Mikrofluidische Komponenten

Miniaturventile blitzschnell maßgeschneidert

Experten sagen dem Markt für Lab-on-a-Chip-Systeme eine dynamische Zunahme voraus – analog zur Entwicklung immer kleinerer und leistungsfähigerer mikrofluidischer Komponenten. Angesichts dieser Gegebenheiten lassen neuartige Miniaturventile die Fachwelt aufhorchen, zumal sie weder von Piezostacks oder Magnetspulen betätigt werden, sondern lautlos von hauchdünnen Aktoren aus Memorylegierungen.

Bild 1: Der Größenvergleich mit einer 5-Cent-Münze macht deutlich, wie klein die neuartigen Ventile für Gase und Flüssigkeiten sind. Das Ventil am unteren Bildrand zeigt exemplarisch, wo die Schläuche angeschlossen werden (Bild: Memetis GmbH).

Mikrofluidik-Anwendungen erfordern immer kleinere, aber dennoch sehr leistungsfähige Ventile, die nur minimalen Bauraum beanspruchen. Dies gilt nicht zuletzt für portable Anwendungen in medizinischen Geräten, die direkt an Patienten platziert oder sogar implantiert werden. Auch viele stationäre medizinische oder umweltanalytische Ausrüstungen erfordern leistungsfähige Miniaturventile mit Baumaßen, bei denen Magnetventile mit Solenoidspulen an technologische Grenzen stoßen.

Formgedächtnis-Aktorik für Ventilsteuerung
„Neue Anwendungsgebiete in den Life Scien- ces und vielen vergleichbaren Bereichen verlangen deshalb zwingend die Entwicklung alternativer Technologien“ berichtet Christoph Wessendorf, einer der Gründer des Spin-off-Unternehmens Memetis GmbH, das aus dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hervorging. Sein Partner Dr. Christof Megnin, der am KIT die Entwicklung der neuartigen Ventile für das Handling von Flüssigkeiten und Gasen maßgeblich vorantreibt, hebt die gegenüber technischen Alternativen stark reduzierten Abmessungen der Mikroventile hervor und unterstreicht zugleich die Vorteile der Formgedächtnis-Aktorik. Zwei der winzigen Ventile, die als „Valve-on-Board-Systeme“ für die Integration in fluidische Backplanes konzipiert wurden, passen auf die Fläche einer 1-Cent-Münze. Dennoch erzielen die Winzlinge hervorragende Leistungen: Drücke bis 6 bar, im Bereich weniger Millisekunden fürs Schließen bzw. Öffnen, und Aktoren mit einer Dauerfestigkeit von mehr als 1 Mio. Schaltzyklen belegen dies eindrucksvoll.

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Bild 2: Neuartige Miniaturventile (NO) für Schaltdrücke bis 6 bar zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise und eine geringe elektrische Leistungsaufnahme aus. (Bild: Memetis GmbH)

Ein ausgeklügeltes modulares Aufbaukonzept sorgt für die flexible Anpassbarkeit an anwendungsspezifische Anforderungen. Hierzu steht das junge Technologieunternehmen Memetis seinen Kunden einerseits als Berater zur Seite, andererseits aber auch als Lieferant einbaufertiger Ventile, die kundenspezifisch entwickelt und innerhalb kürzester Zeit hergestellt und ausgeliefert werden.

Um den herausfordernden Entwicklungen im Bereich der Mikrofluidik in der Medizintechnik und Analytik mit maßgeschneiderten Lösungen zu begegnen, hat das Karlsruher Unternehmen mehrere Varianten der Miniaturventile entwickelt. Diese umfassen Ventile in den Ausführungen normal geöffnet (NO) und normal geschlossen (NC), die einfach wirkend oder als Mehrwege-Ventile ausgelegt sind. Diese Ventile können neben einem Schwarz-Weiß-Verhalten durch ein Add-On auch als Regelventile eingesetzt werden. Der geringe Bauraum der kleinen Ventile eröffnet neben der Steigerung der Integrationsdichte bestehender Diagnostik- und Analysengeräte auch die Realisierung neuer Lösungen in den Bereichen Lab-on-a-Chip oder für die Diabetes-Therapie.

Bild 3: Der Metallaktor aus einer Formgedächtnislegierung kann im kalten Zustand leicht durch eine äußere Kraft verformt werden, wodurch der Durchfluss frei wird (links) und – bei elektrischer Aktivierung – drückt dieser eine Kugel mitsamt einer Dichtmembran in den Ventilsitz und schließt das Normal-Offen-Mikroventil (rechts). (Bild: Memetis GmbH)

Problemlos integrierbar
Die Chancen der innovativen Ventile sieht Christoph Wessendorf vor allem darin begründet, „dass die Integration aktiver Komponenten in mikrofluidische Systeme bislang recht aufwändig und daher mit hohen Kosten verbunden ist.“ Dr. Christof Megnin fügt hinzu, dass solche Systeme meist aus passiven Strukturen bestehen, die nur in Kombination mit Peripheriegeräten betrieben werden können, während Systeme mit integrierten aktiven Komponenten ohne Peripheriegeräte auskommen. Mit den neuartigen Miniaturventilen zielt das Unternehmen auf ein breites Spektrum an Anwendungen, bei denen die Ventile im stromlosen Zustand wahlweise geschlossen oder geöffnet sein können.

Erfreulicherweise kommen die elektrisch angeregten Schaltelemente aus dünnen Formgedächtnisfolien mit Betriebsspannungen bis zu fünf Volt aus, eben jenen Spannungen, die auf Elektronikplatinen meist ohnehin zur Verfügung stehen. Dadurch lassen sich die Ventile problemlos in die gesamte Steuerung und Stromversorgung einbinden.

Bild 4: Zusammen mit drei Partnern hat Christoph Wessendorf das junge Technologieunternehmen „Memetis“ gegründet, das neuartige Ventile für die Mikrofluidik entwickelt und herstellt (Bild: bwcon).

Entsprechend einfach ist auch die fluidtechnische Integration der Ventile, da die Betätiger nicht mit dem Medium in Berührung kommen. Christof Megnin: „Gerade bei zertifizierungspflichtigen Systemen stellt dies einen enormen Vorteil dar.“ Interessant ist auch, dass neben reinen Schaltventilen (auf/zu) auch Proportionalventile in Vorbereitung sind, deren Durchfluss elektronisch geregelt werden kann. Auch bistabile Varianten werden in naher Zukunft zum Portfolio des Unternehmens gehören.

Die folienbasierten FGL-Miniatur-Aktoren arbeiten mit großen Kräften auf kleinem Bauraum. Christoph Wessendorf hat diese pauschale Darstellung dahingehend präzisiert, dass selbst kleinste Aktoren Leistungsmerkmale von konventionellen Aktoren erreichen, deren Ausmaße um den Faktor 2 bis 5 größer sind.

Last but not least lässt die Produktion auf Bestellung auch zu, die Miniaturventile in Abstimmung mit dem Kunden hinsichtlich ihrer Werkstoffe für die Gehäuse und Dichtungen zu realisieren. Derzeit beliefert das junge Unternehmen bereits Kunden aus mehreren Hightech-Branchen und baut parallel seine Produktionskapazitäten aus.

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