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). Beide 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.