Modifizierung englumiger Strukturen aus thermolabilen Materialien

Mikroplasmen zur Modifizierung englumiger Strukturen aus thermolabilen Materialien

Mikroplasma zur Behandlung der inneren Oberfläche von Kapillaren mit Innendurchmessern unter einem Millimeter. Links: Kapillare im Reaktor (Auflicht), Mitte: Plasmaentladung im Innenraum einer porösen Kapillare, rechts: Kapillare ohne Plasma.

Mit der zunehmenden Miniaturisierung von chemischen und medizinischen Produkten stossen konventionelle Ansätze zur Plasmamodifizierung von Oberflächen an ihre Grenzen, z. B. wenn kleine Innenoberflächen englumiger Hohlfasern behandelt werden sollen. Ein grosstechnisches Verfahren zur plasmachemischen Funktionalisierung der äusseren Oberfläche bis in die poröse Substruktur hinein konnte beispielsweise für Hohlfasermembranen etabliert werden [1]. Diese Membranen werden unter anderem bei der Apherese (Blutwäsche) eingesetzt.

Die Plasmafunktionalisierung auch der inneren Oberfläche von thermisch empfindlichen Hohlfasermembranen – mit nur einigen hundert Mikrometern Durchmesser – stellt jedoch eine neue Herausforderung dar, für die wir am Fraunhofer IGB derzeit eine Lösung erarbeiten.

Plasmafunktionalisierung

Mit Niederdruckplasmen können auch auf thermisch empfindlichen oder nasschemisch schwer zugänglichen Materialoberflächen bereits mit geringem Energieeintrag und bei kurzer Behandlungsdauer kovalente Bindungen gebrochen und neue funktionelle Gruppen erzeugt werden. Je nach Anwendungsfall kann im Anschluss daran eine nasschemische Anbindung von spezifisch wirkenden bioaktiven Molekülen erfolgen. Für die Plasmabehandlung können als Ausgangsverbindungen Substanzen wie Acrylsäure, CO2, niedermolekulare Fluorkohlenstoffe oder Ammoniak zum Ein- satz kommen. Die Auswahl ist abhängig davon, ob eine Hydrophilierung oder Hydrophobierung gewünscht wird oder die spezifische Funktionalisierung mit Carboxyl- oder Aminogruppen das Ziel ist.

Herausforderung kleine Dimensionen

Da die Innenvolumina von Kapillaren oder Hohlfasern sehr klein sind, stösst man an physikalische Grenzen: So liegt der Innendurchmesser der Hohlfasermembranen im Bereich der mittleren freien Weglänge der Teilchenbewegung. Dadurch sind die Wegstrecken, welche die geladenen Teilchen (Elektronen und Ionen) zurücklegen, durch Stösse mit den Wänden deutlich verkürzt. Dies hat für den Prozess der Plasmafunktionalisierung verringerte Stossionisationsraten in der Gasphase zur Folge.

In Submillimeterdimensionen ist eine stabile Entladung daher nur schwer zu er-halten. Eine Möglichkeit zur Stabilisierung sind höhere Plasmaleistungen. Daraus resultiert jedoch ein nicht akzeptabler Temperatureintrag.

Kühles »Mikroplasma«

Durch eine gezielte Einstellung des opti-malen Druckbereichs, die Wahl geeigneter Anregungsfrequenzen und deren verlust-arme Übertragung ist es uns am Fraunhofer IGB dennoch gelungen, verhältnismässig kühle Entladungen (T < 50 °C) zu betreiben und exemplarisch Glaskapillaren im Innern zu modifizieren. Hitzeempfindliches Material wird so nicht geschädigt.

Ausblick

Mit diesen Mikroplasmen im Niedertemperaturbereich erschliessen sich neue Anwendungsfelder: So können auch thermolabile Kapillaren selektiv auf ihrer Lumenoberfläche mit unterschiedlichen chemischen Gruppen ausgerüstet werden. Auf diese Weise werden englumige Kanäle, wie sie in Mikrofluidikstrukturen, Mikroreaktoren oder Kapillarmembranen vorliegen, für eine gewünschte ortsselektive Oberflächenfunktionalisierung zugänglich.