- Other
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- GND
- 129441740
- ORCID
-
0000-0002-6884-5902
- ResearcherID
- AAB-5314-2019
- SCOPUS
- 55664813900
- SCOPUS
- 57196780119
- SCOPUS
- 58857224800
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- GND
- 131904612
- ORCID
-
0000-0002-3996-5446
- SCOPUS
- 56219670800
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Abstract in German:
Die tropfenbasierte Mikrofluidik befasst sich mit der Handhabung von Flüssigkeiten im Submikrolitermaßstab und konzentriert sich auf die Erzeugung, Manipulation und Analyse von dispergierten Tropfen in einer nicht mischbaren Trägerflüssigkeit. Dies findet Anwendung bei biologischen Tests, in der Materialsynthese sowie bei chemischen Reaktionen, da jeder Tropfen als individuelle Mikroreaktionskammer verwendet werden kann. Von besonderem Interesse ist hier die Analyse von Einzelzellen. Es gibt bereits industrielle Ansätze, welche die Aufnahme und das Absetzen gezielter Zellen ermöglichen. Darüber hinaus wird derzeit an Systemen geforscht, welche zufällig Zellen aufnehmen und direkt in Tropfen einkapseln. Über Trenn- und Sortiermechanismen werden anschließend die Zielzellen isoliert. Bislang gibt es kein System, das die gezielte Aufnahme einzelner Zellen in einem Tropfen zur weiteren Analyse ermöglicht. In dieser Arbeit wurden auf Grundlage der Patentveröffentlichung "Systems and methods for microscopic object handling" verschiedene mikrofluidische Geometrien und Materialien miteinander verglichen um diese Funktion zu realisieren. Erreicht wurde dies durch die Kombination der 3D-Druck-Polyjet-Technologie, welche für die Realisierung der mikrofluidischen Geometrien verwendet wurde, mit einer Fused-silica Kapillare als Düsenspitze für höhere Präzision beim Ansteuern einzelner Zellen. Darüber hinaus konnte durch Variation der Geometrie innerhalb des Systems das Zudosieren weiterer Substanzen in einer Stufen-, Rampen- und Schaltfunktion erreicht werden. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie wurde das grundlegende Design auf eine 2.5D Multilagen-Technologie übertragen, um die Systeme miteinander zu vergleichen. Die hohe Transparenz ermöglichte hierbei eine direkte Beobachtung der Zellaufnahme, was für weitere optische Messungen innerhalb des Systems von Vorteil sein könnte. Weitere Untersuchungen sind hierbei erforderlich, um die Anschlussstelle und die Funktionalisierung der Kanäle zu verbessern. Abschließend wurde eine dritte Geometrie auf einem Si-Chip entwickelt, die zusätzlich zur Zellaufnahme und Dosierung durch die Integration von Mischmäandern auch Mischvorgänge der Tropfen ermöglicht. Obwohl der Chip aufgrund unzureichender Versiegelung nicht getestet werden konnte, birgt er dennoch Potential für die Aufnahme und direkte Manipulation von gezielt ausgesuchten Einzelzellen.
Abstract in English:
Droplet microfluidics is about handling fluids on a sub-microlitre scale and focuses on the generation, manipulation and analysis of dispersed droplets in an immiscible carrier fluid. This finds applications in biological assays, material synthesis and chemical reactions, as each droplet can be used as an individual microreaction chamber. A particular area of interest is the analysis of single cells. There are already a number of industrial approaches that facilitate the collection and placement of single cells. Furthermore, there is an ongoing development of systems that enable and encapsulation of random cells, with subsequent separation and sorting mechanisms to select the desired cells. Up until now, there exist no system which enables targeted single-cell picking with direct encapsulation into a droplet for further analysis. During this thesis, different microfluidic geometries and materials based on the patent publication "Systems and methods for microscopic object handling" were examined to realize the previous described function. In the end, such a device has successfully been developed by combining the 3-dimensional printing (3DP) inkjet technology for the microfluidic geometries with a fused silica capillary as nozzle tip for a high precision when targeting single-cells. Moreover, the dosing of additional substances in a step-, ramp-, and switch-function has been realized within the system by further developing the geometry. Moreover, as a feasibility study, the fundamental design was transferred to a 2.5D multi-layer technology to compare the microfluidic systems. The high transparency of the films allows for direct observation of the cell uptake which could be advantageous for further optical measurements within the system. Further investigation is necessary to improve the connection port and the functionalization of the channels. Last but not least, a third geometry was developed on a silicon (Si)-chip to enable cell picking, dosing and also further mixing processes of the droplets by the integration of mixing meanders. Although the chip could not be tested, it still holds great potential, as the fabrication without the sealing process was successful.