsteht beim Stand der Technik ein Problem aus der Verformung der flexiblen Schicht und der Metallfolie während des Gießvorgangs. Die Formkörper-Werkzeugeinsätze hinterlassen auf der Metallfolie nach dem erfolgreichen Gießen von Durchbrechungen Marken, was es unmöglich macht, die Metallfolie zweimal zu benutzen. Auch die Polymerschicht (z. B. PTFE oder PVDF) neigt dazu, sich unter der hohen Belastung durch die Strömungsvorgänge zu verformen. Das zweite Problem besteht darin, das Entformen durch Adhäsion der Restschicht auf der Substratplatte zu garantieren. Wegen der fehlenden Adhäsion der typischerweise dünnen Restschicht auf der Metallfolie muss der nachgebildete Teil manuell entformt werden, wodurch die Strukturen geschädigt werden können. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung weist keines der beiden Probleme des Standes der Technik auf.
Die Verwendung einer elastischen Schicht auf der Gegenplatte unterscheidet sich auch auf signifikante Weise vom Stand der Technik. Da die elastische Schicht aus einem wärmehärtbaren Gummi gefertigt ist und das Verfahren der Strukturierung nicht dazu führt, dass die höchsten Merkmalszüge des Formkörpers den ganzen Weg durch das TPE in die elastische Schicht gestanzt werden, wird die elastische Schicht während des Verfahrens nicht permanent verformt oder beschädigt und kann für mehrere Durchläufe wieder verwendet werden. Auch die permanente und irreversible plastische Verformung, die in den beim Stand der Technik benutzten Schichten auftritt, kann nicht die erforderliche gleichförmige Druckkraft auf die TPE-Schicht liefern, so dass Defekte, die durch das Schrumpfen von TPE verursacht werden, in den TPE-Membranen noch beobachtet werden könnten. Im Gegenteil kann die elastische Kompression der elastischen Schicht während der Abkühlung lokal gelöst werden (d. h. wo keine offen-durchgängige Merkmalszüge sind), um das Schrumpfen des TPE zu kompensieren.
Beispiel 3: Fertigung und Zusammenfügen von durchbrochenen TPE-Membranen in einer geschichteten 3D-Mikrofluid-Vorrichtung
Ein hochintegrierter geschichteter 3D-Multifluid-Spotter liefert ein Beispiel einer 3D-Mikrofluid-Vorrichtung auf der Grundlage von durchbrochenen TPE-Membranen. Die dem vorliegenden Verfahren innewohnende Fähigkeit der 3D-Strukturierung im Mikrometerbereich wurde dazu benutzt, um eine Vorrichtung herzustellen, die eine Flüssigkeit nur an spezifischen Regionen eines gegebenen Substrats in Kontakt bringen kann und die eine hohe Dichte von Eintritts- und Austrittsöffnungen auf einem kleinen Footprint integriert.
6 zeigt eine schematische Darstellung, die einen Gesamtprozess zur Herstellung von mehreren geschichteten 3D-Mikrofluid-Spottern in einem Verfahren zusammenfasst. In dem Verfahren wird zuerst die durchbrochene TPE-Membran 100 hergestellt, um Elemente aufzunehmen, die als Applikatorköpfe für den Spotter fungieren. Die Fertigungsschritte für die erste Membran sind auf der linken Seite von 6 dargestellt (Schritte 1-5). Die zweite durchbrochene TPE-Membrane 200 wird zur Aufnahme von Elementen gefertigt, die als Spotting-Löcher für den Spotter fungieren, und diese Membrane wird auf eine ähnliche Weise wie die erste Membrane hergestellt. Die Fertigungsschritte für die zweite Membrane sind in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden. Nach der Herstellung der Membranen erfahren die erste und die zweite Membrane (falls gewünscht) eine Oberflächenbehandlung, werden ausgerichtet und zusammengefügt (Schritte 6-9 in 6), um einen geschichteten 3D-Mikrofluid-Spotter 300 zu bilden.
In einer ausführlicheren Darstellung unter Bezugnahme auf 6 wird in Schritt 1 eine Formkörperanordnung vorgestellt, um die erste durchbrochene Membrane 100 zu fertigen. Die Formkörperanordnung umfasst den Formkörper 101, die Gegenplatte 107 und die extrudierte TPE-Folie 105, die zwischen dem Formkörper und der Gegenplatte gebildet und strukturiert werden soll. Der Formkörper enthält SU8-Photoresist-Material und enthält vorspringende Elemente zur Herstellung von Durchbrechungen und Elemente, die erforderlich sind, um mehrere Vorrichtungen gleichzeitig (z., B. Wandmerkmalszüge) zu strukturieren. Der Formkörper ist mit einer Antiklebbeschichtung aus Teflon™ bedeckt. Die Gegenplatte umfasst einen harten Silikon-Wafer 102, flexible hitzebeständige Teflon™-Folie 103 mit einer hohen T_g und eine dünne elastische PDMS-Schicht 104. Die PDMS-Schicht 104 befindet sich im direkten Kontakt mit der TPE-Folie 105. Die TPE-Folie ist vor-extrudiert und hat eine Stärke, die dicht am höchsten vorspringenden Element des Formkörpers liegt.
Im Schritt 2 von 6 erfolgen die Formgebung und die Strukturierung der TPE-Folie durch Erhitzen der TPE-Folie bis zum Erweichen und Aufbringen von Druck zwischen Formkörper und Gegenplatte, bis die vorspringenden Elemente des Formkörpers zur Herstellung der Durchbrechungen durch die TPE-Folie fast hindurchgestanzt sind (Schritt 3) und eine dünne überschüssige Schicht von TPE zwischen den vorspringenden Elementen zur Herstellung der Durchbrechungen und der dünnen PDMS-Schicht der Gegenplatte verbleibt. Im Schritt 4 wird die TPE-Folie entformt, wobei die TPE-Folie bei der Gegenplatte bleibt. Die geringe Adhäsionskraft zwischen der TPE-Membrane und der Antiklebebeschichtung auf dem Formkörper gewährleistet, dass die TPE-Membran an der PDMS-Schicht klebt. Der Formkörper kann dann unmittelbar für einen weiteren Durchlauf benutzt werden, und die Gegenplatte wird benutzt, um die TPE-Membran während der nächsten Schritte zu stützen.
Im Schritt 5 wird überschüssiges TPE von der durchbrochenen Membrane 100 an den Stellen um die Teile der Membrane herum, die in die Spotter geformt werden, abgelöst. Im Schritt 6 können die erste und die zweite durchbrochenen Membranen 100, 200 eine Oberflächenbehandlung erfahren, falls gewünscht, um beispielsweise die Oberfläche für immer vom hydrophoben in den hydrophilen Zustand zu versetzen. Im Schritt 7 wird der harte Silikon-Wafer der Gegenplatte, gegen den die zweite Membran strukturiert wurde, durch eine transparente harte Platte 210 ersetzt, so dass die erste und die zweite Membrane zusammen mit der dünnen PDMS-Schicht ordentlich ausgerichtet werden können. Weitere Schichten des Spotters können, falls gewünscht, durch das Wiederholen der Schritte 6-8 mit einer oder mehreren durchbrochenen Membranen aufgebaut werden. Im Schritt 9 können, wenn die durchbrochenen Membranen allesamt ausgerichtet sind, diese auf Dauer verbunden werden (zum Beispiel durch Erhitzen derselben für die Dauer von einigen Minuten), um 3D-Mikrofluid-Spotter 300 zu bilden. Im Gegensatz zu harten thermoplastischen Materialien, Glas und den meisten anderen harten Materialien kann eine permanente thermische Verbindung zwischen TPE-Membranen ohne die Aufbringung von Druck erzielt werden. Ferner werden für einige TPE-Güteklassen die Membranen auch eine irreversible und ständige Verbindung schaffen, wenn sie über ein paar Stunden bei Raumtemperatur im Kontakt gehalten werden. Die zusammengefügten 3D-Mikrofluid-Spotter können dann gelagert und zu einem späteren Zeitpunkt individuell benutzt werden. Das in 6 beschriebene Verfahren kann auf eine stark parallele Weise durchgeführt werden und erfordert keine manuelle Handhabung der TPE-Membranen zur Fertigung und zum Zusammenfügen der 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen.
Beispiel 4: Konstruktionselemente und Betrieb eines geschichteten 3D-Mikrofluid-Spotters
Konstruktionselemente:
Wie aus 7 ersichtlich ist, werden die im Beispiel 3 hergestellten 3D-Mikrofluid-Spotter mit einer Anordnung von 192 Durchbrechungen strukturiert, die als Eintritts- und Austrittsöffnungen der Vorrichtung benutzt werden. Der Spotter beruht auf zwei offen-durchgängigen TPE-Membranen. Die obere Membrane legt die 96 Eintritts- und 96 Austrittsöffnungen fest, während die untere Membrane sowohl mit (i) einer 10 x 10 Anordnung von 50 µm Spotting-Löchern, die zentral angeordnet sind, und (ii) 96 unabhängigen Kanälen strukturiert ist, welche die Eintrittsöffnungen, die Spotting-Löcher und die Austrittsöffnungen verbinden. Der Spotter wird somit als ein Fluid-Konzentrator konstruiert, in dem die in die Eintrittsöffnungen abgegebene Flüssigkeit durch Kanäle transportiert wird und zur Mitte des Spotters konvergiert, in der die tatsächliche Fixierung auf Bereichen im Mikrometerbereich erfolgt, die durch die Spotting-Löcher festgelegt sind. Die Abmessungen der Spotter werden auf einem niedrigen Wert von 1 x 1 cm gehalten, um die Anzahl der Spotter zu erhöhen, die pro Durchlauf strukturiert werden können, aber auch zu dem Zweck, ihre Integration in verschiedenartige Nachweissysteme zu erleichtern, in denen die verfügbare Fläche zur Anbringung des Spotters begrenzt ist (wie z. B. auf mikrostrukturell hergestellte Biosensor-Chips).
Eine ziemlich hohe Dichte an Kanälen ist erforderlich, um jedes der Spotting-Löcher unabhängig voneinander anzusteuern, was Kanalabmessungen und Zwischenkanalabstände im Bereich von 5 bis 10 µm auferlegt. Vier der 96 Kanäle sind mit zwei Spotting-Löchern verbunden, um die geringere Anzahl von Eintrittsöffnungen als Spotting-Löcher zu berücksichtigen. Um das manuelle Füllen der Spotter zu erleichtern, werden die 96 Eintrittsöffnungen so groß wie möglich gehalten (500 µm Durchmesser) und sind gleichmäßig über die Oberfläche des Spotters verteilt, während die 96 Austrittsöffnungen (150 µm Durchmesser) über den Rand des Spotters verteilt sind. Die Konstruktion der Spotter ist auch für die Nutzung der Kapillarwirkung zum Antrieb der Flüssigkeit in den Kanälen optimiert worden. Es wäre unpraktisch, einen derart hoch integrierten Spotter an der Schnittstelle mit einem Pumpsystem auszustatten. Die unter den Eintrittsöffnungen befindlichen Kanäle werden in „Sternform“ strukturiert, um das einwandfreie Füllen des Spotters durch Kapillarwirkung in dem eventuell vorkommenden Fall zu gewährleisten, in dem die abgegebene Flüssigkeit in der Eintrittsöffnung nicht gleichmäßig verteilt ist. Die Gestalt der Kanäle um die Spotting-Löcher herum ist auch optimiert worden, um das Füllen der Löcher durch die Kapillarwirkung zu erleichtern.
Bei früheren 3D-Mikrofluid-Fixiervorrichtungen wurden isolierte Spots typischerweise durch das Vor- und Zurückbewegen von Flüssigkeit aus Kanälen, die im Innern der Vorrichtung eingebettet sind, in Kanäle im Kontakt mit dem Substrat unter Verwendung von offen-durchgängigen Löchern erhalten (Chiu 2000; Juncker 2002; Juncker 2005; Kloter 2004; Wang 2006). Diese Geometrie führt dazu, dass das auf dem Substrat strukturierte Gebiet größer ist als die offen-durchgängigen Löcher, da zwei „Vias“ erforderlich sind, jeden isolierten Spot zu schaffen. Die Fixierung von biologischen Sonden auf einem kleinen Gebiet hängt somit auf kritische Weise von der Herstellung von sehr kleinen offen-durchgängigen Löchern ab, was eine technische Herausforderung darstellt.
Auch bei dieser Auslegung ist eine sehr hohe Ausrichtungsgenauigkeit erforderlich, um die zwei Schichten von Kanälen einwandfrei auszurichten, was besonders bei elastomeren Materialien schwierig ist (Chiu 2000). Beim vorliegenden Spotter wird eine Einzelschicht von Kanälen benutzt, und die Biomoleküle werden durch das Füllen der offen-durchgängigen Löcher direkt fixiert. Mit dieser Geometrie wird die Toleranz für die Ausrichtung zwischen der oberen und der unteren Membrane der Vorrichtung auf ungefähr 70 µm gelockert (während eine Genauigkeit im Bereich von 5 bis 10 µm bei der vorherigen Konstruktion erforderlich wäre). Auch mit dieser neuen Konstruktion kann eine Spot-Größe von 50 µm strukturiert werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, offen-durchgängige Löcher mit geringeren Abmessungen zu stanzen. Die vorliegende Konstruktion erleichtert somit in starkem Maße die Herstellung und das Zusammenfügen der Spotter, was von großer Bedeutung ist, wenn eine Produktion bei niedrigen Kosten in Betracht gezogen wird.
Andererseits ist eine sorgfältige Auslegung der Kanäle rund um die Spotting-Löcher erforderlich, um die Möglichkeit des Einschlusses von Luftbläschen oberhalb der Spotting-Löcher während der Versuche herabzusetzen. Dies ist eine besondere Herausforderung, da die großen Vertiefungen, die durch die Spotting-Löcher ausgebildet werden, natürlich als Kapillarventile wirken, welche die Flüssigkeitsfront blockieren. Um das Füllen der Spotter durch Kapillarwirkung zu erleichtern, wurde mit Hilfe von numerischen 3D-Simulationen auf der Grundlage der Lattice-Boltzmann-Methode (Chen 1998; Clime 2009) die Ausführung der Kanäle optimiert. So wurde die Breite der Kanäle, die zu den Spotting-Löchern führen, kurz vor Erreichen des 50-pm-Spotting-Loches von 10 µm auf 60 µm erweitert. Die größere Breite des Kanals ermöglicht, dass die Flüssigkeit das Spotting-Loch umströmt, was den Krümmungsradius der Flüssigkeitsfront in der Ebene der Vorrichtung verringert. Dies erhöht wiederum die Kraft, die durch die Kapillarwirkung ausgeübt wird, was beim Füllen der Spotting-Löcher hilfreich ist. Sowohl Simulationen als auch Experimente zeigen, dass es beträchtlich länger dauert, die Spotting-Löcher zu füllen, als die Kanäle zu umströmen. Folglich werden Luftbläschen eingefangen, falls die Flüssigkeit in dem umgebenden Kanal nicht so lange am Ort gehalten wird, bis das Loch richtig gefüllt ist. Der Kanal wird auf der rechten Seite des Spotting-Loches somit abrupt reduziert, um zu gewährleisten, dass die Flüssigkeit den Austrittskanal nicht erreicht, solange das Loch nicht richtig gefüllt ist. Luftbläschen können eingefangen werden, wenn die Breite der Kanäle hinter dem Spotting-Loch allmählich reduziert wird und nicht abrupt. Für die meisten praktischen Belange stellten Luftbläschen, auch wenn sie unerwünscht sind, nicht unbedingt ein großes Problem das, da sie typischerweise nach etwa 30 Minuten Inkubationszeit verschwinden.
8 zeigt REM-Mikroaufnahmen von Su8/Si-Formkörpern, die für die Fertigung der TPE-Membranen für die Spotter benutzt wurden. Der Formkörper für die untere Membran umfasst zwei SU8-Schichten, von denen die eine die Stärke von 8 µm aufweist und dazu dient, die Kanäle festzulegen, und die andere eine Stärke von 100 µm aufweist und in einer 10 x 10 Anordnung von Pfeilern strukturiert ist, um die Durchbrechungen zu erzeugen. 8(b) und 8(c) zeigen Bilder von der entsprechenden unteren TPE-Membrane nach der Strukturierung. 8(b) zeigt die Oberseite der unteren TPE, in der beide Kanäle (die in das Innere des fertigen Spotters eingebettet sind) und das obere Ende der Spotting-Löcher zu sehen sind. In 8(c) ist die untere TPE-Membran umgedreht worden, um die Öffnungen zu zeigen, die sich mit dem Substrat während der Fixierungsversuche in Kontakt befinden werden. Es ist ersichtlich, dass beide Kanäle und Spotting-Löcher sehr genau übertragen wurden. Sogar die im Submikrometerbereich liegende Rauigkeit der SU8-Formkörper wird in der (nicht dargestellten) TPE-Schicht genau wiedergegeben. Die Elastomer-Natur des TPE erleichtert das Entformen und verhindert die Bildung von Defekten, die sich aus hinterschnittenen Merkmalszügen, Seitenwandrauigkeit oder Schrumpfen ergeben (die üblicherweise beim Warmprägen von harten thermoplastischen Materialien beobachtet werden (Worgull 2009)).
8(d) zeigt eine der 32 Regionen der SU8- Formkörper (200 µm dick, 100 mm Durchmesser), die zur Strukturierung der oberen Membranen des Spotters benutzt wurden. Zusätzlich zu den Pfeilern, die benutzt wurden, um die Eintritts- und Austrittsöffnungen zu stanzen, ist auch die SU8-Wand sichtbar, die jede der individuellen Regionen umgibt. Die REM-Mikroaufnahmen der 8(e) und 8(f) zeigen die entsprechenden offen-durchgängigen Membranen. Diese Bilder unterstreichen, wie die vorliegende Erfindung nicht nur zum Strukturieren mikroskopisch kleiner Vias und Spotting-Löcher verwendet werden kann, sondern auch dazu, die große Anzahl von Eintritts- und Austrittsöffnungen, die bei der vorgeschlagenen Auslegung erforderlich sind, auf eine stark parallele Weise zu stanzen und schließlich ohne Mühe jede der individuellen Membranen mit einer sehr hohen Genauigkeit zu schneiden.
Nach der Strukturierung durch Warmprägung wurden die untere und die obere TPE-Membrane dem O₂-Plasma ausgesetzt, um ihre Oberfläche hydrophil zu gestalten. Diese Behandlung wurde ausgeführt, während die Membranen sich noch an der harten Gegenplatte befanden, wodurch ermöglicht wurde, dass zahlreiche Membranen gleichzeitig und mit einem Mindestmaß an Handhabung behandelt wurden. Die Ausrichtung der oberen und der unteren Membranen wurde durch Platzieren eines x-y-z-Manipulators oben auf dem x-y-z-theta-Tisch eines Lichtmikroskops erreicht. Die obere Membrane wurde nach unten zeigend auf einer am x-y-z-Manipulator angebrachten transparenten Folie aus Teflon™ platziert, während die untere Membrane auf einem Substrat platziert wurde, das auf dem Mikroskoptisch abgeschieden wurde. Wenn eine akzeptable Ausrichtung erreicht wurde, wurde der x-y-z-Manipulator abgesenkt, bis sich die beiden Membranen berührten. Wegen der ziemlich schwachen Anhaftkraft zwischen TPE und Teflon™ konnte die obere Membrane leicht übertragen und an der unteren Membrane angebracht werden. Es waren wegen der Fähigkeit der reversiblen wasserdichten Abdichtung des TPE waren keine weiteren Schritte zur Verbindung erforderlich, um die Spotter in Betrieb zu setzen.
Allgemeiner Betrieb:
9 zeigt einen zusammengefügten Spotter, der an einem transparenten Kunststoff-Substrat angebracht ist. Trotz der relativ geringen Abmessungen und der hohen Dichte der Eintrittsöffnungen der Spotter kann ein geübter Benutzer die Eintrittsöffnungen mit der Hand unter Verwendung einer Pipette auf zuverlässige Weise füllen. Zum Beispiel zeigt 9(b) einen Spotter, bei dem die Eintrittsöffnung entweder mit einem roten Farbstoff R oder einem grünen Farbstoff G gefüllt ist. Diese Farbstoffe sind in den Eintrittsöffnungen so positioniert worden, dass sie das in 9(c) dargestellte rot-grüne Schachbrettmuster bilden, wodurch die Möglichkeit der individuellen Ansteuerung der Spotting-Löcher aufgezeigt wird. Da die Flüssigkeit dazu neigt, sich selbst auf den von den Eintrittsöffnungen gebildeten Hohlräumen auszurichten, können die abgegebenen Tröpfchen trotz des Positionierfehlers, der durch die Pipettierung von Hand eingebracht wird, recht genau auf der Oberfläche der Vorrichtungen platziert werden (siehe 3(b)).
10 zeigt eine schematische Zeichnung, die den allgemeinen Betriebsmodus des Spotters darstellt. Beim Betrieb ist das Substrat 400, das zum Spotting benutzt werden soll, oberflächenaktiviert, wie das im Schritt 1 dargestellt ist, um ein aktiviertes Gebiet 401 zu bilden. Im Schritt 2 wird der Spotter 410 auf das Substrat angewendet. Im Schritt 3 werden die zum Spotting benutzten Reagenzien in flüssiger Form in die Eintrittsöffnung 411 eingebracht und die Flüssigkeit wird durch die Kanäle 412 durch Kapillarwirkung gezogen, um durch die Austrittsöffnungen 413 auszutreten, worauf auf dem Substrat 400 die Spots 420 aus den Reagenzien gebildet werden.
Beispiel 5: Verwendung als geschichteter 3D-Mikrofluid-Spotter zur Fixierung von biologischen Sonden
11 zeigt ein Beispiel für einen typischen Versuch zur DNA-Fixierung, bei dem die 3D-Mikrofluid-Spottingvorrichtungen der vorliegenden Erfindung benutzt worden sind, um aminomodifizierte Cy5-markierte DNA-Sonden auf einem aktivierten Zeonor-Kunststoffsubstrat zu strukturieren. Wie aus 11(a) ersichtlich ist, sind einige der Kanäle des Spotters auf selektive Weise mit der DNA-Lösung gefüllt worden, so dass die Buchstaben „IMI“ strukturiert werden, während die anderen Kanäle leer gelassen worden sind. 11(b) zeigt ein Fluoreszenzbild des Zeonor-Substrats nach der Fixierung, dem Entfernen des Spotters und dem Waschen. Die 50 µm großen Cy5-markierten DNA-Spots, die den während des Versuchs gefüllten Kanälen entsprechen, sind deutlich sichtbar. Die Ränder der Spots sind scharf ausgeprägt, und ihre relative Positionierung ist sehr genau gesteuert. Wie aus 11(c) und 11(d) ersichtlich ist, ist auch die Gleichförmigkeit eines jeden Spots auch mit einer durch den quadratischen Mittelwert ausgedrückten Schwankung von lediglich 2 % ausgezeichnet. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu der Gleichförmigkeit, die typischerweise durch Techniken wie beispielsweise Nadel-Spotting erzielt wird, bei der es eine Herausforderung darstellt, eine hohe Gleichförmigkeit der Spots in diesem Ausmaß zu erzielen. Andererseits, wie aus 11(b) ersichtlich ist, wurden Schwankungen der Fluoreszenzintensität von Spot zu Spot in der Größe eines quadratischen Mittelwerts von 20 % selbst dann beobachtet, wenn derselbe Analyt zur Strukturierung eines jeden Spots benutzt worden ist. Diese Schwankung mag aus der partiellen Verdampfung der in den Eintrittsöffnungen abgelagerten Flüssigkeit während des Füllens der Spotter und aus den Schwierigkeiten bei der genauen Steuerung des in jede Eintrittsöffnung eingebrachten Volumens herrühren.
In 12 wird auch ein Versuch zur Fixierung und Hybridisierung gezeigt, der mit Proteinen durchgeführt worden ist. Für diesen Versuch wurden Lösungen von unmarkierten Mäuse-IgG und Kaninchen-IgG (5 mg/ml) auf ausgewählte Eintrittsöffnungen der Vorrichtungen gemäß der in 12(a) dargestellten Anordnung zum Zweck der Fixierung auf einem aktivierten Zeonor-Substrat gegeben. Da die biologischen Sonden in diesem Versuch unmarkiert waren, zeigte das Zeonor-Substrat kein signifikantes Fluoreszenzsignal nach der Fixierung der IgG-Proteine. Das Substrat wurde dann sequentiell Cy5-markiertem Ziegen-Antikaninchen-IgG (10 µg/ml) und Cy3-markiertem Schaf-Antimaus-IgG (10 µg/ml) ausgesetzt. 12(b) zeigt das Fluoreszenzsignal, das nach der Hybridisierung mit nur dem Cy5-markierten Ziegen-Antikaninchen-IgG aufgezeichnet wurde. Wie erwartet, wird ein starkes Cy5-Signal nur an den Spots gemessen, die mit dem Kaninchen-IgG strukturiert waren. Es wurde eine relativ hohe Selektivität der Hybridisierung erhalten: die gemessene Cy5-Fluoreszenzintensität war auf den Maus-IgG-Spots etwa 150 mal niedriger als auf dem Kaninchen-IgG-Spot. 13(c) zeigt ein kombiniertes Fluoreszenzbild aus Cy3 (grün, G) und Cy5 (rot R), das nach der darauffolgenden Hybridisierung des Zeonor-Substrats mit Cy3-markiertem Schaf-Antimaus-IgG erhalten wurde. Es wurde auch herausgefunden, dass die Hybridisierung des Antimaus-IgG hoch selektiv war mit signifikantem Cy3-Fluoreszenzsignal, das nur auf den Maus-IgG-Spots nachgewiesen wurde. Diese Ergebnisse bestätigen die Integrität der fixierten Proteinanordnung und zeigen, dass die von uns vorgeschlagenen 3D-Mikrofluid-Vorrichtungen benutzt werden können, um hochqualitative Protein- und DNA-Anordnungen zu fixieren.
Schrifttum: Mit diesen Schrifttumsangaben wird der vollständige Inhalt der genannten Quellen eingearbeitet.
Abgrall P, Lattes C, Condra VR, Dollat X, Colin SP, Gu AM. (2006) A novel fabrication method of flexible and monolithic 3D microfluidic structures using lamination of SU-8 films. Journal of Micromechanics and Microengineering. 16, 113.
Anderson JR, Chiu DT, Jackman RJ, Cherniavskaya O, McDonald JC, Wu H, Whitesides SH, Whitesides GM. (2000) Fabrication of Topologically Complex Three-Dimensional Microfluidic Systems in PDMS by Rapid Prototyping. Anal. Chem. 72(14), 3158.
Anderson JR, Chiu DT, Jackman RJ, Cherniavskaya O, McDonald JC, Whitesides GM. (2008) Microfluidic systems including three-dimensionally arrayed channel networks. United States Patent Publication US 2008/0122140 published May 29, 2008.
Bartholomeusz DA, Boutte RW, Andrade JD. (2005) Xurography: Rapid Prototyping of Microstructures Using a Cutting Plotter. J. Microelectromech. Syst. 14(6), 1364.
Bartolo D, Degre G, Nghe P, Studer V. (2008) Microfluidic stickers. Lab Chip. 8, 274. Bodas D, Khan-Malek C. (2006) Formation of more stable hydrophilic surfaces of PDMS by plasma and chemical treatments. Microelectron. Eng. 83, 1277.
Bruzewicz DA, Boncheva-Bettex M, Whitesides GM, Siegel A, Weibel DB, Shevkoplyas S, Martinez A. (2007) Fabrication of Conductive Pathways, Microcircuits and Microstructures in Microfluidic Networks. International Patent Publication WO 2007/061448 published May 31, 2007.
Carvalho BL. (2004) Elastomeric Tools for the Fabrication of Elastomeric Devices and Uses Thereof. United States Patent Publication US 2004/0241049 published December 2, 2004.
Chang-Yen DA, Myszka DG, Gale BK. (2006) J. Microelectromech. Syst. 15, 1145-1151.
Chen S, Doolen GD. (1998) Annu. Rev. Fluid. Mech. 30, 329-364.
Chen C-S, Breslauer DN, Luna JI, Grimes A, Chin W-C, Leeb LP, Khine M. (2008) Shrinky-Dink microfluidics: 3D polystyrene chips. Lab Chip. 8, 622.
Chen IJ, Lindner E. (2007) The Stability of Radio-Frequency Plasma-Treated Polydimethylsiloxane Surfaces. Langmuir. 23(6), 3118.
Chiu DT, Jeon NL, Huang S, Kane RS, Wargo CJ, Chai IS, Ingber DE, Whitesides GM. (2000) Patterned deposition of cells and proteins onto surfaces by using threedimensional microfluidic systems. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 97(6) 2408-2413.
Chiu DT, Pezzoli E, Wu H, Stroock AD, Whitesides GM. (2001) Using three-dimensional microfluidic networks for solving computationally hard problems. Proceedings of the National Academy of Sciences. 98(6), 2961.
Chow CYH. (2001 a) Multi-layer microfluidic devices. United States Patent US 6,167,910 issued January 2, 2001.
Chow CYH. (2001b) Multi-layer microfluidic devices. United States Patent US 6,321,791 issued November 27, 2001.
Chow CYH). (2002) Multi-layer microfluidic devices. United States Patent US 6,494,230 issued December 17, 2002.
Clime L, Brassard D, Veres T. (2009) Microfluid. Nanofluid. DOI: 10.1007/s10404-10009-10491-10409.
Corcoran CS, Jaecklein WJ, Pricone RM, Thielman WS, Chiu CC-W, Chen DH-P. (2004) Sheet Having Microsized Architecture. United States Patent Publication US 2004/0126538 published July 1, 2004.
Corcoran CS, Jaecklein WJ, Pricone RM, Thielman WS, Chiu CC-W, Chen DH-P. (2005) Sheet Having Microsized Architecture. United States Patent Publication US 2005/0118393 published June 2, 2005.
Duffy DC, Jackman RJ, Vaeth KM, Jensen KF, Whitesides GM. (1999) Electroluminescent Materials with Feature Sizes as Small as 5 pm Using Elastomeric Membranes as Masks for Dry Lift-Off. Adv. Mater. 11(7), 546.
Eddings MA, Miles AR, Eckman JW, Kim J, Rich RL, Gale BK, Myszka DG. (2008) Anal. Biochem. 382, 55-59.
Eddings MA, Eckman JW, Arana CA, Papalia GA, Connolly JE, Gale BK, Myszka DG. (2009) Anal. Biochem. 385, 309-313.
Geissler M, Roy E, Deneault J-S, Arbour M, Diaz-Quijada GA, Nantel A, Veres T. (2009a) Stretching the Stamp: A Flexible Approach to the Fabrication of Miniaturized DNA Arrays. Small. 5(22), 2514-2518.
Geissler M, Roy E, Diaz-Quijada GA, Galas J-C, Veres T. (2009b) ACS Appl. Mater. Interfaces. 1, 1387-1395.
Griscom L, Degenaar P, LePioufle B, Tamiya E, Fujita H. (2001) Jpn. J. Appl. Phys. 40, 5485-5490.
Haraldsson KT, Hutchison JB, Sebra RP, Good BT, Anseth KS, Bowman CN. (2006) 3D polymeric microfluidic device fabrication via contact liquid photolithographic polymerization (CUPP). Sensors and actuators. B, Chemical. 113, 454.
Heckele M, Durand A. (2001) Microstructured through-holes in plastic films by hot embossing. Proceedings of 2nd international conference of the European society for precision engineering and nanotechnology. p.196.
Heckele M, Guber AE, Truckenmuller R. (2006) Replication and bonding techniques for integrated microfluidic systems. Microsystem Technology. 12, 1031.
Heo YS, Cabrera LM, Song JW, Futai N, Tung Y-C, Smith GD, Takayama S. (2007) Characterization and Resolution of Evaporation-Mediated Osmolality Shifts That Constrain Microfluidic Cell Culture in Poly(dimethylsiloxane) Devices. Anal. Chem. 79(3), 1126.
Hofmann O, Voirin G, Niedermann P, Manz A. (2002) Anal. Chem. 74, 5243-5250.
Hutchison JB, Haraldsson KT, Good BT, Sebra RP, Luo N, Ansetha KS, Bowman CN. (2004) Robust polymer microfluidic device fabrication via contact liquid photolithographic polymerization (CLiPP). Lab Chip. 4, 658.
Jeon NL, Chiu DT, Wargo CJ, Wu H, Chai IS, Anderson JR, Whitesides GM. (2002) Design and Fabrication of Integrated Passive Valves and Pumps for Flexible Polymer 3-Dimensional Microfluidic Systems. Biomed. Microdevices. 4(2), 117.
Jeon NL, Chiu DT, Wargo CJ, Choi IS, Wu H, Anderson JR, Whitesides GM, McDonald JC, Metallo SJ, Stone HA. (2004) Valves and pumps for microfluidic systems and method for making microfluidic systems. United States Patent Publication US 2004/0228734 published November 18, 2004.
Jo B-H, Lerberghe LMV, Motsegood KM, Beebe DJ. (2000) Three-Dimensional MicroChannel Fabrication in Polydimethylsiloxane (PDMS) Elastomer. J. Microelectromech. Syst. 9(1), 76.
Juncker D, Schmid H, Drechsler U, Wolf H, Wolf M, Michel B, de Rooij N, Delamarche E. (2002) Anal. Chem. 74, 6139-6144.
Juncker D, Schmid H, Delamarche E. (2005) Nat. Mater. 4, 622-628.
Karp CD, Pezzuto M, Maresch L, O'Connor SD. (2002) Microfluidic valve with partially restrained element. United States Patent Publication US 2002/0155010 published October 24, 2002.
Kartalov EP, Walker C, Taylor CR, Anderson WF, Scherer A. (2006) Microfluidic vias enable nested bioarrays and autoregulatory devices in Newtonian fluids. PNAS. 103(33), 12280.
Kikutani Y, Horiuchi T, Uchiyama K, Hisarnoto H, Tokeshi M, Kitamori T. (2002) Glass microchip with three-dimensional micro channel network for 2 x 2 parallel synthesis. Lab Chip. 2,188.
Kim JY, Lee JYBKA, Lee SH. (2005) Automatic aligning and bonding systelll of PDMS layer for the fabrication of 3D microfluidic channels. Sens. Actuators, A. 119, 593.
Kloter U, Schmid H, Wolf H, Michel B, Juncker D. (2004) Technical Digest of the 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. pp. 745-748.
Lee JN, Park C, Whitesides GM. (2003) Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal. Chem. 75(23), 6544.
Lee J, Ismagilov RF, Jiang X, Kenis PJA, Ferrigno R, Whitesides GM. (2004) Fluidic arrays and method of using. United States Patent Publication 2004/0258571 published December 23, 2004.
Liu RH, Stremler MA, Sharp KV, Olsen MG, Santiago JG, Adrian RJ, Aref H, Beebe DJ. (2000) Passive mixing in a three-dimensional serpentine microchannel. J. Microelectromech. Syst. 9(2), 190.
Luo Y, Zare RN. (2008) Perforated membrane method for fabricating three-dimensional polydimethylsiloxane microfluidic devices. Lab Chip. 8, 1688.
Maltezos G, Garcia E, Hamahan G, Gomez FA, Vyawhare S, van Dam RE, Chena Y, Scherer A. (2007) Design and fabrication of chemically robust three-dimensional microfluidic valves. Lab Chip. 7, 1209.
Martin DWM, Bennett WD. (1999) Microfabrication methods for microchannel reactors and separations systems. Chem. Eng. Commun. 173, 245.
Martin PM, Matson DW, Bennett WD, Stewart DC. (2000) Laminated Ceramic Microfluidic Components for Microreactor Applications. Proceedings of the 4th International Conference on Microreaction Technology. vol. 1998.
Martinez AW, Phillips ST, Whitesides GM. (2008) Three-dimensional microfluidic devices fabricated in layered paper and tape. PNAS. 105(50), 19606.
Mazzeo AD, Dirckx M, Hardt DE. (2007) Single-step through-hole punching by hot embossing. Annual technical conference -Antec, Conference proceedings. 5, 2931.
Mehne C, Steger R, Koltay P, Warkentin D, Heckele MP. (2008) Large-area polymer microstructure replications through the hot embossing process using modular molding tools. Proc. IMechE Vol. 222 Part B: J. Engineering Manufacture. 93-99.
Mukhopadhyay R. (2007) When PDMS isn't the best. Anal. Chem. 79(9), 3248.
Natarajan G, Humenik JN. (2006) 3D Ceramic Microfluidic Device Manufacturing. Journal of Physics: Conference Series. 34, 533.
Natarajan P, Yao D, Ellis TS, Azadegan R. (2007) Through-thickness embossing process for fabrication of three-dimensional thermoplastic parts. Polym. Eng. Sci. 47, 2075.
Natarajan S, Hatch A, Myszka DG, Gale BK. (2008a) Anal. Chem. 80, 8561-8567.
Natarajan S, Katsamba PS, Miles A, Eckman J, Papalia GA, Rich RL, Gale BK, Myszka DG. (2008b) Anal. Biochem. 373, 141-146.
O'Connor SD, Pezzuto M, Dantsker E. (2002) Multi-layer microfluidic device fabrication. United States Patent Publication US 2002/0112961 published August 22, 2002.
O'Connor SD, Karp CD, Dantsker E. (2003a) Microfluidic flow control devices. United States Patent Publication US 2003/0196695 published October 23, 2003.
O'Connor SD, Karp CD. (2003b) Microfluidic regulating device. United States Patent US 6,619,311 issued September 16, 2003.
Peng Z-C, Ling Z-G, Tondra M, Liu C-G, Zhang M, Lian K, Goettert J, Hormes J. (2006) CMOS Compatible Integration of Three-Dimensional Microfluidic Systems Based on Low-Temperature Transfer of SU-8 Films. J. Microelectromech. Syst. 15(3), 708.
Romanato F, Tormen M, Businaro L, Vaccari L, Stomeo T, Passaseo A, Fabrizio ED. (2004) X-ray lithography for 3D microfluidic applications. Microelectron. Eng. 73-74, 870.
Ryu W, Fasching RJ, Vyakarnam M, Greco RS, Prinz FB. (2006) Microfabrication Technology of Biodegradable Polymers for Interconnecting Microstructures. J. Microelectromech. Syst. 15(6), 1457.
Schift H, Bellin S, Gobrecht J. (2006) Perforated polymer membranes fabricated by nanoimprint. Microelectron. Eng. 83(4-9), 873.
Sodunke TR, Turner KK, Caldwell SA, McBride KW, Reginato MJ, Moses Noh H. (2007) Micropatterns of Matrigel for three-dimensional epithelial cultures. Biomaterials. 28, 4006. 11
Stoyanov I, Koch MTSGM, Uihndorf M. (2005) Low-cost and chemical resistant microfluidic devices based on thermoplastic elastomers for a novel biosensor system. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 872, 169.
Stoyanov I, Tewes M, Koch M, Lohndorf M. (2006) Microfluidic devices with integrated active valves based on thermoplastic elastomers. Microelectron. Eng. 83, 1681.
Sudarsan AP, Ugaz VM. (2004a) Printed Circuit Technology for Fabrication of PlasticBased Microfluidic Devices. Anal. Chem. 76, 3229.
Sudarsan AP, Wang J, Ugaz VM. (2004b) Novel thermoplastic elastomers for microfluidic device construction. 8th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences. p. 22.
Sudarsan AP, Wang J, Ugaz VM. (2005) Thermoplastic Elastomer Gels: An Advanced Substrate for Microfluidic Chemical Analysis Systems. Anal. Chem. 77(16), 5167.
Therriault D, White SR, Lewis JA. (2003) Chaotic mixing in three-dimensional microvascular networks fabricated by direct-write assembly. Proteins: Struct., Funct. Bioinf. 2, 265.
Toepke MW, Beebe DJ. (2006) PDMS absorption of small molecules and consequences in microfluidic applications. Lab Chip. 6, 1484.
Trimbach D, Feldman K, Spencer ND, Broer DJ, Bastiaansen CWM. (2003) Block Copolymer Thermoplastic Elastomers for Microcontact Printing. Langmuir. 19(26), 10957-10961.
Veninga EP, Koetse MM. (2008) Device built by joining a plurality of layers. European Patent Publication EP 1 935 843 published June 25, 2008.
Vickers JA, Caulum MM, Henry CS. (2006) Generation of Hydrophilic Poly(dimethylsiloxane) for High-Performance Microchip Electrophoresis. Anal. Chem. 78(21), 7446.
Vozzi G, Flaim C, Ahluwalia A, Bhatia S. (2003) Fabrication of PLGA scaffolds using soft lithography and microsyringe deposition. Biomaterials. 24, 2533.
Wang Z-H, Meng Y-H, Ying P-Q, Qi C, Jin G. (2006) Electrophoresis. 27, 4078-4085.
Weigl BH, Bardell R, Schulte T, Battrell F, Hayenga J. (2001) Design and Rapid Prototyping of Thin-Film Laminate-Based Microfluidic Devices. Biomed. Microdevices. 4, 267.
Wen W, Sheng P, Niu X, Liu L. (2008) Constructing planar and three-dimensional microstructures with pdms-based conducting composite. International Patent Publication WO 2008/0123174 published May 29, 2008.
Whitesides GM, Anderson JR, Chiu DT, Jeon N-L, Huang S, Kane R, Choi IS, Ingber DE. (2004) Patterning of surfaces utilizing microfluidic stamps including three-dimensionally arrayed channel networks. United States Patent Publication US 2004/0121066 published June 24, 2004.
Whitesides GM, Phillips ST, Martinez AW, Butte MJ, Wang A, Thomas S, Sindi H. (2008) Patterned Paper as a Platform for Inexpensive, Low Volume, Portable Bioassays and Methods of Making Same. International Patent Publication WO/2008/049083 published April 24, 2008.
Worgull M. 2009. Hot Embossing - Theory and Technology of Microreplication. (William Andrew publisher, Oxford, UK) Section 5.5.3.2, pages 154-157.
Wu H, Odom TW, Chiu DT, Whitesides GM. (2003) Fabrication of Complex Three-Dimensional Microchannel Systems in PDMS. Journal of the American Chemical Society. 125(2), 554 (2003).
Yoon L-B, Han C-H, Yoon E, Kim C-K. (1988) Novel monolithic and multilevel integration of high-precision 3-D microfluidic components. Proceedings of SPIE The International Society for Optical Engineering. 3515, 183.
Zhao S, Cong H, Pan T. (2009) Direct projection on dry-film photoresist (DP2): Do-ityourself three-dimensional polymer microfluidics. Lab Chip. 9, 1128-1132.
Weitere Vorteile, welche die Erfindung bietet, sind dem Fachmann auf diesem Gebiet offenkundig. Die Ausführungsform, die hier beschrieben sind, haben rein veranschaulichenden Charakter und bedeuten keinerlei Einschränkung des Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen dargelegt ist. Änderungen an den oben angeführten Ausführungsformen können von einer Person mit durchschnittlicher Ausbildung vorgenommen werden und sind vom Erfinder in dem von den folgenden Ansprüchen abgesteckten Rahmen beabsichtigt.

Claims

Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran), aufweisend Durchbrechungen mit einer Größe von 1-200 µm und 1 oder weniger als 1 Defekt oder Verformung je 10 Durchbrechungen in der Membran, wobei die TPE-Membran ein Styren-Ethylen/Butylen-Styren-Block-Copolymer, ein Ethylen-Vinylacetat-Copolymer, ein Styren-Isopren-Butadien-Block-Copolymer, ein ionomerisches TPE, ein schmelzverarbeitbares Einphasen-TPE oder ein Gemisch daraus enthält.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach Anspruch 1, wobei die Durchbrechungen eine Größe von 1-50 µm aufweisen.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Membran 1 oder weniger als 1 Defekt oder Verformung je 50 Durchbrechungen aufweist.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Membran 1 oder weniger als 1 Defekt oder Verformung je 100 Durchbrechungen aufweist.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Membran eine Dicke von 1000 µm oder weniger aufweist.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Membran eine Dicke von 1-200 µm aufweist.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran einen Abstand der Durchbrechungen von 1-50 µm aufweist.
Durchbrochene thermoplastische Elastomer-Membran nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran einen Abstand der Durchbrechungen von 5-10 µm aufweist.
3D-Mikrofluid-Vorrichtung, die eine thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
Verwendung einer thermoplastischen Elastomer-Membran (TPE-Membran), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in einer 3D-Mikrofluid-Vorrichtung.
Verwendung einer thermoplastischen Elastomer-Membran (TPE-Membran), gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, in der weichen Lithographie, bei der Filtration oder bei streckbaren Gerüstanordnungen.
Verfahren zur Herstellung von Durchbrechnungen in einer thermoplastischen Elastomer-Membran (TPE-Membrane), aufweisend die Schritte: (i) Bereitstellen eines Formkörpers mit vorspringenden Elementen zur Herstellung der Durchbrechungen in der TPE-Membran; (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper; (iii) Bereitstellen von ausreichend TPE-Material im Formkörper, derart dass der Hohlraum des Formkörpers nach der Verarbeitung mit dem TPE-Material vollständig gefüllt ist; (iv) Erhitzen des TPE-Materials auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des TPE-Materials (Tg), zum Erweichen des TPE-Materials; (v) Anlegen eines Pressdrucks zwischen Formkörper und Gegenplatte über eine ausreichende Zeitspanne, um die TPE-Membran aus dem TPE-Material zu formen und zu strukturieren, ohne einen Kontakt der vorspringenden Elemente des Formkörpers mit der Gegenplatte zuzulassen, wobei gewährleistet wird, dass eine überschüssige Schicht des TPE-Materials zwischen den vorspringenden Elementen und der Gegenplatte verbleibt; (vi) Abkühlen der TPE-Membran; und (vii) Entformen der strukturierten TPE-Membran, wobei das Entformen direkt zum Entfernen der überschüssigen Schicht von der TPE-Membran führt, um die Durchbrechungen in der TPE-Membran herzustellen, wobei das Entfernen der überschüssigen Schicht über die Adhäsion zwischen dem TPE und dem Formkörper oder der Gegenplatte gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte ein hartes Material und eine elastische Schicht aufweist, wobei die elastische Schicht eine Erweichungstemperatur oberhalb der Temperatur hat, bei der das TPE-Material strukturiert wird, wobei die elastische Schicht während der Strukturierung in direktem Kontakt mit dem TPE-Material steht und eine Elastizität aufweist, die ausreicht, um eine gleichförmige Presskraft auf die TPE-Membran während des Abkühlens zu übertragen, um das Auftreten von Defekten in der TPE-Membrane zu vermindern, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte eine elastische Schicht mit einem Youngschen Modul im Bereich von 0,01 Mpa bis 100 MPa aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die elastische Schicht während der Strukturierung auf reversible Weise durch den Bearbeitungsdruck komprimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei beim Entformen der strukturierten TPE-Membran die TPE-Membran bei der Gegenplatte verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte eine elastische Schicht mit einer Dicke von 1000 µm oder weniger aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte eine elastische Schicht mit einer Dicke von 200 µm oder weniger aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte eine elastische Schicht mit einer Dicke im Bereich von 25-200 µm aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte ein hartes Material aufweist, wobei das harte Material Silikon, ein Metall oder eine Metalllegierung enthält, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei als Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper der Schritt (ii) Bereitstellen einer Gegenplatte zum Formkörper, wobei die Gegenplatte zusätzlich eine Schicht aus einem flexiblen und hitzebeständigen Material zwischen dem harten Material und der elastischen Schicht aufweist, durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das TPE-Material zusätzlich ein Öl, einen Klebrigmacher oder ein Gemisch daraus in einem Ausmaß von weniger als 40 Gew.-% des TPE-Materials, enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei das TPE-Material in dem Formkörper als extrudierte Folie bereitgestellt wird, wobei die Dicke der extrudierten Folie größer ist als die Höhe der vorspringenden Element.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 23, wobei der Formkörper zusätzlich Elemente zum Formen von einem oder mehreren Kanälen, Kammern, Ausrichtungsmarken, Ventilen, Pumpen oder Mischbereichen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 24, wobei der Formkörper ein Photoresist-Material aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 25, wobei das TPE-Material auf eine Temperatur erhitzt wird, die niedriger als die Zersetzungstemperaturen des TPE-Materials ist und für ein Block-Copolymer TPE 30 °C oder mehr über der T_g der weichen gummiartigen Phase des TPE-Materials oder für ein zufällig gewähltes Copolymer TPE 5 °C oder mehr über der T_g des TPE-Materials liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, wobei die überschüssige Schicht weniger als 1 µm dick ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 26, wobei die überschüssige Schicht eine Dicke von 0,01-1 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 28, wobei der Formkörper mit einem Adhäsionshemmer behandelt wird, so dass die TPE-Membran während des Entformens zunächst an der Gegenplatte klebt und die Adhäsion der überschüssigen Schicht an der Gegenplatte zum Entfernen der überschüssigen Schicht von den Durchbrechungen der TPE-Membrane führt, wenn das Entformen durch das Entfernen der TPE-Membrane von der Gegenplatte zum Abschluss gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 29, wobei die Durchbrechungen in ihrer Größe im Mikrometerbereich liegen und frei von signifikanten Defekten oder Verformungen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 30, wobei die TPE-Membran eine Dicke im Bereich von 1-500 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 31, wobei eine Porosität der TPE-Membran und die Form der Durchbrechungen in der Membrane auf reversible Weise durch Dehnen der TPE-Membran abgestimmt werden können.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 31, wobei die TPE-Membran auf reversible Weise oder auf permanente Weise mit einer anderen TPE-Membran oder mit einem anderen Material ohne Vorbehandlung der Membranen verbunden wird.
Thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran), ohne signifikante Defekte oder Verformungen, hergestellt durch ein Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 12 bis 33, wobei die thermoplastische Elastomer-Membran (TPE-Membran) Durchbrechungen im Mikrometerbereich aufweist.