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Mikrofluidisch gestützte zellbasierte Assays mit gedruckter Sensorik für High-Content Analytik

Pfister, Cornelia - Technische Universität München (2015)


Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung und Optimierung einer sensorbestückten Multiwellplatte für automatisierte Assays an lebenden Zellen bzw. Gewebeproben, wie sie seit Jahren am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik erforscht werden. Solche Assays bieten beispielsweise ein hohes Potenzial in der Verbesserung von Diagnose und Therapie von Tumoren.

Die neue Multiwellplatte ist das Ergebnis weiterer Forschungsarbeiten an einer vorhandenen Multiwellplatte, die bisher standardmäßig im sogenannten Intelligent Microplate Reader, einem System für das automatisierte Monitoring der Aktivität von Zellen bzw. Gewebeproben in Echtzeit, verwendet wurde. Die Weiterentwicklung wurde notwendig, um über einen modularen Aufbau die funktionale Vielseitigkeit des Systems in Bezug auf die kultivierbaren Zelltypen bzw. Gewebeproben und die Versorgung der selbigen zu steigern.

Jedes Well der Multiwellplatte besteht aus einer Sensor-bestückten Mikroreaktionskammer, in der das zu testende Material kultiviert wird. Jede Mikroreaktionskammer wird durch eine integrierte Fluidik in regelmäßigen Abständen mit frischem Medium und Wirkstoffen durchströmt. Mit Finite Elemente Modellen wurden verschiedene Parameterstudien zur Diffusion und Reaktion und der Strömungsverteilung durchgeführt. Die Simulationsergebnisse wurden anschließend experimentell verifiziert und validiert und zeigten dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit der Realität. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde das Optimierungspotenzial der bestehenden Multiwellplatte ausgenutzt.

Um auch nicht-adhärente Zellen in dieser Platte verwenden zu können, sind dreidimensionale Mikrostrukturen ein mögliches Mittel. Bestandteil dieser Arbeit ist daher auch die Analyse von verschiedenen Methoden zur Fertigung solcher Mikrostrukturen bis zu einer Höhe von 100 mm. Dabei wurden der Druck hochviskoser Materialien, der Ätzprozess um gedruckte Strukturen und die Laserablation eingehend betrachtet.

Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Druckprozesses für opto-chemische Sensoren in der neuen Multiwellplatte. Durch den in dieser Arbeit entwickelten und optimierten Fertigungsprozess konnten die Fertigungskosten um 20% gesenkt und die Sensorcharakteristika deutlich verbessert werden. In einem weiteren Schritt wurden neue Kalibrationsmethoden mit einer hohen Auflösung im relevanten Messbereich entwickelt, die es in Kombination mit den FEM-Simulationsmodellen ermöglichen, die absoluten Stoffwechselraten von Zell- bzw. Gewebeproben aus einer Messung zu bestimmen.


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