Home

Weitere Infos:

Mikrofluidik

Klinische Chemie

Medizinische Chemie

Aktuelles

Mehr Chemie Nachrichten

Neueste Forschungsartikel

Stellenmarkt Chemie

Chemie A bis Z

Index Chemie

Chemikalien

Produkte und Firmen

About Internetchemie

Internetchemie

Impressum

English News

Publiziert am 17.12.2008

Lab-on-a-Chip Foundry Service

 
Mikrofluidiklösungen für Labor und Medizin.

Das HSG-IMIT präsentiert die neusten Mikrofluidiksysteme für die Vollblutanalyse durch Nukleinsäureanalytik, Immunoassays und klinische Chemie. Das HSG-IMIT ist der Spezialist für die Miniaturisierung und Automatisierung von Laborsystemen (Lab-on-a-Chip).

Im Mittelpunkt steht dabei der neue Lab-on-a-Chip Foundry Service, eine Dienstleistung für Unternehmen der Biotechnologie- und Diagnostikbranche. Der Lab-on-a-Chip Foundry Service bietet das komplette Engineering für die Miniaturisierung und Automatisierung biochemischer Assays an. Innerhalb kürzester Zeit können Prototypen für individuelle Anwendungen entwickelt und gefertigt werden.

So können beispielsweise medizinisch relevante Blutwerte durch Immunoassays und DNA-Analysen für die in vitro Diagnostik miniaturisiert, integriert und automatisiert werden. Das spart Kosten und Zeit durch verminderten Reagenzienverbrauch und die sofortige Bereitstellung der Ergebnisse. Eine entscheidende Neuerung stellt dafür die Fertigung der Systeme in Folientechnik dar. So ähneln die neuesten Mikrofluidiksysteme einer Blisterverpackung für Tabletten. Die erforderlichen Reagenzien werden im System vorgelegt und die Fluidik zur Ausführung des Assays ist bereits in der Verpackung enthalten, besonders attraktiv sind diese Systeme für die kostengünstige Fertigung großer Stückzahlen in einem Form-Fill-Seal Prozess attraktiv.

Das Lab-on-a-Chip Konzept ermöglicht automatisierte, schnelle Vor-Ort-Analysen in den Bereichen Diagnostik, Bioanalytik, Verfahrens- und Umwelttechnik. Anwendungsspezifisch entwickelt das HSG-IMIT mikrofluidische Systeme nach dem Plattformprinzip. Als Plattform wird ein Grundsystem bezeichnet, auf dem sich eine Reihe verschiedener Funktionselemente wie Schalter, Ventile, Mischer und deren Verbindungen sich nach einem gemeinsamen Prinzip realisieren lassen. Dabei setzt das HSG-IMIT primär auf das Prinzip von zentrifugal getriebenen mikrofluidischen Systemen. Ein wichtiges Beispiel ist die BioDisk des HSG-IMIT - ein Laborsystem im DVD Format. Das HSG-IMIT ist dabei breit aufgestellt und verfügt über Kompetenz in Engineering und Herstellungsprozesse, Handling und Prozessierung kleinster Flüssigkeitsmengen, biotechnologische Verfahren bis hin zur Handhabung von pathogenen Viren und Bakterien. Bei dem 1955 gegründeten Forschungs- und Entwicklungsdienstleister steht eine umfangreiche Bibliothek fluidischer Funktionselemente und Layouts vor allem für die zentrifugale Plattform zur Verfügung. Damit wurden beispielsweise bereits erfolgreich Verfahren für komplexe DNA-Analysen (mit Real-Time PCR) miniaturisiert - sogar für die Vollblutdiagnose. Mit diesen können z.B. Antibiotikaresistenzen von Bakterien schnell und kostengünstig vor Ort - am Point of Care - erkannt werden um die richtige Therapie einzuleiten.

Foundry Service: der schnelle Weg zum serienreifen Analysechip

Für die günstige und schnelle Miniaturisierung analytischer Assays in automatisierte, mikrofluidische Systeme (Lab-on-a-Chip) bietet das HSG-IMIT eine neue Dienstleistung an: den Lab-on-a-Chip Foundry Service. Das Institut der Hahn-Schickard-Gesellschaft aus Villingen-Schwenningen stellte den Service erstmals auf der BioTechnica 2008 in Hannover der Fachwelt vor.

Das Engineering-Angebot richtet sich an Unternehmen, die auf dem Gebiet der Analytik und Diagnostik tätig sind, aber auch an Forschungseinrichtungen. Besonders den Firmen der Biotechnologie-Branche soll die Möglichkeit gegeben werden neu entwickelte Assays zügig als Lab-on-a-Chip Systeme zu realisieren um sie selbständig zu vermarkten. Durch Nutzung des Lab-on-a-Chip Foundry Service müssen sie dazu keine eigenen Kompetenzen im Bereich der Mikrosystemtechnik und Mikrofluidik aufbauen.

In kürzester Zeit kann ein Prototyp vom Lab-on-a-Chip Foundry Service des HSG-IMIT nach Kundenbedürfnissen bereitgestellt werden. Die Miniaturisierung und Integration erfolgt in einem systematischen und modularen Entwicklungsprozess, der die Entwicklungszeit mikrofluidischer Systeme entscheidend verkürzt. Damit reagiert das Institut auf die gestiegene Nachfrage nach einer schnellen Lieferung von Testmustern als wichtigen Schritt in der Produktentwicklung.

Die Mikrosystemtechnik kann in diesem Anwendungsgebiet einige ihrer originären Vorteile wirkungsvoll ausspielen: Die speziellen Gesetzmäßigkeiten der Mikrofluidik erlaubt, dass die Handhabung von Flüssigkeiten für komplexe präparative oder analytische Protokolle in einer kompakten Kartusche benutzerfreundlich untergebracht werden können. Die in den Mikrodimensionen gut kontrollierbaren Strömungs- und Temperaturverhältnisse erlauben chemische Prozesse unter gut reproduzierbaren Bedingungen und bei hohen Konzentrations- und Temperaturgradienten zu fahren. Zudem verbrauchen mikrofluidische Systeme weniger Reagenzien als herkömmliche Verfahren und ermöglichen somit eine Kostenreduzierung für den Anwender. Eine entscheidende Neuerung stellt dafür die Fertigung der Systeme in Folientechnik dar. So ähneln die neuesten Mikrofluidiksysteme einer Blisterverpackung für Tabletten. Für diese Systeme wird noch weniger Material verbraucht ohne daß die Funktion dadurch negativ beeinflusst wird.

Der Miniaturisierung stand bisher oft der hohe Entwicklungsaufwand und die damit verbundenen Kosten und Risiken entgegen. Das HSG-IMIT hat sich zum Ziel gesetzt diese Barriere für den Martkeintritt zu verringern. Dazu dient der systematische Entwicklungsprozess des Lab-on-a-Chip Foundry Service. Dabei wird ein Assay zuerst schematisch in einzelne Schritte (engl. LUO's = Laboratory Unit Operations) zerlegt. Diese einzelnen Schritte werden in bereits bestehende, validierte mikrofluidische Funktionselemente wie Schalter, Ventile, Mischer oder Extraktionsstrukturen übersetzt. Ein neues Design wird damit hauptsächlich durch die Verknüpfung bereits erprobter Strukturen erzeugt. Das führt zu kurzen Entwicklungszeiten und begrenzt die Risiken.

Bei der Entwicklung setzt der Lab-on-a-Chip Foundry Service des HSG-IMIT primär auf zentrifugale Geräte in Kombination mit kostengünstigen Kunststoffkartuschen oder Disks. Diese sogenannte zentrifugale Plattform hat sich dabei als robust und vielseitig erwiesen, da nur durch Ändern von Drehrichtung und Drehzahl im zentrifugalen Gerät verschiedenste Funktionen realisiert werden können. Durch das Zentrifugalprinzip entstehen hohe Drücke und Kräfte direkt auf der Disk ohne externe Anschlüsse. Dies ermöglicht einen Verzicht auf komplexe Komponenten, wie Dichtungen, aktive Ventile oder Pumpen. In vielen anderen Lab-on-a-Chip Systemen sind diese dagegen unverzichtbar und treiben deren Kosten in die Höhe. Erfahrungen liegen mit verschiedensten Assaytypen vor, so wurden bereits Immunoassays (Antikörper basierte Tests), Nukleinsäureanalysen (DNA) mit Real-Time PCR und Vollblutanalysen erfolgreich implementiert.

Das Institut bringt eine Fülle von Einzelleistungen und Kompetenzen in den Lab-on-a-Chip Foundry Service ein. Neben der Mikrofluidik an sich zählen dazu vor allem das Rapid Prototyping mit Lithographie, Mikrofräsen, Beschichtungstechniken, Siegeln, Heißprägen und Thermoformen von Folien. Eine Bibliothek mit fluidischen Funktionselementen, Layouts und Testverfahren, sowie Herstellungsverfahren steht zur Verfügung. Das Institut verfügt über ein eigenes, 600 Quadratmeter großes Reinraumlabor sowie ein biologisches Labor in dem Tests auch mit pathogenen Bakterien und Viren durchgeführt werden.

Mit dem Lab-on-a-Chip Foundry Service stellt das HSG-IMIT in allen Bereichen das nötige Know-How und die Technologien für das Prototyping von analytischen Mikrofluidiksystemen zur Verfügung. Darüber hinaus ermöglicht das Institut die Entwicklung von kundenspezifischen Auslesegeräten und arbeitet mit Unternehmen für die Serienproduktion von mikrofluidischen Chips zusammen. Mit diesem Netzwerk und der engen Kooperation mit dem Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg, wo aktuellste Forschungen im Bereich Lab-on-a-Chip stattfinden, positioniert sich das HSG-IMIT als kompetenter Entwicklungspartner für die Biotechnologiebranche.

Lab-on-a-Chip:
Automatisierte Blutdiagnostik und Nukleinsäureanalytik mit Mikrofluidiksystemen

Lab-on-a-Chip Technologien auf Basis mikrofluidischer Systeme eröffnen der medizinischen Diagnostik, der Biotechnologie und der Verfahrenstechnik vielfältige Möglichkeiten. Davon ist das Institut für Mikro- und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMIT) überzeugt und präsentierte auf der BioTechnica 2008 die aktuellsten Entwicklungen im Bereich Lab-on-a-Chip. Beispielhafte Anwendungen sind die patientennahe, automatisierte Bestimmung medizinisch relevanter Blutwerte auf Basis von Verfahren der klinischen Chemie, Immunoassays aber auch der DNA - Analytik mittels Real-Time PCR.

Für die automatisierte Extraktion und Analyse von z.B. Nukleinsäuren (DNA) aus Vollblut wurden zentrifugal betriebene Kartuschen entwickelt. Das sind monolithische (aus einem Material aufgebaut) Kunststoffmodule mit Strukturen im Mikrometermaßstab. Sie ermöglichen exaktes Handling kleinster Flüssigkeitsmengen. Der Transport der Flüssigkeiten durch die Kanäle und Kammern in den Kartuschen erfolgt durch Rotation in einem Analysegereät nach dem Prinzip einer Zentrifuge. Im Wechselspiel mit Kapillarkräften in speziell konstruierten Mikrostrukturen werden die Zentrifugalkräfte genutzt, um Flüssigkeiten auf verschiedenste Art und Weise zu bewegen. Dadurch können komplexe Analyseprozesse realisiert werden. So können Nukleinsäuren extrahiert und untersucht werden, aber auch die genaue Bestimmung der Konzentrationen von Hormonen und Serumproteinen durch Immunoassays ist möglich.

Das Lab-on-a-Chip Konzept des HSG-IMIT besteht aus einer für die jeweilige Anwendung konfektionierte Disk oder Kartusche mit Mikrofluidikstrukturen und einem Lesegerät. Damit stellt sich das HSG-IMIT den gestiegenen Marktanforderungen der gesamten Laborwelt: Es wird eine leichte Handhabung und niedrige Kosten mit schnellen und präzisen Ergebnissen verlangt, bei immer kleiner werdenden Probe- und Reagenzienmengen aber auch höheren Durchsätzen.

Das Lab-on-a-Chip Konzept eröffnet u.a. der Medizin neue Möglichkeiten: Da unsere miniaturisierten Systeme ohne komplexe, manuelle Arbeitsschritte betrieben werden, können künftig aufwendige Bluttests direkt vom Hausarzt oder auch vom Patienten selbst durchgeführt werden. Infektionen wie Hepatitis oder die Risikoindikatoren für Herz-, Leber- und Nierenkrankheiten werden schneller und günstiger erkannt und entsprechend früher behandelt. Möglich sind klassische Analysen wie Glukose-, Alkohol-, oder Hämatokritmessungen aber auch biologisch komplexe Nachweise von gegen Antibiotika resistenten Bakterien oder von Viren, durch Immunoassays (Antikörper basierte Tests) oder über die DNA-Analyse mittels Real-Time PCR.

Das Lab-on-a-Chip Konzept bietet auch Lösungen für Analysen in der Gen-, Labor-, und Umwelttechnik. Darüber hinaus kann es die Entwicklung biochemischer Substanzen unterstützen. Reaktionen in den Dimensionen, die die Mikrofluidik ermöglicht, verbrauchen weniger teure Reagenzien und sind schneller als Reaktionen in makroskopischen Gefäßen. Zudem können sehr viele verschiedene Analysen auf einer Disk zeitgleich durchgeführt werden. Das führt zu einer Effizienzsteigerung gegenüber herkömmlichen Methoden. So entstehen für Anwender auch wirtschaftliche Vorteile.

Den Life Science Branchen bietet das HSG-IMIT an konkrete Anwendungen, Prototypen und Vorserien sowie komplette Geräte zu entwickeln. Für die besonders schnelle Miniaturisierung wurde dieses Jahr extra der Lab-on-a-Chip Foundry Service des HSG-IMIT gründet. Durch einen systematischen Entwicklungsansatz will der Lab-on-a-Chip Foundry Service in Zukunft ganze Assays in kürzester Zeit als zentrifugales Lab-on-a-Chip System realisieren.

Die entwickelten Systeme, einzelne Kartuschen oder komplette BioDisks sind kompatibel mit Konzepten der kostengünstigen Massenfertigung. Eine entscheidende Neuerung stellt dafür die Fertigung der Systeme in Folientechnik dar. So ähneln die neuesten Mikrofluidiksysteme einer Blisterverpackung für Tabletten. Für diese Systeme wird noch weniger Material verbraucht ohne daß die Funktion dadurch negativ beeinflusst wird.