Ziel der Entwicklung

Lab-on-Chip (LoC) Systeme bieten eine Vielzahl an Nutzen. Neben den inhärenten Vorteilen der Miniaturisierung, wie geringerem Ressourcenverbrauch, Portabilität und erhöhter Sicherheit für den Anwender, liegen diese insbesondere in der hohen Reaktions- und Analysengeschwindigkeit und dem damit verbundenen Potenzial zum Hochdurchsatzscreening. Aufgrund der Komplexität von LoC-Systemen und des aufwendigen Herstellungsprozesses finden diese bisher nur begrenzt Anwendung im industriellen Bereich. Darum lag die Motivation für das Projekt in der Nutzbarmachung des Fused Filament Fabrication (FFF)-Methode für die Fertigung von LoC. Dadurch sollte, neben dem Herstellungsprozess von LoC-Systemen, auch die Flexibilität sowie Anwendbarkeit verbessert werden.

Vorteile und Lösungen

Das Projekt hatte zum Ziel, Lab-on-Chip-Module zur Mischung (Synthese und chemische Reaktionen), Trennung von Gemischen (Chromatographie) und Detektion sowie eine Halterung für die einzelnen Module mit Hilfe der additiven Fertigung herzustellen. Die Anfertigung einzelner Untereinheiten ermöglicht es, diese in beliebiger Anordnung miteinander zu kombinieren. Zudem ist die einfache Anbindung an bestehende Labor-Analysengeräte wie Flüssigkeitschromatografie-Systeme oder massenspektrometrische Detektoren gegeben.
Für die Herstellung der Chip-Module wurde eine Desktop-Fertigungsanlage, in Form eines 3D-Druckers für die Verarbeitung von Hochleistungskunststoffen, aufgebaut. Für die Fertigung der Chip-Module war es notwendig, mehrere Kunststoffe in einem Bauprozess zu verarbeiten. Dazu wurden zwei Werkzeugköpfe implementiert. Die Anlage verfügte über eine ausreichende Auflösung, um mikrofluidische Kanäle bis 100 µm darzustellen.
Für die Fertigung der Chip-Module wurden im ersten Schritt 3D-Modelle mit einer 3D-Modellierungssoftware erstellt und für den 3D-Druck optimiert. Diese Modelle werden mithilfe einer Slicing-Software umgewandelt. Hierbei werden auch Parameter wie Schichtdicke und Druckgeschwindigkeit definiert. Im Anschluss wird die Datei an die Fertigungsanlage geschickt. Die Druckdüse bewegt sich dabei über die Druckplattform, und das geschmolzene Filament wird präzise aufgetragen, um das Chipmodul schichtweise aufzubauen.
Der größte Wettbewerbsvorteil gegenüber der klassischen LoC-Fertigung ist, dass die Fertigungsrohstoffe günstig sowie die Investitionskosten für die benötigte Infrastruktur und Instrumentation relativ gering sind. Vor diesem Hintergrund lassen sich bereits Kleinserien wirtschaftlich produzieren. Dies führt dazu, dass die Investitionskosten in die Technologie und damit das Risiko für KMU gering sind. Eine schnelle und kostengünstige Adaption und Optimierung mikrofluidischer Layouts ist somit gegeben.

Zielgruppe und Zielmarkt

Zielgruppe für die Verwertung der Vorhabensergebnisse sind für das LoC-System vorwiegend Unternehmen aus allen Bereichen der instrumentellen Analytik sowie der Point-of-Care-Diagnostik. Die entwickelten Methoden zur Filament-Charakterisierung können Anwendern in der additiven Fertigung sowie Anbietern von Filamenten angeboten werden. Die im Rahmen des Projektes entwickelte Technologie ist dabei nicht nur auf die Herstellung von LoC-Systemen beschränkt, sondern kann auch für Anbieter von Lohnfertigung oder Forschungseinrichtungen von Interesse sein.