DE60117146T2

DE60117146T2 - System zur parallelen und selektiven Verteilung von Mikrotröpfchen

Info

Publication number: DE60117146T2
Application number: DE60117146T
Authority: DE
Inventors: Moussa Hoummady
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2021-06-16
Also published as: CN1307001C; DE60117146D1; EP1289660A1; US20020121529A1; EP1289660B1; KR20030016286A; AU2001267673B2; AU6767301A; KR100780971B1; DK1289660T3; IL153216A; ES2258533T3; JP2004503389A; US6833112B2; ATE317299T1; WO2001096019A1; IL153216A0; CA2311622A1; CN1436099A

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur parallelen und selektiven Verteilung von Mikrotröpfchen mit extrem reduziertem Volumen – in der Größenordnung eines Bruchteils eines Nanoli-ters oder sogar eines Bruchteils eines Pikoli-ters – mit hoher Ausbeute, transportable Kartuschen und ein Kit zum Vornehmen einer derartigen Verteilung ebenso wie die Anwendungen dieses Systems, insbesondere auf dem Gebiet der Chemie, der Biologie, der Biotechnologie oder der Pharmazie – insbesondere für die Realisierung von Biochips, für pharmazeutische, immunologische oder biochemische Tests, für das Klassieren von Chemikalien- oder Serenmengen, die Herstellung von Medikamenten oder ihre perkutane Verabreichung durch Ionophorese, oder schließlich auf dem Gebiet der Kosmetik, für die Realisierung von Verteilern von Parfüms oder Aerosolen, dem Gebiet des Tintenstrahldrucks oder der Automobilelektronik, insbesondere bei Einspritzanlagen von Kraftstoff oder Dieseln.
Die kürzlichen Fortschritte auf dem Forschungsgebiet der Gene und Proteine erlauben es, eine beträchtliche Anzahl von biologischen und therapeutischen Molekülen zum Testen bereitzustellen. Währenddessen haben die geringen verfügbaren Mengen der biochemischen Produkte ebenso wie ihre erhöhten Kosten zur Suche nach einer wesentlichen Verbesserung der Experimentierkapazitäten durch Optimierung der Ausbeute geführt.
Um dies zu erreichen, wurden verschiedene Techniken auf die Manipulation von biochemischen Flüssigkeiten angewendet, wie Umpflanz- oder Mikropipettiersysteme mit piezoelektrischen Aktuatoren und kürzlich die Tintenstrahl-Drucktechnik.
Das Ziel dieser Technologien ist die Herstellung von Biochips durch Aufdrucken von biologischen Sonden (von Oligonukleotiden, Proteinen, Peptiden, etc.), in der Mehrzahl der Fälle auf einer Oberfläche unterschiedlicher Substrattypen wie Glas, Nylon^® oder Zellulose^® vorsynthetisiert.
Beispielsweise sind aus den Dokumenten US 5,053,100 oder US 6,083,762 Pipettierungen bekannt, welche einen piezoelektrischen Aktuator auf einer Mikropipette benutzen. Diese Technik erlaubt den In-Situ-Druck von vorsynthetisierten oder synthetisierten Oligonukleotiden. Währenddessen werden diese Systeme als Einheit gefertigt und sind nicht zum parallelen Verteilen mit hoher Dichte geeignet.
In dem Dokument US 6,028,189 wird die Verteilung von Reagenzmitteln durch die Benutzung von Mikropumpen vom Tintenstrahldrucktyp bewerkstelligt, welche durch einen piezoelektrischen Aktuator aktiviert werden. Jede Mikropumpe ist in einem Siliziumblock mit Versorgungskanälen und Tröpfchenausstoßkanälen realisiert. Mit dem Ziel, In-Situ-Synthesen zu realisieren, liefern vier Mikropumpen die DNS-Basen durch Ausstoßen in kreisförmigen Schächten, welche in einem Glassubstrat ausgebildet sind, welches gemäß zweier Achsen zur Verschiebung gesteuert ist.
Der Artikel der Zeitung Analytical Chemistry Vol. 70, Nr. 22, 15. November 1989, Seiten 4755–4760 beschreibt einen Mikroverteiler von Tröpfchen, bei welchem die Deformation eines bimorphen piezokeramischen Elements durch Vermittlung von Plexiglaskügelchen die Deformation einer Membran bewirkt, welche den Durchfluss von Flüssigkeit durch einen gegenüberliegenden Schacht hervorruft. Diese Technik setzt eine gute Kontrolle der Deformation des piezokeramischen Elements und der Membran voraus.
Diese Systeme erlauben nicht ein Drucken sehr hoher Ausbeute im Sinn der vorliegenden Erfindung, das heißt einige 100 bis einige 1000 Tröpfchen pro cm²: mit vier Pumpen, welche bei einigen 100 Hz arbeiten, würde eine Maschine gemäß dem vorstehenden Dokument 100000 in einigen 100 Sekunden drucken. Die Synthese von Sonden mit 25 Oligonukleotiden würde daher mehr als zwei Stunden benötigen.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine beträchtliche Vergrößerung der Ausbeute der selektiven Verteilung von Mikrotröpfchen durch eine starke Vergrößerung der parallelen Druckdichte, vergleichbar mit durch die Photochemie durch Immobilisierung spezifischer Moleküle über Photolithographiemasken erhaltenen Dichten, zu ermöglichen. Dieses Verfahren ist auf Moleküle, welche durch Photochemie fixiert werden können, begrenzt und erlaubt es fundamental nicht, individuell Reagenzmitteltröpfchen zu manipulieren. Weiterhin ist die In-Situ-Synthese durch dieses Verfahren auf etwa 25 Mononukleotide begrenzt. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, es zu erlauben, nicht nur eine räumliche Selektivität zu realisieren, indem es ermöglicht wird, das Reagenzmittel auf vorgegebenen oder programmierten Orten zu verteilen, sondern ebenso eine gezielte Selektivität, indem ein aus Mehreren ausgewähltes Reagenzmittel an dem vorgegebenen Ort verteilt wird.
Die Erfindung zielt zudem darauf, ein multifunktionelles System zu realisieren, welches einfach an verschiedene Formen anzupassen ist, beispielsweise an eine Form von Miniaturkits zur biologischen oder biochemischen Analyse, um eine große Anzahl von Anwendungen zu ermöglichen. Insbesondere erlaubt es die Erfindung, sich nicht auf die Synthese von 25 Nukleotiden pro Sonde zu begrenzen, sondern lange Sonden, welche beispielsweise 70 Nukleotide erreichen können, zu synthetisieren, wobei eine hohe Ausbeute beibehalten wird.
Diese Ziele werden erreicht, indem ein Druckkopf verwendet wird, in welchem durch Techniken mikroelektronischer Art mit hoher Dichte eine Matrix von Schächten bestimmter Form, welche gemäß einer bestimmten Konnektivität durch eine selektive Verteilung hohen Durchsatzes versorgt sind, realisiert ist.
Genauer gesagt hat die Erfindung ein System zum Verteilen von Mikrotröpfchen wie durch Anspruch 1 definiert zum Gegenstand.
Im Rahmen der Erfindung ist unter Verteilung das Ausstoßen oder Aufnehmen bzw. Einsaugen von Mikrotröpfchen, unter hoher Ausbeute einige Dutzend bis einige Tausend Mikrotröpfchen parallel verteilt im Bruchteil einer Sekunde, unter Wand mit axialer Symmetrie eine Wand der Drehung oder ein Zylinder, beispielsweise mit viereckigem Querschnitt, und unter Verhältnis der Form das Verhältnis zwischen der Höhe und der Öffnung der Ausgangsdüse zu verstehen.
Um diese Art von Ausbeute zu erzielen, weist das Substrat eine Schachtdichte auf, welche 10000 pro cm² erreichen kann, mit einem Durchsatz, welcher 1000000 Tröpfchen pro Sekunde übertreffen kann.
Vorteilhafterweise ist das Substratmaterial aus Halbleitermaterialien wie Silizium, Galliumarsenid, Siliziumkarbid, Germanium, aus Oxidverbindungen und Isolatoren (wie SOI, Initialen von „Silicon on Insulator"), Gläsern, Siliziumnitriden, Polysilizium, Keramiken, thermoplastischen Materialien wie Methylpolymethacrylat, Polykarbonaten, Polytetraflurethylen, Polyvinylchlorid, Polydimethylsiloxan, dicken photoempfindli chen Harzen (beispielsweise das Harz „SU8" – ebenso wie den Metallen wie Wolfram oder Edelstähle ausgewählt.
In bevorzugter Weise werden die Mikrofabrikationstechniken zum Realisieren der Schächte oder der Mikrokanäle abhängig vom Substratmaterial ausgewählt:

– nass- oder trockenchemisches Ätzen wie reaktives Ionenätzen (abgekürzt RIE) oder Tiefenätzen (abgekürzt D-RIE) für Silizium und Glas,
– Ätzen durch Elektroerosion oder Elektroformen für Metalle,
– Formen bzw. Spritzgießen und Polymerisieren für thermoplastische Materialien
– Photolithographie, Laserschneiden, Ultraschall oder durch Projektion von Abtragungsmitteln für den größten Teil der Substrate.

Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das Material der Membran ausgewählt aus Glas, Silizium, Elastomeren und thermoplastischen Materialien; die Membran kann durch die oben zitierten Ätztechniken mit dem Ziel geätzt werden, ein Netz von Mikrokanälen zur Versorgung der Schächte zu realisieren, wobei diese Mikrokanäle am Ende mit mindestens einem Behälter zur Versorgung mit Reagenzmitteln gekoppelt sind.
Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind die Mittel zur lokalen Deformation der Membran durch elektromagnetische, magnetostriktive oder piezoelektrische Aktuatoren gebildet. Alternative Mittel sind ebenso vorgesehen, wie thermische Mittel vom Tintenstrahltyp oder thermoelastische Mittel durch Bilaminierungseffekt, das Elektroverdampfen, welches durch ein zwischen jedem Schacht angeordnetes elektrisches Feld hervorgerufen wird, oder ebenso elektrostatische Aktuatoren.
Die Gesamtheit der Mittel zur Deformation kann über ein Multiplexernetz durch eine programmierbare Steuereinheit gesteuert werden. Eine derartige Einheit erlaubt es, simultan oder sukzessive das Aufnehmen oder die Verteilung identischer oder verschiedener Reagenzmittel über alle Schächte, über Blöcke der Schächte oder bestimmte Schächte auszulösen.
Gemäß bestimmter Ausführungsbeispiele weist der Druckkopf vier oder ein Vielfaches von vier Linien bzw. Zeilen und eine Anzahl von Spalten von Schächten, welche an die gewünschte Dichte angepasst ist, auf, mit dem Ziel, die Synthese von DNS-Sonden ausgehend von vier Basis-Monomernukleotiden für die Herstellung von Biochips vorzunehmen. Die Schächte jeder Linie werden über einen in der Membran parallel zu den Linien ausgebildeten Mikrokanal durch einen gleichen Behälter versorgt, welcher lateral mit der Linie oder orthogonal zur Ebene des Substrats gekoppelt ist, wobei die Behälter in die Membran gekerbt bzw, geätzt sind oder in einer Entfernung angeordnet und mit den Mikrokanälen durch biegsame Verbindungen verbunden sind.
Die Erfindung betrifft zudem die Verwendungen des oben definierten Druckkopfs. Zur Bewerkstelligung zumindest bestimmter von diesen ist es vorteilhaft, eine zur Benutzung bereite Anordnung vorzubereiten, welche folgende Formen annehmen kann:

– Verteilkartusche umfassend mindestens einen mit Reagenzmittel vorgefüllten Druckkopf und Titerplatten aus Halbleiter- oder thermoplastischem Material, welche Mikroküvetten aufwei sen können, welche durch mikroelektronische Gravur bzw. Ätzen, durch maschinelle Fertigung, durch Spritzgießen, durch Thermoformen oder jegliche an eine derartige Herstellung angepasste Technik gebildet sind,
– Kit zum Verteilen umfassend mindestens einen Druckkopf, welcher mit mindestens einer Ansaugpumpe versehen werden kann, und mindestens eine Titerplatte, welche mit Reagenzmittel vorgefüllt sein kann oder nicht.

Diese Kartuschen oder diese Kits sind insbesondere zur Herstellung von Biochips durch In-Situ-Synthese oder durch Deponieren von vorsynthetisierten Oligonukleotiden, zur kollektiven oder individuellen Klassierung bzw. zum Durchsieben von biologischen Molekülen oder Zellen, zur Herstellung von Medikamenten oder für pharmazeutische Tests oder für immunologische, biochemische oder biologische Erkennungen bestimmt.
Die perkutane Verabreichung von Medikamenten durch Ionophorese kann ausgehend von einem vorstehend definierten Druckkopf, welcher mehrere Schächte umfasst, realisiert werden. Ein System zum Aufprägen einer angemessenen Potentialdifferenz auf eine piezoelektrische Zelle oder jegliches Mittel zum elektromagnetischen Auslösen bildet eine Verabreichungsvorrichtung für eine kalibrierte Menge mindestens eines Medikaments, welches in den Schächten enthalten ist oder in diesen gebildet wird.
Abgesehen von den oben zitierten Anwendungen kann die Erfindung ebenso für die Trennung und die Verteilung benutzt werden, beispielsweise in der Chromatographie durch selektive Filterung. An den Wänden der Schächte eines Druckkopfs gemäß der Erfindung sind dabei durch irgendein bekanntes Mittel i dentische oder verschiedene Biozellen nach Schächten oder nach Blöcken von Schächten fixiert, aufgepfropft, festgeklemmt oder angehängt. Der Druckkopf kann in das Mundstück einer Spritze integriert sein.
Andere Eigenschaften, Vorteile und Anwendungen ergeben sich zudem im Folgenden aus der Beschreibung, insbesondere aus nicht einschränkenden detailliert beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Figuren, welche zeigen:
1 eine teilweise perspektivische Schemaansicht eines Verteilkopfes, welche auf die Umgebung eines Basisschachtes eines Systems nach der Erfindung begrenzt ist,
2 eine Schnittansicht gemäß II-II des Kopfes nach 1 mit einem Nachfüllbehälter,
3 eine perspektivische Schemaansicht eines Verteilkopfs eines erfindungsgemäßen Systems mit acht Verteilerschächten,
4 eine Schnittansicht entlang IV-IV der vorhergehenden Figur,
5 eine perspektivische Schemaansicht eines Verteilkopfes eines erfindungsgemäßen Systems mit 16 Verteilerköpfen,
6 eine Schnittansicht entlang V-V der vorhergehenden Figur,
7 und 8 zwei Kavaliersansichten der Unterseite des Verteilkopfes des Systems nach 5 und eine Abwandlung,
9 eine Perspektivansicht des Systems nach 5 mit Mitteln zur Verteilung eines Reagenzmittels über eine Distanz,
10 eine Perspektivansicht des Systems nach 5 mit Mitteln zur Verteilung von vier Mononukleotiden über eine Distanz zum Bilden von Sonden auf einem beweglichen Plättchen,
11 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Verteilen, welche das Prinzip der selektiven Betätigung der Verteilschächte zeigt,
12a und 12b Schnittansichten, welche die zwei Betätigungsphasen eines Schachtes durch elektromagnetische Mittel zum selektiven Auslösen darstellen,
13a und 13b eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Verteilen, welche die selektive Betätigung durch elektromagnetische Mittel bzw. durch piezoelektrische Mittel zum selektiven Auslösen darstellt,
14 eine Schnittansicht eines Verteilkopfes in der Phase des Auffüllens durch Aufnehmen von Reagenzmitteln zum Bereiten einer erfindungsgemäßen Verteilkartusche,
15 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Verteilen, welches zur Behandlung von Zellen auf einer Titerplatte angewendet wird,
16 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Verteilen, welches bei der Detektion der Hybridisierung im Rahmen eines genetischen Tests verwendet wird,
17 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Systems zum Verteilen, welches bei der perkutanen Verabreichung von Medikamenten verwendet wird.
In allen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen identische oder technisch äquivalente Elemente. Die Membranen erscheinen transparent mit dem Ziel, die Visualisierung der Anordnung der dargestellten Elemente zu vereinfachen.
Ein Beispiel eines Verteilkopfs 1 ist in 1 derart dargestellt, dass er auf seine Umgebung um einen Verteilschacht 10 begrenzt ist. Jeder Schacht 10 wurde durch Photolithographie gefolgt von einem nasschemischen Ätzen in ein Siliziumsubstrat 2, welches mit einer Pyrex^®-Membran 3 bedeckt ist, geätzt, wobei die Membran und das Substrat durch anodisches Schweißen zum Bilden des Kopfes 1 zusammengesetzt sind.
Der Schacht 10 weist eine inverse Pyramidenform auf und geht von einer Seite zu der anderen durch das Siliziumsubstrat 2 gemäß vier kontinuierlich geneigten Wänden 11, welche durch die Kristallebenen {1 1 1} des Siliziums definiert sind, hindurch. Die obere Öffnung 12 des Schachts, welche mit der Membran 3 kommuniziert, bildet ein Quadrat mit größerer Seitenlänge als die Seitenlänge der unteren Öffnung 13 mit dem Ziel, das Ausstößen der Tröpfchen zu beschleunigen. Ein Mikrokanal 20 zur Versorgung oder Entleerung des Schachts mit bzw. von Reagenzmitteln ist maschinell in der Membran 3 gefertigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Abmessungen der Schächte die folgenden:

– Seitenlänge der oberen Öffnung: 500 μm
– Seitenlänge der unteren Öffnung: zwischen 10 und 50 μm (ungefähr 30 μm)
– Dicke der Membran: 10 bis 50 μm
– Dicke des Substrats: 360 μm

In der Schnittansicht gemäß der 2 entlang II-II sieht man, dass der Mikrokanal 13 mit einem Versorgungs- oder Vorratsbehälter 4 des Reagenzmittels 5 kommuniziert. Es ist zudem in dieser Ansicht gezeigt, dass die untere im Wesentlichen ebene Fläche 2i des Substrats 2 vorbaumäßig um die lateralen Wände 11 der Schächte 10 in einer Weise ausgebildet ist, diese Wände zu verlängern, um eine Düse 14 zu bilden. Derartige Düsen werden durch maschinelle Bearbeitung der unteren Seite erhalten. Die Höhe H einer derartigen Düse im Verhältnis zur Seitenlänge C, Seitenlänge der Öffnung 13, misst das Verhältnis der Form als ungefähr gleich 3 in dem Beispiel, was die Bildung von Mikrotröpfchen mit Volumen in der Größenordnung eines Pikoliters verbessert. Der Wert des Verhältnisses der Form wird durch technologische Begrenzungen begrenzt, und ein guter Kompromiss ist es, zwischen 1 und 20 zu versuchen, entsprechend dem Material und der benutzten Ätztechnik. Im Übrigen ist der mittlere Abstand zwischen zwei Schächten typischerweise ungefähr 550 μm.
In 3 umfasst die Perspektivansicht eines Verteilkopfs 1 acht Schächte 10, welche individuell durch acht Mikrokanäle 20 mit acht Behältern 4 verbunden sind. Die typischen Abmessungen eines derartigen Kopfs sind:

– Länge: 3 mm
– Breite: 5 mm
– Dicke: 1 mm entsprechend der Dicke der Behälter

Die in 4 gezeigte Querschnittsansicht entlang der Ebene IV-IV der vorhergehenden Figur zeigt gut die Unabhängigkeit der Behälter 4, welche die Verteilung oder Aufnahme verschiedener Reagenzmittel 5a und 5b ermöglicht.
Als Abwandlung zeigen die 5 und 6 als Kavaliersansicht bzw. Schnittansicht gemäß der Ebene V-V einen Verteilkopf, welcher sechzehn Schächte 10 umfasst, die individuell mit sechzehn Behältern 4 durch sechzehn Mikrokanäle 20 verbunden sind. Eine derartige Anordnung wird vorteilhafterweise benutzt, um sechzehn verschiedene Reagenzmittel zu verteilen.
Die untere im Wesentlichen ebene Seite 2i des Substrats 2 des Verteilkopfs der 5 und 6 ist als Kavaliersansicht in 7 und als Abwandlung in 8 dargestellt. In 7 erscheinen die Wände der Schächte 10 als Vorsprünge in Form von Pyramiden. Diese geneigte Form der Wände ist vorteilhaft, da das Reagenzmittel nicht in Gefahr läuft, sich anzusammeln und somit zu stagnieren. Im Übrigen erlaubt sie vom Standpunkt der Hydrodynamik einen verbesserten Durchfluss mit einer Verteilung der Drücke und der Geschwindigkeiten in kontinuierlicher Weise. In 8 erscheinen dieselben Wände 11 transparent in zylindrischer Form mit einem Durchmesser gleich 100 Mikron, verlängert durch ein zentriertes Ansatzstück 6, ebenso zylindrisch und 20 Mikron im Durchmesser.
Wenn ein einziges Reagenzmittel gleichzeitig über die Schächte verteilt oder aufgenommen wird, wird vorteilhafterweise die in 9 dargestellte Konfiguration der Membran verwendet. Bei diesem Aufbau weist die Membran 3 eine einzige Öffnung 30 auf, welche es ermöglicht, ohne Benutzung von Mikrokanälen das gleiche Reagenzmittel an alle Schächte 4 zu liefern oder über sie aufzunehmen. Dieses Reagenzmittel wird ausgehend von einem entfernten Behälter (nicht dargestellt) über eine biegsame Leitung 7, welcher mit einer einzigen Mikrokapillare 40, welche durch die Membrane 3 hindurchgeht, transportiert oder zu diesem hin aufgenommen.
Wenn mehrere Reagenzmittel verteilt werden, beispielsweise vier Mononukleide A, C, T, G in dem in Perspektivansicht der 10 dargestellten Fall, ist die vorstehende Membran durch drei Traversen in einer Weise unterteilt, vier unabhängige Leitungen 32 zur Versorgung oder zur Aufnahme von Reagenzmitteln zu bilden. Diese Leitungen sind mit vier Mikrokapillaren 41 verbunden, welche über die Membrane 3 und 4 flexible Schläuche 7 mit vier entfernten (nicht dargestellten) Behältern verbunden sind. Ein derartiger Aufbau ist insbesondere an die Verteilung von vier Basisnukleotiden zum Bilden von Sonden 9 für die Herstellung von Mikrochips auf einem Plättchen bzw. Objektträger 82, welcher mit einer Silanschicht 83 bedeckt ist, um das Haften der erstgenannten Nukleide zu ermöglichen, angepasst. Das Plättchen 82 wird von einer Positioniervorrichtung 86 gemäß den Achsen XYZ getragen.
Bei dem Ziel, das Reagenzmittel oder die Reagenzmittel über Mikrotröpfchen 50 in selektiver Weise zu verteilen, d.h. durch jeden Schacht unabhängig von den anderen anzufordern, wird die Membran 3 lokal angeregt, wie in der Schnittansicht der 11 dargestellt. Die selektive Betätigung der Schächte 10 zur Verteilung wird durch Mittel hervorgerufen, welche die Membran 3 durch Beaufschlagung mit einer Kraft F lokal deformieren.
In den Schnittansichten der 12a und 12b sind die zwei Phasen der Betätigung eines Schachts 10 durch lokale Deformation der Membran, betätigt durch elektromagnetische Auslösemittel, dargestellt. Diese Mittel sind durch einen elementaren Elektromagneten 60, welcher aus einem stromerzeugenden Anregungskreis 61, welcher insbesondere eine mit einem Kern mit Luftspalt 64 gekoppelte Spule 63 umfasst, besteht, gebildet. Die elektromagnetischen Mittel umfassen zudem eine magnetische Pastille 65, welche auf der Membran 3 am Ort des Schachts befestigt ist und geeignet ist, durch den Elektromagneten polarisiert zu werden. Die Pastille kann alternativ ein Permanentmagnet oder aus dia- oder paramagnetischem Material sein.
Wenn der Strom 62 fließt, übt der Kern 63 eine Anziehungskraft F _a auf die Pastille 65 aus. Die Membran 3 wird somit zu dem Elektromagneten hin deformiert und die Flüssigkeit 51 wird beim Durchfluss durch die Öffnung 13 gestoppt (12a). Wenn der Strom 62 durch Umkehrung der Pole in der anderen Richtung fließt, übt der Kern 63 eine abstoßende Kraft F _r auf die magnetische Pastille 65 aus. Die Membran wird muldenförmig deformiert, und die Flüssigkeit 51 wird in Form von Mikrotröpfchen 50 durch die Öffnung 13 der Ausstoßdüse ausgestoßen (12b), mit einem Volumen, welches durch die Abmessungen der Düse ebenso wie durch die Amplitude und die Dauer des applizierten elektrischen Signals kalibriert und gesteuert ist.
Alternativ kann das Ausstoßen der Tröpfchen durch Applizieren von Impulsen von elektrischem Strom oder durch Applizieren eines Wechselstroms mit der Eigenresonanzfrequenz der Membran vor sich gehen.
Mit dem Ziel, eine selektive Verteilung von Mikrotröpfchen zu realisieren, d.h. bei der die Steuerung bezüglich jedes Schachtes individualisiert ist, wird die lokale Deformation durch eine Anordnung von Auslösemitteln realisiert. Die 13a und 13b stellen als Schnittansicht eine derartige Anordnung dar, welche durch elektromagnetische bzw. piezoelektrische Mittel gebildet wird.
Die elektromagnetische Mittel umfassen Elektromagnete 16 und Magnete 65, welche in Matrixform am Ort jedes Schachts 4 angeordnet sind, und die piezoelektrischen Mittel umfassen piezoelektrischen Pastillen 70, welche mit Anregungskreisen 61 desselben Typs wie diejenigen, welche für die elektromagnetischen Mittel benutzt sind, gekoppelt sind. Die piezoelektrische Auslösung der Mikrotröpfchen 50 (13b) wird in derselben Weise wie im Fall der elektromagnetischen Auslösung (12 und 13a) durch Schließen der Kreise 61 ausgelöst, wobei die Öffnung der Unterbrecher 66 den Durchfluss der Tröpfchen 50 anhält. Im Fall der Benutzung von piezoelektrischen Aktuatoren sind die elektrischen Signale in diesem Fall Potenzialdifferenzen, mit welchen Klemmen der piezoelektrischen Elemente beaufschlagt werden.
Die Anordnung der Auslösemittel wird durch eine (nicht gezeigte) programmierbare Steuereinheit über ein Kopplungs- oder Multiplexnetz gesteuert, dessen Bewerkstelligung dem Kompetenzgebiet des Fachmanns untersteht. Eine derartige Einheit erlaubt es, simultan oder sukzessive das Aufnehmen oder das Verteilen eines gleichen Reagenzmittels oder unterschiedlicher Reagenzmittel über die Schächte auszulösen.
Auf diese Weise ist es möglich, einen erhöhten Durchsatz des Ausstoßes der Tröpfchen zu erhalten, beispielsweise 100 Tröpfchen pro Sekunde für denselben Schacht. Es ist somit möglich, den Durchsatz von 100 000 für einen Druckkopf mit 100 Schächten zu erhalten, mit einer durch das externe Signal gesteuerten Deformation der Membran. In der Tat ist, da die Flüssigkeit praktisch inkompressibel ist, das Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten der Verschiebung der Flüssigkeit zwischen der oberen Öffnung und der Ausstoßöffnung der Schächte invers proportional zum Verhältnis der jeweiligen Flächen. In dem dargestellten Beispiel, wobei das Verhältnis der Seitenlängen der Öffnungen ungefähr 15 ist, ist die Schnelligkeit des Ausstoßes der Tröpfchen daher ungefähr 15 Mal größer als diejenige der Deformation der Membranen.
Für die Bereitung einer Kartusche zum Verteilen gemäß der Erfindung werden die Reagenzmittel in einen Verteilkopf wie in der Querschnittsansicht der 14 dargestellt aufgenommen. Um eine derartige Aufnahme zu bewerkstelligen, sind die Reagenzmittel in Mikroküvetten 80 enthalten, welche in eine Platte 81 entsprechend den entsprechenden Abmessungen der Schächte 4 geätzt sind. Diese Platte umfasst in dem Beispiel 9 600 Mikroküvetten, welche 0,6 mm beabstandet sind. Einige Tausend Küvetten pro Quadratzentimeter können ebenso realisiert werden, auch wenn die derzeit benutzten Titerplatten derzeit 1 bis 4 Küvetten pro Quadratzentimeter umfassen.
Die Platte wird durch mikrometrische Steuerung (Z-Richtung) zu dem Substrat 2 hin verschoben, bis am Rand der Mikroküvetten 80 befestigte Dichtungen 82 aus Teflon^® zusammengedrückt werden. Andere Materialien können alternativ benutzt werden, um die Dichtungen zu bilden: Silikon, Vuiton^®, Polymere, Elastomere oder angepasstes thermoplastisches Material.
Die Reagenzmittel werden durch die Betätigung einer Pumpe 8 in die Schächte aufgenommen, welche in einem Evakuierungsschlauch 7 montiert ist, welcher mit Evakuierungsleitungen der Schächte 4 wie oben detailliert beschrieben gekoppelt ist. Die Platte 81 ist zudem in den XY-Richtungen mit dem Ziel beweglich, andere Aufnahmen ausgehend von anderen Mikroküvetten vorzusehen, was es erlaubt, Mischungen von Reagenzmittel in einem selben Schacht zu bewerkstelligen. Die Platte ist auf einem (in 10 dargestellten) XYZ-Verschiebetisch angeordnet.
Entsprechend den Anwendungen können die Reagenzmittel von unterschiedlicher Art sein: cDNS, Oligonukleotide, Gene, Zellen, mRNS, Proteine, DNS- oder RNS-Sequenzen, welche durch PCR (in englischer Terminologie Initialen von „Polymerization Chain Reaction", Polymerase-Kettenreaktion) vermehrt sind, Antigene und Antikörper, therapeutische Moleküle, Seren etc.
Im Hinblick auf die Bereitung von Sonden zur Realisierung eines Biochips ist das Deponieren von Oligonukleotiden oder Proteinen auf einer Titerplatte oder einem beweglichen Plättchen in der Querschnittansicht der 15 dargestellt. Ein Verteilkopf wird durch Behälter und den Betrieb von Pumpen entsprechend der 10 versorgt. Verschiedene therapeutische Reagenzmittel 52 bis 56 werden in die Schächte verteilt. Zu behandelnde Zellen 15 werden in den Mikroküvetten einer Titerplatte 81 deponiert. Der Kopf und die Platte werden mit Hilfe (nicht dargestellter) Markierungen präzise aneinander ausgerichtet. Die Titerplatte wird durch Spritzen eines ther moplastischen Materials wie Methylpolymethacrylat oder eines Polycarbonats realisiert.
Die Sonden werden auf Anforderung durch Programmierung der Steuereinheit der Aktuatoren in Verbindung mit der Verschiebung des Plättchens gebildet, was es erlaubt, die Sonden unmittelbar während dieser Verschiebung zu bilden: Die Dauer der Bildung der Sonden 9 ist optimiert, was es erlaubt, beträchtliche Zeit im Verhältnis zu der Bildung durch aufeinanderfolgende Schichten des Standes der Technik zu gewinnen. Der mit dem erfindungsgemäßen Verteilsystem erhaltene hohe Durchsatz erlaubt es, Sonden zu realisieren, welche beispielsweise 60 bis 70 Nukleotide erreichen können, welche für die Anwendungen in der funktionellen Genetik und Genexpression nötig sind. Die Platte oder das Plättchen werden durch mikrometrische Steuerung in den Richtungen XY verschoben, um die Öffnungen der Ausstoßmittel bezüglich der zu bedruckenden Gebiete zu positionieren.
Bei einem anderen Anwendungsbeispiel bei der Detektion der Hybridisierung im Rahmen eines genetischen Tests, wie in 16 in Querschnittsansicht dargestellt, wird das Plättchen 82, welches entsprechend der vorstehenden Figur präpariert wurde, durch einen DNS-Fluss des Patienten 90 bestrichen. Die DNS des Patienten wird vorher magnetisch durch Aufpropfen von Kügelchen 91 markiert, welche beim Stand der Technik benutzt werden, um die Moleküle in einem magnetischen Feld zu immobilisieren, oder, alternativ, durch Fluoreszenz.
Der zusätzliche Vorteil der vorliegenden Lösung ist es, die Auslösemittel der Verteilung zum Realisieren des Auslesens des Tests durch Detektion wiederzuverwenden, was es erlaubt, die Menge des benutzten elektronischen Materials zu reduzie ren, während es beim Stand der Technik nötig ist, Auslesespulen in den Titerküvetten anzuordnen.
Die Hybridisierung oder immunologische Interaktion erlaubt es, die DNS des Patienten auf bestimmten der Sonden 9 zu fixieren. Die Detektion dieser Hybridisierungen wird durch Bildung eines in den Kreis 61 am Ort der hybridisierten Sonden induzierten Stroms oder durch optische Detektion realisiert. Diese Detektion wird durch die Tatsache der Präzision der Positionierung der Sonden und durch die Tatsache, im Fall der magnetischen Markierung, dass es dieselben Kreise 61 sind, welche die Verteilung der Sonden und die Detektion der Hybridisierungen sicherstellen, möglich gemacht.
Bei der Ionophoreseanwendung wird die perkutane Verabreichung von Medikamenten unter Bezugnahme auf die Schnittansicht der 17 ausgehend von einem Druckkopf mit einem Verteilschacht 4 realisiert. In diesem Schacht ist ein Medikament entsprechend dem oben dargestellten Verfahren verteilt. Eine Spannung von einigen Millivolt wird durch einen Spannungserzeugungskreis 61 an einer piezoelektrischen Zelle 70 mit dem Ziel, die Membran 3 zu deformieren, angelegt. Eine vorgegebene Menge des Medikaments 50 während einer gegebenen Zeit kann somit verabreicht werden. Zwei der gegenüberliegenden Wände 11 des Schachts können zudem mit dem Ziel polarisiert werden, die Absorption des Medikaments zu erleichtern, indem eine Erweitung der Poren der Haut hervorgerufen wird.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt.
Die Mikrokanäle können in gleicher Weise in das Substrat oder in die Membran geätzt sein. Die Membran oder das Substrat sind mit einer Vielschichtstruktur realisiert, welche es erlaubt, die Mikrokanäle in dreidimensioneller Weise in die verschiedenen Schichten zu integrieren. Die Mikrokanäle sind somit mit den Schächten durch Verbindungen senkrecht zu den oberen Öffnungen der Schächte gekoppelt.
Im Übrigen ist es möglich, andere Techniken zur Auslösung der lokalen Deformation der Membran zu benutzen, durch einen bilaminierten bzw. Bimetalleffekt, welcher thermoelastische Effekte oder die Magnetostriktion benutzt: Die thermoelastische Deformation eines Materials vom bilaminierten Typ, welches in Form von elementaren Spangen am Ort der Schächte auf der Membran angeordnet ist. Jede Spange kann aus einer Schicht eines ferromagnetischen Materials und einer Schicht eines leitenden Materials (aus Cu, Al, Au etc.) gebildet sein, wobei sich das ferromagnetische Material durch den Effekt eines magnetischen Feldes, welches durch den Elektromagneten erzeugt wird, deformiert. Es ist zudem möglich, durch pneumatische Mittel, durch Elektroverdampfen oder durch die Applizierung von elektrostatischen Feldern zu handeln.
Im Übrigen können die Deformationskräfte der Membran oder ihre Erwärmung beispielsweise mit Hilfe von Foucault-Strömen erzeugt werden. Die Versetzung in Eigenresonanz kann durch Deformation der Membran oder durch Vibration des Endes der Düse bewerkstelligt werden.
Im Übrigen sind andere Anpassungen mit dem Ziel möglich, spezifische Anwendungen zu befriedigen. Beispielweise sind für Klassierungstests von Zellen auf dem Gebiet der Pharmakologie unter Bezugnahme auf 15 die Mikroküvetten 80 eines Titerplättchens 81 mit polarisierten Elektroden 87 ausgerüstet. Der Test der Reaktivität der Zellen kann optisch sein, d.h. durch Fluoreszenz und/oder Spektroskopie, oder elektrisch durch Messung der elektrischen Impedanz, oder elektrochemisch. Es ist ebenso möglich, umgekehrt eine Potenzialdifferenz mit einem angepassten Wert zwischen den Elektroden anzulegen mit dem Ziel, eine Polarisierung in den Zellen zu erzeugen und so den therapeutischen Effekt auf die Zellen zu begünstigen.
Eine andere Anwendung des Verteilsystems gemäß der Erfindung betrifft die Verteilung von Reagenzmitteln in Massenspektrometersäulen für die Charakterisierung von Verbindungen durch parallele oder sequenzielle Versorgung wie oben beschrieben. Diese Anwendung kann zudem für Chromatographen gelegen kommen.

Claims

System zum Verteilen von Mikrotröpfchen, welches fähig ist, einige Dutzend bis zu einige Tausend Mikrotröpfchen parallel im Bruchteil einer Sekunde zu verteilen, umfassend ein von einer Membran (3) bedecktes Substrat (2) und Mittel (65, 70) zur Deformation der Membran senkrecht zu jeder in dem Substrat (2) ausgebildeten Kavität (10), wobei sich die Kavitäten, in ein das Substrat bildende Material eingeätzt bzw. eingekerbt, in Form von Schächten darstellen, welche mit einer kontinuierlichen lateralen Wand (11) axialer Symmetrie durch das Substrat hindurchgehen, wobei jeder Schacht in der oberen Fläche und der unteren Fläche des Substrats mit einer Versorgungsöffnung (12) bzw. einer offenen Düse (14) entsprechend einer Ausstoßöffnung (13) mündet, wobei die Versorgungsöffnung eine größere Öffnung als die Öffnung (13) der Düse aufweist, wobei die Düse ein Verhältnis zwischen der Höhe und der Öffnung der Düse aufweist, welches von 1 bis 20 gehen kann, wobei die Schächte in Matrixform konfiguriert sind, mit einer Dichte von Schächten, welche 10.000/cm² erreichen kann und welche in der Lage ist, einen Durchsatz von mindestens einer Million Tröpfchen pro Sekunde bereitzustellen, wobei die Membran oder das Substrat eine Vielschichtstruktur aufweist, welche Mikrokanäle zur Versorgung der Schächte in dreidimensionaler Weise in den verschiedenen Schichten integriert, wobei die Mikrokanäle dann mit den Schächten durch Verbindungen senkrecht zu den oberen Öffnungen der Schächte gekoppelt sind.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen gemäß Anspruch 2, wobei die Schächte anstelle der Matrixkonfiguration als Konfiguration von zentrischen Kreisen, als Spirale oder gemäß einer Kombination dieser Konfigurationen angeordnet sind.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Gesamtheit der Deformationsmittel durch eine programmierbare Steuereinheit über ein Multiplexnetz gesteuert wird, um gleichzeitig oder hintereinander das Ansaugen oder Ausstoßen von gleichen oder verschiedenen Reagenzmitteln über alle Schächte, über vorgewählte Blöcke von Schächten oder bestimmte vorgewählte Schächte auszulösen.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Material des Substrats oder der Membran aus den Halbleitermaterialien, dem Polysilizium, den Gläsern, den Siliziumnitriden, den Keramiken, den thermoplastischen Materialien, den Elastomeren, den dicken lichtempfindlichen Harzen und den elektrogeformten oder elektrogeätzten Metallen ausgewählt ist.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das Kerbverfahren für das Substrat oder die Membran aus dem chemischen Ätzen, dem RIE (reaktiven Ionenätzen), dem D-RIE, der Photolithographie, dem Einkerben durch Elektroätzen oder Elektroformen, dem Spritzgießen und der Polymerisation, dem Laserschneiden, dem Ultraschall oder dem Aufbringen von Schleifmitteln ausgewählt ist.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach Anspruch 5, bei welchem die Membran mit dem Ziel gekerbt ist, ein Netz von Mikrokanälen zur Versorgung der Schächte zu realisieren, wobei Mikrokanäle an einem Ende mit mindestens einem Behälter zur Versorgung mit Reagenzmittel gekoppelt sind.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen gemäß Anspruch 1, bei welchem die Mittel zur lokalen Deformation (65, 70) der Membran (3) durch elektromagnetische und piezoelektrische, magnetostriktive, elektrostatische Aktuatoren oder durch Elektroverdampfen gebildet sind.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach Anspruch 1, wobei die Deformationskräfte der Membran durch In-Eigenresonsanz-Versetzen der Membran (3) oder durch Vibration des Endes der Düsen (14) hervorgerufen werden.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen nach Anspruch 1, bei welchem die Schächte jeder Linie einer Matrixkonfiguration durch einen gleichen Behälter (4) über einen Mikrokanal (20), welcher in der Membran parallel zu der Linie der Schächte (10) ausgebildet ist und welcher lateral mit der Linie oder orthogonal zur Ebene des Substrats (2) gekoppelt ist, versorgt werden, wobei die Behälter in die Membran gekerbt bzw. geätzt sind oder in einer Entfernung angeordnet und mit den Mikrokanälen durch biegsame Verbindungen verbunden sind.
System zum Verteilen von Mikrotröpfchen gemäß Anspruch 1, bei welchem der Druckkopf (1) eine Anzahl von Linien gleich einem Vielfachen von vier aufweist, mit dem Ziel, die Synthese von DNS-Sonden ausgehend von vier Mononukleotiden (A, C, T, G) zur Herstellung von Biochips vorzunehmen, und bei welchem die Schächte jeder Linie durch einen gleichen Behälter über einen in der Membran (3) parallel zu den Linien ausgebildeten Mikrokanal (32) versorgt werden, wobei die Behälter in die Membran gekerbt bzw. geätzt sind oder in einer Entfernung angeordnet und mit den Mikrokanälen durch biegsame Verbindungen (7) verbunden sind.
Verteilkartusche umfassend mindestens ein System zum Verteilen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, vorgefüllt mit Reagenzmitteln (51), und Titerplatten (81), welche Mikroküvetten (80) aufweisen können, welche durch mikroelektronische Gravur, durch maschinelle Fertigung, durch Spritzgießen und durch Thermoformen gebildet sind.
Kit zum Verteilen umfassend mindestens ein System zum Verteilen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, versehen mit mindestens einer Ansaugpumpe (8) und mindestens einer Titerplatte (81), welche mit Reagenzmittel vorgefüllt sein kann.
Kartusche nach Anspruch 11 oder Kit nach Anspruch 12, wobei die Titerplatte mit polarisierten Elektroden versehene Mikroküvetten aufweist, wobei der Test der Reaktivität der Zellen optisch oder elektrisch ist.
Kartusche oder Kit nach Anspruch 13, wobei eine Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden aufgeprägt wird mit dem Ziel, eine Polarisierung in den Zellen zu erzeugen und den therapeutischen Effekt auf die Zellen zu begünstigen.
Verwendung der Kartusche nach Anspruch 11 oder des Kits nach Anspruch 12 zur Herstellung von Biochips durch In-Situ-Synthese oder durch Deponieren von vorsynthetisierten Oligonukleotiden, zum Klassieren von biologischen, chemischen Molekülen oder Zellen, zur Herstellung von Medikamenten oder für pharmazeutische Tests oder für immunologische, biochemische oder genetische Erkennungen.
Verwendung des Systems zum Verteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur perkutanen Verabreichung von Medikamenten durch Ionophorese umfassend ein System zum Aufprägen einer angemessenen Potenzialdifferenz auf eine piezoelektrische Zelle (70) durch Verabreichung einer kalibrierten Menge mindestens eines Medikaments, welches in mindestens einem Schacht enthalten ist oder gebildet wird.
Verwendung eines Systems zum Verteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Klassieren von Testzellen auf dem Gebiet der Pharmakologie, bei welcher in den Mikroküvetten (80) einer Titerplatte (81) enthaltene Medikamente auf Zellen, welche mit polarisierten Elektroden versehen sind, deponiert werden, wobei der Test der Reaktivität der Zellen optisch oder elektrisch ist.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher eine Potenzialdifferenz von angepasstem Wert zwischen diesen Elektroden aufgeprägt wird mit dem Ziel, eine Polarisierung in den Zellen zu erzeugen und somit den therapeutischen Effekt auf die Zellen zu begünstigen.
Verwendung des Systems zum Verteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur selektiven Filterung von identischen oder verschiedenen Biozellen oder von biochemischen Verbindungen durch Fixierung an den Wänden der Schächte eines Druckkopfs nach Schächten oder nach Blöcken von Schächten.
Verwendung des Systems zum Verteilen nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welcher der Druckkopf in das Mundstück einer Spritze integriert ist.
Verwendung des Systems zum Verteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur parallelen oder sequenziellen Versorgung von Säulen bzw. Feldern eines Massenspektrometers oder von Chromatographen.