Dynamische Kapillarsysteme als Einweg-Flüssigkeitssonden

Die Basis des eingereichten Projektes ist die Untersuchung neuartiger, auf Polymeren basierender Materialien als Bausteine in kapillaren, mikrofluidischen Netzwerken. Konkret sollen neue Konzepte sowohl für kapillare Mikropumpen, als auch für aktive und passive Kontrollelemente im Netzwerk untersucht werden. Das Ziel ist, dynamische kapillare Systeme zu erforschen, welche ein direktes und dynamisches Steuern aller Aktionen zum Befüllen oder Spülen einer Kammer auf dem Mikrofluidikchip, wie Pumpen, Umleiten und Synchronisieren der Flüssigkeitsströme ermöglichen. Neuartige, auf Polymeren basierende Materialen zeigen beträchtliche Volums- und Dickenänderungen, z.B. auf Basis des inversen piezoelektrischen Effekts in zellularen Polymeren, und komplexe dreidimensionale Bewegungsmoden, z.B. induziert durch Maxwell-Spannungen in Elastomeren. Obwohl diese neuartigen Materialien bereits zur Realisierung verschiedener Wandler (Sensoren, Aktoren) untersucht wurden, sind die Untersuchungen hinsichtlich eines möglichen Einsatzes in aktiv gesteuerten Mikrofluidiksystemen bis dato spärlich. Im Zuge des geplanten Projektes sollen piezoelektrische Polymerschäume und elektroaktive Elastomere hinsichtlich einer Nutzung als Steuerungselemente bzw. Aktuatoren in mikrofluidischen Netzwerken untersucht werden. Eine Kombination aus Technologien zur Modifikation der Oberflächenenergie der Polymere und Änderungen der Kanalgeometrie, dynamisch gesteuert durch den Einsatz der oben beschriebenen Polymer Aktuatoren, werden eingesetzt, um die Kapillarkräfte im Flüssigkeitskanal und damit auch den Transport der Flüssigkeit zu steuern. Offen zellulare Polymerschäume werden hinsichtlich ihrer Eignung als Kapillarpumpen untersucht. Durch vorhergehendes Einstellen der Oberflächenenergie des offen zellularen Schaums und Integration eines Heizelements, kann eine dynamisch regulierbare Mikropumpe realisiert werden. Eine schnelle Regelung der Fließeigenschaften im Kanal wird durch die Integration von Strömungssensoren im Flüssigkeitsstrom realisiert. Spezifisch entwickelte Kontroll- und Ausleseelektronik erlaubt die direkte und dynamische Lenkung der Fließeigenschaften. Um das Potential dieser neuen Konzepte und Mechanismen in mikrofluidischen Systemen zu demonstrieren, werden Mikrofluidikchips mit lasergeschnittenen Polymerfolien in Laminarbauweise realisiert. Beispielsweise werden in der chemischen und biomedizinischen Diagnostik sog. Quarz Mikrowaagen (QCM) verwendet, um chemische Reaktionen oder eine spezifische biologische Komponente in Flüssigkeiten zu detektieren. Bisher erfordern diese Analysen umständliche elektromechanische und fluidische Verbindungen zur Flusszelle, welche den QCM enthält. Integration eines QCM Sensors in ein kapillares System, das in der Lage ist die Flüssigkeitsprobe durch dynamische Rückkopplungskontrolle der Fließeigenschaften durch den Chip zu dirigieren, resultiert in einem vielseitigen Demonstrationstool für eine Vielzahl von Anwendungen. Da diese Technologie erwartungsgemäß kostengünstig implementiert werden kann, können insbesondere auch Systeme für den Einweggebrauch und damit auch insbesondere für medizinische Anwendungen dargestellt werden.