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25.08.2021 | Keramik + Glas | Nachricht | Onlineartikel

Keramische Temperaturwechsler für beschleunigte Corona-Labortests

Autor:
Leyla Buchholz
1:30 Min. Lesedauer

Die Corona-Pandemie hat das weltweite Interesse an schnellen und dennoch zuverlässigen Virentests stark wachsen lassen. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS hat dafür μPCR-Labormodule entwickelt, um die Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase Chain Reaction, kurz: PCR) für derartige Tests deutlich zu beschleunigen.

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.

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