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Sortieralgorithmen und -architekturen für Elektrowetting-basierte Mikrofluidik-Zellsorter-Chips und deren elektrofluiddynamische Untersuchung

Schreiber, Fedor

Mit der aktiven Verbreitung des „Lab-on-a-Chip“-Konzeptes in der Medizintechnik gewinnt die chipbasierte Sortierung von biologischen vitalen Proben in der biomedizinischen Forschung und in zellbasierten therapeutischen Ansätzen (Tumorgenese-Forschung, Blutstammzell-Transplantation) zunehmend an Interesse und Relevanz. Die im Rahmen des interdisziplinären Forschungs-Verbundprojektes „MINAPSO“ (Mikrochip Navigierte Parallel-Sortieranlage) entwickelte tropfenbasierte Mikrofluidik-Chip-Sortieranlage – beruhend auf der Elektrowetting-Technologie (EWOD) in Kombination mit der Fluoreszenzzytometrie – bietet gegenüber dem konventionellen „Jet-In-Air“-Verfahren mehrere Vorteile. Bei der Verwendung des EWOD-Antriebs lassen sich Mikrotropfen mit den zu sortierenden Zellen im kompakten Mikrofluidik-Chip besonders zellschonend manipulieren bzw. verarbeiten (transportieren, teilen, mischen etc.). Darüber hinaus ist die Bildung gefährlicher Aerosole, dank des gekapselten Chip-Aufbaus, ausgeschlossen. Der Sortierprozess in der Sortieranlage stellt eine permanente Interaktion zwischen der fluoreszenzzytometrischen Echtzeit-Analyse der zellenbehafteten Tropfen und ihrer intelligenten Verarbeitung, die auf dem Elektrodenarray des Mikrochips (sog. Chip-Sortierarchitektur) gemäß Anweisungen des Sortieralgorithmus erfolgt. Die Entwicklung von effizienten Sortieralgorithmen (inkl. Chip-Architekturen) bildet die zentrale Forschungsaktivität dieser Dissertation. Nach gezielten Design- und Optimierungsprozessen in der entwickelten MATLAB-basierten Simulationsplattform ergeben sich u.a. zwei leistungsstarke Sortiermodelle: 2-3-Sequenzteiler-Sorter, Smart-Diffusion-Sorter, wobei der erste Sorter als Prototyp des im Projektrahmen hergestellten Mikrofluidik-Chips fungiert. Der nächste Teil der Dissertation befasst sich mit der numerischen Ermittlung von charakteristischen Zeitkonstanten der involvierten EWOD-Tropfenmanipulationsoperatoren (Transport, Teilung und Mischung) und damit verbundener Optimierungspotenziale der Zellsortieranlage. Diese Ermittlung erfolgt anhand fluiddynamischer 3D-Simulationen (CFD). Der abschließende dritte Teil beschäftigt sich mit dem bislang noch nicht ausreichend erforschten Effekt der Kontaktwinkelsättigung in der EWOD-Technologie. Für die analytische Untersuchung dieses Effektes wird in der MATLAB-Umgebung ein makroskopisches elektromechanisches Berechnungsmodell entwickelt, das auf der elektrostatischen Feldsingularität-Analyse in Kombination mit dem Maxwellschen Spannungstensor basiert. Das analytische Berechnungsmodell ermöglicht die elektromechanischen EWOD-Mechanismen systematisch zu analysieren, wodurch sich auch das Auftreten des Sättigungseffektes schlüssig erklären lässt.

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Schreiber, Fedor: Sortieralgorithmen und -architekturen für Elektrowetting-basierte Mikrofluidik-Zellsorter-Chips und deren elektrofluiddynamische Untersuchung. 2018.

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