Die In-vitro-Diagnostik (IVD) eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, Krankheiten frühzeitig zu diagnostizieren und zu erkennen. Die Tests werden anhand von Blut-, Speichel-, Urin- oder Gewebeproben durchgeführt, die dem Körper von Mensch oder Tier entnommen wurden. Im Kampf gegen Viruspandemien, wie wir sie derzeit mit COVID-19 erleben, gewinnen IVD-Tests zunehmend an Bedeutung: Schnelle, einfache und allgemein zugängliche Testmethoden ermöglichen therapeutische Intervention im Sinne einer personalisierten Medizin, um Krankheiten zu heilen, zu behandeln und vorzubeugen.
Welche IVD-Testverfahren gibt es?
Einige IVD-Tests sind für den Einsatz im Labor konzipiert, während tragbare Point-of-Care-Geräte nahezu überall eingesetzt werden können. Verschiedene analytische Methoden in den "Omics" wie die Sequenzierung des gesamten Genoms und PCR (Polymerase Chain Reaction, Polymerase-Kettenreaktion), aber auch molekulardiagnostische Tests wie ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay, immunologisches Nachweisverfahren) können zu diesem Zweck eingesetzt werden. Auch andere Techniken wie Zytometrie, Zellisolation, Zelllinientechnik, Drucken von Microarrays und Lab-on-a-Chip-Systeme können im Zusammenhang mit IVD-Methoden genannt werden.
Keine leichte Aufgabe: Liquid Handling für IVD
Die Anforderungen an das Fluid Handling in IVD-Geräten sind äußerst anspruchsvoll: Sehr kleine Flüssigkeitsvolumina mit unterschiedlichen Eigenschaften müssen mit hoher Präzision dosiert oder bewegt werden. Die eingesetzte Technologie muss unter Berücksichtigung von Viskosität und Oberflächenspannung der Medien sowie der Dosiergeschwindigkeit eine stoßfreie Dosierung realisieren, Flüssigkeiten und Partikel schnell mischen oder trennen und perfekte Tröpfchen erzeugen können. Misch- oder Sortieraufgaben werden häufig berührungslos ausgeführt, um eine Kontamination der Proben zu vermeiden.
Die für Liquid Handling-Anwendungen im Nano- oder Pikoliter-Bereich verwendeten Aktoren müssen bei hohen Betriebsfrequenzen von bis zu mehreren kHz arbeiten und gleichzeitig die kinetische Energie hervorbringen, die zur Erzeugung kleiner Flüssigkeitsströme oder winziger Tröpfchen erforderlich ist. Piezoelektrische Komponenten und Aktoren eignen sich für diese anspruchsvollen Anforderungen: Der piezoelektrische Effekt beruht auf der Erzeugung von Ladungen durch die Krafteinwirkung eines Kristalls und umgekehrt, somit arbeiten Piezokomponenten mit sofortiger Auslenkung bei Anlegen einer Spannung. Die Bauelemente arbeiten meist mit einem geringen Stromverbrauch, was sie für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten prädestiniert. Sie zeichnen sich durch Langlebigkeit und Zuverlässigkeit aus, sodass sie sowohl in Point-of-Care-Anwendungen als auch in großen Laborautomaten eingesetzt werden können.
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Piezo Components for Liquid Handling
Microfluidics for in Vitro Diagnostics
Piezokeramische Komponenten für Mikropumpen
Piezoelektrische Bauelemente für die Mikrofluidik werden für Verteilungsaufgaben immer dann eingesetzt, wenn kleine Volumina im Milliliter- bis Pikoliterbereich geregelt werden müssen. >> Piezokomponenten wie Platten und Scheiben sind geeignete Produkte für mikrofluidische Geräte, die ein stoßfreies Pumpen kleiner Flüssigkeitsvolumina über einen bestimmten Zeitraum erfordern. Um ihre Biegung auf Fluidkammern zu übertragen, die Flüssigkeiten bewegen, können die Piezobauteile auf Substrate aufgeklebt werden. Miniaturisierte Platten arbeiten als Aktoren in leichten Mikropumpen mit Abmessungen von weniger als einem Millimeter, die in tragbare Point-of-Care-Geräte integriert werden können.
Energieeffiziente Piezo-Ventile
Neben Pumpen kommen in mikrofluidischen IVD-Geräten häufig Ventile zum Einsatz. Piezoventile sind für diese Anwendungen sehr gut geeignet: die Piezoaktoren schalten das Ventil direkt und sind in der Lage, gegen eine Schließfeder oder einen flexiblen Schlauch zur Volumenverdrängung zu arbeiten. Selbst bei sehr geringer Leistung behält das Piezoventil seine aktuelle Position bei – Energie wird nur dann benötigt, wenn die Form des Piezoelements verändert werden muss. Piezoelektrische Ventile können mit >> PICMA® Multilayer Biegeaktoren konstruiert werden, die je nach Ausführung eine Auslenkung von bis zu einigen Millimetern aufweisen. Aufgrund ihrer geringen Schichtdicke sowie des geringen Energieverbrauchs eignen sich diese Piezo-Bieger ideal für batteriebetriebene Point-of-Care-Geräte. Die Piezoaktoren sorgen für sehr geringe Flussraten, die durch die Steuerspannung des Piezos mittels Proportionaltechnik gesteuert werden können.
Flüssigkeiten mischen mit der Kraft des Piezos
Piezoelektrische Komponenten ermöglichen das aktive Mischen von Flüssigkeiten auf kleinem Raum. Dazu werden >> miniaturisierte Piezoscheiben oder -platten mit Abmessungen von weniger als einem Millimeter auf mikrofluidischen Kanälen angebracht. Im Betrieb produziert der Piezo akustische Wellen und ermöglicht so die Vermischung mehrerer Medien. Die mechanischen Kräfte der Wellen erzeugen Turbulenzen und damit eine Vermischung selbst in dünnen Kapillaren, die meist nur eine laminare Strömung zulassen.
Mit Komponenten aus harten piezoelektrischen Materialien ist es möglich, mittels Leistungsultraschall Kavitation in der Flüssigkeit zu erzeugen. Die entstehenden Kavitationsblasen führen in mikrofluidischen Geräten ebenfalls zu Turbulenzen und Vermischungseffekten.
Eine weitere Technik der aktiven Vermischung wird durch >> piezoelektrische Scheiben induziert, die in einem Biegemodus arbeiten: Mit Aufwärts- und Abwärtsbewegungen ähnlich derer von Membranpumpen erzeugen diese winzigen Aktoren Wirbel in mikrofluidischen Kammern.
Ultraschnelle Aktoren für Sortieraufgaben
Das Sortieren oder Trennen von Zellen und Nanopartikeln in Flüssigkeiten ist eine der wichtigsten Aufgaben in vielen IVD-Geräten. Piezoelektrische Multilayer-Aktoren wie >> PICMA® Stacks bewältigen dies mit ultrahohen Beschleunigungen und niedrigen Ansteuerspannungen. Aufgrund ihrer nanometerpräzisen Auslenkung und Reaktionszeiten von Mikrosekunden werden Flüssigkeits- oder Gasoberflächen sehr schnell manipuliert, so dass Zellen ausgewählt und von anderen getrennt werden können.
Piezoelektrische Scheiben können ebenfalls für akustofluidische Sortierverfahren verwendet werden. Ähnlich wie im Mischmodus setzt man dabei die mechanische Kraft von Ultraschallwellen ein, um kleine Partikel wie Zellen und Mikroorganismen zu manipulieren. Hier können sowohl akustische Oberflächen- als auch Volumenwellen genutzt werden, die von piezoelektrischen Komponenten ausgehen.
Tausend Tropfen pro Sekunde
>> Piezoelektrische Rohre können für Sortieraufgaben mit präziser Tröpfchenerzeugung eingesetzt werden. Durch das Einbringen einer Glaskapillare in ein solches Piezorohr wird das Ink-Jet-Prinzip genutzt, um Tröpfchen bis zu Pikoliter-Volumen zu dosieren. Eine entsprechende Dosierung der Tröpfchen ermöglicht die Einzelzellisolation.
PICMA® Stack Piezoaktoren bieten eine Alternative zu Piezorohren: Werden sie in einen Druckkopf eingesetzt, können Mikro-Assays in sehr hoher Geschwindigkeit mit hoher Genauigkeit gedruckt werden.
