In vielen Forschungsdisziplinen und Industriebranchen werden mikrofluidische Instrumente zur Handhabung sehr kleiner Flüssigkeitsmengen eingesetzt, z. B. in der analytischen Chemie, Arzneimittelsynthese, bei mikrobiologischen Analysen und in Lab-on-Chip-Anwendungen. Im Mittelpunkt steht die Miniaturisierung verschiedenster Anwendungen. Allerdings stellt die turbulente Vermischung von Flüssigkeiten für mikrofluidische Systeme bislang noch eine große Herausforderung dar. Der Mischprozess basiert in dieser Größenordnung hauptsächlich auf dem Diffusionsprinzip und erfordert deshalb sehr lange Mikrokanäle und damit größere Grundflächen der Geräte. Eine Alternative sind komplexe Mischelemente, die jedoch mit einer klassischen Mikrobearbeitung nur mit hohem Aufwand herzustellen sind. Ein Forscherteam am IMSAS der Universität Bremen entwickelt eine praktikable Methode, um die Kanallänge durch das abwechselnde Stapeln von Flüssigkeitsströmen zu reduzieren. Hierzu stellen die Wissenschaftler ein neuartiges Konzept zum mikrofluidischen Mischen vor: einen mehrstufigen Wechselmischer.
3D-gedruckter mikrofluidischer Mischer
Der mikrofluidische Wechselmischer wurde mit einem Nanoscribe Photonic Professional System additiv gefertigt. Das Element wurde in ein vordefiniertes und vorgefertigtes 2D-Mikrokanal-System integriert. Die 3D-Drucktechnologie von Nanoscribe ermöglichte hierbei die Direktfabrikation des mikrofluidischen Freiform-Mischers in den dafür vorgesehenen mikrofluidischen Chip. Jeder Mikromischer wurde in weniger als 30 Sekunden 3D-gedruckt, sodass der gesamte Wafer in weniger als einer Stunde hergestellt wurde. Die Vorzüge der 3D-Mikrofabrikation für dieses Projekt liegen in der schnellen additiven Fertigung eines komplexen mikrofluidischen Mischers auf Basis eines computergestützten Designs (CAD) und mit einem schlanken Workflow. Designänderungen zur Optimierung der Mischer-Performance sind dank der 3D-Mikrofabrikationstechnologie schnell und einfach möglich. Die Mischerelemente weisen eine hohe mechanische Stabilität auf und können präzise in die vordefinierten Kanäle eingefügt werden, womit die Gefahr von Lecks ausgeräumt werden kann.
Fotolithografie kombiniert mit Zwei-Photonen-Polymerisation
Zur Mikrofabrikation des Wechselmischers werden mit der Fotolithografie und der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) zwei Herstellungsverfahren miteinander kombiniert. Zunächst wird ein 2D-Mikrokanalsystem mit der Fotolithografie und unter Verwendung eines SU-8 Fotolacks auf einem Siliziumwafer hergestellt. In einem zweiten Schritt wird der 3D-Mischer mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation in den offenen Mikrokanal gedruckt. Nach dem 3D-Druck des Elements wird das nicht ausgehärtete Material in einem Entwicklungsbad abgewaschen, um die Kanäle des Mischsystems von Rückständen zu befreien. In einem letzten Schritt wird das mikrofluidische System versiegelt, indem eine Polydimethylsiloxane-Folie (PDMS) auf den Mikrokanal gepresst wird.
Die Kombination dieser beiden Herstellungsmethoden belegt die Kompatibilität der Fotolithografie mit der Zwei-Photonen-Polymerisation, sodass additiv gefertigte 3D-Mikrostrukturen präzise in vorgefertigte 2D-Mikrofluidikkanäle eingebettet werden können.
Effizientes Mischen dank mikroskopischer Wechselstrukturen
