Återvinning av litiumjonbatterier (LIB) är avgörande på grund av kritiska råmaterialreserver och miljöhänsyn vid kassering. Hydrometallurgisk LIB-återvinning, en framstående industriell teknik, står inför kostnadseffektivitets- och komplexitetsutmaningar. Samtidig kristallisering visar lovande för effektivisering av återvinning genom att extrahera föreningar från förbrukad batterilut med flera komponenter, vilket kräver hög renhet och effektiv kristallseparation. Detta innebär emellertid att man förhindrar oönskade polykristallina partiklar och samkristaller.Kristallisering är vanligt vid LIB-återvinning, men vanligtvis från enkomponentlösningar för att undvika föroreningar. Kärnbildningskontroll, särskilt i flerkomponentlösningar, är fortfarande utmanande, vilket påverkar industriell effektivitet. Sådd, en vanlig kontrollmetod, inducerar ofta oavsiktliga polykristallina partiklar och vätskeinneslutningar, som understuderas på grund av experimentella begränsningar. Microfluidics erbjuder ett värdefullt verktyg för att studera kristallisationskinetik, växla från utrustningsbaserad till prediktiv fysikalisk-kemisk design. Förbättrad blandning och värmeväxling gör den idealisk för kärnbildningsforskning under kristallisation. Denna avhandling fokuserar på avgörande aspekter av samtidig kristallisation. Huvudsyftet är att utveckla en optimerad mikrofluidisk design och simulera mikrofluidikkanalen för att bestämma initiala processparametrar för experiment samt att få det mest förutsägbara området för kristallbildning inom mikrofluidik. Utmaningar i de mikrofluidiska kristallisationssystemen, såsom kanalblockering, som lätt kan uppstå på grund av kristallbildning eller agglomerationer, har tyvärr begränsat de experimentella resultaten. Icke desto mindre kommer denna avhandling att stödja ytterligare experiment med mikrofluidikanordningen under mikroskopi som kommer att hjälpa till att övervinna dessa utmaningar. Arbete med att minska begränsningarna i denna avhandling kan hjälpa till att förstå multikomponentkristallisationen i realtid och faktiskt den nödvändiga uppställningen och infrastrukturen för mikrofluidikexperiment och i förlängningen bidra till att minska de hydrometallurgiska stegen i komplex metallåtervinning. Därför bidrar det till att främja områdena batteriåtervinning, mikrofluidik och samtidig kristallisering. / Recycling lithium-ion batteries (LIB) is essential due to critical raw material reserves and environmental concerns during disposal. Hydrometallurgical LIB recycling, a prominent industrial technology, faces cost-efficiency and complexity challenges. Simultaneous crystallization shows promise for streamlining recycling by extracting compounds from multicomponent spent battery liquor, demanding high purity and effective crystal separation. However, this entails preventing unwanted polycrystalline particles and cocrystals. Crystallization is common in LIB recycling, but usually from single-component solutions to avoid impurities. Nucleation control, especially in multicomponent solutions, remains challenging, affecting industrial efficiency. Seeding, a common control method, often induces unintended polycrystalline particles and fluid inclusions, which are understudied due to experimental limitations. Microfluidics offers a valuable tool for studying crystallization kinetics, shifting from equipment-based to predictive physical-chemical design. Enhanced mixing and heat exchange make it ideal for nucleation research during crystallization. This thesis focuses on crucial aspects of simultaneous crystallization. The main objective is to develop an optimized microfluidic design and simulate the microfluidic channel to determine initial process parameters for experimentation as well as to get the most predictable region of crystal formation within microfluidics. Challenges in the microfluidic crystallization systems, such as channel blockage, which can easily occur due to crystal formation or agglomerations, have unfortunately limited the experimental results. Nonetheless, this thesis will support the further experimentation of the microfluidics device under microscopy which will help to overcome these challenges. Work on reducing the limitations of this thesis can assist in understanding the multicomponent crystallization in real-time and indeed, the necessary setup and infrastructure for microfluidics experiments and in the long run help reduce the hydrometallurgical steps in complex metal recycling. Hence, it contributes to advancing the fields of battery recycling, microfluidics, and simultaneous crystallization.

Abstract  Lack of clinical relevance is assumed to be the main reason behind the high failure rate of medical drugs in the very initial phases of clinical trials. Clinical relevance is difficult to achieve with current tools as they lack the biological and physiological cues found in vivo. Microfluidics, the knowledge of fluid manipulation in small channels, has proven to be a promising science to bridge the gap between the current in vitro and the real in vivo features. In this thesis, a scaffold for the growth of spheroids inside a microfluidic device for potential drug screening was developed. Firstly, the surface of a microfluidic device was coated with the polymers cellulose nanofibrils, polyallylamine hydrochloride, and polyethyleneimine using the Layer-by-Layer technique to achieve an even surface coverage. Here, different chip designs, polymer concentrations, and pressure directions were tested. It was decided that using a negative pressure direction with a polymer concentration of 50 mg/L in a chip design with micropillars was optimal and these conditions were then used for testing the spheroid formation. Secondly, spheroids were grown inside the microfluidic channels using different coatings: the previously mentioned polymer buildup, one non-coated channel, and one coated with attachment factor proteins. These three surface conditions were compared and it was shown that the polymer-based surface cover was indeed superior as a scaffold as it encouraged and promoted cell growth in the spheroid formation of liver cancer cells from the HepG2 cell line. Further development of this cellulose nanofibrils-coated microfluidic device displays a promising future for functioning as an in vitro 3D cell culture model that better mimics the close-to-cell microenvironments by imitating cell proliferation, cell-to-cell, and cell-to-extracellular matrix interactions. / Sammanfattning Den främsta orsaken bakom den höga antal misslyckade kliniska läkemedelsprövningar i de initiala faserna antas bero på brist på klinisk relevans. Klinisk relevans är mycket svår att uppnå med dagens verktyg då de saknar de biologiska och fysiologiska förhållandena som återfinns in vivo. Mikrofluidik, kunskapen om vätskemanipulation i små kanaler har visat sig vara lovande vetenskap för att överbrygga klyftan mellan de nuvarande in vitro och de faktiska in vivo funktionerna. I detta arbete utvecklades en matris för sfäroider att växa på inuti en mikrofluidisk kanal för att potentiellt användas till läkemedelsscreening. Först användes Layer-by-Layer teknologi för att jämnt betäckta ytan inuti en mikrofluidisk kanal med polymererna cellulosananofibriller, polyallylamin hydroklorid samt polyetylenimin. Här testades olika designer på mikrofluidiska chip, polymerkoncentrationer samt tryckriktningar. Utifrån detta gick det att fastställa att negativt tryck med en polymerkoncentration på 50 mg/L i en chippdesign med mikropelare var optimal för en jämn ytbetäckning och dessa förhållanden användes sedan för att pröva sfäroidernas tillväxt. Härnäst testades därmed sfäroidernas tillväxt inuti mikrofluidiska kanaler under tre olika förhållanden: ett med polymerbetäckningen, ett utan betäckning och ett då ytan var täckt med proteiner med fästfaktorer. Dessa tre förhållanden jämfördes sedan med varandra och således gick det att konstatera att den polymerbaseradebetäckningen fungerade överlägset som matris för tillväxt av HepG2 lever cancer cell sfäroider eftersom den tycks främja dess tillväxt och bildning. Det pekar mot att ytterligare utveckling av denna cellulostäckta yta skulle innebära en lovande modell för in vitro 3D cellodling som bättre efterliknar den cellulära mikromiljön genom att imitera cellproliferation, interaktioner celler emellan samt mellan cell och extracellulär matrisen.

Organ-on-Chip (OoC) systems culture human tissues in a controllable environment under microfluidic perfusion and enable a precise recapitulation of human physiology. Although recent studies demonstrate the potential of OoCs as alternative to traditional cell assays and animal models in drug development as well as personalized medicine, unmet challenges in device fabrication, parallelization and operation hinder their widespread application. In order to overcome these obstacles, this thesis focuses on the development of the Organ-on-a-Disc technology for the scalable generation and cultivation of microphysiological tissues. Organ-Discs are fabricated using precise, rapid and scalable microfabrication techniques. They enable the pump- and tubing-free perfusion as well as the parallelized generation and culture of tailorable and functional microtissues using rotation-based operations. The Organ-Disc setup is suitable for versatile tissue readouts, treatments and even whole blood perfusion with minimal handling and equipment requirements. Overall, the Organ-Disc creates a scalable and userfriendly platform technology for microphysiological tissue models and paves the way for their transition towards high-throughput systems.:Abbreviations Symbols 1 Introduction 2 Background 2.1 Fluid Dynamics 2.1.1 Flow Equations 2.1.2 Hydraulic Resistance 2.1.3 Wall Shear Stress 2.1.4 Centrifugal Microfluidics 2.2 Microfluidic Chip Fabrication 2.2.1 Chip Materials 2.2.2 Microstructuring 2.2.3 Bonding 3 State of the Art 3.1 Cell Culture Systems 3.2 3D Tissue Generation in Microfluidic Systems 3.3 Organ-on-Chip 3.4 Scale-up of Organ-on-Chip Systems 3.4.1 Scalable Fabrication Technologies 3.4.2 Parallelization Approaches 3.4.3 Integrated Fluid Actuation 3.5 Centrifugal Microfluidics 4 Objectives 5 Materials and Methods 5.1 Organ-Disc Fabrication 5.1.1 Materials 5.1.2 2D Structuring 5.1.3 Hot Embossing Stamp Fabrication TPE Hot Embossing 5.1.4 Bonding Solvent Vapor Bonding Thermal Fusion Bonding TPE Bonding 5.1.5 Characterization Methods Structure Sizes Bonding Strength Optical Properties 5.2 Organ-Disc Spinner 5.2.1 Centrifugal Loading Setup 5.2.2 Centrifugal Perfusion Setup 5.2.3 Peristaltic Pumping Setup 5.3 Organ-Disc Perfusion 5.3.1 Centrifugal Perfusion 5.3.2 Peristaltic Perfusion 5.4 Preparatory Cell Culture 5.5 Organ-Disc Cell Loading 5.5.1 Centrifugal Cell Loading 5.5.2 Endothelial-lining 5.6 Organ-Disc Cell Culture 5.6.1 Staining and Imaging Live Cell Labeling Live/Dead Staining CD106 Staining CD41 Staining Fixation, Permeabilization and Blocking Actin/Nuclei Staining CD31/Nuclei Staining 5.6.2 Media Analysis 5.6.3 Endothelial Cell Activation 5.6.4 Whole Blood Perfusion 5.7 Data Presentation and Statistics 6 Concept and Design 6.1 Organ-Disc Technology 6.2 Organ-Disc Design 6.3 Centrifugal Cell Loading 6.4 Endothelial Cell Lining 6.5 Centrifugal Perfusion 6.6 Peristaltic Perfusion 7 Building Blocks 7.1 Microfabrication Technology 7.1.1 Structuring 2D Structuring Hot Embossing 7.1.2 Bonding Solvent Vapor Bonding Thermal Fusion Bonding TPE Bonding 7.2 Organ-Disc Spinner 8 Perfusion 8.1 Centrifugal Pumping 8.2 Peristaltic Pumping 9 Tissue Generation and Culture 9.1 3D Tissue Generation 9.2 Stratified Tissue Construction 9.3 Generation of Endothelial-lined Channels 9.4 Perfusion of Endothelial-lined Channels 9.4.1 Media Monitoring Evaporation Cell Metabolism 9.4.2 Inflammatory Cell Stimulation 9.4.3 Whole Blood Perfusion 10 Discussion 10.1 Organ-Disc Technology 10.2 Scalable, Precise and Robust Organ-Disc Fabrication 10.2.1 Fabrication of Thermoplastic Organ-Discs 10.2.2 Fabrication of TPE Modules 10.2.3 Integration of TPE Modules to Organ-Discs 10.3 Tunable, Pump- and Tubing-free Perfusion 10.4 On-Disc Tissue Culture 10.4.1 3D Tissues 10.4.2 Blood Vessel-like Structures 10.4.3 Tissue Characterization and Treatment 10.5 On-Disc Blood Perfusion 11 Summary and Conclusion 12 References 13 Appendix / In Organ-on-Chip (OoC)-Systemen werden menschliche Gewebe mittels mikrofluidischer Versorgung in einer kontrollierten Umgebung kultiviert und so die Physiologie des Menschen nachgebildet. Obwohl aktuelle Studien zeigen, dass dieser Ansatz Alternativen zu herkömmlichen Zellbasierten Tests und Tiermodellen in der Arzneimittelentwicklung und der personalisierten Medizin bietet, stehen einer breiteren Anwendung Hürden im Bereich der Herstellung, Parallelisierung und Handhabung im Weg. Deshalb ist das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung der Organ-on-a-Disc-Technologie, die eine skalierbare Erzeugung und Kultur von mikrophysiologischen Geweben ermöglicht. Für die Herstellung von der Organ-Disc kommen präzise, schnelle und skalierbare Mikrofabrikationsmethoden zum Einsatz. Die Organ-Disc schafft die Basis für die parallelisierte Erzeugung und Kultur von maßgeschneiderten und funktionellen Mikrogeweben, sowie deren Versorgung durch rotationsbasierte Prozesse und ohne zur Hilfenahme von Pumpen oder Schläuchen. Die Organ-Disc eignet sich für unterschiedliche Charakterisierungsmethoden sowie der Gewebestimulation und sogar der Vollblutperfusion mit minimalem Aufwand und Equipment. Insgesamt stellt die Organ-Disc eine skalierbare und benutzerfreundliche Plattformtechnologie für mikrophysiologische Modelle dar und bereitet den Weg für Hochdurchsatzanwendungen.:Abbreviations Symbols 1 Introduction 2 Background 2.1 Fluid Dynamics 2.1.1 Flow Equations 2.1.2 Hydraulic Resistance 2.1.3 Wall Shear Stress 2.1.4 Centrifugal Microfluidics 2.2 Microfluidic Chip Fabrication 2.2.1 Chip Materials 2.2.2 Microstructuring 2.2.3 Bonding 3 State of the Art 3.1 Cell Culture Systems 3.2 3D Tissue Generation in Microfluidic Systems 3.3 Organ-on-Chip 3.4 Scale-up of Organ-on-Chip Systems 3.4.1 Scalable Fabrication Technologies 3.4.2 Parallelization Approaches 3.4.3 Integrated Fluid Actuation 3.5 Centrifugal Microfluidics 4 Objectives 5 Materials and Methods 5.1 Organ-Disc Fabrication 5.1.1 Materials 5.1.2 2D Structuring 5.1.3 Hot Embossing Stamp Fabrication TPE Hot Embossing 5.1.4 Bonding Solvent Vapor Bonding Thermal Fusion Bonding TPE Bonding 5.1.5 Characterization Methods Structure Sizes Bonding Strength Optical Properties 5.2 Organ-Disc Spinner 5.2.1 Centrifugal Loading Setup 5.2.2 Centrifugal Perfusion Setup 5.2.3 Peristaltic Pumping Setup 5.3 Organ-Disc Perfusion 5.3.1 Centrifugal Perfusion 5.3.2 Peristaltic Perfusion 5.4 Preparatory Cell Culture 5.5 Organ-Disc Cell Loading 5.5.1 Centrifugal Cell Loading 5.5.2 Endothelial-lining 5.6 Organ-Disc Cell Culture 5.6.1 Staining and Imaging Live Cell Labeling Live/Dead Staining CD106 Staining CD41 Staining Fixation, Permeabilization and Blocking Actin/Nuclei Staining CD31/Nuclei Staining 5.6.2 Media Analysis 5.6.3 Endothelial Cell Activation 5.6.4 Whole Blood Perfusion 5.7 Data Presentation and Statistics 6 Concept and Design 6.1 Organ-Disc Technology 6.2 Organ-Disc Design 6.3 Centrifugal Cell Loading 6.4 Endothelial Cell Lining 6.5 Centrifugal Perfusion 6.6 Peristaltic Perfusion 7 Building Blocks 7.1 Microfabrication Technology 7.1.1 Structuring 2D Structuring Hot Embossing 7.1.2 Bonding Solvent Vapor Bonding Thermal Fusion Bonding TPE Bonding 7.2 Organ-Disc Spinner 8 Perfusion 8.1 Centrifugal Pumping 8.2 Peristaltic Pumping 9 Tissue Generation and Culture 9.1 3D Tissue Generation 9.2 Stratified Tissue Construction 9.3 Generation of Endothelial-lined Channels 9.4 Perfusion of Endothelial-lined Channels 9.4.1 Media Monitoring Evaporation Cell Metabolism 9.4.2 Inflammatory Cell Stimulation 9.4.3 Whole Blood Perfusion 10 Discussion 10.1 Organ-Disc Technology 10.2 Scalable, Precise and Robust Organ-Disc Fabrication 10.2.1 Fabrication of Thermoplastic Organ-Discs 10.2.2 Fabrication of TPE Modules 10.2.3 Integration of TPE Modules to Organ-Discs 10.3 Tunable, Pump- and Tubing-free Perfusion 10.4 On-Disc Tissue Culture 10.4.1 3D Tissues 10.4.2 Blood Vessel-like Structures 10.4.3 Tissue Characterization and Treatment 10.5 On-Disc Blood Perfusion 11 Summary and Conclusion 12 References 13 Appendix

Die Fähigkeit künstlicher Mikroschwimmer, auf äußere Reize zu reagieren und deren mechanistische Ursprünge, gehören zu den umstrittensten Fragen der interdisziplinären Wissenschaft. Die Erzeugung chemischer Gradienten ist dabei eine technische Herausforderung, da sie aufgrund von Diffusion schnell abflachen. Inspiriert von ‘Stop-flow’ Experimenten aus der chemischen Kinetik zeigen wir, dass die Erzeugung eines mikrofluidischen Gradienten durch Kombination mit einer Druckrückkopplungsschleife zur präzisen Kontrolle des Stoppens erfolgen kann. Das ermöglicht es uns, die mechanistischen Details der Chemotaxis von künstlichen katalytischen Janus-Mikromotoren zu untersuchen. Wir stellen fest, dass diese Kupfer-Janus-Partikel eine chemotaktische Bewegung entlang des Konzentrationsgradienten sowohl in positiver als auch in negativer Richtung zeigen, und wir demonstrieren die mechanische Reaktion der Partikel auf unausgewogene Widerstandskräfte, die dieses Verhalten erklären.

Confronted with the global demographic changes and the increasing pressure on modern healthcare system, there has been a surge of developing new technology platforms in the past decades. Droplet microfluidics is a prominent example of such technology platforms, which offers an efficient format for massively parallelized screening of a large number of samples and holds great promise to boost the throughput and reduce the costs of modern biomedical activities. Despite recent achievements, the realization of a compact and generic screening system which is suited for resource-limited settings and point-of-care applications remains elusive. To address the above challenges, the dissertation focuses on the development of a compact multifunctional droplet micro-magnetofluidic system by exploring the advantages of magnetic in-flow detection principles. The methodologies behind a novel technique for biomedical applications, namely, magnetic in-flow cytometry have been put forth, which encompass magnetic indexing schemes, quantitative multiparametric analytics and magnetically-activated sorting. A magnetic indexing scheme is introduced and intrinsic to the magnetofluidic system. Two parameters characteristic of the magnetic signal when detecting magnetically functionalized objects, i.e. signal amplitude and peak width, providing information which is necessary to perform quantitative analysis in the spirit of optical cytometry has been proposed and realized. Magnetically-activated sorting is demonstrated to actively select individual droplets or to purify a population of droplets of interest. Together with the magnetic indexing scheme and multiparametric analytic technique, this functionality synergistically enables controlled synthesis, quality administration and screening of encoded magnetic microcarriers, which is crucial for the practical realization of magnetic suspension arrays technologies. Furthermore, to satisfy the needs of cost-efficient fabrication and high-volume delivery, an approach to fabricate magnetofluidic devices on flexible foils is demonstrated. The resultant device retains high performance of its rigid counterpart and exhibits excellent mechanical properties, which promises long-term stability in practical applications.

In dieser Dissertation wurde untersucht, inwieweit die Kombination von Mikrofluidik mit elektrophoretischer Formgebung zur additiven Herstellung von Keramikbauteilen genutzt werden kann. Mit Verfahren der Mikrofluidik sollten räumliche Strukturierung und Materialdifferenzierung erfolgen, während die elektrophoretische Abscheidung für die Ausbildung einer homogenen Mikrostruktur sorgt. Es wurde eine Versuchsanlage aufgebaut, die eine kontrollierte elektrophoretische Abscheidung von Keramikpartikeln, die durch eine Hohlelektrode zugeführt werden, auf porösen Membranen ermöglicht. Die Anlage bietet – im Unterschied zu bereits beschriebenen Verfahren – das Potenzial für eine hochgradige Parallelisierung und Multimaterialdruck. Schließlich wurden Finite-Elemente-Modelle zur Feldverteilung und zur Partikelbewegung entwickelt, mit denen die experimentellen Ergebnisse verglichen wurden. Bei den Versuchen traten viele in ihrem Ausmaß nicht erwartete Phänomene auf: elektrohydrodynamische Effekte und nichtelektrisch verursachte Strömungen des Lösungsmittels, die die Ausbeute und Reproduzierbarkeit sowie die Eigenschaften der abgeschiedenen Strukturen verschlechterten, was zusätzlichen Untersuchungen notwendig machte. In Ethanol wurden relevante Abscheideparameter systematisch variiert und die Struktur und das Gefüge der abgeschiedenen Al2O3-Partikel methodisch analysiert. Die Arbeit war Teil eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sachbeihilfe-Projekts (KU 1327/10-1 | RA 614/7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83 / In this dissertation it was examined to what extent the combination of microfluidics with electrophoretic shaping can be used for the additive manufacturing of ceramic components. The spatial structuring and material differentiation should take place using microfluidic methods, while the electrophoretic deposition ensures the formation of a homogeneous microstructure. A test facility was set up that enables controlled electrophoretic deposition of ceramic particles, which are fed through a hollow electrode, onto porous membranes. In contrast to known processes, the system offers the potential for high-quality parallelization and multi-material printing. Finally, finite element models for field distribution and particle movement were developed, with which the experimental results were compared. During the experiments, many phenomena that were not expected occurred: electrohydrodynamic effects and non-electrically induced solvent flows, which reduced the yield and reproducibility as well as the properties of the deposited structures, that made additional studies necessary. We systematically varied relevant deposition parameters in the solvent ethanol and the microstructure of the deposited Al2O3 particles was methodically analyzed. The work was part of a research grant project funded by the German Research Foundation (KU 1327 / 10-1 | RA 614 / 7-1).:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 7 2 Stand der Forschung 8 2.1 Stand der Forschung additive Fertigung keramischer Bauteile 8 2.1.1 Feedstockbasierte additive Fertigungsverfahren 9 2.1.2 Pulverbasierte additive Fertigungsverfahren: 10 2.1.3 Schlickerbasierte additive Fertigungsverfahren 11 2.2 Stand der Forschung elektrophoretische Abscheidung 12 2.3 Stand der Forschung Dielektrophorese 15 2.4 Stand der Forschung EHD-Effekt 16 3 Methodisches Vorgehen 19 3.1 Allgemeiner Aufbau 19 3.2 Elektroden 22 3.3 Lösungsmittel 24 3.4 Abscheidemembranen 25 3.5 Partikel und Suspensionen 27 3.6 Durchführung der Depositionsexperimente 30 3.7 Analyse der abgeschiedenen Strukturen 32 3.7.1 Konfokale 3D Laserscanningmikroskopie (CLSM) 32 3.7.2 Dynamische Differenzkalorimetrie und Thermogravimetrie (DSC/TGA) 33 3.7.3 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Varianzanalyse 33 4 Computersimulationen 35 5 Experimentelle Ergebnisse 41 5.1 Untersuchung des EHD-Effekts 41 5.2 Abscheidung mit verschiedenen Lösungsmitteln und Partikeln 45 5.3 Abscheidung von PEI-Aluminiumoxidpartikeln in Ethanol 51 5.4 DSC-TGA einer bedruckten Membran 60 5.5 Varianzanalyse der Gefügehomogenität elektrophoretisch abgeschiedener Proben 63 6 Zusammenfassung und Ausblick 66 7 Quellenverzeichnis 69 8 Formelverzeichnis 78 9 Tabellenverzeichnis 78 10 Abbildungsverzeichnis 79 11 Anhang 83

In dieser Arbeit wird eine neue Methode und ein neuartiges FET -Sensorelement zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen vorgestellt, das zudem bei Bedarf auch als Chemo- oder Biosensor fungieren kann. Das Einsatzspektrum von FET-basierten Sensoren in Lab on a Chip-Systemen wird dadurch entscheidend erweitert. Bei dem entwickelten FET-Sensor Bauelement handelt es sich um einen normally-on n-leitenden Dünnschichtfeldeffekttransistor mit Ti-Au-Kontakten, basierend auf Silicon-on-Insulator- Substraten, wobei das natürliche Oxid des Siliziumfilms als Schnittstelle zum Elektrolyten bzw. zur Flüssigkeit verwendet wird. Der mit 10exp16 Bor Atomen pro cm³ p-dotierte Siliziumdünnfilm hat eine Dicke von nur 55 nm und ist durch eine 95 nm dicke Siliziumdioxidschicht vom darunterliegenden Siliziumsubstrat von 600 µm Dicke elektrisch isoliert. Aufgrund der geringen Schichtdicke durchdringt die feldempfindliche Raumladungs- bzw. Verarmungszone die gesamte Dünnschicht, so dass durch Anlegen einer Backgatespannung am Substrat der spezifische Widerstand und die Empfindlichkeit des Bauelements eingestellt werden können. Grundlegende ISFET-Funktionalitäten wie die Empfindlichkeit auf Änderungen der Ionenstärke und des pH-Wertes werden nachgewiesen und ein ENFET-Glukosesensor realisiert. Zudem wird im Hinblick auf die Separation von Emulsionen der Nachweis erbracht, dass die Benetzung mit Hexan und Toluol eine Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, und die Empfindlichkeit des Bauelements nach Beschichtung mit einem hydrophoben Methacrylatcopolymerfilm erhalten bleibt. Hinsichtlich der Verwendung des FET-Sensor Bauelements zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen wird zunächst ein theoretisches Modell entwickelt, dessen Kernaussage ist, dass sich in einem rechteckigen Kanal der relative Bedeckungsgrad mit Flüssigkeit direkt proportional zum Drainstrom des FET-Sensors verhält. Basierend auf diesem theoretischen Modell, welches experimentell belegt wird, können mittels eines einzelnen FET-Sensors Füllstand und Füllgeschwindigkeit bzw. bei bekannter Füllgeschwindigkeit Kapillarvolumen und Kapillargeometrie bestimmt werden. Abweichungen von der direkten Proportionalität erlauben zudem, Rückschlüsse auf die Benetzungseigenschaften der Kapillaren und die Dynamik an der Halbleitergrenzfläche zu ziehen. Ist ein Sensorelement vollständig mit Flüssigkeit bedeckt, wird mittels Lösungsmitteltropfen als Markerobjekten die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt. Ändert sich die Ionenkonzentration im Elektrolyten als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit, so kann die Strömungsgeschwindigkeit durch Messung der Ionenkonzentration mittels FET-Sensor ebenfalls ermittelt werden. Als wichtigster Demonstrator für die Verwendung des FET-Sensors wird ein komplexes Lab on a Chip-System zur Separation von Emulsionen auf chemisch strukturierten Oberflächen entwickelt, bei dem der Separationsvorgang mittels FET-Sensorarray verfolgt werden kann. Zur einfachen Herstellung chemisch modifizierter Oberflächen für die Separationsexperimente werden die Abscheidung von nanoskaligen hydrophoben Methacrylatcopolymerfilmen und die selektive Fluorsilanisierung von Oberflächen sowie deren Lösungsmittelbeständigkeit in Wasser, Toluol und Aceton untersucht. Dabei zeigt sich, dass die Hydrophobie nach Lösungsmittelbehandlung weitestgehend erhalten bleibt, Wasserrückstände im Methacrylatfilm aber zu einer reversiblen Schichtdegradation führen können. Als Modellsystem werden Hexan-Wasser- bzw. Toluol-Wasser-Emulsionen verwendet, die auf Oberflächen getrennt werden, deren eine Seite hydrophil, und deren andere Seite hydrophob ist (Stufengradient). Der Separationsprozess beruht auf der großen Affinität des Wassers hin zu polaren Oberflächen, wobei das wenig selektive Lösungsmittel zur unpolaren Seite gedrängt wird. Zur Erlangung eines tieferen Verständnisses des Prozesses werden die Tropfenkoaleszenz und der Einfluss geometrischer Beschränkungen untersucht. Die Versuche werden sowohl auf offenen Oberflächen als auch im Spalt, unter Verwendung von hydrophilen und hydrophoben Oberflächen, durchgeführt. Es zeigt sich, dass sich die Dynamik der Tropfenkoaleszenz im Spalt umgekehrt zur Dynamik auf offenen Oberflächen verhält. Dies wird mittels eines hierzu entwickelten theoretischen Modells erklärt, welches die Minimierung der Oberflächenenergie und Hystereseeffekte einbezieht. Das Lab on a Chip-System schließlich besteht aus einem mit Siliziumnitrid beschichteten FET-Sensorchip, auf den eine Separationszelle aufgeklebt ist. Neben dem Einlass für die Emulsion ist ein weiterer Einlass vorhanden, durch den Salzsäure für eine pH-Reaktion zugegeben werden kann. Der gesamte Separationsprozess sowie die anschließende pH-Reaktion, lassen sich bequem am PC anhand der Änderung der Stromstärke der einzelnen Sensoren verfolgen und analysieren. Wichtige Ergebnisse hier sind: 1) Mittels eines quasi 1-dimensionalen Sensorarrays kann der Verlauf einer Flüssigkeitsfront in einem 2-dimensionalen Areal überwacht bzw. dargestellt werden. 2) Anhand der Signatur des Signalverlaufs bei pH-Änderung und Flüssigkeitsbewegung, können beide Prozesse unterschieden werden. Der Sensor kann also zum Nachweis von Flüssigkeitsbewegungen und zugleich als Chemosensor eingesetzt werden. Es wurde also nicht nur ein neuartiges, äußerst robustes, chemikalienbeständiges und biokompatibles Multifunktionssensorelement mit Abmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich entwickelt, sondern auch eine neue Methode entwickelt, mit der es möglich ist, sowohl (bio-)chemische Reaktionen als auch die Bewegung von Flüssigkeiten in Lab on a Chip-Systemen nachzuweisen.

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Lab-on-a-chip (LOC) technology has blossomed into a major new technology fundamentally influencing the sciences of life and nature. From a systemic point of view however, microfluidics is still in its infancy. Here, we present the concept of a microfluidic central processing unit (CPU) which shows remarkable similarities to early electronic Von Neumann microprocessors. It combines both control and execution units and, moreover, the complete power supply on a single chip and introduces the decision-making ability regarding chemical information into fluidic integrated circuits (ICs). As a consequence of this system concept, the ICs process chemical information completely in a self-controlled manner and energetically self-sustaining. The ICs are fabricated by layer-by-layer deposition of several overlapping layers based on different intrinsically active polymers. As examples we present two microchips carrying out long-term monitoring of critical parameters by around-the-clock sampling. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Neue aussichtsreiche Pharmazeutika scheitern regelmäßig in späten Entwicklungsphasen1 und stehen somit nicht als wertvolle Wirkstoffe zur Verfügung. Ein Grund hierfür ist die komplexe Pharmakinetik und der Mangel an geeigneten in-vitro Modellen. Daher befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung neuartiger in-vitro Membranmodelle am Beispiel der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Zu diesem Zweck wird der aktuelle Stand der Technik vorgestellt und anschließend das Konzept eines Mikrofluidikchips, in welchem mittels Dielektrophorese an eine zuvor erstellte Polyamidmembran CaCo-2-Zellen assembliert wurden. Die Auslegung und Optimierung des Chip-Designs, die Entwicklung der in-situ Membran sowie die Ermittlung der Randbedingungen sind wesentliche Bestandteil dieser Arbeit. Es konnte mittels FEM-Simulationen und Assemblierungsversuchen ein Modell erzeugt werden, mit dem ein Chipdesign entwickelt werden konnte, dass zum einen ein günstigeres Verhältnis von Zellflächen- und Abluminalen Volumen aufweist und zum anderen möglichst wenig Zellen für den Aufbau benötigt. Dieses System bietet somit ein hohes Potenzial für die Herstellung verbesserter in-vitro Modelle. Jedoch konnte auch durch die Charakterisierung mit Rhodamin, Fluorescein und FITC-Dextran aufgezeigt werden, dass dieser Vorteil durch spezifische und unspezifische Bindungen an der größeren Oberfläche z.T. reduziert wird, abhängig vom verwendeten Chipmaterial und untersuchten Wirkstoff. Als neuartig kann die in-situ Herstellung einer vertikalen Polyamidmembran in einem Polymerchip bezeichnet werden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Für diese wurden die Parameter zur optimale Collagenbeschichtung für die Zelladhäsion ermittelt, sowie der Einfluss auf die Zellvitalität untersucht. Des Weiteren wurde das Medium zur Dielektrophorese und zur Kultivierung der Zellen ohne CO2-Begasung optimiert.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Formelzeichen 3 Einleitung 4 Grundlagen 5 Chipdesign 6 Herstellung und Charakterisierung der Stützmembran 7 Entwicklung des Zellkulturmodells 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Anhang 11 Literaturverzeichnis 12 Abbildungsverzeichnis / New promising pharmaceuticals regularly fail at late stages of development1 and thus do not become available as valuable active substances. Two of the main reasons for such failures are the complex pharmacokinetics and the lack of adequate in-vitro models. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel in-vitro membrane models at the example of the blood-brain-barrier (BBB). It starts by presenting current investigations and the state-of-the-art technology and continues with the concept for a microfluidic chip in which CaCo-2 cells were assembled with dielectrophoresis on an in-situ membrane. The essential part of this work was to design and optimize this microfluidic chip, to develop an in-situ membrane to catch the assembled cells and to investigate the required boundary conditions. FEM simulations and assembling experiments conducted to the creation of a model to develop a chip design with a better ratio between cell area and abluminal volume, as well a low number of cells needed for the creation of this model. Such system might have a high potential to establish more sensitive in-vitro models than the current Transwell model. However, it was also demonstrated that this advantage is reduced by specific and nonspecific binding on the larger surface, depending on the chip material and the investigated test substance, shown during the chip characterization by using Rhodamine, Fluorescein and FITC-Dextran. Furthermore, the creation of a vertical polyamide in-situ membrane in a polymer chip like in this work, can be described as novel. To assemble cells on this supporting membrane, a protocol for a collagen coating as well for the dielectrophoresis medium were developed. Also, a modified culture medium was investigated, to allow the cultivation on standard atmospheric conditions.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Formelzeichen 3 Einleitung 4 Grundlagen 5 Chipdesign 6 Herstellung und Charakterisierung der Stützmembran 7 Entwicklung des Zellkulturmodells 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Anhang 11 Literaturverzeichnis 12 Abbildungsverzeichnis