Development of a multi technology approach for the production of biomedical on-chip devices to enable electrophysiological measurements on alive 3D cardiac organoids

Abstract

The present work reports about detailed investigations and experiments for an optimised microfluidic multi-chamber system for real-time electrophysiology of 3D cardiac organoids on a multi-electrode chip.Several production methods for the fabrication of a cell compartment adapted to microelectrode systems were developed to find an optimal and in fact working process for such a cell device. It turned out that 3D printing of such a system is by far more accurate, cost efficient and reproducible than traditionally used mould systems.The quite difficult problem of accurate positioning and leak-tight attachment of the cell compartment was solved by different adapted or newly developed methods, namely ‘Syringe method’, ‘Kissing method’, ‘Frame method’, ‘Using a mask aligner’, and others, where ‘on-chip printing’ yielded the best results.This novel ‘on-chip’ printing process, based on photolithography and thin film technology, as well as rapid prototyping is introduced, described and documented in detail. In turn, a built-in funnel and channel system had to be permeable enough, to allow for easy and comfortable charging of the measurement system with liquids containing biological cells and organoids.Beside solving the associated design, engineering and material problems, biocompatibility had to be reached and has been proven by associated test protocols. The finally obtained microfluidic cell device fulfils the original pre-given conditions and is applicable for further scientific research of direct on-chip biological in-vitro investigations.

Die vorliegende Arbeit berichtet über detaillierte Untersuchungen und Experimente zur Konstruktion und Herstellung eines optimierten mikrofluidischen Mehrkammersystem für Echtzeit-Elektrophysiologie Messungen von 3D-Organoiden auf einem Multielektrodenchip. Um ein optimales und tatsächlich funktionierendes Verfahren für eine solche Zellvorrichtung zu finden, wurden mehrere Herstellungsverfahren entwickelt und getestet. Es stellte sich heraus, dass das Verfahren eines 3D-Druckes für ein solches System bei weitem genauer, kostengünstiger und reproduzierbarer ist als traditionell verwendete Gussverfahren.Das herausfordernde Problem einer genauen Positionierung und flüssigkeitsdichten Befestigung des Zellkompartiments konnte mit unterschiedlichen adaptierten und neu entwickelten Methoden gel st werden, nämlich der „Spritzenmethode“, der „Kuss-Methode“, der „Rahmenmethode“, der „Verwendung eines Maskenausrichters“ und anderen. Dabei ergab der direkte „On-Chip-Druck“ die besten Ergebnisse.Dieses neuartige "On-Chip"-Druckverfahren, das auf Fotolithografie und Dünnschichttechnologie sowie auf Rapid-Prototyping basiert, wird vorgestellt, beschrieben und ausführlich dokumentiert. Ein eingebautes Trichter- und Kanalsystem konnte durchl ssig genug erstellt werden, um eine einfache und bequeme Befüllung des Messsystems mit biologischen zell- und organoidhaltigen Flüssigkeiten zu erm glichen.Neben der L sung der damit verbundenen konstruktiven, fertigungstechnischen und werkstofftechnischen Probleme musste auch Biokompatibilit t erreicht werden. Diese konnte mittels entsprechenden Testverfahren nachgewiesen werden. Das schlie lich als Prototyp hergestellte mikrofluidische System erfüllt die ursprünglich vorgegebenen Anforderungen und ist für die weitere wissenschaftliche Erforschung biologischer in-vitro Untersuchungen auf dem Chip geeignet.