Mikrofluidik bezeichnet sowohl die Wissenschaft als auch die Techniken hinter der Handhabung von Strömungen im Mikromaßstab. Bei diesen Abmessungen unterscheidet sich die Fluiddynamik grundlegend von unserem Alltag: So sind Wasserströme beispielsweise laminar, was bedeutet, dass sie sich nicht vermischen und keine Wirbel oder Strudelturbulenzen bilden. Diese und andere einzigartige Eigenschaften bilden die Grundlage für die Revolution, die die Mikrofluidik in der Wissenschaft ausgelöst hat. Um Fluide im Mikromaßstab zu kontrollieren und einzuschließen, werden mikrofluidische Chips verwendet.
Was ist ein mikrofluidischer Chip?
Hierbei handelt es sich um Vorrichtungen, in die Muster von Mikrokanälen entweder eingegossen oder eingraviert sind. Darüber hinaus können aktive oder passive Elemente zur Flussregelung, wie Membranen oder Ventile, in den Chip integriert werden, um Fluide präzise zu steuern. Mikrofluidische Chips ermöglichen es somit, mehrere Funktionen, die normalerweise ein komplettes Labor erfordern, in einem einzigen miniaturisierten Gerät zu vereinen. Aus diesem Grund werden Mikrofluidik und insbesondere mikrofluidische Chips häufig als „Lab-on-a-Chip“ bezeichnet. Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über die gängigsten Materialien gegeben, die für die Herstellung mikrofluidischer Chips verwendet werden.
Materialien für mikrofluidische Chips
Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Materialien wie Glas, Silizium und Polymere für die Herstellung mikrofluidischer Geräte eingesetzt. Diese lassen sich im Wesentlichen in anorganische Materialien, Polymere und Papier unterteilen. Natürlich gibt es kein „perfektes“ Material, da jedes von ihnen bei der Anwendung in der Mikrofluidik spezifische Vor- und Nachteile aufweist. Letztlich ist es der Anwendungszweck, der den Forscher bei der Auswahl leitet. In diesem Kapitel werden die gängigsten Materialien in der Mikrofluidik kurz vorgestellt. Interessierte Leser finden ausführlichere Informationen in zahlreichen hervorragenden Übersichtsarbeiten zu diesem Thema, wie beispielsweise denen von Nge et al. (2013) und We et al. (2013).
Polymere
Polymere werden aufgrund ihrer guten biochemischen Eigenschaften und ihrer kostengünstigen Herstellung häufig für die Produktion mikrofluidischer Geräte verwendet. Eines der am häufigsten verwendeten ist PDMS. Das Akronym PDMS steht für Polydimethylsiloxan, ein organisch-siliziumbasiertes Polymer aus der Familie der Siloxane. Dieses Material ist als Lebensmittelzusatzstoff (E900), in Kosmetikprodukten und in Schmierölen zu finden. Es gibt mehrere Gründe, warum PDMS ein hervorragendes Material für die Chipherstellung ist; die wichtigsten sind hier zusammengefasst:
- Transparenz: Mikrokanäle und deren Inhalt sind direkt sichtbar
- Elastizität: PDMS ist recht elastisch, und diese Eigenschaft kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden, z. B. für die Ventilintegration durch Kanaldeformation. Darüber hinaus lässt sich seine Elastizität durch den Einsatz von Vernetzungsmitteln „einstellen“
- Kosten: PDMS ist wesentlich kostengünstiger als andere Materialien, die für die Herstellung mikrofluidischer Chips verwendet werden;
- Permeabilität: PDMS ist gasdurchlässig, was in der Zellkultur, bei Gassensoren usw. genutzt werden kann...
Offensichtlich gibt es auch Nachteile bei der Verwendung von PDMS für die Herstellung mikrofluidischer Chips. Einige Beispiele hierfür sind: die Materialalterung, die die Leistung des Chips im Laufe der Zeit einschränkt, sowie die mangelnde chemische Beständigkeit gegenüber vielen organischen Lösungsmitteln, wodurch sich PDMS hauptsächlich für wässrige Anwendungen eignet.
Darüber hinaus absorbiert PDMS hydrophobe Moleküle und Wasserdampf, die während des Experiments versehentlich freigesetzt werden können. Ein weiterer Nachteil mikrofluidischer PDMS-Geräte ist die Unmöglichkeit, Elektroden direkt in den Chip zu integrieren, auch wenn dies umgangen werden kann, indem die Elektroden in den Glasdeckel statt in den Chip selbst eingesetzt werden. Weitere Informationen zu PDMS und dessen Anwendung in der Mikrofluidik finden Sie auf der Website von Elvesys. Wie bereits erwähnt, bietet PDMS zwar eine schnelle und einfache Herstellung mikrofluidischer Chips, weist jedoch verschiedene Nachteile auf, die seinen Einsatz bei bestimmten Anwendungen verhindern. Um diese Nachteile zu überwinden und dennoch von einer kostengünstigen und schnellen Produktion zu profitieren, können andere Polymere für den Bau mikrofluidischer Geräte verwendet werden. Ein weiteres Polymer, das für mikrofluidische Chips verwendet wird, ist Polystyrol (PS), ein Standardpolymer in der Wirkstoffforschung für Zellkulturschalen. PS ist optisch transparent, biokompatibel, inert, steif und seine Oberfläche lässt sich leicht funktionalisieren.
💡 seine hydrophobe Oberfläche lässt sich durch verschiedene physikalische und chemische Verfahren leicht hydrophil machen, darunter:
Koronaentladung, Gasplasma und Bestrahlung. Andere häufig verwendete Polymere für mikrofluidische Geräte sind Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polycarbonat (PC). PC weist eine bessere Hitzebeständigkeit als PMMA auf und kann daher in einem größeren Temperaturbereich eingesetzt werden. PMMA ist ein Elastomer mit geringer Verformung im Vergleich zu PDMS und wird daher dort eingesetzt, wo Steifigkeit erforderlich ist, z. B. für den Bau von Kanälen für Mikroventile. Wenn Sie mehr über hydrophile/hydrophobe Beschichtungen erfahren möchten, werfen Sie hier einen Blick auf unseren vollständigen Testbericht! 😉
Mikrofluidische Chips aus Silizium und Glas
Eines der ersten Materialien in der Mikrofluidik war Silizium. Der Grund dafür liegt in der engen Verbindung zwischen den ersten mikrofluidischen Chips und der Mikroelektronikindustrie, in der Silizium damals wie heute eines der am häufigsten verwendeten Materialien ist. Die Vorteile von Silizium in mikrofluidischen Anwendungen liegen in seiner Wärmeleitfähigkeit, Oberflächenstabilität und Lösungsmittelbeständigkeit. Der Hauptnachteil mikrofluidischer Siliziumchips ist ihre optische Opazität im sichtbaren elektromagnetischen Bereich, die optische Detektionen unmöglich macht.
Ein weiteres Pionustiermaterial für die Herstellung mikrofluidischer Chips ist Glas. Dieses Material weist dieselben bereits erwähnten Vorteile wie Silizium auf. Insbesondere seine bekannten Oberflächenchemie-Eigenschaften, die überlegene optische Transparenz und die ausgezeichnete Hochdruckbeständigkeit machen es zur besten Wahl für zahlreiche Anwendungen. Glas ist zudem biokompatibel, chemisch inert, hydrophil und ermöglicht effiziente Beschichtungen. Der Hauptnachteil mikrofluidischer Glaschips sind die relativ hohen Kosten des Rohmaterials.
Mikrofluidische Chips auf Papierbasis
In letzter Zeit wurde Papier auch als potenzielles Material für die Herstellung mikrofluidischer Chips in Betracht gezogen. Der Hauptgrund dafür ist, dass Papier ein sehr kostengünstiges Rohmaterial ist. Die Vorteile der Verwendung von Papier für mikrofluidische Anwendungen gehen jedoch über die extrem geringen Kosten hinaus. So ist Papier dünn, leicht und lässt sich einfach lagern, handhaben und transportieren. Darüber hinaus ist es mit biologischen Proben kompatibel und kann chemisch behandelt werden, um Bindungen mit Molekülen oder Proteinen einzugehen. Nicht zuletzt ist Papier nach dem Gebrauch leicht zu entsorgen, was es zu einem sehr umweltfreundlichen Material für mikrofluidische Chips macht. Der Hauptnachteil bei der Verwendung mikrofluidischer Geräte auf Papierbasis ist die Schwierigkeit, die Kanäle auf dem Chip zu strukturieren. Es gibt schlicht keine „perfekte“ Strukturierungsmethode, da jede einzelne Methode Kompromisse zwischen Kosten, Handhabbarkeit und Auflösung erfordert, die von Fall zu Fall abgewogen werden müssen.
