Der Corona-Antigen-Schnelltest zeigt aktuell deutlich, welches Potenzial in Lab-on-chip-Systemen steckt. Immer mehr solcher medizinischer Kleinstsysteme kommen in der Diagnostik zum Einsatz. Bei komplizierteren Testsystemen sind Entwicklung und Herstellung jedoch mit hohen Kosten verbunden. Im Forschungsprojekt „Skalierbare Mikrofertigung polymerer In-Vitro-Diagnostik-Systeme“ (Simple-IVD) entwickeln die Partner neue Fertigungsverfahren und Methoden, mit denen sich Schnelltest-Kartuschen kosteneffizient und schnell herstellen lassen.
Solche Lab-on-Chip-Systeme sind nur wenige Zentimeter klein, vereinen aber auf dieser Fläche diverse Funktionalitäten, die es bisher nur in gut ausgestatteten Laboren gab. „Gerade in der personalisierten Medizin werden sie in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen“, sagt Dr. Frank Sonntag, Abteilungsleiter Biosystemtechnik und Digitalisierung am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Winzige Mengen an Flüssigkeiten lassen sich in den Systemen automatisch analysieren. Sie sind besonders einfach zu handhaben, was eine patientennahe Labordiagnostik ermöglicht.
Lab-on-chip-Systeme: Schritt zur Massenproduktion ist das Problem
Zwar wurden in den vergangenen Jahren weltweit verschiedene Lab-on-chip-Systeme entwickelt. Davon kamen jedoch nur wenige auf den Markt. „Die Hürde ist die Skalierung der im Labormaßstab entwickelten Tests für die Massenproduktion„, erklärt Sonntag. Das Fraunhofer IWS erarbeitet eine Lösung für diese Probleme bei der Industrialisierung.
Im Mittelpunkt des Projekts Simple-IVD stehen die In-Vitro-Diagnostik-Kartuschen, kurz IVD-Kartuschen, für die Schnelltests. Um diese im Labor herzustellen, kommen unter anderem additive Fertigung oder Multilagen-Lamination zum Einsatz. Was hier Schicht für Schicht aus Polymerfolien aufgebaut wird, muss für die Serienfertigung aber in Spritzguss oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren umgesetzt werden. Für die Skalierung muss der Hersteller also zu einem anderen Verfahren wechseln und dafür von vorn beginnen.
Ob 3D-Druck oder Spritzguss: Designregeln machen Hersteller flexibel
Das Team um den Wissenschaftler Florian Schmieder aus der Gruppe Mikro- und Biosystemtechnik hat nun eine Lösung gefunden: Wenn der Hersteller spezielle Designregeln berücksichtigt, kann er schon in der Planungsphase Anforderungen für verschiedene Herstellungsverfahren berücksichtigen. Entsprechende Regeln gibt es schon für Spritz- und Vakuumguss, für die Multilagen-Lamination, das Tiefziehen sowie mehrere additive Verfahren. Lab-on-chip-Systeme erreichen somit laut Schmieder in der Hälfte der bisher üblichen Zeit die Marktreife.
Bis zum Projektende im Jahr 2022 sollen die Ergebnisse in einen universellen Datensatz übersetzt werden. „Wir wollen mit verschiedenen Verfahren funktional gleichwertige IVD-Kartuschen herstellen“, erklärt Schmieder. Auch der Einsatz für diagnostische Home-Care-Anwendungen in der häuslichen Pflege oder in Pflegeeinrichtungen wäre denkbar.
Designregeln aus dem Prüfstand
Alle am Projekt beteiligten Unternehmen erproben und validieren die Designregeln. Dazu zählen die Cell.Copedia GmbH aus Leipzig, die Microfluidic Chipshop mbH aus Jena und die beiden Dresdner Unternehmen Gesim Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme sowie die Michael Sander Kunststofftechnik GmbH. Finanziert wird das Projekt durch Mittel des Bundesministeriums für Bildung und Forschung.
Künftig werden wir die Palette stetig erweitern“, kündigt der Wissenschaftler an. Auch eine Rücktranslation von Groß- in Kleinserien wäre praktisch möglich. Interessant seien die Designsets nicht nur für die Hersteller von IVD-Kartuschen. „Es gibt aktuell zahlreiche Biotechnologie-Start-ups, die genau solche Möglichkeiten brauchen“, sagt Schmieder.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Florian Schmieder
Projektleiter SIMPLE-IVD
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS
Winterbergstraße 28
01277 Dresden
E-Mail: florian.schmieder@iws.fraunhofer.de
URL: www.iws.fraunhofer.de
