Typische Anwendungsbereiche der Mikrofluidik

Mikrofluidik bezieht sich auf die Manipulation von kleinen Mengen von Flüssigkeiten, oft im Bereich von Mikro- und Nanolitern, in winzigen Kanälen und Strukturen. Diese Technologie findet in verschiedenen Anwendungsfeldern Anwendung.

• Analytik und Diagnostik:

Mikrofluidik wird häufig in Lab-on-a-Chip-Systemen verwendet, um Analysen von Proben in kleinen Volumina durchzuführen.

Schnelle Diagnose von Krankheiten, Detektion von Biomarkern und genetische Analyse sind typische Anwendungen.

• Medizinische Anwendungen:

Die Entwicklung von miniaturisierten Medikamentenverabreichungssystemen, einschließlich implantierbarer Mikropumpen.

Lab-on-a-Chip-Technologien für Point-of-Care-Diagnostik und Überwachung von Krankheiten.

• Chemische Synthese und Reaktionen:

Durchführung von chemischen Reaktionen in kleinen Volumina, was zu schnelleren Reaktionszeiten und präziseren Ergebnissen führt.

Optimierung von Syntheseprozessen und Herstellung von Nanomaterialien.

• Umweltüberwachung:

Miniaturisierte Sensoren für die Überwachung von Umweltparametern wie Wasserqualität, Luftverschmutzung und Bodenanalyse.

In-situ-Analyse von Umweltproben.

• Lebensmittel- und Getränkeindustrie:

Kontrolle von Prozessen in der Lebensmittelproduktion, wie Mischen, Dosieren und Abfüllen.

Schnelle Analyse von Lebensmittelproben zur Qualitätskontrolle.

• Biotechnologie:

Zellmanipulation, Zellsortierung und Analyse einzelner Zellen.

Erforschung von Protein-Faltung und Genexpression auf der Ebene einzelner Moleküle.

• Pharmazeutik:

Entwicklung von miniaturisierten Geräten für die Hochdurchsatzscreening von Medikamenten.

Verbesserung von Arzneimittelverabreichungssystemen.

• Optofluidik:

Integration von optischen Komponenten mit mikrofluidischen Systemen für Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung und Sensortechnologie.

• Energie:

Mikrofluidische Systeme werden in Brennstoffzellen und Batterien eingesetzt, um die Effizienz zu verbessern.

Kühlung von elektronischen Geräten durch Mikrokanäle für eine bessere Wärmeableitung.

• Forschung und Entwicklung:

Mikrofluidik wird in Laboren für die Erforschung neuer Technologien und die Entwicklung von Prototypen verwendet.

Analyse von Bodenaufschlüssen im kompartimentierten Fluss

Ein wunderbares Tool aus dem mikrofluidischen Werkzeugkasten ist der kompartimentierte Fluss (engl. segmented flow), welcher in Mikroreaktoren mit kleinen Kanälen (Durchmesser 100…200 µm) erzeugt wird. Hierbei wird in einen Trägerstrom einer unpolaren Flüssigkeit („Öl“) an einem Kreuzungspunkt eine zweite, polare Flüssigkeit („Wasser“) hinzudosiert. Da sich die beiden nicht mischen, reißen einzelne Wassertropfen ab und schwimmen im Ölstrom mit. Und zwar mit sehr definierten und gleichbleibenden Tropfengrößen, -abständen, und jeweils voneinander getrennt durch das Öl.

In kürzester Zeit lassen sich große Mengen solcher Tropfen erzeugen, und hat man als Wasser den Bodenaufschluss in der richtigen Konzentration (verdünnt) verwendet, dann befinden sich in jedem Tropfen nur ein einzelner oder ganz wenige Organismen – in ihrer eigenen Nische, wo sie sich möglicherweise vermehren und eine Kultur bilden können. Perlenschnurartig aufgereiht in einer Spule aus dünnem Schlauch lassen sie sich gut in einen Inkubator verbringen, in dem die geeigneten Kulturbedingungen herrschen.

Für die definierte Erzeugung solcher kompartimentierter Flüsse in solch kleinen Strukturen werden hochpräzise, pulsationsfreie und exakt steuerbare Pumpen benötigt – wie die CETONI Nemesys S. Dank ihrer hervorragenden Dosiereigenschaften können in geeigneten Mikroreaktoren auch noch Substanzen (z.B. Nährstoffe) in die einzelnen Tröpfchen hineindosiert sowie eine Detektion der Trübung und ein Sortieren und gezieltes Ausschleusen von erfolgversprechenden Tröpfchen durchgeführt werden. Unsere flexiblen Softwareplattform CETONI Elements ermöglicht nicht nur die intuitive Bedienung des Dosiersystems durch den Anwender, sondern lässt Sie sogar den gesamte Prozess – unter Einbindung vorhandener Analytik und Sensorik – über eine Benutzeroberfläche steuern.

 

Bioprinting und pulsationsfreier Fluss

Für einen erfolgreichen Druck von Biomaterialien wie Zellen und Geweben mit ihren höchst diffizilen Strukturen ist eine exakte Fluiddosierung genauso erforderlich, wie eine gleichmäßige Versorgung des Druckkopfes. Nur auf diese Weise lassen sich mit hoher Reproduzierbarkeit homogene Schichten erzeugen. Unsere Nemesys S Spritzenpumpen eignen sich aufgrund ihrer Präzision und besonders gleichmäßigem Vorschub des Mediums perfekt für Anwendungen aus diesem Bereich und dank autoklavierbaren Glasspritzen sind auch Kontaminationen und Reinigbarkeit keine Herausforderung.

Stellen Sie sich einfach ein Setup aus mehreren Spritzenpumpen zusammen und koppeln es mit einer XYZ-Positioniersystem über unsere CETONI Elements Software –  fertig ist Ihre universelle Bioprinting station!

Geochemie – Hochdruck-Spritzenpumpen im Bereich der Erdölforschung

Der weltweite Erdölbedarf steigt von Jahr zu Jahr, gleichzeitig wissen wir, dass Erdöl eine begrenzte, nicht nachwachsende Ressource ist. So ergibt es schon seit einigen Jahren Sinn, über Methoden zur besseren Ausbeutung von vorhandenen Lagerstätten nachzudenken und daran zu forschen. Denn das „schwarze Gold“ liegt meist nicht in ölgefüllten Hohlräumen vor, sondern befindet sich in den Poren von Gestein, wobei sowohl das Rohöl als auch das Gestein überdies auch noch von Lagerstätte zu Lagerstätte ganz unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweist. Um das Öl dort heraus zu bekommen, werden Bohrlöcher mit Gas oder Flüssigkeiten geflutet, es kommen chemische (Tenside) und physikalische (Temperatur) Methoden zum Einsatz, ja sogar Mikroorganismen werden eingesetzt. Ziel ist, die Viskosität des Öles sowie die Grenzflächenspannungen zwischen Öl und Gestein zu verringern, und dies möglichst gezielt, um aus dem Speichergestein möglichst viel des wertvollen Öls herauszuholen.

EOR

All diese Methoden werden als tertiäre Exploration oder Enhanced Oil Recovery (EOR) bezeichnet. Da für diese Forschung die Lager- und Förderbedingungen möglichst genau simuliert werden müssen, bietet sich der Einsatz von unserem kompakten aber sehr leistungstarken Hochdruck-Spritzenpumpen an. Viele Firmen und Institute weltweit arbeiten auf diesem Gebiet bereits erfolgreich mit Equipment von CETONI, und haben damit vielversprechende Forschungsergebnisse generiert und publiziert.

Ist das Öl dann erst einmal an der Erdoberfläche, dann gilt: Öl ist nicht gleich Öl. Aufgrund verschiedener Zusammensetzungen und rheologischer Eigenschaften müssen die Produkte aus den verschiedenen Lagerstätten regelmäßig analysiert und charakterisiert werden. Die Zusammensetzung des Rohöls entscheidet darüber, welche Produkte in welchen Mengen aus einem gegebenen Rohölvolumen (z.B. ein Barrel) hergestellt werden können – und damit über den Preis, der dafür erzielt werden kann, und somit auch über die Rentabilität des jeweiligen Bohrloches. Die Rheologie, also das Verformungs- und Fließverhalten des Rohöls, beeinflusst sowohl die Fördergeschwindigkeit als auch den maximal möglichen Grad der Ausbeutung einer Lagerstätte – und ist somit ebenfalls entscheidend für die Rentabilität der Ölförderung, aber auch für die Verfügbarkeit des so dringend benötigten Rohstoffes.

pVT

Eine wichtige Methode für beides – Zusammensetzung und Rheologie – ist die pVT-Analyse: Die Probe wird dabei u.a. volumengenau bei einer definierten Temperatur durch eine Kapillare definierten Durchmessers und Länge gepresst und dabei der jeweilige Druckabfall über der Kapillare gemessen. Führt man diese Messung bei verschiedenen Temperaturen durch, erhält man ein ganzes Kennfeld aus wichtigen physikalischen Eigenschaften der Ölprobe. Die Richtigkeit der Messdaten steht und fällt mit den bei der Analyse eingestellten Parametern. Hochdruck-Spritzenpumpen von CETONI werden deshalb bevorzugt für solche Messungen mit pVT-Cells genutzt, da sie auch bei Drücken von mehreren hundert bar präzise und pulsationsfreie Volumenströme fördern sowie einfach um Funktionalitäten wie z.B. Druckmessung oder Heizung erweitert werden können.

Feindosierung für spezielle Anwendungen

Der Einsatz von mikrofluidischen Verfahren ist nicht auf Forschungslabore begrenzt. Industrieunternehmen setzen für feinste Fluiddosierungen bereits erfolgreich auf CETONI Flow-Systeme (Spritzenpumpensysteme). Von Modelllösungen bis hin zu groß-skalierten und automatisierten Systemen – die Bandbreite der Einsatzbereiche ist enorm.

Lacke, Schmier- und Klebstoffe

Um Beschichtungen aufzubringen ist eine ruckelfreie Medienversorgung zwingend notwendig. Unsere hochpräzisen Spritzenpumpen dosieren pulsationsfrei und präzise bis in den Nanoliter-Bereich und ermöglichen so eine homogene Beschichtung. Eine vom Spritzenvolumen unabhängige und unterbrechungsfreie Medienversorgung wird durch die Kombination unserer Spezialventile mit unserer innovativen Steuerungs- und Automatisierungssoftware CETONI Elements ermöglicht, die den Übergang der alternierend arbeitenden Spritzenpumpen während der kontinuierlichen Medienförderung geschmeidig und ruckelfrei realisiert.

Das Dosiersystem lässt sich dank der modularen Bauweise und der vorhandenen Schnittstellen problemlos erweitern oder in vorhandene Beschichtungssysteme integrieren. Die Handhabung ist zudem simpel und erlaubt, dank schneller Spritzenwechsel anstatt aufwendiger Spül- und Reinigungsvorgänge, effiziente Prozesse.

Flow Chemistry

Das Potenzial der Flow Chemie rückt zunehmend in den Fokus bei der Realisierung industrieller Prozesse. Die geringen erforderlichen Materialmengen giftiger oder hochsensibler Ausgangssubstanzen tragen entscheidend zur Prozesssicherheit und besseren Kontrolle bei. Die Steuerung der Reaktion endothermer und exothermer Prozesse wird darüber hinaus ebenso erleichtert, wie die Erhöhung der Temperaturen über den Siedepunkt bei kritischen Reaktionen. Aufgrund der Miniaturisierung des Prozesses steigt die Effizienz bei gleichzeitiger Kostensenkung. Selbst das Scale-Up einer erprobten Reaktion lässt sich einfach und schnell realisieren.

Partikelsynthese

Die Partikelsynthese bedarf eines Setups, mit dem eine äußerst präzise Fluiddosierung bei sehr gleichmäßigen Flussraten möglich ist. Eine vom Spritzenvolumen unabhängige und unterbrechungsfreie Medienversorgung (Continuous Flow) wird hierbei durch unsere innovative Steuerungs- und Automatisierungssoftware CETONI Elements ermöglicht. Sie stellt mit Hilfe eines intelligenten Algorithmus sicher, dass der Übergang der alternierend arbeitenden Spritzenpumpen während der kontinuierlichen Medienförderung geschmeidig und ruckelfrei realisiert wird und so praktisch nicht mehr wahrnehmbar ist. Dank der Möglichkeit zwischen zahlreichen unterschiedlichen Materialkombinationen der medienberührenden Systemkomponenten zu wählen, ist eine breite chemische Beständigkeit des Fluidsystems gegeben. Dabei macht es zudem keinen Unterschied, ob bei Atmosphärendruck oder Hochdruckbedingungen gearbeitet werden soll. Die Nemesys – Technologie erfüllt beide Anforderungen zur vollsten Zufriedenheit.

Komplexe Anlagen und Integration

Neben kompakten Setups lassen sich mit unseren Modulen auch hochkomplexe Systeme realisieren, die über Druck- und Temperaturüberwachung verfügen sowie mit kollaborierenden Robotern oder (Ihren) zusätzlichen Analysemodulen ausgestattet sind und über eine gemeinsame Steuerungssoftware, CETONI Elements, automatisiert und jederzeit erweitert werden können.

Mikrofluidik für analytische Verfahren

Die rasanten Fortschritte der Mikrofluidik haben zur Entwicklung von höchst effizienten chemische Analyseverfahren geführt. Die Miniaturisierung der Fluid-Analyse ermöglicht effektives Arbeiten mit geringen Reaktionsvolumina und stellt dabei höchste Ansprüche an die zur Anwendung kommenden Hard- und Software-Komponenten insbesondere mit Blick auf Präzision und Variabilität.

Flüssigkeitschromatographie

Flüssigchromatographie-Verfahren wie die HPLC setzen kontinuierliche Fluidströme ohne Pulsationen voraus und bedürfen medienbeständiger Systeme, die hohe Drücke zur Verfügung stellen können sowie schnell und einfach zu reinigen sind. Die hochflexiblen Nemesys Spritzenpumpen erfüllen genau diese Anforderungen und sind deshalb die ideale Alternative zu tradierten HPLC-Pumpen. Von der automatisierten Probenaufgabe und -vorbereitung bzw. Fraktionssammlung mittels kollaborierenden Laborrobotern (Cobomation), über die hochpräzise Förderung durch die Nemesys Spritzenpumpen bis hin zur Analyse über eingebundene Spektrometer, bietet CETONI ein allumfassenden Ansatz, welcher dank der modularen Bauweise einfach erweitert werden kann.

Anforderungen, wie schnelle und harte Anpassungen von Lösungsmittelverhältnissen stellen für das Dosiersystem ebenso wenig ein Problem dar, wie Medienwechsel oder die Möglichkeit größere Volumina variabel zu fördern. Darüber hinaus kann der Analyseprozesses mit der leistungsfähigen Steuerungssoftware CETONI Elements problemlos automatisiert werden.

Durchflusszytometrie

Die Durchflusszytometrie ist eine leistungsstarke Untersuchungsmethode zur präzisen Bestimmung und einwandfreien Charakterisierung von Partikeln, wie Zellen, Sporen und Blutproben. Je nach Anwendungsbereich finden diese Analysen oftmals bei moderaten Systemdrücken statt. Die essentielle Voraussetzung für den Erfolg dieser empfindlichen Verfahren ist ein äußerst gleichmäßiger Strom an Analyten (z.B. aus einzelnen Zellen).

Der pulsationsfreie Charakter und die überlegene Präzision unserer Spritzenpumpen ist dementsprechend für Untersuchungen im Sub-Mikroliter-Bereich ideal. Zur kontinuierlichen Detektion von beispielsweise Zellen im Fluss, ist auch die Kombination und Synchronisation mit Peripheriegeräten (wie Laborkameras) interessant. Ein platzsparendes, modulares System mit Potenzial zur Erweiterung ist hierfür von Vorteil. Mit zunehmender Anzahl von Geräten und Komplexität der Applikation steigt natürlich auch die Anforderung an die Bedienung bzw. Synchronisation aller Komponenten. Unsere besonders benutzerfreundliche und leistungsfähige Software CETONI Elements hat bereits eine Antwort auf all diese Automationsfragen und schafft Ihnen somit mehr Möglichkeiten und Raum für Kreativität.

CETONI Elements unterstützt nun Feinwaagen!

Die Einbindung einer hochauflösenden Feinwaage in Ihrer Applikation bietet Ihnen an jeder Stelle in Ihrem Prozess ein präzise Aussage und somit zusätzliche Sicherheit. Mit Hilfe unserer flexiblen Laborautomationssoftware CETONI Elements können Sie ab sofort Feinwaagen in Ihren Prozess integrieren und zur gezielten Steuerung Ihrer hoch-präzisen Dosierung, Automatisierung von Abläufen oder dauerhaften Prozessüberwachung einsetzen.

Einfach Update installieren und los geht’s!

Die CETONI Elements Software unterstützt nun über das Balance-Plugin die Einbindung von Laborwaagen. Zum Release des Plugins ist bereits ein Gerätetreiber für Sartorius Waagen (Entris, ED-, GK- und GW-Waagen) enthalten. Damit können Sie ohne großen Aufwand Ihre bereits vorhandene Sartorius Laborwaage in die CETONI Elements Software einbinden. So erweitern Sie nicht nur Ihr CETONI System um die Möglichkeit, Stoffe, Substanzen oder dosierte Flüssigkeiten zu wiegen, sondern können im Zusammenspiel mit weiterer CETONI Hardware und Ihrer eigenen Analytik, Prozesse nach Belieben synchronisieren oder vollständig automatisieren.

CETONI Elements mit zwei Nemesys Spritzenpumpen und einer Waage

Die Konfiguration der Waagen-Geräte erfolgt, wie Sie es aus der CETONI Elements Software gewohnt sind, über den Gerätekonfigurator. Erzeugen Sie dafür einfach eine neue Konfiguration oder fügen Sie die Waage zu einer bestehenden Konfiguration hinzu und speichern Sie diese ab. Nach der Aktivierung der Konfiguration steht Ihnen die Waage in der Software zur Verfügung.

Elements Device Configurator

In der Software wird Ihnen die Waage dann als normaler analoger Eingangskanal in der Liste der I/O-Kanäle ❶ angezeigt. Sie können dort jederzeit den aktuellen Wert sehen und über das Kontextmenü des Kanals die Waage tarieren. Wie alle anderen analogen Kanäle können Sie auch diesen Kanal im grafischen Logger ❷ oder im CSV-Logger aufzeichnen und zur Erstellung von Regelkanälen verwenden. Durch die Echtzeit-Aufzeichnung des Messwertes im grafischen Logger lassen sich dynamische Gewichtsänderungen, z.B. beim Dosieren in ein Probengefäß, sehr gut visualisieren und verfolgen.

Liste der I/O-Kanäle mit Waagen-Kanal

Der Messkanal der Waage kann über das Scriptsystem gelesen werden und auch das Tarieren der Wage ist über eine Scriptfunktion möglich. Damit lässt sich die Waage unkompliziert in komplexere Analysen und automatisierte Abläufe einbinden.

Cell-on-Chip: In immer mehr Forschungsfeldern wird die Miniaturisierung sowie Übertragung der Zellkulturen und kompletter Assays auf ein Lab-on-a-Chip-System angestrebt. Einerseits wird durch die reduzierten Analysenflächen ein geringer Probeneinsatz notwendig, andererseits ist eine Beobachtung des Zellverhaltens in Echtzeit möglich. Dreh- und Angelpunkt zur erfolgreichen Realisierung solcher Lab-on-a-Chip-Verfahren sind hochpräzise und pulsationsfreie Dosiersysteme. Unsere CETONI Nemesys Spritzenpumpen werden in zahlreichen Laboren, u.a. zur Realisierung mikrofluidischer Analysen eingesetzt.

Wir haben deshalb 10 Tipps zusammengestellt, von denen Einsteiger und erfahrene Forscher bei Ihrer Arbeit profitieren können.

1. Das richtige Chipmaterial

Die Anforderungen an das Chipmaterial für die Zellkultivierung sind hoch. Nicht nur die Biokompatibilität, sondern auch eine hohe Transmissionseigenschaft sollte das Material aufweisen. Daher wird in den meisten Arbeiten auf die Polymere PDMS (Polydimethylsiloxan) oder COC (Cycloolefin-Copolymere) zurückgegriffen. Dennoch besitzt auch PDMS einige Nachteile aufgrund der Gaspermeabilität und es ist nicht beständig gegenüber Chemikalien, wodurch COC oder Glas immer mehr in den Vordergrund rücken.

2. CO2-unäbhängige Zellkulturmedien

CO2-unabhängige Medien sind fertige Formulierungen, die HEPES-(2-(4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazinyl)-ethansulfonsäure)- unabhängig ein Puffersystem, z.B. basierend auf mono- und di-basischen Natriumphosphat und β-Glycerophosphat aufbauen. Für den Erhalt des Puffersystems ist daher die Zufuhr von CO2 nicht notwendig.

3. Abgesetzte Zellreservoire

Im Gegensatz zur Durchflusszellkultivierung werden durch den Einsatz von Kavitäten (herabgesetzte Zellreservoire) die Zellen vor Scherstress geschützt sowie ein positives Mikroklima innerhalb des Reservoirs aufgebaut.

4. Beschichtung begünstigt Zelladhäsion

Für die Förderung der Zelladhäsion sind viele verschiedene nasschemische Beschichtungssubstanzen bekannt. Dabei sind Kollagen, Gelatine oder das Substanzgemisch Matrigel® am meisten verbreitet. Je nach eingesetzter Zellkultur muss die Eignung anhand eines zeitabhängigen Wachstumsprofils untersucht werden.

5. Exakte Steuerung des Flusses

Eine zu hohe Flussrate kann nicht nur die Adhäsion der Zellen verhindern, sondern diese sogar ablösen, beides ist eine Folge zu hoher Scherstresses. Eine zu niedrige Flussrate wiederum würde keine ausreichende Zufuhr mit Nährstoffen für die Zellen bedeuten. Letztendlich muss man einen Kompromiss wählen, bei dem die Flussrate an den Glukoseverbrauch der Zellen angepasst ist.

6. Konstante Temperaturen

Miniaturisierte, zellbasierte Sensoren erlauben durch die Inkubator-unabhängige Beobachtung die ganzheitliche Aussage zu zellphysiologischen Prozessen in Echtzeit. Dafür ist aber die Aufrechterhaltung von 37 °C zur Kultivierung humaner Zellen notwendig. Insofern werden bei der Heizung eines Inkubator-unabhängigen Systems unterschiedliche Ansätze verfolgt. Peltierelemente, Heizfolien oder Objektträger, welche mit einer ITO (Indium Tin Oxide) – Beschichtung versehen wurden. Die ITO Beschichtung bietet bei einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auch eine hervorragende optische Transparenz für gleichzeitig-lichtmikroskopische Untersuchungen der Zellkultur.

7. Minimierung von Gasblasen

Neben der generell anzustrebenden luftfreien Befüllung des Systems, ist die größte Herausforderung in der Mikrofluidik verbleibende Gasblasen im Chipsystem zu reduzieren. Sehr häufig werden dafür Medien vorher entgast oder sogennante „Blasen-Fallen“ (engl. bubble traps oder degasser) im Prozess eingesetzt. Diese stellen nicht nur einen apparativen Aufwand und potenzielles Kontaminationsrisiko dar, sondern erschweren darüber hinaus ebenfalls die pulsationsfreie Förderung. Ein anderer Ansatz bedient sich dem Gesetz von Henry, wobei der Anteil des in einer Flüssigkeit gelösten Gases proportional zum Druck ist. Im übertragenen Sinne begünstigt die leichte Druckerhöhung im System die Löslichkeit von kleinsten Gasenblasen im System, welche somit Ihre störende Wirkung verlieren. Diesen Effekt kann man sich durch die richtige Platzierung eines Gegendruckregulators (engl. Abk. BPR (back-pressure-regulator)) zu nutze machen, welcher einen fluidischen Widerstand darstellen und dementsprechend für einen den gewünschten Druckanstieg in Abhängigkeit von der eingestellten Flussrate sorgt (falls für die jeweilige Anwendung geeignet).

8. Ein kontinuierlicher Fluss

Um Zellen möglichst homogenen Bedingungen auszusetzen und kontinuierlich mit Nährstoffen zu versorgen ist ein kontinuierlicher und pulsationsarmen Fluss essentiell. Durch die anschließende Inkubation mit entsprechenden Testsubstanzen lassen sich im Nachhinein aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse generieren.

9. Kontaminationsrisiko senken

Eine kontaminierte Zellkultur ist ein Albtraum für jeden Zellforscher. Besonders bei der Inkubator-unabhängigen Cell-on-Chip Forschung ist die Gefahr einer Kontamination entsprechend hoch und sollte besonders aufmerksam beobachtet werden. Der Einsatz von speziellen Sterilfiltern vor und nach dem Chipsystem unterstützt dabei die kontaminationsfreie Kultivierung. Besondere Aufmerksamkeit sollte hier natürlich der Fluidanschlusstechnik und dem Fördersystem gelten. Durch den gezielten Einsatz von Einweg- oder autoklavierbaren Komponenten wie Spritzen und Ventilen eignen sich die modularen nemesys Spritzenpumpen hervorragend für diesen Einsatzzweck.

10. Die Zelleinsaat

Der Zelleinsaatprozess im Chipsystem ist besonders kritisch, da die gleichmäßige Zellverteilung einen entscheidenden Einfluss auf die Aussagefähigkeit des Experimentes hat. Das Einbringen der Zellen in ein vollständig assembliertes mikrofluidisches System erfordert entweder etwas Fingerspitzengefühl oder konstruktive Mechanismen, die eine gleichmäßige Zellverteilung gewährleisten. Dabei kann man folgende Methoden zum Zelltrapping unterscheiden: hydrodynamisch, optisch, magnetisch, elektrisch oder akustisch.

In ihrer neuesten Veröffentlichung hat ein Team von Mohammad A. Qasaimeh, an der New York University Abu Dhabi, einen neuen Meilenstein für die “open-space”-Mikrofluidik auf dem Gebiet der Zellbiologie gesetzt. Die Forscher entwickelten ein neuartiges “open-space”-Mikrofluidiksystem für die sequentielle Zelltrennung und -strukturierung auf Grundlage von Dielektrophorese, mit dem eine Zellreinheit von ~90 % möglich ist.

Die Hochpräzisionsspritzenpumpen wurden zur Erzeugung eines Flusses von der Injektions- zur Aspirationsöffnung verwendet, um eine hydrodynamische Flusseinschließung zu erzeugen, innerhalb derer die Zellseparation stattfand.

Labor Setup

Für die Forschungsarbeiten wurden speziell entwickelte und 3D-gedruckte Mikrofluidik-Chips verwendet. Basierend auf der Hele-Shaw-Zell-Approximation wurde die Strömung zwischen zwei parallelen flachen Platten durch gleichzeitige Injektion und Aspiration von Flüssigkeiten aus der mikroelektrofluidischen Sonde erzeugt. Die Elektrophoresekräfte wurden dann verwendet, um die Zielzellen aus dem Flussstrom zu isolieren und sie nacheinander auf dem unteren Substrat zu strukturieren. Auf Grundlage dieser Methode wurde eine Zellreinheit von bis zu ~90% erreicht, die durch Fluoreszenzmikroskopie charakterisiert wurde.

Mit ihrer Veröffentlichung im Journal Lab on a Chip im vergangenen Jahr haben Qasaimeh et al. neue Werkzeuge zur Verfügung gestellt, um spezifische Zellen aus einer heterogenen Zellpopulation ohne Mikrokanäle zu trennen und damit eine wichtige Grundlagen für dieses Forschungsgebiet gelegt.

Labor Setup Zell Separation

Der Aufbau für die Untersuchung der Freiflächen-Mikrofluidik zur Zellseparation konnte mit einem modularen und hochpräzisen CETONI-Dosiersystem realisiert werden. Um kontinuierliche Multipole zur Zelltrennung mit hoher Isolationseffizienz zu erzeugen, ist ein extrem gleichmäßiger und pulsationsfreier Flüssigkeitsstrom erforderlich. Die CETONI Nemesys Präzisionsspritzenpumpen sind ideal geeignet für die exakte und sanfte Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen. Dank ihrer Modularität kann der Aufbau auch jederzeit erweitert werden, was dem Forschungsteam volle Flexibilität bei seiner Arbeit ermöglicht.

Verwendete CETONI-Geräte

• Base 120
• Spritzenpumpen: 6x CETONI Nemesys Niederdruckmodul

Literatur
A. T. Brimmo, A. Menacherya, M. A. Qasaimeh: Microelectrofluidic probe for sequential cell separation and patterning. 2019, (19), 4052-4063. DOI: 10.1039/C9LC00748B

Im zweiten Teil des Tutorials erfahren Sie, wie Sie mit Hilfe von JavaScript Funktionen sinusförmige Flussprofile erzeugen können. Dafür ändern Sie das Script aus dem ersten Teil so ab, dass statt eines Sägezahnprofils ein Sinusprofil erzeugt wird. Bevor Sie mit diesem zweiten Teil starten, können Sie hier den ersten Teil des Tutorials lesen.

Wichtig
Für dieses Tutorial benötigen Sie die QmixElements Version v20191121 oder eine neuere Version. Wenn Sie noch eine ältere Version verwenden, aktualisieren Sie bitte auf die aktuellste QmixElements Version.

Aktuelle QmixElements Version

Vorbereitung

Konfigurieren Sie Ihr System, wie im ersten Teil des Tutorials beschrieben und stellen Sie dann die Verbindung zu Ihren Geräten her. Wenn Sie nicht über entsprechende Geräte verfügen, können Sie das Tutorial auch gern mit simulierten Geräten nachvollziehen. Das QmixElements Projekt mit simulierten Geräten und dem im ersten Tutorial erstellten Script können Sie hier herunterladen.

Öffnen Sie nun das Script Tutorial_Sawtooth_Profile.qsc, welches Sie im ersten Teil des Tutorials erstellt haben und speichern Sie dieses dann unter einem neuen Namen ab. Sie sollten dann das folgende Programm in Scripteditor sehen.

Teil 2 – Script zur Generierung eines Sinusprofils

Ziel dieses Scripts soll es sein, mit einer Pumpe ein Flussprofil in Form eines Sinus von 0 bis zur definierten Zielflussrate zu generieren und mit der zweiten Pumpe den Fluss der ersten Pumpe so zu ergänzen, dass die Summe der beiden Flüsse zu einem konstanten Fluss mit einer definierten Flussrate führt.

Zur Erzeugung des Profils muss die Flussrate der Pumpe schrittweise so verändert werden, dass im zeitlichen Verlauf ein Sinus-Profil entsteht. Die Anzahl der Schritte zur Erzeugung des Sinus-Profils, d.h. die Auflösung, soll auf 100 Schritte für einen Sinus festgelegt werden. In dem bisherigen Sägezahn-Script hatten Sie die Anzahl der Schritte auf 20 festgelegt. Ändern Sie deshalb den Wert der Variable $GradientSteps auf 100.

Auflösung (Schrittanzahl) für ein Sinusprofil anpassen

Löschen Sie nun die beiden Generate Flow Funktionen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Markieren Sie dafür beide Funktionen und löschen Sie diese anschließend über das Kontextmenü (rechte Maustaste) oder durch Drücken der Entfernen Taste.

Fügen Sie nun eine neue Variable vor die beiden vorhandenen Variablen in die Zählschleife (Counting Loop) ein. Nennen Sie die Variable $Sinus und wählen Sie im Type Feld JavaScript Expression aus.

Die $Sinus Variable dient dazu, die Berechnung des Sinus-Wertes für die weitere Bearbeitung zu speichern. Für die Berechnung des Sinus Wertes, verwenden Sie die JavaScript Funktion Math.sin() zusammen mit der Konstante Math.PI. In das Eingabefeld für den JavaScript Ausdruck geben Sie Folgendes ein:

Math.sin(2 * Math.PI / ($GradientSteps – 1) * $i)

Der Schleifenzähler $i läuft von 0 bis zur Anzahl der $GradientSteps – 1. Zur Berechnung des aktuellen Sinuswertes wird die Periode 2π durch die Anzahl die Schritte – 1 geteilt und dann mit dem aktuellen Schritt $i multipliziert.

Um den berechneten Wert der $Sinus Variable zu überprüfen, können Sie deren Wert im grafischen Logger anzeigen lassen. Dafür haben Sie im ersten Teil des Tutorials bereits den virtuellen I/O-Kanal Script Value 1 erstellt und zum grafischen Logger hinzugefügt. Fügen Sie nun die Funktion Write Device Property ❶ in das Script ein. Konfigurieren Sie die Funktion dann so, wie in der Abbildung unten dargestellt.

In das Feld Value to be written ❷ tragen Sie den Variablennamen $Sinus ein. Im Bereich Device Property ❸ wählen Sie im Feld Device den virtuellen Kanal Script Value 1. Im Feld Property wählen Sie die dann die Eigenschaft ActualValue. Die Funktion können Sie dann so lesen:

Schreibe den Wert der Variablen $Sinus in die Eigenschaft ActualValue des virtuellen Kanals Script Value 1

Löschen Sie jetzt alle Daten aus dem grafischen Logger und aktivieren Sie die automatische Skalierung. Starten Sie nun Ihr Script. Wenn Sie alles richtig eingegeben haben, sollten Sie sehen, wie im grafischen Logger die folgende Sinusfunktion generiert wird:

Der Sinus oszilliert wie erwartet zwischen 1 und -1. Für das sinusförmige Flussprofil welches generiert werden soll, soll die Flussrate zwischen 0 und der Zielflussrate oszillieren. In einem ersten Schritt soll der Sinuswert dafür so angepasst werden, dass er zwischen 0 und 1 oszilliert. Dies können Sie erreichen, indem Sie den Sinus auf der Y-Achse um 1 nach oben verschieben und dann die Amplitude halbieren. Zur Speicherung des neuen Wertes, verwenden wir die bereits vorhandene Variable $Flow1 ❶. Dies kann nun so berechnet werden:

❷ $Flow1 = ($Sinus + 1) / 2

Ändern Sie nun die Write Device Property Funktion so ab, dass nicht mehr der Wert der Variable $Sinus sondern der Wert der Variable $Flow1 ausgegeben wird. Löschen Sie dann den grafischen Logger und aktivieren Sie wieder die automatische Skalierung. Sie sollten nun folgende Funktion im grafischen Logger sehen – eine Sinusfunktion, die zwischen 0 und 1 oszilliert:

Um den Sinus zwischen 0 und der Zielflussrate oszillieren zu lassen, müssen Sie jetzt lediglich noch mit der Zielflussrate $TargetFlow multiplizieren. Erweitern Sie die Berechnung der Variable $Flow1 um diesen Schritt:

$Flow1 = ($Sinus + 1) / 2 * $TargetFlow

Die Flussrate $Flow1 wird nun sinusförmig zwischen 0 und der Zielflussrate oszillieren. Die Flussrate $Flow2 der zweiten Pumpe soll die erste Flussrate so ergänzen, das ein konstanter Fluss mit gleichbleibender Flussrate $TargetFlow entsteht. Deshalb können Sie in der Variable $Flow2 die Flussrate der zweiten Pumpe wie folgt berechnen

$Flow2 = $TargetFlow – $Flow1

Fügen Sie nun vor die Write Device Property Funktion zwei Generate Flow Funktionen ein und löschen Sie anschließend die Write Device Property Funktion, da diese nicht mehr benötigt wird.

Das Script sollte nun wie in der Abbildung unten aussehen ❶. Konfigurieren Sie die beiden Generate Flow Funktionen so, dass die erste Pumpe mit der Flussrate $Flow1 ❷ gestartet wird und die zweite Pumpe mit der Flussrate $Flow2 (siehe Abbildung unten). Achten Sie darauf, dass die Option Run to completion ❸ deaktiviert ist.

Löschen Sie jetzt erneut alle Daten aus dem grafischen Logger und aktivieren Sie die automatische Skalierung. Überprüfen Sie vor dem Scriptstart, dass die Spritzen der beiden Pumpen aufgezogen sind. Starten Sie dann Ihr Script. Wenn Sie alles richtig eingegeben haben, sollten Sie sehen, wie im grafischen Logger die folgenden Flussprofile generiert werden:

Sie haben nun die Grundlagen erlernt, wie Sie in den Scriptfunktionen JavaScript verwenden können – z.B. um mathematische Berechnung durchzuführen. Wenden Sie das Erlernte an, indem Sie z.B. ein Script programmieren, dass zwei sinusförmige Flüsse erzeugt, bei dem der Sinus des zweiten Flusses die doppelte Periodendauer vom Sinus des ersten Flusses hat. Nutzen Sie den grafischen Logger, um die Ergebnisse zu überprüfen.

Im dritten Teil des Tutorials erfahren Sie, wie Sie das Script um eine Initialisierungsroutine erweitern, welche die Spritzen aufzieht und erhalten Tipps, welche Möglichkeiten es gibt, die Lesbarkeit Ihres Scriptes zu verbessern und Ihr Script zu dokumentieren.

Das QmixElements Projekt mit simulierten Geräten und dem im ersten und zweiten Teil des Tutorials erstellten Scripten können Sie hier herunterladen.

Medizin muss heute innovationsgetriebener und personalisierter sein als je zuvor. Deshalb spielt Mikrofluidik bei der Erforschung neuer therapeutischer Ansätze eine entscheidende Rolle. CETONI hat eine klare Mission: Mit innovativen Lösungen befähigen wir unsere Kunden, nicht nur Teil der Entwicklung zu sein, sondern sogar den Takt vorzugeben.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden steht bei der individualisierten Medizin weniger die Krankheit, als vielmehr der Mensch im Mittelpunkt. Das vorrangige Ziel sind patientenorientierte Interventionen ohne Zeitverlust und Nebenwirkungen. Durch die Etablierung von In-vitro-Assays, die ein erster Schritt hin zu belastbaren Wirkungsprüfungen darstellen, ist nun der Weg bereitet, um personalisierte Therapien zielgerichtet weiterzuentwickeln und auf Hochdurchsatz hin zu optimieren

Herkömmliche Verfahren stoßen an ihre Grenzen

Zellkultivierungen werden üblicherweise in standartisierten Zellkulturflaschen in einer geregelten CO2-Umgebung durchgeführt. Dabei sorgt die geschlossene Inkubationseinheit für eine konstante Temperatur, hohe Luftfeuchtigkeit und Sterilität. Ein Problem stellt aber die räumliche Trennung der Zellkultur- und Auswerteeinheit dar, aufgrund derer keine ganzheitliche Aussage zum zellphysiologischen Prozess in Echtzeit getroffen werden kann. Mikrofluidische Systeme hingegen eignen sich hervorragend zur gleichzeitigen Analyse verschiedener Testsubstanzen. Daher rückte die Entwicklung einer automatisierten Zellkultur zur Reduktion von Kosten und zeitintensiven Arbeiten sowie zur Echtzeitbeobachtung von Zellen, gerade in Hinblick auf die Entwicklung personalisierter Therapien, in den Mittelpunkt des Interesses.

Die Miniaturisierung eines Laborablaufes von standardisierten In-vitro-Assays im Well-Format auf einen Lab-on-a-Chip System (LoC) ist nach einer kurzen Implementierungsphase äußerst zeit- und kostensparend. Durch die reduzierten Analyseflächen im Chip ist ein geringerer Probeneinsatz notwendig. Diese neue technologische Möglichkeit liefert insbesondere hinsichtlich der Zellkultivierung neue Perspektiven. Dabei können solche Systeme nicht nur den Zelleinsaatprozess automatisiert realisieren und die Versorgung des Zellkulturmediums mit Nährstoffen sicherstellen, sondern auch die toxische Stimulation der Zellen in Echtzeit gewährleisten. Durch die Verwendung kleinster Zellkulturflächen wird nur eine geringe Anzahl an Zellen benötigt, die bei kontrollierter Zellversorgung (automatisiertes Pump-, Versorgungssystem und Heizeinheit) in Echtzeit (Real-Time) untersucht werden können. Das Pumpsystem erlaubt zudem eine automatisierte Kultivierung.