3D Mikro- und Nanostrukturierung photosensitiver Gläser mit Hilfe von NIR-Femtosekundenlaserstrahlung für Zellträgerstrukturen in Mikrofluidikchips
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG Projektes „Photoglas“ wurden Wechselwirkungsprozesse zwischen photosensitivem Glas und NIR-Femtosekundenlaserstrahlung mit dem Ziel der dreidimensionalen (3D) Mikro- und Nanostrukturierung von Zellträgerstrukturen in Mikrofluidikchips untersucht. Mit Hilfe fokussierter Laserstrahlung der Wellenlänge 800 nm gelang es in einem oberflächennahen Bereich < 300 µm tief vergrabene, dreidimensionale Geometrien in photosensitives Lithiumalumosilicatglas FS21 zu schreiben, die bei thermischer Behandlung zu Lithiummetasilicat (LMS) kristallisieren und in verdünnter Flusssäure ätzbar sind. Die fs Laser basierte Belichtung beeinflusst wichtige Parameter des Photoformprozesses: kritische Bestrahlunsdosis im Fokus des Laserstrahls, räumliche Ausdehnung kristallisierter Bereiche in Abhängigkeit vom Fokusdurchmesser und von der Fokuslage, Größe und Verteilung der LMS Kristalle, strahlungsinduzierte Defekte im Glas. Die kritische Bestrahlungsdosis, bestimmt nach der Methode von Fuqua /Fuq (2009) beträgt 7,6·10-6 J/cm² mit einer Beteiligung von durchschnittlich 4 Photonen an der photochemischen Gefügemodifizierung des Ausgangsglases. Eine Optimierung der Schreibgeschwindigkeiten und die Erzeugung hoher Formgenauigkeiten erfordern ein Parameterfenster, das um den Faktor 4⋅103 oberhalb der minimalen Belichtungsenergiedichte liegt. Die kleinste zu belichtende Struktur weist einen Durchmesser von ca. 4 µm auf. Komplexe 3D-Fluidikstrukturen in Form von Kavitäten und Hohlräumen entstehen durch eine kontrollierte Überlappung einzelner Fokuspunkte während der Belichtung. Nach thermischer Behandlung, die in einem einstufigen oder zweistufigen Regime durchgeführt werden kann, werden die partiell kristallisierten Bereiche, zum Teil mit kleinsten Gasbläschen durchsetzt, in verdünnter Flusssäure herausgeätzt. Neben den Eigenschaften des kristallinen Gefüges (Größe einzelner LMS Kristalle beträgt ca. 1 µm) werden Ätzratenverhältnisse entscheidend durch die Zu- und Abfuhr vom Ätzmedium an die Ätzfront beeinflusst. Das durchschnittliche Ätzratenverhältnis in „subsurface“ Kavitäten beträgt 1:30 bei Ätztiefen < 350 µm. Geringe Ätztiefen von < 70 µm weisen erhöhte Ätzratenverhältnisse von bis zu 1:45 auf. Der Ätzprozess wird entscheidend durch Kapillarkräfte beeinflusst. Die Modellierung fluidischer Strukturen für 3D-Zellträger und die weißlichtinterferometrische Charakterisierung von entsprechenden Bauteilen zeigen, dass die Formgenauigkeit und die Oberflächentopographie der geätzten Kavitäten neben der Schreibstrategie in der fs-Laserbelichtung eine starke Abhängigkeit vom Ätzprozess aufweisen, sodass Ätzratenverhältnisse ortsabhängig auf < 1:30 sinken können. Nach DIN ISO EN 10993-5 ist eine Bioverträglichkeit auf FS21 in allen Zuständen (Ausgangsglas, Glaskeramik, geätzte Oberflächen) gegeben. Die Anschlussfähigkeit mikrostrukturierter Fluidikchips mittels formschlüssiger Verbindung an 4-lumige Kunststoffschläuche ist gezeigt worden. Neben den prozesstechnischen Entwicklungen zur Herstellung der Fluidikchips wurden wichtige Erkenntnisse auf dem Gebiet der Glasstrukturforschung erarbeitet. Vergleichende Untersuchungen zum Belichtungsprozess zwischen der fs-Laserbelichtung und einer konventionellen Maskalignerbelichtung mit integrierter breitbandig emittierender Quecksilberdampfhöchstdrucklampe zeigten, dass durch Variation der Dotierung photosensitive Lithiumalumosilicatgläser für die fs Laserbelichtung weiter optimiert werden können. Es wurde gezeigt, dass die fs-Laser generierte Erzeugung von Photoelektronen maßgeblich durch das Grundglas erfolgt und dass die Kristallisation von LMS nicht zwingend an den heterogenen, Ag-basierten Keimbildungsprozess gebunden ist, sondern bei ausschließlicher Dotierung mit Ce-Ionen auf homogener Keimbildung gründen kann. Aus den Ergebnissen lassen sich als Ausblick zwei interessante Anwendungsperspektiven ableiten: (i) Die Herstellung von mikrostrukturierten Arrays für die in vitro-Kultivierung von Zellen (Animal-on-a-Chip, High Throughput-Testung) und (ii) die Herstellung optisch aktiver Mikrostrukturen im Photoglas (adaptive Optiken, optische Gitter).
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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On the influence of directed flows in a wet chemical etching process on the surface roughness of photostructured glasses. Workshop “Lebendige Glasoberflächen 2014”, 10.9.2014, TU Ilmenau
R. Kirner
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“Investigations on the fslaser exposure process of micro structurable photosensitive glasses for tissue engineering”. DGG Jahrestagung Aachen, 25.5.-30.5.2014
U. Brokmann , T. Milde , K. Liefeith , E. Rädlein
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„3D-Nanofabrication of subsurface Structures inside photosensitive glass with fs laser radiation“. DPG-Frühjahrstagung 2014; Dresden 30.03. - 04.04.2014
T. Milde, U. Brokmann, R. Rädlein, K. Liefeith
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3D nanofabrication of subsurface structures inside structurable photosensitive glass with fs laser radiation. DPG-Frühjahrestagung – Sektion Kondensierte Materie 2015, Berlin, 16.03.-20.03.2015
T. Milde, U. Brokmann, E. Rädlein, K. Liefeith
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3D microstructuring of photosensitive glasses using fs laser radiation. 59th Ilmenau Scientific Colloquium,11.-15.9.2017; TU Ilmenau
U. Brokmann, R. Schade, E. Rädlein, K. Liefeith
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Effects of NIR femtosecond laser radiation on the structure of a photosensitive lithium alumina silicate glass. Glastechnische Jahrestagung 2017, 29.-31.5.2017 in Weimar
E. Hardi, U. Brokmann, R. Schade, E. Rädlein, K. Liefeith
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Microstructured glass for biomedical applications - Subsurface laser scribed channels and cavities. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomaterialien (DGBM), 9.-11.11.2017, Würzburg
U. Brokmann, R. Schade, K. Liefeith, E. Rädlein
