Das Aufkommen der Mikrofluidik hat zur Integration von Mikro- und Nanofluidik-Geräten in zahlreiche Anwendungen wie die biomedizinische und chemische Analyse geführt.
Mikro- und nanofluidische Chips mit sehr kleinen Kanälen (Abmessungen im µm-Bereich) bieten interessante Vorteile wie einen geringen Probenverbrauch und eine erhöhte Sensitivität dank kleiner Volumina (Mikro-/Nanoliter), wodurch sich ein relativ großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis realisieren lässt. Die Entwicklung der Nanotechnologien sowie der mikro- und nanoelektromechanischen Systeme (MEMS, NEMS) ermöglicht zudem die einfache Herstellung und Integration mikroelektronischer Komponenten.
In diesem Übersichtsartikel betrachten wir anhand verschiedener Beispiele aus der Fachliteratur diverse Methoden zur Integration von Pumpen und Ventilen auf einem mikrofluidischen Chip.
Herstellung eines manuellen PDMS-Mikroventilsystems
In der Mikrofluidik eingesetzte Ventile basieren im Allgemeinen auf folgenden Steuerungsstrukturen: mechanische Betätigung, Pneumatik, Elektrokinetik, Phasenwechsel oder Einwirkung externer Kräfte.
Je nach Schaltzustand wird zwischen aktiven und passiven Ventilen unterschieden. Die Klassifizierung richtet sich dabei nach der Integration mechanischer oder nicht-mechanischer beweglicher Teile.
In diesem Beispiel entschieden sich die Forscher für die Eigenproduktion ihres Ventils. Das Funktionsprinzip basiert auf einer mechanischen Struktur (aus Plexiglas®) in Kombination mit flexiblen Materialien (PDMS), wie in Abbildung 1 dargestellt.
Das Ventil besteht aus einem aktiven Teil mit einem Mikrokanal und einer dünnen PDMS-Membran (Abbildung 1(a) und 1(b)). Die PDMS-Folie wurde mit einer Dicke von 100 µm hergestellt und durch Plasmabehaltung auf der Oberseite des Kanals funktionalisiert und gebondet. Der Mikrokanal wurde in PDMS mit den Abmessungen 1 × 0,05 × 10 mm im Verfahren der Weichlithografie gefertigt.
Die mechanische Struktur zum Öffnen und Schließen des Flüssigkeitsstroms kombiniert zwei Komponenten: Eine Schraube (~3 mm Durchmesser, 0,5 mm Steigung) wird durch ein Gewindeloch in einer Plexiglasplatte geführt, die wiederum an einer zweiten Platte fixiert ist; sowie ein PDMS-Formteil (~2,5 mm), das kleiner als das Schraubenloch ist und sich darin frei bewegen kann. Dieses PDMS-Teil verhindert, dass der Schraubenkopf die PDMS-Folie während des Betriebs beschädigt.
Das Ventil weist im Wesentlichen zwei Strukturen aus PDMS- und Plexiglas®-Komponenten auf, wie in Abbildung 1(d) gezeigt. Der PDMS-Teil umfasst den kanaltragenden Bereich (für Kanalventile) sowie eine dazwischenliegende PDMS-Schicht mit mehreren Bohrungen, deren Durchmesser dem der Schrauben entspricht. Beide mechanischen Strukturen wurden aus Plexiglas® gefertigt: Die erste Komponente ist mit Gewindebohrungen versehen, während die zweite Komponente als untere Halterung dient, die in Kombination mit dem ersten Teil (nach Art einer Klemme) die Fixierung aller Elemente des Ventilsystems ermöglicht.
Für detailliertere Informationen zu diesem Design verweisen wir auf den Artikel Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
Zugegebenermaßen ist dieser Ansatz clever, praktisch und wirtschaftlich, lässt sich jedoch nicht uneingeschränkt anwenden – insbesondere im Hinblick auf die verwendete Schraubenmechanik. Bestimmte Anwendungen erfordern ein Höchstmaß an Integration und Leistung. Daher widmen wir uns in einem weiteren Beispiel alternativen Prototyping-Möglichkeiten.
Integrierter Herz-/Krebs-Modell-Chip zur In-vitro-Simulation von Nebenwirkungen von Krebsmedikamenten
Lange Zeit wurden Lab-on-a-Chip-Systeme hauptsächlich für biochemische Analysen und Detektionen eingesetzt, finden jedoch in jüngerer Zeit vermehrt Anwendung in der Diagnostik.
Mit dem technologischen Fortschritt rückt die Realisierung tragbarer Diagnosesysteme in greifbare Nähe. Neben mikrofluidischen Systemen sind dafür Pumpen, Elektroden, Ventile und elektrische Felder erforderlich. All dies lässt sich durch integrierte Mikroelektronik umsetzen.
In diesem Beispiel entwickelte das Forschungsteam ein mikrofluidisches Gerät – ein „Integrated Heart/Cancer on a Chip“ (iHCC) – unter Verwendung gesunder menschlicher Herzmuskelzellen (hCMs) und Leberkrebszellen (HepG2). Ziel war es, die Nebenwirkungen des Anthrazyklin-Antidots Doxorubicin (DXR) zu simulieren und gleichzeitig separate Zellkulturen aus unterschiedlichen Geweben auf einem einzigen Chip zu betreiben. Dies wird durch drei künstliche Blutkreisläufe, mikrofabrikationstechnisch hergestellte Mikroventile und eine Pumpe für präzise Flüssigkeitsdosierung ermöglicht.
Für die Fertigung des iHCC entschied sich das Team primär aufgrund der Biokompatibilität, der hohen Gaspermeabilität und der ausgezeichneten optischen Transparenz für PDMS.
Die sogenannte Infusionsschicht enthält zwei Zellkulturkammern (2,1 mm breit und 220 µm hoch), die ausreichend dimensioniert sind, um die erforderlichen Wachstumsfaktoren sowie das Krebsmedikament bereitzustellen und gleichzeitig Scherkräfte zu minimieren.
Zur Verbindung der beiden Zellkulturkammern (150 µm breit, 45 µm hoch) wurden über Ein- und Auslassöffnungen Mikrokanäle angelegt.
Die sogenannte Steuerschicht, die ebenfalls aus einer dünnen, flexiblen PDMS-Membran (200 × 200 µm² und 20 µm Dicke) besteht, enthält Ventile für die kreuzungskontaminationsfreie, unabhängige Kultur zweier Zelltypen sowie Mikropumpen zur präzisen Regelung der Durchflussrate des Mediums.
Das System umfasst folglich drei Sätze von je zwei Zellkulturkammern mit geschlossenem Kreislauf, um drei unterschiedliche Behandlungen parallel auf demselben Chip durchzuführen (Abbildung 2).
Für weitere Informationen zu diesem Design empfehlen wir die Lektüre des Artikels Kamei K et al. 2017 RSC Adv.
Darwin Microfluidics bietet ein breites Portfolio an Mikroventilen und Mikropumpen zur Realisierung solcher mikrofluidischen Prototypen. Unsere Experten haben in der folgenden Tabelle die optimal auf Ihre Anwendung abgestimmten Produkte zusammengestellt.
| Produkttyp | Größe | Darwin Microfluidics Website-Links |
| 2/2- oder 3/2-Wege-whisper-Ventil Typ 6724 von Bürkert | 8,9 mm Breite | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-or-3-2-way-whisper-valve-type-6724 |
| 2/2-Wege-Mikrofluidik-whisper-Ventil Typ 6712 von Bürkert | 18,2 x 7,2 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/microfluidic-minimum-volume-solenoid-valve-burkert-type-6712 |
| 2/2-Wege-Mikrofluidik-Miniaturventil von Memetis | 20 x 5 x 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Mikropumpen der Serie BP7 von Bartels | 30 x 15 x 3,8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Mit dieser Übersicht haben Sie alle wichtigen Werkzeuge an der Hand, um mit der Herstellung mikrofluidischer Prototypen zu beginnen. Die Experten von Darwin Microfluidics stehen Ihnen jederzeit gerne beratend zur Seite!
