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31.07.2013

Laserverfahren zur punktgenauen Materialaufbringung auf Empfängerträgern


Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT beschäftig sich ein interdisziplinäres Forscherteam mit einem Verfahren zur Übertragung von Biomaterialien und einer innovativen Anlagentechnik. Nun ist es den Aachener Wissenschaftlern gelungen, auf Basis des Laser Induced Forward Transfer (LIFT)-Verfahrens eine Anlage für die medizinische und pharmazeutische Forschung herzustellen. Hauptsächlich soll das System zur selektiven Übertragung von Hydrogelen, lebenden Zellen und weiterer Biomaterialien eingesetzt werden. Die erste Prototypanlage - LIFTSYS - wurde kürzlich an die École Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL geliefert.

Überall dort, wo kleinste Mengen an Material punktgenau auf Empfängerträger aufgebracht werden müssen, lässt sich das LIFT-Verfahren einsetzen. Ein breites Anwendungsgebiet ist beispielsweise die medizinische und pharmazeutische Forschung, in der Krankheiten oder Wirkstoffe in gezielt hergestellten Teststrukturen untersucht werden. Hier kommt es darauf an, das wertvolle Material selektiv und so sparsam als möglich auf einem Empfängerträger aufzubringen. Das LIFT-Verfahren ermöglicht es, eine hohe Bandbreite an Materialien, wie Glycoproteine, lebende Zellen oder Metalle, hochpräzise und ressourcenschonend zu übertragen. Aktuelle Arbeiten der Gruppe Biofertigung widmen sich der Weiterentwicklung von komplexen zellbasierten in vitro Testsystemen.

Materialübertragung ohne Druckkopf: kostengünstig und zuverlässig

Der Druckprozess funktioniert folgendermaßen: Über dem Empfängerträger befindet sich ein Glasobjektträger mit dem zu übertragenden Biomaterial auf der Unterseite und einer zwischengelagerten Absorberschicht aus Titan. Durch einen gepulsten Laserstrahl wird die Titanschicht verdampft und das Probenmaterial durch den entstehenden Vorwärtsimpuls auf den Empfängerträger übertragen. Dieses laserbasierte Verfahren kommt ohne Druckkopf aus und kann deswegen Biomaterialien wie RNS, DNS, Proteine und Zellen unabhängig von der Viskosität übertragen. Es entfallen auch die bei Druckköpfen typischen Totvolumina, wie sie beispielsweise durch Zuleitungen entstehen. Die benötigte Ausgangsmenge des wertvollen Materials sinkt drastisch. Darüber hinaus erlaubt das LIFT-Verfahren Spotgrößen von 10 µm bis 300 µm. Somit können bis zu 500.000 Proteinspots auf eine nur daumennagelgroße Fläche aufgebracht werden. Bisher war es nicht möglich, Probenmaterial mit einer solchen Präzision und Effizienz in so geringen Mengen aufzubauen.

Vom Laboraufbau zur benutzerfreundlichen Anlage

Als Ergebnis der gerätetechnischen Entwicklung am Fraunhofer ILT entstand eine innovative fünfachsige Anlage mit Bewegungssystemen für Transfer- und Empfängerträger. Die integrierte Strahlquelle lässt sich auf die Wellenlänge 355 nm oder 1064 nm einstellen, Fokuslage, Laserleistung und Pulszahl können automatisch reguliert werden. Dadurch ist der Benutzer in der Lage, eine große Bandbreite an Substanzen, von Biomaterialien bis hin zu Metallen, mit der LIFTSYS-Anlage zu übertragen.

Die ersten Laboraufbauten haben die Aachener Forscher der Gruppe Prozesssensorik und Systemtechnik zur LIFTSYS-Anlage weiterentwickelt. Im Vordergrund stand dabei die intuitive Bedienbarkeit des Prototypen. Zu diesem Zweck wurde eine PC-basierte Visualisierung und Steuerungstechnik integriert. Zwei Bedienkonzepte können einfach genutzt werden. Es steht eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung, in der alle Elemente einfach angesteuert werden können. Zusätzlich verfügt die Anlage über eine textbasierte Programmierung im G-Code. Diese Textsprache enthält neben Befehlen zur Positionierung auch Erweiterungen für die Laserbearbeitung, beispielsweise lassen sich Laserpulse einzeln auslösen und die Pulsenergien verändern. So ist es möglich, dass komplexe Transfermuster programmiert und einem bestimmten Bearbeitungsergebnis zugeordnet werden können.

Anwendungsgebiete bei der EPFL in Lausanne

Die École Polytechnique Fédérale de Lausanne EPFL erforscht verschiedene Anwendungen der Tintenstrahldrucktechnik für die Mikrotechnik, die Materialwissenschaft und die Biotechnologie. "Das LIFT-Verfahren stellt hier eine vielversprechende Alternative zu den konventionellen Druckverfahren mit Düsen dar, weil sich damit bislang nicht übertragbare Substanzen mit geringem Materialverlust ortsselektiv präzise übertragen lassen", erklärt Prof. Jürgen Brugger von der EPFL. "Von besonderem Interesse für unsere Forscher-Teams ist beispielsweise das Übertragen von sehr zähflüssigen Substanzen und festen Folien." Zunächst wollen die EPFL-Wissenschaftler Eigenschaften dieser Materialien erkunden, um dann das konventionelle Druckverfahren mit dem LIFT-Verfahren hinsichtlich der Übertragbarkeit dieser Materialien miteinander zu vergleichen. Anschließend sollen ausgewählte Anwendungen aus den Bereichen Halbleiter, Sensor und Biomaterialien entsprechend weiterverfolgt werden. Auch Studierende der EPFL werden mit dem LIFT-Verfahren arbeiten. Die angehenden Ingenieure und Wissenschaftler sollen sich mit innovativen Methoden zur Oberflächenstrukturierung vertraut machen und später neue Produktionstechnologien und Anwendungen ermöglichen.

LIFTSYS auf der Biotechnica 2013

Auf der diesjährigen Biotechnica, Europas Leitmesse für Biotechnologie, Life Sciences und Labortechnik, vom 08. bis zum 10. Oktober 2013 in Hannover, stellt das Fraunhofer ILT die LIFTSYS-Anlage für das Anwendungsfeld der in vitro Testsysteme vor. Experten zeigen auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Halle 9.E09 eine Prototypenanlage sowie weitere Exponate aus dem Themenfeld der Biofertigung.

Quelle: Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT)




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