Mikrofabrikationstechniken für Polymere in der Mikrofluidik: eine Übersicht

Die Revolution der Mikrofluidik in der Forschungswelt hat, unabhängig von der jeweiligen Anwendung, zu einer explosionsartigen Zunahme der Bandbreite an Materialien und Verfahren geführt, die für die Herstellung dieser Geräte verwendet werden. Heutzutage erscheinen das Lithografieverfahren und seine Varianten als die naheliegendsten, wenn man die Dominanz mikrofluidischer Geräte betrachtet, die aus Polymeren wie PDMS hergestellt werden. In diesem Übersichtsartikel konzentrieren wir uns auf die wichtigsten Mikrofabrikationsprozesse für Polymere in der Mikrofluidik.

Fotolithografie

Photolithografie ist eine kostengünstige, einfache, schnelle und zuverlässige Herstellungstechnik, da sie konsistente Muster ermöglicht. Diese Technik verwendet eine Mischung aus Hydrogel-Präkursor und Photoinitiator. Diese unterliegen dann einer Vernetzungsreaktion, wenn sie ultravioletter (UV-)Strahlung ausgesetzt werden (Abbildung 1). Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass die UV-Bestrahlung des Hydrogel-Präkursors durch die Verwendung einer Fotomaske gesteuert werden kann, auf der die gewünschten Muster vorab aufgedruckt sind [Rivest C et al. 2007 J Mech Mater Struct]. Nach Abschluss der Photovernetzung wird das nicht reagierte Polymer einfach abgewaschen. Photolithografie ermöglicht Auflösungen im Millimeter- bis Mikrometerbereich, was unendliche Möglichkeiten für die Forschung bietet, insbesondere in der Gewebezüchtung.

Darüber hinaus lässt sich diese Technik mit anderen Verfahren kombinieren, was sie sehr beliebt macht. Die Nachteile dieses Verfahrens liegen in der Notwendigkeit, photohärtbare Polymer-Präkursoren zu verwenden, sowie in der Möglichkeit von DNA-Schäden in Zellen durch den Photoinitiator, der bei UV-Bestrahlung freie Radikale bildet [Slaughter BV et al. 2009 Adv Mater].

Weichlithografie

Die Weichlithografie ist ebenfalls ein weit verbreiteter Ansatz zur Herstellung von Polymeren mit kontrollierter Form und Größe (Abbildung 1).

Weichlithografie, einschließlich Mikrokontakt-Druck (μCP), Mikro-Transferformen (μTM), Replikaprägung (REM), Mikroformen in Kapillaren (MIMIC), Spritzgießen und viele andere Prozesse [Sahin et al. Fundamental Biomaterials: Metals], kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie Biosensoren, Steuerung der Zelladhäsion, Wirkstoffscreening, Zellsortierung und Gewebezüchtung.

Das Prinzip der Weichlithografie ist das Formen oder Drucken von Mustern biologischer Moleküle mit gut kontrollierter räumlicher Verteilung und Topographie [2]. Diese Technik wird hauptsächlich zur Herstellung von Polymeren im Mikromaßstab mit kontrollierter Form eingesetzt. Konkret wird eine strukturierte Elastomerform auf eine flüssige Präpolymerlösung aufgebracht, die anschließend polymerisieren kann, wodurch die komplementären Eigenschaften des Hydrogels entstehen. Während dieses Prozesses füllt die Flüssigkeit aufgrund von Oberflächenspannung und Kapillarströmung die Strukturen auf dem Elastomer-Replikat.

Zahlreiche Vorteile machen diese Technik weit verbreitet, wie etwa einfache Zugänglichkeit, Einfachheit, Wirtschaftlichkeit, Flexibilität, Vielseitigkeit und Zeiteffizienz. Dieses Verfahren ermöglicht eine präzise Steuerung von Größe und Form der erzeugten Strukturen [16] und erfordert keine teuren Instrumente [Whitesides GM 2001 Annu Rev Biomed Eng]. Allerdings weist die Weichlithografie Einschränkungen bei ionisch oder chemisch vernetzten Hydrogel-Substraten wie Chitosan oder Alginat auf [Franzesi GT et al. 2006 J Am Chem Soc].

PDMS ist das Material der Wahl für die Herstellung mikrometergroßer Formen. PDMS wird durch Mischen eines Silikonelastomers und eines Härters hergestellt, das dann auf eine mikrostrukturierte und thermisch gehärtete Matrize gegossen wird. Dies erzeugt das entsprechende Replikat, das für das Mikroformen zur Herstellung von Hydrogel-Mikrostrukturen verwendet wird [Shin H 2007 Biomaterials]. Wie bereits in der Materialübersicht erwähnt, ist PDMS ein poröses, biokompatibles Elastomer, das bei Zellkulturen bevorzugt wird. Darüber hinaus kann seine Oberfläche durch den Einsatz eines Plasmareinigers hydrophil gemacht werden. Neben PDMS werden auch Polyimide, Epoxide und Polyurethane für Formstudien verwendet.

Bioprinting

Bioprinting ist eine Technik, die auf computergestütztem Design (CAD) basiert. Bei dieser Technik erfolgt die Ablagerung von Polymeren mittels eines Druckers zeitlich und räumlich kontrolliert (Abbildung 1) [Song SJ 2010 Artif Organs]. CAD-basierte Technologien sind in jüng Zeit populär geworden bei der Herstellung poröser Scaffolds, ebenso wie der 3D-Druck. Hierbei können die Zellen während der Druckphase in die Sekundärstrukturen eingebracht werden [Khalil S und Sun W 2009 J Biomech Eng]. Diese Technik wird die Erzeugung komplexer 3D-Mikromilieus mithilfe dieser Bioprinting-Systeme ermöglichen, in denen Zellen in Polymere eingebettet sind, um natürliche Gewebe nachzuahmen [Song SJ 2010 Artif Organs].

Dieser Ansatz ermöglicht eine hochpräzise Steuerung von Form und Größe der Strukturen (Auflösung von Zehn- oder Hunderten von μm). Die gängigsten Ansätze zum Bio-Printing umfassen zelluläres Inkjet-Drucken, zelluläre Deposition mittels Spritze, Laser-Writing [Song SJ 2010 Artif Organs], laserinduziertes Bio-Printing [Guillotin B und Guillemot F 2011 Trend Biotechnol] und Rapid-Prototyping-Technologien [Buyukhatipoglu K et al. 2010 Tissue Eng Part C-Methods]. Das Inkjet-Drucken ist eine schnelle und kostengünstige Technik, weist jedoch viele Nachteile auf, wie mechanische Kräfte auf die Zellen und die Tatsache, dass die Druckdüsen bei hohen Dichten verstopfen können [Guillotin B und Guillemot F 2011 Trend Biotechnol].

Das laserunterstützte Bioprinting (LAB), eine weitere Bioprinting-Technik, ist ein nützlicher Ansatz zum Drucken von Zellen, Polymeren oder Biomolekülen. Diese Technik verwendet eine laserabsorbierende Zwischenschicht und verhindert daher eine direkte Wechselwirkung zwischen der Tinte und dem Laserstrahl [Guillemot et al. 2010. Nanomedicine].