Die Wahl des richtigen Materials für die Entwicklung mikrofluidischer Chips ist von entscheidender Bedeutung und keineswegs trivial. Das ausgewählte Material muss optische Eigenschaften aufweisen, die denen von Glas (oder idealerweise Quarzglas) für eine optimale Detektion nahekommen, Oberflächeneigenschaften besitzen, die die Adsorption von Biomolekülen sowie Elektroosmose verhindern, und zudem die präzise Reproduktion mikrometergroßer Strukturen ermöglichen.
(Poly)dimethylsiloxan (PDMS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polyimid und Polyethylen (PE) gehören zu den Polymerwerkstoffen, die häufig für die Herstellung von Chips verwendet werden. Darunter ist PDMS das beliebteste Substrat. In jüngerer Zeit hat SU-8-Resin Einzug in den Markt der Mikrofabrikation für mikrofluidische Chips gehalten. Cyclische Olefin-Copolymere (COC) und Polyethylenglycoldiacrylat (PEGDA) sind ebenfalls weit verbreitete Materialien für die Herstellung mikrofluidischer Chips.
In diesem Übersichtsartikel bietet Ihnen unser Expertenteam einen umfassenden Überblick über die am häufigsten verwendeten Materialien in der Mikrofluidik, damit Sie das für Ihre Anwendung ideale Material auswählen können.
Die am häufigsten verwendeten Materialien in der Mikrofluidik
Die Verarbeitung von Polymeren ist unkompliziert, und ihr Einsatz als Werkstoff reduziert Zeit, Komplexität sowie Kosten beim Prototypenbau und in der Fertigung. Mikrofluidische Systeme werden im Allgemeinen durch das Formen und Bonden von Repliken aus Elastomeren wie PDMS oder Thermoplasten wie PMMA oder PC hergestellt. Andere Werkstoffe wie COC oder SU-8 erfreuen sich in der Mikrofluidik zunehmender Beliebtheit. Diese Polymere verdanken ihren Erfolg vier wesentlichen Eigenschaften: Biokompatibilität, Transparenz, geringe Kosten und selbstverständlich das Fehlen von Urheberrechtsbeschränkungen.
Polydimethylsiloxan oder PDMS
Ein erheblicher Anteil mikrofluidischer Chips wird aus PDMS hergestellt. Einer der Hauptvorteile dieses Materials ist seine hohe optische Transparenz im sichtbaren und ultravioletten Bereich, wodurch es sich für zahlreiche fluoreszenzbasierte Anwendungen eignet. Ein weiterer Vorzug von PDMS ist seine Gaspermeabilität, die die Zellkultivierung in mikrofluidischen Vorrichtungen aus diesem Material ermöglicht. Auch die Herstellung wird durch PDMS erleichtert, da die Chips einfach aus einer Form mit dem Negativrelief eines gewünschten Musters gefertigt werden. Das vorstrukturierte Muster lässt sich mithilfe standardmäßiger Photolithographieverfahren realisieren, wobei für die Montage von PDMS-Chips nur eine minimale Reinrauminfrastruktur erforderlich ist. PDMS eignet sich hervorragend für Prototyping-Techniken, was es zu einem bevorzugten Material in der Mikrofluidik macht.
Neben all seinen Vorzügen wurden auch einige Nachteile bei der Verwendung von PDMS als Vorrichtung zur Absorption von Wirkstoffen [Regehr KJ et al. 2009 Lab Chip] oder anderen Molekülen nach einer Oxidation von PDMS berichtet [McDonald et al. 2000 Electroph.], was Forscher dazu veranlasst hat, Vorrichtungen aus anderen Materialien herzustellen. Weitere Nachteile von PDMS sind beispielsweise das Quellen in organischen Lösungsmitteln (was das Spektrum mikrofluidischer Anwendungen einschränkt), eine geringe mechanische Festigkeit (die zum Kollabieren von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis im Bauteil führt) sowie instabile Oberflächenmodifikationen [Paul et al. 2007 Electroph.].
Polymethylmethacrylat oder PMMA
PMMA ist ein transparentes Thermoplast, dessen Monomer Methylmethacrylat (MMA) ist. Dieses Polymer ist besser unter seinem ursprünglichen Handelsnamen Plexiglas bekannt. PMMA bietet zahlreiche Vorteile wie Transparenz, Beständigkeit und seine amorphe Beschaffenheit. Daher ermöglicht es eine hervorragende Lichttransmission von bis zu 92 % des sichtbaren Lichts, was mehr als bei Glas ist [Good Fellow Website].
PMMA ist relativ kratzempfindlich (stärker als herkömmliche mineralische Linsen) und neigt bei Zusatzstoffen zur Sprödigkeit. Zudem weist es eine vergleichsweise geringe Beständigkeit gegenüber vielen Chemikalien auf und löst sich in zahlreichen organischen Lösungsmitteln. Seine Umweltbeständigkeit ist jedoch besser als die der meisten anderen Kunststoffe.
Polycarbonat oder PC
PC ist ein thermoplastischer Polymer. Verglichen mit anderen in der Mikrofluidik verwendeten Materialien, wie beispielsweise COC (Cycloolefin-Copolymer), ist es weniger hydrophob und die Kanäle weisen folglich ein besseres Benetzungsverhalten auf. Idealerweise wird es für Hochtemperaturanwendungen wie die PCR eingesetzt.
Der tatsächliche Nachteil von Polycarbonat liegt in seiner im Vergleich zu beispielsweise PMMA relativ hohen Eigenfluoreszenz. Dieser Nachteil beeinträchtigt die Fluoreszenzmikroskopie erheblich und schränkt daher dessen Anwendung ein.
Cycloolefin-Copolymer oder COC
Cycloolefin-Copolymer (COC) ist ein amorpher Polymer. Verglichen mit Standardkunststoffen wie Polypropylen und Polyethylen stellt COC eine relativ neue Polymerklasse dar. Cycloolefin-Copolymer ist ein Material, das sich hervorragend für mikrofluidische Anwendungen eignet. Die Liste seiner Vorteile ist lang und umfasst eine gute Biokompatibilität, geringe Wasserabsorption, eine gute chemische Beständigkeit sowie eine hohe Transparenz im tiefen UV-Bereich.
Aufgrund seiner zahlreichen Vorzüge lässt sich COC selbstverständlich für die Herstellung von Chips in diversen Bereichen einsetzen, wie etwa für die Analyse von Parametern wie Blutgasen, Glucose- und Laktatkonzentrationen oder für die Bestimmung des Hämatokritwerts. Da die Kanalwände zudem UV-transparent sind, ermöglichen sie die Verwendung von UV-Initiatoren wie Benzophenon, das häufig beim Western Blotting eingesetzt wird.
SU-8-Harz
SU-8 ist ein negativer photoresistiver Lack, der häufig bei der Herstellung von Mikrosystemen verwendet wird. SU-8-Harz besteht aus Epoxidharz, Propylencarbonat, einem Triarylsulfonium-Initiator und einem organischen Lösungsmittel. Aufgrund seiner Zusammensetzung handelt es sich bei SU-8 um einen hochviskosen Polymer, der in Schichtdicken von 1 Mikrometer bis 2 Millimeter aufgetragen und im Allgemeinen mittels Photolithographie strukturiert wird. Es wird zunehmend für die Herstellung von Formen verwendet, da es eine exzellente chemische Beständigkeit gegenüber diversen 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 zu einem äußerst attraktiven Material für ein breites Anwendungsspektrum – wie natürlich mikrofluidische Anwendungen, aber auch für die Mikrooptik, Mikromaschinenbearbeitung, das Packaging 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 signifikante Vorteile gegenüber anderen Biomaterialien bieten. Im Gegensatz zu natürlichen Biomaterialien sind PEGs synthetisch, was eine absolute Kontrolle über mechanische Eigenschaften wie das Elastizitätsmodul und die Degradationsrate ermöglicht. Dies bedeutet zudem, dass PEG im Vergleich zu Materialien natürlichen Ursprungs eine geringere Chargenvariabilität aufweist. Die chemische Zusammensetzung dieser Hydrogele macht sie stark 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 des Netzwerks zu erleichtern (Acrylat, Methacrylat, Vinylether, Norbornen usw.) [Amy H et al. 2013 Chem J].
Zu den Materialeigenschaften von fundamentaler Bedeutung können die Bearbeitbarkeit, die Oberflächenladung, die molekulare Adsorption, die elektroosmotische Strömungsmobilität, die optischen Eigenschaften und viele weitere gehören. Die Wahl des Substrats ist daher sowohl für den Herstellungsprozess als auch für die erfolgreiche Anwendung des Chips von entscheidender Bedeutung. Um Sie bei Ihrer Auswahl zu unterstützen, bietet Darwin Microfluidics ein breites Sortiment an mikrofluidischen Geräten an, die verschiedene Designs und Materialien kombinieren und mit einer Vielzahl von Anwendungen kompatibel sind.
