Ausstattung

Lab-on-a-Chip, das miniaturisierte Labor auf einem Chip, steht für komplexe Systeme zur parallelen Abfrage mehrerer Zielparameter aus einer Probe. Basis für die Lab-on-a-Chip-Entwicklung bildet das am Fraunhofer IOF entwickelte SPR-Messgerät, das aus einem Auslesesystem und den dazugehörigen SPR-Chips besteht. Um kleinste Probemengen mit einem bestmöglichen Signal-Rausch-Verhältnis zu vermessen, werden verschiedene Ansätze wie Dielektrophorese, Magnetophorese und hydraulische Fokussierung per Simulation auf die Anwendung optimiert. Die Umsetzung des entsprechenden mikrofluidischen Probenhandlingsystems erfolgt im Rapid-Prototyping-Verfahren.

Hersteller

• Fraunhofer IWS / Fraunhofer IOF

Funktionsprinzip

• Oberflächenplasmonenresonanz
• Signalsteigerung durch Nutzung verschiedener physikalischer Effekte während der Probenführung

Technische Daten

• Probenvolumen: < 60 µL
• Messdauer: je nach Anwendung von 2 min bis zu 2 h
• Analytenanzahl abhängig von der Immobilisierungsmethode (z.B. 17 Messflächen von 200 µm Breite bei Funktionalisierung mit inversem Micro-Contact-Printing)

Anwendungen

• Detektion genetischer Mutationen (DNA-Nachweis)
• Detektion phytopathogener RNA-Viren (RNA-Nachweis)
• Immunologische in vitro Testung von Substanzen mit künstlichen humanen Lymphknoten (Antikörper-Nachweis)
• schnelle Point-of-Care Diagnostik bakterieller Infektionen (Antikörper-Nachweis)
• Detektion verschiedener Substanzen in Wässern
• Substanztestung – Nachweis spezifischer Marker im Zellkulturüberstand
• Substanztestung – Nachweis von Wechselwirkungen zwischen Rezeptoren und Liganden

Vorteile

• Disposables – Polymere Chips sind kompatibel zur Massenfertigung
• Parallelität – bis zu 180 Spots pro Chip ermöglichen vielfältige Anwendungen bei gleichzeitiger Redundanz der Messung
• Non-Imaging SPR – keine intensitätsbasierte Auswertung sondern winkelaufgelöste Messung ermöglicht einfachere Fehlererkennung und größere Messsicherheit
• offenes System – Kombination der SPR Messung mit verschiedensten mikrofluidischen System abhängig von Ihren Bedürfnissen und Ansprüchen
• robust – keine bewegten mechanischen Teile

Durch den Einsatz des Rapid-Prototyping-Verfahrens 3D-Plotten können pastöse Materialien zu porösen Strukturen mit definierten und individuell angepassten Geometrien verarbeitet werden. Zur technischen Realisierung derartiger Konstrukte steht dem Fraunhofer IWS ein druckluftgesteuertes Dispensiersystem  – der 3D-Scaffold-Printer – zur Verfügung. Mit diesem können aus viskosem Material definierte Stränge geformt und strukturiert angeordnet werden.

Die derzeitigen Haupteinsatzfelder des 3D-Scaffold-Printers sind im medizintechnischen und biotechnologischen Bereich angesiedelt. Neben der Generierung von Sensor- bzw. Aktorelementen auf Basis leitfähiger Plotmedien erfolgen derzeit Entwicklungen zu individuell gestaltbaren, offenporigen 3D-Zellmatrixkomplexen auf Basis hochbiokompatibler Substanzen. Diese sogenannten Scaffolds dienen als Basiskonstrukt für die Herstellung biologischer Gewebe.

Mittels des Mehrkanaldosiersystems können bis zu drei verschiedene Dosiermedien gleichzeitig verarbeitet werden, wodurch sich komplexe Scaffoldgerüste aufbauen lassen.

Hersteller

• Fraunhofer IWS / GESIM

Technische Daten: 3D-Scaffold-Printer

• Hauptbaugruppen: 3-Kartuschen-Dosiersystem und 3-Achsbewegungssystem
• Dosierdruck: 1-7 bar
• Auflösung (X Y Z): 2 x 2 x 10 µm
• Arbeitsbereich (X Y Z): 100 x 346 x 40 mm
• Kartuschentemperierung: max. 100 °C
• Nadelsensor zur automatischen Korrektur von Positionsabweichungen

Optionen

• fasergekoppelte UV-Bestrahlung
• fasergekoppelte Spektrometrie
• Oberflächenbehandlung mittels PlasmaPen
• Pipettierdosierung

Materialien

• biologische Hydrogele (z.B. Kollagen, Agar, Alginat)
• bioaktive Mineralstoffe (z.B. Knochenzementpasten)
• biokompatible nichtresorbierbar Polymerpasten
  (z.B. PU, Silikone)
• biologisch abbaubare Polymerpasten (z.B. PCL, PLLA, …)
• Wachse, wachsartige Materialien (z.B. Parafin)
• Photopolymere
• nanometallpulverhaltige leitfähige Pasten

Anwendungen

• Scaffoldentwicklung für das Tissue Engineering
• Herstellung von Weichgewebeimplantaten
• Drucken lebender Zellen (Organic Printing)
• Entwicklung von hohlfaserbasierenden Perfusions-Mikro-Bioreaktorsystemen
• Generierung leitfähiger Beschichtungen für biotechnologische Anwendungen
• Herstellung von Sensoren bzw. Aktoren

Die Technikentwicklung vieler Bereiche geht immer weiter zu kompakteren und kleineren Komponenten und Strukturen. Die Technologie des Nano-Imprint/ µ-Contact-Printings (µ-CP) stellt dabei eine preiswerte Alternative in der Massenfertigung zur etablierten Photolithographie dar. Durch einmaliges Herstellen einer angepassten Silizium-Master-Vorlage und dem Abformen von Replikas mittels Kunststoff, können Materialien kostengünstig und reproduzierbar im Additiv- und Subtraktionsverfahren in verschiedenen Schichtdicken auf Bauteilen aufgebracht werden. Die Anwendung erstreckt sich von der ortsaufgelösten chemischen Oberflächenmodifizierung, über die Herstellung von kleinsten Geometrien und Sensorstrukturen, wie z. B. das Imprinten von Lichtleitkabeln, bis hin zum Einsatz als Mikroreaktionssystem.

Hersteller

• GESIM

Technische Daten

• Druck- und Trockenstation für max. 4 Stempel
• Positioniergenauigkeit von 5 μm für wiederholtes Drucken auf dem gleichen Substrat
• Substratgröße: 25 x 75 mm
• strukturierte Fläche: max. 10 x 10 mm
  (Master Chip: 15 x 15 mm)

Materialien

• hoch und niedrig viskose Medien
• Polymere
• biologische Matrizes
• Pasten mit keramischen und metallischen Partikeln

Anwendung

• Micro-Contact-Printing Verfahren zur nasschemischen Oberflächenfunktionalisierung mit kleinsten Substanzmengen
• Imprinten von Pasten mit keramischen und metallischen Partikeln zur Herstellung von Sensorstrukturen
   

Flexible, miniaturisierte Lösungen zur hochsensitiven Messung von Fluoreszenzsignalen sind die Grundlage für die erfolgreiche fluoreszenzbasierte Überwachung chemischer und biochemischer Reaktionen sowie biologischer Vorgänge wie Wachstum und Zelldifferenzierung. Das modulare Fluoreszenzmessgerät ist mit seiner geringen Größe von nur 90 x100 x 25 mm³ das ideale Werkzeug für solche Aufgaben. Durch die geringe Fokusgröße des Moduls ist die Fluoreszenzmessung in sehr kleinen Volumina (bis zu 1 µL) und geringen Konzentrationen (bis zu 6*10^-16 mol/mL für Calcein) problemlos möglich.

Hersteller

• Fraunhofer IWS / IOF

Funktionsprinzip

• Messung der Fluoreszenz

Technische Daten

• Wellenlängencharakteristika:
  Anregung 1: 467 nm / Emission 1: 517 nm,
  Anregung 2: 590 nm / Emission 2: 602 nm
• Lichtleistung schrittweise regelbar bis 1 W
• Messdauer je nach Anwendung von 100 ms min bis zu 10 s
• Nachweisgrenze für Calcein bei 6*10^-16 mol/mL
• Nachweisgrenze für EGFP bei 1,8*10^-16 mol/mL
• Mehrfachmessung mit definierten Intervallen möglich
• Ansteuerung über LabVIEW oder C++ möglich

Anwendung

• Überwachung fluoreszenzgefärbter oder selbstfluoreszierender Zellkulturen
• Überwachung fluoreszenzbasierter Reportergenassays
• Messung der Reaktionskinetik fluoreszierender Reaktanden

Der Nanoplotter NP 2.1.™ ist ein universelles Mikropipettiersystem. Es besteht aus dem Grundgerät mit transparenter Abdeckhaube, einem Diluter-Block, einem Ausgleichsgefäß, einem Ultraschallbefeuchtungssystem sowie Reservoirs für Systemflüssigkeit und Abfall. Die linke Seite des Nanoplotter™-Grundgerätes enthält die Target-Halterung, die rechte den so genannten Funktionsblock mit Mikrotiterplatten-Halter, Waschstation, Trocknungsblock, Stroboskopkamera und Funktionssensor. Kern des Systems sind die mikrotechnisch gefertigten piezoelektrischen Pipetten, die nach dem Drop-and-Demand-Verfahren simultan oder individuell dosieren können.

Dieses berührungslose Freistrahlverfahren ermöglicht die präzise und reproduzierbare Immobilisierung winziger Spots auf beliebig festen Oberflächen. Dabei haben die Tropfen immer die gleiche Größe und es werden gleichmäßige Spotergebnisse erreicht.

Hersteller

• GESIM

Funktionsprinzip

• berührungsloses Dispensing von Nanotröpfchen mittels Piezopipetten
• simultanes oder individuelles Dosieren nach dem Drop-and-Demand-Verfahren

Technische Daten

• Probenvolumen: 0,35 nL pro Tropfen
• Spotdauer: in Abhängigkeit der Linienanzahl pro Chip bis zu 20 min
• bis zu 8 Pipettierkanäle nutzbar

Anwendung

• Funktionalisierung von SPR-Chips
• Herstellung von Fluoreszenzmustern für Kalibrierzwecke
• Herstellung von Proteinmikroarrays

Mit Particle Image Velocimetry (PIV) ist die Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit  auch in Mikrokanälen möglich. Dies ermöglicht die orts- und zeitaufgelöste Beschreibung von Flüssigkeitsströmungen in komplexen Kreisläufen zum Beispiel in Zellkultur- oder Lab-on-a-Chip-Systemen.

Hersteller

• Fraunhofer IWS

Funktionsprinzip

• spezielle Tracerpartikel in Medium gelöst
• Bildaufnahme mit modifiziertem Mikroskopaufbau durch Hochgeschwindigkeitskamera
• Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit mittels Kreuzkorrelation durch selbstentwickelte Software

Technische Daten

• Strömungsgeschwindigkeiten bis 500 mm/s messbar
• statistische Aufarbeitung der Messsignale (mittlerer Fluss, zeitliche Darstellung)
• getriggerte Messwertaufnahme

Anwendung

• Charakterisierung von Mikropumpen
• Messung von Scherkräften in Zellkultursystemen
• Ermittlung von 2D-Strömungsprofilen
• Beschreibung der Partikeldistribution

Lab-on-a-Chip, das miniaturisierte Labor auf einem Chip, steht für komplexe Systeme zur parallelen Abfrage mehrerer Zielparameter aus einer Probe.

Zur automatisierten Bestückung, Überwachung und Analyse von Lab-on-a-Chip Systemen steht ein Multiportalsystem zur Verfügung. Dieses verfügt über eine temperierbare Aufnahmeplatte für Biochips, welche von oben und unten jeweils von einer 3D-Bewegungsbrücke mit einem Funktionskopf bearbeitet wird. Das Portal‐Robotiksystem ermöglicht die monatelange vollautomatisierte Abarbeitung komplexer, benutzerdefinierter Präzisionsabläufe im Hochdurchsatz unter kontinuierlicher Überwachung und Dokumentation.

Hersteller

• Fraunhofer IWS

Technische Daten

• Aufnahmeplatte mit bis zu 10 Supports für Biochips
• integrierter Pipettenwechsler
• Dispenser für 2 Pipetten
• verschließbare Aufnahme für 96-Well Titerplatte
• Kamerasystem und Fluoreszenzmessmodul für mehrere Spektralbereiche zur Online-Überwachung
• Betrieb unter sterilen Bedingungen (z.B. Sterilwerkbank) möglich

universelle Steuersoftware

• automatische Abarbeitung eines Protokolls, bestehend aus einer chronologischen Abfolge von Dosier- und Messschritten für jeden Chip
• Service‐ und Testfunktionen
• definierte Softwareschnittstelle zur Integration in LIMS

Anwendung

• Durchführung von Langzeittoxizitätstest an menschlichen Multi-Organ-Chips
• Online-Überwachung der Zellvitalität und Sauerstoffkonzentration im Biochip

Um den Eintrag und den Verbrauch von Sauerstoff in chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen zu ermitteln, wurde am Fraunhofer IWS auf Grundlage des OPAL-Systems von Colibri Photonics ein System zur nichtinvasiven Messung der Sauerstoffkonzentration entwickelt. Durch die geringe Größe des Messkopfes von nur 90 x 100 x 25 mm³ ist das System flexibel als Messeinheit an einem Portalroboter oder als „Stand-Alone-Modul“ einsetzbar. Über die Kopplung an das Portalrobotiksystem ist die automatisierte, ortsaufgelöste Messung des Sauerstoffgehaltes möglich.

Hersteller

• Fraunhofer IWS

Funktionsprinzip

• Messung des Sauerstoffgehaltes über die Fluoreszenzlebensdauer

Technische Daten

• Lichtleistung schrittweise regelbar bis 1 W
• Messdauer je nach Anwendung von 1 s bis kontinuierlichen Betrieb
• Ortsauflösung bis zu 500 µm
• Mehrfachmessung mit definierten Zeitintervallen möglich

Anwendung

• Ortsaufgelöste Überwachung des Sauerstoffgehaltes in Zellkulturen
• Transducer in Biosensoren mit Sauerstoffverbrauch
• Messung der Reaktionskinetik von Reaktionen mit Sauerstoffverbrauch