Wissenschaftliche Publikationen "Mikrofluidik + Bioanalytik"

Als Alternative zu einem eingeführten und zuverlässig funktionierenden mikrofluidischem System in Silizium-Glas-Technik (TopSpot^®) haben wir eine Mehrfach-Druckeinheit in Kunststofftechnik realisiert. Diese Druckeinheit enthält 24 Vorratsgefäße für zu dosierende Flüssigkeiten, die über feine geschlossene Kanäle mit je einer Dosierdüse verbunden sind.
Die realisierte Druckeinheit besteht aus einem spritzgegossenen Substrat, welches Vorratsgefäße und Kanäle enthält, und einer auflaminierten Folie mit den Düsenbohrungen.
Abschlussbericht IGF-Vorhaben-Nr: 14407 N (PDF-Datei)

Die Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen wird in der modernen Technik immer wichtiger. In vielen Anwendungen werden bisher meist mikrofluidische Bauelemente auf Basis von Glas oder Silizium eingesetzt. Zur Herstellung der Bauelemente kommen 70 vergleichsweise kostenintensive mikrotechnische Bearbeitungsverfahren zum Einsatz, die ihren Ursprung in der Halbleitertechnik haben. Daher wurden am HSG-IMAT zusammen mit dem HSG-IMIT und IMTEK Untersuchungen zur Herstellung von mikrofluidischen Bauelementen, insbesondere Dosierchips auf Basis von thermoplastischen Kunststoffen unter Verwendung der vergleichsweise kostengünstigen Kunststoffspritzgießverfahren durchgeführt. Die Untersuchungen wurden am Beispiel von dosierenden Mirkotiterplatten, die nach dem Dispensing Well Plate Verfahren arbeiten durchgeführt. Diese Dosierchips besitzen verschiedene mikrofluidische 3D-Strukturen u. a. mit Kanälen (100 Mikrometer breit, 60 Mikrometer tief) und Düsen (100 Mikrometer Durchmesser).
Abschlussbericht IGF-Vorhaben-Nr: 13437 N (PDF-Datei)

Im Forschungsvorhaben „Entwicklung neuer Verbindungstechniken für Komponenten miniaturisierter Mikrofluidiksysteme aus Kunststoff“ sollten Fügeverfahren zur Herstellung von Mikrofluidiksystemen aus Kunststoff erarbeitet werden.
Zur Herstellung geschlossener Mikrokanalstrukturen wurden verschiedene Fügetechniken untersucht. Neben verschiedener Klebeverfahren wie Transferkleben, kapillares Kleben und Lösungsmittelkleben wurden Laserdurchstrahlschweißverfahren, wie z.B. Maskenlaserschweißen und das „Schweißen“ mit Weißlicht untersucht.
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Die medizinische Behandlung von Patienten mit Medikamenten weist heute eine enorme Bandbreite auf. Von den nicht verschreibungspflichtigen Medikamenten zur Selbstmedikation bis hin zu intravenösen Infusionen bei stationären Behandlungen erstreckt sich die Produktpalette, welche von medizintechnischen und pharmazeutischen Unternehmen bedient wird. Die Verabreichung der Medikamente kann dabei in unterschiedlichsten Formen und nach verschiedensten Verfahren erfolgen, beispielsweise in Form von Salben, Tabletten, Infusionen oder Pflastern.
Abschlussbericht IGF-Vorhaben-Nr: 15516 N (PDF-Datei)

Die im Rahmen des Vorhabens ZentriPlatt durchgeführten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten haben zu einem wesentlichen innovativen Beitrag bezüglich der Integrierbarkeit und Automatisierbarkeit von biochemischen Analysen geleistet. So ist es gelungen, eine Technologie-Datenbank grundlegender fluidischer Einheitsoperationen für die zentrifugal mikrofluidische Plattform aufzubauen, die auch nach Ende der Projektlaufzeit kontinuierlich weiter vervollständigt werden wird und die im Rahmen eines derzeit am HSG-IMIT im Aufbau befindlichen Lab-on-a-Chip Design- und Foundry-Service genutzt wird, um Unternehmen ein maßgeschneidertes Dienstleistungsangebot zur schnellen Entwicklung, Integration und Realisierung biochemischer Assays als mikrofluidische Lab-on-a-Chip Funktionsmuster anzubieten. Ziel des Services ist es, das Entwicklungsrisiko eines Lab-on-a-Chip Analysesystems für die Firmen überschaubar zu halten und, insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen von Vorteil, Ihnen die Investition in Fachpersonal sowie in eine kostenintensive technische Infrastruktur zu ersparen. In diesem Zusammenhang schafft das im Rahmen des Vorhabens ZentriPlatt erstellte Design-Handbuch die technologische Vorraussetzung, um biochemische Assays durch einfache Aneinanderreihung von parametrisierten und validierten mikrofluidischen Einheitsoperationen schnell, kosteneffizient und mit geringem Entwicklungsrisiko zu realisieren.
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Ziel des vorliegenden Projekts war, die Grundlagen zur kontaktlosen Mikrodosierung höherviskoser Medien zu erarbeiten und ein entsprechendes Dispensersystem zu entwickeln.
Zunächst wurden die theoretischen Grundlagen für die Auslegung von Dispensersystemen, deren Funktion auf dem Verdrängungsprinzip basiert, erarbeitet. Aufbauend auf dem vor Projektbeginn existierenden NanoJet-Design wurden mit Hilfe theoretischer Betrachtungen und unterstützt durch Simulationsrechnungen Designrichtlinien für einen Dispenser aufgestellt, der zur Dosierung höherviskoser Medien geeignet ist.
Basierend auf diesem Design wurden mit Standardverfahren der Silizium-Mikromechanik Dosierchips hergestellt. Es wurde ferner ein Demonstrator aufgebaut, mit dem die Funktion der Dosierung unter Variation verschiedener Parameter und mit unterschiedlichen Medien untersucht werden konnte.
Abschlussbericht IGF-Vorhaben-Nr: 14588 N (PDF-Datei)

In der Industrie und vor allem in biotechnologischen Anwendungen ist der Bedarf nach Dosiersystemen für den Bereich weniger bis einiger hundert Nanoliter sehr groß. In größeren Volumenbereichen kommt – gerade in der Biotechnologie – fast ausschließlich die Pipettentechnik zum Einsatz. Durch die hohen Anforderungen in z.B. Diagnostiksystemen ist es wichtig, dass alle Fluid führenden Elemente der Dispensers sehr einfach und kostengünstig ausgetauscht werden können oder idealerweise als Disposable ausgeführt sind. Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Dispenser entwickelt, der die Vorteile der Pipettentechnik (kostengünstig, einfache fluidische Schnittstelle, am Markt sehr gut eingeführt) nutzt, und den Dosierbereich von bisher minimal 1 Mikroliter auf wenige Nanoliter erweitert. Hierzu wird eine Pipettenspritze mit dem PipeJet-Dosierverfahren kombiniert. Im Verlauf des Projekts wurde das Dosierelement selbst und eine passende Dosiereinheit konzipiert, konstruiert, gefertigt und optimiert. An den Teilen wurden umfangreiche Dosiertests vorgenommen, die sehr gute Ergebnisse erbrachten.
Abschlussbericht IGF-Vorhaben-Nr: 151 ZN (PDF-Datei)