Biofunktionale Schichten

In der Medizintechnik werden insbesondere bei Einwegsystemen (Disposables) immer häufiger Kunststoffe eingesetzt. Für viele biologische oder medizinische Anwendungen müssen die ver­schiedenen Oberflächen jedoch in einem ersten Schritt modifiziert werden, um dann in einem zweiten Schritt z. B. beschichtet werden zu können. Häufig benötigen Einwegsysteme bio­kompatible Oberflächen, um das Zellwachstum auf den Oberflächen zu fördern, es gezielt zu verhindern oder um funktionelle Gruppen für die chemische Ankopplung von Biomolekülen zur Verfügung zu stellen. Diese Vorbehandlung ist notwendig − allerdings mit herkömmlichen Verfahren auch oft sehr teuer. Atmosphärendruck-Plasmaverfahren sind geeignete Werkzeuge, um kosteneffizient eine Modifizierung der Oberfläche zu erreichen. Durch die Anwendung von Mikroplasmen ist es möglich, die Oberflächen auch selektiv an die gewünschte Anwendung anzupassen oder sogar die bereits gedeckelten Kanäle mikrofluidischer Bauteile zu beschichten. Darüber hinaus können die Oberflächen von 3D-Substraten, wie Mikrotiterplatten, PCR-Tubes oder Zell­kulturbeutel mithilfe dieser Verfahren in geeigneter Weise verändert werden.

Erzeugung biofunktionaler Oberflächen mit Atmosphären­druck-Plasmaverfahren

Plasmaverfahren auf Basis der dielektrisch behinderten Entladung (DBE) bei Atmosphärendruck bieten vielseitige Möglichkeiten, Oberflächen in ihren Eigenschaften so zu verändern, dass sie für biomedizinische Anwendungen verwendet werden können.

Bei dieser Technologie wird in einem Gasspalt zwischen zwei Elektroden durch Anlegen einer Wechselspannung ein physikalisches Plasma erzeugt, wodurch Ionen, energiereiche Elektronen, reaktive Radikale und metastabile angeregte Gasteilchen entstehen. All diese Spezies treten mit dem zu behandelnden Substrat in Wechselwirkung und verändern dessen Oberfläche. Durch Zusatz von schichtbildenden Substanzen, sogenannten Präkursoren, gelingt es, Schichten auf dem Substrat abzuscheiden, die typischerweise nicht dicker als 10 bis 100 nm sind. In Abhängigkeit von der Wahl der Prozessparameter, z. B. der Zusammensetzung des Prozessgases oder der Behandlungszeit können folgende Veränderungen bzw. Effekte durch die Oberflächenbehandlung mittels DBE erzielt werden:

  • Aktivierung der Oberfläche zur Verbesserung der Benetzbarkeit mit wässrigen Medien
  • Funktionalisierung der Oberfläche zur Erzeugung chemisch reaktiver Gruppen
  • Abscheidung einer Beschichtung, um der Oberfläche die gewünschte Funktion zu verleihen

Atmosphärendruck-Plasmaverfahren weisen gegenüber anderen Technologien zur Oberflächenbehandlung eine Reihe von Vorteilen auf: die Prozesszeiten sind kurz, Lösungsmittel oder Bäder nicht erforderlich und es wird keine teure Vakuumanlagentechnik benötigt. Darüber hinaus lassen sich Atmosphärendruck-Plasmaprozesse sehr gut skalieren und in bestehende Prozessketten integrieren. Auch hinsichtlich der behandelbaren Materialien und Geometrien besteht eine große Flexibilität: Neben Polymerfolien, Glas, Siliziumwafern oder Metallen, können auch poröse Materialen, Textilien oder Leder modifiziert oder beschichtet werden. Als Substrate kommen sowohl Folien als auch Formteile in Frage.

Anwendungsbeispiele

Eine Plasmabehandlung an Luft, die sogenannte Coronabehandlung, von z. B. Mikrotiterplatten oder Zellkulturflaschen zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberfläche ist in der Industrie bereits weit verbreitet. Am Fraunhofer IST werden mit Atmosphären­druck-Plasmaverfahren Oberflächen zur Förderung des adhärenten Zellwachstums in Zellkulturbeuteln oder auf 3D-Gerüststrukturen, sogenannten Scaffolds, erzeugt. Durch den Einsatz von sauerstofffreien stickstoffhaltigen Gasgemischen als Prozessgas bilden sich verstärkt stickstoffhaltige chemische Gruppen auf der Substratoberfläche, die eine Anlagerung der Zellen begünstigen.

Chemisch reaktive Oberflächen zur kovalenten Kopplung von Biomolekülen, z. B. Proteinen oder Antikörpern können durch die Abscheidung von Schichten, die Epoxy-, Carbonyl- oder Carboxylgruppen enthalten, auf ganz unterschiedlichen Substraten hergestellt werden.

Eine unspezifische Adsorption von Biomolekülen kann vermieden werden, indem die Benetzbarkeit der Oberfläche mit wässrigen Medien vermindert wird. Dies gelingt besonders wirksam mit sogenannten superhydrophoben Beschichtungen, die sich durch Wasserrandwinkel über 145° auszeichnen.

Atmosphärendruck-Plasmabehandlungen können ganzflächig oder ortsselektiv durchgeführt werden. Für eine ortsselektive Oberflächenbehandlung oder Strukturierung eignet sich das am Fraunhofer IST entwickelte Plasma-Printing, bei dem die Struktur mittels Plasma quasi aufgestempelt wird. Auf diese Weise lassen sich Funktionalitäten auf der Oberfläche erzeugen, deren Ausdehnung auf wenige 10 µm begrenzt ist. Derartig strukturierte Oberflächen spielen bei der Herstellung von Biosensoren oder Lab-on-a-Chip-Systemen eine wichtige Rolle.

Schichtcharakterisierung

Zur Untersuchung der am Substrat vorgenommenen Oberflächenmodifizierung verfügt das Fraunhofer IST über eine Vielzahl analytischer Möglichkeiten, z. B. Fluoreszenzanalytik, Infrarotspektroskopie, Laser-Scanning-Mikroskopie (LSM), UV / Vis-Spektroskopie, Röntgen-Elektronenspektroskopie (XPS), Rasterelektronenmikroskopie (REM ) / Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) oder Ellipsometrie.

Darüber hinaus werden bei Bedarf für die jeweilige Anwendung spezifische Nachweisreaktionen entwickelt, die es erlauben, quantitative Aussagen über die Effizienz und Effektivität der Belegung der Oberfläche mit chemisch reaktiven Gruppen zu machen, die in nachfolgenden Reaktionen mit Biomolekülen wechselwirken oder diese kovalent binden. Ein Beispiel ist die Entwicklung eines Tests zum Nachweis von Amino-Gruppen, die beispielsweise zur Biotinylierung von Oberflächen eingesetzt werden.

Unsere Kompetenzen

  • Ganzflächige und strukturierte Modifizierung von Oberflächen
  • Beschichtungen zur Kontrolle von Zellwachstum oder -adhäsion auf Oberflächen
  • Einstellung der Benetzbarkeit
  • Erzeugung chemisch reaktiver Oberflächen und Entwicklung von Funktionsschichten

Unser Angebot