A microsystem for on-chip droplet storage and processing

Abstract

Die Tropfen-Mikrofluidik ist ein nützliches Verfahren, mit dem biologische und chemische Experimente mit hoher Geschwindigkeit und verbesserter Effizienz durchgeführt werden können. Viele Anwendungen, wie die biologische Zellkultivierung sowie die chemische Analyse und das Screening erfordern die Positionierung und die Handhabung der Tröpfchen in dem Chip. Das Hauptziel dieser Forschungsarbeit war es, einen Mikrofluidik-Chip zu entwerfen, der Tröpfchen auf dem Chip generieren und speichern kann, um weitere Untersuchungen zu ermöglichen und potentielle Applikationen zu erforschen. Zu diesem Zweck wurden mehrere Materialien ausgewählt und untersucht. Letztendlich wurde ein Parylene AF4-beschichteter Polydimethylsiloxan (PDMS)-Chip hergestellt, der diese Anforderungen erfüllt. Die Hauptanwendungen von On-Chip-Speichertröpfchen stehen im direkten Zusammenhang mit der Zellspeicherung und der Zellkultivierung. Diese Anwendungen erfordern einen Mikrochip, der aus einem biokompatiblen Material, wie PDMS oder Parylene hergestellt ist. Um das On-Chip-Speichersystem zu bewerten, wurden Tröpfchen, die biologische Zellen enthielten, erzeugt. Diese verblieben mehr als vier Tage in dem entwickelten Chip. Neben der On-Chip-Speicherung von wässrigen Tröpfchen wurden auch Agarosetröpfchen hergestellt und platziert. Agarose wird häufig als Träger für die Kultivierung menschlicher und tierischer Zellen verwendet. Eine Agaroselösung kann bei geringen Konzentrationen ein stabiles Gel bilden, welches frei von Verunreinigungen ist und nicht an den Zellen haftet. Die Elastizität der Mikroumgebung hat einen signifikanten Einfluss auf das Zellwachstum. Die Agarosetröpfchen ermöglichen die Einkapselung von Zellen, die dann in verschiedenen elastischen Umgebungen kultiviert werden können. In einer durchgeführten Primärstudie wurden Hefezellen in Agarose eingekapselt. Diese Untersuchungen dienten dem Nachweis, dass mechanische Eigenschaften der Umgebung das Zellverhalten beeinflussen können.

Um chemische Reaktionen anzuregen und Zellkulturen in Mikrotröpfchen zu realisieren, müssen Mikrotröpfchen aus verschiedenen Flüssigkeitsproben zusammengeführt werden. Die Handhabung der erforderlichen Tröpfchen ist ein weiterer wichtiger Aspekt der tropfenbasierten Mikrofluidik. Es wurde ein Chip entworfen und hergestellt, der Tröpfchen mit frischen Nährstoffen produziert und die gespeicherten Tröpfchen zusammenführt, um deren Zellen mit Nährstoffen zu versorgen. Tröpfchen, die Escherichia coli und Enterococcus faecalis enthielten, wurden mehrere Stunden in dem Chip in AF4-beschichteten PDMS-Kanälen aufbewahrt. Dabei wurde ein bis zu 5 Stunden andauerndes Zellwachstum beobachtet. Da Säugetierzellen jedoch aufgrund des Mangels an Sauerstoff und Kohlendioxid nicht über einen längeren Zeitraum in einem AF4-beschichteten Kanal gelagert werden können, wurde ein Verfahren zur Zufuhr von Sauerstoff zu den in einem Mikrokanal gespeicherten Tröpfchen entwickelt. Nahe den durch fluoriertes Öl getrennten wässrigen Tröpfchen wurden Luftblasen in demselben Mikrofluidikkanal positioniert, um den Sauerstoffgehalt mittels Diffusion anzupassen. Die Überwachung des Sauerstoffgehaltes in den wässrigen Tröpfchen erfolgte mittels des Redoxindikators Methylenblau. Des Weiteren wurden Madin-Darby Canine Kidney (MDCK)-Zellen eingekapselt und in Gegenwart von Luftblasen den Tröpfchen hinzugefügt. In der vorliegenden Forschungsarbeit konnte die Anwendbarkeit von AF4-beschichteten PDMS-Chips für die Speicherung und Kultivierung von Zellen experimentell nachgewiesen werden. Die Herstellung aller Testvorrichtungen erfolgte unter Verwendung schneller und kostengünstiger Methoden.