Steuerbares Membransystem

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Richter; Professor Dr.-Ing. Thomas Wallmersperger
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Bioverfahrenstechnik ; Polymermaterialien
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382900294

Die Problemstellung des steuerbaren Membransystems ist hochaktuell und relevant für die Untersuchung von (biologischen) Flüssigkeiten, wie man insbesondere bei den Point-of-Care Tests in der Corona-Pandemie feststellen konnte. Nachdem in der ersten Phase des Projektes ein steuerbares Membransystem für die Untersuchung biologischer Flüssigkeiten entwickelt wurde, liegt der Fokus nun auf hydrogelbasierten, mikrofluidischen Plattformen. Die Steuerung dieser Plattformen können chemofluidisch oder mikroelektromechanisch erfolgen. In der beantragten zweiten Phase des Projektes soll sich bei dem Smart-Material-Konzept auf chemofluidisch integrierte Schaltungen konzentriert werden, die Regelfunktionen gegenüber chemischer und physikalischer Größen ausführen. Im Speziellen sollen durch Ringmuskeln inspirierte Sphincterventile entwickelt werden, die beispielsweise durch (i) das kleinstmögliche Totvolumen, (ii) sehr große Öffner-/Schließverhältnisse oder (iii) ihre Größenskalierbarkeit hervorragende Eigenschaften aufweisen. Damit besitzen die Ventile ein hohes Potential für vielfältige Funktionalitäten für Systeme der Nano- und Mikroskala, die heutzutage noch nicht realisierbar sind. Um eine konstruktive und technologische Grundlage für das Ventil-Konzept auf Hydrogelbasis zu schaffen, wird am Institut für Festkörpermechanik die Modellierung und Simulation des Verhaltens des Ventils durchgeführt. Dabei soll eine Modellierungsmethodik entwickelt werden, die die Fluid-Struktur-Kopplung sowie den mehrphasigen Materialcharakter der Hydrogele realisiert. Numerische Simulationen mithilfe der Finite-Elemente-Methode sollen die Resilienz und die Zuverlässigkeit des Systems gegenüber Störgrößen untersuchen. Das Institut für Halbleiter- und Mikrosystemtechnik soll Fertigungs- und Integrationskonzepte erstellen sowie die konstruktive Grundlage für Sphincterventile schaffen. Speziell soll die größenskalierbare Fertigung dieser Ventile ermöglicht werden, die dann in Mikroroboterkörper integriert werden können. Nach erfolgreicher Realisierung sowohl der Fertigung als auch des numerischen Modells sollen anwendungsorientierte Untersuchungen erfolgen. Es sollen Sphincterventile in mikrorobotischen Strukturen angewendet werden, um die Dynamik der Wirkstofffreigabe zu steuern. Dabei sollen numerische Untersuchungen zeigen, welchen Einfluss die Systemparameter wie zum Beispiel der Stimulus oder Fluiddrücke auf das Ventilsystem haben. Bei erfolgreicher Umsetzung solcher Systeme können in der Zukunft beispielsweise neuartige mikrorobotische Systeme mit integrierter Ventiltechnik für Medikamentierungen oder Biopsien genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Jochen Hampe