Kryokonservierung & Zellkultur-Automatisierung

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik

Bisher sind nahezu alle Projekte im Feld der Nanobiotechnologie bei Temperaturen im Bereich von 0°C bis 50°C angesiedelt. Dies begründet sich aus den physiologischen Temperaturen, die lebende Systeme im bakteriellen, pflanzlichen und tierischen Bereich benötigen. Viele Fragestellungen der herkömmlichen Nanotechnologien, z.B. der Nanoelektronik und partiell auch im Bereich der Materialwissenschaften, lassen sich hingegen nur bei höchst unphysiologischen Umgebungsparametern wie extrem tiefen Temperaturen oder (Ultra-)Hochvakuum bearbeiten. Im Forschungsgebiet „Kryo-Nanobiotechnologie“ wird nun mit der wissenschaftlich wie industriell für die zukünftige Biotechnologie sehr bedeutsamen Kryobiotechnologie eine Brücke über diesen „Environment Gap“ zwischen beiden Forschungsfeldern der Nanotechnologie gespannt. Ziel ist es, für molekulare bis hin zu zellulären biologischen Ensembles auf Substraten der Nanotechnologie Randbedingungen zu ermöglichen, die eine Steigerung der Überlebensrate, das lagegetreue und definierte Einfrieren/Auftauen und die miniaturisierte Ablage vieler Proben in Arrays bei parallel integrierter Datenablage erlauben. Zusätzlich sollen durch die Applikation tiefer Temperaturen weitere Werkzeuge für alle Bereiche der Nanotechnologien entstehen.

Die Kryokonservierung von Zellen ist ein in der Medizin, Biologie und in zunehmendem Masse in der industriellen Biotechnologie etablierte Technik zur Kurzzeit- bis Langzeitkonservierung. Benutzt werden empirische Temperatur- und Gefrierschutz-Programme und nahezu ausnahmslos Suspensionen im ml-Bereich pro Probe, die bei der Temperatur nahe der des flüssigen Stickstoffs abgelegt werden müssen. In immer stärkerem Masse nimmt die Bedeutung einzelner Zellen zu, die sich zudem in nano- und mikrosystemstrukturierten Komponenten und immer häufiger adhärent an Oberflächen befinden. In Zukunft wird für diese Bereiche der zytologischen Biotechnologie und Medizin eine höhere Überlebensrate nach dem Auftauen und ein lückenlos dokumentierter Temperaturverlauf mit definierten Randbedingungen gefordert werden.

Eine der Aufgaben ist es, diese Randbedingungen für die relevanten Grenzflächen mit neuen nanotechnologischen Methoden definiert einzustellen. Die von uns identifizierten (bioaktiven) Grenzflächen sind:

  • Grenzfläche Zelle-Substrat
  • Grenzfläche Zelle-Medium
  • Bioaktive Grenzflächen (nach der Kryokonservierung).