DiaKomp. Leuchtturm Gesundheit Dr. Günther Knebel

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Margarethe Maya Stieber
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1 DiaKomp Leuchtturm Gesundheit Dr. Günther Knebel Stuttgart,

2 Projektpartner 2

3 Projektpartner DiaKomp Mikro- und nanostrukturierte Oberflächen für die diagnostische Fluidik Teilprojekt: Restlose Entleerung Teilprojekt: Verschleppung 3

4 Projektziele, Zeitrahmen Steuerung der Benetzungs- und Transporteigenschaften in IVD-Komponenten Restlose Entleerung von kleinen Probekammern Berücksichtigung der Bioverträglichkeit Verbesserte Reinigbarkeit von offenen und geschlossenen Mikrofluidikkanälen Fertigungsintegrierte und ressourcenschonende Funktionalisierung Projektstart: Projektende: (33 Monate) 4

Reinigbarkeit von offenen und geschlossenen Mikrofluidikkanälen Fertigungsintegrierte und

Teilvorhaben: Restlose Entleerung von Diagnostikkomponenten Strukturdesign Simulation dynamisches Benetzungsverhalten auf strukturierten Oberflächen Ableitung von Strukturdesign für superhydrophobe

5 Teilvorhaben: Restlose Entleerung von Diagnostikkomponenten Strukturdesign Simulation dynamisches Benetzungsverhalten auf strukturierten Oberflächen Ableitung von Strukturdesign für superhydrophobe Modifizierung Verifikation von Strukturdesign Direktbearbeitung von Polystyrol Experimentelle Untersuchung Benetzungsverhalten Korrelation mit Numerik Technische Umsetzung Werkzeugkonzept Spritzguss Herstellung strukturierter Werkzeugeinsatz Erarbeitung Prozessparameter Produktion 5

Strukturdesign Direktbearbeitung von Polystyrol Experimentelle Untersuchung Benetzungsverhalten Korrelation mit Numerik

6 Vorversuche zum Entleerungsverhalten in Abhängigkeit der Verrundungsradien R=1,5 R=1,0 R=0,5 R=0 6

Waschlösung GBO 7,5 5,0 2,5 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Kantenradius r [mm] Experimentelle Untersuchung des

7 Restmasse pro Well [mg] Verbesserung des Entleerungsverhaltens durch Optimierung des Welldesigns Einfluss der makroskopischen Wellform auf das Entleerungsverhalten 15,0 12,5 10,0 Entleerungsversuche Variation Radius für Wasser Waschlösung GBO 7,5 5,0 2,5 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Kantenradius r [mm] Experimentelle Untersuchung des Einflusses der Verrundung am Wellboden auf das Entleerungsverhalten. Simulation des Entleerungsverhaltens mittels der Volume of Fluid-Methode 7

Eff. Kontaktwinkel [ ] Simulation zur restlosen Entleerung von strukturierten Oberflächen Simulationsgestütztes Strukturdesign zum Einstellen eines superhydrophoben Benetzungszustand a

8 Eff. Kontaktwinkel [ ] Simulation zur restlosen Entleerung von strukturierten Oberflächen Simulationsgestütztes Strukturdesign zum Einstellen eines superhydrophoben Benetzungszustand a superhydrophober Bereich h b Simulationsgestützte Entwicklung von neuem Oberflächendesign mit pyramidalen Strukturen Geometriefaktor b/a Berechnung von Geometrieparametern zum Erreichen superhydrophoben Verhaltens: hoher effektiver Kontaktwinkel = wasserabweisend hohe Mobilität von Flüssigkeitstropfen. 8

Entwicklung von neuem Oberflächendesign mit pyramidalen Strukturen Geometriefaktor b/a Berechnung von Geometrieparametern

CD-Stamper mit Strukturbeispielen in NiP im Vergleich zu direkt strukturiertem PS Pyramidenstumpf 50 x 50 µm, Tiefe 50 µm, 60 Grad, Pitch 108 µm Pyramidenstumpf 50 x 50

9 CD-Stamper mit Strukturbeispielen in NiP im Vergleich zu direkt strukturiertem PS Pyramidenstumpf 50 x 50 µm, Tiefe 50 µm, 60 Grad, Pitch 108 µm Pyramidenstumpf 50 x 50 µm, Tiefe 50 µm, 90 Grad, Pitch 150 µm Pyramidenstumpf 30 x 20 µm, Tiefe 140 µm, 30 Grad, Pitch 110 µm Pyramidenstumpf 50 x 50 µm, Tiefe 130 µm, 30 Grad, Pitch 130 µm 9

50 µm, Tiefe 50 µm, 90 Grad, Pitch 150 µm Pyramidenstumpf 30 x 20 µm, Tiefe 140 µm,

10 Herstellung des CD-Stampers: Vernickeln, Strukturieren, Abformen Partielles Vernickeln Fertigung durch Stoßen / Hobeln CD-Stamper mit Strukturen Abformung der Strukturen durch Spritzprägen 10

11 Lichtmikroskopische Auswertung der abgeformten CD-Stamper bessere Abformung der Struktur Spritzguß bei 120 Spritzguß bei 110 bessere Abformung der Struktur Spritzprägen bei

12 Kontaktwinkel / Kontaktwinkelmessungen an strukturierten Oberflächen Zunahme der Hydrophobie Kontaktwinkelmessung an strukturierten Kunststoffen COC PS PC unstr. nano µm-30 µm-45 nm-45 nm-30 Struktur 12

an strukturierten Kunststoffen 140 120 COC PS PC 100 80

Abperlneigung Wassertropfen auf strukturierter PS-Oberfläche Polystyrol PS strukturiert Teflon

13 Verifizierung des Strukturdesigns zur restlosen Entleerung Untersuchung des Benetzungsverhaltens, Verifizierung der superhydrophober Oberflächeneigenschaften: Kontaktwinkel bis 150 Hysterese < 5 hohe Abperlneigung Wassertropfen auf strukturierter PS-Oberfläche Polystyrol PS strukturiert Teflon Verbessertes Abperlverhalten strukturierter PS-Oberflächen im Vergleich zu unstrukturiertem PS und Teflon: Neigungswinkel 10 13

14 Herstellung eines Spritz-Präge-Werkzeugs zur Abformung der Mikro-Nano-Struktur Düsenseite Auswerferseite 14

15 Teilvorhaben: Optimierung mikrofluidischer Strukturen Quantifizierung der Oberflächeneigenschaften von Quarzglas und deren Einfluss auf das Benetzungsverhalten Kontaktwinkelhysterese nimmt mit zunehmendem Mittenrauheitswert R a deutlich zu. Die höchste Mobilität an der Phasengrenze Wasser-Luft-Glas von hydrophilen Glassubstraten konnte auf glatten, polierten Oberflächen erreicht werden. Die Verschleppung von Lösungsresten bzw. Adhäsion von Gasblasen steigt bei hydrophilen Flächen mit zunehmender Oberflächenrauheit an. 15

Die höchste Mobilität an der Phasengrenze Wasser-Luft-Glas von hydrophilen Glassubstraten konnte auf glatten, polierten Oberflächen

16 Präzisionsbearbeitung und Mikrostrukturierung Auswahl von Metallwerkstoffen zur Mikrostrukturierung Machbarkeitsprüfung für definierte Geometrien Herstellung von kleinen Strukturbreiten µm Herstellung optisch transparenter Flächen hoher Güte Durchführung von Werkzeugstudien an PMMA Fräsen mit Diamantwerkzeugen Herstellung von Konturplatten mit Fluidstrukturen 16

Strukturbreiten 10 200 µm Herstellung optisch transparenter Flächen hoher Güte Durchführung

17 Reinigung von Durchflussküvetten und Einfluss der Oberflächenchemie auf die Benetzung Gasblase Wasser Hydrophobe (links) bzw. hydrophile (rechts) Innenfunktionalisierung von Durchflussküvetten zur Untersuchung der Auswirkungen der Oberflächenchemie auf die Reinigung und die Mobilisierung von nukleierten Gasblasen. 17

hydrophile (rechts) Innenfunktionalisierung von Durchflussküvetten zur

18 Präzisionsbearbeitung und Mikrostrukturierung Einfluss der Bearbeitungsverfahren auf die OF-Rauigkeit und die Verschleppung von Flüssigkeiten Tests verschiedener Beschichtungsmethoden zur Optimierung der Benetzungseigenschaften. Test zu Verschleppungen in mikrofluidischen Systemen in Abhängigkeit von den Oberflächeneigenschaften 18

Beschichtungsmethoden zur Optimierung der Benetzungseigenschaften.

19 Einfluss von Oberflächenbeschichtungen auf das Benetzungsverhalten und die Gasblasenbildung Bild 1: Durchflussküvette Kanal unbeschichtet Bild 2: Durchflussküvette Kanal beschichtet 19

20 Zusammenfassung Herstellung superhydrophober PS-Oberflächen Mikro- plus Nanostrukturierung ist Basis für verbessertes Entleerungsverhalten Geometrievariation verbessert Entleerung für Wasser und Pufferlösungen Pyramidenstrukturen mit so hohem Aspektverhältnis und geringem Pitch sind durch Mikrozerspanung nicht herstellbar Abgeformte Pyramidenstrukturen zeigen geringere Kontaktwinkelerhöhungen als direkt in PS eingebrachte Pyramidenstrukturen Innovativer Formgebungsprozess zur Herstellung von Zytometerküvette Untersuchungen zum Einfluss von Oberflächenstruktur und Oberflächenchemie Reinigbarkeit und Blasenfreiheit von Durchflussküvetten untersucht und verbessert 20

Abgeformte Pyramidenstrukturen zeigen geringere Kontaktwinkelerhöhungen als direkt in PS eingebrachte Pyramidenstrukturen Innovativer Formgebungsprozess zur

21 Ausblick Untersuchung der Wechselwirkung von ultrahydrophoben PS-Oberflächen Bereitstellung finaler Formeinsätze durch Galvanoabformungen in Ni Übertragung der Herstellung hydrophober PS-Oberflächen auf Spritzprägen Anwendung des generierten Wissens für die Entwicklung von Diagnostikchips Fertigung und Qualifizierung von Zytometerküvetten Weiterentwicklung des Formgebungsprozesses für Glas Anwendung des Formgebungsprozess auf medizintechnische Fragestellungen Optimierung von Werkzeugmaterial und Prozessreproduzierbarkeit Einfluss verschiedener Beschichtungen auf die Verschleppung von Substanzen 21

22 Kontakt Dr. Günther Knebel Leiter Forschung & Entwicklung Greiner Bio-One GmbH Maybachtrasse Frickenhausen Fon: Fax: guenther.knebel@gbo.com Web: 22

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