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Mikrofluidisches Liquid-Handling in Life Sciences

 © Prof. Johner Fachartikel | Bartels Mikrotechnik GmbH

 

Die Mikrofluidik gilt als treibende Kraft für Innovationen in den Life Sciences: Diagnostik, Pharmazie und Medizin. Durch den Einsatz von Mikro- oder Nanotechnologie lassen sich schnelle, portable und einfach zu handhabende Systeme mit hoher Funktionalität realisieren.  

Die Mikrosystemtechnik und die durch sie ermöglichte Miniaturisierung elektronischer Bauteile ist einer der Treiber für technologische Innovationen in nahezu allen Anwendungsbranchen. In der Medizintechnik und den Life Sciences gilt die Mikrosystemtechnik, insbesondere die Mikrofluidik, als treibende Kraft für Innovationen in den Bereichen Diagnostik, Analytik, Arzneimittelentwicklung und -produktion sowie medizinische Versorgung. Durch den Einsatz von Mikro- oder Nanotechnologie lassen sich schnelle, portable und einfach zu handhabende Systeme mit hoher Funktionalität realisieren, die dann beispielsweise in der Point-of-Care-Diagnostik, in der Forensik oder Analytik der Biotechnologie eingesetzt werden können. Die Produktpalette reicht von einfachen Sensoren bis hin zu komplexen Lab-on-a-Chip-Systemen. 

Was ist Mikrofluidik? 
Mikrofluidik adressiert das Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten auf kleinstem Raum.
Diese kleinen Dimensionen ermöglichen hochpräzise Volumenströme bei einem geringen Einsatz an Reagenzien. Damit ist eine Vielzahl an Applikationen realisierbar. Die Mikrofluidik ist jedoch ein anspruchsvolles Feld, das ein hohes Maß an Fachwissen und Erfahrung erfordert. Charakteristisch für die Mikrofluidik sind beispielsweise ein effizienter Wärmeaustausch, eine diffusionsbasierte Mischung von Flüssigkeiten und ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist jedoch die laminare Strömung, die auf die geringen Geschwindigkeiten und die kleinen Geometrien zurückzuführen ist. 
Viele Funktionalitäten aus dem Labor, wie das Mischen von Flüssigkeiten, die Entnahme und das Platzieren von Proben, das Verstärken von Biomolekülen oder der Einsatz optischer oder elektrochemischer Komponenten zum Nachweis bestimmter Substanzen, können daher durch passive und aktive Mikrofluid-Technik abgedeckt werden.

Aktive Mikrofluidik 
Die aktive Mikrofluidik gewährleistet einen effizienten Transport von Fluiden und Partikeln. Aktive mikrofluidische Systeme haben den Vorteil, kleine Volumina bei höchster Genauigkeit zu bewegen und einen hohen Durchsatz bei der Analyse kostengünstig zu generieren. Es lassen sich also hochkomplexe Fluidsysteme auf kleinstem Raum realisieren. Zum Einsatz kommen hier Mikroventile und -sensoren sowie mikrofluidische Chips. Auch Mikropumpen sind essentiell in diesen aktiven Systemen. Im Vergleich zu herkömmlichen Pumpsystemen, wie Spritzenpumpen oder Druckregler für indirektes Dosieren/Dispensieren, bieten mikrofluidische Pumpen den Vorteil, nah an der Applikation implementiert werden zu können, wodurch echte „On-Chip“-Lösungen geschaffen werden. Außerdem können diese Systeme autark bei geringem Stromverbrauch und hochskalierbar verwendet werden. Es lassen sich hochtechnologische, portable, sogenannte „Liquid-Handling“-Geräte entwickeln, welche die Diagnostik, Pharmazeutikaentwicklung oder auch medizinische Behandlungen unterstützen.

Die Mikropumpe
Die hohen Anforderungen an Mikropumpen haben dazu geführt, dass die Forschung und Entwicklung eine Vielzahl an neuen Pumpmechanismen hervorgebracht hat. Zu den mittlerweile üblichen, aktiven Antrieben in Mikropumpen gehören Piezo-, elektromagnetische, osmotische, statische Elemente und Formgedächtnislegierungen. Besonders die Piezoelemente weisen dabei einige Vorzüge auf, wie z. B. ein kompaktes Design,  geringer Stromverbrauch, schnelle Ansprechzeit und hohe Auslenkungen und damit Pumphübe.

Als Beispiel für eine Mikropumpe lässt sich die piezoelektrische Mikropumpe von „Bartels Mikrotechnik“ nennen. Die Pumpe fungiert wie eine Verdrängermaschine, deren Bewegungen auf der Auslenkung von zwei in Reihe geschalteten Piezomembranen beruht. Dadurch ist die Pumpe sehr „blasentolerant“ und verfügt gleichzeitig über den doppelten Druck. Die Einzelteile der Pumpe werden mit einem Laserschweißverfahren aus Kunststoff produziert. Dadurch kommt nur ein Material mit dem Fluid in Berührung. Der Einfluss von etwaigen Klebstoffen etc. kann damit ausgeschlossen werden. Gesteuert werden die Pumpen mit speziellen Pumptreibern, die Frequenzen im Bereich von 1-800 Hz und Wechselspannungen von bis zu 250 Vpp an die Pumpe anlegen und somit im sogenannten „bulk-combustion“-Verfahren betreiben. Die Spannung definiert dabei den Hub der Aktoren, wobei die Frequenz die Anzahl der Hübe pro Sekunde festlegt. Für Flüssigkeiten können damit Volumenströme von weniger als einem Mikroliter pro Minute bis hin zu einstelligen Milliliter pro Minute erzielt und Drücke von bis zu 700 mbar aufgebaut werden. Auch Gase können gefördert werden. Hier sind Volumenströme von bis zu 25 Milliliter pro Minute und Drücke von bis zu 150 mbar möglich.



Über Bartels Mikrotechnik GmbH
Bartels Mikrotechnik ist ein weltweit agierender Hersteller- und Entwicklungsdiensleister im Bereich der Mikrofluidik. Zusammen mit Partnern unterstützt Bartles Mikrotechnik ihre Kunden dabei, die richtige mikrofluidsiche Lösung für ihre Anwendung zu finden. Im Geschäftsbereich microEngineering unterstützt das Unternehmen die Industriekundschaft bei der Modifizierung, Anpassung und Neuentwicklung von leistungsfähigen und marktorientierten Produktlösungen durch die innovativen Mittel der Mikrosystemtechnik. Der zweite Geschäftsbereich, microComponents, produziert und vertreibt mikrofluidische Produkte und Systeme insbesondere für miniaturisierte und portable Einsatzbereiche.  
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Autor
Florian Siemenroth
Product Manager bei Bartels Mikrotechnik


Bildquellen

Bartels Mikrotechnik GmbH