TY - BOOK

T1 - Entwicklung miniaturisierter Systeme mittels additiver Fertigung für biosensorische und biotechnologische Anwendungen

AU - Preuß, John-Alexander

N1 - Dissertation

PY - 2023

Y1 - 2023

N2 - Ein dreidimensionales Objekt als eine Summe von zweidimensionalen Schichten zu begreifen, ist die zentrale Idee der additiven Fertigungstechniken, die auch unter dem Ausdruck 3D-Druck bekannt sind. Besondere Bedeutung hat der 3D-Druck hierbei zur Fertigung von individuellen Einzelstücken als auch zum schnellen Prototyping erlangt, denn Modelle werden auf Knopfdruck plastische Realität. Auch dank immer besserer Druckauflösungen in Kombination mit einem hohen Grad an Designfreiheit bietet der 3D-Druck den Fachbereichen der Biotechnologie und Biosensorik Chancen, neue Ansätze der Miniaturisierung mithilfe schneller Iterationszyklen maßgeschneidert in den experimentellen Ablauf zu integrieren. In der vorliegenden Dissertation wurden ausgewählte Anwendungen für das biotechnologische Labor miniaturisiert und mit einem hochauflösenden 3D-Drucker gefertigt. Dazu gehören Anwendungen zur Separation von Biomolekülen, Sensorintegration sowie die automatische Erstellung von Verdünnungsreihen. Mittels der Flexibilität des 3D-Drucks konnten Konzepte umgesetzt werden, die die Anpassung an variierende experimentelle Aufbauten erleichtern sollen. 3D-Druck erlaubte eine schnelle Optimierung der Systeme, während die Miniaturisierung den Platzbedarf und den Verbrauch an Reagenzien verringerte. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine kontinuierliche Separationseinheit in Form einer miniaturisierten Frei-Fluss Elektrophorese mittels eines modularen Ansatzes umgesetzt. Externe Komponenten wie Elektroden und nanoporöse Membranen konnten so zuverlässig mittels eines additiv gefertigten Stecksystems integriert werden. Die resultierenden stabilen elektrischen Felder erlaubten es, Farbstoffe und Aminosäuren in einem kontinuierlichen Ansatz zu separieren. Im zweiten Teil wurden kommerzielle, elektrochemische Sensoren in additiv gefertigte, statische und dynamische Durchflusszellen integriert, mit dem Ziel, eine kontrollierte Umgebung für biosensorische Experimente zu schaffen. Dieser Aufbau wurde verwendet, um spezifisch das Bakterium Escherichia coli Crooks durch die Kombination von Aptasensorik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie zu quantifizieren. Im dritten Teil wurde ein mikrofluidischer 3D-gedruckter Gradientengenerator zur automatisierten und kontinuierlichen Erzeugung einer Zweifachverdünnungsreihe entwickelt. Das System wurde genutzt, um definierte Antibiotikakonzentrationen zur Bestimmung minimaler Hemmstoffkonzentrationen im klassischen Mikrotiterplattenformat zu erstellen. Durch die Integration photonischer Siliziumsensoren in den Gradientengenerator im nächsten Schritt, konnte das Wachstum von Escherichia coli bei verschiedenen Antibiotikakonzentrationen online und parallelisiert on-chip gemessen werden. Damit konnte die minimale Hemmstoffkonzentration in 90 min bestimmt werden.

AB - Ein dreidimensionales Objekt als eine Summe von zweidimensionalen Schichten zu begreifen, ist die zentrale Idee der additiven Fertigungstechniken, die auch unter dem Ausdruck 3D-Druck bekannt sind. Besondere Bedeutung hat der 3D-Druck hierbei zur Fertigung von individuellen Einzelstücken als auch zum schnellen Prototyping erlangt, denn Modelle werden auf Knopfdruck plastische Realität. Auch dank immer besserer Druckauflösungen in Kombination mit einem hohen Grad an Designfreiheit bietet der 3D-Druck den Fachbereichen der Biotechnologie und Biosensorik Chancen, neue Ansätze der Miniaturisierung mithilfe schneller Iterationszyklen maßgeschneidert in den experimentellen Ablauf zu integrieren. In der vorliegenden Dissertation wurden ausgewählte Anwendungen für das biotechnologische Labor miniaturisiert und mit einem hochauflösenden 3D-Drucker gefertigt. Dazu gehören Anwendungen zur Separation von Biomolekülen, Sensorintegration sowie die automatische Erstellung von Verdünnungsreihen. Mittels der Flexibilität des 3D-Drucks konnten Konzepte umgesetzt werden, die die Anpassung an variierende experimentelle Aufbauten erleichtern sollen. 3D-Druck erlaubte eine schnelle Optimierung der Systeme, während die Miniaturisierung den Platzbedarf und den Verbrauch an Reagenzien verringerte. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine kontinuierliche Separationseinheit in Form einer miniaturisierten Frei-Fluss Elektrophorese mittels eines modularen Ansatzes umgesetzt. Externe Komponenten wie Elektroden und nanoporöse Membranen konnten so zuverlässig mittels eines additiv gefertigten Stecksystems integriert werden. Die resultierenden stabilen elektrischen Felder erlaubten es, Farbstoffe und Aminosäuren in einem kontinuierlichen Ansatz zu separieren. Im zweiten Teil wurden kommerzielle, elektrochemische Sensoren in additiv gefertigte, statische und dynamische Durchflusszellen integriert, mit dem Ziel, eine kontrollierte Umgebung für biosensorische Experimente zu schaffen. Dieser Aufbau wurde verwendet, um spezifisch das Bakterium Escherichia coli Crooks durch die Kombination von Aptasensorik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie zu quantifizieren. Im dritten Teil wurde ein mikrofluidischer 3D-gedruckter Gradientengenerator zur automatisierten und kontinuierlichen Erzeugung einer Zweifachverdünnungsreihe entwickelt. Das System wurde genutzt, um definierte Antibiotikakonzentrationen zur Bestimmung minimaler Hemmstoffkonzentrationen im klassischen Mikrotiterplattenformat zu erstellen. Durch die Integration photonischer Siliziumsensoren in den Gradientengenerator im nächsten Schritt, konnte das Wachstum von Escherichia coli bei verschiedenen Antibiotikakonzentrationen online und parallelisiert on-chip gemessen werden. Damit konnte die minimale Hemmstoffkonzentration in 90 min bestimmt werden.

U2 - 10.15488/13245

DO - 10.15488/13245

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -