Entwicklung einer Fertigungstechnologie für mehrlagige, hybride Mikrofluidik-Systeme

AUFGABENSTELLUNG | MOTIVATION

In den letzten Jahren haben metho­dische Neuerungen zu medizinisch-wissen­schaft­lichen Fort­schritten geführt, die u. a. auf einer präziseren Diagnostik von Krank­heiten durch Bio­marker beruhen. Die Mikro­fluidik besitzt ein immenses Potenzial als technische Platt­form zu deren effi­zienter Reali­sierung. Sie ermöglicht die Verar­beitung minimaler Proben­mengen, ist kosten­effizient, bietet einen hohen Automati­sierungs­grad und besitzt ein hohes Standardi­sierungs­potenzial. Insbe­sondere für die Hoch­durchsatz-Sequen­zierung sind automati­sierte Proben­vorbereitungs­systeme erforder­lich, welche hunderte oder gar tausende von Einzel­reaktionen parallel und in möglichst kurzer Zeit für die Analyse vorbe­reiten. Dies erfordert immer komplexere, hoch­inte­grierte System­architek­turen. Um dies leisten zu können, wurden in den letzten Jahren mikro­fluidische Schaltungen analog zu transistor­basierten Schalt­kreisen in der Mikro­elektronik entwickelt. Die so reali­sierten Mikro­fluidik-Systeme (MFSs) können mit Ventilen und Pumpen elektronisch steuerbar sein oder mit integrierten chemischen Schaltern, Transis­toren und Pumpen gänzlich autark arbeiten. Bisher gibt es jedoch keine markt­fähige, flexibel einsetz­bare Fertigungs­techno­logie zur Herstellung funktionell skalier­barer, hoch­integrierter MFSs auf polymerer Basis.

PROJEKTZIEL | ARBEITSHYPOTHESE

Im Forschungs­vorhaben soll die Übertragung von Standard­prozessen und Design­konzepten der Mikro­elektronik- und Leiter­platten­industrie für die Fertigung hoch­inte­grierter, hybrider Mikro­fluidik-Systeme (MFSs) unter­sucht werden. Der Schwer­punkt liegt dabei auf der Entwicklung und Opti­mierung einer Fertigungs­techno­logie solcher Systeme. Konkret soll ein bestehendes Fertigungs­verfahren für mehr­lagige, mikro­fluidische Proto­typen anhand in der Mikro­elektronik etablierter Produktions­prozesse und -equipment für mehr­lagige Schal­tungen skaliert und eine volumen­unabhängige Prozess­kette entwickelt werden. Dadurch können Design und Material über den gesamten Skalierungs­prozess hinweg identisch bleiben und ein naht­loser Transfer vom Proto­typen zum Produkt gewähr­leistet werden.

Betrachtet man MFSs als „fluidische Leiter­platten“ in denen die mikro­fluidischen Kanäle die Leiter­bahnen repräsen­tieren, ist es konse­quent, die in der Leiter­platten­industrie seit vielen Jahren etablierten Fertigungs­prozesse zu adap­tieren und auf die Herstellung von MFSs für die medizinisch-biolo­gische Forschung anzuwenden. Die aktiven System­komponenten und Substrate sollen dabei mittels etablierter Verfahren (LTCC - Low Temperature Cofired Ceramics) mikro­struktu­riert, gestapelt und gefügt werden. Zum Erhalt der struktu­rellen Integrität der Kavitäten und Kanäle ist eine Verringerung der Prozess­temperaturen notwendig. Dies soll mit geeigneten Verfahren zur Substrat­vorbehandlung (Plasma, VUV-Bestrahlung) erreicht werden. Am Projekt­ende soll eine voll­ständig aufeinander abgestimmte Prozess­kette entstehen, die eine flexible Fertigung hoch­komplexer hybrider MFSs bei geringen Temperaturen ermöglicht.

NUTZEN | AUSBLICK

Die Ergebnisse des Forschungs­vorhabens bringen Vorteile für eine Vielzahl kleiner und mittel­ständischer Unter­nehmen, die unmittelbar oder mittelbar an der Wert­schöpfungs­kette zur Entwicklung einer Fertigungs­technologie für Mikro­fluidik­systeme beteiligt sind. Dies betrifft insbesondere Firmen der LTCC-Leiter­platten­industrie, der gedruckten Elektronik, der Hersteller von MFSs, Anlagen­hersteller zur Vorbehandlung sowie die Dienst­leister im Bereich der präzisions­medizinischen Diagnostik.