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Abstrakt in Englisch

The biotechnology is one of the key enabling technologies of the 21 st century. Due to their potentials in solving the world hunger problem, finding sustainable energy productions or cures for diseases the biotechnology has become one of the most important research areas over the last decades. In the biotechnological research microfluidic systems become more and more important because of their various advantages over conventional systems. Single cell analytic as well as high-throughput drug discovery or tissue engineering are only a few examples for microfluidics in biotechnology. With an increase in the applications also the requirements on the microfluidic systems and their functionalities increase. Normally, active elements like valves are used to solve most of the microfluidic operations, but they are not capable to address all requirements which are needed to fulfil a biotechnological process line. The presented work attempts to set up microfluidic systems for a biotechnological process line by using micrometre actuators made of stimuli-responsive polymers. Various hydrogel types were investigated regarding their behaviour in different media. Here, it is shown that the gels’ chemistry has a strong influence on the media compatibility. The photolithagraphic process for actuator micropatterning is optimised and used in a production technique to fabricate high integrated microfluidic system for the cultivation of microorganisms. For separation tasks of microorgansims or molecules the normally used thermal based concept to adopt hydrogel properties is changed to a chemical concept. This concept is successfully evaluated for a micropore and a molecular sieve based on hydrogels. The usage of hydrogel-based molecular sieves as matrices for (bio-)chemical reactions or as storing elements with a dispensing funtionality is discussed.

Abstrakt in Deutsch

Die Gesellschaft des 21. Jahrhunderts steht vor den Herausforderungen der Bekämpfung des Welthungers, der Bereitstellung erneuerbarer Energien und der Behandlung schwerer Erkrankungen. Die Biotechnologie bietet das Potential zur Lösung dieser Probleme einen wesentlichen Beitrag zu leisten. Dabei gewinnen in der biotechnologischen Forschung zunehmend mikrofluidische Systeme an Bedeutung z.B. in der Einzelzellanalytik, den Hochdurchsatz-Untersuchungen oder der Gewebezüchtung. Mit steigendem Einsatzpotential erhöhen sich auch die Anforderungen, welche an die Operationsmöglichkeiten der Systeme gestellt werden. In der Regel kommen aktive Elemente wie Ventile zum Einsatz, welche eine Vielzahl an Operationen ermöglichen, nicht aber eine ganze biotechnologische Prozesskette abdecken können. In der vorliegenden Arbeit wird der Versuch unternommen, eine biotechnologische Prozesskette mikrofluidisch abzubilden. Dabei werden Mikroaktoren genutzt, welche auf stimuli-sensitiven Hydrogelen basieren. An unterschiedlichen Hydrogelen wird der Einfluss von Prozessmedien und Puffern auf die Eigenschaften der Gele diskutiert. Es zeigt sich ein starke Abhängigkeit der Eigenschaftsänderung von der chemischen Zusammensetzung der Hydrogele. Um hochintegrierte und reproduzierbar arbeitende Systeme herzustellen, wurde in einem ersten Schritt die Mikrostrukturierung der Hydrogele optimiert und anschließend ein Verfahren zur Fertigung von hochintegrierten mikrofluidischen Batch-Kultivierungssystemen für Mikroalgen und Hefen entwickelt. Zur Separation von kultivierten Organismen und zur Trennung von Molekülen wird das thermische Steuerkonzept von Hydrogel-basierten Elementen hin zu einer chemischen Steuerung verändert. Der erfolgreiche Einsatz dieser Konzeptänderung wird an einer Mikropore und an Molekularsieben demonstriert. Eine Weiternutzung von Hydrogel-basierten Molekularsieben als auslesbare Molekülspeicher oder Reaktionsmatrizes wird im Rahmen eines neuen mikrofluidischen Elements diskutiert.