Die Wahl des richtigen Materials für die Entwicklung mikrofluidischer Bauelemente ist entscheidend und von großer Bedeutung, da das ausgewählte Material optische Eigenschaften aufweisen muss, die denen von Glas (oder im Idealfall Quarzglas) nahekommen, um eine optimale Detektion zu gewährleisten, sowie Oberflächeneigenschaften, die die Adsorption von Biomolekülen und Elektroosmose verhindern, und die Fähigkeit, Strukturen im Mikrometerbereich gut zu reproduzieren.
(Poly)dimethylsiloxan (PDMS), Poly(methylmethacrylat) (PMMA), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polyimid und Polyethylen (PE) sind einige der Polymerwerkstoffe, die üblicherweise zur Herstellung von Chips verwendet werden. Von diesen ist PDMS das beliebteste Substrat. In jüngerer Zeit hat das SU-8-Harz den Markt für die Mikrofabrikation von Mikrofluidik-Chips erobert. Auch zyklisches Olefin-Copolymer (COC) und Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) sind weit verbreitete Materialien für die Herstellung von Mikrofluidik-Chips.
In diesem Überblick verschafft Ihnen unser Expertenteam einen guten Überblick über die in der Mikrofluidik am häufigsten verwendeten Materialien, damit Sie das für Ihre Anwendung am besten geeignete Material auswählen können.
Die am häufigsten verwendeten Materialien für die Mikrofluidik
Die Fertigung mit Polymeren ist einfach, und ihr Einsatz als Werkstoffe reduziert den Zeitaufwand, die Komplexität und die Kosten bei der Prototypenentwicklung und Fertigung. Im Allgemeinen werden mikrofluidische Systeme durch Formen und Verkleben von Repliken aus Elastomeren wie PDMS oder Thermoplasten wie PMMA oder PC hergestellt. Andere Materialien wie COC oder SU-8 finden im Bereich der Mikrofluidik zunehmend Anerkennung. Diese Polymere verdanken ihren Erfolg vier wesentlichen Eigenschaften: Biokompatibilität, Transparenz, niedrige Kosten und natürlich der fehlende Urheberrechtsschutz.
Polydimethylsiloxan oder PDMS
Ein erheblicher Anteil der mikrofluidischen Bauelemente wird aus PDMS hergestellt. Einer der Hauptvorteile dieses Materials ist seine hohe optische Transparenz im sichtbaren und ultravioletten Bereich, wodurch es sich für viele fluoreszenzbasierte Anwendungen eignet. Eine weitere Stärke von PDMS ist seine Gasdurchlässigkeit, die die Kultivierung von Zellen in mikrofluidischen Bauelementen aus diesem Material ermöglicht. Auch die Herstellung wird durch PDMS vereinfacht, da die Chips einfach aus einer Form mit dem Negativrelief eines gewünschten Musters gefertigt werden. Das vorstrukturierte Muster lässt sich mithilfe gängiger Photolithografieverfahren erzielen, und für die Montage von PDMS-Chips ist zudem nur eine minimale Reinrauminfrastruktur erforderlich. PDMS eignet sich gut für Prototyping-Verfahren, was es zu einem Material der Wahl in der Mikrofluidik macht.
Trotz all seiner Vorteile wurden einige Nachteile bei der Verwendung von PDMS als Vorrichtung zur Wirkstoffaufnahme[Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip]oder zur Aufnahme anderer Moleküle bei Oxidation des PDMS[McDonald et al. 2000 Electroph.] berichtet, was Forscher dazu veranlasst hat, Vorrichtungen aus anderen Materialien herzustellen. Weitere Nachteile von PDMS sind beispielsweise das Aufquellen durch organische Lösungsmittel (was den Anwendungsbereich in der Mikrofluidik einschränkt), eine geringe mechanische Festigkeit (was zum Zusammenbruch von Strukturen mit hohem Seitenverhältnis im Gerät führt) sowie instabile Oberflächenbehandlungen[Paul et al. 2007 Electroph.].
Polymethylmethacrylat oder PMMA
PMMA ist ein transparenter Thermoplast, dessen Monomer Methylmethacrylat (MMA) ist. Dieses Polymer ist besser unter seinem ersten Handelsnamen, Plexiglas, bekannt. PMMA weist zahlreiche Vorteile auf, darunter seine Transparenz, seine Beständigkeit und die Tatsache, dass es amorph ist. Es ermöglicht daher eine hervorragende Lichtdurchlässigkeit von bis zu 92 % des sichtbaren Lichts, d. h. mehr als Glas[Website von Good Fellow].
PMMA ist relativ kratzempfindlich (stärker als herkömmliche Mineralgläser) und wird spröde, wenn es mit Zusatzstoffen versetzt wird. Außerdem weist es eine relativ geringe Beständigkeit gegenüber vielen Chemikalien auf und löst sich in vielen organischen Lösungsmitteln auf. Seine Umweltbeständigkeit ist jedoch besser als die der meisten anderen Kunststoffe.
Polycarbonat oder PC
PC ist ein thermoplastisches Polymer. Im Vergleich zu anderen in der Mikrofluidik verwendeten Materialien, wie beispielsweise COC (Cyclisches Olefin-Copolymer), ist es weniger hydrophob, wodurch die Kanäle ein besseres Füllverhalten aufweisen. Idealerweise wird es für Hochtemperaturanwendungen wie die PCR eingesetzt.
Der eigentliche Nachteil von Polycarbonat ist seine relativ hohe intrinsische Fluoreszenz, beispielsweise im Vergleich zu PMMA. Dieser Nachteil wirkt sich bei der Fluoreszenzmikroskopie sehr nachteilig aus und schränkt daher dessen Einsatz ein.
Cyclisches Olefin-Copolymer oder COC
Das zyklische Olefin-Copolymer (COC) ist ein amorphes Polymer. Im Vergleich zu gängigen Materialien wie Polypropylen und Polyethylen gehört COC zu einer relativ neuen Klasse von Polymeren. Das zyklische Olefin-Copolymer eignet sich hervorragend für mikrofluidische Anwendungen. Die Liste seiner Vorteile ist in der Tat lang und umfasst unter anderem eine gute Biokompatibilität, eine geringe Wasseraufnahme, eine gute chemische Beständigkeit sowie eine hohe Transparenz im tiefen UV-Bereich.
Aufgrund seiner zahlreichen Vorteile kann COC natürlich in vielen Bereichen zur Herstellung von Chips eingesetzt werden, beispielsweise zur Analyse von Parametern wie Blutgaswerten, Glukose- und Laktatkonzentrationen oder zur Bestimmung des Hämatokritwerts. Da die Kanalwände zudem UV-durchlässig sind, ermöglichen sie den Einsatz von UV-Initiatoren wie Benzophenon, das häufig beim Western Blot verwendet wird.
SU-8-Harz
SU-8 ist ein negativ arbeitendes lichtempfindliches Harz, das häufig bei der Herstellung von Mikrosystemen zum Einsatz kommt. SU-8-Harz besteht aus Epoxidharz, Propylencarbonat, einem Triarylsulfonium-Initiator und einem organischen Lösungsmittel. Aufgrund seiner Zusammensetzung ist SU-8 ein hochviskoses Polymer, das in Schichtdicken von 1 Mikrometer bis 2 Millimeter aufgetragen und in der Regel mittels Fotolithografie bearbeitet wird. Es wird zunehmend für die Herstellung von Formen eingesetzt, da es eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit gegenüber verschiedenen Säuren und Basen sowie eine hohe thermische Stabilität aufweist. Darüber hinaus ist SU-8 mechanisch zuverlässig, optisch transparent und hydrophil. Diese Eigenschaften machen SU-8 daher zu einem sehr attraktiven Material für ein breites Anwendungsspektrum, wie beispielsweise natürlich mikrofluidische Anwendungen, aber auch für die Mikrooptik, die Mikrobearbeitung, die Verpackung oder analytische Anwendungen.
SU-8 wird selten als eigenständiger Chip verwendet, sondern vielmehr als Form in Kombination mit anderen Materialien wie PDMS oder Silikon.
Polyethylenglykol-Hydrogele oder PEGs
PEGs sind Hydrogele, die gegenüber anderen Biomaterialien erhebliche Vorteile bieten. Da PEGs synthetisch hergestellt werden, lassen sich ihre mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Abbaugeschwindigkeit im Gegensatz zu natürlichen Biomaterialien vollständig kontrollieren. Dies bedeutet auch, dass PEG im Vergleich zu Materialien natürlichen Ursprungs geringere Schwankungen zwischen den einzelnen Chargen aufweist. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung sind diese Hydrogele hoch hydrophil, resistent gegen Proteinadsorption und biokompatibel. Es gibt eine Vielzahl chemischer Gruppen, die in PEG-Makromere eingebaut werden können, um die Polymerisation und die Vernetzung zu erleichtern (Acrylat, Methacrylat, Vinylether, Norbornen usw.)[Amy H et al. 2013 Chem J].
Zu den Materialeigenschaften, die von grundlegender Bedeutung sein können, zählen unter anderem die Bearbeitbarkeit, die Oberflächenladung, die molekulare Adsorption, die Mobilität bei elektroosmotischer Strömung sowie optische Eigenschaften und viele weitere. Die Wahl des Substrats ist daher sowohl für den Herstellungsprozess als auch für den erfolgreichen Einsatz des Bauteils von entscheidender Bedeutung. Um Ihnen bei der Auswahl zu helfen, bietet Darwin Microfluidics eine breite Palette an mikrofluidischen Bauteilen an, die verschiedene Designs und Materialien kombinieren und für ein breites Anwendungsspektrum geeignet sind.
