Dissertationen

Woyan, Felix;
Prozessmodell für das Hinterspritzen von Dekorfolien in der In-Mould-Labeling Technik. - Ilmenau : Universitätsverlag Ilmenau, 2023. - 1 Online-Ressource (XIV, 207 Seiten). - (Fertigungstechnik - aus den Grundlagen für die Anwendung ; Band 15)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Das Folienhinterspritzen ist ein spezielles Spritzgießverfahren zur Dekoration und Funktionalisierung von Kunststoffoberflächen. Dabei wird eine transparente Kunststofffolie bedruckt, verformt und hinterspritzt. Die Vorteile des Verfahrens liegen in der Oberflächenqualität und den zahlreichen Dekorationsmöglichkeiten. Nachteilig sind die hohen Investitionskosten, die sich meist nur durch hohe Stückzahlen und einer Vollauslastung der Maschine rechtfertigen lassen. Ansatzpunkte, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, liegen in der Reduzierung der Zykluszeiten und der Ausschussraten. Typische Fehlerbilder beim Folienhinterspritzen sind die Auswaschung der aufgedruckten Dekore durch den Hinterspritzvorgang, Gestaltabweichungen wie Verzug und die Ablösung der Folie vom Träger. Der Arbeit liegt die These zugrunde, dass die Formteilqualität auf die Wechselwirkung zwischen thermischen und mechanischen Randbedingungen zurückgeführt werden kann. Basierend auf einer systematischen Verfahrensanalyse und einer analytischen Betrachtung der thermischen und mechanischen Einflussfaktoren, wird ein grundlegendes Prozessverständnis erarbeitet. Dies erfolgt unter Berücksichtigung von Prozess-, Material- und Geometriegrößen. Auswaschungen resultieren aus thermischen und mechanischen Folienbelastungen. Dabei können zwei wesentliche Entstehungsmechanismen abgeleitet werden, die von der Wandschubspannung und den Temperaturen abhängen. Es wird gezeigt, dass die Wirkungsweise von Schmelzetemperatur und Einspritzgeschwindigkeit von der Höhe der Wandschubspannung abhängt. Die Verbundfestigkeit wird anhand von bedruckten und unbedruckten Folien untersucht, wobei sich unterschiedliche Zusammenhänge zeigen. Während bei unbedruckten Folien die Verbundfestigkeit mit der thermischen Energie in der Grenzschicht steigt, liegt der Einfluss der Prozessparameter bei bedruckten Folien im Bereich der doppelten Standardabweichung. Ferner wird in der vorliegenden Arbeit erstmals die Orientierung betrachtet. Dabei zeigt sich ein vom Fließweg abhängiger Orientierungsverlauf sowie eine Abnahme der Orientierung mit den Temperaturen. Analog hierzu nimmt auch der Formteilverzug mit einem steigenden Temperaturniveau ab, da hohe Temperaturen zu einer Reduzierung der Schwindungsdifferenzen zwischen Folie und Träger führen. Abschließend werden die Erkenntnisse in einem qualitativen Prozessmodell zusammengefasst, das die Haupteinflussfaktoren auf die Formteilqualität beinhaltet und eine Prozessoptimierung zulässt.

https://dx.doi.org/10.22032/dbt.53464

Ley, Sebastian;
Differential ultra-wideband microwave imaging for medical applications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (XI, 87, xxiv Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Elektromagnetische Ultrabreitband-Sensorik und -Bildgebung bieten vielversprechende Perspektiven für verschiedene biomedizinische Anwendungen, da diese Wellen biologisches Gewebe durchdringen können. Dabei stellt der Einsatz von leistungsarmen und nichtionisierenden Mikrowellen eine gesundheitlich unbedenkliche Untersuchungsmethode dar. Eine der Herausforderungen im Bereich der ultrabreitbandigen Mikrowellensensorik ist dabei die Extraktion der diagnostisch relevanten Informationen aus den Messdaten, da aufgrund der komplexen Wellenausbreitung im Gewebe meist rechenaufwändige Methoden notwendig sind. Dieses Problem wird wesentlich vereinfacht, wenn sich die Streueigenschaften des zu untersuchenden Objektes zeitlich ändern. Diese zeitliche Varianz der Streueigenschaften kann mit Hilfe einer Differenzmessung über ein bestimmtes Zeitintervall ausgenutzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der differentielle Ansatz mittels Ultrabreitband-Sensorik für zwei medizinische Anwendungsszenarien betrachtet. Die dabei genutzten Messsysteme basieren auf dem M-Sequenzverfahren, welches an der Technischen Universität Ilmenau entwickelt wurde. Die erste Anwendung bezieht sich auf das nicht-invasive Temperaturmonitoring mittels Ultrabreitband-Technologie während einer Hyperthermiebehandlung. Hyperthermie ist eine Wärmetherapie zur Unterstützung onkologischer Behandlungen (z. B. Chemo- oder Strahlentherapie). Während einer solchen Behandlung wird das Tumorgewebe um 4 ˚C bis 8 ˚C erhöht. Dabei ist es wichtig, dass die Temperatur die obere Grenze von 45 ˚C nicht überschreitet. In diesem Zusammenhang bietet das differentielle Ultrabreitband-Monitoring eine vielversprechende Technik zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung der Temperatur im Körperinneren. Der Ansatz basiert auf den temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe. Dabei werden elektromagnetische Wellen mit einer geringen Leistung in das Untersuchungsmedium eingebracht, die sich gemäß den dielektrischen Eigenschaften von Gewebe ausbreiten. Wird eine Zielregion (bspw. Tumor) erwärmt, so ändern sich dessen dielektrische Eigenschaften, was zu einem sich ändernden Streuverhalten der elektromagnetischen Welle führt. Diese Änderungen können mittels Ultrabreitband-Sensorik erfasst werden. Für die Evaluierung der gemessenen Änderungen im Radarsignal ist es notwendig, die temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe im Mikrowellenfrequenzbereich zu kennen. Aufgrund der wenigen in der Literatur vorhandenen temperaturabhängigen dielektrischen Eigenschaften von Gewebe über einen breiten Mikrowellenfrequenzbereich werden in dieser Arbeit die dielektrischen Eigenschaften für Leber, Muskel, Fett und Blut im Temperaturbereich zwischen 30 ˚C und 50 ˚C von 500 MHz bis 7 GHz erfasst. Hierzu wird zunächst ein Messaufbau für die temperaturabhängige dielektrische Spektroskopie von Gewebe, Gewebeersatz und Flüssigkeiten vorgestellt und die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Messungen analysiert. Die Messdaten werden mit Hilfe eines temperaturabhängigen Cole-Cole Models modelliert, um die dielektrischen Eigenschaften für beliebige Werte im untersuchten Temperatur- und Frequenzbereich berechnen zu können. In einem weiteren Experiment wird die nicht-invasive Erfassung von Temperaturänderungen mittels Ultrabreitband-Technologie in einem experimentellen Messaufbau nachgewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Temperaturänderung von 1 ˚C zu Differenzsignalen führt, welche mit der genutzten Ultrabreitband-Sensorik (M-Sequenz) detektierbar sind. Die zweite Anwendung befasst sich mit der kontrastbasierten Mikrowellen-Brustkrebsbildgebung. Aufgrund des physiologisch gegebenen geringen dielektrischen Kontrastes zwischen Drüsen- und Tumorgewebe kann durch den Einsatz von Kontrastmitteln, im Speziellen magnetischen Nanopartikeln, die Zuverlässigkeit einer Diagnose verbessert werden. Der Ansatz beruht darauf, dass funktionalisierte magnetische Nanopartikel in der Lage sind, sich selektiv im Tumorgewebe zu akkumulieren, nachdem diese intravenös verabreicht wurden. Unter der Bedingung, dass sich eine ausreichende Menge der Nanopartikel im Tumor angesammelt hat, können diese durch ein äußeres polarisierendes Magnetfeld moduliert werden. Aufgrund der Modulation ändert sich das Streuverhalten der magnetischen Nanopartikel, was wiederum zu einem sich ändernden Rückstreuverhalten führt. Diese Änderungen können mittels leistungsarmen elektromagnetischen Wellen detektiert werden. In dieser Arbeit wird die Detektierbarkeit und Bildgebung von magnetischen Nanopartikeln mittels Ultrabreitband-Sensorik im Mikrowellenfrequenzbereich in Hinblick auf die Brustkrebsdetektion betrachtet. Dabei werden zunächst verschiedene Einflussfaktoren, wie die Abhängigkeit der Masse der magnetischen Nanopartikel, die Magnetfeldstärke des äußeren Magnetfeldes sowie die Viskosität des Umgebungsmediums, in das die Nanopartikel eingebettet sind, auf die Detektierbarkeit der magnetischen Nanopartikel untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine lineare Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Radarsignal und der Masse der magnetischen Nanopartikel sowie einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Antwort der magnetischen Nanopartikel und der Feldstärke des äußeren Magnetfeldes. Darüber hinaus konnten die magnetischen Nanopartikel für alle untersuchten Viskositäten erfolgreich detektiert werden. Basierend auf diesen Voruntersuchungen wird ein realistischer Messaufbau für die kontrastbasierte Brustkrebsbildgebung vorgestellt. Die Evaluierung des Messaufbaus erfolgt mittels Phantommessungen, wobei die verwendeten Phantommaterialien die dielektrischen Eigenschaften von biologischem Gewebe imitieren, um eine möglichst hohe Aussagekraft der Ergebnisse hinsichtlich eines praktischen Messszenarios zu erhalten. Dabei wird die Detektierbarkeit und Bildgebung der magnetischen Nanopartikel in Abhängigkeit der Tumortiefe analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die magnetischen Nanopartikel erfolgreich detektiert werden können. Dabei hängt im dreidimensionalen Bild die Intensität des Messsignals, hervorgerufen durch die magnetischen Nanopartikel, von deren Position ab. Die Ursachen hierfür sind die pfadabhängige Dämpfung der elektromagnetischen Wellen, die inhomogene Ausleuchtung des Mediums mittels Mikrowellen, da eine gleichmäßige Anordnung der Antennen aufgrund der Magnetpole des Elektromagneten nicht möglich ist, sowie das inhomogene polarisierende Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsmediums. In Bezug auf den letzten Aspekt wird das Magnetfeld im Untersuchungsbereich ausgemessen und ein Ansatz präsentiert, mit dem die Inhomogenität des Magnetfeldes kompensiert werden kann. Weiterhin wurden die Störeinflüsse des polarisierenden Magnetfeldes auf das Messsystem untersucht. In diesem Zusammenhang werden zwei verschiedene Modulationsarten (eine Modulation mit den zwei Zuständen AN/AUS und eine periodische Modulation) des äußeren polarisierenden Magnetfeldes analysiert. Es wird gezeigt, dass mit beiden Modulationen die magnetischen Nanopartikel bildgebend dargestellt werden können. Abschließend werden die Ergebnisse in Hinblick auf die Störeinflüsse sowie ein praktisches Anwendungsszenario diskutiert.

https://dx.doi.org/10.22032/dbt.55224

Weidner, Andreas;
Entwicklung und Charakterisierung biokompatibler Kern-Schale-Hybridmaterialien anhand der gesteuerten Erzeugung einer Biomolekülcorona auf magnetischen Nanopartikeln. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xv, 209, S95 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Protokolle zur wiederholbaren Herstellung von Dispersionen aus biokompatiblen, gezielt mit einer Biomolekülcorona umgebenen magnetischen Hybrid-Partikeln entwickelt, die sich sowohl in dest. Wasser als auch biologischem Medium wie fetalem Kälberserum (FCS) stabil verhalten und praktisch nutzbare Eigenschaften wie eine Konzentration von β ≥ 1,0 mg/ml und eine enge Partikelgrößenverteilung (Polydispersitätsindex PDI ≤ 0,100) aufweisen. Für die Experimente wurde die wiederholbare Herstellung von vergleichbaren Partikelsystemen aus superferrimagnetischen Eisenoxid-Multikern-Partikeln mit einer Ankerhüllschicht aus Dextranen mit unterschiedlichen Funktionalisierungen, aber gleichem Rückgrat etabliert (Carboxymethyldextran (CMD) - negativ und Diethylaminoethyldextran (DEAE) - positiv), um Abhängigkeiten von der Oberflächenladung nachvollziehen zu können. Zusätzlich wurden Stärke-Kern-Hülle-Partikelchargen als Vertreter einer überwiegend sterisch stabilisierenden Hülle genutzt. Protokolle zur wiederholbaren Überführung der Kern-Hülle-Partikelchargen in Hybrid-Partikelchargen mit „harter“ Biomolekülcorona durch kontrollierte Inkubation in FCS, eine angepasste Waschprozedur sowie eine sich anschließende Fraktionierung mittels Zentrifugation, Überstandsnahme und Probenselektion wurden entwickelt und angewandt. Einschätzungen zu Verfahrensschritten sowie Ausbeuten wurden gegeben. Die hergestellten Kern-Hülle- und Hybrid-Partikelchargen wurden hinsichtlich ihrer Eigenschaften wie Konzentration, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potential charakterisiert und untereinander verglichen. Neben Standardmethoden wie dynamischer Lichtstreuung (DLS), elektrophoretischer Lichtstreuung (ELS) und Thermogravimetrieanalyse (TGA) kamen magnetische Messverfahren wie AC-Suszeptibilität (ACS) und Vibrationsmagnetometrie (VSM) zum Einsatz. Für mindestens eine Hybrid-Partikelcharge jeder Ankerhüllschicht konnten die Zieleigenschaften (β ≥ 1,0 mg/ml, PDI ≤ 0,100) eingehalten werden. Mithilfe der Kombination von TGA, VSM, DLS und ACS war es mit spezifischen Modellen (z. B. Multikern-Eindomänenmodell (MultiCore-SingleDomain-Model – MCSDM)) möglich für die meisten Partikelsysteme quantitative Abschätzungen zu den Schichtdicken der Ankerhüllschicht und der Biomolekülcorona, teilweise mit Unterscheidung zwischen „hartem“ und „weichem“ Anteil, vorzunehmen. Die entstandenen Biomolekülcoronen wurden mittels Gelelektrophorese (SDS-PAGE) mit anschließender Silberfärbung weiterhin auf ihre Proteinzusammensetzung untersucht. Ein Zusammenhang zwischen dem Betrag des Zeta-Potentials der Ankerhüllschicht und der entstehenden Schichtdicke der Biomolekülcorona, insbesondere durch die Anlagerung von Proteinen der kleinsten Molekulargrößenklasse (Mw < 30 kDa), wurde gefunden. Über UV-VIS-Spektrometrie und visuelle Beobachtung sowie ACS und DLS konnte die kolloidale Stabilität aller untersuchten Partikelchargen für mind. 1 d bei Verdünnung 1 zu 10 (v/v) in destilliertem Wasser nachgewiesen werden. Für die (Re-)Inkubation 1 zu 10 (v/v) in FCS zeigten sich teilweise starke Instabilitäten. Mittels ACS konnte eine quantitative Abschätzung der Menge sich kolloidal instabil verhaltender Partikel vorgenommen werden. Die DEAE-Hybrid-Partikel blieben als einziges Partikelsystem für mind. 7 d kolloidal stabil in destilliertem Wasser und FCS. Erste Experimente zu biologischen Wechselwirkungen zeigten in vitro mittels Celltiter Glo®-Test an BeWo-Zellen mit Testkonzentrationen bis zu 100 μg/cm^2 (entspricht β = 0,378 mg/ml) für die meisten Partikelchargen mäßige, schwache oder gar keine Toxizität. Die Unterschiede in der Toxizität konnten in allen Fällen mit einem Größeneffekt durch Agglomeration und Clusterbildung aufgrund der Interaktion mit Biomolekülen interpretiert werden. In vivo-Experimente mittels schalenlosem ex ovo Hühnerei-Modells (HET-CAV) mit Konzentrationen bis zu β = 1 mg/ml zeigten für alle hergestellten Partikelsysteme eine gute Biokompatibilität. Für die DEAE-Hybrid-Partikel wurden exemplarisch Experimente zur Haltbarmachung durch Gefrieren, Tiefgefrieren und Gefriertrocknung mit unterschiedlichen Additiven sowie zur Sterilisation durch Autoklavieren, Sterilfiltrieren und UV-Sterilisation durchgeführt. Die besten Resultate zeigten für Lagerzeiten bis zu 6 Wochen Gefriertrocknung mit Polyethylenglycol (PEG) als Additiv und zur Haltbarmachung Sterilisation mit UV-C-Licht.

https://dx.doi.org/10.22032/dbt.55205

Dupleich, Diego;
Empirical multi-band characterization of propagation with modelling aspects for communications. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (xv, 243 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Diese Arbeit präsentiert eine empirische Untersuchung der Wellenausbreitung für drahtlose Kommunikation im Millimeterwellen- und sub-THz-Band, wobei als Referenz das bereits bekannte und untersuchte sub-6-GHz-Band verwendet wird. Die großen verfügbaren Bandbreiten in diesen hohen Frequenzbändern erlauben die Verwendung hoher instantaner Bandbreiten zur Erfüllung der wesentlichen Anforderungen zukünftiger Mobilfunktechnologien (5G, “5G and beyond” und 6G). Aufgrund zunehmender Pfad- und Eindringverluste bei zunehmender Trägerfrequenz ist die resultierende Abdeckung dabei jedoch stark reduziert. Die entstehenden Pfadverluste können durch die Verwendung hochdirektiver Funkschnittstellen kompensiert werden, wodurch die resultierende Auflösung im Winkelbereich erhöht wird und die Notwendigkeit einer räumlichen Kenntnis der Systeme mit sich bringt: Woher kommt das Signal? Darüber hinaus erhöhen größere Anwendungsbandbreiten die Auflösung im Zeitbereich, reduzieren das small-scale Fading und ermöglichen die Untersuchung innerhalb von Clustern von Mehrwegekomponenten. Daraus ergibt sich für Kommunikationssysteme ein vorhersagbareres Bild im Winkel-, Zeit- und Polarisationsbereich, welches Eigenschaften sind, die in Kanalmodellen für diese Frequenzen widergespiegelt werden müssen. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit eine umfassende Charakterisierung der Wellenausbreitung durch simultane Multibandmessungen in den sub-6 GHz-, Millimeterwellen- und sub-THz-Bändern vorgestellt. Zu Beginn wurde die Eignung des simultanen Multiband-Messverfahrens zur Charakterisierung der Ausbreitung von Grenzwert-Leistungsprofilen und large-scale Parametern bewertet. Anschließend wurden wichtige Wellenausbreitungsaspekte für die Ein- und Multibandkanalmodellierung innerhalb mehrerer Säulen der 5G-Technologie identifiziert und Erweiterungen zu verbreiteten räumlichen Kanalmodellen eingeführt und bewertet, welche die oben genannten Systemaspekte abdecken.

https://dx.doi.org/10.22032/dbt.53613

Schmidl, Lars;
Konzeptentwicklung eines Speckle-Mikroskops zur Untersuchung pathophysiologischer Veränderungen durch humane Autoantikörper gegen den NMDA-Rezeptor. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (VI, 141, [28] Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Krankheitsbild der NMDA-Rezeptor Enzephalitis und der Entwicklung neuartiger Technologien, mit dem Ziel weitere tiefgreifende Erkenntnisse im Zusammenhang mit dieser Autoimmunerkrankung zu gewinnen. Im ersten Abschnitt der Arbeit werden für die Untersuchungen etablierte höchstauflösende Fluoreszenz-Mikroskopieverfahren aus dem Bereich der Lokalisationsmikroskopie eingesetzt. Hierbei kommen spezielle rekombinante monoklonale Patienten aAK gegen die NR1-Untereinheit des NMDA-Rezeptors zur Anwendung. Durch die Lokalisationsmikroskopie wird die synaptische Rezeptordichte quantifiziert und somit die Auswirkung der aAK auf die Rezeptormorphologie untersucht. Zusätzlich dazu wurde die Messung mittels Lokalisationsmikroskopie in einen 10 µm coronalen Hirnschnitt einer Maus etabliert. Mit Hilfe der genutzten höchstauflösenden Mikroskopiemethoden konnte auch die Spezifität der rekombinanten monoklonalen Patienten aAK nachgewiesen werden. Der zweite Abschnitt der Arbeit befasst sich mit der Etablierung eines speziellen Mikroskopes der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie, welches auf Basis von sogenannten Speckle arbeitet. Es konnte ein kosteneffizienter Aufbau realisiert werden, welcher im Bereich von wenigen Sekunden ein höchstaufgelöstes Bild aufnimmt. Die gezeigte Auflösung war im Bereich von etablierten Verfahren der strukturierten Beleuchtungsmikroskopie. Auf Grundlage des etablierten Mikroskops wurde ein Patent eingereicht und angenommen. Das Patent befasst sich mit der Möglichkeit die effektive Beleuchtungsfläche der Speckle durch die Nutzung von verschiedenen nichtlinearen physikalischen Effekten zu reduzieren. Somit kann der Detektionsbereich verkleinert und im Idealfall in einem Einzelmolekül-Regime genutzt werden. In einem letzten Punkt der Arbeit wird eine neuartige Kombinationsmöglichkeit von funktionellen Messungen in Form von MEA und morphologischen Messungen entwickelt. Das hier gezeigte ultradünne und hochtransparente MEA resultiert in einem Design und einer Materialkombination, so dass es für eine solche Verfahrenskombination eingesetzt werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass es bei Untersuchungen mit der Lokalisationsbasierten Mikroskopiemethodik zu keinen Einflüssen auf die optischen Ergebnisse kommt und die Oberflächeneigenschaften durch ihre Spezifität Anwendungsvorteile bringen.

https://dx.doi.org/10.22032/dbt.53194