Mikrokontaktdruck: Strukturierung und Modifikation von Oberflächen

  • Abb. 1: Herstellung von polymeren Stempeln ausgehend von einem Master und Mikrokontaktdruck auf eine SubstratoberflächeAbb. 1: Herstellung von polymeren Stempeln ausgehend von einem Master und Mikrokontaktdruck auf eine Substratoberfläche
  • Abb. 1: Herstellung von polymeren Stempeln ausgehend von einem Master und Mikrokontaktdruck auf eine Substratoberfläche
  • Abb. 2: Chemisch kovalente Modifikation von Monoschichten durch Mikrokontaktchemie
  • Abb. 3: Herstellung einer chemisch orthogonalen Oberfläche zur sequenziellen Immobilisierung von biologischen Liganden und anschließendem Proteinscreening. Die Fluoreszenzaufnahmen zeigen die spezifischen Ligand-Protein-Interaktionen an.

Die Strukturierung und Modifikation von Oberflächen ist ein zentrales Element bei der Herstellung von Sensoren sowie in der Mikroarraytechnik. Eine leistungsfähige und etablierte Methode um Strukturierungen vorzunehmen ist der Mikrokontaktdruck. Dieser erlaubt die Modifikation vielfältiger Materialien und Substrate mit einer großen Breite an Substanzen. Auch sehr robuste Oberflächenfunktionalisierungen durch kovalente Anbindungsreaktionen sind möglich.

Grundlagen des Mikrokontaktdrucks
Die Übertragung von Substanzen durch Bedrucken stellt eines der am häufigsten verwendeten Verfahren zur Modifikation von Oberflächen dar. Bereits Kinder erlernen dieses Prinzip anhand des Kartoffeldrucks, bei welchem Farben auf Papier oder Textilien aufgebracht werden. Moderne Bedruckungstechniken basieren zwar immer noch auf denselben Grundlagen, sind jedoch weitaus komplexer und leistungsfähiger. So erlaubt der Mikrokontaktdruck die Übertragung von Substanzen mit einer Auflösung im Mikrometer- bis Submikrometerbereich. Als Stempelmaterialien werden hierbei meist spezielle Polymerstempel verwendet, die u. a. aus Polysiloxanen, Polyolefinen, Blockcopolymeren oder Agarose bestehen.

Die Herstellung der Stempel geschieht häufig ausgehend von einem mikrostrukturierten Negativ, dem Master. Im ersten Schritt wird dabei ein flüssiges Präpolymer auf den Master gegeben und ausgehärtet (siehe Abb. 1). Anschließend wird der Polymerblock vom Master getrennt. Die erhaltenen Stempel können durch verschiedene Techniken beladen werden wie z. B. durch das Benetzen mit einer Tintenlösung und darauffolgender Trocknung. Auch die Verwendung von Stempelkissen ist gängige Praxis. Durch den Kontakt mit einem Substrat wird die jeweilige Substanz übertragen. Es ist zu gewährleisten, dass die Stempel dabei einen solchen Elastizitätsmodul aufweisen, sodass ein effizienter Oberflächenkontakt besteht aber gleichzeitig hohe Auflösungen möglich sind. Ungeeignete Härtegrade und eine fragile Stempelarchitektur verschlechtern entweder die Substanzübertragung oder können zu Auflösungsproblemen führen.

Neben den mechanischen und physikalischen Gegebenheiten des Stempels spielen auch seine Oberflächeneigenschaften eine entscheidende Rolle für das Druckergebnis.

Generell ist es notwendig, die Stempel sowie die Bedruckungsbedingungen sowohl an das jeweilige Substrat als auch an die zu übertragende Substanz anzupassen. Neben der Nutzung verschiedener Polymere zur Herstellung der Stempel stehen heute auch vielfältige Methoden zur Verfügung, um die Oberflächen der Stempel chemisch zu verändern. Auf diese Weise können ihre Beladungs- und Transfereigenschaften effizient beeinflusst werden. Häufig angewendete Verfahren sind Oxidation, kovalente Modifikation oder Adsorption von Beladungsvermittlern. Aufgrund der Vielseitigkeit des Mikrokontaktdrucks ist die Zahl seiner Anwendungen beeindruckend. So konnte er beispielsweise dazu verwendet werden natürliche sowie synthetische Polymere, Dendrimere, Kohlenstoffnanoröhren, Nanopartikel, Metallfilme, Proteine oder sogar ganze Zellen als „Tinte“ auf unterschiedlichste Oberflächen aufzubringen. Auch niedermolekulare Verbindungen wurden erfolgreich gedruckt.

Transferprinzipien
Die effiziente Übertragung der Tinte auf die Zieloberfläche ist neben einer kontrollierten Stempelbeladung ein zentrales Element bei jedem Druckprozess. Die Übertragung wird einerseits getrieben von einem Konzentrationsgradienten. Andererseits ist jedoch auch eine höhere Affinität der Tinte für die Substratoberfläche im Vergleich zur Stempeloberfläche ein wichtiges Kriterium. Diese höhere Affinität kann auf einzelne Effekte zurückzuführen oder das Resultat eines komplexen Zusammenspiels vieler Faktoren sein.

Wie beim normalen Druck von Farben die Kapillarkräfte des Papiers eine zentrale Rolle spielen, so stellt z. B. beim Druck von Thiolen auf Metalloberflächen die Chemisorption die entscheidende Triebkraft dar. Ebenso können hydrophobe als auch polare Wechselwirkungen die Adsorption der Tinte auf Oberflächen bewirken. Diese Interaktionen nehmen häufig bei Makromolekülen, wie Proteinen oder Polymeren eine übergeordnete Position ein. Weiterhin sind ebenso elektrostatische Wechselwirkungen dazu verwendet worden Substanzen zu übertragen. Beispielsweise wurden geladene Dendrimere, Polymere oder sogar ganze Polymermultischichten erfolgreich auf entgegengesetzt geladene Oberflächen gedruckt. Darüber hinaus bestehen die Möglichkeiten die Anbindung von Verbindungen auf Oberflächen durch Gast-Wirt- Wechselwirkungen unter der Ausbildung von Einschlusskomplexen oder durch chemische Reaktionen unter der Ausbildung kovalenter Bindungen zu erreichen. Die zuletzt genannte Methode bietet den wesentlichen Vorteil, dass eine äußerst stabile Anbindung der Moleküle erreicht wird. Daher erlauben solche mikrokontaktchemischen Strukturierungen sehr weitreichende Folgemodifikationen unter Verwendung unterschiedlicher Lösungsmittel und Reaktionsbedingungen. Auch intensive Reinigungs- und Waschschritte sind möglich.

Oberflächenstrukturierung durch Mikrokontaktchemie
Voraussetzung von mikrokontaktchemischen Ligationen ist, dass einerseits die Tintenmoleküle, aber andererseits auch die Oberflächen mit zueinander komplementären chemischen Gruppen versehen sind, welche eine Verknüpfung ermöglichen. Die Funktionalisierung der Substrate wird häufig durch die Beschichtung mit selbstorganisierten Monoschichten (SAM, self-assembled monolayer) erreicht. Es handelt sich dabei um einzelne Schichten parallel ausgerichteter Kohlenwasserstoffketten, die über Van-der-Waals- Wechselwirkungen miteinander interagieren und eine terminale funktionelle Gruppe X tragen können. Der schematische Aufbau einer solchen Monoschicht ist in Abbildung 2 gezeigt. Gut untersuchte Systeme sind dabei Monoschichten von Alkylthiolen auf Gold und Silber sowie von Silanen auf Siliziumdioxid. Bei dem Kontakt einer solchen Monoschicht mit einer Substanz, die die funktionelle Gruppe Y trägt und sich auf der Stempeloberfläche befindet, kommt es durch die Reaktion der beiden Gruppen zu einer Anbindung der Tinte an die Monoschicht. Heute steht eine Vielzahl von Reaktionen zur Verfügung, die für diese Art des reaktiven Mikrokontaktdrucks geeignet sind. Beispiele sind Reaktionen von Aminen mit Aktivestern, Epoxiden oder Aldehyden, die Thiol-En-Reaktion, Azid-Alkin-Cycloadditionen als auch Diels-Alder-Reaktionen.

Der mikrokontaktchemische Strukturierungsansatz gewinnt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Gründe hierfür sind leichte Umsetzbarkeit, Effizienz sowie geringer zeitlicher und finanzieller Aufwand. Bei Immobilisierung von wertvollen, komplexen Verbindungen ist außerdem von Vorteil, dass nur geringe Mengen an Substanz für eine Strukturierung benötigt werden. Bisher wurde die Methode z. B. zur kovalenten Immobilisierung von redoxaktiven Substanzen, Fluoreszenzfarbstoffen, Partikeln als auch von biologischen Proben, wie Kohlenhydraten oder DNA verwendet. Die Modifikation von Oberflächen mit Bioliganden spielt insbesondere in der Mikroarraytechnik eine große Rolle. Durch die definiert ablaufende Reaktion zwischen Tinte und Oberfläche wird eine seitenspezifische Immobilisierung ermöglicht, wobei der Ligand eine festgelegte Orientierung auf der Oberfläche annimmt. Dadurch können die Interaktionen mit eventuellen Bindungspartnern maximiert und die Sensitivitäten der Arrays gesteigert werden. Die Herstellung von Mikroarrays mit mehreren unterschiedlichen Bioliganden gelingt durch aufeinanderfolgende Bedruckungen.

Mikroarrays auf der Basis orthogonaler Ligationsreaktionen
Neben Arrays, die durch die direkte Immobilisierung von Bioliganden mithilfe lithographischer Verfahren erzeugt werden können, wurden innerhalb der letzten Jahre auch vorstrukturierte, multifunktionale Oberflächen entwickelt, welche mit unterschiedlichen reaktiven Gruppen bedeckt sind und eine sequenzielle Immobilisierung der Liganden erlauben. Dieses kann dabei aufgrund der Vorstrukturierung und unter Zuhilfenahme orthogonaler Oberflächenchemie ortsspezifisch aus Lösung geschehen. Dabei handelt es sich um eine sehr schonende Art der Immobilisierung, weil negative Einflüsse eines lithographischen Verfahrens umgangen werden können (u. a. Dehydratisierung der Moleküle, Strahlung, Hitze). In unserem Arbeitskreis wurden trifunktionale Oberflächen mit Alken-, Azid- und Carbonsäuregruppen durch Mikrokontaktchemie hergestellt.

Der Ansatz ist in Abbildung 3 beschrieben. In einem ersten Druckprozess wird der Azid-Thiol- Linker (1) photochemisch durch Thiol-En-Chemie auf einer Alken-terminierten Monoschicht aufgedruckt. Die erhaltenen bifunktionalen Obeflächen können in einem nächsten Schritt durch den Druck von Carbonsäure-Thiol-Linker (2) in trifunktionale Oberflächen überführt werden. Mithilfe der drei funktionellen Gruppen lassen sich in aufeinanderfolgender Weise unterschiedliche, entsprechend komplementär funktionalisierte Biomoleküle immobilisieren. Um das Prinzip zu verdeutlichen wurden in sequenziellen Reaktionen eine Amin-modifizierte Lactose (Carbonsäuren), ein Alkin-modifiziertes Biotin (Azide) und eine Thiol-modifizierte Mannose (Alkene) an die entsprechenden Gruppen der Oberflächen angebunden. Die auf diese Weise mit Bioliganden modifizierten Substrate zeigten gute Anbindungseigenschaften zu spezifischen Proteinen. Nach der Inkubation mit einem Proteingemisch von Rhodaminmarkiertem Erdnuss-Agglutinin (rote Fluoreszenz), Fluorescein-markiertem Concanavalin A (grüne Fluoreszenz) und einem mit Dylight 405 markiertem Streptavidin (blaue Fluoreszenz) konnte unter dem Fluoreszenzmikroskop eine selektive Immobilisierung der Proteine beobachtet werden. Entsprechend ihrer biologischen Erkennung wurde eine Anbindung von Erdnuss Agglutinin an die Laktosereste (rote Rechtecke), von Biotin an die Biotinreste (blaue Streifen) und von Concanavalin A an die Mannosereste (grüne Rechtecke) beobachtet. Die spezifischen Proteinimmobilisierungen belegen einerseits die erfolgreiche Substratmodifikation mittels Mikrokontaktchemie, aber andererseits ebenso die seitenspezifische Immobilisierung der Bioliganden unter Verwendung orthogonaler Ligationsreaktionen.

Zusammenfassung und Ausblick
Der Mikrokontaktdruck stellt ein effizientes, vielseitiges und einfach anzuwendendes lithographisches Verfahren dar, welches Strukturierungen auf der Basis unterschiedlicher Wechselwirkungen ermöglicht. Ein interessanter Ansatz ist die Durchführung von chemischen Reaktionen im Kontaktbereich mit dem Stempel, wodurch vielfältige Moleküle kovalent an Substrate angebunden werden können. Das Prinzip eignet sich u. a. zur Herstellung von Sensoren und Mikroarrays. Dabei können direkte oder indirekte Oberflächenmodifikation mit (Bio-) Molekülen vorgenommen werden. Zukünftige Arbeiten werden die Palette der verwendbaren Oberflächenreaktionen erweitern und ebenso die Auflösungen des Drucks erhöhen.

Literatur
[1] Kumar A. und Whitesides G. M.: Appl. Phys. Lett. 63, 2002 (1993)
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[3] Kaufmann T. und Ravoo, B. J.: Polym. Chem. 1, 371 (2010)
[4] Wendeln C. und Ravoo B. J.: Langmuir 28, 5527 (2012)
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