Herkömmliche PCR-Geräte müssen die zu untersuchende Probe in 30 Zyklen auf unterschiedliche Temperaturen von 95°C, 55°C und 72°C erhitzen und wieder abkühlen, was lange Aufheizphasen und Abkühlzeiten bedeutet. Mit anderen Worten: es dauert. Ein Problem, das die vier Bachelor-Studierenden Johanna Bartl, Leon Middendorf, Nicklas Rondot und Alina Stein mit ihrem mobilen Gerät angegangen sind, denn es kann außerhalb von Kliniken und Laboren eingesetzt werden. Die Grundidee dabei war, einen neuen Ansatz für den Ablauf der PCR-Diagnostik zu finden.
Lehrveranstaltung gibt Anstoß zur Produktentwicklung
Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Microsystem product design for young entrepreneurs“ am KIT haben die Studierenden die Idee in vielen Schritten umgesetzt und zum Erfolg geführt. „Im November 2021 haben wir angefangen zu experimentieren und im darauffolgenden April konnten wir mit der Entwicklung eines zentrifugalen mikrofluidischen Gerätes beginnen“, beschreibt Maschinenbau-Student Leon den Start der Erfolgsgeschichte. „Ein Jahr später hatten wir bereits fünf Versionen entwickelt und es auch tatsächlich geschafft, einen funktionierenden PCR-Ablauf auszuführen“, ergänzt die angehende Bioingenieurin Johanna.
„Bei dem Konzept wird, vereinfacht gesagt, eine Plastikscheibe ähnlich einer CD um eine Achse gedreht. Durch unterschiedliche Drehgeschwindigkeit, -richtung und -beschleunigung können Kräfte auf Fluide in der Scheibe wirken und diese bewegen“, erläutert Alina, die ebenfalls Bioingenieurwesen studiert. „Dabei kann die Probe zwischen verschiedenen Temperaturbereichen bewegt werden, dazu haben wir um die Plastikscheibe vier Heizelemente platziert und die Scheibe immer um eine Vierteldrehung weiter bewegt. So können wir die Aufheiz- und Abkühlzeiten stark verkürzen“, ergänzt Nicklas, Student des Wirtschaftsingenieurwesens.
Nächster Halt: Kyoto
Die meisten Komponenten des mobilen PCR-Testgeräts wurden mit einem 3D-Drucker gefertigt und zur Wärmeisolation des Plastiks Holzteile verwendet, dies sorgte für sehr geringe Herstellungskosten. „Das ist alles nicht produktreif und auch kein wissenschaftlicher Durchbruch, aber ein tolles Beispiel, was unsere Studierenden schon vor Abschluss ihres Studiums bewerkstelligen können“, freut sich Dario Mager vom Institut für Mikrostrukturtechnik, der die Lehrveranstaltung betreut.
Die vier Studierenden erreichten im November 2022 beim Studierenden-Wettbewerb COSIMA (Competition of Students in Microsystems Applications) auf der Electronica Messe in München den zweiten Platz. Dieser Erfolg qualifizierte sie für den im Juni 2023 in Kyoto stattfindenden internationalen iCAN-Wettbewerb.
Momentan arbeitet das Studi-Team daran, auf der Scheibe die Probenvorbereitung zu automatisieren, um alle manuellen Schritte zu eliminieren. Und vielleicht kann das Gerät so in ein paar Jahren kostengünstig auf den Markt gebracht werden.
(Quelle: KIT News, 19.01.2023, Text: Sabine Fodi)