Überblick

In die richtigen Bahnen lenken

Wie Strömungs­felder komplexe Objekte formen können

  • Tobias M. Schneider
  • 05 / 2013 Seite: 31

Die Mikrofluidik und Lab-on-a-Chip-Konzepte versprechen, große Bereiche der Biophysik zu revolutionieren. Denn sie ermöglichen Reihenuntersuchungen auf Ebene einzelner Zellen bei gleichzeitigem Studium der Variabilität innerhalb einer ganzen Zell­population. Biophysikalische Prozesse lassen sich so quantitativ beschreiben und verstehen. Grundlage sind Methoden, um Strömungen im kleinen Maßstab zu beeinflussen. Diese könnten sich auch in anderer ­Weise kreativ nutzen lassen, etwa zur Massenfabrikation komplexer mikroskopischer Objekte oder sogar, um neue Materialien und funktionale Mikro-Maschinen zu entwickeln.

In der Mikrofluidik geht es darum, extrem kleine Flüssigkeitströpfchen in 10 bis 100 Mikrometer dünnen Kanälen mit hoher Frequenz zu kontrollieren, typischerweise in dafür entwickelten Chips. Die kleinen Volumina erlauben es dabei, wenige Moleküle hoch zu konzentrieren. Gleichzeitig ist es möglich, kleine Tröpfchen mit hoher Frequenz zu manipulieren. Dies hat zur Idee geführt, ganze miniaturisierte Chemie- oder Biochemielabors effizient auf einen Chip zu packen („Lab on a Chip“). Davon erwartet man enorme Auswirkungen auf die Biowissenschaften. Eine der ersten Anwendungen, die sich die kleinen Volumina und hohen Geschwindigkeiten zu Nutze machen, sind Reihenuntersuchungen mit hohem Durchsatz („high-throughput screening“). Dabei lassen sich schnell viele Bedingungen, z. B. die chemische Konzentration, durchtesten. Wie der amerikanische Chemiker George Whitesides in einem vielbeachteten Übersichtsartikel [1] schreibt, ist die Entstehung der Mikrofluidik mit zwei wesentlichen Entwicklungen verknüpft:

  • Zum einen ergab sich in der Forschung unter dem Eindruck der immer besseren Verfügbarkeit genetischer Information die Notwendigkeit, Reihenuntersuchungen der Biochemie weniger Zellen unter variablen Bedingungen zu studieren. Das motivierte die Entwicklung miniaturisierter Experimente.
  • Gleichzeitig gelang es, Chips statt aus Glas schneller und kostengünstiger aus Kunststoff herzustellen, indem man die in der Silizium-Technologie entwickelten photolithographischen Methoden für die Konstruktion von Mikrokanälen einsetzte: Bei der „soft lithography“ werden die Negative der gewünschten Kanäle und anderer Strukturen lithographisch erzeugt und die so gebildeten „Formen“ mit flexiblem Kunststoff ausgegossen. Damit lassen sich Chips relativ einfach, zuverlässig und mit überschaubarem experimentellen Aufwand herstellen. ...
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