Disposable Lab-on-Chip Systems for Biotechnological Screening

Demming, Stefanie

The main goal of this work was to develop different disposable Lab-on-Chip (LoC) systems for the application of biotechnological screening e.g. for bioprocess development through microorganisms or drug testing with human cell lines. Nowadays, microfluidics represents a highly promising field for the fabrication of microtools, as the increasing demand for screening data are difficult to meet with current platforms. This is mainly due to time and cost aspects as well as a limited amount of newly developed drugs. The ideal microfluidic platform for biotechnological screening should include three different groups of elements: (i) microbioreactors (MBR) in which cultivation takes place; (ii) auxiliary microfluidic systems (for transportation, filtration or mixing), and (iii) enzymatic biosensors for onchip analysis of substrate concentrations which are difficult to measure offline due to small available sample volumes. Within the scope of this work, various horizontally and vertically positioned MBR designs (resembling plug flow reactors, micro stir tanks or bubble columns) were developed, fabricated and successfully applied to the screening of different biological expression systems, such as yeast cells (S. cerevisiae), fungal spores (A. ochraceus) and primary human endothelial cells. Different integrated functional structures based on geometrical, optical or electrical elements allowed for online monitoring of various physical, chemical and biological process parameters during cultivation. In terms of the second group, passive and active microvalves, PZTand pneumatically actuated micropumps, passive filtration and mixing elements were produced. The third group comprised different types of enzymatic biosensors based on a hybrid detection principle (electrochemical-optical) and on different types of enzymatic responses. In general, the unique LoC setup (patterned element made of poly(dimethylsiloxane) and bonded to a glass substrate) allows an easy integration of systems into one monolithic LoC platform which are usually better suited for technically mature systems. Modular systems are advantageous for prototyping of new microfluidic applications. Therfore, an LoC construction kit was developed that offers a user friendly, standardized modular platform.

Im Rahmen der Dissertation wurden verschiedene Einweg-Lab-on-Chip Systeme entwickelt, die beispielsweise bei biotechnologischen Parameterstudien von Mikroorganismen zur Bioprozesssteigerung oder von humanen Zelllinien zum Wirkstoffscreening Anwendung finden. Die Mikrofluidik ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet für die Herstellung von kostengünstigen Mikrochips, womit der steigende Bedarf für Screening-Daten aufgrund von Vorteilen wie Zeit- und Kostenreduzierung erfüllt werden kann. Eine ideale mikrofluidische Plattform zum biotechnologischen Screenen sollte aus folgenden Gruppen bestehen: (i) dem Mikrobioreaktor zur Kultivierung, (ii) mikrofluidische Komponenten zum Transportieren, Filtrieren und Mischen von Suspensionen, und (iii) einem enzymatischen Biosensor für die on-Chip Analyse von Substratkonzentrationen. Innerhalb der Arbeit wurden diverse horizontal und vertikal positionierte Mikrobioreaktoren entwickelt, hergestellt und erfolgreich zum Screenen von unterschiedlichen biologischen Expressionssystemen (wie S. cerevisiae, A. ochraceus und humane Endothelzellen) angewendet. Die Integration von geometrischen, optischen und elektrischen Funktionselementen erlaubte eine online Überwachung von verschiedenen physikalischen, chemischen und biologischen Prozessparametern während der Kultivierung. Im Bereich der Gruppe (ii) wurden passive und aktive Mikoventile, PZT- und pneumatisch aktuierte Mikropumpen, Filtrations- und Mischkomponenten hergestellt und charakterisiert. Gruppe (iii) umfasste die Entwicklung eines enzymatischen Biosensors mit hybridem (elektrochemisch-optisch) Messumformer. Der einheitliche Chipaufbau aller Lab-on-Chip Systeme – bestehend aus einer Kombination von strukturiertem Polydimethylsiloxan und Glas – erlaubt das monolithische und modulare Zusammenschalten der Einzelsysteme zu der gewünschten Plattform. Da für erste Prototypen eine modulare Verschaltung zu bevorzugen ist, wurde ein Baukastensystem entwickelt, welches eine standardisierte und benutzerfreundliche Plattform für flexible Versuchsaufbauten bietet.

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Demming, Stefanie: Disposable Lab-on-Chip Systems for Biotechnological Screening. Aachen 2011. Shaker.

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