Mikrofluidische Tröpfchen dienen als Miniaturlaboratorien, die eine präzise Steuerung chemischer Reaktionen, Zellassays und molekularer Diagnostik ermöglichen. Traditionell werden diese Tröpfchen passiv unter Verwendung fester Durchflussraten erzeugt. Diesem Ansatz mangelt es jedoch an Flexibilität und er versagt, wenn eine Echtzeitmanipulation einzelner Tröpfchen erforderlich ist. Aktive Methoden bieten mehr Kontrolle, erfordern aber oft sperrige externe Systeme. T-Übergangsgeometrien stellen eine kompakte Alternative dar, doch ihre Abhängigkeit von Versuch-und-Irrtum-Abstimmungen hat die Anwendungsmöglichkeiten in der realen Welt eingeschränkt. Diese Herausforderungen unterstreichen die wachsende Nachfrage nach einer einfachen, vorhersagbaren Methode, die eine zuverlässige, bedarfsgerechte Tröpfchenerzeugung mit minimaler Komplexität ermöglicht. Aufgrund dieser Herausforderungen besteht ein wachsender Bedarf an der Entwicklung zuverlässiger, einfach zu integrierender Methoden zur Erzeugung von Tröpfchen bei Bedarf.

In einer Studie (DOI: 10.1038/s41378-025-00950-2) , die am 19. Mai 2025 in Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht wurde, hat ein Team der Universität Glasgow und des Changchun Institute of Optics eine neue Methode zur Erzeugung von Tröpfchen an einer mikrofluidischen T-Kreuzung vorgestellt. Durch Umkehrung der herkömmlichen Anordnung – Zuführung von Öl durch den Seitenkanal anstelle von Wasser – erreichten sie eine präzise, druckgesteuerte Kontrolle der Tröpfchenbildung. Das Team entwickelte und validierte auch ein theoretisches Modell zur Vorhersage der Drücke, die für das Ein- und Ausschalten der Tröpfchenbildung erforderlich sind, und bot damit eine schnelle und praktische Lösung für die mikrofluidische Steuerung in Echtzeit.

Die Innovation liegt in einer subtilen, aber leistungsstarken Umgestaltung der klassischen T-Verzweigung. Anstatt das Wasser in das Öl abfließen zu lassen, ermöglicht die neue Anordnung, dass das Öl den Wasserstrom von der Seite her abfängt – im Grunde schneidet es die Tröpfchen wie eine Guillotine unter Druck ab. Diese Umkehrung in Verbindung mit einem auf der Kapillarphysik basierenden Modell ermöglicht es den Forschern, auf der Grundlage des Einlassdrucks und der Kanalgeometrie genau vorherzusagen, wann sich Tröpfchen bilden oder aufhören. Die Vorhersagen des Modells wurden durch Experimente mit verschiedenen Gerätekonfigurationen und mit Tensiden modifizierten Ölen validiert.

Um Unstimmigkeiten in der Praxis, wie z. B. Schwankungen der Oberflächenspannung, zu bewältigen, führten die Forscher eine visuelle Feedback-Methode ein: Sie verfolgten die Häufigkeit der Tröpfchenbildung, um die Druckeinstellungen in Echtzeit feinabzustimmen. Diese dynamische Abstimmung erweitert die betriebliche Flexibilität, ohne dass komplexe Instrumente erforderlich sind. Tests haben gezeigt, dass das System bei verschiedenen Designs zuverlässig funktioniert und die Steuerung präzise genug ist, um einzelne Tröpfchen in zeitlich festgelegten Intervallen zu erzeugen, was für Anwendungen wie die Verkapselung von Zellen oder die zeitgesteuerte Abgabe von Reagenzien unerlässlich ist. Der Ansatz des Teams verwandelt die Tröpfchensteuerung von einem Rätselprozess in eine technische Disziplin.

“Unser Ziel war es, die Tröpfchenmikrofluidik intelligenter und nicht schwieriger zu machen”, sagte Professor Huabing Yin, der Hauptautor der Studie. “Wir haben gezeigt, dass wir mit einer einfachen Änderung der Geometrie und ein wenig Physik ein bisher unvorhersehbares System in eines verwandeln können, das man programmieren und steuern kann. Das ist ein entscheidender Vorteil für Labors, die automatisieren und vergrößern wollen.”

Die Auswirkungen sind weitreichend. Von der biomedizinischen Diagnostik bis zur synthetischen Biologie kann jeder Bereich, der eine präzise Handhabung von Flüssigkeiten erfordert, von diesem modellgesteuerten Tröpfchensystem profitieren. Seine niedrige Implementierungsschwelle – keine externen Felder oder komplexe Elektronik – macht es besonders attraktiv für tragbare oder Point-of-Care-Geräte. Dank der anpassbaren Tröpfchengröße und -zeit können Forscher nun mikrofluidische Systeme entwerfen, die auf ihre spezifischen Aufgaben zugeschnitten sind. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung und Automatisierung von Laboratorien könnte diese Innovation ein Eckpfeiler der nächsten Generation von Lab-on-a-Chip-Plattformen werden.

Original Paper:

On-demand droplet formation at a T-junction: modelling and validation | Microsystems & Nanoengineering

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