Kaiserslautern, Fraunhofer ITWM / IBMT – Unabhängig davon, ob Krankheitserreger eindeutig nachgewiesen und klassifiziert werden sollen oder ob die Wirkung neuer Medikamente und Behandlungsverfahren erforscht wird: Das effiziente Isolieren von Bestandteilen aus Blutproben oder Laborlösungen gehört zu jenen Aufgaben, die in der Regel immer durchgeführt werden müssen. Während sich bei den darauf folgenden Analyseschritten immer mehr medizinische Auswertungen der Blutbestandteile mit Hilfe von Lab-on-achip-Technologien auch auf kleinstem Raum durchführen lassen und damit die Labortechnik flexibel in mobilen Anwendungen nutzbar wird, fehlten bisher geeignete Verfahren, um die sehr kleinen Probenmengen auf den Labor-Chips effizient in die zu untersuchenden Bestandteile auftrennen zu können. In Zusammenarbeit mit den Experten für Strömungssimulationen am Fraunhofer ITWM haben die Forscher am Fraunhofer IBMT nun eine mögliche Lösung dieses Problems gefunden und arbeiten an der Entwicklung eines „elektronischen Virenfängers“.

Ausgangspunkt der Innovationsidee, vorhandene Lab-on-a-Chip-Architekturen zu Mikrofallen für Viren und Zellen weiterzuentwickeln, waren die Forschungen am Fraunhofer IBMT zur Verbesserung des zielgerichteten Transports kleinster Blut- oder Lösungsmengen auf den Labor-Chips: Dazu werden mit Hilfe von Elektroden elektromagnetische Felder auf einem Chip induziert, die eine hochpräzise Kontrolle der Bewegung der Flüssigkeit und der darin enthaltenen Blutkörperchen, Zellen und Viren ermöglichen. Bei bestimmten Elektrodenkonfigurationen wurde im Experiment jedoch beobachtet, wie sich in der zu transportierenden Flüssigkeit komplexe dreidimensionale Wirbelstrukturen bildeten. Für die auf tausendstel Millimeter genaue Steuerung des Flüssigkeitstransports auf dem Labor-Chip sind derartige Effekte zwar nicht erforderlich, sondern sogar eher hinderlich. Die Verwirbelungen führen aber zu einer lokalen Ansammlung der unterschiedlich großen und schweren Bestandteile der Blutproben und könnten daher für eine zielgerichtete Anreicherung der Partikel auf dem Labor-Chip genutzt werden. Voraussetzung dafür ist allerdings, die im Experiment beobachteten physikalischen Effekte theoretisch vollständig verstehen zu können und so für eine Nutzung als elektronischen Virenfänger exakt berechenbar zu machen.

Um die physikalischen Mechanismen der beobachteten Wirbelbildung exakt ermitteln zu können, erarbeiteten die auf Simulationen komplexer Strömungsprozesse spezialisierten Experten am Fraunhofer ITWM zuerst die notwendigen theoretischen Modelle, um das dynamische Zusammenwirken zwischen den elektrischen Feldern und der ihnen ausgesetzten Flüssigkeit berechnen zu können. Darauf aufbauend erstellten sie ein dreidimensionales elektrohydrodynamisches Modell, mit dem sich die Labor-on-a-Chip-Experimente in einer virtuellen Simulation nachbilden lassen. Im Computermodell des etwa 30 tausendstel Millimeter hohen und 100 tausendstel Millimeter breiten Transportkanals, durch den das Blut oder die Laborlösung geleitet wird, können nun unterschiedlichste Feldstärken und Elektrodenanordnungen zielgerichtet daraufhin untersucht werden, wie sich etwa Viren im Blut möglichst effizient in einem Strömungswirbel ansammeln und festhalten lassen. Grundlage der dabei verwendeten Strömungssimulation bildet eine am Fraunhofer ITWM entwickelte Softwareplattform, die speziell auf das Simulieren des Verhaltens komplexer Fluide abgestimmt ist.

Im Unterschied zum Strömungsverhalten von Luft oder Wasser sind für eine Analyse von Bewegungen in Flüssigkeiten wie dem menschlichen Blut mehrere Wirkungsmechanismen parallel zu beachten. Denn einerseits verhält sich Blut wegen des hohen Flüssigkeitsanteils ähnlich wie Wasser, andererseits führen darin enthaltene und verhältnismäßig große Partikel wie beispielsweise Blutkörperchen zu einem Verhalten, wie es in weichen elastischen Granulaten zu beobachten ist. Die Simulationsmodelle müssen die einzelnen Strömungseffekte sowohl im Verhältnis als auch in ihrem Zusammenwirken richtig berücksichtigen, um zu Ergebnissen zu kommen, die sich unmittelbar auch für die Umsetzung in realen Experimenten nutzen lassen. Bei der Entwicklung der „Virenfalle-on-a-Chip“ arbeiten die Forscher der beiden Fraunhofer-Institute derzeit an der Feinabstimmung der Simulationsmodelle, sodass die bisherigen Ergebnisse aus den realen Experimenten sich hinreichend genau auch am Computer nachrechnen lassen. Danach kann damit begonnen werden, in der Computersimulation Methoden zu erproben, die die Verwirbelungen so exakt steuerbar machen, dass sie als hocheffiziente Mikrofallen für Viren und Zellen eingesetzt werden können.

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  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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