ApaLab – Akustophoretische Biopartikel Analytik im LTCC-Lab-on-a-Chip

• Förderhinweis: Das Vorhaben wird vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2024 VFE 0095 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.
• Vorhabensnummer: 2024 VFE 0108
• Projekttitel: ApaLab – Akustophoretische Biopartikel Analytik im LTCC-Lab-on-a-Chip
• Teilprojekt Fraunhofer IKTS: Qualifizierung einer LTCC-Folie für Lab-on-Chip-Applikationen
• Projektlaufzeit: 15.05.2025 – 14.05.2028
• Projektpartner:
  • LCP Laser-Cut-Processing GmbH
  • VIA electronic GmbH
  • Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. (Leibniz-IPHT)
  • ifw Jena | Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH
  • Mildendo Gesellschaft für mikrofluidische Systeme mbH

Kurzbeschreibung:                      

Das Forschungsvorhaben »ApaLab« setzt sich mit der Erforschung LTCC-basierter mikro-elektromechanischer Systeme (MEMS) für die Analyse von Biopartikel-Mischpopulationen mit dem applikativen Schwerpunkt auf gesundheitsrelevanten analytischen Fragestellungen auseinander. Ziel des Vorhabens ist die Umsetzung eines Lab-on-a-Chip-Konzeptes zur mehrdimensionalen Analyse für Biodiversiäts- Monitoring, Bio- und Umwelttechnologie sowie Gesundheits-Technologien. In Dimension 1 erfolgt eine Auftrennung und Häufigkeitsanalyse der Partikel anhand ihrer akustofluidischen Eigenschaften (Größe, akustischer Kontrast, Elastizität). Dimension 2 beinhaltet eine optisch-bildgestützte Bewertung der Einzelpartikel und in Dimension 3 werden für jeden Partikel die optisch spektroskopischen Eigenschaften vermessen und bewertet. Im Vorhaben sollen die einzigartigen Möglichkeiten der LTCC-Technologie zur Erzeugung komplexer dreidimensionaler Funktionsstrukturen für die Erzeugung und das Tuning resonanter Ultraschallfelder im Chip genutzt werden, um dadurch mehrere akustische Teilfunktonen auf einem Chip integrieren zu können. Als weiterer technologischer Baustein erfolgt die Erforschung des hermetischen Fügens von optischen Fenstern mit LTCC-Keramik. Die nachfolgende industrielle Verwertung für fluidische und optische Anwendungen stützt sich auf die erzielten Alleinstellungsmerkmale hinsichtlich mikrofluidischer Funktionalität und Zuverlässigkeit sowie der Wiederverwertbarkeit und Langlebigkeit der entwickelten Lab-on-a-Chip-Systeme. Dabei bilden die Ergebnisse den Startpunkt für eine breite industrielle Wertschöpfung auf Grundlage der im Vorhaben entwickelten Funktionsmuster und davonabgeleiteter Produkte für die Anwendungsfelder Biotechnologie, Biodiversitäts-Monitoring und medizinische Diagnostik.

Ziel

Ziel des Vorhabens "ApaLab" ist die Umsetzung eines Lab-on-a-Chip-Konzeptes zur mehrdimensionalen Analyse von Partikel-Mischpopulationen für Biodiversiäts-Monitoring, Bio- und Umwelttechnologie sowie Gesundheits-Technologien. Für die Separation kommt das Verfahrensprinzip der Akustophorese unter kontinuierlicher Durchströmung durch eine mikrofluidische Messzelle zur Anwendung. In Abhängigkeit von Größe, Dichte und Kompressibilität erfahren dabei Partikel eine gerichtete Kraftwirkung, welche zur Auftrennung anhand dieser Zieleigenschaften genutzt werden kann.

Applikativer Prüfstein für die Leistungsfähigkeit des zu entwickelnden Systems ist dessen Anwendung zur Analytik von Mikroalgen-Mischpopulationen, gewonnen aus Oberflächen-Gewässerproben. Diese Tests erfolgen zunächst im Forschungslabor. In der finalen Ausbaustufe erfolgen die Messungen als on-Site Messungen direkt an Oberflächengewässern oder unter Verwendung von Booten zur Beprobung und Analyse verschiedener Messpunkte auf Thüringer Gewässern. Anwendungen sind zunächst die Analyse von Algenpopulationen, welche in Fischfarmen als Futter eingesetzt werden. Zukünftig ist die Erstellung von Blutbildern mit erweiterter Informationsdichte angestrebt. Zugleich bildet das Verfahren die Möglichkeit, einzelne Partikelfraktionen zu gewinnen oder einen Fluidaustausch der Trägerfluids zu realisieren.

Das IKTS entwickelt, optimiert und qualifiziert die für die Lab-on-a-Chip-Systeme benötigten biokompatiblen LTCC-Materialien sowie die dazugehörenden Fertigungstechnologien. Für die im Forschungsverbund zu entwickelnde hermetische Verschlusstechnologie entwickelt IKTS die hierfür benötigten Lotglasfolien und Paste, um eine Integration der optischen Fenster zu ermöglichen. Dabei steht die Entwicklung der Prozesstechnik, die Qualifizierung des hermetischen Gehäuseverschlusses in keramischer LTCC-Bauweise, die Miniaturisierung und die Quantifizierung der Wirtschaftlichkeit im Fokus der Untersuchungen.