Pharmazeutiker, Biotechnologen, Zellbiologen und Gentechniker müssen mit minimalen Flüssigkeitsmengen präzise arbeiten. Ein Tröpfchen zu viel oder zu wenig kann zu extremen Abweichungen des Endprodukts führen – unter Umständen mit verheerenden Nebenwirkungen für den Nutzer. An der Universität wurde nun ein neues Verfahren zur Dosierung der Tröpfchen entwickelt. 

Der chinesische Wissenschaftler Dr. Yanzhen Zhang, der als Alexander-von-Humboldt-Stipendiat in der Arbeitsgruppe für Physikalische Chemie an der Universität Oldenburg forscht, hat ein völlig neues Verfahren für die Herstellung möglichst kleiner Tropfen entwickelt. Die aktuelle Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Nature Communications“ stellt das Projekt vor. Co-Autor der Studie ist der Leiter der Oldenburger Arbeitsgruppe, der Chemiker Prof. Dr. Gunther Wittstock.

Das Dosieren und Manipulieren kleiner Flüssigkeiten im Mikro- und Nanobereich hat für viele Anwendungen eine zentrale Bedeutung. Um möglichst kleine Tropfen herzustellen, werden in der Regel Düsen eingesetzt, die mit hohem Druck Tröpfchen durch ein Ventil schießen. „Das Problem bei herkömmlichen Düsenverfahren ist aber, dass das Volumen des Tropfens sehr eng an den Durchmesser der Öffnung gekoppelt ist. Wenn ich also sehr kleine Tropfen herstellen will, benötige ich auch immer kleinere Öffnungen“, erklärt Wittstock. Noch schwieriger sei es, hochviskose, also zähe Flüssigkeiten wie Harze oder Lösungen mit festen Partikeln durch diese winzigen, mit bloßem Auge gar nicht sichtbaren Öffnungen zu pressen. Die Folge: Die Durchlässe verkleben oder verstopfen.

Die Methode der Oldenburger Wissenschaftler ist demgegenüber sehr unempfindlich. Die Forscher sind in der Lage, Tropfen im nanoskaligen Bereich und kleiner auch mit Hilfe größerer Öffnungen herzustellen. „Mit unserem Verfahren lassen sich sogar Flüssigkeiten über einen sehr hohen Viskositätsbereich durch die Öffnung bringen. Der Tropfen ist dabei viel kleiner als die Öffnung. Wir müssen also gar nicht erst derart kleine Öffnungen herstellen, um Tröpfchen zu produzieren. Größere Öffnungen lassen sich zudem viel besser warten als kleinere“, so Wittstock weiter.

Das Geheimnis dahinter: Statt einer Düse, die mit Druck die Flüssigkeit durch eine Öffnung presst, benutzen die Forscher eine Pumpe, die die Flüssigkeit zurück in die Kapillare saugt. Nur ein einzelner Tropfen bleibt zurück – ähnlich wie der Tropfen am Wasserhahn. Dieser sogenannte Muttertropfen wird mit einer genau festgelegten Geschwindigkeit leer gesaugt. „Wenn ich den Tropfen leer sauge, kann dessen Form der Volumenänderung nicht unendlich schnell folgen. Deswegen verdünnt der Tropfen sich an seinem Hals, bis er abreißt. Zurück bleibt ein winziger ,Tochter'-Tropfen, der sich in der Oberfläche wieder optimiert“, erläutert Wittstock.

Die Methode weist einen zweiten entscheidenden Vorteil auf: Entlässt man den Tropfen aus einer Edelstahlkanüle, an die man eine Spannung anlegt, lässt sich der Tropfen in einem elektrischen Feld steuern – und zwar so genau, dass er beispielsweise auf weitere Tropfen trifft und diese – je nach Steuerung – entweder nur berührt oder sich mit ihnen vereint. Damit eröffnet sich ein breites Anwendungsfeld. Die einzeln erzeugten Tropfen könnten möglicherweise als „Postbote“ fungieren und bestimmte Medikamente, die beispielsweise zur Wachstumshemmung von bösartigen Zellen in der Tumortherapie eingesetzt werden, gezielt an bestimmte Rezeptoren transportieren. Oder aber sie sammeln gezielt Stoffe ein und die Tropfeninhalte werden anschließend analysiert. Denkbar sind auch kontrollierte Reaktionen in Microarray-Reaktoren. „Mit unserer Methode lassen sich auch mit großen Öffnungen einzelne ultra-kleine Tropfen kontrolliert herstellen und delegieren. Außerdem lässt sich das Volumen der Tröpfchen mit demselben Versuchsaufbau über mehrere Größenordnungen verändern. Das hat es bisher so noch nicht gegeben“, resümiert Wittstock.

„Hydrodynamic dispensing and electrical manipulation of attolitre droplets”, Yanzhen Zhang, Benliang Zhu, Yonghong Liu und Gunther Wittstock, NATURE COMMUNICATIONS, 7:12424, DOI: 10.1038/ncomms12424, www.nature.com/naturecommunications