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Schlagworte

Computergestützte Strömungsdynamik, Topologieoptimierung, Mikrofluidik, immunomagnetische Abtrennung

Problemstellung

Wasserversorgungseinrichtungen und Kühlanlagen sind einer Kontamination mit pathogenen Mikroorganismen wie Legionellen oder Pseudomonas ausgesetzt. Ein schnelles und zuverlässiges Testsystem ist notwendig, um rechtzeitig Abhilfemaßnahmen zu ergreifen. Die derzeitige Methode ist jedoch arbeitsintensiv, zeitaufwendig und kostspielig. Vor allem die Anreicherung der Wasserprobe und die bauliche Gestaltung ist umständlich, da sie vom jeweiligen Mikroorganismus abhängt. Eine automatisierte Entwurfsstrategie für die Behandlung individueller Anforderungen kann dieses Problem schnell und effizient lösen.

Das innovative Konzept zum Nachweis pathogener Mikroorganismen beruht auf der Anreicherung der Probe mit Hilfe einer immunmagnetischen Trenntechnik, bei der Antikörper an magnetische Nanopartikel gebunden sind und die Zielzellen einfangen können. Die mikrofluidische Zelle ist auf einem Sensorchip integriert und reguliert die Flussrate und das Hohlraumvolumen. Die Analyseergebnisse sind in kurzer Zeit verfügbar und basieren auf einer Point-of-Care-Messung mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie.

Zielstellung

Ziel ist es, ein tragbares Gerät zu entwickeln, das in der Lage ist, die erforderliche Wasseranalyse vor Ort und innerhalb eines kurzen Zeitraums durchzuführen. Die Entwicklung geeigneter mikrofluidischer Strukturen ist erforderlich, um den Schnelltest durchzuführen und spezifische Mikroorganismen nachzuweisen. Die Struktur selbst soll mit den vorgeschlagenen Methoden auf der Grundlage der zielzellenspezifischen Anforderungen automatisch entworfen und optimiert werden.

Für die Entwicklung der Vorrichtung werden sowohl analytische als auch numerische Methoden eingesetzt, um ein optimiertes Design zu erstellen. Multiphysik-Simulationswerkzeuge werden eingesetzt, um das Problem zu lösen:

  • Mikroskalige Strömung der Probe (FEM oder FVM)
  • Modellierung des Verhaltens von Mikroorganismen und Antikörpern als Partikelströmung (DEM)
  • Magnetisches Kraftfeld zum Einfangen der Zielzellen auf dem Sensorchip (FEM)
  • Automatische Optimierung der Form der mikrofluidischen Strukturen (Topologie-Optimierungsalgorithmen)

 

Vorgehen

  1. Akkumulationsstrategie
  2. Entwurf einer mikrofluidischen Struktur
  3. Verifizierung mit 3D-Druck
  4. Herstellung der endgültigen Vorrichtung

Projektpartner

Domatec, Steinbeis, Professur für Selektive Trenntechnik

Projektförderer

Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz

Laufzeit

Feb. 2022 - Jan. 2025