Komponenten- und Technologieentwicklung zur mikrofluidischen Abbildung einer biotechnologischen Prozesskette
Sebastian Häfner
Die Gesellschaft des 21. Jahrhunderts steht vor den Herausforderungen der Bekämpfung des Welthungers, der Bereitstellung erneuerbarer Energien und der Behandlung schwerer Erkrankungen. Die Biotechnologie bietet das Potential zur Lösung dieser Probleme einen wesentlichen Beitrag zu leisten. Dabei gewinnen in der biotechnologischen Forschung zunehmend mikrofluidische Systeme an Bedeutung z.B. in der Einzelzellanalytik, den Hochdurchsatz-Untersuchungen oder der Gewebezüchtung. Mit steigendem Einsatzpotential erhöhen sich auch die Anforderungen, welche an die Operationsmöglichkeiten der Systeme gestellt werden. In der Regel kommen aktive Elemente wie Ventile zum Einsatz, welche eine Vielzahl an Operationen ermöglichen, nicht aber eine ganze biotechnologische Prozesskette abdecken können.
In der vorliegenden Arbeit wird der Versuch unternommen, eine biotechnologische Prozesskette mikrofluidisch abzubilden. Dabei werden Mikroaktoren genutzt, welche auf stimuli-sensitiven Hydrogelen basieren. An unterschiedlichen Hydrogelen wird der Einfluss von Prozessmedien und Puffern auf die Eigenschaften der Gele diskutiert. Es zeigt sich ein starke Abhängigkeit der Eigenschaftsänderung von der chemischen Zusammensetzung der Hydrogele. Um hochintegrierte und reproduzierbar arbeitende Systeme herzustellen, wurde in einem ersten Schritt die Mikrostrukturierung der Hydrogele optimiert und anschließend ein Verfahren zur Fertigung von hochintegrierten mikrofluidischen Batch-Kultivierungssystemen für Mikroalgen und Hefen entwickelt.
Zur Separation von kultivierten Organismen und zur Trennung von Molekülen wird das thermische Steuerkonzept von Hydrogel-basierten Elementen hin zu einer chemischen Steuerung verändert. Der erfolgreiche Einsatz dieser Konzeptänderung wird an einer Mikropore und an Molekularsieben demonstriert. Eine Weiternutzung von Hydrogel-basierten Molekularsieben als auslesbare Molekülspeicher oder Reaktionsmatrizes wird im Rahmen eines neuen mikrofluidischen Elements
diskutiert.
