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Modularer mikrofluidischer Baukasten

22.10.2007 - (idw) Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Die heutigen Abmaße von Geräten und Gerätekomponenten waren vor einigen Jahren noch undenkbar. Durch den konstanten Fortschritt in der Forschung und Entwicklung ist heute die Umsetzung von kleinsten Geräten und Komponenten realisierbar. Beispielsweise wurden bei Computern nicht nur die Kosten, sondern auch die Ausmaße um ein Vielfaches gesenkt. Dieser Trend zur Miniaturisierung ist auch bei der medizinischen Analytik feststellbar. Früher wurden die meisten Analysen aus Platz- und Kostengründen in zentralen Laboreinrichtungen durchgeführt. Heute wird vermehrt dazu übergegangen medizinische Untersuchungen an Ort und Stelle mit "Point-of-Care-Geräten" durchzuführen. Diese Entwicklung ermöglicht eine beschleunigte Diagnose, durch die eine folgerichtige Therapie zeitnah eingeleitet werden kann. Vor allem in der Notfallmedizin ergeben sich dadurch erhebliche Vorteile.

Die Analysen mit Point-of-Care-Geräten werden mit hochintegrierten, mikrofluidischen Einmalchips durchgeführt. Die Strukturen der Einmalchips werden derzeit durch einen hohen Forschungs- und Entwicklungsaufwand realisiert. Dieser Aufwand lässt sich durch den am Fraunhofer IPA entwickelten modular aufgebauten mikrofluidischen Baukasten deutlich reduzieren. Aber nicht nur die Entwicklung von mikrofluidischen Prozessen, die anschließend auf Einmalanalysechips übertragen werden, ist möglich. Ziel des modularen mikrofluidischen Baukastens ist auch der Aufbau komplexer mikrofluidischer Prozesse, die individuell und je nach Bedarf schnell umgesetzt werden können (z. B. individuelle Medikamentenzusammenstellung).

Die Entwicklung der mikrofluidischen Strukturen erfolgt, indem zunächst die einzelnen Funktionen eines Prozessablaufs (z.B. Fördern, Mischen, Temperieren, Separieren) vereinzelt und anschließend auf unterschiedlichen Modulen abgebildet werden (vgl. Bild 1). Die entwickelten Module werden dann auf einer Plattform zunächst separat, später als zusammengesetzter Prozess getestet. Auf diese Weise können beliebigste Prozesse innerhalb kürzester Zeit entwickelt und realisiert werden. Auch können die Prozessabläufe aufgrund der Modularität schnell abgeändert werden. Dabei ist nicht nur die Realisierung von Prozessen aus dem medizinischen Analysebereich möglich, es können auch Prozesse aus Bereichen wie der Lebensmittelanalytik, Umweltanalytik und Mikrosystemtechnik aufgebaut, getestet und realisiert werden. Voraussetzung für das Funktionieren des Baukastens ist das Vorhandensein definierter Schnittstellen. Dies betrifft nicht nur die Schnittstellen der Module untereinander, sondern ganz besonders die Schnittstellen des Baukastensystems zur Makrowelt. Bild 2 zeigt eine Plattform, auf der verschiedene mikrofluidische Module für einen immunologischen Prozess verknüpft sind.

Mit diesem mikrofluidischen Baukasten ist es möglich, Prozesse in mikroverfahrenstechnischen Produktionen zu realisieren. Ein Anwendungsbeispiel ist die Entwicklung einer Mikropharmafertigung, die individuell patientengerechte, flüssige Medikamente vor Ort herstellt. Die Umsetzung einer Mikropharmaproduktion ermöglicht die optimale und individuell angepasste Dosierung einzelner Wirkstoffe, was eine verbesserte Therapie für den Patienten zur Folge hat. Darüber hinaus werden unwirksame Zusatzstoffe wie beispielsweise Konservierungsstoffe nicht mehr benötigt. Ebenfalls wird durch die Just-in-Time-Produktion der Medikamente eine Überproduktion vermieden. Zusätzlich entfallen Lagerplatz und Lagerkosten.

Mit dem modularen mikrofluidischen Baukasten sind jedoch nicht nur Prozesse in mikroverfahrenstechnischen Produktionen realisierbar. Auch die Entwicklung von mikrofluidischen Einmalanalysechips ist möglich. Die Umsetzung mikrofluidischer Prozesse auf Einmalchips wird realisiert bei Analysen, die massenhaft durchgeführt werden (z. B. in der medizinischen Analytik). Voraussetzung für die Entwicklung von mikrofluidischen Einmalanalysechips ist die erfolgreiche Abbildung und Testung verschiedener aufeinander folgender mikrofluidischer Strukturen auf Modulen des modularen Baukastens. Die Analysechips können nach erfolgreicher Testung der zusammenhängenden Strukturen auf der Plattform als monolithisches System kostengünstig und in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Der Chip kommt dann bei Point-of-Care-Analysen zum Einsatz. Die Probe wird dabei direkt in den Chip eingeführt und kommt zur Auswertung in ein speziell dafür entwickeltes Gerät.


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