Piezoaktoren

Piezoaktoren als treibende Kraft

Nanoliterdosierung für Biotechnologie, Diagnostik und Industrie Steffen Arnold 1), Dr. Peter Koltay 2), Ellen-Christine Reiff 3)
Bild 4: Schnittbild durch einen PipeJet (Foto: Biofluidix).

1) Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG.
2
) Dr. rer. nat. Peter Koltay, Geschäftsführer BioFluidix GmbH.
3) Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee.

Kleinste Mengen bzw. Volumina im Bereich von wenigen Nanolitern bis zu mehreren Mikrolitern automatisch zu dosieren ist heutzutage in vielen Bereichen erforderlich. Beispiele liefern sogenannte Mikrodispenser, die in Medizintechnik und Biotechnologie unterschiedlichste Flüssigkeiten mit höchster Präzision dosieren. Die entsprechenden pipettenartigen Geräte arbeiten in der Regel kontaktlos, d.h. die Tröpfchen werden aus einer Düse ausgestoßen und treffen danach auf das Substrat, möglichst ohne ihre Form einzubüßen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist die Wahl eines passenden Antriebs, der den für die Tröpfchenbildung notwendigen Hub mit der entsprechenden Energie erzeugt. Hier erweisen sich Piezoaktoren als erste Wahl, da sie die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und ohne Umweg erzeugen und sich obendrein gut an die jeweilige Applikation anpassen lassen.
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Die Anforderungen an die Nanoliterdosierung in Biotechnologie, Medizintechnik oder Diagnostik sind hoch und komplex. So müssen bei der Herstellung von Microarrays und Lab-on-a-chip-Systemen sowie für die Wirkstoff-Forschung meist viele verschiedene Flüssigkeiten, mit recht unterschiedlichen Eigenschaften, präzise dosiert werden. Dabei gilt es zum einen gegenseitige Kontaminationen zu verhindern. Zum anderen muss die verwendete Technik in der Lage sein, unter Berücksichtigung von Viskosität und Oberflächenspannung der Medien und der Dosiergeschwindigkeit perfekte Tröpfchen zu generieren. Vernebelung, Satellitenbildung beim Auftreffen oder ein Nachtriefen sind zuverlässig zu verhindern.

PipeJet-Technologie

Beste Voraussetzungen dafür liefert die von Biofluidix entwickelte PipeJetTM-Technolgie, die beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direktverdrängung setzt. Die Nanodispenser (Bild 1) ermöglichen eine kontaktfreie und flexible Dosierung von Flüssigkeiten im Volumenbereich von wenigen Nanolitern bis zu mehreren Mikrolitern pro Sekunde und eigenen sich aufgrund ihrer Flexibilität für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche.

Das piezogetriebene Direktverdrängerverfahren der PiepeJetTM-Dispenser unterscheidet sich von herkömmlichen Piezo-Dosierverfahren in zwei entscheidenden Punkten: Die Fluidleitung besteht nicht aus Glas- oder Stahlkapillaren, sondern aus einem elastischen Polymerschlauch mit eindeutig definiertem Innendurchmesser, der nicht fest mit dem Piezoaktor verbunden ist. Dadurch können fluidkontaminierte Teile leicht und kostengünstig ausgewechselt werden. Der (wertvolle) Aktor bleibt so auch nach einem Austausch erhalten (Bild 2). Der eingesetzte Aktor ist ein sogenannter Stack-Aktor, der im Gegensatz zu den sonst üblichen Ringaktoren den Polymerschlauch über einen Kolben bis zu 100-mal stärker verengen kann und somit auch für die sichere Dosierung schwieriger Medien genügend Kraftreserven aufbringt. Dadurch und aufgrund der einfachen fluidischen Geometrie können auch partikelbehaftete Flüssigkeiten wie z.B. Farben, Bead- oder Zellsuspensionen problemlos in exakter Tröpfchenform dosiert werden (Bild 3). Das jeweilige Volumen wird dabei über die Amplitude des Piezoaktors gesteuert. Sie ist in einem weiten Bereich nahezu unabhängig von Viskosität und Oberflächenspannung der zu dosierenden Flüssigkeit.
Ein Anwendungsbeispiel in der klinischen Diagnostik sind die zu Diagnostikzwecken genutzten Lateral Flow Assays, also Teststreifen, die eine gezielte Dosierung von Flüssigkeiten erfordern.

Piezoaktoren: schnell, präzise, langlebig

Der eingesetzte Piezoaktor hat damit eine wichtige Funktion innerhalb des Dispensers, da seine Wirkung auf den mit Flüssigkeit gefüllten Dosierschlauch den Abriss des Tropfens veranlasst und somit die resultierenden Tropfeneigenschaften bestimmt. Kein Wunder also, dass Biofluidix bei der Wahl des Antriebs auf größtmögliche Qualität Wert legte, z.B. bei den Dispenser-Modulen der Baureihe P9, die sehr flexibel und robust sind (Bild 4). Je nach Anwendungsfall können mit ihnen auch mehrkanalige Anwendungen realisiert werden, wobei der Abstand zwischen den Abgabestellen minimal 9 mm beträgt und jeder Kanal individuell steuerbar ist. Die Module eignen sich für Tropfenvolumen von 5...60 nl mit einer Dosierfrequenz von bis zu 100 Hertz. Einsatzgebiete finden sich in Medizintechnik, Diagnostik und Biotechnologie sowie auch in industriellen Anwendungen, z.B. im Dauerbetrieb in Produktionsanlagen.

Den hohen Anforderungen an die Robustheit, vor allem im Industriebereich, müssen natürlich auch die Piezoaktoren standhalten. Für die PICMA-Aktoren (Bild 5) aus dem Hause PI Ceramic, einem Tochterunternehmen der in Karlsruhe ansässigen Firma Physik Instrumente (PI), sind Dauerbeanspruchungen jedoch kein Problem. In Langzeituntersuchungen haben sie mehrere Milliarden Zyklen ohne messbare Veränderungen des Verhaltens durchlaufen (Bild 6). Sie erfüllen alle Anforderungen von Dosier- oder Pumpenanwendungen und arbeiten mit kurzen Ansprechzeiten. Dabei bewegen sie sich mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich bei hoher Dynamik und Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz. Auf diese Weise sind kurze Dosierzyklen realisierbar. Durch die variablen Hübe lassen sich die Dosiervorgänge präzise steuern.

Da die Piezoaktoren sehr kompakt sind, also bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, gibt es auch bei den kleinen Geräteausführungen der Dispenser keine Einbauprobleme. Im praktischen Einsatz kommen aber noch weitere positive Eigenschaften zum Tragen. Piezoaktoren sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn bewegten Teile haben. Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, gibt es keine rotierenden oder reibenden Mechaniken. Gleichzeitig können die Piezos auch im Hinblick auf den Energieverbrauch punkten. Außerdem erreichen die PICMA-Aktoren im Gegensatz zu den meisten handelsüblichen Ausführungen bereits bei Betriebsspannungen deutlich unter 150 V ihre Nennauslenkung.

Drucken von Microarrays

Die Vorzüge von Piezoaktoren nutzt Biofluidix deshalb nicht nur bei den PipeJetTM-Dispensern, sondern auch bei der für das Drucken von Microarrays oder Biochips entwickelten, ebenfalls kontaktlosen TopSpot-Technologie. Das Hauptelement dieses Verfahrens ist ein Druckkopf mit 24 oder 96 Flüssigkeitsreservoiren, die im Raster eines Standard-384-Well-MTP-Formats angeordnet sind. Die Medien fließen durch Kapillaren im Druckkopf zu Mikrodüsen, durch die sie in einem Raster von 500 µm gleichzeitig auf das Substrat gedruckt werden. Bei jedem Druckvorgang wird ein Kolben, ebenfalls durch einen Stack-Piezoaktor angetrieben, in die Druckkammer gepresst, wodurch ein homogener Druckpuls auf die Düsen ausgeübt wird. Pro dosiertem Tropfen braucht man lediglich ungefähr einen Nanoliter Substanz, so dass mit einem befüllten Druckkopf mehrere tausend Male dosiert werden kann. Anwender aus den unterschiedlichsten Bereichen der Medizintechnik, Diagnostik und Biotechnologie werden von den effizienten Druckern und Dispensern profitieren und Piezoaktoren haben dazu einen wichtigen Betrag geleistet.

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