Forschende 3D-drucken selbstheizende mikrofluidische Geräte

MIT-Forschende haben mit Hilfe des 3D-Drucks selbsterhitzende mikrofluidische Geräte hergestellt und damit eine Technik demonstriert, die eines Tages zur raschen Herstellung kostengünstiger und dennoch präziser Instrumente zur Erkennung einer Vielzahl von Krankheiten eingesetzt werden könnte.

Mikrofluidik bezeichnet miniaturisierte Maschinen, die Flüssigkeiten manipulieren und chemische Reaktionen ermöglichen. Diese Technologie wird bereits in Heimtest-Kits für COVID-19 genutzt. Viele mikrofluidische Anwendungen erfordern jedoch chemische Reaktionen, die bei spezifischen Temperaturen durchgeführt werden müssen. Traditionell werden solche Geräte in Reinräumen hergestellt und mit Heizelementen aus Gold oder Platin ausgestattet, was ein kompliziertes und kostspieliges Verfahren darstellt.

Das Team des MIT hat nun eine kosteneffiziente Methode entwickelt, bei der mittels Multimaterial-3D-Druck selbstheizende mikrofluidische Geräte mit integrierten Heizelementen in einem einzigen Fertigungsschritt hergestellt werden. Diese Geräte können Flüssigkeit auf eine bestimmte Temperatur erhitzen, während sie durch mikroskopisch kleine Kanäle im Gerät fließt.

Die Technik ist anpassbar, sodass  mikrofluidische Geräte erstellt werden können, die Flüssigkeiten auf eine bestimmte Temperatur oder nach einem bestimmten Heizprofil innerhalb eines spezifischen Bereichs des Geräts erhitzen. Der kostengünstige Herstellungsprozess erfordert Materialien im Wert von etwa 2 US-Dollar für ein einsatzbereites mikrofluidisches Gerät.

Diese Methode könnte besonders nützlich sein, um selbstheizende mikrofluidische Geräte für abgelegene Regionen in Entwicklungsländern zu erstellen, wo teure Laborgeräte für viele diagnostische Verfahren oft nicht verfügbar sind.

“Insbesondere Reinräume, in denen man diese Geräte normalerweise herstellt, sind unglaublich teuer in Bau und Betrieb. Aber wir können mit Hilfe der additiven Fertigung sehr leistungsfähige mikrofluidische Geräte mit Selbsterhitzung herstellen, und zwar viel schneller und billiger als mit diesen herkömmlichen Methoden. Dies ist wirklich ein Weg, diese Technologie zu demokratisieren”, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und Hauptautor eines Papiers, in dem das Herstellungsverfahren beschrieben wird.

Die neue Fertigungsmethode nutzt eine Technik namens Multimaterial-Extrusions-3D-Druck, bei der mehrere Materialien durch die vielen Düsen des Druckers geschichtet werden, um das Gerät in einem Schritt herzustellen. Um selbstheizende Mikrofluidik zu erstellen, verwendeten die Forscher zwei Materialien: ein biologisch abbaubares Polymer namens Polymilchsäure (PLA), das in 3D-Druckern häufig verwendet wird, und eine modifizierte Version von PLA, die Kupfernanopartikel enthält und das isolierende Material in einen elektrischen Leiter umwandelt.

“In der japanischen Kultur heißt es oft, dass die Schönheit in der Einfachheit liegt. Dieses Gefühl wird von der Arbeit von Cañada und Velasquez-Garcia widergespiegelt. Die von ihnen vorgeschlagenen monolithisch 3D-gedruckten mikrofluidischen Systeme verkörpern Einfachheit und Schönheit und bieten eine breite Palette potenzieller Ableitungen und Anwendungen, die wir für die Zukunft vorhersehen”, sagt Norihisa Miki, Professor für Maschinenbau an der Keio-Universität in Tokio, der an dieser Arbeit nicht beteiligt war.

“Die Möglichkeit, mikrofluidische Chips mit Flüssigkeitskanälen und elektrischen Funktionen gleichzeitig direkt zu drucken, eröffnet sehr spannende Anwendungen bei der Verarbeitung biologischer Proben, z. B. zur Verstärkung von Biomarkern oder zur Betätigung und Mischung von Flüssigkeiten. Da sich PLA mit der Zeit zersetzt, sind sogar implantierbare Anwendungen denkbar, bei denen sich die Chips mit der Zeit auflösen und resorbieren”, fügt Niclas Roxhed hinzu, ein außerordentlicher Professor an der Königlichen Technischen Hochschule Schwedens (KTH), der nicht an dieser Studie beteiligt war.

Die Forschungsergebnisse werden auf der PowerMEMS-Konferenz präsentiert und könnten weitreichende Anwendungen in der biomedizinischen Forschung und Diagnostik ermöglichen.