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Mikrofluidikchips für die Messung des Kalzifizierungsrisikos = Microfluidic chips for the measurement of calcification propensity
2020
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-04-03
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-04067
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/787456/files/787456.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Nierensteine, Blasensteine und Kalkablagerungen in Herzkranzgefäßen oder im Gehirn sind Beispiele für pathologische Kalzifizierungen. Das Risiko von Patienten, eine solche krankhafte Kalzifizierung zu erleiden, kann an der Zeit gemessen werden, in der sich das Blutserum eines Patienten eintrübt, wenn durch die Zugabe von Calcium und Phosphat ein Mineralisierungsdruck einsetzt und sich Calciprotein-Partikel (CPP) bilden. Der Zeitpunkt der Umwandlung wird T50 genannt und korreliert mit dem Risiko eines Patienten zu kalzifizieren. Der T50-Test berücksichtigt alle an der Kalzifizierung beteiligten Parameter und erlaubt damit eine bessere Diagnose als eine Fetuin-A- oder Phosphatkonzentrationsmessung. Herkömmliche Messverfahren für die T50-Zeit wie z.B. die Nephelometrie sind vergleichsweise aufwändig und langwierig. Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung, ob eine reproduzierbare T50-Messung in wenigen Minuten möglich ist. Dazu wurde ein Messaufbau mit Einweg-Mikrochips als schnelle und kostengünstige Alternative weiterentwickelt. Er basiert auf der Messung der CPP-Umwandlungszeit, entweder elektrochemisch mittels Impedanzspektroskopie mit Frequenzgenerator und Oszilloskop oder optisch mittels Laser und Fotowiderstand. Es wurden mikrostrukturierte Polymerchips entwickelt, von denen circa 1200 Stück hergestellt wurden. In diesen Polymerchips befindet sich jeweils eine Küvette, in der die CPP-Umwandlung in einem Gemisch aus Blutserum mit Calcium und Phosphat gemessen wird. Der T50 wird anhand der Stufe in der Trübung der Se-rumproben oder ihres elektrischen Wechselstromwiderstands erkannt. Von den untersuchten Elektrodendesigns bei der Impedanzspektroskopie weisen zwei Stabelektroden in der Küvette die beste Reproduktionsfähigkeit auf. Die Messungen können mit Serum, Plasma und heparinisiertem Vollblut durchgeführt werden, führen aber nicht zu reproduzierbaren Ergebnissen. Es hat sich gezeigt, dass die Mischung von Serum, Calcium und Phosphat am besten außerhalb des Mikrochips erfolgen sollte, weil sich für alle erprobten Mischverfahren innerhalb des Chips keine Vorteile ergaben. Bei der optischen Messung wurde das Signal-Rausch-Verhältnis durch eine Verlängerung des Lichtweges durch die vermischten Edukte mittels Spiegelflächen in der Küvette signifikant verbessert. Die Messzeit wurde auf wenige Minuten verkürzt, indem die Temperatur des Chips über ein in dem Messaufbau integriertes, regelbares Peltier-Element auf bis zu 85 °C erhöht wurde. Eine lineare Korrelation der T50-Zeiten, die im Nephelometer bei 37 °C bzw. im Mikrochip bei 75 °C gemessen wurden, zeigt, dass die Messung mit der mikrochipbasierten Testmethode in weniger als 10 Minuten mit einer Varianz von circa 6 % möglich ist. Eine medizinische Validierung mit einer ausreichend großen Anzahl von Testpersonen kann jetzt erfolgen.Kidney stones, bladder stones and calcium deposits in coronary vessels or in the brain are examples of pathological calcification. The propensity of patients to suffer from such pathological calcification is measured by adding calcium and phosphate to blood serum and measuring the time until turbidity occurs due to the formation of calciprotein particles (CPP). The time of this transformation is called T50 and correlates with the calcification propensity of a patient. The T50 test takes into account all the parameters involved in the calcification and thus allows a better diagnosis than a Fetuin-A or phosphate concentration measurement. Conventional measuring methods for the T50 time, such as e.g. nephelometry are relatively complex and lengthy. The objective of this work was to investigate whether a reproducible T50 measurement can be achieved in a few minutes. Thus, an alternative measurement setup with disposable microchips has been further developed. It is based on the measurement of the CPP conversion time, either electrochemically by means of impedance spectroscopy, or by means of laser and photo resistor. Microstructured polymer chips were developed, of which about 1200 pieces were produced. Each of these polymer chips contains a cuvette in which the CPP conversion in a mixture of blood serum with calcium and phosphate is measured. The T50 is recognized by the level in the turbidity of the serum samples or their electrical alternating current resistance. The best of the electrode designs for impedance spectroscopy tested is the one with two rod electrodes in the cuvette. The measurements can be carried out with serum, plasma and heparinized whole blood, but did not lead to reproducible results. For the optical measurement-set-up, the signal-to-noise ratio was significantly improved by extending the light path through the mixed educts by mirror surfaces in the cuvette. The measuring time was shortened to a few minutes by raising the temperature of the chip to up to 85 °C via a controllable Peltier element integrated in the measuring setup. A linear correlation of the T50 times measured in the nephelometer at 37 °C and in the microchip at 75 °C, shows that the measurement with the microchip-based test method in less than 10 minutes with a low coefficient of variance of about 6 % is possible. A medical validation with a sufficiently large number of test individuals now became possible.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
German
Externe Identnummern
HBZ: HT020429559
Interne Identnummern
RWTH-2020-04067
Datensatz-ID: 787456
Beteiligte Länder
Germany
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