Das Medizin-Labor in der Nussschale

Viele Wissenschaftler arbeiten daran, neue Verfahren zu entwickeln, mit denen Krankheiten wie Krebs früher diagnostiziert werden können. Dabei werden Ideen oft an Universitäten und Forschungsinstituten entwickelt und umgesetzt, die meist jedoch keinen direkten Marktzugang haben. Grundsätzlich gilt, dass ohne Beteiligung von Unternehmen an der Entwicklung die Voraussetzungen für ein anwendungsgeeignetes System nur sporadisch gegeben sind und die verwendeten, meist modernen Methoden bei den Anwendern nicht notwendigerweise etabliert sind.

Alle Laborabläufe automatisiert in einem System

Um diese Lücke zu schließen, ist es von Vorteil, automatisierte Systeme zu haben, die auch von Nicht-Spezialisten verwendet werden können. Eine Strategie dazu bilden die sogenannten mikroanalytischen Gesamtsysteme (Micro Total Analysis Systems, µTAS), die gesamte Laborabläufe automatisiert in einem System ablaufen lassen können.

Am Institut für Mikrotechnik in Mainz (IMM) werden solche Lab-on-a-Chip-Systeme (LoC) entwickelt. Im ersten Schritt wird ein beliebiges biochemisches Verfahren auf seine Kompatibilität zu LoC-Technologien analysiert. Dabei sind nicht nur die Volumina für die mikrotechnische Anwendung zu reduzieren, sondern auch Assay-Schritte zusammenzufassen, zu vereinfachen, die Stabilität der Reagenzien hinsichtlich Trocken- oder Nasslagerung zu überprüfen und teilweise sogar neue Lösungen zu finden. So sind zum Beispiel Zentrifugationsschritte durch andere Techniken zu ersetzen, die möglichst das gleiche Ergebnis liefern.

Sollen Partikel, Zellen oder Aggregate abgetrennt werden, so kann dies eventuell durch einen Filtrationsschritt realisiert werden. Zentrifugationsschritte bei der DNA-Aufreinigung können durch die Verwendung von magnetischen oder Silica-Partikeln ersetzt werden. Bereits in der Konzeptphase ist es dabei wichtig, fertigungstechnische Aspekte in die Entwicklungen mit einfließen zu lassen, so dass sich alle Komponenten später einfach herstellen lassen und letztlich ein marktfähiger Preis erreicht wird.

Alle Teilschritte werden getestet und verifiziert

Nach der ersten Konzeptionsphase ist es essenziell, dass alle Teilschritte getestet und verifiziert werden. Hier werden zum einen die neuen angepassten biochemischen Prozesse mit Hilfe von Standard-Laborgeräten makroskopisch etabliert und verifiziert, damit für die Arbeit mit den LoC eine verlässliche Referenz gegeben und sichergestellt ist, dass das Konzept von biochemischer Seite nicht neu gefasst werden muss. Zusätzlich werden auch verschiedene Materialien getestet, um von Anfang an das passende Prozess-kompatible Material für die endgültige Produktion und das Prototyping einzusetzen. Parallel dazu werden die einzelnen mikrofluidischen Elemente realisiert und getestet.

Konzipierte Elemente im CAD-System umsetzen

Im One-Week-to-Chip-Prozess werden die konzipierten Elemente im CAD-System umgesetzt, um sie dann über CAM-Techniken im Prototyping zu realisieren. Je nach Baugröße der einzelnen Elemente werden unterschiedliche Techniken eingesetzt und teilweise auch kombiniert. Bei Strukturgrößen bis zu 150 µm bieten sich konventionelle Frästechniken an. Durch die Verwendung kompakter CNC-Maschinen ist es möglich, in wenigen Stunden einen Satz von Chips herzustellen, die für die ersten Testreihen eingesetzt werden können. Werden die Strukturen kleiner, so bieten sich Laserbearbeitungsverfahren an.

Am IMM werden Strukturen bis zu einer Strukturbreite von 3 bis 5 µm durch diese Abtragungstechniken hergestellt. Ein Nachteil dieser Direktbearbeitungsverfahren ist häufig die hohe Oberflächenrauigkeit. Diese kann durch passende Prozessparameter und spezielle Werkzeuge wie Diamantfräser reduziert werden. Des Weiteren stehen auch Glättungsverfahren zur Verfügung, die Rauigkeiten unter 0,1 µm erreichen. Werden sehr niedrige Oberflächenrauigkeiten, beispielsweise 10 nm, benötigt oder wirken sich mögliche chemische Modifikationen durch die Laser- oder Oberflächenglättungsverfahren nachteilig aus, kann das Heißprägen eingesetzt werden.

Fräsen und Erodieren erzeugt sehr kleine Strukturen

Im Gegensatz zu den beiden Direktbearbeitungsverfahren muss für das Heißprägen zuerst ein Prägestempel hergestellt werden. Dieser kann zum einen durch Fräsen und Funkenerosion und gegebenenfalls einen nachgelagerten Polierschritt erzeugt werden. Durch das Wechselspiel der Fräs- und Erodiertechniken lassen sich sehr kleine Strukturen bis in den zweistelligen Mikrometerbereich herstellen. Zum anderen kommen auch Dünnschichttechniken zum Einsatz, vor allem dann, wenn Strukturen bis in den Nanometerbereich oder sehr geringe Oberflächenrauigkeiten gefragt sind. Ein Prozess, der am IMM zu hervorragenden Ergebnissen führte, war die Kombination von Siliziumätztechniken, wie dem Boschprozess, und Galvanik mit einer funkenerosiven Nachbereitung.

Die Oberflächen der strukturierten Polymerchips können schließlich aus der Gasphase durch Plasmabehandlungen, Aufdampfung oder Sputtern beschichtet werden, oder auch nass-chemisch, wobei man durch den Einsatz von Photochemie und ortsaufgelöster Belichtung auch eine kovalent gebundene strukturierte Beschichtung erreicht. Diese Oberflächenmodifikationen sind für analytische Chips oft essenziell, weil erst dadurch ein erfolgreicher Reaktionsablauf oder die Lagerfähigkeit der einzusetzenden Reagenzien sichergestellt werden kann.

Als nächstes ist der Chip entweder durch einen zweiten Chip oder durch Folien zu verschließen. Filter, Ventile, Elektroden für die Elektrochemie oder andere Komponenten werden an- beziehungsweise eingebracht. Eingesetzte Verbindungstechniken reichen von klassischen Klebetechniken und Klebefolien bis hin zum Ultraschall- und Laserschweißen. Insbesondere das Laserschweißen birgt eine hohe Attraktivität, weil es sehr schnell ist, keine zusätzliche Chemie benötigt und sehr gezielt eingesetzt werden kann. Am Ende eines solchen Prototypingprozesses stehen Chips, die in Laboraufbauten getestet werden können.

Nachdem die einzelnen Schritte und ihr Zusammenspiel auf einer Plattform etabliert wurden, kann das Verfahren in einen vollautomatischen Geräteprototyp überführt werden. Von Vorteil ist, wenn zu diesem Zeitpunkt auch eine spritzgegossene Version des Chips vorliegt, weil die Designs in ihrer Funktionalität direkt übertragen und die Zusammenbautechniken aus dem Prototyping weiter verwendet werden können. Zudem findet dann auch kein Materialwechsel mehr statt.

Chip ist dünnschichttechnisch hergestellt

Ein typisches Beispiel für solch eine Entwicklung einer medizintechnischen Anwendung am IMM ist ein System zur gentechnischen Analyse von zirkulierenden Tumorzellen aus Vollblut. Weil in diesem Fall nur ein bis zehn Zielzellen pro Milliliter Blut vorhanden sind, werden im ersten Schritt diese seltenen Krebszellen mit Hilfe von magnetischen Partikeln aus 7,5 Millilitern Blut isoliert und nach einigen Waschschritten zu einem magnetischen Sorter (IMEC) transportiert.

Dieser Sorter ist ein dünnschichttechnisch hergestellter Chip, der in die aus einem Thermoplasten bestehenden Chips eingebunden wird. Die isolierten Zellen werden gesammelt und die DNA freigesetzt. Danach werden DNA-Sequenzen zugegeben, welche spezifische Tumormarkersequenzen erkennen.

Da die Konzentrationen zu diesem Zeitpunkt noch gering sind, werden die markierten Sequenzen mit Hilfe der Polymerase-Ketten-Reaktion vervielfältigt, um im letzten Schritt mit einem elektrochemischen Sensorarray detektiert zu werden. Die genannten Beispiele machen deutlich, dass bei der Entwicklung mikrofluidischer Systeme, zum Beispiel für die medizintechnische Anwendung sehr unterschiedliches Wissen zusammenfließen muss.

Miniaturisierung setzt interdiszplinäres Entwicklerteam voraus

Um solche Entwicklungen durchzuführen, ist ein multidisziplinäres Team notwendig, das das biochemische Verfahren aufgreift und geeignete mikrofluidische Strukturen entwickelt. So können vorhandene Labormethoden oft nicht einfach 1:1 umgesetzt werden, da manche Prozesse nicht in mikrofluidische Strukturen transferiert werden können und wegen der Miniaturisierung sehr viel stärker auf die Oberflächenchemie geachtet werden muss.

Fertigungsfragen direkt von Anfang an zu beantworten und beispielsweise auch die vorläufigen Tests mit den endgültigen Materialien durchzuführen, erspart einem am Ende der Entwicklung die nochmalige Anpassung von Design und Assay. Durch den Einsatz schneller Prototyping-Technologien ist es möglich, Ideen zügig auszutesten und Fehler frühzeitig aufzudecken, was für die weitere Entwicklung eines so jungen und dynamischen Feldes wie der Mikrofluidik notwendig ist. Die Möglichkeit, auf die unterschiedlichen Fertigungstechniken zur Realisierung dieser Strukturen zuzugreifen sowie die Charakterisierung in eigenen Laboren durchzuführen, ist ebenso wichtig wie die theoretische Unterstützung durch eine Simulationsgruppe.

Dr. Klaus Stefan Drese ist wissenschaftlicher Direktor am Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH; Dr. Marion Ritzi-Lehnert ist Abteilungsleiterin Fluidik und Simulation am selben Institut.