Neuste Technologien im Markt für Lab-on-a-Chip: Mikrofluidik und µTAS
Dank konstanter Bemühungen in den Bereichen Mikrofluidik und µTAS (miniaturisierte Gesamtanalysesysteme) hat sich die Lab-on-a-chip (LOC)-Technologie in den letzten Jahren rasant entwickelt. Während sich Design und Funktion immer weiter verbessern, nimmt das Marktpotenzial von LOCs allmählich enorme Dimensionen an. Zu diesem Ergebnis kommt eine neue Analyse von Technical Insights einem Unternehmensbereich der Unternehmensberatung Frost & Sullivan.
Für signifikante Veränderungen dürfte die breitflächige Einführung von LOCs vor allem im derzeit auf 25 Milliarden US-Dollar bezifferten Markt für Diagnostika sorgen, und zwar sowohl bei der zentralisierten Laboranalyse als auch bei patientennahen Tests (Point-of-care-Testing). "Konventionelle Laboranalysen sind zeitaufwendig, ermüdend und erfordern teure Geräte und hoch qualifiziertes Personal", erläutert Katherine Austin von Technical Insights. "Dagegen sind LOC-Benchtop-Analysen um ein Vielfaches billiger und schneller."
Präzise, flexibel und einfach zu handhaben
Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich für LOCs ist das pharmazeutische Wirkstoffscreening mit hohem Durchsatz (HTS). Die Analyse potenzieller Wirkstoffe ist ein umfangreicher automatisierter Prozess, der mehr Genauigkeit und Durchsatz erfordert, als von den standardisierten Makroskala-Instrumenten geboten werden kann. "Diese Voraussetzungen sowie die Notwendigkeit, Probenvolumina und Kosten für Reagenzien zu reduzieren, machen die Wirkstoffforschung und -entwicklung zum idealen Feld für LOCs", so Austin. "Denn LOCs bieten Präzision, Flexibilität und eine einfache Handhabung."
Zusätzlich vorangetrieben wird die LOC-Forschung im Zuge der Bekämpfung von Terrorismus und Biowaffen. Neben der DNA-Analyse werden entsprechende Systeme immer häufiger benutzt, um potenzielle Gifte in Luft, Lebensmitteln und Wasser zu identifizieren.
MEMS-Technologie liefert neue Impulse
Ein Großteil des Erfolgs von Mikrofluidik und µTAS bei der Produktion kommerziell verwertbarer LOCs beruft sich auf Technologien wie MEMS (mikro-elektromechanische Systeme). So ermöglicht MEMS die parallele Herstellung mehrerer identischer Systeme. In Italien beispielsweise nutzen Forscher die Vorteile der MEMS-Technologie momentan zur Entwicklung eines Siliziumchip-Prototyps mit hohem Potenzial für medizinische und Umwelt-Anwendungen. Der Chip verfügt über hervorragende thermische Eigenschaften und eignet sich bestens für DNA-Analysetechniken wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR).
Forschung setzt auf Kunststoffe
Um Kosten für Silizium und Glas zu sparen, erwägen Mikrofluidik- und µTAS-Forscher derzeit beim LOC-Design außerdem den Einsatz von Polymeren und Kunststoffen. Bereits jetzt ist zu beobachten, dass die Forscher trotz anfänglicher Kompatibilitätsprobleme inzwischen verstärkt auf Plastik setzen, wenn es um Oberflächenmodifikationen oder -beschichtungen geht.
Konkrete Markterfordernisse müssen mehr berücksichtigt werden
Bei der kommerziellen LOC-Produktion konzentriert sich ein wesentlicher Anteil bislang auf günstige spritzgegossene Einweg-Chips, -Karten oder -Discs. Diese LOCs sind vergleichsweise einfach herzustellen und zu handhaben und ermöglichen damit die Entwicklung billigerer, robusterer und flexiblerer elektronischer Geräte. Dagegen bilden die hohen Entwicklungskosten bei den Mikrofluidik- und µTAS-Technologien ein entscheidendes Hindernis für die breite Akzeptanz entsprechend ausgestatteter LOC-Systeme. "Der Schlüssel für einen langfristigen Markterfolg liegt darin, dass sich die Forschung nicht nur auf technische Aspekte konzentriert, sondern auch ein Verständnis für die konkreten Markterfordernisse entwickelt", rät Austin.
Viele Zielkunden haben bereits teuere Abfüllvorrichtungen und Screening-Systeme mit hohem Durchsatz installiert. Mit anderen Worten: Bevor sie wirklich lukrativ sein kann, müssen LOC-Mikrofluidiksysteme zuerst ausreichend Vorteile aufweisen, die eine Zusatzinvestition rechtfertigen würden, oder sich problemlos in die bestehenden Systeme integrieren lassen.
Nachfrage wird steigen
"Gleichzeitig spielen einfache Transportierbarkeit, schnelle Assay-Zeiten und geringe Probenvolumina eine wichtige Rolle. Für die Verteidigungsindustrie und den Sektor für öffentliche Gesundheit dürften diese Aspekte sogar schwerer wiegen als die Kosten, sodass aus diesen Bereichen schon bald mit einer starken Nachfrage nach LOC-Systemen zu rechnen ist", meint Austin.
Bedarfsfördernd dürfte sich außerdem auswirken, dass sich die Mikrofluidik- und µTAS-Forschung zunehmend von nicht rekonfigurierbaren Systemen mit nur einer Funktion entfernen und inzwischen diverse Funktionen in einem einzigen Chip integrieren. Dazu zählen beispielsweise Probenaufbereitung, enzymatische Reaktionen, Filtration und Elektrospray-Ionisierung.
Nanolabor auf CD
In Schweden wurde jüngst ein Nano-Labor auf CD entwickelt, das zum Zwecke des Peptidmapping oder der Sequenzanalyse in der Massenkspektronomie innerhalb einer Stunde 480 Protein-Proben gleichzeitig verarbeiten kann. Dieses System wird voraussichtlich in der Proteomik auf großes Interesse stoßen und damit die Anwendung von Mikrofluidik und µTAS auch in anderen Forschungsfeldern vorantreiben.
"Jetzt ist der perfekte Zeitpunkt, um die LOC-Entwicklung auf der Basis von Mikrofluidik und µTAS weiter zu forcieren", so Austin abschließend. "Denn inzwischen lässt sich in ein aktives Mikrofluidik-LOC fast alles integrieren - von Sensoren über Filtrationsmembrane und Optik bis hin zu digitalen Anzeigen und Chips für globale Positionierungssysteme."
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