Design and Fabrication of Autoclavable Modular Microfluidics for Plant Research

Da der Klimawandel die landwirtschaftlichen Systeme verstärkt belastet, gewinnt die Entwicklung nachhaltiger Pflanzenschutzstrategien, wie z.B. dem Eingriff in die Kommunikation zwischen Pflanzen und ihren Aggresoren, zunehmend an Bedeutung. Mikrofluidik bietet hierbei neue Ansätze zur Analyse der Interaktion von Pflanzen und ihren Schädlingen sowohl auf mikroskopischer Ebene und in der chemischen Analyse. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung, Optimierung und Herstellung zweier mikrofluidischer Systeme: des mikrofluidischen Bioreaktors (MBR) und des Wurzelchips (RC). ... mehrBeide Systeme dienen der Langzeitkultivierung biologischer Proben sowie ihrer chemischen und optischen Analyse. Der MBR wurde basierend auf am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) bestehenden Designs weiterentwickelt und für die Kultivierung von Pilzen angepasst. Er erlaubt die optische Überwachung sowie die Probenentnahme während der Kultivierung und kann modular über den Versorgungsstrom mit weiteren Reaktoren verbunden werden, um gerichtete interspezifische Kommunikation zu untersuchen. Der RC wurde in Anlehnung an publizierte Konzepte konzipiert und zunächst in Polydimethylsiloxan (PDMS) hergestellt. Um den RC auch per Autoklavieren sterilisieren zu können, wurde der erfolgreich getestete PDMS Chip auch aus Polykarbonat (PC) hergestellt. Der RC erlaubt die Kultivierung von Keimlingen über eine Woche unter mikroskopischer Beobachtung und mit der Möglichkeit zur Analyse des abfließenden Mediums. Die Entwicklung dieser Systeme erforderte auch die Erforschung und Anpassung geeigneter Fertigungsverfahren. Für den MBR wurde eine Methode zur falten- und beschädigungsfreien Integration ultra-dünner poröser Membranen unter Verwendung von Ultraschallschweißen (USS) entwickelt. Dazu wurde ein neuartiges Design mit zehn Energierichtungsgebern (Pin-und-Nut-Geometrie) und umlaufender Dichtung eingeführt, bei dem die Membran wie bei einem Trommelfell aufgespannt wird. Im Fall des RCs wurden systematisch die Parameter für das absorberfreie Laserdurchstrahlschweißen (LDSS) von PC im Allgemeinen und für ungleich dicke PC-Schweißpartner im Speziellen untersucht und dadurch eine Lücke in der Literatur geschlossen. Ein besonderes Augenmerk lag auf der Analyse des Fokusabstands des Lasers, der Bauteilkonfiguration und der Oberflächenvorbehandlung, um geeignete Parameter für das Schweißen dünner PC-Folien auf dickere Substrate zu ermitteln. Die vier Schwerpunkte dieser Arbeit -- die Weiterentwicklung des MBR, das Design des RCs sowie die Erforschung der Prozesse USS und absorberfreies LDSS -- wurden systematisch untersucht. Dies umfasste Literaturrecherchen, die Identifikation und Bewertung prozessrelevanter Einflussgrößen, experimentelle Untersuchungen sowie eine umfassende Auswertung der Ergebnisse. Beide Systeme wurden von Projektpartnern des DialogProTec Projekts erfolgreich eingesetzt. Am Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften (JKIP) gelang die Kultivierung des Pilzes \textit{Neofusicoccum parvum} im MBR, während das Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP) das Wachstumsverhalten von \textit{Arabidopsis thaliana} Wurzeln im RC analysierte. Die in dieser Arbeit entwickelten mikrofluidischen Systeme bieten eine gute Grundlage sowohl für die direkte Erforschung nachhaltiger Pflanzenschutzstrategien als auch für die technische Weiterentwicklung solcher Plattformen. Überdies leisten sie einen Beitrag zur Schließung bestehender Forschungslücken im Bereich des USS und des absorberfreien LDSS und sind damit über den hier dargelegten Kontext hinaus weiter nutzbar.

As climate change places increasing strain on agricultural systems, the development of effective and sustainable crop protection tools becomes even more critical. Microfluidic technologies provide novel opportunities to investigate interactions between plants and their aggressors with high spatial and temporal resolution, enabling the design of targeted and environmentally friendly protection strategies. Within the scope of this thesis, two microfluidic chips (MFCs) were designed, refined, and manufactured: the Microfluidic Bioreactor (MBR), intended for the cultivation and analysis of plant cells and fungi; and the Root Chip (RC), developed to observe root growth behaviour \textit{in planta} under controlled environmental conditions. ... mehrThe MBR supports microscopic observation, direct sampling, and run-off analysis of cultivated cells, building on the work of previous dissertations conducted at the Institute for Microstructure Technology (IMT). Moreover, it can be connected modularly with other MBRs via a unidirectional flow, thus enabling the dissection of local chemical communication between intra- or inter-kingdom cell populations. The RC, a new design at the IMT was based on previously published root observation platforms. It facilitates the controlled cultivation and microscopic analysis of seedling root systems initially within polydimethylsiloxane (PDMS) RCs. This thesis also addresses key technological research gaps in the manufacturing of microfluidic devices. For MBRs, the challenge was to install ultra-thin porous membranes while bonding the chip halves using ultrasonic welding (USW). As there were no detailed publicly available protocols, initial tests evaluated parameter variations, but ultimately a redesign of the energy director (ED) system was required. A shift from a continuous weld line to ten discrete pillar-and-groove EDs enabled the membrane to be stretched taut over a sealing ring, preventing wrinkling and damage during welding. For the RC, the challenge was to replace PDMS with the autoclavable material Polycarbonate (PC) as the RC's material and to bond the chip halves using absorber-free laser transmission welding (LTW). This process was underexplored in literature, particularly for uneven welding partners such as a thin foil welded to a bulk substrate. Therefore, a systematic investigation was carried out that evaluated parameters such as focal plane alignment, surface preparation, and weld interface geometry. A viable parameter set was established that enabled the manufacturing of functional PC RCs. Each of the four primary research areas, the design and optimisation of the MBR and RC, as well as the advancement of USW-based membrane integration and absorber-free LTW of PC, was addressed through a structured process of literature review, analytical design, experimental implementation, and evaluation. Application experiments performed in collaboration with the Joseph Gottlieb Kölreuter Institut für Pflanzenwissenschaften (JKIP) and the Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP) demonstrated the usability and value of both MFCs. Fungal cultivation in the MBR was achieved successfully and the revised RC design was manufactured in PC for the first time. In conclusion, the devices and manufacturing strategies developed in this thesis provide robust platforms for biological studies in the context of sustainable plant protection, while laying essential groundwork for future research in microfluidic device design and manufacturing.