Mikrofluidiksystem zur lokalisierten elektrischen Impedanzspektroskopie

• A microfluidic system for localized electrical impedance spectroscopy

El Hasni, Akram; Schnakenberg, Uwe (Thesis advisor); Knoch, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Mit den Technologien der Mikrosystemtechnik können mikrofluidische Systeme entwickelt werden, die sich zur Charakterisierung biologischer Zellkulturen oder auch Einzelzellen eignen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mikrofluidischer Chip entwickelt und charakterisiert, der elektrische Impedanzspektroskopiemessungen an fixierten Mikropartikeln bzw. Einzelzellen (hier Mausoozyten) ermöglicht. Der Mikrokanal besitzt vier Kammern, in denen Zellen bzw. Mikropartikeln durch einen hydrodynamischen Effekt festgehalten werden können. Die Kammern sind mit einer neuartigen Anordnung von vier integrierten Mikroelektroden ausgestattet, mit deren Hilfe elektrische Impedanzmessungen durchgeführt werden können. Zur Optimierung des Mikrokanaldesigns in Bezug auf die hydrodynamischen Eigenschaften wurde eine numerische Strömungssimulation durchgeführt. Die Herstellung des mikrofluidischen Chips erfolgte mittels mikrosystemtechnischer Prozesse. Dabei wurde ein komplexer mehrschichtiger Aufbau aus Negativlack SU-8 entwickelt. Zur Reduzierung des kapazitiven Einflusses der Elektroden auf das Impedanzmesssignal im unteren Frequenzbereich wurden die Elektroden elektrochemisch mit einer leitfähigen bioverträglichen Polymerschicht beschichtet. Zur Charakterisierung dieser Oberflächenmodifikation wurden umfangreiche elektrochemische Messungen durchgeführt und mit Hilfe von Modellen interpretiert. Die deutliche Vergrößerung des Messbereichs wurde dabei hauptsächlich durch Verschiebung der unteren Grenzfrequenz erzielt. Für den Funktionsnachweis wurden Impedanzmessungen an Polystyrol-Mikropartikeln mit Durchmessern von 40, 50 und 60 µm durchgeführt und die Abhängigkeit der Impedanzspektren von der Partikelgröße bei vier Messkonfigurationen gezeigt. Die maximalen Impedanzänderungen wurden mit elektrischen FEM-Simulationen verglichen, wobei gute Übereinstimmungen zwischen Experiment und Simulation festgestellt werden konnten. In einem weiteren Versuch wurden leitende Polymer-Mikropartikel mit isolierender Schale vermessen. Diese simulierten den Aufbau einer biologischen Zelle mit einem elektrisch leitfähigen Kern und einer isolierenden dünnen Schicht. Durch den Vergleich mit Messungen von gleichgroßen homogenen Mikropartikeln konnte die Empfindlichkeit der Messkonfigurationen ermittelt werden. Zudem konnte durch die Anwendung der Maxwell-Wagner Approximation die elektrische Leitfähigkeit des Kerns ermittelt werden. Anhand der elektrischen Vermessung von Mausoozyten konnte die Anwendbarkeit des mikrofluidischen Chips zur Charakterisierung von Einzelzellen erfolgreich nachgewiesen werden. Der Einfluss der Zona Pellucida, einer Glykoproteinhülle um die Eizelle, auf das Impedanzspektrum wurde mit Hilfe von Messungen in einem Frequenzbereich von 100 Hz - 10 MHz an zwei Zelltypen untersucht: intakte Eizellen und Eizellen mit entfernter Zona Pellucida. Das Ergebnis zeigte einen deutlichen Unterschied der Impedanzänderungen der zwei Zelltypen. Die relative Impedanzzunahme fiel bei den Eizellen ohne Zona Pellucida mit 30 - 50% deutlich höher als bei den intakten Eizellen, die eine Impedanzzunahme von 10 - 15% zeigten. Diese Ergebnisse standen in Übereinstimmung mit Erkenntnissen aus Elektrorotationsmessungen. Das entwickelte Messsystem bildet die Grundlage für ein zukünftiges Messsystem zur zerstörungsfreien und objektiven Qualitätsbeurteilung der Befruchtung von Eizellen bei der in-vitro Fertilisation, bei der das Härungsverhalten der Zona Pellicida eine entscheidende Rolle spielt. Das zukünftige Messsystem wird dazu dienen, die Befruchtungsrate in der Reproduktionstechnologie zu erhöhen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik [611510]