DE102022206222A1 - Reagent chamber and method for its production and microfluidic cartridge - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Reagenzkammer (10) für eine mikrofluidische Kartusche, die aus einer Verbundfolie geformt ist und eine Reagenzflüssigkeit (30) enthält. Außerdem betrifft die Erfindung eine mikrofluidische Kartusche, aufweisend mindestens eine Reagenzkammer (10), die in einer Fluidikschicht der mikrofluidischen Kartusche angeordnet ist. In einem Verfahren zur Herstellung der Reagenzkammer (10) erfolgt ein Bereitstellen einer Reagenzkammer (10), die an ihrer Oberseite eine Öffnung aufweist und die einstückig mit einem Deckel (11) verbunden ist, ein Befüllen der Reagenzkammer (10) mit einer Reagenzflüssigkeit (30), ein Verschließen der Öffnung mit dem Deckel (11), und ein Verschweißen des Deckels (11) mit der Reagenzkammer (10).The invention relates to a reagent chamber (10) for a microfluidic cartridge, which is formed from a composite film and contains a reagent liquid (30). The invention also relates to a microfluidic cartridge, having at least one reagent chamber (10) which is arranged in a fluidic layer of the microfluidic cartridge. In a method for producing the reagent chamber (10), a reagent chamber (10), which has an opening on its top and which is connected in one piece to a cover (11), is provided, and the reagent chamber (10) is filled with a reagent liquid (30 ), closing the opening with the lid (11), and welding the lid (11) to the reagent chamber (10).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reagenzkammer für eine mikrofluidische Kartusche. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine mikrofluidische Kartusche, welche die Reagenzkammer aufweist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Reagenzkammer und eine Verwendung der Reagenzkammer in einer mikrofluidischen Kartusche.The present invention relates to a reagent chamber for a microfluidic cartridge. The present invention also relates to a microfluidic cartridge which has the reagent chamber. Finally, the present invention relates to a method for producing the reagent chamber and a use of the reagent chamber in a microfluidic cartridge.
Stand der TechnikState of the art
Mikrofluidische Kartuschen für Lab-on-Chip-Anwendungen werden in Kombination mit speziellen Auswertegeräten zur medizinischen Analyse und zeitnahen Diagnostik in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt. Die Kartuschen weisen üblicherweise eine Fluidikschicht und eine Pneumatikschicht auf, die durch eine Elastomermembran voneinander getrennt sind. In der Fluidikschicht können Flüssigkeiten transportiert und miteinander gemischt werden, indem die Elastomermembran in die Fluidikschicht hinein oder in die Pneumatikschicht hinein ausgelenkt wird. Hierzu sind Kanäle in der Pneumatikschicht, die an der Elastomermembran enden, mit einem Pneumatikmanifold des Auswertegeräts verbunden.Microfluidic cartridges for lab-on-chip applications are used in combination with special evaluation devices for medical analysis and timely diagnostics in doctor's offices and hospitals. The cartridges usually have a fluidic layer and a pneumatic layer, which are separated from each other by an elastomeric membrane. Liquids can be transported and mixed with one another in the fluidic layer by deflecting the elastomeric membrane into the fluidic layer or into the pneumatic layer. For this purpose, channels in the pneumatic layer, which end at the elastomer membrane, are connected to a pneumatic manifold of the evaluation device.
In der Fluidikschicht sind Reagenzkammern angeordnet, um für die Analyse benötigte Flüssigkeiten zu bevorraten. Diese werden in separaten Prozessen durch Spritzgießen und Schweißen aufwendig aus unterschiedlichen Kunststoffen gefertigt. Der Schweißprozess ist dabei schwierig, da eine hierbei aufgebrachte mediendichte Verschlussfolie üblicherweise nicht aus demselben Kunststofftyp besteht wie die Trägerplatte der Fluidikschicht.Reagent chambers are arranged in the fluidic layer to store liquids required for the analysis. These are elaborately manufactured from different plastics in separate processes using injection molding and welding. The welding process is difficult because a media-tight sealing film applied here usually does not consist of the same type of plastic as the carrier plate of the fluidic layer.
In der
Als Verbundfolien werden mehrschichtige Folien bezeichnet. Durch die Kombination verschiedener oder gleicher Materialien entsteht ein flexibles Verpackungsmaterial, das je nach Anwendungsfall spezifische Anforderungen erfüllt.Multilayer films are referred to as composite films. By combining different or identical materials, a flexible packaging material is created that meets specific requirements depending on the application.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Ein erster Aspekt betrifft eine Reagenzkammer für eine mikrofluidische Kartusche. Diese Reagenzkammer ist aus einer Verbundfolie geformt und enthält eine Reagenzflüssigkeit. Vorzugsweise besteht sie nur aus diesen beiden Komponenten. Gegenüber Reagenzkammern, die in der mikrofluidischen Kartusche selbst geformt sind, bietet diese Reagenzkammer den Vorteil, dass sie als Reagenzpäckchen fungiert, welches unabhängig von der restlichen mikrofluidischen Kartusche gefertigt und gehandhabt werden kann. Dies ermöglicht es, die Reagenzkammer erst dann in die mikrofluidische Kartusche einzusetzen, wenn alle anderen Fertigungsschritte abgeschlossen wurden. Sobald die Reagenzflüssigkeit in der Reagenzkammer verpackt ist, muss diese auch nicht mehr in einem Reinraum gehandhabt werden, da die Reagenzflüssigkeit in einer Reagenzkammer mediendicht und damit keimfrei verpackt ist. Die Auswahl der Verbundfolie kann allein unter Berücksichtigung der für die Reagenzkammer gewünschten Eigenschaften ausgewählt werden, da die Reagenzkammer ein eigenständiges Bauteil der mikrofluidischen Kartusche darstellt und keine Kompatibilität zwischen dem Material der Verbundfolie und dem Material einer Trägerplatte der mikrofluidischen Kartusche bestehen muss.A first aspect concerns a reagent chamber for a microfluidic cartridge. This reagent chamber is formed from a composite film and contains a reagent liquid. It preferably consists only of these two components. Compared to reagent chambers that are formed in the microfluidic cartridge itself, this reagent chamber offers the advantage that it functions as a reagent packet that can be manufactured and handled independently of the rest of the microfluidic cartridge. This makes it possible to insert the reagent chamber into the microfluidic cartridge only after all other manufacturing steps have been completed. As soon as the reagent liquid is packed in the reagent chamber, it no longer needs to be handled in a clean room, since the reagent liquid is packed in a media-tight and therefore germ-free manner in a reagent chamber. The selection of the composite film can be made taking into account the properties desired for the reagent chamber, since the reagent chamber represents an independent component of the microfluidic cartridge and there does not have to be any compatibility between the material of the composite film and the material of a carrier plate of the microfluidic cartridge.
Die Verbundfolie weist vorzugsweise zumindest eine polymere Siegelschicht und zumindest eine Barriereschicht auf. Dabei ist die Siegelschicht einer Innenseite der Reagenzkammer zugewandt und die Barriereschicht ist einer Außenseite der Reagenzkammer zugewandt. Die Siegelschicht ist dazu vorgesehen, um bei der Herstellung der Reagenzkammer aufgeschmolzen zu werden und diese so nach Befüllen mit der Reagenzflüssigkeit mediendicht zu versiegeln. Die Barriereschicht dient dazu, die Reagenzflüssigkeit vor einem Eindringen von Fremdsubstanzen, beispielsweise durch Diffusionsprozesse, zu schützen.The composite film preferably has at least one polymer sealing layer and at least one barrier layer. The sealing layer faces an inside of the reagent chamber and the barrier layer faces an outside of the reagent chamber. The sealing layer is intended to be melted during the production of the reagent chamber and to seal it in a media-tight manner after it has been filled with the reagent liquid. The barrier layer serves to protect the reagent liquid from penetration by foreign substances, for example through diffusion processes.
Um diese Funktionen erfüllen zu können, ist es bevorzugt, dass die Siegelschicht und die Barriereschicht unabhängig voneinander jeweils eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 500 µm aufweisen. Bei einer geringeren Dicke bestände die Gefahr, dass keine zuverlässige Versiegelung erreicht werden kann bzw. dass Diffusionsprozesse nicht zuverlässig über einen langen Zeitraum verhindert werden können. Eine höhere Dicke hätte eine unnötig schlechte Verarbeitbarkeit der Verbundfolie zur Folge.In order to be able to fulfill these functions, it is preferred that the sealing layer and the barrier layer each independently have a thickness in the range from 5 μm to 500 μm. With a smaller thickness there would be a risk that a reliable seal could not be achieved or that diffusion processes could not be prevented reliably over a long period of time. A higher thickness would result in unnecessarily poor processability of the composite film.
Die Siegelschicht weist vorzugsweise zumindest ein Material auf, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Polyolefin, einem Polyamid, einem Polyethylenterephthalat und einer Lackkaschierung. Bei dem Polyolefin kann es sich insbesondere um Polyethylen oder um Polypropylen handeln. Diese Materialien sind thermoplastisch und weisen ein für eine thermische Versiegelung der Reagenzkammer günstiges Verhältnis von Erweichungstemperatur und Schmelztemperatur auf.The sealing layer preferably has at least one material that is selected from the group consisting of a polyolefin, a polyamide, a polyethylene terephthalate and a lacquer lamination. The polyolefin can in particular be polyethylene or polypropylene. These materials are thermoplastic and provide a thermal seal Reagent chamber has a favorable ratio of softening temperature and melting temperature.
Die Barriereschicht weist vorzugsweise zumindest ein Material auf, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, einem EthylenVinylalkohol-Copolymer, einem gestreckten Polypropylen und einem Polychlortrifluorethylen. Während die Siegelfähigkeit von Polypropylen durch Verstrecken verringert wird, wird seine Wasserdampfpermeation verringert und seine mechanische Festigkeit erhöht. Insbesondere handelt es sich bei dem gestreckten Polypropylen um BOPP (Biaxially Oriented Polypropylene). Ein nichtmetallisches Material ist als Barriereschicht bevorzugt, da es mit einem steileren Winkel tiefgezogen werden kann als ein Metall und somit ein hohes Aspektverhältnis der Reagenzkammer und einen minimalen Flächenbedarf ermöglicht.The barrier layer preferably comprises at least one material selected from the group consisting of aluminum, an ethylene vinyl alcohol copolymer, an expanded polypropylene and a polychlorotrifluoroethylene. While polypropylene's sealability is reduced by stretching, its water vapor permeability is reduced and its mechanical strength is increased. In particular, the stretched polypropylene is BOPP (Biaxially Oriented Polypropylene). A non-metallic material is preferred as a barrier layer because it can be deep-drawn at a steeper angle than a metal and thus enables a high aspect ratio of the reagent chamber and a minimal area requirement.
Die Gesamtdicke der Verbundfolie, die sich aus der Dicke der Siegelschicht und der Dicke der Barriereschicht ergibt, liegt vorzugsweise im Bereich von 200 µm bis 800 µm. Eine geringere Dicke würde zu einer zu geringen mechanischen Stabilität der Reagenzkammer führen, sodass diese bei ihrer Handhabung deformiert werden könnte und gegebenenfalls einreißen könnte. Eine höhere Dicke der Verbundfolie würde für die Fertigung der Reagenzkammer erforderliche Faltvorgänge erschweren.The total thickness of the composite film, which results from the thickness of the sealing layer and the thickness of the barrier layer, is preferably in the range from 200 μm to 800 μm. A smaller thickness would lead to insufficient mechanical stability of the reagent chamber, so that it could be deformed during handling and possibly tear. A greater thickness of the composite film would make the folding processes required for the production of the reagent chamber more difficult.
Das Innenvolumen der Reagenzkammer liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 ml bis 10,0 ml. Damit können alle für mikrofluidische Anwendungen im medizinischen Bereich relevanten Reagenzvolumina abgebildet werden.The internal volume of the reagent chamber is preferably in the range from 0.1 ml to 10.0 ml. This means that all reagent volumes relevant for microfluidic applications in the medical field can be represented.
Ein zweiter Aspekt betrifft eine mikrofluidische Kartusche. Diese weist mindestens eine Reagenzkammer gemäß dem ersten Aspekt auf. Die Reagenzkammer ist in einer Fluidikschicht der mikrofluidischen Kartusche angeordnet. Diese mikrofluidische Kartusche ist einfach zu fertigen, da keine zusätzlichen Prozessschritte, wie beispielsweise das Spritzgießen eines speziellen Reagenzkammerbauteils oder ein Laserschweißverfahren für das Aufbringen einer Siegelfolie benötigt werden. Vielmehr reicht es aus, die Reagenzkammer in eine passend dimensionierte Ausnehmung in der Fluidikschicht einzusetzen. Sollte es bei der Fertigung der mikrofluidischen Kartusche oder bei der Fertigung der Reagenzkammer zu Ausschuss kommen, so ist dies für das Gesamtsystem unerheblich, da die mikrofluidische Kartusche und alle darin einzusetzenden Reagenzkammern erst nach Ende sämtlicher Fertigungsprozesse zusammengesetzt werden müssen. Dadurch, dass jede Reagenzkammer nur eine Reagenzflüssigkeit enthält, können Reagenzkammern außerdem für eine Vielzahl verschiedener Typen mikrofluidischer Kartuschen, die dasselbe Volumen derselben Reagenzflüssigkeit benötigen, verwendet werden. Dabei ist eine freie Kombinierbarkeit unterschiedlicher Reagenzkammern in einer mikrofluidischen Kartusche möglich.A second aspect concerns a microfluidic cartridge. This has at least one reagent chamber according to the first aspect. The reagent chamber is arranged in a fluidic layer of the microfluidic cartridge. This microfluidic cartridge is easy to manufacture because no additional process steps are required, such as injection molding of a special reagent chamber component or a laser welding process for applying a sealing film. Rather, it is sufficient to insert the reagent chamber into a suitably sized recess in the fluidic layer. If waste occurs during the production of the microfluidic cartridge or during the production of the reagent chamber, this is irrelevant for the entire system, since the microfluidic cartridge and all the reagent chambers to be used in it only have to be assembled after all manufacturing processes have been completed. Additionally, because each reagent chamber contains only one reagent liquid, reagent chambers can be used for a variety of different types of microfluidic cartridges that require the same volume of the same reagent liquid. It is possible to freely combine different reagent chambers in a microfluidic cartridge.
Ein dritter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Reagenzkammer gemäß dem ersten Aspekt. In diesem Verfahren wird zunächst eine Reagenzkammer bereitgestellt, die an ihrer Oberseite eine Öffnung aufweist. Sie ist einstückig mit einem Deckel verbunden. Die Öffnung ermöglicht es, die Reagenzkammer mit einer Reagenzflüssigkeit zu befüllen. Unter einer Reagenzflüssigkeit wird dabei jede Flüssigkeit verstanden, die mindestens ein Reagenz enthält. Die Reagenzflüssigkeit kann auch erst in der Reagenzkammer erzeugt werden, indem mehrere Ausgangsflüssigkeiten in dieser gemischt werden. Anschließend erfolgt ein Verschließen der Öffnung mit dem Deckel. Da der Deckel einstückig mit der Reagenzkammer verbunden ist, wird er hierzu umgeknickt, sodass er auf der Öffnung zu liegen kommt. Schließlich erfolgt ein Verschweißen des Deckels mit der Reagenzkammer. Um eine ausreichende Kontaktfläche zwischen dem Deckel und dem Rand der Öffnung zu gewährleisten, ist es dabei bevorzugt, dass um die Öffnung herum ein Randbereich der Reagenzkammer so ausgebildet ist, dass er nach dem Verschließen der Öffnung in einer zu dem Deckel parallelen Ebene liegt.A third aspect relates to a method for producing a reagent chamber according to the first aspect. In this method, a reagent chamber is first provided which has an opening at its top. It is connected in one piece with a lid. The opening makes it possible to fill the reagent chamber with a reagent liquid. A reagent liquid is understood to mean any liquid that contains at least one reagent. The reagent liquid can also be produced in the reagent chamber by mixing several starting liquids in it. The opening is then closed with the lid. Since the lid is connected in one piece to the reagent chamber, it is folded over so that it rests on the opening. Finally, the lid is welded to the reagent chamber. In order to ensure a sufficient contact surface between the lid and the edge of the opening, it is preferred that an edge region of the reagent chamber is designed around the opening in such a way that it lies in a plane parallel to the lid after the opening has been closed.
Wenn die Verbundfolie eine zur Innenseite der Reagenzkammer weisende Siegelschicht aufweist, dann kommen die Siegelschicht des Deckels und die Siegelschicht des Randes der Öffnung aufeinander zu liegen, sodass zwei identische Materialien miteinander verschweißt werden, was einen einfachen Verschweißvorgang ermöglicht. Das Verschweißen erfolgt insbesondere, indem ein Heizelement auf den geschlossenen Deckel aufgelegt wird, um so einen thermischen Verschweißvorgang auszulösen. Das Heizelement ist dabei vorzugsweise so geformt, dass es ausschließlich einen Bereich des Deckels kontaktiert, welcher den Rand der Öffnung berührt.If the composite film has a sealing layer facing the inside of the reagent chamber, then the sealing layer of the lid and the sealing layer of the edge of the opening come into contact with one another, so that two identical materials are welded together, which enables a simple welding process. The welding is carried out in particular by placing a heating element on the closed lid in order to trigger a thermal welding process. The heating element is preferably shaped so that it only contacts an area of the lid that touches the edge of the opening.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Reagenzkammer mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Reagenzkammer hergestellt, indem eine tetraederförmige Reagenzkammer bereitgestellt wird und durch Druck in sechs Ebenen zu einer quaderförmigen Reagenzkammer umgeformt wird. Hierzu kann insbesondere ein Faltverfahren angewandt werden, wie es aus der
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt einen ersten Schritt der Herstellung einer Reagenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2 zeigt einen zweiten Schritt der Herstellung einer Reagenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
3 zeigt einen dritten Schritt der Herstellung einer Reagenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
4 zeigt einen vierten Schritt der Herstellung einer Reagenzkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
5 zeigt einen Ausschnitt einer mikrofluidischen Kartusche gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 shows a first step in the production of a reagent chamber according to an embodiment of the invention. -
2 shows a second step in the production of a reagent chamber according to an embodiment of the invention. -
3 shows a third step in the production of a reagent chamber according to an embodiment of the invention. -
4 shows a fourth step of producing a reagent chamber according to an embodiment of the invention. -
5 shows a section of a microfluidic cartridge according to an embodiment of the invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung.Embodiments of the invention.
In einem zweiten Schritt des Verfahrens wird der Innenraum der Reagenzkammer 10 durch die Öffnung 12 mit einer Reagenzflüssigkeit 30 gefüllt. Dies ist in
In einem dritten Schritt des Verfahrens wird der Deckel 11 umgeklappt, sodass er auf dem Rand 13 zu liegen kommt. Der Deckel 11 ist so dimensioniert, dass seine Außenabmessung mit der Außenabmessung des Randes 13 übereinstimmt. In geschlossenem Zustand der Reagenzkammer kommen die Siegelschicht 21 des Deckels 11 und die Siegelschicht 21 des Randes 13 aufeinander zu liegen. Dies ist in
In einem vierten Schritt des Verfahrens, der in
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2022
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Patent Citations (3)
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