Mikrofluidik

Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum. Dieses kann sich wesentlich von dem Verhalten makroskopischer Fluide unterscheiden, weil in dieser Größenordnung Effekte dominieren können, welche in der klassischen Strömungslehre oft vernachlässigt werden.

Technik

Datei:Microfluidics.jpg

Mikrofluidik-Geräte aus Silikonkautschuk und Glas.
Oben: Bild der Teile
Unten: Foto und Mikroskopische Aufnahme eines Kanals von 15 µm Breite

Kleinste Mengen von Fluiden werden bewegt, gemischt, getrennt oder anderweitig prozessiert.

Besonderheiten

• Reibungskräfte dominieren die Trägheitskräfte. Das entspricht einer Strömung bei kleinen Reynoldszahlen, es entsteht eine laminare Strömung ohne nennenswerte Turbulenzen. Dies erschwert das Mischen von Flüssigkeiten, welches ohne Turbulenz nur noch durch Diffusion möglich ist.
• Die mögliche Dominanz von Kapillarkräften gegenüber der Gewichtskraft. Dies drückt sich in einer kleinen Bond-Zahl aus und führt dazu, dass beim Transport sehr kleiner Flüssigkeitsmengen entgegen der Alltagserfahrung die Schwerkraft vernachlässigt werden kann.

Passive Bewegung

Passive Bewegung kann beispielsweise über kapillare Fluidstrukturen erzeugt werden. Zusätzlich können auch externe Antriebsmechanismen wie z. B. rotierende Systeme zum Einsatz kommen, durch welche die Nutzung der Zentrifugalkraft als Antrieb des Flüssigkeitstransports möglich wird. Damit kann in rein passiven Fluidiksystemen eine gezielte Führung des Medientransports erreicht werden.

Aktive Bewegung

Von einer „aktiven Mikrofluidik“ wird gesprochen, wenn die Manipulation der Arbeitsflüssigkeiten durch aktive (Mikro-)Komponenten wie durch Mikropumpen oder Mikroventile<ref name= "ref1" /> gezielt gesteuert werden. Mikropumpen fördern oder dosieren Flüssigkeiten, Mikroventile bestimmen die Richtung bzw. den Bewegungsmodus von gepumpten Medien.<ref name= "ref2" /> Mikromischer ermöglichen ein gezieltes Vermengen von Fluidvolumina.

Konstruktion

Entsprechend der Anwendung/Anforderung kommen unterschiedliche Technologien und Materialgruppen zum Einsatz, wie beispielsweise Glas (auch fotostrukturierbares Glas wie zum Beispiel Foturan), Kunststoff oder Silikonkautschuk. Durch die fortgeschrittene Technik ist es inzwischen möglich, mikrofluidische Produkte sehr preiswert automatisiert herzustellen<ref name="ref9" /> und deren Qualität zu sichern.<ref name="ref10" />

Prototyping

Für die Herstellung von Prototypen wird häufig Polydimethylsiloxan (PDMS) mit Glas verbunden (siehe Rapid Prototyping), oder es werden zwei individuelle PDMS Halbteile miteinander verbunden, nachdem die Oberflächen mit reaktivem Sauerstoffplasma aktiviert, bzw. radikalisiert wurden. Eine neue Methode erlaubt auch, PDMS-PDMS Hybride zu machen, welche klare Seitenflächen haben<ref name= "ref3" /> und damit multi-angle imaging ermöglichen. Die schnelle Herstellung von Prototypen für die Mikrofluidik mit einem speziellen Epoxy-Harz (SU-8) ist inzwischen auch mit einem 3D-Drucker möglich. Die Präzision des Verfahrens wird mit einem Musterstück, einem 24-Düsen-Druckkopf mit 100 µm-Düsen unter Beweis gestellt.<ref name="ref13" /> Generell geht man seit 2016 davon aus, dass die aufwändige, weil mit viel Handarbeit verbundene Konstruktion von Mikrofluidik-Elementen aus PDMS vollständig durch Produkte aus dem 3D-Drucker ersetzt werden wird.<ref name= "ref14" /> Ein großer Vorteil von PDMS, wenn Mikrofluidik für die Kultivierung von Zellen genutzt wird, ist die Durchlässigkeit für Gase.<ref>A. Lamberti, S. L. Marasso, M. Cocuzza: PDMS membranes with tunable gas permeability for microfluidic applications. In: RSC Adv. Band 4, Nr. 106, 2014, ISSN 2046-2069, S. 61415–61419, doi:10.1039/C4RA12934B (rsc.org [abgerufen am 17. März 2025]). </ref> Sie ist verglichen mit üblichen Materialien wie Polystyrol oder Glas um ein vielfaches höher.<ref>Skarphedinn Halldorsson, Edinson Lucumi, Rafael Gómez-Sjöberg, Ronan M.T. Fleming: Advantages and challenges of microfluidic cell culture in polydimethylsiloxane devices. In: Biosensors and Bioelectronics. Band 63, Januar 2015, S. 218–231, doi:10.1016/j.bios.2014.07.029 (elsevier.com [abgerufen am 17. März 2025]). </ref> Hierdurch könnte eine ausreichende Versorgung der Zellen mit Sauerstoff gewährleistet werden, die in undurchlässigen Kanälen problematischer ist.

Die technische Dokumentation wesentlicher Bauteile ist inzwischen als Open Science Hardware verfügbar, nutz- und modifizierbar.<ref>Victoria Guglielmotti, Nicolás Andrés Saffioti, Ana Laura Tohmé, Martín Gambarotta, Gastón Corthey: A portable and affordable aligner for the assembly of microfluidic devices. In: HardwareX. August 2022, S. e00348, doi:10.1016/j.ohx.2022.e00348 (elsevier.com [abgerufen am 30. August 2022]). </ref>

Anwendungsgebiete

Anwendungen finden sich in vielen Gebieten der Biologie, Medizin und Technik, häufig unter dem Label Chip-Labor. Die heute bekannteste Anwendung der Mikrofluidik ist der Druckkopf für Tintendrucker.<ref name="ref11" />

Zellkulturen

In mikrofluidischen Bauteilen werden einzelne Zellen, aber auch komplette Gewebe oder Organteile kultiviert und analysiert.

Medikamentenforschung

Bei der Erforschung neuer Medikamente wird Mikrofluidik erfolgreich eingesetzt.<ref name= "ref4" /><ref name = "ref15" />

Schnelltests

Technische Anwendungen gibt es in der Biotechnologie, Medizintechnik (speziell für point-of-care Diagnostik).<ref name= "ref5" />

Weitere Anwendungen

Weitere technische Anwendungen finden sich in Prozesstechnik, Sensortechnik, Pharma- und Lebensmittelindustrie sowie in der Lebensmittelanalytik.<ref name= "ref12" />

Form der Anwendung

Oft können Verfahren, die sonst in einem Labor durchgeführt werden, zur Steigerung der Effizienz und der Mobilität oder zur Verringerung der benötigten Substanzen auf einem einzelnen Chip, dem sogenannten Chiplabor, durchgeführt werden.

Tropfenbasierte Mikrofluidik

Werden zwei nichtmischbare Flüssigkeiten gezielt durch einen Mikrokanal geschickt, so bilden sich Phasengrenzen aus und eine Flüssigkeit bildet Tropfen innerhalb der anderen. Dies bezeichnet man als tropfenbasierte Mikrofluidik oder digitale Mikrofluidik. Die tropfenbasierte Mikrofluidik stellt eine (teil-)serielle Alternative zu Mikrotiterplatten dar. Üblicherweise werden ganze Sequenzen von Tropfen erzeugt. Diese Tropfen stellen Versuchsgefäße dar, in denen chemische Reaktionen und biologische Prozesse untersucht werden.<ref name= "ref6" /> Auch für die logische Informationsverarbeitung können sie verwendet werden.<ref name= "ref7" />

Mikrofluidsegmenttechnik

Die Mikrofluidsegmenttechnik ist ein Spezialfall der tropfenbasierten Mikrofluidik. Sie wird u. a. für Partikelsynthesen, für kombinatorische Syntheseexperimente, in Durchfluss-Thermocyclern für die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), in der Mikrodurchfluss-Kalorimetrie, für die Suche nach unbekannten Mikroorganismen und in der Mikrotoxikologie eingesetzt.<ref name= "ref8" />

Siehe auch

• Druckgetriebene Strömungskontrolle

Weblinks

• Lara Winckler: Die Entdeckung der Schnelligkeit. Labjournal special, März 2012, abgerufen am 12. Januar 2020. 

Einzelnachweise

<references> <ref name= "ref1">Matilda Jordanova-Duda: Ein starkes Gedächtnis: Formgedächnislegierung (FGL) als mini-Aktor. VDI-Nachrichten, 2. Mai 2019, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 3. Mai 2019; abgerufen am 12. Januar 2020. </ref> <ref name= "ref2">Gerhard Vogel: Mini-Ventile: Spezielle Lösung für kleinste Medizinprodukte. Medizin & Technik, 12. Februar 2018, abgerufen am 11. Juni 2019. </ref> <ref name= "ref3"></ref> <ref name= "ref4"></ref> <ref name= "ref5"></ref> <ref name= "ref6"></ref> <ref name= "ref7"></ref> <ref name= "ref8"></ref> <ref name="ref9"></ref> <ref name="ref10"></ref> <ref name="ref11"></ref> <ref name= "ref12">Gerald Muschiolik (Hrsg.): Multiple Emulsionen-Herstellung und Eigenschaften. 2. Auflage. Behr’s Verlag, Hamburg 2022, ISBN 978-3-95468-865-4. </ref> <ref name="ref13"></ref> <ref name= "ref14">Anthony K. Au, Wilson Huynh, Lisa F. Horowitz, Albert Folch: 3D-Printed Microfluidics. (PDF; 15.148kByte) Februar 2016, abgerufen am 10. Februar 2020 (). </ref> <ref name = "ref15"></ref> </references>