Title: Rapid prototyping, manufacturing and application of organ-on-a-chip and cell based lab-on-a-chip systems
Other Titles: Rapid-Prototyping, Herstellung und Anwendung von Organ-on-a-chip- und zellbasierten Lab-on-a-chip-Systemen
Language: English
Authors: Kratz, Sebastian Rudi Adam 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Ertl, Peter  
Assisting Advisor: Rothbauer, Mario 
Issue Date: 2020
Number of Pages: 132
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Heutzutage gibt es grundsätzlich zwei vorklinische Möglichkeiten, um besser zu verstehen, wie physiologische Parameter und Medikamente den menschlichen Organismus beeinflussen können: 2D-Zellkultivierung und komplexe Tiermodelle. 2D Zellkulturen schaffen es jedoch nur im geringen Ausmaß, die Komplexität der menschlichen Physiologie widerzuspiegeln und Tiermodelle können nie den Unterschied zwischen Spezies überwinden und zählen generell zu einer Praxis, die ethisch zu hinterfragen ist. Organ-on-a-Chip- und Lab-on-a-Chip-Systeme wurden entwickelt, um komplexere 3D-Zellmodelle zu erstellen, die dynamischen Umgebungsbedingungen durch Mikrofluidik ausgesetzt sind. Diese Modelle helfen durch die Integration von Biosensorik, tiefgreifende Kenntnisse über das Zellverhalten und menschliche Physiologie zu erlangen.In den letzten Jahren wurden verschiedene Möglichkeiten etabliert, um eine physiologischere Micro-Umgebung zu modellieren sowie das Einbetten von nicht-invasiven Sensoren, um Einflüsse auf die Zellen in Kultur besser detektieren zu können. Eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Mikrofluidiksystemen und Organ-on-a-chip Systemen sind die vielen Iterationsschritte, die vom ersten Entwurf bis zum fertigen und voll funktionsfähigen Arbeitsgerät mit integrierter Biosensorik unternommen werden müssen. Daher besteht ein Bedarf an Rapid Prototyping und Fertigung, die die Entwicklung neuer Organ-on-a-Chip- und zellbasierter Lab-on-a-Chip-Systeme ermöglichen.In dieser Arbeit wird zunächst der aktuelle Stand der Integration von Biosensoren in mikrophysiologische Organ-on-a-Chip- und Body-on-a-Chip-Systeme untersucht und neue Werkzeuge und Strategien für das Rapid Prototyping sowie die Herstellung von Organ-on- a-Chip und zellbasierten Lab-on-a-Chip-Geräte untersucht. Die neuen Methoden werden hinsichtlich des Aufwands, der Genauigkeit bei der Mikrofabrikation und Biokompatibilität sowie der Fähigkeit der Verklebung mit anderen Materialien bewertet, um funktionelle Geräte aufzubauen und Sensorintegration zu ermöglichen. Diese Arbeit wird das gewonnene Wissen nutzen, um die entwickelten Rapid Prototyping- und Herstellungsmethoden zur Etablierung Organ-on-a-Chip- und zellbasierter Lab-on-a-Chip-Systeme zu nutzen.

Nowadays there are basically two pre-clinical ways to gain a better understanding how physiological parameters and drugs can influence the human organism: well-established 2D cell culturing and complex animal models. Both approaches suffer either from a lack of complexity to recapitulate human physiology or come with species-specific differences and are ethically questionable. To overcome these limitations, organ-on-a-chip and cell-based lab-on-a-chip devices have been developed to create more complex human 3D cell models. Such micro physiological systems have shown to provide dynamic, reliable and reproducible measurement conditions, which are crucial in gaining a deeper knowledge into human pathological and physiological processes. Additionally, in recent years several optical and electrical sensing strategies have been employed in organ-on-a-chip devices to detect dynamic cellular responses with high spatial and temporal resolution. Despite these scientific advancements of in vitro cell-based assays and organ-on-a-chip devices, their translation into industrial products is still in its infancy. One major challenge in the development cycle of microfluidic devices is the time needed to go from initial idea to functional prototypes that can be readily translated into industrial manufacturing processes. To overcome this research to application gap, new rapid prototyping techniques are needed to ensure efficient device development including the integration of biosensors and the construction of multi-material composed devices. This thesis therefore reviews the current state of biosensing integration in micro physiological organs-on-a-chip and body-on-a-chip systems and investigates new tools and strategies for the rapid prototyping and manufacturing of organ-on-a-chip and cell- based lab-on-a-chip devices. A new rapid prototyping method is rated in regard to effort and accuracy in microfabrication and biocompatibility as well as the bonding ability to other materials and assembly of multi-featured devices including sensor integration. As a practical application, the developed rapid prototyping and manufacturing methods are employed to create a functional human chip-based organ model.
Keywords: Rapidprototyping; Microfluidic; Organ-on-a-chip; Lab-on-a-chip
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2020.70705
http://hdl.handle.net/20.500.12708/16075
DOI: 10.34726/hss.2020.70705
Library ID: AC16064463
Organisation: E164 - Institut für Chemische Technologien und Analytik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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