Das Aufkommen der Mikrofluidik hat dazu geführt, dass mikro- und nanofluidische Geräte in vielen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise der biomedizinischen und chemischen Analytik, zum Einsatz kommen.
Mikro- und Nanofluidik-Bauelemente mit sehr kleinen Kanälen (Größe im µm-Bereich) bieten interessante Vorteile hinsichtlich eines geringeren Probenverbrauchs und einer höheren Empfindlichkeit dank der Verwendung kleiner Volumina (Mikro-/Nanoliter), was ein relativ großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis ermöglicht. Die Entwicklung von Nanotechnologien und mikro-/nanoelektromechanischen Systemen (MEMS, NEMS) ermöglicht zudem die einfache Herstellung und Integration mikroelektronischer Komponenten.
In diesem Überblick werden wir anhand verschiedener Beispiele aus der Fachliteratur verschiedene Methoden zur Integration von Pumpen und Ventilen auf einem mikrofluidischen Chip betrachten.
Herstellung eines manuellen PDMS-Mikroventilsystems
Ventile, die in der Mikrofluidik zum Einsatz kommen, basieren im Allgemeinen auf den folgenden Arten von Steuerungsstrukturen: mechanische Betätigung, Pneumatik, Elektrokinetik, Phasenwechsel oder Einwirkung einer äußeren Kraft.
Je nach ihrem Betriebszustand lassen sich zwei Arten von Ventilen unterscheiden: aktive und passive Ventile. Ihre Einteilung hängt dabei davon ab, ob sie mit mechanischen oder nicht-mechanischen beweglichen Teilen verbunden sind.
In diesem Beispiel entschieden sich die Forscher dafür, ihr Ventil selbst herzustellen. Das Funktionsprinzip des Ventils basiert auf der in Abbildung 1 dargestellten mechanischen Struktur (aus Plexiglas®-Materialien) und flexiblen Materialien (PDMS).
Das Ventil besteht aus einem aktiven Teil, der einen Mikrokanal und eine dünne PDMS-Folie umfasst (Abbildungen 1(a) und 1(b)). Die PDMS-Folie wurde mit einer Dicke von 100 µm hergestellt und mittels Funktionalisierung in einem Plasmareiniger auf die Oberseite des Kanals aufgebracht. Der Mikrokanal wurde mittels einer Weichlithografie-Technik aus PDMS mit den folgenden Abmessungen von 1 × 0,05 × 10 mm hergestellt.
Die mechanische Konstruktion zum Öffnen und Schließen des Durchflusses besteht aus zwei Komponenten: Eine Schraube (Durchmesser ca. 3 mm, Gewindesteigung 0,5 mm) wird durch eine Gewindebohrung in einer Plexiglasplatte geführt, die wiederum an einer zweiten Platte befestigt ist; ein PDMS-Teil (ca. 2,5 mm), das kleiner als die Schraubenbohrung ist und sich frei in dieser Bohrung bewegen kann. Das PDMS-Teil verhindert, dass der Schraubenkopf die PDMS-Folie während des Arbeitsvorgangs beschädigt.
Was das Ventil betrifft, so gibt es zwei Hauptkonstruktionen, die aus PDMS- und Plexiglas®-Teilen bestehen, wie in Abbildung 1(d) dargestellt. Das PDMS-Bauteil umfasst das Teil mit den Kanälen (für Kanalventile) sowie eine PDMS-Zwischenplatte mit mehreren Löchern, deren Durchmesser dem der Schrauben entspricht. Beide mechanischen Bauteile wurden aus Plexiglas® gefertigt; das erste Teil ist mit Gewindebohrungen versehen, während das zweite Teil eine untere Halterung darstellt, die in Kombination mit dem ersten Teil (wie eine Klemme) die Befestigung aller Elemente der Ventilsystemkonstruktion ermöglicht.
Um weitere Informationen zu diesem Entwurf zu erhalten, laden wir Sie ein, den folgenden Artikel zu lesen Le T N et al. 2020, Adv. Polym. Technol.
Wir müssen zugeben, dass diese Methode clever, praktisch und wirtschaftlich ist, aber sie lässt sich nicht in allen Fällen anwenden, insbesondere wenn eine Schraube vorhanden ist. Tatsächlich erfordern manche Anwendungen ein sehr hohes Maß an Integration und Leistung. Wir werden daher anhand eines weiteren Beispiels sehen, was im Prototypenbau möglich ist.
Integriertes Herz-Krebs-Modell auf einem Chip zur Nachbildung der Nebenwirkungen von Krebsmedikamentenin vitro
Lange Zeit wurde die „Lab-on-a-Chip“-Technologie hauptsächlich für biochemische Analysen und Nachweise genutzt, doch in letzter Zeit findet sie auch in der Diagnostik Anwendung.
Mit der Weiterentwicklung der Technologien rückt somit die Realisierung eines tragbaren Diagnosesystems in greifbare Nähe. Neben mikrofluidischen Systemen sind Pumpen, Elektroden, Ventile und elektrische Felder erforderlich. All dies lässt sich mithilfe integrierter Mikroelektronik realisieren.
In diesem Beispiel entwickelte das Team ein mikrofluidisches Gerät – ein „Integrated Heart/Cancer on a Chip“ (iHCC) – unter Verwendung gesunder menschlicher Herzzellen (hCMs) und Leberkrebszellen (HepG2), um die Nebenwirkungen des Krebsmedikaments Doxorubicin (DXR) nachzubilden und so einzelne Zellkulturen aus verschiedenen Geweben auf einem einzigen Gerät mit drei künstlichen Blutkreislaufschleifen zu realisieren, wobei die Mikrofabrikationstechnologie für Mikroventile und eine Pumpe einen präzisen Flüssigkeitsfluss gewährleistet.
Für die Herstellung des iHCC entschied sich das Team für PDMS, insbesondere aufgrund seiner Biokompatibilität, seiner guten Gasdurchlässigkeit und seiner guten Lichtdurchlässigkeit.
Die sogenannte Infusionsschicht enthält zwei Zellkulturkammern (2,1 mm breit und 220 mm hoch), die ausreichen, um die erforderlichen Wachstumsfaktoren und das Krebsmedikament bereitzustellen sowie die Scherspannung zu verringern.
Es wurden Mikrokanäle angelegt, um die beiden Zellkulturkammern (150 mm breit, 45 mm hoch) über Ein- und Auslassöffnungen miteinander zu verbinden.
Die sogenannte Kontrollschicht, die ebenfalls aus einer dünnen und flexiblen PDMS-Membran (200 × 200 µm² und 20 µm dick) besteht, enthält Ventile, die die unabhängige Kultivierung zweier Zelltypen ohne Kreuzkontamination ermöglichen, sowie Mikropumpen zur präzisen Steuerung der Durchflussrate des Mediums.
Somit umfasste dieses Gerät drei Sätze von je zwei Zellkulturkammern mit einem geschlossenen Kreislauf, um drei verschiedene, aber gleichzeitige Zellbehandlungen innerhalb desselben Geräts zu ermöglichen (Abbildung 2).
Um weitere Informationen zu diesem Entwurf zu erhalten, empfehlen wir Ihnen, den folgenden Artikel zu lesen:Kamei K. et al. 2017, RSC Adv.
Darwin Microfluidics bietet eine breite Palette an Mikroventilen und Mikropumpen für die Herstellung solcher mikrofluidischen Prototypen. Unsere Experten haben in der folgenden Tabelle die für Ihre Anwendung am besten geeigneten Produkte für Sie ausgewählt.
| Produktart | Größe | Links zur Website von Darwin Microfluidic |
| 2/2- oder 3/2-Wege- Whisper sventil 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 × 7,2 × 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 × 5 × 7 mm | https://darwin-microfluidics.com/collections/microfluidic-valves/products/2-2-way-microfluidic-miniature-valve |
| Mikropumpen der Serie BP7 von Bartels | 30 × 15 × 3,8 mm | https://darwin-microfluidics.com/products/bartels-bp7-micropump |
Mit diesem Überblick verfügen Sie über alle notwendigen Informationen, um mit der Herstellung von Mikrofluidik-Prototypen zu beginnen. Die Experten von Darwin Microfluidics stehen Ihnen gerne beratend zur Seite!
