Methode zur Auslegung mikrofluidischer Bauteile für beadbasierte Analysesysteme in der medizinischen Diagnostik

Abstract

In der medizinischen Diagnostik werden zunehmend molekulare Methoden eingesetzt. Festphasenbasierte Analyseverfahren erlauben dabei die zunehmende Miniaturisierung der Verfahren und gewinnen immer mehr an Bedeutung. Beadbasierte Analyseverfahren sind aufgrund der höheren Sensitivität, schnelleren Bindungskinetik und höheren Flexibilität prädestiniert für die medizinische Diagnostik und existierende Ansätze der Point-of-Care Diagnostik. Die Handhabung der Beads erfolgt dabei in mikrofluidischen Bauteilen. Die Arbeit befasst sich mit der geometrischen Auslegung dieser mikrofluidischen Bauteile und mit der Entwicklung eines Simulationsmodells zur Validierung des Bauteildesigns. Die Funktion des mikrofluidischen Bauteils umfasst in der Einlaufzone die Schnittstelle zur manuellen Befüllung mit einer Beadsuspension, die parallele, ortsfeste Präsentation der Beads in der Analysekammer für die optische Detektion sowie die Abführung von Reagenzien bzw. des Trägerfluids in der Auslaufzone. In der Einlaufzone und Analysekammer liegen laminare, stationäre Zweiphasenströmungen vor. Aufgrund der komplexen strömungstechnischen Vorgänge erfolgt die Validierung der Funktionen heute hauptsächlich experimentell, was einen erhöhten Zeit- und Kostenaufwand bedeutet. Zur geometrischen Auslegung des mikrofluidischen Bauteils wird, basierend auf der Betrachtung von Partikelaggregationen, eine Beziehung zwischen den Seitenlängen der Analysekammer und dem Durchmesser der Beads abgeleitet. Die weitere Auslegung erfolgt auf Basis eines hydraulischen Widerstandmodells. Basierend auf diesen Betrachtungen wird ein mikrofluidischer Probenträger konzipiert und realisiert. Zur Evaluierung des Bauteildesigns wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches sowohl die Zweiphasenströmung als auch den sich dynamisch ändernden hydraulischen Widerstand in der Analysekammer abbildet. Dieses Simulationsmodell beruht auf der Kombination des Euler - Lagrange Verfahrens und der Strömung durch poröse Medien. Die erforderlichen Parameter werden experimentell bestimmt. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgt durch Experimente mit dem mikrofluidischen Probenträger. Mittels dieser Experimente werden auch die Betrachtungen zur geometrischen Auslegung verifiziert.

In medical diagnostics molecular methods are increasingly used. Solid phase analysis systems push the trend of miniaturisation and become more and more important. Bead based assay systems have a higher sensitivity, faster reaction kinetics and a higher flexibility. Hence, they are advantageous for medical diagnostics and point of care diagnostics. The handling of the beads is done with the help of microfluidic parts. For this reason, the objective for this research project is to develop a method for the design and validation of microfluidic parts. The microfluidic part comprises three different functional zones. The inlet zone has to ensure the reliable filling of the part with the bead suspension, the analytic chamber has to build and present a bead array for the optical detection in a stable manner and the outlet zone has to ensure the draining of the different fluids. Thereby, in the inlet zone and the analytic chamber a laminar, stationary two phase flow exists. Due to the complex fluidics, today the functions of the microfluidic parts are validated with the help of experiments. These experiments are time consuming and cost intensive. Basic geometric design rules, to ensure a stable 2-dimensional layer of beads within the analytic chamber, are derived from the formation of crystals. Thereby, a relation between the sidelengths of the chamber and the diameter of the beads is obtained. Combined with a model of hydraulic resistances a general design of a microfluidic sample carrier is defined. This microfluidic sample carrier has been realised also. In order to evaluate the design of the microfluidic sample carrier, a simulation model was developed, beeing able to simulate the two phase flow as well as the dynamically growing fluidic resistance within the analytic chamber due to the aggregation of beads. This is achieved by combining the Euler - Lagrange procedure with the flow of fluids through porous media. The required parameters were determined by conducting experiments. The validation of the simulation model was done, carrying out experiments with the realised microfluidic sample carrier. The same experiments were used to verify the basic design of the microfluidic sample carrier, obtained by the geometric design rules.