Kostensenkung bei Lab-on-a-Chip- und Organ-on-a-Chip-Systemen durch 3D-Druck

Eine Vielzahl neuer Mikrofabrikationsmethoden für die Erstellung von Rapid Prototypes und neuen Systemen ist jetzt verfügbar. Forscher der Technischen Universität Wien erläutern neue Forschungsergebnisse in „Characterization of four functional biocompatible pressure-sensitive adhesives for rapid prototyping of cell-based lab-on-a-chip and organ-on-a-chip systems”.

Ziel der Forschungsstudie war es, Zeit und Kosten bei der Entwicklung der Lab-on-a-Chip-Technologie zu sparen. Bei der Untersuchung der Mikrostrukturierung von Haftklebstoffen stellten die Autoren fest, dass Designflexibilität, schnelles Prototyping und einfache Montage Vorteile mit einem Nachteil bieten. Die meisten heute hergestellten Klebstoffe sind giftig und würden die Zellnachhaltigkeit beim Bioprinting nicht gewährleisten.

Die Forscher suchten nach Zellen und Organ-on-a-Chip-Konzepten, die sowohl in 2D als auch in 3D erstellt werden könnten, und nach solchen, die biokompatible Materialien bieten würden. Schließlich liegt der Schwerpunkt beim Bioprinting auf der Erhaltung des Zelllebens. Trotz einer Reihe von Vorteilen für das Bioprinting und das Erstellen von Mikrokanal-Netzwerken sind die Forscher der Ansicht, dass die Herstellung von Lab-on-a-Chip-Technologien immer noch teuer ist und das Erstellen von Prototypen und endgültigen Designs Jahre dauern kann – oftmals, weil so viele Iterationen erforderlich sind die Komplexität der Arbeit mit lebenden Zellen.

„Es ist wichtig anzumerken, dass Standard-Zellkulturtechniken für statische Bedingungen unter Verwendung großer Zellzahlen und hoher mittlerer Volumina unter Verwendung von beschichteten Polystyrolkolben und Kulturplatten optimiert sind. Dies bedeutet, dass die Integration lebender Zellkulturen in mikrofluidische Geräte und die Miniaturisierung zellbasierter Assays nicht einfach ist, einfachen Skalierungsgesetzen nicht folgt und in vielen Fällen einen empirischen Ansatz zur Anpassung des Sauerstoffbedarfs, der Nährstoffversorgung, der Abfallbeseitigung und der Anwendung erfordert ausreichende Scherkraftbedingungen“, so die Forscher.
“Folglich sind Rapid Prototyping-Methoden der Schlüssel zur Kosten- und Zeitreduzierung, da sie schnelle Designänderungen ermöglichen, die zu einer verbesserten Zellkulturoptimierung und Machbarkeitsstudien führen.”

Bei Haftklebebändern stellten die Forscher eine Verkürzung der Concept-to-Chip-Zeit fest.

„Da Materialeigenschaften bei mikrofluidischen Zellkulturanwendungen eine Schlüsselrolle spielen, wurden die Sauerstoff- und Dampfdurchlässigkeit sowie die optische Transparenz einschließlich Autofluoreszenz in der nächsten Reihe von Experimenten genauer untersucht. Während die Übertragung der Sauerstoffpermeabilität mit integrierten Sauerstoffmikrosensoren überwacht wurde, wurde die Dampfpermeabilität indirekt über die Zunahme des Luftblasenvolumens im Zeitverlauf gemessen“, erklärten die Forscher.

„Insgesamt ermöglicht das Rapid Prototyping mit Haftklebebändern eine Herstellung in einem Schritt mit einer schnellen Zeitspanne von der Konzeption bis zum Chip. Die Anwendung ist auch für zellbasierte Mikrofluidik-Geräte, die mehrere gestapelte Schichten sowie integrierte poröse Membranen erfordern, sehr gut möglich. Schlossen die Autoren. “Wir glauben, dass Haftklebebänder für medizinische Zwecke eine echte Alternative darstellen, um die Herausforderung zu meistern, mehrere funktionelle Schichten verschiedener Polymertypen, einschließlich starrer pneumatischer und fluidischer Schichten sowie flexibler Membranen, schnell und reproduzierbar zu integrieren.”