Neues Verfahren soll Labor-Prozessoren zur Massenware machen
Mit Handy-Technik werden Biochips billiger

Miniaturisierte Analysesysteme auf Chipbasis sind schneller und genauer als herkömmliche Nachweismethoden. Ein aus der Handy-Technologie entlehntes Verfahren ermöglicht es nun, chemische Reaktionen auf Biochips präzise zu steuern und Lab-on-a-Chip-Systeme preiswerter herzustellen.

DÜSSELDORF. Noch sind Biochips zu teuer, um herkömmliche chemische Analysemethoden in den Labors zu verdrängen. Eine Entwicklung der Advalytix AG könnte das bald ändern. Mit dem von der Brunnthaler Firma entwickelten Verfahren soll es möglich werden, universell einsetzbare Biochips als Massenprodukte herzustellen.

Das Potenzial ist enorm: Biochips sind winzige "Labors auf einem Chip" (englisch: "Lab-on-a-Chip"), in denen chemische Analysen in kurzer Zeit und mit geringstem Materialverbrauch durchgeführt werden können. Diese Mini-Laboratorien werden den Markt für Labortechnik künftig maßgeblich mitbestimmen, heißt es in einer aktuellen Studie des Londoner Marktforschungsunternehmens Frost & Sullivan. Was nämlich üblicherweise Laboranten oder Synthese-Roboter tun - kleinste Flüssigkeitsmengen aufteilen, erwärmen, mischen und gezielt zur Reaktion bringen - kann sich auch auf den daumennagelgroßen Chips abspielen. Das ermöglicht einen sparsamen Umgang mit Probenmaterial und teuren Reagenzien und spart Zeit, da die chemischen Reaktionen meist in Sekundenschnelle ablaufen.

So haben zum Beispiel Forscher am irischen National Microelectronics Research Centre im vergangenen Herbst ein streichholzschachtelgroßes Analysegerät mit einem Mikrofluidprozessor vorgestellt. Dieser ermöglicht es Ärzten, noch während der Operation Gewebeproben eines Patienten auf bösartige Krebszellen zu überprüfen. Mit einem Biochip ist die Analyse, die heute in der Regel noch einige Tage dauert, in wenigen Minuten abgeschlossen.

Medizin und Pharmazie - und hier vor allem die Genanalyse - stellen den größten Markt für die Lab-on-a-Chip-Technologie dar. Eine breite Markteinführung scheiterte nach Aussage der Analysten von Frost & Sullivan bislang allerdings an den hohen Entwicklungs- und Produktionskosten für die Biochips, die meist Spezialanfertigungen sind. Denn die Technologie, die dahinter steckt, ist sehr aufwendig.

Auf den Labor-Prozessoren werden unter anderem winzige Reaktionskammern, Mischer und Ventile untergebracht, die durch haarfeine Kanäle miteinander verbunden sind. Flüssigkeiten und Wirkstoffe werden dort hindurchgepumpt, die Ergebnisse der Reaktion am Ende des Prozesses durch Miniatursensoren aufgenommen und an einen PC weitergeleitet.

"Flüssigkeiten durch die mikrometerfeinen Kanäle eines solchen Lab-on-a-Chip zu pressen, gleicht dem Versuch, Honig durch einen Strohhalm zu saugen", sagt Jürgen Scriba, der bei Advalytix für das operative Geschäft zuständig ist. Entsprechend aufwendig ist die Konstruktion von Pumpsystemen und die Verteilung der Flüssigkeiten. Bei dem Verfahren von Advalytix werden Methoden der Selbstorganisation genutzt, um die Reagenzien direkt auf der Chipoberfläche zu handhaben.

Dass sich kleine Tropfen selbst stabilisieren, lässt sich zum Beispiel in der Autowaschanlage beobachten, wenn bei der abschließenden Warmlufttrocknung einzelne Wassertropfen durch den Luftstrom von der Motorhaube bis hinten zum Autoheck getrieben werden, ohne zu zerlaufen. Indem sie diese Fähigkeit ausnutzen, kommen die Advalytix-Chips völlig ohne Kammern oder Kanäle aus. Die Tropfenbildung wird durch die Oberflächenspannung und die Benetzungseigenschaften der jeweiligen Unterlage bestimmt.

Um die Tröpfchen auf dem Fluidikprozessor gezielt bewegen zu können, hat sich das Start-Up-Unternehmen, das im November 2000 aus dem Center for Nanoscience der Ludwig-Maximilians-Universität München hervorgegangen ist, bei der Handy-Technologie bedient: Der Biochip nutzt Wellen, die in Mobiltelefonen als Frequenzfilter wirken. Integrierte Nanopumpen lösen in dem winzigen Labor akustische Oberflächenwellen aus, die sich wie Miniatur-Erdbeben über das Substrat ausbreiten und dabei Flüssigkeiten und Feststoffe über den Chip transportieren. Je nach Ansteuerung kann dabei jeder Tropfen gezielt zu bestimmten Punkten gelenkt oder auch zunächst geteilt werden.

Für Thomas Joos, Leiter der Biochemie-Abteilung des Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts der Universität Tübingen, hat die Advalytix-Technologie "enormes Potenzial" - vor allem wegen der Beschleunigung der Analyse. Anders als bei einem konventionellen Miniatur-Labor ist die Funktion des Advalytix-Produkts auch nicht durch die Form des Chips und der auf seiner Oberfläche zuvor eingeätzten Kanäle von vornherein festgelegt. "Es handelt sich vielmehr um ein frei programmierbares Biochemielabor auf einem einzigen Mikrochip", sagt Professor Achim Wixforth, Mitgründer und Chefentwickler bei Advalytix. Ein weiterer Vorteil dieser Lösung: Da das teure Ätzen der Kanäle entfällt, können die Fluidikprozessoren mit bewährten Prozessen aus der Halbleiterindustrie vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden.

Quelle: Handelsblatt

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