Dissertationen an der Fakultät

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Bača, Martin;
Advanced 3D cell culturing and monitoring system. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (213 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Die vorgelegte Doktorarbeit stellt ein 3D-Zellkultursystem mit einem vollautomatisierten analytischen, biochemischen Assay und vollautomatisierter Kultivierung mit Mediumwechsel vor. Dieses integrierte Kultivierungs- und Analysesystem wurde in dieser Arbeit mit 3D-Hepatozytenkulturen in Polycarbonat-MatriGrid®-Gerüsten für das 3D-Wachstum von Zellkulturen prototypisiert. Das System perfundiert MatriGrid- Kulturen kontinuierlich mit Wirkstoff-ergänztem Medium und führt bei Bedarf eine Bewertung der Wirkstofftoxizität durch Beobachtung und Messung der Konzentration eines Indikators, des Biomarkers Albumin, durch. Das System kann die MatriGrid-Kultur mit unterschiedlichen Flussraten perfundieren, automatisierte Medienwechsel durchführen und mit dem mitgelieferten ELISA-Modul Proben des zu analysierenden Kulturmediums nach Bedarf untersuchen. Das System unterstützt die parallele Kultivierung von Zellen in mehreren Bioreaktoren. Das Fluidnetzwerk wurde aus Materialien konstruiert, die wenig Proteine und kleine Moleküle binden, absorbieren oder adsorbieren, um seine Anwendung für niedrige Biomarkerkonzentrationen und Langzeitexperimente zu erweitern. Die Doktorarbeit beschreibt das Systemdesign, den Aufbau, das Testen und die Verifikation unter Verwendung von 3D-gewachsenen HepaRG-Zellkulturen. Die zeitabhängige Wirkung von APAP auf die Albuminsekretion wurde über 96 h untersucht, wobei sowohl mit dem neu entwickelten System als auch konventionell in Mikrotiterplatten, gemessen wurde. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse vergleichbar sind. Dieses Resultat belegt die Verwendung des Systems als eigenständiges Gerät, das in Echtzeit arbeitet und in der Lage ist, gleichzeitig Zellkultur- und Mediumanalyse in mehreren Bioreaktoren durchzuführen, mit erhöhter Zuverlässigkeit der 3D-Kultivierung, in einfacher Handhabung und Messung. Auf diese Weise soll das neu entwickelte 3D-Zellkultivierungs- und Analysesystem 3D-Zellkultivierungstechniken und -experimente für weitere Forschungsgruppen bekannt machen.



https://doi.org/10.22032/dbt.59056
Warnow, Leo;
Solving multi-objective mixed-integer nonlinear optimization problems. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (ii, 186, XXV Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Multikriterielle gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme treten in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten auf. Beispiele dafür sind Portfoliomanagement, sowie Ablauf- und Anlagenplanung. Häufig haben diese Optimierungsprobleme eine hohe Anzahl an Variablen und eine relativ geringe Anzahl an Zielfunktionen. In dieser Arbeit werden drei neue, deterministische Ansätze zur Approximation der nichtdominierten Menge solcher Optimierungsprobleme vorgestellt. Zwei der Ansätze arbeiten fast vollständig im Bildbereich. Dies hat den Vorteil, dass ihre Performance nur geringfügig durch die hohe Anzahl an Variablen beeinflusst wird, die häufig in Anwendungsproblemen auftritt. Während es sich bei einem der Ansätze um ein allgemeines Framework handelt, das nicht immer praktisch und algorithmisch realisiert werden kann, ist der andere Ansatz in der Lage, nahezu jedes multikriterielle gemischt-ganzzahlige konvexe Optimierungsproblem theoretisch und auch praktisch zu lösen. Der dritte vorgestellte Ansatz erlaubt darüber hinaus auch die Lösung multikriterieller gemischt-ganzzahliger nichtkonvexer Optimierungsprobleme. Alle drei Ansätze gehören zu den ersten, die multikriterielle gemischt-ganzzahlige Optimierungsprobleme lösen können und Garantien für die Qualität der von ihnen berechneten Approximation geben. Numerische Tests und Auswertungen für alle drei Ansätze werden ebenfalls in dieser Arbeit vorgestellt. Alle drei Ansätze verwenden dasselbe Konzept einer Einhüllung (enclosure) zur Approximation der nichtdominierten Menge. Deren Berechnung kombiniert Techniken der ganzzahligen und der multikriteriellen kontinuierlichen Optimierung. Darüber hinaus nutzt der Ansatz für gemischt-ganzzahlige konvexe Optimierungsprobleme gezielt die gemischt-ganzzahlige Struktur des Optimierungsproblems aus. Es ist der erste Ansatz, der gleichzeitig mit einer gemischt-ganzzahligen linearen Relaxierung und einer Zerlegung in kontinuierliche konvexe Teilprobleme arbeitet.



https://doi.org/10.22032/dbt.58648
Sauerteig, Philipp;
Optimisation-based control in electrical grids and epidemiology. - [Berlin] : epubli, 2023. - xiv, 172 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

ISBN 978-3-7575-7548-9

Diese Arbeit ist im Rahmen des KONSENS Projektes, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), entstanden. Hauptziel des KONSENS Konsortiums war die Konsistente Optimierung uNd Stabilisierung Elektrischer NetzwerkSysteme. Im Verlaufe der COVID-19 Pandemie, hat das Konsortium jedoch seine Expertise in mathematischer Modellierung, (numerischer) Analyse sowie optimaler Regelung auch dafür genutzt, um den Einfluss von Gegenmaßnahmen zu evaluieren und geeignete Strategien zur Eindämmung der Ausbreitung der Krankheit zu entwickeln. Infolgedessen ist diese Arbeit in zwei Teile untergliedert: Teil I: Verteilte Optimierung und Regelung von Microgrids, Teil II: Koordination von Gegenmaßnahmen gegen die Ausbreitung von Infektionskrankheiten. Der Schlüssel, um diese augenscheinlich grundlegend unterschiedlichen Probleme mittels verwandter Methoden zu adressieren, liegt in der Allgemeingültigkeit optimierungsbasierter Ansätze. Wir formulieren mathematische Modelle, um die jeweilige Systemdynamik zu beschreiben – in Teil I handelt es sich dabei um Batteriedynamiken, in Teil II um die Ausbreitung infektiöser Krankheiten. Dynamische Modelle in Verbindung mit beispielsweise ökonomischen Zielstellungen führen auf Optimalsteuerungsprobleme (engl. optimal control problems (OCPs)). Mit allen OCPs in dieser Arbeit gehen inhärente Unsicherheiten einher wie zum Beispiel der unbekannte zukünftige Nettoverbrauch (Teil I) und die grundsätzliche Entwicklung der pandemischen Lage (Teil II). Diese OCPs werden numerisch gelöst, um optimale Strategien zu ermitteln. Eine naive Implementierung der ermittelten Steuerung über den gesamten Optimierungshorizont würde während des Prozesses neu gewonnene Informationen nicht berücksichtigen. Eine Methode, die diese stetig neu gewonnenen Informationen in den Regelungsentwurf mit einbezieht, stellt die so genannte modellprädiktive Regelung (engl. model predictive control (MPC)) dar. MPC ist eine bewährte Methode, um OCPs mit Zustands- und Eingangsbeschränkungen in Echtzeit zu lösen und wird in beiden Teilen dieser Arbeit eingesetzt. Deshalb wird die grundlegende Idee von MPC in einem vorbereitenden Abschnitt erläutert.



Sasse, Thomas;
Discrete velocity models for mixtures and non-mixtures. - [Berlin] : epubli, 2023. - xxiv, 193 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

ISBN 978-3-7575-3519-3

In der vorliegenden Arbeit wird die Anwendung diskreter Geschwindigkeitsmodelle (DVM) zur Simulation von Gasgemischen untersucht. Es werden bekannte theoretische Ergebnisse zur Boltzmanngleichung werden eingeführt und von uns auf Gemische ausgeweitet. Für diese werden später außerdem äquivalente diskrete Versionen für DVM eingeführt. Weiterhin leiten wir Abschlussrelationen für die Navier-Stokes-Gleichungen für Gasgemische aus der Boltzmanngleichung her. Wir entwickeln effiziente Algorithmen um DVM für Gasgemische zu generieren, welche deutlich performanter sind als unsere anfänglichen, naiven Implementierungen. Dies ist besonders relevant für Gasgemische, da hier, abhängig vom gewählten Masseverhältnis, oft neue Geschwindigkeitsgitter notwendig sind und somit ein neues DVM generiert werden muss. Weiterhin untersuchen wir wie groß die diskreten Geschwindigkeitsgitter tatsächlich gewählt werden müssen. In Gemischen muss neben der Supernormalität auch ein hinreichend großer Energieaustausch zwischen den Spezies erfolgen und in einem sinnvollen Verhältnis zum Impulsaustausch stehen. Dieser Energieaustausch erfolgt ausschließlich durch Energie-transferierende Kollisionen, welche, je nach Masseverhältnis, erst in größeren Gittern in hinreichender Anzahl auftreten können. Wir zeigen dabei, dass ein Mangel an Energie-transferierenden Kollisionen zu stark verzögerten Abklingprozessen führen und deren qualitatives Verhalten verzerren kann. Wir untersuchen außerdem für welche Verteilungen ein Geschwindigkeitsgitter geeignet ist. Dazu entwickeln wir eine momentenbasierte Metrik für den Gitterfehler mittels derer wir automatisch einen geeigneten Bereich für die Temperatur und mittlere Geschwindigkeit zu einem diskreten Geschwindigkeitsgitter bestimmen können. Außerdem entwickeln wir eine flexibel anwendbare und anpassbare Methodik zur automatischen Bestimmung der Kollisionsgewichte, welche für DVM jeder Größe geeignet ist. Diese basiert auf sql-ähnlichen Gruppierungsoperationen, mit denen wir Kollisionen anhand von nutzerdefinierbaren Eigenschaften clustern. Anhand dieser Cluster bestimmen wir anschließend die Kollisionsgewichte. In der vorliegenden Arbeit nutzen wir dies, zum Beispiel, um die Effekte der Intraspezies- und Interspezies-Kollisionen anzugleichen oder ein sinnvolles Gleichgewicht von Impuls- und Energie-Transfer zwischen den einzelnen Spezies einzustellen. Abschließend nutzen wir diese Methodik auch um automatisiert Diskretisierungseffekte bei der Viskosität und der Prandtl-Zahl auszugleichen.



Nandy, Manali;
Reduction of crystalline defects in III-V thin buffer layers grown on Si(100) and Ge(100) substrates by MOCVD for solar fuels. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2023. - 1 Online-Ressource (XII, 145 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2023

Die Heteroepitaxie von III-V auf Si und Ge Substraten eignet sich für kostengünstige, qualitativ hochwertige Epitaxieschichten, die eine geeignete Bandlücke für Mehrfachsolarzellen aufweisen. Jedoch ist die III-V-Heteroepitaxie auf diesen Substraten aufgrund von Antiphasengrenzen, die durch polares III-V Wachstum auf den unpolaren Substraten entstehen, eine Herausforderung. Außerdem müssen Kristalldefekte, die sich an der Heterogrenzfläche III-V/Substrate bilden können und dann in den III-V-Schichten die solare Konversionseffizienz erheblich beeinträchtigen, unbedingt vermieden werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Präparation von Si- und Ge-Oberflächen mit wohldefinierten Heterogrenzflächen sowie das nachfolgende Wachstum von GaP- und III-P- Schichten mit geringen Defektdichten mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung, die präzise kontrollierte, auf industriellen Maßstab skalierbare Epitaxie von III-V-Halbleitern mit hoher Reinheit ermöglicht. Für das Wachstum von GaP auf Si wurde die Ausbildung von Doppelstufen auf der Arsen-terminierten Si(100)-Oberfläche und die dazugehörige Dimerorientierung durch Variation der Prozessparameter (Temperatur, Druck, Arsenquelle) genau kontrolliert. Um die Kristallqualität der GaP-Pufferschicht zu verbessern, wurde die Pulsabfolge der Ga- und P-Präkursoren für die Nukleation modifiziert, indem die ersten fünf TEGa-Pulse durch TMAl ersetzt wurden. Die kristallinen Defekte wurden mittels “Electron channeling contrast imaging” (ECCI) untersucht. Die quantitative Analyse der Defekte zeigte, dass bei GaP, das auf einer GaP/AlP Nukleationsschicht gewachsen wurde, im Durchschnitt die Dichte von Durchstoß-versetzungen (engl. threading dislocations, TDs) und Stapelfehlern (engl. stacking faults, SFs) um eine bzw. zwei Größenordnungen reduziert werden konnte, verglichen mit Pufferschichten, die auf einer binären GaP Nukleationsschicht gewachsen wurden. Bei der Heteroepitaxie von III-P/Ge(100) ist ein erster Prozessschritt vor dem eigentlichen Wachstum entscheidend, bei dem die Ge(100):As-Oberfläche dem TBP-Precursor ausgesetzt wird, um die As-Atome durch P-Atome zu ersetzen. Unterschiedliche molare Flüsse des TBP-Precursors während dieses Prozessschritts beeinflussen die chemische Zusammensetzung sowie die Oberflächenrekonstruktion der Ge(100):As-Oberflächen; außerdem wirken sich die molaren Flüsse des TBP-Angebots auf die Bildung von Defekten in der III-P-Schicht aus. Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass beim Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern auf Si und Ge eine genau kontrollierte Heterogrenzfläche erforderlich ist, um die hohe Kristallqualität der III-V-Schichten zu erreichen.



https://doi.org/10.22032/dbt.55641
Kellner, Maria;
Bifurcations from codimension-one D4m-equivariant homoclinic cycles. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (277 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Das Thema dieser Arbeit ist eine detaillierte Beschreibung der Dynamik in der Nähe von D4m-symmetrischen relativen homoklinen Zykeln mit Hilfe von Lins Methode. Die homoklinen Zykel haben die Kodimension-1, d.h. wir beobachten ihre generische Entfaltung innerhalb einer einparametrigen Familie. Sie bestehen aus mehreren Trajektorien, die sowohl für positive als auch negative Zeit derselben hyperbolischen Gleichgewichtslage zustreben (Homokline Trajektorien) und die alle durch die von einer endlichen Gruppe induzierten Symmetrie voneinander abhängig sind. Wir nehmen reelle führende Eigenwerte und homokline Trajektorien an, die sich der Gleichgewichtslage entlang führender Richtungen nähern. Die Homoklinen befinden sich in flussinvarianten Unterräumen. Insbesondere für solche homoklinen Zykel in Differentialgleichungen mit Dk-Symmetrie (Dk ist die Symmetriegruppe eines regelmäßigen k-Ecks in der Ebene), bei denen k ein Vielfaches von 4 ist, stehen einige dieser flussinvarianten Unterräume senkrecht zueinander. Dies impliziert das Verschwinden der typischerweise auftretenden Terme führender exponentieller Konvergenzordnung in einigen der aus Lins Methode gewonnenen Bestimmungsgleichungen. Um eine genaue Beschreibung der nichtwandernden Dynamik eines solchen homoklinen Zykels zu geben, d.h. eine Beschreibung der Lösungen, die in der Umgebung des Zykels sowohl im Phasen- als auch im Parameterraum verbleiben, sind weitere Informationen über die Restterme in den Bestimmungsgleichungen erforderlich. In dieser Arbeit stellen wir eine verfeinerte Darstellung der Restterme in den Bestimmungsgleichungen vor und identifizieren zwei weitere Terme mit nächsthöheren exponentiellen Konvergenzraten. Darauf aufbauend diskutieren wir die Lösbarkeit der resultierenden Bestimmungsgleichungen für homokline Zykel in R4. Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden, die vom Größenverhältnis der beiden neuen Terme abhängen. In einem Fall beobachten wir einen endlichen Subshift. Im anderen Fall erweist sich die Analysis als schwieriger, so dass wir die Untersuchung auf periodische Lösungen beschränken.



https://doi.org/10.22032/dbt.55480
Omidian, Maryam;
Atomically resolved studies of quantum excitations and interactions in low-dimensional materials. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (v, 129 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Diese Arbeit verwendet ein kombiniertes STM-AFM, das bei extremniedrigen Temperaturen und unter UHV betrieben wird. Im ersten Teil dieser Arbeit habe ich die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Graphen auf SiC(0001) untersucht. Die Korrelation zwischen den gebundenen Grenzflächenzuständen und den STM-Bildern wurde untersucht. Im nächsten Teil wurden diese Grenzflächenzustände durch Li-Interkalation von Graphen auf SiC(0001) unterdrückt. Die Interkalation wird durch Quenchen der charakteristischen Überstruktur von Graphen und weiterer Elektronendotierung entdeckt. Dabei werden die Li-Atome meist an der unteren Grenzfläche platziert: Pufferschicht-SiC. Im nächsten Teil dieser Studie wird eine weitere Li-Interkalation des Graphens durchgeführt, um beide darunter liegende Grenzflächen zu sättigen. Obwohl die vorhergesagte supraleitende Phase fehlte, konnten in den inelastischen Tunnelspektren interessante Merkmale festgestellt werden. In weitergehenden Untersuchungen wurden einzelne chemische Bindungen und elektrostatische Effekte in den Verbindungsstellen der vorherigen Proben bewertet. Zu diesem Zweck wird ein AFM verwendet, um auf kontrollierbare Weise eine Bindung zwischen dem Au-Atom, das die AFM-Spitze abschließt, und einem C-Atom von Graphen auf SiC(0001) zu bilden und zu brechen. Im letzten Teil dieser Dissertation habe ich das System Fe-Pb(111) mittels STM untersucht. Über ihre elektronischen und strukturellen Eigenschaften wurden hauptsächlich zwei unterschiedliche Materialklassen entdeckt. Die breite asymmetrische Lücke um die Fermi-Energie wird der stark verspannten zuerst abgeschiedenen Fe-Schicht zugeschrieben, die pseudomorph auf dem Pb(111)-Substrat wächst. Diese Materialklasse unterdrückt die Supraleitfähigkeit des Substrats. Im Gegensatz dazu zeigt die andere Materialgruppe das Metallische Eigenschaften mit den YSR-Bändern im Inneren der Inselregion.



https://doi.org/10.22032/dbt.54584
Zhang, Chenglin;
Effective strategies to enhance electrochemical performance of carbon materials for non-aqueous potassium- and sodium-ion capacitors. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (XIV, 130 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022


https://doi.org/10.22032/dbt.51557
Mendl, Alexander;
Miniaturisierte und markierungsfreie Analyse einzelner Mikrofluidsegmente unter Einsatz der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2022. - 1 Online-Ressource (vii, 156 Blätter)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2022

Die Mikrofluidsegmenttechnik ermöglicht es, Reaktionen unter optimierten Strömungsverhältnissen und mit einer minimalen Substanzmenge durchzuführen. Besonders für mehrdimensionale Reaktionsscreenings, bei denen die Einflüsse mehrerer Effektoren gleichzeitig untersucht werden, eignet sich diese Technik, da die Segmente geordnet durch das System geführt werden, wodurch die Zusammensetzung jedes einzelnen Segments bekannt ist. Deshalb hat bei dieser meist sehr komplexen und technisch aufwendigen Verfahrensweise die Analyse der Segmente bzw. deren Inhaltsstoffe eine große Bedeutung. Neben der optischen Auswertung oder der Fluoreszenzmessung, bei der die Zielsubstanz mit einer fluoreszierenden Gruppe markiert werden muss, werden aktuell markierungsfreie Detektionsmethoden entwickelt. Diese Detektionsmethoden sind aber noch sehr aufwendig und sind ohne tiefgreifende Fachkenntnisse auf dem jeweiligen Gebiet nicht anzuwenden. Der Bedarf nach einer einfachen Analysemethode, mit der auch chemische Veränderungen in den Segmenten markierungsfrei detektiert werden können, ist die Grundlage für die Motivation der hier vorgestellten Arbeit. Diese beschreibt eine neue Methode für die markierungsfreie Analyse einzelner Fluidsegmente, die durch einen kompakten Aufbau und eine einfache Anbindung an beliebige Prozesse einen weitverbreiteten Einsatz der Analysetechnik ermöglicht. Die entwickelte Analysemethode beschreibt die erstmalige Kopplung der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (engl. surface enhanced Raman scattering/spectroscopy, SERS) mit einer Umsetzung der seriell erzeugten Segmente auf eine parallele Array-Struktur aus SERS-aktiven Messstellen (SERS-Array). Dieser Umsetzungsschritt entkoppelt die zeitlich kritische Messung von der schnellen Prozessierung der Segmente und ermöglicht zudem einen optimalen optischen Zugang zu den Messstellen, wodurch der Einsatz kompakter Spektrometersysteme ermöglicht wird. Zur Umsetzung des Konzepts wurde ein neuartiger SERS-aktiver Hydrogel-Film sowie ein Verfahren zum Auftragen des Films auf die Messstellen entwickelt. Bei der Entwicklung des Hydrogel-Films wurde eine Methode zur Herstellung quellbarer, SERS-aktiver Komposit-Sensorpartikel weiterentwickelt, indem die Haftung auf einem Glasträger, die Verdunstung des Lösungsmittels während der Applikation und die SERS-Verstärkung untersucht und angepasst wurden. Weiterhin wurde die Leistungsfähigkeit der entwickelten Analysemethode bestimmt, so zeigt das SERS-Array hervorragende Werte in Bezug auf die Langzeitstabilität. Das Gesamtsystem wurde im Vergleich mit anderen SERS-basierten Analysemethoden bewertet. Dabei zeigt sich, dass vergleichsweise hohe Frequenzen an Segmenten analysiert werden können und dass die Quantifizierung von Testsubstanzen in einem breiten Konzentrationsbereich, der etwas oberhalb derer der Vergleichssysteme liegt, möglich ist. Anhand einer Desaminierungsreaktion konnte gezeigt werden, dass in dieser Arbeit eine kompakte und einfach adaptierbare Methode für SERS-Messungen entwickelt wurde, die chemische Veränderungen innerhalb von Mikrofluidsegmenten detektieren kann.



https://doi.org/10.22032/dbt.51925
Borowiec, Justyna;
Fabrication and characterization of microstructured scaffolds for complex 3D cell cultures. - Ilmenau : Universitätsbibliothek, 2021. - 1 Online-Ressource (XII, 140 Seiten)
Technische Universität Ilmenau, Dissertation 2021

In einem natürlichen Gewebe wird das zelluläre Verhalten durch Stimuli der Mikroumgebung reguliert. Verschiedene chemische, mechanische und physikalische Reize befinden sich in einem lokalen Milieu und versorgen die Zellen mit einem biologischen Kontext. Im Vergleich zur in vivo Situation, zeigen Standard 2D in vitro Zellkulturmodelle viele Unterschiede in der zellulären Mikroumgebung und können infolgedessen eine Veränderung der Zellantwort verursachen. Die Schaffung einer physiologisch realistischeren Umgebung auf künstlichem Substrat ist ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung zuverlässiger Plattformen, die es den kultivierten Zellen ermöglichen, sich natürlicher zu verhalten. Daher sind neuartige Substrate auf Biomaterialbasis mit maßgeschneiderten Eigenschaften sehr gefragt. Die Mikrotechnik ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das bei der Herstellung der Funktionsgerüste hilft, um verschiedene Eigenschaften der in vivo Umgebung zu reproduzieren und auf in vitro Bedingungen zu übertragen. Die Gerüstkonstruktionsparameter können manipuliert werden, um die für das jeweilige Gewebe spezifischen Anforderungen zu erfüllen. Eine der grundlegenden Einschränkungen bei aktuellen Herstellungsverfahren ist jedoch die Unfähigkeit, mehrere Gerüsteigenschaften auf vorgefertigte Weise in eine einzelne Gerüststruktur zu integrieren. Diese Dissertation befasst sich mit Gerüstmikrofabrikations- und Oberflächenmodifikations-techniken, welche die Mikrostrukturierungstechnologie verwenden und die gleichzeitige Kontrolle über verschiedene Gerüsteigenschaften ermöglichen. Diese Ansätze bei der Mikrofabrikation von Polymergerüsten werden verwendet, um physikalische und chemische Eigenschaften bereitzustellen, die für die Leberzellkultur optimiert sind. Die physikochemischen Aspekte, die die zelluläre Mikroumgebung von Lebergewebe in vivo ausmachen, werden diskutiert und anschließend werden relevante Technologien vorgestellt, mit denen einige dieser Aspekte in vitro reguliert werden können. Im ersten Teil dieser Arbeit wird ein neuartiges zweistufiges Verfahren zur Herstellung von Polymergerüsten mit mikroporöser Struktur und definierter Topographie gezeigt. Um 3D-Matrizen mit integrierter Porosität zu erhalten, wurde nach der Herstellung mikroporöser Folien ein Mikrostrukturierungsprozess unter Verwendung der Mehrschicht Polymer-Thermoformtechnologie durchgeführt. Diese Methoden wurden verwendet, um Substrate für die organotypische 3D-Hepatozytenkultivierung herzustellen. Poröse Gerüste mit Mikrokavitäten wurden aus lösungsmittelgegossenen und phasengetrennten Polymilchsäure (PLA) Folien gebildet. Die Proben wurden auf grundlegende mechanische und Oberflächenspezifische Eigenschaften sowie auf die Zellleistung untersucht. Um einen Bezugspunkt für die Bewertung der hergestellten Matrices bereitzustellen, wurden PLA-Gerüste mit zuvor beschriebenen Substraten auf Polycarbonat (PC)-Basis mit ähnlicher Geometrie verglichen. HepG2-Zellen, die in PLA-Gerüsten kultiviert wurden, zeigten eine gewebeartige 3D-Aggregation und eine erhöhte Sekretionsrate von Albumin im Vergleich zu PC-Gerüsten. Anschließend wurde dieses zweistufige Herstellungsverfahren verwendet, um schnell abbaubare Gerüste für die gerüstfreie Zellblatttechnik herzustellen. Gerüste mit kontrollierter Porosität und Topographie, die die Schlüsselmerkmale von Lebersinusoiden nachahmen, wurden aus Poly(milch-co-glykolsäure) (PLGA)-Copolymer hergestellt und für den in vitro Abbau in Zellkultur charakterisiert. Um die Beziehung zwischen dem Abbau des Gerüsts und der Organisation der Zellen in der PLGA-Matrix aufzudecken, wurde die Lebensfähigkeit und Morphologie der kultivierten Zellen zusammen mit der Morphologie des Gerüsts untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene technische Lösungen für die gerichtete Strukturierung mikroporöser Polymergerüste bewertet und ihre Eignung zur Erzeugung einer benutzerdefinierten lebenswichtigen oligozellulären Morphologie auf künstlichem Substrat vorgestellt. Besonderes Augenmerk wurde auf das 3D-Mikrokontaktdruckverfahren (3DµCP) gelegt, das die Vorteile des Mikrothermoformens und des Mikrokontaktdrucks kombiniert und eine räumlich-zeitliche Kontrolle über morphologische und chemische Merkmale in einem einzigen Schritt ermöglicht. Um das Potenzial dieser Technik aufzuzeigen, wurden Gerüste mit bestimmten Mikrostrukturen wie Kanäle mit verschiedenen Tiefen und Breiten sowie komplexere Muster hergestellt und verschiedene ECM-Moleküle gleichzeitig in die vordefinierten Geometrien übertragen. Die Gültigkeit des 3DµCP-Prozesses wurde durch mikroskopische Messungen, Fluoreszenzfärbung und Testen der Substrate auf Zelladhäsionsantwort gezeigt. Schließlich wird in dieser Arbeit die Herstellungsmethode zur Erzeugung komplexer Gerüste für die 3D- und gesteuerte Co-Kultivierung von Leberzellen vorgestellt. Polymermatrizen, die die grundlegende Leberarchitektur replizieren und somit eine gut organisierte Leberzellzusammensetzung ermöglichen, wurden erfolgreich unter Verwendung der 3DµCP-Methode hergestellt. Auf der Polycarbonatoberfläche wurden gleichzeitig chemische und topografische Leitfäden in Form sinusförmiger Strukturen strukturiert. Um die 3D-Gewebemikrostruktur zu replizieren, wurden EA.hy926- und HepG2-Zellen auf beiden Seiten des strukturierten porösen Gerüsts Co-kultiviert und anschließend einander gegenüber gestapelt, wodurch zugehörige Kanäle zur Bildung einer Kapillare führen. Das Potenzial unseres 3DµCP-strukturierten Gerüsts für die gerichtete Co-Kultivierung von Zellen wurde unter statischen Zellkulturbedingungen demonstriert. Am Ende wurden Gerüste für die weiteren Anwendungen im perfundierten Bioreaktorsystem angepasst.



https://doi.org/10.22032/dbt.50717