Die Fähigkeit zur kontrollierten Manipulation von Zellen und Viren ist für die biotechnische Industrie eine unabdingbare Voraussetzung. Viele biotechnische Anwendungen erfordern entweder sehr reine Proben oder eine genügend hohe Konzentration biologischer Mikro- und Nanopartikel. Geeignete und effiziente Trennverfahren für die bei der Lab-on-a-chip-Technologie auftretenden kleinen Mengen sind zurzeit jedoch noch nicht in ausreichendem Maße vorhanden. Ihre Entwicklung wird erschwert durch die komplexe nichtlineare Überlagerung elektrorheologischer Effekte in Mikrochips, die verschiedene Instabilitäten zur Folge haben. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt von Fraunhofer IBMT und Fraunhofer ITWM wird die Möglichkeit eröffnet, die gewünschten Parameter für ein konkretes Biochipdesign virtuell im Computer auf Instabilitäten oder andere unerwünschte Seiteneffekte zu testen. Aus den hieraus gewonnenen Ergebnissen werden verbesserte Designs erarbeitet.

Innerhalb des Projektes wird am Beispiel der Entwicklung einer Zell- und Virenfalle nachgewiesen, dass der zusätzliche Einsatz von Simulationen die Möglichkeiten der Lab-on-a-chip-Technologie erheblich erweitern kann. Die am Fraunhofer IBMT vorangetriebene Traveling-wave-Technologie erlaubt eine hochpräzise Kontrolle der Dynamik von Zellen und Viren in mikrostrukturierten Chips. Dabei werden mithilfe von Hochfrequenzfeldern Fluidströmungen induziert. Partikel, Zellen oder Viren, die sich in der Flüssigkeit befinden, werden mittransportiert und können dadurch fast beliebig in einer Ebene bewegt werden. Für bestimmte Elektrodenkonfigurationen wurden jedoch komplexe dreidimensionale Wirbelstrukturen beobachtet, die potenziell für Partikelanreicherungsmethoden eingesetzt werden können. Ihre Ursache war allerdings bisher unverstanden, was ihre gezielte Nutzung verhindert hat.
Zunächst wurde als Grundlage der Simulation das notwendige elektrohydrodynamische Modell systematisch hergeleitet. Damit konnte der physikalische Mechanismus für die beobachtete Wirbelbildung ermittelt werden. Um ihn auch in realen Geometrien nutzen zu können, wurde das dreidimensionale elektrohydrodynamische Modell numerisch umgesetzt. Die Grundlage für die Implementierung und Visualisierung der auftretenden Phänomene bildet die im Schwerpunkt Komplexe Fluide entwickelte Softwareplattform CoRheoS. Bei Verwendung der am Fraunhofer IBMT eingesetzten Elektrodenkonfiguration in der CoRheoS-Simulation lässt sich die im Experiment beobachtete Wirbelstruktur am Computer genau reproduzieren. Damit ist der entscheidende Schritt getan, die derzeit genutzten Lab-on-a-chip-Architekturen simulationsgestützt zu hoch selektiven Mikrofallen für Viren und Zellen weiterzuentwickeln.