Point-of-Care-Test: Das Labor in der Hosentasche

Piezokeramiken ermöglichen präzises Liquid Handling in Point-of-Care-Tests

Die In-vitro-Diagnostik (IVD) eröffnet zahlreiche Möglichkeiten, Krankheiten frühzeitig zu diagnostizieren und zu erkennen. Die Tests werden anhand von Blut-, Speichel-, Urin- oder Gewebeproben durchgeführt, die dem Körper von Mensch oder Tier entnommen wurden. Schnelle, einfache und allgemein zugängliche Testmethoden ermöglichen therapeutische Intervention im Sinne einer personalisierten Medizin, um Krankheiten zu heilen, zu behandeln und vorzubeugen. Einige IVD-Tests sind für den Einsatz im Labor konzipiert, während tragbare Point-of-Care-(PoC)Geräte nahezu überall eingesetzt werden können.

Keine leichte Aufgabe: Liquid Handling für IVD

Die Anforderungen an das Fluid Handling in IVD-Geräten sind äußerst anspruchsvoll: Sehr kleine Flüssigkeitsvolumina mit unterschiedlichen Eigenschaften müssen mit hoher Präzision dosiert oder bewegt werden. Die eingesetzte Technologie muss unter Berücksichtigung von Viskosität und Oberflächenspannung der Medien sowie der Dosiergeschwindigkeit eine stoßfreie Dosierung realisieren, Flüssigkeiten und Partikel schnell mischen oder trennen und perfekte Tröpfchen erzeugen können. Misch- oder Sortieraufgaben werden häufig berührungslos ausgeführt, um eine Kontamination der Proben zu vermeiden.

Die für Liquid Handling-Anwendungen im Nano- oder Pikoliter-Bereich verwendeten Aktoren müssen bei hohen Betriebsfrequenzen von bis zu mehreren kHz arbeiten und gleichzeitig die kinetische Energie hervorbringen, die zur Erzeugung kleiner Flüssigkeitsströme oder winziger Tröpfchen erforderlich ist. Piezoelektrische Komponenten und Aktoren eignen sich für diese anspruchsvollen Anforderungen: Der piezoelektrische Effekt beruht auf der Erzeugung von Ladungen durch die Krafteinwirkung eines Kristalls und umgekehrt, somit arbeiten Piezokomponenten mit sofortiger Auslenkung bei Anlegen einer Spannung. Die Bauelemente arbeiten meist mit einem geringen Stromverbrauch, was sie für den Einsatz in batteriebetriebenen Geräten prädestiniert. Sie zeichnen sich durch Langlebigkeit und Zuverlässigkeit aus, sodass sie sowohl in Point-of-Care-Anwendungen als auch in großen Laborautomaten eingesetzt werden können.

Mirkopumpen für tragbare PoC-Tests

Piezoelektrische Bauelemente für die Mikrofluidik werden für Verteilungsaufgaben immer dann eingesetzt, wenn kleine Volumina im Milliliter- bis Pikoliterbereich geregelt werden müssen. >> Piezokomponenten wie Platten und Scheiben sind geeignete Produkte für mikrofluidische Geräte, die ein stoßfreies Pumpen kleiner Flüssigkeitsvolumina über einen bestimmten Zeitraum erfordern. Um ihre Biegung auf Fluidkammern zu übertragen, die Flüssigkeiten bewegen, können die Piezobauteile auf Substrate aufgeklebt werden. Miniaturisierte Platten arbeiten als Aktoren in leichten Mikropumpen mit Abmessungen von weniger als einem Millimeter, die in tragbare Point-of-Care-Geräte integriert werden können.

Energieeffiziente Piezo-Ventile für batteriebetriebene PoC-Geräte

Neben Pumpen kommen in mikrofluidischen IVD-Geräten häufig Ventile zum Einsatz. Piezoventile sind für diese Anwendungen sehr gut geeignet: die Piezoaktoren schalten das Ventil direkt und sind in der Lage, gegen eine Schließfeder oder einen flexiblen Schlauch zur Volumenverdrängung zu arbeiten. Selbst bei sehr geringer Leistung behält das Piezoventil seine aktuelle Position bei – Energie wird nur dann benötigt, wenn die Form des Piezoelements verändert werden muss.

Piezoelektrische Ventile können mit >> PICMA® Multilayer Biegeaktoren konstruiert werden, die je nach Ausführung eine Auslenkung von bis zu einigen Millimetern aufweisen. Aufgrund ihrer geringen Schichtdicke sowie des geringen Energieverbrauchs eignen sich diese Piezo-Bieger ideal für batteriebetriebene Point-of-Care-Geräte. Die Piezoaktoren sorgen für sehr geringe Flussraten, die durch die Steuerspannung des Piezos mittels Proportionaltechnik gesteuert werden können.

PI Ceramic – Annemarie Oesterle

Über den Autor

Dr. Annemarie Oesterle

Segment Marketing Manager Medizintechnik, PI Ceramic GmbH

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