Papiebasierte Mikrofluidik

Stefan Reschke, Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff

Der Werkstoff Papier, ein über Abseihen aus wässriger Vorlage gewonnener flächiger Faserfilz aus üblicherweise organischen Bestandteilen, ist aus China schon über 1900 Jahre bekannt. In seiner heutigen Form und Vielfalt ist Papier ein sehr preiswerter und überall verfügbarer Werkstoff mit vielen Eigenschaften, die ihn zunehmend auch als Basis- bzw. Trägermaterial für vormals im Hightech-Bereich angesiedelte Technologien einsetzbar machen. Hier gibt es im Rahmen der medizinischen Diagnostik schon länger etablierte Einsatzgebiete wie z.B. Teststreifen zum Nachweis von Schwangerschaft, der Messung von Blutzucker oder Harnglucose, oder in der Bestimmung der Blutgerinnung durch den Patienten selbst, die rein auf dem inhärenten Kapillareffekt des Papiers beruhen. Neue Forschung und Entwicklung der letzten 5–10 Jahre nutzen Papier gezielt zur Herstellung sehr kostengünstiger Komponenten oder Systeme in Elektronik, Diagnostik (Medizin, Lebensmittel, Umwelt) und weiteren sensorischen Anwendungen, als Templatwerkstoff, der beispielsweise mit Keramikschlickern oder Polymeren gefüllt und dann weiterverarbeitet werden kann, sowie in additiven Fertigungsverfahren wie z.B. dem Rapid Prototyping.

Dieser Beitrag fokussiert auf papierbasierte Mikrofluidik als einem zentralen Bestandteil so genannter Low-Cost-Diagnosemittel und damit herstellbare Tests, die sich überwiegend noch in einem frühen Forschungsstadium befinden. Bei diesen Tests handelt es sich um so genannte Assays, also standardisierte Reaktionsabläufe, die durch eine definierte Reaktion das Vorhandensein z.B. einer bestimmten Substanz, bestimmter Viren, Bakterien oder Zellen sichtbar machen. Bei ihrer Entwicklung wird grundsätzlich darauf geachtet, dass das Testergebnis mit bloßem Auge eindeutig ablesbar ist. Insbesondere in der medizinischen Diagnostik wird dadurch zunehmend eine für Laien sehr einfach handhabbare patientennahe (POC, point-of-care anstelle einer komplexen labornahen) Versorgung mit teils lebenswichtigen Schnelltest ermöglicht, und zwar auch in ärmsten und massiv unterversorgten Regionen der Welt.

Das Grundprinzip für papierbasierte Mikrofluidik beruht auf einer intelligenten Aufteilung der Papierfläche in hydrophile und hydrophobe Bereiche, also in solche, die Flüssigkeiten per Kapillarkräfte transportieren und solche, die sie abweisen. So können unterschiedliche 2D- und 3D-Geometrien für Kanäle, Reservoirs, Ventile, Mischer, Reaktoren, Separatoren und andere mikrofluidische Systemkomponenten erzeugt werden, wobei bislang fast ausschließlich an 2D-Mikrofluidik geforscht wird. Da viele der etablierten Drucktechnologien in Fertigungsprozesse integriert werden können bzw. bereits als solche eingesetzt werden, ist die Basis für ihre schnelle und kostengünstige Herstellung geschaffen. Bei der Strukturierung des Papiers kann man drei jeweils hydrophobierende Mechanismen unterscheiden: Das physikalische Blockieren von Poren, z.B. mittels eingesaugtem Fotoresist oder Polysiloxan (meist PDMS, Polydimethylsiloxan), das Hydrophobieren z.B. mittels Beschichtung der Fasern mit Wachs oder Polystyrol, und die ebenfalls hydrophobierende chemische Modifizierung der Faseroberflächen mittels in der Papierindustrie gängiger Leimungsmittel wie Diketen („AKD“, 4-Methylen-2-Oxetanon) oder Bernsteinsäureanhydrid („ASA“).

Inzwischen gibt es hierfür eine Reihe unterschiedlicher Verfahren wie Fotolithografie, Siebdruck, Wachsdruck oder Heißprägen mit Wachs, Bedrucken mit Polymerlösungen, z.B. per Tintenstrahldrucker, und auch so genanntes inverses Bedrucken, bei dem ein Lösemittel Polymere aus einem zuvor mit ihnen getränkten Papier entfernt. Es lassen sich also zwei Ansätze unterscheiden: Das selektive Hydrophobieren als einstufiger Prozess, und das zweistufig ablaufende vollständige Hydrophobieren des Papiers mit nachgeschalteter selektiver Dehydrophobierung. Mit beiden Ansätzen lassen sich hochkomplexe Strukturen erzeugen, wie sie für eine parallele Analyse unterschiedlicher Eigenschaften einer Probe, z.B. einem Tropfen Blut, Schweiß oder Speichel, mit einem Mikrofluidik-Assay benötigt werden.

Während mit der Fotolithografie sehr präzise Strukturgrößen bis hinab zu 100 Mikrometern realisiert werden können, ermöglicht der Wachsdruck eine Strukturierung im Bereich von 0,5 mm. Noch recht selten werden z.B. Plasma- und Laserbearbeitung durchgeführt. Derzeit gehören Tintenstrahldruck (z.B. des Leimungsmittels AKD) und Wachsdruck unabhängig von der Komplexität der Geometrie des Assays zu den schnellsten Strukturierungsverfahren mit einer Prozessdauer von jeweils ca. 10 min pro Mikrofluidik-Assay. Zusätzlich sind sie einfach zu parallelisieren, also tauglich für eine Massenproduktion.

Papierbasierte Mikrofluidik-Assays nutzen bislang fast immer eines der vier folgenden Nachweisverfahren: hauptsächlich kolorimetrischer oder elektrochemischer Nachweis, wesentlich seltener die in der konventionellen Mikrofluidik oft angewandten Verfahren Elektrochemolumineszenz oder Chemolumineszenz. Der kolorimetrische Nachweis ist einfach und klar zu erkennen, jedoch nur für Ja/Nein-Tests ohne quantitative Aussagen geeignet. Der elektrochemische Nachweis dagegen ist hochsensitiv und erlaubt quantitative Aussagen bis in den Nanomol-Bereich hinein. Um solche Nachweise zu ermöglichen, müssen die Assays in ihren Anzeigezonen mit entsprechenden Reagenzien ausgestattet werden, die ganz spezifisch auf jeweils ein einziges Agens pro Zone reagieren – z.B. ein Schwermetall wie Cadmium oder ein bestimmter Krankheitserreger.

Zu den auf diesem Wege kolorimetrisch nachgewiesenen Analyten gehören z.B. Eisen (III), Harnsäure, Nitrite, Ketone, Laktate, Glukose, verschiedene Proteine, Staphylokokken, oder auch der Antikörper Immunglobulin G. Elektrochemisch wurden z.B. Ethanol, Cholesterol, Glukose, Laktate und Harnsäure, aber auch Eisen, Blei und Gold nachgewiesen.

Derzeit unterliegen die papierbasierten Mikrofluidik-Assays noch einer Reihe von Einschränkungen, die mit den Materialeigenschaften von Papier, den Strukturierungstechniken und v.a. der für zuverlässige Tests unablässigen sicheren und störfreien Fixierung der Nachweisreagenzien in den Anzeigezonen zusammenhängen. Allerdings hat die erfolgreiche Forschung auf diesem Gebiet in den letzten Jahren enorm zugenommen. Stichworte sind z.B. bioaktives Papier, neue Arten der Ergebnisdarstellung in Textform auf dem Assay, oder die Modifizierung und bedarfsgerechte Anpassung des Basiswerkstoffs Papier selbst an die Erfordernisse der Mikrofluidik, z.B. durch andere Faserstoffe, -mischungen und -aufbereitung, andere Leimungsmittel, oder andere Füllstoffe.

*Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

 

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