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1. WO2020161013 - DISPOSITIF MICROFLUIDIQUE ET PROCÉDÉ POUR LA SÉPARATION DU SÉRUM SANGUIN

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[ DE ]

Mikrofluidikeinrichtung und Verfahren zum Abtrennen von Blutserum

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Mikrofluidikeinrichtung, genauer einen mikrofluidi-schen Blutserumgenerator, mit einer Mikrofluidikstruktur zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe mittels eines solchen Blutserum-generators.

Als„Mikrofluidikeinrichtung“ im Sinne dieser Schrift wird ein in der Regel flaches Bauelement, typischerweise im Scheckkartenformat, insbesondere ein mikroflu-idischer Chip, verstanden, dessen Grundplatte (auch Substrat bezeichnet) ins-besondere aus einem Polymermaterial, Glas oder Silizium besteht, in welches die Mikrofluidikstruktur zum Abtrennen von Blutserum sowie etwaige weitere Fluidkanäle und/oder andere Mikrostrukturen, wie etwa Mikropumpen, Aktoren, Sensoren, Membranen, Ventile, Rührelemente oder dergleichen in an sich bekannter Weise durch Spritzgussverfahren, Heißprägeverfahren oder Fräsen eingearbeitet sind. Die Mikrofluidikeinrichtung, gelegentlich auch als„Lab-on-a-Chip“ bezeichnet, kann allgemein zur chemischen Synthese oder Analyse ge-nauso wie zur medizinischen Diagnostik im Labor oder vor Ort eingesetzt wer-den. Sie zeichnet sich insbesondere aufgrund ihrer Miniaturisierung zur Synthe-se und/oder Analyse kleinster Flüssigkeitsmengen aus.

Mikrofluidikeinrichtungen und Mikrofluidikstrukturen dienen der Handhabung von teilweise sehr kleinen Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger ml bis in den ml-Bereich. Die Fluidleitungen in den Mikrofluidikstrukturen weisen laterale Abmes-sungen im Bereich weniger mm und darunter auf. Flüssigkeiten werden in einer solchen Mikrofluidikstruktur im Durchflusssystem gehandhabt, d. h. durch Er- zeugen einer Druckdifferenz (Über- und/oder Unterdrück) zwischen einem ers-ten Anschluss und einem zweiten Anschluss der Mikrofluidikeinrichtung durch die Fluidleitungen gefördert. Hierfür kommen beispielse Steuer- oder Betreiber-geräte zum Einsatz, die an die Mikrofluidikeinrichtung angeschlossen werden bzw. in die diese eingelegt wird. Eine manuelle Betätgiung ist auch möglich.

Traditionell wird Blutserum aus einer Blutprobe in einem Labor extrahiert, indem die Blutprobe nach Gerinnung in einem Reaktionsgefäß zentrifugiert wird, so dass sich das Serum von den geronnenen, festen Bestandteilen des Blutes trennt. Inzwischen wurden auch Zentrifugationschips im mikrofluidischen Maß-stab zur Plasmagewinnung in mikrofluidischer Größenordnung entwickelt, siehe beispielsweise Marion Ritzi-Lehnert et al. “Development of chip-compatible sample preparation for diagnosis of infectious diseases”, Expert Review of Molecular Diagnostics 12:2, S. 189-206 (2012).

Eine andere Methode zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe macht von einem Filterverfahren Gebrauch. Hierzu wird beispielhaft auf die Schrift WO 2014/182844 A1 verwiesen. Die bekannte Mikrofluidikeinrichtung umfasst einen Probeneinlass, der mit einem Mikrofluidikkanal verbunden ist, wobei eine Verbundmembran mit Filterelementen zwischen dem Einlass und dem Mikroflu-idikkanal angeordnet ist, welche dazu eingerichtet ist, die Blutprobe aufzuneh-men, an Ort und Stelle zu halten, einen Blutgerinnungsprozess in Gang zu setzen und die geronnenen Blutbestandteile selektiv zurückzuhalten, während das flüssige Blutserum aus der Membran herausgezogen und durch den Mikro-fluidikkanal abtransportiert wird.

Während die Zentrifugation im mikrofluidischen Maßstab einen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordert, sind die Verfahren der Bluttrennung mittels Filtermembran insoweit nachteilig, als solche Filter sehr geringe Porenquer-schnitte aufweisen, um Blutzellen oder auch Bakterien oder andere Partikel zurückhalten zu können. Dies birgt einerseits die Gefahr von Verstopfungen und verringert andererseits den Durchfluss. Um dies zu kompensieren, weisen die Membranen in der Regel eine große Filterfläche und somit zwangsläufig auch ein großes Membranvolumen auf, was es wiederum erforderlich macht größere Blutmengen im Bereich von mehreren 100 ml für eine Analyse bereitzustellen. Auch erfordert die prozesssichere Ausstattung derartiger mikrofluidischer Struk-turen mit Membranen zusätzliche Materialien und Montageschritte.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen mikrofluidischen Blutserumgenerator und ein Verfahren zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe bereitzustellen, welche die prozesssichere Verarbeitung sehr kleiner, „patientenfreundlicher“ Blutmengen im Bereich von wenigen 10 ml ohne erhöh-ten apparativen Aufwand ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen mikrofluidischernBlutserumgenerator mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkma-len des Anspruches 11. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Blutserumgenerator umfasst eine Mikrofluidikstruktur zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe, wobei der Blutserumgenera-tor einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, zwischen denen die Mikrofluidikstruktur ausgebildet ist, wobei die Mikrofluidikstruktur einen mit dem ersten Anschluss kommunizierenden Zuführkanal, einen Gerin-nungsbereich in den der Zuführkanal mündet, und einen mit dem zweiten An-schluss kommunizierenden Abführkanal, in den der Gerinnungsbereich über-geht, aufweist, wobei der erste Anschluss zum Einleiten einer Blutprobe unter einem ersten Druck ausgebildet ist und der zweite Anschluss zum Anlegen eines zweiten Druckes ausgebildet ist, der geringer als der erste Druck ist, wobei der Gerinnungsbereich durch einen einzigen zusammenhängenden Hohl-

raum gebildet wird und wobei im Übergang von Gerinnungsbereich zum Abführ-kanal eine Barriere zum Zurückhalten einer geronnenen Blutprobe angeordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe umfasst die Schritte: Bereitstellen eines mikrofluidischen Blutserum-generators mit einer Mikrofluidikstruktur der vorstehend genannten Art, Trans-portieren einer Blutprobe aus dem Zuführkanal in den Gerinnungsbereich, ange-trieben durch einen ersten Druckabfall von dem ersten Anschluss zu dem zwei-ten Anschluss, Halten der Blutprobe in dem Gerinnungsbereich, bis sie geron-nen ist, und Transportieren des Blutserums aus dem Gerinnungsbereich in den Abführkanal, angetrieben durch einen zweiten Druckabfall von dem ersten An-schluss zu dem zweiten Anschluss, während der Rest der geronnenen Blutpro-be in dem Gerinnungsbereich mittels der Barriere zurückgehalten wird, wobei der zweite Druckabfall und die Barriere im Übergang vom Gerinnungsbereich zum Abführkanal so bemessen sind, dass innere Bindungskräfte den Rest der geronnenen Blutprobe Zusammenhalten.

Die Erfindung basiert in Abgrenzung zu den filterbasierten Bluttrennungsverfah-ren auf der Erkenntnis, dass der Rest der geronnenen Blutprobe, der sogenann-te Blutkuchen, so starke innere Bindungskräfte oder Klebekräfte aufweist, dass dieser auch, wenn er innerhalb der Mikrofluidikstruktur einem Druckgefälle ausgesetzt ist, welches ausreicht das Serum aus diesem Gebilde zu extrahie-ren, und gleichzeitig von einer Barriere zurückgehalten wird, weder auseinan-derbricht noch intrazelluläre Bestandteile oder Blutkörperchen freigesetzt wer-den (Hämolyse) oder gelöste Erythrozyten herausgelöst werden, die das Blutse-rum verunreinigen. Diese Prozessführung wird nachfolgend zur sprachlichen Vereinfachung als„saubere Extraktion“ bezeichnet.

Im Gegensatz zur Membran, welche eine Vielzahl von Poren aufweist, in denen sich das Blut verteilt und dort gerinnt, haben die Erfinder erkannt, dass es des-halb genügt, den Gerinnungsbereich in Form eines einzigen zusammenhängen-den Hohlraums auszubilden.

Bevorzugt überschreitet der Hohlraum des Gerinnungsbereichs ein Volumen von 50 mI, vorzugsweise 25 mI, nicht.

Ein wesentlicher positiver Effekt ist, dass das gesamte Volumen des Gerin-nungsbereichs effizient genutzt werden kann, so dass eine sehr hohe Ausbeute an Blutserum erzielt wird. Die Serumsausbeute beträgt bei dem erfindungsge-mäßen Verfahren zwischen 10 % und 25 %, bezogen auf die Menge des Voll-blutes. Dies ermöglicht das Volumen des Gerinnungsbereichs zu minimieren. Das Volumen von 50 mI oder weniger stellt sicher, das eine ausreichende Menge an Serum für eine nachfolgende Analyse bereitsgestellt werden kann, wobei nur sehr wenige Tropfen Blut von einem Patienten benötigt werden. Bei 25 mI oder weniger Volumen genügen sogar nur ein bis zwei Tropfen für die Analyse.

Weiterhin bevorzugt umfasst die Barriere bezogen auf eine Hauptströmungsrich-tung im Übergang von Gerinnungsbereich zum Abführkanal eine Querschnitts-verengung.

Auf die exakte geometrische Struktur der Barriere kommt es nicht an, so lange die Barriere geeignet ist, den Blutkuchen in dem Gerinnungsbereich zurückzu-halten. Dies kann beispielsweise mittels jener Querschnittsverjüngung erreicht werden. Sie kann stufenförmig oder rampenförmig in der Hauptströmungsrich-tung ausgebildet sein. Die letztere Variante hat den Vorteil, dass die Strömung innerhalb des Gerinnungsbereichs gleichmäßiger verläuft, der Hohlraum des Gerinnungsbereichs prozesssicher gefüllt werden kann und keine Serumsrück-

stände Zurückbleiben, weil es keine schlecht durchströmten Ecken im Bereich der Querschnittsverjüngung gibt.

Alternativ zu der Querschnittsverengung oder zusätzlich ist die Erfindung dadurch weitergebildet, dass die Barriere eine Gitterstruktur mit nicht mehr als 10 Durchgängen für das Blutserum umfasst.

Auch eine solche Gitterstruktur ist zum Zurückhalten des Blutkuchens unter der Maßgabe einer sauberen Extraktion geeignet. Die Höchstzahl von 10 Durch-gängen stellt sicher, dass die Struktur als Bestandteil der Mikrofluidikstruktur im Spritzgussverfahren, Heißprägeverfahren oder durch Fräsen aus dem Sub-stratmaterial des mikrofluidischen Chips herausgearbeitet werden kann. Dieses Merkmal dient auch insoweit zur Abgrenzung gegenüber der filterbasierten Technologie, bei der die Filtermembran ein separates Element ist, dessen Her-stellung weitere Kosten verursacht.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass die Barriere in Bezug auf eine Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung im Übergang vom Gerin-nungsbereich zum Abführkanal eine minimale lichte Weite von nicht weniger als 10 mm, bevorzugt nicht weniger als 50 mm und nicht mehr als 200 mm, bevorzugt nicht mehr als 150 m m bereitstellt.

Herstellungsbedingt sind die Fluidikkanäle in Fluidikstrukturen und so auch der der Zuführkanal, der Gerinnungsbereich und der Abführkanal, im Wesentlichen rechteckig ausgebildet. Als minimale lichte Weite wird bei dieser Geometrie der kleinere der Wandabstände verstanden. Die obigen Abmessungen, egal ob bei einer Querschnittsverjüngung oder bei den Durchgängen zwischen den Gittern einer Gitterstruktur, haben sich als geeignet erwiesen, den Blutkuchen sicher zurückzuhalten und gleichzeitig ausreichend Strömungsquerschnitt für das Abziehen des Blutserums aus dem Gerinnungsbereich bereitzustellen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgesalttung, bei der die Barriere einen flachen Kanalabschnitt mit einer lichten Höhe von nicht weniger als 10 mm, bevorzugt nicht weniger als 50 m m und nicht mehr als 200 m m, bevorzugt nicht mehr als 150 mm, umfasst.

Weiterhin bevorzugt umfasst die Barriere eine Gitterstruktur mit einem lichten Gitterabstand von nicht weniger als 50 mm und nicht mehr als 350 m m, bevor-zugt nicht mehr als 300 mm.

Die Barriere kann einzeln oder in Kombination von der Gitterstruktur oder der Querschnittsverjüngung gebildet werden, wobei der Querschnittsverjüngung der flache Kanalabschnitt folgen kann. In letzterem Fall befindet sich die Gitterstruk-tur vorzugsweise in dem flachen Kanalabschnitt.

Besonders bevorzugt ist in dem Gerinnungsbereich ein Gerinnungsaktivator, insbesondere ein löslicher oder gelförmiger Gerinnungsaktivator, eingebracht.

Der Gerinnungsaktivator ist zwar nicht maßgeblich für den Erfolg der erfin-dungsgemäßen Extraktion von Blutserum, jedoch beschleunigt er den Gerin-nungsprozess des frischen Blutes von wenigen Minuten auf 10 bis 20 Sekun-den. Der Vorteil liegt also in einem erheblichen Zeitgewinn für das gesamte Extraktionsverfahren.

Der Gerinnungsaktivator füllt vorzugsweise den Gerinnungsbereich in Form einer porösen Struktur.

Die Poren stellen das Volumen für das frische Blut bereit. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung und eine möglichst große Porenoberfläche des Gerin-

nungsaktivators stellen sicher, dass sich der Gerinnungsaktivator schnell in dem Blut auflöst und das Blut gleichmäßig schnell gerinnt.

Verfahrenstechnisch wird der Gerinnungsaktivator in dem Gerinnungsbereich zum Beschleunigen des Gerinnungsvorgangs vor Benutzung des erfindungsge-mäßen Blutserumgenerators bereitgestellt und zwar besonders bevorzugt, in-dem der Gerinnungsaktivator als Lösung in den Gerinnungsbereich der Mikroflu-idikstruktur eingebracht und anschließend durch Abkühlen und Evakuieren in der offenen Mikrofluidikstruktur gefriergetrocknet wird. Mit„offen“ ist hier in einer Variante gemeint, dass die Anschlüsse der Mikrofluidikstruktur zumindest teil-weise nicht belegt sind, um das beim Gefriertrocknen entweichende Wasser aus der Mikrofluidikstruktur austreten zu lassen. Eine andere Variante sieht vor, vor der Deckelung des Chips, in welchen die Mikrofluidikstruktur eingearbeitet ist, d.h. bevor die Mikrofluidikstruktur in dem Substrat mit einer Folie abgedeckt wird, den Gerinnungsaktivator einzubringen und gefrierzutrocknen und an-schließend den Chips zu Deckeln.

Der Gerinnungsaktivator löst sich beim Transportieren der Blutprobe in den Gerinnungsbereich und/oder beim Halten der Blutprobe in dem Gerinnungsbe-reich in der Blutprobe idealerweise vollständig auf, so dass - feste Bestandteile Blutes ausgenommen -keine festen Bestandteile mehr in dem Gerinnungsbe-reich vorliegen. Der Gerinnungsaktivator bildet mithin keinen strukturellen Be-standteil des Blutserumgenerators und dient deshalb anders als eine Filter-membran nicht zum Zurückhalten des Blutkuchens, sondern ist vielmehr ein Bestandteil desselben.

Bevorzugt beträgt das Volumenverhältnis aus Gerinnungsaktivator und frischem Blut innerhalb des Gerinnungsbereichs 1 :3 bis 1 :5, besonders bevorzugt 1 :4.

Das Verfahren ist dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass die Barriere einen flachen Kanalabschnitt umfasst und der Gerinnungsvorgang im flachen Ab-schnitt optisch überwacht wird. Der flache Kanalabschnitt kann insbesondere ein solcher mit der oben angegebenen lichten Höhe sein.

Die optische Überwachung kann unabhängig davon erfolgen, ob ein Gerin-nungsaktivator eingesetzt wurde oder nicht. Sie kann einerseits zur Ermittlung des Gerinnungsfaktors genutzt werden und andererseits zur Steuerung des weiteren Prozesses. Beispielsweise werden Bewegungen mittels eines Speckle-Bildes detektiert. Insbesondere wird das Transportieren des Blutserums aus dem Gerinnungsbereichs also vorteilhafter Weise eingeleitet, sobald beim opti-schen Überwachen des Gerinnungsvorgangs auf diese Weise ein Stillstand der Bewegungen festgestellt wird. Dann nämlich geht man davon aus, dass sich die Blutteilchen tatsächlich nicht mehr bewegen, und der Gerinnungsvorgang gilt als abgeschlossen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhafterweise ferner dadurch weiter-gebildet, dass der erste Druckabfall vom ersten Anschluss zum zweiten An-schluss weniger als 10 mbar, vorzugsweise weniger als 5 mbar, beträgt. Der Unterdrück sollte nicht höher sein als 10 mbar, besser noch nicht höher als 5 mbar, da es andernfalls evtl schon zur unkontrollierten Separation und/oder zum Zerteilen des Blutstropfens kommen kann.

Bevorzugt beträgt der zweite Druckabfall vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss weniger als 25 mbar, besonders bevorzugt weniger als 15 mbar.

Es hat sich gezeigt, dass bereits bei diesen geringen Druckdifferenzen das Blutserum aus dem Blutkuchen herausgezogen werden kann. Zugleich sind die Druckdifferenzen so gering, dass dies prozesssicher, also ohne Zerstörung des Blutkuchens, insbesondere ohne eine Hämolyse, als saubere Extraktion erfolgt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Mikrofluidikstruktur sieht vor, dass der erste Anschluss eine Aufnahmebohrung für ein Kapillarrohr umfasst oder selbst als Kapillarrohr ausgebildet ist.

Ein Kapillarrohr ist dazu geeignet, einen Bluttropfen beispielsweise vom Finger eines Patienten über Kapillarkaft bis zur vollständigen Befüllung der Kapillare aufzunehmen. Ferner hat ein solches Kapillarrohr ein definiertes Volumen, in welchem die Blutmenge vor dem Einbringen in die Mikrofluidikstruktur festgelegt wird. Dieses Volumen ist vorzugsweise auf die Dimension der Mikrofluidikstruk-tur abgemessen, so dass der Querschnitt des Gerinnungsbereiches vollständig befüllt wird. Ein bevorzugtes Volumen eines solchen Kapillarrohrs beträgt 20 ml, was in etwa einem Tropfen Blut entspricht. Ein solches Kapillarrohr kann dann Fluiddicht in die Aufnahmebohrung des ersten Anschlusses eingesetzt werden, so dass der besagte Druckabfall vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss dafür sorgt, dass die Kapillare entleert und das Blut über den Zuführkanal in den Gerinnungsbereich eingezogen wird.

Besonders bevorzugt geschieht dies, indem an dem zweiten Anschluss ein Unterdrück angelegt wird. Dies ist prozesstechnisch die einfachste Lösung, sowohl den ersten als auch den zweiten Druckabfall zu erzeugen. Das freie Ende des in die Aufnahmebohrung eingesteckten Kapillarrohres bleibt dann einfach dem Umgebungsdruck ausgesetzt und muss nicht an eine Druckleitung angeschlossen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Halten der Blutprobe in dem Gerinnungsbereich durch Ausgleichen des ersten Druckabfalls erfolgt, sobald die Blutprobe eine vorgesehene Position innerhalb der Mikrofluidikstruktur erreicht hat.

Besonders bevorzugt bildet die Blutprobe innerhalb der Mikrofluidikstruktur einen zusammenhängenden Flüssigkeitsplug mit einer vorderen Grenzfläche, wobei ein Eintreffen der vorderen Grenzfläche an der vorgesehenen Position sensorisch erfasst wird.

Weiterhin bevorzugt wird das Eintreffen der vorderen Grenzfläche an der vorge-sehenen Position dabei optisch oder kapazitiv erfasst.

Alternativ kann das Eintreffen der vorderen Grenzfläche an der vorgesehenen Position auch mittels Differenzdruckmessung in Form eines Anstiegs der Druck-differenz zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erfasst werden, wenn an der vorgegebenen Position eine Querschnittsverengung vor-gesehen ist.

Deshalb befindet sich die vorgesehene Position vorteilhafter Weise im Bereich der Barriere am Übergang zwischen dem Gerinnungsbereich und dem Abführ-kanal und ganz besonders bevorzugt dem flachen Kanalabschnitt der Barriere.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figurenzeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ausschnittsweise eine erste Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen mikrofluidischen Blutserumgenerators in der Draufsicht;

Figur 2 die Ausführungsform gemäß Figur 1 in der Schnittdarstellung von der Seite;

Figur 3 ausschnittsweise eine zweite Ausführungsform des erfin- dungsgemäßen mikrofluidischen Blutserumgenerators in der Draufsicht;

Figur 4 die Ausführungsform gemäß Figur 3 in der Schnittdarstellung von der Seite und

Figur 5 eine Ausschnittsvergrößerung aus Figur 4.

Zur Beschreibung der Geometrie der Mikrofluidikstrukturen wird nachfolgend vereinfachend von einem„Fluidstrom“ gesprochen, was sowohl den Strom des frischen Blutes oder des Serums oder etwaiger sonstiger Fluide in der Mikroflu-idikstruktur zusammenfasst. „Strömungsrichtung“ bezeichnet jeweils die in ei-nem Bauteil vorherrschende Hauptströmungsrichtung, welche näherungsweise der Kontur der jeweiligen Mikrofluidikstruturen folgt. „Lateral“ bezeichnet die Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung und in der Hauptebene des Blutse-rumgenerators.

In den Figuren 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Blutserumgenerators 10 in zwei Ansichten gezeigt. Figur 1 zeigt die Draufsicht auf die Hauptebene des flachen, checkkartenförmigen Sub-strats dieser Mikrofluidikeinrichtung. Figur 2 („Schnitt A-A“) zeigt einen Schnitt durch dieses Substrat entlang der Schnittlinie 11 und mit Blickrichtung gemäß der mit Pfeile„A“.

Der Blutserumgenerator 10 weist eine Mikrofluidikstruktur 12 auf, wobei in den Figuren nur der zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe relevante Ausschnitt der Mikrofluidikstruktur 12 gezeigt ist. In Strömungsrichtung, gekenn-zeichnet durch die Pfeile 16 und 17, vor und/oder hinter dem gezeigten Aus-schnitt der Mikrofluidikstruktur 12 können sich weitere Mikrofluidikstrukturkom- ponenten, wie z. B. Mikropumpen, Aktoren, Sensoren, Membranen, Ventile, Rührelemente, Mischer, Reaktionskammern und dergleichen zum Aufbereiten und/oder Analysieren der Probe befinden. An wenigstens zwei Enden der ge-samten Mikrofluidikstruktur befinden sich ein erster und ein zweiter Anschluss, um darüber ein Druckgefälle innerhalb der Mikrofluidikstruktur erzeugen zu können. Diese Anschlüsse sind mit einer Ausnahim zweiten Ausführungsbei-spiel nicht explizit dargestellt.

Die relevante Mikrofluidikstruktur 12 umfasst einen Zuführkanal 14, in den das frische Blut von einem ersten Anschluss (nicht gezeigt) in der durch den Pfeil 16 gekennzeichneten Strömungsrichtung einströmt. Der Zuführkanal 14 mündet in einen Gerinnungsbereich 18, in welchen das Blut einfließt, und wo es zwecks Gerinnung gehalten wird. Der Gerinnungsbereich 18 ist seinerseits eingeteilt in einen Einlaufbereich 20, der den Fluidtrom ausgehend von dem Querschnitt des Zuführkanals 14 lateral aufweitet, und stromabwärts einen tiefen Bereich 22, wobei der Einlaufbereich 20 flacher ausgestaltet ist als der tiefe Bereich 22. Der Übergang dazwischen ist sprungförmig als Kante 24 ausgebildet.

Der Gerinnungsbereich 18 geht in einen Abführkanal 26 über, wobei sich im Übergang 28 vom Gerinnungsbereich 18 zum Abführkanal 26 eine Barriere befindet. Die Barriere umfasst eine Kante oder stufenförmige Querschnittsver-jüngung 30 und einen sich daran anschließenden flachen Kanalabschnitt 32, der den Fluidstrom zugleich lateral auf die Weite des Abführkanals 26 einschnürt. Als Abführkanal 26‘ wird der Kanal hinter dem in Strömungsrichtung letzten Element der Barriere bezeichnet.

Frisches Blut wird im Form eines Flüssigkeitsplugs, also eines zusammenhän-genden endlichen Volumens, angetrieben durch einen ersten Druckabfall, vom ersten Anschluss zum zweiten Anschluss aus dem Zuführkanal 14 in den Gerin-nungsbereich 18 transportiert, wobei zunächst der Einlaufbereich 20 befüllt wird, indem sich der Flüssigkeitsplug des Blutes lateral ausbreitet. Anschließend fließt das Blut über die Kante 24 in den tiefen Bereich 22 ein, bis dieser vollständig befüllt ist. Der Transport wird dann gestoppt, wenn eine vordere Grenzfläche des Flüssigkeitsplugs an einer vorgesehenen Position im Bereich der Barriere, also im Übergang 28, sensorisch erfasst wird. Bevorzugt geschieht das in einem möglichst weit stromabwärts gelegenen Bereich des Übergangs, um nach der Gerinnung möglichst wenig Volumen vor dem Abführkanal mit Serum füllen zu müssen. Hierzu könnte beispielsweise eine Lichtschranke oder ein Sensor gemäß der DE 10 2014 214 026 A1 eingerichtet sein, welche den flachen Ka-nalabschnitt 32 optisch bzw. elektrisch erfasst. Sobald das dort eintreffende Blut bei der Nutzung der Lichtschranke als Sensor das Licht der Lichtschranke ab-sorbiert, wird der Druckabfall vom ersten zum zweiten Anschluss ausgeglichen. Anders gesagt wird ein Unterdrück, welcher vorzugweise zum Erzeugen des Druckabfalls an dem zweiten Anschluss angelegt wird, abgeschaltet bzw. der zweite Anschluss belüftet, so dass das Blut augenblicklich stoppt.

In dieser Position wird der Flüssigkeitsplug gehalten, bis das Blut in dem Gerin-nungsbereich 18 vollständig geronnen ist. Die Gerinnung kann dadurch be-schleunigt sein, dass sich zuvor in dem Gerinnungsbereich 18 und besonders bevorzugt in dem tiefen Bereich 22 ein Gerinnungsaktivator befand. Die Gerin-nung wird vorzugsweise optisch überwacht. Auch dies geschieht bevorzugt in dem flachen Kanalabschnitt 32 des Übergangs 28 oder alternativ dem flachen Einlaufbereich 20 des Gerinnungsbereichs 18.

Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Blutse-rumgenerators 10‘ wird anhand der Figuren 3 bis 5 erläutert. Figur 3 zeigt wie-der eine Draufsicht auf die Hauptebene des flachen, checkkartenförmigen Sub-strats der Mikrofluidikeinrichtung. Figur 4 („Schnitt B-B“) zeigt einen Schnitt durch dieses Substrat entlang der Schnittlinie 1 1' und mit Blickrichtung gemäß der Pfeile„B“. Figur 5 („Detail C“) zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 4 an der gleichlautend beschrifteten kreisförmigen Markierung in Figur 4.

Der Blutserumgenerator 10‘ weist eine Mikrofluidikstruktur 12‘ auf, wobei in den Figuren wieder nur der zum Abtrennen von Blutserum aus einer Blutprobe rele-vante Ausschnitt der Mikrofluidikstruktur 12‘ sowie ein angrenzender Analyseka-nal 50‘ gezeigt ist. In Strömungsrichtung, gekennzeichnet durch die Pfeile 16‘ und 17‘, können sich abermals weitere Mikrofluidikstrukturkomponenten, wie z. B. Mikropumpen, Aktoren, Sensoren, Membranen, Ventile, Rührelemente, Mi-scher, Reaktionskammern und dergleichen zum Aufbereiten und/oder Analysie-ren der Probe befinden.

Die relevante Mikrofluidikstruktur 12‘ umfasst einen Zuführkanal 14‘, in den das frische Blut von einem ersten Anschluss 15‘ in der durch den Pfeil 16‘ gekenn-zeichneten Strömungsrichtung einströmt. Der erste Anschluss 15‘ weist einen zylindrische Bohrung seitlich in dem Substrat des Blutserumgenerators 10‘ auf, die eingerichtet ist, ein Kapillarrohr 99‘ fluiddicht aufzunehmen.

Der Zuführkanal 14‘ mündet in einen Gerinnungsbereich 18‘, in welchen das Blut einfließt, und wo es zwecks Gerinnung gehalten wird. Der Gerinnungsbe-reich 18‘ ist wieder eingeteilt in einen Einlaufbereich 20‘, der den Fluidtrom ausgehend von dem Querschnitt des Zuführkanals 14‘ lateral aufweitet. In Ab-grenzung zu der ersten Ausführungsform ist der Einlaufbereich 20‘ eingangssei-tig tief ausgestaltet und verjüngt sich stromabwärts rampenförmig bis auf die Tiefe eines sich stromabwärts anschließenden flachen Bereiches 22‘ des Gerin-nungsbereichs 18‘. Grund für diese Geometrie ist der tiefer liegende erste An-schluss 15‘, von dem aus ein Übergang in einen Oberlächenkanal geschaffen werden muss. Im flachen Bereich 22‘ ist der Gerinnungsbereich 18‘ nochmals gegenüber dem Einlaufbereich 20‘ lateral aufgeweitet, um ein ausreichendes Volumen für die Blutprobe und ggf. einen Gerinnungsaktivator bereitzustellen.

Der Gerinnungsbereich 18‘ geht wieder in einen Abführkanal 26‘ über, wobei der Übergang 28‘ diesmal eine Barriere aufweist, die eine Querschnittsverjüngung in Form einer Rampe 40‘, einen flachen Kanalabschnitt 42‘, der den Fluidstrom am Ende wieder lateral auf die Weite des Abführkanals 26‘ einschnürt, und eine Gitterstruktur 44‘ mit insgesamt fünf Durchgängen für das Blutserum umfasst.

Als Abführkanal 26‘ wird der Kanal hinter dem in Strömungsrichtung letzten Element der Barriere bezeichnet. Der Abführkanal 26‘ setzt sich zunächst mit der gleichen Tiefe fort, wie der flache Kanalabschnitt 42‘ der Barriere und weitet sich anschließend in Tiefenrichtung in Form einer Rampe 46‘ auf, während er den Fluidstrom lateral weiter stark einschnürt. Dies ist ein besonders günstiges Merkmal, weil der Abführkanal ein sehr geringes Volumen aufweist, so dass das Blutserum möglichst direkt und ohne Verlust der weiteren Prozessierung zur Verfügung gestellt werden kann. Der Abführkanal 26‘ mündet stromabwärts schließlich in den Analysekanal 50‘, in dem das gewonnene Serum über ein Druckgefälle, angelegt zwischen einer Einlassseite 51‘ und einer Auslassseite 52‘ des Analysekanals 50‘ in Richtung des Pfeils 17‘, weitertransportiert wird. Die Mikrofluidstruktur 12‘ wird hierdurch vom weiteren Prozessablauf entkoppelt, eine Kontamination des Analysekanals 50‘ mit anderen Blutbestandteilen ver-hindert.

Frisches Blut wird auch hier im Form eines Flüssigkeitsplugs, angetrieben durch einen ersten Druckabfall, vom ersten Anschluss 15‘ zum zweiten Anschluss aus dem Zuführkanal 14‘ in den Gerinnungsbereich 18‘ transportiert, wobei zunächst der Einlaufbereich 20‘ befüllt wird, in dem sich der Flüssigkeitsplug des Blutes lateral ausbreitet. Anschließend fließt das Blut über die Rampe des Einlaufbe-reichs 20‘ in den flachen Bereich 22‘ ein, bis dieser vollständig befüllt ist. Der Transport wird wieder dann gestoppt, wenn eine vordere Grenzfläche des Flüs-sigkeitsplugs an einer vorgesehenen Position im Bereich der Barriere, also im Übergang 28, sensorisch erfasst wird. Bevorzugt geschieht das in einem mög-lichst weit stromabwärts gelegenen Bereich des Übergangs, um nach der Ge-rinnung möglichst wenig Volumen vor dem Abführkanal mit Serum füllen zu müssen. Hierzu könnte wie oben geschildert eine Lichtschranke dienen. Alterna-tiv kann das Eintreffen der vorderen Grenzfläche des Flüssigkeitsplugs an der Gitterstruktur 44‘ auch mittels Differenzdruckmessung in Form eines Anstiegs der Druckdifferenz zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss erfasst werden, weil die Überwindung derselben aufgrund von Grenzflächenef-fekten zusätzliche Arbeit erfordert, die sich als Differenzdruckanstieg in dem System bemerkbar macht.

In dieser Position wird der Flüssigkeitsplug gehalten, bis das Blut in dem Gerin-nungsbereich 18‘ vollständig geronnen ist. Die Gerinnung kann dadurch be-schleunigt sein, dass sich zuvor in dem Gerinnungsbereich 18‘ und besonders bevorzugt in dem flachen Bereich 22‘ ein Gerinnungsaktivator befand. Die Ge-rinnung wird vorzugsweise wieder optisch überwacht.

Die Forschungsarbeiten, die zu diesen Ergebnissen geführt haben, wurden von der Europäischen Union gefördert.

Bezugszeichenliste

10, 10‘ Blutserumgenerator

1 1 , 1 1 ' Schnittlinie

12, 12‘ Mikrofluidistruktur

14, 14' Zuführkanal

15‘ erster Anschluss

16, 16‘ Strömungsrichtungspfeil

17, 17‘ Strömungsrichtungspfeil

18, 18‘ Gerinnungsbereich

20, 20‘ Einlaufbereich des Gerinnungsbereichs

22 tiefer Bereich des Gerinnungsbereichs

22‘ flacher Bereich des Gerinnungsbereichs

24 Kante

26, 26' Abführkanal

28, 28‘ Übergang

30 Kante oder stufenförmige Querschnittsverjüngung

32 flacher Kanalabschnitt

40‘ Querschnittsverjüngung in Form einer Rampe

42‘ flacher Kanalabschnitt

44‘ Gitterstruktur

46‘ Rampe des Abführkanals

50‘ Analysekanal

51 ' Einlassseite

52‘ Auslassseite

99‘ Kapillarrohr