Ansprechpartner:

Dr.-Ing. Christoph Drobek

Justus-von-Liebig Weg 6
18059 Rostock

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Raum: UT19

Mikrofluidik und Simulation

In der Mikrofluidik werden Fragestellungen rund um die Handhabung, Manipulation und Analyse von Fluiden betrachtet, bei denen die zu behandelnden Fluidvolumina und deshalb die nötigen Dimensionen der mikrofluidischen Systeme sehr klein sind. Neben reinen Flüssigkeiten und Gasen gewinnen dabei mehrphasige Fluidsysteme wie Suspensionen (insbesondere auch Zellsuspensionen) und Emulsionen an Bedeutung. Mikrofluidische Systeme finden Anwendung in der Medizin und Biotechnologie, z.B. bei Schnelltests auf Substanzen oder Erreger, in der Chemie und Pharmaindustrie in Form von miniaturisierten und parallelisierten Lab-on-a-Chip-Systemen und per Inkjet-Printing mit Wirkstoffen beladenen Reservoirs sowie in den Materialwissenschaften zur Oberflächenfunktionalisierung. Zu den untersuchten Prozessen in diesen Systemen gehören Transport, Dosierung, Separation und Filtration, mechanische Belastung sowie die Behandlung mit Ultraschall, Wärme, Licht (UV-, sichtbar und Infrarot) sowie die Tropfenerzeugung und Wirkstoffbeladung per Inkjet-Printing.

Aufgrund der geringen Fluidvolumina im Bereich einiger Mikroliter, bei modernen Anwendungen teilweise nur weniger Picoliter, sinken Platzbedarf und Energieverbrauch für die Manipulation der Systeme deutlich. Zusätzlich treten Effekte und Eigenschaften in den Vordergrund, die in der makroskopischen Welt eine untergeordnete Rolle spielen, wie Kapillarkräfte sowie meist laminare statt turbulenter Strömungen. Dadurch sind mikrofluidische Prozesse effizient und präzise einstellbar, und dies insbesondere auch unter sterilen Bedingungen. Neben verschiedenen Fertigungstechnologien zur Fabrikation von Prototypen mikrofluidischer Baugruppen stehen moderne Messverfahren zur Strömungscharakterisierung (u.a. ein Mikro-PIV-System) sowie Messverfahren zur Bestimmung verschiedener Fluideigenschaften (Massendichte, Viskosität und rheologisches Verhalten, Kontaktwinkel, Oberflächenspannung, Brechungsindex, Dampfdruck u.a.) zur Verfügung. Neben experimentellen Untersuchungen werden am Lehrstuhl für Mikrofluidik auch vermehrt numerische Strömungssimulationen (CFD) durchgeführt, um bereits früh im Entwicklungsstadium mögliche Probleme zu identifizieren.


Aktuelle Forschungsprojekte

Verbundprojekt WAVE-JET

In enger Zusammenarbeit mit der Human Med AG und dem Arbeitsbereich Zellbiologie der Universitätsmedizin Rostock ist das Ziel dieses Verbundvorhabens die Entwicklung eines geeigneten Antriebs für eine innovative Kombination von Vibrations- (PAL) und Wasserstrahl-assistierten Liposuktion (WAL). Ein Bearbeitungsschwerpunkt des Projektes stellt hierbei die Entwicklung und Anwendung neuartiger Versuchsstände zur Analyse der Fluidmechanik des erzeugten Wasserstrahls, die Vibration im Handstück sowie die Schallemission des Gerätes dar. Weitere Zielstellung ist die Analyse der Scherbelastung, die im neuartigen Verfahren auf das Fettgewebe wirkt. Untersuchungen mittels numerischer Strömungssimulation (Computational-Fluid-Dynamics Simulation) begleiten die experimentelle Analyse, um kritische Prozessgrenzen festzulegen.

Ein weiteres Ziel ist es, ein Schulungsmodell für Anwender von Vibrationsassistierter Liposuktion, Wasserstrahl-assistierter-Liposuktion und verwandten Verfahren zu entwickeln. Zielgruppen des Schulungsmodells sind bspw. Ärzte und weiteres medizinisches Personal. Der Erfolg der Behandlung durch Liposuktionsverfahren hängt sehr vom Erfahrungsgrad des Anwenders mit diesen Verfahren ab. Das neu zu entwickelnde Schulungsmodell soll einem Anwender die Möglichkeit geben, frühzeitig und ohne Gefahr für Patienten, Erfahrungen in der praktischen Anwendung von WAL, PAL und verwandten Verfahren zu sammeln. Das Schulungsmodell soll die anatomischen Gegebenheiten von bestimmten Regionen des menschlichen Körpers möglichst realitätsgetreu abbilden. Um solch ein Schulungsmodell umzusetzen, ist es das Ziel, Gewebeanaloge für Fettgewebe, Hautgewebe und die knöchernen Strukturen als auch dazu geeignete 3D-Druck-basierte Fertigungsprozesse zu entwickeln. Die Gewebeanaloge und Fertigungsprozesse sollen dermaßen entwickelt werden, dass realitätsnahe Schulungsmodelle für unterschiedlich beschaffene Körperregionen umgesetzt werden können.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Erik Westphal, Florian Neukirch, M. Sc.

Projektlaufzeit: 10/2023 – 09/2026

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2021 bis 2027 (EFRE-OP M-V)

Verbundprojektpartner:

  • Human Med AG, Schwerin
  • Arbeitsbereich Zellbiologie, Universitätsmedizin Rostock
SFB 1270 Elaine - Teilprojekt C02: Elektrische und mechanische Stimulation von Knorpel

Elektrische und mechanische Stimulation von Knorpel

Prinzipskizze Stimulation
Simulation Scherapparat

Ziel im Teilprojekt (C02) des SFB Elaine ist es, den Einfluss von elektrischer und mechanischer Stimulation auf die chondrogene Differenzierung von menschlichen Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen zu analysieren. Dieses Teilprojekt wird in Zusammenarbeit mit dem Forschungslabor für Biomechanik und Implantattechnologie der Universitätsmedizin Rostock durchgeführt. Die im Teilprojekt B01 entwickelten Scaffolds dienen hier unter anderem als Gerüst für die Kultivierung von Knorpelzellen. Für die experimentiellen Untersuchungen wird eigens eine 3D- Stimulationskammer entwickelt, die es ermöglicht, eine elektrische oder mechanische Stimulation oder sogar eine Kombination beider Stimulationsarten aufzubringen. Zentrale Fragestellungen beinhalten die Ermittlung der Konfiguration der Elektroden und die Implementierung der mechanischen Aktorik für die Scher- und Druckbelastung der Zellen. Darüber hinaus wird ein Protokoll für die elektrische und mechanische Stimulation entwickelt, das zu einer optimierten Proliferation und Differenzierung der Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen führt. Zusätzlich soll ein umfassendes „multiphysics“- Simulationsmodell erstellt werden, das die Stimulationsprozesse (elektrisch und mechanisch) und die Wirkung auf die Zellen (z.B. Scherbelastung) abbildet und zu einem besseren Verständnis der mechanischen und bioelektromagnetischen Stimulationsvorgänge beiträgt. Langfristig soll hiermit die Optimierung der ex vivo 3D-Kultivierung von Knorpelzellen und mesenchymalen Stammzellen mittels elektrischer und mechanischer Stimulation im Rahmen der autologen Knorpelzellimplantation unter Verwendung eines kollagen- und hydrogelbasierten 3D-Implantats (Scaffolds) umgesetzt werden.

Bearbeiterinnen:Nada Abroug M.Sc.

Projektlaufzeit: 07/2017 - 12/2025


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gefördert durch die:


in Zusammenarbeit mit:

Universität Rostock: IEF, MSF, UMR
EMAU Greifswald
Universität Leipzig
Universität Nürnberg-Erlangen
Leibniz-Institut für Plasmaforschung und Techologie e.V.

Verbundprojekt Next Generation Innenzahnradpumpe „NeGInza“

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines neuartigen, modularen elektrohydraulischen Pumpensystems, welches im Vierquadrantenbetrieb eine Energierückgewinnung sowie einen ressourcenschonenden Einsatz erlaubt. Ziel ist die Steigerung des Druck- und Drehzahlbereichs bei kleinstem Bauraum und geringster Geräuschemission.

Das Teilvorhaben des Lehrstuhls für Mikrofluidik beschäftigt sich mit der Maximierung des Wirkungsgrads durch Optimierung der Strömungsführung. Durch den Vierquadrantenbetrieb stellt die Strömungsführung im System insbesondere bei hohen Drehzahlen und Drücken eine große Herausforderung dar. Für eine Wirkungsgradsteigerung muss bezogen auf die Betriebsart die Strömungsführung optimiert werden. Im Rahmen des Projekts sollen verschiedene geometrische Entwürfe iterativ mittels Strömungssimulation analysiert und hinsichtlich einer optimierten Strömungsführung bewertet werden. Insbesondere sind kavitationskritische sowie druckverlustkritische Stellen zu detektieren und durch geeignete Geometrieänderungen zu minimieren.

Bearbeiter:Pedram Azizi M.Sc.

Projektlaufzeit: 06/2021 - 10/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Gesundheit (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundpartner:

  • Hydraulik Nord Technologies GmbH, Parchim
  • Universität Rostock; Lehrstuhl für Getriebe- und Antriebstechnik
  • Fraunhofer IGP, Rostock
Verbundprojekt ASiMof

Analyse, Simulation und Modifizierung der anisotropen Eigenschaften faserverstärkter Klebstoffe

Im ASiMof-Projekt entwickelt der Lehrstuhl für Mikrofluidik ein CFD-Simulationsmodell zur Bestimmung der Faserausrichtung bei der Applikation eines ausgesuchten Klebstoffes und optimiert anschließend simulativ den Klebprozess mit Hilfe dieses Modells hinsichtlilch der Faserausrichtung. Die per CFD-Simulation ermittelte Faserausrichtung soll dabei experimentell mit am Lehrstuhl für Fertigungstechnik geklebten Proben, die am Institut für Füge- und Schweißtechnik der TU Braunschweig per Mikro-CT untersucht weden, verglichen werden.

Das entwickelte CFD-Modell soll ermöglichen, die Faserausrichtung vorherzusagen, die mit Hilfe verschiedener Einflussgrößen (Form der Applikationsdüse, Applikationsgeschwindigkeit, Fügevorgang) gezielt beeinflusst werden kann. Durch die Simulation des Fließverhaltens während der Applikation und beim Fügen werden auch Einflussgrößen, die auch aus der Formulierung des Klebstoffes (Faserlänge, Faserdicke) heraus resultieren, berücksichtigt. Die Bestimmung der Ausrichtung der Kurzfasern soll mit Hilfe des Ausrichtungstensors erfolgen, welcher während des Projektes im CFD-Solver ANSYS FLUENT implementiert werden soll.

Bearbeiter:Dr.-Ing. Christoph Drobek

Projektlaufzeit: 09/2022 - 10/2024

Gefördert: AiF – Forschungsnetzwerk Mittelstand, IGF - Industrielle Gemeinschaftsforschung

Partner:

  • Universität Rostock, Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Prof. Dr.-Ing. Wilko Flügge
  • TU Braunschweig, Institut für Füge- und Schweißtechnik IFS, Prof. Dr.-Ing. Klaus Dilger

Abgeschlossene Forschungsprojekte

Verbundprojekt Actiheal

Im Rahmen des Verbundprojekts Actiheal werden innovative Technologien zur Aktivierung und Applikation von Geweben und Zellen für die Behandlung chronischer Wunden entwickelt.
Ziel des Projektes ist die Biomodulation und klinische Applikation von regenerativ wirksamen Zellen der stromal vaskulären Fraktion für die Behandlung chronischer Wunden, welche beispielsweise bei Diabeteserkrankten auftreten (diabetischer Fuß). Diese Behandlungen sollen es ermöglichen, die Lebensqualität der Erkrankten spürbar zu verbessern und den für Diabetes typischen Komplikationen vorzubeugen.
Hierzu werden mesenchymale Stammzellen aus humanem Fettgewebe extrahiert (adipose derived mesenchymal stem cells, adMSC). Die Stammzellen werden im Anschluss mithilfe von nahinfrarotem bis zu infrarotem Licht bestrahlt (low-level-light-therapy, LLLT) bzw. mit kaltem Athmospährenplasma durchströmt und autolog appliziert. Die Vorgänge der Biomodulation sollen eine Steigerung der Proliferation (Vermehrung der Zellen durch Zellteilung) der Stammzellen zur Folge haben und somit eine Verbesserung der Wundheilung hervorrufen.
Der Lehrstuhl für Mikrofluidik der Universität Rostock hat in diesem Verbundprojekt das Teilprojekt zur Entwicklung, Fertigung und Optimierung von Mikrokanal-Kassetten zur Photobiomodulation und der Plasmabiomodulation von Zellsuspensionen und Microtissue-Clustern aus humanem Fettgewebe inne. Die Kassetten-Prototypen werden mithilfe additiver Fertigungverfahren von biokompatiblen Materialien hergestellt, was einen schnellen Optimierungsprozess ermöglicht.

Bearbeiter: Mario Thürling M.Sc. (Elternzeit); Florian Neukirch M.Sc.

Projektlaufzeit: 09/2019 bis 09/2023

Gefördert: Ministerium für Wirtschaft, Bau und Tourismus (M-V), Operationelles Programm für den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung in Mecklenburg-Vorpommern in der Förderperiode 2014 bis 2020 (EFRE-OP M-V)

Verbundprojektpartner:

  • Human Med AG, Schwerin
  • Arbeitsbereich Zellbiologie, Universitätsmedizin Rostock
  • Kompetenzzentrum Diabetes, Klinikum Karlsburg
Verbundprojekt Schaffung einer Entwicklungsumgebung für Aktivlenksysteme

Schaffung einer Entwicklungsumgebung für Aktivlenksysteme

Im Rahmen des Gesamtprojektes soll ein neuartiges Aktivlenksystem entwickelt werden, was durch seine Modularität auf unterschiedlichste Fahrzeugtopologien angepasst werden kann. Dabei wird die Bearbeitung von mehreren Partnern durch Teilprojekte getragen.

Ziel im Teilprojekt am Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik ist es, durch numerische Strömungssimulation und additive Fertigung ein Lenkaggregat in Form des Ventilblocks weiterzuentwickeln.

Berabeiter:Oliver Schmiedl M.Sc.

Projektlaufzeit: 01/2018 - 12/2022

gefördert durch:


in Zusammenarbeit mit:

Danfoss Power Solutions Parchim GmbH & Co. KG

Universität Rostock:
MSF - Lehrstuhl für Fertigungstechnik
MSF - Lehrstuhl für Getriebe- und Antriebstechnik
MSF - Lehrstuhl für Technische Mechanik/ Dynamik

Verbundprojekt HOGEMA

Verbundprojekt HOGEMA

Im Rahmen des Verbundvorhabens HOGEMA soll die hydrostatische Hochdrucktechnologie (HHD) für die Aufarbeitung verschiedener Gewebearten aus Stütz- (Knochen, Knorpel) und Bindegewebe (Faszie) zur Herstellung von Allografts und Gewebemodellsystemen optimiert und nutzbar gemacht werden. So soll die Behandlung von Gewebedefekten mit allogenem Transplantatgewebe ermöglicht werden.

Die hydrostatische Hochdrucktechnologie (HHD) soll dabei das Gewebe schnell und schonend devitalisieren, ohne negativ auf die strukturellen Eigenschaften zu wirken. Der Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik der Universität Rostock ist in enger Zusammenarbeit mit dem IPT Wismar verantwortlich für die Entwicklung einer neuartigen Spülkammer. Diese dient einer teilautomatisierten, schonenden, reproduzierbaren und zeitsparenden Reinigung von HHD-behandelten Allografts unterschiedlichster Gewebe. Eine mikrobiologische Kontamination soll ausgeschlossen und Gewebereste bestehend aus Blut, Bindegewebsresten, Knochenmark, Muskulaturgewebe als auch Zellresten sollen entfernt werden. In Kombination mit der HHD-Behandlung bedient die Spülkammer das aktuelle Defizit einer wenig vereinheitlichten als auch zeit- und verfahrensintensiven Behandlung von Allografts mit chemisch aggressiven Medien. Prüfstände zu ausgesuchten mechanischen Reinigungsprinzipien werden durch den Lehrstuhl aufgebaut und neue wissenschaftliche Erkenntnisse zu optimalen Leistungsparametern erarbeitet. Dies erfolgt Hand in Hand mit den klinischen Partnern, welche Allograft-Proben bereitstellen und ihre Expertise (z.B. histologische Färbung) für eine Auswertung einbringen. Iterativ sollen unter Verwendung modernster Fertigungsmethoden (z.B. additive Fertigung) Funktionsmodelle zu einer Spülkammer erstellt werden, die den Verbundpartnern im Laufe des Projektes bereit stehen werden. Zudem wird eine Testumgebung für die Funktionsmodelle etabliert, die eine Validierung technischer Betriebsparameter als auch die Verwendung von Allograft-Proben zulässt.

Innerhalb des Verbundvorhabens HOGEMA sollen die Gewebe nach der Prozessierung umfangreich in der Zellkultur sowie in tierexperimentellen Studien charakterisiert werden, um die Machbarkeit für die spätere klinische Applikation zu prüfen. Zudem soll im Vorhaben die Bereitstellung von devitalisiertem Gewebe für die Entwicklung und Etablierung von physiologisch-ähnlichen Modellsystemen ermöglicht werden, die nachfolgend anstelle von Tiermodellen für eine Vielzahl von Fragestellungen in der Grundlagenforschung herangezogen werden sollen.

Bearbeiter:Dr.-Ing. Christoph Drobek

Projektlaufzeit: 01.12.2018 - 30.06.2022

gefördert durch:


in Zusammenarbeit mit:

Universitätsmedizin Rostock

Hochschule Wismar

Fraunhofer IZI, Rostock

Universitätsmedizin Greifswald

Verbundprojekt: Entwicklung eines Systems zur automatisierten Zellfraktionierung aus humanem Fettgewebe für neuartige regenerative Anwendungen und Therapien (ARENA)

Verbundprojekt: Entwicklung eines Systems zur automatisierten Zellfraktionierung aus humanem Fettgewebe für neuartige regenerative Anwendungen und Therapien (ARENA)

Im Teilprojekt soll die Entwicklung eines neuen Systems zur Gewinnung von regenerativen Zellen aus dem Lipoaspirat durch die Entwicklung einer neuen Methode zur Separation von großen Mengen Stammzellen aus menschlichem Fettgewebe unterstützt werden. Dabei soll vollständig auf die Gewebsdissoziation mit Kollagenasen verzichtet werden. Hierzu sollen Versuche entwickelt und in Kooperation mit dem Arbeitsbereich Zellbiologie der Universitätsmedizin Rostock durchgeführt werden, in denen verschiedene Wirkprinzipien untersucht werden. Da die Projektpartner einen großen Einfluss der mechanischen Eigenschaften auf eine stabile Zellseparation vermuten, soll neben der rein experimentellen Entwicklung ein besseres wissenschaftliches Verständnis für die mechanischen Eigenschaften von Fett- und Stammzellen gewonnen werden. Gefördert wird das ARENA-Projekt mit Mitteln des "Europäischen Fonds für regionale Entwicklung" (EFRE) aus den Europäischen Strukturfonds der Europäischen Union."

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Christoph Drobek

Förderung: Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE)

Laufzeit: 10/2015 - 11/2018

Kooperation: HUMAN MED AG, Schwerin; Zellbiologie, Universitätsmedizin

Experimentelle und numerische Methoden zur Strömungsanalyse in centifluidischen Systemen der Allergiediagnostik

Experimentelle und numerische Methoden zur Strömungsanalyse in centifluidischen Systemen der Allergiediagnostik

Centifluidische Systeme aus dem Bereich der Diagnostik und Medizintechnik müssen häufig aufgrund ihrer Komplexität auf der Systemebene betrachtet werden. Nur auf dieser Ebene lässt sich das Gesamtverhalten des Systems, bestehend aus Wechselwirkungen unterschiedlicher physikalischer Effekte, beschreiben. Das von der Firma DST entwickelte und bereits erfolgreich auf dem Markt etablierte Schnelltestsystem zur Allergiediagnostik (FastCheckPOC 20) konnte bisher lediglich durch eine komplexe manuelle Testdurchführung angewendet werden. Ziel ist die Entwicklung eines Konzeptes zur automatisierten Durchführung der verschiedenen Arbeitsschritte. Aufgrund aktueller Problemstellungen des Projektpartners bei der Entwicklung der automatisierten Durchführung hinsichtlich des Strömungsverhaltens in einem Teilmodul der Testdurchführung, dem Reagenzienmodul, konzentrieren sich die Arbeiten innerhalb dieses Projektes auf die Modellierung, numerische Simulation und experimentelle Analyse der Fluiddynamik in diesem Modul. Es werden neue geometrische Ansätze für die Kanalstruktur im Reagenzienmodul entwickelt. Auf Grundlage dieser Ansätze werden mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD) mehrere Parameter- und Befüllungsstudien mit unterschiedlichen Kanaltiefen und Volumenströmen durchgeführt und anschließend validiert. Die so gewonnenen Erkenntnisse über das Strömungsverhalten fließen direkt in die Entwicklung der automatisierten Testdurchführung ein.

Bearbeiter: Dipl.-Ing. Manuel Dethloff

Projektlaufzeit: 03/2015 - 12/2017

Gefördert: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Kooperationspartner: DST Diagnostische Systeme & Technologien GmbH, Schwerin