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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.25673/3414
Title: Vergleich verschiedener Verkapselungsmethoden zu Immobilisierung von Zellen
Keywords: Elektronische Publikation
Hochschulschrift
Mikrokapseln, JetCutter, AirJet, rasterakustische Mikroskopie (SAM), Na-Alginat, Poly-L-lysin, Zelllinien
Zsfassung in engl. Sprache
Microcapsule, JetCutter, AirJet, Scanning Acoustic Microscopy (SAM), Na-Alginate, Poly-L-lysine, Cell Lines
Publisher: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Abstract: Die in der Arbeit im Fokus stehenden Ziele umfassten einerseits die Nutzung verschiedener tropfenbildender Verkapselungsverfahren zur Herstellung von zellimmobilisierenden Mikrokapseln. Hierfür standen tierische Zellen der Linien GLI328BHK und J3Tzur Verfügung. Für den Einsatz in der Gentherapie zur Behandlung von Gehirntumoren und der damit verbundenen Zuführung der Kapseln über den Blutkreislauf stand der geforderte Größenbereich mit einer zu erzielenden Verteilungsbreite der Microbeads von 100 - 350 µm im Mittelpunkt der experimentellen Untersuchungen, bei denen als Polymer Na-Alginat bzw. das Polymersystem APA (Alginate-Poly-L-lysin-Alginat) Verwendung fand. Hierbei lag das Hauptaugenmerk für die Partikelherstellung auf dem AirJet-Verfahren, bei dem der Einfluss der Variation entsprechender Verarbeitungsparameter bzw. Stoffparameter zu charakterisieren war. Durch geeignete Wahl des Kapillardurchmessers dca, des Stickstoffvolumenstroms VN2 und der Nullscherviskosität η0 der verwendeten Na-Alginat-Lösung konnte die gewünschte Größe, z. B. bei der Verwendung von dca = 0,3mm (Kapillare C7), einem VN2= 4750 l/h und einer η0 = 0,4818 mPa·s, der Mikrokapseln von 0,264 mm erreicht werden. Auf Grund der Bestätigung der durch Poncelet getroffenen These, dass die Einstellung des Volumenstroms an N2 an der Apparatur so zu wählen ist, dass der resultierende Durchmesser des Tropfens >= dca der Kapillare c ist und sich somit Tropfen gleicher Größe ohne die Bildung von Sekundärtropfen bilden, ließ sich ein Modell zur langsamen Tropfenbildung mittels AirJet-Verfahren formulieren. Durch die Übereinstimmung des Modells mit den erzielten Kapselgrößen und der dimensionslosen Betrachtung lässt sich das Modell auf andere Stoffsysteme übertragen und für die Vorhersage von Tropfengrößen mit den zugehörigen Parametereinstellungen des AirJet-Verfahrens nutzen. Die etablierten Immobilisierungsverfahren, das AirJet-Verfahren und das Vibrations-Verfahren, wurden zusätzlich mit einem weiteren tropfenbildenden Verfahren, dem JetCutter-Verfahren, dessen Eignung zur Immobilisierung von tierischen Zellen bisher nicht evaluiert wurde, verglichen. Die erzielte Größenverteilung der Mikrokapseln lag hierbei hauptsächlich innerhalb der geforderten Verteilungsbreite. Zusätzlich zur Charakterisierung der Größe der Mikrokapseln wurde auch die Übererlebensfähigkeit der immobilisierten Zellen in APA-Mikrokapseln über einen Zeitraum von zwölf Wochen betrachtet. Dem JetCutter-Verfahren kann eine generelle Eignung zur Immobilisierung von tierischen Zellen zugesprochen werden, da sich keine signifikanten Unterschiede in der Überlebensfähigkeit der immobilisierten Zellen, ermittelt durch Fluoreszenzmikroskopie mit Hilfe einer Lösung von Acredine Orange und Ethidium Bromide, im Vergleich zum AirJet- und Vibrationsverfahren erkennen ließen. Andererseits stand die Charakterisierung der elasto-mechanischen Eigenschaften von Mikrokapseln, hergestellt aus Na-Alginat, im Interesse der durchgeführten Untersuchungen. Hierbei konnte als charakteristische Größe die akustische Impedanz Z mittels Scanning-Acoustic-Microscopy (SAM), im Hochfrequenzbereich von 900 GHz, quantitativ bestimmt und mit der aus der niederfrequenten Bulk Methode (5MHz) verglichen werden. Hierbei konnte ein Anstieg der akustischen Impedanz Z von 1,505 Mrayl auf 1,55 Mrayl bei gleichzeitiger Erhöhung der Konzentration von Na-Alginat verzeichnet werden. Der SAM ist nach entsprechender Kalibrierung, auf Grundlage der sehr guten Übereinstimmung der Ergebnisse mit den ermittelten Werten der Bulk Methode, eine generelle Nutzbarkeit zur quantitativen Bestimmung von elasto-mechanischen Eigenschaften an Mikrokapseln aus Na-Alginat zu attestieren. Allgemein betrachtet ließe sich unter der Voraussetzung, dass die Poisson Zahl des zu untersuchenden Probenmaterials bekannt ist, die SAM zur qualitativen Bestimmung des E-Moduls nutzen, was in Hinblick auf nachfolgende Untersuchung der mechanischen Eigenschaften, z.B. an APA-Mikrokapseln, genutzt werden könnte. Hierdurch ließen sich beispielsweise alterungsbedingte Veränderungen der Kapselmatrix oder auch der Kapselmembran sowohl quantitativ als auch qualitativ durch das zerstörungsfreie Charakterisierungsverfahren bestimmen.
The primary goal of this thesis is the application and improvement of different droplet forming encapsulation processes by using the mammalian cells from the cell line GLI328, BHK and J3T. Until now the application of cell immobilizing microbeads has been prevalent in a wide range of applications e.g. for gene therapy and treatment of brain tumor. Several requirements in terms of bead injection have been studied by different research groups. Within the scope of this work, the major goal was to realize a defined size distribution of microcapsules in the range of 100 to 350 µm. In order to accomplish the required particle size distribution, a number of experimental set-ups have been carried out. The experiments were performed by using Na-alginate and the polymeric complex Alginate-Poly-L-Lysine-Alginate APA as well. The main part of the experimental work was focused on droplet formation using the "AirJet" method. This method was investigated by evaluating the influence of processing parameters and by material property variation. A desired particle size with the Air-Jet method using a solution of Na-alginate was produced by adjusting practical parameters as nitrogen flow VN2 and zero shear viscosity η0. Specifically, a microbead diameter of 0.264 mm required the following apparatus/system settings: VN2 = 4750 L/h and η0= 0.4818 mPas. In agreement with the results of Poncelet who predicate that the adjustable volume flow of nitrogen must be large enough in order to produce drops with the resulting diameter larger than the capillary diameter dca, in order to avoid secondary drop generation. A mathematical/theoretical model for drop formation has been developed. The mathematical model has been evaluated and it is in a good agreement witch the experimental results. The model use done by the use of non-dimensional considerations, which allow a prediction of particle sizes with the associated practical AirJet-system parameters (VN2, dca) independent to the applied materials. The sophisticated immobilization systems AirJet-method and Vibration-method have been compared with an additional drop producing method, the "JetCutter" method. The applicability of the JetCutter method for mammalian cell immobilization has not been evaluated before. The achieved microcapsule size distribution by using the above methods was essentially within the required parameters. Additionally to the characterization experiments on the microcapsules, viability tests on immobilized cells made by APA-microcapsules over a period of twelve weeks has been done using the JetCutter-method. A general acceptability for the immobilization of the mammalian cells can be assigned to the JetCutter-method. It has been proven by comparing the experimental result from viability tests done at all three presented capsule manufacturing methods using fluorescence microscopy with a solution of Acredine Orange and Ethidium Bromide. Another major goal of this work was the elasto-mechanical characterization of microcbeads made by Na-alginate. In this context the characteristic value of acoustic impedance Z using Scanning Acoustic Microscopy SAM in a high frequency range of 900 GHz was measured and compared with results of the bulk method in a low frequency range of 5 MHz. The acoustic impedance Z increased from 1.505 to 1.55 Mrayl by the increase of the concentration of Na-Alginate amount. The general ability for quantifying elasto-mechanical properties on microcapsules made by Na-Alginate using SAM and confirmed with the basic assumption of calibration and by comparing the results with those from the bulk method. Generally speaking, if the Poisson number of the material of interest is known, the SAM can be applied for quantifying the E-modul. This should be considered for further investigation of mechanical properties on microcapsules. That also allows qualitative and quantitative non-destructive characterization of aging effects of the capsule matrix or capsule membranes.
URI: https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/10199
http://dx.doi.org/10.25673/3414
Appears in Collections:Hochschulschriften bis zum 31.03.2009

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