Mikrofluidische Multiplex-Geräte werden für die Analyse von Protein-Biomarkern eingesetzt, biologischen Merkmalen, mit denen Forscher normale biologische, pathogene oder pharmakologische Prozesse messen und bewerten können. MikrofluidikDie Mikrofluidik, die Manipulation von kleinen Flüssigkeitsvolumina und Strömungen, wird häufig in Point-of-Care (POC)-Geräten für die klinische Diagnostik eingesetzt und unterstützt das Multiplexing, die quantitative Messung mehrerer Protein-Biomarker für komplexe Laborverfahren bei Krebs oder COVID-19. In der Fallstudie erfahren wir, wie zwei Studenten der UC Berkeley 3D-Druckformen für COVID-19-Tests herstellen.
Multiplex-Abtastung für COVID-19
Kürzlich traf sich Boston Micro Fabrication (BMF) mit Christos Adamopoulos, Doktorand, und Asmaysinh Gharia, Forscher an der UC Berkeley, die nach einer alternativen Methode zur Herstellung von Formen für mikrofluidische Multiplex-Geräte suchten, die im Kampf gegen COVID-19 eingesetzt werden können. Diese POC-Geräte sind mit einem Sensor ausgestattet und können dazu verwendet werden, einen herkömmlichen Antikörpertest bei infizierten Patienten durchzuführen. Um die Ausbreitung des Virus einzuschränken, ist es jedoch dringend erforderlich, die Infektion in einem sehr frühen Stadium durch eine virale RNA-Analyse zu erkennen.
Mit mikrofluidische Multiplex-Gerätekann ein einziger Chip für viele verschiedene Arten von Tests verwendet werden. Zum Beispiel können einige mikrofluidische Kanäle Antikörper tragen, während andere für den Nachweis viraler RNA vorgesehen sind. Mit der Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologie können Automatisierung und Hochdurchsatz-Screening dann die schnellen, groß angelegten Tests unterstützen, die für die diagnostische Reaktion auf das Virus erforderlich sind. Dennoch gibt es Design- und Fertigungshürden, die mit den traditionellen Herstellungsmethoden für mikrofluidische Geräte zu überwinden sind.
Kleinere Kanäle + weniger Iterationsschritte
In der Vergangenheit nutzte die UC Berkeley die Photolithographie, um ihre Formen zu erstellen. Dieser Ansatz hat jedoch einige Nachteile, darunter komplexe Ausrichtungsschritte und Mehrfachbelichtungen. Außerdem erfordert diese traditionelle Herstellungstechnik viel mehr iterative Schritte und kann nur Merkmale mit der gleichen Höhe und auf der gleichen Ebene erzeugen.
Christos und Asmaysinh waren zunächst beeindruckt von der ultrahohen Auflösung und den engen Toleranzen, die BMFs Technologie erreichen kann, da die Genauigkeit und Präzision dieser 3D-gedruckten Formen besonders wichtig ist. Die mikrofluidischen Multiplex-Geräte verwenden derzeit 100µm-Kanäle und sie wollten noch kleinere Kanäle mit einer höheren Dichte herstellen. Nachdem sie einige Testteile mit BMF auf ihrem 3D-Drucker microArch S140 mit einer Auflösung von 10 µm gedruckt hatten, entdeckten sie, dass es möglich war, Merkmale und Kanäle bis hinunter zu 50 µm zu produzieren und die Schichten trotzdem genau auszurichten. Sie können nun acht statt fünf Kanäle auf der gleichen Grundfläche unterbringen und die Komplexität des Geräts erhöhen, ohne den Arbeitsaufwand zu erhöhen. Christos und Asmaysinh glauben, dass es möglich sein wird, mit der Mikropräzisions-3D-Drucktechnologie von BMF 20 Kanäle auf einem einzigen Chip unterzubringen.
Neben der Designfreiheit ergibt sich auch eine Zeitersparnis. Bei der Fotolithografie müssten die Forscher eine Woche oder länger auf Schattenmasken warten, Metallplatten mit winzigen Löchern, die durch fotochemische Bearbeitung hergestellt werden. Beim Mikro-3D-Druck gibt es zwar eine gewisse Nachbearbeitung, aber der Schritt des Aushärtens und Reinigens lohnt sich, weil dadurch Formen entstehen, die das PDMS-Material sauberer abgeben. Insgesamt ist die Zeitersparnis so groß, dass es nur ein paar Tage statt mehrere Wochen dauert, um die benötigten Formen zu erhalten.
"Da unser Design Silizium-Photonik auf einem Chip und funktionierende Schaltungen umfasst, ist die Integration zwischen Photonik, Mikrofluidik und Schaltungen entscheidend. Die Möglichkeit, unsere Mikrofluidik individuell anzupassen und gleichzeitig Photonik und Elektronik von der Stange zu verwenden, spart uns Zehntausende von Dollar pro Chip. Der 3D-Mikrodruck reduziert die Verpackungskosten und ermöglicht schnellere und kostengünstigere Design-Iterationen." Christos Adamopoulos, Doktorand, UC Berkeley.
Anstatt die Herstellung der Gussformen auszulagern, drucken Christos und Asmaysinh jetzt die Gussformen im eigenen Haus und sparen so Zeit und Geld. Sie haben die Gerätekomplexität von vier Messstellen auf 20 erhöht und können den Datendurchsatz und die Qualität für viele Tests auf einem Chip steigern. Mit Hilfe der PµSL-Technologie von BMF konnten sie eine Sandwichform 3D-drucken, die mehrere Vorteile bietet. Dieses zweiteilige Werkzeug für den Mikrospritzguss stellt sicher, dass sich kleine Merkmale ausrichten und reduziert die Anzahl der Schritte und die Komplexität.
Um mehr über die PµSL-Technologie und den Mikro-3D-Druck für die Mikrofluidik zu erfahren, BMF kontaktieren.
