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WO2025061631A1 - Microsystem component - Google Patents

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Publication number
WO2025061631A1
WO2025061631A1 PCT/EP2024/075816 EP2024075816W WO2025061631A1 WO 2025061631 A1 WO2025061631 A1 WO 2025061631A1 EP 2024075816 W EP2024075816 W EP 2024075816W WO 2025061631 A1 WO2025061631 A1 WO 2025061631A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
receiving chamber
perfusion channel
microsystem component
wall
perforated wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/075816
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Daybith Venegas-Rojas
Hoc Khiem Trieu
Manfred Jücker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Universitatsklinikum Hamburg Eppendorf
Universitaet Hamburg
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Universitatsklinikum Hamburg Eppendorf
Universitaet Hamburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Hamburg Harburg, Universitatsklinikum Hamburg Eppendorf, Universitaet Hamburg filed Critical Technische Universitaet Hamburg Harburg
Publication of WO2025061631A1 publication Critical patent/WO2025061631A1/en
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02Form or structure of the vessel
    • C12M23/16Microfluidic devices; Capillary tubes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34Internal compartments or partitions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/04Filters; Permeable or porous membranes or plates, e.g. dialysis
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • C12M29/10Perfusion
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L2300/0809Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/08Regulating or influencing the flow resistance
    • B01L2400/084Passive control of flow resistance
    • B01L2400/086Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions

Definitions

  • the invention relates to a microsystem component comprising a substrate having a receiving chamber, an insertion opening leading to the receiving chamber and a perfusion channel, wherein the perfusion channel is communicatively connected to the receiving chamber and has an inlet and an outlet, and wherein the receiving chamber is arranged in the perfusion channel and is delimited by a perforated wall.
  • microfluidic microsystem components which enable efficient, automated in vitro testing with very small sample volumes.
  • the smaller analysis area on the chip requires less sample input, and the cell culture can be controlled by supplying nutrients and influenced by introducing active substances, with the effects being studyable in real time.
  • CA 3 031 439 A1 discloses a microfluidic organ-on-chip device with microchannels, adjacent to which a receiving chamber defined by a membrane, a columnar structure, or matrix surfaces is arranged.
  • the receiving chamber can be arranged adjacent to two parallel microchannels. Convective fluid exchange, or perfusion of a cell culture, is enforced by the arrangement of the fluid inlets and the perfusion chamber, whereby pressure surges and uneven flow conditions can occur.
  • Y.-C. et al. discloses a microsystem component with microfluidic channels that are connected in parallel to a common inlet and outlet.
  • Cell culture chambers are defined within the channels by microposts, which are accessible via an insertion opening for introducing the cell culture.
  • the cell culture chambers extend over the length of the perfusion channels, whereby the fluid conveyed through the perfusion channels, which may contain, for example, nutrients and/or active ingredients, flows past the cell culture chamber, and the nutrients and/or active ingredients can only penetrate into the cell culture chamber by diffusion.
  • the object of the present invention is to provide a microsystem component which is improved, in particular with regard to the pressure and flow conditions in the receiving chamber.
  • the insertion opening opens into the receiving chamber delimited by the perforated wall and the perforated wall surrounds the insertion opening, wherein the perforated wall extends from the wall region of the perfusion channel adjacent to the insertion opening into the perfusion channel to the wall region opposite the insertion opening and the receiving chamber delimited by the perforated wall is spaced from at least one adjacent inner wall of the perfusion channel, wherein the cross section of the perfusion channel in the region of the receiving chamber is not completely occupied by the receiving chamber delimited by the perforated wall, so that the perforated wall is flowed against by a fluid flowing in the longitudinal direction of the perfusion channel from the inlet to the outlet and a partial flow of a fluid flowing through the perfusion channel flows through the receiving chamber and another bypass partial flow flows past the receiving chamber
  • a sample such as a cell culture
  • the sample insertion opening can be limited to the opening into the perfusion channel or be designed as a sample introduction channel extending from a sample inlet into the opening to the perfusion channel.
  • the fluid flowing through the perfusion channel flows onto the perforated wall located in the flow path and, in a bypass partial flow, passes below the receiving chamber, for example, when viewing the perfusion channel with the sample introduction direction vertical and the flow direction horizontal from the introduction opening.
  • the receiving chamber, defined by the perforated wall, is arranged at a distance from the wall area opposite the introduction opening.
  • the perforated wall spans at least one plane transverse to the sample introduction direction of the introduction opening and transverse to the flow direction or extension direction of the perfusion channel, and the bypass is formed above and/or below the at least one horizontal perforated wall section delimiting the receiving chamber when the perfusion channel is viewed with the sample introduction direction and flow direction horizontally aligned. Then, the receiving chamber delimited by the perforated wall, with the wall section of the perforated wall extending from the wall region of the perfusion channel adjacent to the introduction opening, is arranged at a distance from the adjacent, generally parallel, inner wall of the perfusion channel.
  • the receiving chamber can be delimited on the one hand by an upper or lower inner wall of the perfusion channel and on the other hand by a perforated wall spaced apart from it, which in turn is delimited by the other inner wall of the perfusion channel, which is the upper or lower wall delimiting the receiving chamber. inner wall, in order to form the bypass in this intermediate space.
  • an upper perforated wall and a lower perforated wall are present to delimit the receiving chamber, wherein the upper perforated wall is arranged adjacent to the upper inner wall of the perfusion channel, leaving a bypass space, and the lower perforated wall is arranged adjacent to the lower inner wall of the perfusion channel, leaving a bypass space.
  • the receiving chamber is therefore not completely in the flow path of the perfusion channel and is therefore exposed to the entire pressure and flow influences of the fluid. On the other hand, it is not simply arranged parallel to the flow path of the perfusion channel and therefore only subjected to flow laterally along the receiving chamber. Rather, the receiving chamber is in the flow path of the perfusion channel and, viewed from the inlet to the outlet in the flow direction or longitudinal direction of the perfusion channel, is subjected to flow and the fluid flows through it.
  • the receiving chamber can, for example, be a cell culture chamber that is designed or used to receive cell tissue as a sample.
  • the insertion opening can be designed as a capillary channel, which on the one hand opens into the receiving chamber in the perfusion channel and on the other hand opens into a larger filler neck on the outside of the microsystem component in order to accommodate a pipette tip in the filler neck for filling a sample (i.e., an object such as cell tissue).
  • the perfusion channel can be designed as a capillary channel and open into and out with larger inlet and outlet necks.
  • Inlet and outlet ports can be configured for connecting tubing lines to connect the microsystem component to a tubing system and at least one pump (e.g., a peristaltic pump) in the tubing system.
  • the ports can be configured as a bore for inserting tubular elements or as a protruding connection port for attaching tubing.
  • the perforated wall can advantageously be formed by spaced-apart posts in the perfusion channel. This achieves a stable structure.
  • the length of the posts extending between opposing wall sections of the perfusion channel defines a space with a known height, so that the volume and size of the sample can be easily and accurately determined.
  • the space of the receiving chamber between the posts can, if necessary, be examined optically via one of the wall surfaces between which the posts extend.
  • the posts can preferably have a height of 50 to 200 ⁇ m. The height can be in the range of 100 ⁇ m.
  • the perforated wall can also be designed, for example, as a rod-structure wall or as a porous wall made of porous material. Such a wall can be produced additively or subtractively using 3D printing.
  • the rod-structure wall can be formed from interwoven or interlaced, i.e., intersecting rods with spaces between them.
  • the posts can have a greater length in the longitudinal direction of the perfusion channel than their width transverse to the longitudinal direction of the perfusion channel. This increases the cross-section of the posts compared to cylindrical posts and improves the stability of the perforated wall. This design improves the resistance to forces exerted on the microsystem component when a sample (especially a cell culture) is introduced with a micropipette. Furthermore, the elongated shape of the posts in the flow direction of the perfusion channel, i.e., in the longitudinal direction, is also advantageous with regard to flow influences.
  • the posts can be circular. However, it is particularly advantageous if the posts have a cross-section that is elliptical, oval, rectangular with rounded corners, or diamond-shaped. Tapering the posts in the direction of flow improves flow behavior. This can reduce turbulence. Furthermore, the connection and load-bearing capacity are improved by the reduced aspect ratio of the posts compared to a circular cylindrical shape, thus improving mechanical stability.
  • the adjacent posts can be offset from each other in the longitudinal direction of the perfusion channel. This ensures the largest possible cross-section of the posts to ensure sufficient stability. The offset simultaneously reduces the effective permeable wall thickness or the length of the interspaces in the direction of flow. The permeability of the perforated wall can thus be improved without compromising stability.
  • the perforated wall can be curved and define a space that is circular, elliptical, or oval in cross-section. This creates a curved space for receiving the sample that is adapted to the three-dimensional spherical shape, particularly of cell tissue.
  • the introduction opening opens into a receiving chamber that is, in cross-section, quasi-drop-shaped. In this case, the fluid in the perfusion chamber does not flow against a straight perforated wall, but rather impinges on the perforated wall at points offset relative to one another in the direction of flow. This controls the influence of pressure, shear forces, and flow velocity caused by the fluid on the sample contained in the interior of the receiving chamber and can, for example, be further reduced and homogenized by appropriately designing the perforated wall.
  • Spaced-apart columns can be arranged within the interior of the receiving chamber. This allows a sample to be held at desired positions in the fluid flow even within the receiving chamber.
  • the columns can be movable. This allows the column structure inside the chamber to adapt to changing environmental conditions, for example, when the sample, such as a cell culture, grows over time and requires more space. The columns can then be partially or completely removed from the chamber.
  • the spacing between the columns and/or the width and/or height of the columns can be varied by external physical parameters.
  • Such microcolumns can, for example, be made of a shape-memory material that changes its state depending on the influencing factor.
  • influencing factors can include temperature, pH value, light, and electrical current or voltage, etc.
  • electrodes are arranged in the recording chamber for electrically measuring properties of a sample located therein, with the electrodes being connectable or connected to an electronic measuring unit. This allows electrically measurable properties of the sample to be determined while it is in the recording chamber.
  • At least one post and/or column is electrically conductive and each forms an electrode.
  • all or selected posts and/or columns can be made of highly doped silicon or coated with a metal layer, with the electrode being electrically connected to a connecting line or a terminal contact. This allows the electrodes to be connected to an electronic measuring unit.
  • the microsystem component may have an integrated measuring unit, in particular a measuring unit designed for electrical impedance spectroscopy (EIS), which is connected to the electrodes.
  • EIS electrical impedance spectroscopy
  • the microsystem component can have multiple receiving chambers in a perfusion channel, each with an insertion opening leading into the receiving chamber. It is also conceivable for the microsystem component to have multiple perfusion channels, each with at least one receiving chamber.
  • the multiple perfusion channels can each have separate inlets and/or outlets or be connected in parallel to a common inlet and/or outlet.
  • Fig. 1 - a perspective sketch of a microsystem component with microfluidic
  • FIG. 2 Sketch of the microsystem component in longitudinal section
  • FIG. 3 Sketch of the microsystem component in longitudinal section with exemplary flow velocities in the perfusion channel and the cell culture chamber;
  • Fig. 4 Sketch of a modified embodiment of the microsystem component with additional columns in the cell culture chamber;
  • FIG. 5 Sketch of a modified embodiment of the microsystem component with several cell culture chambers in the perfusion channel;
  • Fig. 6 Process flow of a manufacturing method for the production of the microsystem component.
  • FIG. 1 shows a perspective sketch of a microsystem component 1 with a microfluidic bioreactor.
  • the microsystem component 1 has a carrier substrate 2, which can be made, for example, of glass, such as borosilicate glass (e.g., Pyrex®) or siloxanes, such as polydimethylsiloxane PDMS.
  • a cavity body 3 can be applied to the carrier substrate 2.
  • This cavity body can be made, for example, of siloxanes, such as polydimethylsiloxane PDMS, and connected to the top side of the carrier substrate 2.
  • the microsystem component 1 has a perfusion channel 4 with an inlet 5 and an outlet 6. Furthermore, an insertion opening 7 is present, which opens transversely into the perfusion channel 4.
  • the insertion opening 7 extends channel-like between a sample inlet 8 and the confluence opening leading into the perfusion channel 4.
  • the confluence opening forms the insertion opening 7, which can be closed, for example, by a cover, after the sample has been introduced.
  • the perfusion channel 4 and the insertion opening 7, or the inlet channel can be introduced into the material of the cavity body 3 on the upper side of the carrier substrate 2 in the depth (i.e. in Figure 1 in the Z-direction of the height or thickness, respectively), and/or on the underside of the cavity body 3 in the thickness direction.
  • the inlet 5 and the outlet 6 are introduced into the cavity body 3 at the opposite ends of the perfusion channel 4.
  • the inlet 5 and the outlet 6 can be designed as bores extending approximately perpendicular to the plane of the carrier substrate 2, each forming a connection piece for receiving connecting tubes. It is conceivable that tubular connection pieces protrude from the upper side of the cavity body 3, onto which a connecting tube can be plugged.
  • the sample inlet 8 is designed as a bore aligned perpendicular to the plane of the carrier substrate 2.
  • the sample inlet 8 preferably has a diameter to accommodate a micropipette with which a sample, such as in particular a cell culture, can be introduced into the (sample) introduction opening 7.
  • the opening of the insertion opening 7 borders a receiving chamber 9 formed in the perfusion channel 4.
  • the receiving chamber 9 is delimited by a perforated wall 10 in order to make the receiving chamber 9 fluid-permeable in the perfusion channel 4 and thereby largely prevent the sample, such as cell cultures, from being washed out into the perfusion channel 4.
  • the cross-section of the perfusion channel 4 is determined by its height in the Z direction and its width in the Y direction.
  • a supply solution can be introduced into the perfusion channel 4 via the inlet 5 and conveyed in the flow direction F through the perfusion channel 4 and the receiving chamber 9 arranged there to the outlet 6.
  • This can be achieved, for example, with a tubing system and a pump, e.g., a syringe pump, with which continuously or discontinuously controlled amounts of fluid can be introduced into the perfusion channel 4 over time and corresponding amounts can be withdrawn from the outlet 6.
  • Figure 2 shows a sketch of the microsystem component 2 in longitudinal section. It can be seen that the channel-shaped insertion opening 7 opens transversely into the perfusion channel 4. This opening is surrounded by a perforated wall 10, which extends adjacent to the opening in a partially circular or partially elliptical shape within the perfusion channel 4 and defines a receiving chamber 9.
  • the perforated wall 10 can define a space with a circular, elliptical, or oval cross-section.
  • Such a receiving chamber 9, with wall surfaces curved in the flow direction F has fluidic advantages.
  • the perforated wall is formed from posts 11 which are spaced apart from one another in the flow direction F, ie, offset from one another in the X-direction, and which extend in the Z-direction from the floor to the ceiling of the perfusion channel 4. Between the posts 11 there is a space which is large enough to allow sufficient fluid to pass through, and is small enough to prevent parts of the sample, such as cell tissue 12, from flowing through the receiving chamber 9. The distance should be in the range of approximately 10 pm to 70 pm and preferably less than 40 pm.
  • the aspect ratio of the posts 11 is reduced compared to cylindrical posts 11 to increase mechanical stability.
  • the cross-sectional area is increased to increase the bonding area with the surface of the carrier substrate 2.
  • the shape is adapted and aligned to improve mechanical stability in the flow direction F.
  • the posts 11 can be tapered in the flow direction F. They can be elliptical, as shown. However, other embodiments with oval, rectangular, or diamond-shaped posts 10 are also conceivable. Rectangular posts 11 should have rounded corners to improve flow behavior and thus be approximately elliptical.
  • the perforated wall 10 does not extend from the opening of the insertion opening 7 to the opposite wall of the perfusion channel 4. Rather, a bypass B is provided between the distal end of the cell culture chamber 9 to the cell culture insertion opening 7 and the adjacent inner wall of the perfusion channel 4. This controls the flow in the receiving chamber 9 and the load on the cell culture 12 through shear forces, pressure, and flow velocity and can, for example, be reduced compared to the embodiment without a bypass or even increased if necessary.
  • posts 11 can be configured as electrodes 13, or additional electrodes 13 can be provided in the receiving chamber 9 independent of the posts 11.
  • the electrodes 13 are connected or connectable to an electronic measuring unit 14 via electrical leads.
  • the measuring unit 14 can be integrated as a semiconductor circuit in the microsystem component 1 or connected to the microsystem component as a separate circuit arrangement via a cable connection and electrical connections.
  • a measuring unit 14 configured for impedance spectroscopy is advantageous.
  • EIS Electrical impedance spectroscopy
  • the shear stress in the receiving chamber 9 can be set to a value of less than 0.4 x 10 -2 Pa, while the shear stress in bypass B is significantly higher at more than 1.2 x 10 -2 Pa.
  • bypass B for the microflow past the receiving chamber 9 makes it possible to significantly reduce the shear stress in the receiving chamber 9 while still maintaining perfusion through the receiving chamber 9. It can be seen that the highest shear stress is in the perfusion channel 4 next to the receiving chamber 9. The shear stress inside the receiving chamber 9 is significantly lower, which is necessary for perfusion cell culture.
  • the bypass design solves further problems. For example, it provides more stability to a tumoroid as cellular tissue in the receiving chamber 9, even if there is an unintended pressure change in the perfusion channel 4, thus significantly reducing the effects on the tumoroid.
  • Bypass B can have a significant impact on pressure distribution.
  • a pressure difference (pO+#p) from the pump can be present on the left side of perfusion channel 4, while the right end can be open to atmospheric pressure (pO). Although a pressure drop occurs along perfusion channel 4, the pressure inside the receiving chamber 9 remains at the average values and completely homogeneous.
  • the pressure in the receiving chamber 9 and the introduction opening 7 can, for example, be approximately 1.0132501 bar, slightly above the atmospheric pressure pO of approximately 1.0132500 bar present at the right outlet 6, while the inlet 5 has a higher pressure, i.e. an overpressure, of more than 1.0132502 bar.
  • the pressure acting on the sample e.g. the 3D cell culture 12 is kept constant and homogeneous in the entire recording chamber 9. This Prevents unwanted strong movement of the tubes, syringe pump or microsystem component 1 when the system is removed from an incubator, e.g. for photography, which exerts high pressure on the sample (e.g. cell culture 12) in the recording chamber 9, which can lead to additional stress on the sample or even to rupture of the cell culture 12, e.g. a tumoroid, through the microcapillary.
  • bypass B can also be used in an implementation of this bypass concept in completely different applications, where it is useful to stabilize the pressure in a specific area of a microchannel while a smaller current flows evenly through it.
  • the flow velocity is much higher near the recording chamber 9 than inside the recording chamber 9, where it is lower than in the central regions, but not zero.
  • the flow velocity within the recording chamber 9 can be reduced by 78% relative to the inlet flow velocity by the bypass B in the illustrated case.
  • the distribution inside the recording chamber 9 is homogeneous. This contributes to providing a stable and homogeneous microenvironment for a cell culture 12 when used as a tumor-on-chip TOC. Mass transport in the recording chamber 9 is greatly reduced, but not eliminated.
  • the distribution in the planes near the inlet 5 and the outlet 6 is more homogeneous, and the velocity decreases to zero in the walls.
  • Figure 3 shows a sketch of the microsystem component 1 in longitudinal section with exemplary flow velocities in the perfusion channel 4 and the receiving chamber 9.
  • Figure 4 shows a sketch of a modified embodiment of the microsystem component 1 with additional columns 15 in the receiving chamber 9.
  • the cell growth of cell tissue 12 as a sample can be improved by using such microcolumns 15 as a scaffold.
  • the volume of the receiving chamber 9 is then entirely or partially provided with a scaffold structure, the growth of a 3D cell culture 12 starting from individual cells can be supported. This offers the possibility of starting from a single cell suspension and creating a 3D cell culture structure in situ.
  • the microcolumns 15 can optionally be made of a smart material that allows the width and/or height of the microcolumns 15 to be controlled on-site.
  • the microcolumns 15 can be formed from materials that are altered by external stimuli such as temperature, pH, light, etc. Thus, during an experiment, the width of the microcolumns 15 could be changed, thereby changing the mass transport entering the receiving chamber 9 as well as the shear stress and pressure inside the receiving chamber 9.
  • Figure 5 shows a sketch of a modified embodiment of the
  • Microsystem component 1 with several receiving chambers 9 in the perfusion channel 4.
  • the perfusion channel 4 extends from its inlet 5 to the opposite outlet 6.
  • Inlet openings 7 open into the perfusion channel 4 alternately from above and below, or from right and left in the X direction as seen in the flow direction F.
  • a receiving chamber 9 Adjacent to each inlet, a receiving chamber 9 is delimited by perforated walls 10 formed from posts 11.
  • a bypass B leading past a respective receiving chamber 9 is present in the perforation channel 4.
  • the bypasses B are arranged alternately below and above in the flow direction F, or to the right and left of the receiving chamber 9 in the X direction.
  • Figure 6 shows a process flow of a manufacturing method for producing the microsystem component 1.
  • microsystem technology i.e. technology for the production of microelectromechanical systems
  • technologies such as photolithography, deep reactive ion etching, self-assembled monolayer, replica molding and oxygen plasma bonding.
  • step A) with a flat substrate, such as a silicon wafer (Si) 16.
  • step B a spin coating of titanium primer (Ti) takes place to improve the adhesion of the next layer.
  • step C a spin coating of photoresist 18 takes place.
  • step D a photolithographic exposure with ultraviolet light UV takes place through a photomask formed from a quartz carrier 19 and a structured chromium coating 20.
  • step E a development of the exposed photoresist, i.e. the photoresist 18 after exposure, takes place.
  • step F a deep reactive ion etching of the silicon Si 16 is carried out. In the process, depressions 20 are introduced into the silicon wafer 16.
  • step G the photoresist, i.e. the exposed photoresist 18 and the Ti primer are removed. What remains is a silicon wafer 16 with depressions 21 in the desired locations.
  • step H a self-assembled monolayer 22 is obtained as an antistiction.
  • step I a molding of polydimethylsiloxane PDMS is performed, which is applied to the surface of the silicon wafer 16.
  • step J the PDMS stamp 23 is removed.
  • step K the polydimethylsiloxane PDMS and glass 24, such as borosilicate glass (e.g., Pyrex®), are exposed to oxygen plasma.
  • step L both surfaces, i.e., the carrier substrate 2 made of glass 24 and the cavity body 3 formed from the PDMS stamp 23, are bonded by annealing.
  • 3D printing for example, can be used for this purpose.
  • the perforated wall can be formed not only from posts 11.
  • 3D printing offers the possibility of forming a porous wall or a rod-structure wall, for example, as a rod structure with intersecting rod structures and intermediate spaces.
  • a rod structure includes honeycomb structures and the like.
  • 3D printing improves the connection between the perforated wall and the channel walls, as these are manufactured together from a single material.
  • the idea of locally stabilizing pressure, shear stress, and flow velocity with a bypass in perfusion channel 4 can essentially be implemented in any channel/tube containing a fluid (air or liquid) where a locally stable region within a fluid flow is required.
  • a probe can be inserted into the stable region to measure the physical or chemical properties of the fluid. It could also be used in chemical reactors with two different chemicals, one in the flow region and the other in the stable region. This allows a very slow reaction to occur at the interface between these two regions.
  • Another application is in cell culture, such as tumor cells.
  • this can also be used for other cell culture types, including healthy cells, to study their response to other fluids, chemicals, drugs, etc.

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Abstract

The invention relates to a microsystem component (1) comprising a substrate (2, 3) which has a receiving chamber (9), an insertion opening (7) which leads to the receiving chamber (9), and a perfusion channel (4). The perfusion channel (4) is communicatively connected to the receiving chamber (9) and has an inlet (5) and an outlet (6). The receiving chamber (9) is arranged in the perfusion channel (4) and is delimited by a perforated wall (10). The insertion opening (7) opens into the receiving chamber (9) delimited by the perforated wall (10), and the perforated wall (10) surrounds the insertion opening (7), said perforated wall (10) extending from the perfusion channel (4) wall region which adjoins the insertion opening (7) into the perfusion channel (4) and to the wall region lying opposite the insertion opening (7), and the receiving chamber (9) delimited by the perforated wall (10) is spaced from at least one adjacent inner wall of the perfusion channel (4). The cross-section of the perfusion channel (4) is not completely taken up by the receiving chamber (9) delimited by the perforated wall (10) in the region of the receiving chamber (9) so that a fluid flowing from the inlet (5) to the outlet (6) in the direction of the longitudinal extension of the perfusion channel (4) flows against the perforated wall (10), wherein a sub-flow of a fluid flowing through the perfusion channel (4) flows through the receiving chamber (9), and another bypass sub-flow flows past the receiving chamber (9).

Description

Mikrosystembauelement Microsystem component

Beschreibung: Description:

Die Erfindung betrifft ein Mikrosystembauelement mit einem Substrat, das eine Aufnahmekammer, eine zur Aufnahmekammer führende Einführungsöffnung und einen Perfusionskanal aufweist, wobei der Perfusionskanal kommunizierend mit der Aufnahmekammer verbunden ist und einen Einlass und einen Auslass hat, und wobei die Aufnahmekammer in dem Perfusionskanal angeordnet und durch eine perforierte Wand umgrenzt ist. The invention relates to a microsystem component comprising a substrate having a receiving chamber, an insertion opening leading to the receiving chamber and a perfusion channel, wherein the perfusion channel is communicatively connected to the receiving chamber and has an inlet and an outlet, and wherein the receiving chamber is arranged in the perfusion channel and is delimited by a perforated wall.

Die Untersuchung von Proben, wie beispielsweise von Zellkulturen, kann mit mikrofluiden Mikrosystembauelementen erfolgen. Diese werden als mikrofluide Chips bereitgestellt, die eine effiziente automatisierte in-vitro Untersuchung mit sehr geringen Probenmengen ermöglichen. Durch die im Vergleich zu In-vitro-Assays im Well-Format reduzierten Analyseflächen im Chip ist ein geringerer Probeneinsatz notwendig und die Zellkultur lässt sich durch Zufuhr von Nährstoffen kontrolliert versorgen und durch Einleiten von Wirkstoffen beeinflussen, wobei die Effekte in Echtzeit untersuchbar sind. The analysis of samples, such as cell cultures, can be performed using microfluidic microsystem components. These are provided as microfluidic chips, which enable efficient, automated in vitro testing with very small sample volumes. Compared to in vitro assays in the well format, the smaller analysis area on the chip requires less sample input, and the cell culture can be controlled by supplying nutrients and influenced by introducing active substances, with the effects being studyable in real time.

Trujillo-de Santiago, G. et al.: „The Tumor-on-Chip: Recent Advances in the Development of Microfluidic Systems to Recapitulate the Physiology of Solid Tumors“, in: Materials 2019, 12, 2945 gibt einen Überblick über bestehende mikrofluide Mikrosystembauelemente sowie ihre Strömungsdynamiken. CA 3 031 439 A1 offenbart ein mikrofluides Organ-on-Chip Bauelement mit Mikrokanälen, neben denen eine durch eine Membran, eine Säulenstruktur oder Matrixoberflächen abgegrenzte Aufnahmekammer angeordnet ist. Die Aufnahmekammer kann neben zwei parallelen Mikrokanälen angeordnet sein. Ein konvektiver Flüssigkeitsaustausch bzw. ein Durchströmen einer Zellkultur wird durch die Anordnungen der Fluideinlässe und die Perfusionskammer erzwungen, wobei Druckstöße und ungleichmäßige Strömungsbedingungen auftreten können. Trujillo-de Santiago, G. et al.: “The Tumor-on-Chip: Recent Advances in the Development of Microfluidic Systems to Recapitulate the Physiology of Solid Tumors”, in: Materials 2019, 12, 2945 gives an overview of existing microfluidic microsystem devices and their flow dynamics. CA 3 031 439 A1 discloses a microfluidic organ-on-chip device with microchannels, adjacent to which a receiving chamber defined by a membrane, a columnar structure, or matrix surfaces is arranged. The receiving chamber can be arranged adjacent to two parallel microchannels. Convective fluid exchange, or perfusion of a cell culture, is enforced by the arrangement of the fluid inlets and the perfusion chamber, whereby pressure surges and uneven flow conditions can occur.

Toh, Y.-C. et al.: „A microfluidic 3D hepatocyte chip for drug toxicity testing“, in: Lab Chip, 2009, 9, 2026-2035 offenbart ein Mikrosystembauelement mit mikrofluiden Kanälen, die parallel zueinander an einen gemeinsamen Einlass und Auslass angeschlossen sind. In den Kanälen sind Zellkulturkammern durch Mikropfosten abgegrenzt, die über eine Einführungsöffnung zum Einführen der Zellkultur zugänglich sind. Die Zellkulturkammern erstrecken sich über die Länge der Perfusionskanäle, wobei das durch die Perfusionskanäle geleitete Fluid, welches bspw. Nährstoffe und/oder Wirkstoffe enthalten kann, an der Zellkulturkammer vorbeiströmt und die Nähr- und/oder Wirkstoffe nur durch Diffusion in die Zellkulturkammer eindringen kann. Toh, Y.-C. et al.: "A microfluidic 3D hepatocyte chip for drug toxicity testing", in: Lab Chip, 2009, 9, 2026-2035 discloses a microsystem component with microfluidic channels that are connected in parallel to a common inlet and outlet. Cell culture chambers are defined within the channels by microposts, which are accessible via an insertion opening for introducing the cell culture. The cell culture chambers extend over the length of the perfusion channels, whereby the fluid conveyed through the perfusion channels, which may contain, for example, nutrients and/or active ingredients, flows past the cell culture chamber, and the nutrients and/or active ingredients can only penetrate into the cell culture chamber by diffusion.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein insbesondere hinsichtlich der Druck- und Strömungsbedingungen in der Aufnahmekammer verbessertes Mikrosystembauelement zu schaffen. The object of the present invention is to provide a microsystem component which is improved, in particular with regard to the pressure and flow conditions in the receiving chamber.

Die Aufgabe wird mit dem Mikrosystembauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. The object is achieved with the microsystem component having the features of claim 1. Advantageous embodiments are described in the subclaims.

Es wird vorgeschlagen, dass die Einführungsöffnung in die durch die perforierte Wand umgrenzte Aufnahmekammer einmündet und die perforierte Wand die Einführungsöffnung umgibt, wobei sich die perforierte Wand ausgehend von dem an die Einführungsöffnung angrenzenden Wandbereich des Perfusionskanals in den Perfusionskanal zu dem der Einführungsöffnung gegenüberliegenden Wandbereich hin erstreckt und die durch die perforierte Wand abgegrenzte Aufnahmekammer von mindestens einer benachbarten Innenwand des Perfusionskanals beabstandet ist, wobei der Querschnitt des Perfusionskanals im Bereich der Aufnahmekammer nicht vollständig durch die mit der perforierten Wand umgrenzten Aufnahmekammer eingenommen ist, so dass die perforierte Wand von einem in Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals vom Einlass zum Auslass strömenden Fluid angeströmt wird und ein Teilstrom eines durch den Perfusionskanal strömenden Fluids durch die Aufnahmekammer strömt und ein anderer Bypass-Teilstrom an der Aufnahmekammer vorbeiströmt It is proposed that the insertion opening opens into the receiving chamber delimited by the perforated wall and the perforated wall surrounds the insertion opening, wherein the perforated wall extends from the wall region of the perfusion channel adjacent to the insertion opening into the perfusion channel to the wall region opposite the insertion opening and the receiving chamber delimited by the perforated wall is spaced from at least one adjacent inner wall of the perfusion channel, wherein the cross section of the perfusion channel in the region of the receiving chamber is not completely occupied by the receiving chamber delimited by the perforated wall, so that the perforated wall is flowed against by a fluid flowing in the longitudinal direction of the perfusion channel from the inlet to the outlet and a partial flow of a fluid flowing through the perfusion channel flows through the receiving chamber and another bypass partial flow flows past the receiving chamber

Eine Probe, wie bspw. eine Zellkultur, kann damit über die Einführöffnung quer zur Strömungsrichtung des Perfusionskanals in die dort mit einer perforierten Wand abgegrenzte Aufnahmekammer eingebracht werden. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Einführöffnung so, dass sich die Probe zumindest im Anfangsstadium in Form eines tropfenförmigen, dreidimensionalen Gebildes an der Ausmündung der Einführöffnung in die Aufnahmekammer halten kann, z. B. durch Kapillarkräfte. Die Proben-Einführöffnung kann sich auf die Einmündung in den Perfusionskanal beschränken oder als Probeneinführungskanal ausgeführt sein, der sich von einem Probeneinlass in die Einmündung zum Perfusionskanal erstreckt. A sample, such as a cell culture, can thus be introduced through the insertion opening transversely to the flow direction of the perfusion channel into the receiving chamber defined by a perforated wall. It is advantageous to design the insertion opening such that the sample, at least in the initial stage, can adhere to the opening of the insertion opening in the receiving chamber in the form of a droplet-shaped, three-dimensional structure, e.g., through capillary forces. The sample insertion opening can be limited to the opening into the perfusion channel or be designed as a sample introduction channel extending from a sample inlet into the opening to the perfusion channel.

Das durch den Perfusionskanal strömende Fluid strömt auf die im Strömungsweg angeordnete perforierte Wand sowie in einem Bypass-Teilstrom beispielsweise bei Betrachtung des Perfusionskanals mit vertikaler Ausrichtung der Probeneinführungsrichtung und horizontaler Strömungsrichtung von der Einführungsöffnung gesehen unterhalb der Aufnahmekammer vorbei. Dabei ist die durch die perforierte Wand abgegrenzte Aufnahmekammer im Abstand zu dem der Einführungsöffnung gegenüberliegenden Wandbereich angeordnet. The fluid flowing through the perfusion channel flows onto the perforated wall located in the flow path and, in a bypass partial flow, passes below the receiving chamber, for example, when viewing the perfusion channel with the sample introduction direction vertical and the flow direction horizontal from the introduction opening. The receiving chamber, defined by the perforated wall, is arranged at a distance from the wall area opposite the introduction opening.

Denkbar ist auch eine Variante, bei der die perforierte Wand mindestens eine Ebene quer zur Probeneinführungsrichtung der Einführungsöffnung und quer zur Strömungsrichtung bzw. Erstreckungsrichtung des Perfusionskanals aufspannt und der Bypass bei Betrachtung des Perfusionskanals mit horizontaler Ausrichtung der Probeneinführungsrichtung und Strömungsrichtung oberhalb und/oder unterhalb des mindestens einen die Aufnahmekammer begrenzenden horizontalen perforierten Wandabschnitts gebildet wird. Dann ist die durch die perforierte Wand abgegrenzte Aufnahmekammer mit dem sich von dem an die Einführungsöffnung angrenzenden Wandbereich des Perfusionskanals erstreckenden Wandabschnitt der perforierten Wand im Abstand zu der benachbarten, in der Regel parallelen Innenwand des Perfusionskanals angeordnet. A variant is also conceivable in which the perforated wall spans at least one plane transverse to the sample introduction direction of the introduction opening and transverse to the flow direction or extension direction of the perfusion channel, and the bypass is formed above and/or below the at least one horizontal perforated wall section delimiting the receiving chamber when the perfusion channel is viewed with the sample introduction direction and flow direction horizontally aligned. Then, the receiving chamber delimited by the perforated wall, with the wall section of the perforated wall extending from the wall region of the perfusion channel adjacent to the introduction opening, is arranged at a distance from the adjacent, generally parallel, inner wall of the perfusion channel.

Bei der Variante kann die Aufnahmekammer einerseits durch eine obere oder untere Innenwand des Perfusionskanals und andererseits durch eine davon beanstandete perforierte Wand begrenzt sein, die wiederum von der anderen Innenwand des Perfusionskanals, die der die Aufnahmekammer begrenzenden oberen oder unteren Innenwand gegenüberliegt, beabstandet ist, um in diesem Zwischenraum den Bypass zu bilden. Denkbar ist aber auch eine Variante, bei der eine obere perforierte Wand und eine untere perforierte Wand zur Abgrenzung der Aufnahmekammer vorhanden ist, wobei die obere perforierte Wand unter Belassung eines Bypass-Zwischenraums benachbart zur oberen Innenwand des Perfusionskanals und die untere perforierte Wand unter Belassung eines Bypass-Zwischenraums benachbart zur unteren Innenwand des Perfusionskanals angeordnet ist. In the variant, the receiving chamber can be delimited on the one hand by an upper or lower inner wall of the perfusion channel and on the other hand by a perforated wall spaced apart from it, which in turn is delimited by the other inner wall of the perfusion channel, which is the upper or lower wall delimiting the receiving chamber. inner wall, in order to form the bypass in this intermediate space. However, a variant is also conceivable in which an upper perforated wall and a lower perforated wall are present to delimit the receiving chamber, wherein the upper perforated wall is arranged adjacent to the upper inner wall of the perfusion channel, leaving a bypass space, and the lower perforated wall is arranged adjacent to the lower inner wall of the perfusion channel, leaving a bypass space.

Damit wird erreicht, dass die Aufnahmekammer einerseits mit dem Fluid durchströmt wird und andererseits durch den Bypass die Strömungsverhältnisse in der Aufnahmekammer kontrolliert werden. Damit können die Strömungseinflüsse in der Aufnahmekammer z. B. reduziert und gleichzeitig eine bedarfsweise hinreichende Strömung sichergestellt werden. This ensures that the fluid flows through the receiving chamber, while the bypass controls the flow conditions within the receiving chamber. This allows, for example, the flow influences within the receiving chamber to be reduced while simultaneously ensuring sufficient flow when required.

Die Aufnahmekammer steht damit nicht vollständig im Strömungsweg des Perfusionskanal und ist dabei den gesamten Druck- und Strömungseinflüssen des Fluids ausgesetzt. Sie ist andererseits aber auch nicht einfach parallel zu dem Strömungsweg des Perfusionskanals angeordnet und dadurch nur entlang der Aufnahmekammer seitlich angeströmt. Vielmehr steht die Aufnahmekammer zwar im Strömungsweg des Perfusionskanals und wird vom Einlass zum Auslass in Strömungsrichtung bzw. Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals gesehen angeströmt und mit dem Fluid durchströmt. Dabei wirkt aber nur ein Teilstrom des durch den Perfusionskanal strömenden Fluids auf die Aufnahmekammer und ein anderer Bypass-Teilstrom kann an der Aufnahmekammer vorbeiströmen, um damit die bei der Durchströmung auf die Probe einwirkenden Scherkräfte zu kontrollieren, wie bspw. zu reduzieren, und eine gleichmäßigere Druckverteilung und eine Verringerung und eine Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeiten in der Aufnahmekammer zu erreichen. The receiving chamber is therefore not completely in the flow path of the perfusion channel and is therefore exposed to the entire pressure and flow influences of the fluid. On the other hand, it is not simply arranged parallel to the flow path of the perfusion channel and therefore only subjected to flow laterally along the receiving chamber. Rather, the receiving chamber is in the flow path of the perfusion channel and, viewed from the inlet to the outlet in the flow direction or longitudinal direction of the perfusion channel, is subjected to flow and the fluid flows through it. However, only a partial flow of the fluid flowing through the perfusion channel acts on the receiving chamber, while another bypass partial flow can flow past the receiving chamber in order to control the shear forces acting on the sample during flow, for example by reducing them, and to achieve a more even pressure distribution and a reduction and homogenization of the flow velocities in the receiving chamber.

Die Aufnahmekammer kann beispielsweise eine Zellkulturkammer sein, die zur Aufnahme von Zellgewebe als Probe eingerichtet ist bzw. verwendet wird. The receiving chamber can, for example, be a cell culture chamber that is designed or used to receive cell tissue as a sample.

Die Einführöffnung kann als Kapillarkanal ausgebildet sein, der einerseits in der Aufnahmekammer im Perfusionskanal ausmündet und andererseits mit einem größeren Einfüllstutzen an der Außenseite des Mikrosystembauelementes ausmündet, um eine Pipettenspitze in den Einfüllstutzen zum Einfüllen einer Probe (d. h. eines Objektes wie bspw. Zellgewebe) aufzunehmen. Ebenso kann der Perfusionskanal als Kapillarkanal ausgebildet sein und mit größeren Einlass- und Auslassstutzen ein- und ausmünden. Die Einlass- und Auslassstutzen können zum Anschluss von Schlauchleitungen ausgebildet sein, um das Mikrosystembauelement an ein Schlauchsystem und mindestens eine Pumpe (z. B. Peristaltikpumpe) im Schlauchsystem anzuschließen. Die Stutzen können als Bohrung zum Einstecken von rohrförmigen Elementen oder als abragender Anschlussstutzen zum Aufstecken von Schläuchen ausgebildet sein. The insertion opening can be designed as a capillary channel, which on the one hand opens into the receiving chamber in the perfusion channel and on the other hand opens into a larger filler neck on the outside of the microsystem component in order to accommodate a pipette tip in the filler neck for filling a sample (i.e., an object such as cell tissue). Likewise, the perfusion channel can be designed as a capillary channel and open into and out with larger inlet and outlet necks. Inlet and outlet ports can be configured for connecting tubing lines to connect the microsystem component to a tubing system and at least one pump (e.g., a peristaltic pump) in the tubing system. The ports can be configured as a bore for inserting tubular elements or as a protruding connection port for attaching tubing.

Die perforierte Wand kann vorteilhaft durch voneinander beabstandete Pfosten im Perfusionskanal gebildet sein. Damit wird ein stabiler Aufbau erreicht. Die Länge der sich zwischen einander gegenüberliegenden Wandabschnitten des Perfusionskanals erstreckenden Pfosten definiert einen Raum mit bekannter Höhe, so dass sich das Volumen und die Größe der Probe leicht und genau bestimmen lässt. Der zwischen den Pfosten liegende Raum der Aufnahmekammer kann bei Bedarf optisch über ein der Wandflächen, zwischen denen sich die Pfosten erstrecken, untersucht werden. Die Pfosten können eine Höhe von bevorzugt 50 bis 200 pm haben. Die Höhe kann im Bereich von 100 pm liegen. In entsprechender Weise kann die perforierte Wand aber auch als bspw. Stabstrukturwand oder als aus porösem Material gebildete poröse Wand ausgebildet sein. Eine solche Wand kann additiv oder subtraktiv im 3D-Druck hergestellt werden. Die Stabstrukturwand kann aus miteinander verwobenen bzw. verflochtenen, d. h. einander kreuzenden Stäben mit Zwischenräumen gebildet sein. The perforated wall can advantageously be formed by spaced-apart posts in the perfusion channel. This achieves a stable structure. The length of the posts extending between opposing wall sections of the perfusion channel defines a space with a known height, so that the volume and size of the sample can be easily and accurately determined. The space of the receiving chamber between the posts can, if necessary, be examined optically via one of the wall surfaces between which the posts extend. The posts can preferably have a height of 50 to 200 μm. The height can be in the range of 100 μm. Similarly, the perforated wall can also be designed, for example, as a rod-structure wall or as a porous wall made of porous material. Such a wall can be produced additively or subtractively using 3D printing. The rod-structure wall can be formed from interwoven or interlaced, i.e., intersecting rods with spaces between them.

Die Pfosten können eine größere Länge in Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals als Breite quer zur Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals aufweisen. Damit wird der Querschnitt der Pfosten im Vergleich zu zylinderförmigen Pfosten vergrößert und die Stabilität der perforierten Wand verbessert. Diese Ausgestaltung verbessert die Widerstandsfähigkeit vor Krafteinflüssen, die bei dem Einbringen einer Probe (insb. einer Zellkultur) mit einer Mikropipette auf das Mikrosystembauelement aufgebracht werden. Zudem ist die in Strömungsrichtung im Perfusionskanals, d. h. in Längserstreckungsrichtung länglich ausgerichtete Form der Pfosten auch im Hinblick auf die Strömungseinflüsse vorteilhaft. The posts can have a greater length in the longitudinal direction of the perfusion channel than their width transverse to the longitudinal direction of the perfusion channel. This increases the cross-section of the posts compared to cylindrical posts and improves the stability of the perforated wall. This design improves the resistance to forces exerted on the microsystem component when a sample (especially a cell culture) is introduced with a micropipette. Furthermore, the elongated shape of the posts in the flow direction of the perfusion channel, i.e., in the longitudinal direction, is also advantageous with regard to flow influences.

Die Pfosten können kreisförmig sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Pfosten im Querschnitt beispielsweise ellipsenförmig, ovalförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Ecken oder rautenförmig sind. Durch die Verjüngung der Pfosten in Strömungsrichtung wird das Strömungsverhalten verbessert. Dabei können Verwirbelungen reduziert werden. Zudem wird die Anbindungs- und Tragfähigkeit durch das mit den Querschnitten im Vergleich zur Kreiszylinderform reduzierte Seitenverhältnis der Pfosten und damit die mechanische Stabilität verbessert. Die jeweils benachbarten Pfosten können in Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals versetzt zueinander angeordnet sein. Damit wird ein möglichst großer Querschnitt der Pfosten zur Sicherstellung einer ausreichenden Stabilität gewährleistet und mit Hilfe des Versatzes gleichzeitig die effektive durchlässige Wanddicke bzw. die Länge der Zwischenräume in Strömungsrichtung reduziert. Die Durchlässigkeit der perforierten Wand kann damit verbessert werden, ohne die Stabilität dabei zu beeinträchtigen. The posts can be circular. However, it is particularly advantageous if the posts have a cross-section that is elliptical, oval, rectangular with rounded corners, or diamond-shaped. Tapering the posts in the direction of flow improves flow behavior. This can reduce turbulence. Furthermore, the connection and load-bearing capacity are improved by the reduced aspect ratio of the posts compared to a circular cylindrical shape, thus improving mechanical stability. The adjacent posts can be offset from each other in the longitudinal direction of the perfusion channel. This ensures the largest possible cross-section of the posts to ensure sufficient stability. The offset simultaneously reduces the effective permeable wall thickness or the length of the interspaces in the direction of flow. The permeability of the perforated wall can thus be improved without compromising stability.

Die perforierte Wand kann gekrümmt sein und einen im Schnitt kreisförmigen, ellipsenförmigen oder ovalen Raum umgrenzen. Damit wird ein gekrümmter Raum zur Aufnahme der Probe geschaffen, der an die dreidimensionale sphärische Form insb. von Zellgewebe angepasst ist. Die Einführungsöffnung mündet in eine im Schnitt quasi tropfenförmigen Aufnahmekammer aus. Dabei strömt das Fluid in der Perfusionskammer nicht gegen eine gerade perforierte Wand, sondern trifft quer zur Strömungsrichtung gesehen an in Strömungsrichtung relativ zueinander versetzten Stellen auf die perforierte Wand auf. Damit wird der durch das Fluid bewirkte Einfluss von Druck, Scherkräften und Fließgeschwindigkeit auf die im Innenraum der Aufnahmekammer befindliche Probe kontrolliert und kann bspw. durch geeignete Gestaltung der perforierten Wand weiter verringert und vergleichmäßigt werden. The perforated wall can be curved and define a space that is circular, elliptical, or oval in cross-section. This creates a curved space for receiving the sample that is adapted to the three-dimensional spherical shape, particularly of cell tissue. The introduction opening opens into a receiving chamber that is, in cross-section, quasi-drop-shaped. In this case, the fluid in the perfusion chamber does not flow against a straight perforated wall, but rather impinges on the perforated wall at points offset relative to one another in the direction of flow. This controls the influence of pressure, shear forces, and flow velocity caused by the fluid on the sample contained in the interior of the receiving chamber and can, for example, be further reduced and homogenized by appropriately designing the perforated wall.

Im Innenraum der Aufnahmekammer können voneinander beabstandete Säulen angeordnet sein. Damit kann eine Probe auch innerhalb der Aufnahmekammer an gewünschten Positionen in dem Fluidstrom gehalten werden. Spaced-apart columns can be arranged within the interior of the receiving chamber. This allows a sample to be held at desired positions in the fluid flow even within the receiving chamber.

Die Säulen können beweglich sein. Damit kann sich die im Innenraum der Aufnahmekammer befindliche Säulenstruktur an veränderte Umgebungsbedingungen anpassen, bspw. wenn die Probe, wie insb. eine Zellkultur, im Laufe der Zeit wächst und mehr Raum beansprucht. Die Säulen können dann z. B. aus dem Innenraum ganz oder teilweise weggedrängt werden. The columns can be movable. This allows the column structure inside the chamber to adapt to changing environmental conditions, for example, when the sample, such as a cell culture, grows over time and requires more space. The columns can then be partially or completely removed from the chamber.

Der Abstand der Säulen voneinander und/oder die Breite der Säulen und/oder die Höhe der Säulen kann durch äußere physikalische Parameter variierbar sein. Solche Mikrosäulen können beispielsweise aus einem Formgedächnismaterial gebildet sein, welches je nach Einflussgröße seinen Zustand ändert. Solche Einflussgrößen können beispielsweise Temperatur, pH-Wert, Licht und elektrischer Strom bzw. elektrische Spannung etc. sein. Denkbar ist, dass Elektroden in der Aufnahmekammer zur elektrischen Messung von Eigenschaften einer in der Aufnahmekammer befindlichen Probe angeordnet sind, wobei die Elektroden mit einer elektronischen Messeinheit verbindbar oder verbunden sind. Damit lassen sich elektrisch messbare Eigenschaften der Probe während des Aufenthalts in der Aufnahmekammer bestimmen. The spacing between the columns and/or the width and/or height of the columns can be varied by external physical parameters. Such microcolumns can, for example, be made of a shape-memory material that changes its state depending on the influencing factor. Such influencing factors can include temperature, pH value, light, and electrical current or voltage, etc. It is conceivable that electrodes are arranged in the recording chamber for electrically measuring properties of a sample located therein, with the electrodes being connectable or connected to an electronic measuring unit. This allows electrically measurable properties of the sample to be determined while it is in the recording chamber.

Vorteilhaft ist es, wenn mindestens ein Pfosten und/oder eine Säule elektrisch leitfähig sind und jeweils eine Elektrode bilden. So können alle oder ausgewählte Pfosten und/oder Säulen aus hochdotiertem Silizium gebildet oder mit einer Metallschicht beschichtet sein, wobei die Elektrode mit einer Verbindungsleitung oder einem Anschlusskontakt elektrisch leitendend verbunden ist. Damit können die Elektroden mit einer elektronischen Messeinheit verbunden werden. It is advantageous if at least one post and/or column is electrically conductive and each forms an electrode. Thus, all or selected posts and/or columns can be made of highly doped silicon or coated with a metal layer, with the electrode being electrically connected to a connecting line or a terminal contact. This allows the electrodes to be connected to an electronic measuring unit.

Das Mikrosystembauelement kann eine integrierte Messeinheit haben, insbesondere eine zur elektrischen Impedanzspektroskopie (EIS) ausgebildete Messeinheit, die mit den Elektroden verbunden ist. The microsystem component may have an integrated measuring unit, in particular a measuring unit designed for electrical impedance spectroscopy (EIS), which is connected to the electrodes.

Das Mikrosystembauelement kann in einem Perfusionskanal mehrere Aufnahmekammern mit jeweils in die Aufnahmekammer einmündenden Einführungsöffnung haben. Denkbar ist auch, dass das Mikrosystembauelement mehrere Perfusionskanäle hat, die jeweils mindestens eine Aufnahmekammer aufweisen. Die mehreren Perfusionskanäle können jeweils separate Einlässe und/oder Auslässe haben oder parallel an einen gemeinsamen Einlass und/oder Auslass angeschlossen sein. The microsystem component can have multiple receiving chambers in a perfusion channel, each with an insertion opening leading into the receiving chamber. It is also conceivable for the microsystem component to have multiple perfusion channels, each with at least one receiving chamber. The multiple perfusion channels can each have separate inlets and/or outlets or be connected in parallel to a common inlet and/or outlet.

Ganz allgemein sind im Zusammenhang mit dieser Anmeldung die Wörter „ein/eine“, soweit nicht ausdrücklich anders definiert, nicht als Zahlwort zu verstehen, sondern als unbestimmte Artikel mit dem Wortsinn von „mindestens ein/eine“. In general, in the context of this application, the words “a/an”, unless expressly defined otherwise, are not to be understood as a number, but as an indefinite article with the literal meaning of “at least one”.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with the accompanying drawings. They show:

Fig. 1 - eine perspektivische Skizze eines Mikrosystembauelementes mit mikrofluidemFig. 1 - a perspective sketch of a microsystem component with microfluidic

Bioreaktor; bioreactor;

Fig. 2 - Skizze des Mikrosystembauelementes im Längsschnitt; Fig. 2 - Sketch of the microsystem component in longitudinal section;

Fig. 3 - Skizze des Mikrosystembauelementes im Längsschnitt mit beispielhaften Fließgeschwindigkeiten im Perfusionskanal und der Zellkulturkammer; Fig. 4 - Skizze einer modifizierten Ausführungsform des Mikrosystembauelementes mit zusätzlichen Säulen in der Zellkulturkammer; Fig. 3 - Sketch of the microsystem component in longitudinal section with exemplary flow velocities in the perfusion channel and the cell culture chamber; Fig. 4 - Sketch of a modified embodiment of the microsystem component with additional columns in the cell culture chamber;

Fig. 5 - Skizze einer modifizierten Ausführungsform des Mikrosystembauelementes mit mehreren Zellkulturkammern im Perfusionskanal; Fig. 5 - Sketch of a modified embodiment of the microsystem component with several cell culture chambers in the perfusion channel;

Fig. 6 - Prozessablauf eines Herstellungsverfahrens zur Fertigung des Mikrosystembauelementes. Fig. 6 - Process flow of a manufacturing method for the production of the microsystem component.

Figur 1 zeigt eine perspektivische Skizze eines Mikrosystembauelementes 1 mit mikrofluidem Bioreaktor. Das Mikrosystembauelement 1 hat ein Trägersubstrat 2, das beispielsweise aus Glas, wie bspw. Borosilikatglas (z. B. Pyrex®) oder Siloxanen, wie bspw. Polydimethylsiloxan PDMS, gebildet sein kann. Auf das Trägersubstrat 2 kann eine Kavitätskörper 3 aufgebracht sein. Dieser kann beispielsweise aus Siloxanen, wie bspw. Polydimethylsiloxan PDMS, gebildet und mit der Oberseite des Trägersubstrats 2 verbunden sein. Das Mikrosystembauelement 1 hat einen Perfusionskanal 4 mit einem Einlass 5 und einem Auslass 6. Weiterhin ist eine Einführungsöffnung 7 vorhanden, die quer in den Perfusionskanal 4 einmündet. Die Einführungsöffnung 7 erstreckt sich in dem Beispiel kanalartig zwischen einem Probeneinlass 8 und der in den Perfusionskanal 4 führenden Einmündungsöffnung. Denkbar ist aber auch, dass die Einmündungsöffnung die Einführungsöffnung 7 bildet, welche nach Einführen der Probe bspw. durch Abdeckung verschlossen werden kann. Figure 1 shows a perspective sketch of a microsystem component 1 with a microfluidic bioreactor. The microsystem component 1 has a carrier substrate 2, which can be made, for example, of glass, such as borosilicate glass (e.g., Pyrex®) or siloxanes, such as polydimethylsiloxane PDMS. A cavity body 3 can be applied to the carrier substrate 2. This cavity body can be made, for example, of siloxanes, such as polydimethylsiloxane PDMS, and connected to the top side of the carrier substrate 2. The microsystem component 1 has a perfusion channel 4 with an inlet 5 and an outlet 6. Furthermore, an insertion opening 7 is present, which opens transversely into the perfusion channel 4. In the example, the insertion opening 7 extends channel-like between a sample inlet 8 and the confluence opening leading into the perfusion channel 4. However, it is also conceivable that the confluence opening forms the insertion opening 7, which can be closed, for example, by a cover, after the sample has been introduced.

Der Perfusionskanal 4 und die Einführungsöffnung 7, bzw. der Einlasskanal, können an der Oberseite des Trägersubstrats 2 in die Tiefe (d. h. in der Figur 1 in Z-Richtung der Höhe bzw. Dicke, und/oder an der Unterseite des Kavitätskörpers 3 in Dickenrichtung in das Material des Kavitätskörpers 3 eingebracht sein. An den einander gegenüberliegenden Enden des Perfusionskanals 4 sind der Einlass 5 und der Auslass 6 in den Kavitätskörper 3 eingebracht. Der Einlass 5 und der Auslass 6 können als sich annähernd lotrecht zur Ebene des Trägersubstrats 2 erstreckende Bohrungen ausgeführt sein, die jeweils einen Anschlussstutzen zur Aufnahme von Anschlussschläuchen bilden. Denkbar ist, dass von der Oberseite des Kavitätskörpers 3 rohrförmige Anschlussstutzen abragen, auf die ein Anschlussschlauch aufgesteckt werden kann. In gleicher Weise ist der Probeneinlass 8 als lotrecht zur Ebene des Trägersubstrates 2 ausgerichtete Bohrung ausgebildet. Der Probeneinlass 8 hat vorzugsweise einen Durchmesser zur Aufnahme einer Mikropipette, mit der eine Probe, wie insb. eine Zellkultur, in die (Proben-) Einführungsöffnung 7 eingeführt werden kann. Die Einmündung der Einführungsöffnung 7 grenzt an eine im Perfusionskanal 4 gebildete Aufnahmekammer 9 an. Die Aufnahmekammer 9 ist durch eine perforierte Wand 10 umgrenzt, um die Aufnahmekammer 9 fluiddurchlässig in dem Perfusionskanal 4 zu bilden und dabei ein Ausschwemmen der Probe, wie insb. von Zellkulturen, in den Perfusionskanal 4 weitestgehend zu verhindern. The perfusion channel 4 and the insertion opening 7, or the inlet channel, can be introduced into the material of the cavity body 3 on the upper side of the carrier substrate 2 in the depth (i.e. in Figure 1 in the Z-direction of the height or thickness, respectively), and/or on the underside of the cavity body 3 in the thickness direction. The inlet 5 and the outlet 6 are introduced into the cavity body 3 at the opposite ends of the perfusion channel 4. The inlet 5 and the outlet 6 can be designed as bores extending approximately perpendicular to the plane of the carrier substrate 2, each forming a connection piece for receiving connecting tubes. It is conceivable that tubular connection pieces protrude from the upper side of the cavity body 3, onto which a connecting tube can be plugged. In the same way, the sample inlet 8 is designed as a bore aligned perpendicular to the plane of the carrier substrate 2. The sample inlet 8 preferably has a diameter to accommodate a micropipette with which a sample, such as in particular a cell culture, can be introduced into the (sample) introduction opening 7. The opening of the insertion opening 7 borders a receiving chamber 9 formed in the perfusion channel 4. The receiving chamber 9 is delimited by a perforated wall 10 in order to make the receiving chamber 9 fluid-permeable in the perfusion channel 4 and thereby largely prevent the sample, such as cell cultures, from being washed out into the perfusion channel 4.

Der Querschnitt des Perfusionskanals 4 ist durch seine Höhe in Z-Richtung und seine Breite in Y-Richtung bestimmt. Zur Versorgung der in der Aufnahmekammer 9 eingebrachten Proben (insb. Zellkulturen) kann eine Versorgungslösung über den Einlass 5 in den Perfusionskanal 4 eingeleitet und in Strömungsrichtung F durch den Perfusionskanal 4 und die dort angeordnete Aufnahmekammer 9 zum Auslass 6 gefördert werden. Dies kann beispielsweise mit einem Schlauchsystem und einer Pumpe, bspw. einer Spritzenpumpe erfolgen, mit der kontinuierlich oder diskontinuierlich kontrollierte Fluidmengen über die Zeit in den Perfusionskanal 4 eingebracht und entsprechende Mengen aus dem Auslass 6 wieder entnommen werden können. The cross-section of the perfusion channel 4 is determined by its height in the Z direction and its width in the Y direction. To supply the samples (especially cell cultures) introduced into the receiving chamber 9, a supply solution can be introduced into the perfusion channel 4 via the inlet 5 and conveyed in the flow direction F through the perfusion channel 4 and the receiving chamber 9 arranged there to the outlet 6. This can be achieved, for example, with a tubing system and a pump, e.g., a syringe pump, with which continuously or discontinuously controlled amounts of fluid can be introduced into the perfusion channel 4 over time and corresponding amounts can be withdrawn from the outlet 6.

Denkbar ist auch, Wirkstoffe über den Perfusionskanal 4 in die Aufnahmekammer 9 einzubringen, um deren Wirkung auf die Probe (insbes. eine Zellkultur) zu untersuchen. Hierzu kann ein zusätzlicher Einlass parallel zum Einlass 5 in den Perfusionskanal 4 vorhanden sein. Einfacher ist jedoch die Anordnung eines Y-Verbinders im Schlauchsystem, über den einerseits eine Spritzenpumpe, ein Tropf o.ä. mit der Versorgungslösung und andererseits eine Spritze, Spitzenpumpe, Tropf o.ä. mit Wirkstoff enthaltenen Arzneimittel angeschlossen werden kann. It is also conceivable to introduce active ingredients into the receiving chamber 9 via the perfusion channel 4 in order to examine their effect on the sample (especially a cell culture). For this purpose, an additional inlet can be provided parallel to the inlet 5 in the perfusion channel 4. However, it is simpler to arrange a Y-connector in the tubing system, via which a syringe pump, a drip, or similar device containing the supply solution can be connected on the one hand, and a syringe, tip pump, drip, or similar device containing the drug containing the active ingredient can be connected on the other.

Figur 2 lässt eine Skizze des Mikrosystembauelementes 2 im Längsschnitt erkennen. Erkennbar ist, dass die kanalförmige Einführungsöffnung 7 quer in den Perfusionskanal 4 hinein einmündet. Diese Einmündung ist durch eine perforierte Wand 10 umgeben, die sich angrenzend an die Einmündung teilkreis- bzw. teilellipsenförmig in dem Perfusionskanal 4 erstreckt und eine Aufnahmekammer 9 umgrenzt. Mit der perforierten Wand 10 kann ein im Schnitt kreisförmiger, ellipsenförmiger oder ovaler Raum abgegrenzt werden. Eine solche Aufnahmekammer 9 mit in Strömungsrichtung F gekrümmten Wandflächen hat strömungstechnische Vorteile. Figure 2 shows a sketch of the microsystem component 2 in longitudinal section. It can be seen that the channel-shaped insertion opening 7 opens transversely into the perfusion channel 4. This opening is surrounded by a perforated wall 10, which extends adjacent to the opening in a partially circular or partially elliptical shape within the perfusion channel 4 and defines a receiving chamber 9. The perforated wall 10 can define a space with a circular, elliptical, or oval cross-section. Such a receiving chamber 9, with wall surfaces curved in the flow direction F, has fluidic advantages.

Die perforierte Wand ist aus im Abstand und jeweils in Fließrichtung F, d. h. in X-Richtung versetzt voneinander angeordneten Pfosten 11 gebildet, die sich in Z-Richtung von Boden zur Decke des Perfusionskanals 4 erstrecken. Zwischen den Pfosten 11 ist jeweils ein Zwischenraum vorhanden, der groß genug ist, um ausreichend Fluid durchzulassen, und klein genug ist, um ein Durchströmen von Teilen der Probe, wie insb. von Zellgewebe 12, in der Aufnahmekammer 9 zu verhindern. Der Abstand sollte im Bereich von etwa 10 pm bis 70 pm liegen und bevorzugt kleiner als 40 pm sein. The perforated wall is formed from posts 11 which are spaced apart from one another in the flow direction F, ie, offset from one another in the X-direction, and which extend in the Z-direction from the floor to the ceiling of the perfusion channel 4. Between the posts 11 there is a space which is large enough to allow sufficient fluid to pass through, and is small enough to prevent parts of the sample, such as cell tissue 12, from flowing through the receiving chamber 9. The distance should be in the range of approximately 10 pm to 70 pm and preferably less than 40 pm.

Das Seitenverhältnis der Pfosten 11 ist im Vergleich zu zylinderförmigen Pfosten 11 reduziert, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Zugleich wird die Querschnittsfläche vergrößert, um die Bindungsfläche mit der Oberfläche des Trägersubstrats 2 zu vergrößern. Die Form ist angepasst und ausgerichtet, um die mechanische Stabilität in Strömungsrichtung F zu verbessern. The aspect ratio of the posts 11 is reduced compared to cylindrical posts 11 to increase mechanical stability. At the same time, the cross-sectional area is increased to increase the bonding area with the surface of the carrier substrate 2. The shape is adapted and aligned to improve mechanical stability in the flow direction F.

Die Pfosten 11 können in Strömungsrichtung F verjüngt sein. Sie können wie dargestellt einen ellipsenförmig sein. Denkbar sind aber auch andere Ausführungsformen mit ovalförmigen, rechteckförmigen oder rautenförmigen Pfosten 10. Rechteckförmige Pfosten 11 sollten zur Verbesserung des Strömungsverhaltens abgerundete Ecken haben und damit annähernd ellipsenförmig sein. The posts 11 can be tapered in the flow direction F. They can be elliptical, as shown. However, other embodiments with oval, rectangular, or diamond-shaped posts 10 are also conceivable. Rectangular posts 11 should have rounded corners to improve flow behavior and thus be approximately elliptical.

Die perforierte Wand 10 ist nicht von der Einmündung der Einführungsöffnung 7 bis zur gegenüberliegenden Wand des Perfusionskanals 4 gezogen. Vielmehr ist ein Bypass B zwischen dem zur Zellkultur-Einführungsöffnung 7 distalen Ende der Zellkulturkammer 9 und der benachbarten Innenwand des Perfusionskanals 4 vorhanden. Damit wird die Strömung in der Aufnahmekammer 9 und die Belastung der Zellkultur 12 durch Scherkräfte, Druck und Strömungsgeschwindigkeit kontrolliert und kann bspw. im Vergleich zur Ausführungsform ohne Bypass reduziert oder bei Bedarf sogar vergrößert werden. The perforated wall 10 does not extend from the opening of the insertion opening 7 to the opposite wall of the perfusion channel 4. Rather, a bypass B is provided between the distal end of the cell culture chamber 9 to the cell culture insertion opening 7 and the adjacent inner wall of the perfusion channel 4. This controls the flow in the receiving chamber 9 and the load on the cell culture 12 through shear forces, pressure, and flow velocity and can, for example, be reduced compared to the embodiment without a bypass or even increased if necessary.

Optional können Pfosten 11 als Elektroden 13 ausgebildet oder zusätzliche Elektroden 13 unabhängig von den Pfosten 11 in der Aufnahmekammer 9 vorhanden sein. Die Elektroden 13 sind mit elektrischen Leitungen an eine elektronische Messeinheit 14 angeschlossen oder anschließbar. Die Messeinheit 14 kann als Halbleiterschaltung in dem Mikrosystembauelement 1 integriert sein oder als separate Schaltungsanordnung über eine Leitungsverbindung und elektrische Anschlüsse mit dem Mikrosystembauelement verbunden werden. Vorteilhaft ist eine zur Impedanzspektroskopie ausgebildete Messeinheit 14. Optionally, posts 11 can be configured as electrodes 13, or additional electrodes 13 can be provided in the receiving chamber 9 independent of the posts 11. The electrodes 13 are connected or connectable to an electronic measuring unit 14 via electrical leads. The measuring unit 14 can be integrated as a semiconductor circuit in the microsystem component 1 or connected to the microsystem component as a separate circuit arrangement via a cable connection and electrical connections. A measuring unit 14 configured for impedance spectroscopy is advantageous.

Die elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) ist ein anerkanntes markierungsfreies, nichtinvasives Analyseinstrument für einzelne Zellen und Zellkulturen. Mit Hilfe von Elektroden 13 in der Aufnahmekammer 9 lassen sich EIS-Funktionen in das Mikrosystembauelement 1 integrieren. So können ausgewählte Pfosten 11 und/oder Mikrosäulen 15 aus hochdotiertem Silizium hergestellt werden, um zugleich Elektroden 13 zu bilden. Im Inneren der Aufnahmekammer 9 lässt sich durch Auswahl und Anordnung der Elektroden eine Stromdichteverteilung sowie ein Feld einstellen, dass ausreichend homogen genug ist, um eine 3D-Zellkultur 12 im Inneren durch Methoden der Elektroimpedanz- Spektroskopie zu erfassen. Electrical impedance spectroscopy (EIS) is a recognized label-free, non-invasive analysis tool for single cells and cell cultures. Using electrodes 13 in the recording chamber 9, EIS functions can be integrated into the microsystem component. 1. Thus, selected posts 11 and/or micropillars 15 can be manufactured from highly doped silicon to simultaneously form electrodes 13. Within the receiving chamber 9, a current density distribution and a field can be adjusted by selecting and arranging the electrodes that are sufficiently homogeneous to detect a 3D cell culture 12 within it using electroimpedance spectroscopy methods.

Es hat sich bei dem in Figur 1 und 2 gezeigten Aufbau gezeigt, dass die Scherspannung in der Aufnahmekammer 9 auf einen Wert von kleiner als 0,4 x 10-2 Pa eingestellt werden kann, während die Scherspannung im Bypass B mit mehr als 1 ,2 x 10-2 Pa deutlich höher ist. It has been shown in the structure shown in Figures 1 and 2 that the shear stress in the receiving chamber 9 can be set to a value of less than 0.4 x 10 -2 Pa, while the shear stress in bypass B is significantly higher at more than 1.2 x 10 -2 Pa.

Mit dem Bypass B für die Mikroströmung an der Aufnahmekammer 9 vorbei gelingt es beispielsweise, die Scherspannung in der Aufnahmekammer 9 sehr stark zu reduzieren, aber dennoch die Perfusion durch die Aufnahmekammer 9 aufrechtzuerhalten. Es ist festzustellen, dass sich die höchste Scherspannung im Perfusionskanal 4 neben der Aufnahmekammer 9 befindet. Im Inneren der Aufnahmekammer 9 herrscht eine deutlich geringe Scherspannung, die für die Perfusionszellkultur erforderlich ist. For example, bypass B for the microflow past the receiving chamber 9 makes it possible to significantly reduce the shear stress in the receiving chamber 9 while still maintaining perfusion through the receiving chamber 9. It can be seen that the highest shear stress is in the perfusion channel 4 next to the receiving chamber 9. The shear stress inside the receiving chamber 9 is significantly lower, which is necessary for perfusion cell culture.

Die Bypass-Gestaltung löst weitere Probleme. So gibt sie z. B. einem Tumoroid als Zellgewebe in der Aufnahmekammer 9 mehr Stabilität, selbst wenn es eine nicht beabsichtigte Druckänderung in dem Perfusionskanal 4 gibt, so dass die Auswirkungen auf den Tumoroid erheblich reduziert werden. The bypass design solves further problems. For example, it provides more stability to a tumoroid as cellular tissue in the receiving chamber 9, even if there is an unintended pressure change in the perfusion channel 4, thus significantly reducing the effects on the tumoroid.

Der Bypass B kann sich stark auf die Druckverteilung auswirken. Auf der linken Seite des Perfusionskanals 4 kann eine von der Pumpe kommende Druckdifferenz anliegen (pO+#p) und das rechte Ende für den atmosphärischen Druck (pO) offen sein. Es tritt zwar ein Druckabfall entlang des Perfusionskanals 4 auf, aber der Druck im Inneren der Aufnahmekammer 9 bleibt in den mittleren Werten und völlig homogen. Bypass B can have a significant impact on pressure distribution. A pressure difference (pO+#p) from the pump can be present on the left side of perfusion channel 4, while the right end can be open to atmospheric pressure (pO). Although a pressure drop occurs along perfusion channel 4, the pressure inside the receiving chamber 9 remains at the average values and completely homogeneous.

Der Druck in der Aufnahmekammer 9 und der Einführungsöffnung 7 kann beispielsweise mit etwa 1 ,0132501 bar etwas oberhalb des am rechten Auslass 6 anliegenden atmosphärischen Druck pO von etwa 1 ,0132500 bar liegen, während der Einlass 5 mit mehr als 1 ,0132502 bar einen höheren Druck, d. h. ein Überdruck aufweist. The pressure in the receiving chamber 9 and the introduction opening 7 can, for example, be approximately 1.0132501 bar, slightly above the atmospheric pressure pO of approximately 1.0132500 bar present at the right outlet 6, while the inlet 5 has a higher pressure, i.e. an overpressure, of more than 1.0132502 bar.

Durch den Bypass B wird der Druck, der auf die Probe, d. h. bspw. der 3D-Zellkultur 12, wirkt, konstant und homogen in der gesamten Aufnahmekammer 9 gehalten. Damit wird verhindert, dass es wenn das System z. B. zum Fotografieren aus einem Inkubator genommen wird, zu einer ungewollten starken Bewegung der Schläuche, der Spritzenpumpe oder des Mikrosystembauelementes 1 kommt, die einen hohen Druck auf die Probe (bspw. Zellkultur 12) in der Aufnahmekammer 9 ausüben, was zu einer zusätzlichen Belastung der Probe oder sogar zum Zerreißen der Zellkultur 12, bspw. einen Tumoroid, durch die Mikrokapillare führen kann. Mit dem an der AufnahmekammerThrough the bypass B, the pressure acting on the sample, e.g. the 3D cell culture 12, is kept constant and homogeneous in the entire recording chamber 9. This Prevents unwanted strong movement of the tubes, syringe pump or microsystem component 1 when the system is removed from an incubator, e.g. for photography, which exerts high pressure on the sample (e.g. cell culture 12) in the recording chamber 9, which can lead to additional stress on the sample or even to rupture of the cell culture 12, e.g. a tumoroid, through the microcapillary. With the

9 vorbeiführenden Bypass B in dem Perfusionskanal 4 wird dieses Problem gelöst, da er der Probe (insb. Zellkultur 12) im Inneren der Aufnahmekammer viel mehr Stabilität verleiht. Wie gezeigt, umgibt der größte Teil der Strömung und des Druckabfalls die Aufnahmekammer 9, wobei im Inneren der Aufnahmekammer 9 aber eine homogene Mikroumgebung erhalten bleibt. Selbst bei einer nicht beabsichtigten Druckänderung in dem Perfusionskanal 4 wird die Auswirkung in der Probe (insb. 3D-Zellkultur 12) innerhalb der Aufnahmekammer 9 erheblich reduziert, so dass ein Tumoroid in diesem Fall, sicher und gesund im Inneren gehalten wird. Bypassing the perfusion channel 4 via the bypass B in the perfusion channel 9 solves this problem, as it provides much greater stability to the sample (especially the cell culture 12) inside the receiving chamber. As shown, most of the flow and pressure drop surrounds the receiving chamber 9, while a homogeneous microenvironment is maintained inside the receiving chamber 9. Even in the event of an unintended pressure change in the perfusion channel 4, the impact on the sample (especially the 3D cell culture 12) within the receiving chamber 9 is significantly reduced, so that a tumoroid, in this case, is kept safe and sound inside.

Der durch den Bypass B erzielte Druckeffekt kann in einer Implementierung dieses Bypass-Konzepts auch in völlig anderen Anwendungen genutzt werden, bei der es nützlich ist, den Druck in einem bestimmten Bereich eines Mikrokanals zu stabilisieren, während ein kleinerer Strom gleichmäßig durch ihn hindurchfließt. The pressure effect achieved by bypass B can also be used in an implementation of this bypass concept in completely different applications, where it is useful to stabilize the pressure in a specific area of a microchannel while a smaller current flows evenly through it.

Bei einer Einlassgeschwindigkeit des Perfusions-Fluids von beispielsweise 8,17 x 10-6 m/s hat sich bei der in den Figuren 1 und 2 beispielhaft gezeigten Konstruktion eine Fließgeschwindigkeit im Innenraum der Zellkulturkammer 9 eingestellt, die deutlich unterAt an inlet velocity of the perfusion fluid of, for example, 8.17 x 10 -6 m/s, a flow velocity in the interior of the cell culture chamber 9 is established in the construction shown as an example in Figures 1 and 2, which is significantly below

10 x 10-6 m/s liegt und etwa 5 x 10-6 m/s betrug. Die Fließgeschwindigkeit im Bypass B ist hingegen mit mehr als 20 x 10-6 m/s deutlich größer. Diametral gegenüberliegend zur Einführungsöffnung 7 unterhalb der perforierten Wand 10 sind Fließgeschwindigkeiten von etwa 30 x 10’6 m/s zu beobachten. 10 x 10 -6 m/s and was approximately 5 x 10 -6 m/s. The flow velocity in bypass B, however, is significantly higher at more than 20 x 10 -6 m/s. Diametrically opposite the inlet opening 7, below the perforated wall 10, flow velocities of approximately 30 x 10' 6 m/s are observed.

Die Fließgeschwindigkeit ist in der Nähe der Aufnahmekammer 9 viel höher, als im Inneren der Aufnahmekammer 9, wo sie niedriger ist als in den mittleren Bereichen, aber nicht Null. Die Fließgeschwindigkeit innerhalb der Aufnahmekammer 9 kann durch den Bypass B in dem dargestellten Fall um 78 % in Bezug auf die Einlassströmungsgeschwindigkeit reduziert werden. Darüber hinaus ist die Verteilung im Inneren der Aufnahmekammer 9 homogen. Dies trägt dazu bei, einer Zellkultur 12 eine stabile und homogene Mikroumgebung zu bieten, wenn sie als Tumor-On-Chip TOC verwendet wird. Der Massentransport in der Aufnahmekammer 9 ist stark reduziert, aber nicht eliminiert. Im Perfusionskanal 4 ist die Verteilung in den Ebenen in der Nähe des Einlasses 5 und des Auslasses 6 homogener und die Geschwindigkeit nimmt in den Wänden bis auf Null ab. In den yz-Ebenen in der Nähe der Aufnahmekammer 9 ist bei der in den Figuren 1 und 2 beispielhaft gezeigten Konstruktion ein wichtiger Unterschied zwischen dem Perfusionskanal 4 und der Aufnahmekammer 9 festzustellen, in der es zwar immer noch eine Fließgeschwindigkeit gibt, diese aber erheblich reduziert ist. Außerdem ist die Verteilung in den yz-Ebenen innerhalb der Aufnahmekammer 9 viel homogener. Diese homogene Verteilung der Fließgeschwindigkeit in der Aufnahmekammer 9 kann zu einem Vorteil in der 3D-Zellkultur 12 führen, da der Stofftransport auch in z-Richtung viel homogener ist und alle Zellen gleichmäßig mit Nährstoffen versorgt und von Abfallstoffen befreit werden. The flow velocity is much higher near the recording chamber 9 than inside the recording chamber 9, where it is lower than in the central regions, but not zero. The flow velocity within the recording chamber 9 can be reduced by 78% relative to the inlet flow velocity by the bypass B in the illustrated case. Furthermore, the distribution inside the recording chamber 9 is homogeneous. This contributes to providing a stable and homogeneous microenvironment for a cell culture 12 when used as a tumor-on-chip TOC. Mass transport in the recording chamber 9 is greatly reduced, but not eliminated. In the perfusion channel 4, the distribution in the planes near the inlet 5 and the outlet 6 is more homogeneous, and the velocity decreases to zero in the walls. In the yz-planes near the receiving chamber 9, an important difference can be seen between the perfusion channel 4 and the receiving chamber 9 in the design shown as an example in Figures 1 and 2. Although there is still a flow velocity, it is significantly reduced. Furthermore, the distribution in the yz-planes within the receiving chamber 9 is much more homogeneous. This homogeneous distribution of the flow velocity in the receiving chamber 9 can lead to an advantage in 3D cell culture 12, since the mass transport is also much more homogeneous in the z-direction, and all cells are evenly supplied with nutrients and freed from waste products.

Figur 3 zeigt eine Skizze des Mikrosystembauelementes 1 im Längsschnitt mit beispielhaften Fließgeschwindigkeiten im Perfusionskanal 4 und der Aufnahmekammer 9. Figure 3 shows a sketch of the microsystem component 1 in longitudinal section with exemplary flow velocities in the perfusion channel 4 and the receiving chamber 9.

Es ist zu erkennen, was in Bezug auf die Geschwindigkeitsstromlinien in der Aufnahmekammer 9 und dem Bypass B geschieht. Die meisten Stromlinien umströmen die Aufnahmekammer 9, es gehen aber auch einige von ihnen durch die Aufnahmekammer 9 hindurch. Dies bedeutet, dass eine langsame Strömung durch die Aufnahmekammer 9 hindurchströmt. Die dichte Ansammlung von Stromlinien in der Nähe der Aufnahmekammer 9 erzeugt einen Hochgeschwindigkeitsbereich. Die geringe Dichte innerhalb der Aufnahmekammer 9 sorgt für eine gleichmäßige Strömung und den Massentransport. It is possible to see what is happening with the velocity streamlines in the receiving chamber 9 and bypass B. Most streamlines flow around the receiving chamber 9, but some also pass through the receiving chamber 9. This means that a slow flow is passing through the receiving chamber 9. The dense cluster of streamlines near the receiving chamber 9 creates a high-velocity region. The low density within the receiving chamber 9 ensures uniform flow and mass transport.

Figur 4 zeigt eine Skizze einer modifizierten Ausführungsform des Mikrosystembauelementes 1 mit zusätzlichen Säulen 15 in der Aufnahmekammer 9. Figure 4 shows a sketch of a modified embodiment of the microsystem component 1 with additional columns 15 in the receiving chamber 9.

Mit solchen vertikalen Gerüsten innerhalb der Aufnahmekammer 9 kann z. B. das Zellwachstum von Zellgewebe 12 als Probe verbessert werden, indem solche Mikrosäulen 15 als Gerüst fungieren. Wenn nun das Volumen der Aufnahmekammer 9 insgesamt oder teilweise mit einer Gerüststruktur versehen wird, kann das Wachstum einer 3D-Zellkultur 12 ausgehend von einzelnen Zellen unterstützt werden. Dies bietet die Möglichkeit, von einer einzelnen Zellsuspension auszugehen und eine 3D-Zellkulturstruktur in situ zu schaffen. Die Mikrosäulen 15 können optional aus einem intelligenten Material hergestellt werden, mit dem sich die Breite und/oder die Höhe der Mikrosäulen 15 an Ort und Stelle steuern lässt. Die Mikrosäulen 15 können dabei aus Materialien gebildet werden, die durch externe Stimuli wie Temperatur, pH-Wert, Licht usw. verändert werden. So könnte während eines Experiments die Breite der Mikrosäulen 15 verändert werden, wodurch sich der in die Aufnahmekammer 9 eintretende Massentransport sowie die Scherspannung und der Druck im Inneren der Aufnahmekammer 9 ändern. With such vertical scaffolds within the receiving chamber 9, for example, the cell growth of cell tissue 12 as a sample can be improved by using such microcolumns 15 as a scaffold. If the volume of the receiving chamber 9 is then entirely or partially provided with a scaffold structure, the growth of a 3D cell culture 12 starting from individual cells can be supported. This offers the possibility of starting from a single cell suspension and creating a 3D cell culture structure in situ. The microcolumns 15 can optionally be made of a smart material that allows the width and/or height of the microcolumns 15 to be controlled on-site. The microcolumns 15 can be formed from materials that are altered by external stimuli such as temperature, pH, light, etc. Thus, during an experiment, the width of the microcolumns 15 could be changed, thereby changing the mass transport entering the receiving chamber 9 as well as the shear stress and pressure inside the receiving chamber 9.

Figur 5 zeigt eine Skizze einer modifizierten Ausführungsform desFigure 5 shows a sketch of a modified embodiment of the

Mikrosystembauelementes 1 mit mehreren Aufnahmekammern 9 im Perfusionskanal 4. Microsystem component 1 with several receiving chambers 9 in the perfusion channel 4.

Damit lässt sich ein Screening mit hohem Durchsatz erreichen, da eine Vielzahl von Aufnahmekammern 9 entlang des mikrofluidischen Perfusionskanals 4 nahezu unbegrenzt wiederholt hintereinander und mit parallelen Perfusionskanälen 4 auch nebeneinander angeordnet werden können. This allows high-throughput screening to be achieved, since a large number of recording chambers 9 can be arranged almost indefinitely along the microfluidic perfusion channel 4, one after the other, and with parallel perfusion channels 4, also next to each other.

Der Perfusionskanal 4 erstreckt sich von seinem Einlass 5 zum gegenüberliegenden Auslass 6. Alternierend von oben und unten, bzw. in Strömungsrichtung F gesehen von rechts und links in X-Richtung münden Einführungsöffnungen 7 in den Perfusionskanal 4. Angrenzend an eine jeweilige Einmündung ist jeweils eine Aufnahmekammer 9 durch aus Pfosten 11 gebildete perforierte Wände 10 abgegrenzt. Wiederum ist jeweils ein an einer jeweiligen Aufnahmekammer 9 vorbeiführender Bypass B im Perforationskanal 4 vorhanden. Die Bypässe B sind in Strömungsrichtung F alternierend unten und oben bzw. in X-Richtung rechts und links an der Aufnahmekammer 9 vorbei angeordnet. The perfusion channel 4 extends from its inlet 5 to the opposite outlet 6. Inlet openings 7 open into the perfusion channel 4 alternately from above and below, or from right and left in the X direction as seen in the flow direction F. Adjacent to each inlet, a receiving chamber 9 is delimited by perforated walls 10 formed from posts 11. In turn, a bypass B leading past a respective receiving chamber 9 is present in the perforation channel 4. The bypasses B are arranged alternately below and above in the flow direction F, or to the right and left of the receiving chamber 9 in the X direction.

Figur 6 lässt einen Prozessablauf eines Herstellungsverfahrens zur Fertigung des Mikrosystembauelementes 1 erkennen. Figure 6 shows a process flow of a manufacturing method for producing the microsystem component 1.

Für die Mikroherstellung des als Mikrobioreaktor ausgebildeten Mikrosystembauelementes 1 kann die Mikrosystemtechnik (d. h. Technologie zur Herstellung mikroelektromechanischer Systeme) mit Technologien wie Photolithographie, tiefes reaktives lonenätzen („Deep Reactive Ion Etching“), selbstassemblierte Monoschicht („Self-Assembled Monolayer“), Replika-Formgebung („Replica Molding“) und Sauerstoff-Plasma-Bonding („Oxygen Plasma Bonding“) eingesetzt werden. For the microfabrication of the microsystem component 1 designed as a microbioreactor, microsystem technology (i.e. technology for the production of microelectromechanical systems) can be used with technologies such as photolithography, deep reactive ion etching, self-assembled monolayer, replica molding and oxygen plasma bonding.

Der Prozessablauf für die Mikrofabrikation beginnt im Schritt A) mit einem ebenen Substrat, wie bspw. einem Silizium-Wafer (Si) 16. Im Schritt B) erfolgt eine Schleuderbeschichtung („Spin-Coating“) von Titan-Primer (Ti) zur Verbesserung der Haftung der nächsten Schicht. Im Schritt C) erfolgt eine Schleuderbeschichtung von Fotolack 18. Im Schritt D) erfolgt eine photolithographische Belichtung mit ultraviolettem Licht UV durch eine Photomaske, die aus einem Quarzträger 19 und einer strukturierten Chrombeschichtung 20 gebildet ist. Im Schritt E) erfolgt eine Entwicklung des belichteten Photoresists, d. h. des Fotolacks 18 nach Belichtung. Im Schritt F) wird ein tiefes reaktives lonenätzen des Siliziums Si 16 durchgeführt. Dabei werden Vertiefungen 20 in den Silizium-Wafer 16 eingebracht. Im Schritt G) wird das Photoresist, d. h. der belichtete Fotolack 18 und der Ti-Primer entfernt. Es bleibt ein Silizium-Wafer 16 mit Vertiefungen 21 an den gewünschten Stellen über. The microfabrication process begins in step A) with a flat substrate, such as a silicon wafer (Si) 16. In step B), a spin coating of titanium primer (Ti) takes place to improve the adhesion of the next layer. In step C), a spin coating of photoresist 18 takes place. In step D), a photolithographic exposure with ultraviolet light UV takes place through a photomask formed from a quartz carrier 19 and a structured chromium coating 20. In step E), a development of the exposed photoresist, i.e. the photoresist 18 after exposure, takes place. In step F), a deep reactive ion etching of the silicon Si 16 is carried out. In the process, depressions 20 are introduced into the silicon wafer 16. In step G), the photoresist, i.e. the exposed photoresist 18 and the Ti primer are removed. What remains is a silicon wafer 16 with depressions 21 in the desired locations.

Im Schritt H) wird eine selbstkonfektionierte Monoschicht 22 als Antistiktion erhalten. Im Schritt I) wird eine Abformung von Polydimethylsiloxan PDMS durchgeführt, das auf die Oberfläche des Silizium-Wafers 16 aufgetragen wird. Im Schritt J) erfolgt eine Ablösung des PDMS-Stempels 23. Im Schritt K) erfolgt eine Exposition von Polydimethylsiloxan PDMS und Glas 24, wie bspw. Borosilikatglas (z. B. Pyrex®) mit Sauerstoffplasma. Im Schritt L) erfolgt ein Verkleben beider Oberflächen, d. h. dem Trägersubstrat 2 aus Glas 24 und dem aus dem PDMS-Stempel 23 gebildeten Kavitätskörper 3 durch Glühen. In step H), a self-assembled monolayer 22 is obtained as an antistiction. In step I), a molding of polydimethylsiloxane PDMS is performed, which is applied to the surface of the silicon wafer 16. In step J), the PDMS stamp 23 is removed. In step K), the polydimethylsiloxane PDMS and glass 24, such as borosilicate glass (e.g., Pyrex®), are exposed to oxygen plasma. In step L), both surfaces, i.e., the carrier substrate 2 made of glass 24 and the cavity body 3 formed from the PDMS stamp 23, are bonded by annealing.

Denkbar ist auch ein anderer Herstellungsprozess zum subtraktiven oder additiven Aufbau des Mikrosystembauelementes 1. Hierzu kann beispielsweise der 3D-Druck genutzt werden. Die perforierte Wand kann dabei nicht nur aus Pfosten 11 gebildet werden. Insbesondere der 3D-Druck bietet die Möglichkeit zur Bildung einer porösen Wand oder einer Stabstrukturwand bspw. als Stabstruktur mit einander kreuzenden Stabstrukturen und Zwischenräumen. Eine solche Stabstruktur umfasst Wabenstrukturen und dergleichen. Durch die 3D-Druck-Herstellung wird die Verbindung zwischen der perforierten Wand und den Kanalwänden verbessert, da diese stoffschlüssig aus einem Material zusammen hergestellt werden. Another manufacturing process for the subtractive or additive construction of the microsystem component 1 is also conceivable. 3D printing, for example, can be used for this purpose. The perforated wall can be formed not only from posts 11. 3D printing, in particular, offers the possibility of forming a porous wall or a rod-structure wall, for example, as a rod structure with intersecting rod structures and intermediate spaces. Such a rod structure includes honeycomb structures and the like. 3D printing improves the connection between the perforated wall and the channel walls, as these are manufactured together from a single material.

Die Idee einer lokalen Stabilisierung von Druck, Scherspannung und Strömungsgeschwindigkeit mit einem Bypass im Perfusionskanal 4 lässt sich im Grunde in jedem Kanal/Rohr mit einem Fluid (Luft oder Flüssigkeit) umsetzen, in dem ein lokaler stabiler Bereich innerhalb einer Fluidströmung erforderlich ist. In den stabilen Bereich kann beispielsweise eine Sonde eingeführt werden, um die physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Fluids zu messen. Er könnte auch in chemischen Reaktoren mit zwei verschiedenen Chemikalien verwendet werden, von denen sich eine in der Strömung und die andere in der stabilen Region befindet. Auf diese Weise kann an der Grenzfläche zwischen diesen beiden Bereichen eine sehr langsame Reaktion ablaufen. The idea of locally stabilizing pressure, shear stress, and flow velocity with a bypass in perfusion channel 4 can essentially be implemented in any channel/tube containing a fluid (air or liquid) where a locally stable region within a fluid flow is required. For example, a probe can be inserted into the stable region to measure the physical or chemical properties of the fluid. It could also be used in chemical reactors with two different chemicals, one in the flow region and the other in the stable region. This allows a very slow reaction to occur at the interface between these two regions.

Eine weitere Anwendung ist der Zellkulturbereich, wie bspw. von Tumorzellen. Dies kann jedoch auch für andere Zellkulturtypen, gesunde Zellen, verwendet werden, um ihre Reaktion auf andere Flüssigkeiten, Chemikalien, Medikamente usw. zu untersuchen. Another application is in cell culture, such as tumor cells. However, this can also be used for other cell culture types, including healthy cells, to study their response to other fluids, chemicals, drugs, etc.

Bezugszeichenliste List of reference symbols

1 Mikrosystembauelement 1 microsystem component

2 T rägersubstrat 2 Carrier substrate

3 Kavitätskörper 3 cavity bodies

4 Perfusionskanal 4 Perfusion channel

5 Einlass 5 Entrance

6 Auslass 6 Outlet

7 Einführungsöffnung 7 Insertion opening

8 Probeneinlass 8 Sample inlet

9 Aufnahmekammer 9 Recording chamber

10 perforierte Wand 10 perforated wall

11 Pfosten 11 posts

12 Zellgewebe (Probe) 12 Cell tissue (sample)

13 Elektrode 13 Electrode

14 Messeinheit 14 measuring unit

15 Säule 15 Column

16 Silizium-Wafer 16 silicon wafers

18 Fotolack 18 photoresist

19 Quarz 19 Quartz

20 Chrom 20 chrome

21 Vertiefungen 21 recesses

22 selbstassemblierte Monoschicht 22 self-assembled monolayer

23 PDMS-Stempel 23 PDMS stamps

24 Glas 24 glass

B Bypass B Bypass

F Strömungsrichtung F Flow direction

***** *****

Claims

Patentansprüche: Patent claims: 1. Mikrosystembauelement (1) mit einem Substrat (2, 3), das eine Aufnahmekammer1. Microsystem component (1) with a substrate (2, 3) which has a receiving chamber (9), eine zur Aufnahmekammer (9) führende Einführungsöffnung (7) und einen Perfusionskanal (4) aufweist, wobei der Perfusionskanal (4) kommunizierend mit der Aufnahmekammer (9) verbunden ist und einen Einlass (5) und einen Auslass (6) hat und wobei die Aufnahmekammer (9) in dem Perfusionskanal (4) angeordnet und durch eine perforierte Wand (10) umgrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einführungsöffnung (7) in die durch die perforierte Wand (10) umgrenzte Aufnahmekammer (9) einmündet und die perforierte Wand (10) die Einführungsöffnung (7) umgibt, wobei sich die perforierte Wand (10) ausgehend von dem an die Einführungsöffnung (7) angrenzenden Wandbereich des Perfusionskanals (4) in den Perfusionskanal (4) zu dem der Einführungsöffnung (7) gegenüberliegenden Wandbereich hin erstreckt und die durch die perforierte Wand(9), an insertion opening (7) leading to the receiving chamber (9) and a perfusion channel (4), wherein the perfusion channel (4) is communicatively connected to the receiving chamber (9) and has an inlet (5) and an outlet (6), and wherein the receiving chamber (9) is arranged in the perfusion channel (4) and is delimited by a perforated wall (10), characterized in that the insertion opening (7) opens into the receiving chamber (9) delimited by the perforated wall (10) and the perforated wall (10) surrounds the insertion opening (7), wherein the perforated wall (10) extends from the wall region of the perfusion channel (4) adjacent to the insertion opening (7) into the perfusion channel (4) to the wall region opposite the insertion opening (7), and the perforated wall (10) abgegrenzte Aufnahmekammer (9) von mindestens einer benachbarten Innenwand des Perfusionskanals (4) beabstandet ist, wobei der Querschnitt des Perfusionskanals (4) im Bereich der Aufnahmekammer (9) nicht vollständig durch die mit der perforierten Wand (10) umgrenzten Aufnahmekammer (9) eingenommen ist, so dass die perforierte Wand (10) von einem in Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals (4) vom Einlass (5) zum Auslass (6) strömenden Fluid angeströmt wird und ein Teilstrom eines durch den Perfusionskanal (4) strömenden Fluids durch die Aufnahmekammer (9) strömt und ein anderer Bypass-Teilstrom an der Aufnahmekammer (9) vorbeiströmt. (10) delimited receiving chamber (9) is spaced from at least one adjacent inner wall of the perfusion channel (4), wherein the cross section of the perfusion channel (4) in the region of the receiving chamber (9) is not completely occupied by the receiving chamber (9) delimited by the perforated wall (10), so that the perforated wall (10) is flowed against by a fluid flowing in the longitudinal direction of the perfusion channel (4) from the inlet (5) to the outlet (6) and a partial flow of a fluid flowing through the perfusion channel (4) through the receiving chamber (9) flows and another bypass partial flow flows past the receiving chamber (9). 2. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte Wand (10) durch voneinander beabstandete Pfosten (11), durch eine Stabstrukturwand oder durch eine poröse Wand im Perfusionskanal (4) gebildet ist. 2. Microsystem component (1) according to claim 1, characterized in that the perforated wall (10) is formed by spaced-apart posts (11), by a rod-structure wall or by a porous wall in the perfusion channel (4). 3. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die3. Microsystem component (1) according to claim 2, characterized in that the Pfosten (11) eine größere Länge in Längserstreckungsrichtung desPost (11) has a greater length in the longitudinal direction of the Perfusionskanals (4) als Breite quer zur Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals (4) aufweisen. Perfusion channel (4) as a width transverse to the longitudinal direction of the perfusion channel (4). 4. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfosten (11) im Querschnitt ellipsenförmig, ovalförmig, rechteckförmig mit abgerundeten Ecken oder rautenförmig sind. 4. Microsystem component (1) according to claim 3, characterized in that the posts (11) are elliptical, oval, rectangular with rounded corners or diamond-shaped in cross section. 5. Mikrosystembauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils benachbarten Pfosten (11) in Längserstreckungsrichtung des Perfusionskanals (4) versetzt zueinander angeordnet sind. 5. Microsystem component (1) according to one of claims 2 to 4, characterized in that the respectively adjacent posts (11) are arranged offset from one another in the longitudinal direction of the perfusion channel (4). 6. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte Wand (10) gekrümmt ist und einen im Schnitt kreisförmigen, ellipsenförmigen oder ovalen Raum umgrenzt. 6. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the perforated wall (10) is curved and defines a space which is circular, elliptical or oval in section. 7. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum der Aufnahmekammer (9) voneinander beabstandete Säulen (15) angeordnet sind. 7. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that columns (15) spaced apart from one another are arranged in the interior of the receiving chamber (9). 8. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Säulen (15) beweglich sind. 8. Microsystem component (1) according to claim 7, characterized in that the columns (15) are movable. 9. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Säulen (15) voneinander und/oder die Breite der Säulen (15) und/oder die Höhe der Säulen (15) durch äußere physikalische Parameter variierbar ist. 9. Microsystem component (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the distance between the columns (15) and/or the width of the columns (15) and/or the height of the columns (15) can be varied by external physical parameters. 10. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden (13) in der Aufnahmekammer (9) zur elektrischen Messung von Eigenschaften einer in der Aufnahmekammer (9) befindlichen Probe (12) angeordnet sind, wobei die Elektroden (13) mit einer elektronischen Messeinheit (14) verbindbar oder verbunden sind. 10. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that electrodes (13) are arranged in the receiving chamber (9) for electrically measuring properties of a sample (12) located in the receiving chamber (9), wherein the electrodes (13) are connectable or connected to an electronic measuring unit (14). 11. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 10 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 5 oder 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pfosten (11) und/oder eine Säule (15) elektrisch leitfähig sind und jeweils eine Elektrode (13) bilden. 11. Microsystem component (1) according to claim 10 in conjunction with one of claims 2 to 5 or 7 to 9, characterized in that at least one post (11) and/or one column (15) are electrically conductive and each form an electrode (13). 12. Mikrosystembauelement (1) nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystembauelement (1) eine integrierte Messeinheit (14), insbesondere eine zur elektrischen Impedanzspektroskopie ausgebildete Messeinheit, hat, die mit den Elektroden (13) verbunden ist. 12. Microsystem component (1) according to claim 10 or 11, characterized in that the microsystem component (1) has an integrated measuring unit (14), in particular a measuring unit designed for electrical impedance spectroscopy, which is connected to the electrodes (13). 13. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Perfusionskanal (4) mehrere Aufnahmekammern (9) mit jeweils in die Aufnahmekammer (9) einmündenden Einführungsöffnung (7) ausgebildet sind. 13. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of receiving chambers (9) are formed in the perfusion channel (4), each with an insertion opening (7) opening into the receiving chamber (9). 14. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystembauelement (1) mehrere Perfusionskanäle (4) hat, die jeweils mindestens eine Aufnahmekammer (9) aufweisen. 14. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the microsystem component (1) has a plurality of perfusion channels (4), each of which has at least one receiving chamber (9). 15. Mikrosystembauelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmekammer (9) eine Zellkulturkammer zur Aufnahme von Zellgewebe als Probe (12) ist. 15. Microsystem component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving chamber (9) is a cell culture chamber for receiving cell tissue as a sample (12). ***** *****
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