Please use this identifier to cite or link to this item: doi:10.22028/D291-27027
Title: All-in-one microsystem for long-term cell culturing and real-time chip-level lensless microscopy
Author(s): Li, Wei
Language: English
Year of Publication: 2017
Free key words: All-in-one-Mikrosystem
linsenlose Mikroskopie
DDC notations: 570 Life sciences, biology
600 Technology
Publikation type: Doctoral Thesis
Abstract: The study is to concept, develop and evaluate an all-in-one microsystem with combined long-term animal cell culturing and real-time chip-level lensless microscopy functions suitable for applications in cell biology studies, and at the point-of-use. The microsystem consists of a 5 megapixel CMOS image sensor, a disposable microchip for cell culture, heating elements and LED illumination. The overall size is only 40 mm x 40 mm x 50 mm. The disposable microchip for cell culture is composed of a polymer microfluidic interface and a silicon micro-cavity chip with a 1 µm thick 1 mm x 1 mm transparent Si3N4 bottom membrane, which is directly placed onto the image sensor surface. Under the collimated LED illumination, the optical resolution of the lensless imaging module is only dependent on the digital resolution of the image sensor, which amounts to 3.5 µm (double pixel pitches). The imaging quality is proven comparable to a 4x optical microscope without image computation or processing. Both the morphologies of different cell cultures (L929, A549 and T47D) and the single cells with colorimetric staining can be clearly visualized in real time. With the additional deposition of an interference filter on the image sensor surface, fluorescence spreading cells in culture are observed on the chip under a common blue LED illumination. The temperature for the incubating module is controlled at 37±0.2°C in the room environment. Mammalian cells (L929 and A549) are cultured with conventional culture medium and monitored under the time-lapse lensless microscopy by the all-in-one microsystem up to 5 days outside a laboratory incubator. Very fast operational processes, such as cell loading, passaging and staining, have been readily carried out and monitored in real-time by the platform. Besides cell cultures in monolayer, the formation of 3D clusters of L929 cells has also been demonstrated and recorded under time-lapse lensless microscopy by using the all-in-one microsystem.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die Konzeption, Entwicklung und Evaluation eines All-in-One-Mikrosystems mit der Kombination aus Langzeit Kultivierung von Tierzellen und Echtzeit Linsenloser Mikroskopie Funktionen auf Chip Level, die für Anwendungen in zellbiologischen Studien sowie für Point-of-use geeignet sind. Das Mikrosystem besteht aus einem 5 Megapixel CMOS-Bildsensor, einem Einweg-Mikrochip für die Zellkultur, Heizelementen sowie einer LED-Beleuchtung Die Gesamtgröße beträgt nur 40 mm x 40 mm x 50 mm. Der Einweg-Mikrochip für die Zellkultur besteht aus einer polymeren, mikrofluidischen Grenzfläche und einem Silizium-Mikrohohlraum-Chip mit einer 1 µm dicken und 1 mm x 1 mm transparenten Si3N4-Bodenmembran, die direkt auf die Bildsensoroberfläche aufgesetzt wird. Unter der kollimierten LED-Beleuchtung ist die optische Auflösung des linsenlosen Abbildungsmoduls nur von der digitalen Auflösung des Bildsensors abhängig, was 3,5 µm beträgt (Doppelpixelabstände). Die Bildqualität ist vergleichbar mit einem 4x optischen Mikroskop ohne Bildberechnung oder Verarbeitung. Sowohl die Morphologien verschiedener Zellkulturen (L929, A549 und T47D) als auch die einzelnen Zellen mit farbmetrischer Färbung können in Echtzeit deutlich sichtbar gemacht werden. Mit der zusätzlichen Abscheidung eines Interferenzfilters auf der Bildsensoroberfläche werden fluoreszenzverteilende Zellen in Kultur auf dem Chip unter einer gemeinsamen blauen LED-Beleuchtung beobachtet. Die Temperatur für das Inkubationsmodul wird bei 37 ± 0,2 ° C in der Raumumgebung festgelegt. Säugetierzellen (L929 und A549) werden mit herkömmlichem Kulturmedium kultiviert und unter der Zeitrafferlinsenmikroskopie durch das All-in-One-Mikrosystem bis zu 5 Tage außerhalb eines Laborinkubators überwacht. Sehr schnelle operative Prozesse wie z. B. Zellbeladung, Durchfluss und Färbung wurden in Echtzeit durch die Plattform durchgeführt und überwacht. Neben den Zellkulturen in der Monoschicht wurde auch die Bildung von 3D-Clustern von L929-Zellen in Zeitraffer bei lichtempfindlicher Mikroskopie unter Verwendung des All-in-One-Mikrosystems nachgewiesen und aufgezeichnet.
Link to this record: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-ds-270273
Advisor: Fuhr, Günter
Date of oral examination: 17-Jan-2018
Date of registration: 30-Jan-2018
Faculty: NT - Naturwissenschaftlich- Technische Fakultät
Department: NT - Systems Engineering
Collections:SciDok - Der Wissenschaftsserver der Universität des Saarlandes

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