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Lab-on-a-Chip Hochintegrierte Mikrofluidikbauteile erobern die Märkte

Autor / Redakteur: Holger Becker* und Claudia Gärtner* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Probenvorbereitung, Trennung und Detektion – die gesamte Analytik auf einem miniaturisierten Bauteil durchzuführen, bringt viele Vorteile mit sich. Bevor solche Lab-on-a-Chip-Analysen aber durchgeführt werden können, gilt es einige Regeln zu beachten.

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Abb. 1: Prozessdiagramm für einen molekulardiagnostischen Assay (Ausschnitt)
Abb. 1: Prozessdiagramm für einen molekulardiagnostischen Assay (Ausschnitt)
(Bild: Microfluidic Chip-Shop)

Als vor etwa 25 Jahren die Mikrofluidik durch die Veröffentlichung des Micro-TAS-Konzeptes („miniaturized total chemical analysis systems“ [1]) begründet wurde und die ersten „Lab-on-a-chip“-Bauteile entwickelt wurden, war die Welt noch relativ einfach. Mit Methoden, die man aus der Halbleiterindustrie geborgt hatte, wurden Mikrostrukturen in Glas oder Silizium für relativ einfache Funktionalitäten wie beispielsweise eine elektrophoretische Trennung eines Stoffgemisches oder die Amplifikation von Nukleinsäuren in kleinen Kammern erzeugt.

Bei diesen Fertigungsverfahren blieb es zunächst, bevor zunehmendes Interesse an einer kommerziellen Anwendung dieser Technologie eine langsame Emanzipation von der Halbleiterfertigungstechnik und die Einführung von Fertigungstechnologien für Einwegbauteile anstieß. Die Gründe für diesen Technologiewechsel finden sich in zwei Bereichen. Zum einen sind in zahlreichen Anwendungsgebieten, so beispielsweise in der Biotechnologie oder der Diagnostik, Einwegartikel notwendig, da hier oftmals die Kosten einer validierten Reinigungsprozedur über den Herstellungskosten des Bauteils liegen oder teilweise regulatorische Vorschriften eine Mehrfachverwendung unpraktikabel machen. Darüber hinaus ist für die Mehrzahl der kommerziellen Anwendungen ein hohes Maß an funktioneller Integration notwendig, was massive Auswirkungen auf die Design- und Herstellungsverfahren hat.

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Gesamte Lab-on-a-Chip-Analytik auf einem Bauteil

Eines der Kernversprechen des „Lab-on-a-Chip“-Konzeptes ist die Möglichkeit, komplexe analytische oder diagnostische Arbeitsabläufe in einem einzelnen Mikrofluidik-Bauteil ablaufen zu lassen und so entweder manuelle Arbeitsschritte oder komplexe Laborautomation einzusparen. Seit wenigen Jahren ist die Technologie der Mikrofluidik nun auch so weit entwickelt, dass dieses frühe Versprechen in die Realität umgesetzt werden kann. Diese Möglichkeit hat die industrielle Entwicklung in diesem Bereich beflügelt.

In Abbildung 1 ist ein typischer Ablauf eines molekulardiagnostischen Protokolls dargestellt, der in einem klinischen Labor entweder auf sehr teuren vollautomatischen Roboteranlagen oder bei kleineren Probenzahlen in zahlreichen manuellen Schritten auf unterschiedlichen Geräten abläuft. Zunächst muss die Probe in geeigneter Form auf den Chip gebracht werden. Dieses eigentlich einfach klingende Detail ist zur Zeit Gegenstand einer umfassenden Standardisierungsdiskussion in der Mikrofluidik-Community [2], was darauf hindeutet, dass das gesamte Gebiet einen gewissen technologischen Reifegrad erreicht hat.

Anschließend muss die Probe aus ihrer Ursprungsmatrix (z.B. Blut, Sputum, Urin etc.) isoliert und aufbereitet werden. Diese Schritte, beispielsweise die Lyse von Bakterien oder Zellen, die Extraktion des genetischen Materials oder die Probenhomogenisierung, sind im akademischen Kontext relativ unattraktiv und sehr anwendungsspezifisch, weshalb hier wenig Forschung betrieben wurde.

Anschließend muss in den meisten Fällen das genetische Material amplifiziert werden, beispielsweise durch konventionelle oder isothermale PCR. Dann erfolgt oft ein Separationsschritt, um bestimmte Anteile der Probe zu isolieren. Hierzu gibt es ein umfangreiches Repertoire an Methoden, seien es Trennmethoden wie Elektrophorese, Chromatographie oder Hybridisierung oder der Einsatz von magnetischen, dielektrophoretischen oder zentrifugalen Kräften. Abschließend findet die Detektion statt. In der Vergangenheit dominierten die optischen Methoden wie z.B. Fluoreszenz, wobei ein deutlicher Trend zu Sensor-basierten Methoden, die sich ggf. einfacher in portable Analysesysteme einbauen lassen, zu verzeichnen ist [3].

Zuletzt müssen, zumindest bei diagnostischen Anwendungen, die kompletten Reagenzien kontaminationsfrei auf dem Chip als Abfall gelagert werden, was oftmals vergleichsweise große Strukturen benötigt. Während man diesen Arbeitsablauf relativ einfach als Diagramm zeichnen kann, ist die Umsetzung in eine mikrofluidische Struktur deutlich komplexer. Die Gründe hierfür liegen einerseits in der Abhängigkeit der Funktionalität einzelner mikrofluidischer Elemente, die, anders als in der Mikroelektronik, stark voneinander beeinflusst werden. Andererseits gibt es praktisch keine Werkzeuge, solch komplexe Strukturen funktional vollumfänglich zu simulieren oder zu modellieren.

(ID:43331012)