Mikrofluidik-Chip-Architekturen für eine Zell-Sortieranlage basierend auf der Elektrowetting-Technologie
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Fedor Schreiber
Fedor Schreiber hat an der Universität Duisburg-Essen Elektro- und Informationstechnik studiert und ist seit Abschluss des Studiums (Dipl.-Ing.) Promotionsstudent am Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE). Hauptarbeitsgebiete: physikalische Sortierarchitekturen und -algorithmen, Elektrowetting-Verfahren (EWOD), fluiddynamische Simulationen (CFD), elektromagnetische Feldtheorie.
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE), Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Duisburg-Essen und CENIDE – Center for Nanointegration Duisburg-Essen, D-47048 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-379-3183
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Stefan Kahnert
Stefan Kahnert hat an der Westfälischen Hochschule Molekulare Biologie studiert und ist seit Abschluss des Studiums Promotionsstudent am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS). Hauptarbeitsgebiete: Elektrowetting auf dielektrischen Schichten, Mikrosystemtechnik, Fluoreszenzmikroskopie und Zellsortierung.
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), Abteilung Technik Forschung und Entwicklung (TFE) Prozesse und Bauelemente, Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-265
Andreas Goehlich hat an der Universität Essen im Bereich lasergestützter Diagnostik von Zerstäubungsprozessen promoviert (Universität Essen 1994) und war danach wissenschaftlicher Assistent an der Universität Essen. Seit 2002 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Duisburg. Er ist spezialisiert auf die Entwicklung von Halbleiterprozessen. Seit 2011 ist er Gruppenleiter im Bereich der MEMS-Entwicklung mit Schwerpunkt Post-CMOS Integration.
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-129
Dieter Greifendorf hat an der Westfälischen-Wilhelms-Universität in Münster Physik studiert und ist am „Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS“ in Duisburg tätig. Die Hauptarbeitsgebiete sind: Analoge und digitale elektronische Schaltungstechnik, Embedded Systems, Mess- und Regeltechnik und RFID-Systeme.
Fraunhofer-Institut IMS in Duisburg, Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-237
Dr. Bartels hat in Duisburg im Bereich der Charakterisierung von Halbleiteroberflächen promoviert. Zur Zeit ist er Geschäftsführer der Bartels Mikrotechnik GmbH/Dortmund. Das Unternehmen fertigt eine Piezo-Mikropumpe und bietet Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Mikrosystemtechnik mit einem Schwerpunkt in der Mikrofluidik und seinen Applikationen.
Bartels Mikrotechnik GmbH, Konrad Adenauer Allee 11, 44263 Dortmund, Deutschland, Tel.: +49-231-47730-500
Udo Janzyk hat in Dortmund Objekt-Design studiert. Zurzeit ist er Mikrotechnologe bei Bartels Mikrotechnik GmbH. Das Unternehmen fertigt Mikropumpen und bietet Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Mikrosystemtechnik an.
Bartels Mikrotechnik GmbH, Konrad Adenauer Allee 11, 44263 Dortmund, Deutschland, Tel.: +49-231-47730-500
Klaus Lennartz hat an der Fachhochschule Gießen-Friedberg Technisches Gesundheitswesen mit Schwerpunkt Biomedizinische Technik studiert. Hauptarbeitsgebiete: Durchfluss-Zytometrie und Bildanalyse, Netzwerkadministration.
Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), Universitätsklinikum Essen, Hufelandstrasse 16, 45122 Essen, Deutschland, Tel.: +49-201-723-2809
Uwe Kirstein hat an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen Biochemie und Biologie studiert, Diplom- und Promotionsarbeit am dortigen Max-Planck-Institut für Virusforschung durchgeführt. Schwerpunkte seiner wissenschaftlichen Tätigkeit in Essen: Untersuchung molekularer und zellulärer Mechanismen der Krebsentstehung, Forschungs-und Entwicklungsarbeit zur Immun-Analytik spezifischer DNS-Schäden auf dem Niveau einzelner Zellen.
Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), Universitätsklinikum Essen, Virchowstr. 173, 45147 Essen, Deutschland, Tel.: +49-201-723-3381
Andreas Rennings hat an der Universität Duisburg-Essen Elektro- und Informationstechnik studiert und seine Diplomarbeit an der University of California in Los Angeles (UCLA) angefertigt. Im Rahmen seiner anschließenden Promotion beschäftigte er sich mit der effizienten Zeitbereichssimulation elektromagnetischer Felder, und wendete diese Verfahren auf den Entwurf von innovativen Metamaterial-Antennen an. Nach einer zweijährigen Tätigkeit bei der IMST GmbH in Kamp-Lintfort ist er aktuell Akademischer Oberrat am Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Berechnungsmethoden für elektromagnetische Felder, Anwendungen elektromagnetischer Felder – oftmals im medizintechnischen Bereich, zum Beispiel Hochfrequenz-Spulen für die Magnetresonanz-Tomographie.
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE), Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Duisburg-Essen und CENIDE – Center for Nanointegration Duisburg-Essen, D-47048 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-379-4215
Ralf Küppers studierte Diplom-Biologie in Köln. Seit 2004 ist er Lehrstuhlinhaber für Molekulare Genetik am Institut für Zellbiologie (Tumorforschung) der Med. Fakultät der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Immunologie humaner B-Lymphozyten, Lymphom- und Leukämiepathogenese.
Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), Medizinische Fakultät, Universität Duisburg-Essen, Virchowstr. 173, 45122 Essen, Deutschland, Tel.: +49-201-723-3384
Daniel Erni studierte Elektrotechnik an der ETH Zürich und promovierte dort auf dem Gebiet der Laserphysik. Derzeit leitet er das Fachgebiet für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) an der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Elektromagnetische und optische Metamaterialien, Plasmonik und optische Antennen, Nanophotonik und optische Verbindungstechnik, Hochfrequenztechnik und Bioelektromagnetismus, elektromagnetische Simulationen und numerische Strukturoptimierung sowie wissenschaftsphilosophische Fragestellungen zur Repräsentation und Konsistenz der klassischen Elektrodynamik und zur Epistemologie der Ingenieurwissenschaften.
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE), Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Duisburg-Essen und CENIDE – Center for Nanointegration Duisburg-Essen, D-47048 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-379-4212
Zusammenfassung
In diesem Beitrag präsentieren wir die Entwicklung verschiedener Sortieralgorithmen bzw. -topologien für eine auf einem Mikrofluidik-Chip basierende Zell-Sortieranlage, welche auf dem Elektrowetting-Verfahren (EWOD) beruht. Eine der Zielanwendungen dieses neuartigen Zellsorters ist die Untersuchung spezifischer zellulärer Mechanismen durch entsprechende Zellenselektion im Kontext der Tumorgenese-Forschung, z. B. bei der Entstehung von Leukämien oder Lymphomen. Die gesamte, mehrlagige Chip-Entwicklung erfolgte im Rahmen des EU-geförderten (EFRE) Forschungs-Verbundprojektes „MINAPSO“ (Mikrochip Navigierte Parallel-Sortieranlage) und verbindet einen Ansteuerungschip in Standard-CMOS-Technologie mit dem entsprechenden Mikrofluidik-Aufbau. Die hierbei realisierte Sortiertopologie besteht aus einem optimierten 2-3-Sequenzteiler-Sorter mit einer numerisch abgeschätzten, erreichbaren Sortiergeschwindigkeit von 0.6 bis 1.85 Zellen/Takt (zukünftige Chip-Architekturen wie der sog. Smart-Diffusion-Sorter erzielen sogar Geschwindigkeiten bis zu 5 Zellen/Takt). Für die Modellierungs- und Optimierungsprozesse der Sorterarchitekturen bzw. -algorithmen wurde eine Simulationsplattform in MATLAB entwickelt, welche die in dieser digitalen Mikrofluidik zum Einsatz kommenden, EWOD-basierten Manipulationsoperatoren im Kontext eines Datenparadigmas repräsentiert und bearbeitet. Die charakteristischen Zeitkonstanten dieser EWOD-basierten Operatoren wurden anhand fluiddynamischer Simulationen (CFD) mit Hilfe von COMSOL Multiphysics numerisch ermittelt. Weitere Optimierungspotenziale hinsichtlich der resultierenden Sortiergeschwindigkeit der Zellsortieranlagen konnten mittels CFD-Simulationen und entsprechenden Messdaten identifiziert werden. Gemäß unseres Kenntnisstandes stellt der hier vorgestellte Zell-Sorter den gegenwärtig komplexesten EWOD-Mikrofluidik-Chip dar.[1]
Abstract
In this contribution we present the development of various physical sorting algorithms, each of which is represented by a corresponding sorter topology for a microfluidic-based cell sorter chip using electrowetting on dielectric (EWOD) as transport mechanism. One of the main tasks of this novel cell sorter is devoted to the study of specific cell mechansims using cell selection in the research on tumor genesis with respect to e. g. the development of leukemias or lymphomas. The development of the multi-layer chip has been carried out in the framework of the EU founded (EFRE) joint research project „MINAPSO“ (Mikrochip Navigierte Parallel Sortier-Anlage) and encompasses a control chip in standard CMOS technology together with the corresponding mictrofluidic packaging. The hereby realized sorter topology consists of an optimized so-called „2-3-Sequential-Divider-Sorter“ with a numerically estimated performance (i. e. cell throughput) between 0.6 bis 1.85 cells/clock (future chip architectures such as the so-called „Smart-Diffusion-Sorter“ achieve even higher cell throughputs up to 5 cells/clock). For the modeling and optimization of the sorter architectures (aka sorter algorithms) a simulation platform has been developed and implemented in MATLAB. Here the EWOD-based droplet manipulations and subsequent operators have been represented and handled within a sort of data paradigm in order to closely conform to the essentials of digital microfluidics. To estimate the characteristic time delays and the impact of the EWOD-based operators on the overall cell throughput together with the quest for hidden optimization potentials the previous numerical logistic analysis is paralleled by extensive computational fluid dynamics (CFD) simulations using COMSOL Multiphysics as well as by corresponding droplet actuation experiments. It's worth noting that the presented cell sorter stands – to the best of our knowledge – for the currently most complex EWOD microfluidic chip.
Über die Autoren
Fedor Schreiber hat an der Universität Duisburg-Essen Elektro- und Informationstechnik studiert und ist seit Abschluss des Studiums (Dipl.-Ing.) Promotionsstudent am Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE). Hauptarbeitsgebiete: physikalische Sortierarchitekturen und -algorithmen, Elektrowetting-Verfahren (EWOD), fluiddynamische Simulationen (CFD), elektromagnetische Feldtheorie.
Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE), Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität Duisburg-Essen und CENIDE – Center for Nanointegration Duisburg-Essen, D-47048 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-379-3183
Stefan Kahnert hat an der Westfälischen Hochschule Molekulare Biologie studiert und ist seit Abschluss des Studiums Promotionsstudent am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS). Hauptarbeitsgebiete: Elektrowetting auf dielektrischen Schichten, Mikrosystemtechnik, Fluoreszenzmikroskopie und Zellsortierung.
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), Abteilung Technik Forschung und Entwicklung (TFE) Prozesse und Bauelemente, Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-265
Andreas Goehlich hat an der Universität Essen im Bereich lasergestützter Diagnostik von Zerstäubungsprozessen promoviert (Universität Essen 1994) und war danach wissenschaftlicher Assistent an der Universität Essen. Seit 2002 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme in Duisburg. Er ist spezialisiert auf die Entwicklung von Halbleiterprozessen. Seit 2011 ist er Gruppenleiter im Bereich der MEMS-Entwicklung mit Schwerpunkt Post-CMOS Integration.
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS), Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-129
Dieter Greifendorf hat an der Westfälischen-Wilhelms-Universität in Münster Physik studiert und ist am „Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS“ in Duisburg tätig. Die Hauptarbeitsgebiete sind: Analoge und digitale elektronische Schaltungstechnik, Embedded Systems, Mess- und Regeltechnik und RFID-Systeme.
Fraunhofer-Institut IMS in Duisburg, Finkenstraße 61, 47057 Duisburg, Deutschland, Tel.: +49-203-3783-237
Dr. Bartels hat in Duisburg im Bereich der Charakterisierung von Halbleiteroberflächen promoviert. Zur Zeit ist er Geschäftsführer der Bartels Mikrotechnik GmbH/Dortmund. Das Unternehmen fertigt eine Piezo-Mikropumpe und bietet Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Mikrosystemtechnik mit einem Schwerpunkt in der Mikrofluidik und seinen Applikationen.
Bartels Mikrotechnik GmbH, Konrad Adenauer Allee 11, 44263 Dortmund, Deutschland, Tel.: +49-231-47730-500
Udo Janzyk hat in Dortmund Objekt-Design studiert. Zurzeit ist er Mikrotechnologe bei Bartels Mikrotechnik GmbH. Das Unternehmen fertigt Mikropumpen und bietet Entwicklungsdienstleistungen im Bereich der Mikrosystemtechnik an.
Bartels Mikrotechnik GmbH, Konrad Adenauer Allee 11, 44263 Dortmund, Deutschland, Tel.: +49-231-47730-500
Klaus Lennartz hat an der Fachhochschule Gießen-Friedberg Technisches Gesundheitswesen mit Schwerpunkt Biomedizinische Technik studiert. Hauptarbeitsgebiete: Durchfluss-Zytometrie und Bildanalyse, Netzwerkadministration.
Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), Universitätsklinikum Essen, Hufelandstrasse 16, 45122 Essen, Deutschland, Tel.: +49-201-723-2809
Uwe Kirstein hat an der Eberhard-Karls-Universität Tübingen Biochemie und Biologie studiert, Diplom- und Promotionsarbeit am dortigen Max-Planck-Institut für Virusforschung durchgeführt. Schwerpunkte seiner wissenschaftlichen Tätigkeit in Essen: Untersuchung molekularer und zellulärer Mechanismen der Krebsentstehung, Forschungs-und Entwicklungsarbeit zur Immun-Analytik spezifischer DNS-Schäden auf dem Niveau einzelner Zellen.
Institut für Zellbiologie (Tumorforschung), Universitätsklinikum Essen, Virchowstr. 173, 45147 Essen, Deutschland, Tel.: +49-201-723-3381
Andreas Rennings hat an der Universität Duisburg-Essen Elektro- und Informationstechnik studiert und seine Diplomarbeit an der University of California in Los Angeles (UCLA) angefertigt. Im Rahmen seiner anschließenden Promotion beschäftigte er sich mit der effizienten Zeitbereichssimulation elektromagnetischer Felder, und wendete diese Verfahren auf den Entwurf von innovativen Metamaterial-Antennen an. Nach einer zweijährigen Tätigkeit bei der IMST GmbH in Kamp-Lintfort ist er aktuell Akademischer Oberrat am Fachgebiet Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Berechnungsmethoden für elektromagnetische Felder, Anwendungen elektromagnetischer Felder – oftmals im medizintechnischen Bereich, zum Beispiel Hochfrequenz-Spulen für die Magnetresonanz-Tomographie.
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Ralf Küppers studierte Diplom-Biologie in Köln. Seit 2004 ist er Lehrstuhlinhaber für Molekulare Genetik am Institut für Zellbiologie (Tumorforschung) der Med. Fakultät der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Immunologie humaner B-Lymphozyten, Lymphom- und Leukämiepathogenese.
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Daniel Erni studierte Elektrotechnik an der ETH Zürich und promovierte dort auf dem Gebiet der Laserphysik. Derzeit leitet er das Fachgebiet für Allgemeine und Theoretische Elektrotechnik (ATE) an der Universität Duisburg-Essen. Hauptarbeitsgebiete: Elektromagnetische und optische Metamaterialien, Plasmonik und optische Antennen, Nanophotonik und optische Verbindungstechnik, Hochfrequenztechnik und Bioelektromagnetismus, elektromagnetische Simulationen und numerische Strukturoptimierung sowie wissenschaftsphilosophische Fragestellungen zur Repräsentation und Konsistenz der klassischen Elektrodynamik und zur Epistemologie der Ingenieurwissenschaften.
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©2016 Walter de Gruyter Berlin/Boston
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