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Heutzutage finden sich immer mehr Linearführungen mit der Kugelkettentechnik in modernen Anwendungen, denn nur diese garantieren mit ihrer einzigartigen Technik überragende Laufeigenschaften. Dazu zählen die Eignung für hohe Geschwindigkeiten, die hohe Lebensdauer bei entsprechender Dauergenauigkeit sowie die langfristigen Schmierzyklen bis hin zur Wartungsfreiheit. Das hier dargestellte Anwendungsbeispiel zeigt, wie mittels eines patentierten Verfahrens und der weithin bekannten Tintenstrahltechnik auch in der Molekularbiologie Linearführungen mit der Kugelkettentechnik erfolgreich eingesetzt werden können.
Es ist sicher eine große Herausforderung, eine wirklich innovative Maschine zu entwickeln. Insbesondere wenn sie zudem das Potenzial hat, die biologische Grundlagenforschung neu zu definieren. Die schottische Firma Arrayjet Limited mit Sitz in der Nähe von Edinburgh hat dafür fast fünf Jahre benötigt. Gegründet wurde Arrayjet im August 2000 von einem Physiker aus Cambridge und zwei Molekularbiologen der Universität von Edinburgh. Ziel war die Entwicklung von Geräten zur Herstellung von sogenannten Microarrays mit Hilfe von Tintenstrahl-Druckköpfen. Im Dezember 2005 wurde dem Unternehmen schließlich ein europäisches Patent für dieses Verfahren erteilt, das mittlerweile in zwei Baureihen für die Herstellung von Microarrays praktische Anwendung findet.
Abb. 1: Gesamtansicht des Arrayjet Aj100 Inkjet Microarray Spotter
Ein Microarray besteht aus einem Glasträger, ähnlich einem Objektträger aus der Mikroskopie, auf dem eine Vielzahl kleinster Punkte (Spots) in einer Matrix aufgebracht sind. Diese Spots können Geninformationen enthalten. Daher werden Microarrays auch häufig als DNA- oder Biochips bezeichnet und können beispielsweise zum Nachweis bestimmter Krankheiten und in der Krebsforschung verwendet werden. Um diese Microarrays herzustellen, wird zunächst die Probenflüssigkeit über einen Adapter in den Druckkopf gebracht. Die Proben liegen hierbei üblicherweise in sogenannten 96er-Mikrotiterplatten vor, rechteckigen Platten mit 8 x 12 Kapillaren. Auch Platten der Größe 384 und 1536 sind üblich und können ebenfalls vom Arrayjet verarbeitet werden.
Abb. 2 Aufnahme der Probenflüssigkeit aus einer 96er-Mikrotiterplatte
Anschließend verfährt der Druckkopf auf THK-Linearführungen zum Werkstückträger, um dort mit dem Dosieren der Flüssigkeit zu beginnen. Hierzu verwendet Arrayjet Druckköpfe, die von der Firma Xaar in Cambridge hergestellt werden. Diese piezo-elektrischen Module sind ideal zur Herstellung von Microarrays geeignet, da die Probenflüssigkeit beim Druckvorgang im Gegensatz zu anderen Verfahren nicht erhitzt wird. Das Tropfenvolumen beträgt hierbei lediglich 100 Picoliter, so dass auf dem Trägermaterial hochdichte Matrizen mit Spots von nur 0,1 mm Durchmesser erzeugt werden können. Auf einem Träger mit den Abmessungen von 3“x1“, also einer Fläche von knapp 20 cm², können über 40.000 Einzelpunkte erzeugt werden. Für den gesamten Aufbau sind hier natürlich absolut zuverlässige und hochpräzise Komponenten gefordert.
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Abb. 3 Konstruktion des Werkstückträgers und der Druckeinheit mit Linearführungen und Kugelgewindetrieb von THK
Der Konstruktionsleiter von Arrayjet, Cameron Kennedy, bezeichnet die Systemgenauigkeit als kritischen Punkt, sowohl bei der Platzierung der Proben als auch bei der nachfolgenden Informationsverarbeitung: „Wir wollten eine Genauigkeit von +/-5 Mikrometer oder besser erreichen. Das würde eine ausreichend hohe Dichte der Tropfen ermöglichen und, noch wichtiger, die exakte, nachvollziehbare Lokalisierung jeder einzelnen Probe gewährleisten.“
Für Arrayjet und den Bioroboter stellen die THK-Führungen ein zentrales Element dar. Cameron Kennedy bestätigt: „Die Lineartechnik ist für uns absolut entscheidend, alles andere basiert auf diesen wichtigen Maschinenteilen“. Insgesamt sind sechs Linearführungen der Baureihe SHS, zwei der Baureihe SRS sowie einige Kugelgewindetriebe und weitere Komponenten in jeder Maschine verbaut. Damit wird der Druckkopf zur Aufnahme der Proben über die Platten bewegt, und anschließend zur Positionierung der Tropfen auf die Träger verfahren. Bei der Auswahl der hierfür geeigneten Linearführungen standen daher die Faktoren Dauergenauigkeit und Zuverlässigkeit im Vordergrund. Außerdem sollte die eingesetzte Technik während der Gebrauchsdauer der Maschine keine Wartung erfordern. Das von Arrayjet gestellte Anforderungsprofil wurde in idealer Weise von THK-Linearführungen mit der Kugelkettentechnik erfüllt.
Die eingesetzte Linearführung SHS verstellt zum Beispiel, wie in Abbildung 3 zu sehen, die seitliche Position des Tisches mit den Trägerplatten. Als Antrieb wird hier ein Kugelgewindetrieb inklusive Stützlagern von THK verwendet. Die von Arrayjet angestrebte Funktionssicherheit konnte Dank der einzigartigen Technologie von THK gewährleistet werden. Hierzu gehört neben der patentierten Kreisbogenrille und der x-Konfiguration der Laufbahnen ganz essentiell auch die seit fast zehn Jahren auf dem Markt etablierte Kugelkette. Der gleichmäßige Abstand zwischen den Kugeln sowie die Schmierstofftaschen in den Zwischenräumen bieten eine Reihe von deutlichen Vorteilen gegenüber konventionellen Linearführungen ohne Kette. Hierzu gehören der erheblich reduzierte Geräuschpegel, das ideale Laufverhalten mit nur minimaler Schwankung des Verschiebewiderstandes und eine deutliche Erhöhung der maximalen Verfahrgeschwindigkeiten. Die für Arrayjet entscheidenden Eigenschaften der Kugelkettenführungen sind die guten Laufeigenschaften mit höchster Genauigkeit und die Wartungsfreiheit im Rahmen der Gebrauchsdauer der Maschine.
Neue Anwendungen
Mittlerweile findet sich im Produktportfolio von Arrayjet neben den sogenannten „Spottern“ als Zubehör auch eine automatisches Wechselmagazin. Hiermit wird ein längerfristiger vollautomatischer Betrieb in größeren Laboren ermöglicht. Dieser Speicher erhöht die Verarbeitungskapazität von 6 Platten auf 48, sowohl für die Größe mit 96 als auch für 384 Kapillaren. Diese Neuentwicklung ist für bereits bestehende Maschinen der Baureihe Aj100 nachrüstbar und als Option bei der neuen Baureihe Aj120 wählbar. Doch auch das Basisverfahren wird permanent weiter entwickelt. Die hohe Präzision bei hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit dieser Technologie erweitert den Anwendungshorizont für Microarrays ganz erheblich, zudem gibt es auch bereits darüber hinaus Ansätze für Varianten zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete. Cameron Kennedy fasst abschließend zusammen: „Wir haben exakt das bekommen, wonach wir gesucht haben, und das war zuverlässige Präzision. In unserer Maschine steckt eine Menge an Innovationen und ich habe wirklich keine Zeit, mir sorgenvolle Gedanken über die Lineartechnik zu machen. Deshalb haben wir uns für die beste verfügbare Technik entschieden, und die bekommen wir von THK.“ |
