{"id":315168,"date":"2021-11-03T11:00:00","date_gmt":"2021-11-03T10:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=315168"},"modified":"2021-11-03T11:00:00","modified_gmt":"2021-11-03T10:00:00","slug":"konsortium-will-den-entwurf-von-medizinischem-lab-on-a-chip-automatisieren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/konsortium-will-den-entwurf-von-medizinischem-lab-on-a-chip-automatisieren\/","title":{"rendered":"Konsortium will den Entwurf von medizinischem Lab on a Chip automatisieren"},"content":{"rendered":"\n

Medizinische Analysen erfordern modernste Labore und die Arbeit von Experten. Verschiedene Substanzen m\u00fcssen mit komplexen Ger\u00e4ten, kostenintensiven Chemikalien und hohem Personalaufwand bearbeitet werden. An der Johannes Kepler Universit\u00e4t<\/a> (JKU) Linz<\/em> wei\u00df man, dass es auch anders geht. Hier hat man schon mehrere Lab on a Chip<\/em> Plattformen entwickelt, die erfolgreich im Einsatz sind. Beispiele daf\u00fcr sind ein Schwangerschaftstest und ein Corona-Schnelltest. Mit dem Lab on a Chip<\/em>, k\u00f6nnen die Analysen direkt am Point-of-Care<\/em>, also beim Patienten durchgef\u00fchrt werden. Dass dies von Vorteil ist, hat zuletzt die Corona-Pandemie gezeigt. <\/p>\n\n\n\n

Trial & Error<\/h3>\n\n\n\n

Dringenden Bedarf an Lab on a Chip<\/em>-L\u00f6sungen g\u00e4be es vor allem auch im Bereich der Krebsforschung und der Behandlung weiterer Infektionskrankheiten. Diese werden vor allem an Orten mit schlechter Gesundheitsversorgung ben\u00f6tigt, wie zum Beispiel in Entwicklungsl\u00e4ndern. Aber die Entwicklung von Chiplaboren wird durch aufw\u00e4ndige und komplexe Entwurfs- und Herstellungsprozesse verz\u00f6gert oder verhindert. Der Prozess zieht sich \u00fcber Monate und erfordert Kleinstarbeit und zum Teil auch Handarbeit. So m\u00fcssen beispielsweise Kan\u00e4le dimensioniert und angeschlossen werden. Weiters m\u00fcssen die verwendeten Substanzen und Chemikalien mit dem richtigen Druck in den Chip eingespritzt werden und Vorg\u00e4nge wie Mischen, Erhitzen oder Bebr\u00fcten m\u00fcssen genau zum richtigen Zeitpunkt gestartet werden. Da die Prozesse im Mikroliterbereich abgewickelt werden, f\u00fchren schon kleinste Abweichungen zu fehlerhaften Chips. Entwurf und Produktion gelingen daher oft nur durch langwierige Trial-and-Error<\/em>-Prozeduren. <\/p>\n\n\n\n

Auch interessant:<\/strong> \u201eLab-on-a-Chip\u201c soll Laborwerte direkt vor Ort ermitteln<\/a><\/p>\n\n\n\n

Dazu kommt, dass ein Lab on a Chip<\/em> mitunter schon bei der \u00c4nderung einzelner Operationen von Tests vollkommen neu entworfen werden muss. \u201eDenn viele medizinische Untersuchungen unterscheiden sich in Details, wie zum Beispiel einer leicht unterschiedlichen Inkubationszeit\u201c, erkl\u00e4rt Professor Robert Wille<\/a>, Konsortialf\u00fchrer und Leiter des Institute for Integrated Circuits<\/a> <\/em>an der Johannes Kepler Universit\u00e4t <\/em>in Linz und wissenschaftlicher Leiter des Software Competence Center Hagenberg<\/a><\/em>.<\/p>\n\n\n\n

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Der bisherige Entwurfsverlauf (c) JKU Linz<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Mikrofluidische Systeme<\/h3>\n\n\n\n

Will man den Entwurf vom Lab on a Chip<\/em> vereinfachen, so braucht es einen einfacheren Entwurf dieser mikrofluidischen Systeme. Entwurfsautomatisierung unter Verwendung der Gesetze der Mikrofluidik kann hier helfen. Hier nimmt man an, dass sich Fl\u00fcssigkeiten und Gase auf kleinstem Raum anders verhalten als makroskopische Fluide. Weil in kleinsten Gr\u00f6\u00dfenordnungen Effekte dominieren k\u00f6nnen, die in der klassischen Str\u00f6mungslehre oft vernachl\u00e4ssigt werden.<\/p>\n\n\n\n

 An der Johannes Kepler Universit\u00e4t<\/em> l\u00e4uft die Forschung zur Mikrofluidik schon seit vielen Jahren. Mehrere Institute sind eingebunden – unter anderem Mechatroniker, Physiker und Informatiker. Die Forschung zu Entwurf und Simulation entsprechender Chips wurde vor etwa sechs Jahren aufgenommen. Angestrebt  wird ein Prozess, mit dem man das Procedere im Labor in entsprechende Lab on a Chip<\/em>-Entw\u00fcrfe \u00fcberf\u00fchren kann \u2013 idealerweise auf Knopfdruck. Auf Basis dieses Prozesses will man dann die Fabrikation solcher Systeme im gro\u00dfen Stil umsetzen.<\/p>\n\n\n\n

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Der angestrebte Entwurfsverlauf (c) JKU Linz<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Berechnungen und Simulationen<\/h3>\n\n\n\n

Vorbild sind klassische Computerchips, die ebenfalls hochkomplexe Einheiten mit teilweise Millionen oder gar Billionen von Komponenten haben. Ein Beispiel sind Transistoren, die unter anderem korrekt platziert und verbunden werden m\u00fcssen. Dennoch haben sich bereits zahlreiche automatische Methoden etabliert, die es erm\u00f6glichen, diese Chips auf Knopfdruck zu realisieren. \u00c4hnliche Verfahren will das Konsortium nun auch f\u00fcr die Chiplabore entwickeln. <\/p>\n\n\n\n

\u201cDie Grundlagen daf\u00fcr sind bekannt. Wir wissen aus der Grundlagenforschung, wie sich Fl\u00fcssigkeiten in mikrofluidischen Systemen verhalten. Also wie sie zum Beispiel durch Kan\u00e4le gepumpt werden, wie sie sich bei Verzweigungen mischen, wie lange sie durch M\u00e4ander flie\u00dfen, et cetera,\u201d erkl\u00e4rt Wille. Die Beschreibung dieser Prozesse erfordert aber komplexe mathematische Grundlagen und effiziente Computerprogramme, die das Verhalten berechnen und simulieren. Die Simulation hat den Vorteil, dass m\u00f6gliche Fehler schon am Bildschirm entdeckt werden. Das hei\u00dft, die Entw\u00fcrfe m\u00fcssen nicht erst produziert werden, um Anpassungen durchf\u00fchren zu k\u00f6nnen. In einem weiteren Schritt lassen sich auf diesen Grundlagen auch Methoden und Werkzeuge entwickeln, die zumindest Teile des Entwurfs automatisch auf Knopfdruck<\/em> erzeugen. <\/p>\n\n\n\n

Konstruktion des Tools <\/h3>\n\n\n\n

Hinsichtlich der Konstruktion des Tools werden verschiedene M\u00f6glichkeiten untersucht. F\u00fcr einfachere Systeme reicht es, bestimmte Parameter anzugeben. Wie etwa die Breite und L\u00e4nge von Kan\u00e4len, die Geometrie des Systems, die Art der verwendeten Fl\u00fcssigkeiten, et cetera. F\u00fcr kompliziertere Systeme m\u00fcssen zun\u00e4chst durchaus noch recht konkrete Zeichnungen<\/em> des Systems angegeben werden. \u201eDer Vorteil einer Simulation ist hier aber schon deutlich, da man schnell<\/em> testen kann, ob der eigene Entwurf funktioniert, schnell \u00c4nderungen ausprobieren und  Fehler beheben kann\u201c, sagt Wille.  So k\u00f6nnen die Entwurfs- und Produktionsarbeiten von mehreren Monaten auf wenige Tage reduziert werden.<\/p>\n\n\n\n

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Entwurf lab on a chip (c) JKU Linz<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Automatischer Entwurf<\/h3>\n\n\n\n

In Zukunft sollen ganze Entw\u00fcrfe von mikrofluidischen Systemen automatisch erzeugt werden, einfach indem man die gew\u00fcnschten Operationen angibt: Fl\u00fcssigkeiten sollen gemischt werden, Proben sollen eine bestimmte Zeit inkubieren, et cetera. Die Umsetzung des entsprechenden Systems erfolgt durch ein automatisches Werkzeug. Medizinisches Fachpersonal ist f\u00fcr das Lab on a Chip<\/em> nicht mehr n\u00f6tig. Vielmehr sind es Ingenieure, welche die einzelnen Schritte auf dem Chip umsetzen.<\/p>\n\n\n\n

 Das wird es einfacher machen, weitere medizinische Analysen  und Untersuchungen vom Labor direkt zu den Patienten zu bringen. Wille: \u201eDamit schafft man es nicht nur, diese Technologie f\u00fcr viele weitere Anwendungen kosteng\u00fcnstig nutzbar zu machen, sondern auch schnell auf neue Herausforderungen wie Tests f\u00fcr neue Virusvarianten zu reagieren.\u201c <\/p>\n\n\n\n

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Entwurf lab on a chip (c) JKU Linz<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Das Konsortium:<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Mehrere Institute der\u00a0Johannes Kepler Universit\u00e4t Linz<\/em> kooperieren mit\u00a0ESS<\/a><\/em>,\u00a0Ernst Wittner Gesellschaft m.b.H<\/em><\/a>.<\/em>\u00a0und dem\u00a0Software Competence Center Hagenberg<\/em>. Die \u00d6sterreichische Forschungsf\u00f6rderungsgesellschaft <\/a>(FFG) unterst\u00fctzt das Projekt mit \u00fcber 1,4 Mio. Euro.\u00a0\u00a0<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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