Life Chip
Projektbeschreibung
Der biologische und medizinische Fortschritt wird unter anderem durch neue Analysemethoden ermöglicht. Eine wichtige Rolle spielen dabei Untersuchungen an tierischen / menschlichen Zellen. Im Rahmen dieses Projektes sollen mikrofluidische Konzepte untersucht werden, mit denen Zellen über einen längeren Zeitraum in einem Chip kultiviert und überwacht werden können.
Damit Zellen über einen längeren Zeitraum in einem Chip überleben, müssen sie mit Nährstoffen und Gasen versorgt werden. Der Ansatz dieses Projektes ist die Versorgung nur über Diffusion zu erreichen, um Stress in den Zellen zu vermeiden, und um Zellkommunikation mittels biochemischer Botenstoffe zu ermöglichen. Die Diffusion erfolgt entweder durch poröse Membranen aus Hydrogelen oder anodisiertem Aluminiumoxid. Die Versorgungskanäle des Hydrogelchips befinden sich hier jeweils rechts und links neben der Kultivierungskammer und sind jeweils durch eine Hydrogelmembran getrennt. Durch gezielte Oberflächeneigenschaften werden nur die Bereiche der Membran mit flüssigem Hydrogel gefüllt, welches sich durch Abkühlung zu der Membran verfestigt. Im Aluminiumoxidchip hingegen befindet sich die Kultivierungskammer oberhalb des Versorgungskanals und ist durch eine horizontale Membran getrennt. Die Porenbildung erfolgt hier durch eine Kombination aus Anodisieren und Ätzschritten. Beide Chips sind aus harten Materialien wie Glas und Silizium mit Standard-Reinraumtechnologien gefertigt und sind komplett biokompatibel sowie nicht zytotoxisch. Für ein leichteres Handling werden die Chips in 3D-gedruckte Halterungen geklemmt. Im Rahmen dieses Projektes konnte das Wachstum von MDCK- und HaCaT-Zellen über 48 h (Hydrogelchip) und sogar 14 Tage (Aluminiumoxidchip) gezeigt. Dies ermöglicht die Entwicklung neuartiger Analysetools für die biologische und medizinische Forschung.
Zusätzlich zur On-Chip Kultivierung wird ein weiterer Chip erforscht, in dem die Sauerstoffaufnahme von Zellen überwacht werden kann. Der Sauerstoffaufnahme ist ein wichtiger Bestandteil des Stoffwechsels, sodass die Messung der Sauerstoffverbrauchsraten Rückschlüsse auf den Zustand der Zellen ermöglicht. In dem geschlossenen Chip aus Glas und Silizium ist ein spezieller Film integriert, der je nach Sauerstoffkonzentration unterschiedlich stark phosphoresziert. Die Phosphoreszenz kann mit Hilfe einer Kamera gemessen werden. Zusätzlich ist ein Heizelement und ein Temperatursensor in den Chip integriert, um die Temperaturabhängigkeit des Sensorfilms zu kompensieren, und um eine konstante Messumgebung für die biologischen Messungen zu erreichen. Mit dem Chip konnte erfolgreich die Sauerstoffaufnahme von HaCaT-Zellen für verschiedene Temperaturen und Zellkonzentrationen über mehrere Stunden gemessen werden.
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. M. Vellekoop
IMSAS, NW1, Raum O2140
Tel: +49 421 218 62604
E-mail: mvellekoopprotect me ?!imsas.uni-bremenprotect me ?!.de
Das Projekt LifeChip wird im Rahmen der Exzellenzinitiative als M4 Explorationsprojekt von der Universität Bremen finanziert.
Ausgewählte Veröffentlichungen
F. Bunge, S. van den Driesche, M. J. Vellekoop. Microfluidic platform for the long-term on-chip cultivation of mammalian cells for lab-on-a-chip applications. Sensors, 17(7):1603, 2017. DOI: 10.3390/s17071603
F. Bunge, C. Habben, S. van den Driesche, M. J. Vellekoop. Integration and characterization of nanoporous aluminium oxide membranes in microfluidic chips. Proc. of IEEE MEMS, January 2018.
F. Bunge, S. van den Driesche, A. Waite, U. Mirastschijski, M. J. Vellekoop. Microfluidic oxygen sensor based on silica gels for longterm experiments. Proc. of IEEE MEMS, January 2018.
F. Bunge, S. van den Driesche, A. Waite, U. Mirastschijski, M. J. Vellekoop. μrespirometer to determine the oxygen consumption rate of mammalian cells in a microfluidic cell culture. Proc. of IEEE MEMS, January 2017. DOI: 10.1109/MEMSYS.2017.7863430