Aufbau und Optimierung einer kontinuierlichen mikrofluidischen Durchflusssynthese von Silberseedpartikeln zur Generierung anisotroper Silbernanoprismen für die Bioanalytik. - 86 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2013
Die Arbeit zielt auf die Umsetzung der klassischen Batchmethode zur kontinuierlichen mikrofluidischen Synthese von Silberprismen. Dabei konnte ein fluidisches System etabliert werden, welches unter den Vorteilen der Mikroreaktionstechnik die Qualität, die Ausbeute und die Prozessstabilität der Partikelherstellung gewährleistet und sogar verbessert. Die entstandenen Nanopartikel dienen als Grundlage für bioanalytische Nachweisverfahren und wurden mit konventionellen, im Batch hergestellten Partikeln verglichen um den Einflus der Synthesemethode festzustellen.
Entwicklung und Charakterisierung eines neuartigen Aktuatorprinzips zur aktiven Tropfenmanipulation über elektrische Felder für die digitale Mikrofluidik. - 127 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2013
Im Zuge zunehmender Miniaturisierung in nahezu allen Bereichen von Wissenschaft und Technik ist es ein wichtiges Ziel der Mikrosystemtechnik, ein möglichst leistungsfähiges und vielseitig einsetzbares Chiplabor zu entwickeln. Hier ist zur Realisierung voneinander abgegrenzter Mikroreaktionsräume die tropfenbasierte Mikrofluidik besonders vielversprechend. Für automatisierte Vielparameteranalysen und -synthesen auf Chipebene sind Techniken erforderlich, die es erlauben, Flüssigkeitssegmente zu ihrem Bestimmungsort zu transportieren, sie mit anderen Kompartimenten zu vereinigen oder größere Segmente zu zerteilen. Ganz besonders wichtig aber ist die Möglichkeit einer gezielten Ansteuerung einzelner Segmente, die z.B. ein Sortieren der Reaktionsräume nach beliebigen Kriterien möglich macht. In dieser Arbeit wurde zunächst ein System entwickelt, dass eine schnelle und zuverlässige Aktuation einzelner Segmente innerhalb eines Mikrofluidikchips mit integrierten Elektroden über elektrische Felder ermöglicht. Die Segmente werden dazu in einem Mikrokanal zunächst optisch detektiert. Es wurde eine Software entwickelt, die das optische Signal in Echtzeit auswertet und über die Steuerung eines Hochspannungsmoduls eine Rückkopplung auf die Segmente erlaubt. Über Änderungen des elektrischen Feldes und seiner Polarität können die Segmente an einer Y-Kanalkreuzung reproduzierbar in den gewünschten Kanal gelenkt werden. Nach einer Optimierung der für die Aktuation günstigen Parameter konnte gezeigt werden, dass über dieses System Information in der Anordnung von Segmenten gespeichert werden kann. Mit Hilfe weiterer Experimente wurde der Schaltmechanismus besser charakterisiert. Es kann jetzt ausgeschlossen werden, dass rein elektrostatische, dielektrophoretische oder durch Elektrobenetzung hervorgerufene Kräfte für den Schalteffekt verantwortlich sind. Ein Modellexperiment mit frei fallenden Segmenten ermöglichte die Messung charakteristischer Relaxationszeiten und weiterer für die Aktuation wichtiger Parameter. Unterstützt durch Simulationen des elektrischen Feldes wird ein Modell vorgeschlagen, dass einige der beobachteten Effekte erklären kann. Es beschreibt die Tropfenbewegung über die temporäre Induktion einer Nettoladung an der Tropfengrenzfläche und anschließende elektrostatische Ablenkung. Zur Klärung aller Effekte, sind weitere Untersuchungen nötig.
Untersuchung des Einflusses von Leukozyten bei der Quantifizierung tumorassoziierter Transkripte nach Separation von zirkulierenden Tumorzellen. - 75 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Zirkulierende Tumorzellen bekommen immer mehr eine größere klinische Relevanz in der Prognose des Mamakarzinoms. Mit Hilfe der Kombination von immunmagnetischer Anreicherung und Multiplex-RT-PCR können CTC`s aus Vollblut isoliert und tumorspezifische Transkripte quantifiziert werden. Problematisch bei der Separation der CTC`s ist die Mitisolierung von kernhaltigen Blutzellen. Durch eine Charakterisierung und Quantifizierung der isolierten kernhaltigen Blutzellen soll der Einfluss dieser Zellen auf die Quantifizierung der tumorassoziierenden Transkripte untersucht werden.
Strukturidentifikation am Beispiel fortgeschrittener Zellkultur im polymeren Scaffold. - 52 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Die Kultivierung von Zellen in fortgeschrittener dreidimensionaler Zellkultur ist ein sich seit den letzten Jahren dynamisch entwickelndes Forschungsgebiet. Ein dabei kaum oder gar nicht untersuchter Forschungsgegenstand ist, inwieweit sich Zellen, die in polymeren 3D Scaffolds eingesät werden, sich in ihrer geometrischen Organisation nach bestimmten Regeln selbst organisieren d.h. eine räumliche Struktur ausbilden, die nicht rein zufällig ist. Speziell in den vorliegenden, nach oben offenen MatriGrid- Strukturen stellt sich die Frage, ob die zu beobachtenden Kanäle die Hypothese eines sich ausbildendenden Fluidsystems (Vaskularisierung) zur Ver- und Entsorgung der in 3D Kultur gebildeten, gewebeartigen Zellaggregate rechtfertigt. Durch die Vaskularisierung von Geweben wird in vivo die Arbeit des Blutgefäß- und des Gallenkanalsystems ermöglicht. Zur quantitativan Analyse der Zellstrukturen wurde in dieser Arbeit ein Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe charakteristische Parameter dieser ermittelt werden können. Hierbei werden die Positionen der einzelnen Zellen innerhalb ihrer Zellstruktur über das Auswertungsprogramm Imaris aus LSM-Bildern extrahiert. Die erhaltene Punktemenge wird in Ebenen unterteilt, in welchen separat voneinander nach Abschnitten der entstandenen Kanal- und Hohlraumstrukturen gesucht wird. Diese Abschnitte werden anschließend zu den gesuchten Strukturen verbunden und aus ihnen die charakteristischen Parameter der untersuchten Zellkultur ermittelt und statistisch verglichen.
Konzeption und Umsetzung von miniaturisierten Teilmodulen zur dezentralen Detektion von zirkulierenden Tumorzellen. - 72 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Entwicklung und Optimierung einer fluidischen Kartusche für die magnetische Zellseparation von CTC's mit anschließender DNA-Isolierung. Außerdem wurden verschiedene Konzepte zur Etablierung eines LOC-Thermocyclers geprüft. Damit soll die Amplifikation von spezifischen Nukleinsäure-Markern aus den separierten CTC's möglich sein. Des Weiteren wurde getestet, ob es möglich ist PCR-nachgeschaltete Prozesse in die PCR-Chipkartusche zu integrieren.
Untersuchung der Coffein-Kompatibilität bei der Anwendung von Antibiotika mittels Mikrofluidtechnik. - 128 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2012
Das Ziel dieser Bachelorarbeit bestand in der Untersuchung der Coffein-Kompatibilität bei der Anwendung von Antibiotika mit Hilfe der Technik der mikrosegmentierten Flüsse. Es sollten sowohl mögliche synergistische als auch antagonistische bzw. additive Effekte untersucht werden. Dabei wurde der Modellorganismus Escherichia coli ins Mikrofluidsystem eingebracht und in nur wenige Mikro- bis Nanoliter großen Fluidsegmenten kultiviert. Es wurden mehrdimensionale Konzentrationsfelder erzeugt, um neben den Einzelwirkungen verschiedener Chemikalien und Medikamente auch die Kombinationswirkung binärer bzw. ternärer Konzentrationsgemische zu untersuchen. Um eine Aussage über kritische Dosen in Abhängigkeit zur jeweiligen Coffein-Konzentration treffen zu können, wurden mehrere Versuche mit Escherichia coli im synthetischen Medium und mit verschiedenen Wirkstoffkombinationen durchgeführt. Durch die Integration eines optimierten Mikrodurchflussfotometers und -fluorimeters war ein kontinuierliches Monitoring der Segmente zu unterschiedlichen Kultivierungszeitpunkten möglich. Es konnten somit Datensätze zur Einzel- und Kombinationswirkung binärer bzw. ternärer Gemische gewonnen werden, welche wichtige Informationen über den Einfluss von Coffein auf die Wirkung verschiedener Arzneistoffe lieferten. Es ergaben sich gut reproduzierbare Dosis-Wirkungs-Beziehungen und in Bezug auf die Kombinationsscreenings sowohl antagonistische, als auch synergistische Effekte. Einige Substanzen beeinflussten sich in ihrer Wirkung gegenseitig nicht, während andere Substanzen es starke Abhängigkeiten aufwiesen.
Untersuchungsmöglichkeiten der zellulären Signalvermittlung unter Verwendung von AlGaN/GaN-Sensoren. - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die Kenntnis zellulärer Signalvermittlungen ist für die Pharma- und medizinische Grundlagenforschung ein wichtiges und viel versprechendes Gebiet für die Suche nach neuen Medikamenten und dem Verständnis zellulärer Funktionen. Die etablierten Verfahren für die Untersuchung der zellulären Kommunikation sind sehr kostspielig oder liefern eine geringe Informationsdichte. Feldeffekt Transistor- und impedimetrische Biosensoren basierend auf AlGaN/GaN-Heterostrukturen stellen eine Möglichkeit dar, die etablierten Verfahren zu ersetzen. Unter diesem Gesichtspunkt wurde die prinzipielle Eignung dieser Biosensoren für die Messung von Konzentrationsunterschieden essentieller sowie xenobiotischer Ionen untersucht. Hierzu wurden verschiedene Alkali- und Erdalkaliionen als Chloride in wässriges (Hepes-Tris-Puffer) und nichtwässriges Medium (DMSO) in Lösung gebracht. Durch Verdünnung der Ausgangskonzentration der Ionen wurde die Sensitivität der Sensoren gegenüber Ionenkonzentrationsänderungen untersucht. FET-Sensoren zeigten bei der Messung in wässrigen Medien bis zu einer Ionenkonzentration von 32 myM deutliche Änderungen des Messsignals. Bei den ECIS-Sensoren lag eine Sensitivität bis 160 myM vor, womit beide Sensortypen eine für physiologische Ionenkonzentrationen ausreichende Auflösungsfähigkeit besitzen. In nicht wässrigen Medien zeigten beide Sensortypen keine reproduzierbaren Ergebnisse. In weiteren Tests wurde nachgewissen, dass durch Manipulation der NA+-Ionenkanäle mit einem Acetylcholinesterase-Inhibitor (Diisoprophylfluorophosphat) die so erzeugten Na+-Ionenströme in die Zellen über die spezifische Änderung des Messsignals der Sensoren nachgewiesen werden können. Über die Untersuchung der pH-Sensitivität und des Leckstroms wurde der Einfluss der Zellkomponente der Biosensoren auf die Langzeitstabilität der Sensoren überprüft. Diese Ergebnisse wurden durch die mikroskopische Dokumentation über Veränderung der Passivierungsschicht und der ohmschen Kontakte der Sensoren ergänzt und ergeben nur bei ECIS-Sensoren bedingt durch Gegebenheiten am Messaufbau eine Änderung der Sensoreigenschaften. Aus den in dieser Masterarbeit gewonnenen Erkenntnissen lässt sich schließen, dass die verwendeten Biosensoren eine Eignung aufweisen zelluläre Signale basierend auf Ionenströme nachzuweisen. In zukünftigen Experimenten müssen die Ergebnisse weiter verifiziert werden.
Fluoreszenzbasierte Charakterisierung von zellulärem Scherstress in Chipsystemen unter Flussbedingungen. - 71 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2012
Die Kultivierung von eukaryotischen Zellen in der klassischen Zellkultur ist meist aufwändig, fehleranfällig und beruht auf statischen Messprinzipien. Die automatisierte Kultivierung von Zellen in mikrofluidischen Chipsystemen bietet eine Möglichkeit der Optimierung, da sie automatisierbar ist, eine bessere Kontrolle der Kultivierungsbedingungen bietet und dynamische Analyseanwendungen erlaubt. In der Arbeit wurde ein inkubatorunabhängiges, durchflussbasiertes Chipsystem entwickelt, welches mit einem Heizelement arbeitet und ohne CO2-Begasung eine stabile und sterile Wachstumsumgebung für die Zellen gewährleistet. Mit diesem System war das online Monitoring von im Chip, unter Flussbedingungen kultivierten Zellen vereinfacht möglich. Die in mikrofluidischen Chipsystemen wirkende Scherbelastung auf Zellen, welche zu zellulärem Stress und metabolischen und morphologischen Veränderungen führen kann, wird seit längerem intensiv untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass der wirkende Scherstress über Veränderungen der Membranviskosität vermittelt wird. Aus diesem Grund wurde mit Hilfe von FCVJ, einem molekularen Rotor und viskositätssensitiven Fluorophor, welches eine hohe Affinität zu Zellmembranen aufweist, versucht den wirkenden Scherstress zu charakterisieren. Hierfür wurden zum einen die viskositätsabhängigen Eigenschaften von FCVJ untersucht. Zum anderen wurden Durchflussversuche im Chip an FCVJ-gefärbten Zellen gemacht. Die Viskositätsabhängigkeit der Fluoreszenzquantenausbeute von FCVJ konnte bestätigt werden, ebenso wie scherbedingte Änderungen der Membranviskosität von Zellen. Es konnte gezeigt werden, dass sich FCVJ als Werkzeug für Untersuchungen der Scherbelastung in mikrofluidischen Zellkultivierungs- und Testsystemen eignet.
Vergleich der Durchlässigkeitsfunktionen von Partikelfilterpapieren gemessen nach EN1822 und mit einem Scanning Mobilitiy Particle Sizer. - 49 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich von Messkurven der Durchlässigkeit von Partikelfiltern aufgetragen über die Größe der anströmenden Partikel, die mit Hilfe verschiedener Messaufbauten gewonnen wurden. Um den qualitativen Verlauf dieser Kurven nachzuvollziehen, wurde eine einführende Betrachtung in die Theorie der Partikelgrößenverteilungen und die Filtertheorie erstellt. Diese basieren auf der Statistik und der Hydrodynamik. Statistische und stochastische Theorien beruhen zu einem großen Teil auf dem mathematischen Konzept der Maßtheorie, welches hier ebenfalls im Rahmen der später benötigten Definitionen und Sätze vorgestellt wird. Die zentrale Rolle der logarithmischen Normalverteilung für die Partikelgrößenverteilungen wird mit Hilfe des Zentralen Grenzwertsatzes der Stochastik nachgewiesen. Die Filtertheorie befasst sich zum einen mit dem Umströmungsverhalten von Filterfasern und nutzt die gewonnenen Erkenntnisse zur Beschreibung von Abscheidevorgängen. Insbesondere liefert sie die theoretische Begründung für den Verlauf der Messkurven. Ergänzend werden die theoretischen Grundlagen der in der praktischen Arbeit angewandten Messvorgänge erläutert. Diese stellen grundlegende Messprinzipien der Aerosolmessung dar und treten auch in vielen anderen Bereichen auf. Anknüpfend werden die Messaufbauten und Parameter der zwei verglichenen Messungen vorgestellt. Es wurde an den Filterpapieren MG230, AX4470 und AX6650 gemessen. Bei MG230 handelt es sich um ein relativ durchlässiges Papier, wohingegen AX4470 und AX6650 hohe Abscheideleistungen aufweisen. Da eine der beiden Messungen direkt die Durchlässigkeit misst, während die andere Partikelverteilungen vor und hinter dem Filter bestimmt, müssen, um eine sinnvolle Auswertung durchführen zu können, diese zunächst ineinander überführt werden. Hierzu wurde ein Wolfram-Mathematica File erstellt, der auch in Zukunft verwendet werden kann. Es wird ein experimentell ermitteltes funktionales Gesetz für die Partikelverteilung hinter dem Filter angegeben. Abschließend werden die Messwerte der beiden verschiedenen Methoden verglichen. Die Bestimmung der Maximalstelle der Durchlässigkeitsfunktion des Filters ist mit beiden Verfahren gut möglich. Die genauen Kurvenverläufe weichen allerdings oft stark voneinander ab.
CNT Dispersionen - ihre Anwendung als druckbare leitfähige Tinten. - 56 S. Ilmenau : Techn. Univ., Bachelor-Arbeit, 2011
Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung elektrisch leitfähiger Dispersionen, auf Basis von Carbon Nanotubes (Kohlenstonanoröhren). Für die Herstellung dieser Dispersionen wurden zwei unterschiedliche Basislösungsmittel verwendet (Wasser, Ethanol). In Abhängigkeit des jeweiligen Lösungsmittels wurden verschiedene Polymermatrizes verwendet, welche als Haftungs und Bindemittel fungieren sollen und in welche die Carbon Nanotubes erfolgreich eingebettet wurden. Die Dispersionen wurden mittels unterschiedlicher Geräte und Chemikalien erzeugt, hierbei stellte sich heraus das die Reihenfolge der Dispersionsschritte untereinander von Bedeutung ist. Die erzeugten Dispersionen wurden anschließend auf verschiedene Substrate aufgetragen und auf ihre elektrisch leitfähigen und sensitiven Eigenschaften getestet. Die sensitiven Untersuchungen wurden mittels Zyklischer Voltammetrie Versuche und elektrochemischen Impedanzspektren durchgeführt. Diese elektrisch leitfähigen Dispersionen sollen als Grundlage für druckbare elektrische Tinten dienen.