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Entwicklung mikrofluidischer Systeme Laminationsverfahren für die Mikrofluidik: Von Schichten und Filmen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Mikrokanäle sind zunächst einmal v.a. eines: sehr klein. Flüssigkeiten fließen in ihnen einfach ausgedrückt anders, als in makroskopischen Kanälen. Das macht die Entwicklung mikrofluidischer Systeme alles andere als trivial. Worauf es ankommt und wobei ein spezielles Laminationsverfahren helfen kann, erläutert Prof. Dr.-Ing. Christian Karnutsch.

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Abb. 1: Prof. Dr.-Ing. Christian Karnutsch, Gruppenleiter Integrated Optofluidics and Nanophotonics (IONAS) an der Hochschule Karlsruhe, hat jüngst zusammen mit seinem Team ein Laminationsverfahren entwickelt, das sich u.a. für die Optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie anwenden lässt.
Abb. 1: Prof. Dr.-Ing. Christian Karnutsch, Gruppenleiter Integrated Optofluidics and Nanophotonics (IONAS) an der Hochschule Karlsruhe, hat jüngst zusammen mit seinem Team ein Laminationsverfahren entwickelt, das sich u.a. für die Optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie anwenden lässt.
(Bild: Katrin Brodowski, HSKA )

LP: Im Kleinen ist alles anders – in der Mikrofluidik gelten andere Gesetzmäßigkeiten als beim Makro-Transport von Gasen und Flüssigkeiten. Prof. Karnutsch, was bringt dies für Herausforderungen mit sich?

Prof. Dr.-Ing. Christian Karnutsch: Aufgrund der kleinen geometrischen Abmessungen in der Mikrofluidik spielen Adhäsionskräfte und Oberflächenspannungen eine große Rolle. Das bedeutet z.B., dass Kapillarkräfte sehr groß sind, was man sich durchaus geschickt zunutze machen kann, z.B. um eine Pumpwirkung zu erzielen. Allerdings ist das rasche Mischen von Flüssigkeiten in der Mikrofluidik recht schwierig, da i.d.R. nur laminare Strömungen vorliegen. Hierzu bedarf es daher komplexer Strukturen.

LP: Auswahl und Vorbereitung der Trägermaterialien sind sehr wichtig. Welche Kriterien müssen hierbei besonders berücksichtigt werden?

Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch: Zum einen kann der Anwendungszweck die Auswahl und Vorbereitung von Trägermaterialien bestimmen. Werden z.B. lebende Zellen untersucht, dürfen keine zytotoxischen Substanzen im System enthalten sein. Zudem ist je nach Anwendung eine Anhaftung der Zellen an den Wänden gewünscht oder muss verhindert werden. Hierfür müssen spezifische Vorbehandlungen der Oberfläche stattfinden. Zum anderen kann der Herstellungsprozess Anforderungen an das Trägermaterial stellen. Für Laminationen und Bonding müssen die Oberflächen ohne Verunreinigungen sein und eine möglichst hohe Oberflächenenergie aufweisen, um die Adhäsion zu begünstigen. Dies kann mit physikalischen oder chemischen Prozessen, wie Plasmabehandlung, Aufbringen von Haftvermittlern oder Ätzprozessen unterstützt werden. Eine Plasmavorbehandlung ist besonders vorteilhaft, da sie ohne den Einsatz von Chemikalien die Oberflächenenergie erhöht und gleichzeitig einen reinigenden Effekt hat.

Das von uns neu entwickelte Laminationsverfahren stellt im Prozess geringe Ansprüche an das Trägermaterial, somit können nahezu alle kommerziell relevanten Materialien verwendet und zytotoxische Substanzen vermieden werden.

LP: Ihr Laminationsverfahren ist zudem schonend, kostengünstig und einfach – und zum Patent angemeldet. Welche Vorteile bietet es gegenüber herkömmlichen Techniken?

Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch: Bei unserem neuartigen Laminationsverfahren wird eine Laminatschicht zunächst getrennt vom Träger hergestellt und erst danach mit dem Träger verbunden. Dies verhindert Probleme der herkömmlichen Techniken, bei denen die Verbindung des Trägers mit dem Laminat z.B. durch Ultraschallschweißen oder mithilfe sehr hoher Temperaturen hergestellt wird, wobei durch das direkte Auftragen der Polymerschichten auf den Träger die Strukturen im Träger verstopft oder verengt werden können. Zudem ist bei diesen konventionellen Verfahren die Schichtstärke des Polymers nicht befriedigend einstellbar.

Um dünne Filme zu laminieren, stellen wir diese zunächst auf einem Stempel aus Silikon mittels Spincoating her. Dieser Film wird dann materialabhängig mit verschiedenen Verfahren vorbehandelt und anschließend auf den Träger auflaminiert. Dieser Träger kann aus Polymer, Glas oder Metall sein und offene Mikrostrukturen beinhalten. Diese Strukturen verdeckeln wir mit dem laminierten Film, ohne aber die so entstehenden Mikrokanäle zu verengen. Zudem kann der Film selbst Strukturen beinhalten, je nachdem wie der Stempel aus Silikon strukturiert war. In einem weiteren Schritt können ganze Stapel von Trägern mit verschiedenen Strukturen aufeinander laminiert bzw. gebondet werden.

LP: Welche Spezifikationen lassen sich mit dem neuen Verfahren künftig einstellen, bei welchen Anwendungen wird das eine Rolle spielen?

Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch: Das neue Verfahren erlaubt es, ultradünne Schichten im Bereich von einigen Hundert Nanometern zu laminieren. Wir haben z.B. schon Filme mit nur 500 nm Dicke über einen mikrofluidischen Kanal mit einer Breite von über 500 µm laminiert.

Wir arbeiten an einem On-Chip-Absorptionsspektrometer mit organischen DFB (Distributed Feedback) Lasern als Lichtquellen. Hierzu können wir mit unserem Verfahren mikrofluidische Kanäle in einem Substrat wie z.B. Quarzglas durch Lamination verdeckeln und gleichzeitig die für die Laser notwendigen DFB-Gitterstrukturen mittels eines strukturierten Stempels in der laminierten Schicht erzeugen. Eine Besonderheit hierbei ist, dass die Strukturgrößen von DFB-Gitterstrukturen im sub-µm Bereich liegen.

Auch das Bonden von zwei Glasträgern mit Strukturen kann mittels unserer Technik vollzogen werden. Somit können räumlich komplexere mikrofluidische Bauteile hergestellt werden. Auch kann das Verfahren so eingestellt werden, dass nur kleine Kanäle und Öffnungen verdeckelt werden, größere Öffnungen aber offenbleiben. Somit ist es einfach, Durchgänge zwischen den Schichten eines laminierten Stapels zu realisieren. Hiermit lassen sich 3-dimensionale mikrofluidische Strukturen in Stapeln erzeugen.

LP: Sie und Ihr Team haben vor kurzem den Forschungspreis 2019 der Hochschule Karlsruhe erhalten. Für welche Arbeiten haben Sie diesen Preis erhalten?

Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch: Wir wurden zusammen mit unseren Kooperationspartnern vom Zentralinstitut für Laboratoriumsmedizin, Mikrobiologie und Transfusionsmedizin des Städtischen Klinikums Karlsruhe für die Erforschung neuartiger Technologien für mobile Blutanalysegeräte geehrt. Heute dauert die Auswertung eines Bluttests üblicherweise bis zu einer Woche, bei Patienten in der Notfallaufnahme immer noch ca. 40 Minuten. Unser neues Analysesystem soll die Qualität der Ergebnisse der aktuellen Systeme erreichen, dabei aber preisgünstig, robust und kompakt sein. Damit wird eine möglichst patientennahe und schnelle Blutanalyse möglich, die insbesondere bei zeitkritischen Messungen beispielsweise in der Notfallmedizin und zur Erstdiagnose weiterhelfen soll.

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