Universität Stuttgart
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Item Open Access 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.Item Open Access 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.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 Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Propylenoxid und Phenol mittels Ganzzellbiokatalyse unter Nutzung der Methan-Monooxygenase des Organismus Methylosinus trichosporium OB3b(2022) Derwenskus, Ilka Madeleine; Hirth, Thomas (Prof. Dr.)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 The use of confocal Raman microscopy for the evaluation of in-vitro biofilm model structures(2022) Kriem, Lukas Simon; Rupp, Steffen (apl. Prof. Dr.)In nature, the majority of microorganisms grow and accumulate on surfaces. These microorganisms are in general surrounded by an extracellular matrix, also generating a biofilm. Extensive research has been done to further understand these biofilms, especially those that cause human diseases such as subgingival biofilms where their accumulation on teeth over time can cause gingivitis and periodontitis. While dynamics, formation and composition of these biofilms are well known, techniques for continuously monitoring the formation of subgingival biofilm are limited. In recent years, advancements in the field of optical spectroscopic techniques have provided an alternative for analyzing three-dimensional microbiological structures, in addition to the traditional destructive or biofilm staining techniques. In this work, it was demonstrated that the use of confocal Raman spectroscopy, coupled with multivariate analysis, provides an approach to differentiate common subgingival bacteria. In addition, a workflow was developed that allows for the spatial differentiation of bacteria in an in vitro model simulating a subgingival biofilm, a technique which was also confirmed by mapping a second mixed species in vitro biofilm found on medical devices. The present work demonstrates the use of confocal Raman Microscopy to differentiate common subgingival bacterial species (Actinomyces naeslundii, Fusobacterium nucleatum, Streptococcus mutans, Veillonella dispar and Prevotella nigrescens) and including their identification in unknown samples. In a second step, a workflow was established to evaluate and differentiate bacterial species in two dual-species in vitro biofilm models, using confocal Raman microscopy. The first biofilm model comprised of Actinomyces denticolens and Streptococcus oralis was cultured using the ‘Zürich in vitro model’. Candida albicans and Pseudomonas aeruginosa were cultured as a second dual-species biofilm to confirm the established workflow. Both biofilms were then analyzed using confocal Raman Microscopy. Cluster analysis was used to spatially differentiate and map the biofilm models over a specified area. To confirm species clustering within the cultured biofilms, confocal laser scanning microscopy was coupled with fluorescent in-vitro hybridization. Furthermore, dense bacteria interface area samples, as an artificial model of clusters in a biofilm, were used to test the developed multivariate differentiation model. This confirmed model was successfully used to differentiate species in a dual-species biofilm that were additionally compared and confirmed by morphology analysis. The results show that the developed workflow was able to identify main clusters of bacteria based on spectral ‘fingerprint region’ information acquired from confocal Raman microscopy. Using this workflow, it was demonstrated that confocal Raman microscopy can be used to spatially analyze dual-species in vitro biofilms, thus providing an alternative technique to map biofilm models.Item Open Access Physikalische und chemische Wechselwirkungen in Gelatine-Methacryloyl-Lösungen und deren Vernetzung zu Hydrogelen als Trägerstruktur für Gelenkknorpel-Äquivalente(2021) Rebers, Lisa; Tovar, Günter (Prof. Dr.)