Universität Stuttgart
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Item Open Access Development of culture media for the construction of vascularized adipose tissue and vascularized 3D full-skin equivalents in vitro(2016) Huber, Birgit; Tovar, Günter (Prof. Dr.)Item Open Access 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.Item Open Access Diagnostik und Modellierung eines Mikrowellen-Plasmabrenners bei Atmosphärendruck(2017) Gaiser, Sandra; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Mikrowellen-Plasmaprozesse bei Atmosphärendruck bieten eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Dazu gehören das Plasmaspritzen zur Beschichtung, die Behandlung von Oberflächen für die Reinigung oder Aktivierung sowie der Abbau schädlicher Abgase. Für die Entwicklung und Optimierung dieser Verfahren sind sowohl experimentelle Untersuchungen als auch eine theoretische Betrachtung von Bedeutung. Diese Arbeit beschäftigt sich deshalb neben der Diagnostik vor allem mit der Modellierung und numerischen Simulation eines bei Atmosphärendruck betriebenen Mikrowellen-Plasmabrenners. Dazu wird die Simulationssoftware Comsol Multiphysics verwendet. Das Ziel ist es, mittels einzelner Modelle die unterschiedlichen physikalischen Vorgänge zu beschreiben und das Brennersystem zu optimieren. Die Simulationen werden schließlich schrittweise miteinander verknüpft, um so ein möglichst selbstkonsistentes Modell der Plasmaquelle zu erhalten. Die Simulationsergebnisse werden zudem mit experimentellen Daten verglichen. Zunächst werden die Verteilung des Mikrowellenfeldes im Plasmabrenner sowie die Resonanzfrequenzen der Resonatoranordnung berechnet, was die Grundlage für eine zuverlässige Zündung und den Betrieb des Plasmas bildet. Anschließend wird ein Modell der kalten Gasströmung erstellt. In dieses wird schließlich eine Wärmequelle implementiert, um den Einfluss des heißen Plasmas auf die Strömung zu untersuchen. Die Gasströmung soll dahingehend optimiert werden, dass sie das Plasma einschließt, um so eine Beschädigung des Gas führenden Quarzrohres zu vermeiden. In einer weiteren Simulation wird das Plasma mit Hilfe des Drude-Modells beschrieben. Hierbei werden dem Plasma eine Permittivität und eine Leitfähigkeit zugewiesen. Eine Erweiterung erfolgt durch das Fluid-Modell, das Bilanzgleichungen für die Elektronendichte sowie Reaktionsmechanismen für ein Argon-Plasma enthält. Die Simulationsergebnisse werden durch den Vergleich mit experimentellen Ergebnissen verifiziert. Dazu wird zum einen die räumliche Lage des Plasmas mit Hilfe von Kameraaufnahmen qualitativ untersucht. Zum anderen stehen Messwerte aus der optischen Emissionsspektroskopie zur Verfügung.Item Open Access Evaluation of human bone and fat derived stem cells for their application in bone tissue engineering(2014) Kleinhans, Claudia; Tovar, Günter (apl. Prof. Dr.)Bone tissue engineering, an emerging interdisciplinary research field, sets its focus on the development of biological substitutes to regenerate, maintain, or improve bone tissue function. The improvement and examination of biomaterials in combination with cellular components is a major aim of recent research activities. Essential factors that should be considered are the availability of a suitable matrix, a sufficient amount of cells and culture conditions that allow the nourishment of three-dimensional (3D) artificial tissue equivalents. The first part of this thesis focuses on the evaluation of chemically modified surfaces, created by low-pressure plasma discharge and the effect of these modifications on the morphological and physiological behavior of human mesenchymal stem cells derived from bone marrow (hMSCs) and adipose tissue (hASCs). Polystyrene substrates modified with ammonia- (NH3), carbon dioxide- (CO2), and acrylic acid-plasma (Acc) revealed significant changes in their chemical surface composition and changes in surface wettability. In order to identify the most suitable surface functionalization for each cell type, the adhesion kinetics and proliferation rates were investigated which revealed a significantly higher cell number of adherent hMSCs in comparison to tissue culture polystyrene (TCPS) on aminated surfaces. Consistent with an initial accelerated cell adhesion, a significantly increased enzymatic activity was detected for hMSCs. The faster adhesion process of hMSCs on aminated samples in comparison to the other modified surfaces was associated with an outspread phenotype. A similar adhesion and proliferation tendency was observed for hASCs, however, only a minor preference to the aminated surfaces was detected. The NH3-plasma treatment was applied to modify a common used biomaterial, Poly (lactic acid) (PLA) blended with hydroxyapatite (HA). The modification of the atomic composition was associated with an increased wettability, promoted adhesion of hMSCs and hASCs, which resulted in significant higher cell numbers on the modified surfaces. In addition to human mesenchymal stem cells derived from bone marrow, another promising cell source presents adipose tissue which is beneficial due to the minimal invasive operative procedure for the patient. Within the scope of this thesis, the evaluation of primary human adipose derived stem cells with regard to their differentiation capacity was investigated, particularly for their osteogenic differentiation. Cell fractions, obtained by gradient centrifugation after enzymatic digestion of lipoaspirate, and an enriched cell fraction separated against the surface antigen CD271, were isolated and characterized. These cell fractions were compared to hMSCs and skin dermal cells (hSDCs). hMSCs demonstrated the potential to differentiate into adipocytes, osteoblasts and chondrocytes. Whereas hASCs and hASCs(CD271+), showing a high differentiation capacity towards adipocytes, fostered an osteoblastic phenotype, but lacked the capacity to form hyaline cartilage. The comparison of hMSCs and hASCs differentiation within a 3D environment was conducted by seeding and culturing the cells in porous, amino functionalized PLA-HA composite scaffolds. The expression of osteogenic related marker genes and the formation of a mineralized extracellular matrix were verified, whereas hASCs reveal a similar expression pattern of osteogenic related marker genes in comparison to hMSCs. hASCs exhibited an osteoblastic phenotype by synthesizing and depositing a mineralized matrix. Finally, to enable the culture of larger 3D-tissue-substitutes, the implementation of a perfusion bio-reactor system was used to achieve and maintain sufficient cell nourishment in the core regions of a scaffold. An increased flow rate was associated with an enhanced seeding outcome within the beta-tricalcium phosphate scaffold, but also accompanied by an accumulation of lactate dehydrogenase in the culture media. For subsequent dynamic culture conditions, a continuous flow was adjusted, which led to the induction of stress related genes analyzed on day one and seven. Nevertheless, after a culture period of seven days, similar gene expression levels of the apoptosis marker FAS were measured in static and dynamic settings. Furthermore, viable cells were detected within the scaffold and cell exposition to shear stress resulted in the induction of osteogenic marker genes. Even without osteogenic supplementation higher mRNA level were detected in the dynamic culture in comparison to the static culture set-up. The results presented in this thesis provide fundamental knowledge and the establishment of parameters for the culture of human mesenchymal stem cells isolated from bone or fat tissue concerning surface modification, differentiation capacity and perfusion culture for their application in bone tissue engineering.Item Open Access Entwicklung eines molekularbiologischen Assays zum Nachweis von Tumormarkern und dessen Integration in ein mikrofluidisches System(2019) Fischer, Stefanie; Rupp, Steffen (Prof. Dr.)Es wurde ein Lab-on-a-Chip-kompatibler, molekularbiologischer Assay für die differentielle Diagnose und das Monitoring einer CML entwickelt. Anschließend wurde der etablierte Assay von der Probenvorbereitung bis zum RT-qPCR-basierten Nachweis in ein Lab-on-a-Chip-System integriert.Item Open Access Experimentelle Untersuchung und Modellierung der Fällung von Kalium-Magnesium-Phosphat(2013) Frank, Daniel; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)Kalium ist neben Phosphor ein essentieller Makronährstoff, der als ein Hauptbestandteil von Düngemitteln das Pflanzenwachstum positiv beeinflusst. Kalium (K) gelangt über das Futter von Nutztieren in deren Gülle. Ein guter Ansatz, um sowohl Kalium als auch Phosphor aus der Gülle zurückzugewinnen, ist die Fällung beider Stoffe zusammen mit Magnesium als sogenanntes Kalium-Magnesium-Phosphat (KMgPO4 * xH2O, KMP).