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Fallstudien

Charakterisierung von mit Laser hergestellten Mikrokanälen für mikrofluidische Anwendungen

Fallstudien, Lab-on-a-chip, Laser
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Photonics4Life ist eine Forschungsgruppe für Optik und Teil der Abteilung für angewandte Physik der Universität Santiago de Compostela (Spanien). Einer der Forschungsbereiche ist der Herstellung verschiedener mikrofluidischer Geräte durch Laserbearbeitung gewidmet. Solche Geräte simulieren Blutgefäßnetzwerke und zelluläres Verhalten in vaskulären Pathologien wie Mikrotumoren, die Bildung von atherosklerotischen Plaques und Aneurysmen zur Erstellung von präklinischen In-vitro-Modellen.

Dank des optischen 3D-Profilers S neox von Sensofar war es möglich, die Topographie der mit Lasertechnologien hergestellten Mikrokanäle zu charakterisieren

Aufgrund der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten hat sich die Mikrofluidik in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Lab-on-a-Chip, Organ-on-a-Chip, Point-of-Care-Einheiten, Zellerfassung, chemische und biologische Analysen sind einige Beispiele für direkte mikrofluidische Anwendungen. Was die Verwendungszwecke betrifft, so weisen mikrofluidische Einheiten unterschiedliche Geometrien auf, die so komplex wie nötig sein können. Eine der grundlegenden Strukturen, aus denen diese mikrofluidischen Einheiten bestehen, ist der Mikrokanal. In dieser Studie werden wir die Charakterisierung von Mikrokanälen durchführen.

Es gibt unterschiedliche Materialien, die sich zu Herstellung von Mikrokanälen eignen. Welches Material jeweils zur Anwendung kommt, hängt von der Herstellungstechnik ab. Zu den Ausgangsmaterialien zählen Polymere, Silikon und Glas. Beispiele für Herstellungstechniken sind Softlithographie, Photolithographie oder Thermofusionstechniken. Bei der Verwendung von Kalknatronglas als Material, das aufgrund seiner Robustheit, chemischen Beständigkeit, Transparenz und geringen Kosten ausgewählt wurde, bietet sich das direkte Laserschreiben als eine der am besten geeigneten Techniken an. Mit diesem genauen und vielseitigen Verfahren lassen sich rasch sehr komplexe Geometrien erstellen. Da es sich um ein berührungsloses Verfahren handelt, entstehen weder Verunreinigungen noch sind Reinraumeinrichtungen erforderlich. Bei der Arbeit in Mikrometerdimensionen ist ein genaues Bild der Topographie zur Gewährleistung Qualität und der Kanalabmessungen enorm wichtig. In diesem Bericht werden die durch direktes Laserschreiben hergestellten Strukturen mit Hilfe der konfokalen Mikroskopie vollständig charakterisiert.

Es wurden Mikrokanäle auf Kalknatronglas durch direktes Laserschreiben hergestellt. Als Laser wurde ein Rofin Nd:YVO4 mit einer Pulsdauer von 20 ns und einer zentralen Wellenlänge von 1.064 nm verwendet. Der Aufbau besteht aus einem Galvanometersystem, das den Strahl ausrichtet und die Herstellung komplexer Strukturen ermöglicht, ohne dass die Probe bewegt werden muss. Der Laserstrahl wurde mit einer Linse von 100 mm Brennweite auf die Substratoberfläche fokussiert, was einen Arbeitsbereich von 80×80 mm2 gewährleistet. Das Kalknatronglas stammte von einem lokalen Vertreiber.

Um ein angemessenes Seitenverhältnis der Strukturen zu erhalten, wurden mehrere Laserscans an der Probe durchgeführt. Es wurde also eine Studie über die Entwicklung der Topographie durchgeführt. Bei der Erstellung der Mikrokanäle erfolgte die ein- bis zehnfache Abtastung. Mit dem optischen 3D-Profiler Sensofar S neox und einem Objektiv mit 20-facher Vergrößerung wurde ein konfokales Bild des strukturierten Bereichs aufgenommen. Danach wurde das Oberflächenprofil erstellt und die Entwicklung der Tiefe der Mikrokanäle mit den Laserscans dargestellt (Abb. 1).

Der Rauigkeitswert der Mikrokanalwände ist ein kritischer Wert, da er für mikrofluidische Anwendungen sehr gering sein muss. Dank des optischen 3D-Profilers Sensofar S neox und der Analysesoftware SensoMAP war es möglich, Rauheitswerte von kleinen Flächen zu ermitteln. Die Topografie des Bodens eines Mikrokanals mit acht Laserscans, die mit einem Objektiv mit 50-facher Vergrößerung aufgenommen wurden, wurde für die Studie ausgewählt (Abb. 2).

cs6 USC - laser for microfluidic 1
Abb. 1. Konfokales Bild mehrerer Mikrokanäle mit verschiedenen Laserscans, von einem (links) bis zehn (rechts). Auch das Profil der Kanäle wurde erstellt
cs6 USC - laser for microfluidic 2
Abb. 2. 3D-Topografie eines mit dem Laser hergestellten Mikrokanals und die Rauheitsparameter des Kanalbodens gemäß ISO 25178

Dank der Vielseitigkeit und Genauigkeit des Laserdirektschreibens können verschiedene mikrofluidische Einheiten hergestellt werden. Hier sind konfokale 3D-Topografien einiger Beispiele zu sehen. Die Aufnahmen wurden mit einem 20X-Objektiv gemacht (Abb. 3).

cs6 USC - laser for microfluidic 3
<em>Abb. 3</em>. Konfokale 3D-Topografien von mikrofluidischen Einheiten, die mit einem Laser auf Kalknatronglas hergestellt wurden

Dank des optischen 3D-Profilers S neox von Sensofar war es möglich, Mikrokanäle zu charakterisieren und die Topographie der mit Lasertechnologien hergestellten Mikrokanäle leicht zu bestimmen.

Die Entwicklung der Laserscan-Strukturprofile wurde mit Hilfe der konfokalen Technik mit einem Objektiv mit 20-facher Vergrößerung analysiert. Darüber hinaus wurden in Kombination mit der Analysesoftware SensoMAP die Rauheitsparameter der hergestellten Kanäle berechnet.

In diesem Fall wurde für die Aufnahme der konfokalen Topografie ein Objektiv mit 50-facher Vergrößerung genutzt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch den Einsatz des optischen 3D-Profilers von S neox jede Struktur in Bezug auf Abmessungen und Rauheit perfekt charakterisiert werden kann.

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