Für die Diagnostik von Krankheiten sind Kartuschen mit Fluidikkanälen für Patientenprobe und Reagenzien schnell und nahe beim Patienten (point-of-care) im Einsatz, anstatt in grossen Zentrallabors. Die Kanäle müssen dicht und sauber verschlossen werden, wofür sich das Laserschweissen bewährt hat.
Fluidik-Kartuschen für die Diagnostik von Krankheiten waren schon vor der Corona-Pandemie eine wichtige Anwendung fürs Laserschweissen von Kunststoffen, da sie gut zu den spezifischen Vorteilen passen. Mit der Pandemie stieg der Bedarf stark an und in kurzer Zeit konnten mehrere Projekte mit Kunden in Europa und Asien realisiert werden.
In Zentrallabors können Patientenproben in grossen Quantitäten kosteneffizient analysiert werden. Sie haben aber den Nachteil der Logistik vom Patienten zum Labor und den dadurch verbundenen Zeitverlust. Bei patientennahem Testen (point-of-care) ist die Analyse innerhalb von 15 - 30 Minuten verfügbar, sollte aber auch die gleiche Sensitivität haben wie die Labortests. Dazu werden die Prozessschritte aus dem Labor auf eine Fluidik von der Grösse einer Kreditkarte runterskaliert und integriert.
Antigen-Tests haben ein relativ einfaches Layout der Fluidik mit zuvor aufgebrachten Makern, die an die DNA des Virus oder Bakterium anbinden und dies bei den Anzeigeflächen durch eine Verfärbung anzeigen.
Bei den empfindlicheren PCR Tests wird die DNA vor der Analyse vervielfältigt und so die Sensitivität erhöht. Dies erfordert ein komplexeres Layout der Fluidikkanäle und zusätzliche Funktionalitäten verglichen mit Antigen-Tests.
Wichtig für die Diagnostik-Kartuschen ist eine dichte Verbindung der Kanalstrukturen ohne Verunreinigung durch Partikel oder Fremdstoffe. Wenn Reagenzien bereits in der Kartusche deponiert sind, dürfen sie durch den Verbindungsprozess nicht beeinträchtigt oder sogar beschädigt werden.
Beim Kleben als Verbindungstechnik gibt es Bedenken, dass der Klebstoff als Fremdstoff die Analyse beeinträchtigen könnte. Beim Ultraschallschweissen gibt es ein Risiko durch den Schweissprozess Partikel zu generieren oder, dass deponierte Reagenzien durch die Vibrationen nicht mehr an der richtigen Position verbleiben. Thermobonden benötigt eine lange Zykluszeit mit limitierender Produktivität und deponierte Reagenzien sind viel Wärme ausgesetzt.
Laserschweissen ermöglicht eine Verbindung ohne die oben beschriebenen Nachteile. Die Kanäle können präzise geschweisst werden ohne Kontamination durch Fremdstoffe oder Partikel. Aufgrund des präzisen Energieeintrags erfahren vordeponierte Reagenzien keine Hitzeeinwirkung und auch keine Vibrationen wie beim Ultraschallschweissen. Komplexe Fluidiklayouts sowie auch der schnelle Wechsel zwischen verschiedenen Varianten sind möglich.
Typischerweise wird ein Konturprozess für die Kanalstrukturen angewendet, bei dem ein Laserspot mit einem xy-Achsensystem entlang der Schweisskontur geführt wird. Oder es wird ein Scanner verwendet, der mit 2 Spiegeln die Strahlablenkung durchführt. Mit Scanner sind sehr viel höhere Verfahrgeschwindigkeiten möglich, was sich entsprechend auf die Zykluszeit und Produktivität einer Maschine auswirkt. Alternativ kann auch ein Maskenprozess eingesetzt werden bei dem sich die Geometrie der Kanalstrukturen in einer Metallschicht auf Glas befinden. Ein linienförmiger Laserstrahl fährt über diese Maske und schweisst überall wo der Laserstrahl durch die Maske aufs Bauteil fallen kann und nicht reflektiert wird. Ist das obere Bauteil der Kartusche etwas dicker als ein dünner Film, ist der Einsatz einer kollimierten parallelen Laserlinie sinnvoll, so dass das Bild der Maske bis zur Schweissebene nicht verzerrt wird.
Da die allermeisten Kartuschen kleiner als 100 mm sind, kann eine kleine kompakte Turnkey S Maschine zum Einsatz kommen, die semi-automatisch von Hand bedient wird (siehe Artikel Turnkey S: modulare Maschine zum Kunststoffschweissen).
Für grosse Stückzahlen mit Scanneroptik kann auch ein Modula Assembly Inline zum Einsatz kommen, das eine vollautomatische Produktion erlaubt (siehe Artikel Modula Assembly Inline für Laserschweissen grosser Serien).
Die Corona-Pandemie hat patientennaher Diagnostik einen grossen Schub verleiht, wird aber sicherlich über diese hinaus ein wichtiges Thema bleiben, das sich weiterentwickelt. Einerseits lassen sich mit unterschiedlichen Reagenzien die Kartuschen für COVID-19 auch für andere Viren oder Bakterien einsetzen, anderseits wird eine bessere Vorbereitung auf zukünftige Pandemien wichtig sein.
