Hochgeschwindigkeits-Tröpfchenproduktion in mikrofluidischen Geräten

In den letzten zwei Jahrzehnten sind mikrofluidische Geräte, die mithilfe von Technologie Tröpfchen in Mikrometergröße erzeugen, für verschiedene Anwendungen von entscheidender Bedeutung geworden. Diese umfassen chemische Reaktionen, biomolekulare Analyse, Chemie weicher Materie und die Herstellung feiner Materialien.

Darüber hinaus hat die Tröpfchenmikrofluidik neue Anwendungen ermöglicht, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich waren. Es kann die Größe der Partikel beeinflussen und deren Morphologie und Anisotropie beeinflussen. Allerdings ist die herkömmliche Art der Tröpfchenerzeugung in einer einzelnen Mikrokanalstruktur oft langsam, was die Produktion einschränkt.

In einer aktuellen Studie, die in der Ausgabe der Zeitschrift vom 21. Januar 2024 vorgestellt wurde Labor auf einem ChipUnter der Leitung von außerordentlichem Professor Masumi Yamada von der Abteilung für Angewandte Chemie und Biotechnologie an der Graduate School of Engineering der Universität Chiba haben Forscher ein Mikrofluidiksystem eingeführt, das poröse „inverse kolloidale Kristall“-Strukturen (ICC) nutzt, um die Effizienz der Mikrotröpfchenerzeugung zu verbessern dramatisch.

„Wir gingen davon aus, dass eine hocheffiziente Tröpfchenbildung durch die Nutzung der zahlreichen auf der Oberfläche der ICC-Struktur gebildeten Mikroporen als tropfenbildende Düsen möglich sein könnte. Allerdings wurde nach unserem besten Wissen keine Studie über die Integration von inversen Kolloidalen berichtet.“ Kristallstrukturen in mikrofluidische Kanäle und deren Anwendung zur hocheffizienten Tröpfchenbildung.“

„Daher haben wir beschlossen, eine neue Mikrofabrikationstechnik zu entwickeln, um diese Strukturen in mikrofluidische Kanäle zu integrieren und so eine effiziente Tröpfchenbildung zu erreichen“, betont Dr. Yamada.

Die Studie integrierte schwammige ICC-Strukturen mit flachen Mikrokanälen, die wie winzige Düsen funktionierten und Tröpfchen etwa 1.000 Mal schneller als herkömmliche Mikrofluidikgeräte erzeugten. Die Größe der Tröpfchen könnte auch durch Anpassung des Flüssigkeitsflusses, ihrer Eigenschaften und der Größe der winzigen Öffnungen verändert werden.

Darüber hinaus wurden mit dieser Methode auch einzelne mikrometergroße Partikel aus natürlichen Biopolymeren wie Polysacchariden und Proteinen hergestellt. Dieser neue Ansatz verbessert das bestehende Konzept der Tröpfchen-Mikrofluidik, indem er die Geschwindigkeit der Tröpfchenbildung erhöht und den Prozess einfacher zu erstellen und durchzuführen macht.

Aufgrund der verbesserten Effizienz und Kontrolle bei der Tröpfchenbildung wird erwartet, dass diese neue Methode breite Auswirkungen auf verschiedene Bereiche und Produktkategorien haben wird. Dazu gehören Medizin, Lebensmittel, Kosmetika, Spezialtinten und -farben, Siebmatrizen für die Bioseparation und die Herstellung funktioneller Partikel für Displays und Halbleiteranwendungen.

„Mikrotröpfchen, Biopolymerpartikel und daraus hergestellte Vesikel als Gerüste werden häufig für medizinische Anwendungen wie die Arzneimittelentwicklung und die regenerative Medizin verwendet.“

„Darüber hinaus soll diese Methode auf die Herstellung verschiedener Substanzen angewendet werden, darunter Träger für die kontrollierte Abgabe von Arzneimitteln, Gerüste für die Zellkultur, Reagenzien für die Zelltransformation, Träger von Antigenen in der zellulären Immuntherapie und funktionelle Mikropartikel für die Diagnostik.“ stellt sich Dr. Yamada vor.

Zusammenfassend haben die Forscher eine Methode zur schnellen Bildung von Tröpfchen mit extrem hoher Geschwindigkeit für mikrofluidische Geräte entwickelt, indem sie dreidimensionale ICC-Strukturen in herkömmliche flache Mikrokanäle integrieren. Die Anwendung dieser Technik zur Herstellung von Materialien für verschiedene Zwecke soll Technologien vorantreiben, die das Leben der Menschen verbessern und das allgemeine Wohlbefinden unterstützen.