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 Forschungsbericht für das Jahr 2018

Anwendungsentwicklung

Prof. Dr. Roland Zengerle

Georges-Koehler-Allee 103
79110 Freiburg
Tel: +49 761 203 73211 Fax: +49 761 203 73299
http://www.imtek.de/anwendungen/


Wissenschaftliche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter

Einträge in der Rubrik "Who is Who"

Forschungsschwerpunkte

  • Bioelektrochemische Systeme (Dr. Sven Kerzenmacher): Micro Energy Harvesting – Energieeffizienz – Brennstoffzellen. Entwicklung von Bio-Brennstoffzellen und anderen elektrochemischen Systemen, die Elektrizität direkt aus biologischen Energieträgern erzeugen • Medizinische Implantate werden aus körpereigenem Blutzucker mit Energie versorgt • Nutzung kommunaler und industrieller Abwässer zur Stromerzeugung – dank mikrobieller Bio-Brennstoffzellen. Das Arbeitsgebiet umfasst Materialscreening, Bioreaktorkonstruktion, Aufbau und Charakterisierung von kompletten, anwendungsnahen Systemen.
  • Lab-on-a-Chip (Dr. Felix von Stetten, Dr. Daniel Mark) HSG-IMIT: Integration kompletter Abläufe für biochemische Analysen auf Chips von der Größe einer Kreditkarte. Aus einem einzigen Tropfen Blut lassen sich dadurch direkt am Ort des Patienten schnell und zuverlässig komplexe Krankheitsbilder analysieren. LabDisk (Oliver Strohmeier & Mark Keller): Entwicklung automatisierter Lösungen für biologische und klinisch relevante Laborabläufe mittels eines zentrifugal-mikrofluidischer Testträgers etwa von der Größe einer CD. LabTube (Dr. Nils Paust): Zentrifugale Mikrofluidik in der dritten Dimension. Automatisierung von Laboroperationen in funktionalen Verpackungen für die Prozessierung in Standard-Laborzentrifugen ( gestapelte Anordnung mikrofluidischer Elemente, Reagenzienvorlagerung für Probenvolumina von einigen Mikrolitern bis zu zwei Millilitern). Anwendungen: DNA- und Proteinanalytik sowie serologische Tests. Lab-on-a-Chip Foundry Service (Dr. Daniel Mark): Schnelle Entwicklung, Integration und Realisierung eines (bio-)chemischen Assays als mikrofluidisches Lab-on-a-Chip-Funktionsmuster. Ziel sind kundenspezifische, marktreife vor-Ort-Analytik und Diagnostik. Basis der mikrofluidischen Integration bildet unser Designhandbuch, eine umfangreiche Bibliothek standardisierter mikrofluidischer Einheitsoperationen wie z.B. Fluidtransport, Mischen, Inkubieren, Aliquotieren u.s.w. Lab-on-a-Chip Prototyping (Dominique Kosse): Die Prozesse umfassen die Mikrostrukturierung von Kunststoffsubstraten, Oberflächenmodifikationen, Deckeln sowie die Reagenzienvorlagerung. Durch Mikrofräsen entstehen Kanäle bis zu 30 µm her. Die Vervielfältigung der gefrästen Master erfolgt durch Heißprägen von Kunststoffplatten oder Mikrothermoformen von Foliensubstraten. Nukleinsäure Analyse (Simon Wadle): • Implementierung von Prozessabläufen in unsere LabDisk- und LabTube-Plattformen • Entwicklung neuer Assays wie z.B. die Mediator Probe PCR. Immundiagnostik (Dr. Sandeep K. Vashist): • Entwicklung kostengünstiger, hochsensitiver und analytisch verbesserter point-of-care/point-of-need Immunoassays, sowie Plattformen für unterschiedliche bioanalytische Anwendungen / Anforderungen. • Entwicklung neuartiger kolorimetrischer Lesegeräte, personalisiertes Gesundheitsmonitoring und Lösungen für ein verbessertes Management diverser Krankheiten mithilfe Smartphone-gestützter Technologie Fluidik, Modellieren und Messen (Dr. Nils Paust, Dr.Tobias Hutzenlaub): Automatisierung fluidischer Prozesse auf Lab-on-a-Chip-Plattformen durch • Proof of principle-Studien, • detaillierte Analysen der fluidischen Strömungsvorgänge, • Optimierung fluidischer Prozesse • Sensitvitätsstudien der fluidischen Operationen bezüglich variabler fluidischer Parameter und Fertigungstoleranzen.
  • Kontaktfreie Mikrodosiertechnik (Dr. Peter Koltay): Dosier- und Drucktechnik für Forschung und Industrie Kontaktfreie Dosierverfahren für kleinste Flüssigkeitsmengen (z.B. Medien mit gelösten Partikeln oder lebenden Zellen in hohem Durchsatz und mit hoher Parallelität). Suche nach neuen Wirkstoffen in der pharmazeutischen Industrie bis zum kostengünstigen Drucken metallischer Leiterbahnen in der Produktion von Solarzellen. Erzeugung, Vermessung und Handhabung kleinster Flüssigkeitstropfen, die berührungslos – d.h. ohne mechanischen Kontakt – auf nahezu beliebige Substrate appliziert werden können. Drucken von einzelnen lebenden Zellen oder heißen Metall-Mikrotropfen. Dosierventile oder Inkjet-Druckköpfe. Anwendungsfelder • Life Science-Forschung • Mess- und Produktionstechnik • Mikroelektronik & Solarzellen • Analytik & Diagnostik
  • Poröse Medien (Dr. Simon Thiele): Brennstoffzellen & Batterien. Poröse Medien sind von zentraler Bedeutung für Elektroden von Batterien und Brennstoffzellen. Untersuchung der komplexen Mikro- und Nanostrukturen Anwendungsbeispiele • Herstellung von Brennstoffzellen- und Batterieelektroden durch Elektrospinning • Multiskalen-Tomographie für nano-poröse Brennstoffzellenelektroden • Simulation von Transportprozessen in porösen Brennstoffzellenelektroden
  • Microfluidic and Biological Engineering (Dr. Matthias Meier): Hoch-integrierte mikrofluidische Technologien – Biomolekulare Interaktionen – Synthetische Biologie. Entwicklung mikrofluidischer, sowie neuer biologischer Technologien zum Nachweis und Design von biomolekularen Interaktionen. Der Fokus liegt auf verschiedenen biologischen Ebenen, wie zum Beispiel der molekularer, zellulärer und organismischer Ebene. Dabei sollen biomolekulare Interaktionen in einem System auf unterschiedlichen Zeitskalen und Signalwegen charakterisiert und verändert werden. Molekulare Ebene: • genetisch codierte Fluoreszenz-Sensoren (FRET-Sensoren) für mikrofluidische Hochdurchsatzstudien Zelluläre Ebene • Zell-basierte Immuno-Assays auf mikrofluidischen Chips. Organismische Ebene: • Micro-Organe auf dem Chip: Untersuchung von Prostatastammzellen
  • MikroMedizin (Simon Herrlich) (HSG-IMIT): Realisierung neuer Dosiersysteme, welche Medikamente zeitlich gesteuert abgeben. Die Abgabe erfolgt schmerzfrei mittels Mikronadeln durch die Haut oder durch Implantate Unsere Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind: • Medikamentendosiersysteme • Integrierte mikrofluidische Strukturen • Forschungstools für die Neurowissenschaften
  • Thermische Sensoren (Dr. Sophie Billat) (HSG-IMIT): Entwicklung anwendungsspezifischer Sensoren und Mikrosysteme zur Messung physikalischer Größen auf der Basis thermischer Effekte. Unser Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkte sind: • Strömungssensoren • Differenzdrucksensoren • Taupunktsensoren • Durchflussregler

Wissenschaftliche Projekte und Forschungsvorhaben


  • 3D-BioPrinting von vaskularisiertem Knochenersatzgewebe
    • Projektleitung: Dr. Peter Koltay (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.10.2015 bis 31.03.2018
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  • Bioprinting von direkt reprogrammierten Nierentubuluszellen als Krankheitsmodell und als Screening-Plattform (NEPHRO-PRINT)
    • Projektleitung: Dr. Stefan Zimmermann (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.10.2017 bis 30.09.2020
    • Details zum Projekt
  • Deutsch-kanadische Brennstoffzellenkooperation: Diagnose und Entwicklung von Komponenten für automobile Brennstoffzellen - DEKADE
    • Projektleitung: Dr. Simon Thiele (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 2017 bis 2019
    • Details zum Projekt
  • Einzelzell-Drucker für die genomische und massenspektrometrische Analyse einzelner Bakterien (SiBaGeM)
    • Projektleitung: Julian Riba (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.06.2016 bis 30.11.2018
    • Details zum Projekt
  • Entwicklung und Erforschung einer Plattform für das 3D-Bio-Printing von künstlichem Gewebe in einem Netzwerk kleiner und mittlerer Unternehmen (3D-Bio-Net)
    • Projektleitung: Dr. Stefan Zimmermann (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.08.2017 bis 31.07.2020
    • Details zum Projekt
  • F-MFC2: Wirtschaftlichkeitsstudie zur filtrationsaktiven mikrobiellen Brennstoffzelle – Simultane Stromgewinnung und Membranfiltration zur energieeffizienten Abwasserreinigung
    • Projektleitung: PD Dr. Sven Kerzenmacher (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: seit 01.03.2015
    • Details zum Projekt
  • Gedruckte 3D-Kontakte
    • Projektleitung: Dr. Peter Koltay (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.05.2017 bis 30.04.2020
    • Details zum Projekt
  • Gefriertrocknung von Mikroemulsionen als neuartiger Ansatz zur Herstellung von graphengekapselten Schwefel- und Siliziumnanopartikel für Batterieanwendungen
    • Projektleitung: Van Chuyen Pham (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 2018 bis 2020
    • Details zum Projekt
  • Hochdynamische Multianalyt-Assays – Die gleichzeitige Detektion von Nukleinsäuren und Proteinen in einem Schritt
    • Projektleitung: Dr. Susanna Früh (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.04.2018 bis 31.03.2021
    • Details zum Projekt
  • Individual Response Monitoring Assay for clinical decision support of personalized ALL therapy (IRMA-4-ALL)
    • Projektleitung: Dr. Michael Lehnert (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.10.2015 bis 30.09.2019
    • Details zum Projekt
  • Inline-Integration einer neuen Drucktechnologie für elektronische Anwendungen in der industriellen Fertigung (IDEA)
    • Projektleitung: Björn Gerdes (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.10.2016 bis 31.10.2018
    • Details zum Projekt
  • LAMP-basierte digitale Quantifizierung von HIV und HTLV für Point-of-care Diagnostik (Light-Up)
    • Projektleitung: Lisa Becherer (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.02.2016 bis 28.02.2019
    • Details zum Projekt
  • Mikroorganismen-Elektroden-Komposit-Materialien für die erneuerbare Produktion von Biokraftstoffen (MEKOMAT)
    • Projektleitung: Dr. Sven Kerzenmacher (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.07.2015 bis 30.06.2018
    • Details zum Projekt
  • Mischen in der zentrifugalen Mikrofluidik (CentriMix)
    • Projektleitung: Dr. Tobias Hutzenlaub (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.09.2015 bis 31.08.2018
    • Details zum Projekt
  • Mono-cy-Clone: Einzelzelldruck für die biopharmazeutische Produktion und Zelltherapie
    • Projektleitung: Dr. Stefan Zimmermann (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 2016 bis 2018
    • Details zum Projekt
  • Neue optische Konzepte für den Einzelzelldruck von Bakterien (SOL-CT)
    • Projektleitung: Julian Riba (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.01.2018 bis 30.06.2020
    • Details zum Projekt
  • NeuRoFast - Weiterentwicklung eines kombinierten Neutronen- und Röntgen-Bildgebungsverfahrens an der Neutronentomographieanlage ANTARES am FRM-II. Teilprojekt 2
    • Projektleitung: Dr. Simon Thiele (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.07.2016 bis 30.06.2019
    • Details zum Projekt
  • Simulationsgestützte Charakterisierung von Transportprozessen und Affinitätsreaktionen an Festphasen in der zentrifugalen Mikrofluidik (CentriPhase)
    • Projektleitung: Dr. Nils Paust (Prof. Dr. Roland Zengerle)
    • Laufzeit: 01.04.2016 bis 31.03.2019
    • Details zum Projekt

Wissenschaftliche Publikationen

Originalarbeiten in wissenschaftlichen Fachzeitschriften:
  • B. Gerdes, M. Jehle, N. Lass, L. Riegger, A. Spribille, M. Linse, F. Clement, R. Zengerle, P. Koltay: Front side metallization of silicon solar cells by direct printing of molten metal Solar Energy Materials and Solar Cells, 2018; 180: 83-90. : http://doi.org/10.1016/j.solmat.2018.02.022
  • B. Gerdes, R. Zengerle, P. Koltay, L. Riegger: Direct printing of miniscule aluminum alloy droplets and 3D structures by StarJet technology J Micromech Microeng, 2018; 28: 074003. : http://doi.org/10.1088/1361-6439/aab928
  • C.H. Tsai, X. Wu, D.H. Kuan, S. Zimmermann, R. Zengerle, P. Koltay: Digital hydraulic drive for microfluidics and miniaturized cell culture devices based on shape memory alloy actuators J Micromech Microeng, 2018; 28 (online): 084001. : http://doi.org/10.1088/1361-6439/aabd1e
  • E. Kipf, J. Erben, R. Zengerle, J. Gescher, S. Kerzenmacher: Systematic investigation of anode materials for microbial fuel cells with the model organism G. sulfurreducens Bioresource Technology Reports, 2018; 2 (online): 29-37. : http://doi.org/10.1016/j.biteb.2018.03.005
  • J. Madjarov, A. Götze, R. Zengerle, S. Kerzenmacher: Simultaneous use of a crossflow filtration membrane as microbial fuel cell anode – permeate flow leads to 4-fold increased current densities Bioresource Technol, 2018; 257: 274-280. : http://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.02.032
  • K. Kraiczek, G. Rozing, R. Zengerle: G-Index: A New Metric to Describe Dynamic Refractive Index Effects in HPLC Absorbance Detection Talanta, 2018; 187: 200-206. (in Druck)
  • L. Becherer, M. Bakheit, S. Frischmann, S. Stinco, N. Borst, R. Zengerle, F. von Stetten: Simplified real-time multiplex detection of loop-mediated isothermal amplification (LAMP) using novel mediator displacement probes with universal reporters Anal Chem, 2018; 90: 4741-4748. : http://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b05371
  • M. Frei, C. Köhler, L. Dietel, J. Martin, F. Wiedenmann, R. Zengerle, S. Kerzenmacher: Pulsed electro-deposition of highly porous Pt-alloys for the use in methanol, formic acid, and glucose fuel cells Chemelectrochem, 2018: 1013-1023. : http://dx.doi.org/10.1002/celc.201800035
  • S. H. Moosavi, M. Kroener, M. Frei, F. Frick, S. Kerzenmacher, P. Woias: Development of a TEM Compatible Nanowire Characterization Platform With Self-forming Contacts Ieee T Semiconduct M, 2018; 31 (1): 1-10. : http://dx.doi.org/10.1109/TSM.2018.2793356
  • S. Hin, M. Loskyll, V. Klein, M. Keller, O. Strohmeier, F. von Stetten, R. Zengerle, K. Mitsakakis: Membrane-based sample inlet for centrifugal microfluidic cartridges Microelectron Eng, 2018; 187-188: 78-83. : http://doi.org/10.1016/j.mee.2017.12.006
  • S. Hin, N. Paust, M. Keller, M. Rombach, O. Strohmeier, R. Zengerle, K. Mitsakakis: Temperature change rate actuated bubble mixing for homogeneous rehydration of dry pre-stored reagents in centrifugal microfluidics Lab Chip, 2018; 18: 362-370. : http://doi.org/10.1039/c7lc01249g
Reviews/Übersichtsartikel in wissenschaftlichen Fachzeitschriften:
  • K. Mitsakakis, S. Hin, P. Müller, N. Wipf, E. Thomsen, M. Coleman, R. Zengerle, J. Vontas, K. Mavridis: Converging Human and Malaria Vector Diagnostics with Data Management towards an Integrated Holistic One Health Approach International Journal of Environmental Research and Public Health, 2018; 15 (2): E259. : http://dx.doi.org/10.3390/ijerph15020259
  • M. Kokko, S. Epple, J. Gescher, S. Kerzenmacher: Effects of wastewater constituents and operational conditions on the composition and dynamics of anodic microbial communities in bioelectrochemical systems Bioresource Technology, 2018; 258: 376-389. : http://doi.org/10.1016/j.biortech.2018.01.090
Kurzbeiträge / short communications:
  • J. Schemberg, M. Specht, M. Karle: Neue Wege in der Krebsdiagnostik - Mikrofluidische Strategien für die Medizin 4.0 GIT-Laborfachzeitschrift, 2018; 4: 16. : http://www.git-labor.de/printausgabe
Vorträge:
  • L. Becherer: Therapiebegleitende HIV- und HTLV-Diagnostik am Point-of-Care 2018 (microTEC Südwest Clusterkonferenz 2018, 16. – 17.04.2018, Freiburg).
  • S. Vierrath, M. Breitwieser, C. Klose, M. Klingele, S. Thiele: Novel approaches to tailor the PEM|electrode interface for fuel cells with increased power density 2018 (innBW Wissenschaftlertreffen Stuttgart, 21.04.2018).
Konferenzbeiträge:
  • L. Becherer, M. Bakheit, S. Frischmann, S. Stinco, N. Borst, R. Zengerle, F. von Stetten: Fluorogenic real-time detection of loop-mediated isothermal amplification by novel mediator displacement probes demonstrated for HIV-1 and HTLV-1 2018 (International Biotech Innovation Days, 23 - 25 May 2018 / Senftenberg, Germany).
  • N. Wipf, K. Mavridis, S. Hin, K. Mitsakakis, M. Specht, S. Medves, B. Carman, P. Müller, J. Vontas: Development of multiplex TaqMan assays for the LabDisk – an automated diagnostic platform for malaria vectors 2018 (7th MIM Pan African Malaria Conference - Dakar, 18.04.2018).
  • P. Juelg, M. Specht, E. Kipf, M. Lehnert, C. Eckert, N. Paust, F. von Stetten, R. Zengerle, T. Hutzenlaub: Automation of qPCR based Minimal Residual Disease Monitoring by Centrifugal Microfluidics 2018 (11th Symposium on minimal residual cancer, 03. – 05.05.2018, Montpellier, Frankreich).
  • P. Juelg, M. Specht, E. Kipf, M. Lehnert, C. Eckert, N. Paust, F. von Stetten, R. Zengerle, T. Hutzenlaub: Towards Standardization of Molecular Diagnostic Workflows: Centrifugal Microfluidic Automation of qPCR for Cancer Monitoring 2018 (6th International Molecular Diagnostics Europe, Lissabon / Portugal, 22. - 24. 05.2018).
  • S. Hin, B. Lopez-Jimena, M.A. Bakheit, V. Klein, S. Stack, C. Fall, A.A. Sall, K. Enan, S. Frischmann, L. Gillies, M. Weidmann, S. Goethel, V. Rusu, O. Strohmeier, N. Paust, R. Zengerle, K. Mitsakakis: Differential diagnosis of fever in West- and East-Africa 2018 (WHO Geneva Health Forum, 10. – 12.04.2018, Genf / Schweiz).

Besondere wissenschaftliche Aktivitäten

Abschlussarbeiten