{"id":52444,"date":"2023-12-12T15:00:20","date_gmt":"2023-12-12T14:00:20","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=52444"},"modified":"2023-12-12T16:16:14","modified_gmt":"2023-12-12T15:16:14","slug":"mit-3d-gedrucktes-mikrofluidisches-geraet-121220231","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/mit-3d-gedrucktes-mikrofluidisches-geraet-121220231\/","title":{"rendered":"Forscher des MIT stellen durch 3D-Druck ein selbst-erhitzendes, mikrofluidisches Ger\u00e4t her"},"content":{"rendered":"

Man muss kein Ingenieur mit umfassendem technischen Wissen sein, um mit Mikrofluidik und deren Anwendungen in Ber\u00fchrung zu kommen. \u00a0Ziel der Mikrofluidik ist es, kleine Mengen an Fl\u00fcssigketen in winzigen Netzwerken und Kan\u00e4len zu steuern, ihre Wirkung dort zu er\u00f6rtern und zu analysieren. Mikrofluidische Komponenten finden vielf\u00e4ltige Anwendungen, zum Beispiel in der Medizintechnologie, der Biotechnologie, in Prozess- und Sensortechnik und auch in Konsumg\u00fctern<\/a>. So wird die Mikrofluidik daf\u00fcr eingesetzt, in Blut- und Fl\u00fcssigkeitsproben Krankheiten nachzuweisen. Ein prominentes Beispiel aus der j\u00fcngsten Vergangenheit, mit dem wir wohl alle das ein oder andere Mal Erfahrungen gemacht haben, sind Do-it-yourself Covid-19 Tests<\/a>. Die Herausforderung bei mikrofluidischen Anwendungen liegt darin, dass manche chemische Reaktionen nur unter bestimmten Temperaturen stattfinden und daher komplexe Ger\u00e4te n\u00f6tig sind. Diese Ger\u00e4te werden h\u00e4ufig im Reinraum gefertigt und enthalten Heizelemente aus Gold und Platin. Der Fertigungsprozess ist folglich teuer, kompliziert und schwer skalierbar. Hier setzt eine Forschungs-Arbeit des MIT (Massachusetts Institute for Technology) an, wo sich Wissenschaftler mit der Entwicklung eines 3D-gedruckten mikrofluidischen Ger\u00e4ts besch\u00e4ftigt haben, wie gestern in einer Pressemitteilung bekannt gegeben wurde. Die Ergebnisse werden noch diesen Monat auf der PowerMEMS-Konfernez vorgestellt.<\/p>\n

Die Forschergruppe rund um den leitenden Wissenschaftler Luis Fernando Vel\u00e1squez-Garc\u00eda stellte per 3D-Druck ein selbst-erhitzendes mikrofluidisches Ger\u00e4t<\/a> her, das Fl\u00fcssigkeiten transportieren und chemische Reaktionen ausl\u00f6sen kann. Der Mini-Reaktor kann Substanzen analysieren und Krankheiten erkennen. Da das Ger\u00e4t in einem Druckdurchgang gefertigt wurde, gibt es zukunftsweisende Ausblicke auf eine kosteng\u00fcnstige Herstellung von pr\u00e4zisen Messinstrumenten f\u00fcr die fr\u00fchzeitige Erkennung von Erkrankungen. Dies ist vor allem f\u00fcr Entwicklungsl\u00e4nder interessant, wo h\u00e4ufig keine optimale Laborumgebung gegeben ist. „Insbesondere Reinr\u00e4ume, in denen man diese Ger\u00e4te normalerweise herstellt, sind unglaublich teuer in Bau und Betrieb. Aber wir k\u00f6nnen mit Hilfe der additiven Fertigung sehr leistungsf\u00e4hige mikrofluidische Ger\u00e4te mit Selbsterhitzung herstellen, und zwar viel schneller und billiger als mit diesen herk\u00f6mmlichen Methoden. Dies ist wirklich ein Weg, diese Technologie zu demokratisieren“<\/em>, hebt Luis Fernando Vel\u00e1squez-Garc\u00eda hervor, denn das gefertigte mikrofluidische Mini-Ger\u00e4t kostet dank 3D-Druck<\/a> nur etwa 2 US-Dollar.<\/p>\n

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Covid-Selbsttests sind ein prominentes Beispiel f\u00fcr mikrofluidische Anwendungen. (Bild: Pixabay)<\/p><\/div>\n

Mikrofluidisches Ger\u00e4t durch Multi-Material-Druck<\/h3>\n

Die Herstellung des mikrofluidischen Ger\u00e4ts erfolgte in einem monolithischen Prozess, das hei\u00dft in einem Rutsch ohne nachtr\u00e4gliches Zusammenbauen. Mithilfe des Multi-Material-Drucks<\/a> fertigten die Forscher das Ger\u00e4t mit den eingebauten Heizelementen in einem einzigen Fertigungsprozess. Dabei wurden unterschiedliche Materialien durch verschiedene D\u00fcsen extrudiert, sodass Schicht um Schicht der vollst\u00e4ndige Mini-Reaktor entstand. Dieser ist in der Lage, die Fl\u00fcssigkeit in den Kan\u00e4len auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen, w\u00e4hrend diese durch die Kan\u00e4le flie\u00dft. Au\u00dferdem kann das Aufheizen auf einen bestimmten Bereich im Ger\u00e4t beschr\u00e4nkt werden. Die Technik l\u00e4sst diverse Anpassungsm\u00f6glichkeiten offen, sodass auch voreingestellte Heizprofile umgesetzt werden k\u00f6nnen.<\/p>

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Beim bereits erstellten Prototyp gelang es zum Beispiel, die Fl\u00fcssigkeit um 4 Grad Celsius zu erw\u00e4rmen, w\u00e4hrend diese in den Kan\u00e4lchen vom Eingang bis zum Ausgang floss. Dieser Anwendungsversuch erlaubt einen ersten Eindruck von den weiteren M\u00f6glichkeiten der Ger\u00e4teherstellung, wo Fl\u00fcssigkeiten in bestimmten Mustern oder entlang vorgegebenen Linien verlaufen k\u00f6nnen und chemische Reaktionen erm\u00f6glichen. Das erste von den Forschern hergestellt Ger\u00e4t hat mikrofluidische Kan\u00e4le, die nur etwa 500 Mikrometer breit und 400 Mikrometer hoch sind.<\/p>\n

Da das Ger\u00e4t integrierte Heizelemente enth\u00e4lt, war es n\u00f6tig, ein leitf\u00e4higes Material zu verwenden. Aus diesem Grund waren mehrere Materialien mit verschiedenen Eigenschaften gefragt, wodurch auch der Multi-Material-Druck ins Spiel kam. So setzten die Forscher einerseits auf biologisch abbaubares PLA<\/a> und auch eine modifizierte Version von PLA, n\u00e4mlich ein mit Kupfer-Nanopartikeln angereichertes PLA. Das ansonsten isolierende Material wurde so zum elektrischen Leiter und f\u00fcr den Druck des Heizwiderstands eingesetzt. „Man kann diese beiden Materialien verwenden, um chemische Reaktoren zu schaffen, die genau das tun, was man will. Wir k\u00f6nnen ein bestimmtes Heizprofil einrichten und trotzdem alle M\u00f6glichkeiten der Mikrofluidik nutzen“<\/em>, sagte Vl\u00e1squez-Garc\u00eda zum Einsatz der PLA-Varianten.<\/p>\n

Durch Zugabe von Strom in den Heizwiderstand wurde die Energie in W\u00e4rme umgewandelt. Diese W\u00e4rme heizt die Fl\u00fcssigkeit auf, die durch die Kan\u00e4lchen der Mikrofluidikvorrichtung flie\u00dft, die ebenfalls im selben Druckvorgang eingerichtet wurde. Damit die W\u00e4rme vom Heizwiderstand auf die Fl\u00fcssigkeit \u00fcbertragen werden konnte, war es aber n\u00f6tig, eine d\u00fcnne PLA-Wand mitzudrucken. Diese musste d\u00fcnn genug sein, um die W\u00e4rme nicht aufzuhalten, aber dick genug, um die Fl\u00fcssigkeit abzuweisen. Um die chemischen Reaktionen auch beobachten zu k\u00f6nnen und R\u00fcckschl\u00fcsse auf die Vorg\u00e4nge zu erhalten, war es f\u00fcr die Forscher notwendig, transparentes PLA einzusetzen, damit sie die Fl\u00fcssigkeiten im Ger\u00e4t beobachten konnten.<\/p>\n

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PLA wird aus Maisst\u00e4rke gewonnen und ist eigentlich isolierend. Durch eine Anreicherung durch Kupfer-Nanopartikel wird es elektrisch leitend.<\/p><\/div>\n

Herausforderungen bei der Herstellung des 3D-gedruckten mikrofluidischen Ger\u00e4ts und weiterer Ausblick<\/h3>\n

Indem die Forscher auf \u00e4hnliche Materialien setzten, gelang es ihnen, beinahe die gleiche Drucktemperatur beim 3D-Druck beizubehalten, was ein klarer Vorteil beim Druck selbst war. Allerdings tun sich bei der Verwendung von PLA auch einige Einschr\u00e4nkungen auf, denn PLA trotzt zwar Temperaturen bis zu 50 Grad, zersetzt sich aber allm\u00e4hlich, wenn die Temperaturen h\u00f6her liegen. Manche chemischen Reaktionen setzen jedoch erst bei h\u00f6heren Temperaturen ein. Bei einem PCR-Test sind das etwa 90 Grad Celsius. Um die Temperatur im mikrofluidischen Ger\u00e4t pr\u00e4zise steuern zu k\u00f6nnen und eine genaue Messung zu erm\u00f6glichen, m\u00fcsste also ein zus\u00e4tzliches Material verwendet werden, um den Grenzen von PLA gegenzusteuern. Die Forschungsgruppe rund um Vel\u00e1zquez-Garc\u00eda dachte dabei an Magnete, denn diese erm\u00f6glichen chemische Reaktionen und sortieren gleichzeitig die Partikel und ordnen diese an. Nebenbei experimentieren die Forscher auch mit anderen Materialien und wollen die elektrischen Leitf\u00e4higkeiten von PLA genauer erkunden und das Material tiefergehend analysieren. „PLA-Material ist ein Dielektrikum, aber wenn man diese Nanopartikel-Verunreinigungen hinzuf\u00fcgt, \u00e4ndert das die physikalischen Eigenschaften v\u00f6llig. Das ist etwas, das wir noch nicht ganz verstehen, aber es passiert und ist wiederholbar“<\/em>, kommentiert Vel\u00e1zquez-Garc\u00eda und setzt nach: „Wenn wir den Mechanismus verstehen k\u00f6nnen, der mit der elektrischen Leitf\u00e4higkeit von PLA zusammenh\u00e4ngt, w\u00fcrde das die Leistungsf\u00e4higkeit dieser Ger\u00e4te erheblich verbessern, aber es wird viel schwieriger zu l\u00f6sen sein als andere technische Probleme.“<\/em><\/p>\n

Obwohl sich das Team noch mit einigen Herausforderungen konfrontiert sieht, sind die Ergebnisse der Studie sehr vielversprechend. Es ergeben sich spannende Anwendungsm\u00f6glichkeiten f\u00fcr biologische Proben, das Mischen von Fl\u00fcssigkeiten und Implantate wie Chips, die sich aufl\u00f6sen. Wie eingangs erw\u00e4hnt, k\u00f6nnten vor allem Entwicklungsl\u00e4nder von kosteng\u00fcnstig hergestellten Chips mit mikrofluidischen Kan\u00e4len und elektrischen Merkmalen profitieren, denn das Verfahren in einem Durchgang senkt die Kosten und den Bedarf an Laborausr\u00fcstung. International st\u00f6\u00dft das MIT-Projekt auf gro\u00dfen Anklang und so gab es bereits positive R\u00fcckmeldungen von Seiten der K\u00f6niglichen Technischen Hochschule von Schweden und der Keio-Universit\u00e4t in Tokio, die beide das Zukunftspotential der 3D-gedruckten mikrofluidischen Ger\u00e4te betonten und auf m\u00f6gliche neue Anwendungen eingingen. Mehr dazu finden Sie HIER<\/a>.<\/p>\n

Was halten Sie von diesem 3D-gedruckten, mikrofluidischen Ger\u00e4t des MIT? Lassen Sie uns gerne einen Kommentar da, oder teilen Sie es uns auf Facebook<\/a>\u00a0oder\u00a0\u00a0LinkedIN<\/a>\u00a0 mit. M\u00f6chten Sie au\u00dferdem eine Zusammenfassung der wichtigsten Neuigkeiten im 3D-Druck und der additiven Fertigung direkt und bequem in Ihr Postfach erhalten? Dann registrieren Sie sich jetzt f\u00fcr unseren\u00a0w\u00f6chentlichen Newsletter<\/a>.<\/p>\n

*Titelbildnachweis: MIT<\/em><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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