04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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    Precision 3D‐printed cell scaffolds mimicking native tissue composition and mechanics
    (2020) Erben, Amelie; Hörning, Marcel; Hartmann, Bastian; Becke, Tanja; Eisler, Stephan A.; Southan, Alexander; Cranz, Séverine; Hayden, Oliver; Kneidinger, Nikolaus; Königshoff, Melanie; Lindner, Michael; Tovar, Günter E. M.; Burgstaller, Gerald; Clausen‐Schaumann, Hauke; Sudhop, Stefanie; Heymann, Michael
    Cellular dynamics are modeled by the 3D architecture and mechanics of the extracellular matrix (ECM) and vice versa. These bidirectional cell‐ECM interactions are the basis for all vital tissues, many of which have been investigated in 2D environments over the last decades. Experimental approaches to mimic in vivo cell niches in 3D with the highest biological conformity and resolution can enable new insights into these cell‐ECM interactions including proliferation, differentiation, migration, and invasion assays. Here, two‐photon stereolithography is adopted to print up to mm‐sized high‐precision 3D cell scaffolds at micrometer resolution with defined mechanical properties from protein‐based resins, such as bovine serum albumin or gelatin methacryloyl. By modifying the manufacturing process including two‐pass printing or post‐print crosslinking, high precision scaffolds with varying Young's moduli ranging from 7‐300 kPa are printed and quantified through atomic force microscopy. The impact of varying scaffold topographies on the dynamics of colonizing cells is observed using mouse myoblast cells and a 3D‐lung microtissue replica colonized with primary human lung fibroblast. This approach will allow for a systematic investigation of single‐cell and tissue dynamics in response to defined mechanical and bio‐molecular cues and is ultimately scalable to full organs.
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    Physical interactions strengthen chemical gelatin methacryloyl gels
    (2019) Rebers, Lisa; Granse, Tobias; Tovar, Günter E. M.; Southan, Alexander; Borchers, Kirsten
    Chemically cross-linkable gelatin methacryloyl (GM) derivatives are getting increasing attention regarding biomedical applications. Thus, thorough investigations are needed to achieve full understanding and control of the physico-chemical behavior of these promising biomaterials. We previously introduced gelatin methacryloyl acetyl (GMA) derivatives, which can be used to control physical network formation (solution viscosity, sol-gel transition) independently from chemical cross-linking by variation of the methacryloyl-to-acetyl ratio. It is known that temperature dependent physical network formation significantly influences the mechanical properties of chemically cross-linked GM hydrogels. We investigated the temperature sensitivity of GM derivatives with different degrees of modification (GM2, GM10), or similar degrees of modification but different methacryloyl contents (GM10, GM2A8). Rheological analysis showed that the low modified GM2 forms strong physical gels upon cooling while GM10 and GM2A8 form soft or no gels. Yet, compression testing revealed that all photo cross-linked GM(A) hydrogels were stronger if cooling was applied during hydrogel preparation. We suggest that the hydrophobic methacryloyl and acetyl residues disturb triple helix formation with increasing degree of modification, but additionally form hydrophobic structures, which facilitate chemical cross-linking.
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    PFG-NMR studies of ATP diffusion in PEG-DA hydrogels and aqueous solutions of PEG-DA polymers
    (2018) Majer, Günter; Southan, Alexander
    Adenosine triphosphate (ATP) is the major carrier of chemical energy in cells. The diffusion of ATP in hydrogels, which have a structural resemblance to the natural extracellular matrix, is therefore of great importance to understand many biological processes. In continuation of our recent studies of ATP diffusion in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA) hydrogels by pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (PFG-NMR), we present precise diffusion measurements of ATP in aqueous solutions of PEG-DA polymers, which are not cross-linked to a three-dimensional network. The dependence of the ATP diffusion on the polymer volume fraction in the hydrogels, φ, was found to be consistent with the predictions of a modified obstruction model or the free volume theory in combination with the sieving behavior of the polymer chains. The present measurements of ATP diffusion in aqueous solutions of the polymers revealed that the diffusion coefficient is determined by φ only, regardless of whether the polymers are cross-linked or not. These results seem to be inconsistent with the free volume model, according to which voids are formed by a statistical redistribution of surrounding molecules, which is expected to occur more frequently in the case of not cross-linked polymers. The present results indicate that ATP diffusion takes place only in the aqueous regions of the systems, with the volume fraction of the polymers, including a solvating water layer, being blocked for the ATP molecules. The solvating water layer increases the effective volume of the polymers by 66%. This modified obstruction model is most appropriate to correctly describe the ATP diffusion in PEG-DA hydrogels.
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    Untersuchung der Abscheidung von Bornitrid auf metallischen Substraten
    (2004) Ulrich, Lars; Lunk, Achim (Prof. Dr.)
    Das kubische Bornitrid (c–BN) ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Gegenüber dem Diamant ist es aber chemisch stabiler und bildet keine Verbindungen mit eisen- und nickelhaltigen Legierungen. Diese Eigenschaften macht es geradezu ideal für den Einsatz als Verschleißschutzschicht von Werkzeugen für die Stahlbearbeitung. In der Industrie wird c–BN bereits zur Stahlbearbeitung eingesetzt. Die Werkzeuge bestehen aus mit Hilfe eines Binders gesinterten c–BN Kristalliten. Die c–BN Kristallite werden dafür in einem Hochdruck-Hochtemperatur-Prozess hergestellt. Bei diesen Werkzeugen hat c–BN seine Einsatzmöglichkeit in der Materialbearbeitung bereits bewiesen. Der Nachteil dieser Werkzeuge ist allerdings die aufwändige Nachbearbeitung des gesinterten Materials. Das wesentliche Problem bei der plasmagestützten Schichtabscheidung sind die hohen Eigenspannungen, die während des Wachstums in den Schichten entstehen. Für das Wachstum der kubischen Phase ist ein Beschuss der Schicht mit Ionen notwendig. Durch diesen Ionenbeschuss werden gleichzeitig intrinsische Spannungen in den Schichten erzeugt. Sie limitieren die Dicke und die Stabilität der abgeschiedenen Schichten. In den meisten Fällen platzten die Schichten schon bei einer Dicke von wenigen 100 nm ab. Eine Verbesserung der Schichtstabilität kann erreicht werden durch eine Reduzierung der Schichtspannungen und durch die Optimierung der Zwischenschicht zwischen der c–BN-Schicht und dem Substrat. Neben diesem grundsätzlichen Problem gibt es für eine industrielle Anwendung zusätzliche Anforderungen. Bisher wurden die meisten c–BN Beschichtungen auf Silizium und im Labormaßstab durchgeführt. Für eine industrielle Anwendung werden metallische Substrate und größere Anlagen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung von Bornitridschichten auf titannitridbeschichteten Stahlsubstraten untersucht und optimiert. Die Abscheidung der Schichten erfolgte in einem Hohlkathodenbogen-Verdampferverfahren unter Ionenbeschuss. Vor der Schichtabscheidung wurden die Plasmabedingungen in der Anlage systematisch untersucht. Daraus ergab sich eine Voraussage über die Größe des Volumens, in dem eine Abscheidung von c-BN möglich sein sollte. Diese Voraussage konnte experimentell nahezu bestätigt werden. Das Schichtwachstum wurde insitu mit polarisierter Infrarot-Reflexionsspektroskopie (PIRRS) untersucht. Bei der Verwendung der PIRRS in Verbindung mit metallischen, hoch reflektierenden Substraten ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit bei dünnen Schichten durch den Berreman-Effekt in p-Polarisation. Wie in der Arbeit gezeigt wird, kann diese Berreman-Absorption zur Überwachung des Wachstums der h-BN-Zwischenschicht eingesetzt werden. Die Messgröße für die Überwachung des Wachstums ist die Position des Minimums der Berreman-Absorption und ihre Verschiebung während der Beschichtung. Die Untersuchng der Zwischenschicht mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigt eine Korrelation zwischen der Berreman-Absorption und der Struktur des h-BN's. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Silizium- und metallischen Substraten sind die beim Abkühlen entstehenden thermischen Spannungen. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Werte der thermischen Spannungen auf metallischen Substraten vom Betrag her deutlich größer sind als bei Siliziumsubstraten. Zusätzlich ist das Vorzeichen entgegen gerichtet. Bei Silizium werden die bei der Beschichtung entstehenden kompressiven Spannungen durch die thermischen Spannungen beim Abkühlen vermindert, während sich auf metallischen Substraten beide Spannungen addieren. Im Experiment konnte dies bestätigt werden. Erst durch die Einführung einer ca. 250 nm dicken h-BN-Zwischenschicht konnten Schichten abgeschieden werden, die mehrere Monate stabil waren. An mehreren, zeitlich stabilen Schichten wurden ex situ Untersuchungen zur Charakterisierung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die Härte wurde mit einem Indenter-Verfahren gemessen. An einer Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 1,07 µm und einem c-BN Anteil von 820 nm ergab sich eine Mikrohärte von 37,4 GPa und ein E-Modul von 268 GPa. Mit dem Kalottenschliff wurde ein Vergleich zwischen einer Titannitrid- und einer c-BN-Schicht durchgeführt. Dabei wurde unter denselben Bedingungen eine Kugel in die jeweilige Schicht eingeschliffen. Bei Titannitrid ergab sich unter den gewählten Bedingungen eine Einschleiftiefe von 1,45 µm und bei c-BN eine Tiefe von 0,75 µm. D.h. in der c-BN-Schicht reduziert sich die Einschleiftiefe nahezu auf die Hälfte gegenüber Titannitrid. Das zeigt das Potential, welches in c-BN als Verschleißschutzschicht liegt.
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    Vernetzung, Permeabilität, Wasser- und Hitzebeständigkeit Polyvinylalkohol-basierter Beschichtungen
    (2023) Michele, Andre; Tovar, Günter E. M. (Prof. Dr.)
    Polyvinylalkohol (PVA) ist ein hydrophiles Polymer mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung von PVA als Beschichtungsmaterial. Die Beständigkeit von PVA-Schichten in Wasser ist jedoch gering, da das Polymer unter Ausdehnung des Volumens quillt oder sich vollständig auflöst. Um die Wasserbeständigkeit zu erhöhen, wird PVA deshalb üblicherweise vernetzt. Hierfür sind zahlreiche Methoden bekannt. In der Regel besitzen diese jedoch entscheidende Nachteile. Daher besteht erheblicher Forschungsbedarf, um neue Vernetzungsmethoden für PVA-Schichten zu entwickeln und bestehende Methoden zu optimieren. In dieser Arbeit wurden zwei neue Vernetzungsmethoden für PVA entwickelt. Die erste basiert auf einer Weiterentwicklung der thermischen Vernetzung von PVA, in Anwesenheit starker Säuren. Mit dem Ziel Nebenreaktionen zu minimieren, wurde hierfür p-Toluolsulfonsäure (TSA) als neuer Vernetzer untersucht. Die zweite Methode basiert auf der UV-Licht-initiierten C,H-Insertion. Hierfür wurden zwei neue Polymere, mittels polymeranaloger Umsetzung von PVA mit 4-Fluorbenzophenon und PVA mit 4-Fluorbenzphenon und 1,3-Propansulfon, synthetisiert. Die auf diese Weise erhaltenen Benzophenon-Modifizierten PVA (PVA-BP) und sulfonierten PVA-BP (sPVA-BP), wurden bezüglich ihrer UV-Licht-initiierten Vernetzung untersucht. Für die Entwicklung der thermischen Vernetzung von PVA in Anwesenheit von TSA wurde ein statistischer Versuchsplan mit den experimentellen Parametern Temperatur (ϑ), Vernetzungsdauer (tc) und Massenkonzentration an TSA (wTSA) angewandt. Mit den Ergebnissen konnten statistische Modelle des Vernetzungsprozesses erstellt werden. Bei allen angewandten Parametern wurde die Ausbildung eines unlöslichen Materials und eine Schwarzfärbung beobachtet. Diese Beobachtungen konnten, durch die parallel ablaufende Vernetzung des PVA und Zersetzung durch Dehydratation und Oxidation, erklärt werden. Die Auswertung der aufgestellten Modelle ermöglichte die Identifizierung optimaler Vernetzungsparameter bei minimaler Zersetzung des Polymers. Die Entwicklung von Synthesevorschriften für PVA-BP und sPVA-BP war erfolgreich. Durch die Bestrahlung von PVA-BP- und sPVA-BP-Schichten mit UV-Licht wurden diese vernetzt und kovalent an das Substrat angebunden. Zur Untersuchung der Vernetzungsreaktion wurde ein Modell basierend auf der Perkolationstheorie angewandt. Eine Korrelation zwischen dem Benzophenon-Modifikationsgrad und der Vernetzungsgeschwindigkeit konnte hierdurch festgestellt werden. Dieser Effekt wurde über die größere Anzahl an potenziell reaktiven Gruppen für die C,H-Insertion erklärt. Der Gleichgewichtsquellgrad (EDS) verringerte sich mit fortschreitender Bestrahlungsdauer. Dies konnte mit der Verringerung der Maschenweite des Netzwerkes erklärt werden. Zudem sank der EDS mit steigendem Benzophenon-Modifikationsgrad und sinkendem Sulfonsäure-Modifikationsgrad. Als Erklärung hierfür werden die verringerte Hydrophilie und der geringere osmotischen Druck im Netzwerk, durch die geringere Anzahl an geladenen Sulfonsäure-Gruppen, angeführt. Anwendung fanden die in dieser Arbeit vorgestellten Vernetzungsmethoden bei der Herstellung von wasser- und hitzebeständigen Komposit-Membranen mit semipermeablen PVA-Schichten. Die Membranen waren dicht gegenüber Stickstoff, jedoch gut permeabel für Wasserdampf. Folglich konnte gezeigt werden, dass die vorgestellten Vernetzungsmethoden generell für die Herstellung von Membranen für die Befeuchtung von Luft - auch Befeuchtermembranen (BM) genannt - geeignet sind.
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    Eclectic characterisation of chemically modified cell-derived matrices obtained by metabolic glycoengineering and re-assessment of commonly used methods
    (2020) Keller, Silke; Liedek, Anke; Shendi, Dalia; Bach, Monika; Tovar, Günter E. M.; Kluger, Petra J.; Southan, Alexander
    Azide-bearing cell-derived extracellular matrices (“clickECMs”) have emerged as a highly exciting new class of biomaterials. They conserve substantial characteristics of the natural extracellular matrix (ECM) and offer simultaneously small abiotic functional groups that enable bioorthogonal bioconjugation reactions. Despite their attractiveness, investigation of their biomolecular composition is very challenging due to the insoluble and highly complex nature of cell-derived matrices (CDMs). Yet, thorough qualitative and quantitative analysis of the overall material composition, organisation, localisation, and distribution of typical ECM-specific biomolecules is essential for consistent advancement of CDMs and the understanding of the prospective functions of the developed biomaterial. In this study, we evaluated frequently used methods for the analysis of complex CDMs. Sodium dodecyl sulphate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) and (immune)histochemical staining methods in combination with several microscopic techniques were found to be highly eligible. Commercially available colorimetric protein assays turned out to deliver inaccurate information on CDMs. In contrast, we determined the nitrogen content of CDMs by elementary analysis and converted it into total protein content using conversion factors which were calculated from matching amino acid compositions. The amount of insoluble collagens was assessed based on the hydroxyproline content. The Sircol™ assay was identified as a suitable method to quantify soluble collagens while the Blyscan™ assay was found to be well-suited for the quantification of sulphated glycosaminoglycans (sGAGs). Eventually, we propose a series of suitable methods to reliably characterise the biomolecular composition of fibroblast-derived clickECM.
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    Entwicklung von Verfahren zur enzymatischen Epoxidierung von Pflanzenölen und Fettsäurederivaten
    (2018) Haitz, Fabian; Hirth, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)
    Pflanzliche Öle werden in der chemischen Industrie häufig funktionalisiert, um in verschiedenen Anwendungsgebieten eingesetzt werden zu können. Eine interessante Funktionalisierung stellt die Epoxidierung der in verschiedenen Fettsäuren enthaltenen C=C-Doppelbindung dar. Die so erzeugten Pflanzenöl-basierten Epoxide können beispielsweise als Weichmacher in Kunststoffen, als Monomerbausteine zur Herstellung von Polymeren oder als Intermediate zur Herstellung von Schmierstoffen verwendet werden. Zur Epoxidierung von Pflanzenölen und daraus gewinnbaren Fettsäurederivaten können Enzyme eingesetzt werden. In dieser Arbeit wurden insgesamt 18 verschiedene freie Lipasen hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Persäurebildung untersucht und die damit verbundene Epoxidierung am Beispiel von Ölsäure für neun ausgewählte Lipasen gezeigt. Dabei wurden fünf neue CalB-ähnliche Lipasen aus verschiedenen Pseudozyma sp. identifiziert und auf Aminosäureebene mit der Lipase B aus Pseudozyma antarctica (CalB) verglichen. Die Epoxidierung verschiedener Pflanzenöle und Pflanzenöl-basierter Derivate wurde unter Verwendung einer immobilisierten Lipase optimiert. Die Optimierung der enzymatischen Epoxidierung zweier nicht im Lebensmittelbereich eingesetzter Pflanzenöle, Drachenkopf- und Senföl, erfolgte mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung. Als Einflussgrößen wurden die Enzym- und Lösemittelmenge, die Inkubationszeit und die Reaktionstemperatur variiert. Durch die Auswahl dieser beiden hinsichtlich ihrer Fettsäurezusammensetzung sehr unterschiedlichen Pflanzenöle konnte eine Prozessoptimierung unter Berücksichtigung der Substratcharakteristika erfolgen. Dabei wurden für beide Öle Epoxidausbeuten von über 90 % erzielt. Die in dieser Arbeit für zwei verschiedene Pflanzenöle optimierten Reaktionsparameter konnten erfolgreich auf die Umsetzung von 15 verschiedenen Pflanzenölen übertragen werden. Für alle Öle wurden Epoxidausbeuten von 70 bis über 95 % erreicht. Die unterschiedlichen enzymatisch hergestellten Pflanzenölepoxide wurden umfangreich hinsichtlich der Viskosität sowie des Schmelz- und Kristallisationsverhaltens charakterisiert. Dabei wurden die Ergebnisse erstmals in Bezug auf die Fettsäurezusammensetzung der Substrate diskutiert. Des Weiteren wurde in dieser Arbeit erfolgreich die Epoxidierung verschiedener Fettsäurederivate gezeigt. Dabei wurden Fettsäuremethylester, verschiedene freie Fettsäuren, 9-Octadecen-1,18-dicarbonsäure und 9-Octadecen mit hohen Epoxidausbeuten umgesetzt. Die Skalierbarkeit der chemo-enzymatischen Epoxidierung wurde in dieser Arbeit erfolgreich am Beispiel der Umsetzung von Drachenkopföl bis in den 10 L-Maßstab gezeigt. Als geeignetes Maßstabsübertragungskriterium wurde der konstante volumenspezifische Leistungseintrag identifiziert. Im Zuge der Maßstabsübertragung wurde außerdem der Einfluss verschiedener Prozessparameter, wie des Lösemittel- und Dispersphasenanteils sowie der Rührerdrehzahl auf die im Reaktor erzielte Tropfengrößenverteilung beschrieben. Zur in-situ-Messung der Tropfengrößenverteilung wurde ein 3D-ORM-System eingesetzt. Die sich bei spezifischen Prozessbedingungen einstellende charakteristische Tropfengrößenverteilung wurde in Form des sogenannten Sauterdurchmessers d32 dargestellt und anschließend in Zusammenhang mit den jeweils erzielten Epoxidierungsraten diskutiert.
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    Differentiation of physical and chemical cross-linking in gelatin methacryloyl hydrogels
    (2021) Rebers, Lisa; Reichsöllner, Raffael; Regett, Sophia; Tovar, Günter E. M.; Borchers, Kirsten; Baudis, Stefan; Southan, Alexander
    Gelatin methacryloyl (GM) hydrogels have been investigated for almost 20 years, especially for biomedical applications. Recently, strengthening effects of a sequential cross-linking procedure, whereby GM hydrogel precursor solutions are cooled before chemical cross-linking, were reported. It was hypothesized that physical and enhanced chemical cross-linking of the GM hydrogels contribute to the observed strengthening effects. However, a detailed investigation is missing so far. In this contribution, we aimed to reveal the impact of physical and chemical cross-linking on strengthening of sequentially cross-linked GM and gelatin methacryloyl acetyl (GMA) hydrogels. We investigated physical and chemical cross-linking of three different GM(A) derivatives (GM10, GM2A8 and GM2), which provided systematically varied ratios of side-group modifications. GM10 contained the highest methacryloylation degree (DM), reducing its ability to cross-link physically. GM2 had the lowest DM and showed physical cross-linking. The total modification degree, determining the physical cross-linking ability, of GM2A8 was comparable to that of GM10, but the chemical cross-linking ability was comparable to GM2. At first, we measured the double bond conversion (DBC) kinetics during chemical GM(A) cross-linking quantitatively in real-time via near infrared spectroscopy-photorheology and showed that the DBC decreased due to sequential cross-linking. Furthermore, results of circular dichroism spectroscopy and differential scanning calorimetry indicated gelation and conformation changes, which increased storage moduli of all GM(A) hydrogels due to sequential cross-linking. The data suggested that the total cross-link density determines hydrogel stiffness, regardless of the physical or chemical nature of the cross-links.
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    Covalent incorporation of tobacco mosaic virus increases the stiffness of poly(ethylene glycol) diacrylate hydrogels
    (2018) Southan, Alexander; Lang, Tina; Schweikert, Michael; Tovar, Günter E. M.; Wege, Christina; Eiben, Sabine
    Hydrogels are versatile materials, finding applications as adsorbers, supports for biosensors and biocatalysts or as scaffolds for tissue engineering. A frequently used building block for chemically cross-linked hydrogels is poly(ethylene glycol) diacrylate (PEG-DA). However, after curing, PEG-DA hydrogels cannot be functionalized easily. In this contribution, the stiff, rod-like tobacco mosaic virus (TMV) is investigated as a functional additive to PEG-DA hydrogels. TMV consists of more than 2000 identical coat proteins and can therefore present more than 2000 functional sites per TMV available for coupling, and thus has been used as a template or building block for nano-scaled hybrid materials for many years. Here, PEG-DA (Mn = 700 g/mol) hydrogels are combined with a thiol-group presenting TMV mutant (TMVCys). By covalent coupling of TMVCys into the hydrogel matrix via the thiol-Michael reaction, the storage modulus of the hydrogels is increased compared to pure PEG-DA hydrogels and to hydrogels containing wildtype TMV (wt-TMV) which is not coupled covalently into the hydrogel matrix. In contrast, the swelling behaviour of the hydrogels is not altered by TMVCys or wt-TMV. Transmission electron microscopy reveals that the TMV particles are well dispersed in the hydrogels without any large aggregates. These findings give rise to the conclusion that well-defined hydrogels were obtained which offer the possibility to use the incorporated TMV as multivalent carrier templates e.g. for enzymes in future studies.