Ein dreidimensionales Objekt als eine Summe von zweidimensionalen Schichten zu begreifen, ist die zentrale Idee der additiven Fertigungstechniken, die auch unter dem Ausdruck 3D-Druck bekannt sind. Besondere Bedeutung hat der 3D-Druck hierbei zur Fertigung von individuellen Einzelstücken als auch zum schnellen Prototyping erlangt, denn Modelle werden auf Knopfdruck plastische Realität. Auch dank immer besserer Druckauflösungen in Kombination mit einem hohen Grad an Designfreiheit bietet der 3D-Druck den Fachbereichen der Biotechnologie und Biosensorik Chancen, neue Ansätze der Miniaturisierung mithilfe schneller Iterationszyklen maßgeschneidert in den experimentellen Ablauf zu integrieren.
In der vorliegenden Dissertation wurden ausgewählte Anwendungen für das biotechnologische Labor miniaturisiert und mit einem hochauflösenden 3D-Drucker gefertigt. Dazu gehören Anwendungen zur Separation von Biomolekülen, Sensorintegration sowie die automatische Erstellung von Verdünnungsreihen. Mittels der Flexibilität des 3D-Drucks konnten Konzepte umgesetzt werden, die die Anpassung an variierende experimentelle Aufbauten erleichtern sollen. 3D-Druck erlaubte eine schnelle Optimierung der Systeme, während die Miniaturisierung den Platzbedarf und den Verbrauch an Reagenzien verringerte. Im ersten Teil der Arbeit wurde eine kontinuierliche Separationseinheit in Form einer miniaturisierten Frei-Fluss Elektrophorese mittels eines modularen Ansatzes umgesetzt. Externe Komponenten wie Elektroden und nanoporöse Membranen konnten so zuverlässig mittels eines additiv gefertigten Stecksystems integriert werden. Die resultierenden stabilen elektrischen Felder erlaubten es, Farbstoffe und Aminosäuren in einem kontinuierlichen Ansatz zu separieren. Im zweiten Teil wurden kommerzielle, elektrochemische Sensoren in additiv gefertigte, statische und dynamische Durchflusszellen integriert, mit dem Ziel, eine kontrollierte Umgebung für biosensorische Experimente zu schaffen. Dieser Aufbau wurde verwendet, um spezifisch das Bakterium Escherichia coli Crooks durch die Kombination von Aptasensorik und elektrochemischer Impedanzspektroskopie zu quantifizieren. Im dritten Teil wurde ein mikrofluidischer 3D-gedruckter Gradientengenerator zur automatisierten und kontinuierlichen Erzeugung einer Zweifachverdünnungsreihe entwickelt. Das System wurde genutzt, um definierte Antibiotikakonzentrationen zur Bestimmung minimaler Hemmstoffkonzentrationen im klassischen Mikrotiterplattenformat zu erstellen. Durch die Integration photonischer Siliziumsensoren in den Gradientengenerator im nächsten Schritt, konnte das Wachstum von Escherichia coli bei verschiedenen Antibiotikakonzentrationen online und parallelisiert on-chip gemessen werden. Damit konnte die minimale Hemmstoffkonzentration in 90 min bestimmt werden.
Understanding a three-dimensional object as a sum of two-dimensional layers is the central idea of additive manufacturing techniques, also known as 3D printing. 3D printing has become particularly important for the production of customized applications as well as for rapid prototyping, since models become plastic reality at the touch of a button. Thanks to ever-improving printing resolutions – together with the high degree of design freedom – 3D printing offers the fields of biotechnology and biosensors opportunities to integrate new approaches of miniaturization into the experimental process in a tailored manner with the aid of rapid iteration cycles.
In this dissertation, selected applications for the biotechnological laboratory were miniaturized and fabricated using a high-resolution 3D printer. These applications include the separation of biomolecules, the integration of sensor technology, and the automatic creation of dilution series. Using the flexibility of 3D printing, adaptation concepts for varying experimental setups could be successfully implemented. 3D printing allowed for rapid optimization of the systems, while miniaturization reduced space requirements and reagent consumption. In the first part of this work, a continuous separation unit in the form of a miniaturized free-flow electrophoresis was implemented using a modular approach. External components such as electrodes and nanoporous membranes were reliably integrated by means of an additively manufactured plug-in system. The resulting stable electric fields allowed for the separation of dyes and amino acids in a continuous approach. In the second part, commercial electrochemical sensors were integrated into additively manufactured static and dynamic flow cells with the aim of creating a controlled environment for experiments. This setup was used to specifically quantify the bacterium Escherichia coli Crooks by combining aptasensing and electrochemical impedance spectroscopy. In the third part, a microfluidic gradient generator was developed for automated and continuous generation of a two-fold dilution series. The system was used to generate defined antibiotic concentrations for the determination of minimal inhibitor concentrations in the classical microtiter plate format. By integrating photonic silicon sensors into the gradient generator in the next step, the growth of Escherichia coli at different antibiotic concentrations was measured online and in parallel on-chip. This allowed the minimum inhibitor concentration to be determined in no less than 90 min.
