Einblick in die Welt der Point-of-Care-Diagnostik: Optimierung für miniaturisierte folienbasierte Mikrofluidik-Chips
Einblick in die Welt der Point-of-Care-Diagnostik: Optimierung für miniaturisierte folienbasierte Mikrofluidik-Chips
Aufgabe
Verbesserung beim Nachweis. Der Chip wurde für den Nachweis von Krankheitserregern/Antikörpern in einer Point-of-Care-Umgebung entwickelt. Das Auftreten von Luftblasen beim Befüllen des Chips mit einer Flüssigkeit wurde genauer untersucht.
Lösung
Anhand von numerischer Simulation erfolgte die Überprüfung mehrerer Hypothesen zu den Ursachen der Luftblasen. Die Theorie, die von Flecken im Fluidkanal als Ursache für plötzliche Änderungen im Kontaktwinkel ausging, hat sich als zutreffend erwies.
Kundennutzen
Kostenintensive und zeitaufwendige Testdurchgänge zur Ursachenfindung sind nicht erforderlich, da die Simulation ein eindeutiges Ergebnis liefert.
Projektbeschreibung
Ziel des Projekts war es für die GENSPEED Biotech GmbH ein Mikrofluidisches Chipdesign zu entwickeln, das für den Nachweis von Pathogenen und Antikörpern geeignet ist. Bei GENSPEED handelt es sich um ein biomedizinisches Unternehmen, das in-vitro-diagnostisch-zertifizierte Schnelltests für den einfachen und schnellen Nachweis von Krankheitserregern oder Biomarkern am Point-of-Care innerhalb von Minuten produziert und vertreibt. Eine Kombination aus Mikrofluidik, miniaturisierter Optoelektronik und Automatisierung bildet die Grundlage für ein völlig neues, kleines und einfaches Testsystem.
Innerhalb der letzten Jahren hat ein enormer technologischer Fortschritt im Chipdesign stattgefunden, der in einem Miniaturisierungsprozess mündete. Die Miniaturisierung ist eine treibende Kraft für innovative Lösungen 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, kommerziellen Chips, die im Schmelzspritzverfahren hergestellt wurden, wurden nach und nach durch vollständig folienbasierte Chips ersetzt. Früher hatten diese Chips eine Stärke von 5 mm, während die neuen Lab-on-Foil-Chips mit weniger als 0,2 mm 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 Rol-to-Roll-Verfahren hergestellt. Dieses Verfahren bereitet den Boden für eine bisher nicht gekannte 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 warf der Miniaturisierungsprozess einige unerwartete Herausforderungen auf. Eine davon ist das Auftreten von Luftblasen beim Befüllen des Chips mit einer Flüssigkeit. Wir mussten herausfinden, warum die Luftblasen auftraten, und eine Lösung vorschlagen.
Ursachenforschung kann betrieben werden, indem Theorie für Theorie vor Ort getestet wird. Der smartere 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 daher eine Folge der Hydrophobie, da die mikrofluidische Strömung im Flüssigkeitskanal mit hydrophilen Eigenschaften aufgrund des Kapillareffekts aufstieg. 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 unten deutlich zeigt. Mit Hilfe von Simulationen konnten wir nachweisen, dass Änderungen des Kontaktwinkels der Oberfläche für den Lufteinschluss - die Blasen - verantwortlich sind.
Ergebnis
Den Grund für das Vorhandensein von Luftblasen haben wir mit Hilfe von numerischen Simulationen gefunden. Außerdem konnten wir anhand einer Sensitivitätsanalyse zeigen, welche Oberflächenparameter einen Einfluss auf die Ergebnisse haben. Die numerischen Simulationen zeigten zwei unerwartete Ergebnisse: Die Tatsache, dass schon kleine Kontaktwinkeländerungen zum Auftreten von Luftblasen führten. Und, noch überraschender, dass die defekten Bereiche nicht 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.
