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Kanokkan Maswiwat

Electromanipulation of Ellipsoidal Cells in Fluidic Micro-Electrode Systems

Universität Rostock, 2007

https://doi.org/10.18453/rosdok_id00000293

Abstract: In letzter Zeit sind Elektromanipulations-Technologien für die Manipulation und die Charakterisierung von einzelnen Zellen oder Partikeln in Lab-on-Chip Systeme integriert worden. Die neuen Systeme spielen eine Rolle in pharmakologischen und klinischen Anwendungen sowie in Umwelt- und Nanotechnologien. Die Elektromanipulation von ellipsoiden Zellen in fluidischen Mikro-Elektrodensystemen wurde mit Hilfe numerischer Simulation, theoretischer Analyse sowie Experimenten beschrieben. Die Feldverteilung in Elektrorotationskammern wurde mit numerischen Simulationen analysiert und optimert. Als geeignetes Elektrodendesign in zweidimensionalen Elektrorotationskammern erwiesen sich pyramidale, abgerundete Elektrodenspitzen. Zusätzlich wurden die drei-dimensionalen Feldverteilungen in den Elektroporations- und Elektrorotationskammern analysiert, um starke Temperaturerhöhungen durch den elektrischen Puls zu vermeiden. Mit diesen Ergebnissen könnten neue Chips für Anwendungen im Nanometerbereich entwickelt werden. Neue und vereinfachte analytische Gleichungen für das Transmembranpotential (delta_phi), welches in einem homogenen Gleich- oder Wechselfeld in Zellen ähnlich Rotationsellipsoiden, d.h. Spheroide, induziert wird, wurden unter Vermeidung der Depolarisierungsfaktoren hergeleitet. Ebenso wurde die Gleichung für die dielektrophoretische Kraft auf spheroide Objekte vereinfacht, sowie die Effekte von Zellorientierung und Frequenz des Wechselfeldes auf das delta_phi von ellipsoiden Zellen untersucht und vereinfachte Gleichungen abgeleitet. Sie zeigen, dass die Membranpunkte mit maximalem delta_phi abhängig sind von der Zellform, der Zellorientierung, den elektrischen Eigenschaften der Zelle und der Frequenz des Wechselfeldes. Die theoretischen Ergebnisse wurden mit Experimenten zur Elektropermeabilität von Hühnererythrozyten verglichen, die bestätigten, dass die vereinfachten Gleichungen das in beliebig orientierten elliptischen Zellen induzierte Transmembranpotential richtig beschreiben.

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