Pumpe aus Papier für die Biomedizin
US-Forscher nutzen das Phänomen der Kapillarwirkung
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Papier-Pumpe: Wirkung in drei Phasen (Foto: Glenn Walker) |
Raleigh/Chapel Hill (pte016/10.03.2017/12:30) US-Forscher haben eine Pumpe entwickelt, die winzige Mengen an Flüssigkeiten transportiert, ohne mit Energie versorgt zu werden. Sie nutzen ein Phänomen, das seit Jahrhunderten bekannt ist: Die Kapillarwirkung. Die "hydraulische Batterie", wie die Forscher ihre Entwicklung nennen, pumpt Flüssigkeit in ein mikrofluidisches System. Die darin laufenden Reaktionen können beispielsweise dem Nachweis von Rauschgiften oder Krankheiten dienen.
Günstig und portabel
In einem Labor ist es kein Problem, elektrisch betriebene Pumpen einzusetzen, für Arbeit im Feld sind solche Lösungen aber nicht ideal. "Tragbare Analysegeräte sind wichtig, weil sie neue Einsatzmöglichkeiten bieten", betont Glenn Walker, Professor für Biomedizinische Technik an der North Carolina State University. Er hat gemeinsam mit Kollegen daher die Papier-Pumpe entwickelt. Sie soll Diagnoseinstrumente ermöglichen und das möglichst kostengünstig. "Jede dieser Pumpen kostet weniger als einen Dime", betont Walker, also weniger als zehn US-Cent.
Die Entwicklung macht sich das Kapillarprinzip zunutze. Kleinste Mengen von Wasser und ähnlichen Flüssigkeiten, die eine Oberflächenspannung haben, bewegen sich in feinporigen Feststoffen wie Papier entgegen der Schwerkraft nach oben. "Unser System nutzt Papier, das 125 Mikrometer dick ist, kaum mehr als der Durchmesser eines Haares", so Walker. Die Pumpleistung beträgt dabei 0,6 Mikroliter pro Minute, der Vorgang dauert also eine Weile. Die unterschiedlichen Füllstände auf dem Foto liegen jeweils zwölf Minuten auseinander.
Verformung verändert den Durchfluss
Anders als bei normaler Kapillarwirkung, die ohne menschlichen Einfluss stattfindet, haben die US-Forscher einen Weg gefunden, die Pumpe zu stoppen und wieder zu starten, dazu noch den Durchfluss zu verändern. Das gelingt ihnen einfach durch eine Formänderung des Papiers. Die Flüssigkeitsmenge, die transportiert wird, lässt sich erhöhen, indem mehrere Papierpumpen übereinandergestapelt werden. "Damit sind wir jeder Anforderung gewachsen", meint Walker. Er ist sicher, dass die hydraulische Batterie Fortschritte sowohl im Gesundheitsbereich als auch in der Grundlagenforschung bringt.
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