Simulationsgestützte Charakterisierung von Transportprozessen und Affinitätsreaktionen an Festphasen in der zentrifugalen Mikrofluidik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Nils Paust
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286516335

Hochsensitive Analyseverfahren werden für die vor-Ort/Point of Care (PoC) Analytik benötigt, um im Verdachtsfall zeitnah die richtige Diagnose zu stellen und Therapiemaßnahmen einleiten zu können. Wichtiges Kriterium ist eine kurze Analysezeit (wenige Minuten). Allerdings stellt die wirtschaftliche Bereitstellung hochsensitiver Analysen unter PoC Bedingungen (kompakte Geräte, variable Umgebungsbedingungen) insbesondere bezüglich Robustheit und Reproduzierbarkeit eine große Herausforderung dar.Zentrifugal betriebene Mikrofluidik hat das Potential, PoC Analysen für kleinste Analytkonzentrationen zu automatisieren. Skalierbare Volumenkräfte im zentrifugalen Schwerefeld ermöglichen eine reproduzierbare Automatisierung von fluidischen Operationen, die weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Probenmatrix (Viskosität und Benetzungseigenschaften) und den Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Luftfeuchte) ist. Die wichtigsten fluidischen Prozesse werden dabei allein durch die Drehfrequenz eines Rotors gesteuert. Die Schnittstelle zwischen Testträger und Umgebung wird besonders einfach, da keine externe Pumpen oder ähnliches, benötigt werden. Typischerweise basieren PoC Tests (immun- und molekulardiagnostische) auf Affinitätsreaktionen, bei denen Moleküle, Zellen oder Viren über Anbindung an funktionelle Festphasen von der Probenmatrix separiert, und nachfolgend quantifiziert werden. Um Assayzeiten möglichst kurz zu halten und eine hohe Sensitivität zu erreichen, müssen Zielmoleküle effizient zu der funktionellen Festphase transportiert und nicht affine Substanzen abtransportiert werden. Im Stand der Technik fehlen allerdings grundlegende Kenntnisse zu Transportprozessen in der zentrifugalen Mikrofluidik, und zwar Kenntnisse über die Auswirkungen der auftretenden Trägheitskräfte (Zentrifugal-, Coriolis-, Eulerkraft) im zentrifugalen Schwerefeld auf Strömungsprofile und Transportprozesse der zu analysierenden Substanzen. Folglich konnten hochsensitive PoC Tests mit zentrifugaler Mikrofluidik bislang nicht gezeigt werden. Ziel des Vorhabens ist es, diese Kenntnisse der Transportprozesse zu erarbeiten, und dabei den Einfluss von Geometrie und Rotationsprotokollen auf Anbindungsgeschwindigkeit und Anbindungseffizienz zu erforschen. Auf dieser Basis sollen hochsensitive PoC Tests erarbeitet werden.Es werden folgende Teilziele angestrebt:Bereitstellen von Modellen, die den konvektiv-diffusiven Transport von Analyten und Analyt-Konjugat-Komplexen und die Anbindung an eine Festphase in zentrifugal-mikrofluidischen Reaktionskammern erfassen.Erarbeiten von experimentellen Methoden für die Modellvalidierung.Demonstration des simulationsgestützten Layouts anhand der Implementierung einer hochsensitiven Troponin Analyse (Detektionslimit ca. 3 pg/ml; < 10% CV bei 10 pg/ml). Validierung mit klinischen Proben.Aufbau einer Komponentenbibliothek für die Auslegung zentrifugal-mikrofluidischer PoC Tests.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen