Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einer Poren aufweisenden Schicht mit einer mikrostrukturellen Funktionsoberfläche, ein System mit der Einrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen der Einrichtung.

In der biologischen Forschung, Diagnostik oder Medizin ist es häufig erforderlich, Proben oder Stoffgemische aufzuarbeiten und präzise zu trennen. Neben einer Verwendung der Zentrifugalkraft können Stoffgemische mittels Gaze, Papierfilter oder Siebgewebe und der Schwerkraft aufgearbeitet werden. Zudem können einzelne Stoffe oder Stoffgruppen aus einem Probengemisch durch Ausnutzen von Diffusionseffekten, so wie bei der Anwendung in der Dialyse (künstliche Blutwäsche als Blutreinigungsverfahren), getrennt oder gewaschen werden. Weiterhin erfolgt der Einsatz vom Membranen z.B. mit dem Ziel, biologische Systeme mit Nährstoffen zu versorgen, Stoffwechselprodukte abzuführen und oder als Anzuchtmatrix für biologische Filme zu verwenden.

Zum Aufarbeiten einfacher sowie komplexer heterogener Gemische, wie z.B. Blut, verwendete Filtersysteme sind seit langem bekannt. Die Anwendung der Dialyse, bei der mit Hilfe von Diffusionseffekten ein Stoffaustausch über eine semipermeable Membran durchgeführt wird, dient vornehmlich dazu, gelöste Moleküle aus hochkonzentrierten Flüssigkeiten, wie Blut oder Plasma, abzutrennen. Neben den gelösten Substanzen können in Flüssigkeiten nicht gelöste Stoffe vorhanden sein, wie z.B. Zellen oder Schwebstoff wie Mikroplastik. Zum Trennen und/oder Anreichern von Suspensionen wurden ursprünglich Gaze und später Siebgewebe verwendet, um beispielsweise isolierte Zellen, Zellkluster, Gewebe, Speroide oder Partikeln sowie Schwebstoffe anzureichern. Da Gaze keine definierte Trenngrenze hat und die Flüssigkeit der Probe teilweise aufnimmt, was bei Proben mit wenig Volumen nachteilig sein kann, wurden zu diesem Zweck Filter entwickelt, die ein Siebgewebe zum Filtern und Trennen von Stoffgemischen aufweisen. Die Öffnungen von Siebgeweben werden als Maschen bezeichnet. In Abhängigkeit vom verwendeten Material sind die Filter, die in Abhängigkeit von der Anwendung auch als Zellsiebe bezeichnet werden, mit verschiedenen Maschen zwischen 1 und 1.000 pm erhältlich. Insbesondere im unteren Bereich der Maschenweiten zwischen 1 und 30 pm sind Siebgewebe konstruktionsbedingt mit Nachteilen behaftet. In diesem Bereich gibt es jedoch viele der für die Forschung interessanten Bestandteile, insbesondere beim Untersuchen von Blut (Blutprodukten und Blutproben), wenn es vornehmlich um spezifische Zellpopulation geht.

Neben der mangelnden Präzision ist die offene Filterfläche (Porosität) von Siebgeweben sehr gering. Die Porosität beschreibt in diesem Sinne die Summer alle Maschen einer Filterfläche in Bezug auf die gesamte Fläche des Filtermaterials. Neben Siebgeweben gibt es Filter aus Metallwerkstoffen, die in Bezug auf die Fitration von Zellen, bedingt durch die schlechte Porosität, nicht verwendet werden können.

In der US 2010 / 0 151 190 A1 wird eine Membran mit Löchern offenbart, die in atmungsaktiver Kleidung und/oder Schutzumhängen verwendet werden soll. Dabei geht es besonders um einen Schutz vor chemischen, radioaktiven und biologischen Kampfstoffen. So gesehen soll die Membran zum Filtern verwendet werden, explizit jedoch mehr wie bei einer Gasmaske, wobei atembare Luft hindurchgelassen werden soll und schädliche Stoffe ferngehalten werden sollen. Die Membran der D1 kann aus einem polymeren Material bestehen. Die Poren weisen eine runde Form auf. Die Membran kann dielektrische Schichten aufweisen, die in einem bestimmten Muster angeordnet sind. Die Membranen liegen dabei immer mindestens als Paar vor. In diesem Sinne dient das Applizieren von Strom für die dielektrischen Schichten zum Steuern der Position der Membranen zueinander und damit der Filtereigenschaften.

Ein Filter aus einem Meta II Werkstoff wird in der CN 1 11 432 910 A offenbart. Dabei wird eine Metallplatte mit Löchern beschrieben, die als Gasfilter verwendet wird, um Partikel aus der Entladungskammer eines Lasers zu filtern. Die fehlende Präzision als auch die geringe offene Filterfläche von Siebgeweben werden durch die Herstellung von Siebgeweben aus Kunststofffäden bedingt. Die Kunststofffäden werden in speziellen Mustern verwoben. Gleichzeitig ist die Dicke der einzelnen Fäden, in Bezug auf die eigentliche Pore, um ein Vielfaches größer. Um präzise Poren im Mikrometerbereich herzustellen, ist eine bereits angesprochene spezielle Webtechnik erforderlich. Gleichzeitig sind die Fäden im Verhältnis zur resultierenden Pore um ein Vielfaches größer. Final hat ein Siebgewebe in Bereichen unter 10pm eine offene Filterfläche von 1 bis 2%. Der Hauptteil des Gewebes ist somit für die Filtration vollkommen ungeeignet. Die Verfügbarkeit der Siebgewebe ist, in Anbetracht des fertigungstechnischen Aufwands, zudem auf wenige Hersteller beschränkt. Ein weiter nachteiliger Aspekt ist die Höhe der Siebgewebe.

Konstruktionsbedingt (Fadendicke und Abstände) haben Siebgewebe nicht nur eine Standardabweichung um die angegebene Maschenweite, sondern es gibt erhebliche Abweichungen in den Auflagepunkten der einzelnen Siebgewebefäden. Die Abstände der Siebgewebe in der Seitensicht (Querschnitt) sind an den Stellen der Auflagepunkte ungleich der Maschenweite in der Aufsicht. Die Bestimmung der Maschenweiten erfolgt über eine Luftwiderstandsmessung und definiert so den maßgeblichen Wert der Durchlässigkeit. Die Bestimmung der tatsächlichen Maschenweite bei der Bestimmung der Rückhaltegrenze kann über monodisperse Polymerpartikel erfolgen. Damit wird die eigentliche Abtrenngrenze (Cut-Off) definiert. Dieser weicht jedoch von der angegebenen Maschenweite in der Aufsicht ab. Ein Filter mit einem Siebgewebe, das nominal und in der Luftwiderstandsmessung eine Maschenweite von 1 pm aufweist, hat in diesem Anwendungsfall eine tatsächliche Abtrenngrenze von 10pm.

Je dicker bzw. höher das Siebgewebe, je geringer die geforderte Maschenweiten und je kleiner die verfügbare offene Filterfläche, desto größer ist der erforderliche Druck, um Probenmaterial durch die Maschen zu bekommen. Druck bedeutet, dass über die Schwerkraft hinaus eine zusätzliche Energie zugefügt werden muss, um die Trennung über das Siebgewebe zu ermöglichen. Zusätzliche Energie kann durch Zentrifugation oder durch Über- bzw. Unterdrück zugefügt werden. Eine zusätzliche Energie bei der Trennung von Zellen ist in diesem Sinne jedoch nachteilig, da tierische Zellen keine Zellwand besitzen und dementsprechend elastisch sind und bei einer Zentrifugation die Maschenweiten passieren können. Gleichzeitig wirken die Kräfte zellschädigend und führen mitunter zur Apoptose, was wiederum für Downstream-Prozesse nachteilig ist. Beispielsweise können apoptotische CD14+ Zellen (Monozyten) nicht zu Macrophagen oder antigen präsentierende Zellen differenziert werden. Da die Zellen durch die Isolation zu stark gestresst sind, lassen diese sich nicht mehr kultivieren und sind damit für einen Einsatz zur Herstellung personalisierter Medizin unbrauchbar.

Als Alternative zum Siebgewebe können Systeme mit Porenöffnungen unter 10 pm bereits durch Plasmabeschuss gefertigt werden. Membranen, die mittels Plasmabeschuss perforiert werden, haben jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die Verteilung der Poren auf der Membranoberfläche nicht definiert ist und wahllos erfolgt. Durch die Undefinierte Verteilung der Poren pro Fläche kann der Plasmabeschuss dazu führen, dass Poren sich überlagern und dadurch Öffnungen entstehen, die nicht der definierten Porenöffnung entsprechen. Um eine Überlagerung zu verhindern, kann pro Fläche somit nur eine bestimmte Anzahl von Poren hergestellt werden. Die offene Filterfläche ist damit limitiert.

Es besteht die Aufgabe, eine Einrichtung bereitzustellen, die effektive Trennvorgänge ermöglicht und leicht bereitzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 , ein System gemäß Anspruch 13 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren und den Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsformen der Erfindung sind in vorteilhafter Weise miteinander kombinierbar.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Filtern eines fluiden Materials, umfassend eine mindestens ein polymeres Material aufweisende Filterschicht mit mindestens einer porösen und mikrostrukturierter Oberfläche zum Filtern eines fluiden Materials, die Poren mit einer definierten Form aufweist, die gezielt im Material der Filterschicht verteilt sind, so dass die Filterschicht perforierte und nicht perforierte Bereiche aufweist.

Die Filterschicht der erfindungsgemäßen Einrichtung (auch als Trägermatrix oder T rägerschicht bezeichnet) weist Öffnungen auf der Oberfläche auf, durch die im Verhältnis von Porenöffnung zu offener Filterfläche ein weit höherer Wirkungsgrad erzielt werden kann als mit herkömmlichen Siebgeweben und Plasmamembranen. Die gezielte Verteilung der Poren ermöglicht vorteilhaft eine Einteilung von perforierten zu nicht perforierten Bereichen definierten Verhältnissen. Die Form der Poren muss dabei nicht ausschließlich rund oder eckig sein.

Neben der Porenform und Porenverteilung ist ein weiter Aspekt der Filterschicht vorteilhaft. Die Schichtdicke kann je nach angestrebter praktischer Anwendung frei gewählt werden. Besonders vorteilhaft sind dünne flächige Materialien, so dass die Filterschicht folienartig ausgebildet ist; dabei kann die Filterschicht z.B. eine Folie oder eine Membran sein. Die erfindungsgemäße Filterschicht wird daher synonym auch als Folie oder Membran bezeichnet. Die Filterschicht ist in einer geringstmöglichen Dicke herstellbar, wodurch im Vergleich zu herkömmlichen Siebgeweben eine kleinere Länge der Porenkanäle erreicht werden kann. Dadurch ist bei vergleichsweise geringeren Querschnitten der Porenöffnungen vorteilhafterweise eine geringere Kraft erforderlich, um die Stoffe von der eine auf die andere Seite der Filterschicht zu transferieren. Der erforderliche Druck wird reduziert und wirkt sich damit nicht mehr nachteilig auf komplexe biologische Systeme, wie z.B. primäre Zellen, aus.

Das polymere Material der Filterschicht kann natürlich oder künstlich sein, z.B. ein Kunststoff, Zellulose oder Polylactide. Wesentlich ist, dass das polymere Material perforierbar ist, d.h. zur Ausbildung von Poren geeignet ist. Die Filterschicht kann nachwachsende, regenerierte und/oder recycelten Materialien umfassen. Bevorzugt weist die Filterschicht Poren auf, deren definierte Form aus der Gruppe umfassend runde, ovale, eckige Formen oder Freiformen, die durch eine Kombination der runden, ovalen und eckigen Formen hergestellt werden, ausgewählt wird. Damit weisen die Poren Eigenschaften auf, die Maschen von herkömmlichen Siebgeweben, die konstruktionsbedingt immer eckig sind, nicht aufweisen. Dabei können die Porenformen alle gleichzeitig in einer Filterschicht bereitgestellt werden. Die Poren können gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt in einer Filterschicht bereitgestellt werden.

Vorzugsweise weist die mikrostrukturierte Oberfläche der Filterschicht eine Anzahl an unterstützenden, steuernden und/oder regelnden Strukturen im Nanometer-Mikrometer-Bereich auf. Die mikrostrukturierte Oberfläche der Filterschicht wird auch als mikrostrukturierte Funktionsoberfläche bezeichnet. Die Strukturen sind zum Steuern der Filtration des fluiden Mediums ausgebildet. Die Mikrostrukturen können beispielsweise vorteilhaft die Durchlässigkeit der Filterschicht steuern und überwachen, die Stabilität der Filterschicht überwachen und Signale bei Kontakt mit definierten Stoffen geben. Die Mikrostrukturen können z.B. auch Komponenten sein, die aus der Mikrooptik, Mikrofluidik, Photonik und anderen Fachgebieten bekannt sind. Mikrostrukturen ermöglichen Eigenschaften, z.B. in einer Verwendung einer erfindungsgemäß hergestellten Einrichtung als Filtereinrichtung in Aufreinigungsprozessen, die durch passive mikrofluidische Komponenten, basierend auf Filtern oder einfachen hydrodynamischen Prozessen, herkömmlicherweise nicht in einer entsprechenden Qualität geleistet werden können.

Die mikrostrukturierte Funktionsoberfläche ermöglicht vorteilhaft eine Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung in Filtrations- oder Abtrennvorrichtungen im Nano-, Mikro bis Millimeterbereich als auch in Systemen, in denen die mikrostrukturierte Oberfläche als durchlässige Trennwand zwischen mindestens zwei Systemen eingesetzt wird. Die Erfindung verbessert den Einsatz von Filtrationseinrichtungen in Bezug auf ein Trennen biologischer und nicht-biologischer Stoffgemische, die vornehmlich druckempfindliche Komponenten, wie beispielsweise primäre Zellen, Bakterien, Biopartikel oder Vesikel, im Mikro- und Nanometerbereich, enthalten. Neben allgemeinen Filtrationsanwendungen eröffnet und verbessert die Erfindung durch die definierte Größe und Verteilung der Mikrostrukturierungen den Einsatz in medizinisch komplexen Systemen, die eine zertifizierte und hoch regulierte Anwendung erfordern.

Bevorzugt sind die Strukturen aus einer Gruppe mit erhabenen Geometrien, vertiefenden Geometrien und zuführende Geometrien ausgewählt. Die Bezeichnung der Mikrostrukturen als Geometrien erfolgt hier in dem Sinne, dass es sich um unterstützende Geometrien handelt. Dabei wird die Kapillarströmung gesteuert, die Filtration über die erfindungsgemäße Filterschicht also unterstützt, z.B. beschleunigt oder verlangsamt. Dabei können z.B. kleine Teilchen schnell durch die Pore wandern können und großen Teilchen einfach die Zeit fehlt oder durch den Fluss, um überhaupt erst an die Pore zu gelangen.

Vorzugsweise weisen die Strukturen mit erhabenen Geometrien Halbkugeln, Pyramiden, Pyramiden mit abgerundeter Spitze, Kegel, Kegel mit abgerundeter Spitze und/oder Zylinder auf. Vorteilhafterweise werden durch erhabene Geometrien nicht nur Anströmung der Pore beeinflusst, sondern auch die Strömung über die Pore. In diesem technischen Zusammenhang, die beispielweise in einem Querstromfilter zu tragen kommt, könnten Verblockungen der Poren verhindert werden. Das verbessert die Standzeit der Filter, da die Poren nicht so schnell verstopfen und damit nicht so schnell ausgetauscht werden müssen.

Vorzugsweise sind die vertiefenden Geometrien nicht perforierende Abtragungen auf. Die Vorteile entsprechen denen der erhabenen Geometrien.

Ebenfalls bevorzugt weisen die zuführenden Geometrien eine schaufelartige Ausbildung auf. Mit anderen Worten können die unterstützenden Geometrien in Form von Schaufeln gestaltet werden, dass diese eine Zuführung zur Pore ist.

Vorzugsweise ist in der Einrichtung die Filterschicht in eine obere und untere Schicht eingebettet. Dabei ist in der oberen Schicht eine zuführende Leitung und der unteren Schicht eine wegführende Leitung für das fluide Medium ausgebildet, so sich die Filterschicht im Strömungsweg des fluiden Mediums befindet. Dadurch wird vorteilhaft eine Verwendung der Einrichtung in Systemen ermöglicht, die eine Filtration oder Osmose eines fluiden Mediums umfassen, z.B. in Zellzuchtanlagen oder Dialyseeinrichtungen.

Bevorzugt sind die Poren derart angeordnet, dass sie Karrees in der Oberfläche der Filterschicht bilden, die durch Stege getrennt sind. Diese Stege bezeichnen mit anderen Worten die Flächen zwischen den Karrees. Die Stege sind vorteilhafterweise zum Anordnen weiterer Elemente geeignet.

Bevorzugt sind zur Widerstandsmessung geeignete Leitbahnen (beispielsweise metallische Dehnmessstreifen) in der Matrix (z.B. durch additive Fertigung wie Drucken) in der Filterschicht angeordnet. Besonders bevorzugt ist mindestens eine Leitbahn im Bereich der besagten Stege angeordnet. Die Leitbahnen können in Kombination mit der Dehnung der porösen Filterschicht zur Widerstandmessung genutzt werden. Die Bestimmung des Widerstands basiert auf der Längen- und Querschnittsänderung metallischer Dehnmessstreifen. Werden die Messstreifen gedehnt, nimmt der Widerstand zu. So kann die Widerstandsmessung dafür verwendet werden, diverse Prozessabläufe zu kontrollieren. Beispielsweise kann bei steigendem Widerstand auf die Verblockung der Filterschicht geschlossen werden. Wird der Widerstand aktiv gemessen, wird es möglich, den Prozess direkt zu steuern. Optionen in der Prozesskette könnten sein, einen Fluss über die Einrichtung zu reduzieren, die Einrichtung kann rückgespült oder ein entsprechendes System mit der Einrichtung gar abgeschaltet werden, um einen Durchbruch zu verhindern. Wird die mikroporöse Trägerschicht gar zerstört, kann der Fluss über die Einrichtung direkt gestoppt werden.

Vorzugsweise weisen die Poren in der Filterschicht eine Größe im Bereich von 250 nm - 5 mm auf, insbesondere im Bereich von 250 - 1000 pm. Damit ist die erfindungsgemäße Filterschicht deutlich selektiver einsetzbar als z.B. herkömmliche Siebgewebe, in denen Poren unter 1 pm mit präziser Trennschärfe aus Siebgewebe realistisch nicht herstellbar sind. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein System mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung, umfassend mindestens eine Leitung für ein fluides Medium, in der die Einrichtung zum Filtern des fluiden Materials angeordnet ist. Dabei wird die Einrichtung in dem System als Filtrationseinrichtung verwendet und eignet sich sowohl für eine Kuchen- als auch Querstromfiltration. Die Einrichtung ist als Sieb oder Filter einsetzbar.

Das System ermöglicht z.B. eine vorteilhafte Verwendung in Laborfiltern, in Filterkaskaden, in Systemen zur Abtrennung von funktionalisierten Biopartikeln, in Zellkulturansätzen (für Hautmodelle, 3D-Epithelkulturen, Untersuchung der Chemotaxis, Transmigrationsassays oder z.B. in Transport- und Polaritäts-Studien), in extrakorporalen Systemen (z.B. in Dialysesystemen, oder in Systemen, in denen personalisierte Zellen eingesetzt, als Monolayer angezüchtet und damit als Unterstützung der körpereigenen Funktionen dienen) und in Filtersystemen zur Anreicherung von Bakterien zur diagnostischen Zwecken.

In dem System können z.B. vorteilhafterweise biologische Filme angezüchtet werden. In diesem Sinne kann die Einrichtung als Aufzuchtmatrix für biologische Systeme verwendet werden. Dabei können die Poren der Filterschicht z.B. zur Versorgung und oder zum Abtransport von Stoffwechsel Produkten von Lebewesen dienen. Dabei kann die Einrichtung auch zum Bestimmen biologischer Stoffwechselparameter verwendet werden. So kann bei der Kultivierung eines Monolayers (bedeutet, dass sich die Zellen an einem verfügbaren Substrat, Glasflächen oder dem Kunststoffboden des Kulturgefäßes anheften und sich erst unter dieser Voraussetzung vermehren und ausbreiten können. Sie sind für die meisten tierischen Zellen die gängige Kultur- und Wuchsform.) auf der Funktionsoberfläche, die Bildung der natürlichen Polarität und Morphologie der Zellen unterstützt werden. Gleichzeitig kann, bei Einsatz in Zellkultureinsätzen, durch die Funktionsoberfläche hindurch, eine Ver- und Entsorgung der Zellen erfolgen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung mit mikrostrukturierten Funktionsoberflächen kann vorteilhaft in Filtrations- oder Abtrennvorrichtungen im Nano-, Mikro bis Millimeterbereich als auch in Systemen verwendet werden, in denen die mikrostrukturierte Oberfläche als durchlässige Trennwand zwischen mindestens zwei Systemen eingesetzt wird. Die Erfindung verbessert den Einsatz von Filtrationseinrichtungen in Bezug auf ein Trennen biologischer und nicht-biologischer Stoffgemische, die vornehmlich druckempfindliche Komponenten, wie beispielsweise primäre Zellen, Bakterien, Biopartikel oder Vesikel, im Mikro- und Nanometerbereich, enthalten. Neben der allgemeinen Filtrationsanwendung eröffnet und verbessert die Erfindung, durch die definierte Größe und Verteilung der Mikrostrukturierungen, den Einsatz in medizinisch komplexen Systemen, die eine zertifizierte hoch regulierte Anwendung erfordern.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße System als Lab-On-Chip-System ausgebildet. In Lab-On-Chip-Systemen wirkt die mikrostrukturierte Oberfläche der Filterschicht der Einrichtung in dem System vorteilhaft im Sinne der Filterfunktion. Herkömmlicherweise wird z.B. bei einer Analyse von Vollblut in vielen Fällen zunächst das Blut gefiltert werden, um Folgeanalysen aus dem Blutserum durchführen zu können. Da der Transport des Probenmaterials in diesen mikrofluidischen Systemen teilweise mit Hilfe von Kapillarkräften erfolgt, kann nicht mit großen Drücken gearbeitet werden, um die Trennung von zellulären Bestandteilen und dem Blutserum zu realisieren. Filtermaterialien mit geringer Porosität, wie Filtergewebe oder Plasmamembranen können somit nicht verwendet werden. Auch muss bei Filtervliesen, die oftmals für die Abtrennung von Blutbestandteilen verwendet werden, darauf geachtet werden, dass diese neben der Flüssigkeitsaufnahme, die bei sehr geringen Probenvolumina von beispielsweise 20 pl nicht unerheblich ist, teilweise Proteine und somit den Analyten aus dem Blutserum unspezifisch binden. Neben den Filtermaterialen könnte die Trennung zusätzlich mit einer Zentrifugation unterstützt werden. Da für diesen Prozess eine Zentrifuge erforderlich ist und damit einen zusätzlichen technischen Aufwand bedarf, negiert somit die geforderte Einfachheit dieser Systeme. Im Unterschied dazu kann in einem Lab-On-Chip-System mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung die Anordnung und die Geometrie der Porenöffnungen gezielt an die mikrofluidische Filtration angepasst werden. Darüber hinaus kann die Funktionsoberfläche so ausgewählt und modifiziert werden, dass keine unspezifische Bindung von Proteine erfolgt. Die Funktionsoberfläche eröffnet somit neue Konstruktionsmöglichkeiten und damit Anwendungsspektrum.

Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Einrichtung mit einer mindestens eine poröse und mikrostrukturierte Oberfläche aufweisenden Filterschicht, mit den Schritten:

- Bereitstellen der Einrichtung in einer Einrichtung umfassend einen Laser, die zum Aufbringen von Strukturen in die Filterschicht mittels Laser ausgebildet ist,

- Bearbeiten der Oberfläche der Filterschicht mit dem Laser, wobei das Material der Filterschicht durch Ausbilden von Poren perforiert wird,

- Modifizieren der Oberfläche der Filterschicht durch mindestens ein additives Verfahren und/oder ein chemisches Verfahren.

Das Verfahren ermöglicht auf vorteilhafte Art und Weise, Öffnungen auf der Oberfläche der Filterschicht herzustellen, so dass eine erfindungsgemäße Filterschicht mit den o.g. Vorteilen bereitgestellt werden kann. Die Laserablation bietet dementsprechend entscheidende Vorteile bei der Strukturierung der Filterschicht: gezielte Verteilung der Poren auf der Oberfläche der Filterschicht, definierte Verhältnisse von perforierten zu nicht perforierten Bereichen, gesteuerte Form der Poren. Das Verfahren umfasst vorzugsweise einen weiteren Schritt, in dem die Ränder der Filterschicht in ein zum Spritzguss geeignetes Material eingebettet werden, d.h. durch ein Spritzgussverfahren, so dass sie z.B. als Filter in einem Bauteil weiter verarbeitet werden kann. Das Einbetten kann dabei zwischen den einzelnen Schritten erfolgen.

Vorteilhafterweise kann die Filterschicht sowohl vor als auch nach der Ver- bzw. Einarbeitung im vorgesehenen Bauteil mit den Öffnungen ausgestattet werden. Der Prozess kann in der Hinsicht so gestaltet werden, dass die Filterschicht mit einer Haltestruktur ausgestattet werden kann. Es könnten Trägerschichten eingesetzt werden, die in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt wurden. Gleichzeitig kann das Trägermaterial, von der Rolle, direkt dem Verarbeitungsprozess (z.B. Spritzguss, Stanzen) zugeführt werden. Die Haltestrukturen oder Bauteile mit eingebetteter Trägerschicht, für die nachträglich Perforation, könnten beispielsweise Ringe, Rechtecke oder Freiformen sein, die zum einen die plane Verarbeitung der Trägerschicht ermöglicht und unterstützt sowie eine ungehinderte nachträglich Perforation erlaubt. Trägerschichten die bereits modifiziert wurden, können neben einfachen Bauteilen wie Ringe oder Rechtecke in komplizierteren Bauteilen wie beispielsweise Zylindern direkt ein- und umspritzt werden.

Zudem ist eine Nachbearbeitung der Filterschicht im Bauteil möglich. Die Einbettung entsprechender Filterschichten ist dementsprechend anspruchslos und bietet dem Produktionsprozess insofern den Vorteil, dass automatisiert eine große Anzahl an bearbeitbaren Rohlingen gefertigt werden kann. Vorteilhaft zu anderen Verfahren muss die potentielle Mikrostrukturierung nicht von Beginn der Fertigung definiert werden und erlaubt somit eine höhere Flexibilität hinsichtlich einer späteren Verwendbarkeit. Gleichzeitig kann die Anordnung der Mikrostrukturierung anwendungsspezifisch erfolgen und muss nicht für jeden Prozess gleich gestaltet werden. Hier liegt der wesentliche Unterschied zu allen bisher auf dem Markt erhältlichen Produkten. Der Fertigungsprozess ist hochgradig individualisierbar und erlaubt es kostengünstig und spezifisch Systeme zu fertigen, die nicht vom Ausgangmaterial bestimmt werden. In herkömmlichen Verfahren müssen Poren und Maschenweiten von Beginn an definiert werden. Da die Laserablation ein abtragendes Verfahren ist, kann die Mikrostrukturierung als nachgeschaltet Verfahren erfolgen. Damit wird eine prozessbezogene Individualisierbarkeit ermöglicht, die es erlaubt kostengünstig Kleinst- und Kleinserien umzusetzen.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche der Filterschicht zusätzlich durch additive Verfahren und/oder chemische Modifikationen und/oder biologische Modifikationen modifiziert. Die Modifikation können sowohl vor als nach der Laserablation erfolgen. Ein additives Verfahren ist z. B. ein 3D-Druck. Durch additive Verfahren können besonders vorteilhaft zusätzliche unterstützende, steuernde oder regelnde Strukturen auf der Oberfläche angebracht und aufgebracht werden.

Der Einsatz der Laserablation hat zudem den entscheidenden Vorteil, dass die Modifikation der Oberfläche im Prozess anwendungsspezifisch durchführbar und damit hochgradig individualisierbar ist. Der Fertigungsprozess wird anwendungsorientiert und damit nicht mehr vom verfügbaren Ausgangsmaterial bestimmt. Der Zugang zu Kleinst- und Kleinserien, um Spezialanwendungen umzusetzen wird damit viel einfacher umsetzbar. Gleichzeitig kann die Kombination von Laserablation und additiven Verfahren im Nano- und Mikrometermaßstab aktive steuerbare hydrodynamische Prozesse ermöglichen. Als Trennwand oder Stützmatrix kann die Funktionsoberfläche für die Anzucht von biologischen Filmen verwendet werden. Die Funktionalität der Mikroperforation mittels der Laserablation ermöglicht die Durchlässig zur Ver- und Entsorgung der biologischen Komponente. Gleichzeitig hilft die Modifizierbarkeit der Trägermatenalien, mittels additiver Verfahren, biologische Parameter zu bestimmen und zu steuern.

Vorzugsweise werden in dem Verfahren Laserablation und additive Verfahren zum Herstellen zusätzlicher Porenstrukturen in einem stufigen Prozess kombiniert durchgeführt. Die Porenöffnung könnte so generiert werden, dass die Öffnung der Richtung eines Flüssigkeitsflusses zugewandt oder von der Fließrichtung abgewandt sein kann.

Die Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer Filterschicht mit einer definierten Form und Verteilung der Poren. Figur 3 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer Ausführungsform der Filterschicht, zusammen mit einem vergrößerten Ausschnitt.

Figur 4 eine vergleichende schematische Darstellung der Oberflächen einer Filterschicht ohne (A) und mit Stegen (B).

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Oberfläche einer Ausführungsform einer Filterschicht mit aufgebrachten Leitbahnen, zusammen mit einem vergrößerten Ausschnitt.

Figur ß Darstellung verschiedener Porenformen in einer Oberfläche einer Filterschicht (a - g).

Figur 7 Darstellung verschiedener Möglichkeiten der Anordnung von Poren in der Oberfläche einer Filterschicht (a - e).

Figur 8 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Figur 9 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.

Figur 10: Ein Fließdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 11 : ein Fließdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung 1 dargestellt. Die Einrichtung 1 weist in der Ausführungsform gemäß Fig. 1a ein Gehäuse 2 auf. Im Innenraum 3 des Gehäuses 2 ist eine Filterschicht 10 angeordnet. Die Filterschicht 10 ist in Fig. 1a ohne eine Unterstützungsmatrix angeordnet, d.h. sie wurde beim Herstellungsprozess direkt in das Gehäuse 2 eingearbeitet.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 b weist das Gehäuse 2 ein Gehäuseoberteil 4 und ein Gehäuseunterteil 5 auf, die miteinander reversibel verbindbar sind, z.B. durch einen Schraubverschluss. Hier ist die Filterschicht 10 im oberen Bereich des Gehäuseunterteils 5 angeordnet. Dabei ist die Filterschicht 10 hier auf einem Einleger 6 angeordnet, der als Unterstützungsmatrix für die mechanische Stabilität funktioniert.

In einer alternativen Ausführungsform kann die Filterschicht 10 auch derart mit dem Einleger s kombiniert werden, dass die Filterschicht 10 direkt im Einleger 6 eingearbeitet wird und dann fest mit diesem verbunden ist. Werden die Gehäuseteile 4, 5 jeweils mit zwei Ein- und Auslässen modifiziert, kann die Einrichtung 1 als Cross-Flow-Filter verwendet werden.

In Fig. 2 ist die Filterschicht 10 dargestellt. Die Filterschicht 10 besteht aus Polylactiden. Alternativ kann die Filterschicht 10 auch aus einem anderen geeigneten natürlichen oder rein synthetischen Polymer oder einem Gemisch von entsprechenden Polymeren hergestellt sein.

Die Dicke der Filterschicht 10 beträgt 500 pm. Die Schichtdicke kann alternativ auch dünner oder dicker sein; sie kann so gewählt werden, dass sie den gewünschten Anforderungen genügt. Die Abmessungen in Höhe und Breite sind entsprechend einer geplanten Anwendung ebenfalls frei wählbar und können z.B. 10 cm (Höhe) und 8 cm (Breite) betragen.

Die Filterschicht 10 weist eine Anzahl Poren 20 auf. Die Poren 20 sind in der Oberfläche 30 der Filterschicht 10 rechteckig ausgebildet und in einem geordneten Muster in definierten Reihen angeordnet. Die Poren 20 haben dabei Dimensionen von 250 - 1000 pm.

In Fig. 3 ist die Filterschicht 10 gemäß Fig. 2 detaillierter gezeigt. Dazu ist die Filterschicht 10 mit einem vergrößerten Ausschnitt A gezeigt. Die Poren 20 sind in rechteckigen Karrees 21 aus 24 (4x6 Reihen) Poren 20 angeordnet. Zwischen den Karrees 21 ist jeweils ein Abstand ausgebildet. Die Karrees 21 sind gleichmäßig über die Oberfläche 30 der Filterschicht 10 verteilt.

In Fig. 4 sind vergleichend zwei Ausbildungen der Porenverteilung dargestellt. In Fig. 4A entspricht die Porenverteilung in der Filterschicht 10 dabei den Fig.

1 und 2. Die Poren 20 sind in Karrees 21 angeordnet, die voneinander abgegrenzt, aber gering beabstandet sind. In Fig. 4B sind die Abstände zwischen den Karrees 21 deutlicher ausgebildet. Die Flächen zwischen den Karrees 21 werden auch als Stege 22 bezeichnet.

Die Stege 22 fungieren als Platzhalter, auf denen z.B. Leitbahnen 23 angeordnet werden können (Fig. 5). Die Beschaffenheit der Leitbahnen 23 erlaubt die Ableitung von Widerständen. Leitbahnen 23 können in allen Stegen 22 angeordnet sein. Alternativ können Leitbahnen auch nur in einigen Stegen angeordnet sein. Ein vergrößerter Ausschnitt in Fig. 5 zeigt eine detailliertere Ansicht der Poren 20 und Leitbahnen 23.

Die Poren 20 können neben der in Fig. 2 - 5 gezeigten rechteckigen Form eine beliebige andere Form aufweisen. In Fig. 6 sind beispielhaft verschiedene mögliche Porenformen gezeigt: a) rechteckig, b) kreuzförmig, c) kreisförmig, d) kreis- und rechteckig kombiniert, e) oval, f) oval und rechteckig kombiniert, g) dreieckig und rechteckig kombiniert, dabei im Wesentlichen dreieckig). Weitere Formen sind möglich.

In Fig. 7 sind Möglichkeiten gezeigt, wie die Poren 20 gleicher oder verschiedener Formen in der Filterschicht 10 angeordnet sein können. Dabei sind die Anordnungen jeweils als Karree 21 gezeigt. In Fig. 7a sind dreieckige Poren 20 alternierend mit spitzen oder flachen Seiten zueinander angeordnet. In Fig. 7b sind dreieckige Poren 20 im Unterschied zu a) derart angeordnet, dass sie mit den spitzen Seiten versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die Spitzen nebeneinander und nicht zueinander liegen. In Fig. 7c sind rechteckige Poren 20 in einem Karree 21 so angeordnet, dass in der oberen und unteren Reihe jeweils 8 Poren 20 mit den langen Seiten zueinander und in den beiden mittleren Reihen jeweils drei Poren 20 mit den kurzen Seiten zueinander angeordnet sind. In Fig. 7d sind die Poren der beiden mittleren Reihen wie in Fig. 7c angeordnet. Die Poren 20 der oberen und unteren Reihe sind ähnlich wie in Fig. 7c mit den langen Seiten zueinander, dabei aber in leicht geneigter Form (obere Reihe mit Neigung nach links, untere Reihe mit Neigung nach rechts) angeordnet. In Fig. 7e sind drei Reihen von jeweils drei rechteckigen Poren 20 mit den kurzen Seiten zueinander angeordnet. Alternierend ist zwischen den Reihen mit rechteckigen Poren 20 jeweils eine Reihe mit kreisförmigen Poren 20 angeordnet. Es ist klar, dass die Porenformen und die Anordnungen der Poren 20 nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt sind. Weiteren Kombinationsmöglichkeiten in der Ausbildung und Anordnung der Poren 20 sind möglich.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsform eines Systems 40 gezeigt, die eine Einrichtung 1 mit zwei Filterschichten 10 aufweist, nämlich einer ersten (unteren) Filterschicht 11 und einer zweiten (oberen) Filterschicht 12. Das System 40 stellt in Fig. 8 ein Siebsystem dar. Ein Konnektor 41 verbindet die Einrichtung 1 mit einem Auffanggefäß 42 und ermöglicht einen Anschluss eines Filterunterstützungssystems. Im oberen Bereich des Systems 40 ist ein Trichter 43 angeordnet, der zum Vergrößern eines Aufgabevolumens eines zu filternden Mediums vorgesehen ist.

Die zweite Filterschicht 12 kann auslaufsicher oberhalb der ersten Filterschicht 11 angeordnet werden. Dabei unterscheiden sich die beiden Filterschichten 11 , 12 in mindestens einem Parameter, und zwar mindestens in der Porosität, so dass die Porosität der zweiten Filterschicht 12 größer ist als die der ersten Filterschicht 11. Die zweite Filterschicht 12 ist optional, d.h. das System 40 funktioniert auch allein mit der ersten Filterschicht 11 .

In Fig. 9 ist eine weitere Ausführungsform des Systems 40 gezeigt. Das System 40 in Fig. 9 stellt dabei ein Siebsystem für einen Flaschenaufsatzfilter dar. Dabei ist die erste Filterschicht 11 in einer ersten Siebeinrichtung 45 angeordnet, und die zweite Filterschicht 12 in einer zweiten, oberhalb der ersten Siebeinrichtung angeordneten Siebeinrichtung 46 angeordnet. Auch hier unterscheiden sich die beiden Filterschichten 11 , 12 in mindestens einem Parameter, und zwar mindestens in der Porosität, so dass die Porosität der zweiten Filterschicht 12 größer ist als die der ersten Filterschicht 11 . Auch hier ist zweite Filterschicht 12 optional (dementsprechend die zweite Siebeinrichtung 46), d.h. das System 40 funktioniert auch allein mit der ersten Filterschicht 11 .

In einem Verfahren gemäß Fig. 10 zum Herstellen einer Filterschicht 10 wird in einem ersten Schritt S1 ein Rohling einer Schicht aus Polylactiden in einer geeigneten, dem Fachmann geläufigen Einrichtung bereitgestellt. Der Rohling kann z.B. von einer Rolle stammen, also durch ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren abgebildet werden. Der Rohling kann z.B. durch eine Haltestruktur gehalten werden.

In einem zweiten Schritt S2 wird der Rohling mittels einer Lasereinrichtung in einem Verfahren zur Laserablation bearbeitet. Dabei werden Poren in den Rohling eingefügt.

In einem dritten Schritt S3 wird der Rohling (nunmehr als Filterschicht 10 zu bezeichnen) direkt dem Spritzguss zugeführt. Dabei werden die Ränder der Filterschicht 10 mit einem Material umhüllt, die Filterschicht 10 sozusagen eingebettet, so dass sie z.B. als Filter verwendet werden kann. Das besagte Material ist zum Spritzguss geeignet; es kann z.B. das gleiche Material wie die Filterschicht 10 aufweisen, oder ein anderes, dem Fachmann bekanntes, z.B. Kunststoff. Der Filter kann wiederum in einem Bauteil verbaut werden.

In einem vierten Schritt S4 wird die Oberfläche der Filterschicht 10 zusätzlich durch additive Verfahren modifiziert. Zusätzlich oder alternativ kann die Oberfläche auch chemisch modifiziert werden. Die Schritte S2, S3 und S4 sind vertauschbar, d.h. die Modifikationen durch additive Verfahren können auch vor der Laserablation durchgeführt werden.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens, die ebenfalls anhand von Fig. 10 erklärt wird, wird die erfindungsgemäße Filterschicht 10 während der Bearbeitung in ein Bauteil überführt, das die Filterschicht 10 aufweisen soll. Dabei wird Schritt S1 wie in dem Verfahren gemäß Fig. 10 durchgeführt. In Schritt S2 wird der Rohling in einem Bauteil verspritzt und dann in Schritt S3 durch Laserablation bearbeitet. Schritt S4 entspricht dann wieder Schritt S4 gemäß dem Verfahren von Fig. 10. Die Modifikation mittels additiver Verfahren kann auch hier sowohl vor als aus nach dem Spritzguss erfolgen, sowie vor der Laserablation. Das fertige Bauteil kann wiederum als Einlegeteil in einem weiteren Bauteil verbaut werden

Das Einfügen in ein Bauteil kann auch vor der Laserablation erfolgen. Mit anderen Worten kann Schritt S3 in Fig. 10 auch mit Schritt S2 getauscht werden. Die Filterschicht 10 kann damit bearbeitet werden, sowohl bevor als auch nachdem sie in ein Bauteil eingefügt wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß Fig. 11 wird in einem S1 wie in dem Verfahren gemäß Fig. 10 durchgeführt. In Schritt S2 wird der Rohling in einem Bauteil verspritzt. In einem dritten Schritt S3 wird die Oberfläche des Rohlings chemisch modifiziert. In einem vierten Schritt S4 wird die Oberfläche des Rohlings durch Laserablation bearbeitet. In einem fünften Schritt S5 wird die Filterschicht 10 durch additive Verfahren modifiziert. Die Modifikation der Folienoberfläche erfolgt auch hier nach dem Spritzguss-Prozess spezifisch, die Modifikation der Folienoberfläche mit additiven Verfahren kann sowohl vor als auch nach der Laserablation erfolgen. Die fertigen Bauteile können wiederum als Einlegeteil in einem weiteren Bauteil verbaut werden.

Bezugszeichenliste

1 Einrichtung

2 Gehäuse

3 Gehäuseinnenraum

4 Gehäuseoberteil

5 Gehäuseunterteil

6 Einleger

10 Filterschicht

11 erste Filterschicht

12 zweite Filterschicht

20 Pore

21 Karree von Poren

22 Steg

23 Leitbahn

30 Oberfläche der Filterschicht

40 System

41 Konnektor

42 Auffanggefäß

43 Trichter

45 erste Siebeinrichtung

46 zweite Siebeinrichtung

A vergrößerter Ausschnitt