Entwicklung und Charakterisierung von Tropfen-Bioreaktoren

Miniaturisierte Kultivierungssysteme mit einem hohen Maß an integrierter Sensorik und Kontrollmöglichkeit haben sich als leistungsfähige Werkzeuge in der Entwicklung moderner Bioprozesse erwiesen. Besonders Tropfen-basierte Mikrobioreaktorsysteme (tMBR) eröffnen weitreichende Möglichkeiten zur parallelisierten Kultivierung von Zellen im Hochdurchsatzverfahren bei geringem Probeneinsatz. Das abgeschlossene Fluidelement eines Flüssigkeitstropfens wird dabei genutzt, um eine Kompartimentierung zu erzeugen und separate biologische Prozesse durchzuführen. Im Gegensatz zur Tropfen-basierten Mikrofluidik mit kontinuierlicher Fluidförderung, ermöglichen Kultivierungssysteme mit sessilen Tropfen eine erhöhte Flexibilität in der Fluidhandhabung sowie eine Integration von kontinuierlicher online-Analytik. Allerdings bergen das Aufrechterhalten einer optimalen Kultivierungsumgebung als auch die Förderung von Zellwachstum in einem Flüssigkeitstropfen inhärente Herausforderungen, besonders in Bezug auf Stofftransport und Verdunstung.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Tropfen-basierten Kultivierungssystems zur Kultivierung und Untersuchung von Zellen. Durch die Implementierung einer aktiven Mischtechnik und umfangreicher Sensorik wurde ein leistungsfähiges Kultivierungssystem entwickelt, das als analytisches Werkzeug für biopharmazeutische Applikationen eingesetzt werden kann. Aktive Durchmischung und Stofftransport wurden durch die Anregung von Kapillarwellen auf der Tropfenoberfläche mittels vertikaler Oszillation erzeugt. So kann der gesamte Reaktorinhalt innerhalb von 3 s homogenisiert und kLa-Werte von bis zu 345 h-1 erzeugt werden, ohne bewegte Mischelemente in den Reaktionsraum zu integrieren. Die Flüssigkeitstropfen sind dabei in einen Glas-Chip eingebettet, der für eine definierte Tropfenform und die Integration optischer Sensoren sorgt. Das hohe Potential des entwickelten Tropfen-basierten Mikrorektorsystems, das aufgrund der eingesetzten Mischtechnik als capillary wave microbioreactor (cwMBR) bezeichnet wird, wurde in einem proof-of-concept durch die Kultivierung von Escherichia coli und Chinese Hamster Ovary Zellen gezeigt.