Mikrofluidische Komponenten für die Medizintechnik und Biotechnologie

Balck, Anne

In dieser Dissertation wurden drei verschiedene Projekte („bistabiles Mikroventil auf Silizium-Basis“, „Lab-on-a-Chip für die Point-of-Care-Diagnostik“ und „Viruspartikel-Sensor“) bearbeitet und in deren Rahmen mehrere verschiedene Bauelemente entwickelt. Allen gemeinsam ist sowohl ihre Zuordnung zur Mikrofluidik als auch ihr Einsatzfeld, das sich im Bereich der Medizintechnik und Biotechnologie befindet. Das bistabile 2/2-Wege-Mikroventil wurde mit einem Formgedächtnis-Legierungs(FGL)-Aktor realisiert und ist für den Einsatz in einer implantierbaren Medikamentenpumpe ausgelegt. Durch die Eigenschaft, dass beide Schaltzustände des Ventils (offen und geschlossen) jeweils energielos gehalten werden können und nur für den Umschaltvorgang Energie benötigt wird, ist es sehr sparsam. Dies ist gerade im Implantat-Bereich von großer Bedeutung, da dort Energie nur in sehr begrenztem Umfang zur Verfügung steht. Die Detektionsmethoden des hier beschriebenen Lab-on-a-Chip und des Viruspartikel-Sensors basieren auf der Quarzmikrowaagen-Technologie. Diese massensensitive Nachweismethode kommt ohne kostspielige Marker aus, da der nachzuweisende Stoff direkt über Frequenzänderung detektiert wird, die durch die Anbindung an einen Quarzresonator ausgelöst wird. Hierfür wurde jeweils eine geeignete Anbindungsmethode des Zielmoleküls an den Quarzresonator gefunden und dieser in ein entsprechend den Anforderungen ausgelegtes mikrofluidisches System eingebettet. Für das Lab-on-a-Chip wurden zusätzlich zur Quarzmikrowaage, eine Affinitätschromatographie-Kammer und eine Blutzellen-Abtrennung auf Polydimethylsiloxan-Basis entwickelt, optimiert und eingebunden. Diese Komponenten sind notwendig um eine Detektion von C-reaktivem Protein (CRP) aus Blutplasma zu ermöglichen. Die Blutzellen-Abtrennung übernimmt den Schutz des Systems vor Verunreinigung durch Blutzellen, welche Messfehler und Verstopfungen auslösen können. Die Affinitätschromatographie-Kammer bindet das CRP und ermöglicht es so die Probe von anderen Proteinen, die die Messung auf dem Sensor stören könnten, zu befreien. Durch eine Ablösung des CRP aus der Kammer in einem kleinen Volumen kann die Konzentration erhöht und somit das Detektionsminimum des Sensors verbessert werden.

In this doctoral thesis three projects with medical and biotechnological background are presented. In these projects different micro fluidic components have been developed. The first one described is an innovative low-energy 2–port/2–way microvalve with a bistable shape memory alloy actuator. It is especially designed to be integrated in implantable high precision dose infusion pumps typically used for patients with chronic pain. For this purpose many requirements like sterilizablility, long lifespan and an activation concept that avoid the risk of unintentional activation have to be fulfilled. As a main aim a substantial reduction of energy consumption was also achieved, because the valve only spends energy for switching and is able to keep each position without further energy supply. The second and third project deal with sensor systems based on quartz crystal micro balance (QCM) technology. The QCM detection process consists of measuring a direct frequency shift due to a mass deposition of an analyte on the surface, therefore allowing operation without expensive markers. For both applications the QCM was embedded in a fluid system made of inexpensive and biocompatible polydimethylsiloxane. Anyway they have completely different application areas and requirements. One sensor system is designed for point-of-care diagnostic for detection of inflammation parameters in blood serum. Therefore in addition to the quartz sensor a blood cell separation unit as well as an affinity chromatography unit were developed and optimized. All three parts were integrated in a lab-on-a-chip. The blood separation unit works without additional energy supply, because it is based on Zweifach-Fung-effect, centrifugal and dean forces. The affinity chromatography unit consists of a chamber filled with beads and is used to purify and concentrate the analyte. For this purpose the beads as well as the sensor surface have to be coated with a sensitive layer. In addition a valve system have been assembled likewise a software to control the valves and pumps to run the detection automatically. The other sensor system is made for online product detection in influenza vaccines production. In this processes viruses are commonly quantified via offline conducted assays. In order to minimize the amount of work and time for quantification this micro sensor system was designed to quantify Mardin Darby Canine Kidney (MDCK) cell derived influenza virus particles in clarified culture broth. This sensor has a special surface-coating based on Euonymus Europaeus Lectin.

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Balck, Anne: Mikrofluidische Komponenten für die Medizintechnik und Biotechnologie. Aachen 2012. Shaker.

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