Studienabschlussarbeiten am Institut

Lab-on-a-Chip Technologien haben aufgrund ihres Potentials für schnelle und kontrollierte Handhabung kleiner Probenmengen ein großes wissenschaftliches Interesse erlangt. Speziell für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik bietet diese Technologie vielversprechende Möglichkeiten. Verschiedenste Strategien wurden entwickelt um Flüssigkeiten im mikrofluidischen System zu transportieren. Dazu gehören Druck betriebene Techniken, Elektroosmose oder auch Methoden die Kapillarkräfte nutzen. Eine weitere Technik bieten zentrifugal betriebene Plattformen (Lab-on-a-disc). In dem vorliegenden Bericht werden zwei Lab-on-a-disc Strategien vorgestellt, um potentielle pathogene Mikroorganismen an definierten Stellen im Chip einzufangen und damit für Raman Messungen zugänglich zu machen. Die erste Strategie nutzt einen Array bestehend aus V-förmigen Mikrostrukturen, in denen die Bakterien aus wässriger Lösung angereichert werden. Bei der zweiten Methode wurden die Bakterien auf einer Filtermembran aufgefangen. Auf diese Membran wurde zusätzlich eine Gitterstruktur aus einem SU-8 Polymer aufgebracht, so dass die Bakterien an bestimmten, wohl definierten Stellen aufkonzentriert wurden. Durch die Verwendung von Glasfenstern über der Fangstruktur, konnten sowohl in den V-förmigen Mikrostrukturen, als auch auf den Membranen mit Gitterstruktur die gefangenen Bakterien mittels Raman-Spektroskopie charakterisiert werden. Außerdem ermöglichen beide Strategien zusätzliche Inkubationsschritte mit Antibiotika und Waschschritte, ohne die eingefangenen Mikroorganismen zu verlieren.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein miniaturisiertes, parallelisierbares Bioreaktorsystem zu entwickeln, das auf bisherigen Forschungsergebnissen des Fachgebiets Nanobiosystemtechnik der TU Ilmenau aufbaut und diese einbindet. Die Zellen sollen auf einem porösen Substrat dreidimensional kultiviert werden. Zur Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff werden die Zellen mit Medium perfundiert. Das Medium wird durch eine integrierte Mikropumpe umgewälzt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Verschluss des Bioreaktors, der gewährleistet, dass der erforderliche Druck zur Perfusion der Zellen aufgebaut werden kann. Dazu wird eine Klemmverbindung in zwei Varianten und ein magnetischer Verschluss getestet. Alle Varianten werden berechnet, bewertet und es wird ein Labormodell aufgebaut, dass die Kraftflüsse im Bioreaktorsystem imitiert. Schließlich erfolgt eine Auswahl und eine Empfehlung für das weiter zu verfolgende Konzept.

Im Zuge zunehmender Miniaturisierung in nahezu allen Bereichen von Wissenschaft und Technik ist es ein wichtiges Ziel der Mikrosystemtechnik, ein möglichst leistungsfähiges und vielseitig einsetzbares Chiplabor zu entwickeln. Hier ist zur Realisierung voneinander abgegrenzter Mikroreaktionsräume die tropfenbasierte Mikrofluidik besonders vielversprechend. Für automatisierte Vielparameteranalysen und -synthesen auf Chipebene sind Techniken erforderlich, die es erlauben, Flüssigkeitssegmente zu ihrem Bestimmungsort zu transportieren, sie mit anderen Kompartimenten zu vereinigen oder größere Segmente zu zerteilen. Ganz besonders wichtig aber ist die Möglichkeit einer gezielten Ansteuerung einzelner Segmente, die z.B. ein Sortieren der Reaktionsräume nach beliebigen Kriterien möglich macht. In dieser Arbeit wurde zunächst ein System entwickelt, dass eine schnelle und zuverlässige Aktuation einzelner Segmente innerhalb eines Mikrofluidikchips mit integrierten Elektroden über elektrische Felder ermöglicht. Die Segmente werden dazu in einem Mikrokanal zunächst optisch detektiert. Es wurde eine Software entwickelt, die das optische Signal in Echtzeit auswertet und über die Steuerung eines Hochspannungsmoduls eine Rückkopplung auf die Segmente erlaubt. Über Änderungen des elektrischen Feldes und seiner Polarität können die Segmente an einer Y-Kanalkreuzung reproduzierbar in den gewünschten Kanal gelenkt werden. Nach einer Optimierung der für die Aktuation günstigen Parameter konnte gezeigt werden, dass über dieses System Information in der Anordnung von Segmenten gespeichert werden kann. Mit Hilfe weiterer Experimente wurde der Schaltmechanismus besser charakterisiert. Es kann jetzt ausgeschlossen werden, dass rein elektrostatische, dielektrophoretische oder durch Elektrobenetzung hervorgerufene Kräfte für den Schalteffekt verantwortlich sind. Ein Modellexperiment mit frei fallenden Segmenten ermöglichte die Messung charakteristischer Relaxationszeiten und weiterer für die Aktuation wichtiger Parameter. Unterstützt durch Simulationen des elektrischen Feldes wird ein Modell vorgeschlagen, dass einige der beobachteten Effekte erklären kann. Es beschreibt die Tropfenbewegung über die temporäre Induktion einer Nettoladung an der Tropfengrenzfläche und anschließende elektrostatische Ablenkung. Zur Klärung aller Effekte, sind weitere Untersuchungen nötig.

Die Kultivierung von Zellen in fortgeschrittener dreidimensionaler Zellkultur ist ein sich seit den letzten Jahren dynamisch entwickelndes Forschungsgebiet. Ein dabei kaum oder gar nicht untersuchter Forschungsgegenstand ist, inwieweit sich Zellen, die in polymeren 3D Scaffolds eingesät werden, sich in ihrer geometrischen Organisation nach bestimmten Regeln selbst organisieren d.h. eine räumliche Struktur ausbilden, die nicht rein zufällig ist. Speziell in den vorliegenden, nach oben offenen MatriGrid- Strukturen stellt sich die Frage, ob die zu beobachtenden Kanäle die Hypothese eines sich ausbildendenden Fluidsystems (Vaskularisierung) zur Ver- und Entsorgung der in 3D Kultur gebildeten, gewebeartigen Zellaggregate rechtfertigt. Durch die Vaskularisierung von Geweben wird in vivo die Arbeit des Blutgefäß- und des Gallenkanalsystems ermöglicht. Zur quantitativan Analyse der Zellstrukturen wurde in dieser Arbeit ein Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe charakteristische Parameter dieser ermittelt werden können. Hierbei werden die Positionen der einzelnen Zellen innerhalb ihrer Zellstruktur über das Auswertungsprogramm Imaris aus LSM-Bildern extrahiert. Die erhaltene Punktemenge wird in Ebenen unterteilt, in welchen separat voneinander nach Abschnitten der entstandenen Kanal- und Hohlraumstrukturen gesucht wird. Diese Abschnitte werden anschließend zu den gesuchten Strukturen verbunden und aus ihnen die charakteristischen Parameter der untersuchten Zellkultur ermittelt und statistisch verglichen.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit bestand in der Untersuchung der Coffein-Kompatibilität bei der Anwendung von Antibiotika mit Hilfe der Technik der mikrosegmentierten Flüsse. Es sollten sowohl mögliche synergistische als auch antagonistische bzw. additive Effekte untersucht werden. Dabei wurde der Modellorganismus Escherichia coli ins Mikrofluidsystem eingebracht und in nur wenige Mikro- bis Nanoliter großen Fluidsegmenten kultiviert. Es wurden mehrdimensionale Konzentrationsfelder erzeugt, um neben den Einzelwirkungen verschiedener Chemikalien und Medikamente auch die Kombinationswirkung binärer bzw. ternärer Konzentrationsgemische zu untersuchen. Um eine Aussage über kritische Dosen in Abhängigkeit zur jeweiligen Coffein-Konzentration treffen zu können, wurden mehrere Versuche mit Escherichia coli im synthetischen Medium und mit verschiedenen Wirkstoffkombinationen durchgeführt. Durch die Integration eines optimierten Mikrodurchflussfotometers und -fluorimeters war ein kontinuierliches Monitoring der Segmente zu unterschiedlichen Kultivierungszeitpunkten möglich. Es konnten somit Datensätze zur Einzel- und Kombinationswirkung binärer bzw. ternärer Gemische gewonnen werden, welche wichtige Informationen über den Einfluss von Coffein auf die Wirkung verschiedener Arzneistoffe lieferten. Es ergaben sich gut reproduzierbare Dosis-Wirkungs-Beziehungen und in Bezug auf die Kombinationsscreenings sowohl antagonistische, als auch synergistische Effekte. Einige Substanzen beeinflussten sich in ihrer Wirkung gegenseitig nicht, während andere Substanzen es starke Abhängigkeiten aufwiesen.