Mikrofluidische Multiplex-Geräte werden zur Analyse von Protein-Biomarkern eingesetzt, biologischen Merkmalen, die es Forschern ermöglichen, normale biologische, pathogene oder pharmakologische Prozesse zu messen und zu bewerten. Mikrofluidik, die Manipulation kleiner Flüssigkeitsvolumina und -ströme, findet breite Anwendung in Point-of-Care (POC)-Geräten für die klinische Diagnostik und unterstützt das Multiplexing, die quantitative Messung mehrerer Protein-Biomarker für komplexe Laborverfahren, die Krebs oder COVID-19 betreffen. In der Fallstudie erfahren wir, wie zwei Studenten der UC Berkeley Formen für COVID-19-Tests im 3D-Druck 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 mikrofluidischen Multiplex-Geräten kann ein einziger Chip für viele verschiedene Arten von Tests verwendet werden. Zum Beispiel können einige mikrofluidische Kanäle Antikörper transportieren, während andere für den Nachweis viraler RNA vorgesehen sind. Mit der Lab-on-a-Chip (LOC)-Technologie können Automatisierung und Hochdurchsatz-Screening die schnelle, groß angelegte Testung unterstützen, die für die diagnostische Reaktion auf das Virus erforderlich ist. Dennoch gibt es Design- und Fertigungshindernisse, die mit herkömmlichen 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 von der Ultrahochauflösung und den engen Toleranzen beeindruckt, die die Technologie von BMF erreichen kann, da die Genauigkeit und Präzision dieser 3D-gedruckten Formen besonders wichtig ist. Die mikrofluidischen Multiplex-Geräte verwenden derzeit 100 µm Kanäle, und sie wollten noch kleinere Kanäle mit höherer Dichte herstellen. Nach der Durchführung von Testteilen mit BMF auf deren microArch S140 3D-Drucker mit 10 Mikrometer Auflösung stellten sie fest, dass es möglich war, Strukturen und Kanäle bis zu 50 µm zu produzieren und dabei die Schichten präzise auszurichten. Sie können nun acht Kanäle anstelle von fünf auf derselben Grundfläche unterbringen und die Gerätekomplexität ohne erhöhten Arbeitsaufwand skalieren. Christos und Asmaysinh sind überzeugt, dass es mit der Mikropräzisions-3D-Drucktechnologie von BMF möglich sein wird, 20 Kanäle auf einem einzigen Chip unterzubringen.
Neben der Designfreiheit gibt es auch eine Zeitersparnis. Bei der Photolithographie müssten die Forscher eine Woche oder länger auf Schattenmasken warten, Metallplatten mit winzigen Löchern, die durch fotochemische Bearbeitung hergestellt werden. Obwohl es beim Mikro-3D-Druck eine Nachbearbeitung gibt, ist der Nachhärtungs- und Reinigungsschritt lohnenswert, da er Formen erzeugt, die das PDMS-Material sauberer freigeben. Insgesamt ist die Zeitersparnis so erheblich, dass es nur wenige Tage statt mehrerer 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, kontaktieren Sie BMF.
