Integration of microfluidics in 3D cell culture : applications in tissue engineering and oncology. - 106 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die miniaturisierten Geräte erhalten in der Biotechnologie immer mehr Aufmerksamkeit. Sie werden einerseits immer verbreiteter und zudem stetig kleiner. In dieser Arbeit werden zwei Lab-on-a-Chip-Systeme für zwei verschiedene 3D-Zellkulturen mit integrierter Mikrofluidik entwickelt. Beide Lab-on-a-Chip-Systeme werden mithilfe von Mikrofabrikation entwickelt, um benutzerdefinierte Geometrien zu realisieren und die physiologisch ähnlichen Strukturen zu replizieren. Der erste Mikrofluidik-Chip wurde mit Polycarbonat durch Computerized Numerical Control (CNC) Fräsen hergestellt. Somit kann ein Mikrokanal gefertigt werden, der eine endotheliale 3D-Zellkultur ermöglicht. Dieser kann vollständig mit einem biokompatiblen Hydrogel (Kollagen Typ I oder Fibrin) gefüllt werden und ist perfundierbar. In dieser Arbeit ließen sich die Zellen bis zu 63 h im Mikrokanal kultivieren. Der zweite Mikrofluidik-Chip wurde durch kombinierte Verwendung von 3D-Druck und CNC sowie Polymer-Technologie aufgebaut. Er enthält einen Konzentrationsgenerator und kann zum Laden der Zellsphäroide verwendet werden. Diese Masterarbeit befasst sich mit häufig auftretenden Problemen der Mikrofluidik in Lab-on-a-Chip-Systeme. Um ein stabiles System zu erhalten, müssen die Probleme in Bezug auf Luftblasen und das periphere Perfusionssystem betrachtet und gelöst werden.
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.
Etablierung eines Untersuchungsmodells zur Freisetzung eines Ca(2+)-Kanalblockers aus organomimetisch kultivierten HepG2-Zellen. - 94 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Innovative Forschungsansätze verfolgen das Ziel, dreidimensionale zelluläre Aggregate unterschiedlicher Ursprungsorgane in sogenannten "Body-on-a-Chip"- Systemen zu assemblieren. Daher soll in vorliegender Arbeit ein Untersuchungsmodell zur Freisetzung eines Ca(2+)-Kanalblockers aus einer Wirkstoffvorstufe durch Hepatokarzinom-Zellen, die in Polycarbonatscaffolds organomimetisch kultiviert wurden, etabliert werden. Dazu wurde die Umsetzung der diacetylierten Vorstufe des Ca(2+)-Kanalblockers Dihydropyrimidin (DHPM) in scaffoldkultivierten HepG2-Kulturen zeitlich und quantitativ mit Hilfe von HPLC/MS Analytik untersucht. Entscheidend für die Stabilität der Wirkstoffvorstufe ist die Wahl eines geeigneten Lösungsmittels, in dem die diacetylierte Vorstufe des DHPMs über einen Zeitraum von 6 h beständig ist. Basierend auf Stabilitätsuntersuchungen in verschiedenen Medien wurde DMSO/PBS als geeignetes Lösungsmittel für weiterführende Untersuchungen eingeschätzt. Eine Metabolisierung des in DMSO/PBS gelösten diacetylierten DHPMs zu den Produkten mono- und deacetyliertem DHPM durch HepG2-Zellen konnte quantitativ nachgewiesen werden. Die toxische Wirkung der Substanzen auf die Hepatokarzinom-Zellen wurde mittels etablierter zellbiologischer Methoden überprüft. Dabei wurde festgestellt, dass höhere Konzentrationen als 10 [my]g/ml des diacetyliertem DHPMs die Vitalität der Zellen negativ beeinflussen. Im weiteren Teil der Arbeit wurde die inhibierende Wirkung von DHPM und dessen di- und monoacetylierte Vorstufen auf die in Kardiomyozyten lokalisierten Kalziumkanäle analysiert. Im Bezug dazu wurden kontrahierende Kardiomyozyten aus murinen P19-Zellen differenziert und die Kanalblockeraktivität mikroskopisch und mittels Multielektrodenarray (MEA) untersucht. Eine inhibierende Wirkung der Ca(2+)-Kanäle durch Applikation von DHPM wurde dabei detektiert. Die Zugabe von di- und monoacetyliertem DHPM zeigte keinerlei Beeinflussung der Kanalblockeraktivität. Abschließend wurde ein chipbasiertes, gekoppeltes Untersuchungssystem beider Zellkulturen auf Basis festgelegter Randbedingungen konzipiert. Dadurch ist es in Zukunft möglich, die dreidimensionalen zellulären Aggregate beider Ursprungsorgane in einem sogenannten "Body-on-a-Chip"-System zu kultivieren.
Technologieentwicklung für komplexe Cell-Sheet-Layer-Systeme. - 87 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von mehrlagigen folienbasierten Strukturen basierend auf Cell-Sheet-Layer-Systemen, die anhand eines abstrahierten Leber-Sinusoids demonstriert werden. Es werden verschiedene Technologien zur Herstellung mehrlagiger Cell-Sheet-Layer vorgestellt. Die Form- und Beschichtungsstrategien dieser Substrate kann Einfluss auf das Wachstum der Zellen nehmen. Als Ausgangsbasis der Trägersubstanz dient Polycarbonat-Folie mit einer Dicke von 50 [my]m, die durch den Mikrothermoformprozess die gewünschte Mikro-Topografie erhält. Es ist ein transparentes und biokompatibles Material, welches durch lokal begrenzte Oberflächenfunktionalisierungen während oder nach der topografischen Modellierung die Zelladhäsion auf den Trägern ermöglicht. Zunächst werden die vorhandene Technologie und das Werkzeug für die Mikro-Topografie optimiert, um so die gezielte Zellkultivierung zu ermöglichen. Die Polycarbonat-Folien werden nach dem Mikrothermoformprozess auf verschiedene Strategien der Zellbesiedlung untersucht. Das Cell-Sheet-Layer-System soll ein abstrahiertes Leber-Sinusoid beschreiben. Daher werden für die Außenseite des Substrates die humanen Hepatozyten Zelllinien HepG2 und für die Innenseite des Cell-Sheet-Layers die Maus-Fibroblasten Zelllinie L929 bzw. die Endothelzellen der EA.hy926-Zelllinie zur Zellbesiedlung gewählt. Im Verlauf der Zelluntersuchungen zeigte sich, dass die chemische Oberflächenmodifizierung während des Mikrothermoformprozesses Einflüsse auf die kultivierten Zelllinien ausübt. Aus diesem Grund werden alternative Methoden zur Funktionalisierung der Polycarbonat-Folie entwickelt. In diesem Verfahren wird das Substrat erst nach dem Mikrothermoformprozess funktionalisiert, um eventuelle Änderungen der Beschichtungsstoffen beim Erhitzen zu umgehen. Mit dieser Methode werden die besten Zellkultivierungsergebnisse erreicht. Um die Zellkultivierung auf einem Cell-Sheet-Layer-System in einer angepassten Mikro-Umgebung zu ermöglichen, wird ein Zellkultivierungssystem entwickelt, welches die fluidische Umgebung der Zellen berücksichtigt. In diesem System wird eine Trägersubstanz mit humanen Hepatozyten Zellen erfolgreich kultiviert. Insgesamt konnten Cell-Sheet-Layer aus Polycarbonat mit verschiedenen Zelllinien als einfache Zellkultur und als Ko-Kultur kultiviert werden. Diese Methode kann weiterentwickelt werden, um in weiteren Versuchen durch Stapeln der Folien eine dreidimensionale Struktur zu bilden.
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.
Optimierung des GSH-Chemoassays zur Analyse der Peptidreaktivität organischer Elektrophile mit der HPLC-MS/MS. - 100 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Gegenstand dieser Arbeit ist es, den photometrischen GSH-Chemoassay nach Böhme et al zur Analyse von Peptidreaktivitäten organischer Elektrophiler mithilfe der HPLC-MS/MS zu optimieren. Dazu wurde zunächst Glutathion quantifiziert und fragmentiert und mit einer entwickelten LC-MS/MS-Methode kombiniert. Mit dieser Methode wurden für verschiedene GSH-Keton-Verhältnisse Adduktprofile aufgenommen und zu Erstellung von Strukturvorschlägen eine Fragmentierung der GSH-Keton-Addukte vorgenommen. Weiterhin konnten erfolgreich Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten mit der HPLC-MS/MS für die fünf untersuchten Ketone bestimmt werden.