Über den Chip hinaus denken: Mikrofluidik entwerfen und entwickeln

May 11, 2023

von Steve Green

25. Mai 2023

10:15

Steve Green, Leiter Design bei Oxford Product Design, untersucht einige weniger diskutierte Herausforderungen beim Design und der Entwicklung mikrofluidischer Geräte für das Gesundheitswesen.

grimmiger Shutterstock

Chip

Im Großen und Ganzen umfasst die Mikrofluidik das Verhalten, die Manipulation und die Kontrolle von Flüssigkeiten, die auf eine sehr kleine Geometrie beschränkt sind, typischerweise im Mikrometerbereich. In der medizinischen Industrie ist die Mikrofluidik für verschiedene Anwendungen zu einem immer wichtigeren Werkzeug geworden.

Ein wesentlicher Vorteil der Mikrofluidik ist die Fähigkeit, mit sehr kleinen Mengen biologischen Materials wie Blut oder Speichel umzugehen. Dies kann besonders bei diagnostischen Tests zur Entnahme kleiner Proben nützlich sein.

Indem sie es Forschern und Klinikern ermöglicht, kleine Mengen biologischen Materials mit hoher Präzision und Genauigkeit zu handhaben und zu analysieren, trägt die Mikrofluidik dazu bei, Fortschritte in der Diagnostik, der Arzneimittelentwicklung und der personalisierten Medizin voranzutreiben.

In der Diagnostik wird Mikrofluidik häufig bei der Entwicklung von Point-of-Care-Systemen eingesetzt, mit denen Krankheiten oder Zustände im klinischen Umfeld schnell erkannt werden können. Diese Geräte können so konzipiert werden, dass sie tragbar, kostengünstig pro Test, einfach zu verwenden und schnell Ergebnisse liefern, was sie ideal für Notfallsituationen macht.

Es handelt sich um ein spannendes und sich schnell entwickelndes Feld mit enormem Potenzial, unsere Herangehensweise an das Gesundheitswesen zu revolutionieren, das große Aufmerksamkeit von Medien, Wissenschaft und Risikokapitalgebern erhält. Obwohl es bereits Geräte gibt, die auf den Markt kommen, spiegelt die Realisierung dieser Vorteile möglicherweise noch nicht das investierte Geld und den Aufwand wider.

Eine offensichtliche Herausforderung, die einen Großteil des Aufwands und der Aufmerksamkeit während der Entwicklung auf sich zieht, betrifft das mikrofluidische Gerät (oder den „Chip“) selbst. Das Zusammenspiel von Fluiddynamik, Oberflächenchemie und Mikrofabrikationstechniken sowie das Verständnis der zugrunde liegenden Physik und Chemie stellen eine technische Hürde dar, die die Aufmerksamkeit auf sich zieht. Darüber hinaus erfordert die Anforderung an zuverlässige, reproduzierbare und skalierbare Ergebnisse eine sorgfältige Abwägung und Optimierung der Anstrengungen im gesamten Design- und Entwicklungsprozess.

Allerdings ist der mikrofluidische „Chip“ nur ein kleiner Teil des größeren Systems und die Integration dieser Geräte mit anderen Komponenten und Anforderungen kann eine Herausforderung sein.

Hier sind einige Aspekte mikrofluidischer Systeme, die „außerhalb des Chips“ liegen und nicht ignoriert werden sollten:

System Integration: In vielen Fällen müssen mikrofluidische Systeme in externe Systeme wie Pumpen, Ventile und Sensoren integriert werden.

Schnittstellen : Der Flüssigkeitsfluss wird durch Druckgradienten angetrieben. Das Entwerfen von Fluidverbindungen und Schnittstellen, die sauber, zuverlässig, leckagefrei und einfach zu verwenden sind, kann eine erhebliche technische Herausforderung darstellen.

Steuerungen (Erkennung und Rückmeldung): Um eine geschlossene Steuerung mikrofluidischer Systeme zu erreichen, ist es häufig erforderlich, Sensoren und Rückkopplungsmechanismen zu integrieren. Dies kann aufgrund der geringen Größe des Systems eine Herausforderung darstellen, was möglicherweise die Entwicklung spezieller Sensortechnologien erfordert, die im Mikromaßstab arbeiten können.

Stabilität und Robustheit : Mikrofluidische Systeme können empfindlich auf Änderungen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Vibration reagieren. Die Entwicklung stabiler und robuster Systeme erfordert eine sorgfältige Konstruktion von Komponenten und Materialien sowie fortschrittliche Steuerungsalgorithmen.

Beispielhafte Einführung : Das Einbringen biologischer Proben in mikrofluidische Geräte stellt Herausforderungen wie Probenvorbereitung, Handhabung und Lagerung dar; Probenvolumen und -konzentration; Kontamination und Kreuzreaktivität; und Assay-Entwicklung und -Validierung. Diese Herausforderungen müssen sorgfältig bewältigt werden, um sicherzustellen, dass mikrofluidische Geräte zuverlässige und genaue Ergebnisse liefern.

Benutzeroberfläche und Benutzererfahrung : In einer klinischen oder Forschungsumgebung müssen mikrofluidische Geräte für Endbenutzer einfach zu bedienen und intuitiv sein. Die Entwicklung von Benutzeroberflächen, die klar und prägnant sind und relevantes Feedback liefern, kann eine große Designherausforderung darstellen.

Genehmigung und Annahme: Obwohl es Gründe gibt, optimistisch zu sein, dass die Systeme offener und effizienter werden, ist dies zu Recht langsam und risikoarm. Machen Sie es allen Beteiligten einfacher, indem Sie Ihren Markt verstehen und Ihren Genehmigungsweg von Anfang an planen.

Dies sind nur einige der damit verbundenen Herausforderungen, und die Komplexität dieser Entwicklungslandschaft erklärt in gewisser Weise die Lücke zwischen Innovation und Implementierung solcher Geräte in der Praxis.

Die potenziellen Vorteile der Mikrofluidik machen die Entwicklung jedoch zu einer zielgerichteten und wirkungsvollen Investition von Zeit und Energie, sodass kein Zweifel daran besteht, dass sie die Zukunft ist. Die Frage ist, wie wir solche Geräte am effizientesten und effektivsten auf den Markt bringen können.

Strategie: Eine klare und gut kommunizierte Strategie ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das Gerät seine beabsichtigte Anwendung und Anforderungen erfüllt. Es hilft dabei, die wichtigsten Herausforderungen, Ressourcen und Meilensteine ​​zu identifizieren, die für eine erfolgreiche Entwicklung erforderlich sind. Denken Sie daran, dass eine Strategie flexibel und anpassungsfähig sein muss.

Zusammenarbeit:Das Zusammenbringen von Experten aus verschiedenen Disziplinen mit komplementären Fähigkeiten und Kenntnissen ist von entscheidender Bedeutung, da es die Integration unterschiedlicher Perspektiven ermöglicht, was zu kreativeren und innovativeren Lösungen für komplexe Herausforderungen führen kann.

Bei einer Geräteentwicklung werden nur sehr wenige dieser Herausforderungen zum ersten Mal gelöst. Wenn Start-ups, multinationale Unternehmen, Dienstleister, Zulieferer und die Industrie Möglichkeiten finden, effizienter und effektiver zusammenzuarbeiten, werden sich die Bemühungen im Bereich der Mikrofluidik eher auszahlen.

Oxford Product Design wird vom 7. bis 8. Juni auf der Med-Tech Innovation Expo am Stand C29 im NEC in Birmingham ausstellen. Registrieren Sie sich KOSTENLOS unter www.med-techexpo.com.

von Steve Green

25. Mai 2023

10:15