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Case Study

Ein Shortcut in die Welt der Point-of-Care-Diagnostik Optimierung für miniaturisierte, folienbasierte Mikrofluidik-Chips

Branche

Gesundheitswesen

Kunde

Genspeed Biotech gmbh

Leistung

Microfluidic

Aufgabe

Verbesserung. Der Chip wurde für den Nachweis von Krankheitserregern/Antikörpern in einem Point-of-Care-Setting entwickelt. Das Auftreten von Luftblasen beim Befüllen des Chips mit einer Flüssigkeit wurde untersucht.

Lösung

Überprüfung mehrerer Hypothesen über die Ursachen der Luftblasen durch numerische Simulationen. Die Theorie, dass die Flecken im Flüssigkeitskanal durch plötzliche Kontaktwinkeländerungen entstehen, hat sich bewahrheitet

Kundennutzen

Keine Notwendigkeit, mehrere teure und zeitaufwändige Testreihen durchzuführen, um die Ursache herauszufinden, da die Simulation ein eindeutiges Ergebnis liefert. 

Projektdetails

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines mikrofluidischen Chipdesigns für den Nachweisen von Krankheitserregern/Antikörpern für die GENSPEED Biotech GmbH. GENSPEED ist ein biomedizinisches Unternehmen, das in-vitro-diagnostisch zertifizierte Schnelltestlösungen herstellt und vertreibt, die einen einfachen und schnellen Nachweis von Krankheitserregern oder Biomarkern am Point-Of-Care in wenigen Minuten ermöglichen. Die Kombination aus Mikrofluidik, miniaturisierter Optoelektronik und Automatisierung bildet die Grundlage für ein völlig neues und handliches Testsystem. 

A lab on chip is device integrates several laboratory processes

Abbildung 1: Lab-on-Chip

Injection_Simulation

Abbildung 2: Simulation einer Flüssigkeitseinspritzung

In den letzten Jahren hat ein enormer technologischer Fortschritt im Chipdesign stattgefunden, der zu einem Miniaturisierungsprozess geführt at. Die Miniaturisierung ist eine treibende Kraft für eine Innovation in der Diagnostik, die als „Lab-on-a-Chip“ bezeichnet wird. Der Einsatz von Mikro- und Nanotechnologien ermöglicht die Entwicklung von schnellen, tragbaren und einfach zu bedienenden Systemen. Die herkömmlich verwendeten Chips, die im Schmelzspritzverfahren hergestellt wurden, wurden nach und nach durch vollständig folienbasierte Chips ersetzt. Die früheren Chips hatten eine Dicke von 5mm, während die neuen Lab-On-Foil-Chips mit weniger als 0,2mm auskommen! Die Besonderheit ist das Design winziger mikrofluidischer Kanäle auf dünnen und flexiblen Folien. Die mikrofluidischen Kanäle werden mit Hilfe der Nanoimprint-Lithographie in einem Roll-to-Roll-Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren bereitet den Weg für eine bisher nicht dagewesene Miniaturisierung von Testkits, die eine Massenproduktion solcher Lab-on-Chip-Systeme ermöglicht. Eine Entwicklung, die viele Vorteile in sich vereint: ein billiges, schnelles und einfach skalierbares Produktionsverfahren, das die bisher übliche kommerzielle Chip-Produktion um Längen schlägt. Allerdings brachte der Miniaturisierungsprozess einige unerwartete Herausforderungen mit sich: das Auftreten von Luftblasen beim Befüllen des Chips mit einer Flüssigkeit. Wir mussten die Ursache für das Auftreten der Luftblasen herausfinden und eine Lösung entwickeln. 

Ursachenforschung lässt sich durchführen, indem man Theorie für Theorie vor Ort testet. Der elegantere und kostengünstigere Weg ist die Durchführung einzelner Simulationen. Simulationen haben den großen Vorteil, dass man verschiedene Hypothesen überprüfen kann, ohne überhaupt einen Test durchzuführen. Dadurch wird der Zeit- und Kostenaufwand für Testkapazitäten erheblich eingeschränkt. Im vorliegenden Fall bestand der mikrofluidische Chip aus mehrschichtigen Folien. Da die Folien entweder hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften hatten, führten kleine Defekte in der Laminatschicht während des Herstellungsprozesses zu Irritationen. Die Luftblasen waren also eine Folge der Hydrophobie, da der mikofluidische Fluss im Flüssigkeitskanal mit hydrophilen Eigenschaften aufgrund des Kapillareffekts anstieg. Selbst kleine Bereiche mit Oberflächenfehlern in der Laminatschicht erzeugten den bekannten Lotuseffekt. Die Flüssigkeit strömte seitlich an der hydrophilen Festkörperoberfläche schneller, während sie die Luftblasen umspülte, wie die Abbildung deutlich zeigt. Mit Hilfe von Simulationen konnten wir nachweisen, dass Änderungen des Kontaktwinkels der Oberfläche für den Lufteinschluss – die Blasen – verantwortlich sind. 

Abbildung 3: Verschiedene Fälle des Luftblasen-Einschlusses

Ergebnisse

Wir haben den Grund für das Vorhandensein von Luftblasen mit Hilfe numerischer Simulationen gefunden. Außerdem konnten wir anhand einer Sensitivitätsanalyse zeigen, welche Oberflächenparameter einen Einfluss auf die Ergebnisse haben. Bei den numerischen Simulationen stießen wir auf zwei unerwartete Ergebnisse: die Tatsache, dass schon kleine Kontaktwinkeländerungen zum Auftreten von Luftblasen führten, und – noch überraschender -, dass die defekten Bereichenicht unbedingt hydrophobe Eigenschaften hatten. Die gesammelten Daten über das Fließmuster und die plötzlichen Kontaktwinkeländerungen dienen als Grundlage für die Optimierung des Herstellungsprozesses, um ergebnisrelevante Fehler in Zukunft zu vermeiden. Die Vorteile für GENSPEED liegen auf der Hand: eine praktikable Lösung bei gleichzeitiger Minimierung des Zeit- und Kostenaufwands.