Discrete Chemical Release For Biological Applications
Final Report Abstract
Die gezielte Abgabe von kleinsten, gut kontrollierten Volumina während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs verspricht die Möglichkeit, erkranktes Gewebe direkt und sehr lokalisiert mit hochpotenten Wirkstoffen zu behandeln. Eine interessante medizinische Indikation könnte hier die Nachbehandlung von Ablationen oder Nierensteintherapien im oberen Harntrakt sein. Die Abgabe kleinster Tropfen im Pikoliterbereich erlaubt zum einen eine sehr gute quantifizierte Volumenbestimmung, zum anderen bleibt die Konzentration des Wirkstoffes lokal sehr begrenzt (rc>1o% = 18,2 pm). Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Demonstrator für die gezielte diskrete Abgabe kleinster Wirkstoffmengen während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs entwickelt. Die hochpotente Wirksubstanz wird hierfür in kleinen Tropfen (V= 8 pl) mit einer Geschwindigkeit von v = 8 m/s mit Bubble-Jet Technologie distal aktuiert ausgestoßen. Experimentelle Beobachtungen wie Tropfenvolumen und Tropfengeschwindigkeit oder das Diffusionsverhalten abgegebener Tropfen wurden mit Werten aus CFD Simulationen und analytischen Modellen verglichen und dokumentieren, dass das Gesamtsystem sehr gut beschrieben und verstanden werden kann. Der vorgestellte Demonstrator ermöglicht das individuelle Dispensleren aus bis zu vier verschiedenen, einzeln ansteuerbaren Kanälen. Die Wirkstoffe werden hierbei in integrierten Reservoiren (V= 1 pl) bereitgestellt. Eine integrierte hydrophobe Diffusionsbarriere vor den Düsenöffnungen des Demonstrators ermöglicht das stabile Fangen einer Gasblase, falls der Dispenser in Wasser eingetaucht wird, und führt so zu einer Phasentrennung zwischen Wirk- und Zielmedium. Diffusionsbedingte Leckagen werden somit vollständig unterbunden. Alternativ zur integrierten Diffusionsbarriere wurde eine kostengünstige (prozessoptimierte) hybride Variante aufgebaut und getestet. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Prozessentwicklung zur Strukturierung von fluidischen Kanälen und der partiellen Deckelung variierender Kanalbreiten in Trockenfilm Photoresist Technologie (TMMF 2000 von TOK) durchgeführt. Dies erlaubte die erfolgreiche gleichzeitige Deckelung von verschiedenen Kanalbreiten von b = 10 pm bis b = 2 mm. Im Projektveriauf hat sich gezeigt, dass die Mehrzahl von Anwendungen erst erschlossen werden können, wenn die Wirkstoffe nicht nur auf, sondern vielmehr in ein Gewebe hinein injiziert werden können. Dazu wären allerdings Dosiersysteme erforderiich, die deutiich größere Volumina mit einem höheren Impuls applizieren können. Derartige Systeme werden am Lehrstuhl inzwischen untersucht.
Publications
- "A modular dispensing system for leakage-free picoliter droplet release in liquid environments"; Proceedings Twelfth International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences; 2008; pp. 360-362
J. Steigert, M. Strasser, O. Brett, N. Wangler, W. Streule, P. Koltay, M. Daub, R. Zengerle
- "A versafile and flexible Iow-temperature full-wafer bonding process of monolithic 3D microfluidic structures in SU-8"; J. Micromech. Microeng.; vol. 18, 2008
J. Steigert, O. Brett, C. Müller, M. Strasser, N. Wangler, H. Reinecke, M. Daub, R. Zengerle
- "Discrete Stimulation of Single Protoplast Cells by Highly Resolved Drug Release"; Proceedings Twelfth International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences; 2008; pp. 1172-1174
N. Wangler, O. Brett, M. Laufer, M. Strasser, A. Dovzhenko, K. Voigt, K. Palme, M. Daub, R. Zengerle, J. Steigert
- "Picoinjector for the Discrete Chemical Stimulation of Individual Cells with a High Temporal and Spatial Resolution"; 4th European Congress for Medical and Biomedical Engineering; 2008
J. Steigert, N. Wangler, O. Brett, M. Strasser, M. Daub, R. Zengerle
- "A modular diffusion barrier based on phase separation for localized delivery of discrete drug volumes in aqueous environments"; Lab on a Chip; vol.9, pp. 1801-1805; 2009
J. Steigert, M. Strasser, N. Wangler, O. Brett, W. Streule, P. Koltay, M. Daub, R. Zengerle
- "Gezielte chemische Stimulation einzelner Tabak Protoplasten mittels hochaufgelöster Wirkstoffabgabe"; Proceedings Mikrosystemtechnik Kongress; Beriin, Germany; 2009
N. Wangler, O. Brett, M. Laufer, M. Strasser, A. Dovzhenko, K. Voigt, K. Palme, M. Daub, R. Zengerle, J. Steigert
- "Predictable and Defined Microgradients in Liquid Environment for Chemical Single Cell Sfimulafion"; Proceedings 13th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences; 2009
N. Wangler, M. Welsche, M. Laufer, A. Träger, N. Paust, M. Thielen, O. Sobolev, G. Roth, R. Zengerle, J. Steigert
- "Rapid Single Cell Transfection by Localised and Discreate Release of DNA-Lipid Nanoemulsions"; Proceedings 13th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences; 2009
M. Welsche, N. Wangler, M. Laufer, A. Träger, M. Thielen, M.Daub, R. Zengerle, J. Steigert
