Die FDmiX-Plattform lässt sich vielfältig zum Mischen einsetzen, da das System überaus robust ist, kurze Mischzeiten liefert und eine annähernd gleiche Mischungsgüte über den gesamten Durchflussbereich. So lässt sich das System ganz allgemein für die sogenannte Continuous Flow Chemistry einsetzen, also für chemische Reaktionen (z. B. Ausfällprozesse), die nicht in einzelnen Batch-Produktionen, sondern in einem kontinuierlich fließenden Strom durchgeführt werden. Darüber hinaus eignet sich die FDmiX-Plattform zur Herstellung von Nanoemulsionen, also zur Erzeugung einer stabilen Mischung von sonst unmischbaren Substanzen, wie zum Beispiel Wasser und Öl. Schlussendlich lässt sich das System auch zur Verkapselung von mRNA in Nanopartikeln auf Lipid- und Polymerbasis einsetzen.

Das Herzstück der FDmiX-Plattform bildet eine OsciJet Düse, wie sie rechts schematisch dargestellt ist. ❶ zeigt eine OsciJet Düse, wie wir sie mit bloßem Auge wahrnehmen würden. Da das menschliche Auge in aller Regel zu langsam ist, scheint es so, dass sich das sichtbare Sprühbild augenscheinlich nicht von dem einer Flachstrahldüse unterscheidet. Das liegt allerdings nur daran, dass unsere Wahrnehmung zu langsam ist. Sieht man sich den Vorgang zeitlich aufgelöst an, so sieht man, dass sich im Inneren der Düse ein Strahl an einer der Seiten in der Hauptkammer anlegt ❷. Folgt man dem Strahl durch die Hauptkammer, sieht man, dass ein kleiner Teil des Strahls vor dem Verlasen der Düse in einen Seitenkanal umgelenkt wird. Am Ende des Seitenkanals trifft dieser wieder auf den Hauptstrahl und drückt diesen auf die andere Seite ❸. Dadurch schwingt der Hauptstrahl unentwegt von der einen zur anderen Seite. ❹ zeigt das Strahlbild, wie es zeitlich aufgelöst aussieht. [mehr zur Funktionsweise]

Die Nanotechnologie hat in den letzten Jahren einen erheblichen Fortschritt in der kosmetischen und pharmazeutischen Industrie zu verzeichnen. Nicht zuletzt die Pandemie hat die Effektivität von Drug-Delivery-Systemen auf Basis von Nanopartikeln eindrucksvoll aufgezeigt und die Diskussion über mRNA basierenden Medikamente entfacht und ein erhebliches Potenzial aufgezeigt. Neben den mRNA-Wirkstoffen, zeigen auch weitere Nanosysteme (Nanopartikel, Liposome, Nanoemulsionen, Nanokristalle, usw.) in anderen Bereichen ein hohes Potenzial. Auch im kosmetischen Bereich werden mittlerweile Hautcremes auf Basis von Nanoemulsionen breit eingesetzt. Essenziell ist für diese Nanosysteme vielfach die schnelle Mischung Fluiden. Dabei entscheidet die Mischungsgüte nicht nur über die Qualität der Produkte, sondern letztendlich auch über deren Wirksamkeit. Für die Herstellung kleiner Mengen kommen so häufig sogenannte Mikrofluidiken zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch kleine Strukturen auf, bei denen meistens die Kapillarkräfte dominieren. Damit einher geht, dass bei diesen sehr kleinen Strukturen die Reibungskräfte maßgeblich die Trägheitskräfte bestimmen, was zu laminaren Strömungen, also zu Strömungen ohne nennenswerten Queraustausch, führt. Der mangelnde Queraustausch erschwert dabei das Mischen. Von Vorteil ist bei dieser Methode, dass sich die Vorgänge sehr gut kontrollieren lassen. Nachteilig ist, dass ein so etablierter Mischungsprozess nicht einfach auf einen größeren Maßstab überführt werden kann. So kommen in der Serienproduktion gerne Impinging Mischer, auch T- oder Y-Stücke genannt, zum Einsatz, bei denen der Mischmechanismus nicht primär auf Diffusion basiert. Bei Substanzen, die nicht miteinander agieren, kann dies mitunter vernachlässigt werden, aber sobald chemische Prozesse eine Rolle spielen, ist der Mischmechanismus und die damit verbunden Zeitskalen wesentlich für die resultierenden Eigenschaften. Dies zeigt die Herausforderung beim Hochskalieren in der Produktion von Nanosystemen auf.

Umgehen lassen sich diese, wenn für die Mischung von zwei Fluiden prinzipiell der gleiche Mischmechanismus eingesetzt wird. Wie oben beschrieben, basiert der Mischung der FDmiX-Plattform auf einem skalierbaren Prinzip. Die durch die OsciJet oszillierende Strömung der einen Substanz trifft senkrecht auf den Strom der zweiten Substanz und erzeugt so sehr schnell eine gute Mischung. Die Mischzeiten liegen hierbei im Millisekundenbereich und sind damit schneller als der Blitz. Da die OsciJet Düsen sich problemlos skalieren lassen, kann so auch ein Hochskalieren eines Laborprozesses problemlos erfolgen. In internen Tests konnten wir so nachweisen, dass gerade bei der Lipidnanoverkapselung, also dem Umhüllen eines Wirkstoffs mit einer Lipidhülle, die resultierenden Partikel deutlich kleiner und homogener sind und die Partikelgröße sogar eingestellt werden kann. Die FDmiX-Plattform eignet sich besonders gut für die Herstellung Nanopartikeln und –emulsionen, in Ausfällprozessen und vielen weiteren Mischungsvorgängen.

Die nachfolgenden Videos zeigen Mischungsversuche, die wir im Durchlichtverfahren durchgeführt haben. Bei dem Impinging Mischer, dargestellt im Video links, dass die beiden Phasen aufeinanderprallen und dann parallel zueinander senkrecht nach unten abfließen und sich ganz klar Konzentrationsunterschiede erkennen lassen. Der FDmiX-Mischer auf der rechten Seite zeigt hingegen ein deutlich homogeneres Bild.