Polymer fabrication and microfluidic unit operations for medical diagnostics on a rotating disk

Die vorliegende Arbeit ist motiviert durch den in der medizinischen Diagnostik <br>anhaltenden Trend hin zu dezentralen, patientennahen Untersuchungen (Point of <br>Care) und dem Potential der Mikrofluidik, diesen Trend zu unterstützen. Ziel der <br>Arbeit ist die Entwicklung einer zentrifugalen mikrofluidischen Plattform für diese Art der Diagnostik. <br> <br>Im Vergleich zum Stand der Technik werden sowohl neue Verfahren zur effizienten Herstellung von mikrofluidischen Strukturen in Kunststoffen als auch neuartige fluidische Prinzipien und Strukturen für die zentrifugale Mikrofluidik vorgestellt. Diese Strukturen sind zu einem mikrofluidischen Baukasten zusammengefasst, der alle wesentlichen Elemente zur Realisierung integrierter Prozessketten für automatisierte diagnostische Tests enthält. <br> <br>Eine wichtige Voraussetzung zur effizienten Entwicklung mikrofluidischer Strukturen ist eine Technologie zur präzisen und schnellen Herstellung von mikrostrukturierten Kunststoffchips. Das dazu etablierte Prototypingverfahren umfasst SU-8 Lithografie, Kunststoffabformung mittels "Soft Embossing", Oberflächenmodifikation und thermisches Deckeln der Kanalstrukturen. Ein herausragendes Merkmal des implementierten Replikationsverfahrens ist die schnelle Fertigung von mikrostrukturierten Formeinsätzen aus gießfähigen Elastomeren und Epoxidharzen. Die Fertigung eines neuen Designs benötigt somit nur vier Tage. Die Formeinsätze können sowohl zum Heißprägen als auch zum Spritzgießen verwendet werden und ermöglichen so einen nahtlosen Übergang vom Prototyping zur Kleinserienfertigung. Um die mikrofluidischen Abläufe in schnell drehenden Substraten beobachten zu können, wird ein eigens entwickelter experimenteller Aufbau mit stroboskopischer Aufnahmetechnik beschrieben. <br> <br>Zwei neue mikrofluidische Prinzipien zur Extraktion von Plasma aus Vollblut werden vorgestellt. Durch eine Überlaufstruktur wird 2 µl Plasma (CV 3%) aus 5 µl Vollblut bei typischen Drehfrequenzen von 40 Hz in einer Zeit von nur 20 s extrahiert. Die zweite Struktur trennt 2 µl Vollblut bei einer hohen Drehzahl von 100 Hz in 35 s auf und extrahiert anschließend 0.5 µl Plasma (CV 1 %) durch einen kapillaren Siphon. Die gemessene Restkonzentration der roten Blutzellen im Plasma beträgt bei beiden Prinzipien weniger als 0.11%. <br> <br>Zum ersten Mal wird die herausragende Rolle der Corioliskraft in der zentrifugalen Mikrofluidik untersucht und durch Experimente und CFD Simulationen charakterisiert. Oberhalb einer spezifischen Drehfrequenz dominiert die Corioliskraft sogar die Zentrifugalkraft sodass ein radialer Fluss in einem Mikrokanal (Breite 360 µm, Höhe 125 µm) in Abhängigkeit der Drehrichtung zwischen zwei symmetrischen Auslässen ab einer Drehfrequenz von 55.7 Hz geschaltet werden kann. Weiterhin führt die inhomogene Verteilung der geschwindigkeitsabhängigen Corioliskraft zu einer konvektiven Rührbewegung im Mikrokanal. Untersuchungen der Parameter Kanalgeometrie und Drehzahl ergaben eine Faltung und somit Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen zwei laminierten Flüssen im Kanal. Dies bewirkt eine Reduktion der Mischzeiten der Flüssigkeiten um zwei Größen-ordnungen. Die gute Mischqualität verbunden mit dem sehr hohen Durchsatz (bis zu 1 ml/s) in relativ einfachen Mikrokanälen ist besonders für den Bereich der chemischen Synthese interessant. <br> <br>Der zeitliche Ablauf der Prozessschritte auf der Plattform kann durch hydrophobe <br>Ventile gesteuert werden, die eine Probe für ein Kanalsegment freischalten sobald eine bestimmte Drehfrequenz überschritten wird. Der Arbeitsbereich der implementierten Ventile liegt zwischen 25 Hz und 45 Hz, wobei die Durchbruchsfrequenzen mit einer Genauigkeit von 1 Hz einstellbar sind. Durch die parallele Anordnung von Ventilen kann eine Probe in Volumen von typischerweise 250 nl (CV 6%) aliquotiert werden. Zusätzlich wird eine neue kapillare Siphonstruktur als ein weiteres einfaches und robustes Prinzip zur Flusssteuerung vorgestellt. <br> <br>Die kontrollierte Ankopplung von Molekülen in flüssiger Probe an eine Festkörperoberfläche ist eine entscheidende Voraussetzung für biochemische Nachweisverfahren. Die Inkubationszeit der Probe in einer Flusszelle, die mit funktionalisierten Beads gepackt ist, muss lang genug sein, sodass alle potentiellen Moleküle an die Beadoberfläche binden können. Hierzu werden Techniken vorgestellt, um zum einen die Beads reproduzierbar zu Säulen aufzustauen und zum anderen die Inkubationszeiten in diesen Säulen durch frequenzgesteuerte Flussraten zwischen 3.5 nl/s und 75 nl/s einzustellen. Die experimentell bestimmte maximale Flußrate, bei der alle Bindungspartner eines einstufigen Maus IgG Assays an die Beads koppeln, beträgt 13 nl/s. Darauf aufbauend kann Maus IgG bis zu einer Konzentration von 1ng/ml auf Beads durch Fluoreszenz nachgewiesen werden. <br> <br>Die verschiedenen mikrofluidischen Elemente werden exemplarisch zu einem <br>implementierten Alkohol-Test sowie zur integrierten Blutaufbereitung für <br>Immunoassays verkettet.

Author dc:creator

• Brenner, Thilo

Contributors dc:contributor

• Zengerle, Roland

• MST
• Mikrofluidik
• Zentrifugalkraft
• zentrifugale Mikrofluidik
• Mikrostrukturierung
• Corioliskraft
• Kunststoff
• Mikrotechnik
• Blutanalyse
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