570 Biowissenschaften; Biologie
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Paper-based microfluidics provide an inexpensive, easy to use technology for point-of-care diagnostics in developing countries. Here, we combine paper-based microfluidic devices with responsive hydrogels to add an entire new class of functions to these versatile low-cost fluidic systems. The hydrogels serve as fluid reservoirs. In response to an external stimulus, e.g. an increase in temperature, the hydrogels collapse and release fluid into the structured paper substrate. In this way, chemicals that are either stored on the paper substrate or inside the hydrogel pads can be dissolved, premixed, and brought to reaction to fulfill specific analytic tasks. We demonstrate that multi-step sequences of chemical reactions can be implemented in a paper-based system and operated without the need for external precision pumps. We exemplify this technology by integrating an antibody-based E. coli test on a small and easy to use paper device.
Paper-based microfluidics provide an inexpensive, easy to use technology for point-of-care diagnostics in developing countries. Here, we combine paper-based microfluidic devices with responsive hydrogels to add an entire new class of functions to these versatile low-cost fluidic systems. The hydrogels serve as fluid reservoirs. In response to an external stimulus, e.g. an increase in temperature, the hydrogels collapse and release fluid into the structured paper substrate. In this way, chemicals that are either stored on the paper substrate or inside the hydrogel pads can be dissolved, premixed, and brought to reaction to fulfill specific analytic tasks. We demonstrate that multi-step sequences of chemical reactions can be implemented in a paper-based system and operated without the need for external precision pumps. We exemplify this technology by integrating an antibody-based E. coli test on a small and easy to use paper device.
Viele klinische Schnelltestsysteme benötigen vorpräparierte oder aufgereinigte Analyte mit frisch hergestellten Lösungen. Fernab standardisierter Laborbedingungen wie z.B. in Entwicklungsländern oder Krisengebieten sind solche Voraussetzungen oft nur unter einem hohen Aufwand herstellbar.
Zusätzlich stellt die erforderliche Sensitivität die Entwicklung einfach zu handhabender Testsysteme vor große Herausforderungen.
Autokatalytische Reaktionen, die sich mit Hilfe sehr geringer Initiatorkonzentrationen auslösen lassen, können hier eine Perspektive für Signalverstärkungsprozesse bieten.
Aus diesem Grund wird im ersten Teil der vorliegenden Arbeit das Verhalten der autokatalytischen Arsenit-Jodat-Reaktion in einem mikrofluidischen Kanal untersucht. Dabei werden insbesondere die diffusiven und konvektiven Einflüsse auf die Reaktionskinetik im Vergleich zu makroskopischen Volumenmengen betrachtet.
Im zweiten Teil werden thermoresponsive Hydrogele mit einem kanalstrukturierten Papiernetzwerk zu einem neuartigen, kapillargetriebenen, extern steuerbaren Mikrofluidik-System kombiniert. Das hier vorgestellte Konzept durch Hydrogele ein papierbasiertes LOC-System zu steuern, ermöglicht zukünftig die Herstellung von komplexeren, steuerbaren Point-Of-Care Testsystemen (POCT). Durch z.B. einen thermischen Stimulus, wird das Lösungsverhalten eines Hydrogels so verändert, dass die gespeicherte Flüssigkeit freigesetzt und durch die Kapillarkraft des Papierkanals ins System transportiert wird. Die Eigenschaften dieses Gelnetzwerks können dabei so eingestellt werden, dass eine Freisetzung von Flüssigkeiten sogar bei Körpertemperatur möglich wäre und damit eine Anwendung gänzlich ohne weitere Hilfsmittel denkbar ist. Für die Anwendung notwendige Chemikalien oder Enzyme lassen sich hierbei bequem in getrocknetem Zustand im Papiersubstrat vorlagern und bei Bedarf in Lösung bringen.
Im abschließenden dritten Teil der Arbeit wird ein durch Hydrogele betriebener, Antikörper-basierter Mikroorganismenschnelltest für Escherichia coli präsentiert. Darüber hinaus wird weiterführend eine einfache Methode zur Funktionalisierung eines Hydrogels mit Biomolekülen über EDC/NHS-Kopplung vorgestellt.