Studienabschlussarbeiten am Institut

Untersuchung der Kinetik der lichtgetriebenen CO-Abspaltung verschiedener Kohlenmonoxiddonoren und der anschließenden Carbonylierung von Toluol mit dem Präkatalysator [RhCl(CO)(PMe3)2] mittels NMR-Spektroskopie. Die Arbeit konzentriert sich auf den Zusammenhang zwischen den unterschiedlichen Strukturen der Kohlenmonoxiddonoren und der Reaktionsgeschwindigkeit. Weiterhin wird der Einfluss der Lichtintensität und der auftretenden intermediären Katalysatorspezies untersucht.

In dem ersten Teil dieser Masterarbeit wurde eine Methode für die Herstellung von Liposomen, die aus Cholesterol, PEG-2000 und DSPC bestehen, entwickelt. Um die Methode zu etablieren und die beste Partikelgrößenverteilung mit der kleinsten Standardabweichung und der größten Anzahl an Liposomen zu erzeugen, wurden verschiedene Parameter wie zum Beispiel Mischungsart, -zeit, und -temperatur optimiert. Die besten Ergebnisse wurden mit Ultraschall mit einer Mischungsart von 120 min bei einer Temperatur zwischen 60 und 70 ˚C erzielt. Die Methode produziert reproduzierbare LNPs mit einem mittleren Radius von 2,2 μm und einer Standardabweichung von 0,1 μm. Die Charakterisierung der Lösungen wurde mittels Lichtmikroskopie und einer statistischen Auswertung der erhaltenen Bilder mithilfe der Software FIJI durchgeführt. Die optimierte Methode wurde verwendet, um T7-DNA als Testsystem für ein therapeutisches Mittel einzukapseln. Dafür wurde Lipofectamine 3000® als katonisches Lipid verwendet, das die Verkapselung der T7-DNA fördert. Um die Verkapselungsfähigkeit auswerten zu können, wurde eine Färbung des T7-Genoms mit PI durchgeführt und durch Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Verkapselung wurde mit der Beobachtung von fluoreszierenden Liposomclustern überprüft, wobei die kugelförmigen LNPs unterscheidbar sind. Zur Reinigung dieser Liposomenlösung wurde eine Methode entwickelt, die auf Zentrifugation und Redispergierung in TE-Puffer basiert. Eine optimale Reinigung der Lösung wurde mit einer Zentrifugationsgeschwindigkeit von 4000 RPM (1789 G-Force) für 5 Minuten bei 4 ˚C und 6 edispergierungsschritten in Puffer erreicht, ohne die Stabilität oder morphologischen Eigenschaften der Liposomen zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wurde als Ergebnis dieses Prozesses eine homogene Lösung erhalten. Auf der anderen Seite wurde die Schutzfähigkeit der LNPs in Bezug auf die T7-DNA anhand der Verwendung einer Endonuklease (DNase I) bewertet. Die Stabilität der Liposomen wurde durch Fluoreszenzbilder und Lichtmikroskopie untersucht, die Ergebnisse zeigen, dass die Liposomen die Fähigkeit haben, das T7-Gemon vor dem Nukleaseverdau zu schützen. Zum Schluss wurde die Infektionsfähigkeit der Liposomen mit eingekapselter T7-DNA durch einen in vitro Test an einer Zellkultur der Linie HEP-G2 ausgewertet. Die Lebensfähigkeit der Zellen wurde durch den Vergleich einer Negativkontrolle mit einer Dreifachprobe sowohl durch Fluoreszenzmikroskopie mit Färbung als auch anhand des Cell Counter CASY®untersucht. Liposomen bewirken eine Verringerung des Anteils der lebensfähigen Zellen um 24,7 %, was durch Fluoreszenzmikroskopiebilder bestätigt wurde. Aus den in dieser Masterarbeit gewonnenen Erkenntnissen kann im Wesentlichen geschlossen werden, dass die entwickelte Methode die Herstellung stabiler Liposomen mit der Fähigkeit, DNA aus dem T7-Bakteriophagen einzukapseln, zu schützen und in eine eukaryotischen Zelle der Hep-G2-Zelllinie zu transportieren und zu infizieren, gelungen ist.

Die vorliegende Arbeit hatte das Ziel, eine Methode zu entwickeln, die ein gezieltes Zellwachstum auf beiden Seiten eines mikrostrukturierten 3D-Zellgerüsts ermöglicht. Eine Seite wurde durch das Microcontactprinting strukturiert, während die Strukturierung der anderen Seite nach Auftrag des Zellrasens erfolgte. Die neue Methode des Wipings ermöglicht das gezielte Entfernen von Zellen auf höhergelegenen Bereichen eines Scaffolds. Sie wurde an Lines and Spaces-Strukturen, die aus einer porösen Polycarbonatfolie hergestellt und mit einer Kokultur aus EA.hy926- und HepG2-Zellen besiedelt wurden, ausgearbeitet. Es wurde das Wiping sowohl in der Mono- als auch in der Kokultur untersucht und etabliert. Mehrere fragliche Parameter, die das Ergebnis des Wipings beeinflussen, wurden optimiert. Zudem wurde neben der Schaffung der notwendigen fluidischen Randbedingungen ein einfaches Protokoll ausgearbeitet, dass reproduzierbare Ergebnisse in guter Qualität ermöglicht Als Nachweis eines erfolgreichen Wipings wurden Untersuchungen unter dem Lichtmikroskop, dem Rasterelektronenmikroskop und dem Laserscanningmikroskop vorgenommen sowie Life-Dead-, Immunfluoreszenz-, DAPI- und Aktinzytoskelett-Färbungen vorgenommen. Mit Ausblick auf weitere Untersuchungen wurde zudem probeweise eine wabenförmige Struktur ausgetestet.

Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) stellt den Träger der Erbinformation eines Organismus dar und ist für die Übertragung dieser Information zur nächsten Generation verantwortlich. Die Aufrechterhaltung der Stabilität und Integrität des Genoms ist daher eine unverzichtbare Voraussetzung für die Teilung und das Wachstum der Zellen. Täglich erfährt jede Zelle des menschlichen Körpers über zehntausende von DNA-Schäden. Infolge von unvollendeter oder ausbleibender Reparatur kann die Erhaltung des genetischen Materials und die Lebensfähigkeit einzelner Zellen sowie des gesamten Organismus gefährdet werden. Um Informationen über auftretende DNA-Schäden zu erhalten, ist die Etablierung und Entwicklung von zuverlässigen und schnellen Nachweismethoden erforderlich. In der vorliegenden Abschlussarbeit wurde die Etablierung einer solchen Nachweismethode, des Comet-Assays bzw. SCGE (single cell gel electrophoresis) unter Verwendung von A549-Lungenepithelzellen durchgeführt und mit verschiedenen DNA-schädigenden Substanzen getestet. Während Ausarbeitung der Positivkontrollen für den Assay mit den Substanzen Wasserstoffperoxid und Methylmethansulfonat wurden Konzentrations- und zeitabhängige DNA-Schäden erfolgreich induziert. Ebenfalls wurde die Möglichkeit untersucht, die Reparatur der DNA mittels Aphidicolin zu unterdrücken, um stärkere DNA-Schäden zu erwirken. Die verstärkte DNA-Schädigung konnte im Comet-Assay nachgewiesen werden. Die Zelltoxizität der verwendeten DNA-schädigenden Substanzen wurde mittels Alamar Blue®-Assay untersucht. Es wurde eine Veränderung der zellulären Lebensfähigkeit im Zusammenhang mit der Natur, Konzentration und Anwendungsdauer der angewandten Substanzen beobachtet, allerdings keine endgültige Korrelation zwischen dem Auftreten der DNA-Schädigung und zellulärer Lebensfähigkeit. Anschließend wurde der Einfluss von TiO2-Nanopartikel-Aerosolen unter zwei verschiedenen Expositionsbedingungen (air-liquid interface (ALI) und liquid-liquid interface (LLI)) auf die DNA-Integrität von MatriGrid®-kultivierten A549-Lungenepithelzellen untersucht. Dies wurde mit Hilfe eines im Fachgebiet Nanobiosystemtechnik entwickelten Lungen-Expositionssystems (MALIES) durchgeführt. Es konnte eine Schädigung der DNA beobachtet werden, wobei diese je nach Expositionsbedingungen (LLI oder ALI) sehr unterschiedlich war. Die Exposition unter physiologisch relevanten ALI-Kultivierungsbedingungen zeigte einen stärker ausgeprägten toxischen Effekt der TiO2-Nanopartikel auf die DNA der A549-Zellen als unter LLI-Bedingungen.

Mikroalgen und Cyanobakterien haben ein großes biotechnologisches Potenzial für die Herstellung von wertvollen Substanzen in verschiedenen Branchen, darunter Futtermittel-, Nahrungsergänzungsmittel-, Pharma- und Lebensmittelindustrie. Bisher werden sie hauptsächlich im Makromaßstab kultiviert. Studien über Kultivierung in kleinerem Maßstab wurden in den letzten Dekaden durchgeführt, um bessere Durchsatzleistungen zu erzielen. Die vorliegende Arbeit erfasst die Optimierung und Validierung eines mikrofluidischen Photobioreaktors (µ-PBR) zur Untersuchung des Wachstums und der Sensitivität von Mikroalgen und Cyanobakterien gegenüber Effektoren unter verschiedenen Lichtkonditionen. Für die Endpunkte-Bestimmung wurde Multiparameter-Mikrodurchfluss-Photofluorimeter für die Detektion von Wachstum, Autofluoreszenz, Chlorophyll-a-Fluoreszenz eingesetzt. Außerdem wurde ein Protokoll zur neutralen Lipiddetektion mit Farbstoff Nilrot in nl-Segmenten etabliert. Der von uns entwickelte µ PBR ist modular aufgebaut. Er besteht aus 1) einer 4-Kanal-Beleuchtungseinheit, 2) einem mäanderförmig geführten PTFE-Inkubationsschlauch mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm und einem Außendurchmesser von 1,0 mm und 3) einem Deckel, in dem passende Hohlräume für den Schlauch gefräst sind, damit die einzelnen Reihen optisch getrennt sind und individuell beleuchtet werden können. Zunächst wurde die Temperaturentwicklung des µ-PBR untersucht. Danach wurde die Auswahl des alternativen Trägermediums mit geringerer Verdunstungsrate getestet. FLUTEC PP10 (Perfluorperhydrofluoren) verweist eine geringere Verdunstungsrate als FLUTEC PP9 (Perfluormethyldecalin) und hat keinen negativen Einfluss auf das Wachstum von Mikroorganismen. Bei den Wachstumsuntersuchungen wurde festgestellt, dass Synechococcus elongatus UTEX2973 am besten unter Dauerbeleuchtung, während Chlorella vulgaris am besten unter einem 16:8 Hell-Dunkel-Zyklus wächst. Höhere Lichtintensität und die Absorption bestimmter Wellenlängen modifizieren die Pigmentzusammensetzung. Die Mikrodurchfluss-Multiparametersensoren ermöglichen die Optimierung der Wertstoffproduktion wie Biomasse und Pigmente in Cyanobakterien. Die Möglichkeit einem mikrofluidischen Dosis-Wirkungs-Screening von Chlorella vulgaris und Synechococcus elongatus UTEX2973 gegen Effektoren wie NaCl, Kupfer und Chrom unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen konnte in dieser Arbeit demonstriert werden.

Das chemische Recycling von Polycarbonat (PC) und die Herstellung neuer reaktiver Furane als DASA-Vorläufer stellen einen vielversprechenden Ansatz zur Bekämpfung der Kunststoffverschmutzung dar. Diese innovative Methode ermöglicht die Isolierung und Charakterisierung neuer DASA-Vorläuferstoffe und eröffnet Möglichkeiten für deren weitere Entwicklung und Erforschung. Die potenziellen Anwendungen dieser neuen reaktiven Furane sind umfangreich und vielfältig. Eine spannende Perspektive ist die Fähigkeit, Biomoleküle zu verbinden oder neue funktionelle Gruppen durch Click-Reaktionen einzuführen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung neuartiger Materialien und Oberflächenmodifikationen. Insbesondere können die reaktiven Furane an Polycarbonat-Oberflächen gebunden werden, die mit verzweigtem Polyethylenimin (BPEI) funktionalisiert sind, um DASA-basierte Beschichtungen zu schaffen. Die Strukturiertheit und Belastbarkeit dieser Beschichtungen kann durch photolithographische Techniken gemessen werden. Außerdem können die Benetzungseigenschaften der Oberflächen durch Photoreaktionen verändert werden, was zusätzliche Kontrolle und Vielseitigkeit bietet. Eine wichtige potenzielle Anwendung dieser Studie ist die Kontrolle und Strukturierung der Zelladhäsion auf diesen DASA-beschichteten Oberflächen durch Licht. Azidoglukosekonjugate können verwendet werden, um Zellen an die Oberflächen zu binden, was eine präzise Manipulation und Strukturierung der Zelladhäsion ermöglicht. Darüber hinaus können auch andere Biomoleküle mit Hilfe der DASA-Chemie auf den PC-Oberflächen immobilisiert werden, wie in dieser Forschung beschrieben. Insgesamt eröffnet diese Studie neue Möglichkeiten für die Entwicklung von funktionellen Materialien, Oberflächenmodifikationen und die Kontrolle der Zelladhäsion mit DASA-basierten Systemen. Die genauen Funktionen und Anwendungen der neu synthetisierten reaktiven Furane müssen noch vollständig erforscht werden, was spannende Möglichkeiten für die zukünftige Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Materialwissenschaften und des Bioengineering bietet.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenartigen Carbonylfunktionalisierungen an Thiazolderivaten. Dabei wurden vornehmlich zwei verschiedene Arten der Funktionalisierung betrachtet: Funktionalisierungen durch Cyclisierungsreaktionen und Funktionalisierungen durch Claisen-Kondensation. Beschrieben werden verschiedene retrosynthetisch ermittelte Syntheseversuche, wie beispielweise die Darstellung eines Cumarin-Derivats und einer Funktionalisierung mit einer Mercapto-Triazol-Einheit. Im Rahmen der Arbeit wurden vier verschiedene Methoden versucht, von denen einige charakterisierbar waren.

Polyene mit variierenden Kettenlängen und Substitutionsmustern sind bekannte Chromophore mit einer Vielzahl an Anwendungen. Donor-Acceptor Stenhouse Addukte, kurz DASA-Verbindungen, stellen eine neue Gruppe photoschaltbarer Moleküle basierned auf einem trieensystem da. Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige, vinelog verlängerte DASA ähnliche Verbindungen dargestellt und untersucht. Durch Reaktion von aktivierten Furan mit 2-Methylen-1,3,3-trimethyl-indolin (Fischersche Base) ist es gelungen stabile Hydroxytetraen Strukturen NMR-rein zu gewinnen. Der gewonnene Farbstoff wurde auf seine solvatochromen und photoschaltbaren Eigenschaften untersucht. Hierbei ist eine gefundene Besonderheit, dass der Farbstoff in Lösung irreversibel schaltet, jedoch im trockenen unter thermischen Einfluss regeneriert werden kann. Durch umfangreiche NMR-Analyse konnte die Struktur der neuen Verbindung eindeutig aufgeklärt werden. Aufgrund der unerwarteten Position der OH-Gruppe wurden verschiedene deuterierte Varianten der Hydroxytetraene dargestellt und mit den undeuterierten verglichen. Die Analyse der so gewonnenen Daten deutet darauf hin, dass die Moleküle nicht nach demselben Mechanismus gebildet werden, wie die verwandten Trien-DASA-Farbstoffe. Es konnte ein alternativer Mechanismus als Vorschlag entwickelt werden, welcher alle Beobachteten Positionen der Deuterien und auch der OH-Gruppe erklären kann.

Die Forschung an Nano- und Mikropartikeln ist aufgrund ihrer Eigenschaften und Funktionen in verschiedenen Bereichen vielversprechend. Die große Oberfläche und die einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln bieten ein großes Potenzial für Innovation und technologische Anwendung. Trotz der Vorteile, die es bietet, ist die Herstellung von Multilevel-Partikelverbunden aufgrund der zahlreichen Prozesse schwierig. Es ist entscheidend, den Montageprozess gut zu kontrollieren, um dichte und homogene Baugruppen zu erhalten. Partikeloberflächeneigenschaften und Montagestrategien sind ebenfalls wichtig für die Bildung homogener Anordnungen. Darüber hinaus haben auch die Inkubationszeit der Funktionalisierung und das Mischen der Partikel, die Konzentration der Funktionalisierungsmittel sowie der Spülprozess einen großen Einfluss auf die Qualität der gebildeten Verbunde. Das Schicht-für-Schicht-Verfahren wurde verwendet, um die Oberflächeneigenschaften der PTPGDA-Partikel zu modifizieren, um homogene mehrschichtige Partikelverbunde zu bilden. Zwei Arten von Spülprozessen wurden auch getestet, um die Wirkung der Verwendung von pH-spezifischer Pufferlösung auf den Zusammenbauzustand von funktionalisierten PTPGDA-Partikeln und PMMA-Partikeln zu beobachten. Obwohl der Pufferspülprozess die Montagequalität von funktionalisierten PTPGDA-Partikeln und PMMA-Partikeln nicht erhöht, trägt er dazu bei, zusätzliche Kontrolle über die Oberflächeneigenschaften von PTPGDA-Partikeln während des Funktionalisierungsprozesses zu erlangen.Zuerst wurden Poly(tripropylenglycoldiacrylat)(PTPGDA)-Partikel mit Poly(methylmethacrylat)(PMMA)-Partikeln in einer Charge gemischt, um eine Anordnung zu bilden. Die optimale Inkubationszeit wurde ermittelt, indem die PMMA/TPGDA-Arrays unterschiedlich lang (3/6/18 Stunden und 3 Tage) inkubiert wurden. Das Mischen wurde dann unter einem Fluoreszenzmikroskop beobachtet, um die Qualität der Anordnungen zu überwachen. Als nächstes wurden PTPGDA-Partikel mit unterschiedlichen Konzentrationen von Poly(natrium-4-styrolsulfonat) (PSSS) und Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDADMAC) funktionalisiert. Dann wurden funktionalisierte PTPGDA-Partikel erneut mit PMMA-Partikeln gemischt, um die optimale Konzentration und Wirkung des Funktionalisierungsmittels für die besten Anordnungen zu beobachten. Die Ergebnisse zeigen, dass die besten homogenen Partikelverbundstoffe durch Mischen von oberflächenaktiven PDADMAC-PTGDA-Mikropartikeln und positiv geladenen (Zeta-Potential 50,7 mV) PMMA-Nanopartikeln erhalten wurden. Durch Beobachtung der Ergebnisse dieses Experiments kann die beste Kopplungsbedingung erreicht werden, indem PDADMAC-oberflächenfunktionalisierte PTPGDA-Mikropartikel und PMMA-Nanopartikel gemischt werden. PTPGDA-Partikel mit PDADMAC-Oberfläche zeigen konsistent sehr dichte und homogene Anordnungen, wenn sie sowohl mit positiv als auch mit negativ geladenen PMMA-Partikeln gekoppelt werden.

Über den Heterozyklus das Thiazol berichtete Hantzsch erstmals 1887, dieser gewinnt seit der Entdeckung zunehmend an Relevanz. Insbesondere die 4-Hydroxy-1,3-thiazole sind aufgrund ihrer fluoreszenten und biologischen Eigenschaften von besonderem Interesse. Das Ziel der Arbeit war neuartige in 5-Position ketoderivatisierte 4-Hydroxy-1,3-thiazole zu synthetisieren, die Syntheserouten zu optimieren und diese sowohl auf ihre Fluoreszenz als auch als Ligandensystem zu untersuchen. Es gelang im Rahmen dieser Arbeit vielfältige neue Moleküle über die Weinreb-Amid-Ketonsynthese darzustellen. Das Weinrebamid konnte neben mit einfachen Grignard- und Organolithiumverbindungen auch mit komplizierten Organylen zu Alkinonen, α-Ketonitrilen und β,γ-Triketonen umgesetzt werden. Erstmals wird über die Fluoreszenz der Moleküle berichtet und diese mit etablierten Methoden analysiert. Die Auswertung von NMR-Messungen wurde durch die Anwesenheit diverser Keto-Enoltautomere erschwert. Nach Etablierung einer Methode, konnten die Moleküle über 2D-Heteroatom-NMR-Messungen untersucht und ihre komplizierten Tautomerenverteilungen in verschiedenen Lösemitteln bestimmt werden. Die Ketone eignen sich als Ligandensystem, so wurden in diversen Versuchen vielversprechende Ergebnisse aufgezeigt. Somit schließen die dargestellten Thiazole nicht nur die Synthesebausteinlücke von in 5-Position funktionalisierten Ketonen, sondern erweitern diese auch durch Ermöglichung einer Vielzahl neuer Synthesen und Anwendung als Ligandensystem.

Die direkte Aktivierung und Funktionalisierung von C-H-Bindungen bleibt eine wesentliche Herausforderung in der organischen Chemie. Eine Möglichkeit, die in C-H-Bindungen gefundene hohe Bindungsenergie zu überwinden, ist die Verwendung von Übergangsmetallkatalysatoren. Rhodium-Phosphin-Komplexe führen C-H-Aktivierungen durch und werden aus der Reaktion zwischen der Metallvorstufe und verschiedenen P(III)-Komponenten, sogenannten Phosphinen, erhalten. Das Ziel dieser Dissertation ist die Synthese neuer Rhodium-Phosphin-Komplexe unter Verwendung hauptsächlich von Buchwald-Typ-Phosphin-Liganden. Alle Komplexe wurden mit kernmagnetischer Resonanz(NMR)-Spektroskopie analysiert, um die komplexe Struktur abzuleiten.

Einfluss des elektrischen Feldes auf die Bindungseigenschaften des SARS-CoV-2-Spike-Proteins.

Diese Bachelorarbeit beinhaltet erste Erkenntnisse zu zwitterionischen Molekülen auf Basis von 4-Hydroxy-1,3-thiazolen. Hierbei werden sowohl mögliche Syntheserouten, als auch die photochemischen Eigenschaften der erfolgreich synthetisierten Moleküle betrachtet. Über Funktionalisierung mittels eines N-methylierten Pyridiniumrestes sowie alternativ eines p-Aminophenylrestes in 2-Position des Thiazols werden zwei verschiedene Grundstrukturen betrachtet, welche intrinsische Ladungen vermuten lassen. Insgesamt konnten zwei Moleküle ausgehend der N-methylierten Spezies erfolgreich synthetisiert und charakterisiert werden. Hierbei ließ sich pH-bedingte Absorption, Solvatochromie sowie die Stablisierung durch OH-funktionalisierte Medien feststellen. Die charakteristische Fluoreszenz der Ausgangsthiazole war bei dem ionisiserten Produkt nicht mehr aufzufinden. Die Aminfunktionalisierte Spezies ließ sich nach der Synthese nicht ausreichend stabilisieren, weshalb eine weitere Charakterisierung im Rahmen dieser Arbeit nicht möglich war. Es konnten jedoch erste Syntheserouten und Methoden zur Stabilisierung entwickelt werden. Dadurch wurde ebenfalls Einführung von Fluoreszenz in die 2-(p-Nitrophenyl)-4-Hydroxy-1,3-thiazole mittels Silylveretherung in 4-Position festgestellt.

Auf Grund seiner psychoaktiven Wirkung ist Psilocybin, der Inhaltsstoff vieler halluzinogener Pilze, interessant zur Behandlung verschiedenster neurologischer Erkrankungen wie Angststörungen, Süchten und Depressionen (Nichols, 2020). Die biotechnologische Herstellung von Psilocybin in Aspergillus nidulans (Hoefgen et al., 2018) ist in diesem Kontext eine Alternative zur chemischen Synthese (Kargbo et al., 2020). Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Prozessoptimierung zur Herstellung von Psilocybin in A. nidulans im Schüttelkolbenmaßstab mit anschließend Scale-up in den 7 l-Bioreaktormaßstab durchgeführt. Im Schüttelkolbenmaßstab konnten in dem Aspergillus Minimalmedium nach Barratt et al. (Barratt et al., 1965), gepuffert auf pH 7,0 mit 100 mM 3-(N-Morpholino)propansulfonsäure, die höchsten Produktkonzentrationen erzielt werden. Bei der detaillierten Untersuchung der Kultivierung konnte eine Stickstofflimitation sowie ein Biomassemaximum nach 48 h Kultivierung festgestellt werden. Die maximale Produktkonzentration konnte nach 172 h mit Beendigung der Kultivierung gemessen werden. Unter sauerstoffunlimitierten Bedingungen konnte mit dem optimierten Induktionszeitpunkt kurz nach dem Maximum der Sauerstofftransferrate, hier nach 30 h, ein Maximum von 243 mg/l Psilocybin nach bereits 72 h Kultivierung gemessen werden. Durch die Zugabe von Tryptophan als precursor konnte die Psilocybinkonzentration auf 262 mg/l gesteigert werden. Mit dem Scale-up der optimierten Kultivierung in den 7 l Bioreaktor wurde die prozesstechnische Realisierbarkeit gezeigt. Jedoch wurden nur 85 mg/l Psilocybin gebildet, was z. B. am Alter der für die Vorkultur verwendeten Sporen gelegen haben kann und die Grundlage für eine weitere Optimierung darstellt. Insgesamt ist es dieser Arbeit gelungen, das Kultivierungsmedium sowie den Induktionszeitpunkt im Schüttelkolbenmaßstab zu optimieren und weitere potenziell optimierbare Prozessparameter zu identifizieren (z. B. die Stickstoffkonzentration). Es wurde mit 262 mg/l die höchste bisher in A. nidulans erreichte Psilocybinkonzentration gemessen. Weiterhin konnte das Potenzial von A. nidulans zur biotechnologischen Herstellung von Psilocybin verdeutlicht werden, da das Scale-up in den 7 l Bioreaktormaßstab erfolgreich durchgeführt werden konnte, aber auf Grund der geringeren Psilocybinkonzentration im Vergleich zur Schüttelkolbenkultivierung noch weitreichendes Optimierungspotenzial aufweist.

Thiazole sind die Grundbausteine vieler natürlich vorkommenden chemischen Verbindungen. So lassen sie sich zum Beispiel als Teil von Vitamin B1 oder Coenyzme Carboxylasen wiederfinden. Diese wiederum sind wichtiger Bestandteil des Lebens und unterstützen beispielsweise einen ausgeglichenen, biochemischen Haushalt im menschlichen Körper. Desweiteren begleitet die Thiazole eine Lumineszenz – die Fluoreszenz. Ausschlaggebend ist diese unteranderem bei den Glühwürmchen, wo Thiazole als Grundbaustein des D-Luciferins dienen. Genau diese Eigenschaften sind es auch, die als Motivation für diese Arbeit dienen. 2,5-substituierte 4-Hydroxythiazole und ihre Derivate weisen charkteristische Fluoreszenz auf, welche durch geziehlte Derivatisierung manipuliert werden kann. Besonders auch die bis-Thiazole sind von Interesse, da sie als Liganden agieren können in Komplexen mit Metallionen. Die dadruch entstehende Veränerung der Fluoreszenz ermöglicht ihren Nutzen als Chemosensoren. Diese Arbeit untersucht neue mono-Thiazol sowie ortho-bis-Thiazolverbindungen und unternimmt erste Schritte um ihr Potential als Chemosensoren zu etablieren.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind bekannte und in der Forschung stark nachgefragte Substanzen. Die breite Palette an Eigenschaften, die sie bieten, macht sie außergewöhnlich und sehr interessant nicht nur in der Grundlagenforschung, sondern auch in der Anwendung. In dieser Arbeit wurde das oxidative und reduktive Verhalten von Carbon Nanotubes unter konzentrierter Schwefelsäure untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Oxidation in mehreren Schritten bei unterschiedlichen Potentialen abläuft, wobei der letzte Schritt die vollständige Oxidation des Kohlenstoffs zu CO2 ist. Wenn die Umwandlung nicht vollständig ist, wurden in den Proben Poren mit maßgeschneiderten Durchmessern gefunden. Dieser Befund macht die Produkte interessant für Anwendungen in Membranen zur Gas- und Flüssigkeitstrennung. Darüber hinaus ist aufgrund der hohen spezifischen Fläche die Verwendung als Träger für Katalysatoren zu erwarten. In dieser Arbeit wird der Mechanismus der elektrochemischen Oxidation/Reduktion von Kohlenstoff-Nanoröhren unter konzentrierter Schwefelsäure mit Hilfe von zyklischer Voltammetrie, Chronopotentiometrie, Thermogravimetrie und Rasterelektronenmikroskopie aufgeklärt. Weitere Experimente sind erforderlich, um die Identität der Zwischenprodukte endgültig nachzuweisen.

Die vorliegende Bachelorarbeit beinhaltet Voruntersuchungen zu einer neuartigen antiviralen Strategie auf Basis von Enzym inhibierenden Peptiden. Ziel ist es, Versuche dieser Methode in nicht pathogenen Systemen mit Bakterien und Bakteriophagen als Modellorganismen durchzuführen. Eine Methode zur Anwendung der Strategie wurde entwickelt und Versuche zur Wirksamkeit durchgeführt.

Smarte Systeme verändern unseren Alltag seit ihrem Aufkommen für die Fähigkeit zur Signalerfassung; Übertragung und, was noch wichtiger ist, Entscheidungen zu treffen und Anweisungen auf der Grundlage verfügbarer Informationen und einer Datenbibliothek zu erteilen. Meist aus Mikrosystemen hervorgegangen, haben Smart Systems heute immer mehr Kombinationen zwischen Mikrosystemtechnik und anderen Disziplinen wie Biologie, Chemie, Nanowissenschaften, Kognitionswissenschaften geschaffen. Eine neue Klasse von Nanomaterialien, sogenannte Smart Materials, die die Grundlage für solche Smart Systems bilden, hat in den letzten Jahrzehnten eine rasante Entwicklung genommen und auch von der modernen Gesellschaft miterlebt. Im Gegensatz zu herkömmlichen statischen Materialien sind intelligente Materialien strukturell und aktiv. Sie bieten Funktionen zur Selbstbetätigung, Selbsterfassung, Selbstheilung, Selbstmontage und Selbstanpassung; reagieren auf Umweltveränderungen und haben ein großes Potenzial für Anwendungen in vielen Bereichen. In den letzten Jahrzehnten haben sich die Anwendungen von intelligenten Materialien oder genauer gesagt stimuliresponsiven Molekülen immer schneller und breiter in biologischen, pharmakologischen, medizinischen und klinischen Bereichen ausgebreitet. Eine der bekanntesten Anwendungen sind Nanocarrier für die gezielte Verabreichung von Arzneimitteln. Um einen zielgerichteten Transport von Pharmazeutika zu erreichen, werden mit spezifischen Einheiten wie Antikörpern, Genfragmenten, Peptiden etc. modifizierte Träger eingesetzt, die das Medikament vor Abbau schützen, die Zielzellen spezifisch erkennen und vor allem das Medikament unter einzigartigen Stimuli freisetzen .In dieser Arbeit versuchen wir, chemische Konjugate zu etablieren, die durch harmloses sichtbares Licht mit einigen bioaktiven wirkstoffähnlichen Molekülen durchstimmbar sind. Eine neue Klasse von photoschaltbaren Molekülen: Donor acceptor Stenhouse adducts (DASAs) werden zu unserem wunderbaren Kandidaten für ihren photoempfindlichen Schalter der Molekülstruktur und die entsprechende Löslichkeit in organischen und wässrigen Lösungsmitteln. Um einen Drug-Delivery-Prozess abzuschließen, muss vorab das Transportverhalten des Drug-Carriers getestet werden. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, die Transportmöglichkeit von DASAs zwischen organischer und wässriger Phase und sogar einen konsistenten Transport durch eine wässrige Phase von einer organischen Phase zur anderen in einer spezifischen Dreiphasensäule zu untersuchen. Der zweite Zweck ist die Synthese von bioaktiven, wirkstoffähnlichen DASA-Konjugaten. Das medikamentenähnliche Dihydropyrimidinon (DHPM)-Derivat wird zuerst für unsere DASA-donor-modifikation ausgewählt aufgrund seiner Analogien zu Dihydropyridin (DHP)-Derivaten, die bereits häufig als Medikamente gegen Kardiomyopathie verwendet werden. Die sogenannten DHPM-DASA-Konjugate werden dann mit dem DHPM-funktionalisierten Donor erzeugt. Die Modifikation des DASA-Akzeptors erfolgt durch die berühmte Kupfer(I)-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition (CuAAC). 1,2,3-Triazol wird verwendet, um drei Arzneimittel-Zwischenprodukte und normalen DASA-Akzeptor zu kombinieren, um einen Click-DASA-Akzeptor zu erzeugen, der auch für die nächste Synthese von wirkstoffähnlichen Click-DASA-Konjugaten wichtig ist. Die Charakterisierung dieser beiden wirkstoffähnlichen DASA-Moleküle wird auch durchgeführt, um die ursprüngliche lichtempfindliche Eigenschaft von DASA-Molekülen zu verifizieren. Mit beiden positiven Ergebnissen der Synthese und Charakterisierung bringen wir sie zum Transporttest mit Dreiphasensäule. Abgesehen davon, dass wir am Ende dieser Arbeit auch versucht haben, ein komplexes wirkstoffähnliches Click-DHPM-DASA mit sowohl der DHPM-Gruppe als auch der Wirkstoff-Zwischengruppe zu synthetisieren.

Bei COVID-19 handelt es sich bisher meistens um eine relativ milde Erkrankung. Sie ist aber hochansteckend und kann bei ungünstiger Veranlagung (Genetische Faktoren, Alter, Gesundheitszustand) einen schweren bis tödlichen Verlauf haben [3]. Der bisherige Pandemieverlauf lässt sich anhand der Red Queen Hypothese und der Muller’s ratchet Theorie erklären und die Versuchsergebnisse der Arbeiten mit Phagen unterstützen dies. Die steigende Virulenz zu Beginn der Pandemie als gar keine oder wenige Leute geimpft waren, konnte durch die Entwicklung der Phagen bei der large Scale Passage repräsentiert werden. Die verringerte Virulenz in den jetzigen Mutanten kann ein Einfluss des Impfstoffes sein und wird durch den Effekt der Plaque to Plaque Experimente repräsentiert. Jedoch ist der weitere Verlauf der SARS-CoV-2 Pandemie nicht vorhersehbar. Im Rahmen der Phagenexperimente konnte beobachtet werden, dass es plötzlich zu einem unerwarteten Anstieg oder Abfall der Fitness kommen kann. Im Rahmen dieser Masterarbeit sollte herausgefunden werden, ob die RQH und Muller’s ratchet Theorie auf T4 Bakteriophagen anwendbar sind. Dazu sollte geprüft werden, ob sich die Theorien auf DNA-Viren genauso auswirken, wie auf RNA-Viren. Untersucht werden sollte die Entwicklung der Fitness, die Veränderungen der Phagenkonzentration sowie der Verlauf der Wurfgröße von T4. Die Untersuchung der Parameter erfolgt unter Anwendung die Methode des Large Scale Passage (RQH) und Plaque to Plaque Assay (Muller’s ratchet). Zusätzlich sollte im Fall von large Scale Passagen die Burstzeit untersucht werden, während beim Plaque to Plaque der durchschnittliche Plaquedurchmesser und die dazugehörige Wachstumsrate untersucht werden. Weiterhin sollten genotypische Veränderungen von T4 Bakteriophage im Laufe der Passagen anhand Gelelektrophorese analysiert werden. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Theorien nicht nur auf DNA-Phagen anwendbar sind, sondern dass sie einen ähnlichen Verlauf wie RNA-Viren aufweisen. Außerdem ist es wichtig zu erwähnen, dass der Korrektur Mechanismus der DNA-Phagen, sowie die Größe der Phagen, einen merklichen Einfluss auf die Untersuchungsergebnisse hat. Im Vergleich zu RNA Viren sind die theoretisch vorhergesagten Effekte bei den untersuchten DNA-Phagen nicht so stark ausgeprägt, aber immer noch sichtbar. Weiterhin konnte durch die Untersuchung einzelner Plaques gezeigt werden, dass es innerhalb einer Population diverse Unterschiede der Wachstumsraten gibt und die damit einhergehenden Plaquegrößen sehr verschieden sind. Im Fall von large Scale Passagen wurde eine vergleichbare Tendenz bzw. ein Fitnessanstieg wie bei den RNA Viren festgestellt und die Anwendbarkeit der Theorie bestätigt. Für einen genaueren Vergleich müsste die Anzahl der Versuche noch deutlich erhöht werden. Die Analyse durch die Gelelektrophorese, um die aufgetretenen Mutationen zu beobachten, was eine Bestätigung der Ergebnisse geben könnte, war wegen der ghmc in T4 DNA nicht möglich. Hier könnte die Verwendung einer klonierten T4 DNA das Problem lösen. Dieser Schritt wäre jedoch sehr zeitaufwendig und es besteht die Möglichkeit, dass die ghmc Struktur von T4 einen Einfluss auf die Fitness hat.

Der Verlauf der viralen Fitness von Phagen bei large Scale Passagen wurde schon in den 90er Jahren mit humanpathogen RNA-Viren untersucht. Aufgrund der hohen Pathogenität von verschiedenen Viren, die in den letzten Jahren Bekanntheit erlangten, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente über der viralen Fitness bei large Scale Passagen mit harmlosen DNA-Viren wie Bakteriophagen T7 durchgeführt. Die Experimente zeigen, dass die Untersuchung der viralen Fitness von T7 bei large Scale Passagen teilweise zu einer Fitnesserhöhung führt. Es folgt dann eine Abnahme der Burstzeit, eine Zunahme der Wurfgrößenrate sowie eine Minderung des Phagentiters im Laufe der Passagen. Zusätzlich zeigt die DNA-Analyse unterschiedliche Mutationen des Genoms im Laufe der Passagen.

Diese Arbeit befasst sich sowohl mit der Synthese neuartiger Thiazolkörper, als auch mit der Untersuchung einiger Molekülstrukturen hinsichtlich potentieller Sensoreigenschaften. Dabei wird zum einen in 2-Position Pyren und zum anderen eine Verbrückung zu einem 2,2'-bis-Thiazolsystem realisiert. Zusätzlich wird die oft mit Carbonsäure funktionalisierte Position 5 und die Hydroxy-Position 4 dabei in zusätzlicher Derivatisierung herangezogen. Die intensive Fluoreszenz vieler 4-Hydroxy-1,3-thiazole und ihrer Derivate kann eine Applikation als fluoreszente Chemosensoren in einem biologischen Umfeld ermöglichen. Die Anwendung als fluoreszente Chemosensoren konnte bei Pyrenthiazolen für Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff sowie pH-Wert und Polarität aufgezeigt werden. Die verbrückten 2,2'-bis-Thiazolsysteme demonstrierten eine ausgezeichnete Respons auf Magnesium, welches ein breites Anwendungs- und Forschungspotential besitzt. In zusätzlichen Untersuchungen war es möglich, durch Substitution ein Chlorid in 4-Position eines Thiazols einzuführen. Ebenfalls soll eine Acetylgruppe in 5-Position eingeführt werden, was allerdings in dieser Arbeit nicht vervollständigt wird.

Die Möglichkeit, Organoide aus Stammzellen zu erzeugen, eröffnet ganz neue Möglichkeiten für Bereiche wie der Wirkstoffforschung, hin zu Anwendungen in der personalisierten Medizin. Besonders das Gehirn und zentrale Nervensystem ist auch heute noch für die Forschung nur schwer zugänglich. So konnten beispielsweise bereits cerebrale Organoide aus hESC erzeugt werden, an denen sich die Entwicklung des menschlichen Gehirnes beobachten lässt. Der Anwendung von Organoiden im großen Stil steht im Weg, dass die Herstellung zum einen relativ aufwändig ist und zum anderen die hergestellten Organoide untereinander wenig homogen sind. Durch die Verwendung der an der TU Ilmenau entwickelten MatriGrids® wurde versucht, den Herstellungsprozess von cerebralen Organoiden nach dem Protokoll von Lancaster et al. Im Bezug auf die Ausbeute und die Homogenität zwischen den Organoiden zu verbessern. Hierzu wurden neuartige MatriGrids® verwendet, bei denen PLGA-Fasern in die Kavitäten eingespült wurden. Die Verwendung der PLGA-Fasern soll die Ausbildung von Neuroektoderm positiv beeinflussen.

Organ-on-a-Chip (OoaC) Mikrosysteme sind neuartige Testinstrumente mit perfundierten 3D-strukturierten Zellkulturen, welche die Physiologie von Organen nachbilden. Genaue Kontrolle der mikrophysiologischen Bedingungen und Verwendung von mehreren Zelltypen sind wesentlicher Fortschritte im Vergleich zu herkömmlichen 2D-Zellkulturen. Der Einsatz von OoaCs verspricht eine Optimierung/Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung, die Ermöglichung personalisierter Medizin und eine Verminderung des Bedarfs an Tierversuchen. Zwei OoaC-relevanten Modulen wurden konstruiert: (a) Ein modularer Luftblasen-Entferner; (b) eine programmierbare Mehrkanalpumpe für die Zugabe von Nährstoffen, Hormonen und sonstigen bioaktiven Substanzen. (a) Luftblasen in OoaCs sind zytotoxisch und behindern die Perfusion. Sie werden entweder infundiert oder entstehen aus Lufteinschlüssen während Temperatur- oder Druckschwankungen. Ein mikrofluidischer Blasenentferner wurde gebaut, dessen mikroporöse Membran (Porendurchmesser: 0,3 [my]m) die Luftblasen zu einer 1 mm dicken PDMS-Membran lenkt die sie in eine Vakuumkammer führt. Normaler Perfusion (0-150 [my]l/St.) ergab eine effektive Blasenentfernung (Halbwertszeit: 12 Min.). Weiter zeigten sich kaum Effekte der Betriebsparameter (Perfusionsrate und fluidischer Widerstand) auf die Blasenentfernung. COMSOL-Modelle der Blasenentfernung entsprachen den experimentellen Beobachtungen. Eine dünnere, semiporöse PDMS-Membran beschleunigte die Blasenentfernung um das Doppelte. Simulationen zeigten, dass die 1 mm dicke PDMS-Membran, die -900 mbar ausgesetzt wird, den Luftgehalt des Mediums um 36 % vermindert, was stromabwärts Luftblasen reduzieren könnte. Zum Schluss wurde ein Konzept des "non-porösen Schwamms" präsentiert, zur Luftblasenentfernung mit PDMS ohne externe Vakuumleitungen. (b) Eine programmierbare Mehrkanalpumpe wurde entworfen, um physiologiegerechte Abgabe von komplexen Medien an OoaCs zu realisieren. Schrittmotoren, kontrolliert von einem Arduino-Mega-2500 Mikrokontroller, betätigen Spritzen mit den jeweiligen Medienkomponenten. Zur Eingabe von Infusionsmustern wurde eine Excel-ähnliche Benutzerfläche erstellt. Eine Windows GUI Konsole wurde in Visual Basic 2017 und Python 3.7 programmiert zur Konversion der Infusionszeitpläne in ausführbare Pumpdateien. Ein Arduino Sketch (in Arduino C) diente zur elektronischen Ansteuerung der Schrittmotoren.

Im Gegensatz zu RNA-Viren wurden DNA-Viren bisher wenig unter dem Gesichtspunkt von Muller's ratchet untersucht. Der Bakteriophage T7 soll dahingehend unter Aussetzung von genetic bottlenecks auf die Theorie von Muller's ratchet auf mehrerer Parameter untersucht werden. Zusätzlich wird die Methode des Plaqueto-Plaque-Assays für zukünftige Arbeiten evaluiert. Die Experimente zeigen, dass die Theorie von Muller's ratchet auf den DNA-Phagen Escherichia Virus T7 angewendet werden kann. Es zeigt sich eine Abnahme der Phagenkonzentration, des Plaquedurchmessers und der Plaquewachstumsrate.

In der vorliegenden Arbeit soll die In vitro Direktverknüpfung von RNA Oligomeren zur kombinatorischen Synthese von definierten RNA Sequenzen untersucht und ein Verfahren für diese entwickelt werden. Dazu wurden verschiedene Experimente mit unterschiedlichen Ansätzen durchgeführt. Die Ergebnisse lieferten Anhaltspunkte, welche Methoden erfolgreich sein können, schlossen allerdings auch einige Vorgehensweisen aus.

Das Gebiet der tröpfchenbasierten Mikrofluidik gewinnt in vielen biologischen und chemischen Forschungen große Anerkennung und großes Interesse. In dieser Arbeit wurde ein tröpfchenbasierter Aufbau optimiert, um die Lösungsmittelpolarität von binären und ternären Lösungsmittelgemischen zu untersuchen. Daher wurde die Absorption von Reichardts Farbstoff als solvatochrome Sonde verwendet, um das fluidische System sowie die Verfahrensschritte zu optimieren. Der Aufbau bestand aus einem Tröpfchengenerator, der an ein computergesteuertes Spritzenpumpensystem angeschlossen war. Spektroskopische Daten wurden mit einem angeschlossenen Durchflussspektrometer aufgezeichnet. Zwei verschiedene fluidische Betriebsmethoden zur Erzeugung der Lösungsmittelgemische wurden untersucht und ihre Genauigkeit untersucht: 1.) Kontinuierlicher Fluss und Stoppflussmodi wurden verwendet, um die Genauigkeit der empfangenen Lösungsmittelgemische für binäre Phasen zu optimieren, und 2.) Ein Vergleich zwischen "mäanderförmigen" und "spiralförmigen" fluidischen Methoden wurde durchgeführt, um die Unterschiede im Sequenzmodus des Screenings ternärer Phasen durch verschiedene fluidische Verfahren zu untersuchen. Der kontinuierliche Fluss war zeiteffizienter und zeigte keinen signifikanten Unterschied im Vergleich zum Stopp des Flusses, daher wird er in der ternären Phase verwendet. Nach der Optimierung wurde die lösungsmittelabhängige Absorption von photoschaltbaren DASA-Derivaten in Gemischen aus 1,4-Dioxan, Methanol und Dimethylformamid (DMF) untersucht. Die Verschiebung der Spektralbanden (max) bei maximaler Absorption des Reichardt-Betains als solvatochromer Farbstoff mit starker Solvatochromie und photoschaltbaren DASA-Derivaten mit geringer solvatochromer Wirkung wurde untersucht. Die DASA-Derivate zeigen eine Verschiebung des Spektrums um etwa 20 nm. Im Vergleich zum Reichardt-Betain mit Verschiebungen bis zu 200 nm ist die DASA-Solvatochromie gering. Die Analyse zwischen Spiral- und Mäandermethode zeigte einen ähnlichen Trend, aber die präzise Spirale ergab ein näheres Ergebnis als der manuell gemessene Binärdatensatz als Referenz. Der Photo-Switching-Effekt wirkt auf beide untersuchten DASA-Verbindungen (Nr. 6 und 2.2) und wurde in 1,4-Dioxan, jedoch nicht in polareren Lösungsmitteln wie Methanol oder DMF beobachtet. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Verbesserung und Optimierung des fluidischen Systems, der Prozessparameter und Datenanalysemethoden, um das System im Allgemeinen als Werkzeug zur Untersuchung der solvatochromen Wirkungen ternärer Lösungsmittelgemische zu beweisen. Schlüsselwort: DASA (Donor-Acceptor Stenhouse Adducts), Mikrofluidsystem, Reichardt-Farbstoff, Solvatochromes Verhalten, UV-Vis-Spektroskopie

Hybrid besteht aus einem natürlichen Gen und einer synthetisch hergestellten Promotorregion für die T7 RNA Polymerase, welche für die in vitro Transkription benötigt wird. Das natürliche Gen wurde mittels PCR amplifiziert und die synthetisch hergestellte Promotorregion wurde aus vier Primern zusammengesetzt, indem diese annealt und ligiert wurden. Es war möglich, DNA Hybride mit einer Länge von bis zu 1650 bp herzustellen und daraus über in vitro Transkription RNA zu transkribieren.

In den letzten Jahrzehnten haben sich viele Forschungsprojekte mit der Untersuchung neuraler Stammzellen beschäftigt, um die Neurogenese besser zu verstehen und umwirksameTherapien zur Behandlung neurodegenerativer Erkrankungen sowie von Hirn-und Rückenmarksverletzungen zu entwickeln. In der vorliegenden Studie wurden menschliche neuronale Stammzellen (NSCs) in Bezug auf Zellexpansion und Neurogenese untersucht. Die neuralen Stammzellen wurden erzeugt, indem humane embryonale Stammzellen (H9-Stammzelllinie) über duale SMAD-Inhibition neuralinduziert wurden. NSCs wurden entweder als konventionelle adhärente Monolayerkultur (2D) oder als Neurosphärenkultur (3D) kultiviert und die Multipotenz und der Differenzierungszustand der Zellen wurde durch Anwesenheit von Marker Proteinen untersucht. Hierbei kam die Antikörper-basierte Immunfluoreszenztechnik und Laserscanningmikroskopie zur Anwendung. Verschiedene Kultivierungs- und Differenzierungsmethoden sowie Versuchsbedingungen (Medien, Neurotrophine, verschiedene ECM-Substrate, Zelldichte, Konfluenz, Inkubationsdauer) wurden getestet, um eine effiziente Differenzierung der NSCs in Neuronen zu erreichen. Die mit dibutyrl-cAMP- induzierten neuralen Stammzellen in der Monolayer-2D-Kultur differenzierten in unreife Neuronen, die durch Expression von ß3-Tubulin identifiziert wurden. Außerdem konnte eine Stimulation der Gliogenese (GFAP-positive Astrozyten) gezeigt werden. Letztendlich resultierte eine optimierte Neurosphärenkultivierung inder Erzeugung von MAP2-positiven Neuronen, welche hauptsächliche reife Neuronen repräsentieren. Dies zeigt, dass die in dieser Studie entwickelte Methode als Modell der neuronalen Entwicklung im Vergleich zur 2D-Kultur überlegen ist. Am Ende wurden die elektrischen Aktivitätender auf MEA-Chips gezüchteten 2D-differenzierten NSCs beobachtet. Es konnten jedoch keine elektrischen Aktivitäten (Peaks) nachgewiesen werden, was darauf hinweist, dass die erzeugten Neuronen nicht reif genug waren. Stichwörter: 2D Monolayer, 3D-Neurosphäre, db-cAMP-neuronale Differenzierung, humane neurale Stammzellen, Immunfluoreszenz, Laserscanningmikroskopie, Neurale Stammzellkultur, Neurogenese, MEA-Messung

Cholesterin ist ein wesentliches Element, das der menschliche Körper benötigt, um zu funktionieren richtig. Der menschliche Körper benötigt seitdem genau die richtige Menge an Cholesterin. Ein unzureichender und übermäßiger Cholesterinspiegel kann zu unterschiedlichen Gesundheitsproblemen führen. Dies Forschung wurde durchgeführt, um nicht-enzymatisches elektrochemisches Verhalten von Cholesterin zu analysieren, wie indirekte Cholesterinoxidation, da es gesundheitliche Erkrankungen verursachen kann und für die Entwicklung möglicher Nachweismethoden für Cholesterin. Die Ergebnisse zeigten, dass basierend auf der Analyse unter Verwendung von Cyclovoltammetrie das Platin (Pt) und Glaskohlenstoff (Gc) -Elektroden konnten das Cholesterin mit einer Konzentration nachweisen Bereich von 0,0062 bis 0,0759 mM, enthalten in Acetonitrillösung zusammen mit Kalium Bromid (KBr) und Tetrabutylammoniumhexafluorophosphat (NBu4PF6). Die Erkennung Grenze der Platin- und Glaskohlenstoffelektroden zur indirekten Oxidation von Cholesterin war 17,0 uM bzw. 9,85 uM. Die Ergebnisse der Nachweisgrenze der verwendeten Elektroden in diese Forschung scheint wesentlich besser zu sein als diejenigen, die Cholesterin verwenden In der Literatur berichtete Oxidase zeigte jedoch eine schlechtere Leistung im Vergleich zu der ähnlichen Elektrodenmaterial in der Literatur angegeben. Daher weitere Forschung und Verbesserung was benötigt wird, um eine höhere Nachweisfähigkeit gegenüber indirekter Oxidation von zu entwickeln Cholesterin.

Diese Masterarbeit befasst sich mit der Synthese von Polymerpartikeln mit einer möglichst großen Oberfläche unter Verwendung einer tropfenbasierten Mikrofluidtechnik. Darüber hinaus wird die Änderung des Zeta-Potentials der Polymerpartikel durch ionische Monomere und polyionische Makromoleküle sowie die Assemblierung der Polymerpartikel mit Metallnanopartikeln durch elektrostatische Wechselwirkungen untersucht. Von diesen Komposit-Partikeln wird erwartet, dass sie eine Signalverstärkung für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) erzielen können. Die Polymerpartikel wurden in einem Mehrphasensystem synthetisiert. In der organischen Phase wurden Monomere - Divinylbenzol(DVB) oder Methacrylsäuremethylester(MMA), thermische Initiatoren - Azobis(isobutyronitril) AIBN oder Kaliumperoxodisulfat (KPS) in Toluol zugegeben. In der wässrigen Phase wurden verschiedene Tenside wie Span20, Brij52, SDS oder Polyelektrolyte wie Natrium-Polystyrensulfonat (PSS), Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PolyDADMAC) eingesetzt. Es konnte festgestellt werden, dass die Morphologie und die Größe der Oberfläche der Polymerpartikel von vielen Parametern, wie unterschiedlichen Tenside, Durchflussratenverhältnissen der wässrigen Phase und organischen Phase, Massenverhältnissen innerhalb der organischen Phase sowie Reaktionstemperatur und zeit, beeinflusst werden. Mit der Zugabe der polyionischen Makromoleküle PolyDADMAC oder PSS kann das Zeta-Potential der Partikel gezielt geändert werden. Zusammen mit der vergrößerten Oberfläche eignen sich die Polymerpartikel dazu, Metallnanopartikel durch elektrostatische Wechselwirkungen anzulagern.

Die tropfenbasierte Mikrofluidik ermöglicht die Isolierung und die Manipulation von einzelnen Zellen und Reagenzien innerhalb von dispergierten Kompartimenten. Diese moderne Technologie bietet umfangreiche Einsatzmöglichkeiten in den Bereichen der Chemie, der Biologie und der Medizin. Im Rahmen der Masterarbeit wurde die Funktionalität eines tropfenbasierten Mikrofluidik-Systems für die Etablierung eines alamarBlue®-Assays untersucht. Es wurden in einem tropfenbasierten Mikrofluidik-System Kompartimente mit unterschied-licher Verdünnung einer U-87MG Zellsuspension erzeugt. Darüber hinaus wurde den Tropfen ein definiertes Volumen des alamarBlue®-Farbstoffs zugegeben. Die Zugabe erfolgte mit einem mikrofluidischen Zudosiermodul. Durch die metabolische Aktivität der vitalen U-87MG Zellen wurde die nichtfluoreszierende Form des alamarBlue®-Farbstoffs, das Resazurin, in die fluoreszierende Form Resorufin umgewandelt. Die Vitalität der Zellen im Tropfen ist hierbei proportional zum Fluoreszenzsignal des einzelnen Tropfens. Für eine quantitative Fluoreszenzmessung von Tropfen in einem Schlauch, wurde ein Analysemodul bestehend aus einer Lichtquelle, einem Fluidikmodul und einer Detektionseinheit (Spektrometer oder PMT), aufgebaut und optimiert. Als Lichtquelle diente eine Laserdiode (525 nm) die über Lichtleiter mit dem speziell für tropfenbasierte Anwendungen entwickelten Analysemodul gekoppelt wurde. Die Messung der Fluoreszenz erfolgte entweder mit einem Spektrometer oder mit einem Photomultiplier (PMT). Der Fokus der Untersuchungen lag auf der Steigerung der Sensitivität. Desweitern wurden im Rahmen der Arbeit alle Komponenten des tropfenbasierten Mikrofluidik-Systems und des Analysemoduls charakterisiert und optimiert. Die Validierung des Mikrofluidik-Systems basierte auf der Ermittlung der Zellvitalität mittels alamarBlue®-Assay. Mit Hilfe der Vitalitätsanalyse wurde z.B. ermittelt, ob ein zuvor erzeugter Zellgradienten effizient und zuverlässig mit dem tropfenbasierten Mikrofluidik-System generiert werden kann. Letztendlich wurden die Messergebnisse, die mit dem Spektrometer und dem Photomutliplier erfasst wurden gegenübergestellt und diskutiert.

Ziel der Bachelorarbeit war es eine möglichst universell anwendbare Methode zur Qualitätskontrolle von Antikörpern und auf antikörperbasierenden Produkten, insbesondere perxodasemarkierte Antikörper, mittels HPLC-gekoppelter Größenausschlusschromatographie zu entwickeln. Hierzu wurden zunächst allgemeine Versuchsparameter, wie z.B. Laufpufferzusammensetzung und Flussgeschwindigkeit, untersucht. Anwendung fand die entwickelte Methode letzten Endes bei der Überprüfung, ob die Peroxidasemarkierung eines a-MRP14 Antikörpers vollständig abgelaufen ist, was durch Spiken einer Lösung, welche peroxidasemarkierte Antikörper enthält, mit unmarkiertem Antikörper simuliert wurde. Hier zeigt sich ein durchaus geeignetes Anwendungsgebiet der Methode, was sich anhand der geringen nachweisbaren Mengen von unmarkiertem Antikörper zeigen lässt. Ein weiteres Anwendungsgebiet war die Untersuchung der Stabilität von FP72 Antikörpern in unterschiedlichen Matrizes, wobei, aller Wahrscheinlichkeit nach, aufgrund der bereits stark aggregierten Antikörper Ergebnisse erzielt wurden, welche gängigen Theorien, zumindest zum Teil, widersprechen.

Humane primäre Hepatozyten werden häufig zur Untersuchung von Arzneimitteltoxizitäten, Arzneimittel-Clearance und Arzneimittel-Wechselwirkungen verwendet. Aufgrund der schnellen Dedifferenzierung der Zellen in zweidimensionalen Kulturen geht der Leberphänotyp und die Leberfunktion verloren und eine langfristige Kultivierung ist nicht möglich. Aus diesem Grund werden häufig 3D- Zellkultursysteme verwendet, die die in vivo Leberphysiologie besser imitieren können. In der Arbeitsgruppe wurde ein Zellsheetlayersystem (CSL) entwickelt, welche Leberläppchen nachahmen und mit Hepatozyten und sinuosidalen Leberendothelzellen besiedelt werden können. Die Herstellung erfolgt durch die 3D-[my]-contact-printing-Methode. Das Kultivieren von Zellen in diesen dreidimensionalen Strukturen kann zu phänotypischen und funktionellen Verbesserungen bei den kokultivierten Zelltypen führen. Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war die Entwicklung einer Antikörper-basierten Immunfluoreszenzdetektionsmethode, durch die Hepatozyten und sinuosidale Leberendothelzellen (LSECs) auf einem Zell-Sheet-Layer-System (cell-sheet-layer, CSL) durch Farbstoff-markierte Antikörper und Laserscanningmikroskopie selektiv detektiert werden können. Dies dient zur besseren Charakterisierung des Zellsheetlayer-Kokultursystems. Zu diesem Zweck wurden primäre upcyte® Hepatozyten (pHeps) und primäre upcyte® LSECs verwendet, welche aufgrund gentechnischer Modifikationen länger proliferieren können. Mit der 3D-[my]-contact-printing-Methode wurden Zellsheetlayer hergestellt. Verschiedene Antikörper (AK)-Kombinationen wurden getestet und die Immunfluoreszenzdetektionsmethode konnte erfolgreich mit einem monoklonalem anti-Albumin-AK zur Detektion der Hepatozyten sowie einem monoklonalem anti CD31-AK zur Detektion der LSECs in einer 2D-Kokultur etabliert werden. Zuvor konnte gezeigt werden, dass die selektive Detektion der Hepatozyten und LSECs mit folgenden AK-Kombinationen nicht möglich war: polyklonaler anti Albumin AK (Heps)/ monoklonaler anti CD31-AK (LSECs) und monoklonaler anti AAT-1-AK (Heps)/ monoklonaler anti CD31-AK (LSECs). Der Grund hierfür waren jeweils unspezifische Bindungen der AK an beide Zelltypen. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der selektiven Detektion von verschiedenen Zelltypen in einem Kokultursystem auf Unspezifität der verwendeten AK geachtet werden muss und die spezifischen Antigene sorgfältig ausgewählt werden müssen.

Strahlentherapie zur Behandlung von Hirntumoren bei Kindern führt oft zu Hirnverletzungen, die Langzeitnebenwirkungen wie die Minderung der Neurokognition verursachen können. Zum Verständnis des Mechanismus der Neurotoxizität und zum Vergleich der Effekte verschiedener Therapiemethoden ist es notwendig ein Brain Radiation Assay zu etablieren. Engineered cerebral organoids (enCORs) eignen sich als in vitro Modelle, da sie hochkomplexe Strukturen und diverse Hirnregionen aufweisen. Allerdings, weisen enCORs hinsichtlich ihrer Form und Größe Heterogenität auf. In dieser Studie wurden Scaffolds aus biokompatiblen Polymeren hergestellt und/oder hinsichtlich der Kultivierungseigenschaften der enCORs untersucht. Die Scaffolds wurden verwendet um enCORs aus der humanen embryonalen Stammzelllinie H9 zu generieren. Der zweite Ansatz zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit der enCORs bestand aus der Vereinheitlichung von embryoid bodies durch Kultivierung auf elektrogesponnenem Poly-[Epsilon]-caprolacton Meshs, welche durch Liverani bereitgestellt wurden. Die generierten enCORs wurden hinsichtlich ihrer Morphologie, Größe und Genexpression untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die enCORs, welche etablierte Protokolle generiert wurden, eine geringere Heterogenität aufwiesen im Vergleich zu den enCORs, die in den betrachteten Scaffolds generiert wurden. Die Kultivierung der H9 Zellen auf dem elektrogesponnem Poly-[Epsilon]-caprolacton Mesh führte nicht zur Bildung von embryoid bodies.

Die pulmonale Hypertonie (PH) ist ein klinisch und ätiologisch heterogenes Krankheitsbild, welches durch einen pulmonalarteriellen Druck von ≥ 25 mmHg definiert wird. Während der Progression kommt es zum Umbau der pulmonalvaskulären und myokardialen Gefäßstrukturen. Vor diesem Hintergrund sollte in einem Mausmodell der Einfluss von ED-A+-Fn auf die Progression der pulmonalen Hypertonie untersucht werden. Als Versuchsmodell wurde die PH mittels Monocrotalin in EDA-knockout und C57BL/6 Mäusen induziert. Im Anschluss sollte mittels histologischer, immunhistochemischer und molekularbiologsicher Analysen die Reexpression der onkofetalen Splicevariaten ED-A+-Fn und B+-TnC sowie zusätzlich von ASMA, COL3A1 und CD31 als Marker des pulmonalvaskulären und myokardialen Remodellings durchgeführt werden. Die MCT-induzierten Tiere zeigten einen erhöhter RVPsys und gesundheitliche Beeinträchtigung gegenüber den Kontrollen. Diese Folgeerscheinungen aufgrund der PH zeigten sich auch in einer ausgeprägten Schädigung in der Lunge. Zwischen den beiden MCT-Gruppen konnten Unterschiede in der Progression der Krankheit festgestellt werden, da alle Befunde in den C57BL/6 erkrankten Tieren schwerwiegender ausgeprägt waren als in den EDA-knockout Mäusen. In der durchgeführten Immunhistochemie konnte die Reexpression der onkofetalen Splicevarianten ED-A+-Fn und B+-TnC in den in den MCT-induzierten C57BL/6 Mäusen aufgezeigt werden. ED-A+-Fn dagegen konnte in keinem knockout-Tier nachgewiesen werden, was für das erfolgreiche Ausschalten des ED-A+-Fn Gens spricht. Für ASMA und COL3A1 konnte im Vergleich zwischen den Kontrollen und den MCT-induzierten Tieren eine gesteigerte Expression im Myokard der erkrankten Tiere nachgewiesen werden, wobei generell mehr Antigendeposition in den C57BL/6 als den EDA-knockout Mäusen vorlag. CD31 konnte in den erkrankten Tieren im Gegensatz zu den Kontrollen detektiert werden. Ein Unterschied zwischen den beiden MCT-induzierten Gruppen konnte nicht festgestellt werden. Die Isolation von RNA, aber auch DNA und Protein aus einer sehr kleinen Gewebeprobe konnte in qualitativer und quantitativ ausreichender Menge erfolgreich durchgeführt werden, so dass diese Methode für nachfolgende Versuche im Labor für mögliche Genexpressionsana-lysen angewandt werden kann. Die aus dieser Arbeit gewonnene Erkenntnis, dass das Fehlen von ED-A+-Fn die Ausbildung und gegebenenfalls auch die Progression der PH vermindert, spricht für eine wesentliche Rolle des ECM-Moleküls in der Pathologie der Erkrankung .Es ist zu erwarten, dass das Tiermodell der MCT-induzierten EDA-knockout Maus einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Pathologie der Krankheit leistet sowie die Basis für neue Therapieoptionen bietet.

Die 2,5-substituierten 4-Hydroxythiazole bilden eine fluoreszente Farbstoffklasse mit, in weiten Grenzen, einstellbaren Absorptions-und Emissionswellenlängen. Die gewonnenen Erkenntnisse über diese heterozyklischen Fluoreszenzsysteme sollen der Erschließung alternativer Einsatzmöglichkeiten solcher Moleküle in den verschiedenen Anwendungsgebieten der Biologie, Chemie und Technik beitragen. Somit wurden im Rahmen dieser Masterarbeit zum einen Derivatisierungen mit variablen Substituentenmuster in der fünften Position durchgeführt, zum anderen wurde der Einfluss der Etherschutzgruppe auf die Reaktivität und die fluoreszenten Eigenschaften der neuartigen Thiazolderivate erforscht. Des Weiteren fanden intensive Untersuchungen zur Wiederherstellung der freien OH-Funktionalität statt. Es konnte gezeigt werden, dass Benzyletherthiazolderivate hohe Stabilität gegenüber reduktiver sowie oxidativer Spaltung aufweisen. Demnach bietet die Benzylschutzgruppe keine Vorteile. Außerdem wurde eine Synthesestrategie zur direkten Bromierung des Thiazolkerns entwickelt, welche die Durchführung diverser Kreuzkupplungsreaktionen an Thiazolen erlaubt. Die Anknüpfung des bromierten Produktes an konsekutive Reaktionspfade, wie Suzuki-, Sonogashira- und Heck-Kupplungen konnte erfolgreich realisiert werden.

In dieser Arbeit wurden drei Themengebiete bearbeitet. Zum einen die Entwicklung eines mikrofluidischen System zum Wachstum von form-anisotropen Edelmetall-Nanopartikeln aus Silber, zum anderen eine kontinuierliche mikrofluidische Metallisierung mit Palladium und andere Metalle von der Platin Gruppe. Zum Schluss erfolgte der Test dieser bimetallischen Nanopartikel für die biosensorische Analytik. Dabei wurde der Einfluss der Metallisierung auf die Bulk Sensitivität der Partikel mittels LSPR Messung bestimmt. Es wurde erstens bei der Wachstumsphase im Batch bessere Ergebnisse bei einer langsamen Zugabegeschwindigkeit von den Silberionen festgestellt. Dann wurde ein kontinuierliches mikrofluidisches System entwickelt, das ein effektives Wachstum von Silber-Nanopartikeln ermöglichte. Die Implementierung der Mikrofluidik in den Syntheseprozess von Metallnanopartikeln hat viele Vorteile, sowohl für die Qualität der Ausbeute der gewonnenen Endprodukte, als auch für die Herstellung des Herstellungsprozess selbst. In der Tat hat der Einsatz von Mikromischern eine bessere Kontrolle der Reaktionszeiten, eine deutliche Reduzierung der Diffusionswege und eine kontinuierliche Synthese ohne Mengenbegrenzung ermöglicht. Der Dean-Flow-Mischer mit seiner geometrischen Struktur führte durch Bildung von Verwirbelung zum guten Mischen von Lösungen vor allem bei sehr schnellen Flussraten. Diese Vorteile haben es ermöglicht, die Anforderungen an Geschwindigkeit und Effizienz beim Mischen der Lösungen zu erfüllen, die die reproduzierbare Synthese von Silber-Nanopartikeln ermöglicht haben. Als ein wichtiges Ergebnis wurde festgestellt, dass die Qualität der synthetisierten Prismen von vielen Synthesen beteiligter Parameter abhängt. Zunächst zeigte ein Vergleich zwischen den mikrofluidischen und den Batch Seeds, dass die mikrofluidischen Seeds durch bessere Ausbeute der Prismen bessere Keime für das sekundare Wachstum sind als die im Batch hergestellten Seedsb sind. Darüber hinaus führte der Aufbau eines Synthesesystems unter Verwendung von Mischer ohne Verweiler zur Herstellung einer Prismenlösung mit niedrigen Partikelgrößenverteilung und einer erheblichen Farbänderung der Lösung innerhalb eines Zeitintervalls von 2 Minuten (nach der Mischung). Durch die Verwendung eines Verweilers mit definierten Längen (für die Einstellung der Reaktionsdauer), erhielt man eine Prismenlösung, die eine bessere Partikelgrößenverteilung der Partikel aufweist. Ein weiterer Faktor, der die Qualität der synthetisierten Prismen stark beeinflusst hatte, war die Konzentration der verwendeten Ascorbinsäure-Lösung in dem Wachstumsschritt. Die Verwendung einer Konzentration von 50 mM führte zu Prismen mit höherem Durchmesser und einen wahrscheinlich hohen Anteil an sphärische Partikel. Die Reduzierung der Konzentration auf einen Wert von 20 mM führt zur erheblichen Verringerung der Peak der Intensität der maximalen Absorptionswellenlänge bei 400 nm und resultiert in dünneren Nanoprismen. Im Hinblick auf die Sekundärmetallisierung von Silber-Nanoprismen mit Palladium wurde zuerst als Modelsystem Vorversuche mit immobilisierten Gold-Nanopartikel durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass es eine sehr unregelmäßige Prismen-Wachstum mit Bildung von vielen Nebenprodukten stattfindet. Darüber hinaus könne man eine Erhöhung der Dicke des zweiten Metallschichts bei verringerter Reduktionsmittelskonzentration (AS) feststellen. Batch Vorversuche der Metallisierung von den Silberprismen zeigten eine Art Koaleszenz über die gesamte Prismen Oberfläche. Zwei Methoden wurden dafür verglichen, insbesondere die Batch-Methode gegen die mikrofluidische-Methode. Im Fall der Batch-Methode war eine Blau-Verschiebung des Absorptionsspektrums zu verzeichnen, während die Mikrofluidischen-Methode eine Rot-Verschiebung ihres Absorptionsspektrums zeigte. Hier wurde eine Wachstumsphase mittels eines Dean Flow Mischer, jedoch auf Basis von Polycarbonat, als Mischstruktur für diese Sekundärmetallisierung eingesetzt. Basierend auf dem gleichen Funktionsprinzip wie der aus Glas, hatte dieser die Besonderheit, mehr Einlässe zu haben und ermöglichte das gleichzeitige Mischen mehreren Edukten. Darüber hinaus lieferte er interessantere Ergebnisse, wenn die Mengen zwischen den Prismen- und Palladiumsalz variiert wurden. Wenn kleine Mengen Palladium (Verhältnis 1:100) mit den Prismen vermischt wurden, kam es zu einer globalen Aggregation auf der Oberfläche der Prismen, jedoch führte eine Erhöhung der Konzentration von Palladium (Verhältnis 1:10) zu einer fast vollständigen Zerstörung der Prismen durch Löcher, so dass die dreieckige Form nahezu verloren wurde. Die Sekundärmetallisierung mit Metallen der Platingruppe zeigte am Beispiel von Platin bei der photochiemischen Abscheidung, die Bildung von kleineren Partikeln auf der Oberfläche der Prismen. Die so erhaltenen bimetallischen Partikel wurden dann charakterisiert. Je nach Größe des verwendeten Prismas ihre Stabilität angesichts einer möglichen Agglomeration unterschiedlich beibehalten. Es konnte leider keine aussagekräftigen Schlussfolgerungen geliefert werden, da es an detaillierten weiteren Untersuchungen mangelte. Schließlich hat die Bestimmung des Einflusses der Metallisierung auf Silber-Nanoprismen für die Sensitivität (durch Brechungsindex Messung) gezeigt, dass trotz Ihres höheren LSPR, waren die mit Palladium metallisierten Silbernanopartikeln weniger empfindlich auf Änderungen des Brechungsindex der Umgebung im Vergleich zu reinen Silbernanopartikeln.

Die vorliegende Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Herstellen und Anwenden von stickstoffdotierten Kohlenstoffnanoröhrenelektroden (N-MWCNT) und deren Modifikation mit Goldnanopartikeln (N-MWCNT/AuNPs) zur Analyse von Biomolekülen aus der Gruppe der Katecholamine. Die Redoxreaktionen der gewählten Neurotransmitter Dopamin und Adrenalin wurden einzeln und anschließend zusammen mit Hilfe der elektrochemischen Methoden der Cyclovoltammetrie in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) untersucht. Dadurch kann die Empfindlichkeit der beiden hergestellten elektrochemischen Elektroden (N-MWCNT und N-MWCNT/AuNPs) gegenüber Dopamin und Adrenalin verglichen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Aufskalierung der 2-Photonen-Polymerisation anhand abstrahierter sinusoidaler Strukturen mit Materialien aus der Mikrosystemtechnik und der Biomedizintechnik erprobt. Mit speziell angefertigten Substraten aus SU-8, SUEX TDFS und UDMA wurde eine konkrete Anwendung für DLW-Erzeugnisse geschaffen. Es wurde eine Strategie entwickelt, die die CAD/CAM-Programmierung hochkomplexer Strukturen für die experimentelle 2PP-Anlage zugänglich macht. Es konnten passende Parametersätze für erfolgreiches direktes Laserschreiben für alle eingesetzten Materialien ermittelt werden.

Um die Bildung von Biofilmen auf Oberflächen zu verhindern, die sich im ständigen Kontakt zu Mikroorganismen befinden, gibt es verschiedene Wege. Eine neue Strategie beinhaltet den Einsatz von Tetraetherlipiden (TEL) als membrananaloges Spacersystem für Antifouling-beschichtungen. Diese Lipide sind Bestandteil der Zellmembranen von Archaeen, wie Sulfolobus solfataricus. Um das Haupt-TEL aus S. solfataricus zu gewinnen, wurde in dieser Arbeit das Standardmedium für deren Fermentation so angepasst, dass möglichst viel Biomasse in kurzer Zeit generiert werden kann. Nach dem Test einiger Basalmedien wurden verschiedene Hefeextrakte als Stoff- und Energiequelle getestet. Das beste Wachstum konnte dabei mit Hefeextrakten, bestehend aus kurzkettigen Peptiden erzielt werden. Zudem wurden unterschiedliche Zucker als zusätzliche Kohlenstoffquelle untersucht. Hierbei führten Stärke, Maltose, Malzextrakt und Saccharose zu den besten Ergebnissen. In Batch-Prozessen konnte durch Kombination des Hefeextrakts Ohly CPT und Saccharose die BTS, im Vergleich zum Standardmedium der DSMZ, mehr als verdoppelt werden auf 0,97 g/l. Zudem wurde das Maximum der OD600 bereits 26 Stunden vor der üblichen Fermentationsdauer erreicht, wodurch vor allem für Batch-Fermentationen im großen Maßstab ökonomische Vorteile entstehen. Das TEL wurde aus der Biomasse durch Soxhlet-Extraktion gewonnen und durch Flash-Chromatographie und Umkristallisation aufgereinigt. Anschließend wurde untersucht, ob das TEL durch Bakterien abgebaut wird. Dazu wurde es bis zu zwei Wochen einer E. coli-Kultur ausgesetzt. Ein Abbau des Lipids konnte dabei nicht festgestellt werden. Um ausschließen zu können, dass die Beschichtungen in der Praxis angegriffen werden, ist die Durchführung weiterer Tests über einen längeren Zeitraum und mit weiteren Mikroorganismen zu empfehlen. Zur Beschichtung von Oberflächen mit TEL wird eine Dispersion benötigt, in der die TEL flüssig kristalline Aggregate bilden. Es wurden Dispersionen aus verschiedenen TEL hergestellt. Um den Einfluss von Reinheit und Art der Lipide auf die Aggregatgröße zu ermitteln, wurden deren Durchmesser bestimmt. Es wurden zum Teil große Unterschiede zwischen den einzelnen Dispersionen festgestellt. Diese Untersuchungen sollen in Verbindung mit weiteren Tests zeigen, ob die Größe der Partikel die Qualität der von ihnen gebildeten Monolayer beeinflusst.

Die Leber hat einen großen Aufgabenbereich im menschlichen Körper. Zu ihren wichtigsten Aufgaben gehören die Entgiftung und der Abbau von Xenobiotika. Ein großer Teil dieser Stoffe wird durch das Protein CYP3A4, eine Monooxygenase aus der Familie der Cytochrome P450, verstoffwechselt. Diese Stoffe können jedoch auch induzierend oder inhibierend auf den Proteinhaushalt wirken, wodurch es zu Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Medikamenten kommen kann. Das Ziel der Arbeit bestand darin, unterschiedliche Kulturmodelle in ihrer Proteinexpression und -induktion zu untersuchen und zu vergleichen. Das dabei betrachtete Protein ist CYP3A4 und die betrachteten Modelle sind ein klassisches 2-D-Monolayermodell von Hepatozyten, eine 3-D-Kultur von Hepatozyten und eine Kokultur aus Hepatozyten und lebersinusoidalen Endothelzellen. Hierbei waren sowohl die Hepatozyten als auch die lebersinusoidalen Endothelzellen primäre upcyte®-Zellen. Die Kultivierungsmethode hatte einen großen Einfluss auf die Proteinexpression und -induktion, so konnten in der 3-D-Kultur und der Kokultur ein deutlicher Anstieg der Proteinmenge sowohl in den basalen, als auch in den induzierten Kulturen nachgewiesen werden. Weiterhin ergaben die Messungen, dass die Kokultur keine weitere Steigerung der untersuchten Parameter gegenüber der 3-D-Monokultur zeigte, wodurch sich das 3-D-Modell von Hepatozyten als beste Basis für die Untersuchungen von Wirkstoffinteraktionen eignet

Die Masterarbeit befasst sich mit der Kultivierung von Zellen auf einer dreidimensionalen, faltbaren Struktur, einem Cell-Sheet-Layer, welche an den Feinbau der Leber angelehnt sind, sowie deren Einbringung in einen Bioreaktor. Ziel ist es, später eine automatisierte Kultivierung über einen längeren Zeitraum zu gewährleisten. So ist es möglich, Vitalität, Effizienz und Sensibilität des Systems zu überprüfen und unter Umständen mit dem In vivo Zustand zu vergleichen. Hintergrund ist die Relevanz von einfachen, menschlichen Testsystemen in der Medizin. Jährlich entstehen hohe Kosten durch zurückgerufene Medikamente durch unerwünschte Nebenwirkungen. Zu diesem Zweck wurden bei der Ko-Kultivierung von nicht-primären, menschlichen Hepatozyten (HepG2) und Endothelzellen (EA.hy926) auf Cell-Sheet-Layer verschiedene Parameter mittels Rasterelektronenmikroskop, Immunfluoreszenzfärbung, Lebend-Tod-Färbung und Albuminspezifischen ELISA untersucht. Es wurden geeignete Passagenzahlen der ausgesäten Zellen gefunden. Ein positiver Effekt konnte durch eine größere Zellzahl der ausgesäten Endothelzellen nachgewiesen werden, ebenso wie die Relevanz der Faltrichtung der Cell-Sheet-Layer und die Reihenfolge der Auftragung der Zelltypen. Darüber hinaus konnte mittels Immunfluoreszenzfärbung eine Charakterisierung der Zellen und eine räumliche Trennung der Zelltypen auf den Cell-Sheet-Layer gezeigt werden. Die Vitalität der auf den Cell-Sheet-Layer ko-kultivierten Zellen, sowie die Funktionalität der Hepatozyten wurden mittels einer Lebend-Tod-Färbung bzw. einer Bestimmung der produzierten Albuminmenge untersucht. Es wurde ebenfalls bestätigt, dass die ermittelten Parameter für die nicht-primären Zelllinien für eine Ko-Kultivierung von primären Hepatozyten (von Upcyte®) und Endothelzllen (Sinusendothelzellen der Leber von Upcyte®) genutzt werden können. Ebenso konnte mittels Immunfluoreszenzfärbung die Charakterisierung der Zellen und deren räumliche Trennung nachgewiesen werden. Aus den gewonnenen Erkenntnissen lässt sich schließen, dass die verwendeten Cell-Sheet-Layer und Bioreaktoren für eine Ko-Kultivierung von Hepatozyten und Endothelzellen geeignet sind. In zukünftigen Experimenten müssen die Ergebnisse weiter verifiziert und für eine Langzeituntersuchung angepasst werden.

Die vorliegende Bachelorthesis beschäftigt sich mit der Entwicklung, Erprobung und Analyse von mikrofluidischer Assays für die Identifizierung von sich bildender mikrobieller Konsortien unter nährstofflimitierenden Bedingungen. Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung dieser Konsortien in den generierten Tropfen. Dazu wurden Pektinverwertende Organismen aus einer Bodenprobe isoliert und unter mikrofluidischen Bedingungen kultiviert. Um eine Konsortienbildung zu garantieren, wurden die isolierten Hefestämme in eine Co-Kultivierung mit einem Zusatz der in der Bodenprobe enthaltenen Mikroorganismen gebracht. Die Hefezellen degradieren das Pektin und versorgen so innerhalb des Tropfens die in der Erdprobe befindlichen Mikroorgansimen mit einer minimalen kontinuierlichen Zufuhr an Nährstoffen. Durch das geringe Nährstoffangebot wird gleichzeitig eine Überprofilierung einzelner, schnell wachsender Spezies unterdrückt. Das Ergebnis dieser Arbeit bestätigt, dass eine Co-Kultivierung und damit verbundener mikrobieller Konsortienbildung möglich und diese optisch auswertbar ist.

Das Ziel der Arbeit war es, ein Kokulturmodell aus primären upcyte® Hepatozyten und sinuosidalen Leberendothelzellen (LSECs) zu etablieren und zu charakterisieren. Die Schwierigkeit bestand insbesondere darin, eine Methode zum Mediumwechsel zu finden, die förderlich auf die Vitalität und Funktionalität beider Zellspezies wirkt. Hierzu wurden die Auswirkungen eines separaten, kompletten und eines Halbmediumwechsels auf zweidimensionale und dreidimensionale Mono- und Kokulturen hinsichtlich der Vitalität, Zellzahl und Albuminproduktion der Hepatozyten nach einer Woche erfasst. Zusätzlich wurden dieselben Bedingungen nach Wachstum der LSECs auf unterschiedlichen Matrigelen® getestet. Auf der Grundlage dieser Daten wurden die besten Bedingungen für die Kokultivierung über drei Wochen ausgewählt. Vorversuche mit 7 Tagen Wachstum zeigten, dass die Hepatozyten als auch die LSECs in der Kokultur eine gute Vitalität (˜70%) aufwiesen. Die Proliferation der Hepatozyten in der 3D-Mono und Kokultur war aufgrund der Scaffoldkultivierung vermindert. Jedoch konnte eine deutlich gesteigerte Albuminproduktion in der 3D Mono- und Kokultur gegenüber der 2D Monokultur nachgewiesen werden. Versuche mit Matrigel/Medium Mix als extrazelluläre Matrix für das LSEC-Wachstum konnten eine nochmalige Steigerung der Albuminproduktion in den Kokulturen gegenüber 3D-Monokulturen aufweisen; jedoch war die Vitalität der LSECs ungenügend. Der Halbmediumwechsel stellte sich als die günstigste Bedingung für eine Langzeitkokultivierung heraus, da hier vor allem die Albuminproduktion am höchsten war. Die Vitalität der Hepatozyten war in der Langzeitkultivierung konstant, während die LSECs nur über zwei Wochen stabil waren. Die Kokulturen zeigten eine konstante Albuminproduktion über 21 Tage, die gegenüber der einfachen 2D-Monokultur etwa doppelt so groß war. Bei den LSECs konnten auch nach 2 Wochen Kokultivierung noch Fenestrationen durch Rasterelektronenmikroskopie nachgewiesen werden, was auf den differenzierten Zellzustand schließen lässt. Zusätzlich bildeten die LSECs während der Kokultivierung mit Hepatozyten Kapillaren aus; ein Hinweis auf eine parakrine Interaktion zwischen LSECs und Hepatozyten. Bei in vitro Wirkstofftests spielt es eine wichtige Rolle, mit einem auch in vivo relevanten Lebermodell zu arbeiten. Eine etablierte und charakterisierte 3D Kokultur kann dies besser darstellen als eine Monokultur.

Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Evaluierung photometrischer Assays zur Detektion der Metaboliten D-Glukose und L-Laktat für eine at-line Qualitätskontrolle in einer vollautomatisierten Zellkultivierungsanlage. Der Evaluierungsprozess umfasst eine Markt- und Literaturrecherche sowie eine daraus konzipierte Bewertungsmatrix der unterschiedlichen, kommerziell verfügbaren Assays. Auf Basis der Bewertungsmatrix wurden drei Assays für die Detektion von Glukose und zwei Assays für die Detektion von Laktat ausgewählt. Die Proben für die Assays wurden aus einer automatisiert kultivierten Zellkultur von hADSCs generiert. Anschließend wurden die Assays auf ihre Präzision, Richtigkeit und Kosten untereinander bewertet. Weiterhin wurde ein Vergleich der Assays zu drei kommerziell verfügbaren stand-alone-Lösungen in Bezug auf Automatisierbarkeit, Kosten und Effizienz durchgeführt. Zusätzlich wurden die Assays in Bezug auf ihre Integrationsfähigkeit in die Prozesskette einer automatisierten Anlage bewertet. Im Rahmen der Evaluation wird in dieser Arbeit ein umfassendes Bild erstellt über verschiedene photometrische Detektionsmethoden von Metaboliten zur at-line Qualitätskontrolle und ihrer Realisierbarkeit im Zuge einer Vollautomatisierung.

Das Ziel der Arbeit zu dem Thema "Machbarkeitsstudie zur Erstellung eines genetischen Baukastens zur kombinatorischen Synthese einer bakteriellen Promotorregion" bestand darin, die prinzipielle Funktion des Konzeptes GEMOCO (Gene module combinatorics) zu untersuchen und die ersten Methoden dafür zu erstellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Promotorregion des Plasmid pGFP mit zwei Restriktionsenzymen geschnitten. Das herausgeschnittene Insert-Fragment konnte mit einem via GEMOCO hergestellten Insert erfolgreich ersetzt werden. Weiterhin wurde eine kleine Genbibliotek mittels eines Markov-Models erzeugt. Die Optimierung der GEMOCO Methode beinhaltete die Testung von Einflüssen von Reaktionspuffern, Herstellungsmethoden der DNA Module, Trennverfahren und Konzentrationsverhältnisse der DNA.

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit wurde die Anwendung von stickstoffdotierten Kohlenstoffnanoröhrenelektroden (N-MWCNTs) sowie deren Modifikation mit Goldnanopartikeln (N-MWCNTs/AuNPs) zur Analyse von Dopamin einzeln und in Anwesenheit von Ascorbin- und Harnsäuren untersucht. Die Experimente wurden in Schweineblutserum, rein oder mit phosphatgepufferter Salzlösung versetzt, durchgeführt. Mithilfe elektrochemischer Untersuchungsmethoden, wie cyclische Voltammetrie und Square-Wave-Voltammetrie, konnten Erkenntnisse über die Empfindlichkeit beider Elektrodenarten, in einem bisher für diese Anwendung nicht untersuchten Medium, gewonnen werden. Die mit Goldnanopartikeln modifizierten Elektroden zeigten stets höhere Sensitivitäten gegenüber Dopamin, als die nicht modifizierten Analoga.

Biomaterialien werden zunehmend im medizinischen Bereich eingesetzt. Die Entwicklung neuer, optimierter Biomaterialien ist daher sehr wichtig. Oberflächeneigenschaften, Steifigkeit und Struktur des Biomaterials spielen eine wichtige Rolle bei der Adhäsion, dem Wachstum, der Proliferation und der Differenzierung der Zellen. Durch Ändern der Oberflächeneigenschaften, z.B. Die Steifigkeit und die Struktur, kann dieser Effekt erhöht oder verringert werden. In dieser Arbeit wurde die Biokompatibilität eines Materials (LCM) in verschiedenen Formen (Rund- und Gerüstbau) und mit unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen durchgeführt. Die Oberflächeneigenschaften wurden durch die Benetzbarkeit und Oberflächenladung sowie die Bestimmung der Steifigkeit durch die Lockerung eines Feststoffs charakterisiert. Die Untersuchung der physikochemischen Einflüsse von Biomaterialien auf das Zellverhalten wurde durch mehrere Verfahren durchgeführt, z.B. Zellzahlbestimmung, Mikroskopie (CLSM) und qualitative Kollagen- und Kalziumbestimmung. Diese Methoden wurden verwendet, um das Wachstum, die Adhäsion und die Differenzierung von Stammzellen (o-MSCs) zu untersuchen. Der Einfluss des Materials zeigte deutlich, dass steifer Material für die Ausbreitung der o-MSC gut war. Die Oberflächenladungen zwischen Material und Kollagen unterscheiden sich kaum, aber der Grund für diesen Effekt ist nicht bekannt. Es wurde durch die Zellzahlbestimmung gezeigt, dass eine Kollagenbeschichtung die beste Oberflächenmodifikation des LCM3-Materials war. Die Kollagenbeschichtung hatte den Einfluss des Materials kompensiert und die Wachstumsrate der o-MSC erhöht. Es konnte auch gezeigt werden, dass die 3D-Struktur des Materials einen ähnlichen Einfluss auf das Zellverhalten hatte. Dies führte zu der Schlussfolgerung, dass Gerüste und Kollagen in vitro für o-MSC gut geeignet sind. Diese Schlussfolgerung könnte auch durch die visualisierten Bilder (CLSM) bestätigt werden. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur Zelldifferenzierung durchgeführt. Der Einfluss von Beschichtung und Steifigkeit auf die Genexpression von Zellen variierte in den verschiedenen Strukturen. In der 2D-Struktur beeinflusste die Kollagenbeschichtung die Zelldifferenzierung nicht und das weiche Material verlangsamte die Zelldifferenzierung. Bei der Kultivierung in der 3D-Struktur unterstützten sowohl die Kollagenbeschichtung als auch das weiche Material die Differenzierung. Die Zelldifferenzierung in Kombination mit der Zellproliferation zeigte, dass 3D-Gerüste sowie eine Kollagenbeschichtung optimale Bedingungen für das Zellverhalten zeigten. Für eine statistische Sicherung der in den Genexpressionsstudien gefundenen Trends sind weitere Untersuchungen mit wesentlich höheren Probenzahlen erforderlich. Eine weitere wünschenswerte Studie ist die quantitative Analyse der Kalzium- und Kollagenproduktion. Die Methoden, die in dieser Arbeit verwendet wurden, waren nur für eine qualitative Bewertung geeignet, für die quantitative Analyse waren die Mengen an mineralisiertem Calcium und Kollagen zu niedrig. Die dynamische Kultivierung, die ähnliche Bedingungen wie in der biomimetischen Umgebung von Zellen hat, könnte in der künftigen Arbeit durchgeführt werden. Da die 3D-Struktur analog zu natürlichem Gewebe ist, haben Designer-Gerüste ein hohes Potenzial für die Etablierung im Tissue Engineering, z.B. Um ein beschädigtes Gewebe- oder Gewebedefekt ohne Spenderorgane zu ersetzen oder zu regenerieren. In dieser Arbeit wurden knochenzellfreundliche Materialien (LCM) verwendet. Sie eignen sich hervorragend für Knochengewebetechnik. Gerüste sind auch kostspielig und zeitaufwändig wegen ihres schwierigen Herstellungsprozesses. Die 2D-Struktur hat daher auch ihre Vorteile. Die Messung der Wechselwirkung zwischen Zellen und Materialien ist sinnvoll in der 2D-Struktur zu bestimmen, da der Zellkontakt mit Materialien sehr groß ist. Wenn die Materialien Drogen enthalten, könnte das Medikament die Zielzellen effektiv beeinflussen. LCM-Gerüste können speziell für die entsprechenden Anwendungen und Bedingungen im Tissue Engineering mit der 2PP-Technologie und der präsentierten LCM-Plattform entwickelt werden. TPMS sorgen für ein hohes Flächen-zu-Volumen-Verhältnis und keine Totvolumina. Im Vergleich zu anderen Anwendungen ist das LCM3-Gerüst ideal für die Zellproliferation. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die These, dass LCMs für den Einsatz im Tissue Engineering sehr geeignet sind, bestätigt werden kann. Gerüste können im Körper (in vivo Tissue Engineering) sowie im Labor (in vitro Tissue Engineering) aufgrund ihrer 3D-Struktur erfolgreich eingesetzt werden.

Die Masterarbeit befasst sich mit dem Einsatz der Mikrofluidik für organisch-chemische Synthesen. Es wurde im besonderen Maße auf eine nachhaltige Produktbildung Wert gelegt ("Green Chemistry"). Dies beinhaltete den Einsatz möglichst geringer Lösungsmittel- und Eduktmengen, sowie die Nutzung vorwiegend wässriger Komponenten während der Synthese. Zwei der drei Synthesen waren "Bulk"-Chemikalien, also Stoffe, deren Einsatzmöglichkeiten den pharmazeutischen, kosmetischen oder Agrochemikalienbereich abdecken. Der Hintergrund der Synthese eines Azofarbstoffes lag in dessen besonderer Eigenschaft der cis-trans-Isomerie begründet. Durch diese ist es möglich, die Konfiguration und die Eigenschaften des Moleküls zu ändern, so dass es als photoschaltbares Oberflächenmolekül die Benetzungseigenschaften auf Oberflächen in Anwesenheit von UV- oder sichtbarem Licht zu ändern vermag. Für diese Synthese wurden neben den herkömmlichen analytischen Methoden (HPLC, GC-MS) auch zwei speziell für die mikrofluidischen Module integrierte "On-Line" Detektionsplattformen verwendet, die photometrische und mikrowellensensorische Methoden beinhalteten. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Synthese des Styrolderivats 1,2-Dichlorethylbenzol aus Styrol mit dem Oxidationsmittel Oxone® (KHSO5 &hahog; KHSO4 &hahog; K2SO4) und NaCl bzw. NH4Cl als Chlorquelle (wässrige Phase) die mikrofluidische Plattform gegenüber der Batch-Synthese, bei bestimmten Synthesebedingungen höhere Produktumsatzraten erzielte. Solche Phasentransferreaktionen, bei der eine Reaktionskomponente von einer in eine andere Phase durch Diffusion überführt wird, lässt sich auch sehr gut auf die Synthese von Azofarbstoffen übertragen. Der zweistufige Synthesemechanismus beruht auf der Mills-Reaktion, bei der zunächst durch die Oxidation eine aromatische Amino- in eine Nitroso-Komponente überführt wird. Anschließend erfolgt eine Kondensationsreaktion zwischen dem Nitroso-Aromat und einem Anilin zum entsprechenden Azofarbstoff. Zur Analyse der jeweiligen Produkte standen sowohl ein HPLC als auch ein Standard UV-VIS-Spektrometer zur Verfügung. Ergänzt wurden die Methoden durch externe GC-MS Messungen und einer im Institut für Bioprozess- und Analysemesstechnik (iba e.V. Heiligenstadt) entwickelten mikrofluidischen Photometerkammer für Absorptionsmessungen im UV-VIS- Bereich. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit umfasste erste Voruntersuchungen für eine chemo-enzymatische Synthese. Diese bezogen sich auf das Verhalten des Enzyms der Alkohol Dehydrogenase aus dem Organismus Lactobacillus Kefir (LK-ADH) in verschiedenen Lösungsmitteln (Rapsöl, Butylacetat, Ethylacetat und Methyl-tert-butylether), die für die Synthese eingesetzt werden sollten. Letztendlich konnten zwei der Lösungsmittel (Butylacetat und Ethylacetat) für die Synthese verwendet werden und zeigten erste positive Ergebnisse.

Biofilme spielen im Leben des Menschen eine entscheidende Rolle, da sie häufig eine gesundheitliche Gefährdung für den Menschen darstellen. Da die Biofilmbildung innerhalb von Stunden geschieht und deren Beseitigung später schwierig ist, soll die Adhäsion der Bakterien schnellstmöglich detektiert werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Biofilmbildung mittels kontinuierlichem, nichtinvasivem impedimetrischem Monitoring aufgezeichnet und beobachtet. Um unterschiedliche Oberflächeneigenschaften zu erzielen, wurden diese mit drei verschiedenen Beschichtungen (PEI, PDADMAC, ConA) chemisch modifiziert. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die physiochemische Veränderung der Oberfläche deutliche Auswirkungen auf die Biofilmdicke und den Besiedlungsgrad der jeweiligen Oberfläche hatte. Mittels Impedanzversuche konnte detektiert werden, dass die Biofilmbildung auf PDADMAC-beschichteten Elektroden am optimalsten war und die Biofilmdicke mit der Zeit zunahm. Auch konnte aufgrund der Impedanzspektroskopie gezeigt werden, dass PEI eine bakterizide Wirkung auf Bakterien hatte und eine Unterscheidung zwischen lebenden und toten Biofilmen ermöglichte. Auf Grundlage von optischen Methoden, CLSM- und Weißlichtinterferometermessungen, war dies nicht möglich. Die Biofilmdicke wurde zusätzlich mit Hilfe des Weißlichtinterferometers und dem CLSM aufgenommen. Anschließend wurden die Messungen ins Verhältnis zu der jeweiligen relativen Änderung |Z| gesetzt. Hierdurch konnte eine Korrelation zwischen dem Ansteigen und Abfallen der Impedanzwerte und der Biofilmdicke nachgewiesen werden. Bei der Nutzung von PDAMAC sowie ConA wurde bei CLSM- und Weißlichtinterferometeraufnahmen ein höherer Besiedlungsgrad festgestellt als bei der Nutzung von PEI. Auch wurde bei den CLSM-Aufnahmen die bakterizide Wirkung von PEI bei direktem Kontakt mit den Bakterien ersichtlich. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit die Zugabe von Antibiotikum Auswirkungen auf einen bereits bestehenden Biofilm und einen sich bildenden Biofilm hatte. Sowohl impedimetrisch als auch bei CLSM- und Weißlichtinterferometermessungen konnte detektiert werden, dass die Biofilmentstehung dadurch nur gehemmt stattfand. Auch konnte der Einfluss von Antibiotika auf einen bereits bestehenden Biofilm gezeigt werden, da sich die Biofilmdicke und der Bedeckungsgrad reduzierten.

Gegenstand dieser Bachelorarbeit ist die elektrochemische Untersuchung von fünf neu synthetisierten Ruthenium(II)-Koordinationsverbindungen der Struktur [RuCl_2 (L)(PPh_3 )_2] bzw. [RuCl_2 (L)_2] mit L=2-(2'-pyridyl)chinoxalin, L=2-(2'-pyridyl)chinolin, L=2-(2'-pyridyl)chinolinsäure-methylester oder L=2-2'-bipyridin. Zu diesem Zweck wurden repräsentative Cyclovoltammogramme (CVs) sowohl mit Glassy-Carbon- (GC), Platin- (Pt) als auch zum Teil mit Gold-Scheiben-Arbeitselektroden in Acetonitril und Dichlormethan aufgenommen. Durch diese Messungen konnten Aussagen über die Art und Reversibilität der jeweiligen Redoxprozesse getroffen werden. Mit Hilfe von konduktometrischen Untersuchungen von Lösungen bestimmter Konzentration in Acetonitril konnte bei drei Komplexen ein Ligandenaustausch eines Cloro-Liganden durch Acetonitril nachgewiesen werden. Schlagwörter: 2-(2'-pyridyl)chinoxalin; 2-(2'-pyridyl)chinolin; 2-2'-bipyridin; Triphenylphosphan; Ruthenium(II) Komplexe; Cyclovoltammetrie; Konduktometrie.

Im Fachbereich der tropfenbasierten Mikrofluidik sind Elektrokoaleszenzvorgänge eine der vielversprechendsten Wege der Einflussnahme auf das Verhalten des mikrofluidischen Systems Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, mit dem in einem bestehenden mikrofluidischen System Elektrokoaleszenzvorgänge kontrolliert, reproduzierbar und zuverlässig eingeleitet und durchgeführt werden können. Hierzu werden flache Elektroden an der Außenseite des Systems in einer bestimmten Art und Weise angebracht. Auf Grund einer angelegten Spannung wirkt das elektrische Feld (gepulstes DC) auf das Innere des Kanals und löst dort die Verschmelzung von Tropfen aus. Die Elektroden stehen dabei nicht in direktem Kontakt mit den verwendeten Fluiden. Auf Grund der Vielzahl biologischer und medizinischer Anwendungen im Rahmen der Mikrofluidik ist es von besonderem Interesse, in wieweit sich die Zusammensetzung verschiedener wässriger Lösungen auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Die wässrige Phase wird daher in Ionenstärke, pH-Wert und Viskosität variiert und deren Einfluss untersucht. Dabei wird beobachtet, dass diese Größen über einen weiten Bereich verändert werden können, ohne dass sich dies bemerkbar auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Lediglich bei einem stark alkalischen Milieu der Lösung bei niedrigeren Spannungen von unter 450 V zeigt sich eine Verschlechterung der Koaleszenz. Diesem Effekt kann mit einer Erhöhung der Spannung entgegengewirkt werden. Allgemein konnte mit allen untersuchten Lösungen bei einer Arbeitsspannung von 450 V eine Koaleszenzrate von über 90 %, mit höheren Spannungen von 100 % erzielt werden. Darüber wird ein automatisiertes Verfahren vorgestellt, welches eine Anpassung der Elektrokoaleszenz an verschiedenen Flussraten erlaubt. Hiermit ist es möglich eine Vielzahl an Segmenten (im Mittel wurden 1600 getestet) kontrolliert, reproduzierbar, zuverlässig und voll automatisiert zu verschmelzen. Eine numerische Simulation ergänzt die experimentellen Betrachtungen. Schlagwörter: Elektrokoaleszenz, Lab-on-a-Chip, tropfenbasierte Mikrofluidik

Ziel dieser Arbeit war es, eine Alternative zum Mikrotiterplatten-basierten AlamarBlue®-Assay auf der Basis einer tropfenbasierten mikrofluidischen Plattform zu entwickeln. Um alle notwendigen Verfahrensschritte des etablierten Assays auf die mikrofluidische Plattform übertragen zu können, wurde eine Reihe funktioneller mikrofluidischer Module entwickelt und umfassend getestet. Eine Mikrocontroller-basierte Steuereinheit zum aktiven Dosieren der AlamarBlue®-Reagenz wurde im Rahmen der Masterarbeit etabliert. Der Einfluss von Phenolrot und Perfluodecalin auf die Fluoreszenzintensitäten bei unterschiedlichen Zellkonzentrationen wurde ebenso untersucht wie die potentielle toxische Wirkung von Tetradekan auf die Viabilität der verwendeten Zelllinie. Umfangreiche Untersuchungen zum Vergleich des etablierten Mikrotiterplatten-basierten AlamarBlue®-Assay zu dem im Rahmen der Masterarbeit entwickelten tropfenbasierten Assay bewiesen die Funktionalität der neuen mikrofluidischen Module und Protokolle auch als Basis für weitergehende Anwendungen.

In dieser Arbeit werden die Versuche und Herangehensweisen zur Herstellung von Zellkultursubstraten auf Basis von Hydroxylapatit beschrieben. Der Aufbau gliedert sich wie folgt: Einleitung, Methoden sowie Ergebnisse und Auswertung. Das Apatit, welches hier zum Einsatz kommt, ist neben Kollagen des Typs I Hauptbestandteil des Knochens. Daher werden zu Beginn die Knochen in Aufbau, Struktur und Funktionsweise beschrieben. Damit soll ein Verständnis für die Versuche und die Begründung für die Wahl der hier im Einzelnen behandelten Materialien vermittelt werden. Dazu sind die jeweiligen Materialien in einem Überblick bezüglich ihrer Eigenschaften, sowie Einsatz und Wichtigkeit in der Biomaterial-Forschung dargestellt. In den weiteren Kapiteln werden Synthesemethoden für das Hydroxylapatit beschrieben. Dabei haben sich drei Varianten herauskristallisiert. Zudem wird neben diesem Mineral ein Material benötigt, um dem Zellkultursubstrat eine gewisse Elastizität zu geben. Dafür ist im Knochen das Kollagen zuständig. Weiterhin existieren dessen denaturierte Formen: Kollagen-Hydrolysat und Gelatine. Diese drei Varianten sind zur Folienherstellung betrachtet worden. Nach den Erläuterungen bezüglich der Methoden werden die Ergebnisse dargestellt und ausgewertet. Bei der Folienherstellung hat sich erwiesen, dass Kollagen-Hydrolysat untauglich ist. Diese Folien sind nicht für Heißpräge- und Thermoformprozesse geeignet, da sie spröde sind. Zudem lösen sie sich innerhalb kürzester Zeit in Wasser auf. Die Gelatinefolien sind flexibel. Durch Heißprägen werden diese allerdings spröde und es kommt nicht zur Strukturübertragung. Durch Gießen kann eine Strukturierung erreicht werden, aber die Strukturen sind in einer wässrigen Umgebung nicht stabil. Poröse Gelatine hingegen ließ sich heißprägen, löste sich aber vollständig im Wasser auf. In Hydroxylapatitlösung getränkte, faserige Kollagenfolien konnten durch Thermoformen strukturiert werden. Bei geringeren Temperaturen (ca. 70 ˚C) werden Strukturen teilweise übertragen. Erhöht man die Temperatur weiter, so erfolgt eine großflächige Strukturierung, allerdings kommt es dabei zur Denaturierung des Kollagens. Die Strukturen lösen sich innerhalb einiger Stunden in Wasser auf. Allgemein wird der Einsatz von faserigen Kollagen in Verbindung mit Hydroxylapatit als mögliches Zellkultursubstrat beschrieben.

Ziel dieser Arbeit war es, Signale von Zellen mittels Mikroelektroden aufzunehmen und mit einer Whole-Cell-Clamp Anordnung als etablierte Referenzmethode eine simultane Messung vorzunehmen. Bei der Auswertung der Signale der Zelle sollten dann überdies die elektrischen Eigenschaften der Mikroelektroden mit berücksichtigt werden. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildete aber vor allem der Prozess der Herstellung der Mikroelektroden aus Kohlefasern und Bonddrähten aus Gold. Im Rahmen dieser Arbeit ist es aber nicht gelungen, eine simultane Messung durchzuführen. Genauso wenig ist es gelungen, Unterschiede der Signale der Mikroelektroden alleine im Vergleich zu Signalen der Mikroelektroden in Kontakt mit den Zellen auszumachen. Jedoch konnten schließlich die elektrischen Eigenschaften einer Mikroelektrode im Zuge einer Verdünnungsreihe mittels Impedanzspektroskopie präzise untersucht werden.

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.

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.

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.

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.

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.

In den vergangenen Jahren kam es zu einem verstärkten Auftreten von Infektionskrankheiten, welche durch Legionella pneumophila (p.) oder einer der anderen einundzwanzig bekannten humanpathogenen Legionella Spezies verursacht wurden. In den Jahren zwischen 2005 und 2011 lag die durchschnittliche Anzahl dieser Infektionen insgesamt in Deutschland im mittleren dreistelligen Bereich mit einer zunehmenden Tendenz [SM12]. Diese Fälle verliefen mit einer Letalität von 4,3 bis 8,1 Prozent [SM12]. In der Europäischen Union (EU) stieg die Infektionsrate an Legionellosen in den Jahren 1993 bis 2008 von 4,1 Erkrankungen je einer Million Einwohner auf 11,8 [JR+10]. Dieser Umstand führte in der EU zum Überdenken des gängigen Standards. Die daraus resultierende Testpflicht für alle Warmwasseranlagen ab 400 Liter Speichervolumen gehört zu den weitreichendsten Änderungen der Trinkwasserverordnung in den vergangen Jahren. Um den daraus resultierenden Anforderungen zu entsprechen und einen immensen Kostenanstieg durch die stark gestiegene Anzahl der Beprobungen zu vermeiden, ist es notwendig, eine schnelle Aussage vor Ort zu einer möglichen Gesundheitsgefährdung durch Pathogene, zu ermöglichen. Die alleinige Bestimmung der Anzahl an Genomkopien in der Probe ist für die Trinkwasseranalytik und für die darauf aufbauende Sanierungsüberwachung jedoch nicht ausreichend. Nur eine Aussage über die Vermehrungsfähigkeit der Mikroorganismen ermöglicht endgültige Entscheidungen, ob ein Gesundheitsrisiko für die Nutzer der Hauswasserinstallation besteht. Heutzutage gängige Systeme, wie zum Beispiel auf Antigenen beruhende, sind nicht oder nur unzureichend in der Lage, lebende von toten Erregern zu unterscheiden und erreichen oftmals nicht die geforderte Nachweisgrenze [JFA+06, RLL+02]. Die Verfahren, welche die geforderte Nachweisgrenze realisieren können, sind im Regelfall Zellkulturverfahren. Diese sind aber langwierig und kostenintensiv [WBW01]. Es angestrebt, eine Schnellnachweismethode für die Detektion, Klassifizierung und Aktivitätsanalyse zu entwickeln. Für diesen Zweck ist eine molekularbiologische Methode wie eine Reverse Transkriptase (RT) Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die in ein fluidisches System implementiert und als Kartusche ausgeführt werden kann, angedacht. Die gestellten Anforderungen an das neue System könnten durch die Kombination einer chipbasierten RT-PCR mit einem elektrochemischen Array umgesetzt werden. Im System integriert ist eine vorgeschaltete Separation mittels modifizierter Partikel (Beads) oder Systemoberflächen denkbar.

In der vorliegenden Arbeit sollen Technologien für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik oder dem Tissue Engineering entwickelt werden. Exemplarisch soll dies für die biologischen Systeme "Leber" und "hämatopoietische Stammzellnische" erfolgen. Für das Tissue Engineering der Leber werden Technologien beschrieben, welche eine lokal begrenzte chemische Oberflächenmodifikation im und nach dem Mikrothermoformprozess ermöglichen. Diese Technologien werden mit verschiedene Stoffen in Zellkulturexperimenten evaluiert und anschließend miteinander verglichen. Dabei konnte die Methode des "3D microcontact printing" als Methode zur gezielten Zelladhäsion etabliert werden. Des Weiteren wird ein Prinzip zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien demonstriert. Dabei zeigte sich, dass das Prinzip der Faltkantenpositionierung eine vielversprechende Methode zur gezielten Stapelung thermogeformter Folien ist. Für die Nutzung von Cell-Sheet-Layer-Systemen in der Zellkulturtechnik wird gezeigt, inwieweit Heißprägen und Mikrothermoformen zum Strukturieren von thermoplastsichen Folien geeignet sind. Beide Methoden werden zum Nachbau der hämatopoietischen Stammzellnische eingesetzt. Für diese physikalische Strukturierung der Folien sind mikrostrukturierteWerkzeuge notwendig. Darum wurden aus biologischen Proben Bilddaten des trabekulären Knochens und des Knochenmarks gewonnen und diese Strukturen zum Design photolithografischer Masken genutzt. Für das Extrahieren der Strukturen aus Bilddateien werden verschiedene Algorithmen der Binärbilderstellung in MATLAB getestet. Dabei kamen Algorithmen zur Kantendetektion und zur lokalen Schwellenwertberechnung zum Einsatz. Es konnte gezeigt werden, dass für die Kantendetektion der Algorithmus nach Canny und für die lokale Schwellenwertberechnung der Algorithmus nach Niblack die besten Resultate erzielen. Die so extrahierten Strukturen konnten erfolgreich im Heißprägeprozess eingesetzt werden. Eine weitere Modifikation der so strukturierten Folien mit Topologien trabekulären Knochens konnte im Mikrothermoformprozess durchgeführt werden.

Ziel der hier vorliegenden Masterarbeit ist die Synthese und die Charakterisierung von Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren. Die Herstellung von Phosphor-dotierten- Kohlenstoffnanoröhren erfolgte mittels einer chemischen Gasphasenabscheidungsanlage. Die Kohlenstoffnanoröhren wurden aus einer Lösung hergestellt. In dieser diente Triphenylphosphan als Phsophorquelle und Ferrocen als Katalysator. Die synthetisierten Kohlenstoffnanoröhren sollten sich auf oxidierten Siliziumwafern abscheiden. Die Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren wurden mittels verschiedener Analysemethoden untersucht, unter anderem mit Transmissionselektronenmikroskop, energiedisiperser Röntgenstrahlungsanalyse und thermoanalytischen Methoden. Für eine mögliche Anwendung als elektrochemischer Sensor wurden Phosphor-dotierte-Kohlenstoffnanoröhren mittels zyklischer Voltammetrie untersucht. Hierfür wurden die Phosphor-dotierten-Kohlenstoffnanoröhren als Arbeitselektrode genutzt. Analysiert wurde das Red/Ox-Paar [Fe(CN)_{6}]^{3-/4-} in einer verdünnten Kaliumchloridlösung.

Lab-on-a-Chip Technologien haben aufgrund ihres Potentials für schnelle und kontrollierte Handhabung kleiner Probenmengen ein großes wissenschaftliches Interesse erlangt. Speziell für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik bietet diese Technologie vielversprechende Möglichkeiten. Verschiedenste Strategien wurden entwickelt um Flüssigkeiten im mikrofluidischen System zu transportieren. Dazu gehören Druck betriebene Techniken, Elektroosmose oder auch Methoden die Kapillarkräfte nutzen. Eine weitere Technik bieten zentrifugal betriebene Plattformen (Lab-on-a-disc). In dem vorliegenden Bericht werden zwei Lab-on-a-disc Strategien vorgestellt, um potentielle pathogene Mikroorganismen an definierten Stellen im Chip einzufangen und damit für Raman Messungen zugänglich zu machen. Die erste Strategie nutzt einen Array bestehend aus V-förmigen Mikrostrukturen, in denen die Bakterien aus wässriger Lösung angereichert werden. Bei der zweiten Methode wurden die Bakterien auf einer Filtermembran aufgefangen. Auf diese Membran wurde zusätzlich eine Gitterstruktur aus einem SU-8 Polymer aufgebracht, so dass die Bakterien an bestimmten, wohl definierten Stellen aufkonzentriert wurden. Durch die Verwendung von Glasfenstern über der Fangstruktur, konnten sowohl in den V-förmigen Mikrostrukturen, als auch auf den Membranen mit Gitterstruktur die gefangenen Bakterien mittels Raman-Spektroskopie charakterisiert werden. Außerdem ermöglichen beide Strategien zusätzliche Inkubationsschritte mit Antibiotika und Waschschritte, ohne die eingefangenen Mikroorganismen zu verlieren.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein miniaturisiertes, parallelisierbares Bioreaktorsystem zu entwickeln, das auf bisherigen Forschungsergebnissen des Fachgebiets Nanobiosystemtechnik der TU Ilmenau aufbaut und diese einbindet. Die Zellen sollen auf einem porösen Substrat dreidimensional kultiviert werden. Zur Versorgung mit Nährstoffen und Sauerstoff werden die Zellen mit Medium perfundiert. Das Medium wird durch eine integrierte Mikropumpe umgewälzt. Der Fokus der vorliegenden Arbeit liegt auf dem Verschluss des Bioreaktors, der gewährleistet, dass der erforderliche Druck zur Perfusion der Zellen aufgebaut werden kann. Dazu wird eine Klemmverbindung in zwei Varianten und ein magnetischer Verschluss getestet. Alle Varianten werden berechnet, bewertet und es wird ein Labormodell aufgebaut, dass die Kraftflüsse im Bioreaktorsystem imitiert. Schließlich erfolgt eine Auswahl und eine Empfehlung für das weiter zu verfolgende Konzept.

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.

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.

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.

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.

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.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag zum Zell-Kultur-Monitoring. Es ermöglicht ein Monitoring der Zell-Kulturen unter Einsatz von Chemochips. Die Vorteile von Chemochips sind vor allem: Durch Anwendung des Fluoreszenz-Auslese-Prinzips können die hochempfindlichen Chemochips wegen ihrer parallele Bestimmung einer Vielzahl von Analyten weithin in der Biotechnologie verwendet werden. Aufgrund des leichten Herstellungsprozesses erfordern die Chemochips einen relativ geringen Aufwand bei der Instrumentierung. Trotz einer großen Anzahl von Forschungsarbeiten zum Zell-Kultur-Monitoring ist dieses Verfahren, ein Zell-Kultur-Monitoring mit Chemochips zu betreiben, bisher nicht bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neues Array-Format mit 4x4 Blocks bei Chemochips eingesetzt. Wegen der zeit-parallelen Messung kann das neue Array-Format die Messzeit verkürzen. Außerdem wurden in dieser Untersuchung die Mikrospott-Arrays mit Farbstoffen in binärer Kombination eingesetzt. Diese Arbeit dient dazu, Wechselwirkungen zwischen zwei Farbstoffen festzustellen, besonders durch die Energie-Übertragung zwischen ihnen und deren Einfluss auf die Fluoreszenzantwort während der Zell-Kultur zu untersuchen. Ein weiteres Ziel der Arbeit bestand darin, Chemochips zu entwickeln, die eine pH-Messung während der E. coli-Kultur in Echtzeit ermöglichen. Die Ergebnisse der Arbeit sind durch die Untersuchungsabfolge und die Hauptkomponentenanalyse in drei Schlussfolgerungen zu untergliedern: - Die Fluoreszenzantwort der Farbstoffe für die Probenlösungen während des E. coli-Kultur-Monitoring mit Chemochip entsprechen dem Verlauf des pH-Wertes, gemessen mit der konventionellen Glaselektrode und bezogen auf den bereits genannten Wachstumsprozess der E. coli-Kultur und der damit verbundenen Anreicherung von Säure-Metaboliten. - Der reine Farbstoff H110 weist im Vergleich zu den anderen reinen Farbstoffen, bezogen auf die Referenz-Elektrode, den günstigsten Verlauf der relativen Intensität auf. Alle Farbstoff-Kombinationen auf den Mikrospot-Arrays beeinflussen das Fluoreszenzverhalten und zeigen eine Überlagerung der Intensitäten bei den reinen Farbstoffen. - Die pH-Veränderung in der Anfangsphase der E. coli-Kultur, die durch die Farbstoffe in unterschiedlichem Maße angezeigt wird, ist von Störungsfaktoren, wie z. B. durch den anfänglichen Glucose-Gehalt verursacht. In der vorliegenden Arbeit sind pH- und Polarität-sensitive Farbstoffe in den Mikrospot-Arrays eingesetzt worden. die hochempfindlichen Fluoreszenzfarbstoffe sind deshalb verwendet worden, um einen leistungsfähigen Sensor für eine Analyse mittels Daten-Readout von Mikrospot-Arrays zu ermöglichen [27]. Doch kann die molekulare Fluoreszenz als ein sehr empfindliches Phänomen neben dem pH-Wert und der Polarität des Mediums durch mehrere Parameter beeinflusst werden. In der Zukunft können z.B. Glucose-sensitive Farbstoffe zusätzlich eingesetzt werden, um die Veränderung des Glucose-Gehalts im Verlauf der Zell-Kultivierung zu detektieren. Außerdem wird der Aufbau der Versuchsordnung in der Zukunft optimiert werden können. Eine automatische Versuchsordnung ist bei der weiteren Arbeit einzusetzen, um das online-Monitoring zu realisieren.

Diese Arbeit beinhaltet die Untersuchung verschiedener Katalysatoren in Hinsicht auf ihre Eignung zur Herstellung von ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (CNT). Es werden verschiedene Katalysatoren hergestellt und die damit erzielten Ergebnisse in der CNT-Synthese durch Gasphasenabscheidung (CVD) verglichen. Dafür werden Methoden der Elektronenmikroskopie (REM, TEM) und die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Im ersten Kapitel werden die Anwendungsziele dieser Untersuchungen dargestellt. Im zweiten Kapitel werden die Eigenschaften der CNT und Grundlagen der Herstellung dieser mittels CVD vorgestellt. Auch auf die Herstellung und den Einsatz der verwendeten Katalysatoren, Ferrocen und Eisen-Molybdän-Bimetallkombinationen, wird an dieser Stelle eingegangen. Die durchgeführten Experimente zur Herstellung der Katalysatoren und der CNT werden im dritten Kapitel beschrieben. Dabei werden auch die CVD-Aufbauten mit Benzol und Ethen als Kohlenstoffquelle vorgestellt und ein kurzer Überblick der genannten Charakterisierungsmethoden (REM, TEM, Raman) gegeben. Im vierten Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchungen vorgestellt. Diese beinhalten die Charakterisierung der verschiedenen hergestellten Katalysatoren und der damit synthetisierten CNTs, sowie einen Vergleich dieser untereinander. Zusätzlich wird eine beispielhafte anwendungsorientierte Behandlungsmethode von Schichten ausgerichteter CNT bewertet. Kapitel fünf gibt schließlich noch einmal eine Zusammenfassung der gewonnenen Ergebnisse.

Mikroreaktionstechnik stellt in der Biotechnologie das standard Reaktionssystem dar und ist sehr geeignet für eine Vielzahl von Screeningprozessen. Sie zeichnen sich besonders dadurch aus, dass sie einfach automatisiert werden können und enorme Platzvorteile bieten. Die nicht ausreichende Online-Analytik vor allem im dynamischen Betrieb stellt bisher einen Nachteil dar. Die Bestimmung des pH-Wertes ist eine der wichtigsten chemisch-analytischen Methoden überhaupt. Sie spielt eine wesentliche Rolle für Zellprozesse. Da Zellwachstum und Zellvermehrung oft mit der Änderung der intrazellulären H+-Konzentration verbunden sind. - Leider eine optische pH-Auslesung in der Nanoliterfluidsegementen ist bis heute nicht gegeben. Deshalb lag der Schwerpunkt dieser Arbeit in dem Aufbau und der Optimierung eines nicht-invasiven Messsystems zur optischen pH-Auslesung von pH-sensitive Sensorpartikeln in Nanoliterdurchflusssegmenten. Dafür wurde ein Nanoliterdurchflussfluorimeter aufgebaut. Zur Überprüfung des Systems, wurden verschiedene Kalibrierungen durchgeführt. Die Untersuchungen ergaben, dass der Einsatz von Farbstoff CF/p-HEMA also auch HPTS/p-HEMA in Mikrosegmenten möglich ist. - Wegen der Kompaktheit erweist sich der Messaufbau als ausreichend robust gegen Störeinflüsse, wie beispielsweise die Beleuchtung von außen. Das aufgebaute Fluorimeter bringt noch den zusätzlichen Vorteil, dass es an jedem beliebigen Ort eingesetzt werden kann. Dabei werden die Resultate vor Ort verfügbar gemacht und die Analysezeit zwischen Probennahme und Analyse verkürzt. Der Einsatz des aufgebauten Fluorimeters zur optischen pH-Auslesung in Nanolitersegementen lieferte reproduzierbare und mit anderen Methoden vergleichbare Ergebnisse. Während der Untersuchungen wurden verschiedene Parameter, welche die Fluoreszenzintensität beeinflussen bzw. Messfehler verursachen, systematisch charakterisiert und behoben. Die gewonnen Ergebnisse sind vergleichbar mit denen aus anderen Arbeiten der Universität Regensburg, Arbeitsgruppe unter Leitung von Prof. Wolfbeis. Hinsichtlich der Reproduzierbarkeit ist die Messwertqualität des in dieser Arbeit beschriebenen Aufbaus mit derjenigen des Fluoreszenzmikroskops vergleichbar und zeigt ein außerdem besseres Ergebnis im Hinblick auf Signal-Rausch-Verhältnis und Standardabweichung. Anschließend wurde in einem Anwendungsbeispiel für das kontinuierliche pH-Monitoring von sich in Segmenten abspielenden Bioprozessen am Beispiel des Wachstums von E.coli Bakterien gezeigt und diskutiert. Bei den Versuchen mit E.coli konnte für die eingesetzte Sensorbeadkonzentration keine Einschränkung bezüglich des Wachstums festgestellt werden. Die Ergebnisse vom Messaufbau stellten im Vergleich zu den mittels pH-Elektrode ermittelten Ergebnissen einen Erfolg dar. Der Einsatz des Messaufbaus für andere biologische und auch für chemische Anwendung kann vielseitig sein und durch flexible Änderung der Bauteile (z.B. Filter, Anregungsquellen etc.) einfach realisiert werden.

Metallnanopartikel bilden an der Oberfläche in Abhängigkeit von ihrer Größe, Form, dem Material, aus dem sie bestehen, sowie ihrer chemischen Umgebung Partikel-Plasmonen aus, die für die typischen Färbungen kolloidaler Lösungen verantwortlich sind. Ziel dieser Arbeit ist die Nutzung dieser charakteristischen optischen Eigenschaften der Metallnanopartikel, um Metallnanopartikel-markierte Moleküle spezifisch und parallel im sub-Wellenlängenbereich zu manipulieren. Die Metallnanopartikel dienen dabei als Nano-Antenne für Laserstrahlung und konvertieren die optische Energie des Laserlichtes in thermische Energie. Die Charakterisierung der thermischen Entwicklung der Nanopartikelumgebung erfolgte mit Hilfe thermosensitiver Schichten aus PMMA. Dabei wurde der Einfluss des Substratmaterials, der deponierten Laserenergie sowie der Partikelgröße untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die verwendeten Goldnanopartikel fs-Pulse mit einer Wellenlänge von 530 nm in Wärme konvertieren. Die Spezifität dieser Energiekonvertierung konnte nachgewiesen werden: Thermische Schädigungen an DNA-Molekülen traten nur in unmittelbarer Nachbarschaft zu Goldnanopartikeln auf, unmarkierte DNA-Moleküle blieben unverändert.