Mikrofluidische Polymerchips mit hydrophilen Kanaloberflächen für die Mikrochip-Elektrophorese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war es mikrofluidische Chips aus Polymeren herzustellen, deren Oberflächen sich durch einfache Behandlung dauerhaft hydrophilieren lassen. Diese Chips sollten dann in der Mikrochip-Elektrophorese evaluiert werden. Als vielversprechendstes Material wurde schwerpunktmäßig das Polyvinylacetat untersucht. Durch einfache chemische Prozesse sollten sich oberflächennahe Estergruppen zu Hydroxylgruppen umwandeln lassen und sich so in situ eine Polyvinylalkoholoberfläche erzeugen lassen. Das Hydrophilieren der entsprechenden Chips gelang im Rahmen des Projektes durch Spülen mit Alkalihydroxid-Lösungen und zum Teil auch durch Behandlung mit Atmosphärendruck-Plasmen. Die gewünschte chemische Umwandlung an der Oberfläche konnte sowohl mittels Photoelektronenspektroskopie als auch durch Kontaktwinkelmessungen bestätigt werden. Die im Projekt präferierte Untersuchungsmethode mittels Chip-Elektrophorese gestaltete sich jedoch extrem schwierig. Dies war vor allem in den ungünstigen Materialeigenschaften des zur Verfügung stehenden großtechnischen Polyvinylacetats begründet. Dieses lag als „klebriges“ Pulver mit geringer Glasübergangstemperatur und ungesicherter Reinheit vor, was besondere Herausforderungen, sowohl an die Fertigung, als auch in der Handhabung der Chips darstellte. Die Robustheit von PVAc-Chips war für elektrophoretische Messungen entsprechend gering. So konnten auch mit hydrophilierten Oberflächen keine verbesserten elektrophoretischen Trennungen beobachtet werden, was mit Wechselwirkungen der Analyten mit den gequollenen Wandoberflächen erklärt wurde. Das alternativ untersuchte Polymer Polyvinylbutyral zeigte in der Handhabung deutlich bessere Materialeigenschaften. Hiermit wurden mechanisch deutlich robustere Mikrofluidik-Chips hergestellt. Allerdings stellte sich hier die Oberflächenhydrophilierung als unerwartet große Herausforderung dar. Während sich in den materialtechnischen Aspekten der neuen alternativen Polymere unerwartet viele Herausforderungen offenbarten, konnten wir auf dem Gebiet der Detektion in mikrofluidischen Polymerchips einen echten Durchbruch erzielen. So gelang erstmals die optische Detektion unmarkierter Biomoleküle in mikrofluidischen Polymerchips durch Zweiphotonen-Anregung bei 420 nm. Zusammenfassend und ausblickend lässt sich feststellen, dass die zugrundeliegende Idee des Projektes, also die Herstellung von Polymerchips aus Derivaten hydrophiler Polymere und deren oberflächliche Hydrophilierung erfolgreich umgesetzt werden konnte. Allerdings konnten aufgrund umfänglicher materialtechnischer Schwierigkeiten diese Chips noch nicht mit Gewinn in der Elektrophorese eingesetzt werden. Dies sollte durch maßgeschneiderte Ausgangsmaterialien möglich werden, hierfür erscheinen insbesondere Polyvinylacetate mit hoher Glasübergangstemperatur vielversprechend. Zu diesem Zweck werden derzeit Kooperationspartner aus dem Gebiet der Polymerchemie gesucht um das spannende Projekt weiterzuführen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007) Lab Chip 7: 1841-1844
Schulze P, Schüttpelz M, Sauer M, Belder D
