Untersuchungen zur Beladung von Glykosaminoglykan-Multilayerbeschichtungen mit Gentamicin. - 53 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Beim Einbau von Implantaten in den menschlichen Körper besteht das Risiko, durch Einbringen von Keimen während des operativen Eingriffes beispielsweise eine Implantat-assoziierten Infektion zu verursachen. Dies bedeutet nicht nur zusätzliche Ausgaben für das Gesundheitssystem, sondern stellt aufgrund der Zusatzbehandlungen und verlängerten Krankenhausaufenthalte auch eine große Gefahr für die betroffenen Patienten dar. Eine Möglichkeit zur Infektionsprophylaxe bieten z.B. biomimetische Beschichtungen wie Polyelektrolytmultilayer (PEM), in welche bioaktive Moleküle wie das schwach positiv geladene Antibiotikum Gentamicin (GS) sowie Wachstumsfaktoren (z.B. BMP-2) eingebaut werden können. Um die GS-Beladungskapazität zu erhöhen, wird ein Ansatz nach Jiang et al. (2009) angewandt: während der PEM-Film bei pH 4,0 assembliert wird, wird die Beladung mit dem Antibiotikum GS bei physiologischem pH-Wert (pH 7,4) realisiert. Während der Filmassemblierung werden funktionelle Gruppen durch Protonierung geschützt, sodass diese während des Filmaufbaus nicht zur Anbindung zur Verfügung stehen. Wird der pH-Wert zur Beladung auf physiologisches Niveau angehoben, so erfolgt eine Deprotonierung der funktionellen Gruppen und der Wirkstoff kann auf Grund der wieder vorhandenen Ladung anbinden. Die Filmassemblierung bei pH 4,0 wurde anhand einer QCM-D-Messung validiert, anhand der auch eine erste Einschätzung der GS-Beladung und Freisetzung erfolgte. Die antibiotische Wirksamkeit der beladenen Filme wurde durch Agardiffusionstests bestimmt, während die antibakterielle Wirksamkeit des eluierten Antibiotikums durch Elutionstests validiert wurde. Auch dualaktiv beladene Filme (Gentamicin und BMP-2) wurden auf ihre antibiotische Wirksamkeit getestet, weiterhin wurden zellbiologische Versuche zur Zellmorphologie, -vitalität, -proliferation sowie ALP-Aktivität von Preosteoblasten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Filmassemblierung bei pH4,0 mit einer GS-Beladung bei pH7,4 tatsächlich die GS-Einlagerungskapazität im Vergleich zu Beschichtungen, welche bei pH7,4 hergestellt wurden, erhöht. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass CS-Filme keine antibiotische Wirksamkeit zeigten und bei dualaktiven Filmen eine Beladungsreihenfolge von zunächst BMP-2 und dann erst GS sowohl eine bessere antimikrobielle Wirksamkeit erreichte, als auch eine bessere Zellantwort im Gegensatz zur umgekehrten Beladungsreihenfolge aufweist.
Stoßspektrum von Spinnennetzen. - XVIII, 130 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2015
Die vorliegende Arbeit präsentiert Grundlagen, Versuchstechniken und neue Erkenntnisse des Systems Spinnennetz. Die bereits vorhandenen Kenntnisse über dieses Vorbild aus der Natur werden erweitert und bemerkenswerte Eigenschaften identifiziert. Spinnenseide ist ein herausragendes Biopolymer, dass herkömmliche synthetische Fasern in einer Reihe von Eigenschaften übertrifft. Der Bionik und Materialforschung ist es ein Anliegen diese Fähigkeiten zu nutzen. Besonders die Fähigkeiten der Seide zur Absorption kinetischer Energien stechen hervor. Neuste Fortschritte in der rekombinaten Herstellung versprechen, diesen Werkstoff in naher Zukunft in großen Mengen synthetisch herstellen zu können. Zu Beginn wird ein Überblick über die besonderen Eigenschaften von Spinnenseide und -netz, sowie den bisherigen Forschungsstand gegeben. Außerdem werden die notwendigen mathematischen Grundlagen zur Analyse von Schwingungen erarbeitet. Dabei wird außerdem das Shock Response Spectrum (SRS) und dessen Berechnungsmethoden erläutert. Anhand verschiedener Quellen wird ein standardisiertes SRS entworfen und in Form eines Matlab-Skriptes implementiert. Für die Versuche werden Netze der Spinnenart Argiope Argentata verwendet. Zur Vermessung wird ein Versuchsaufbau entworfen und aufgebaut, um die Netze mit Projektilen in Schwingung zu versetzen. Die resultierenden Schwingungen werden mit Interferometern aufgezeichnet. Mit einer Reihe von Auswertungsskripten werden die Messungen detailliert analysiert, um Eigenschaften zu identifizieren und zu quantifizieren. Außerdem wird das SRS des Netzes berechnet. Dabei zeigt sich, dass das Netz ein dynamisches System ist, dessen Eigenschaften nur beschränkt durch bisherige, lineare Modelle beschrieben werden können. Insbesondere die Steifigkeit kann als dynamischer Parameter ausgemacht werden. Eine Reihe weiterer Parameter, wie z.B. die Energiedissipation werden quantifiziert. Im Anschluss wird ein erweitertes Modell entwickelt, dass die dynamischen Parameter berücksichtigt. Ein Vergleich mit den Messergebnissen zeigt die sehr gute Übereinstimmung des erweiterten, dynamischen Modells. Um weitere Details der Eigenschaften zu untersuchen, werden außerdem die viskoelastischen Materialeigenschaften in ein dynamisches Materialmodell aufgenommen. Ergebnis der Arbeit sind neue Kenntnisse über das System Spinnennetz, die die Erwartungen übertreffen. Zum Abschluss wird ein detaillierter Ausblick gegeben, um das Forschungsthema im breitem Umfang fortzusetzen. Die Arbeit präsentiert dazu mehrere Ansätze.
Identifikation alternativer Materialien für die Spannungsoptik. - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Mechanische Spannungen können rechnerisch nicht mit genügender Sicherheit bestimmt werden. Für deren experimentelle Ermittlung bietet die Spannungsoptik den großen Vorteil der Praxisnähe und Anschlaulichkeit. [vgl. FÖPPL 1959, S. V] In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Materialien anhand ihrer mechanischen und optischen Eigenschaften bewertet und verglichen. Grundlegend soll ihre Eignung für spannungsoptische Versuche erfasst werden. Im Mittelpunkt steht ihr Elastizitätsmodul. Auf dessen Grundlage soll die Imitation biologischen Gewebes gewährleistet werden. Es finden Eichversuche statt, um die spannungsoptische Konstante S der Materialien zu bestimmen. Für die erste Quantifizierung wurden Versuche im Dunkelfeldpolariskop durchgeführt. Anhand deren Ergebnissen wurde mittels Bewertungsmatrix eine Vorauswahl an Materialien getroffen. Nach der Bestimmung der spannungsoptischen Konstante wurde eine abschließende Bewertung durchgeführt. Mit den ermittelten Materialien können Kräfte im Bereich 10^(-1) N erfasst werden. Für eine Fortführung der Arbeit ist auf Materialien verwiesen, welche interessant für spannungsoptische Untersuchungen sein können. Sie bieten u. U. die Möglichkeit der Erfassung von Kräften < 10^(-1) N. Abschließend gibt die Arbeit Hinweise auf zu beachtende Punkte bei der Durchführung spannungsoptischer Versuche.
Untersuchungen zur inneren Struktur carpaler Vibrissen. - 201 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die Untersuchung und Beschreibung der inneren Struktur carpaler Vibrissen von Rattus norvegicus sowie die Beurteilung und der Vergleich verschiedener Messverfahren waren Hauptziele der vorliegenden Masterarbeit. Mithilfe einer Vielzahl unterschiedlicher Methoden wurde sowohl eine Bildgebung als auch eine chemische Analyse der untersuchten Objekte durchgeführt. Dabei kamen zum einen licht- und elektronenmikroskopische Verfahren zum Einsatz und zum anderen erfolgte der Nachweis chemischer Elemente mittels EDX. Spezielle Mikroskopieverfahren wurden verwendet, um die Autofluoreszenz und die Doppelbrechung der Vibrissen zu untersuchen. Anhand der erzielten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass Vibrissen sowohl hinsichtlich des anatomischen Aufbaus als auch ihrer chemischen Zusammensetzung hohe Ähnlichkeiten zu Fellhaaren und Humanhaar aufweisen. Der Nachweis des Aufbaus aus den drei Schichten Cuticula, Cortex und Medulla konnte anhand der Bildgebung von Querschnitten erbracht werden. Bezüglich der Existenz und der unterschiedlichen Ausprägung der Medulla konnten jedoch keine Systematiken und Zusammenhänge zum Alter oder Geschlecht des Tieres, der Körperregion oder der Position innerhalb der Vibrissen gefunden werden. Mithilfe der Fluoreszenzmikroskopie wurde die Autofluoreszenz der Tasthaare nachgewiesen, welche sich besonders ausgeprägt im Wurzelbereich zeigt. Die chemische Analyse an Querschnitten mystacialer und carpaler Vibrissen legte eine asymmetrische Verteilung von Schwefel dar. So konnte gezeigt werden, dass die Cuticula einen höheren Schwefelanteil als der Cortex und die Medulla aufweist. Dies kann als Nachweis des Keratinproteins Cystin gelten, welches der Stabilität, Festigkeit sowie dem physikalischen, chemischen und mechanischen Schutz des Haars dient. Die Bildgebung der durch den FIB-Ionenstrahl erzeugten Schnittfläche eines carpalen Vibrissenquerschnitts ließ Einschlüsse oder Poren in der corticalen Schicht erkennen. Die Auswahl einer Untersuchungsmethode richtet sich nach der Zielsetzung der Messung, den Anforderungen an die Ergebnisse und den Proben selbst. Für einen ersten Überblick sind lichtmikroskopische Verfahren sehr gut geeignet. Um Detailaufnahmen hoher räumlicher Auflösung zu erzielen, konnten im Rahmen der Arbeit mithilfe des REM die besten Ergebnisse gewonnen werden. Die EDX bot eine sehr gute Möglichkeit zum Nachweis der chemischen Zusammensetzung und deren räumlicher Verteilung.
Entwicklung und Anwendung eines Verfahrens zur Bestimmung des dynamischen Verhaltens carpaler Vibrissen von Ratten (Rattus norvegicus). - 100 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Viele Säugetiere nutzen Vibrissen als taktile Sinnesorgane, um sich in ihrer Umwelt zurechtzufinden. Besonders Nagetiere, die ihre Vordergliedmaßen neben dem Laufen auch zum Greifen nutzen, weisen häufig nahe des Handgelenks carpale Vibrissen auf. Über diese ist bisher wenig bekannt. Damit technische Systeme mit taktilen Sensoren nach dem Vorbild carpaler Vibrissen ausgestattet werden können, müssen die Eigenschaften letzterer bekannt sein. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Beitrag zur dynamischen Charakterisierung der Vibrissen geleistet. Es werden zunächst ein analytisches Modell und ein Finite-Elemente-Modell zur Beschreibung der Vibrissenschwingung entwickelt. Sie dienen der Überprüfung der Messwerte und der Parameteridentifikation. Eine Modalanalyse konnte erfolgreich durchgeführt und die Ergebnisse mit den Messdaten verglichen werden. Anschließend werden verschiedene Verfahren getestet und hinsichtlich ihrer Eignung bewertet, die dynamischen Eigenschaften carpaler und mystacialer Vibrissen zu bestimmen. Die Vibrissenauslenkung wird optisch mit einer Hochgeschwindigkeitskamera bzw. mittels Makrofotografie dokumentiert. Die Auswertung der Daten erfolgt in Matlab. Ergebnisse lassen sich zum einen mittels einer einmaligen Auslenkung der Vibrisse mit einem Festkörper erzielen: Aus der freien, gedämpften Schwingung des Haars werden die Eigenfrequenz und der Dämpfungsgrad ermittelt. Zum anderen kann mit der Anregung durch einen Schwingerreger der Amplitudengang bestimmt werden.
Untersuchungen zur Eignung dreidimensionaler, biomimetischer Designerscaffolds für das Knochen Tissue Engineering am Beispiel der Differenzierung mesenchymaler Stammzellen. - 91 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Zu den vielversprechendsten Lösungen für Gewebeersatz- und regeneration zählt heutzutage die schnell fortschreitende Disziplin des Tissue Engineerings. Diese Arbeit befasst sich mit neuartigen Scaffolds für das Knochen Tissue Engineering. Die Neuartigkeit besteht zum einen aus der biomorphen Struktur der Scaffolds, die durch das Prototyping-Verfahren der Zweiphotonenpolymerisation (2PP) reproduzierbar generiert werden kann, zum anderen in der Möglichkeit die Steifigkeit der Prototyping-Scaffolds unter Verwendung einer Plattform biomimetischer Materialien definiert einzustellen. Erste Untersuchungen für die Anwendbarkeit dieser Scaffolds im Tissue Engineering wurden im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt. Folgende Thesen wurden bearbeitet und konnten bestätigt werden: - Scaffolds verschiedener Steifigkeit sind mit Hilfe der LCM-Plattform und der 2PP-Technologie herstellbar; - LCM-Scaffolds sind biokompatibel und besiedelbar; eine 3D-Kultivierung ist mit den neuartigen Designerscaffolds möglich; bekannte Kultivierungsregime und -effekte des Tissue Engineerings sind auf den Designerscaffolds ableitbar Zunächst wurden die Materialien UDMA; LCM4 und LCM6 mit Hilfe von Relaxationskurven mechanisch charakterisiert und die biologische Verträglichkeit nachgewiesen. Mit diesen Materialien konnten Scaffolds verschiedener Steifigkeit strukturgenau und reproduzierbar hergestellt werden. Für die reproduzierbare Besiedlung der Scaffolds mit Zellen wurde ein Protokoll erstellt. Mit der Rasterelektronenmikroskopie und einer Kollagenfärbung (Sirius Red) konnte durch den Nachweis der Bildung extrazellulärer Matrix eine erfolgreiche 3D-Kultivierung von ovinen mesenchymalen Stammzellen auf den Prototyping-Scaffolds gezeigt werden. Mit einer biochemischen Stimulierung der Stammzellen konnte ein Materialeinfluss auf den Genotyp (Alkalische Phosphatase, Osteopontin, Osteonektin, Osteocalcin, Kollagen Typ I) proportional zur Steifigkeit festgestellt werden. Einen positiven Einfluss auf die Differenzierung in Richtung Knochengewebe konnte unter einer dynamischen Kultivierung erzielt werden.
Steering with a spine and its effects on quadruped trotting locomotion. - 141 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Die vorliegenden Masterarbeit betrachtet den aktuellen Roboter Cheetah-cub und zwei Hypothesen als Ausgangspunkt, um eine Wirbelsäulenstruktur in eine neuartige vierbeinige mobile Plattform zu integrieren - Cheetah-cub-S. Ausgehend von dem aktuellen Stand der Technik wurden mehrere Konzepte erarbeitet und anhand mechatronischer Kriterien ausgewertet. Nach der Konstruktion und Inbetriebnahme wurden Tests unternommen, um die Steuerbarkeit zu bewerten. Die Bewegungen wurde durch ein optisches Bewegungserfassungssystem überwacht und mit Hilfe von zwei Algorithmen ausgewertet. Schlussendlich wurden die Ergebnisse zusammengefasst und zukünftige Aspekte angesprochen.
Konzeptionierung eines Prüfstandes für den Seitenaufprallschutz durch Kindersitze. - 133 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2014
Die vorliegende Diplomarbeit befasst sich mit der Konzeptionierung eines Seitenaufprall-Schlittentests für die Prüfung von Kinderrückhaltesystemen. Die europäische Wirtschaftskommission hat mit der neuen Richtlinie ECE-R129 einen Seitenaufpralltest für die Zulassung von Isofix-Kinderrückhaltesystemen eingeführt. Dies stellt eine Ergänzung der bisherigen obligatorischen Front- und Heckaufpralltests dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Frage, ob das vorgeschlagene ECE-R129-Testverfahren, für Kinderrückhaltesysteme mit Isofix- sowie Gurtsystem, vom ADAC e.V adaptiert werden kann. Dazu wurde analysiert, inwiefern das ECE-Testverfahren und der bereits bestehende Seitenaufprall-Schlittentest des ADAC, die Parameter einer Seitenkollision realistisch abbilden. Für den Vergleich wurde zusätzlich der von NPACS (New Program for Assessing Child Seats) entwickelte Seitenaufpralltest betrachtet. Die Intrusion ist einer der charakteristischen Parameter der Seitenkollision. In den ECE- und NPACS-Tests wird die Intrusion bereits berücksichtigt. Im ADAC-Test hingegen noch nicht. Der Fokus bei der Analyse und des Vergleichs wurde deswegen auf die Intrusionsdarstellung und deren Notwendigkeit für einen Seitenaufprall-Schlittentest gelegt. Als Referenz für den Vergleich und die Konzeptionierung des Testaufbaus wurde ein Fahrzeug-Fahrzeug-Seitencrash durchgeführt. Dessen Crashdaten wurden ausgewertet und analysiert und mit den Testdaten der Seitenaufpralltests verglichen. Des Weiteren wurden die Einflussfaktoren auf die Dummybelastungen im Seitencrash formuliert, und deren Ausprägungen bei dem Fahrzeug-Fahrzeug-Crash und der Seitenaufpralltests ermittelt. Anhand der Ergebnisse wurden die Vor- und Nachteile der bestehenden Seitenaufpralltests hinsichtlich der Anforderungen, die aus der neuen Richtlinie hervorgehen, aufgezeigt sowie die Erkenntnisse und die Anforderungen an einen standardisierungsfähigen Seitenaufprall-Schlittentest für Kinderrückhaltesysteme formuliert.
Entwicklung eines Verfahrens zur Morphometrie carpaler Vibrissen. - 142 S. : Ilmenau, Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
Vibrissen werden von Säugetieren vor allem für die Orientierung in ihrer Umgebung genutzt. Fast alle Nagetiere besitzen diese taktilen Sinnesorgane. In vielen Fällen dient die Biologie als Vorbild für technische Anwendungen. Um eine Umsetzung in der Technik zu ermöglichen und somit die Eigenschaften des biologischen Systems zu nutzen, muss das biologische Vorbild (hier: die Vibrisse) genau analysiert und charakterisiert werden. Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung der Gestalt carpaler Vibrissen am Beispiel Rattus norvegicus. Im Verlauf der Arbeit wird auf die Prozesskette von der Probengewinnung bis zur Messwertbestimmung eingegangen. Des Weiteren werden ausgehend von der Analyse bekannter Verfahren zur Haarvermessung ein Makrofotografie- und ein Mikroskopie-Versuch gestaltet. In Vorbereitung auf die Messungen erfolgt die Betrachtung verschiedener Umgebungsparameter für die Versuchsaufbauten sowie unterschiedlicher Möglichkeiten zur Bild- verarbeitung und -analyse. Beide Verfahren werden anhand vier carpaler Vibrissen auf ihre Anwendbarkeit überprüft. Da sich die Messwerte deutlich voneinander unterscheiden, können nur Vermutungen über die Ursachen der Abweichungen und die Wahl der besseren Methode getroffen werden. Die Auswertung umfasst nur eine geringe Anzahl an Messwerten. Eine Validierung der Messergebnisse ist über ein drittes Verfahren notwendig.
Fügen von Polymer- und Siliziumbauteilen für BioMEMS. - 56 S. Ilmenau : Techn. Univ., Masterarbeit, 2014
BioMEMS (biologische mikroelektromechanische Systeme) gewinnen seit den 1980er Jahren auf Grund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten immer mehr an Bedeutung. Zur Herstellung von BioMEMS werden neben Werkstoffen der Mikroelektronik wie Glas und Silizium, und biologischen Materialien wegen der hohen Biokompatibilität und der geringen Kosten verstärkt Polymere eingesetzt. Beim Fügen von Polymeren mit den Standardfügetechniken für BioMEMS, z.B. anodisches Bonden, treten aber Probleme wie zu hohe Prozesstemperaturen auf. Eine gute Alternative sind gasgestützte Verfahren. Ein Beispiel ist die Atmosphärenplasmabehandlung. In dieser Arbeit werden die grundlegenden Wechselwirkungen der Atmosphärenplasmabehandlung auf Polymeroberflächen dargelegt und die in der Literatur vorhandenen Anwendungen zum Fügen von Polymeren und Silizium mittels Atmosphärenplasmabehandlung zusammengefasst und ausgewertet. Auf dieser Basis werden Versuche zum Fügen der Polymere PC, PDMS, PE und PP auf Siliziumchips mit Hilfe der Atmosphärenplasmabehandlung geplant und durchgeführt. Dabei werden die Plasmaleistung und die Behandlungszeit variiert. Zur Analyse der Verbundfestigkeit werden die gefügten Proben mittels des klassischen Zugversuchs bis zum Zerreißen gedehnt. Zusammenfassend werden optimale Parametersets für das Fügen von PC, PDMS, PE und PP auf Siliziumchips abgeleitet.