Ortselektive laserchemische Oberflächenfunktionalisierung von Polymeren im Mikrometerbereich. Selective laser‐chemical micro surface modification of polymers

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 ultrahydrophob 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.