Ein Experiment auf einem programmierbaren Chip mit biologischen Flüssigkeiten

Bild: Tangible Media Group/MIT Media Lab

Programmierbare Tröpfchen Wenn Wasser mit dem Nutzer spricht

27.04.2018

The Shape Of Water bekommt mit dieser Erfindung eine ganz neue Bedeutung: US-Forscher haben ein System entwickelt, das Wassertropfen manipuliert und daraus Botschaften formt. Selbst die Entwicklung von Medikamenten könnte damit künftig eine neue Form annehmen.

Wasser ist ein faszinierendes Medium: Es transportiert chemische und biologische Informationen und ist Grundlage für die Entwicklung von Leben und das Überleben. Ob es aus dem Wasserhahn fließt oder vom Himmel regnet – Wasser ist stets präsent und Gegenstand menschlicher Interaktion. Schließlich berühren und konsumieren wir es täglich.

Ruhige Schnittstellen anstelle hektischer Displays

Forscher des MIT arbeiten deshalb daran, das natürliche Medium zu nutzen, um Daten darzustellen: Dafür haben sie Calm Interfaces entwickelt, also ruhige Computerschnittstellen. Das System nutzt Wasser und wandelt es in „Programmierbare Tröpfchen“ um. Diese können für die Informationsmanipulation genutzt werden und sind in der Lage, auf menschliche Interaktion zu reagieren.

Die Forscher haben ein Gerät entwickelt, das in verschiedene Alltagsgegenstände integriert werden kann und als Informationsdisplay dient, zum Spielen einlädt oder Botschaften anzeigt. Technologische Grundlage des Programmable-Droplet-Systems ist eine Technik namens EWOD (Elektrobenetzung auf Dielektrikum). Diese Technik ermöglicht eine Reihe von primitiven Operationen, wie das präzise Übersetzen, Morphen, Zusammenführen und Aufteilen mehrerer Tröpfchen gleichzeitig.

Digitale Mikrofluidik

Das Prinzip der elektrisch bewegten Flüssigkeit geht auf Experimente des Physikers Gabriel Lippmann im Jahre 1875 zurück. Seitdem haben viele Wissenschaftler sich mit der Elektrobenetzung für papierähnliche Displays beschäftigt. Ein größeres Interesse an der Technik besteht im Zusammenhang mit digitaler Mikrofluidik.

Die Erfindung des MIT ist im Grund ein digitales mikrofluidisches Lab-on-a-Chip, das auf den EWOD-Prinzipien basiert. Die EWOD-Mikrofluidik-Chips sollen in der Lage sein, eine große Anzahl von Proben parallel und ohne Kreuzkontamination zu manipulieren. Die Forscher haben dafür ein großes 2D-Rasterfeld auf kostengünstig gefertigten Leiterplatten (PCBs) mit direkter Adressierbarkeit auf jeder Elektrode und deutlich reduzierter Tröpfchenbelegung geschaffen.

Die direkte Adressierbarkeit in großem Maßstab bietet dem Anwender die Möglichkeit, den Mikrofluidik-Chip anzupassen, so dass mehrere Experimente parallel ablaufen können. Dazu gehört auch die Entwicklung verschiedener Oberflächenbeschichtungen für den Mikrofluidik-Chip, die von Natur aus verhindern, dass ein Tröpfchen eine Spur hinterlässt und somit eine Kreuzkontamination verhindert.

Besonderheiten des programmierbaren Tropfensystems

Den MIT-Forschern ist es gelungen, verschiedene biologische Materialien auf der gleichen Oberfläche zu manipulieren. Dafür haben sie eine neue Oberflächenbeschichtung entwickelt, die nahezu keine Tröpfchenbelegung aufweist und niedrige Betätigungsspannungen zulässt. Dafür haben sie den Prozess der Leiterplattenherstellung so optimiert, dass die Tröpfchen weniger Rückstände hinterlassen als bei anderen Systemen und sich die Tröpfchen bei niedrigeren Betätigungsspannungen zuverlässig über die Oberfläche bewegen.

Die niedrigeren Betätigungsspannungen des Systems ermöglichen die Manipulation von biologischen Materialien, einschließlich Zellproben in Tröpfchen, ohne die Zellen zu beschädigen. Dabei kommen die gleichen Chips zum Einsatz wie in Touchscreens, um die Position der Tröpfchen auf jeder Elektrode zu erfassen. Diese Sensorfunktionalität ermöglicht eine schnelle Fehlerkorrektur bei der Tröpfchenbewegung und kann die Konzentration von Zellen in einem Tröpfchenreaktor messen.

Platz für verschiedene bilogische Materialien

Eine wesentliche technische Herausforderung bei der Entwicklung des Programmable-Droplet-Systems war die Oberflächenbeschichtung des Chips. Die nun entwickelte Oberfläche verhindert, dass Protein- und/oder Zelltröpfchen eine Spur hinterlassen, wenn sie sich auf dem Chip bewegen. Auf diese Weise können unterschiedliche biologische Materialien auf der gleichen Oberfläche ohne Kreuzkontamination manipuliert werden.

Im nächsten Schritt wollen die Forscher die Technologie Parallelisieren, um damit beispielsweise die Entdeckung neuer Medikamente und die Erkennung von Krankheiten zu beschleunigen.

Bildergalerie

  • Die Seitenansicht des programmierbaren Chips zeigt die Verdrahtung, die die Ansteuerung und Abtastung von Tröpfchen unterstützt.

    Bild: Tangible Media Group/MIT Media Lab

  • Dosieren einer biologischen Probe auf dem programmierbaren Chip mittels Pipette.

    Bild: Tangible Media Group/MIT Media Lab

  • Zwei Tröpfchen, die gerade programmatisch zusammengeführt wurden und verschmolzen sind.

    Bild: Tangible Media Group/MIT Media Lab

  • Tröpfchen, die eine Sinuskurve auf dem Display wiedergeben

    Bild: Tangible Media Group/MIT Media Lab

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