Mikrofluidische Point-of-Care-Assays sind heutzutage ein heißes Thema und es gibt viel Aufsehen darüber, wie man kostengünstige, schnelle und zuverlässige Kartuschen herstellen kann. 

Ein Bereich, der weniger im Fokus steht, ist die Gestaltung der Betätigungs- und Quantifizierungsmechanismen innerhalb des Instruments oder Lesegeräts. 

Die Herausforderung besteht darin, einen möglichst großen Teil der Komplexität in das Lesegerät zu verlagern und gleichzeitig einen kleinen, kosteneffizienten und zuverlässigen Formfaktor zu erreichen, der für den Point-of-Care-Einsatz geeignet ist. Nachdem Sie das Risikomanagement durchgearbeitet und alle Fehlermodi und Grenzfälle, die in komplexen automatisierten Systemen wie diesem häufig vorkommen, entschärft haben, ist die Anzahl der diskreten Schnittstellen zwischen Instrument und Kartusche umfangreich geworden: elektrisch, mechanisch, pneumatisch, strömungstechnisch , optisch, thermisch und akustisch, um nur einige zu nennen.

In diesem Blog möchte ich Möglichkeiten erforschen, PCB-montierte Komponenten zu nutzen, um das Ziel einer kompakten, zuverlässigen Interaktion mit Mikrofluidik-Kartuschen zu unterstützen. Meine Lieblingsarchitektur ist die enge Integration einer Leiterplatte mit der Pneumatik und anderen Schnittstellenmechanismen in eine einzige Baugruppe sowie einen Mikrocontroller, der alles verwaltet. Ein Vorteil dieses Ansatzes besteht darin, dass die Baugruppe während der Entwicklung und beim späteren Übergang zu einer eingebetteten CPU problemlos von einem PC gesteuert werden kann, sobald der Rest des Instruments für das Endprodukt entworfen wurde.

Ich habe es bereits erwähnt Blogs dass ich kein großer Fan davon bin  komplizierte Verkabelungsbaugruppen bei medizinischen Geräten. Mikrofluidische Kassettenlesegeräte bieten eine besonders zufriedenstellende Möglichkeit, die meisten elektrischen Verbindungen mithilfe von Leiterplatten anstelle einzelner Drähte herzustellen. Sogar Komponenten, die über eine Kabelverbindung verfügen, können von einem kurzen Kabel profitieren, das an einen praktisch platzierten Steckverbinder auf der Leiterplatte angeschlossen wird. Dies ist besonders angenehm, wenn das Bauteil bereits über einen vorkonfektionierten Stecker verfügt.

Nachdem dies alles gesagt ist, ist es an der Zeit, über die Komponenten zu sprechen. Es gibt zwei Hauptkategorien: Betätigung und Abtastung. Die erste Kategorie überträgt Energie auf die Karte und die letztere misst die Energie von den Karten. Ich werde hauptsächlich eine große Liste durcharbeiten, um Sie zu Ihrer Kreativität anzuregen. Ich überlasse es Ihnen, sich vorzustellen, was Sie mit all diesen Möglichkeiten machen könnten.

In der Kategorie der Antriebe gibt es einige offensichtliche Optionen wie Motoren und Magnetventile. Es sind PCB-montierte oder montierbare Varianten erhältlich, die eine ziemlich kompakte und einfach herzustellende Gesamtbaugruppe ergeben können. Zu den weniger offensichtlichen Aktoren gehören Vibratoren, Ultraschallwandler und Elektromagnete. LEDs können zur Unterstützung der Bildgebung, Quantifizierung, Flüssigkeitserkennung, Photoaktivierung und Aushärtung eingesetzt werden. Heizungen zur thermischen Kontrolle können durch die Verwendung von Kupferleiterbahnen innerhalb der Leiterplatte selbst oder durch oberflächenmontierte Widerstände erreicht werden. Ist zusätzlich eine Kühlung erforderlich, können Peltier-Module eingesetzt werden.

In der Kategorie „Sensorik“ finden Sie Thermistoren, Mikroschalter, optische Unterbrecher, Näherungssensoren, Potentiometer, Farbsensoren, Drucksensoren und Quadratur-Encoder. Weitere Möglichkeiten umfassen Elektroden, Gassensoren, Feuchtigkeitssensoren, Fotodioden, Hall-Sensoren, Beschleunigungsmesser, Silizium-Fotomultiplier und Lawinenfotodioden.

Ein spezieller Sensortyp mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten sind Kamerasensoren, sowohl Leiterplattenbaugruppen als auch leiterplattenmontierte ICs. Kameras können zur Quantifizierung, zur Überwachung des Flüssigkeitsfortschritts, zur Positionserkennung, zum Scannen von Barcodes und zur Qualitätskontrolle eingesetzt werden. Kamera-ICs sind mittlerweile so günstig, dass die Hinzufügung einiger davon nicht ausgeschlossen ist.

Ich habe eine Reihe dieser Komponenten in mikrofluidischen Instrumenten verwendet und werde wahrscheinlich bald noch eine Reihe weiterer davon verwenden. Ich bin mir sicher, dass Ihnen noch viele weitere einfallen werden, wenn Sie sich darauf konzentrieren.

Wenn Sie sich das nächste Mal ein mikrofluidisches Point-of-Care-Diagnosegerät ausdenken, fordere ich Sie heraus, so viele Kartuschenschnittstellenfunktionen wie möglich auf einer einzigen Leiterplatte unterzubringen!

Kenneth MacCallum, PEng, ist Principal Engineering Physicist bei StarFish Medical. Er arbeitet daran Innovation bei Medizinprodukten für eine Vielzahl von Bereichen, darunter mikrofluidische Kartuschensysteme und Ultraschallanwendungen. Kenneth hört gerne von Lesern über ihre Designtipps, Herausforderungen und Erfahrungen.

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• Quelle: https://starfishmedical.com/blog/pcb-mounted-microfluidic-cartridge/