Mikrofluidik ist die Wissenschaft und Technologie zur Steuerung von sehr kleinen Mengen an Fluiden oder Gasen in winzigen Kanälen. Diese Fluide können Flüssigkeiten oder Gase sein, wobei die Kanäle oft weniger als einen Millimeter breit sind.

In einem solchen Maßstab verhalten sich Flüssigkeiten anders. Oberflächenspannung, Viskosität und Kanalgeometrie werden wichtiger als Schwerkraft oder Turbulenzen. Das verschafft Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen einen Vorteil: Kleine Volumina können mit einem hohen Grad an Steuerung bewegt, gemischt, geheizt, getrennt oder analysiert werden.

Aus diesem Grund wird Mikrofluidik in vielen kompakten Life-Science-Geräten eingesetzt. Sie ermöglicht einem Gerät, Proben und Reagenzien auf kontrollierte Weise zu verarbeiten, oft mit weniger Platz, weniger Flüssigkeit und kürzeren Prozessschritten als bei herkömmlichen Laboraufbauten.

Mikrofluidik funktioniert, indem Flüssigkeiten durch präzise geplante Mikrokanäle, Kammern und Steuerpunkte geführt werden. Statt eine große Probe durch Röhren zu bewegen, kann ein mikrofluidisches Gerät kleine Mengen von Proben und Reagenzien durch einen kompakten internen Pfad bewegen.

Ein einfacher Mikroflluidik-Prozess umfasst in der Regel:

• einen Eingang, an dem die Probe oder das Reagenz in das Gerät gelangt
• Mikrokanäle, die die Flüssigkeit durch das Gerät führen
• Bedienelemente, wie Druck, Kapillarwirkung, Pumpen oder Ventile
• Verarbeitungszonen, in denen Mischen, Erwärmen, Abscheidung oder Reaktionen stattfinden
• einen Erfassungs- oder Ausgabe-Bereich, in dem das Ergebnis gemessen, gelesen oder übertragen werden kann

Der genaue Aufbau hängt von der jeweiligen Aufgabe ab. Ein Diagnosegerät, ein Dosiersystem und ein Organ-on-a-Chip-Modell können alle Prinzipien der Mikrofluidik nutzen, benötigen dafür jedoch nicht die gleiche Architektur.

Stellen Sie sich einen Mikrofluidik-Chip wie eine kleine, strukturierte Route für Flüssigkeiten vor. Eine Probe tritt in den Chip ein, bewegt sich durch enge Kanäle, erreicht einen oder mehrere Funktionsbereiche und liefert schließlich ein messbares Ergebnis. In einem Lab-on-a-Chip-System kann dieser Weg mehrere manuelle Laborschritte ersetzen. Ein einzelnes Gerät kann dabei helfen, eine Probe vorzubereiten, Reagenzien zu mischen und Reaktionsbedingungen zu steuern.

Das Ergebnis ist ein kompakterer Prozess. Schritte, die früher mehr Platz, mehr manuelle Handhabung und mehr separate Komponenten benötigten, werden kürzer und einfacher zu steuern.

Auf der Mikroskala ist eine Flüssigkeitsströmung normalerweise präzise steuerbar und vorhersehbar. In vielen Mikrofluidik-Systemen ist die Strömung laminar, was bedeutet, dass sich Flüssigkeitsschichten nebeneinander bewegen und nur minimal durch Turbulenzen vermischen. Dies verändert die Art und Weise, wie Ingenieur:innen ein Gerät entwickeln: Mischen, Dosieren und Reaktionszeitpunkt hängen oft von der Kanalform, der Weglänge, der Drucksteuerung und den Oberflächeneigenschaften des Materials ab.

Drei Prinzipien sind dabei besonders wichtig:

• Oberflächeneffekte werden stärker, da die Flüssigkeiten mit einer größeren Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen in Kontakt sind.
• Die Strömung kann vorhersagbarer sein, was die Wiederholbarkeit der Dosierung und Analyse von Proben unterstützt.
• Kleine Volumina reagieren schnell, da die Wärme- und Stoffübertragungswege kurz sind.

Dies kann besonders wertvoll für biologische und chemische Prozesse sein. Es können geringere Proben- oder Reagenzienmengen erforderlich sein, und empfindliche Schritte können in einer kontrollierten Umgebung durchgeführt werden.

Die Mikrofluidik wird überall dort eingesetzt, wo kleine Flüssigkeitsvolumina gesteuert, analysiert oder verarbeitet werden müssen. Im Bereich der Lebenswissenschaften ist sie in Anwendungen, bei denen Platz, Probenvolumen und Wiederholgenauigkeit entscheidend sind, oft unverzichtbar.

Typische Anwendungsbereiche umfassen:

• Diagnostik und IVD, einschließlich Point-of-Care-Versuchen und kompakter Analysegeräte
• Lab-on-a-Chip-Systeme, bei denen Laborfunktionen in ein kleines Gerät integriert sind
• Mikrofluidik in der Biologie, wie Zellhandling, Zellsortierung oder Einzelzellanalyse
• Organ-on-a-Chip-Modelle, bei denen feine Mikrofluidik-Kanäle Zellen mit Nährstoffen versorgen
• Wirkstoffscreening, bei dem Versuche und Analysen mit kleinen Flüssigkeitsvolumina durchgeführt werden
• Automatisierte Zelltherapieprozesse, bei denen der präzise Transport von Flüssigkeit zu einem gut kontrollierten Prozess beiträgt
• Analyseinstrumente, bei denen Proben, Reagenzien und Gase durch festgelegte Wege transportiert werden müssen

Wenn Sie mit kompakten Life-Science-Geräten arbeiten, können Ihnen die folgenden Ressourcen weitere Einblicke in das Thema bieten. Unsere Forschungsteams untersuchen Mikrofluidik-Konzepte für Laborautomatisierung und Medizintechnik, sowie deren Anwendungsmöglichkeiten in Bereichen wie automatisierter CAR-T-Zelltherapie und Organ-on-a-Chip-Systemen.

Bei Mikrofluidik geht es um mehr als nur darum, Flüssigkeitswege zu verkleinern. Es geht darum, Ingenieur:innen und Wissenschaftler:innen eine effektive Architektur zu bieten, um winzige Flüssigkeitsvolumina präzise zu steuern, sodass kompakte Geräte Proben, Reagenzien und Reaktionen mit maximaler Effizienz verarbeiten können.

Die wichtigsten Aspekte dabei sind:

• Die Mikrofluidik steuert winzige Flüssigkeits- oder Gasvolumina in kleinen Kanälen und Kammern.
• Das Verhalten von Flüssigkeiten ändert sich auf mikroskopischer Ebene, daher sind Oberflächeneffekte, laminare Strömung und die Geometrie der Kanäle besonders wichtig.
• Mikrofluidik-Geräte können mehrere Laborschritte in einem kompakten Format kombinieren, wie beispielsweise Dosieren, Mischen, Steuern und Reaktionserkennung.
• Life-Science-Anwendungen profitieren oft von präziser Flüssigkeitssteuerung, insbesondere dann, wenn Probenvolumen, Wiederholgenauigkeit und Gerätegröße entscheidend sind

Sobald die Grundlagen geklärt sind, stellt sich die Frage, wie die Steuerung von Flüssigkeiten die Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit oder Skalierung eines Geräts verbessern kann.