Ein neuartiger Kunststoff-Mikrochip ist für die Mikrobioanalytik, die medizinische Wirkstoff-Forschung oder die Mikrofaserproduktion sehr interessant. Entwickelt wurde er an der Uni Bayreuth.
Nicht viel größer als eine 1-Cent-Münze ist der durchsichtige Kunststoff-Mikrochip aus PDMS (Polydimethylsiloxan), den Forscher an der Uni Bayreuth entwickelt und charakterisiert haben. Sein Innenleben macht ihn in vielerlei Hinsicht interessant: Durch ein sehr feines System von Mikrokanälen können Flüssigkeiten strömen und als extrem dünner Strahl aus dem Chip austreten.
Seine 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 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. Unter dem Elektronenmikroskop wurde ein Strahldurchmesser von nur 2,46 µm gemessen. Die Flüssigkeitsmengen, die der Strahl transportiert, sind entsprechend gering. Sie liegen, je nach Verwendung des Chips, bei 150 bis 1000 µl/h.
Die dynamischen Eigenschaften des Strahls hängen davon ab, wie der Chip im Inneren aufgebaut ist. Gefertigt werden die Strukturen mit Hilfe etablierter weichlithographischer Verfahren. Hier eröffnet sich ein Feld für Konstruktionen, aus denen interessante, heute noch gar nicht absehbare technische Anwendungen hervorgehen können. Dazu zählt die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Düsen herzustellen und zu kombinieren – sei es, dass sie nebeneinander oder hintereinander geschaltet werden.
Ein aktuelles Anwendungsfeld für den Mikrochip ist eine spezielle Form der Röntgenkristallographie. Mit diesem Verfahren können Biomoleküle analysiert werden, die beispielsweise für den Stoffwechsel oder für Alterungsprozesse eine zentrale Rolle spielen. In den vergangenen Jahren wurde die Technik so weiterentwickelt, dass kleine Mengen winziger Kristalle im Nanometerbereich ausreichen, um detaillierte Informationen über die Struktur einzelner Proteine zu gewinnen. Dabei kommen so genannte Röntgen-Freie-Elektronen-Laser – X-ray free electron laser, kurz: XFEL – zum Einsatz. Diese Technologie ist umso erfolgreicher, je effizienter es gelingt, viele Nano-Proteinkristalle nacheinander den ultrakurzen Röntgenblitzen auszusetzen. Mit Hilfe des sehr dünnen Flüssigkeitsstrahls aus dem Mikrochip treten einzelne Kristalle aus der Düse aus und werden erfasst. Die so entstehenden seriellen Aufnahmen ermöglichen die Rekonstruktion der präzisen dreidimensionalen Struktur des Proteins, was für die Grundlagenforschung, aber auch die Entwicklung medizinischer Wirkstoffe interessant ist.
Doch es zeichnen sich weitere Einsatzmöglichkeiten ab. Auch extrem dünne Fasern lassen sich mit dem Mikrochip erzeugen – Grundlage für sehr dichte, elastische und reißfeste Gewebestrukturen. Nicht zuletzt erlaubt der Mikrochip die Bildung winziger Mikrotropfen oder feiner Nanosprays.
Weitere Informationen Über die Arbeiten am Lehrstuhl von Prof. Förster an der Uni Bayreuth: www.pci.uni-bayreuth.de/
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