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Development of functional droplet based microfluidic systems for synthetic biology and biomedical high-throughput applications

Frey, Christoph

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Abstract

Die Tröpfchen-basierte Mikrofluidik kombiniert wissenschaftliche Prinzipen mit technologischen Ansätzen und ermöglicht ihrem Nutzer die präzise Verarbeitung und Manipulation von Wasser-in-Öl Tröpfchen. Dabei repräsentiert jedes Tröpfchen einen in sich geschlossenen Mikroreaktor, der zur Beobachtung interner chemischer und biologischer Reaktionen geeignet ist. Des Weiteren erfordert die Technologie nur minimalen Eingriff des Nutzers, ist sparsam im Probenverbrauch und ermöglicht hohe Analysegeschwindigkeiten bei erhöhter Präzision. Diese Vorteile verdeutlichen das enorme Potential dieser Technologie für die Miniaturisierung und Automatisierung biomedizinischer Tests. Trotz der in den letzten Jahren erzielten Fortschritte befindet sich die Tröpfchen-basierte Mikrofluidik immer noch im Entwicklungsstadium. Ziel meiner interdisziplinären Doktorarbeit ist es, die Tröpfchen-basierte Mikrofluidik für automatisierte Anwendungen in der biophysikalischen und biochemischen Grundlagenforschung weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck habe ich während meiner Promotion mehrere Chip-basierte Tröpfchenmanipulationseinheiten entwickelt und optimiert. Insbesondere wandte ich grundlegende physikalische und chemische Prinzipien an, um ihre Leistung zu verbessern. Unter anderem führten meine Entwicklungen zu einer Erhöhung der Tröpfchen-Produktionsrate, indem ich die Geometrie der Tröpfchenmanipulationseinheit modifizierte. Darüber hinaus habe ich die mikrofluidische Tröpfcheninjektionseinheit optimiert, die für die nachträgliche Manipulation des Tröpfcheninhhalts eingesetzt wird. Ich entwickelte ein neuartiges Design zur Destabilisierung der schützenden Tensidschicht ohne Notwendigkeit eines elektrischen Feldes. Die Injektion wird infolge einer schnellen Verformung des Tröpfchens und der damit verbundenen Bildung von Poren in der Tensidschicht ermöglicht. Hervorzuheben ist die Entwicklung einer Einheit zur kontrollierten Freisetzung des Tröpfcheninhalts. Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes war es mir möglich, eingekapselte Suspensionszellen in eine kontinuierliche wässrige Phase freizusetzen und somit den Inhalt von der umgebenden Ölschicht zu trennen. Eine Kombination der entwickelten Einheit mit programmierbarer DNA-Funktionalisierung der inneren Tröpfchenfläche ermöglichte die kontrollierbare Filtration des Tröpfcheninhaltes durch kontrollierte Freisetzung der eingekapselten Materialien. Ein weiterer Fokus meiner Arbeit lag in der Entwicklung optischer Verfahren zur Echtzeitüberwachung der Wasser-in-Öl Tröpfchen. Zusammen mit Kollegen habe ich zwei entsprechende Techniken entwickelt. Eine dieser Techniken nutzt eine veränderte Auslesemethode der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie (FCS). Durch Neuinterpretation der Autokorrelationskurve können Aussagen über die Tröpfchenflussrate, deren Homogenität und sogar über den Tröpfcheninhalt getroffen werden. Im zweiten Ansatz wurde eine empfindliche optische Vorrichtung zur markierungsfreien Beobachtung, Charakterisierung und aktiven Manipulation vorbeifließender Tröpfchen entwickelt. Die fortschrittlichen Eigenschaften des entwickelten optischen Geräts wurden durch Messung verschiedener Tröpfchen-Produktionsparameter sowie durch den markierungsfreien Nachweis von eingekapselten Zellen bewiesen. Zusätzlich kann anhand gemessener Parameter eine aktive Manipulation der Tröpfchen durch die Vorrichtung ausgelöst werden. Dies wurde anhand einer markierungsfreien Tröpfchensortierung verdeutlicht. Zusammenfassend konnte ich die Leistung einzelner mikrofluidischer Einheiten verbessern und Anwendungsbereiche aufzeigen. Darüber hinaus verfügt das entwickelte optische Gerät über das Potential zur aktiven Überwachung und Steuerung zusammengeschalteter funktioneller Einheiten, wodurch eine gesamte Prozesskette auf einem einzigen mikrofluidischen Chip durchgeführt werden kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim P.
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 23 October 0023
Date Deposited: 15 Jan 2021 09:22
Date: 2021
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Dekanat der Fakultät für Chemie und Geowissenschaften
Subjects: 540 Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords: droplet-based microfluidics, high-throughput, active droplet manipulation, fluorescence and label-free droplet analysis
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