Entwicklungen in der Mikrofluidik

Teilweise gelten in der kleinen Welt der Mikrofluidik andere Gesetzmäßigkeiten als wir es in der herkömmlichen Hydraulik und Pneumatik gewohnt sind. Es geht um das Handhaben und Kontrollieren kleinster Mengen an Flüssigkeiten und Gasen im Mikro-, Nano- und Pikoliterbereich.

20.000 bis 30.000 Forscher und Entwickler arbeiten nach Einschätzung von Roland Zengerle, Professor für Anwendungsentwicklung in der Mikrosystemtechnik (IMTEK) an der Universität Freiburg und Institutsleiter bei Hahn-Schickard, auf diesem Gebiet oder haben zumindest Berührungspunkte mit dem Forschungsfeld. Mikrofluidik klingt nach Hightech, ist es auch, trotzdem hat sie praktisch jeder schon seit vielen Jahren im Büro und bei sich Zuhause: Tintendruckköpfe für Home-Office-Anwendungen bis hin zum industriellen Digitaldruck sind mikrofluidische Systeme. In Analytikgeräten wird Mikrofluidik für die Quantifizierung und Qualitätskontrolle von DNA, RNA und Proteinen eingesetzt. Und wenn heute menschliche Genome für nur etwa 1.000 Dollar sequenziert werden können, steckt ebenfalls Mikrofluidik dahinter. Die Mikrofluidik ist nach wie vor stark geprägt durch Medizintechnik und Pharmaindustrie. Dort kann sie ihre besonderen Vorteile der Miniaturisierung und Individualisierung von Produkten voll ausspielen.

Der IVAM ist der Fachverband für Mikrotechnik, in dem auch die Mikrofluidik mit einer eigenen Fachgruppe vertreten ist. Für IVAM-Geschäftsführer Dr. Thomas Dietrich ermöglicht die Kombination aus Miniaturisierung und Individualisierung „moderne mobile Diagnostik und Therapiemaßnahmen, um zum Beispiel chronisch Kranke mit personalisierter Medizintechnik hochindividuell zu versorgen“. Patienten müssen nicht mehr in die Klinik oder das Labor, um ihre Gesundheitswerte zu ermitteln. Eine Dauermedikation lässt sich schnell und zielgerichtet an individuelle Tageswerte anpassen. Und die Entwicklung ist noch lange nicht am Ende: „Neue Fertigungsmethoden, neue Werkstoffe und die zunehmende Digitalisierung ermöglichen eine kostengünstige Produktion, die bislang nur für große Stückzahlen möglich war, nun auch bei hochindividuellen Bauteilen.“ In Kombination mit weiteren digitalisierten Anwendungen wie Sensorik ergeben sich „zahlreiche attraktive Optionen für die Produktion von hochindividuellen Produkten“, ist Dietrich überzeugt. Und davon profitiere nicht nur Medizin und Biotechnik, sondern insbesondere die chemische Industrie, die mit Mikroreaktoren sehr viel gezielter auch kleinere Mengen produzieren kann.

Wie das konkret funktionieren kann, zeigt das erst 2015 gegründete Unternehmen Innome aus Espelkamp. Das Start-up entwickelt und verwirklicht folienbasierte Mikrofluidik. Mithilfe des Lasers werden mikrofluidische Strukturen auf Kunststofffolienmaterial erzeugt. Durch Multilayer-Foliensysteme können Kanalstrukturen übereinander geführt werden. Mit einer Deckfolie kaschiert werden sie zu strukturierten verschlossenen Mikrokanälen und somit zu flexiblen flüssigkeitsführenden Leitungen. Dank der dünnen Folie entstehen flexible, dreidimensional verformbare Mikrofluidsysteme, die sich sogar den menschlichen Körper anpassen lassen.

Wie kommt hierbei die Elektronik ins Spiel? Das erklärt Geschäftsführer Eike Kottkamp: „Verheiratet man gezielt die folienbasierte Mikrofluidik mit gedruckter Elektronik oder Sensorik, so entstehen hocheffektive, flexible und kosteneffiziente Hybridsysteme.“ Durch auf das Folienmaterial aufgedruckte piezoresistive Aktoren lassen sich Mikropumpen und Ventile verwirklichen. Mit Heizschichten lassen sich Fluide erwärmen. Die Prozessanalytik in Form der Sensorik kann direkt in den strukturierten Folienkanal eingebettet werden. Dadurch können aufwendig extern angeschlossene Elemente für Temperatur-, pH- oder Sauerstoff-Sensorik entfallen. Das komplette smarte, mikrofluidische Hybridsystem wird in einem Herstellungsprozess mittels Laserstrukturieren und gedruckter Elektronik unter Erhalt der Flexibilität hergestellt. „Damit ist es gelungen“, so Kottkamp, „die technologischen Einzeldisziplinen wie Mikrofluidik oder Sensorik und Aktorik aufzubrechen und sehr einfach zu kombinieren“. Dadurch sei auch die Steuerung und das Datenmonitoring mikrofluidischer Systeme kein Problem mehr.

„Durch den Einsatz diverser Anwendungen aus dem Bereich der Mikrofluidik kann die Qualität von Lebensmitteln und Chemikalien deutlich schneller festgestellt werden“, erklärt Alexander Schilling, Geschäftsführer der Little Things Factory (LTF) in Elsoff, einem Spin-off der TU Ilmenau, dass zur Plan-Optik-Gruppe gehört. Die Mikrofluidik ermögliche es, qualitativ hochwertigere Produkte als in der herkömmlichen Produktion herzustellen. Möglich machen das immer kleinere, hochleistungsfähigere Pumpen und neue Verfahren für eine weitere Miniaturisierung.

Schilling sieht die Mikrofluidik auf einem guten Weg, „immer mehr Anwendungen in den Bereichen der Diagnostik, Feinchemie sowie Pharmaindustrie einzusetzen und zu etablieren“. So eröffneten neue Verfahren der Mikrobearbeitung neue technologische Horizonte, beispielsweise durch die Herstellung von Löchern im µ-Bereich, die als Filter fungieren könnten. Neue Möglichkeiten für die Mikrofluidik eröffnet auch der 3D-Druck. Nicht weniger als die Mikrofabrikation neu zu erfinden hatte sich 2007 ein Forscherteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) als Ziel gesetzt, als es das Start-up Nanoscribe gründete.

Die 3D-Drucker des Unternehmens nutzen das Prinzip der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) und gelten heute als Fundamentalwerkzeuge für die Fertigung nano-, mikro- und mesoskaliger Objekte. Das Unternehmen wurde mehrfach ausgezeichnet. Vertriebs- und Marketingleiter von Nanoscribe ist Dr. Andreas Frölich: „Die Geräte kommen in verschiedenen Anwendungsbereichen wie der Biotechnologie, der Medizin, der Diagnostik und der Nanooptik zum Einsatz.“ So könnten handelsübliche Lab-on-a-Chip-Systeme beispielsweise mit den dreidimensionalen Strukturierungsfähigkeiten des direkten Laserschreibens kombiniert werden. Damit lassen sich Filtersysteme, Düsen und Mischer in einem einzigen Arbeitsprozess fertigen oder optische Elemente direkt in mikrofluidische Kanäle schreiben. Ein Beispiel: Die 3D-Drucktechnologie wird eingesetzt für die Fabrikation komplexer Düsen mit integriertem Mischer und Sprühöffnungen mit wenigen zehn Mikrometern Durchmesser. Frölich: „Diese Düsen können kleinste Flüssigkeitsmengen innerhalb eines umgebenden Gasfilms sehr reproduzierbar verspritzen. Die Vorteile neuerer Verfahren zur biologischen Bildgebung von Biomolekülen, wie die Serielle Femtosekunden Kristallographie (SFX), lassen sich erst mit diesen Düsen voll ausnutzen.“ Kommerziell lasse sich die Technik bereits für die Produktion hochwertiger Einzelteile einsetzen. Frölich ist überzeugt, „dass sich die Palette an Anwendungen in den kommenden Jahren durch weitere Steigerungen der Druckgeschwindigkeit ausdehnen wird“.

Interessant auch eine Entwicklung des Fachgebiets Technische Thermodynamik der TU Ilmenau am Institut für Mikro- und Nanotechnologien (IMN). Dort betreibt Professor Christian Cierpka Grundlagenforschung zur mikrofluidischen Brennstoffzelle ohne Membran. Noch geht es nicht um Produkte, sondern um das Verständnis grundlegender Phänomene. In der Mikrofluidik stellt das Mischen oder Aufkonzentrieren von Partikeln oder Zellen eine große Herausforderung dar. Im Vordergrund steht deshalb die Frage, wie sich die laminaren Strömungen beeinflussen lassen. „Wir beschäftigen uns mit akustischer Strömungsbeeinflussung, passiv erzeugten Sekundärströmungen und magnetohydrodynamisch getriebenen Strömungen“, beschreibt Cierpka. Hierfür werden innovative Techniken wie Astigmatismus Particle Tracking, mit der sich Strömungen in drei Dimensionen mit herkömmlichen Mikroskopen messen lassen, entwickelt und eingesetzt. „Diese Techniken erweitern wir momentan auf die gleichzeitige Messung von Skalargrößen wie Temperatur und pH-Wert.“

Mit der Mikrodosiertechnik, einem Teilbereich der Mikrofluidik, beschäftigen sich die Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien (EMFT) in München. Dabei geht es um die aktive Handhabung von flüssigen oder gasförmigen Medien insbesondere im Nano- und Mikroliter, aber auch bis in den Milliliter-Bereich. Je nach Anwendung kann sowohl eine einmalige Dosierung als auch eine kontinuierliche Zuführung gefordert sein. Sie macht sich die mikrofluidischen Besonderheiten wie Strömungsformen, Oberflächeneffekte oder Störgrößeneinflüsse für Applikationen wie das Dosieren, Schalten oder Mischen zu zunutze.Ein Beispiel ist die Medikamentendosierung, also die sehr genaue Verabreichung kleinster Mengen therapeutischer Mittel über einen langen Zeitraum. Dr. Martin Richter leitet das Geschäftsfeld Mikrodosiersysteme und erklärt: „Dies kann durch implantierbare Systeme erfolgen, die neue und innovative Therapieformen mit einer optimierten Wirkstoffabgabe, die sowohl zeitlich als auch örtlich exakt definiert ist, ermöglichen.“ Medikamente lassen sich so gezielt dort einsetzen, wo sie wirken sollen. Hierfür entwickelte das Fraunhofer EMFT eine Silizium-Mikropumpe, die mit fünf mal fünf mal 0,6 Millimetern als weltweit kleinste Mikropumpe gilt.

Eine sehr rasante Weiterentwicklung der Mikrofluidik verspricht Roland Zengerle. Sie sei immer dann gefragt, wenn es um Miniaturisierung, Integration, Parallelisierung und Automation von biochemischen Analysen auf kostengünstigen Testträgern geht. Der Schwerpunkt seines Instituts Imtek liegt auf der Entwicklung schneller diagnostischer Testverfahren, die innerhalb von 30 Minuten in der Lage sind, komplexe Krankheitsbilder zu diagnostizieren. Will man robuste, komplexere Systeme entwickeln, wie etwa einen Schnelltest für eine Infektionserkrankung, so komme man mit klassischen Mikropumpen und -ventilen meist nicht sehr weit. Oft zu komplex seien die Schnittstellenprobleme, die dabei auftreten. Als Lösung bieten sich kostengünstige, monolithisch integrierte Systeme an, die zudem nach Gebrauch entsorgt werden können. Zengerle: „Deshalb sprechen wir heute lieber von mikrofluidischen Plattformen als von mikrofluidischen Komponenten, wenn es darum geht, komplexe Aufgaben kostengünstig zu miniaturisieren.“ aru