Discrete Chemical Release For Biological Applications

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Roland Zengerle
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2010
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 27480531

Im Rahmen des Projektes soll eine neue Methode erforscht werden, mit welcher chemische Substanzen im Pikolitervolumenbereich mit einer sehr hohen Orts- (100 µm) und Zeitauflösung (20 µs) freigesetzt werden können. Die Methode basiert auf einem gepulsten Transfer einzelner, quantisierter Flüssigkeitströpfchen im Pikoliter- Volumenbereich. Die Tröpfchen werden von einer Düse ausgestalten und überwinden eine luft- oder ölgefüllte hydrophobe Kammer bevor sie von einer Aufnahme-Apertur am Wirkort absorbiert werden. Die zu untersuchende Freisetzungsmethode könnte eine neue Schlüsseltechnologie für die präzise, kontrollierte Abgabe von biologisch wirksamen Substanzen (wie z. B. pharmakologische Wirkstoffe und Neuretransmitter) für moderne klinische Therapie und für biologische Grundlagenforschung darstellen. Die Forschungsschwerpunkte sind einerseits auf die mikrotechnologische Fertigung der Dosiersysteme als auch auf die theoretische und experimentelle Untersuchung der Mechanismen und Charakteristika der Dosiermethode gerichtet. Dazu wird zunächst ein theoretisches Modell entworfen, um das Volumen und die Geschwindigkeit der Mikrotröpfchen durch die hydrophobe Kammer vorhersagen zu können. Dadurch kann der Einfluss der Düsengeometrie und der Flüssigkeitseigenschaften auf den Transport der Pikoliter-Flüssigkeitstropfen quantitativ analysiert werden. Anschließend werden für ein spezielles Design numerische Simulationen mittels kommerzieller Computional Fluid Dynamics (CFD) Software durchgeführt. Durch die Simulation werden die gepulste Tropfenbildung und der Tropfenabriss in einer hydrophoben Luft- und Öl-Kammer untersucht. Der Einfluss der Dimensionen der hydrophoben Kammer und anderer Systemparameter auf Tropfenbildung und -abriss können so quantitativ verstanden und optimiert werden. Basierend auf den Parametern werden Dosiersysteme mikrotechnisch hergestellt. Für die Generierung der gepulsten Flüssigkeitstropfen wird auf das BubbleJet Prinzip zurückgegriffen und werden Mikro-Heizer eingesetzt. Die dreidimensionalen Strukturen der mikrofluidischen Kanäle, der Düsen und der hydrophoben Kammern werden in SU-S Technologie realisiert. Die hergestellten Systeme werden hinsichtlich Zuverlässigkeit der hydrophoben Kammern bei realen Tropfenbildungs- und Tropfenabrissstudien untersucht. Schließlich wird sowie die Leistungsfähigkeit der vorgeschlagener » Methode für die chemischen Stimulation überprüft- Aus dem Vorhaben sind grundlegende Forschungsergebnisse zu erwarten, welche den Weg bereiten für den Einsatz der neuen Methode bei klinisch relevanten, physiologischen Fragestellungen. Außerdem sind die zu erwartenden Ergebnisse auch für weitere Anwendungsfelder relevant, wie z. B. in der biomedizinischen Diagnostik und Analyik.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen