Titel

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Lab-on-Chip-Kartuschen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Lab-on-Chip- Kartuschen. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Durchtrennen von Teilen von Lab-on-Chip-Kartuschen, insbesondere eines Stegs zwischen zwei Lab-on-Chip-Kartuschen, mittels welcher ein Schritt des Verfahrens durchgeführt werden kann.

Stand der Technik

Mikrofluidische Vorrichtungen, die auch als Lab-on-Chip bekannt sind, können zur Prozessierung kleiner biologischer Probenmengen verwendet werden. Lab- on-Chip-Kartuschen sind auswechselbare Bestandteile solcher mikrofluidischer Vorrichtungen. Sie sind üblicherweise als Einwegprodukte ausgelegt, in denen beispielsweise Reagenzien für die Verwendung in der mikrofluidischen Vorrichtung vorgelegt sind. Die Fertigung von Lab-on-Chip-Kartuschen erfolgt oftmals einzeln.

In der WO 2009/043614 A2 wird ein Verfahren zur Herstellung mikrofluidischer Bauelemente beschrieben. Mehrere mikrofluidische Bauelemente werden dabei gemeinsam in einem Batch-Verfahren hergestellt und anschließend in die einzelnen mikrofluidischen Bauelemente unterteilt. Dies kann durch mechanisches Schneiden oder Sägen erfolgen. Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Lab-on-a-Chip-Kartusche, wobei ein erster Teil der Kartusche von einem zweiten Teil mit einem erhitzten Draht abgetrennt wird.

Der Draht kann dabei bevorzugt zumindest in einem Abschnitt des Drahtes erhitzt werden. Bei dem ersten und zweiten Teil kann es sich insbesondere um Teile der Kartuschen handeln, welche Kunststoff umfassen. Mikrofluidische Kartuschen können als Schichtaufbau mehrere Lagen umfassen, beispielsweise eine Fluidiklage, getrennt durch eine elastische Membran von einer Pneumatiklage, wobei die Pneumatiklage zur pneumatischen Ansteuerung der Membran für die Bewegung von Fluiden in der Fluidiklage dient. So können der erste Teil und/oder der zweite Teil vorzugsweise ein oder mehrere Lagen oder Schichten einer Kartusche oder jeweils einer Kartusche umfassen. Bei dem ersten Teil und dem zweiten Teil kann es sich beispielsweise um zwei Pneumatiklagen oder Fluidiklagen handeln, welche für zwei separate Kartuschen vorgesehen sind und optional über einen Steg verbunden sind. Alternativ kann es sich bei einem oder beiden Teilen um mehrere Lagen oder Schichten der Kartusche handeln. In anderer Ausgestaltung kann es sich bei einem der beiden Teile um ein Abfallteil, welches nach dem Durchtrennen entsorgt wird, oder um ein Einlegeteil oder Deckelteil handeln, welches nach dem Durchtrennen in die Kartusche, insbesondere in das andere Teil, eingesetzt beziehungsweise aufgesetzt wird.

Gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung von Lab-on-Chip- Kartuschen ist vorgesehen, zwei Lab-on-Chip Kartuschen herzustellen, die über einen Steg miteinander verbunden sind. Dieser Steg kann als vorgegebene Trennstelle zwischen den beiden Lab-on-Chip- Kartuschen fungieren. Ein Durchtrennen des Stegs erfolgt, indem dieser mittels eines Drahtes durchtrennt wird. Der Draht wird hierbei zumindest abschnittsweise erhitzt. Gemäß dieser Ausgestaltung handelt es sich bei dem ersten Teil um einen Teil der ersten Kartusche und bei dem zweiten Teil um einen Teil der zweiten Kartusche, wobei der erste Teil und der zweite Teil über den Steg verbunden sind. In besonderer Ausgestaltung handelt es sich bei dem ersten Teil um die erste Kartusche und bei dem zweiten Teil um die zweite Kartusche, wobei die erste Kartusche und die zweite Kartusche über den Steg verbunden sind. Mit anderen Worten kann das Durchtrennen des Stegs in einer Ausgestaltung des Verfahrens während der Herstellung der beiden Kartuschen oder in einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens nach Herstellung der Kartuschen erfolgen. In anderen Ausgestaltungen können auch mehr als zwei Kartuschen gemeinsam hergestellt und bis zum Durchtrennen über Stege miteinander verbunden sein.

Gegenüber anderen Trennverfahren, die dazu geeignet wären, in einem Batch- Verfahren gefertigte Lab-on-Chip- Kartuschen zu trennen, wie beispielsweise der Einsatz eines Lasers, Wasserstrahlschneiden, Sägen, Stanzen oder Brechen, hat die Verwendung des Drahtes zahlreiche Vorteile. Lange Taktzeiten in der Fertigung, die bei anderen Trennverfahren durch langsamere Vorschübe auftreten würden, können so vermieden werden. Späne, die beispielsweise beim Sägen auftreten oder Wasserreste, die beim Wasserstrahlschneiden auftreten und die eine gegenüber Feuchtigkeit oder Verschmutzungen empfindliche Lab- on-Chip- Kartusche schädigen könnten, werden ebenfalls vermieden. Durch Verwendung des Drahtes treten an der Schnittstelle keine scharfen Kanten auf, wodurch keine Verletzungsgefahr für den Anwender besteht. Es ist auch keine große Krafteinwirkung auf die Lab-on-Chip- Kartusche beziehungsweise die Teile erforderlich. Da in einer Lab-on-Chip- Kartusche unterschiedliche Materialien verbaut werden, die beispielsweise unterschiedliche Elastizitäten und unterschiedliche Materialstärken aufweisen, könnte eine solche Krafteinwirkung zu mechanischen Spannungen und zur Bildung von Rissen führen. Insbesondere könnte es zu einer Delaminierung kommen.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Verfahren anders als beim Stanzen oder Brechen nicht auf die Geometrie der Trennung ausgelegt werden muss. Durch Ändern der Verfahrstrecke des Drahts kann das Verfahren schnell an eine andere Geometrie von Lab-on-Chip- Kartuschen angepasst werden. Sollten Änderungen an den herzustellenden Lab-on-Chip-Kartuschen vorgenommen werden, indem beispielsweise andere Materialien eingesetzt werden oder ein Schichtaufbau innerhalb der Lab-on-Chip-Kartuschen verändert wird, so muss keine Änderung an der Vorrichtung vorgenommen werden, welche zum Durchtrennen des Stegs verwendet wird. Stattdessen ist eine Anpassung der Verfahrstrecke ausreichend.

Das Herstellen von Teilen der beiden Lab-on-Chip- Kartuschen kann insbesondere durch Spritzgießen erfolgen. Diese Teile können in dem Verfahren jeweils in einem einzigen Spritzgusszyklus in einer gemeinsamen Form gefertigt und anschließend mit weiteren Bestandteilen der Lab-on-Chip- Kartuschen laminiert werden.

Der Steg weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 2 mm bis 5 mm auf. Damit ist er dick genug, um ein ungewolltes Auseinanderbrechen der beiden Lab-on-Chip- Kartuschen bei der Herstellung zu verhindern, ist aber gleichzeitig dünn genug, um mittels des Drahtes einfach durchtrennt werden zu können.

Der Draht wird in dem Verfahren vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 300°C erhitzt. Diese Temperatur ist einerseits hoch genug, um alle üblicherweise in einer Lab-on-Chip- Kartusche verbauten Materialien ausreichend zu erweichen, sodass sie mit dem Draht einfach durchtrennt werden können und ist andererseits niedrig genug, um ein starkes Aufschmelzen der Materialien zu verhindern, durch welche sich in großer Menge Schmelzreste von den Lab-on- Chip- Kartuschen ablösen können, oder wodurch sogar eine Schädigung von tief in den Lab-on-Chip- Kartuschen angeordneten Bauteilen erfolgen könnte, beispielsweise durch eine Verformung von Kanälen in der Lab-on-Chip- Kartusche.

Die Vorrichtung zum Durchtrennen von Teilen von Lab-on-Chip-Kartuschen, insbesondere über ein Durchtrennen eines Steges zwischen zwei Lab-on-Chip- Kartuschen, die insbesondere für die Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden kann, weist einen Draht auf, der eingerichtet ist, um die Teile, insbesondere den Steg zu durchtrennen. Weiterhin weist sie eine Heizeinrichtung auf, die eingerichtet ist, um den Draht zu erhitzen. Wie oben ausgeführt, können einer oder beide Teile vorzugsweise ein oder mehrere Lagen oder Schichten einer Kartusche oder jeweils einer Kartusche umfassen. Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Abstreifer, um vorteilhafterweise vom Draht mitgenommenes abgeschmolzenes Material vom Draht zu entfernen. Der Abstreifer ist dabei bevorzugt direkt am Draht angeordnet, wobei der Draht ohne mitgeführtem Material den Abstreifer entweder berührt oder in alternativer Ausgestaltung nicht berührt. Die alternative Ausgestaltung hat den Vorteil, dass ein möglichst kleiner Spalt zwischen Draht und Abstreifer vorgesehen werden kann, so dass der Draht den Abstreifer nicht abnutzt, aber auf dem Draht mitgeführtes Material durch den Abstreifer möglichst vollständig entfernt wird.

Vorzugsweise ist die Heizeinrichtung als elektrische Spannungsquelle ausgeführt, die eingerichtet ist, um eine elektrische Spannung an dem Draht anzulegen. Ein elektrischer Stromfluss durch den Draht bewirkt aufgrund von dessen elektrischem Widerstand eine Erhitzung des Drahtes.

Bevorzugt besteht der Draht aus einem Metall, beispielsweise umfassend Edelstahl. Metalle weisen eine gute thermische Leitfähigkeit auf, was das Erhitzen des Drahtes erleichtert. Außerdem weist sie eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, was vorteilhaft ist, wenn die Heizeinrichtung als elektrische Spannungsquelle ausgeführt ist.

Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Draht eingerichtet ist, um entlang seiner Längsachse bewegt zu werden. Diese axiale Bewegung des Drahtes ermöglicht einen gleichmäßigen Wärmeeintrag in den Steg, sodass ein unerwünschtes starkes Aufschmelzen der Materialien der Lab-on-Chip- Kartuschen vermieden werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird die axiale Bewegbarkeit des Drahtes realisiert, indem der Draht in einer Spannvorrichtung eingespannt ist, die entlang der Längsachse des Drahtes beweglich ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Vorrichtung zwar über bewegliche Teile verfügt, der Draht selbst jedoch nicht über bewegliche Teile geführt wird, sodass keine Gefahr besteht, hierbei geschmolzene Kunststoffreste in bewegliche Teile der Vorrichtung einzutragen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird die axiale Beweglichkeit des Drahtes realisiert, indem der Draht zwischen zwei Spulen gespannt ist. Dabei ist der Draht eingerichtet, um von der ersten Spule abgewickelt zu werden und auf die zweite Spule aufgewickelt zu werden. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass lediglich der Draht selbst und keine mit ihm verbundene Spannvorrichtung axial bewegt werden muss, was mit geringem Kraftaufwand möglich ist.

In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird die axiale Beweglichkeit des Drahtes realisiert, indem dieser zwischen mehreren Umlenkrollen in einem vorzugsweise geschlossenen Streckenzug geführt ist. Der bevorzugte geschlossene Streckenzug ist vorzugsweise im Wesentlichen polygonförmig, insbesondere im Wesentlichen rechteckig. Diese Ausführungsform der Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie durch die Verwendung eines endlosen Drahtes mit einer geringen Drahtlänge auskommt und die Verfahrensführung auch nicht nach einem vollständigen Abwickeln des Drahtes von der Spule vorübergehend unterbrochen werden muss.

Ferner betrifft die Erfindung ein Kartuschenzwischenprodukt, umfassend einen ersten Teil und einen zweiten Teil, wobei der erste Teil und der zweite Teil über eine mit einem erhitzten Draht durchtrennbare Verbindung, miteinander verbunden sind. Bei dem ersten Teil kann es sich insbesondere um einen Teil einer ersten Kartusche und bei dem zweiten Teil kann es sich insbesondere um einen Teil einer zweiten Kartusche wie oben beschrieben handeln. In besonderer Ausgestaltung kann es sich, wie ebenfalls oben beschrieben, bei dem ersten Teil um eine erste Kartusche und bei dem zweiten Teil um eine zweite Kartusche handeln, wobei die beiden Kartuschen miteinander verbunden sind. Die Verbindung kann beispielsweise als Steg zwischen den beiden Teilen beziehungsweise Kartuschen ausgestaltet sein. Unter einer mit einem erhitzten Draht durchtrennbaren Verbindung ist insbesondere eine Verbindung, insbesondere umfassend Kunststoff, zu verstehen, welche mit einem Draht durchtrennt werden kann, wobei der Draht zumindest stellenweise über Raumtemperatur erhitzt ist, insbesondere auf eine Temperatur im Bereich von 200°C bis 300°C. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht von zwei Lab-on-Chip- Kartuschen, die in einem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung getrennt werden können.

Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Lab-on-Chip- Kartusche, die in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Fig. 1 zeigt zwei Lab-on-Chip- Kartuschen 10a, 10b, die über einen beispielsweise 3,5 mm dicken Steg 20 miteinander verbunden sind. Sie können gemeinsam in einem Batch-Verfahren gefertigt werden. Nach Durchtrennen des Stegs 20 werden zwei individualisierte Lab-on-Chip- Kartuschen 10a, 10b erhalten. Alternativ kann es sich auch um Teile 10a, 10b für Lab-on-Chip- Kartuschen handeln, insbesondere einen ersten Teil 10a für eine erste Kartusche und einen zweiten Teil 10b für eine zweite Kartusche. Fig. 1 zeigt somit auch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kartuschenzwischenprodukts.

In Fig. 2 ist für eine der Lab-on-Chip- Kartuschen 10a beispielhaft ein Schichtaufbau dargestellt. Von oben nach unten besteht die Lab-on-Chip- Kartusche 10a im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem ersten Teil 11a, das in einem Spritzgussverfahren aus Polycarbonat hergestellt wurde und bei dem es sich um die Fluidiklage handeln kann, dann aus einer Folie 12a aus thermoplastischem Polyurethan (TPU), anschließend aus einem zweiten Teil 13a, das in einem Spritzgussverfahren Polycarbonat gefertigt wurde und bei dem es sich um die Pneumatiklage handeln kann, und schließlich optional aus einer Seal- Folie 14a aus Polycarbonat (PC) zur Versiegelung. Alle Bestandteile der Lab-on-Chip- Kartusche 10a bestehen also aus thermoplastischen Kunststoffen, die mittels eines heißen Drahts geschnitten werden können. Hierfür sind die Vorrichtungen gemäß den drei im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung geeignet:

Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Draht 30 ist zwischen zwei Spannelementen 41, 42 einer Spannvorrichtung 40 gespannt, wobei es sich bei den Spannelementen beispielsweise wie in Fig. 3 angedeutet um zwei massive Körper 41, 42 aus Kunststoff und/oder Metall handeln kann, in welche jeweils ein Ende des Drahts 30 eingebettet ist. Der Draht 30 umfasst für eine Erwärmung über Strom vorzugsweise Metall, insbesondere Edelstahl für gleichzeitige mechanische Stabilität. Beispielsweise hat der Draht eine Dicke zwischen 50 Mikrometer und 2 Millimeter, bevorzugt zwischen 0,2 und 0,6 Millimeter, wobei eine größere Dicke eine höhere mechanische Stabilität zur Folge hat, aber dafür aufgrund des zusätzlichen Materials grundsätzlich mehr Energie zum Erhitzen benötigt wird. Eine elektrische Spannungsquelle 50 ist mit zwei elektrischen Kontaktelementen 51, 52 verbunden, die jeweils nah an den Spannelementen 41, 42 am Draht 30 angeordnet sind. Die Spannvorrichtung 40 ist in der Richtung R entlang der Längsachse des Drahtes 30 verfahrbar. Bei Verwendung dieser Vorrichtung im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Draht 30 durch Anlegen einer elektrischen Spannung erhitzt. Zugleich wird die Spannvorrichtung 40 in der Richtung R verfahren und der Draht 30 dabei über den Steg 20 der beiden miteinander verbundenen Lab-on-Chip-Kartuschen 10a, 10b beziehungsweise Teile 10a, 10b bewegt. Er durchschneidet hierbei den Steg 20, wobei ein durch den Kontakt mit dem Steg 20 abgekühlter Bereich des Drahtes 30 aufgrund seiner axialen Bewegung sofort durch einen noch heißen Bereich ersetzt wird. In einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das in Fig. 4 dargestellt ist, ist der Draht 30 zwischen einer ersten Spule 61 und einer zweiten Spule 62 gespannt. Eine Spannungsquelle 50 ist mit zwei Schleifkontakten 53, 54 verbunden, die jeweils nahe der ersten Spule 61 und der zweiten Spule 62 am Draht 30 anliegen. Auf der von der zweiten Spule 62 abgewandten Seite des an dieser Spule 62 angeordneten Schleifkontakts 54 ist ein Abstreifer 31 am Draht 30 angeordnet. Durch Abwickeln von der ersten Spule 61 und Aufwickeln auf die zweite Spule 62 kann der Draht 30 axial in der Richtung R bewegt werden. Zum Durchtrennen eines Steges 20 zwischen zwei Lab-on-Chip- Kartuschen 10a, 10b beziehungsweise Teilen 10a, 10b für Lab-on- Chip- Kartuschen wird an den gespannten Bereich des Drahtes 30 eine elektrische Spannung angelegt, um diesen zu erhitzen. Der Draht wird beim Durchschneiden des Steges 20 von der ersten Spule 61 abgewickelt und auf die zweite Spule 62 aufgewickelt. Hierdurch wird dem Steg 20 kontinuierlich ein heißer Bereich des Drahtes 30 zugeführt. Beim Verlassen des Steges 20 kann der Draht 30 geschmolzene Kunststoffreste mit sich nehmen. Diese werden am Abstreifer 31 abgestreift, sodass sie weder den Schleifkontakt 54 noch die zweite Spule 62 verunreinigen können. Auch das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 kann vorzugsweise einen Abstreifer 31 umfassen, um vorteilhafterweise vom Draht 30 mitgenommenes abgeschmolzenes Material zu entfernen. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Abstreifer zumindest abschnittsweise die Form eines Keils umfassen, um das Material entlang der schiefen Ebene des Keils vom Draht wegzubefördern. Ferner kann der Abstreifer auch zwei Teile umfassen, welche beispielsweise die gleiche geometrische Form aufweisen und/oder vorzugsweise an verschiedenen oder gegenüberliegenden Seiten des Drahts angeordnet sein können, um Material von verschiedenen Seiten des Drahts zu entfernen.

Ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein endloser Draht 30 ist zwischen vier Umlenkrollen 71, 72, 73, 74 im Wesentlichen zu einem Rechteck gespannt. Durch Antreiben der Umlenkrollen 71, 72, 73, 74 kann der Draht 30 entlang der dargestellten Richtung R bewegt werden. Der Abschnitt des Drahtes zwischen den ersten beiden Umlenkrollen 71, 72 ist zum Durchtrennen des Steges 20 zwischen zwei Lab-on- Chip- Kartuschen 10a, 10b beziehungsweise Teilen 10a, 10b für Lab-on-Chip- Kartuschen vorgesehen. Hierzu ist eine Spannungsquelle 50 mit zwei Schleifkontakten 53, 54 verbunden, die den Draht 30 nahe der ersten beiden Umlenkrollen 71, 72 kontaktieren. Auf der von der zweiten Umlenkrolle 72 abgewandten Seite ihres Schleifkontakts 54 ist vorzugsweise ein Abstreifer 31 angeordnet. Zum Schneiden des Steges 20 wird der Draht 30 zwischen den ersten beiden Umlenkrollen 71, 72 unter Anlegung einer elektrischen Spannung erhitzt. Er wird in der Richtung R bewegt und gleichzeitig durch den Steg 20 geführt. Hierdurch wird dem Steg 20 kontinuierlich ein erhitzter Bereich des Drahtes 30 zugeführt. Kunststoffreste, die vom Draht 30 mitgenommen werden, werden am Abstreifer 31 abgestreift, bevor sie in Kontakt mit dem dahinter folgenden Schleifkontakt 54 gelangen.