Press release 54/23 - 29.06.2023

Labore im Mikrometer-Bereich aus dem 3D-Drucker

High-Tech Chips aus Augsburg ermöglichen Fortschritte in der Laborarbeit und medizinischen Diagnostik

Auf kleinen Chips können Zellkulturen unter kontrollierten Bedingungen wachsen oder ganze Labore für die individuelle Diagnostik eingesetzt werden. Der Lehrstuhl „Technische Biologie“ um Prof. Dr. Janina Bahnemann setzt dafür computergestützte Design-Software und hochauflösende 3D-Drucktechnologie ein. Die Systeme sind besonders effizient und bieten großes Potenzial, um die Laborarbeit zu automatisieren. Eines der großen Projekte am Lehrstuhl wird im Rahmen des Emmy Noether Programms der DFG gefördert.

 

Auf kleinen Chips können Zellkulturen unter kontrollierten Bedingungen wachsen oder ganze Labore für die individuelle Diagnostik eingesetzt werden. Der Lehrstuhl „Technische Biologie“ um Prof. Dr. Janina Bahnemann setzt dafür computergestützte Design-Software und hochauflösende 3D-Drucktechnologie ein. © University of Augsburg

Was zunächst aussieht wie eine Platte aus Kunststoff, oft nicht größer als ein Daumen, bringt bereits alle notwendigen Komponenten für die Labordiagnostik mit. Das Herzstück der mikrofluidischen Systeme bildet ein Netz von Kanälen. Diese Kanäle sind im Durchmesser zwischen 100 bis 500 µm groß und können Flüssigkeiten wie Zellkulturen oder Blut transportieren und gezielt steuern. „Wir bezeichnen diese Systeme auch als ‚Lab on a Chip‘ und erforschen ihre Nutzung für medizinische Diagnosen und können sie zur flexiblen Entwicklung von pharmazeutisch relevanten Produkten nutzen“, erklärt Prof. Dr. Bahnemann.

Ausschlaggebend dafür ist die Möglichkeit, die Systeme individuell zu fertigen und Biosensorik zu integrieren. Die Funktion eines solchen Biosensors erklärt die Forscherin so: „Es handelt sich dabei um eine biologische Erkennungseinheit, beispielsweise ein Antikörper, der spezifische Moleküle detektieren kann“. Bindet dieser Antikörper nun ein bestimmtes Teilchen im Blut eines Patienten, kann eine Diagnose gestellt werden.

Hocheffizient dank Miniaturisierung

Die Arbeit mit Zellkulturen erfordert den Einsatz teurer Kulturmedien, in denen die Zellen wachsen können. Da die mikrofluidischen Systeme selbst sehr klein sind, werden nur geringe Mengen an Proben und Flüssigkeiten benötigt. Dadurch ist es möglich, einen sehr effizienten, reproduzierbaren und kostengünstigen Arbeitsablauf zu etablieren. Ein weiterer Vorteil ergibt sich direkt aus der Herstellung der Chips: „Durch die extrem präzise Herstellung im 3D-Drucker können wir die Systeme schnell auf verschiedene Anwendungen anpassen und bleiben dadurch immer flexibel“, resümiert die Leiterin der Arbeitsgruppe.  
 

© University of Augsburg

Zahlreiche Anwendungsgebiete

Die Bereiche, in denen mikrofluidische Systeme Anwendung finden können, sind vielfältig. Dadurch, dass sie die gezielte Steuerung von Zellkulturen sowie eine Echtzeit-Überwachung bieten, eignen sie sich besonders im Bereich der personalisierten Medizin. Die kleinen Chips ermöglichen die flexible Produktion von auf den Patienten zugeschnittenen Medikamenten. Durch die hohe Effizienz und die geringen Kosten ist das auch in kleineren Mengen möglich. Für industrielle Prozesse, in denen biotechnologische Systeme zum Einsatz kommen, bietet die Mikrofluidik ebenfalls großes Potenzial: „Mit der eingebauten Biosensorik lässt sich die Produktion kontinuierlich überwachen und auf Fehler und Abweichungen sofort reagieren. Das Potenzial ist bereits jetzt extrem groß und wird zukünftig weiter wachsen“, blickt Prof. Dr. Bahnemann in die Zukunft.

Der neue gegründete Lehrstuhl „Technische Biologie“ arbeitet an der Schnittstelle zwischen Biologie, Physik und Medizin. Durch die Arbeit mit modernen, hochauflösenden 3D-Druckern und die Entwicklung neuer analytischer Methoden unterstützen Prof. Dr. Bahnemann und ihr Team den Ausbau des Forschungsschwerpunkts Lebenswissenschaften an der Universität Augsburg.

Vom Computer über den Drucker zur direkten Anwendung im Labor

Der erste Schritt auf dem Weg zum fertigen mikrofluidischen System erfolgt digital. Mit computergestützter Design-Software ist es möglich, komplexe dreidimensionale Strukturen zu entwickeln. Das Modell wird dann an den 3D-Drucker geschickt, der mit hochauflösender Drucktechnologie kleinste, komplexe Kanäle Realität werden lässt. Das Baumaterial ist transparent und biokompatibel und eignet sich somit bestens für die Arbeit mit lebenden Zellen. Die gedruckten Kanäle werden zunächst mit einem stützenden Wachs gefüllt. Anschließend kommt jedes Bauteil in ein Ultraschallbad, wo das Wachs ausgespült wird – dann ist das mikrofluidische System bereit zum Einsatz.

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