Die künstliche Lunge im Mikrofluidik-Chip

In Kooperation mit dem Organs-on-Chip-Technologies-Labor unter der Leitung von Prof. Olivier Guenat von der Universität Bern, durfte die Torson Injex AG an der Produktion eines komplexen Mikrofluidik-Chips mitwirken. Die Herausforderungen waren vielfältig, das Ergebnis jedoch beeindrucken. Gefordert waren präziser Mikrospritzguss zur Herstellung kleinster Strukturen und die Verarbeitung anspruchsvoller Materialien. Das Ergebnis ist ein Mikrofluidik-Chip, welcher die Kultivierung menschlicher Zellen auf einer biologischen Membran ermöglicht.

Dieser Showcase zeigt nicht nur einen Fortschritt in der medizinischen Forschung, sondern betont auch die Innovationskraft und die Zukunftsfähigkeit der Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschungseinrichtungen.

Die Herausforderung

Im April 2021 kam Tobias Weber vom Organs-on-Chip-Technologies-Labor auf Torson Injex zu mit der Anfrage, ob ein mehrlagiger Mikrofluidik-Chip aus COC gefertigt werden könne. Zudem müssen unterschiedliche Oberflächenstrukturen eingebracht werden. Je nach Bereich waren andere Funktionen gefordert. In den mittleren Bereichen soll eine hohe Transparenz die Beobachtung der kultivierten Zellen ermöglichen. In den Fluidkanälen war eine glatte, aber nicht polierte Oberfläche gefordert und in den äusseren Bereichen war eine bewusst raue Textur nötig, um das Fügen der einzelnen Chip-Lagen zu erleichtern.

Zudem sollen auf dem Chip Luft als auch Flüssigkeiten gezielt gepumpt werden können. Dazu waren teils kleinste Kanäle mit 100x500 Mikrometer Abmessung notwendig. Das zu verwendende Material TOPAS® COC der Firma Polyplastics war ebenfalls eine Herausforderung. Dank hervorragenden Eigenschaften in Sachen Transparenz, Reinheit und Dichtigkeit ist es das optimale Material für Mikrofluidik-Anwendungen. Die Verarbeitung im Spritzguss ist jedoch nicht trivial und erforderte einiges an Feinjustierungen.

Das Resultat

Weniger als vier Wochen nach der Bestellung der drei Bauteile, konnten erste gespritzte Muster im gewünschten COC-Material versendet werden. Dank dem hauseigenen Werkzeugbau von Torson Injex konnten auch die anspruchsvollen Anforderungen in kürzester Zeit und nach Kundenwunsch umgesetzt werden. Und das alles innerhalb eines Budgets unter CHF 20'000. Auch die anschliessenden Designiterationen konnten innert kürzester Zeit erfolgreich umgesetzt werden.

Der Chip im Einsatz

An der Universität Bern werden die drei Lagen in einem letzten Verfahrensschritt zum finalen Chip verklebt. Das Resultat lässt sich sehen.

Der Chip enthält Strukturen zur Herstellung einer biologischen Membrane. Ein Goldgitter und ein dünnes Hydrogel bilden die Basis, auf der Zellen aus Lungengewebe kultiviert werden. Integrierte fluidische Strukturen versorgen die Zellen kontinuierlich mit Nährstoffen. Zudem simuliert der Chip die rhythmische Dehnung der Atmung, was das Wachstum der alveolaren Zellen stimuliert.

Der Chip wird an Druckregulierer angeschlossen, um die pneumatischen Ventile präzise anzusteuern. Die Chips mit den Zellen auf der Membran werden anschliessend in einem Inkubator bei 100% Luftfeuchtigkeit und 37°C gelagert, was optimale Wachstumsbedingungen für die Zellen sind. Die Zellen liegen dann im Inkubator, werden durch die Pumpen gedehnt und je nach Experiment, können dann Medikamente an den Zellen getestet oder Krankheiten induziert werden, um deren Verlauf ausserhalb eines lebenden Organismus zu untersuchen. Dank der Transparenz des Chips ist es auch möglich, die Zellen mit einem Mikroskop durch den Chip zu beobachten und ihre Entwicklung und ihr Verhalten genauer zu erforschen.

Fazit

Das Projekt war für alle Beteiligten ein voller Erfolg. Torson Injex konnte das hauseigene Können unter Beweis stellen und viele wertvolle Erfahrungen im Bereich der Mikrofluidik hinzugewinnen. An der Universität Bern öffnete der Mikrofluidik-Chip neue Türen für die Organs-on-Chip Forschung und zeigt, wie innovative Technologien die Schnittstelle zwischen Forschung und Industrie gestalten können. In der Zwischenzeit konnten bereits weitere Projekte in diesem Gebiet umgesetzt werden.