LIQUID HANDLING Kunststoffe für Microarrays und Mikrofluidik

Die Mikrofluidik sowie Mikroarray-Technologien sind aus dem Laboralltag längst nicht mehr wegzudenken. Der Beitrag zeigt die Vorteile der Verwendung polymerer Werkstoffe für derartige mikrostrukturierte Teile und ihre Einsatzmöglichkeiten.

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Die Mikrofluidik sowie Mikroarray-Technologien sind aus dem Laboralltag längst nicht mehr wegzudenken. Der Beitrag zeigt die Vorteile der Verwendung polymerer Werkstoffe für derartige mikrostrukturierte Teile und ihre Einsatzmöglichkeiten.

Mikrokanalstrukturen wurden bisher überwiegend auf kleinen Flächen und vorwiegend in Glas oder Silizium mittels üblicher Ätztechniken hergestellt. Die hohe Präzision und Reproduzierbarkeit dieser aus der Halbleiterindustrie übernommenen Technologie sowie die sehr hohe Chemikalienbeständigkeit dieser Materialien sprechen für dieses Vorgehen. Mikrostrukturierte Teile können jedoch auch aus Kunststoff hergestellt werden. Kunststoffe haben den Vorteil, dass sie wesentlich preiswerter als Glas oder gar Silizium sind, eine große Auswahl sehr unterschiedlicher Materialien vorhanden ist und auch großflächige Bauteile kostengünstig strukturiert werden können. Mit einem einzelnen metallischen Formeinsatz können tausende mikrostrukturierte Kunststoffprodukte hergestellt werden.

Werkstoffe und FormateNeben den fertigungstechnischen Aspekten bestimmt das spätere Anwendungsfeld der Teile die Werkstoffauswahl. Häufige Auswahlkriterien sind:

- Transparenz- Sterilisierbarkeit- Chemische Beständigkeit- Biokompatibilität- Oberflächeneigenschaften (z.B. Benetzbarkeit)

Eine Vielzahl an Kunststoffen können verwendet werden. Oft werden amorphe Thermoplaste auf der Basis von PS (Polystyrol), PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PC (Polycarbonat) verwendet. Sehr gute optische Transparenz und thermische Eigenschaften bietet auch COC (Cyclo olefin copolymer). Von den teilkristallinen Thermoplasten werden oft Materialien auf der Basis von PP (Polypropylen) oder PE (Polyethylen) verwendet. Wenn keine Transparenz des Teiles, jedoch eine gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit gefordert ist, bietet sich auch PEEK (Polyethyletherketon) an. Die Eigenschaften des Materials können außerdem durch zusätzliche Oberflächenbehandlungen nach dem Abformen verbessert werden.

Das Format des Bauteiles wird durch die notwendige Interaktion mit peripheren Geräten bestimmt. Aufbauend auf dem standardisierten Rastermaß von Mikroplatten mit 96, 384 und 1536 Näpfchen, hat Greiner Bio-One zusammen mit dem Forschungszentrum Karlsruhe Mikroplatten mit geschlossenen, mikrostrukturierten Kanälen aus Kunststoff entwickelt. Die Platte enthält 96 identische Kanalstrukturen für die Kapillarelektrophorese. Ein weiteres, im Bereich der Life Sciences häufig verwendetes Format ist das Objektträger-Format von 25 x 75 mm. Abbildung 1 zeigt durch Spritzguss hergestellte Objekträger mit Mikrokanälen für die Kapillarelektrophorese.

Mikroarray-Technologie

Ebenso wie die Mikrofluidik profitiert auch die Microarray-Technologie vom Einsatz polymerer Werkstoffe. Bei Plattformen aus Kunststoff sind im Vergleich mit Glas- bzw. Silizium Systemen andere Routen der Oberflächenfunktionalisierung erschließbar. Die Nutzung von multifunktionellen Kunststoffoberflächen ermöglicht sowohl die ionische als auch die kovalente Kopplung von Biomolekülen. Durch die gleichmäßige Verteilung von Amino- und Aldehydfunktionen auf einem Träger steht die jeweilige Plattform verschiedenen Screeningformaten wie DNA- und Protein-arrays, sowie weiteren Applikationen zur Verfügung.

Ergänzend entwickelt Greiner Bio-One funktionelle „3-D Oberflächen“, welche sich durch eine hohe Sensitivität, homogene Funktionalisierung sowie eine hohe chemische und mechanische Stabilität auszeichnen. Mit der Entwicklung von funktionalisierten HTA-Plattformen schließt Greiner Bio-One die bislang herrschende Lücke der Prozessierbarkeit von Microarrays im Hochdurchsatz. Die HTA Slides 12 mit 12 Kompartimenten (Abb. 2) und die 96 Well HTA-Platte mit jeweils 36 mm2 bedruckbarer Fläche pro Well liefern somit die Möglichkeit zum kostengünstigen parallelisierten Prozessieren von Microarrays.

Fertigungsverfahren

Mikrostrukturierte Teile können aus Kunststoff durch Heißprägen, Spritzgießen oder Spritzprägen hergestellt werden. Beim Heißprägen wird der mikrostrukturierte Formeinsatz bei einer Temperatur oberhalb der Glasübergangstemperatur des Kunststoffes in eine Kunststoffplatte gedrückt. Anschließend wird der Formeinsatz abgekühlt bis sich der Kunststoff wieder zu verfestigen beginnt. Nach dem Herausfahren des Formeinsatzes aus dem Kunststoff kann das geprägte Teil entnommen werden.

Durch die geringen Fließwege des Kunststoffes können beim Heißprägeprozess noch kleinste Konturen von weniger als 1 µm Größe strukturgenau abgeformt werden. Dagegen wird beim Mikrospritzgießen das Kunststoffgranulat in einer Spritzeinheit aufgeschmolzen und in ein beheiztes Spritzgießwerkzeug eingespritzt. In diesem Werkzeug ist ein mikrostrukturierter Formeinsatz eingebaut. Nach dem Öffnen des Werkzeugs werden die spritzgegossenen Kunststoffteile ausgeworfen. Im Vergleich zum Heißprägen lassen sich beim Spritzgießen kürzere Zykluszeiten realisieren.

In vielen Fällen muss die mikrostrukturierte Fläche mit einem Deckel versehen werden, um ein geschlossenes Kanalsystem zu erzeugen. Im einfachsten Fall wird auf das Kunststoffteil ein Deckel oder eine Folie aufgeklebt. Dabei dürfen keine Fremdstoffe wie Verunreinigungen oder Klebstoffe in die Kanäle gelangen und es dürfen keine Deformationen der Kanalgeometrie stattfinden. Verschiedene Verbindungstechniken wie z.B. Laserschweißen, Ultraschallbonden, Klebtechniken und Diffusionsbonden sind dafür einsetzbar. Entscheidend für die Qualität des Kunststoffteiles ist die präzise Herstellung eines metallischen Formeinsatzes.

Je nach Strukturgröße, Genauigkeit und Aspektverhältnis der abzuformenden Struktur werden unterschiedliche Herstellungsmethoden für den Formeinsatz verwendet. Durch Mikrofrästechniken können Strukturen bis etwa 50 µm Größe hergestellt werden. Mikroerodiertechniken können zur Fertigung von noch kleineren Strukturen eingesetzt werden. Mit dem Liga-Verfahren (ein lithographisches Strukturierungsverfahren mit anschließender Galvanik und Abformung) können Formeinsätze mit bis zu 0,2 µm kleinen Strukturen produziert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Formeinsätze sind die geringen Oberfächenrauhigkeiten von wenigen 10 nm. Die Standzeiten solcher Werkzeugeinsätze sind jedoch wesentlich geringer als die Standzeiten von Stahleinsätzen. Galvanisch hergestellte Nickeleinsätze lassen sich sowohl für das Heißprägen als auch für das Spritzgießen verwenden.

Anwendungsbeispiel

Abbildung 3 zeigt eine Kanalstruktur für die Kapillarelektrophorese. Die Struktur besteht aus zwei sich kreuzenden Kanälen, an deren Ende sich jeweils Zugangsöffnungen zum Pipettieren der Proben befinden. Um das zu analysierende Probengemisch definiert bewegen und trennen zu können, werden von außen an die Reservoire elektrische Spannungen angelegt. Zu sehen ist ebenfalls das Ergebnis der Trennung eines DNA-Markers (100-1000 bp).

Fazit

Oft werden herstellungstechnische Aspekte isoliert betrachtet und die Qualität eines mikrostrukturierten Teiles nur anhand geometrischer Faktoren beurteilt. Doch erst die Kombination von Materialauswahl, Abformung und gegebenenfalls Deckelungstechnik führt zu einem funktionsfähigen Mikrofluidikbauteil. Idealerweise können Funktionstests direkt beim Hersteller durchgeführt werden.

*Dr. N. Gottschlich, Dr. H. Jehle, Greiner Bio-One GmbH, D-72636 Frickenshausen

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