Microfabrication der Chip-Größe Gerüste für die dreidimensionale Kultivierung der Zellen

Hallo, mein Name ist Stefan Re. Ich arbeite am Institut für Biologische Grenzflächen und im folgenden Artikel sehen Sie den Herstellungsprozess eines mikrostrukturierten Gerüsts namens Ship, wobei wir zwei verschiedene Methoden zur Produktion dieser Chips verwenden. Derzeit ein Herzprägeverfahren in Kombination mit bestimmten nachfolgenden Prozessen und ein Mikrothermoumformverfahren, das kürzlich hier im Forschungszentrum Squi entwickelt wurde. Und jetzt befinden wir uns in einem Reinraumzelt und was Sie hier auf der rechten Seite sehen, ist eine typische Vakuum-Heißlaminiermaschine, die wir für die Herstellung des mikrostrukturierten Zellchips verwenden. Zunächst führen wir eine mikrostrukturierte Form ein.

Dies wird hier in einer solchen Platte montiert, und Sie können hier zwei Formen sehen. Diese Form wird durch Mikrozerspanung hergestellt und besteht aus Atemluft. Nun montiere ich die Mikrostrukturform in die Maschine.

Für den Hotboxing-Prozess verwenden wir Polymerplatten wie diese hier und typischerweise Polycarbonat oder PMA zur Herstellung des Zellchips. Nun setzen wir die Polymerplatte in die Maschine, genau in die Mitte der Platte, und schließen das Werkzeug. Nach dem Schließen der Maschine wird die Kammer evakuiert, anschließend wird die Form oder das gesamte Werkzeug auf die Umformtemperatur erhitzt, und dann wird das erwärmte Polymer mit dem Mikrostrukturformteil unter Druck geformt.

Danach wird die gesamte Form abgekühlt, und innerhalb dieser Maschine erfolgt ein automatischer Demontageprozess. Was Sie hier sehen, ist ein solcher geformter Zellchip mit den geformten Bestandteilen, zwei Zellchips und einer typischen Restschicht, die aus dem Heiß- und Vergussverfahren resultiert. Nach den Schritten des Heißverfahrens und des Vergusses muss die Restschicht der Bauteile abgedünnt und schließlich vollständig entfernt werden.

Dazu werden die Teile, also die Formteile, zugeschnitten und dann auf dieser Halteplatte eingefroren. Nach dem Fixieren wird die Restschicht durch Fräsen auf eine bestimmte Dicke des Bauteils reduziert, sodass das Mikrostruktur-Gitter auf der Rückseite freigelegt wird. Während des Fräsprozesses werden die Wände der Mikrobehälter durch das gefrorene Wasser stabilisiert.

Schließlich erhalten wir zwei geformte Zellchips mit freistehenden Rastern aus MicroCon-Containern, die oben auf beiden Seiten offen sind, und an der Unterseite werden wir eine poröse Membran an die Rückseite dieser offenen MicroCon-Container-Anordnungen anbinden. Wir verbinden eine perforierte, im Handel erhältliche Polycarbonatmembran mit der Rückseite der offenen Zellchips, um mikroporöse Containeranordnungen zu erhalten.

Dazu fügen wir dünne Polymer-Track-Etch-Membranen in diese Kammer ein. Die Membranen haben eine Dicke im Bereich von etwa 10 Mikrometern, und anschließend platzieren wir den Zellchip auf diesen Membranen. Danach verschließen wir diesen Hohlraum, und im ersten Schritt wird die Kammer evakuiert.

Dann injizieren wir verdampftes Lösungsmittel, um die Oberfläche des Polymers aufzulösen, und durch Anlegen einer Kraft auf diesen Stapel wird die Membran mit dem Zellchip verbunden. Im letzten Schritt wird die Kammer geprüft und der fertige Zellchip entnommen. Kürzlich haben wir eine neue Herstellungstechnik für den Sechi basierend auf einem Thermoformprozess entwickelt, die an den Mikromaßstab angepasst ist, weshalb wir sie Mikrothermoformen nennen.

Für die Herstellung eines porösen Sechi verwenden wir Polyfils, die mit beschleunigten schweren Ionen bestrahlt wurden. Dies erfolgt in Kooperation mit dem Fall am Unilog in, und diese schweren Ionen erzeugen latente Spuren im Polyfolienfilm, indem sie vollständig durch den Polymerfilm hindurchdringen. Während des Thermoformprozesses werden diese latenten Spuren erhalten und dienen zur Erzeugung dieser Poren.

Danach erfolgt nach dem Formgebungsprozess das Ätzen dieser Latinspuren zu Poren mit einer definierten Größe. Hier sehen Sie auf der rechten Seite die angepasste Maschine. Eine Heißprägemaschine, die für diesen Mikrothermformprozess modifiziert wurde.

Das Werkzeug besteht hauptsächlich aus drei Teilen: einer oberen Platte und einer unteren Platte. Diese verfügen über Anschlüsse für Gasdruck und Evakuierung, und ein dritter Teil fungiert als Decke. Im ersten Schritt bringen wir eine dünne Folie mit einer Dicke im Bereich von etwa 50 bis 100 µm ein.

Dann schließen wir das Werkzeug in einem zweiten Schritt. Der durch diese beiden Platten und die Decke gebildete Raum wird evakuiert. Nach der Evakuierung wird der Polymerfilm zwischen den beiden Platten gepresst und anschließend auf die Formtemperatur erhitzt. Formen.

Die Temperatur liegt hier im Bereich der Glasübergangstemperatur, was bedeutet, dass das Polymer nicht geschmolzen ist, sondern sich in einem sprödelastischen Zustand oder in einem gummielastischen Zustand befindet. In einem nachfolgenden Schritt wird dann ein Gasdruck aufgebracht. Hier verwenden wir Stickstoff als Gas, und durch dieses Gas wird der gummielastische Polymerfilm in die zuvor evakuierten Mikroformen gestreckt.

Nach diesem Formschritt wird das gesamte Werkzeug abgekühlt und geöffnet. Schließlich wird der mikrostrukturierte Polymer-Schaum manuell entformt. Der Vorteil dieses neuen Verfahrens besteht darin, dass die Anzahl der Prozessschritte im Vergleich zum Standard-Mikrospritzgussverfahren oder zum Heißprägverfahren erheblich reduziert werden kann.

Nach dem Thermoformen der stark gewalzten Polymerfolien ätzen wir diese Latexspuren selektiv zu Poren mit definierter Größe. Dazu verwenden wir einen einfachen Glasreaktor, in dem die Latexspuren mit Natriumhydroxid unter leichter Rührung und Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 60 Grad Celsius behandelt werden. Das Ätzverfahren dauert etwa eine bis mehrere Stunden, um Poren mit unterschiedlicher Porengröße zu erhalten.

Hier haben wir nun die beiden fertigen Produkte: den heißen und bestückten Zellchip mit der Mikroporenmembran auf der Rückseite des geformten Zellchips. Und hier in meiner linken Hand der thermogeformte, dünne, flexible Zellchip. Bevor wir sie in der Zellkultur verwenden, werden sie durch Gammastrahlenbestrahlung gereinigt und sterilisiert.