26.05.2022 - Kyoto University

Neues Verfahren revolutioniert die Herstellung von Mikrofluidiksystemen

Struktureller Farbdruck schafft neue Wege für medizinische Diagnostik und miniaturisierte Sensoren

Mikrofluidische Geräte nutzen winzige Räume, um sehr kleine Mengen von Flüssigkeiten und Gasen zu manipulieren, indem sie die Eigenschaften nutzen, die sie auf der Mikroskala aufweisen. Sie haben ihre Nützlichkeit in Anwendungen vom Tintenstrahldruck bis zur chemischen Analyse bewiesen und haben ein großes Potenzial für die persönliche Medizin, wo sie viele Tests, für die heute ein komplettes Labor erforderlich ist, miniaturisieren können, was ihnen den Namen "Lab-on-a-Chip" einbrachte.

Forscher des Institute for Integrated Cell-Material Sciences (iCeMS) der Universität Kyoto haben die Herstellung von Mikrofluidik aus einem neuen Blickwinkel betrachtet und ein innovatives Verfahren zur Herstellung von Geräten mit einigen besonderen Eigenschaften und Vorteilen entwickelt.

Eine Beschreibung des neuen Verfahrens, das von Dr. Detao Qin vom Pureosity-Team des iCeMS unter der Leitung von Professor Easan Sivaniah entwickelt wurde, erscheint in Nature Communications.

Bislang mussten Geräte mit mikrofluidischen Kanälen aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden, was zu möglichen Fehlern führte. Das Verfahren des Pureosity-Teams kommt ohne diesen Zusammenbau aus. Stattdessen werden lichtsensibilisierte Polymere und Mikro-LED-Lichtquellen verwendet, um selbst geschlossene, poröse Kanäle mit hoher Auflösung zu schaffen, die wässrige Lösungen transportieren und kleine Biomoleküle voneinander trennen können, und zwar durch eine neuartige Photolithographie-Technik.

Die neueste Entwicklung des Pureosity-Teams baut auf ihrer Organized Microfibrillation (OM)-Technologie auf, einem Druckverfahren, das bereits in Nature (2019) veröffentlicht wurde. Aufgrund einer einzigartigen Eigenschaft des OM-Prozesses zeigen die mikrofluidischen Kanäle eine strukturelle Farbe, die mit der Porengröße verknüpft ist. Diese Korrelation verknüpft auch die Durchflussrate mit der Farbe.

"Wir sehen großes Potenzial in diesem neuen Verfahren", sagt Prof. Sivaniah. "Wir sehen es als eine völlig neue Plattform für die Mikrofluidik, nicht nur für die persönliche Diagnostik, sondern auch für miniaturisierte Sensoren und Detektoren."

Mikrofluidische Geräte werden bereits im biomedizinischen Bereich in der Point-of-Care-Diagnostik zur Analyse von DNA und Proteinen eingesetzt. In Zukunft könnten die Geräte es den Patienten ermöglichen, ihre lebenswichtigen Gesundheitsmarker zu überwachen, indem sie einfach ein kleines Pflaster tragen, so dass das medizinische Personal sofort auf gefährliche Symptome reagieren kann.

"Es war aufregend, unsere Technologie endlich für biomedizinische Anwendungen einzusetzen", sagt Assistenzprofessor Masateru Ito, einer der Mitautoren der aktuellen Arbeit. "Wir machen die ersten Schritte, aber es ist ermutigend, dass relevante Biomoleküle wie Insulin und das SARS-COV2-Hüllenprotein mit unseren Kanälen kompatibel waren. Ich denke, dass Diagnostikgeräte eine vielversprechende Zukunft für diese Technologie darstellen."

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