Bachelor and Master Theses

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Sieger, Alexandra;
Methodische Optimierung eines Lebersinusoid-Cell-Sheet-Layer-Systems zur Kultivierung von Hepatozyten und Endothelzellen. - Ilmenau. - 81 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung unterschiedlicher Prozesseinflüsse auf das Cell-Sheet-Layer (CSL)-System und ein anschließender Vergleich des mit Zellen besiedelten Systems mit einer herkömmlichen In-vitro-Zellkokultur. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob die bisher verwendeten Bedingungen zur Zellbesiedlung und Perfusion der CSL optimal sind, eine Übertragung des Kollagens durch den Thermoforming-Prozess stattfindet und die Zellen auf diesen Strukturen erfolgreich adhärieren können. Außerdem sollten alternative Methoden der Durchbrucherzeugung auf dem CSL entwickelt werden, die die Akkumulation bzw. das Durchwandern der Zellen von der einen auf die andere CSL-Seite verhindern. Dazu wurde eine manuelle Methode entwickelt, welche vor der Besiedlung Durchbrüche stanzt, und eine Methode bei der ein ferngesteuerter Nanoroboter die Durchbrüche nach der Besiedlung erzeugen kann. Bei der Betrachtung der Perfusionsbedingungen wurden verschiedene Inkubationszeiten und Fließraten im Bioreaktor auf ihren Einfluss der Zellen anhand von Live-Dead-Färbungen geprüft sowie unterschiedliche Pumpensysteme verwendet. Für die Untersuchung der Kollagenübertragung wurde mittels immuncytochemischer Färbungen versucht das Kollagen auf den CSL nachzuweisen. Bei der Untersuchung der Übertragung während des CSL-Herstellungsprozess wurde eine Coomassiefärbung durchgeführt und mögliche Einflüsse des Kollagens und der Folie getestet. Als abschließender Versuch wurde die Funktionalität der HepG2 Zellen mit den im Rahmen dieser Arbeit erarbeiteten Optimierungen anhand der Albuminsekretion im 2D und CSL-System getestet. Betrachtet man die Inkubation und die Durchbrüche, kann man zu dem Schluss kommen, dass die Perfusion mit dem automatisierten Pumpensystem sowie die Erzeugung der Durchbrüche mit dem Nanoroboter die besten Ergebnisse brachten. Die Upcyte® Zellen zeigten sich anfälliger bei der Perfusion als es bei den immortalisierten Zelllinien beobachtet wurde. Im abschließenden Vergleich des CSL-Systems unter Perfusion mit einer 2D-Kultur ergab die Auswertung der Albuminwerte nach 24 Stunden eine stark erhöhte Funktionalität der Zellen in dem System. Angesichts dieser Ergebnisse liegt die Schlussfolgerung nahe, dass das System unter den richtigen Bedingungen eine deutliche Verbesserung gegenüber dem herkömmlichen In-vitro-2D-Kulturen bietet.



Kaysan, Leon;
Scaffoldtechnologie für neuronale Organoide. - Ilmenau. - 92 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Die Möglichkeit, Organoide aus Stammzellen zu erzeugen, eröffnet ganz neue Möglichkeiten für Bereiche wie der Wirkstoffforschung, hin zu Anwendungen in der personalisierten Medizin. Besonders das Gehirn und zentrale Nervensystem ist auch heute noch für die Forschung nur schwer zugänglich. So konnten beispielsweise bereits cerebrale Organoide aus hESC erzeugt werden, an denen sich die Entwicklung des menschlichen Gehirnes beobachten lässt. Der Anwendung von Organoiden im großen Stil steht im Weg, dass die Herstellung zum einen relativ aufwändig ist und zum anderen die hergestellten Organoide untereinander wenig homogen sind. Durch die Verwendung der an der TU Ilmenau entwickelten MatriGrids® wurde versucht, den Herstellungsprozess von cerebralen Organoiden nach dem Protokoll von Lancaster et al. Im Bezug auf die Ausbeute und die Homogenität zwischen den Organoiden zu verbessern. Hierzu wurden neuartige MatriGrids® verwendet, bei denen PLGA-Fasern in die Kavitäten eingespült wurden. Die Verwendung der PLGA-Fasern soll die Ausbildung von Neuroektoderm positiv beeinflussen.



Jaster, Jonas;
Synthese von N-Hydroxyalkyl Derivaten von fotoschaltbarer DASA Farbstoffe und Untersuchung deren solvatochromen Eigenschaften. - Ilmenau. - 55 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Donor-Acceptor Stenhouse Addukte, kurz DASA, sind eine Gruppe photoschaltbarer Moleküle. Im Rahmen der Arbeit wurde versucht neuartige Derivate der Familie der DASA Farbstoffe darzustellen. Hierbei gelang es Synthesen für alle Derivate auf Basis von Methylbarbitursäure und 1,3-Dimethylbarbitursäure in Kombination mit Diethylamin, Diethanolamin, Bis(2-hydroxypropyl)amin oder 2-(Methylamino)ethanol zu verwirklichen. Im Anschluss wurde mit der Vermessung des Schaltvorganges begonnen. Hierbei wurde der Einfluss von eingebrachter Polarität auf die Aktivierungsenergie untersucht. Desweiteren wurde versucht eine neuartige tetraene-DASA Variante zu verwirklichen. Dies wurde durch Öffnung des aktivierten Furanringes mittels eines Enamines ermöglicht. Anhand von NMR Messungen konnte die Struktur und der Schaltmechanismus dieser neuen Variante geklärt werden.



Overduin, Joost;
Constructing a modular bubble remover and a multi-channel delivery device for organ-on-a-chip systems. - Ilmenau. - 130 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2021

Organ-on-a-Chip (OoaC) Mikrosysteme sind neuartige Testinstrumente mit perfundierten 3D-strukturierten Zellkulturen, welche die Physiologie von Organen nachbilden. Genaue Kontrolle der mikrophysiologischen Bedingungen und Verwendung von mehreren Zelltypen sind wesentlicher Fortschritte im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen. Der Einsatz von OoaCs verspricht eine Optimierung/Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung, die Ermöglichung personalisierter Medizin und eine Verminderung des Bedarfs an Tierversuchen. Zwei OoaC-relevanten Modulen wurden konstruiert: (a) Ein modularer Luftblasen-Entferner; (b) eine programmierbare Mehrkanalpumpe für die Zugabe von Nährstoffen, Hormonen und sonstigen bioaktiven Substanzen. (a) Luftblasen in OoaCs sind zytotoxisch und behindern die Perfusion. Sie werden entweder infundiert oder entstehen aus Lufteinschlüssen während Temperatur- oder Druckschwankungen. Ein mikrofluidischer Blasenentferner wurde gebaut, dessen mikroporöse Membran (Porendurchmesser: 0,3 [my]m) die Luftblasen zu einer 1 mm dicken PDMS-Membran lenkt die sie in eine Vakuumkammer führt. Normaler Perfusion (0-150 [my]l/St.) ergab eine effektive Blasenentfernung (Halbwertszeit: 12 Min.). Weiter zeigten sich kaum Effekte der Betriebsparameter (Perfusionsrate und fluidischer Widerstand) auf die Blasenentfernung. COMSOL-Modelle der Blasenentfernung entsprachen den experimentellen Beobachtungen. Eine dünnere, semiporöse PDMS-Membran beschleunigte die Blasenentfernung um das Doppelte. Simulationen zeigten, dass die 1 mm dicke PDMS-Membran, die -900 mbar ausgesetzt wird, den Luftgehalt des Mediums um 36 % vermindert, was stromabwärts Luftblasen reduzieren könnte. Zum Schluss wurde ein Konzept des "non-porösen Schwamms" präsentiert, zur Luftblasenentfernung mit PDMS ohne externe Vakuumleitungen. (b) Eine programmierbare Mehrkanalpumpe wurde entworfen, um physiologiegerechte Abgabe von komplexen Medien an OoaCs zu realisieren. Schrittmotoren, kontrolliert von einem Arduino-Mega-2500 Mikrokontroller, betätigen Spritzen mit den jeweiligen Medienkomponenten. Zur Eingabe von Infusionsmustern wurde eine Excel-ähnliche Benutzerfläche erstellt. Eine Windows GUI Konsole wurde in Visual Basic 2017 und Python 3.7 programmiert zur Konversion der Infusionszeitpläne in ausführbare Pumpdateien. Ein Arduino Sketch (in Arduino C) diente zur elektronischen Ansteuerung der Schrittmotoren.



Alternative Synthesewege zur überlappungsfreien Kombination von DNA Modulen. - Ilmenau. - 55 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Ziel der Bachelor-Arbeit ist es, eine doppelsträngige DNA-Sequenz aus Oligonukleotiden zu synthetisieren und das Produkt aufzureinigen. Die Sequenz der DNA ist hierbei nach einem System zu entwickeln, um eine Nachricht in dieser zu codieren. Um das umzusetzen wurden diverse Optimierungsversuche sowohl an der Synthese als auch der Aufarbeitung der DNA unternommen. Das gewünschte Produkt konnte zwar hergestellt werden, jedoch weder sequenzierbar noch ausreichend rein. Gegenüber vorangegangenen Arbeiten wurden jedoch Erfolge gegenüber der Quote an Nebenprodukten und Verunreinigungen erzielt.



Ossetek, Kilian;
Voruntersuchungen zu Muller's ratchet Effekten bei DNA Bakteriophagen am Beispiel T7. - Ilmenau. - 54 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2021

Im Gegensatz zu RNA-Viren wurden DNA-Viren bisher wenig unter dem Gesichtspunkt von Muller's ratchet untersucht. Der Bakteriophage T7 soll dahingehend unter Aussetzung von genetic bottlenecks auf die Theorie von Muller's ratchet auf mehrerer Parameter untersucht werden. Zusätzlich wird die Methode des Plaqueto-Plaque-Assays für zukünftige Arbeiten evaluiert. Die Experimente zeigen, dass die Theorie von Muller's ratchet auf den DNA-Phagen Escherichia Virus T7 angewendet werden kann. Es zeigt sich eine Abnahme der Phagenkonzentration, des Plaquedurchmessers und der Plaquewachstumsrate.



Prehl, Shannon;
In vitro Direktverknüpfung von RNA Oligomeren zur kombinatorischen Synthese von definierten RNA Sequenzen. - Ilmenau. - 53 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

In der vorliegenden Arbeit soll die In vitro Direktverknüpfung von RNA Oligomeren zur kombinatorischen Synthese von definierten RNA Sequenzen untersucht und ein Verfahren für diese entwickelt werden. Dazu wurden verschiedene Experimente mit unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt. Die Ergebnisse lieferten Anhaltspunkte, welche Methoden erfolgreich sein können, schlossen allerdings auch einige Vorgehensweisen aus.



Bohn, Johanna;
Investigations of cell adhesion behavior on photoswitchable polymers. - Ilmenau. - 44 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Smart materials sind die Vorreiter der modernen Forschung und medizinischen Versorgung. Unter ihnen sind vor allem die schaltbaren Oberflächen von Bedeutung, insbesondere durch ihre nicht-invasiven Eigenschaften. Zusammen mit Funktionalisierungen über Elektrizität oder Temperatur kommen besonders photoswitchable - also lichtschaltbare - Oberflächen zur Geltung. Neben Azobenzenen und Spiropyranen fallen donor acceptor Stenhouse adducts, kurz DASA, ins Gewicht. Dies beruht darauf, dass DASA mit Licht des sichtbaren Spektrums geschaltet werden können und kein für Zellen schädliches UV Licht benötigen. Die niedrigen Herstellungskosten und die Stabilität der DASA sprechen für sich. Diese Arbeit hat sich zum Ziel gesetzt, die Möglichkeiten der Anwendung dieser Verbindungen als steuerbare Zellwachsoberfläche auf verschiedenen Polymeren zu erörtern. Hierzu wurden verschiedene Konzentrationen und Zusammensetzungen von DASA auf ihre Photoswitching-Fähigkeiten untersucht. Zusätzlich wurde auch die chemische Kompatibilität von DASA und biologischen Organismen über Zelladhäsion erforscht. Es wurden Oberflächen entwickelt auf denen jeweils für verschiedene Zeitfenster L929 Zellen inkubiert wurden. Zuletzt wurden Experimente durchgeführt, die durch das Beobachten der Bildung des Aktinskeletts untersuchten, inwiefern das Serum in dem Zellmedium auf die Zelladhäsion Einfluss nimmt. In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung zur Zelladhäsion auf photoswitching Polymeren dargestellt.



Tanuputri, Angeline;
Droplet-based spectroscopic investigation of the solvatochromic behavior in ternary solvent mixtures. - Ilmenau. - 62 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2020

Das Gebiet der tröpfchenbasierten Mikrofluidik gewinnt in vielen biologischen und chemischen Forschungen große Anerkennung und großes Interesse. In dieser Arbeit wurde ein tröpfchenbasierter Aufbau optimiert, um die Lösungsmittelpolarität von binären und ternären Lösungsmittelgemischen zu untersuchen. Daher wurde die Absorption von Reichardts Farbstoff als solvatochrome Sonde verwendet, um das fluidische System sowie die Verfahrensschritte zu optimieren. Der Aufbau bestand aus einem Tröpfchengenerator, der an ein computergesteuertes Spritzenpumpensystem angeschlossen war. Spektroskopische Daten wurden mit einem angeschlossenen Durchflussspektrometer aufgezeichnet. Zwei verschiedene fluidische Betriebsmethoden zur Erzeugung der Lösungsmittelgemische wurden untersucht und ihre Genauigkeit untersucht: 1.) Kontinuierlicher Fluss und Stoppflussmodi wurden verwendet, um die Genauigkeit der empfangenen Lösungsmittelgemische für binäre Phasen zu optimieren, und 2.) Ein Vergleich zwischen "mäanderförmigen" und "spiralförmigen" fluidischen Methoden wurde durchgeführt, um die Unterschiede im Sequenzmodus des Screenings ternärer Phasen durch verschiedene fluidische Verfahren zu untersuchen. Der kontinuierliche Fluss war zeiteffizienter und zeigte keinen signifikanten Unterschied im Vergleich zum Stopp des Flusses, daher wird er in der ternären Phase verwendet. Nach der Optimierung wurde die lösungsmittelabhängige Absorption von photoschaltbaren DASA-Derivaten in Gemischen aus 1,4-Dioxan, Methanol und Dimethylformamid (DMF) untersucht. Die Verschiebung der Spektralbanden (max) bei maximaler Absorption des Reichardt-Betains als solvatochromer Farbstoff mit starker Solvatochromie und photoschaltbaren DASA-Derivaten mit geringer solvatochromer Wirkung wurde untersucht. Die DASA-Derivate zeigen eine Verschiebung des Spektrums um etwa 20 nm. Im Vergleich zum Reichardt-Betain mit Verschiebungen bis zu 200 nm ist die DASA-Solvatochromie gering. Die Analyse zwischen Spiral- und Mäandermethode zeigte einen ähnlichen Trend, aber die präzise Spirale ergab ein näheres Ergebnis als der manuell gemessene Binärdatensatz als Referenz. Der Photo-Switching-Effekt wirkt auf beide untersuchten DASA-Verbindungen (Nr. 6 und 2.2) und wurde in 1,4-Dioxan, jedoch nicht in polareren Lösungsmitteln wie Methanol oder DMF beobachtet. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung und Optimierung des fluidischen Systems, der Prozessparameter und Datenanalysemethoden, um das System im Allgemeinen als Werkzeug zur Untersuchung der solvatochromen Wirkungen ternärer Lösungsmittelgemische zu beweisen. Schlüsselwort: DASA (Donor-Acceptor Stenhouse Adducts), Mikrofluidsystem, Reichardt-Farbstoff, Solvatochromes Verhalten, UV-Vis-Spektroskopie



Meyne, Lucas;
Entwicklung eines mikrofluidischen Systems für das seedbasierte, anisotrope Wachstum von Silbernanoprismen. - Ilmenau. - 66 Seiten.
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2020

Ziel der Masterarbeit war die Entwicklung eines mikrofluidischen Systems zur optimierten Synthese von Silber-Nanoprismen. Optimiert werden sollte die Reproduzierbarkeit sowie die Prismenausbeute. Als Basis diente die Batchsynthese nach Aherne 2008, sowie die mikrofluidische Seedsynthese von Thiele 2013. Es stand eine Vielzahl mikrofluidischer Systemkomponenten zur Verfügung, wobei die Aufgabe in der Auswahl und Anordnung sowie der Prozessführung des Systems bestand. Im Verlauf der Masterarbeit wurden mehrere mikrofluidische Systeme getestet, um eine optimale Methode für den Wachstumsschritt der Prismensynthese zu erzielen. Dabei wurden Referenzen synthetisiert, ein Basiskonzept erstellt und die einzelnen Parameter überprüft. Das Synthesekonzept durchlief verschiedene Optimierungsschritte. Zuerst wurde ein einfaches Ein-Mischer-System (4.3 - S. 25) mit zwei Edukteingängen getestet. Ascorbinsäure, Wasser und Seeds wurden in der Versuchsvorbereitung gemischt und über einen Dean-Flow-Mischer mit Silbernitrat versetzt. Das anschließende Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Aufgrund der geringen Intensität der Produkte wurde ein zusätzlicher Edukteingang durch einen weiteren Dean-Flow-Mischer angelegt. In dem Zwei-Mischer-System (4.4 - S. 27) wurden die Edukte Ascorbinsäure, Seeds und Silbernitrat über getrennte Spritzen dosiert. Die 5 ml Wasser wurden in der Versuchsvorbereitung auf die Edukte aufgeteilt. Mit diesem System konnte die Intensität der Prismen im UV-Vis Spektrometer gesteigert werden. Jedoch war die Prismenausbeute noch nicht optimal. Daher wurden der Einfluss der Ascorbinsäurekonzentration sowie des Tetradecans auf das Wachstum untersucht. Die Auswertung ergab, dass die Parameter diesbezüglich zufriedenstellend eingestellt waren. Eine Untersuchung der Eduktstabilität ergab, dass durch die Verdünnung der Seeds deren Stabilität beeinträchtigt wurde. Eine Änderung des Versuchsablaufs mit unverdünnten Seeds ergab jedoch nur eine geringfügige Verbesserung. Daher wurde ein neue Systemaufbau geplant. Das nachfolgende System umfasste 4 Mischer (4.5 - S. 36). Jedes Edukt wurde über eine einzelne Spritzen dosiert. Um die großen Volumenstromunterschiede auszugleichen wurde der Wasserstrom durch ein T-Stück aufgeteilt, sodass die Verdünnung in zwei Stufen erfolgte. Neben einem Split&Recombine Mischer, für die Mischung der Ascorbinsäure und Seeds bei geringen Flussraten, wurden drei Dean-Flow-Mischer für die stufenweise Verdünnung und die Mischung mit Silbernitrat verwendet. Das Wachstum fand im segmentierten Fluss mit Tetradecan statt. Über eine Kinetikmessung konnte ermittelt werden, dass nach 3,2 Minuten ˜87 % der maximalen Extinktion erreicht wurden. Das Wachstum war nach 11,2 Minuten vollständig abgeschlossen. Im anschließenden Versuch wurden die Parameter des segmentierten Flusses (SF) hin zu einer stabileren Segmentbildung überarbeitet. Durch Variation der Flussraten wurde eine optimierte Prismenausbeute bei höheren Flussraten festgestellt. Jedoch stand dies im Gegensatz zu einer möglichst langen Verweilzeit und einem stabilen segmentierten Fluss. Als Alternative zum SF wurde eine 96-Well-Platte zur räumlichen Trennung der Reaktionssegmente ohne Tetradecan genutzt. Hierbei ist die Verweilzeit unabhängig vom Produktvolumenstrom und kann beliebig erweitert werden. Um eine Oxidation der Prismen durch Sauerstoff zu minimieren wurde die 96-Well-Platte vor der Synthese mit Argon geflutet und nach der Synthese mit einem Deckel abgedeckt. Es zeigte sich, dass hiermit eine Prismensynthese bei einer hohen Produktflussrate in Kombination mit einer langen Verweilzeit möglich ist. Anschließend wurde der Einfluss der mikrofluidischen Mischer und Verweilschlaufen untersucht. Zur Erhöhung der Reproduzierbarkeit wurde die Wasserteilung entfernt. Zudem konnte bei kritischer Hinterfragung ein positiver Einfluss der Eduktverweilschleife nicht festgestellt werden. Im Folgenden wurde auch diese ausgebaut. Das so entstandene Drei-Mischer-System (4.6 - S. 43) stellt das Endkonzept für das Prismenwachstum dar. Es besteht aus einem S&R-Mischer für die Mischung der Ascorbinsäure mit den Seeds. Anschließend erfolgt eine Verdünnung mit Wasser und daraufhin die Zugabe von Silbernitrat in jeweils einem DF-Mischer. Das Wachstum findet in einer mit Argon gefluteten 96-Well-Platte statt. Die letzten zwei Versuchsreihen dienten der Überprüfung der Reproduzierbarkeit sowie der Größeneinstellbarkeit. Es wurde die Prismenausbeute und die Größenverteilung ermittelt. Die Übereinstimmung zweier Proben bei identischen Syntheseparametern konnte durch die mikrofluidische Synthese sichtbar verbessert werden. Die rechnerische Auswertung der Halbwertsbreite ergab eine deutliche Optimierung der Größenverteilung, sodass die Peakbreite jeder mikrofluidischen Probe geringer ausfiel als die Peakbreite der optimierten (computergesteuerten) Batchproben. Der Vergleich mit weiteren, normalen Batchreferenzen bestätigte dies, wobei die Unterschiede noch deutlicher ausfielen. Kritisch betrachtet ist das wichtigste Maß der Synthesequalität die Prismenausbeute. Bei einem Seedvolumen von 120 [my]l konnte nur eine kleinere Verbesserung der mikrofluidischen Prismenausbeute ([my] = Ø 36 % gegenüber b = Ø 33 %) festgestellt werden. Bei einem Seedvolumen von 60 [my]l beträgt die mikrofluidische Prismenausbeute 64 % und zeigt somit eine deutlichere Verbesserung gegenüber der Batchreferenzsynthese mit 51 %. Prismenausbeute.