Etwas mehr als nichts, aber das sehr präzise zu dosieren: Diese Aufgabe übernehmen Dispenser in der Bio- oder Medizintechnik. Die in ihrem Stempel eingebauten Piezoaktoren schaffen es, dass selbst wenige Nanoliter den Polymerschlauch als wohlgeformte Tröpfchen verlassen.
Vom Mikro-Löten über die Medizintechnik bis hin zur Biotechnologie – so unterschiedlich wie die Anwendungen, für die exakt dosiert werden muss, sind die zur Tröpfchenbildung eingesetzten Geräte. Eine Gemeinsamkeit jedoch verbindet sie. Für die hochgenauen Bewegungsabläufe, mit denen die winzigen Mengen präzise und reproduzierbar abgegeben werden, sind meist Piezoaktoren im Einsatz.
Besonders komplex sind die Anforderungen an die Nanoliterdosierung in Biotechnologie, Medizintechnik oder Diagnostik. Dort müssen viele verschiedene Flüssigkeiten mit recht unterschiedlichen Eigenschaften präzise dosiert werden, um zu Microarrays und Lab-on-a-chip-Systemen zu kommen. Gleiches gilt für die Wirkstoff-Forschung.
Kontaminationen sind dabei zu verhindern und gleichzeitig perfekte Tröpfchen zu generieren. Die Technik muss also in der Lage sein, die Viskosität, Oberflächenspannung und Dichte der Medien zu berücksichtigen und die Dosiergeschwindigkeit entsprechend anzupassen.
Diese Anforderungen erfüllt die von der Freiburger Biofluidix GmbH entwickelte Pipe-Jet-Dispenser-Technolgie, die beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direktverdrängung setzt. Die Voraussetzung dafür ist ein Antrieb, der den für die Tröpfchenbildung notwendigen Hub mit der entsprechenden Energie erzeugt.
Für den Einsatz von Piezoaktoren spricht hier, dass sie die benötigten Linearbewegungen sehr präzise und ohne Umwege erzeugen und gleichzeitig auch alle anderen Anforderungen erfüllen, die für Dosier- oder Pumpenanwendungen typisch sind. So arbeiten sie mit kurzen Ansprechzeiten, bewegen sich mit Auflösungen im Nanometerbereich bei hoher Dynamik und Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz. Auf diese Weise sind kurze Dosierzyklen realisierbar. Durch die variablen Hübe lassen sich die Dosiervorgänge fein justierbar und präzise steuern. Und da Piezoaktoren bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, gibt es auch bei kleinen Geräteausführungen keine Einbauprobleme.
Im praktischen Einsatz spielen weitere positive Eigenschaften eine Rolle. Piezoaktoren sind wartungsfrei, weil sie keine im klassischen Sinn bewegten Teile haben. Ihre Bewegung beruht auf kristallinen Festkörpereffekten, so dass es keine rotierenden oder reibenden Mechaniken gibt. Weil sie bei Stillstand keine elektrische Leistung benötigen, um ihre Position zu halten, können die Piezos auch im Hinblick auf den Energieverbrauch punkten.
Das piezogetriebene Direktverdrängerverfahren der Pipe-Jet-Dispenser unterscheidet sich von herkömmlichen Piezo-Dosierverfahren aber in zwei entscheidenden Punkten: Die Fluidleitung besteht nicht aus Glas- oder Stahlkapillaren, sondern aus einem elastischen Polymerschlauch mit definiertem Innendurchmesser, der nicht fest mit dem Piezoaktor verbunden ist. Dadurch können fluidkontaminierte Teile leicht und kostengünstig ausgewechselt werden. Der wertvolle Piezoantrieb geht so beim Austausch nicht verloren.
Der eingesetzte Aktor dehnt sich entlang seiner Längsachse aus und kann im Gegensatz zu Ringaktoren den Polymerschlauch über einen Kolben bis zu 100-mal stärker verengen. Damit bringt er für die sichere Dosierung schwieriger Medien genügend Kraftreserven auf. Dadurch und aufgrund der einfachen fluidischen Geometrie können auch partikelbehaftete Flüssigkeiten wie Farben, Bead- oder Zellsuspensionen problemlos in exakter Tröpfchenform dosiert werden.
Das Volumen wird dabei über die Amplitude des Piezoaktors gesteuert. Sie ist in einem weiten Bereich nahezu unabhängig von Viskosität und Oberflächenspannung der zu dosierenden Flüssigkeit.
Wenn nun der Piezoaktor im Pipe-Jet-Dispenser auf den mit Flüssigkeit gefüllten Dosierschlauch einwirkt, reißt der Tropfen sofort ab. Dieser Moment bestimmt auch die Tropfeneigenschaften. „Damit hat der eingesetzte Aktor eine wichtige Funktion im Dispenser, und wir legen bei der Auswahl großen Wert auf Qualität“, betont Biofluidix-Geschäftsführer Dr. Peter Koltay. Für diese Anwendung hat er sich für Picma-Aktoren entschieden, die eine Tochter der Karlsruher Physik Instrumente GmbH, die PI Ceramic im thüringischen Lederhose, herstellt.
Die Dispenser-Module gibt es in mehreren Baureihen. Mit den Modulen der Baureihe Pipe-Jet-P9 können auch mehrkanalige Anwendungen realisiert werden, wobei jeder Kanal individuell steuerbar ist. Die Module eignen sich für Tropfenvolumen von 5 nl bis 60 nl mit einer Dosierfrequenz von bis zu 100 Hertz. Einsatzgebiete finden sich in Medizintechnik, Diagnostik und Biotechnologie, sowie auch in industriellen Anwendungen, beispielsweise im Dauerbetrieb in Produktionsanlagen.
„Den hohen Anforderungen an die Robustheit vor allem im Industriebereich müssen natürlich auch die Piezoaktoren genügen“, so Koltay weiter. „Für die Picma-Aktoren sind Dauerbeanspruchungen jedoch kein Problem.“ In Langzeituntersuchungen haben diese Piezoaktoren mehrere Milliarden Zyklen ohne messbare Veränderungen des Verhaltens durchlaufen. „Außerdem erreichen sie im Gegensatz zu den meisten handelsüblichen Ausführungen bereits bei Betriebsspannungen deutlich unter 150 Volt ihre Nennauslenkung“, ergänzt Koltay.
Die Piezoaktoren nutzen die Freiburger auch bei der für das Drucken von Microarrays oder Biochips entwickelten, ebenfalls kontaktlosen Top-Spot-Technologie. Das Hauptelement dieses Verfahrens ist ein Druckkopf mit 24 oder 96 Flüssigkeitsreservoiren, die im Raster eines Standard 384 Well-Mikrotiterplatten-Formats angeordnet sind.
Steffen Arnold Physik Instrumente, Karlsruhe
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Experten für Tröpfchen
Die BioFluidix GmbH entstand 2005 als Ausgründung des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) in Freiburg. BioFluidix entwickelt und fertigt kontaktlose Dosiersysteme für den Pikoliter-, Nanoliter- und Mikroliterbereich, die vor allem in den Lebenswissenschaften genutzt werden. Die Anwendungsfelder reichen von der pharmazeutischen Wirkstoffforschung über Genom- und Proteomforschung bis hin zur medizinischen Diagnostik, mit einem starken Fokus auf Microarrays, Biochips und Mikrotiterplatten-basierten Techniken. Dabei bietet das Unternehmen nicht nur Fertigprodukte, sondern auch Dienstleistungen an, die von der Beratung über Machbarkeitsstudien bis hin zu Entwicklungsprojekten und kompletten Produktionsanlagen reichen.
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