Chemisch selektiver Mikroresonator durch imprägnierte Hydrogele

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart; Professor Dr. Egbert Oesterschulze
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259794448

• Erstellungsjahr: 2018

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im ersten Zeitraum wurde eine Methode zur Abscheidung von dünnen Hydrogelfilmen mittels Spin-Coating der Monomerlösung, Polymerisation, und anschließender Strukturierung mittels UV-Lithographie und Trockenätzprozess entwickelt. Dabei wurden thiocarbamatbasierte und benzophenonbasierte Makroinitiatoren eingesetzt, um die Eigenschaften der Monomerlösungen einzustellen. Mit den thiocarbamatbasierten konnten dicke Schichten anisotrop geätzt werden. Der Erhalt der Responsivität über den Prozess wurde durch Integration in einen Cantileversensor und Messungen mit diesem demonstriert. Die Resonatoren konnten dabei teilweise im Oszillatorbetrieb benutzt werden. Dabei ergaben sich eine hohe Linearität, Reproduzierbarkeit und ein großer dynamischer Bereich für Lösungen unterschiedlicher Salinität. Diese Messungen wurden teilweise in einer Mikrofluidumgebung auf Basis von PDMS-Fluidstrukturen erhalten. Die Integration eines Hydrogelfilms auf die wenige Mikrometer im Durchmesser messende Sensoroberfläche des Mikroresonators bedurfte deutlich dünnerer Schichten, Standardprotokolle aus der Literatur waren nicht anwendbar und eine Neuentwicklung basierte auf benzophenonbasierten Makroinitiatoren. Obwohl Auflösung, Schichtdicke und Präzision der Justage hinreichend waren, konnte dies nicht auf die Brückenresonatoren übertragen werden. Es verblieb bei fast allen Sensoren trotz Prozessoptimierung auch Hydrogelmaterial unterhalb der Sensorplatte, wodurch diese beim Trocknen des Hydrogelfilms bis zum Einreißen verbog. Zudem wurde durch das Hydrogel unter der Platte eine Meniskusbildung unterbunden, was die Schwierigkeiten bei solcher in-situ Aufpolymerisation und Mikrobeschichtung aufzeigt. Um dennoch ein tragfähigeres Konzept zur Integration eines Hydrogelfilms zu etablieren, wurde daher ein neues Konzept der Hydrogelfilmabscheidung entwickelt, indem die Methode des Direct Laser Writing (DLW), eine räumlich lokale Polymerisation durch Multiphotonenabsorption, benutzt wurde. Diese hat den Vorteil einer gezielten lokalen Abscheidung in Form diskreter beugungsbegrenzter Voxel. Da responsive Hydrogele auf diesem räumlichen Maßstab wenig erforscht sind, wurde ein Protokoll basierend auf Makromeren einstellbarer Quervernetzbarkeit entwickelt. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass bei der DLW-Abscheidung dieses Hydrogelmaterials in Form einzelner Voxel nicht etwa die erwartete prolat-ellipsoide Voxelform erhalten wurde, sondern im Rahmen einer Parameterstudie dünne Filme mit linsenförmigen Erhebungen entstanden. Diese bedecken den Sensordeckel partiell und unterstützen somit in vorteilhafter Weise ihre Integration in den Mikroresonator. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass die durch Photoaktivierung erhaltenen reaktiven Polymerstränge einer Diffusion unterliegen, so dass sie teilweise aus dem Voxelbereich heraustransportiert werden. Durch Anpassung des Quervernetzeranteils und der Makromerkonzentration konnte die Geometrie der Voxel beeinflusst werden. Auch durch Überprüfung des Extremfalls für maximale Quervernetzung konnte dieser Zusammenhang demonstriert werden, wobei voll ausgeprägte 3D-Strukturen und ellipsoide Voxel erfolgreich erhalten wurden. Zudem konnte der Erhalt der Responsivität des Gels durch punktuelle Messungen bestätigt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2019) Exploiting Direct Laser Writing for Hydrogel Integration into Fragile Microelectromechanical Systems. Sensors (Basel, Switzerland) 19 (11) 2494
  Menges, Julian; Klingel, Steffen; Oesterschulze, Egbert; Bart, Hans-Jörg
  
• „A Partially Wettable Micromechanical Resonator for Chemical- and Biosensing in Solution“, Procedia Engineering 2016, 168, 606-609
  P. Peiker, S. Klingel, J. Menges, H.-J. Bart, E. Oesterschulze
  
• „A micro-resonator for chemoselective sensing in liquids“, Functional Nanostructures Proceedings 2017, 1, 1, 10-12
  J. Menges, S. Klingel, P. Peiker, E. Oesterschulze, H.-J. Bart
  
• „A precision structured smart hydrogel for sensing applications“ Journal of Applied Physics 2017 122, 134501
  J. Menges, S. Klingel, P. Peiker, H.-J. Bart, E. Oesterschulze