Ein neuartiger Mikrochip mit hohem Anwendungspotenzial

15.08.2014
Foto: Mikrochip neben einer 1-Cent-Münze

Mögliche Anwendungen des Mikrochips liegen in der Kristallographischen Analysen bisher unzugänglicher Proteine, der Mikrofaserproduktion und der Verarbeitung pharmazeutischer Wirkstoffe;© Dr. Martin Trebbin/ Universität Bayreuth

Wie kann man einen Flüssigkeitsstrahl erzeugen, der um ein Vielfaches dünner ist als ein menschliches Haar? Wie ist es möglich, den winzigen Durchmesser und die Dynamik dieses Strahls zu kontrollieren und exakt vorherzubestimmen? Ein neuartiger Kunststoff-Mikrochip bietet flexible Lösungen für dieses Problem. Dr. Martin Trebbin an der Universität Bayreuth hat ihn – in Kooperation mit einem internationalen Forschungsteam – konzipiert, im Labor gefertigt und erfolgreich erprobt. Die neue Entwicklung ist von hoher technologischer Relevanz, beispielsweise für die Mikrobioanalytik, die medizinische Wirkstoff-Forschung oder die Mikrofaserproduktion.

Der durchsichtige Kunststoff-Mikrochip ist nicht viel größer als eine 1-Cent-Münze. Er besitzt ein sehr feines System von Mikrokanälen sowie eine Düse, aus der ein extrem dünner Flüssigkeitsstrahl austreten kann. Dieser ‚Flüssigkeits-Jet‘ hat je nach Konstruktion des Chips einen Durchmesser von wenigen Mikrometern. Der von Trebbin gefertigte Chip erzeugt einen Strahl, der – unter dem Elektronenmikroskop gemessen – nur 2,46 Mikrometer dünn ist, während ein menschliches Haar rund 20-mal so dick ist. Oder anders gesagt: Würde man eine 1-Euro-Münze in 1000 übereinander liegende Scheiben zerschneiden, wäre der Strahl ungefähr so dünn wie eine dieser Scheiben. Die Flüssigkeitsmengen, die der Strahl transportiert, sind entsprechend gering. Sie liegen je nach Verwendung des Chips bei 150 bis 1000 Mikrolitern pro Stunde. Mit einer 1-Liter-Wasserflasche ließe sich ein Flüssigkeitsstrahl bei einer Flussrate von 500 Mikrolitern pro Stunde rund 12 Wochen lang durchgängig betreiben.

Seit die räumliche Struktur des menschlichen Erbguts bereits in den 1950er Jahren mithilfe der Röntgenkristallographie aufgeklärt werden konnte, wird dieses Verfahren eingesetzt, um Biomoleküle zu analysieren, die beispielsweise für den Stoffwechsel oder für Alterungsprozesse eine zentrale Rolle spielen. Weil aber die Röntgenkristallographie in der Regel zu schwache Bilder von einzelnen Proteinen liefert, war man zunächst dazu übergegangen, ausgehend von einzelnen Biomolekülen große Kristallstrukturen herzustellen. Diese Kristalle ermöglichen deutlich präzisere Einblicke in die Strukturen der Einzelmoleküle. Ihre Züchtung im Labor ist allerdings sehr zeitaufwändig, und es gibt zahlreiche Proteine, die keine Kristalle in ausreichender Größe bilden oder nur in zu geringen Mengen verfügbar sind.

An genau diesem Punkt eröffnet der von Trebbin entwickelte Mikrochip wertvolle Möglichkeiten. Die zu untersuchenden Proteine werden in spezielle Lösungen gegeben, in denen sich dann nanometergroße Proteinkristalle bilden. Im nächsten Schritt wird daraus mithilfe des Mikrochips ein Flüssigkeitsstrahl erzeugt, der außerordentlich effizient ist. Denn er ist so dünn, dass einzelne Nanokristalle nacheinander aus dem Chip austreten und nun von den blitzartigen Röntgenpulsen des Freie-Elektronen-Lasers getroffen werden können. Die dabei entstehenden seriellen Aufnahmen bieten zusammen ein präzises Bild von der dreidimensionalen Struktur des jeweiligen Proteins.

Über die Röntgenkristallographie hinaus zeichnen sich weitere Einsatzmöglichkeiten des neuen Mikrochips ab. Denn auch extrem dünne Fasern lassen sich damit erzeugen. Solche Fasern sind der Rohstoff für sehr dichte Gewebestrukturen, die eine außerordentliche Elastizität und Reißfestigkeit besitzen können und daher nicht nur für die Textilindustrie, sondern beispielsweise auch für die Medizintechnik hochinteressant sind. Ein prominentes Beispiel sind Fasern aus rekombinanter Spinnenseide, die an der Universität Bayreuth von Prof. Dr. Thomas Scheibel entwickelt wurden.

Nicht zuletzt erlaubt der Mikrochip die Bildung winziger Mikrotropfen oder feiner Nanosprays. Auf diese Weise kann er bei der Verarbeitung pharmazeutischer Wirkstoffe, beispielsweise bei der Sprühtrocknung, eingesetzt werden. So lässt sich die Lagerbeständigkeit von Medikamenten verbessern oder deren Freisetzung im Körper beeinflussen.

Der neue Mikrochip besteht aus dem Kunststoff PDMS (Polydimethylsiloxan) und wurde mithilfe etablierter weichlithographischer Verfahren gefertigt. Seine hervorragende Leistungsfähigkeit beruht darauf, dass er nach dem Prinzip der gas-dynamischen virtuellen Düse (GDVN) konstruiert ist. Dabei wirkt Luft oder ein anderes Gasgemisch in einer exakt definierten Weise auf die Flüssigkeit ein und führt dazu, dass der Durchmesser des aus der Düse austretenden Strahls erheblich kleiner ist als der Durchmesser der Düse. Die dynamischen Eigenschaften des Strahls hängen davon ab, wie der Chip im Inneren aufgebaut ist. „Hier eröffnet sich ein weites Feld für Konstruktionen, aus denen interessante, heute noch gar nicht absehbare technische Anwendungen hervorgehen können“, meint Trebbin. Er denkt dabei auch an die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Düsen herstellen und kombinieren zu können – sei es, dass sie nebeneinander oder hintereinander geschaltet werden.

COMPAMED.de; Quelle: Universität Bayreuth