Dissertationen

Whispering gallery mode resonatoren werden für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Industrie und im akademischen Bereich eingesetzt. Die Arbeit mit WGM ist mit Hürden wie die Herstellung, Charakterisierung und Anregung verbunden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neue Konzepte vorzustellen, um diese Hürden zu verringern. Die Herstellung von photonischen Strukturen beruht auf der Mikrofabrikationstechnik, die keine Kontrolle des Seitenwandwinkels erlaubt. Die Steuerung des Seitenwandwinkels in SiO2 bei gleichzeitig sehr geringer Oberflächenrauhigkeit würde einen neuen Freiheitsgrad ermöglichen und die Leistung photonischer Strukturen verbessern. Es wird eine systematische Untersuchung vorgestellt, die den riesigen Parameterraum des Ätzprozesses mit einem ”educated guessing”-Ansatz eingrenzt, bis DoE-Ansätze realisierbar werden. Dies geschieht in mehreren Schritten. Zur Untersuchung der verbleibenden Parameter wird eine Surface-Response-Methodology angewandt. Das erstellte Modell ist validiert und stimmt gut mit den Experimenten überein und kann daher zur Optimierung verschiedener Responsevariablen wie Seitenwandwinkel, Rauheit und Ätzrate verwendet werden. Die Substrattemperatur ermöglich die Kontrolle des Seitewandwinkels von 50˚ bis 90˚. Die gewonnenen Erkenntnisse werden dann in Kombination mit dem bereits vorhandenen Wissen in der Community genutzt, um die Fertigungsmöglichkeiten der Gruppe Technische Optik im Reinraum zu erweitern. Das SiO2-Verfahren ist auch für das Ätzen von Si3N4 mit hervorragenden Ergebnissen geeignet. Diese Mikrofabrikationstechniken werden dann für die Herstellung von 2,5D+ WGMRs eingesetzt. Es wird eine neue Charakterisierungstechnik vorgeschlagen, die die emittierten Photonen für die Analyse von WGM nutzt. Dazu wird eine Einzelphotonentechnologie wie die zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung verwendet, die neben klassischen Intensitätsbildern auch die Aufnahme von räumlich aufgelösten Lebenszeitbildern ermöglicht. Ein experimenteller Aufbau wird konzipiert und realisiert. Aus fluoreszierendem Material hergestellte WGMs werden mit den vorgeschlagenen Techniken angeregt und analysiert; durch die Analyse der Lebensdauern können die Q-Faktoren der WGMs bestimmt werden. Schließlich wird ein alternativer Weg zur Einkopplung von Licht in WGM vorgeschlagen, der monolithisch integrierte DOE auf WGM verwendet. Aufgrund eines fehlenden theoretischen Rahmens werden Simulationen durchgeführt, um DOE und WGM separat zu modellieren. Die vorgeschlagenen Elemente werden mit den entwickelten Mikrofabrikationsverfahren hergestellt und mit dem neuartigen Charakterisierungsaufbau analysiert.

Die vorgelegte Doktorarbeit stellt ein 3D-Zellkultursystem mit einem vollautomatisierten analytischen, biochemischen Assay und vollautomatisierter Kultivierung mit Mediumwechsel vor. Dieses integrierte Kultivierungs- und Analysesystem wurde in dieser Arbeit mit 3D-Hepatozytenkulturen in Polycarbonat-MatriGrid®-Gerüsten für das 3D-Wachstum von Zellkulturen prototypisiert. Das System perfundiert MatriGrid- Kulturen kontinuierlich mit Wirkstoff-ergänztem Medium und führt bei Bedarf eine Bewertung der Wirkstofftoxizität durch Beobachtung und Messung der Konzentration eines Indikators, des Biomarkers Albumin, durch. Das System kann die MatriGrid-Kultur mit unterschiedlichen Flussraten perfundieren, automatisierte Medienwechsel durchführen und mit dem mitgelieferten ELISA-Modul Proben des zu analysierenden Kulturmediums nach Bedarf untersuchen. Das System unterstützt die parallele Kultivierung von Zellen in mehreren Bioreaktoren. Das Fluidnetzwerk wurde aus Materialien konstruiert, die wenig Proteine und kleine Moleküle binden, absorbieren oder adsorbieren, um seine Anwendung für niedrige Biomarkerkonzentrationen und Langzeitexperimente zu erweitern. Die Doktorarbeit beschreibt das Systemdesign, den Aufbau, das Testen und die Verifikation unter Verwendung von 3D-gewachsenen HepaRG-Zellkulturen. Die zeitabhängige Wirkung von APAP auf die Albuminsekretion wurde über 96 h untersucht, wobei sowohl mit dem neu entwickelten System als auch konventionell in Mikrotiterplatten, gemessen wurde. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Dieses Resultat belegt die Verwendung des Systems als eigenständiges Gerät, das in Echtzeit arbeitet und in der Lage ist, gleichzeitig Zellkultur- und Mediumanalyse in mehreren Bioreaktoren durchzuführen, mit erhöhter Zuverlässigkeit der 3D-Kultivierung, in einfacher Handhabung und Messung. Auf diese Weise soll das neu entwickelte 3D-Zellkultivierungs- und Analysesystem 3D-Zellkultivierungstechniken und -experimente für weitere Forschungsgruppen bekannt machen.

Autonome Beckennerven sind bei viszeralchirurgischen Eingriffen im Bereich des kleinen Beckens wie beispielsweise Rektumresektionen bei Rektumkarzinom einem sehr hohen Risiko der intraoperativen iatrogenen Schädigung ausgesetzt. Die Folgen von Schädigungen der Beckennerven sind postoperativ auftretende Funktionsstörungen der Beckenorgane wie Harninkontinenz, Stuhlinkontinenz und sexuelle Funktionsstörungen, die zu einer Beeinträchtigung der Lebensqualität der Patienten führen können. Das autonome Nervengeflecht des Beckens ist hochkomplex, sehr filigran, innerviert glatte Muskulatur und kann in seiner topografischen Lage interindividuell verschieden sein. Da die Nerven rein visuell nur sehr schwer identifiziert werden können, ist deren Schonung im Verlauf der chirurgischen Präparation ohne technische Hilfsmittel und ohne fundierte Kenntnisse der pelvinen Neuroanatomie nicht möglich. Aufgrund der Unterschiede im Erregungs- und Reizreaktionsverhalten zwischen dem somatischen und dem autonomen Nervensystem können bekannte elektrophysiologische Neuromonitoring-Methoden nicht direkt auf das Monitoring autonomer Nerven übertragen werden, wodurch die Entwicklung neuer Methoden notwendig ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine neue Neuromonitoring-Methode zur Lokalisation autonomer Nerven mittels elektrischer Stimulation im OP-Gebiet und Impedanzmessung an glatter Muskulatur konzipiert und erforscht. Die bei der Durchführung einer präklinischen, wie auch einer klinischen Studie erzielten Ergebnisse weisen sowohl die technische als auch die klinische Machbarkeit der Impedanzmessung als Verfahren des intraoperativen Neuromonitorings nach und lassen darauf schließen, dass eine nervenschonende Präparation und eine damit verbundene Verminderung des Risikos für das Auftreten von postoperativen Funktionsstörungen der Beckenorgane möglich ist. Die klinische Machbarkeit wurde bei 28 der 30 Patienten (93,3 %) nachgewiesen. Darüber hinaus gehen erste klinische Daten zur klinischen Sicherheit und zum klinischen Nutzen der Methode aus der Auswertung des funktionellen Outcomes der Patienten der klinischen Studie hervor. Der auf der Basis der gewonnenen Messdaten der klinischen Studie realisierte softwaregestützte Automatic Muscle Impedance and Nerve Analyzer (AMINA) zur Beurteilung der abgeleiteten Impedanzsignale soll eine assistierte Signalinterpretation für eine einfache und schnelle Identifikation funktionaler Nerven während der OP möglich machen. Die Validierung des Verfahrens anhand erster Messdaten ergab eine Sensitivität der Signalbeurteilung von 96,3 % und eine Spezifität von 91,2 %.

Während des Laserstrahlschweißens entstehen thermisch induzierte Dehnungen und Spannungen, die zu Verschiebungen der Fügepartner im Prozess führen. Diese Verschiebungen werden durch den Einsatz von Spannsystemen in der Produktion unterbunden. Jedoch sind diese Systeme zumeist nur für eine einzelne Schweißaufgabe ausgelegt. Aufgrund der zumeist massiven Bauweise der Systeme und des anwendungsspezifischen Einsatzes dieser ergeben sich hohe Kosten. Somit ist man bestrebt, die Spannsysteme einfacher zu gestalten und damit Bewegungsfreiheiten der Fügepartner im Prozess zu akzeptieren. Um nun die auftretende Querverschiebung zu minimieren, können zusätzliche Wärmequellen oder Wärmesenken genutzt werden, um Einfluss auf das Temperaturfeld und damit auf das Dehnungsfeld zu nehmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher zunächst der Einfluss variierender Schweißparameter (Schweißgeschwindigkeit, voreingestellter Spalt) bei einer einseitig gespannten Fügekonfiguration am I-Stumpfstoß untersucht. Dazu erfolgten Untersuchungen vordergründig am hochlegierten Stahl 1.4301. Unter Verwendung eines Diodenlasers wurde der Einfluss einer zusätzlichen Wärmequelle auf die Verschiebung im Prozess und das gesamte Verzugsverhalten charakterisiert und bewertet. Der Abstand der beiden Wärmequellen zueinander, die Laserleistung und die Spotabbildung wurden dazu variiert. Die Untersuchungen wurden zunächst an einer Blechdicke von 1 mm durchgeführt und sie wurden im Anschluss an die Blechdicken 0,5 mm und 2 mm übertragen. Es ist festzuhalten, dass durch den Einsatz der zweiten Wärmequelle die Verschiebung minimiert und damit längere Schweißnahtlängen erzielt wurden. Jedoch trat ein höherer Beulverzug auf, der auf die vermehrten Längsspannungen im Bauteil zurückzuführen ist. Die Wirkungsweise der zweiten Wärmequelle wurde unter Anwendung der FE-Methoden und einer analytischen Beschreibung näher beleuchtet. Unter Anwendung einer CO2-Düse wurde die Wärmesenke abgebildet, um das sich ausbildende Temperaturfeld zu verkleinern. Ebenfalls wurde der Einfluss der Senke auf die Querverschiebung im Prozess und auf den globalen Verzug nach dem Schweißprozess charakterisiert und bewertet. Für die drei zuvor genannten Blechdicken zeigt sich dabei, dass die Verschiebung im Prozess minimiert und damit eine vollständige Durchschweißung erzielt wurde. Auch nimmt der Gesamtverzug der Bauteile ab. Darüber hinaus fanden vergleichende Untersuchungen an der Aluminiumlegierung EN AW 5754 statt. Es wurde festgestellt, dass die hier im Vergleich zum Stahl höhere Verschiebungen auftraten. Durch den Einsatz der Wärmequelle wurde keine Reduzierung der Verschiebung erzielt. Jedoch wurde unter Anwendung der Wärmesenke eine Minimierung der Verschiebung erreicht und damit längere Schweißnahtlängen realisiert.

In der kommenden Ära des "Carbon Peak und der Kohlenstoffneutralität" ist es besonders wichtig, neue Energietechnologien zu entwickeln, die kostengünstig, umweltfreundlich und im industriellem Maßstab herstellbar sind, um die herkömmlichen fossilen Brennstoffe zu ersetzen, die weithin als Verursacher des Treibhauseffekts und häufiger extremer Wetterlagen gelten. Solarenergie ist sozusagen eine unerschöpfliche Energieform, die jedem Land der Erde kostenlos zur Verfügung steht. Daher ist sie im Vergleich zu Kernenergie, Windenergie und blauer Energie die vielversprechendste Alternative zu fossiler Energie. In dieser Arbeit werden breitbandige Materialien zur Gewinnung von Solarenergie als Lichtabsorber für Anwendungen zur Umwandlung von Solarenergie, wie Stromerzeugung, Wasserdampferzeugung und Wasserstofferzeugung, vorgestellt. Zunächst wird schwarzes Silizium (b-Si) mit einer Vielzahl von Mikro-Nanostrukturen durch reaktives Ionenätzen (RIE) hergestellt. Die so hergestellten b-Si-Proben mit ultra-breitbandiger Lichtabsorption können für die photo-thermoelektrische (P-TE) Stromerzeugung, die photothermische (PT) Wasserverdampfung und die photoelektrochemische (PEC) Wasserreduktion verwendet werden, was die Leistung der Solarenergieumwandlung aufgrund ihrer hervorragenden Lichtabsorption im gesamten Sonnenspektrum verbessert. Darüber hinaus wurde eine metastabile Atomlagenabscheidung (MS-ALD) mit Selbstorganisation zur Herstellung großflächiger plasmonischer 3D-AgSiO2 Hybrid-Nanostrukturen entwickelt. Diese zeigen auch eine ultrabreitbandige sehr hohe Absorption im gesamten Sonnenspektrum. Wenn sie für die P-TE- und PT-Wasserverdampfung verwendet werden, verbessert sich die Leistung der Solarenergieumwandlung im Vergleich zu b-Si-Proben.