In der Biomedizin und Biotechnologie müssen kleinste, komplex zusammengesetzte Probenmengen zuverlässig bearbeitet werden. Mikrosysteme mit neuen Wirkmechanismen zum Pumpen, Filtern und Trennen werden in Zukunft diese Aufgabe mit grosser Effizienz bewältigen.

Der zuverlässige Nachweis von Viren im menschlichen Blut erfordert gegenwärtig zeit- und arbeitsaufwendige molekularbiologische Verfahren. Insbesondere wenn die Virenlast sehr gering ist, z. B. während einer Therapiephase, stossen die etablierten Methoden an die Grenze der Nachweisfähigkeit. Das könnte sich bald ändern. Bei der Entwicklung von neuartigen Mikropumpen ohne bewegliche Teile stiessen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT auf ein unerwartetes Phänomen: In den mikroskaligen Pumpkanälen bildeten sich stabile Wirbelstrukturen. Dort reicherten sich die eigentlich zum Nachweis des Pumpeffekts vorgesehenen Nano- und Mikropartikel stark an. Die Wirbelmuster füllten den ganzen Mikrokanal aus und bildeten für die Teilchen, die dem erzeugten Fliessprofil folgten, eine nahezu 100prozentige Falle, obwohl ein sehr grosser Querschnitt zum Durchströmen vorhanden ist . „Die Entstehung von Strömungswirbeln ist auf der makroskopischen Skala nichts ungewöhnliches, in Mikrokanälen verlaufen die Flusslinien jedoch annähernd parallel.“ erklärt Richard Stein vom IBMT „Die Frage war daher, wie ist es möglich, dass sich dennoch so stabile und für das Aufkonzentrieren von Nanoteilchen effektive Wirbel herausbilden können?“

Experimentell gelang es nicht, die Parameter zu bestimmen, mit denen sich die Strömungswirbel und somit der Filtereffekt systematisch steuern lassen. Denn im untersuchten Pumpmechanismus – hochfrequente elektrische Wanderwellen treiben die Flüssigkeit in den Mikrokanälen an – überlagern sich sehr viele Effekte.

„Um die komplexen Vorgänge zu verstehen, wurde der Ruf nach einer theoretischen Beschreibung laut. Meine Aufgabe war es, die überraschenden Phänome zu beschreiben und kontrollierbar zu machen“, erinnert sich Richard Stein. In seiner Diplomarbeit „Mathematische Modellierung, Analysis und numerische Simulation elektrothermisch angetriebener Mikropumpen“ gelang es ihm die Entstehung der Wirbelmuster zu erklären. Dazu war die Einbeziehung aller massgeblichen Prozesse, elektrischer, thermischer und hydrodynamischer Natur, in einem dreidimensionalen Modell erforderlich. Für diese Arbeit erhält Herr Stein den 1. Hugo-Geiger-Preis. Die darin gewonnenen Erkenntnisse erklären die beobachteten Effekte vollständig , so dass nun sowohl effektive Mikropumpen als auch leistungsfähige Partikelfilter für viele biomedizinische Anwendungen entwickelt und gebaut werden können.

Quelle: Fraunhofer-Gesellschaft