Entwicklung und Evaluation additiv gefertigter Systeme für die Zellkulturtechnik und Biosensorik

Abstract

Die additive Fertigung, auch bekannt unter der Bezeichnung „3D-Druck“, hat sich längst in etlichen Herstellungsbereichen als vielfältig einsetzbares, nützliches Werkzeug bewährt. Die schnelle Fertigung selbst komplexer Systeme bei gleichzeitig hoher Auflösung birgt ein enormes Potential als disruptive Technologie klassische Fertigungsverfahren zu ersetzen. Der Einsatz der additiven Fertigung in biologischen und medizinischen Anwendungen ist jedoch noch verhältnismäßig beschränkt. Vor allem die Auswahl an charakterisierten und für eine biologische Anwendung geeigneten Materialien begrenzen den Einsatz. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden Materialien der additiven Fertigung eingehend auf eine Eignung für biotechnologische Zwecke evaluiert und die Anwendung in spezifisch-entwickelten Systemen demonstriert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde der Einfluss verschiedener Desinfektions- bzw. Sterilisationsverfahren auf die biologische Verträglichkeit (Biokompatibilität) additiv gefertigter Elemente untersucht. Zudem wurde ein Vergleich dreier Verfahren zur Analyse der Biokompatibilität angestellt, bei dem sich eine bildbasierte Echtzeitanalyse als überlegen erwies. Insgesamt konnte die Eignung des untersuchten 3D-Druckmaterials für biologische Anwendungen festgestellt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde ein Zellkultursystem für die Kultivierung adhärent wachsender Zellen entwickelt und 3D-gedruckt. Nach eingehender Charakterisierung des 3D-Druckmaterials hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften konnte die biologische Verträglichkeit in Studien zur Zellproliferation, -viabilität, -morphologie und Apoptose/Nekrose-Verteilungen sichergestellt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit zeigt das große Potential der additiven Fertigung zur individuellen Herstellung maßgeschneiderter, autarker Versuchssysteme auf. Es wurde unter anderem ein Ko-Kultivierungssystem zur Analyse der Angiogenese entwickelt, das die separate Kultivierung zweier Zelllinien in einem gemeinsamen Kultivierungs-medium ermöglicht. In einer Anwendung konnte gezeigt werden, dass das angiogene Potential von ko-kultivierten mesenchymalen Stammzellen zur Ausbildung gefäßähnlicher Strukturen bei Endothelzellen führt. Im vierten Teil dieser Arbeit werden additiv gefertigte, statische und dynamische Durchflusszellen vorgestellt, die als Apparatur für elektrochemische Messungen in der (Bio)Sensorik dienen. Mithilfe des statischen Systems konnte eine aptamerbasierte impedimetrische Detektion eines Escherichia coli Crooks Stammes realisiert werden.