Ganze Netzwerke winziger Leitungen für Flüssigkeiten verlaufen über Labor-on-Chip-Systeme und empfindliche Sensormodule. Erstrecken sich diese Kanalsysteme bisher nur über zwei Dimensionen in der Fläche, erweitern US-Wissenschaftler diese Leitungen nun in den Raum. Gesteuert über einen Roboter spritzen sie mehrere Schichten haarfeiner Wachsfäden auf einen Rohling. So entsteht ein filigranes Kanalnetzwerk, dass das Mischverhalten und das Leitungsverhalten von Flüssigkeiten deutlich verbessern soll. Ihre neue Produktionsmethode beschreiben die Forscher im Fachblatt “Nature Materials” (doi:10.1038/nmat863) .
“Unser Ansatz eröffnet neue Wege für die Gestaltung solcher Instrumente, die mit konventionellen Methoden nicht möglich gewesen wären”, sagt Jennifer Lewis von der
University of Illinois in Urbana-Champaign. Die Kanäle selbst können mit Durchmessern zwischen 10 und 300 Mikrometern (millionstel Meter) aufgebaut werden. Je nach Anforderung an das Mikrokanal-System spritzt eine feine Düse die Wachsfäden auf eine Unterlage. In folgenden Schritten können mehrere Ebenen dieser Rohformen aus Wachs übereinander gelagert werden. Ein komplexes, dreidimensionales System aus Wachsfäden entsteht.
Im zweiten Schritt des Produktionsprozesses wird dieses Gerüst mit Epoxid-Harz umgeben. Nach der Aushärtung wird der Rohling erhitzt und das Wachs läuft aus dem Kanalsystem heraus. In einem ersten Prototyp bauten die Forscher um Lewis einen Kanalturm mit insgesamt 16 Ebenen auf. Um jedoch verschiedene Flüssigkeiten gezielt und vor allem getrennt durch das Mikrosystem leiten zu können, müssen einige Verbindungen versiegelt werden. Hierzu dient der dritte Produktionsschritt, bei dem eine weitere Harzmasse nun in das Röhrensystem gefüllt wird. Diese härtet allerdings nur unter intensiver Ultraviolett-Bestrahlung aus. Durch die gezielte Ausrichtung von UV-Strahlen können bestehende Verbindungen exakt verschlossen werden. Der Rest der Harzmasse wird darauf einfach abgelassen.
Besonders das Mischverhalten von kleinen Flüssigkeitsmengen soll sich in diesen dreidimensionalen Systemen im Vergleich zu flachen Kanalsystemen verbessern. Motiviert durch diese ersten Erfolge denken die Entwickler bereits an noch komplexere Kanalsysteme, die die Basis für Reaktions-Module für aufwändige Synthese- oder Analyse-Prozesse legen könnten.
Jan Oliver Löfken
