Studienabschlussarbeiten am Institut

Die Kultivierung von eukaryotischen Zellen in der klassischen Zellkultur ist meist aufwändig, fehleranfällig und beruht auf statischen Messprinzipien. Die automatisierte Kultivierung von Zellen in mikrofluidischen Chipsystemen bietet eine Möglichkeit der Optimierung, da sie automatisierbar ist, eine bessere Kontrolle der Kultivierungsbedingungen bietet und dynamische Analyseanwendungen erlaubt. In der Arbeit wurde ein inkubatorunabhängiges, durchflussbasiertes Chipsystem entwickelt, welches mit einem Heizelement arbeitet und ohne CO2-Begasung eine stabile und sterile Wachstumsumgebung für die Zellen gewährleistet. Mit diesem System war das online Monitoring von im Chip, unter Flussbedingungen kultivierten Zellen vereinfacht möglich. Die in mikrofluidischen Chipsystemen wirkende Scherbelastung auf Zellen, welche zu zellulärem Stress und metabolischen und morphologischen Veränderungen führen kann, wird seit längerem intensiv untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass der wirkende Scherstress über Veränderungen der Membranviskosität vermittelt wird. Aus diesem Grund wurde mit Hilfe von FCVJ, einem molekularen Rotor und viskositätssensitiven Fluorophor, welches eine hohe Affinität zu Zellmembranen aufweist, versucht den wirkenden Scherstress zu charakterisieren. Hierfür wurden zum einen die viskositätsabhängigen Eigenschaften von FCVJ untersucht. Zum anderen wurden Durchflussversuche im Chip an FCVJ-gefärbten Zellen gemacht. Die Viskositätsabhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von FCVJ konnte bestätigt werden, ebenso wie scherbedingte Änderungen der Membranviskosität von Zellen. Es konnte gezeigt werden, dass sich FCVJ als Werkzeug für Untersuchungen der Scherbelastung in mikrofluidischen Zellkultivierungs- und Testsystemen eignet.

Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung elektrisch leitfähiger Dispersionen, auf Basis von Carbon Nanotubes (Kohlenstonanoröhren). Für die Herstellung dieser Dispersionen wurden zwei unterschiedliche Basislösungsmittel verwendet (Wasser, Ethanol). In Abhängigkeit des jeweiligen Lösungsmittels wurden verschiedene Polymermatrizes verwendet, welche als Haftungs und Bindemittel fungieren sollen und in welche die Carbon Nanotubes erfolgreich eingebettet wurden. Die Dispersionen wurden mittels unterschiedlicher Geräte und Chemikalien erzeugt, hierbei stellte sich heraus das die Reihenfolge der Dispersionsschritte untereinander von Bedeutung ist. Die erzeugten Dispersionen wurden anschließend auf verschiedene Substrate aufgetragen und auf ihre elektrisch leitfähigen und sensitiven Eigenschaften getestet. Die sensitiven Untersuchungen wurden mittels Zyklischer Voltammetrie Versuche und elektrochemischen Impedanzspektren durchgeführt. Diese elektrisch leitfähigen Dispersionen sollen als Grundlage für druckbare elektrische Tinten dienen.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Zell-Kultur-Monitoring. Es ermöglicht ein Monitoring der Zell-Kulturen unter Einsatz von Chemochips. Die Vorteile von Chemochips sind vor allem: Durch Anwendung des Fluoreszenz-Auslese-Prinzips können die hochempfindlichen Chemochips wegen ihrer parallele Bestimmung einer Vielzahl von Analyten weithin in der Biotechnologie verwendet werden. Aufgrund des leichten Herstellungsprozesses erfordern die Chemochips einen relativ geringen Aufwand bei der Instrumentierung. Trotz einer großen Anzahl von Forschungsarbeiten zum Zell-Kultur-Monitoring ist dieses Verfahren, ein Zell-Kultur-Monitoring mit Chemochips zu betreiben, bisher nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Array-Format mit 4x4 Blocks bei Chemochips eingesetzt. Wegen der zeit-parallelen Messung kann das neue Array-Format die Messzeit verkürzen. Außerdem wurden in dieser Untersuchung die Mikrospott-Arrays mit Farbstoffen in binärer Kombination eingesetzt. Diese Arbeit dient dazu, Wechselwirkungen zwischen zwei Farbstoffen festzustellen, besonders durch die Energie-Übertragung zwischen ihnen und deren Einfluss auf die Fluoreszenzantwort während der Zell-Kultur zu untersuchen. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, Chemochips zu entwickeln, die eine pH-Messung während der E. coli-Kultur in Echtzeit ermöglichen. Die Ergebnisse der Arbeit sind durch die Untersuchungsabfolge und die Hauptkomponentenanalyse in drei Schlussfolgerungen zu untergliedern: - Die Fluoreszenzantwort der Farbstoffe für die Probenlösungen während des E. coli-Kultur-Monitoring mit Chemochip entsprechen dem Verlauf des pH-Wertes, gemessen mit der konventionellen Glaselektrode und bezogen auf den bereits genannten Wachstumsprozess der E. coli-Kultur und der damit verbundenen Anreicherung von Säure-Metaboliten. - Der reine Farbstoff H110 weist im Vergleich zu den anderen reinen Farbstoffen, bezogen auf die Referenz-Elektrode, den günstigsten Verlauf der relativen Intensität auf. Alle Farbstoff-Kombinationen auf den Mikrospot-Arrays beeinflussen das Fluoreszenzverhalten und zeigen eine Überlagerung der Intensitäten bei den reinen Farbstoffen. - Die pH-Veränderung in der Anfangsphase der E. coli-Kultur, die durch die Farbstoffe in unterschiedlichem Maße angezeigt wird, ist von Störungsfaktoren, wie z. B. durch den anfänglichen Glucose-Gehalt verursacht. In der vorliegenden Arbeit sind pH- und Polarität-sensitive Farbstoffe in den Mikrospot-Arrays eingesetzt worden. die hochempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffe sind deshalb verwendet worden, um einen leistungsfähigen Sensor für eine Analyse mittels Daten-Readout von Mikrospot-Arrays zu ermöglichen [27]. Doch kann die molekulare Fluoreszenz als ein sehr empfindliches Phänomen neben dem pH-Wert und der Polarität des Mediums durch mehrere Parameter beeinflusst werden. In der Zukunft können z.B. Glucose-sensitive Farbstoffe zusätzlich eingesetzt werden, um die Veränderung des Glucose-Gehalts im Verlauf der Zell-Kultivierung zu detektieren. Außerdem wird der Aufbau der Versuchsordnung in der Zukunft optimiert werden können. Eine automatische Versuchsordnung ist bei der weiteren Arbeit einzusetzen, um das online-Monitoring zu realisieren.

Diese Arbeit beinhaltet die Untersuchung verschiedener Katalysatoren in Hinsicht auf ihre Eignung zur Herstellung von ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (CNT). Es werden verschiedene Katalysatoren hergestellt und die damit erzielten Ergebnisse in der CNT-Synthese durch Gasphasenabscheidung (CVD) verglichen. Dafür werden Methoden der Elektronenmikroskopie (REM, TEM) und die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Im ersten Kapitel werden die Anwendungsziele dieser Untersuchungen dargestellt. Im zweiten Kapitel werden die Eigenschaften der CNT und Grundlagen der Herstellung dieser mittels CVD vorgestellt. Auch auf die Herstellung und den Einsatz der verwendeten Katalysatoren, Ferrocen und Eisen-Molybdän-Bimetallkombinationen, wird an dieser Stelle eingegangen. Die durchgeführten Experimente zur Herstellung der Katalysatoren und der CNT werden im dritten Kapitel beschrieben. Dabei werden auch die CVD-Aufbauten mit Benzol und Ethen als Kohlenstoffquelle vorgestellt und ein kurzer Überblick der genannten Charakterisierungsmethoden (REM, TEM, Raman) gegeben. Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchungen vorgestellt. Diese beinhalten die Charakterisierung der verschiedenen hergestellten Katalysatoren und der damit synthetisierten CNTs, sowie einen Vergleich dieser untereinander. Zusätzlich wird eine beispielhafte anwendungsorientierte Behandlungsmethode von Schichten ausgerichteter CNT bewertet. Kapitel fünf gibt schließlich noch einmal eine Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse.

Mikroreaktionstechnik stellt in der Biotechnologie das standard Reaktionssystem dar und ist sehr geeignet für eine Vielzahl von Screeningprozessen. Sie zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie einfach automatisiert werden können und enorme Platzvorteile bieten. Die nicht ausreichende Online-Analytik vor allem im dynamischen Betrieb stellt bisher einen Nachteil dar. Die Bestimmung des pH-Wertes ist eine der wichtigsten chemisch-analytischen Methoden überhaupt. Sie spielt eine wesentliche Rolle für Zellprozesse. Da Zellwachstum und Zellvermehrung oft mit der Änderung der intrazellulären H+-Konzentration verbunden sind. - Leider eine optische pH-Auslesung in der Nanoliterfluidsegementen ist bis heute nicht gegeben. Deshalb lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in dem Aufbau und der Optimierung eines nicht-invasiven Messsystems zur optischen pH-Auslesung von pH-sensitive Sensorpartikeln in Nanoliterdurchflusssegmenten. Dafür wurde ein Nanoliterdurchflussfluorimeter aufgebaut. Zur Überprüfung des Systems, wurden verschiedene Kalibrierungen durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass der Einsatz von Farbstoff CF/p-HEMA also auch HPTS/p-HEMA in Mikrosegmenten möglich ist. - Wegen der Kompaktheit erweist sich der Messaufbau als ausreichend robust gegen Störeinflüsse, wie beispielsweise die Beleuchtung von außen. Das aufgebaute Fluorimeter bringt noch den zusätzlichen Vorteil, dass es an jedem beliebigen Ort eingesetzt werden kann. Dabei werden die Resultate vor Ort verfügbar gemacht und die Analysezeit zwischen Probennahme und Analyse verkürzt. Der Einsatz des aufgebauten Fluorimeters zur optischen pH-Auslesung in Nanolitersegementen lieferte reproduzierbare und mit anderen Methoden vergleichbare Ergebnisse. Während der Untersuchungen wurden verschiedene Parameter, welche die Fluoreszenzintensität beeinflussen bzw. Messfehler verursachen, systematisch charakterisiert und behoben. Die gewonnen Ergebnisse sind vergleichbar mit denen aus anderen Arbeiten der Universität Regensburg, Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Wolfbeis. Hinsichtlich der Reproduzierbarkeit ist die Messwertqualität des in dieser Arbeit beschriebenen Aufbaus mit derjenigen des Fluoreszenzmikroskops vergleichbar und zeigt ein außerdem besseres Ergebnis im Hinblick auf Signal-Rausch-Verhältnis und Standardabweichung. Anschließend wurde in einem Anwendungsbeispiel für das kontinuierliche pH-Monitoring von sich in Segmenten abspielenden Bioprozessen am Beispiel des Wachstums von E.coli Bakterien gezeigt und diskutiert. Bei den Versuchen mit E.coli konnte für die eingesetzte Sensorbeadkonzentration keine Einschränkung bezüglich des Wachstums festgestellt werden. Die Ergebnisse vom Messaufbau stellten im Vergleich zu den mittels pH-Elektrode ermittelten Ergebnissen einen Erfolg dar. Der Einsatz des Messaufbaus für andere biologische und auch für chemische Anwendung kann vielseitig sein und durch flexible Änderung der Bauteile (z.B. Filter, Anregungsquellen etc.) einfach realisiert werden.