Beispiel für das Erzeugen kleiner Tropfen in Flüssigkeiten.                                                                                         (Grafik: Institut)

Der Bereich der Mikrofluidik ist sehr weit gefächert. Wichtigstes Kennzeichen dieser Technologie ist die Miniaturisierung der einzelnen Elemente von Reaktionsprodukten zur Dosierung, zum Transport, zur Temperierung, zum Kühlen, Mischen, Reagieren und Analysieren. Durch die Verkleinerung (Skalierung) von Strukturen werden die Stofftransporte und Reaktionen in laminaren Strömungen durchgeführt. Durch die laminare Strömung können qualitativ hochwertige Prozesse einfach realisiert werden. Ein weiterer Vorteil solcher verkleinerter Strukturen ist der deutlich geringere Verbrauch von Substanzen, was insbesondere für die Forschung und Entwicklung in den Lebenswissenschaften enorme Kostenvorteile verspricht.

  Durch diese Skalierung erhält man komplett neue Wirkungsprinzipien, da die Oberflächenkräfte an Einfluss gewinnen. Mit der Nutzung von elektroosmotischen oder Kapillarkräften kann man unter Umständen auf Pumpen verzichten. Folglich besteht heute prinzipiell die Möglichkeit, komplette Versuchsreihen mit Hilfe eines einzelnen Chips zu realisieren (Lab-on-a-Chip), wofür früher der Aufbau eines Labors mit entsprechender Ausstattung erforderlich war. Schwerpunkte in der Chip-Entwicklung sind heute DNS- und Proteinanalyseeinheiten. Ist ein solcher Chip einmal entwickelt, ist die nötige Analyseeinheit „einfach“ zu reproduzieren. Mit einer geeigneten Technologie ist es dann denkbar, Analyseeinheiten in großer Stückzahl herzustellen. In weiteren Schritten sollen Einheiten für die Diagnose von Krankheiten oder die Analyse auf spezielle Substanzen (beispielsweise bei Blutuntersuchungen) entwickelt werden. Dadurch könnten Untersuchungen, für die bisher externe Labors beauftragt werden, in Zukunft direkt in den Arztpraxen ausgeführt werden. Der Arzt bekäme somit schneller die Ergebnisse und könnte früher mit einer Behandlung beginnen.

Feiner Dosieren und Inhalieren

Ein weiteres Anwendungsgebiet der Mikrofluidik ist der Bereich der Dosiersysteme. Damit können Analysen stark vereinfacht werden, was zum Beispiel in der Microarrayer-Technologie, einem Verfahren zur Massenproduktion von DNA- oder Bio-Chips, großen Nutzen bringt. Hier werden die zu reagierenden Substanzen, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, parallel auf einen Reaktionsträger gespritzt. Mikrofluidiksysteme können auch eingesetzt werden, um Substanzen zu produzieren (Synthese). So ist es möglich, kleinste Flüssigkeitsmengen in Ölen oder geleeartigen Substanzen gezielt einzulagern. Ebenso können Tröpfchen mit einem Durchmesser von nur acht Mikrometern erzeugt werden, die bei der Inhalation von Medikamenten ihre Wirkung entfalten.

  Damit die Fertigung auch in mittelständischen Unternehmen möglich ist, untersucht Sandmaier zudem Technologien, die Reinräume überflüssig machen. Dabei werden für den Bereich bis etwa 50 Mikrometer ultrahochpräzise Fräsmaschinen eingesetzt, während kleinere Strukturen mit optischen Bearbeitungsmethoden im Sub-Wellenlängen-Bereich untersucht werden. Ziel ist es, Strukturgrößen im Mikro- und Nanometerbereich zu bearbeiten. Um Mikrostrukturen vervielfältigen zu können, erarbeitet der Lehrstuhl derzeit eine neue Technologie des Heißprägens. Dabei sollen Materialien vom einfachen Kunststoff PMMA (Plexiglas) bis zu Gläsern hochgenau abgeformt werden.

Joachim Sägebarth