Innovative microbioreactors and microfluidic integrated biosensors for biopharmaceutical process control

Abstract Biopharmaceuticals are growing in medical and economical significance, replacing several chemically synthesized pharmaceuticals and providing new treatments for serious diseases. Research within the biopharmaceutical field is expensive and labor intensive with the majority of work featuring diverse bioprocesses. Miniaturization of bioprocesses into microbioreactors, miniaturized bioprocess vessels for diverse experiments, reduces the amount of necessary reagents as well as time and labor due to the possibility of multiplexing. A crucial step of research is analytics, commonly performed by expensive and time consuming standard laboratory based analytical tools that require larger sample volumes that than microbioreactors can provide. Biosensors are analytical devices that can provide highly sensitive and selective online detection (in situ) and lend themselves to miniaturization. Biosensors detecting glucose, lactate, pyruvate and galactose were developed and investigated herein. 3D printing and laser ablation were used as fabrication techniques, enabling development of unit operations (mixing and pumping) necessary for biosensor integration into microbioreactors. A 3D printed microbioreactor was developed with integrated glucose and optical density sensors for the cultivation of yeast where the biosensor was found to provide critical online data of glucose concentration, thus enabling bioprocess control. Additionally, molecularly imprinted polymers were investigated as novel recognition components due to their increased stability compared to biological molecules within bioprocess environments. A molecular imprinted polymer for folic acid was developed and tested as a sorbent in a microfluidic solid phase extraction system for detection.Tiivistelmä Biofarmaseuttisten valmisteiden lääketieteellinen ja taloudellinen merkitys kasvavat. Valmisteet korvaavat kemiallisesti valmistettuja yhdisteitä ja tarjoavat uusia hoitoja vakaviin sairauksiin. Biofarmaseuttinen tutkimus on kallista, ja erityisesti bioprosessien kehittäminen vaatii paljon työtä. Bioprosessien miniatyrisointi mikrobioreaktoreita käyttäen vähentää tutkimuksessa tarvittavaa reagenssien kulutusta, lyhentää aikaa ja pienentää työmäärää, koska mikrobioreaktoreiden avulla voidaan tehdä useita rinnakkaisia kokeita samanaikaisesti. Keskeinen osa bioprosessien tutkimusta on niiden seuraamiseen tarvittava analytiikka. Yleensä seuranta tehdään kalliilla ja aikaa vievillä analyyttisen kemian menetelmillä, jotka vaativat suurempia näytetilavuuksia kuin mitä mikrobioreaktoreista saadaan. Biosensorit ovat erittäin herkkiä ja mittauskohteen tarkasti tunnistavia analytiikkavälineitä, joilla voidaan saada online-mittaustietoa suoraan mittauskohteessa. Ne pystytään myös miniatyrisoimaan. Tässä tutkimuksessa kehitettiin aluksi glukoosin, laktaatin, pyruvaatin ja galaktoosin biosensorimittaukset. Sensorilaitteiden valmistustekniikkoina käytettiin 3D-tulostusta ja laserleikkausta. Näin pystyttiin kehittämään yksiköt myös näytteen sekoittamiseen ja pumppaamiseen. Lopuksi hiivasolujen kasvatusta varten valmistettiin 3D-tulostettu mikrobioreaktori, johon yhdistettiin glukoosisensori ja optisen tiheyden mittaus. Glukoosin mittaus tuotti glukoosin pitoisuudesta onlinetietoa, mikä on erittäin tärkeää prosessin valvonnalle ja ohjaukselle. Lisäksi tutkittiin molekyylipainettujen polymeerien käyttöä mitattavia analyyttejä tunnistavina yhdisteinä. Perinteisiä sensoreissa käytettäviä biomolekyylejä kestävämpinä yhdisteinä ne voisivat soveltua etenkin bioprosessien jatkuvaan seuraamiseen. Tutkimuksessa kehitettiin myös foolihapon tunnistava molekyylipainettu polymeeri, jota käytettiin kiinteän faasin sitoja-aineena mikrofluidisessa detektio- ja uuttojärjestelmässä