Wenn mehr Genauigkeit als bei den handelsüblichen Schnelltests gefragt ist, setzen Labore die PCR-Technik ein, um Erbgut des Krankheitserregers aus Nasen- und Rachenschleimproben zu vervielfältigen und anzureichern. Dadurch lassen sich im nächsten Schritt selbst kleinste Mengen von Corona-Viren leicht und eindeutig nachweisen. Damit aber zunächst die anreichernde Kettenreaktion immer neue Erbgut-Kopien hervorbringt, durchlaufen die Proben eine Art "Wechselbad der Temperaturen": Die Laborgeräte müssen die Reaktionsgefäße abwechselnd auf bis zu 96 °C erhitzen und dann wieder auf 55 °C oder weniger abkühlen. Und diese Prozesse sind in einem genau vorgegebenen Regime zirka 30 Mal zu wiederholen. Je nach Testvariante dauert das etwa vier bis sechs Stunden.
3D-Drucktechnik und Heiz-Elektronik kombiniert
Die IKTS-Teams um den Elektrotechniker Dr. Lars Rebenklau und den 3D-Druck-Experten Dr. Uwe Scheithauer haben nun aber eine vielversprechende schnellere Alternative entwickelt. Um ihre μPCR-Module herzustellen, setzen sie additive Fertigungsverfahren ein. Auf industriellen 3D-Druckern wird zunächst eine keramische Hülse mit integrierten Kühlkanälen realisiert. Den so erzeugten Grünling brennen die Forscher dann bei über 1000 °C zu einer festen und sehr strapazierfähigen Keramik. Im Anschluss drucken sie auf diesen Grundkörper metallische Spiralmuster, die später als Heizkörper dienen, und brennen sie bei 850 °C ein. Elektrische Anschlüsse und Kühlmittel-Schläuche komplettieren schließlich die kompakten μPCR-Module.
Diese Aggregate haben derzeit etwa 15 Millimeter Durchmesser und sind zirka 45 Millimeter lang. Sie sind gleichermaßen Mini-Ofen wie auch Mini-Kühlschrank: Binnen weniger Sekunden bringt die aufgedruckte Heizelektrik die eingesteckten Probengefäße auf die gewünschten Temperaturen. Ähnlich rasch kühlt dann gasförmiger Stickstoff, der durch die integrierten 3D-Kühlkanäle strömt, die Proben wieder herunter. Die einzelnen Module lassen sich zudem zu größeren Matrix-Verbünden koppeln, um viele Proben auf einmal zu analysieren.