Characterization of the cell growth activity of tissue cells in 3D scaffolds with integrated sensors
Biological Process Engineering
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes erfolgte die Entwicklung von mit Sensoren funktionalisierten Trägern und dazugehörigen Bioreaktoren für die 2D- und 3D-Zellkultur. Die Herstellung der Träger und der Sensoren erfolgte hierbei mit mikrosystemtechnischen Methoden unter Verwendung von Polymeren als Trägermaterialien. Die Sensoren wurden mithilfe verschiedener Beschichtungsmethoden (Physikalische Gasphasenabscheidung von Gold) auf die Polymerfolien aufgebracht und nasschemisch strukturiert. Durch die Beschichtung mit dem intrinsisch leitfähigen Polymer PEDOT (Elektropolymerisation) wurden die Sensoren für ihr Anwendungsfeld optimiert. Die Messmethode der Impedanzspektroskopie wurde für die Analyse des Zellwachstums und der Zellviabilität gewählt und dementsprechend wurden Messgeräte evaluiert und Messprotokolle und Analyseverfahren entwickelt. Alle Träger und Sensoren wurden nach DIN ISO 10993-5 auf in-vitro-Zytotoxizität geprüft und entsprechend der erzielten Ergebnisse erfolgte eine Modifikation der Herstellungsverfahren. Im Zuge dessen wurden weitere Methoden zur Analyse der hergestellten Polymere entwickelt (ATR-FTIR, Bestimmung von Leachables). Es gelang, ein Protokoll für die Herstellung von nicht zytotoxischen SU-8 100-Folien zu entwickeln. Dieser Dickschichtlack kann nun z. B. für die Herstellung von Trägern für die 3D-Zellkultur genutzt werden. Die Grundlage für den Entwurf und die Herstellung des 3D-Scaffolds bestehend aus flexiblen faltbaren Polyimid-Bereichen und steifem SU-8 100-Folienträger mit integrierten Elektroden wurde erarbeitet. Die Bioreaktoren, in welche die funktionalisierten Träger eingebaut werden sollen, wurden unter Nutzung von COMSOL Multiphysics (Strömungs- und Diffusionssimulation) entworfen. Die Fertigung erfolgte durch Fräsen aus PEEK. Der Bioreaktor für 2D-Zellkultur wurde in Betrieb genommen und unter Variation der Fließgeschwindigkeit erfolgte eine Bestimmung der optimalen Betriebsparameter für die Kultur von L929-Fibroblasten auf Polymerfolien. Des Weiteren erfolgte eine mehrtägige Kultivierung von L929 auf funktionalisierten Polymerfolien mit on-line Analyse des Zellwachstums durch Impedanzspektroskopie. Mit dem Reaktor für die 3D-Zellkultur erfolgten im Rahmen der Inbetriebnahme erste Durchströmungsversuche unter Variation der Flussrate. Die funktionalisierten Polymerfolien für den 3D-Reaktor wurden in einem separaten Aufbau über mehrere Tage in 2D-Zellkultur evaluiert. Dabei konnten durch die impedanzspektroskopischen Messungen die lag-, die exponentielle Phase, als auch eine Stagnation des Wachstums bei Erreichen von Konfluenz identifiziert werden. Es ist eine Darstellung der ß-Polarisationsrelaxation der L929 (Nachweis der Viabilität) gelungen. Eine Abnahme der Viabilität bei Zugabe von zytotoxischen Substanzen konnte ebenfalls vermessen werden. Somit steht ein Set an Werkzeugen und Methoden zur Verfügung, welche es erlauben, mittels funktionalisierter Sensoren impedanzspektroskopisch in der 2D- und 3D-Zellkultur on-line Messungen des Zellwachstums und der Zellviabilität durchzuführen.
Publications
- Impedance Sensors and Scaffold for 3D Tissue Culture (3D Cell Culture, Dechema, Freiburg 2016)
Blume G, von Mirbach-Wahn L, Mielke G, Trieu HK, Pörtner R
- Sensoren für kontinuierliche Messungen in 3D- Zellkulturen (Heiligenstädter Kolloquium 2016, Heilbad Heiligenstadt)
Blume G, Mielke G, Goepfert C, Trieu HK, Pörtner R
- BioMEMS for sensing in cell characterization, drug screening and biofilm detection. AMA Conferences 2017 – SENSOR 2017 and IRS2 2017
Trieu HK, Blume G, Pörtner R, von Mirbach-Wahn L, Meyne N, Jacob A, Venegas Rojas D, Jücker M, Kalaydzhyan K
(See online at https://doi.org/10.5162/sensor2017/A2.1) - Development of a process for the manufacturing of SU-8 100 for the use in cell culture. Journal of Bioactive and Compatible Polymers, Vol. 33. 2018, Issue 4, pp. 349–360.
Blume G, Mielke G, Kohnert J, Pörtner R, Trieu HK
(See online at https://doi.org/10.1177/0883911518765216)
