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Mikrofluidik

Flüssigkeiten blasenfrei zusammenführen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Eine passive Mikroverdünnungskammer ermöglicht es, zwei Flüssigkeiten mit minimalem Aufwand blasenfrei zu verbinden - zugute kommt das unter anderem der Medizintechnik.

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Eine passive Mikroverdünnungskammer ermöglicht es, zwei Flüssigkeiten mit minimalem Aufwand blasenfrei zu verbinden - zugute kommt das unter anderem der Medizintechnik.
Eine passive Mikroverdünnungskammer ermöglicht es, zwei Flüssigkeiten mit minimalem Aufwand blasenfrei zu verbinden - zugute kommt das unter anderem der Medizintechnik.
(Bild: Fraunhofer IMM)

Im Rahmen des EU-Projekts d-Liver wurde ein mikrofluidischer Chip entwickelt, der es Patienten mit chronischen Lebererkrankungen erlauben soll, bis zu sechs Blutparameter parallel aus einem Tropfen Vollblut zuhause selbst ermitteln zu können. Die Ergebnisse sollen anschließend an den behandelnden Arzt übermittelt werden, der so die Entwicklung der Leberfunktion des Patienten beurteilen und schnell auf etwaige Veränderungen reagieren kann. Eine besondere Neuerung war dabei die Entwicklung einer mikrofluidischen Struktur, der passiven Mikroverdünnungskammer, die es erlaubt, mit minimalem Aufwand bei der Prozessführung zwei Flüssigkeiten blasenfrei miteinander zu vereinen. Im Projekt wurde die Mikroverdünnungskammer zur Verdünnung von Blutplasma in der Probenpräparation auf dem Chip genutzt.

Kunststoffspritzguss ermöglicht günstige Chips für Einwegsysteme

Bei Lab-on-a-Chip (LOC) Systemen wird eine Analyse, die konventionell in einem Labor durchgeführt wird, auf einem Polymerchip miniaturisiert und automatisiert durchgeführt. Bei Kanaldurchmessern von wenigen Mikrometern bis zu einem Millimeter sinkt das Probenvolumen auf wenige Mikro- bis unterhalb Pikoliter. Das macht die Systeme nicht nur platzsparend, sie sind zudem einfach parallelisierbar und aufgrund der geringen Volumina und kleiner Diffusionslänge ermöglichen sie minimierten Reagenzieneinsatz sowie eine verkürzte Analysezeit. Durch günstige Herstellung der Chips im Kunststoffspritzguss werden Einwegsysteme möglich, was gerade für medizinische Tests von Vorteil ist.

Das Fraunhofer IMM hat langjährige Praxiserfahrung in der Herstellung von mikrostrukturierten Kunststoffbauteilen, wie z. B. mikrofluidischen Chips, Polymerwellenleitern oder Mikrolinsen. In der hauseigenen Spritzgießmaschine werden für verschiedenste Projekte die Strukturierung, Bestückung und Deckelung mikrofluidischer Systeme aus Polymeren realisiert.

Zwei Flüssigkeiten ohne Fluidkontrolle blasenfrei verbinden

Bei der Entwicklung der passiven Verdünnungskammer war das Ziel, die Verbindung zweier Flüssigkeiten in mikrofluidischen Systemen beim gleichzeitigen Verzicht auf aufwändige Ventilschaltungen oder sonstige Fluidkontrollen ohne Lufteinschluss zu gewährleisten. Eine Aufgabenstellung die vordergründig einfach erscheint, aber im miniaturisierten Labor eine Herausforderung darstellt, da in den mikrofluidischen Kanälen und Funktionseinheiten physikalische Effekte und Kräfte dominant werden, die in der Makrowelt marginal sind. Während in großen Kanälen Trägheitskräfte gegenüber viskosen Kräften, Oberflächenspannungen und Kapillarwirkungen überwiegen, so spielen diese in der Mikrofluidik eine entscheidende Rolle. Stark benetzende Flüssigkeiten wie Blutserum entwickeln dabei Kapillarkräfte in Mikrokanälen, die sogar einen Flüssigkeitstransport ohne Hilfe von Mikropumpen erlauben.

Luftpolster wirken sich im weiteren Prozess nachteilig aus

Dieser Effekt wird oft genutzt kann sich aber in einen Nachteil verwandeln, wenn eine Flüssigkeit verdünnt werden muss. Dazu müssen zwei Flüssigkeitsmengen hochpräzise positioniert miteinander in Kontakt gebracht werden, ohne dass sich bei der schlagartigen Verbindung der Oberflächen Lufteinschlüsse bilden. Luftpolster können sich in der weiteren Prozessführung an ungünstigen Stellen festsetzen und zum Beispiel einen Sensor deaktivieren und die Vermischung der Flüssigkeiten verhindern - die ist jedoch essentiell für die Analyse auf dem Chip.

Kammergeometrie beeinflusst Oberflächenspannung

Die passive Verdünnungseinheit umfasst eine Fluidleitung, welche sich an einem Punkt lateral zur Strömungsrichtung hin ausweitet. In die so entstandene Kammer können zwei Flüssigkeiten über den gleichen Zulauf zusammengeführt werden. Um kein Luftpolster entstehen zu lassen, muss die erste Flüssigkeit in der Kammer zum Liegen kommen und die Luft in einer Vertiefung der Kammer an ihr vorbeigeleitet werden (Luftbypass), bis die zweite Flüssigkeit die Kammer erreicht. Sobald die zweite Flüssigkeit die bereits in der Kammer positionierte Flüssigkeit berührt, verbinden sich beide Flüssigkeiten, der Luftbypass wird geschlossen und das blasenfreie Gesamtvolumen kann die Kammer rückstandslos verlassen. Dabei ist die genaue Abstimmung der Kammergeometrie auf die Oberflächenspannungen der Flüssigkeiten entscheidend.

Großer Vorteil ist die einfache Prozessführung: Weder müssen die Flüssigkeiten aktiv positioniert werden, noch muss eine genaue zeitliche Abfolge eingehalten werden. Der Aufbau der Kammern ist kompatibel mit den Möglichkeiten des Spritzgusses, so dass sich keine fertigungstechnischen Einschränkungen im Einsatz der Technologie ergeben.

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