Verfahren unter der Verwendung von Non impact Druckmethoden zusammen mit Druckflüssigkeiten die aktive biologische Moleküle enthalten, zur Produktion von Sensoren und komplexen analytischen Systemen.

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Aufbau von elektronischen Schaltungen und Sensoren mittels Non Impact Druckmethoden und speziellen Druckflüssigkeiten zur Analyse von chemischen oder biochemischen Reaktionen und/oder zellulären Reaktionen in

Abhängigkeit von der Zeit und/oder Intensität.

Stand der Technik

Die Analyse von chemischen und biochemischen Reaktionen oder der Nachweis von bestimmen Substanzen in einem Gemisch ist ein seit langem bekanntes Gebiet und weitreichend erforscht.

In neuerer Zeit wird versucht die klassischen Methoden der chemischen Analyse wie Kolometrie, Fällungsreaktionen etc. oder die Methoden der biochemischen Analyse wie Antikörperreaktionen, DNA/RNA Hybridisierung etc. durch elektrosensorische oder optoelektronische Verfahren zu ergänzen. Dabei ist es das Ziel, die

Nachweisverfahren in Punkto Kosten, Durchführungsgeschwindigkeit und Robustheit zu optimieren. Ferner ist es das Ziel, eine Miniaturisierung und eine direkte Kopplung mit der elektronischen Datenverarbeitung zu erreichen und so eine schnelle

Auswertung, sowie eine analytischen Bewertung zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist es, biochemische Sensoren mit der Verabreichung von Medikamenten zu koppeln, z.B. bei der Erkrankung Diabetes wobei der Zuckerspiegel des Blutes mittels Sensoren gemessen wird und daraufhin, aus einem Vorrat, entsprechend des Bedarfs, Insulin ausgeschüttet wird. Andere Ziele sind z.B. chemische Sensoren aufzubauen, die in der Lage sind Toxine in der Luft oder flüssigen Medien zu bestimmen und bei Überschreiten von Grenzwerten einen Alarm auszulösen. Von beiden Systemen sind erste Marktreife Produkte verfügbar, allerdings sind diese teuer und haben einige technische Nachteile, so dass eine weite Verbreitung noch nicht stattgefunden hat.

Insgesamt sollen hochintegrierte vollautomatische Systeme aufgebaut werden, die universell und vor allem kostengünstig eingesetzt werden können, so dass deren Verwendungsmöglichkeiten ausgeweitet werden kann und/oder analytische Nachweise auch von Laien durchgeführt werden können.

Dazu ist wurden elektronische Schaltkreise so mit biologisch aktiven Molekülen, wie Antikörper oder DNA etc., modifiziert, dass die Veränderung von elektrischen Signalen in den Fall gemessen werden, wenn die biologisch aktiven Molekülen mit anderen Substanzen in Wechselwirkung treten. Auf diese Weise wurden z.B. Glucose- Sensoren oder sogenannte Antikörpersensoren aufgebaut, die Toxine nachweisen können. Dabei werden die verschiedensten Messverfahren, wie Widerstandsmessung, Kapazitätsmessung, Spannungsmessung oder Messung der Impedanz verwendet.

Zu Aufbau dieser Sensoren sind vielstufige Prozesse notwendig. Als erster großer Prozessschritt müssen die elektronischen Bauelemente hergestellt werden, z.B.

Leiterbahnen, Widerstände, Transistoren, Antennen etc.. Als zweiter großer

Prozessschritt werden die biologisch aktiven Moleküle auf einigen der elektronischen Bauelemente aufgebracht. Zusätzlich können in einem zwischengelagertem drittem Prozessschritt optoelektronische Bauelemente, wie Lichtemitter oder Lichtdetektor hinzugefügt werden.

Nachteile des Stand der Technik

Das Ziel einer Miniaturisierung und einer direkten Kopplung mit elektronischen

Datenverarbeitungsmethoden sowie gleichzeitig bei einer kostengünstigen Produktion, führt zu hochintegrierten komplexen Systemen. Nach derzeitigen Stand der Technik sind mindestens zwei große Prozessschritte notwendig. Zuerst werden die elektronischen oder die optoelektronischen nach verschiedenen Verfahren aufgebaut. Auch dieser Aufbau ist immer ein vielstufiger Produktionsprozess. Anschließend werden in einem zweiten großen Prozessschritt biologische aktive Moleküle wie z.B. Antikörper auf einzelne Strukturen der

elektronischen Elemente aufgebracht; wieder in einem vielstufigen

Produktionsprozess. Diese Trennung ist nach derzeitigen Stand der Technik

notwendig, da die bei der Herstellung der elektronischen oder der optoelektronischen Bauelemente notwendigen Verfahren biologisch aktive Moleküle zerstören oder zumindest inaktivieren.

Werden zusätzliche dreidimensionale Strukturen notwendig, wie z.B. Kanäle,

Reaktionsräume oder Flüssigkeitsbarrieren etc. ist nochmals ein dritter oder vierter großer Prozessschritt notwendig.

Ferner können photolithografische Verfahren, die in der Herstellung von elektronischen Bauteilen umfänglich Anwendung finden, wie bei der Herstellung Integrierten

Schaltungen (IC-Chips) nicht genutzt werden, da sie immer eine ebene Fläche benötigen. Bei dem Aufbau von elektronischen Sensoren oder hochintegrierten Messsystemen zur Messung von biologischen Aktivitäten gibt es nur selten ebene Flächen, eine Fokussierung durch optische Linsen auf nur eine Ebene, wie bei der Photolithographie notwendig, ist nicht möglich, somit können solche Verfahren nicht oder nur in technisch aufwendigen Herstellungen angewendet werden.

In der Summe führt dies dazu, dass die Systeme nicht mehr kostengünstig hergestellt werden können, da ein enormer apparativer und personeller Aufwand notwendig ist, um eine deren Herstellung zu verwirklichen. Ferner ist der Grad der Miniaturisierung beschränkt und die Zahl der Möglichkeiten einen Sensor aufzubauen sind ebenfalls deutlich eingeschränkt. Aufgabe

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Vorteile der bestehenden Verfahren zu nutzen und die Nachteile in Bezug auf den Aufbau von elektronischen Schaltungen zur Analyse von lebenden Zellen oder biologisch aktiven Molekülen zu vermeiden. Weitere Ziele der Erfindung sind eine Steigerung der Biokompatibilität, Senkung der Herstellungskosten, Vereinfachung der Produktion, Aufbau von feineren

Leiterbaustrukturen und Steigerung der Qualität. Ferner ist es das Ziel den Grad der Systemintegration deutlich zu erhöhen, um die möglichen Einsatzgebiete zur erweitern.

Lösung

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei werden „Non impact Druckmethoden" zusammen mit erfindungsgemäßen Druckflüssigkeiten verwendet.

Unter„Non impact Druckmethoden" werden nicht die Hauptdruckmethoden nach DIN 16500 verstanden, sondern Druckmethoden die ohne explizite Druckform auskommen, wie Plotterdruck-, Tintenstrahldruck- oder Thermodruckverfahren. Alle gemeinsam ist, dass auf eine Druckmatrix punkt-, strich- oder flächenförmig eine Druckflüssigkeit aufgetragen wird. Werden diese Druckflüssigkeiten aneinander oder übereinander, punktförmig, strichförmig oder flächig aufgebracht, entstehen im Falle von schwarzer und weißer Druckflüssigkeit Grautöne (zur Darstellung z.B. von Schrift), im Falle von farbigen Druckflüssigkeiten Farbtöne (zur Darstellung z.B. von Farbbildern), im Falle anorganischen Druckmaterialien elektronische Bauelemente oder im Falle organischen Polymeren z.B. Leuchtdioden.

Solche„Non impact Druckmethoden werden erfindungsgemäß eingesetzt, um elektronische und/oder optische Elemente herzustellen, die in der Lage sind

chemische oder biochemische Reaktionen und/oder zelluläre Reaktionen in elektrische und/oder optische Signale umzuwandeln, so dass diese Reaktionen in Abhängigkeit von der Zeit und/oder Intensität gemessen werden können. In einem Arbeitsschritt können dabei auch dreidimensionale Strukturen aufgebaut werden, entweder als Unter- oder als Überbau von elektronischen oder optischen Bauelementen. Unter elektronische Bauelemente werden z.B. Leiterbahnen, Antennen, Transistoren, Datenspeicher, Widerstände, Kondensatoren Schalter etc. verstanden. Unter optische Bauelemente werden Lichtemitter, Lichtdetektoren Lichtelektronenumwandler,

Lichtleiter etc. verstanden. Unter dreidimensionalen Bauelementen werden Ebenen, Kanäle, Gefäße, Ventile, Siebe, Pumpen, Kolben, poröse Netzwerke, etc. verstanden. Alle diese Bauelemente können mit„Non impact Druckmethoden" hergestellt

(aufgebaut) werden. Nur diese Methode ermöglicht es in einem Arbeitsschritt eine derartige Vielzahl von verschiedenen Bauelementen herzustellen. Dabei ist es unerheblich ob solche Bauelemente zeilenweise, flächig und/oder dreidimensional aufgebaut werden. Diese können nacheinander gedruckt werden oder in einem

Arbeitsgang, falls der Drucker mehr als einen Flüssigkeitsdruckkanal besitzt. Dies ist jedoch normalerweise der Fall bzw. die notwendigen Drucker können entsprechend ausgerüstet werden; sodass in einem Arbeitsgang hochkomplexe Systeme hergestellt werden können. Die„Non impact Druckmethoden" haben gleichzeitig den Vorteil das in einem Arbeitsschritt verschiedene Systeme parallel oder gleiche Systeme vielfach hergestellt werden können. Ferner können auszudruckende Messsysteme in ihrem Design oder technischen Funktion schnell verändert und damit optimiert werden, da keine Art einer Druckform benötigt wird, die erst verändert werden müsste.

Werden mehrere Schichten mit diesem Verfahren aufgetragen, z.B. Kombinationen von Isolator, p-dotierter Kunststoff (z.B. PPy, Polypyrrol) n-dotierter Kunststoff etc., so können komplexe elektronische Bauelemente oder dreidimensionale Strukturen hergestellt werden.

„Non impact Druckmethoden" benötigen kein ebenes Druckmedium (Drucksubstrat) sondern können auf unebenen oder/und stark flexiblen Flächen angewendet werden ohne diese zu beschädigen (z.B. eindrucken der Druckform). So können empfindliche biokompatible Druckstubstrate verwendet werden, die für Nachweise oder Messungen biologischer Substanzen oder Zellen bzw. Zellsysteme notwendig sind. Die erfindungsgemäße Anwendung von„Non impact Druckmethoden" alleine, reicht jedoch nicht zur Lösung der Ziele dieses Patentes aus. Zusammen mit den„Non impact Druckmethoden" müssen Druckflüssigkeiten verwendet werden, die biologisch aktive Moleküle, Ionen, Molekül- oder lonenverbände, Zellen, Zellverbände oder Gemischen aus diesen enthalten und zusammen mit anorganischen oder organischen Molekülen und/oder Ionen aus denen die elektronische und/oder optische wie die dreidimensionalen Bauelemente aufgebaut sind, in den„Non impact Druckmethoden" als Duckflüssigkeiten eingesetzt werden. Solche biologisch aktiven Moleküle können Z.B. Antikörper, DNA oder RNA Stränge, Peptide, Enzyme, natürliche Polymere, Toxine, Medikamente, etc. sein. Die Flüssigkeiten enthalten zusätzlich elektrisch leitende oder optisch aktive anorganische Substanzen, lösliche leitende oder optisch aktive Polymere, leitende oder optisch Partikel oder/und in Flüssigkeiten lösliche Substanzen (z.B. AgNO3) oder Polymere mit besonderen physikalischen

Eigenschaften (z.B. CNT, PAni Polyanilin ). Zu solchen Flüssigkeiten werden die biologisch aktiven Moleküle usw. gemischt. Nachfolgend werden Beispiele für

Druckflüssigkeiten und Beispiele systemische Anwendungen auf gelistet.

Beispiel A- Druckflüssigkeit zur Herstellung eines Medikamentenfilms

Es wird Polypyrrol (PPy) in Lösungsmittel z.B. Dioxan gelöst, zu dieser Mischung werden geringe Mengen an Wasser das Kalium, Natrium und Calcium gegeben. Die Lösung muss klar sein, da anderen falls sich Partikel bilden die die Filmbildung behindern. Zu dieser Lösung können Medikamente, Antikörper, DNA oder andere biologisch aktive Moleküle hinzugefügt werden.

Wird die Lösung in dünnen Schichten auf eine Oberfläche z.B. ein elektrisch aktives OLED mit„Non impact Druckmethoden" gedruckt so verdampft im aceotropischen Gemisch Wasser und Dioxan und es bleibt ein Medikamenten tragender Polymerfilm zurück. Hier sind die Moleküle nicht kovalent gebunden. Die Moleküle lassen sich durch anlegen eines elektrischen Stromes freisetzen, da sich die Polypyrolketten strecken und so„gefangene" Medikamenten Moleküle an die Umgebung freilassen, da diese in wässrigen flüssigen Medien gelöst werden können, der PPY aber in wässrigen Medien unlöslich ist. Beispiel B - DNA tragende Goldpartikel

Klassisch werden durch Reduktion von Tetrachloridogoldsäure H[AuCI ₄ ] in siedender wässriger Lösung mit Zitronensäure oder in etherischer Lösung mit weißem Phosphor hergestellt. Es werden instabile Goldkolloide erhalten, die leicht koagulieren.

Deswegen werden Stabilisatoren zugesetzt, z.B. Citrate und/oder Detergenzien wie Tween 20. Aus solchen stabilisierten Solen können Goldkolloide durch Zugabe von Ethanol ausgefällt werden. An diese können DNA Moleküle, Proteine oder andere biologisch aktive Substanzen gebunden werden. Diese so modifizierten Goldpartikel können dann in Wasser oder anderen polaren Flüssigkeiten gelöst und als

Druckflüssigkeit eingesetzt werden.

Werden mit„Non impact Druckmethoden" unmodifizierten Goldpartikel auf

Druckmedien ausgedruckt, bilden sich Leiterbahnen, auf denen sich wiederum lokal die modifizierten (z.B. mit DNA beladenen Goldpartikel) ausdrucken lassen. Damit lassen sich Sensorflächen mit aktiven biologischen Molekülen realisieren.

Beispiel C - kovalent gebundene biologisch aktive Moleküle

Es werden in einer Lösung die Monomere für ein Polyamid z.B. Aminocarbonsäuren, Lactame und/oder Diamine und Dicarbonsäuren zusammen mit biologisch aktiven Moleküle wie Antikörper; DNA oder Medikamente eingesetzt. Werden diese Lösungen anschließend als Druckflüssigkeit auf Leiterbahnen aus Silber oder Gold mit„Non impact Druckmethoden" ausgedruckt, wirken die Leiterbahnen als

Polymerisationsstarter. Es entsteht ein Polymernetzwerk in dem die biologisch aktiven Moleküle kovalent und somit nicht herauslösbar, gebunden sind. Damit können Sensorschichten aufgebaut werden, die in der Lage sind elektrische Widerstände von Leiterbahnen zu ändern. Diese Änderungen lassen sich über Spannung, Widerstand-, kapazitäts- oder Impedanz Messungen erfassen.

Werden wie im Patentanspruch 1 beschrieben,„Non impact Druckmethoden" zusammen mit den neuen Druckflüssigkeiten angewendet, so lassen sich erfindungsgemäß in einem Arbeitsschritt Bauelemente aufbauen, die in der Lage sind chemische oder biochemische Reaktionen und/oder zelluläre Reaktionen in elektrische und/oder optische Signale umzuwandeln, so dass diese Reaktionen in Abhängigkeit von der Zeit und/oder Intensität gemessen werden können. Ferner können auch Bauelemente hergestellt werden, die z.B. in einer PCR-Reaktion, einer Zellreaktion, Substanzausschüttung oder in einer Substanzisolation etc. benötigt werden. Im folgenden werden einige exemplarische Beispiele aufgezeigt.

Beispiel 1 - PCR Ampilfier und Analysator

In der Abbildung 1 (Abb.1) ist ein PCR-Cycler (PCR = Polymerase Chain Reaktion) mit integrierter optischer Analyse im Querschnitt abgebildet, das mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, ausgedruckt worden ist. Dieses System enthält als

Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.1 , 1) und die

elektrischen Leiterbahnen (Abb.,1 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden. Als weiteres

Bauelement befindet sich im System ein Heizelement (Abb.1 , 3), das in der Lage ist kurzfristig und wiederholend das umgebende Volumen auf eine Temperatur von bis zu 98°C aufzuheizen. Die für eine PCR-Reaktion notwendige Abkühlung wird durch die Umgebungstemperatur erreicht, die unter 30 ⁰ C liegen sollte. Direkt auf dem

Heizelement (Abb.1 , 3) ist eine Polymerschicht (Abb.1 , 5) aufgedruckt, die sogenannte Primer (Abb.1 , 4) (kurze einzelsträngige DNA- oder RNA-Stücke) enthält. An diesen kann durch eine periodische Aufheizung und Abkühlung DNA aIs Einzelstrang binden, welche dann enzymatisch zum Doppeltstrang in der eigentlichen PCR-Reaktion ergänzt wird, wozu ein zweiter Primer benötigt wird. An diesem zweiten Primer ist ein Farbstoff gekoppelt. Der Farbstoff kann mittels Licht (z.B. Fluoreszenzlicht ein bestimmten Wellenlänge) quantifiziert werden. Dazu ist auf der gegenüberliegenden Seite des Heizelementes ein Licht emittierendes Polymer (Abb.1 , 6) aufgedruckt, welches in seiner Mitte einen polymeren oder anorganischen Lichtsensor (Abb.1 , 7) enthält, welcher in der Lage ist einfallendes Licht einer bestimmten Wellenlänge in elektrischen Strom umzuwandeln. Wird Licht vom Polymer emittiert welches den Farbstoff anregt seinerseits Licht einer bestimmten aber anderen Wellenlänge zu emittieren. So ist man mittels des Lichtsensors (Abb.1 , 7) in der Lage den Farbstoff zu detektieren. Da der Farbstoff an dem zweiten Primer in einem stöchometrischen Verhältnis gebunden ist, kann die gebundene und vervielfältigte DNA quantifiziert werden. Da dies nach während jedem PCR Zyklus möglich ist, kann die

Ausgangsmenge der DNA bestimmt werden.

Beispiel 2 -. Antikörper gestützter selektiver optischer Sensor

Abb.2 zeigt einen, mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebauten optischen Sensor.

Dieses System enthält als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.2, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.2, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden. Auf diesen Leiterbahnen sind Polymere (Abb.2, 3) (sogenannte OLEP-Polymere) aufgedruckt, die bei Stromfluss Licht emittieren. In diesem Anwendungsfall enthalten diese OLEP-Polymere zusätzlich Antikörper (Abb.2, 4), die spezifisch ein Molekül binden. Hier ist die Druckflüssigkeit aus dem OLEP-Polymer und dem oder den Antikörpern zusammengesetzt.

Geometrisch gegenüber dem Licht emittierenden Polymer befindet ein Licht empfindliches Polymer oder eine anorganische Substanz, die in der Lage ist Licht in elektrischen Strom umzuwandeln und somit als ein Lichtdetektor fungiert. Der von Lichtdetektor erzeugte Strom, ist direkt proportional zur Menge des einfallenden Lichtes. Binden nun die Antikörper, z.B. aus einer vorbeiströmenden Flüssigkeit, Moleküle so wird das emittierte Licht des Polymers (Abb.2, 3) gemindert und damit wird der erzeugte Strom vom Lichtdetektor (Abb.2, 5) proportional geringer. Auf diese Weise lässt sich die Menge der gebundenen Moleküle bestimmen. Beispiel 3 - Optischer Sensor zur Zell oder Partikelmessung in Flüssigkeiten

Abb.3 zeigt einen, mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebauten optischen Zell-/Partikelsensor.

Dieses System enthält als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.3, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.3, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden. Auf diesen Leiterbahnen sind Polymere (Abb.3, 3), (sogenannte OLEP) aufgedruckt, die bei Stromfluss Licht emittieren. Geometrisch gegenüber dem Licht emittierenden Polymer befindet ein Licht empfindliches Polymer oder eine anorganische Substanz (Abb.3, 5), die in der Lage sind Licht in elektrischen Strom umzuwandeln, ein

Lichtdetektor. Dieser Strom ist direkt proportional zur Menge des, vom Licht

emittierenden OLEP einfallenden Lichtes. Strömen nun im engen Raum zwischen den beiden Bauelementen (Abb.3, 4) Zellen oder Partikel in Flüssigkeiten oder Partikel in Gasen vorbei, so ändert sich der durch den Lichtdetektor erzeugte Strom proportional. Damit ist man in der Lage die Menge an Zellen oder Partikel in Flüssigkeiten oder Gasen zu bestimmen.

Beispiel 4 - Partikelsammler / Impedanz-Messung / drahtlose Informationsübertragung Abb.4 zeigt einen, mit Hilfe von Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten , wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebauten Partikelsammler und drahtlosen Datentransmitter.

Dieses System enthält als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.4, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.4, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden. Zwischen den beiden Leiterbahnen befinden sich zwei ineinander verschlungene, aber von einander getrennte, Spulen (Abb.4, 3 / 4). Fliest Strom durch die Spulen so entsteht ein Magnetfeld welches in der Lage ist kleine Magnetpartikel aus einer Flüssigkeit oder einem Gas zubinden. Man ist in der Lage an diese kleinen Magnetpartikel biologisch aktive Substanzen, wie Antikörper oder DNA zubinden. Durch diese biologisch aktiven Substanzen ist es wiederum möglich selektiv Moleküle aus einem Gemisch zubinden und schließlich über die magnetischen Partikel zu konzentrieren. Dies ist deshalb möglich, weil sich bei Stromfluss durch die Spulen ein Magnetfeld ausbildet, das die Magnetpartikel bindet und mit diesen daran gebundene Moleküle.

Wird Wechselspannung durch die Spulen geführt so können Impedanz Messung durchgeführt werden, mit denen Flüssigkeiten oder Gase direkt untersucht werden können. Lässt man Zellen auf diesen Spulen wachsen, so ist man in der Lage

Wachstumsraten oder Sterberaten zu bestimmen, da sich die Impedanz durch diese biologischen Vorgänge proportional ändert. Wird geometrisch eine zweite solcher Spulenstruktur angebracht, so ist es möglich nicht nur Zellen oder Partikel die sich auf den Spulen ablagern zu messen, sondern auch Zellen oder Partikel die sich in einer Suspension frei zwischen den Spulen befinden.

Über die Spulen ist man zur gleichen Zeit in der Lage drahtlos Informationen nach außen zu transportieren oder von außen Abzurufen ähnlich eines RFID-Transmitters. Insgesamt erhält man daraus ein multidimensionales Messgerät, das direkt in der Lage ist drahtlos Informationen zur elektronischen Datenverarbeitung zu übertragen.

Beispiel 5 - Substanzausschüttung mittels Ventil

Abb.5 zeigt einen, mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebautes

Ventil über das Substanzen aus Kammern freigelassen werden können.

Dieses System enthält als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat

(Abb.5, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.5, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit

Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden.

Abb.5, 3+5 stellt einen Bimorph dar, der aus zwei Schichten besteht - z.B. einer

Goldschicht auf der eine Schicht eines Polymeres (z.B. Polypyrrol PPy) aufgedruckt ist. Unter Strom zieht sich das Polymer zusammen. Damit biegt sich der Bimorph. Da dieser Vorgang reversibel ist, kann man so mechanische Öffnungs- und

Schließvorgänge realisieren. Im vorliegenden Beispiel ist eine Kammer Abb.5, 5 aus einer starren Wand (Abb.5, 4) und dem nicht Strom durchflossenen Bimorph (Abb.5, 3) verschlossen (Abb.5 - Teil I.). Im Teil II. der Abb.5 ist der Bimorph (Abb.5, 6) Strom durchflössen und damit gebogen. In diesem Zustand wird die Kammer geöffnet und darin enthaltene Substanzen können entweichen. Umgekehrt können auch

Substanzen gesammelt werden. Durch wiederholtes schnelles öffnen und schließen lassen sich z.B. Medikamente wie Insulin, Antikörper oder Toxine dosieren.

Beispiel 6 - lineare Pumpe

Abb.6 zeigt eine, mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebaute Pumpe über die Flüssigkeiten oder Gase aktiv transportiert werden können.

Dieses System enthält als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.6, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.6, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden. Abb.6, 3 stellt drei Schichtpakete von Polymerstränge, z.B. aus PPy, dar. Diese elektroaktiven Polymere verdünnen und verlängern sich, wenn an sie Strom angelegt wird. Liegen sie eng genug verschließen sie einen Raum im Flüssigkeitskanal und sperren so den Durchfluss (Abb.6, 5). Werden sie von Strom durchflössen öffnen sie einen gewissen Raum (Abb.6, 6), in diesen kann Flüssigkeit oder Gase einströmen (Abb.6, 4) (Abb.6, Schritt I.). Verschließt man nun das rechte äußere Schichtpaket, so wird Flüssigkeit in dem mittleren Schichtpaket, unter etwas erhöhtem Druck, eingeschlossen (Abb.6, Schritt IL). Wird wie im Schritt IM. dargestellt, das linke äußere Schichtpaket mit Strom geöffnet, so strömt die zuvor eingeschlossene Flüssigkeit oder das Gas in die linke Kammer ((Abb.6, Schritt ML). Dadurch verstärkt, dass nun das mittlere Schichtenpaket verschlossen wird (Abb.6, Schritt IV) und dort enthaltene Flüssigkeit oder Gas ausgedrückt wird. Beginnt man diese Schritte wiederholend bei Schritt L, so resultiert ein aktivier fein steuerbarer Pumpeffekt. Dieser kann z.B. zum Pumpen von Medikamenten, wie Insulin, Antibiotika etc. genutzt werden. Da sehr kleine Strukturen aufgebaut werden können, ist es möglich Pumpen zu konstruieren die in den menschlichen Körper z.B. in Blutbahnen oder Bindegewebe, eingesetzt werden können. Diese Pumpe ist in der Lage Flüssigkeiten oder Gase in zwei

Richtungen zu transportieren. Legt man drei solcher Pumpenpakete übereinander ist diese Pumpe in der Lage in alle drei Raumrichtungen Flüssigkeiten oder Gase zu transportieren.

Beispiel 7 - Hoch integriertes System: Einweg DNA-Sequenzer

Abb.7 zeigt eine, mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, aufgebauten Einweg oder Mehrweg DNA Sequenzer, ein hoch integriertes System. Dieses System enthält die Systemelemente aus den Beispielen 6, 5 und 2, wobei das Systemelement 2 keine Antikörper sondern über einen Spacer (Molekülkette die als Abstandshalter fungiert) gebundene kurze Einzelstrang DNA einen sogenannten Primer. Dieses System enthält wie auch in den zuvor genannten Beispielen als Grundbauelemente das Druckmedium oder Drucksubstrat (Abb.7, 1) und die elektrischen Leiterbahnen (Abb.7, 2) die auf diesem aufgedruckt worden sind. Über die Leiterbahnen werden die nachfolgenden Bauelemente mit Strom versorgt und gleichzeitig kann über diese Informationen transportiert werden.

Das gesamte System ist mit einer Hauptflüssigkeit gefüllt, die über die Pumpe (Abb.7, 6) bewegt werden kann und zwar bidirektional. Die Hauptströmungsrichtung ist durch den Pfeil (Abb.7, 3) dargestellt. Das System des DNA-Sequenzer enthält mindestens vier Kammern (Abb.7, 4), die jeweils von der Hauptflüssigkeit umspült werden können. Diese Kammern enthalten je einen Bimorph (Abb.7, 7 + 9) wie in Beispiel 5

beschrieben als Verschluss. Diese Verschlüsse dienen in diesem Anwendungsbeispiel dazu, Kammern getrennt von anderen Kammern zu öffnen (Abb.7, 8) oder zu schließen (Abb.7, 7). Ferner enthält dieses DNA-Sequenzer System einen selektiven optischer Sensor (Abb.7, 5 + 9), wie im Beispiel 2 dargestellt, aber auf Basis von Einzelstrang DNA Primern.

Die Funktion des DNA-Sequenzer basiert auf der Eigenschaft des Enzyms DNA- Polymerase bei einer Einzelstrang DNA den zweiten komplementären DNA-Strang zu synthetisieren. Dazu werden neben einigen Co-Faktoren und Nukleotide (A =

Adenosin, G = Guanosinn, C = Cyotsin, T = Thymidin) in ihrer chemisch aktivierten Form benötigt. Diese Nukleotide sind in diesem Fall jeweils mit einem

Fluoreszenzfarbstoff kovalent verbunden.

Die Hauptflüssigkeit enthält Einzelstrang DNA, nachfolgend Ziel-DNA genannt, aus einer beliebigen Probe (Haut, Haar, Blut , Speichel, Urin, etc.) und die DNA- Polymerase nebst Co-Faktoren mit Ausnahme der Nukleotide. Die Ziel-DNA bindet an den kovalent gebunden Primern des optischen Sensors (Abb. 7, 5); dies ist ein hoch selektiver Vorgang bei dem Ziel-DNA aus einer Vielzahl von DNA Stücken

herausselektiert werden kann. Die DNA-Polymerase kann nun mit dem Primer als Startpunkt sich an der Ziel-DNA binden. Da noch keine Nukleotide in der

Hauptflüssigkeit vorhanden sind, kann kein Komplementär-DNA Strang der Ziel-DNA synthetisiert werden. Wird nun eine der mindestens vier Kammern (Abb.7, 4) über die Ansteuerung des Bimorph einer Kammer geöffnet, wird eine definierte Menge an dem Nukleotid in der Kammer, hier Adenosin, in die Hauptflüssigkeit ausgeschüttet (Abb.7, 8). Die Pumpe (Abb.7, 6) transportiert ein definiertes Flüssigkeitsvolumen zum optischen Sensor. Die DNA-Polymerase wird, falls komplementär möglich, das

Adenosin in den komplementären DNA-Strang der Ziel-DNA einbauen. Der am

Nukleotid gekoppelte Farbstoff, gibt, nach Anregung durch den Lichtemitter (Abb.7, 5) in einer bestimmte Wellenlänge, Licht einer anderen Wellenlänge ab. Dieses emittierte Licht kann durch den Lichtdetektor (Abb.7, 9) in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.

Konnte Adenosin eingebaut werden, so wäre es nicht möglich (in Bezug auf eine lineare Kettenabfolge von Nukleotiden) Cytosin, Thymidin oder Guanosin einzubauen. Werden nun in einer rollierenden Abfolge die vier Nukleotide der DNA-Polymerase zur Verfügung gestellt (öffnen und schließen der jeweiligen Kammer, mit der notwendigen Pumpaktivität), so wird die DNA-Polymerase stufenweise den Komplementären DNA- Strang synthetisieren können. Jedes mal wenn erfolgreich ein Nukleotid eingebaut worden ist, gibt es ein elektrisches Signal. Wird dieses mit der Öffnungssequenz der Kammern in Beziehung gesetzt, kann daraus die Abfolge der durch die DNA- Polymerase eingebauten Nukleotide bestimmt werden; also die DNA-Sequenz der Ziel-DNA.

Da mit Hilfe von„Non impact Druckmethoden" und unter Anwendung von kombinierten Druckflüssigkeiten, wie sie zuvor beschrieben wurden, ebene und/oder unebene Fläche in einem Druckvorgang aufgetragen werden. Können nicht nur flexible, sondern auch biokompatible Druckmedien oder -Substrate verwendet werden. Diese sind z.B. für die Beispiel 4, 5 und 6 notwendig. Solche Kunststoffe sind unter anderem PEEK, PPSU (Polyphenylsulfon), POM (Polyoxymethylen), PMMA, Polyacrylamid,

Polycarbonat und viele natürliche Polymere wie z.B. PHB (Polyhydroxybutyrate). Diese können auch als ein Bestandteil der Druckflüssigkeit zusammen mit biologisch aktiven Molekülen dienen. Klassische Materialien sind nicht verwendbar, da sie nicht biokompatibel und/oder nicht flexibel sind.

„Non impact Druckmethoden" können schon mit handelsüblichen Tintenstrahldruckern durchgeführt werden, dabei können Auflösungen von 4800 x 12000 dpi erzielt werden. Spezialdrucker erlauben noch deutlich höhere Auflösungen und zusätzlich zur X/Y- Druckachse auch die Z-Druckachse, sodass dreidimensionale Strukturen mit diesem Verfahren hergestellt werden können. Bei einer 4800 x 12000 dpi Auflösung können Strukturen von unter einem Mikrometer realisiert werden.

Vorteile der Erfindung

Die Vorteile der Erfindung sind die Steigerung der Biokompatibilität, Senkung der Herstellungskosten, Vereinfachung der Produktion, Aufbau von feineren

Leiterbaustrukturen und Steigerung der Qualität insbesondere der Verringerung von Keimbelastung. Ferner lassen sich nicht nur Moleküle aller Art sensorische

analysieren, sondern es können auch Zellen oder Zellverbände analytisch erfasst werden. Die Erfindung ermöglicht es auch schnell Änderungen im Sensorsystem durchzuführen ohne, dass erst aufwendig Druckformen angepasst werden müssen. Dies bedeutet eine Senkung der Entwicklungskosten und Beschleunigung der Entwicklung von Analytischen Systemen.

Die Vorteile der Erfindung ermöglichen einen gewerblichen Einsatz zum Vorteil für den Patienten, da die Patienten erstmals die Möglichkeit erhalten, individuelle und hoch komplexe Analytische Messungen vornehmen zu können und für die Industrie, da diese ein wichtiges Werkzeug zur Individualmedizin erhält.