WO2004108285A1 - Verfahren zum herstellen eines mikrofluidischen systems mit einer kanalstruktur und mikrofluidisches system - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines mikrofluidischen systems mit einer kanalstruktur und mikrofluidisches system

Info

Publication number
WO2004108285A1
WO2004108285A1 PCT/DE2004/001087 DE2004001087W WO2004108285A1 WO 2004108285 A1 WO2004108285 A1 WO 2004108285A1 DE 2004001087 W DE2004001087 W DE 2004001087W WO 2004108285 A1 WO2004108285 A1 WO 2004108285A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber element
microfluidic system
fiber
cavity
forming material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE2004/001087
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2004108285A8 (de
Inventor
Rolf Hagedorn
Torsten Müller
Thomas Schnelle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Humboldt Universitaet zu Berlin
Original Assignee
Humboldt Universitaet zu Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Humboldt Universitaet zu Berlin filed Critical Humboldt Universitaet zu Berlin
Publication of WO2004108285A1 publication Critical patent/WO2004108285A1/de
Publication of WO2004108285A8 publication Critical patent/WO2004108285A8/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502707—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the manufacture of the container or its components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/301—Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions
    • B01F33/3017—Mixing chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B01F33/304—Micromixers the mixing being performed in a mixing chamber where the products are brought into contact
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/68—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts by incorporating or moulding on preformed parts, e.g. inserts or layers, e.g. foam blocks
    • B29C70/72—Encapsulating inserts having non-encapsulated projections, e.g. extremities or terminal portions of electrical components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/12—Specific details about manufacturing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0861—Configuration of multiple channels and/or chambers in a single devices
    • B01L2300/0874—Three dimensional network
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502753—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by bulk separation arrangements on lab-on-a-chip devices, e.g. for filtration or centrifugation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2024/00—Articles with hollow walls
    • B29L2024/006—Articles with hollow walls multi-channelled
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/447—Systems using electrophoresis
    • G01N27/44756—Apparatus specially adapted therefor

Definitions

  • the invention lies in the field of methods for producing a microfluidic system and a channel structure which is connected to an environment of the microfluidic system via at least one opening, and microfluidic systems produced using the methods.
  • Microfluidic systems with a channel structure which comprises several channels are used, for example, in biochemical analysis.
  • a common microfluidic system has a channel structure with channels through which fluids in quantities from nanolites to milliliters can flow.
  • Known microfluidic systems are produced, for example, with the aid of so-called "soft lithography" processes (cf. Y. Xia et al., Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550-575). This is a relatively inexpensive process with which smaller series of microfluidic systems can also be manufactured inexpensively.
  • a microrelief created with the method of milxostructuring serves as a casting mold for an elastomer, i. H. the structures contained in the microrelief, for example channels, are transferred to the elastomer impression with great accuracy.
  • two-dimensional structures were originally produced, an example of which can be found in document US 2003, 0006527 A1.
  • Document US 5,070,606 describes a method for producing an article in which fibers are arranged in a two- or three-dimensional pattern and then surrounded with a material to form a body.
  • the body can be made by molding or molding a plastic or ceramic material.
  • the article produced in this way is preferably used to circulate fluids through the channels, for example as a heat exchanger.
  • hollow fibers are stretched. During the filtering process, mass transfer takes place from the inside of the hollow fiber to the outside.
  • the object of the invention is to provide an improved method for producing a microfluidic system with a channel structure and an improved microfluidic system which make it possible to generate any three-dimensional channel structures and the design options with regard to those made available with the aid of the channel structure in different application cases Extend functionality.
  • the invention encompasses the idea of clamping fiber elements for forming a spatial fiber element structure in a cavity of a molded part in order to produce a microfluidic system with a channel structure which is connected to an environment of the microfluidic system via at least one opening.
  • the fiber elements are thread-like elements that can be individually selected depending on the application with regard to their cross-sectional surface design and the material used.
  • the clamped are used for spatial positioning in the cavity Fiber elements fixed with the aid of a holding device for a subsequent, at least partial filling of the cavity. With the help of the holding device, the stretched fiber elements are held in a desired spatial arrangement with respect to one another in the cavity.
  • the stretched fiber elements remain in their position when the cavity is subsequently at least partially filled with a structure-forming material, as a result of which the spatial fiber element structure in the cavity is essentially completely surrounded by the structure-forming material.
  • Any materials can be used as structure-forming materials that are flowable or deformable in an initial state, so that the cavity can be at least partially filled, in particular poured out, and solidified or hardened in a final state in such a way that the subsequent process step for solidifying / hardening the structure-forming material can be carried out in the cavity.
  • the microfluidic system with the channel structure is formed in the cavity, which has channels running along the fiber elements.
  • thermally sufficiently stable fiber elements for example wires, can be used.
  • the described method has the advantage over the prior art that suitable channels for any application can be formed in the microfluidic system with the aid of the selection of the structure-forming material and the cross section for the fiber elements. With the help of the selection of the cross section of the fiber elements, the cross section of the channels in the channel structure is determined.
  • the fiber elements can be arranged in the fiber element structure in a very different way depending on the application, with the aid of the holding device with which the fiber elements are simply clamped, for example.
  • An expedient development of the invention can provide that, in order to form a channel connection in the region of the at least one opening in an edge region of the hollow space, a connection component is arranged which at least partially encompasses one or more of the fiber elements, and the connection component at least partially from the structure-forming one Material is surrounded. In this way, a connection possibility for coupling / uncoupling a fluid into the channel structure can be produced in a simple manner.
  • the fiber elements in order to form a flow channel in the channel structure, at least one of the fiber elements is removed from the channel structure after the structure-forming material has solidified.
  • This makes it possible in a simple manner to form the flow channel without any residues of the material of the removed fiber material.
  • This is a significant advantage over the known method, in which wax has to be removed from the channels by heating after the microfluidic system has been cast.
  • the removal of a fiber element can be used not only to form flow channels but also to form any fiber element free channels in the channel structure.
  • the possibilities of designing the channel structure are expanded by forming a contact connection in which the two are formed in order to form a channel connection between two intersecting channels in the channel structure when the fiber elements are clamped in the cavity between two intersecting fiber elements intersecting fiber elements are fixed relative to each other for the subsequent, at least partial filling of the cavity.
  • the contact connection between the crossing fiber elements is expediently formed as a detachable connection. This makes it possible to remove the two crossing fiber elements after the structure-forming material has solidified after the contact connection has been released.
  • the detachable connection can be made, for example, with the aid of an adhesive or adhesive material, so that the connection is drawn with the aid of mechanical force, ie the fiber elements crossing one another. is broken up.
  • the connection can be released using heat, for example if a wax connection is used.
  • the detachment of the fiber elements from the solidified or hardened material for the complete or partial removal of the fiber elements from the microfluidic system is facilitated in an expedient development of the invention in that a fiber element with a tapering cross-section is used as the fiber element for one or all fiber elements is used.
  • a further development of the invention can provide that one or all fiber elements are formed on a needle comb.
  • the needle comb can be removed after the solidification of the structure-forming material in the cavity or later, immediately before the intended use of the microfluidic system in an application, whereby several fiber elements are pulled out of the microfluidic system at once, which makes handling easier.
  • the reusability of fiber elements designed in a certain way is facilitated with the aid of the needle comb.
  • An embodiment of the invention advantageously provides that a twisted fiber element with at least two fibers twisted together is used as the fiber element for one or all fiber element (s).
  • a channel of the channel structure in which the twisted fiber element is arranged when the structure-forming material is introduced into the cavity, is given an inner wall structure which supports the formation of a turbulent flow for a fluid flowing through the channel.
  • the turbulent flow for example, the mixing of fluids that flow through the channel together can be supported.
  • a preferred embodiment of the invention can provide that a hollow fiber is used as the fiber element for one or all fiber element (s).
  • the hollow fiber can be made of a permeable or porous material, for example, so that the fluid flowing through the channel or partial connections of the fluid pass through the surface coating or are enriched therein.
  • a fiber element made of a porous material is used as the fiber element for one or all fiber element (s).
  • the channel is filled with the porous material, which acts as a filter material when the fluid flows through the channel.
  • a tendon material can be used as material for one or all fiber element (s), for example fishing tendon, which is available in various thicknesses at low cost.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that a fiber element made of an elastically stretchable material is used as the fiber element for one or all fiber element (s).
  • the elastic extensibility of the material has the consequence that when the fiber element is pulled, a reduction in cross-section generally takes place when the fiber element is stretched. This creates an intermediate space between the surface of the fiber element and the inner wall of the channel, into which the fluid flowing through the channel can penetrate. If the tensile force on the fiber element is reduced, the cross section of the fiber element widens again in the stretched area, so that the fluid flowing into the intermediate space is forced out of the intermediate space, for example is transported forward in the channel.
  • An inexpensive fiber element that can be removed again with little effort can be formed from a wire material.
  • any microcomponents can be introduced into the cavity and at least partially surrounded with the structure-forming material, so that they are integrated into the microfluidic system after the structure-forming material has solidified.
  • the micro component can be, for example, a sensor, in particular an optical sensor, or (at least) one electrode. A current can be applied to the electrode, which in turn is used to influence the flow in the channel structure of the microfluidic system.
  • a suitable material for at least partially filling the cavity is an elastomer, for example PDMS (poly (dimethylsiloxane)).
  • PDMS poly (dimethylsiloxane)
  • Elastomers are available in a wide variety of compositions, so that the person skilled in the art can find a suitable elastomer for the can select the respective application.
  • both the processing properties and the application-specific material properties of the solidified material for example with regard to optical quality and chemical resistance to certain compounds, are to be observed, which are to be introduced into the channel structure in the application.
  • An advantageous embodiment of the invention can provide that the structure-forming material is mixed as a two-component material.
  • Two-component compounds are available in diverse compositions, so that the material having the suitable properties for the respective application can be selected by a person skilled in the art.
  • An example of two-component compounds are polymers, in particular hydrophilic gels, elastomers, thermoplastics, crosslinkable polymer beads.
  • a so-called hydrogel or thermal gel can be used which reversibly swell / shrink when the temperature changes, for example a temperature increase of 5 ° C. In this way, a controllable microfluidic system can be produced in connection with the fiber elements / channels.
  • An expedient embodiment of the invention can provide that surface functionalization is carried out in areas of a surface of the structure-forming material.
  • hydrophobic or hydrophilic surfaces can be formed, for example, with the help of a biochemical aftertreatment.
  • Such surface functionalization is possible, for example, when using PDMS as a structure-forming material.
  • a further advantageous embodiment provides that the structure-forming material solidified in the cavity is divided with a respective channel structure to form several microfluidic subsystems.
  • a network of channel structures can first be produced, which is then broken down to form a plurality of individual microfluidic subsystems, for example by means of cutting.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration to explain a method for producing a microfluidic system with a channel structure
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a gradient mixer based on a microfluidic system
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a microfluidic system for the electrophoretic fractionation of proteins
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further microfluidic system in cross section
  • Figure 5 is a schematic representation of a filter device based on a microfluidic system.
  • Figure 6 is a schematic representation of a valve device based on a microfluidic system.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an arrangement with a branched channel structure 1 in a base body 2.
  • a frame 3 serving as a holding device of a casting mold 4, in which the base body 2 is arranged in a cavity 5, several channel connection components 6 are attached laterally, which are cannula-like are trained.
  • Fiber elements 7 are inserted into the cavity 5 of the mold 4 through horizontally extending channel connection components 6a.
  • Hollow fibers 8 are guided through vertically running channel connection components 6b.
  • the fiber elements 7 and the hollow fibers 8 are each fastened to the frame 3 so that they are clamped in the cavity 5 and spatially fixed to one another, for example the ends of the fiber elements 7 and the hollow fibers 8 can be wrapped around a holder on the frame 3 or on the frame 3 are clamped in slots.
  • the hollow fibers 8 were filled with agarose gel in the exemplary embodiment shown.
  • the channel structure 1 is formed in the base body 2 with channels 7 ′, 8 ′ running along the fiber element 7 and the hollow fibers 8.
  • the fiber elements 6 can then be removed in order to form flow channels through which a fluid can flow. Then you can the arrangement in FIG.
  • fibers which can be designed in various ways, for example as a thread made of textile material or plastic or wire, is stretched to form a spatial arrangement and the cavity with the stretched fibers is then at least partially poured out, is all of the embodiments described here - shape together.
  • fiber elements made of wire they can be used in the solidified material for introducing electric fields into the solidified material, which can be used for electrophoresis, dielectrophoresis or also for controlling the structure-forming material when it is introduced into the cavity, for example by means of heating (Resistance) / cooling (passive) or electrical effect if the structure-forming material interacts directly with an electrical field.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a gradient mixer 20 based on a microfluidic system.
  • Inlets 22, 23 and outlets 24 are arranged on a removable holding device 21.
  • Two vertical microfibers 25 connect to the inlets 22, 23 and four horizontal, hollow transverse channels 26a, 26b, 26c, 26d.
  • a mixture of the solutions flowing in through the entrances 22, 23 is established.
  • This ratio is mainly determined by the flow resistances in the microfibers 25.
  • the upper transverse channel 26a has a direct, short connection to the inlet 22 and a long connection to the inlet 23. Accordingly, the mixing ratio in the transverse channel 26a is closer to the solution flowing in through the inlet 22. It can be seen that the mixing ratio can essentially be determined via the geometric dimensions of the channel structure, and that this principle can be applied to cases in which more than two fluids are to be mixed.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a microfluidic system 30 for the electrophoretic fractionation of proteins.
  • a removable frame 31 receives a base body 32 from an electrophoresis gel. The latter was provided with channels 33-37 in the manner explained in FIG.
  • the two larger outer channels 33, 37 receive an anode and a cathode (not shown) and are flowed through by electrode buffers. The electric field thus formed is therefore oriented transversely to the three middle channels 34-36.
  • the central channel 35 receives a protein sample to be fractionated, the adjacent channels 34 and 36 are flushed through by buffer solutions. The choice of pH values for these buffer solutions determines which of the proteins remains in the central channel 35.
  • the protein sample is preferably introduced into the central channel 35 when removing the fiber element used to produce the central channel 35 (cf. FIG. 1). H. the syringe suction effect that occurs when the fiber element is removed is used. Similarly, a subset of the protein sample can be pushed out of the central channel 35 again by inserting the fiber element back into the channel 35 a bit.
  • the arrangement shown can be used to adjust the pH in the channels 34-36, for example by means of diffusion of different solutions from cross channels, i. H. the arrangement can be used as a pH stat. In this way, the setting of chemical gradients in the channels 33-37 and / or on the surfaces of the channels 33-37 is possible.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a further microfluidic system 40 in cross section.
  • the microfluidic system comprises a solidified base material 41, for example a gel, a main channel 42 and transverse channels 43, 44, 45 (at least 2), through which liquids of different concentrations c a , c D , c c flow through one or more substances become.
  • the transverse channels 43, 44, 45 can have direct fluidic contact with the main channel 42 or can be coupled diffusively when using gels.
  • the main channel 42 can be dispensed with (or it is open at the top) if chemical gradients are to be generated on surfaces, for example for examining chemotaxis in cells.
  • transverse channels can also run in the upper region (for example for more homogeneous gradients).
  • "transverse channels” running around the main channel 42 are attached (not shown) so as to generate periodic concentration gradients in the microfluidic system 40 with the simplest fluidics.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a filter device 50 based on a microfluidic system.
  • a detachably mounted frame 51 serving as a holding device holds fiber elements 52, 53.
  • a piece of filter paper 54 is positioned on the horizontal fiber elements 52 and clamped with the vertical fiber elements 53.
  • the filter paper 54 is printed in an area 55 with agar areas, so that good contact between the fiber elements 52, 53, for example in the form of chords, and the filter paper 54 can be established by brief heating.
  • the assembly was then filled with elastomer. After the elastomer has hardened, the fiber elements 52, 53 can be removed, the channels thus created are connected to one another via areas 55 of the filter paper 54.
  • the shape and extent of the agarose areas 55 and the washing out of the agarose can be used to define which channels are connected with each other and to what extent and which areas are effective as filter areas.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a valve device based on a microfluidic system.
  • a tendon-like fiber element 60 is attached to an inner wall of a capillary piece 61 with a water-soluble adhesive.
  • the capillary piece 61 is then poured out with an elastomer 62 (eg PDMS) and the fiber element 60 is subsequently removed.
  • the remaining elastomer structure 62 has a valve effect: A fluid flowing into the capillary piece 60 from the left lifts the elastomer structure 62 and thus clears the flow path, whereas a fluid flowing from the right presses the elastomer structure 62 against the inner wall and the flow channel closes. If two such valve assemblies are connected with a silicone hose, the basic structure of a pump is obtained.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur und ein mikrofluidisches System. Die Kanalstruktur ist über wenigstens eine Öffnung mit einer Umgebung des mikrofluidischen Systems verbunden. Bei dem Verfahren werden Faserelemente zum Ausbilden einer räumlichen Faserelementestruktur in einem Hohl­raum eines Formteils aufgespannt. Zur räumlichen Positionierung in dem Hohlraum werden die aufgespannten Faserelemente mit Hilfe einer Haltevorrichtung für ein anschließendes, zumindest teilweises Ausfüllen des Hohlraums fixiert. Der Hohlraum wird dann zumindest teilweise mit einem fließfähigen Material ausgefüllt, wodurch die räumliche Faserelementestruktur in dem Hohlraum im wesentlichen vollständig von dem fließfähigen Material um­geben wird. Das fließfähige Material wird anschließend in dem Hohlraum verfestigt, wodurch in dem Hohlraum das mikrofluidische System mit der Kanalstruktur gebildet wird, die entlang der Faserelemente verlaufende Kanäle aufweist.

Description

Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur und mikrofluidisches System
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems und einer Kanalstruktur, die über wenigstens eine Öffnung mit einer Umgebung des mikrofluidischen Systems in Verbindung steht, sowie mit Hilfe der Verfahren hergestellter mikrofluidischer Systeme.
Mikrofluidische Systeme mit einer Kanalstruktur, welche mehrere Kanäle umfaßt, werden beispielsweise in der biochemischen Analytik verwendet. Ein übliches mikrofluidisches System weist eine Kanalstruktur mit Kanälen auf, die von Fluiden in Mengen von Nanolite n bis hin zu Millilitern durchströmt werden können. Bekannte mikrofluidische Systeme werden zum Beispiel mit Hilfe von Verfahren der sogenannten "Soft Lithography" hergestellt (vgl. Y. Xia et al., Angew. Chem. Int. Ed. 1998, 37, 550-575). Hierbei handelt es sich um ein relativ preiswertes Verfahren, mit dem auch kleinere Serien von mikrofluidischen Systemen kostengünstig hergestellt werden können. Meist dient ein mit Verfahren der Milxostrukturierung erzeugtes Mikrorelief als Gußform für ein Elastomer, d. h. die in dem Mikrorelief enthaltenen Strukturen, beispielsweise Kanäle, werden mit großer Genauigkeit auf den Elastomer- Abdruck übertragen. Mit Hilfe dieser Verfahren wurden ursprünglich hauptsächlich zweidi- mensionale Strukturen erzeugt, wofür sich ein Beispiel in dem Dokument US 2003, 0006527 AI findet.
Inzwischen ist es jedoch auch möglich, dreidimensionale Strukturen herzustellen. So beschreiben Lee et al. in Micro-Electro-Mechanical Systems 2000, 413-418, ein Herstellungsverfahren, bei dem in Wachs gefertigte (Kanal)- Strukturen in ein Elastomer eingebettet werden und nachfolgend das Wachs entfernt wird. Nach dem Entfernen des Wachses ist ein mikrofluidisches System mit einem Basiskörper aus dem verfestigten Elastomer gebildet, in dem Kanäle verlaufen. Zum Entfernen des Wachses ist es notwendig, daß nach dem Gießen des Elastomers Wärme angewendet wird, die zum Zerfließen des Wachses führt, was Voraussetzung ist, um das Wachs aus den Kanälen zu entfernen. Hierbei ist es schwierig, das Wachs rückstandsfrei zu entfernen. In dem Dokument US 5,070,606 ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Artikels beschrieben, bei dem Fasern in einem zwei- oder dreidimensionalen Muster angeordnet und anschließend zum Ausbilden eines Körpers mit einem Material umgeben werden. Der Körper kann mit Hilfe des Gießens oder Formens eines Plastik- oder Keramikmaterials hergestellt werden. Der so hergestellte Artikel wird vorzugsweise zum Zirkulieren von Fluiden durch die Kanäle genutzt, beispielsweise als Wärmetauscher.
Aus dem Dokument US 3,554,379 ist weiterhin bekannt, Hohlfasern als Filter zu verwenden. &o. Zu diesem Zweck werden Hohlfasern aufgespannt. Bei dem Filtervorgang findet ein Stofftransport aus dem Inneren der Hohlfaser nach außen statt.
Die Bildung einer Kanalstruktur in einem isolierten Unterstützungsmedium wird auch in dem Dokument US 3,630,779 beschrieben. Hierbei werden Drahtelemente benutzt, um in dem isolierenden Unterstützungsmedium eine Kanalstruktur zu bilden. Die Kanäle der Kanalstruktur werden mit Drähten besetzt, die eine Beschichtung aus einem magnetischen Material aufweisen. Auf diese Weise soll eine Speichereinheit für Computer oder dergleichen geschaf- fen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur und ein verbessertes mikrofluidisches System anzugeben, die es ermöglichen, beliebige dreidimensionale Kanalstrukturen zu erzeugen und die Gestaltungsoptionen bezüglich der mit Hilfe der Kanalstruktur in unterschiedlichen Anwen- dungsfallen zur Verfügung gestellten Funktionalität zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein mil rofluidisches System nach dem unabhängigen Anspruch 18 gelöst.
Die Erfindung umfaßt den Gedanken, zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur, die über wenigstens eine Öffnung mit einer Umgebung des mikrofluidi- sehen Systems in Verbindung steht, Faserelemente zum Ausbilden einer räumlichen Faserelementestruktur in einem Hohlraum eines Formteils aufzuspannen. Bei den Faserelementen handelt es sich um fadenförmige Elemente, die je nach Anwendungsfall hinsichtlich ihrer Querschnittsflächengestaltung als auch des verwendeten Materials individuell ausgewählt werden können. Zur räumlichen Positionierung in dem Hohlraum werden die aufgespannten Faserelemente mit Hilfe einer Haltevorrichtung für ein anschließendes, zumindest teilweises Ausfüllen des Hohlraums fixiert. Mit Hilfe der Haltevorrichtung werden die aufgespannten Faserelemente in einer gewünschten räumlichen Anordnung zueinander in dem Hohlraum gehalten. Hierdurch bleiben die aufgespannten Faserelemente in ihrer Position, wenn an- schließend der Hohlraum zumindest teilweise mit einem strukturbildenden Material ausgefüllt wird, wodurch die räumliche Faserelementestruktur in dem Hohlraum im wesentlichen vollständig von dem strukturbildenden Material umgeben wird. Als strukturbildende Materialien sind beliebige Materialien nutzbar, die in einem Ausgangszustand fließfahig oder verformbar sind, so daß der Hohlraum zumindest teilweise ausgefüllt, insbesondere ausgegossen werden kann, und in einem Endzustand so verfestigt bzw. ausgehärtet sind, daß der anschließende Verfahrensschritt zum Verfestigen/ Aushärten des strukturbildenden Materials in dem Hohlraum ausgeführt werden kann. Durch das Verfestigen wird in dem Hohlraum das mikrofluidische System mit der Kanalstruktur gebildet, welche entlang der Faserelemente verlaufende Kanäle aufweist. Es können beispielsweise sowohl gießfähige Materialien, die in den Hohl- räum gegossen werden, als auch körnige oder granuläre Materialien verwendet werden, die nach dem Einbringen in dem Hohlraum mittels thermischer Prozesse, Sinterns, oder UV- Polymerisation oder dergleichen verfestigt werden, zum Beispiel Thermoplastgranulat oder Polymerkügelchen. Im Fall einer thermischen Behandlung des strukturbildenden Materials können thermisch hinreichend stabile Faserelemente, zum Beispiel Drähte, verwendet wer- den.
Das beschriebene Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß mit Hilfe der Auswahl des strukturbildenden Materials und des Querschnitts für die Faserelemente für beliebige Anwendungsfalle geeignete Kanäle in dem mikrofluidischen System gebildet werden können. Mit Hilfe der Auswahl des Querschnitts der Faserelemente wird der Querschnitt der Kanäle in der Kanalstruktur festgelegt. Die Faserelemente können mit Hilfe der Haltevorrichtung, mit welcher die Faserelemente beispielsweise einfach geklemmt werden, Anwendungsfall abhängig auf sehr verschiedene Weise in der Faserelementestruktur angeordnet werden.
Mit Hilfe der Erfindung ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß auch bei einer Einzelanferti- gung ein mikrofluidisches System mit einer individuell ausgeprägten Kanalstruktur kostengünstig hergestellt werden kann und gleichzeitig funktionelle Elemente wie Filter und Elektroden in einfacher Weise integriert werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Kanalslmktur mit Hilfe der Erfindung auch in Gele, zum Beispiel elektrophoretisch genutzte Trenngele, eingearbeitet werden kann.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß zum Bilden eines Kanalanschlusses im Bereich der wenigstens einen Öffnung in einem Randbereich des Hol l- raums ein Anschlußbauteil angeordnet wird, welches eine oder mehrere der Faserelemente wenigstens teilweise umgreift, und das Anschlußbauteil zumindest teilweise von dem strukturbildenden Material umgeben wird. Hierdurch kann auf einfache Weise eine Anschlußmöglichkeit zum Ein-/Auskoppeln eines Fluids in die Kanalstruktur hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß zum Ausbilden eines Durchflußkanals in der Kanalstruktur wenigstens eines der Faserelemente nach dem Verfestigen des strukturbildenden Materials aus der Kanalstruktur entfernt wird. Hierdurch ist es auf einfache Weise ermöglicht, den Durchflußkanal ohne irgendwelche Rückstände des Materials des entfernten Fasermaterials zu bilden. Dieses ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem nach dem Gießen des mikrofluidischen Systems Wachs mittels Erwärmens aus den Kanälen entfernt werden muß. Das Entfernen eines Faserelements kann jedoch nicht nur zum Ausbilden von Durchflußkanälen sondern auch zum Bilden beliebiger Faserelement freier Kanäle in der Kanalstruktur genutzt werden.
Die Möglichkeiten der Gestaltung der Kanalstruktur sind bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erweitert, daß zum Bilden einer Kanalverbindung zwischen zwei sich kreuzenden Kanälen in der Kanalstruktur beim Aufspannen der Faserelemente in dem Hohlraum zwischen zwei sich kreuzenden Faserelementen eine Kontaktverbindung gebildet wird, in welcher die zwei sich kreuzenden Faserelemente relativ zueinander für das anschließende, zumindest teilweise Ausfüllen des Hohlraums fixiert werden. Hierdurch können Übergänge zwischen Kanälen in der Kanalstruktur auf einfache Weise hergestellt werden.
Die Kontaktverbindung zwischen den sich kreuzenden Faserelementen wird zweckmäßig als eine lösbare Verbindung gebildet. Hierdurch ist es möglich, die beiden sich kreuzenden Faserelemente nach dem Verfestigen des strukturbildenden Materials beide zu entfernen, nachdem die Kontaktverbindung gelöst wurde. Die lösbare Verbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines Haft- oder Klebematerials hergestellt werden, so daß die Verbindung mit Hilfe mechanischer Kraftanwendung, d. h. an den sich kreuzenden Faserelementen wird gezogen, aufgebrochen wird. In einem anderen Fall kann die Verbindung mittels Wärmeanwendung gelöst werden, wenn beispielsweise eine Wachsverbindung verwendet wird.
Das Lösen der Faserelemente von dem verfestigten bzw. ausgehärtetem Material zum vollständigen oder teilweisen Entfernen der Faserelemente aus dem mikrofluidischen System wird bei einer zweckmäßigen Fortbildung der Erfindung dadurch erleichtert, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement mit einem sich verjüngenden Querschnitt verwendet wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß ein oder alle Faserelemente an einem Nadelkamm gebildet sind. Der Nadelkamm kann nach dem Verfestigen des strukturbildenden Materials in dem Hohlraum oder später, unmittelbar vor der beabsichtigten Nutzung des mikrofluidischen Systems in einer Anwendung entfernt werden, wobei hierdurch mehrere Faserelemente auf einmal aus dem mikrofluidischen System herausgezogen werden, was die Handhabung erleichtert. Darüber hinaus ist mit Hilfe des Nadelkamms die Wiederverwendbarkeit von in bestimmter Art und Weise gestalteten Faserelementen erleichtert.
Vorteilhaft sieht eine Ausführangsform der Erfindung vor, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein verdrilltes Faserelement mit wenigstens zwei miteinander verdrillten Fasern verwendet wird. Auf diese Weise wird einem Kanal der Kanalstruktur, in dem das verdrillte Faserelement beim Einbringen des strukturbildenden Materials in dem Hohlraum angeordnet ist, eine Innenwandstruktur verleiht, die das Bilden einer turbulenten Strömung für ein den Kanal durchströmendes Fluid unterstützt. Mit Hilfe der turbulenten Strömung kann beispielsweise das Mischen von Fluiden unterstützt werden, die den Kanal gemeinsam durchströmen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann vorsehen, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) eine Hohlfaser verwendet wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Kanäle in der Kanalstruktur mit einer Oberflächenbeschichtung auf der inneren Kanalwand zu versehen. Die Hohlfaser kann hierbei beispielsweise aus einem durchlässigen oder porösen Material sein, so daß das den Kanal durchströmende Fluid oder Teilverbindungen des Fluids durch die Oberflächenbeschichtung hindurch treten oder in ihr angereichert werden. Zum Ausbilden eines Filterkanals in der Kanalstruktur kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem porösen Material verwendet wird. In diesem Fall ist der Kanal mit dem porösen Material gefüllt, welches beim Durchströmen des Kanals durch das Fluid als Filtermaterial wirkt.
Als Material für ein oder alle Faserelement(e) kann ein Sehnenmaterial verwendet werden, beispielsweise Angelsehne, die in verschiedenen Dicken kostengünstig verfügbar ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem elastisch dehnbaren Material verwendet wird. Die elastische Dehnbarkeit des Materials hat zur Folge, daß beim Ziehen an dem Faserelement in der Regel eine Querschnittsverkleinerung stattfindet, wenn das Faserelement gedehnt wird. Hierdurch entsteht zwischen der Oberfläche des Faserelements und der Innenwand des Kanals ein Zwischenraum, in den das den Kanal durchströmende Fluid eindringen kann. Wird die Zugkraft auf das Faserelement vermindert, so erweitert sich der Querschnitt des Faserele- ments in dem gedehnten Bereich wieder, so daß das in den Zwischenraum eingeströmte Fluid aus dem Zwischenraum gedrängt wird, beispielsweise in dem Kanal vorwärts transportiert wird.
Ein kostengünstiges und mit wenig Aufwand wieder entfernbares Faserelement kann aus einem Drahtmaterial gebildet werden.
Insbesondere bei Anwendungen für analytische Zwecke können in dem Hohlraum beliebige Mikrobauteile eingebracht und zumindest teilweise mit dem strukturbildenden Material umgeben werden, so daß sie nach dem Verfestigen des strukturbildenden Materials in das mikrofluidische System integriert sind. Bei dem Mikrobauteil kann es sich beispielsweise um einen Sensor, insbesondere einen optischen Sensor, oder (mindestens) eine Elektrode handeln. Die Elektrode kann mit einem Strom beaufschlagt werden, was seinerseits zur Beeinflussung der Strömung in der Kanalstruktur des mikrofluidischen Systems genutzt wird.
Ein geeignetes Material zum zumindest teilweisen Ausfüllen des Hohlraums bildet ein Elastomer, beispielsweise PDMS (Poly(Dimethylsiloxan)). Elastomere sind in verschiedensten Zusammensetzungen verfügbar, so daß der Fachmann einen geeigneten Elastomer für den jeweiligen Anwendungsfall auswählen kann. Hierbei sind sowohl die Verarbeitungseigenschaften als auch anwendungsspezifische Materialeigenschaften des verfestigten Materials, zum Beispiel bezüglich optischer Qualität und chemischen Resistenz gegenüber bestimmten Verbindungen, zu beachten, die in dem Anwendungsfall in die Kanalstruktur eingebracht werden sollen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, daß das strukturbildende Material als Zwei-Komponenten-Material angemischt wird. Zwei-Komponenten- Verbindungen sind in vielfältigen Zusammensetzungen verfügbar, so daß das für den jeweiligen Anwendungsfall die geeigneten Eigenschaften aufweisende Material vom Fachmann ausgewählt werden kann. Ein Beispiel für Zwei-Komponenten- Verbindungen sind Polymere, insbesondere hydrophile Gele, Elastomere, Thermoplaste, vernetzbare Polymerkügelchen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung kann ein sogenanntes Hydro- bzw. Thermogel verwendet werden, das bei Veränderung der Temperatur, zum Beispiel einer Temperaturerhöhung von 5°C, reversibel schwellen/schrumpfen. In Verbindung mit den Faserelementen/Kanälen sind auf diese Weise ein steuerbares mikrofluidisches Systeme herstellbar.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, daß in Bereichen einer Oberfläche des strukturbildenden Materials eine Oberflächenfunktionalisierung ausgeführt wird. Auf diese Weise können beispielsweise mit Hilfe einer biochemischen Nachbehandlung hydrophobe oder hydrophile Oberflächen gebildet werden. Eine solche Oberflächenfunktionali- sierung ist beispielsweise bei Verwendung von PDMS als strukturbildendes Material möglich.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass das in dem Hohlraum verfestigte, strukturbildende Material zum Bilden von mehreren mikrofluidischen Teilsystemen mit einer jeweiligen Kanalstruktur geteilt wird. Hierdurch kann zunächst ein Netzwerk von Kanalstrukturen hergestellt werden, welches dann zur Bildung von mehreren einzelnen mikrofluidischen Teilsystemen zerteilt wird, beispielsweise mittels Schneidens.
Die in den abhängigen Unteransprüchen zu dem mikrofluidischen System genannten Fortbildungen der Erfindungen weisen die im Zusammenhang mit den zugehörigen Merkmalen in den abhängigen Verfahrensansprüchen genannten Vorteile entsprechend auf. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur; Figur 2 eine schematische Darstellung eines Gradientenmischers auf Basis eines mikrofluidischen Systems;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems zum elektro- phoretischen Fraktionieren von Proteinen;
Figur 4 schematische Darstellung eines weiteren mikrofluidischen Systems im Quer- schnitt;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Filtereinrichtung auf Basis eines mikrofluidischen Systems; und
Figur 6 eine schematische Darstellung einer Ventileinrichtung auf Basis eines mikrofluidischen Systems.
Figur 1 zeigt eine schematisch Darstellung einer Anordnung mit einer verzweigten Kanalstruktur 1 in einem Basiskörper 2. An einem als Haltevorrichtung dienenden Rahmen 3 einer Gußform 4, in welcher der Basiskörper 2 in einem Hohlraum 5 angeordnet ist, sind seitlich mehrere Kanalanschlußbauteile 6 befestigt, die kanülenartig ausgebildet sind. Durch horizontal verlaufende Kanalanschlußbauteile 6a sind Faserelemente 7 in den Hohlraum 5 der Gußform 4 eingeführt. Durch vertikal verlaufende Kanalanschlußbauteile 6b sind Hohlfasern 8 geführt. Die Faserelemente 7 und die Hohlfasern 8 sind jeweils an dem Rahmen 3 befestigt, so sie in dem Hohlraum 5 aufgespannt und räumlich zueinander fixiert sind, beispielsweise können die Enden der Faserelemente 7 und der Hohlfasern 8 um eine Halterung an dem Rahmen 3 gewickelt werden oder an dem Rahmen 3 in Schlitzen geklemmt werden.
Vor dem zumindest teilweisen Ausgießen des Hohlraums 5 in der Gußform 4 mit Elastomer (z. B. PDMS) wurden die Hohlfasern 8 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit Agaro- segel gefüllt. Nach dem Erstarren des eingegossenen Elastomers ist die Kanalstruktur 1 mit entlang der Faserelement 7 und der Hohlfasern 8 verlaufenden Kanälen 7', 8' in dem Basiskörper 2 gebildet. Zunächst können dann die Faserelemente 6 entfernt werden, um Durch- flußkanäle zu bilden, die von einem Fluid durchströmt werden können. Anschließend kann die Anordnung in Figur 1 erwärmt werden, beispielsweise auf 100°C, wodurch die Agarose- füllung in den Hohlfasern 8 verflüssigt wird und abgesaugt werden kann, so daß entlang der Kanäle 8' Kanäle gebildet werden, die auf der Innenwand des Kanals jeweils eine Beschichtung aufweisen, nämlich die Wandung der Hohlfaser 8. Im Ergebnis entsteht die räumlich verzweigte Kanalstruktur 1, wobei das Entfernen der Faserelemente 7 und/oder der Füllung der Hohlfasern 8 unmittelbar nach dem Erstarren des Elastomers oder zu einem späteren Zeitpunkt, direkt vor der Verwendung des mikrofluidischen Systems zu Anwendungszwecken, beispielsweise in der biochemischen oder der biologischen Analytik, erfolgen kann. Mit Hilfe der eingegossenen Kanalanschlußbauteile 5 sind Anschlußmöglichkeiten zum Ein-/Auskop- peln von Fluiden in die/aus den Kanälen 7', 8' geschaffen.
Das beschriebene Vorgehen, nach dem Fasern, die in verschiedener Weise ausgeführt sein können, beispielsweise als Faden aus Textilmaterial oder Kunststoff oder Draht, zum Ausbilden einer räumlichen Anordnung aufgespannt und der Hohlraum mit den aufgespannten Fasern dann zumindest teilweise ausgegossen wird, ist allen hier beschriebenen Ausführungs- formen gemeinsam. Bei Verwendung von Faserelementen aus Draht können diese bei Verbleib in dem verfestigten Material zum Einleiten elektrischer Felder in dem verfestigten Material genutzt werden, was für Elektrophorese, Dielektrophorese oder aber auch zum Steuern des strukturbildenden Material beim Einbringen in den Hohlraum genutzt werden kann, beispielsweise mittels Heizens (Widerstand)/Kühlens (passiv) oder elektrischer Wirkung, wenn das strukturbildende Material direkt mit einem elektrischen Feld wechselwirkt.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gradientenmischers 20 auf Basis eines mikrofluidischen Systems. An einer entfernbaren Haltevorrichtung 21 sind Zuläufe 22, 23 sowie Abläufe 24 angeordnet. Zwei senkrechte Mikrofasern 25 stellen eine Verbindung zu den Zuläufen 22, 23 sowie vier waagerechten, hohlen Querkanälen 26a, 26b, 26c, 26d her. In den Querkanälen 26a, 26b, 26c, 26d stellt sich eine Mischung aus den durch die Zugänge 22, 23 einströmenden Lösungen ein. Dieses Verhältnis wird hauptsächlich durch die Strömungswiderstände in den Mikrofasern 25 festgelegt. So hat beispielsweise der obere Querkanal 26a eine direkte, kurze Verbindung zu dem Zulauf 22 und eine lange Verbindung zu dem Zulauf 23. Dementsprechend liegt das Mischungsverhältnis im Querkanal 26a näher bei der durch den Zulauf 22 einströmenden Lösung. Man erkennt, daß das Mischungsverhältnis im wesentlichen über die geometrischen Abmessungen der Kanalstruktur festgelegt werden kann, und daß sich dieses Prinzip auf Fälle übertragen läßt, in denen mehr als zwei Fluide zu vermischen sind.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Systems 30 zum elektro- phoretischen Fraktionieren von Proteinen. Ein entfernbares Rähmchen 31 nimmt einen Basis- körper 32 aus einem Elektrophoresegel auf. Letzteres wurde in der auf Figur 1 erläuterten Weise mit Kanälen 33-37 versehen. Die beiden größeren Außenkanäle 33, 37 nehmen eine Anode bzw. eine Kathode auf (nicht dargestellt) und werden von Elektrodenpuffern durchströmt. Das so gebildete elektrische Feld ist daher quer zu den drei mittleren Kanälen 34-36 ausgerichtet. Der zentrale Kanal 35 nimmt eine zu fraktionierende Proteinprobe auf, die be- nachbarten Kanäle 34 und 36 werden von Pufferlösungen durchspült. Über die Wahl von pH- Werten dieser Pufferlösungen wird festgelegt, welche(s) der Proteine im zentralen Kanal 35 verbleibt. Um den zentralen Kanal 35 mit einer definierten Proteinmenge zu füllen, wird die Proteinprobe vorzugsweise beim Entfernen des zur Herstellung des zentralen Kanals 35 benutzte Faserelements (vgl. Figur 1) in den zentralen Kanals 35 eingeführt, d. h. es wird die beim Entfernen des Faserelements entstehende Spritzensogwirkung ausgenutzt. In ähnlicher Weise kann eine Teilmenge der Proteinprobe wieder aus dem zentralen Kanal 35 gedrückt werden, indem das Faserelement wieder ein Stück in den Kanal 35 zurück eingeführt wird. Alternativ kann die gezeigte Anordnung benutzt werden, um den pH- Wert in den Kanälen 34- 36 einzustellen, beispielsweise mittels Diffusion unterschiedlicher Lösungen aus Querkanä- len, d. h. die Anordnung ist als pH-Stat einsetzbar. Auf diese Weise ist das Einstellen chemischer Gradienten in den Kanälen 33-37 und/oder auf den Oberflächen der Kanäle 33-37 möglich.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren mikrofluidischen Systems 40 im Querschnitt. Das mikrofluidische System umfaßt ein verfestigtes Grundmaterial 41, bei- spielsweise ein Gel, einen Hauptkanal 42 sowie Querkanäle 43, 44, 45 (mindestens 2), die mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Konzentration ca, cD, cc einer Substanz oder auch mehrerer Substanzen durchströmt werden. Die Querkanäle 43, 44, 45 können einen direkten fluidischen Kontakt zum Hauptkanal 42 haben oder beim Verwenden von Gelen diffusiv angekoppelt werden. Auf den Hauptkanal 42 kann verzichtet werden (oder er ist nach oben offen), wenn chemische Gradienten auf Oberflächen erzeugt werden sollen, zum Beispiel zur Untersuchung von Chemotaxis bei Zellen. In einer weiteren Ausführungsform können zusätzlich im oberen Bereich weitere Querkanäle verlaufen (z.B. für homogenere Gradienten). In einer anderen Variante werden um den Hauptkanal 42 verdrillt verlaufende "Querkanäle" angebracht (nicht dargestellt), um so bei einfachster Fluidik periodische Konzentrationsgradienten in dem mikrofluidischen System 40 zu erzeugen.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Filtereinrichtung 50 auf Basis eines mi- krofluidischen Systems. Ein als Haltevorrichtung dienender, lösbar montierter Rahmen 51 hält Faserelemente 52, 53. Auf den horizontalen Faserelementen 52 wird ein Stück Filterpapier 54 positioniert und mit den vertikalen Faserelementen 53 festgeklemmt. Das Filterpapier 54 ist in einem Bereich 55 mit Agar-Arealen bedruckt, so daß durch kurzes Erwärmen ein guter Kontakt zwischen den beispielsweise als Sehnen ausgebildeten Faserelementen 52, 53 und dem Filterpapier 54 hergestellt werden kann. Anschließend wurde die Anordnung mit Elastomer ausgegossen. Nach dem Aushärten des Elastomers können die Faserelemente 52, 53 entfernt werden, die so entstehenden Kanäle stehen über Bereiche 55 des Filterpapiers 54 untereinander in Verbindung. Durch Form und Ausdehnung der Agarose-Bereiche 55 sowie durch das Auswaschen der Agarose kann definiert werden, welche Kanäle in welchem Um- fang miteinander in Verbindung stehen und welche Bereiche als Filterareale wirksam sind.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ventileinrichtung auf Basis eines mikrofluidischen Systems. Ein sehnenartiges Faserelement 60 wird mit einem wasserlöslichen Klebstoff an eine Innenwandung eines Kapillarstücks 61 geheftet. Anschließend wird das Kapillarstück 61 mit einem Elastomer 62 (z. B. PDMS) ausgegossen und nachfolgend das Faserelement 60 entfernt. Die verbleibende Elastomer-Struktur 62 hat Ventil Wirkung: Ein von links in das Kapillarstück 60 strömendes Fluid hebt die Elastomer-Struktur 62 und macht so den Strömungsweg frei, wohingegen ein von rechts strömendes Fluid die Elastomer-Struktur 62 gegen die Innenwandung preßt und den Strömungskanal verschließt. Verbindet man zwei derartige Ventileimichtungen mit einem Silikonschlauch, erhält man die Grundstruktur einer Pumpe.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
Mikrofluidisches System mit einem Basiskörper aus einem strukturbildenden Material, in dem eine Kanalstruktur mit Kanälen und wenigstens einer nach außen führende Öffnung gebildet ist, wobei die Kanäle miteinander diffusiv gekoppelte Kanäle umfassen.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß mit Hilfe eines in einem Randbereich des Hohlraums angeordneten Anschlußbauteils, welches im Bereich der Öffnung eine oder mehrere der Faserelemente wenigstens teilweise umgreift, ein Kanalanschluß gebildet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz eichnet, daß ein oder alle Faserelement(e) einen sich verjüngenden Querschnitt aufweisen.
4. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e nn - z eichnet, daß ein oder alle Faserelemente an einem Nadelkamm gebildet sind.
5. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß ein oder alle Faserelement(e) ein verdrilltes Faserelement mit wenigstens zwei miteinander verdrillten Fasern sind.
6. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß ein oder alle Faserelement(e) eine Hohlfaser sind oder andere im Querschnitt inhomogene, z.B. mehrschalig aufgebaut Fasern verwendet werden.
7. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzei chnet, daß ein oder alle Faserelement(e) aus einem porösen Material sind.
8. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß ein oder alle Faserelement(e) aus einem Sehnenmaterial sind.
9. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß ein oder alle Faserelement(e) aus einem elastisch dehnbaren Material sind.
10. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß ein oder alle Faserelement(e) aus einem elektrisch leitenden Material sind.
11. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichnet, daß ein oder alle Faserelement(e) verschiebbar in dem Basiskörper angeordnet sind, wodurch eine spritzenähnliche Sog-/Ausstoßfunktion beim Verschieben des einen oder aller Faserelement(e) gebildet ist.
12. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennz eichnet durch ein Sensorbauteil, welches zumindest teilweise von dem strukturbildenden Material umgeben ist.
13. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennz eich- n e t durch ein Elektrodenbauteil, welches zumindest teilweise von dem strukturbildenden
Material umgeben ist.
14. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz ei chnet, daß das strukturbildende Material ein Elastomer ist.
15. Mikrofluidisches System nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennz eichn et, daß strukturbildende Material ein Zwei-Komponenten-Material ein.
16. Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur, die über wenigstens eine Öffnung mit einer Umgebung des mikrofluidischen Systems in
Verbindung steht, wobei bei dem Verfahren:
- Faserelemente zum Ausbilden einer räumlichen Faserelementestruktur in einem Hohlraum eines Formteils aufgespannt werden;
- zur räumlichen Positionierung in dem Hohlraum die aufgespannten Faserelemente mit Hilfe einer Haltevorrichtung für ein anschließendes, zumindest teilweises Ausfüllen des Hohlraums fixiert werden;
- der Hohlraum zumindest teilweise mit einem strukturbildenden Material ausgefüllt wird, wodurch die räumliche Faserelementestruktur in dem Hohlraum im wesentlichen vollständig von dem strukturbildenden Material umgeben wird; und - das strukturbildende Material in dem Hohlraum verfestigt wird, wodurch das mikrofluidische System mit der Kanalstruktur gebildet wird, die entlang der Faserelemente in der räumlichen Faserelementstruktur verlaufende Kanäle aufweist, wobei die Kanäle wenigstens teilweise als miteinander diffusiv gekoppelte Kanäle gebildet wer- den.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch g ekennz ei chnet, daß zum Bilden eines Kanalanschlusses im Bereich der wenigstens einen Öffnung in einem Randbereich des Hohlraums ein Anschlußbauteil angeordnet wird, welches eine oder mehrere der Fa- serelemente wenigstens teilweise umgreift, und das Anschlußbauteil zumindest teilweise von dem strukturbildenden Material umgeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennz ei chnet, daß zum Ausbilden eines hohlen Durchflußkanals in der Kanalstruktur wenigstens eines der Faserelemente nach dem Verfestigen des strukturbildenden Materials aus der Kanalstruktur entfernt wird.
19. Verfahren nach einem Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennz ei chnet, daß zum Bilden einer Kanalverbindung zwischen zwei sich kreuzenden der Kanäle in der Kanal- Struktur beim Aufspannen der Faserelemente in dem Hohlraum zwischen zwei sich kreuzenden der Faserelemente eine Kontaktverbindung gebildet wird, in welcher die zwei sich kreuzenden Faserelemente relativ zueinander für das anschließende, zumindest teilweise Ausfüllen des Hohlraums fixiert werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch g ekennz ei chnet, daß die Kontaktverbindung als lösbare Verbindung gebildet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennz ei chnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement mit einem sich verjün- genden Querschnitt verwendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennz ei chnet, daß ein oder alle Faserelemente an einem Nadelkamm gebildet sind.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gek ennz ei chnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein verdrilltes Faserelement mit wenigstens zwei miteinander verdrillten Fasern verwendet wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzei chnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) eine Hohlfaser verwendet wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennz eichnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem porösen Mate- rial verwendet wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennz eichnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem Sehnenmaterial verwendet wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennz eichnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem elastisch dehnbaren Material verwendet wird.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch g ekennz eichnet, daß als Faserelement für ein oder alle Faserelement(e) ein Faserelement aus einem Drahtmaterial verwendet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, dadurch gekennz ei chnet, daß in dem Hohlraum ein Sensorbauteil eingebracht und zumindest teilweise mit dem strukturbildenden Material umgeben wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, dadurch gekennzei chn et, daß in dem Hohlraum ein Elektrodenbauteil eingebracht und zumindest teilweise mit dem strukturbildenden Material umgeben wird.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß als strulcturbildendes Material ein Polymermaterial, beispielsweise ein Elastomer verwendet wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 31, dadurch gekennz eichnet, daß das strukturbildende Material als Zwei-Komponenten-Material angemischt wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 32, dadurch g ekennzei chnet, daß in Bereichen einer Oberfläche des strukturbildenden Materials eine Oberflächenfunktionali- sierung ausgeführt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 33 , dadurch gekennz eichnet, daß das in dem Hohlraum verfestigte, strukturbildende Material zum Bilden von mehreren mi- krofluidischen Teilsystemen mit einer j eweiligen Kanalstruktur geteilt wird.
PCT/DE2004/001087 2003-06-02 2004-05-26 Verfahren zum herstellen eines mikrofluidischen systems mit einer kanalstruktur und mikrofluidisches system Ceased WO2004108285A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10324850.1 2003-06-02
DE10324850A DE10324850A1 (de) 2003-06-02 2003-06-02 Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Systems mit einer Kanalstruktur und mikrofluidisches System

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2004108285A1 true WO2004108285A1 (de) 2004-12-16
WO2004108285A8 WO2004108285A8 (de) 2005-05-12

Family

ID=33494789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2004/001087 Ceased WO2004108285A1 (de) 2003-06-02 2004-05-26 Verfahren zum herstellen eines mikrofluidischen systems mit einer kanalstruktur und mikrofluidisches system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE10324850A1 (de)
WO (1) WO2004108285A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11076480B2 (en) 2019-01-29 2021-07-27 At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier with embedded filament

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3767759A (en) * 1970-05-27 1973-10-23 Akademie Ved Method of molding capillary drain for surgery
US5070606A (en) * 1988-07-25 1991-12-10 Minnesota Mining And Manufacturing Company Method for producing a sheet member containing at least one enclosed channel

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3630799A (en) * 1966-06-06 1971-12-28 Thomas & Betts Corp Method of making a supporting medium having a plurality of spaced holes
US3554379A (en) * 1969-06-10 1971-01-12 Du Pont Desalination apparatus and process of manufacture using improved, nitrogenous membranes

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3767759A (en) * 1970-05-27 1973-10-23 Akademie Ved Method of molding capillary drain for surgery
US5070606A (en) * 1988-07-25 1991-12-10 Minnesota Mining And Manufacturing Company Method for producing a sheet member containing at least one enclosed channel

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11076480B2 (en) 2019-01-29 2021-07-27 At&S Austria Technologie & Systemtechnik Aktiengesellschaft Component carrier with embedded filament

Also Published As

Publication number Publication date
DE10324850A1 (de) 2005-01-05
WO2004108285A8 (de) 2005-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60303107T2 (de) Vorrichtung zum Einspritzen und Mischen von flüssigen Mikrotröpfchen
DE60207708T2 (de) Mikrofluidik-Systeme zum Kombinieren diskreter Fluidvolumen
DE60307552T2 (de) Vorrichtung zum Austragen kleiner Volumen Flüssigkeit einer Mikrokettenlinie entlang
DE60035611T2 (de) Mikrofluid-analysevorrichtung
DE112011103579B4 (de) Mehrschichtiger Mikrofluidik-Sondenkopf mit lmmersionskanälen und Herstellung davon
DE19948473A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Messen an in einer flüssigen Umgebung befindlichen Zellen
EP1348122B1 (de) Elektrophoresevorrichtung, elektrophoreseverfahren unter verwendung einer elektrophoresevorrichtung und verwendung der elektrophoresevorrichtung
DE102009005925B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Handhabung von Biomolekülen
LU505730B1 (de) Eine zellelektrofusionschipvorrichtung und präparationsverfahren basierend auf einer anordnung von gepaarten strukturen mit bilateralen flussfeldern
EP3638769B1 (de) Verfahren für die kultivierung von zellen
WO2004108285A1 (de) Verfahren zum herstellen eines mikrofluidischen systems mit einer kanalstruktur und mikrofluidisches system
DE102004031424B4 (de) Mikrochemischer Chip und Verfahren zu dessen Herstellung
EP2688670B1 (de) Fluidisches system zur blasenfreien befüllung einer mikrofluidischen filterkammer
EP2525225B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Untersuchung der Differenzierung von Zellen
EP1455943B1 (de) Einrichtungen und verfahren zur verarbeitung biologischer oder chemischer substanzen oder deren substanzgemische
EP1353172A1 (de) Kassette, System und 2D-Gelelektrophorese-Verfahren zum Trennen von Molekülen
DE102023125347B3 (de) Mikrosystembauelement
DE19917327C2 (de) Dosiervorrichtung und Verfahren zur Dosierung und zum Transfer von kleinen Mengen eines Fluids
EP1202792B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur elektrophoretischen trennung von partikeln, insbesondere von makromolekülen
DE102024114091A1 (de) Schicht mit mikrostrukturierter Oberfläche
DE19536668C1 (de) Elektrodialysevorrichtung und -verfahren
EP1312456B1 (de) Verfahren zum Herstellen von Mikro-Fluidikkomponenten
DE602005003768T2 (de) Modulares System für Gelelektrophoresegerät
DE102005042884B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von kugel- oder schlauchförmigen künstlichen Membranen
EP1404447B1 (de) Analysevorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
CFP Corrected version of a pamphlet front page
CR1 Correction of entry in section i

Free format text: IN PCT GAZETTE 51/2004 UNDER (72, 75) REPLACE ""SCHNELLE, THOMAS (DE/DE); KOEPPENSTRASSE 65, 10243 BERLIN (DE)"" BY ""SCHNELLE, THOMAS (DE/DE); KOPPENSTRASSE 65, 10243 BERLIN (DE)""

122 Ep: pct application non-entry in european phase