Technologieentwicklung für komplexe Cell-Sheet-Layer-Systeme. - 133 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
In der vorliegenden Arbeit sollen Technologien für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik oder dem Tissue Engineering entwickelt werden. Exemplarisch soll dies für die biologischen Systeme "Leber" und "hämatopoietische Stammzellnische" erfolgen. Für das Tissue Engineering der Leber werden Technologien beschrieben, welche eine lokal begrenzte chemische Oberflächenmodifikation im und nach dem Mikrothermoformprozess ermöglichen. Diese Technologien werden mit verschiedene Stoffen in Zellkulturexperimenten evaluiert und anschließend miteinander verglichen. Dabei konnte die Methode des "3D microcontact printing" als Methode zur gezielten Zelladhäsion etabliert werden. Des Weiteren wird ein Prinzip zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien demonstriert. Dabei zeigte sich, dass das Prinzip der Faltkantenpositionierung eine vielversprechende Methode zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien ist. Für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik wird gezeigt, inwieweit Heißprägen und Mikrothermoformen zum Strukturieren von thermoplastsichen Folien geeignet sind. Beide Methoden werden zum Nachbau der hämatopoietischen Stammzellnische eingesetzt. Für diese physikalische Strukturierung der Folien sind mikrostrukturierteWerkzeuge notwendig. Darum wurden aus biologischen Proben Bilddaten des trabekulären Knochens und des Knochenmarks gewonnen und diese Strukturen zum Design photolithografischer Masken genutzt. Für das Extrahieren der Strukturen aus Bilddateien werden verschiedene Algorithmen der Binärbilderstellung in MATLAB getestet. Dabei kamen Algorithmen zur Kantendetektion und zur lokalen Schwellenwertberechnung zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass für die Kantendetektion der Algorithmus nach Canny und für die lokale Schwellenwertberechnung der Algorithmus nach Niblack die besten Resultate erzielen. Die so extrahierten Strukturen konnten erfolgreich im Heißprägeprozess eingesetzt werden. Eine weitere Modifikation der so strukturierten Folien mit Topologien trabekulären Knochens konnte im Mikrothermoformprozess durchgeführt werden.
Konzepte zum Aufbau paralleler Mikrobioreaktorsysteme im 24-well-Standard. - 68 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein miniaturisiertes, parallelisierbares Bioreaktorsystem zu entwickeln, das auf bisherigen Forschungsergebnissen des Fachgebiets Nanobiosystemtechnik der TU Ilmenau aufbaut und diese einbindet. Die Zellen sollen auf einem porösen Substrat dreidimensional kultiviert werden. Zur Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff werden die Zellen mit Medium perfundiert. Das Medium wird durch eine integrierte Mikropumpe umgewälzt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Verschluss des Bioreaktors, der gewährleistet, dass der erforderliche Druck zur Perfusion der Zellen aufgebaut werden kann. Dazu wird eine Klemmverbindung in zwei Varianten und ein magnetischer Verschluss getestet. Alle Varianten werden berechnet, bewertet und es wird ein Labormodell aufgebaut, dass die Kraftflüsse im Bioreaktorsystem imitiert. Schließlich erfolgt eine Auswahl und eine Empfehlung für das weiter zu verfolgende Konzept.
Strukturidentifikation am Beispiel fortgeschrittener Zellkultur im polymeren Scaffold. - 52 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Die Kultivierung von Zellen in fortgeschrittener dreidimensionaler Zellkultur ist ein sich seit den letzten Jahren dynamisch entwickelndes Forschungsgebiet. Ein dabei kaum oder gar nicht untersuchter Forschungsgegenstand ist, inwieweit sich Zellen, die in polymeren 3D Scaffolds eingesät werden, sich in ihrer geometrischen Organisation nach bestimmten Regeln selbst organisieren d.h. eine räumliche Struktur ausbilden, die nicht rein zufällig ist. Speziell in den vorliegenden, nach oben offenen MatriGrid- Strukturen stellt sich die Frage, ob die zu beobachtenden Kanäle die Hypothese eines sich ausbildendenden Fluidsystems (Vaskularisierung) zur Ver- und Entsorgung der in 3D Kultur gebildeten, gewebeartigen Zellaggregate rechtfertigt. Durch die Vaskularisierung von Geweben wird in vivo die Arbeit des Blutgefäß- und des Gallenkanalsystems ermöglicht. Zur quantitativan Analyse der Zellstrukturen wurde in dieser Arbeit ein Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe charakteristische Parameter dieser ermittelt werden können. Hierbei werden die Positionen der einzelnen Zellen innerhalb ihrer Zellstruktur über das Auswertungsprogramm Imaris aus LSM-Bildern extrahiert. Die erhaltene Punktemenge wird in Ebenen unterteilt, in welchen separat voneinander nach Abschnitten der entstandenen Kanal- und Hohlraumstrukturen gesucht wird. Diese Abschnitte werden anschließend zu den gesuchten Strukturen verbunden und aus ihnen die charakteristischen Parameter der untersuchten Zellkultur ermittelt und statistisch verglichen.
Untersuchungsmöglichkeiten der zellulären Signalvermittlung unter Verwendung von AlGaN/GaN-Sensoren. - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die Kenntnis zellulärer Signalvermittlungen ist für die Pharma- und medizinische Grundlagenforschung ein wichtiges und viel versprechendes Gebiet für die Suche nach neuen Medikamenten und dem Verständnis zellulärer Funktionen. Die etablierten Verfahren für die Untersuchung der zellulären Kommunikation sind sehr kostspielig oder liefern eine geringe Informationsdichte. Feldeffekt Transistor- und impedimetrische Biosensoren basierend auf AlGaN/GaN-Heterostrukturen stellen eine Möglichkeit dar, die etablierten Verfahren zu ersetzen. Unter diesem Gesichtspunkt wurde die prinzipielle Eignung dieser Biosensoren für die Messung von Konzentrationsunterschieden essentieller sowie xenobiotischer Ionen untersucht. Hierzu wurden verschiedene Alkali- und Erdalkaliionen als Chloride in wässriges (Hepes-Tris-Puffer) und nichtwässriges Medium (DMSO) in Lösung gebracht. Durch Verdünnung der Ausgangskonzentration der Ionen wurde die Sensitivität der Sensoren gegenüber Ionenkonzentrationsänderungen untersucht. FET-Sensoren zeigten bei der Messung in wässrigen Medien bis zu einer Ionenkonzentration von 32 myM deutliche Änderungen des Messsignals. Bei den ECIS-Sensoren lag eine Sensitivität bis 160 myM vor, womit beide Sensortypen eine für physiologische Ionenkonzentrationen ausreichende Auflösungsfähigkeit besitzen. In nicht wässrigen Medien zeigten beide Sensortypen keine reproduzierbaren Ergebnisse. In weiteren Tests wurde nachgewissen, dass durch Manipulation der NA+-Ionenkanäle mit einem Acetylcholinesterase-Inhibitor (Diisoprophylfluorophosphat) die so erzeugten Na+-Ionenströme in die Zellen über die spezifische Änderung des Messsignals der Sensoren nachgewiesen werden können. Über die Untersuchung der pH-Sensitivität und des Leckstroms wurde der Einfluss der Zellkomponente der Biosensoren auf die Langzeitstabilität der Sensoren überprüft. Diese Ergebnisse wurden durch die mikroskopische Dokumentation über Veränderung der Passivierungsschicht und der ohmschen Kontakte der Sensoren ergänzt und ergeben nur bei ECIS-Sensoren bedingt durch Gegebenheiten am Messaufbau eine Änderung der Sensoreigenschaften. Aus den in dieser Masterarbeit gewonnenen Erkenntnissen lässt sich schließen, dass die verwendeten Biosensoren eine Eignung aufweisen zelluläre Signale basierend auf Ionenströme nachzuweisen. In zukünftigen Experimenten müssen die Ergebnisse weiter verifiziert werden.