DE102020210276A1 - Mikrofluidische Vorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, aufweisend eine Pneumatikschicht (10), eine Fluidikschicht (40) und eine Membran (20), welche zumindest teilweise zwischen der Pneumatikschicht (10) und der Fluidikschicht (40) angeordnet ist. Mindestens ein Bauteil (30) ist in der Pneumatikschicht (10) angeordnet und die Membran (20) ist zumindest zwischen mindestens einer Seitenfläche des Bauteils (30) und einem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10) angeordnet. Zum Herstellen der mikrofluidischen Vorrichtung wird eine Ausnehmung in einem Trägermaterial einer Pneumatikschicht (10) erzeugt, eine Membran (20) auf der Pneumatikschicht (10) angeordnet, ein Bauteil (30) unter Deformation der Membran (20) in der Ausnehmung positioniert, und eine Fluidikschicht (40) auf der Membran (20) angeordnet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung. Weiterhin betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Mikrofluidische Systeme erlauben eine dezentrale Analyse von Patientenproben mittels moderner molekulardiagnostischer Methoden. Für eine hochzuverlässige und vollautomatische Durchführung mikrofluidischer Prozessabläufe und die gezielte Manipulation von Probenflüssigkeiten in derartigen Systemen ist im Allgemeinen sowohl eine geeignete Auslegung der Strukturen als auch eine geeignete Durchführung der Prozessschritte notwendig, um die gewünschten Funktionalitäten sicherzustellen. Hierzu weisen mikrofluidische Vorrichtungen in der Regel eine Fluidikschicht auf, in der ein zu prozessierendes Fluid geführt wird. Die Fluidikschicht ruht auf einer Membran, welche mit einer Pneumatikschicht verbunden ist. Durch die Erzeugung eines Überdrucks oder Unterdrucks in der Pneumatikschicht kann eine Auslenkung der Membran in die Fluidikschicht oder aus dieser heraus erreicht werden, um auf diese Weise Fluidströme in der Fluidikschicht zu lenken.
  • Ein zu prozessierendes Fluid wird in einer mikrofluidischen Vorrichtung einem oder mehreren Bauteilen zugeführt, welche Prozessierungsschritte durchführen können. Derartige Bauteile werden bei der Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung unter Berücksichtigung von Fertigungstoleranzen in diese integriert. Dabei unterscheiden sich ihre Oberflächeneigenschaften insbesondere wesentlich von denen eines Trägermaterials der mikrofluidischen Vorrichtung. Dadurch können sich allerdings Kapillarspalten bilden, welche eine unzureichende Abdichtung und einen Fluidverlust zur Folge haben können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die mikrofluidische Vorrichtung weist eine Pneumatikschicht, eine Fluidikschicht und eine Membran auf, welche zumindest teilweise zwischen der Pneumatikschicht und der Fluidikschicht angeordnet ist. Die Pneumatikschicht und die Fluidikschicht weisen jeweils ein Trägermaterial auf, in dem Kanäle angeordnet sein können. Das Trägermaterial ist für die Pneumatikschicht und die Fluidikschicht unabhängig voneinander insbesondere aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polycarbonat (PC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), Cyclooefin-Copolymer (COP, COC), Polymethylmethacrylat (PMA), Polydimethylsiloxan (PDMS) und Gemischen daraus besteht. Die Dicke des Trägermaterials, das auch als Substrat bezeichnet werden kann, liegt bevorzugt im Bereich von 0,6 mm bis 30,0 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 mm bis 10,0 mm, um zum einen eine dünne und platzsparende Ausführung der mikrofluidischen Vorrichtung zu ermöglichen, zum anderen um in den beiden Schichten ausreichend Raum für die Einfügung von Kanälen und Bauteilen vorsehen zu können.
  • Die Membran besteht insbesondere aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Elastomeren (TPE), unter denen Polyurethane (TPU) bevorzugt sind, Styrol-Block-Copolymeren (TPS) und/oder Gemischen daraus. Um einerseits eine ausreichende Robustheit der Membran zu gewährleisten, diese aber andererseits durch Druckänderungen in der Pneumatikschicht leicht auslenken zu können, liegt ihre Dicke bevorzugt im Bereich von 50 µm bis 500 µm besonders bevorzugt im Bereich von 100 µm bis 300 µm und ganz besonders bevorzugt beträgt sie 100 µm.
  • Mindestens ein Bauteil ist in der Pneumatikschicht angeordnet. Bei dem Bauteil kann es sich insbesondere um einen Silizium-Mikroarraychip oder eine Aliquotierungsstruktur, wie beispielsweise ein Mikrokavitätenarray zur Aufnahme einer Probenflüssigkeit handeln. Weiterhin kann es sich insbesondere um eine mikrofluidische Separationsstruktur bzw. ein Filtrationsbauteil wie beispielsweise ein Netz oder ein Filter handeln. Die Membran ist zumindest zwischen einer Seitenfläche des Bauteils und einem Trägermaterial der Pneumatikschicht angeordnet. Auf diese Weise nutzt die Erfindung die Membran, welche in einer mikrofluidischen Vorrichtung sowieso zur Trennung der Pneumatikschicht von der Fluidikschicht notwendig ist aus, um auf diese Weise eventuell auftretende Kapillarspalten zwischen der Seitenfläche des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht zu verschließen. Auf weitere Dichtungselemente, wie beispielsweise eine Silikonabdichtmasse, kann dadurch verzichtet werden. Somit wird auch die Gefahr vermieden, dass die mikrofluidische Vorrichtung durch Additive kontaminiert wird, welche in der Abdichtmasse enthalten sind.
  • Um eine besonders zuverlässige Abdichtung zu erreichen ist es bevorzugt, dass die Membran weiterhin zumindest teilweise zwischen einer Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht angeordnet ist. Dies kann in unterschiedlichen Ausführungsformen der mikrofluidischen Vorrichtung realisiert werden:
    • In einer Ausführungsform ist die Membran zwischen der gesamten Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht angeordnet. Dies bedeutet, dass die Membran in dem Bereich, in dem sie das Bauteil umgibt, keine Öffnung aufweist und es auf diese Weise zuverlässig überall dort, wo es dem Trägermaterial der Pneumatikschicht zugewandt ist, abdichten kann.
  • In einer anderen Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist in einem Bereich zwischen der Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht, in dem die Membran nicht angeordnet ist, ein Klebstoff angeordnet. Diese Ausführungsform setzt voraus, dass die Membran eine Öffnung aufweist. Dieser Bereich dieser Öffnung kann mit dem Klebstoff ausgefüllt werden, um das Bauteil auf diese Weise fest mit dem Trägermaterial der Pneumatikschicht zu verbinden.
  • In noch einer anderen Ausführungsform der mikrofluidischen Vorrichtung ist das Bauteil ein Filtrationsbauteil, wie beispielsweise ein Netz oder ein Filter. In einem Bereich zwischen der Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht, in dem die Membran nicht angeordnet ist, sind Filtrationsporen des Filtrationsbauteils zwischen einem Kanal in der Pneumatikschicht und einem Kanal in der Fluidikschicht angeordnet. Auch in dieser Ausführungsform weist die Membran also eine Öffnung auf. Die Öffnung wird genutzt, um mittels eines Unterdrucks in der Pneumatikschicht ein Fluid aus dem Kanal in der Fluidikschicht durch die Filtrationsporen in den Kanal in der Pneumatikschicht saugen zu können. Entsprechend kann ein Fluid aus dem Kanal in der Fluidikschicht durch die Filtrationsporen in den Kanal in der Pneumatikschicht vermöge eines Überdrucks hindurchgepresst werden.
  • In dem Verfahren zum Herstellen der mikrofluidischen Vorrichtung wird zunächst eine Ausnehmung in einem Trägermaterial einer Pneumatikschicht erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt das Volumen der Ausnehmung bevorzugt im Bereich von 0,6 mm3 bis 2700 mm3, insbesondere mit Abmessungen im Bereich von 3 mm × 3 mm × 0,1 mm bis 30 mm × 30 mm × 30 mm und bevorzugt im Bereich von 2,7 mm3 bis 100 mm3, insbesondere mit Abmessungen im Bereich von 3 mm × 3 mm × 0,3 mm bis 10 mm × 10 mm × 1 mm. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, in der die Ausnehmung zur Aufnahme einer Aliquotierungsstruktur dient, liegt deren Volumen bevorzugt im Bereich von 1 µl bis 3 ml und besonders bevorzugt im Bereich von 3 µl bis 100 µl.
  • Eine Membran wird auf der Pneumatikschicht angeordnet. Das Bauteil wird anschließend unter Deformation der Membran in der Ausnehmung positioniert. Schließlich wird eine Fluidikschicht auf der Membran angeordnet.
  • Zur Herstellung von Ausführungsformen der mikrofluidischen Vorrichtung, in welchen in einem Bereich zwischen der Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial keine Membran angeordnet ist, kann es vorgesehen werden, dass vor dem Positionieren des Bauteils in der Ausnehmung ein Bereich der Membran, welcher die Ausnehmung bedeckt, teilweise entfernt wird. Alternativ kann die Membran so angeordnet werden, dass sie die Ausnehmung nur teilweise bedeckt. Hierzu wird insbesondere eine Membran verwendet, die bereits eine Öffnung aufweist, also diesbezüglich vorstrukturiert ist.
  • Soll eine mikrofluidische Vorrichtung gefertigt werden deren Bauteil mit dem Trägermaterial der Pneumatikschicht verklebt ist, so wird vorzugsweise vor dem Positionieren des Bauteils ein Klebstoff in der Ausnehmung angeordnet. Dieses Anordnen des Klebstoffs kann sowohl vor dem Anordnen der Membran auf der Pneumatikschicht als auch nach dem Anordnen der Membran erfolgen, indem der Klebstoff durch eine Öffnung der Membran hindurch auf dem Trägermaterial der Pneumatikschicht angeordnet wird.
  • Wenn das Bauteil als ein Filtrationsbauteil verwendet wird, ist es bevorzugt, dass unterhalb der Ausnehmung ein Kanal in der Pneumatikschicht erzeugt wird. Dieser Kanal kann noch vor dem Erzeugen der Ausnehmung hergestellt werden.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
    • 1a bis 1c zeigen schematisch die Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 2a bis 2c zeigen schematisch die Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 3a bis 3e zeigen schematisch die Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
    • 4a bis 4c zeigen schematisch die Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • In den folgenden Ausführungsbeispielen wird jeweils beschrieben, wie mittels Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung hergestellt werden können. Dazu sind die Herstellungsschritte jeweils schematisch in einer Querschnittsansicht der mikrofluidischen Vorrichtung dargestellt. Alle hergestellten mikrofluidischen Vorrichtungen weisen jeweils eine Pneumatikschicht 10 auf, bei deren Trägermaterial es sich beispielsweise um 3,0 mm dickes Polycarbonat handeln kann. Auf der Pneumatikschicht 10 ist eine flexible Membran 20 angeordnet, die beispielsweise aus 0,1 mm dickem Polyurethan bestehen kann. Ein Bauteil 30 wird in einer Ausnehmung 11 im Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 angeordnet, die beispielsweise Abmessungen von 5 mm × 5 mm × 0,5 mm aufweist. Auf der Membran 20 wird schließlich eine Fluidikschicht 40 angeordnet, die in den Ausführungsbeispielen beispielsweise aus 1,5 mm dickem Polycarbonat besteht und einen Kanal 41 aufweist, der so angeordnet wird, dass er dem Bauteil 30 zugewandt ist. Das Bauteil 30 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Mikrokavitätenarray für eine qPCR-Reaktion.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel wird, wie in 1a dargestellt ist nach dem Erzeugen der Ausnehmung 11 im Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 eine Membran 20 auf der Pneumatikschicht 10 angeordnet, welche die Ausnehmung 11 vollständig verschließt. 1b zeigt, wie das Bauteil 30 unter Deformation der Membran 20 in die Ausnehmung 11 hineingepresst wird. Nachdem es bis zum Boden der Ausnehmung 11 in diese abgesenkt wurde, wird wie in 1c dargestellt ist, die Fluidikschicht 40 auf der Membran 20 angeordnet. Damit wird verhindert, dass das Bauteil 30 sich später bzw. nachfolgend wieder aus der Ausnehmung 11 heraus bewegen kann. An seinen Seitenflächen und an seiner Unterseite, wo es der Pneumatikschicht 10 zugewandt ist, ist es vollständig von der Membran 20 umgeben. An seiner Oberseite, die der Fluidikschicht 40 zugewandt ist, kontaktiert es den darin verlaufenden Kanal 41, sodass ein Fluid an das Bauteil 30 herangeführt werden kann.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird nach dem Erzeugen der Ausnehmung 11 im Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 eine Membran 20 auf der Pneumatikschicht 10 angeordnet, die im Bereich der Ausnehmung 11 eine Öffnung aufweist, sodass sie die Ausnehmung 11 nicht vollständig bedeckt, sondern stattdessen nur an deren Rändern über diese übersteht. Dies ist in 2a dargestellt. Wird das Bauteil 30 in die Ausnehmung 11 abgesenkt, so klappen die überstehenden Bereiche der Membran an den Rändern um und werden vom Bauteil 30 mit dessen Einsetzbewegung nach unten gezogen. Dies ist in 2b gezeigt. Nachdem das Bauteil 30 vollständig in der Ausnehmung 11 versenkt wurde, wird, wie in 2c dargestellt ist, in derselben Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel eine Fluidikschicht 40 auf der Membran 20 angeordnet. Die Membran 20 bedeckt nun die Seitenflächen des Bauteils 30, sodass diese nicht in unmittelbaren Kontakt zum Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 stehen. Die Unterseite des Bauteils 30 liegt jedoch unmittelbar auf dem Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 auf.
  • Wie in 3a dargestellt ist, wird in einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Bedecken der Pneumatikschicht 10 ebenfalls eine Membran 20 mit einer Öffnung verwendet, wobei die Öffnung jedoch kleiner als die Öffnung im zweiten Ausführungsbeispiel ist. Ein Klebstoff 50 wird durch die Öffnung hindurch am Boden der Ausnehmung 11 positioniert. 3b zeigt, dass mit Einsetzen des Bauteils 30 in die Ausnehmung 11 die Membran 20 so deformiert wird, dass sie sich entlang der Seitenflächen des Bauteils 30 und seiner Unterseite erstreckt, wobei die Öffnung in der Membran 20 über dem Klebstoff 50 positioniert bleibt. Ist das Bauteil 30 schließlich vollständig in der Ausnehmung 11 versenkt, so wird der Klebstoff 50 zwischen dem Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 und dem Bauteil 30 flach gedrückt und füllt dadurch wie in 3c dargestellt ist die Öffnung in der Membran 20 vollständig aus. Nach Aushärten des Klebstoffs 50 ist es nun, wie in 3d gezeigt ist, möglich die Pneumatikschicht 10 umzudrehen, ohne dass das Bauteil 30 aus der Ausnehmung 11 herausfällt. Das Bauteil 30 ist dabei nicht nur von der Membran allseitig geklemmt, sondern zusätzlich auch noch vom Klebstoff 50 gehalten. 3e zeigt, dass es in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung also möglich ist nicht nur die Fluidikschicht 40 auf die Membran 20 aufzusetzen, sondern stattdessen die Pneumatikschicht 10 gemeinsam mit der Membran 20 auf die Fluidikschicht 40 aufzusetzen.
  • In einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zunächst eine Pneumatikschicht 10 bereitgestellt in deren Trägermaterial ein Kanal 12 verläuft. 4a zeigt, dass sich oberhalb des Kanals 12 eine Ausnehmung 11 befindet, welche einen größeren Querschnitt als der Kanal 12 aufweist. Die Pneumatikschicht 10 wird mit einer Membran 20 bedeckt, die wiederum eine Öffnung oberhalb der Ausnehmung 11 aufweist. Der Querschnitt der Öffnung ist dabei kleiner als der Querschnitt des Kanals 12. Bei dem Bauteil, das in die Ausnehmung 11 eingesetzt werden soll, handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um ein Filtrationsbauteil mit Filtrationsporen bzw. Filterporen 31. 4b zeigt, dass beim Einsetzen dieses Bauteils 30 in die Ausnehmung 11 die Membran so deformiert wird, dass sie die Seitenflächen des Bauteils 30 bedeckt und außerdem seine Unterseite dort bedeckt, wo es in Kontakt mit dem Trägermaterial der Pneumatikschicht 10 steht. Die Filterporen 31 werden hingegen von der Membran 20 nicht verschlossen, zumindest nicht über einen Großteil der Membranfläche. Wird anschließend wie in 4c dargestellt eine Fluidikschicht 40 auf die Membran 20 aufgesetzt, so besteht eine fluidische Verbindung zwischen dem Kanal 41 in der Fluidikschicht und dem Kanal 12 in der Pneumatikschicht, welche durch die Filterporen 31 des Bauteils 30 hindurchführt.

Claims (10)

  1. Mikrofluidische Vorrichtung, aufweisend eine Pneumatikschicht (10), eine Fluidikschicht (40) und eine Membran (20), welche zumindest teilweise zwischen der Pneumatikschicht (10) und der Fluidikschicht (40) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bauteil (30) in der Pneumatikschicht (10) angeordnet ist und die Membran (20) zumindest zwischen mindestens einer Seitenfläche des Bauteils (30) und einem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10) angeordnet ist.
  2. Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) weiterhin zumindest teilweise zwischen einer Unterseite des Bauteils (30) und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10) angeordnet ist.
  3. Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) zwischen der gesamten Unterseite des Bauteils (30) und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10) angeordnet ist.
  4. Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich zwischen der Unterseite des Bauteils (30) und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10), in dem die Membran (20) nicht angeordnet ist, ein Klebstoff (50) angeordnet ist.
  5. Mikrofluidische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) ein Filtrationsbauteil ist, wobei in einem Bereich zwischen der Unterseite des Bauteils und dem Trägermaterial der Pneumatikschicht (10), in dem die Membran (20) nicht angeordnet ist, Filtrationsporen (31) des Filtrationsbauteils zwischen einem Kanal (12) in der Pneumatikschicht (10) und einem Kanal (41) in der Fluidikschicht (40) angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassen die folgenden Schritte: - Erzeugen einer Ausnehmung (11) in einem Trägermaterial einer Pneumatikschicht (10), - Anordnen einer Membran (20) auf der Pneumatikschicht (10), - Positionieren eines Bauteils (30) in der Ausnehmung (11) unter Deformation der Membran (20), und - Anordnen einer Fluidikschicht (40) auf der Membran (20).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Positionieren des Bauteils (30) in der Ausnehmung (11) ein Bereich der Membran (20), welcher die Ausnehmung (11) bedeckt, teilweise entfernt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (20) so angeordnet wird, dass sie die Ausnehmung (11) nur teilweise bedeckt.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Positionieren des Bauteils (30) ein Klebstoff (50) in der Ausnehmung (11) angeordnet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Ausnehmung (11) ein Kanal (12) in der Pneumatikschicht (10) erzeugt wird, und als Bauteil (30) ein Filtrationsbauteil verwendet wird.
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