Viele biologische Zellen sind empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen wie z.B. Scherstress, verursacht durch das Mischen in Bioreaktoren oder das Transportieren mittels Pumpen. Um diese Zellen trotzdem hinsichtlich verschiedenster Eigenschaften untersuchen zu können, sind stressarme und zerstörungsfreie Manipulationstechniken notwendig. Dazu zählen insbesondere Techniken mittels elektrischer Felder.
Am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. in Heilbad Heiligenstadt wurden im Rahmen von zwei EU-Projekten Techniken zur Manipulation von miniaturisierten, tropfenförmigen Mikrobioreaktoren entwickelt. Darin befinden sich Zellen, die wachsen und untersucht werden sollen. Aber auch chemische Reaktionen können darin ablaufen.

Diese Mikroreaktoren mit einem Volumen von 50nL bis zu 20µL bestehen aus wässrigen Flüssigkeiten (z.B. Zellkulturmedium) und sind eingeschlossen in einer zweiten Flüssigkeit, die sich nicht mit diesen Tröpchen mischt. Die Mikrobioreaktoren nehmen darin die Form einer Kugel ein und können sowohl auf einer Fläche verteilt (2D-Anordnung) als auch in einem Mikrokanal (2D-Anordnung) angeordnet sein.

Entsprechend der Applikation und der Größe der Mikrobioreaktoren befinden sich in unmittelbarer Nähe auf einem geeigneten Substrat Mikroelektroden. Wird an diese Mikroelektroden eine Spannung angelegt, bildet sich ein inhomogenes elektrisches Feld aus, welches eine Kraft auf die Mikrobioreaktoren ausübt (Effekt des Elektrowetting, siehe Abbildung). Diese Kraft kann dazu genutzt werden, die Mikrobioreaktoren gezielt zu bewegen, zu splitten oder zu vereinigen. Solche Funktionen sind notwendig, um die Mikrobioreaktoren z.B. zu Sensoren zu transportieren, um den Austausch von Kulturmedium zu ermöglichen oder die Tröpfchen nach ihren Eigenschaften bzw. den Eigenschaften der darin wachsenden Zellen zu sortieren.

Im Rahmen der o.g. Projekte, die u.a. auch die Integration von Forschern aus europäischen Staaten in Forschungsinstitute anderer Länder fördern, wurden sowohl optimierte Elektrodenstrukturen und Technologien zur Realisierung der Elektroden als auch zum Erzeugen von robusten Isolationsschichten auf den Elektroden entwickelt, da die Manipulationsmöglichkeiten der Tropfen auch von der Werkstoffoberfläche wesentlich beeinflußt werden. Mittels numerischer Finite-Elemente (FEM-)Methoden konnten die wesentlichen Parameter vorab auch simuliert werden Intensive Untersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass für reproduzierbare Manipulationen der Mikrobioreaktoren Spannungen von lediglich 6 V ausreichend sind. Da Spannungen in dieser Größenordnung von biologischen Zellen toleriert werden, ist damit eine wesentliche Voraussetzung für das Vermeiden von irreversiblen Zellschädigungen erfüllt.


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Quelle: Informationsdienst Wissenschaft / Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (03/2013)