Fraunhofer-Gesellschaft

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Ortselektive laserchemische Oberflächenfunktionalisierung von Polymeren im Mikrometerbereich

Selective laser-chemical micro surface modification of polymers
 
: Sonntag, F.; Klotzbach, U.

:

Vakuum in Forschung und Praxis 16 (2004), No.5, pp.228-232
ISSN: 0947-076X
ISSN: 1522-2454
German
Journal Article
Fraunhofer IWS ()

Abstract
Polymere wie Polystyren (PS), Polycarbonat (PC) oder Cyclo Olefine Copolymere (COC) gewinnen neben Silizium, Glas und Keramik zunehmend an Bedeutung bei der Herstellung von Reaktionsgefäßen, optischen Slides, mikrofluidischen Komponenten oder Mikrotiterplatten für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik oder im pharmakologischem Screening. Aus diesem Grund fordert der Markt die Verfügbarkeit von modifizierten Oberflächen mit klar definierten Bereichen unterschiedlicher Benetzbarkeit oder speziellen chemischen Funktionalitäten. Die modifizierten Bereiche bilden den Ausgangspunkt für die Immobilisierung von bioaktiven Molekülen, wie DNA oder Proteinen. Eine weitere Anwendung ist die Vorbehandlung von Klebestellen. Gegenwärtig erfolgt die Oberflächenfunktionalisierung in den meisten Fällen chemisch und physikalisch durch Plasmabehandlung. Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) entwickelt eine neue Technologie zur trockenchemischen Strukturierung von Polymeroberflächen auf Basis der Excimerlaserbestrahlung in Reaktivgasatmosphäre. Diese Technik ist charakterisiert durch ein hohes Auflösungsvermögen und einen geringen Chemikalienverbrauch. Im Vergleich zu konventionellen lithographischen Strukturierungsmethoden bedarf es nur weniger Prozessschritte. Benetzbarkeitsprobleme spielen im Gegensatz zu Drucktechniken keine Rolle. Die Technologie ermöglicht eine maßgeschneiderte Einstellung der chemischen und topographischen Oberflächeneigenschaften. Es können ausgewählte funktionalisierte Areale im Mikrometerbereich mit einer definierten Dichte an funktionellen Gruppen erzeugt werden. So kann beispielsweise die Benetzbarkeit von ultrahyd rophob bis hydrophil eingestellt werden. Beim Einsatz von Excimer-Lasern, zur Initiierung chemischer Prozesse, kann das Maskenprojektionsverfahren zur Mikrostrukturierung der Oberfläche, z. B. Mikroarrays mit neuen Eigenschaften, eingesetzt werden. Zusätzlich ermöglicht der Laser aufgrund der festen Wellenlänge die Übertragung einer definierten Energiemenge in die elementare Reaktion, was den selektiven Austausch von Atomen des Polymermoleküls durch Atome oder Moleküle aus der umgebenden Atmosphäre ermöglicht. Voraussetzung ist, dass das Polymer und der Reaktionspartner in der umgebenden Atmosphäre die Laserwellenlänge absorbieren. So wird beispielsweise die Wellenlänge des ArF-Excimerlasers mit 193 nm von COC und Ammoniak absorbiert, was einen Austausch von Wasserstoffatomen durch Aminogruppen an der COC-Oberfläche ermöglicht. Diese Aminofunktionalisierung der Oberfläche bildet die Basis für die Immobilisierung bioaktiver Moleküle. Mit dem Verfahren erfolgte die chemische Mikrostrukturierung verschiedener Polymere. Als Beispiel wurde ein Array von Aminogruppen auf einer COC Platte erzeugt, welches den Ausgangspunkt für die Präparation eines parallelen Mikroreaktors bildet. Die realisierbaren topographischen und chemischen Mikrostrukturen bilden den ersten Schritt für die biochemische Präparation in medizinischen Diagnostik-Kits, DNA-, Protein- oder Zell-Biochips. Die Übertragung der Laseroberflächenmodifizierung auf einen Mehrkammerreaktor ermöglicht die semikontinuierliche Funktionalisierung von Polymeren im Pilotmaßstab bzw. im Batch-Prozess. Auf dieser Basis kann eine Integration in die Massenproduktionslinie von Lab-on-a-Chip Systemen erfolgen.

 

Polymeric substrate materials like polystyrene (PS), polycarbonate (PC) or cyclic olefins (COC) are getting more attention besides silica, glass and ceramic for the preparation of reaction vessels, optical slides, microfluidic components or microtiterplates in applications like medical diagnostics and pharmaceutical drug screening. Actually, the market of transparent polymeric chips is demanding the availability of modified surfaces with well defined arrays of wettable areas or special chemical functionalities. The modified areas are starting point to graft bioactive molecules, for instance proteins or DNA-oligomers. Another application is pretreatment of adhesive bonded joints.
Presently surface modifications are performed chemically and physically by plasma surface interaction.
IWS has developed a new technique for dry chemical structuring of polymeric surfaces based on the principle of excimer laser irradiation in reactive gas atmosphere.
This technique is characterized by a high resolution and a negligible amount of chemicals. The procedure consists of only a few processing steps, in contrast to conventional lithographic structuring methods. Also wetting problems do not play a role as they do in printing techniques. The technology provides the possibility of tailoring the chemical and topographical surface properties from ultrahydrophobic to hydrophilic or to functionalize areas of choice in the µm range with a chemical group of defined density.
Using an excimer-laser to induce reactions, mask imaging can be applied for microstructuring the surface with new properties, e. g. for microarrays. In addition, the laser allows defined amount of energy into the elementary reaction, according to the wavelength applied, which opens the possibility of replacing atoms in the polymer molecules by other atoms or molecules taken from an agent in the environment, in a selective way. The precondition is that both the polymer and the agent absorb the same wavelength.
For instance 193 nm radiation (ArF excimer laser) is absorbed by polyolefines and by ammonia allowing an exchange of H atoms for amino groups by which the surface is changed to starting point to graft bioactive molecules.
Chemical microstructures for instance amino group arrays have been realized on a variety of polymeric materials like cyclic olefin foil. This array of monofunctionality is the starting point for the preparation of parallel microreactors.
These samples of topographical and chemical microstructures are the first step for biochemical preparations in medical diagnostic kits, DNA-, protein- or cell biochips.
The upscaling of the laser modification process in a multi-chamber reactor offers the semicontinuous functionalization of polymers in pilot scale or in batch processing. On this basis the surface modification step can be adapted into a mass production line of "Lab-on-a-chip" systems.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-31101.html