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Lab-on-chip-Systeme schneller in Serie

  • Technik
Florian Schmieder, Wissenschaftler am Fraunhofer IWS, überprüft den Prototyp einer komplexen In-Vitro-Diagnostik-Kartusche zur Blutseparation. Das Fraunhofer IWS entwickelt im Projekt Simple-IVD mit Industriepartnern neue Methoden zur kosteneffizienten Serienfertigung solcher Lab-on-chip-Systeme. Foto: Fraunhofer IWS

Das Fraunhofer IWS hat Designsets entwickelt, mit denen Lab-on-chip-Systeme in kurzer Zeit vom Prototypen in die Serienfertigung gebracht werden können.

In den vergangenen Jahren wurden in der ganzen Welt verschiedene Lab-on-chip-Systeme etwa für Corona-Schnelltests entwickelt, davon ging jedoch nur ein kleiner Teil in Serie. „Gerade in der personalisierten Medizin werden Lab-on-chip-Systeme in Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Die Hürde ist jedoch deren Skalierung der im Labormaßstab entwickelten Tests für die Massenproduktion“, erklärt Dr. Frank Sonntag, Abteilungsleiter Biosystemtechnik und Digitalisierung Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS.

Das Fraunhofer IWS hat deshalb im Forschungsprojekt „Skalierbare Mikrofertigung polymerer In-Vitro-Diagnostik-Systeme“ (Simple-IVD) eine Lösung für diese Probleme bei der Industrialisierung entwickelt. Zusammen mit mehreren Partnern entstanden neue Fertigungsverfahren und Methoden für die kosteneffiziente Produktion von Schnelltest-Kartuschen.

Einmal planen für gleich mehrere Serienfertigungsverfahren

Im Mittelpunkt von Simple-IVD stehen die In-Vitro-Diagnostik-Kartuschen (IVD-Kartuschen) für Corona-Antigen-Schnelltest. „Für den Weg von der Kleinserie hin zu großen Stückzahlen fehlen aktuell noch prototypische Produktionsprozesse“, erläutert Florian Schmieder vom Fraunhofer IWS, der das Projekt koordiniert. Bei der Herstellung im Labor kommen unter anderem Verfahren der additiven Fertigung oder die Multilagenlamination zum Einsatz, also der Aufbau in Schichten aus Polymerfolien, die für die Serienfertigung in Spritzguss oder Rolle-zu-Rolle-Verfahren umgesetzt werden würden. „Bisher mussten Hersteller für die Skalierung in ein anderes Verfahren noch einmal ganz von vorn beginnen“, erklärt Schmieder , Wissenschaftler der Gruppe Mikro- und Biosystemtechnik.

Designregeln für Spritzgießen und Tiefziehen verfügbar

Forschende des Fraunhofer IWS entwickeln prototypische Herstellungsprozesse für In-Vitro-Diagnostik-Kartuschen so weiter, dass sie leicht in Großserienprozesse überführt werden können. Foto: Fraunhofer IWS

Sein Team hat daher spezielle Designregeln entwickelt und erprobt. Mit deren Hilfe können Produzenten bereits in der Planungsphase für die IVD-Kartuschen Anforderungen für verschiedenste Herstellungsverfahren sowohl der Prototypenentwicklung als auch für Klein- und Großserien in ihre Konstruktion einbeziehen. Für mehrere klassische Herstellungstechnologien haben die Wissenschaftler des Fraunhofer IWS solche Designregeln bereits gestaltet.

Dazu gehören neben Spritz- und Vakuumguss auch die Multilagenlamination, das Tiefziehen sowie mehrere additive Verfahren. „Künftig werden wir die Palette stetig erweitern“, blickt Schmieder voraus. Dabei ließen sich mit Kunden schnellstmöglich auch Lösungen entwickeln, die genau zu deren Anforderungen passen. Auch eine Rücktranslation von Groß- in Kleinserien wäre praktisch möglich. Interessant seien die Designsets nicht nur für die Hersteller von IVD-Kartuschen. „Es gibt aktuell zahlreiche Biotechnologie-Start-ups, die genau solche Möglichkeiten brauchen“, so Schmieder.

Lab-on-a-Chip-Systeme lassen sich Glas herstellen – auf Spritzgießmaschinen:

Lab-on-chip-Systeme sind in rund der Hälfte der Zeit marktreif

Großer Vorteil der Methode: Prototypen und Kleinserien können schneller als bisher in industrielle Lösungen umgesetzt werden. Lab-on-chip-Systeme erreichen somit schneller Marktreife und stehen Anwendern zügiger zur Verfügung. „Wir können die Zeit, die bisher dafür notwendig war, mit unserer Lösung nahezu halbieren“, macht Schmieder deutlich. Das alles reduziert die Kosten im Herstellungsprozess.

sk