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Artikel und Hintergründe zum Thema

Mikrofluidik

Flexible Mikrofluidik

Fördersystem mit Selbstklebefunktion und 3D-Verformbarkeit. Wie kann Mikrofluidik dreidimensional abgebildet werden? Diese Fragestellung war Ausgangspunkt einer Konzeptentwicklung und einer Proof-of-Concept-Studie unter Berücksichtigung der Aspekte Wirtschaftlichkeit und maschineller Herstellung. Der Lösungsansatz: Mikrofluidik in selbstklebende Folie integrieren. 

Bild 1a: Layout der PMMA-Platte mit den unterschiedlichen Gestaltungen. (Bild: InnoME)

Die Mikrofluidik wird heute der Mikrosystemtechnik zugeordnet und bezeichnet ein Fördersystem von Flüssigkeiten durch Mikrokanäle, das entsteht, wenn die Kapillarkräfte größer sind als die Volumenkräfte des Mediums. Begünstigt wird dieses Fördersystem durch kleinste Kanäle, einer Querschnittsfläche zwischen 1µm² und 1mm² und einer Fließweglänge von einigen Millimetern bis Zentimetern. Die Kanalbreiten der meisten praktischen Anwendungen betragen 50–500 µm. Je kleiner die Kanäle sind, desto stärker wirken sich Grenzflächenspannung und elektrostatische und elektrokinetische Kräfte aus. Da die Trägheitskraft und die Schwerkraft bei Mikrokanälen vernachlässigbar gering sind, kann ein Bergauffließen von Flüssigkeiten erreicht werden [1]. 

In den Laboren angekommen: Lab-on-a-chip
Flüssigkeiten im Mikrobereich zu transportieren und zu leiten ist in der Biotechnologie mittlerweile Stand der Technik. So werden z.B. Strukturen in einen Chip aus Glas, Kunststoff (z.B. Polymethylmethacrylat) oder Silicium eingebracht, so dass zweidimensionale Mikrokanäle entstehen. Speziell bei Anwendungen im Labor genügen diese Anforderungen häufig.

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Neuartige Objektträger mit Mikromischern ermöglichen eine optische Analyse im Labormikroskop. Ein möglicher Aufbau eines solchen Chips ist in Bild 1 dargestellt. Bild 2 zeigt ein dreidimensionales Bild des Strömungskanals: Die Kanaltiefe beträgt ca. 600 µm und die Kanalbreite am oberen Rand ca. 400 µm. (Die breitere Kanalöffnung am oberen Rand hängt mit dem fokussierten Laserstahl zusammen. Auch der leicht gewellte Kanalgrund hat mit dem Laser zu tun, da dieser nicht im Dauerstrich-Modus arbeitet, sondern pulsiert.)

Bild 1b: Fließlängen bei unterschiedlichen Konturen. (Bild: InnoME)

Flexible Mikrofluidik in Folie
Im Rahmen einer Proof-of-concept-Studie wurden nun weitere Möglichkeiten der Mikrofluidik aufgezeigt: Durch das Einbringen von Kanalstrukturen in ein flexibles Kunststofffoliensubstrat ist es möglich, Mikrofluidiken flexibel und somit dreidimensional formbar zu realisieren. Die Grenzen zwischen planarer Mikrofluidik und herkömmlichen Schlauchsystemen vermischen sich somit (Bild 3).

Der Aufbau solcher folienbasierten Mikrofluidiken ist denkbar einfach: Eine Trägerfolie wird via Laserstrukturierung oder aber in einem chemischen Ätzprozess mit Kanälen beschrieben (Bild 4, nächste Seite). Dabei können unterschiedliche Beschichtungstechnologien zur Anpassung der Kanaleigenschaften herangezogen werden (z.B. eine Plasmatierung), um die Kanaloberfläche von hydrophob zu hydrophil zu verändern.

Bild 2: 3D-Mikroskopaufnahme des Mikrokanals vor dem Verkleben/Verschweißen. (Bild: InnoME)

Durch das Behandeln mit dem Atmosphärendruck-Plasmaverfahren wird die Oberflächenenergie erhöht. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche chemisch modifiziert, indem die Polymerketten z.B. durch Carbonyl-, Carboxyl- oder Hydroxylgruppen funktionalisiert werden. Dadurch wird die Oberflächen-energie des Bauteils der des Fluids angeglichen. Darüber hinaus wird erreicht, dass sich die Oberfläche des Bauteils hydrophil verhält [2]. Anschließend wird eine Deckfolie über die Trägerfolie mit den offenliegenden Kanalstrukturen laminiert oder geschweißt.

Platzsparend und kostengünstig
Die Mikrokanalfolie, die nun aufgeklebt werden kann, bietet Vorteile gegenüber Mikrokanalstrukturen in starren Bauteilen: z.B. eine Kostensenkung durch Materialersparnis, ein geringerer Bauraum und ein flexibles System. Flexibel ist das System deshalb, weil 3D-Anwendungen und eine Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung möglich sind. So kann die Mikrokanal-folie schnell und kostengünstig auf normalen, Folien verarbeitenden Maschinen bearbeitet und platzsparend aufgerollt gelagert werden. Bei Bedarf wird die Mikrokanalfolie abgerollt und kann sowohl zweidimensional als auch dreidimensional verwendet werden.

Bild 3: Frei positionierbarer mikrofluidischer Schlauch. (Bild: InnoME)

Auch hinsichtlich der Kanalbreiten und -tiefen zeigte sich das System in unserer Studie flexibel: Je nach Materialstärke der Träger- und Deckfolien waren Kanalbreiten von 50 µm oder kleiner prozesssicher möglich. Die Kanal- tiefe kann je nach Applikation angepasst werden. Allerdings gilt es, hier das Verhältnis 0,8 x Trägerfolienstärke (abhängig vom Kunststoffmaterial) nicht zu überschreiten, da sonst im dynamischen Belastungsfall die Kanäle beschädigt werden könnten.

Stapelaufbau mit oder ohne Kanalverbindungen
Auch für den Fall, dass der Platz für die flexible Mikrofluidik begrenzt ist, kann ein Stapelaufbau der Technologie eine Lösung sein. Hierzu werden mehrere Foliensysteme, bestehend aus einer Trägerfolie mit eingebrachten Strukturen und aufgesetzter Deckfolie, übereinander angeordnet und fest miteinander verbunden. In diesem Fall spricht man von einer folienbasierten, flexiblen Mikrofluidik im Sandwich-Aufbau. Durch die Möglichkeit „Vias“ (Durchkontaktierungen zwischen unterschiedlichen Folienkanälen) herzustellen, lassen sich Kanäle miteinander verbinden.

Das Lasergravieren der Mikrokanäle erfordert Know how – der Fokus des Laserstrahls muss z.B. exakt eingestellt werden. Bei zu hoher Leistung würde die Folie zerschnitten, bei zu geringer Leistung würde nicht genügend Material abgetragen werden, um eine ausreichende Kanaltiefe zu erreichen. Des Weiteren wird thermische Energie in die Folie eingebracht, was zur Verformung führen kann. Durch das Erwärmen und anschließende Abkühlen kann es außerdem zu einer Versprödung im Kanalbereich kommen, wo dann die Folie bricht. Für jedes Material und jede Stärke mussten daher in unserer Studie die Lasereinstellungen empirisch ermittelt werden.

Bild 4: 3D-Aufnahme eines gelaserten Mikrokanals in Folie. (Bild: InnoME)

Ausblick
Folienbasierte Mikrostrukturen ermöglichen es, kleinste Mengen zu fördern. Selbst die Integration von Sensoren (z.B. pH-Sensoren oder Biosensoren) in oder auf flexiblen Mikro- fluidik-Systemen sowie das Aufdrucken von Temperierschichten zur Erwärmung sind möglich. Denkbar ist auch ein mobiles Diabetes-Messgerät, das einen Messstreifen mit Mikrofluidik nutzt. Hier würde die Flüssigkeit zum jeweiligen Messgerät geleitet werden. Die neusten mobilen Generationen dieser Messstreifen kommen mit einer Blutmenge von gerade einmal 4 µl aus.

Auch bei der Medikamentendosierung könnte die Mikrofluidik Einsatz finden, so dass die Dosen minimal gehalten werden. Durch Verkleinerung der Vorratskammer kann das enthaltene Medium (z.B. Medikament) kontrolliert dosiert werden (Bild 5 zeigt einen Prototypen mit Vorratskammer). 

Fazit
Flexible folienbasierte Mikrofluidiken erweitern die Technologie des Fluid-Transportes und ermöglichen neue Ansätze im Bereich der körpernahen Technologien sowie bei unter dynamischer Bewegung stehenden Systemen. Durch die zusätzliche Integration von Sensoren können flexible folienbasierte Mikrofluidiken neben dem Transport von Fluiden auch Aufgaben in der Prozessüberwachung übernehmen.

Ein weiterer Vorteil ist die dreidimensionale Anwendbarkeit und Selbstklebefunktion, wodurch das Fördersystem einfach an bereits vorhandenen Bauteilen angebracht werden kann. Last but not least kann durch Einsatz der Folien kostengünstig gefertigt werden.

B. Sc. Jannes Wilkens, Hochschule Osnabrück
http://www.hs-osnabrueck.de

Eike Kottkamp, CEO, Innome GmbH

Regine Fuchs, Marketing, Innome GmbH

Literatur:
[1] Nguyen, P. D.-I.-T. (2004). Mikrofluidik. Wiesbaden: Teubner Verlag
[2] Lake, D.-I. M. (2009). Oberflächentechnik in der Kunststoffverarbeitung. München: Carl Hanser

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