27.10.2021 - University of Toronto

Von der Natur inspirierte Beschichtungen könnten winzige Chemielabors für medizinische Tests und mehr betreiben

Polymerbeschichtung ermöglicht es, Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung über 15-mal längere Strecken zu transportieren als bisher möglich, ohne dass die Flüssigkeit verloren geht

Eine neu entwickelte Beschichtung, die es bestimmten Flüssigkeiten ermöglicht, sich ohne Flüssigkeitsverlust über Oberflächen zu bewegen, könnte neue Fortschritte in einer Reihe von Bereichen, einschließlich medizinischer Tests, ermöglichen.

Diese neue Beschichtung, die im DREAM-Labor (Durable Repellent Engineered Advanced Materials) unter der Leitung von Kevin Golovin, Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Toronto, entwickelt wurde, wurde von der Natur inspiriert.

"Die Natur hat bereits Strategien entwickelt, um Flüssigkeiten über Oberflächen zu transportieren, um zu überleben", sagt Mohammad Soltani, Forscher im DREAM-Labor und Hauptautor eines neuen Artikels, der kürzlich in Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde.

"Wir haben uns von dem Strukturmodell natürlicher Materialien wie Kaktusblättern oder Spinnenseide inspirieren lassen. Unsere neue Technologie kann nicht nur Wassertröpfchen, sondern auch Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung, die sich auf den meisten Oberflächen leicht ausbreiten, gerichtet transportieren."

Die Innovation hat wichtige Auswirkungen auf die Mikrofluidik, ein Bereich, in dem kleine Flüssigkeitsmengen in winzigen Kanälen transportiert werden, die oft weniger als einen Millimeter breit sind. Diese Technik bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem die Miniaturisierung von Standard-Analysen, die derzeit in chemischen Labors durchgeführt werden.

Durch die Verringerung der benötigten Proben- und Reagenzienmengen und die Automatisierung der Arbeitsprotokolle kann die Mikrofluidik Lab-on-a-Chip-Geräte antreiben, die schnelle und kostengünstige medizinische Tests ermöglichen. Befürworter hoffen, dass dies dazu führen könnte, dass mehrere Krankheiten innerhalb von Minuten mit nur ein oder zwei Tropfen Blut diagnostiziert werden können.

Die derzeitigen mikrofluidischen Geräte haben jedoch eine entscheidende Einschränkung: Sie können nur Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung, wie z. B. Wasser, effektiv verarbeiten. Diese Eigenschaft, die auch als Kohäsion bezeichnet wird, bedeutet, dass die Flüssigkeit eher an sich selbst haftet als an den Seiten des Kanals, durch den sie transportiert wird.

Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung bilden diskrete Tröpfchen, die unabhängig voneinander bewegt werden können, wie Regentropfen auf Fensterglas. Die Kohäsion kann sogar ausgenutzt werden, um die Flüssigkeitströpfchen durch einen als Kapillarwirkung bekannten Prozess durch den Kanal zu ziehen.

Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung, wie z. B. Alkohole und andere Lösungsmittel, neigen dagegen dazu, an den Rändern der Kanäle zu kleben, und können derzeit nur etwa 10 Millimeter weit transportiert werden, bevor der Tropfen zerfällt. Da die Kapillarwirkung nicht mehr greift, ist für den Transport eine äußere Kraft wie Magnetismus oder Wärme erforderlich, um die Tröpfchen zu bewegen.

Die neue Beschichtung ermöglicht es, Flüssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung über Entfernungen von mehr als 150 Millimetern zu transportieren, ohne dass die Flüssigkeit verloren geht, also etwa 15 Mal länger als bisher möglich.

Die Technologie verwendet zwei neu entwickelte Polymerbeschichtungen, von denen eine flüssigkeitsabweisender ist als die andere. Beide bestehen aus flüssigkeitsähnlichen Polymerbürsten. Die stärker abweisende Beschichtung fungiert als Hintergrund, umgibt die weniger abweisende Beschichtung und bildet winzige Kanäle entlang der Oberfläche. Die Kanäle ermöglichen es den Flüssigkeiten, sich in einem gewünschten Muster oder in einer gewünschten Richtung zu bewegen, ohne dass die Flüssigkeit während des Transports verloren geht oder zusätzlicher Energieeinsatz erforderlich ist.

"Polymerbürstenbeschichtungen verringern die Flüssigkeitsreibung und ermöglichen einen passiven Transport der Tröpfchen", sagt Soltani, "Weniger Reibung bedeutet, dass mehr Energie für den Transport der Flüssigkeit zur Verfügung steht. Wir schaffen dann eine treibende Kraft, indem wir die Kanäle mit spezifischen Mustern gestalten."

Die Fähigkeit, Flüssigkeiten mit geringer Oberflächenspannung verlustfrei zu transportieren, wird Fortschritte bei Lab-on-a-Chip-Geräten ermöglichen. Mit diesen einzigartigen Beschichtungen können die Forscher Flüssigkeiten über eine größere Entfernung transportieren, mehrere Flüssigkeiten gleichzeitig auf einem präzisen Weg bewegen und sogar Tröpfchen zusammenführen und aufteilen - alles ohne Volumenverlust oder Kreuzkontamination.

Diese Technologie wird auch zur Abfallvermeidung in Forschungslabors beitragen. Da keine Rückstände auf der Oberfläche des Geräts zurückbleiben und somit kein Risiko einer Kreuzkontamination besteht, können Forscher die gleichen Geräte immer wieder verwenden.

"Wir überlegen, diese Technologie für mikrofluidische Bioassays einzusetzen, da in diesem Bereich jeder Tropfen Flüssigkeit kostbar ist", sagt Golovin. "Unsere Ergebnisse haben auch großes Potenzial, die Point-of-Care-Diagnostik voranzubringen, etwa bei Leber- oder Nierenerkrankungen, wo das Screening biologischer Marker häufig in nichtwässrigen Medien durchgeführt wird."

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