Integrierte Fertigung von Nanoreaktor-Beads (InFeN)

Problemstellung
Diagnostische Tests, die innerhalb einer kurzen Zeit und am Ort des Geschehens durchgeführt werden können, sind der Schlüssel einer zukünftigen personalisierten Medizin. Bislang kann die fehlerfreie, gleichzeitige Bestimmung relevanter Biomarker aus einer Patientenprobe, wie beispielsweise mit Hilfe von Multiplex-PCR-Tests in der Krebs-Diagnostik, nur in spezialisierten Laboren vorgenommen werden. Solche Multiplex-Analysen erfordern mehrstufige Arbeitsabläufe. Dazu sind aufwendige, mikrofluidische Vorrichtungen, sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme oder Laborautomaten, erforderlich. Die Nanoreaktor-Bead-Technologie hat das Potenzial, durch die einfache Kombinierbarkeit von vorgefertigten mikrometergroßen Biomarker und spezifischen Hydrogel-Partikeln, die Entwicklung und Durchführung von Multiplex-Tests essentiell zu vereinfachen. Hierdurch wird es möglich, mit einem Test innerhalb kurzer Zeit relevante und menschzentrierte Diagnosen vor Ort zu treffen.

Ziel
Ziel des KMU-innovativ Projekts InFeN ist die Entwicklung eines integrierten kontinuierlichen Prozesses zur effizienten Fertigung der Nanoreaktor-Beads. Bislang werden diese mit einem aufwendigen, manuell geregelten mikrofluidischen Verfahren im Labormaßstab hergestellt. Angestrebt wird eine deutliche Prozess-Verschlankung und damit einhergehend eine wirtschaftliche Erhöhung der Prozessausbeute und in Folge dessen, ein neues Herstellungsverfahren mit integrierter Prozessteuerung und integrierter Qualitätssicherung etabliert wird.

Vorgehensweise
Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten ist das Verfahren so zu modifizieren, dass die Prozesssteuerung automatisch erfolgt und die Beads kontinuierlich erzeugt werden können. Damit kann die Ausbeute des Fertigungsprozesses und der erreichbare Ausstoß einer Fertigungsanlage um das Hundertfache gesteigert werden. Dazu ist die innovative Synthese-Vorrichtung mit einem Sensor zur Bestimmung der magnetischen Eigenschaften jedes erzeugten Beads und mit einem abbildenden System zu kombinieren, so dass zuverlässig die Größe der erzeugten Beads und die Anzahl der darin eingebetteten fluoreszierenden Marker bestimmt wird. Die Bildauswertung erfolgt durch die Entwicklung eines mikrooptischen Systems, welches auf die integrierte Messstrecke im Mikrofluidik-Chip anzupassen ist. Auf diese Weise kann ein qualitatives Abweichen der Parameter, wie Größe und Fluoreszenz, verhindert werden. Im Anschluss ist geplant, den Fertigungsprozess kostengünstig im Litermaßstab umzusetzen und damit für die Anwendung in der Breite verfügbar zu machen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Auf Grundlage der so im industriellen Maßstab erzeugten Nanoreaktor-Beads würden bislang nicht wirtschaftlich durchführbare Multiplex-Analysen für verschiedenste Anwendungen in der Biomedizin und Analytik verfügbar gemacht werden. In Zukunft ist es somit möglich schon in Hausarztpraxen oder in schwer zugänglichen Gegenden diagnostische Tests durchzuführen. So wird der Gesundheitsbranche ein zukunftsweisender Schritt zur patientenzentrierten Behandlung geebnet und eine praktische Grundlage für die individualisierte Medizin geschaffen.

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