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08.11.2017

Kunststoffbeutel als Minilabor

Plasma funktionalisiert Folienoberfläche

Weltweit suchen Wissenschaftler nach Wegen, Krankheiten mit Stammzellen zu heilen. Dazu müssen sie das Zellmaterial vermehren. Neueste Untersuchungen zeigen, dass dreidimensionale Zellmodelle die Bedingungen im menschlichen Körper besonders genau wiederspiegeln. Solche Zellaggregate lassen sich unter sterilen Bedingungen in tropfenförmigen Nährlösungen erzeugen.

Besonders kostengünstig und sicher geht das in einem Minilabor in Form eines Kunststoffbeutels, den die Fraunhofer-Institute für Biomedizinische Technik IBMT, für Schicht- und Oberflächentechnik IST und für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV entwickelt haben. Darin lassen sich künstlich hergestellte Stammzellen (die – im Gegensatz zu embryonalen Zellen – keine ethischen Kontroversen auslösen) in einer sterilen Umgebung sowohl kultivieren als auch zu 3D-Aggregaten formen.

Schnelle Tropfenbildung ohne Pipettieren

Bislang werden Zellaggregate aus Stammzellen mit Hilfe von Pipettierrobotern oder durch manuelles Pipettieren erzeugt, was mit hohen Anschaffungs- und Wartungskosten oder einem hohen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden ist; hinzu kommt die Gefahr der Kontamination. Das „Labor im Beutel“ der Fraunhofer-Forscher soll die Labor- und Sachkosten verringern, aber auch die Zellausbeute und die Prozesssicherheit deutlich steigern.

Das Mini-Labor ist 150 mm lang, 120 mm breit und 20 mm hoch. Der Schraubverschluss wird per 3D-Druck hergestellt. An der oberen Beutelinnenseite sind die hydrophilen Spots erkennbar (© Fraunhofer IST)

„Wir haben die Beutelwand aus Polymerfolie zweifach beschichtet“, erläutert Dr. Michael Thomas, Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer IST, dessen Team im Projekt für die Beschichtung der Folien zuständig ist. „Eine hydrophobe Grundschicht sorgt dafür, dass die proteinhaltige Nährlösung über die Fläche fließt und nicht anhaftet. Die 150 hydrophilen Spots hingegen bewirken, dass die Tropfen hängen bleiben.“ Um die Folienoberfläche derart gezielt funktionalisieren zu können, verwenden die Braunschweiger Forscher Atmosphärendruck-Plasmaverfahren.

Innerhalb weniger Sekunden lassen sich durch einfaches Schütteln des transparenten Beutels mehrere hundert hängende Tropfen erzeugen, die die Funktion von Mini-Bioreaktoren übernehmen. Die Nährlösungstropfen entwickeln sich quasi selbstständig als hängende Tropfen, in denen sich die Zellaggregate ausbilden können.

Zunächst wird die Nährlösung mit den Stammzellen in den Beutel eingefüllt. Dieser wird einmal umgedreht und dann wieder in die Ausgangslage gebracht. Bei diesem Vorgang bleiben die Tropfen an hydrophilen Spots mit jeweils einem Durchmesser von 5 mm hängen. Die Zellen sinken in die Rundung der Tropfen, wo sie sich miteinander verbinden und zu einem definierten 3D-Aggregat verschmelzen.

Der Clou: Die entstandenen Zellmodelle lassen sich sogar im Beutel einfrieren. Anders als beim manuellen Pipettieren entfällt das Umfüllen in ein separates Kryogefäß.


Inhaltsverzeichnis
Unternehmensinformation

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT

Ensheimer Straße 48
DE 66386 St. Ingbert
Tel.: 6894 9800
Fax: 6894 980-400

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