Entwicklung und Konstruktion einer neuartigen Fixiereinheit für eine Zellkultur-Inkubatorzentrifuge. Development and Design/Construction of a new Type of Fixation Unit for a Cell Culture Incubator Centrifuge

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zur Qualitätssteigerung der Untersuchungsergebnisse und soll eine Entwicklung und Konstruktion einer Fixiereinheit für eine Anwendung während der Zentrifugation anstreben. In Hinblick auf eine Erweiterung der Versuchsmöglichkeiten sollen über eine zu konzipierende Winkelverstellung zusätzliche Scherkräfte oder Druckkräfte die Proben gezielt stimulieren. Im ersten Schritt ist die Aufgabenstellung weiter präzisiert und mit biologisch relevanten Randbedingungen erweitert worden. Für die Entwicklung der Fixiereinheit zeigte sich, dass ein zusätzlicher Austausch des Mediums für die Proben, auf Grund der geforderten Versuchsdauer und der Zersetzung des Nährmediums, notwendig ist. Es wurde unter anderem dargelegt wie der Entwicklungs- und Konstruktionsprozess stattfindet. Über einen methodischen Ansatz sind Gesamtaufgaben und Teilfunktionen für die Fixiereinheit und die Winkelverstellung bestimmt worden. Hiermit war es möglich für jede Funktion eine geeignete Lösungsmöglichkeit zu entwickeln. Durch eine Kombination der Lösungsideen über einen Morphologischen Kasten, sind insgesamt 6 Konzepte entwickelt worden. Diese wurden über eine Bewertungsphase hinsichtlich der gestellten Anforderungen beurteilt. Auf Grund der angestrebten Versuchsdauer, dem benötigten Volumenstrom der unterschiedlichen Probenbehälter, den Temperaturanforderungen an den Lysepuffer und dem limitierten Bauraum im Inkubator, stellte sich heraus, dass eine Fixierung/Lyse und ein Medium Austausch über eine externe Zuführung in den Inkubator zu bevorzugen sind. Dieser Ansatz setzt eine Drehdurchführung zwischen dem statischen und dem dynamischen Bereich voraus und hat den Konstruktionsprozess der Fixiereinheit und die Auslegung der Steuerungseinheit maßgeblich beeinflusst. In der Entwurfsphase erfolgte die Auslegung aller benötigten Komponenten unter Berücksichtigung einer konservativen Lastverteilung, um Unsicherheiten durch äußere Einflussfaktoren abzudecken. Durch die erforderliche Leitung der Medien in den Inkubator, sind beide Wellen als Hohlwelle ausgeführt worden. Hier musste an der Zentrifugen-Welle eine zusätzliche Aussparung im Bereich des gefährdeten Querschnitts eingefügt werden. Diese Schwächung des Bauteiles wurde in der Berechnung des erforderlichen Außendurchmessers vernachlässigt. Durch einen Aufschlag auf den ermittelten Durchmesser konnte jedoch eine zusätzliche Sicherheit geschaffen werden. Bei der Auswahl der Wälzlager für die Zentrifugen-Welle musste besonders auf eine Eignung für die geforderte Sterilisationstemperatur von 200°C geachtet werden. Über eine Erhöhung der Lagerluft und eine entsprechende Auswahl der Wälzlagerelemente ist eine geeignete Lösung gefunden worden. Für die zwei Lagerungskonzepte an den beiden Wellen ist eine Teilung der Lagerschalen vorgesehen worden, um den Montageaufwand zu reduzieren. Hierbei sind kritische Schraubenverbindungen über eine Vorauslegung bestimmt worden. Die Montagemöglichkeit wurde auch durch die Integration einer Balgkupplung zwischen beiden Wellen vereinfacht. Hierbei wurde ein Ausgleich der thermischen Längenänderungen im Sterilisationsfall berücksichtigt. In der Konstruktion der Spritzenpumpe stellte sich heraus, dass eine Fixierung im Probenbehälter 24- well-plates den größten Volumenstrom benötigt und somit dimensionierend für die Auslegung der gesamten fluidtechnischen Anlage ist. Es konnte ein geeignetes Antriebskonzept aufgezeigt werden, welches den erforderlichen Volumenstrombereich mit einer ausreichenden Reserve zur Verfügung stellt. Da die Spritzenpumpe direkt durch den Anwender bedient wird, wurden durch eine bedarfsgerechte Konstruktion, die Rüstarbeiten auf ein Minimum reduziert. Erste Versuche eines angefertigten Prototyps demonstrierte ein gutes Förderverhalten und bestätigten eine einfache Handhabung. Bei der Auswahl der Drehdurchführung zeigte sich, dass durch die Limitierung des Innendurchmessers der Hohlwellen und durch den erforderlichen Leitungsquerschnitt, insgesamt nur zwei Leitungen verwendet werden können. Für die Verteilung der Flüssigkeiten auf die Probenbehälter 6-well-plates und 24-well-plates ist ein Mehrkanalsystem mit Zu- und Abfuhranschluss entwickelt worden. Es wurde aufgezeigt, dass hierüber eine Benetzung der Kultivierungsfläche mit der Mindestmenge an Fixierungs- und Lysemittel ermöglicht wurde. Ein angefertigter Prototyp zeigte in einem Versuch deutlich, dass auch Winkellagen von 90 Grad möglich sind und eine Verteilung in die einzelnen Probenschalen nahezu gleichmäßig verläuft. Die Limitierung der Förderleitungen hat einen großen Einfluss auf die Steuerungseinheit. Hierfür wurde im ersten Schritt der erforderliche Programmablauf dargestellt und die Kommunikation zwischen allen Komponenten aufgezeigt. Es zeigte sich, dass eine zusätzliche Steuerung der Probenbehälterventile innerhalb des Inkubators notwendig ist. Für den Medium Austausch konnte eine geeignete Schlauchpumpe für den erforderlichen Volumenstrom ausgesucht werden. Durch die Auswahl einer Mehrkanalpumpe konnte der Steuerungsaufwand reduziert werden. Jedoch sind auf Grund der Limitierungen von Leitungen zusätzliche Regelventile aufgezeigt, welche einen Gesamtablauf erlauben. Darüber hinaus wurde eine mögliche Anordnung der Subsysteme im statischen Bereich verdeutlicht. Die Ventile für die Probenbehälter mussten ein geringes Gewicht bei Einhaltung des erforderlichen Volumenstroms aufweisen. Für dieses Mikroventil wurde ein zusätzliches Verteilungssystem und eine Halterung entwickelt. Eine Anbindung dieser Komponenten ist über eine leicht montierbare Rotorscheibe auf den Rotor ermöglicht worden und kann vor der Sterilisation wieder entfernt werden. Da auf beiden Rotoren eine Rotorscheibe und eine Verteilung benötigt wird, ist eine Möglichkeit zur Trennung der elektrischen und fluidischen Leitungen vorgeschlagen.