Anlage zur Photolithographie mit Belackungsanlage
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Arbeitsgruppe von Prof. Käs wird das Lithographiegerät für verschiedene Forschungsprojekte zur Untersuchung der Mechanik und Dynamik lebender Säugetierzellen eingesetzt. Insbesondere die gerichtete Adhäsion und Migration von Neuronen ist ein zentraler Punkt der Forschungsarbeit. Hierzu wurden mittels des Lithographiegeräts Substrate strukturiert, so dass verschiedene Muster an der Oberfläche erzeugt wurden, an denen Zellen anhaften können (Kooperation Prof. Butz). Anhand dessen ist es möglich gerichtete Netzwerkbildung zwischen den Neuronen zu generieren und diese zu erforschen. Auch ist es durch gesteuerte Migration mittels strukturierter Pfade auf dem Substrat möglich das Verhalten von Neuronen und Wachstumskegel zu beeinflussen, um neue Erkenntnisse, z.B. für das Verhalten von Neuronen bei Nervenschäden wie Querschnittslähmung besser zu verstehen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Käs beschäftigt sich weiterhin mit den mechanischen Eigenschaften von Krebszellen. Kontaktfreie Messungen der Zellmechanik mit dem Optical Stretcher haben gezeigt, dass Krebszellen sich stärker deformieren als normale Zellen, wenn man diese mittels zweier Laserstrahlen auseinander zieht. Der in der Arbeitsgruppe entwickelte Optical Stretcher besteht aus einem mikrofluidischen Chip, in dessen Kanälen die Zellen bewegt werden und zwischen zwei Laserstrahlen zunächst gefangen und anschließend bei höherer Leistung deformiert werden. Mittels des Lithographiegerätes konnte ein neuartiger mikrofluidischer Chip für den vollautomatischen Zweistrahl Optical Stretcher entwickelt werden. Dieser Chip ermöglicht es die Zellen im hydrodynamischen lamellaren Fluss mittels einer computergesteuerten Pumpe durch die Kanäle im Chip zu bewegen, so dass die komplette Messung vollautomatisiert abläuft. In diesem Chip befinden sich nicht nur die mikrofluidischen Kanäle durch die die Zellen bewegt werden, sondern noch sogenannte Waveguides: Zwei mit Laserfasern bestückte Kanäle in denen zwei Laserstrahlen geführt werden. Sie enden wenige Mikrometer senkrecht vor der „Trap-Kammer“ – ein breiter Abschnitt des mikrofluidischen Kanals in der die Zellen gestretcht werden. Mittels dieses neuen Chips ist es nicht nur gelungen für Zelllinien, sondern auch Primärzellen der Brust und der Zervix nachzuweisen, dass maligne Transformation zur Zellerweichung führt und metastatische Zellen noch weicher erscheinen als nicht-metastatische Zellen, sondern konnte auch in Kooperation mit Beiersdorf AG in einem BMBF Projekt gezeigt werden, dass Zellalterung mittels Optical Stretcher quantifiziert werden kann. In der Arbeitsgruppe von Prof. Grundmann wurde das Lithographie-Gerät genutzt um die ZnO-Kavitätsschicht in Halbleiter-Mikrokavitäten, die im Rahmen des unten genannten Projektes untersucht wurden, zu strukturieren. Die verwendete Kreismaske ermöglichte es Mesas mit Durchmessern von 10-100 µm zu erzeugen. Durch den Ätzschritt, bei dem nur wenige Nanometer der Kavitätsschicht entfernt wurden, gelang es so Potentialfallen zu erzeugen, in denen Exciton-Polaritonen eingefangen werden sollen. Die optische Charakterisierung solcher Mesas in Resonatorstrukturen mittels Photolumineszenz-Spektroskopie bestätigte die Funktion dieser Struktur als photonischer Potentialgraben und ergab erste Hinweise auf eine erhöhte Polaritonendichte in den Mesas. Der Maskaligner wurde seit 2010 im AK Belder in verschiedenen Forschungsprojekten genutzt. Allen gemein ist die Herstellung von mikrofluidischen Chips. Zum einen konnten über Photopolymerisation des Negativ-Photolacks SU8 Masterstrukturen hergestellt werden. Über softlithografisches Doppelabformen mit Polydimethylsiloxan wurden Polymer-Glaschips für Mikrotröpfchensysteme und andere Anwendungen realisiert. Des Weiteren wurde der Maskaligner für die Flüssigphasenpolymerisation eingesetzt, bei der, in einer zwischen zwei Trägerplatten befindlichen photostrukturierbaren Polymerlösung, fertige mikrofluidische Strukturen innerhalb eines Arbeitsschrittes hergestellt werden können. Diese Technik wurde verwendet um Chips für die mikrofluidische Freifluss-Elektrophorese, herzustellen und fluoreszente chemische Sensoren zur Trennparameterüberwachung zu integrieren. Die Flüssigphasenlithographie wurde des Weiteren zur Herstellung von Chips für die miniaturisierte Kapillarelektrophorese, die Mikrochip-Elektrochromatographie und die mikrofluidische Hochleistungsflüssigkeitschromatographie genutzt. In der AG Prof. Dr. F.Cichos wird das Lithographiegerät zur Realisierung thermischer Ratschen mit Hilfe von thermophoretisch selbstgetriebenen Janus-Partikeln benutzt. Mit Hilfe von asymmetrisch metallisch beschichteten Mikropartikeln lassen sich thermophoretisch getriebene Schwimmer herstellen. Diese Schwimmer werden in Flüssigkeiten durch Oberflächenströmungen aufgrund optisch generierter tangentialer Temperaturgradienten angetrieben. Auf kurzen Zeitskalen, die kleiner als die Rotationsdiffusionskonstante der Partikel sind, weisen diese Partikel eine gerichtete Bewegung auf. Auf langen Zeitskalen ist die Bewegung jedoch wieder ungerichtet und diffusiv. Allerdings ist der Diffusionskoeffizient durch die Geschwindigkeit der gerichteten Bewegung deutlich erhöht. Die diffusive Bewegung dieser Partikel ist damit über den optisch induzierten Temperaturgradienten schaltbar. Es kann zwischen Zuständen schneller und langsamer Diffusion wechseln. Bringt man diese Partikel in ein äußeres asymmetrisches Potential und schaltet deren Diffusion periodisch, so lassen sich thermische Ratschen realisieren, die je nach gewählten Parametern einen gerichteten Transport der Partikel auch auf langen Zeitskalen ermöglichen. Innerhalb dieses Projektes wird der Mask-Aligner eingesetzt, um mikrofluidische Strukturen zu realisieren, die einerseits einschränkende Kanäle von etwa 20 µm Breite bilden und gleichzeitig periodische asymmetrische Strukturen enthalten. Diese mikrofluidischen Strukturen werden zur Erzeugung eines räumlich asymmetrischen Potentials mit Hilfe der Gravitationswirkung auf die Mikropartikel genutzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Are biomechanical changes necessary for tumour progression? Nature Physics, Volume 6, Issue 10, 730–732 (2010)
A. Fritsch, M. Höckel, T. Kiessling, K. D. Nnetu, F. Wetzel, M. Zink, J. A. Käs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys1800) - Stiffening of Human Skin Fibroblasts with Age. Biophysical Journal, Volume 99, Issue 8, 2434–2442 (2010)
C. Schulze, F. Wetzel, T. Kueper, A. Malsen, G. Muhr, S. Jaspers, T. Blatt, K.-P. Wittern, H. Wenck, J. A. Käs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.bpj.2010.08.026) - Calcium imaging in the optical stretcher. Optics Express, Volume 19, Issue 20, 19212-19222 (2011)
M. Gyger, D. Rose, R. Stange, T. Kießling, M. Zink, B. Fabry, J. A. Käs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OE.19.019212) - Multistep liquid-phase lithography for fast prototyping of microfluidic free-flow-electrophoresis chips. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 411, 2651–2656 (2011)
S. Jezierski, L. Gitlin, S. Nagl, D. Belder
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00216-011-5351-2) - Single cell viability and impact of heating by laser absorption. European Biophysics Journal, Volume 40, Issue 9, 1109-1114 (2011)
F. Wetzel, S. Rönicke, K. Müller, M. Gyger, D. Rose, M. Zink, J. Käs
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00249-011-0723-2)
