Papierbasierte-Mikrofluidik für zelluläre Diagnostik. Matthias Meier

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Georg Becker
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1 Papierbasierte-Mikrofluidik für zelluläre Diagnostik Matthias Meier

2 Was ist Mikrofluidik? Wissenschaft über die Kontrolle von Flüssigkeiten in Strukturen mit einer Größe von Mikrometern. Mikro beinhaltet Volumina in µl; nl; pl; fl 1 fl bis 1 µl (10-15 bis 10-6 Liter) -> 10er Größenordnung immer noch weit entfernt von molekularen Dimensionen 1 µl 1 mm 1 pl 1 nl 2

3 Miniaturisierung Miniaturisierung kann genutzt werden, um: Verbrauchskosten zu reduzieren Prozessketten zu parallelisieren (multiplex) Prozesse zu automatisieren Bild: Willard Wignan 3

4 Inhaltsüberblick Papierbasierte Mikrofluidik 1. Definition: Was ist Papier? 2. Charakterisierung: Wie verhält sich Papier 3. Mikrofluidische Betrachtung: Flüssigkeiten und Papier 4. Herstellung papierbasierter Mikrofluidik-Plattformen 5. Anwendung: Beispiel Blutgruppenbestimmung 4

5 1. Was ist Papier? Papier ist ein flächiger Werkstoff, der im Wesentlichen aus Fasern meist pflanzlicher Herkunft - Zellulose - besteht. Papierherstellung erstmals erwähnt ~100 n.chr. in China Bild: 5

6 Beschreibung von Zellulose Polysacharid, zusammengesetzt aus β-d-glukose Einheiten (β-1,4-glykosidische Bindung) mit 50% Massenanteil Hauptkomponente der pflanzlichen Zellwand Hydrophil, aber nicht löslich in Wasser und einer Reihe organischer Lösungsmittel D-Glukose Einheit 6

7 Struktur von Zellulose Zellulose bildet Fibrillen. Hohlzylinder Zellulose Fibrille Länge: ~10-15 mm Durchmesser: ~50µm Makrofibrille Mikrofibrille Zuckerkette Bild: 7

8 Dichte von Zellulose Papierdichte wird als Flächendichte (g/m 2), ausgedrückt, nicht als Volumendichte Papierdicke variert stark (z.b. Büropapier 96 bis 110 µm) Papierform Dichte (g/m 2 ) Dicke (µm) Zeitungspapier Büropapier DIN A Blotting Papier Zellstoff 28 ~125 Papierlabel Washi (Japan) ~

9 Porösität von Zellulose Porosität: Verhältnis von Porenvolumen zu Gesamtvolumen Volumen von trockenem Papier besteht 50%-75 % aus Luft Porösität bestimmt, wie Papier mit Flüssigkeiten reagiert (Beschichtung, Fluss) Porengröße von Büropapier DIN A4: ~8 µm 9

10 Papierbasierte Mikrofluidische Analysegeräte Alle papierbasierten mikrofluidischen Analysegeräte (µpads) benötigen Papiere mit definierten Parametern Whatman Filter Paper 4, GE Healthcare 10

11 Fluss durch Papier Physikalische Kraft, die eine Flüssigkeitsströmung im Papier ermöglicht: Kapillarkraft (engl. : surface tension flow / wicking flow) Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und porösen Zellulose-Fibrillen Flussregime im Papier: 1. benetzender Fluss 2. Fluss im vollständig benetzen Papier Saugkissen 11

12 Fließgeschwindigkeit des benetzenden Flusses Lucas-Washburn Gleichung (wicking flow) : Beschreibt den Kapillarfluss in einem Bündel von parallelen zylindrischen Fibrillen in Abwesenheit der Schwerkraft. L - zurückgelegte Distanz der Flüssigkeitsfront η - Viskosität γ - effektive Oberflächenspannung D - durchschnittliche Porengröße der Zellulose t - Zeit! = #$% 4' 12

13 Grenzbedingungen der Washburn Gleichung 1. Die Porengröße im Papier ist überall gleich groß 2. Das Papier hat keine Verunreinigungen 3. Die Menge einer Flüssigkeit ist unbegrenzt à der Nachfluss bricht nicht ab Flüssigkeits- Reservoir Zeit Front 13

14 Einengender und Verbreiternde Fluss Fragestellung: Fließt die Flüssigkeitsfront in beiden Streifen gleich schnell? A B 14

15 Einengender und Verbreiternde Fluss A) Einengender Fluss enger Kanal trifft breiteren Kanal Grenzbedingung Nr. 3 ist gebrochen > Fließgeschwindigkeit der Front verlangsamt sich! A B B) Verbreiternde Fluss breiter Kanal trifft engeren Kanal breiter Kanal dient als nicht-limitierendes Reservoir > Fließgeschwindigkeit der Front ändert sich nicht. 15

16 Fließverhalten durch Papier Kaffeeflecken Flüssigkeit fließt ungerichtet auf dem Papier: 16

17 µpad Herstellverfahren im Überblick Handfertigung Cate et al. Anal. Chem Masken Schneiden Drucken 17

18 Wachs-Druck von µpads Carillho et al Anal. Chem. 1. Layoutdesign 2. Druck µpad 3. Wiederaufschmelzen Materialien: Wax basierte Tinte (50-60 µm dicke Waxlage wird auf das Papier gebracht). Die Tinte ist eine Mixture aus hydrophoben Urethanen, Kohlenwasserstoffen, and Farbstoffen (Schmelztemperatur ~120 C) 18

19 Auslösung eines Wachs-Drucks 1. Layoutdesign 2. Druck µpad 3. Wieder Aufschmelzen Auflösung: CAD Programm Drucker 1000dpi = > 25µm Fluss! (ca. Faktor 4) 19

20 Wax Drucken von µpads Wiederaufschmelzen des Wachses auf der Papieroberfläche führt zu: Vertikale-Verbreiterung: generiert hydrophobe Barrieren in z-richtung Laterale-Verbreiterung: verringert Auflösung des Drucks, generiert hydrophobe Barrieren in x- und y- Richtung 20

21 Anwedungsbeispiel für µpads µpads zur Blutgruppenbestimmung Blut wird klassifiziert auf Grundlage von Gegenwart oder Absenz von Antigenen auf der Oberfläche roter Blutköperchen Antigene können sein: Proteins Carbohydrates Glycoproteins Glycolipids Größe = 6-8 µm Bild: 21

22 Das AB0 Blut-Typisierungssystem Bild: http// 22

Das AB0 Blut-Typisierungssystem Coombs-Test: http:/hematology.

23 Das AB0 Blut-Typisierungssystem Coombs-Test: Antikörper Blutzelle mit Antigen Antikörper gegen die Blutkörper Antigene Resultat: Agglomeration (Verdickung) 23

24 Das AB0 Blut-Typisierungssystem A) Blutzellen interagieren mit Antikörper auf dem µpad Zellen agglomerieren und trennen sich vom Plasma Blut Khan et al. Anal.Chem A B) Blutzellen interagieren nicht mit Antikörper auf dem µpad Zellen und Plasma fließen gleich schnell B 24

25 Das AB0 Blut-Typisierungssystem Auf dem µpad: Anti-A Konzentration auf dem µpad AB+ Blutgruppe auf dem µpad 25

26 Programmierung von Papier 26

27 Auf dem Papier Schreiben Positive für A, B, AB Druck O wasserfesten Tinte Wasch Schritt Druck X mit anti-a und anti-b Lösung Blutsample auf das X Wasch Schritt Negative für 0 27

28 Auf dem Papier Schreiben Einfach und eindeutig. 28

29 Resümee 1. Aus was besteht Papier? 2. Welche zwei Flußregime gibt es auf dem Papier? 3. Wie können wir Fluß auf Papier steuern? 4. Wie können Blutgruppen auf einem µpad nachgewiesen werden? 29

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