SPECIAL Nanotechnologie Mikrofluidische Multiwellplatten für die Wirkstoffforschung

Für die Kultivierung und Untersuchung von Zell- oder Gewebekulturen haben sich Mikroplatten mit 6, 12, 24 oder 48 Näpfchen (Wells) seit langem etabliert.

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Für die Kultivierung und Untersuchung von Zell- oder Gewebekulturen haben sich Mikroplatten mit 6, 12, 24 oder 48 Näpfchen (Wells) seit langem etabliert. Konventionelle Mikroplatten werden heute mit 96, 384 oder sogar 1536 Wells angeboten, wobei das Volumen eines einzelnen Wells im Bereich von 1 ml–12 µl liegt. Das wesentliche Anwendungsfeld von Platten mit einer größeren Anzahl von Wells liegt in der pharmazeutischen Industrie.

In der pharmazeutischen Industrie werden Mikroplatten heute in großer Stückzahl für das pharmazeutische Wirkstoffscreening mit hohem Durchsatz (HTS) eingesetzt. Die Platten werden üblicherweise aus Polystyrol (PS), Polypropylen oder COC (Cyclo Olefin Copolymer) in Serien von mehr als 10000 Stück durch Spritzguss hergestellt. Spezielle Oberflächenbehandlungen erlauben den Einsatz für Immunoassays und in der Zellkultur. Alle Platten haben eine standardisierte Grundfläche von etwa 128 x 85 mm sowie festgelegte Positionen der Wells. Dadurch wird der effiziente Einsatz automatischer Pipettier- und Readersysteme ermöglicht.

Aktuelle Entwicklungen beschäftigen sich mit Erweiterungen der Funktionalität der Mikroplatten auch hinsichtlich der Handhabung kleinster Probenvolumina im µl-Maßstab. So wurde von Greiner Bio-One eine mikrofluidische Plattform, ebenfalls auf der Basis der Standard-Microplatte, entwickelt. Anstelle von 96 Wells besitzt diese Platte 96 identische mikrofluidische Strukturen, die beispielsweise für die Substanztrennung durch Kapillarelektrophorese eingesetzt werden können.

Für die Fertigung der mikrofluidischen Strukturen werden verschiedene Techniken kombiniert. Durch mechanische Mikrobearbeitung wurde ein Abformwerkzeug aus Metall hergestellt, das die Mikrokanalstrukturen als Erhebungen enthält. Die Abformung der Strukturen wurde durch Heißprägen in PMMA (Polymethylmethacrylat) realisiert. Darüber hinaus konnten Mikroelektroden aufgebracht werden, um die Strukturen elektrisch zu kontaktieren. Anschließend wurde die gesamte mikrostrukturierte Fläche mit einer Deckplatte aus PMMA verschlossen (Abb. 1a+b). Neben dem standardisierten Mikroplatten-Format wird auch das kleinere Objektträger-Format (ca. 25 x 75 mm) sehr häufig, insbesondere für Biochip-Applikationen, eingesetzt. Mikrofluidische Strukturen in diesem Format werden bei Greiner Bio-One im Spritzguss hergestellt und anschließend werden die Mikrokanäle gedeckelt.

Die Mikroplatten werden üblicherweise aus einem einheitlichen Material gefertigt. Um den Einsatzbereich der Mikroplatten zu erweitern, müssen verschiedene Materialien kombiniert werden. Heute werden bereits Platten mit transparenten Böden, auch aus Glas, angeboten. Während konventionelle Mikroplatten in großer Stückzahl durch Spritzguss hergestellt werden, erfordert die Kombination unterschiedlicher Materialien und der Aufbau mehrschichtiger Systeme besondere Anforderungen an die Verbindungstechniken.

Mikroelektrodenarrays

Anordnungen von Mikroelektroden-Arrays (MEAs) werden eingesetzt um z.B. die räumlich-zeitliche Ausbreitung von Erregungsmustern in Nerven- und Herzmuskelgeweben mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung elektrisch abzuleiten. Arrays von 60 Mikroelektroden mit 10-30 µm Durchmesser und Elektrodenabständen von 100-500 µm sind inzwischen verfügbar. Da auf MEAs Zell- oder Gewebekulturen über Wochen gezüchtet und deren elektrische Aktivitäten an einer Vielzahl von Messpunkten gleichzeitig beobachtet werden können, eröffnen sich eine Vielzahl neuer Möglichkeiten, Medikamente und andere Manipulationen in Herz-, Muskel- oder Nervengeweben zu testen.

Ziel aktueller Entwicklungen ist die Kombination von Herstellungsverfahren und Werkstoffen der Mikrosensor-Technik (Mikroelektroden-Arrays) mit Mikrofluidik-Komponenten aus Kunststoffen für die kostengünstige Serienfertigung von Einmalartikeln. Die Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe beeinflussen entscheidend die Biokompatibilität und Biostabilität. Dies führt zu völlig neuen Anforderungen an die verwendeten Materialien und Herstellungsprozesse außerhalb der klassischen Siliziumtechnologie.

Die Kanalstrukturen werden in einem metallischen Abformwerkzeug durch mechanische Mikrobearbeitung hergestellt und anschließend die Substrate im Spritzguss in PS oder COC abgeformt. Mikroelektroden-Arrays mit Öffnungen zum Ansaugen der Präparate werden auf Polyimidfolien durch Dünnschichtprozesse hergestellt. Die Leiterbahnen bestehen in der Regel aus Titan und werden mit einer Schicht aus Siliziumnitrid elektrisch isoliert. Die Elektroden am Ende der Leiterbahnen werden aus demselben Material hergestellt (Abbildung 2).

Diese etwa 6 µm dünne Polyimid-Folie, die das Mikroelektrodenarray enthält, kann mit einer speziellen Klebetechnik mit dem mikrofluidischen Substrat verbunden werden. Ein biokompatibler, lichthärtender Klebstoff wird dabei in so geringer Menge auf das abgeformte mikrofluidische Substrat aufgebracht, dass auch bei Abständen von etwa 200 µm zwischen den Kanälen kein Klebstoff in die Mikrokanäle gelangt. Anschließend wird die Mikroelektrodenarray-Folie aufgelegt und der lichthärtende Klebstoff durch das transparente mikrofluidische Substrat hindurch unter einer UV-Lampe ausgehärtet

*Dr. A. Gerlach, Dr. N. Gottschlich, Greiner Bio-One GmbH, 72636 Frickenhausen

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