Entwicklung anwendungsspezifischer Lab-on-a-Chip-Systeme

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LAB-SUPPLY

Institut für Photonische Technologien e.V.

Workflow für die Entwicklung von Lab-on-a-Chip-Systemen

Im Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist inzwischen eine umfassende Kollektion intelligenter Funktionseinheiten zur Integration in Lab-on-a-Chip-Bauelemente verfügbar [5]. Diese bilden die Grundlage für die flexible Implementierung vom Anwender definierter Verfahrensabläufe in ein monolithisches Lab-on-a-Chip-Bauelement.

Der Entwicklungsprozess stützt sich auf den in Abbildung 5 dargestellten Workflow und beginnt mit der Analyse des vom Anwender vorgegebenen Prozessprotokolls und dem modellgestützten Systementwurf. Hierfür erforderliche Softwarekomponenten, welche Konzepte der „Electronic Design Automation“ auf den automatisierten Entwurf von Lab-on-a-Chip-Systemen übertragen, befinden sich in Entwicklung [6]. Die Fertigung der Prototypen greift auf etablierte Verfahren der Mikrosystemtechnologie zurück. Die dabei zur Anwendung kommende all-Glas-Technologie hat ihre Leistungsfähigkeit in den vergangenen Jahren unter Beweis stellen können. So wurden Prototypen von Lab-on-a-Chip-Systemen für Durchfluss-PCR, Mikrokultivierung von Zellen, Durchführung von Ganzzellassays und die ultrasensitive Quantifizierung von pharmazeutischen Wirkstoffen mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) [7] entwickelt und erfolgreich eingesetzt.

Im Fokus der jüngsten Entwicklungen stand die Übertragung der Entwicklungsergebnisse auf Technologien der Massenfertigung. In Zusammenarbeit mit Arvato Digital Services, einem Unternehmen der Bertelsmann AG, wurde das für die Massenfertigung von CD-ROMs und DVDs eingesetzte Spritzprägeverfahren auf die Replikation der in Glas geätzten Geometrien und die Massenfertigung von Mikrokanalstrukturen als Einwegartikel übertragen. Im Ergebnis konnten die für die Musterfertigung genutzten mikrostrukturierten Glaswafer unverändert in die Prozesskette der Massenfertigung von Datenträgern eingesteuert und prozessiert werden. Damit gelang am IPHT die Implementierung eines umfassenden Workflows für die effiziente, modellgestützte Entwicklung und die Fertigung von anwendungsspezifischen Lab-on-a-Chip-Bauelementen als Disposables. Dieser wurde erstmals für die Entwicklung eines Lab-on-a-Chip-Systems für die Durchfluss-PCR vollständig durchlaufen [8].

Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgen nun die Nutzung und der Ausbau des entwickelten Workflows. Erste Schritte hierzu sind Gegenstand einer Kooperation mit dem Leibniz Institut für Naturstoff-Forschung und Infektionsbiologie e.V. Hans-Knöll-Institut (HKI). Hier soll ein Lab-on-a-Chip-System entstehen, welches die Forscher bei der Suche nach neuartigen, von Mikroorganismen gebildeten Antibiotika zur Bekämpfung multiresistenter, pathogener Problemkeime unterstützt.

Literatur

[1] Haeberle, S. & Zengerle, R.: Microfluidic platforms for lab-on-a-chip applications. Lab. Chip., 2007, 7, 1094-1110

[2] Martin, K.; Henkel, T.; Baier, V.; Grodrian, A.; Schön, T.; Roth, M.; Kohler, J. M. & Metze, J.: Generation of larger numbers of separated microbial populations by cultivation in segmented-flow microdevices. Lab. Chip. 2003, 3, 202-207

[3] Henkel, T.; Bermig, T.; Kielpinski, M.; Grodrian, A.; Metze, J. & Köhler, J. M.: Chip modules for generation and manipulation of fluid segments for micro serial flow processes. Chem. Eng. J., 2004, 101, 439-445

[4] Prakash, M. & Gershenfeld, N.: Microfluidic Bubble Logic. Science., 2007, 315, 832-835

[5] Kielpinski, M.; Malsch, D.; Gleichmann, N.; Mayer, G. & Henkel: Selbstkontrollierende und selbstsynchronisierende Funktionsmodule für die Tropfenbasierte Mikrofluidik. in: 14.Heiligenstädter Colloquium - Technische Systeme für die Lebenswissenschaften. Editor Beckmann, D. & Meister, M., ISBN 978-3-00-025695-0, Heilbad Heiligenstadt, 2008, 181-194.

[6] Gleichmann, N.; Malsch, D.; Kielpinski, M.; Rossak, W.; Mayer, G. & Henkel, T.: Toolkit for computational fluidic simulation and interactive parametrization of segmented flow based fluidic networks. Chem. Eng. J., 2008, 135, 210-218

[7] Ackermann, K. R.; Henkel, T. & Popp, J.: Quantitative online detection of low-concentrated drugs via a SERS microfluidic system. ChemPhysChem, 2007, 8, 2665-2670

[8] Reichert, A.; Felbel, J.; Kielpinski, M.; Urban, M.; Steinbrecht, B. & Henkel, T.: Micro Flow-Through Thermocycler with Simple Meandering Channel with Symmetric Temperature Zones for Disposable PCR-Devices in Microscope Slide Format. J. Bionic. Eng., 2008, 5, 291-298

*Institut für Photonische Technologien e.V. Abteilung Mikrofluidik, 07745 Jena

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