DE102004026087A1

DE102004026087A1 - Nano-Kanüle

Info

Publication number: DE102004026087A1
Application number: DE200410026087
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Giersig; José Dr. Rojas-Chapana
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2005-12-15
Also published as: WO2005115623A1

Abstract

Kanüle für ein Injektions- und/oder Extraktionsinstrument, insbesondere für eine Spritze oder eine Pipette, aufweisend eine Hohlnadel 1 und einen die Hohlnadel 1 dichtend einfassenden Adapter 2, wobei der Adapter 2 zum Zwecke der Halterung mit entsprechenden Aufnahmemitteln des Instrumentes zusammenwirkt, wobei die Hohlnadel ein Nanoröhrchen 1 mit einem Außendurchmesser von weniger als 100 nm und einem Innendurchmesser von weniger als 80 nm ist, wobei das Nanoröhrchen über die Länge eines Halteabschnitts S fest in einer den Adapter bildenden Trägerfolie 2 steckt, deren Stärke kleiner als 100 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer, ist, wobei das Nanoröhrchen 1 über einen effektiven Abschnitt 3 aus der Trägerfolie 2 herausragt, der von einer Spitze 4 abgeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kanüle für ein Injektions- und/oder ein Extraktionsinstrument, insbesondere für eine Spritze oder für eine Pipette, wobei das Instrument eine Hohlnadel und eine die Hohlnadel dichtend einfassenden Adapter aufweist und wobei der Adapter derart beschaffen ist, dass er zum Zwecke der Halterung mit entsprechenden Aufnahmemitteln des Instrumentes zusammenwirkt.
Solche Kanülen sind traditionell aus der medizinischen Praxis und Forschung bekannt, wobei deren Abmessungen der jeweiligen Anwendung angepasst sind. So werden für die Injektion von Fluiden in den Körper oder die Extraktion aus dem Körper bekanntermaßen metallene Hohlnadeln makroskopischer Dimensionen benutzt, die beispielsweise auf eine Kolbenspritze aufgesetzt werden. Auch für mikroskopische Anwendungen sind Hohlnadeln bekannt, die meist aus Glas gezogen sind und deren Spitze einen Durchmesser von wenigen Mikrometern aufweist. Im Extremfall können unter großem Aufwand sogar Spitzen mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer gefertigt werden. Derartige Mikro-Kanülen können für die gezielte Injektion oder Entnahme von Zellmaterial eingesetzt werden, solange die biologischen Objekte, wie beispielsweise große Bakterien oder Eizellen, eine Größe von mehr als einem und insbesondere von mehreren Mikrometern haben. Die meisten Bakterien und vor allem Viren sind für derartige Behandlungen jedoch zu klein.
Zwar ist es aus der US 2004/0063100 A1 bekannt, Halter („Chips") mit einer Vielzahl von Nano-Hohlnadeln herzustellen, über die ein gewisser Zugang in die Welt der Makromoleküle möglich ist. Doch ist die Art der Herstellung höchst komplex und für die massenhafte Fertigung nicht tauglich. So wird im Rahmen der Fertigung mittels eines Ätzprozesses zunächst eine Negativform mit Nano-Stiften geschaffen, die nachfolgend als Ganzes mit einem Material ummantelt wird, bevor der Formkörper entfernt wird. Nach dem Abschneiden der Bodenfläche und der Nadelspitzen entsteht ein einteiliger Chip, von dessen Basis eine Vielzahl von Nano-Hohlnadeln aufragen. Diese bieten jedoch keine ausreichende Stabilität, um die Hülle widerstandsfähigerer Strukturen zu durchdringen. Insbesondere geht aus dem Dokument hervor, dass die dort offenbarten Chips mit Nano-Hohlnadeln für die Ergreifung und Bewegung kleinster Organellen verwendet werden.
Die Erfindung macht es sich nunmehr zur Aufgabe, eine Nano-Kanüle zu schaffen, die sich mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand einfach und kostengünstig in großen Mengen herstellen lässt und die robust genug ist für den Einsatz als Nano-Spritze, Nano-Pipette, Nano-Pinzette oder Nano-Bohrer. Gleichfalls ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Nano-Kanülen zu schaffen, das sich einfach und mit kostengünstigen Mittel umsetzen lässt.
Diese Aufgaben werden durch die Kanüle mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche beinhalten besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Aus dem Wortlaut der Ansprüche ist ersichtlich, dass die Erfindung die genannte Aufgabe im Vergleich zum zitierten Stand der Technik unter Zugrundelegung eines anderen Grundgedankens löst. Danach wird das Prinzip der Makro-Kanüle wie sie aus der medizinischen Anwendung bekannt ist, in der nano-Dimension nachgebildet. Erfindungsgemäß werden dazu zwei verschiedene Einzelteile, nämlich (mindestens) eine Nano-Hohlnadel und ein die Hohlnadel(n) dichtend umgebende Nano-Adapter, zu der Nano-Kanüle zusammengefügt. Als Hohlnadel wird ein Nanoröhrchen mit einem Außendurchmesser von weniger als 100 nm und einem Innendurchmesser von weniger als 80 nm eingesetzt. Dabei ist aus diesen Zahlen ersichtlich, in welcher Größenordnung sich die Erfindung bewegt. Die Fertigung von Hohlnadeln mit derartigen Dimensionen ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Ein solches Nanoröhrchen wird erfindungsgemäß über eine definierte Länge, nämlich die Länge des Halteabschnitts, fest in eine Trägerfolie eingesteckt, wobei die Trägerfolie den Adapter bildet. Die Länge des Halteabschnitts ergibt sich daraus, wie tief das Nanoröhrchen in der Trägerfolie steckt. Erfindungsgemäß wird die Stärke der Trägerfolie kleiner als etwa 100 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer, gewählt. Wie auch von den Kanülen manuell bedienbarer Kolbenspritzen bekannt, ragt das Nanoröhrchen, aus der Trägerfolie (Adapter) heraus. Der aus der Trägerfolie herausragende Teil definiert damit einen für das Eindringen in eine Mikrostruktur „effektiven" Abschnitt, an dessen Ende sich die Spitze befindet. Die Länge der Nano-Röhrchen wird der Stärke der Trägerfolie angepasst sein (oder umgekehrt) und kann bis zu 1 mm betragen.
Mit den erfindungsgemäßen Nano-Kanülen ist es möglich, einem Objekt, beispielsweise einer einzelnen Zelle oder einer Ansammlungen von Zellen, wie sie beispielsweise in Gewebe vorkommen, Flüssigkeit oder Gas in minimalen Mengen zu entnehmen oder zu injizieren. Wegen ihrer geringen Dimension und Masse ist jedoch eine unmittelbare Handhabung der Nano-Känulen nicht möglich. Daher ist es vorteilhaft, sie mit einem mikroskopischen Positionierungssystem, wie es kommerziell erhältlich ist, zu manövrieren. Diese Positionierungssysteme sind für die Handhabung von Mikro-Pipetten bekannt und können, wie sie nachfolgend noch beschrieben wird, für den Einsatz mit Nano-Kanülen modifiziert werden. Mit diesen Systemen können Nano-Kanülen dann auch auf bewegliche Zielobjekte, wie Zellen, Proteine oder DNS, angesetzt werden. Damit ist einen genaue und zielgerichtete Abgabe und/oder Extrahierung von Substanzen möglich.
Mit den Nano-Kanülen bezieht sich die Erfindung letztendlich auf einen Bestandteil einer Injektionsvorrichtung, der eine einzelne hohle Nanonadel oder einer ganze Anordnung von hohlen Nanonadeln aufweist, wobei die Nanonadeln insbesondere von Kohlenstoff-Nanoröhrchen gebildet werden. Mit der Trägerfolie weist die Vorrichtung zudem eine als Adapter ausgebildete Halterung auf, die das eine Nanoröhrchen oder die Vielzahl etwa paralell angeordneter Nanoröhrchen zusammenhält. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich, wie schon dargelegt, insbesondere für den Bau von Nano-Pipetten, Nano-Spritzen oder Nano-Bohrern, mit denen beispielsweise Zellen, Membranen, Proteine oder ähnliche, gegenüber mechanischer Beschädigung und gegenüber dem Volumen des Injektats äusserst empfindlich reagierende Strukturen, beaufschlagt werden können.
Das erfindungegemäße Konzept geht mit einer Reihe von Vorteilen einher. So liegt ein wesentlicher Vorteil zunächst darin, dass es nun möglich ist, Nano-Kanülen in großer Stückzahl mit geringem technischen Aufwand zu fertigen. Dabei können die Kanülen durch entsprechende Wahl der Materialien und durch Anpassung der Dimensionen der Einzelteile an den vorgesehenen Einsatzzweck angepasst werden. Wie schon dargelegt, gelingt mit der Erfindung die Entwicklung einer nanodimensionierten Vorrichtung, die das Zielobjekt beim Eindringen der Kanüle nicht schädigt und die das Einspritzen sowohl kleiner als auch grosser Moleküle, einschließlich von Nanopartikeln und Proteinen, ermöglicht. Diese Vorrichtung ist in der biologischen und medizinischen Forschung von großem diagnostischen und therapeutischen Interesse und bietet die Möglichkeit, Manipulationen im kleinsten Maßstab vorzunehmen.
Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist die chemische und mechanische Stabilität der Nano-Kanülen gegenüber mechanischer Deformation, dem möglichen mikrobiellem Abbau sowie der Bildung von Biofilmen an der Oberfläche. Dabei weisen insbesondere aus Kohlenstoff gefertigte Nanoröhrchen eine verbesserte Zugfestigkeit und Biege-Elastizität auf, die höher ist, als es von herkömmlichen Kohlenstofffasern bekannt ist. Zudem sind solche Nanoröhrchen noch beständiger gegen Oxidation als alle andere Kohlenstoffmodifikationen und damit bei höheren Temperaturen einsetzbar.
Erfindungsgemäß sind mehre Konzepte denkbar, wie und vor allem wieweit das Nano-Röhrchen in das Material der Trägerfolie eingesteckt wird. Um eine sichere Durchgängigkeit bei hoher Stabilität garantieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn das Nanoröhrchen die Trägerfolie vollständig durchdringt. In diesem Fall entspricht die Länge des Halteabschnitts der Stärke der Trägerfolie. Dabei gibt es zwei Ausbildungsformen, die je nach Einsatzgebiet jeweils zu bevorzugen sind und die sich in der Art ihrer Herstellung unterscheiden. In der ersten Form mündet das Nanoröhrchen in der Ebene der dem Instrument zugewandten Oberfläche der Trägerfolie. Anders ausgedrückt, ragt das Nanoröhrchen nur mit dem effektiven Abschnitt aus der Folie heraus. Entsprechend erstreckt sich der Halteabschnitt vom Fuß des Nanoröhrchen ausgehend um die Stärke der Trägerfolie nach oben zur Spitze des Nanoröhrchens. Diese Form von Nano-Kanülen ist vor allem für Injektionsinstrumente zu bevorzugen, da mit diesen Nano-Kanülen eine vollständige Entleerung des Instruments möglich ist, da keine Toträume vorhanden sind. Allerdings bedarf die Herstellung im Vergleich zu der zweiten Ausbildungsform eines zusätzlichen Fertigungsschrittes. Nach dieser Form ragt das Nanoröhrchen über die Ebene der dem Instrument zugewandten Oberfläche der Trägerfolie hinaus.
Die mit der erfindungsgemäßen Nano-Kanüle ausgestatteten Werkzeuge können mehrfach verwendbar sein. Dazu ist die Möglichkeit einer einfachen Reinigung der Kanüle vorzusehen. In einer anderen Ausführungsform sind die Nano-Kanülen Einwegartikel, die nach dem Gebrauch verworfen werden. Ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet der mit den Nano-Kanülen ausgestatteten Werkzeuge ist die Chip-Technologie. Dort können die Werkzeuge insbesondere als Manipulatoren eingesetzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1 bis 4 näher erklärt. Es zeigen:
1 Verschiedene Arten von Nano-Kanülen mit eckigem Adapter,
2 eine Nano-Kanüle mit rundem Adapter,
3 eine in ein Instrument eingebaute Nano-Kanüle und
4 ein Verfahren zur Herstellung einer Nano-Kanüle.
1 zeigt Nano-Kanülen, die auf eine entsprechende Nano-Spritze oder eine Nano-Pipette aufgesetzt werden können. Die Kanülen bestehen im wesentlichen aus zwei Teilen. So haben sie ein oder mehrere von Kohlenstoff- Nanoröhrchen 1 gebildete Hohlnadeln. Die Nanoröhrchen 1 sind von einem Adapter, der von einer in diesem Fall rechteckigen Trägerfolie 2 gebildet ist, dichtend eingefasst. Sie haben einen Außendurchmesser von etwa 50 nm und einen Innendurchmesser von etwa 30 nm. Die Trägerfolie 2 hat eine Stärke S von etwa 10 Mikrometer. Dabei sind die in den Figuren gezeigten Dimensionen nicht maßstabsgetreu. Dies gilt insbesondere für die Kantenlänge der Trägerfolie 2, die letztendlich beliebige Maße bis in die Größenordnung von Zentimetern annehmen kann. Die Trägerfolie 2 ist ein Polymerfilm, dessen eckige Kontur nach der Herstellung zugeschnitten ist. Wie aus 3 ersichtlich, adaptiert der entsprechend konturierte Adapter 2 an Aufnahmemittel der Mikro-Pipette eines Positionierungssystems.
In diesem Fall durchdringen die Nanoröhrchen 1 die Trägerfolie 2 vollständig und ragen zu beiden Seiten aus der Trägerfolie 2 um ein gewisses Maß heraus. Da die Nanoröhrchen 1 über die gesamte Schichtdicke der Trägerfolie 2 gehalten werden, entspricht die Stärke S der Trägerfolie 2 auch der Länge des Halteabschnitts. Jedes Nanoröhrchen 1 hat einen effektiven Abschnitt 3, der von einer Spitze 4 abgeschlossen ist. Mit dem effektiven Abschnitt 3 kann auf eine Targetstruktur eingewirkt werden. Dabei ist es möglich, die Nanoröhrchen unter einem Winkel in die Trägerfolie 2 einzulassen oder den effektiven Abschnitt 3 gegenüber der Oberfläche der Trägerfolie 2 entsprechend zu neigen.
1 zeigt unter a) eine Kanüle mit nur einem Nanoröhrchen 1, die für die gezielte Beaufschlagung einer Targetstruktur geeignet ist. In den Beispielen b) und c) ist die jeweilige Trägerfolie 2 mit zweien respektive mit einer Vielzahl von parallel angeordneten Nanoröhrchen 1 „gespickt", wobei unter c) nur vier Röhrchen gezeigt sind. Der Abstand A der einzelnen Röhrchen entspricht etwa dem Abstand einzelner eukaryotischer Zellen, insbesondere zwischen 10 und 100 Mikrometer, einer mit dem Instrument zu beaufschlagenden Zellanhäufung. In 2 ist eine Nano-Kanüle mit nur einem Nanoröhrchen 1 dargestellt, das in einer kreisrund geschnittenen Trägerfolie 2 steckt.
Auch wenn hier eine aus gehärtetem Polymer gefertigte Trägerfolie zu bevorzugen ist, so ist als Trägermaterial auch eine flächig ausgebildete Basis aus Silizium oder Metall möglich und je nach Anwendung vorteilhaft. Die Nanoröhrchen können aus beliebigem Material, insbesondere aus Polymer, inorganischem Material, wie Halbleiter oder Silica, aus Metall oder aus Kohlenstoff gefertigt sein. Die Wände der Nanoröhrchen können entsprechend ihrem Einsatz hydrophil oder hydrophob ausgebildet werden. Sie können sogar mit biologischen Markern und/oder Nano-Objekten versehen sein.
3 zeigt das Ende einer „makroskopischen" Pipette 5, die einen Durchmesser von etwa 10 Mikrometern hat. Die Pipette 5 ist nach einem bekannten Verfahren aus Glas gezogen und wird von einem nicht dargestellten Positioniersystem manövriert. An der Spitze der Pipette 5, die mit einer Injektionslösung 6 gefüllt ist, befindet sich ein Absatz 7, der als Aufnahme für eine Nano-Kanüle 8 dient, wobei der Trägerfilm 9 der Nano-Kanüle 8 in einem entsprechenden Durchmesser geschnitten ist. In diesem Fall ist die Nano-Kanüle 8 in die Aufnahme 7 dichtend eingeklebt.
In der 4 ist das Verfahren zur Herstellung einer Nano-Kanüle in den drei Schritten a–c dargestellt. Dabei wird zunächst eine Schablone hergestellt, die von einem auf einem Boden 10 aufgewachsenen Nano-Röhrchen 11 gebildet wird. In einem ersten Schritt a) wird auf diese Schablone eine Trennschicht 12 aus löslichem Polymer aufgebracht und ausgehärtet. Im nachfolgenden Schritt b) wird die Trägerschicht 13, die letztendlich das Nano-Röhrchen 11 dichtend aufnimmt, bis zu einem bestimmten Niveau aufgegossen. Nach dem Aushärten der Trägerschicht 13 wird der Boden 10 abgeschnitten und damit das Nano-Röhrchen 11 von unten geöffnet. Die Trennschicht 12 wird in einem letzten Schritt aufgelöst, so dass die Nano-Kanüle 14 verbleibt.
Der Boden wird durch Abschneiden oder Abschälen von dem verfestigten Polymer 12 getrennt. Dieses Abtrennen kann in der Art eines Mikrotomschnittes erfolgen, wobei es vorteilhaft ist, vor der Ausführung des Schnittes das Polymer 12 durch Einfrieren weiter zu härten. Beim Abschneiden des Bodens werden das Röhrchen am Sockelbereich durchtrennt und damit einseitig von unten geöffnet.

Claims

Kanüle für ein Injektions- und/oder Extraktionsinstrument, insbesondere für eine Spritze oder eine Pipette, aufweisend eine Hohlnadel (1) und einen die Hohlnadel (1) dichtend einfassenden Adapter (2), wobei der Adapter (2) zum Zwecke der Halterung mit entsprechenden Aufnahmemitteln des Instrumentes zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel ein Nanoröhrchen (1) mit einem Außendurchmesser von weniger als 100 nm und einem Innendurchmesser von weniger als 80 nm ist, wobei das Nanoröhrchen über die Länge eines Halteabschnitts (S) fest in einer den Adapter bildenden Trägerfolie (2) steckt, deren Stärke kleiner als 100 Mikrometer, insbesondere kleiner als 50 Mikrometer, ist, wobei das Nanoröhrchen (1) über einen effektiven Abschnitt (3) aus der Trägerfolie (2) herausragt, der von einer Spitze (4) abgeschlossen ist.
Kanüle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanoröhrchen (1) die Trägerfolie (2) vollständig durchdringt, wobei die Länge des Halteabschnitts (S) der Stärke der Trägerfolie (2) entspricht.
Kanüle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanoröhrchen (1) in der Ebene der dem Instrument zugewandten Oberfläche der Trägerfolie (2) mündet, wobei sich der Halteabschnitt (S) vom Fuß des Nanoröhrchen (1) ausgehend um die Stärke (S) der Trägerfolie nach oben zur Spitze (4) des Nanoröhrchens (1) erstreckt.
Kanüle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nanoröhrchen (1) über die Ebene der dem Instrument zugewandten Oberfläche der Trägerfolie (2) hinausragt.
Kanüle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (2) von mehreren parallel angeordneten Nanoröhrchen (1) durchdrungen ist, deren Abstand etwa dem Abstand einzelner Zellen einer mit dem Instrument zu beaufschlagenden Zellanhäufung entspricht.
Kanüle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerfolie (2) ein Polymerfilm ist, dessen Umrandung nach der Herstellung zugeschnitten oder während der Herstellung geformt ist.
Kanüle nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Nanoröhrchen (1) aus Kohlenstoff gefertigt ist (sind).
Vorrichtung aufweisend eine insbesondere aus Glas gezogene Pipette, deren Spitze von einer Kanüle nach einem der vorherigen Ansprüche abgeschlossen ist, wobei die Kanüle fest in einer Aufnahme gehalten (7) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pipette von einem Mikropositioniersystem gehalten ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kanüle nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bereitstellung einer Schablone, die ein oder mehrere auf einem Boden (10) gehaltene, insbesondere aufgewachsene, Nanoröhrchen (11) aufweist. Aufbringen einer Trägerschicht (13), auf dem mit dem Nanoröhrchen (11) versehenen Boden (10). Abtrennen des Bodens (10) unter Öffnen des Nanoröhrchens.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Trägerschicht (13), zunächst eine insbesondere lösliche Trennschicht (12) auf dem mit dem Nanoröhrchen (11) versehenen Boden (10) aufgebracht wird, wobei die Trennschicht (12) nach dem Abtrennen des Bodens (10) entfernt, insbesondere aufgelöst, wird.