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Large scale micro-and nanofabrication technologies for bioanalytical devices based on R2R imprinting

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Einsatz des Rolle-zu-Rolle-Verfahrens zur Herstellung mikrofluidischer Lab-on-a-Chip-Geräte

Durch die Reduzierung der Kosten für Rolle-zu-Rolle-Technologien (R2R) haben Forscher des EU-finanzierten Projekts R2R Biofluidics (Large scale micro- and nanofabrication technologies for bioanalytical devices based on R2R imprinting) den Weg für den Einsatz des R2R-Verfahrens zur Entwicklung neuartiger Diagnostika für einen schnellen und zuverlässigen Nachweis von Erregern frei gemacht.

Industrielle Technologien
Grundlagenforschung

Das R2R-Verfahren ist eine Methode zum Aufbringen von Beschichtungen, Drucken oder Durchführen anderer Techniken. Dabei wird das sich auf einer Rolle befindliche flexible Ausgangsmaterial abgerollt, bearbeitet und schließlich wieder aufgerollt. Nach dem Beschichten, Laminieren oder Bedrucken können die Materialrollen auf ihre endgültige Größe zugeschnitten werden. Im Gegensatz zur Stapelverarbeitung stellt das R2R-Verfahren einen kontinuierlichen Prozess dar, der zu einer agilen Fertigung und einer stärkeren Automatisierung führen kann – ganz zu schweigen von einer zehnfachen Reduzierung der Kosten. Das Verfahren findet daher schon seit langem Anwendung in der grafischen Druckindustrie und zieht inzwischen auch die Aufmerksamkeit zahlreicher anderer Branchen auf sich. Zum Beispiel verwendet die Elektronikbranche das R2R-Verfahren zur Herstellung von Geräten wie organischen Leuchtdioden, die auf eine Bahn aus flexibler Kunststoff- oder Metallfolie gedruckt werden. Derzeit arbeitet das EU-finanzierte Projekt R2R Biofluidics daran, das R2R-Verfahren für die Diagnostik- und Bioanalytikindustrie anzupassen, insbesondere für die Herstellung mikrofluidischer Lab-on-a-Chip-Geräte. „Wir brauchen große Mengen dieser Produkte für die Diagnostik, Wirkstoffforschung und Lebensmittelüberwachung“, so Projektkoordinator Martin Smolka. „R2R-Technologien ermöglichen eine signifikante Reduzierung der Produktionskosten, was eine entscheidende Voraussetzung für die Massenproduktion ist.“ Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten sowie der präzisen Steuerung und Beeinflussung von Fluiden, die auf eine geringe Größe, in der Regel im Millimeterbereich, beschränkt sind. Lab-on-a-Chip-Geräte sind miniaturisierte Geräte, mit denen Laborexperimente in sehr kleinem Maßstab durchgeführt werden können. Sie sind dazu in der Lage, mehrere Laborfunktionen auf einem Chip mit einer Größe von wenigen Millimetern bis hin zu einigen Quadratzentimetern zu integrieren, was ein automatisiertes Hochdurchsatz-Screening ermöglicht. Ein Quantensprung R2R Biofluidics hat eine völlig neue Prozesskette für die Massenproduktion von Lab-on-a-Chip-Geräten für die patientennahe Labordiagnostik wie den Nachweis von antibiotikaresistenten Erregern vorgestellt. Mithilfe eines In-vitro-Diagnostik-Chips mit aufgedruckten mikrofluidischen Kanälen zum Nachweis von Chemilumineszenz sowie aufgedruckten optischen Nanostrukturen zur Lichtkopplung, konnten die Forscher die Leistung des Geräts verbessern. Als Chemilumineszenz wird die Emission von Licht während einer chemischen Reaktion bezeichnet, die signifikante Mengen an Licht erzeugt. „Diese neuartigen Chips, die für den Chemilumineszenz-Nachweis entwickelt wurden, bieten dank ihrer aufgedruckten optischen Strukturen eine verbesserte Empfindlichkeit“, erklärt Smolka. „Das R2R-Verfahren wird eine kostengünstige Herstellung dieser innovativen Geräte mit hohem Durchsatz ermöglichen und ihnen den Markteintritt erleichtern.“ Darüber hinaus haben die Forscher gezeigt, wie Zellchips mit aufgedruckten Hohlräumen und Kanälen im Mikro- und Nanomaßstab zur kontrollierten Kultivierung von für das Hochdurchsatz-Wirkstoff-Screening geeigneten Neuronen entwickelt werden können. Auf dieser Basis konstruierte SCIENION, einer der Partner des Projekts, einen maßgeschneiderten R2R-„Microarray-Spotter“ zum Drucken von Biomolekülen. „Die Einführung von R2R-Technologien in die Herstellung von Diagnostiktests mit hohem Durchsatz stellt einen Quantensprung dar“, sagt Dr. Holger Eickhoff, Vorstandsvorsitzender der SCIENION AG. „Durch das Angebot derart kostengünstiger, flexibler Geräte wird diese Technologie bald zu einem noch nie dagewesenen Produktionsniveau von Diagnostikgeräten führen.“ Preisgekrönte Idee Im September 2018 erhielt R2R Biofluidics den österreichischen Fast Forward Award für seine Pionierarbeit bei der Entwicklung neuartiger Diagnostika für einen schnellen und zuverlässigen Nachweis von Erregern. „Diese Auszeichnung unterstreicht unsere Vorreiterrolle bei R2R-basierten Verfahrensschritten wie der Umsetzung neuer Druckkonzepte und dem ersten Nachweis von Biomolekülen mittels R2R-Technologien“, fügt Smolka hinzu.

Schlüsselbegriffe

R2R Biofluidics, R2R-Verfahren, Rolle-zu-Rolle-Technologie, Diagnostik, Bioanalytik, Mikrofluidik, Lab-on-a-Chip

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