Forschungsgesellschaft für Messtechnik,
Sensorik und Medizintechnik e.V. Dresden

Biokompatibles Sensorarray-System mit Schnellankopplungsmechanismus für eine Online-Messung in der Zellkulturtechnik

In diesem Projekt konnte ein biokompatibles Sensorarray-System für Online-Messungen in der Zellkulturtechnik entwickelt und patentiert werden.
Bei der Kultivierung von Zellen ist die Kontrolle des Zustands des Nährmediums wichtig, da der Verbrauch von Nährstoffen ein wichtiges Indiz für die Zellaktivität ist. Eine hohe Aktivität wiederum ist die Voraussetzung für eine erfolgreiche Züchtung über längere Zeiträume. Dabei sind die physiologischen Parameter in den unteren Zellschichten von besonderem Interesse.

Das neuartige Kultivierungssystem ist in seiner Form an die in der Zellkulturtechnik üblichen Wellplatten angelehnt. Bei der im Projekt realisierten innovativen Lösung werden Zellkultur- und Sensorebene durch eine semipermeable, biokompatible Membran und einen Messspalt getrennt. Durch diese Anordnung sind die Anforderungen an die Zellkompatibilität der Sensorarrays entschärft. Außerdem besteht auch keine Gefahr mehr, dass eine Funktionsstörung der elektrochemischen Sensoren durch Zellbewuchs auftritt.

Die Kalibrierung der elektrochemischen Sensoren kann, ohne die Kultur zu beeinträchtigen, über Multikalibrationslösungen im Spalt vorgenommen werden. Die Kultur wächst auf Zellträgern aus nanoporöser Keramik. Diese erwies sich als geeignetes Membranmaterial, da sie chemisch und physikalisch sehr stabil ist. Es wurden außerdem auch nanoporöse Membranen aus Al ₂ O ₃ hergestellt, die auf ihrer Oberfläche ebenfalls ein unbeeinflusstes Zellwachstum zulassen. Metabolismusrelevante Ionen und Moleküle können durch die Po-renöffnungen diffundieren. Die Membranen können im Autoklaven eingesetzt werden und sind wieder verwendbar.

Um metabolische Änderungen möglichst zeitnah erfassen zu können, wurden eine geringe Membrandicke (0,1 – 0,5 mm) sowie eine Porosität der Membran zwischen 20-60 % und mittlere Porenradien zwischen 200-300 nm realisiert. Dadurch konnte eine wesentlich höhere mechanische Stabilität erreicht werden als bei bisherigen Membranen dieser Größenordnung. Gleichzeitig findet durch die Membranen nur ein geringer Flüssigkeitsdurchtritt statt (Konvektion). Die Zellkulturebene und die Sensorebene sind durch einen speziellen Kopplungsmechanismus verbunden, zwischen beiden befindet sich ein Flüssigkeitsspalt. In diesen diffundieren im abgedichteten Zustand die zu messenden Spezies. Im abgekoppelten Zustand ist die Wellplatte angehoben und die gesamte Sensorebene kann über ein fluidisches System gespült oder mit Lösungen zum Nachkalibrieren der Sensoren befüllt werden.

Unter den Zellträgermembranen befinden sich die planaren Sensorarrays. Sie enthalten amperometrische und potentiometrische Sensoren, die mittels Dickschichttechnik hergestellt wurden. Die pH-Sensoren besitzen als Grundstruktur Antimon-Schichten, die durch kathodische Reduktion aus einer Antimonsalzlösung erhalten werden. Die planaren Sauerstoff- und Glukosesensoren sind membranbedeckte amperometrische Sensoren, die ihre Funktionsschichten durch Dispensertechnik erhalten.

Mit dem planaren Sensorarray ist ein Werkzeug entstanden, mit dem vier metabolisch interessante Messparameter (Sauerstoff- und Glukosekonzentration, Redoxpotential und pH-Wert) gleichzeitig unter der Kultur erfasst werden können. Dafür sorgen sensornahe elekt-ronische Betriebsschaltungsmodule. Diese sind mit dem Sensorarray und dem PC verbunden. Eine gegenseitige messtechnische Beeinflussung der elektrochemischen Sensoren eines Arrays und der sechs Arrays untereinander wird durch eine galvanische Trennung ausgeschlossen.

In diesem Projekt gelang es biologische Zellen auf den keramischen Trennmembranen zu kultivieren. Damit besteht nun die Möglichkeit, die Versorgung der nährstofflimitierten unteren Zellschichten zu kontrollieren und über die Beeinflussung von Wachstumsparametern das Zell- bzw. Gewebewachstum zu optimieren. Die dabei gewonnenen umfangreichen Erfahrungen in der Entwicklung von sensorgestützten Kultivierungssystemen, können nun von Unternehmen, insbesondere KMUs, bei der Anwendung oder Weiterentwicklung derartiger Systeme für verschiedene Anwendungsbereiche genutzt werden. Dazu gehören beispielsweise Forschung, Präparation (z.B. Tissue Engineering-Implantate zunehmender Größe) und Qualitätssicherung (z. B. standardisierte Kultivierung zellbasierter Produkte) Zahlreiche Fachgebiete, wie die Medizintechnik, Biomedizin und Mikrosystemtechnik können dadurch von den Ergebnissen profitieren.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 01/07 bis 06/09 am Kurt-Schwabe-Institut für Mess- und Sensortechnik e.V. Meinsberg (Kurt-Schwabe-Straße 4, 04720 Ziegra-Knobelsdorf, Tel.: 034327/608103) unter der Leitung von Prof. Dr. W. Vonau (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. U. Guth) und der Universität Bayreuth, Friedrich-Baur-Forschungsinstitut für Biomaterialien (Ludwig-Thoma-Str. 36c, 954447 Bayreuth, Tel.: 0921/555596) unter der Leitung von Dipl.-Biol. D. Seitz (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. G. Ziegler).