Charakterisierung eines Aptamer-basierten Biosensors für die Detektion von Doxorubicin mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Kontamination des Trink- und Grundwassers mit Medikamentenrückständen stellt ein zunehmend auftretendes Umweltproblem dar, sodass das Monitoring der Gewässerbelastung zukünftig eine bedeutendere Rolle spielt. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Aptamer-basierter Biosensor (Aptasensor) für die Detektion des Anthracyclins Doxorubicin entwickelt. Hierzu wurde eine mikrofluidische Messkammer mit einer Drei-Elektroden-Anordnung aufgebaut und charakterisiert. Das Daunorubicin-Aptamer konnte erfolgreich immobilisiert werden und es wurde eine Belegungsdichte von 1,3*10+13 ± 2,4*10+12 DNA-Moleküle/cm^2 erreicht. Die Bindung des Doxorubicin als auch die von Daunorubicin an das auf eine Goldoberfläche immobilisierte Aptamer konnte mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erfolgreich detektiert werden. Aufgrund der hohen Sensitivität konnte eine Dissoziationskonstante KD von 64 nM und eine Nachweisgrenze LoD von 28,3 nM bestimmt werden. Dass es sich hierbei nicht um unspezifische Bindungen handelt, wurde anhand von Negativkontrollen überprüft. Die Signale der unspezifischen Bindungen lagen deutlich unter denen der spezifischen Bindungen. Im Hinblick auf die gezielte Verwendung des Aptasensors im Bereich des Gewässermonitorings wurde auch die Detektion von Doxorubicin in Realproben untersucht. Gespikte Flusswasserproben konnten jedoch bisher nicht signifikant von reinen Flusswasserproben unterschieden werden. Dies lag vermutlich an einer Konkurrenzreaktion zwischen Fremdionen bzw. -molekülen und Doxorubicin mit dem DRN-Aptamer. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit die Aptamer-Target-Bindung regenerierbar ist. Eine Regenerierung der Bindung mittels Hitze-Denaturierung kann anhand der gewonnenen Ergebnisse ausgeschlossen werden. In weiterführenden Arbeiten sollten weitere Methoden für die Regenerierung der Bindung untersucht werden. Schlussfolgernd konnte erfolgreich ein Aptasensor zur impedimetrischen Detektion von Doxorubicin und Daunorubcin im mittleren nanomolaren Bereich entwickelt werden. Für die praktische Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig. Das hohe Potenzial der Aptasensoren ist durch das fehlende Verständnis für die Aptamer-Target-Bindung begrenzt. Durch weitere Grundlagenforschung kann das Design der Aptasensoren den Bedürfnissen der Detektionsmechanismen angepasst werden.
Synthese von Goldnanostäbchen mit einstellbarem Aspektverhältnis im mikrosegmentierten Durchflussverfahren. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Goldnanostäbchen werden in der Elektronik, Sensorik, Analytik und Medizin eingesetzt. Dabei werden ihre speziellen optischen Eigenschaften ausgenutzt, die stark vom Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Stäbchen (Aspektverhältnis) abhängen. In dieser Arbeit wurde eine mikrosegmentierte Durchflusssynthese zur Herstellung von Goldnanostäbchen entwickelt. Sie basiert auf dem nasschemischen, zweistufigen Batchverfahren. Dabei werden zunächst Kristallisationskeime durch Reduktion von Tetrachloroaurat erzeugt. In einem zweiten Reaktor wachsen diese sphärischen Partikel zu Stäbchen auf. Charakterisiert wurden die Partikel mittels UV-Vis-Spektrometrie, Zetaziser, differentieller Zentrifugation und Rasterelektronenmikroskopie. Durch Variation der Reaktionsparameter konnte das Aspektverhältnis der Stäbchen zwischen 1,9 und 4,1 variiert und die optischen Eigenschaften genau eingestellt werden. Eine Stäbchenform mit überwachsenen Ecken, sogenannte "dog-bones", konnte hergestellt und deren Aspektverhältnis variiert werden.
Elektrokoaleszenz von nl-Tropfen in einem mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Bauelement. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Im Fachbereich der tropfenbasierten Mikrofluidik sind Elektrokoaleszenzvorgänge eine der vielversprechendsten Wege der Einflussnahme auf das Verhalten des mikrofluidischen Systems Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, mit dem in einem bestehenden mikrofluidischen System Elektrokoaleszenzvorgänge kontrolliert, reproduzierbar und zuverlässig eingeleitet und durchgeführt werden können. Hierzu werden flache Elektroden an der Außenseite des Systems in einer bestimmten Art und Weise angebracht. Auf Grund einer angelegten Spannung wirkt das elektrische Feld (gepulstes DC) auf das Innere des Kanals und löst dort die Verschmelzung von Tropfen aus. Die Elektroden stehen dabei nicht in direktem Kontakt mit den verwendeten Fluiden. Auf Grund der Vielzahl biologischer und medizinischer Anwendungen im Rahmen der Mikrofluidik ist es von besonderem Interesse, in wieweit sich die Zusammensetzung verschiedener wässriger Lösungen auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Die wässrige Phase wird daher in Ionenstärke, pH-Wert und Viskosität variiert und deren Einfluss untersucht. Dabei wird beobachtet, dass diese Größen über einen weiten Bereich verändert werden können, ohne dass sich dies bemerkbar auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Lediglich bei einem stark alkalischen Milieu der Lösung bei niedrigeren Spannungen von unter 450 V zeigt sich eine Verschlechterung der Koaleszenz. Diesem Effekt kann mit einer Erhöhung der Spannung entgegengewirkt werden. Allgemein konnte mit allen untersuchten Lösungen bei einer Arbeitsspannung von 450 V eine Koaleszenzrate von über 90 %, mit höheren Spannungen von 100 % erzielt werden. Darüber wird ein automatisiertes Verfahren vorgestellt, welches eine Anpassung der Elektrokoaleszenz an verschiedenen Flussraten erlaubt. Hiermit ist es möglich eine Vielzahl an Segmenten (im Mittel wurden 1600 getestet) kontrolliert, reproduzierbar, zuverlässig und voll automatisiert zu verschmelzen. Eine numerische Simulation ergänzt die experimentellen Betrachtungen. Schlagwörter: Elektrokoaleszenz, Lab-on-a-Chip, tropfenbasierte Mikrofluidik
Untersuchung des Einflusses der Biomaterialkomposition auf die Adhäsion und Proliferation von Tumorzellen. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix (ECM) und deren komplexe Wechselwirkungen mit Zellen spielen eine essentielle Rolle für die Tumorentstehung und progression. Vor diesem Hintergrund wurden methacrylierte Lactid-Caprolacton-Copolymere und z. T. Polyethylenglycol (PEG) mittels UV-Polymerisation zu dreidimensionalen Gelen mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad fotovernetzt. Diese Gele wurden physikochemisch und mechanisch charakterisiert und anschließend hinsichtlich ihrer Biokompatibilität mit MDA-MB-231-Zellen untersucht. Eine Oberflächenfunktionalisierung mit Kollagen Typ I und deren Einfluss auf die Zellantwort wurde untersucht. Durch die Bestimmung der Einzelzellsteifigkeit wurde der Einfluss der Materialsteifigkeit auf die Zellantwort ermittelt. Abschließend erfolgte ein Prinzipnachweis der Strukturierbarkeit der Materialien mittels Zwei-Photonen-Polymerisation und der Besiedlung der hergestellten 3D-Scaffolds mittels Perfusion. Die Ergebnisse zeigen, dass das untersuchte Polymersystem biokompatibel und für eine Verwendung als Scaffold in 3D-in vitro-Tumormodellen geeignet ist. Durch die gezielte Einstellbarkeit der Mechanik ist eine flexible Anpassung an unterschiedliche Untersuchungsziele hinsichtlich Tumorzell-ECM-Wechselwirkungen möglich.
Etablierung eines Niederdruckplasma-Verfahrens zur langzeitstabilen Hydrophobisierung von Polymer-Mikrofluid-Systemen sowie fluidische Untersuchung der Systeme für Life Science Applikationen. - 124 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine langzeitstabile, hydrophobe Beschichtung für den segmentierten Fluss in Polykarbonat-Chipsystemen zu erzeugen. Hierfür wird in einem Niederdruckplasma aus dem Präkursorgas Oktafluorocyclobutan ein transparentes Plasmapolymer mit PTFE-ähnlichen Eigenschaften generiert. Der Einfluss verschiedener Parameter bei der Polymerisation auf die entstehende Beschichtung wird untersucht und die Beschichtungen charakterisiert. Anhand festgelegter Mindestanforderungen wird die Funktion der Beschichtung nachgewiesen und ihre Vorteile sowie ihre Schwachpunkte herausgearbeitet.
Einfluss von Oberflächentopographie und -Chemie auf das Wachstum und die Ausrichtung Osteoblasten-ähnlicher Zellen. - 96 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Eine Strategie die Osteointegration von Knochenimplantaten zu verbessern, ist die Übertragung von anisotropen Strukturen auf Implantatoberflächen. Die mikrostrukturierten Oberflächen beeinflussen die Zelladhäsion, -proliferation, -morphologie und die -ausrichtung. Zur chemischen, physikalischen und topographischen Mikrostrukturierung von Biomaterialoberflächen haben sich besonders Soft Lithographie-Techniken als geeignet herausgestellt. Zeil dieser Arbeit war es die Zellproliferation, -morphologie sowie -ausrichtung von Osteoblasten-ähnlichen Zellen in Abhängigkeit von verschiedenen topographisch mikrostrukturierten Oberflächen zu untersuchen. Dabei wurden zum einen Mikrostrukturen auf hydrophile Oberflächen aus Dextran (Titan beschichtet mit Dextran) und zum anderen auf hydrophobe Oberflächen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) übertragen. Die Mikrostrukturen unterschieden sich hinsichtlich des Mustertyps und der Strukturgröße (Abmessungen). Die mikrostrukturierten PDMS- und Dextranoberflächen wurden mittels Replica Molding erzeugt und vor sowie nach dem Zelltest mit Osteosarkomzellen mittels Lichtmikroskop, Rasterelektronenmikroskop sowie konfokalem Laser Scanning Mikroskop charakterisiert. Vergleicht man die Zellzahlen von mikrostrukturierten Dextranoberflächen mit denen von PDMS-Oberflächen stellt man fest, dass die Zellzahlen bei PDMS-Oberflächen höher sind. Jedoch ist die Zellzahl für beide Materialien unabhängig von der Mikrostruktur. Das Aspektverhältnis der Osteosarkomzellen und der prozentuale Anteil ausgerichteter Zellen steigen je kleiner die Strukturgröße eines jeden Mustertyps ist. Die Linienmuster induzieren im Vergleich zu Rechteck- und Rautenmustern die höchste Anzahl gespreiteter und ausgerichteter Zellen. Des Weiteren stellte sich heraus, dass bei mikrostrukturierten Dextranoberflächen im Vergleich zu PDMS-Oberflächen der prozentuale Anteil ausgerichteter Zellen um bis zu 30 % höher war. Mit dieser Studie konnte gezeigt werden, dass die Zellproliferation, -spreitung und die -ausrichtung von Osteosarkomzellen durch die Mikrostrukturen und die Chemie des Materials kontrolliert und eingestellt werden kann. Durch die Verwendung der Replica Molding-Technik können Mikrostrukturen leicht auf Implantatoberflächen übertragen werden um diese zu funktionalisieren. Dies wurde in dieser Arbeit erfolgreich für Titanoberflächen gezeigt. Durch die Nachbildung der Knochengewebsstruktur auf Implantatoberflächen wird sich eine Erhöhung der Langzeitstabilität und demnach eine Verbesserung der Lebensqualität von Patienten erhofft.
Microsegmented flow-through synthesis of gold nanocubes. - 41 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Goldnanopartikel weisen einzigartige Eigenschaften auf, welche sie für ein großes Spektrum möglicher Anwendungen prädestinierten. Sie finden beispielsweise bereits als funktionelle Bestandteile in Sensoren, elektronischen Schaltungen oder in der heterogenen Katalyse Anwendung in verschiedenen Gebieten der Nanotechnologie. In dieser Arbeit wird ein segmentbasiertes Mikrodurchflussverfahren zur Herstellung einkristalliner Goldnanokuben als vorteilhafte Methode zur Syntheseführung, verglichen mit konventionellen Batch-Ansätzen, vorgestellt. Das Herstellungsverfahren basiert auf der nass-chemischen Reduktion von Au3+-Ionen aus Tetrachlorogoldsäure in Gegenwart des Ligands CTAC (Cetyltrimethylammoniumchlorid) und erfordert drei Syntheseschritte. Zunächst werden in einem Mikrodurchflussprozess seed-Partikel synthetisiert. Im Folgenden werden diese seed-Partikel in einem ersten Wachstumsschritt, welcher ebenfalls im segmentbasierten Mikrodurchflussverfahren ausgeführt wird, vergrößert. Das abschließende Wachstum im dritten Syntheseschritt erfolgt im klassischen Laborgefäß. Die kolloidalen Lösungen der Au-seed-Nanopartikel und der Au-Nanokuben wurden mithilfe differentieller zentrifugaler Sedimentationsspektroskopie (DCS), UV-Vis-Spektralphotometrie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die aus den Experimenten erhaltenen Nanopartikel zeigten homogene Ensembleeigenschaften ohne Hinweise auf mögliche Aggregation. Die mikrofluidisch hergestellten Gold-seed-Nanopartikel hatten einen mittleren Teilchendurchmesser von 2,6 nm mit einer Halbwertsbreite der Größenverteilung von 1,5 nm. Aus diesen seed-Nanopartikeln konnten Goldnanokuben mit, im Bereich zwischen 50 und 80 nm, einstellbaren Kantenlängen, bei jeweils schmalen Teilchengrößenverteilungen und hoher Ausbeute an gewünschter Form, hergestellt werden. Es wurde weiterhin gefunden, dass die Wachstumszeit der Partikel im letzten Syntheseschritt einen großen Einfluss auf die Partikelform hat. Ein Zeitintervall von 8 Minuten war ausreichend zur Ausbildung der gewünschten kubischen Form. Mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik gelang die reproduzierbare Herstellung homogener Nanopartikel mit schmalen Teilchengrößenverteilungen. Entsprechend der Analysedaten kann geschlussfolgert werden, dass die Synthesemethode unter Anwendung des Prinzips des mikrosegmentierten Flusses dazu verhalf, die Produktqualität aufgrund vorteilhafter Mischbedingungen durch die segmentinterne Konvektion und damit einhergehenden kürzeren Nukleationsintervallen, zu verbessern.
Aufbau eines interferometrischen Messplatzes zur Untersuchung der Kondensationskinetik von Wasserdampf auf Siliziumnitrid anhand der Tropfenbildung. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2014
Kondensation von Wasserdampf auf Festkörperoberächen ist ein Prozess, der Bedeutung in Themenfelder wie z.B. dem Wasserhaushalt in der Landwirtschaft, der technischen Trinkwassergewinnung, der chemischen Reaktionstechnik, dem Eiswachstum oder der meteorologischen Messtechnik, Bedeutung hat. Diese Arbeit behandelt Kondensationsprozesse auf Siliziumnitridoberächen Si 3 N 4 als Schichtmaterial von Streufeldfeuchtesensoren in der einfachen Feuchtemesstechnik. Ein interferometrischer Messplatz wurde aufgebaut, um die Kondensationstropfen an Oberächen in Zeit und Höhe zu vermessen. Es wurden Messungen mit 2 K, 4 K und 10 K unterhalb vom Taupunkt durchgeführt. Die Taupunkte lagen im Bereich von 7˚ C bis 12˚ C. Die Reinigung der Siliziumnitridproben erfolgte entweder mit Seifenlauge, Ethanol oder mit partikelfreiem Wasser. Der Einuss der Reinigung auf den Tropfenwachstum ist untersucht worden. Darüberhinaus wurden Kondensationsprozesse von Wasser auf Objektträgerglas untersucht. Die Höhenzunahmen der Tropfen auf den Si 3 N 4 -Oberächen liegen im Bereich zweistelligen Nanometer pro Sekunde. Die Belegungsmenge von Kondenswasser war im Bereich von 10 -5 bis 10 -4 [my] l / mm 2 . Seifengereinigtes Siliziumnitrid zeigte gleichmäßiges und schnelles Tropfenwachstum und ebenso Verdunstung, während Reinigung mit Ethanol hemmend wirkte. Die Reinigung mit partikelfreiem Wasser hatte keine besonderen Einuss auf die Proben. Es zeigte sich, dass Strukturelemente der Si 3 N 4 -Schicht großen Einuss auf das Tauverhalten haben.
Immobilisierung von Silbernanopartikel an AFM-Spitzen im elektrischen Wechselfeld für die spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS). - 92 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die Herstellung von neuartigen Sonden für die spitzenverstärkte Ramanspektroskopie (TERS) ist in der Tat immer noch eine herausfordernde Aufgabe. Ein Grund dafür sind unter anderem die wenigen Methoden, welche im Moment angewendet werden und damit einhergehend die Reproduzierbarkeit der Spitzenherstellung, sowie die Kosten, als auch die hohen Geräte abhängigen Voraussetzungen. Diese Arbeit zeigt einen neuen und leichten Weg auf, wie kommerzielle Silbernanopartikel im elektrischen Wechselfeld in Lösung immobilisiert werden können, indem eine AFM-Spitze als Elektrode verwendet wird. Dieser Umstand führt zur Ausbildung eines inhomogenen elektrischen Feldes zwischen der AFM-Spitze und einer planaren Gegenelektrode, welche im Besonderen die dielektrophoretische Kraft begünstigt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass in Abhängigkeit der Frequenz, aber auch in Abhängigkeit eines DC-überlagerten Feldes, andere Kräfte zu unterschiedlichen Bedeckungsarten der Spitzen führen, wie ein elektrochemisches Partikelwachstum oder eine elektrophoretische Anlagerung. Eine Motivation dieser Arbeit besteht darin, die Spitzenbedeckung auf nur wenige Partikel exakt am Apex der Spitze zu reduzieren. Dies kann erreicht werden, indem das elektrische Feld über die Spannung oder den Elektrodenabstand verändert wird, oder über die Präparationsdauer. Es wird gezeigt, dass dieses Ziel sehr schwer erreichbar ist und basiert wohl auf Problemen der Partikel-Apex Bindung und ist unmöglich zu erreichen, sofern die Bedeckungsart von Natur aus homogen durch Partikelwachstum ist. Trotz allem kann gezeigt werden, dass dichte homogen bedeckte AFM-Spitzen ohne Probleme als TERS-Sonden benutzt werden können.
Chemisches Verhalten und elektronische Eigenschaften mikrofluidisch synthetisierter Silber-Nanoprismen. - 116 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Das Vorliegen der Silber-Nanoprismen als ein Ensemble mit relativ einheitlichen Eigenschaften ermöglichte die Detektion geringer Veränderungen der Nanoprismen in Gegenwart des Fe(III) mittels zyklischer zeitaufgelöster UV/VIS-Spektrophotometrie. Anhand dieser Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass das Verhalten der Silber-Nanoprismen bei einer systematischen Erhöhung der zugegebenen Fe(III)-Konzentration in drei Bereiche zu unterscheiden ist. Geringe Konzentrationen des Fe(III) lösen keine signifikanten Veränderungen an den Silber-Nanoprismen aus. Das zugegebene Fe(III), in einem moderaten Konzentrationsbereich, löst hingegen Prozesse an oder in den Nanoprismen aus, welche vermutlich auf elektronischen Effekten beruhen. Eine weitere Erhöhung der Fe(III)-Konzentration bedeutet das Erreichen einer kritischen Konzentration, welche einen vermutlich oxidativen Ätzprozess an den Nanoprismen auslöst. Das beobachtete Verhalten der untersuchten Silber-Nanoprismen entspricht hier dem aus der Literatur bekannten Verhalten von Silber-Nanoprismen in Gegenwart verschiedener Effektoren bei einer ablaufenden Transformation der Nanoprismen zu Nanodiscs. Eine entsprechend hohe Konzentration des Fe(III) führt zu einer Auflösung der Silber-Nanoprismen. Neben dem Absorptionsverhalten wurde auch das Zetapotential der Nanopartikellösungen bestimmt, welches bei einer zunehmenden Effektorkonzentration ansteigt und damit die Verringerung der kolloidalen Stabilität wiedergibt. Es konnte außerdem festgestellt werden, dass die elektronischen Effekte bei moderaten Konzentration des Fe(III) wie auch der daran anschließende oxidative Ätzprozess eine Konzentrationsabhängigkeit aufweisen. Hierbei bedeutet eine höhere Effektorkonzentration eine zunehmende Rate der Änderung der Absorption. Es besteht zusätzliche eine Abhängigkeit zwischen der Partikeldichte der Silber-Nanoprismensuspension und der Fe(III)-Konzentration. Außerdem konnte gezeigt werden, dass der Einfluss des Molekulargewichts des PSSS nicht nur zu verschieden großen Nanoprismen führt, sondern auch, dass das Verhalten dieser in Gegenwart von Fe(III) ebenfalls gewisse Unterschiede aufweist.