Entwicklung einer tropfenbasierten mikrofluidischen Plattform für das High-Troughput-Sreening multizellulärer Systme

Wiedemeier, Stefan GND

Im Bereich der tropfenbasierten Mikrofluidik werden medizinische, biologische oder auch chemische Experimente in diskrete Reaktionsräume überführt. Diese als Tropfen bezeichneten Reaktionsräume besitzen als seriell angeordnete Mikroreaktoren ein hohes Anwendungspotenzial, sei es zur Optimierung von Screening-Prozessen für die Medikamentenentwicklung oder zur Manipulation von Zellen und 3D Zellstrukturen. Für solche Anwendungen bieten die derzeit existierenden Konzepte jedoch nicht die erforderliche Zuverlässigkeit und Praktikabilität. Vor allem die Aufrechterhaltung reproduzierbarer und stabiler Prozessbedingungen sind ausschlaggebende Faktoren als Voraussetzung für einen Durchbruch dieser Technologie am Markt. Insbesondere bei Anwendungen mit multizellulären Systemen wie nativen Gewebefragmenten oder in vitro kultivierten Sphäroiden sind besondere Voraussetzungen zu erfüllen. Beispielsweise ist die Verwendung oberflächenaktiver Substanzen (Tenside), die bei der Mehrzahl tropfenbasierter mikrofluidischer Applikationen zur Stabilisierung der Tropfen eingesetzt werden, nachteilig für Untersuchungen dieser Proben. Der Verzicht auf Tenside ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer grundlegenden Akzeptanz tropfenbasierter Verfahren. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse zeigen eine Alternative auf, bei der für das Handling und die Kultivierung multizellulärer Systeme auf die Verwendung von Tensiden verzichtet werden kann. Das im Rahmen der Forschungsarbeiten entwickelte technische System beruht auf neuartigen, mikrofluidischen Komponenten, die die hohen Ansprüche für das Handling multizellulärer Systeme erfüllen. Neben der Beschreibung der Systementwicklung steht die Charakterisierung der Einflussfaktoren auf die Tropfengenerierung im Mittelpunkt der Arbeit. Relevante Einflussgrößen wie die Kanalanordnung und deren Oberflächenbeschaffenheit sowie der Einfluss der Volumenströme und unterschiedlicher Probenmedien auf die Tropfengenerierung wurden untersucht. Die Arbeit beschreibt weiterhin die Entwicklung eines biomimetischen Ansatzes zur Steigerung der Stabilität der Tropfengenerierung durch die Verringerung des Adhäsionspotenzials wässriger Proben mit den Kanaloberflächen der Mikrosysteme. Damit ist die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte mikrofluidische Plattform insbesondere für Anwendungen im Bereich der Biowissenschaften prädestiniert.

In droplet-based microfluidics, medical, biological or chemical experiments take place in discrete reaction spaces named “droplets”. The droplet-based microfluidics offers a considerable potential for applications like optimization of screening processes for the development of drugs or for the manipulation of cells and 3D cell structures, respectively. However, for such applications the currently available concepts do not provide the necessary reliability and practicability. In particular, the maintenance of reproducible and stable process conditions are decisive factors for a breakthrough of this technology on the market. Applying multicellular systems like native tissue or spheroids cultivated in vitro, special requirements have to be fulfilled. For example, the use of surface-active substances (surfactants), which are applied for stabilizing the droplets in the majority of droplet-based microfluidics applications, is disadvantageous for investigations of cells and 3D cell structures in droplets. The abandonment of surface-active substances is an important step towards a fundamental acceptance of droplet-based microfluidic processes. The results presented in this work show an alternative to avoid the use of surface-active substances for the handling and cultivation of cells and 3D cell structures in droplets. The technical system developed as part of the research work is based on novel microfluidic components and meets the high demands on reproducibility and stability for handling cells and 3D cell structures. The results of the research work include the development of the entire droplet-based system as well as the investigations on the droplet generation process. This includes the investigation of basic parameters like surface properties of the microfluidic channels, the arrangement of the channels, the fluid flow conditions, and the kind of sample medium. Partial aspects of the extensive experiments that were performed to analyze the influence of the above mentioned parameters were also investigated by numerical simulations. In addition, the work describes the development of a biomimetic approach to increase the stability of droplet generation and to reduce the adhesion of aqueous droplets to the microchannel surfaces of the polymer chips. This approach succeeded even with samples containing anticoagulated whole blood. Concluding, the newly developed and characterized droplet-based microfluidic system points out a high application potential for the life sciences and especially for the field of individual medicine.

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Wiedemeier, S., 2020. Entwicklung einer tropfenbasierten mikrofluidischen Plattform für das High-Troughput-Sreening multizellulärer Systme. Ilmenau.
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