Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung

Interaktionen an der Oberfläche von Implantaten bilden einen Schwerpunkt der Tätigkeiten der Arbeitsgruppe Grenzflächenverfahrenstechnik am Institut für Mehrphasenprozesse. Die Schnittstelle zwischen Organismus und Implantat stellt in der Anwendung vielfältige Herausforderungen dar. Insbesondere die Gleiteigenschaften spielen dabei ein große Rolle. Diese haben erheblichen Einfluss auf z.B. die Insertionskräfte während der Implantation von Cochlea-Implantaten aber auch auf die Neigung von ungewolltem Bewuchs mit Narbengewebe. Superhydrophobic Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) sind eine 2011 erstmals beschriebene Möglichkeit, Oberflächen zu schaffen, an welchen ein Anhaften praktisch nicht möglich ist. Sie bilden daher einen vielversprechenden Ansatz für die Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Zur Herstellung dieser Oberflächen wird ein möglichst poröses Substrat benötigt, welches mit einer hydrophoben Flüssigkeit getränkt wird. Ein solches Substrat kann mit dem am IMP etablierten Elektrospinning produziert werden. Hierfür eignen sich unterschiedliche Polymere, welche unterschiedliche Eigenschaften und Einflüsse auf die Performance der SLIPS-Beschichtung haben. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl möglicher Schmiermittel, die für die Erreichung des SLIPS-Effektes eingesetzt werden können. Die Eignung zweier Materialien lässt sich dabei aus ihren Oberflächeneigenschaften (Oberflächenenergie, Kontaktwinkel) ableiten. Hierfür wird der Ansatz von Van Oss, Chaudhury und Good (vOCG) zur Beschreibung der Oberflächenenergie verwendet, für den materialspezifische Komponenten notwendig sind. Ziel dieser Arbeit ist es, für gängige SLIPS-Materialien die vOCG-Komponenten mit bereits festgelegten Verfahren zu bestimmen. Anschließend sind die Komponenten für bisher nicht untersuchte Materialien sowie deren Eignung für die Herstellung von SLIPS zu bestimmen.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu Oberflächenergien, insbesondere zum vOCG-Ansatz
• Recherche zu Vorhersageverfahren/Methoden zur Bestimmung der vOCGKomponenten
• Bestimmung der vOCG-Komponenten und Validierung der Eignung für SLIPSBeschichtungen

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Kurzbeschreibung

Interaktionen an der Oberfläche von Implantaten bilden einen Schwerpunkt der Tätigkeiten der Arbeitsgruppe Grenzflächenverfahrenstechnik am Institut für Mehrphasenprozesse. Die Schnittstelle zwischen Organismus und Implantat stellt in der Anwendung vielfältige Herausforderungen dar. Insbesondere die Gleiteigenschaften spielen dabei ein große Rolle. Diese haben erheblichen Einfluss auf z.B. die Insertionskräfte während der Implantation von Cochlea-Implantaten aber auch auf die Neigung von ungewolltem Bewuchs mit Narbengewebe. Superhydrophobic Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) sind eine 2011 erstmals beschriebene Möglichkeit, Oberflächen zu schaffen, an welchen ein Anhaften praktisch nicht möglich ist. Sie bilden daher einen  vielversprechenden Ansatz für die Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Zur Herstellung dieser Oberflächen wird ein möglichst poröses Substrat benötigt, welches mit einer hydrophoben Flüssigkeit getränkt wird. Ein solches Substrat kann mit dem am IMP etablierten Elektrospinning produziert werden. Hierfür eignen sich unterschiedliche Polymere, welche unterschiedliche Eigenschaften und Einflüsse auf die Performance der SLIPS-Beschichtung haben. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl möglicher Schmiermittel, die für die Erreichung des SLIPS-Effektes eingesetzt werden können. Zur Verbesserung der Stabilität des Schmierfilms soll ein Verfahren entwickelt werden, mit dem ein gradiertes Substrat hergestellt werden kann. Über die gezielte Beeinflussung der Parameter des Elektrospinnens soll die Porosität des Substrates so eingestellt werden, dass ein grobporiger Reservoirbereich sowie ein feinporiger Grenzflächenbereich entsteht. Hierdurch soll die Heranführung des Schmiermittels an die Grenzschicht durch Kapillarkräfte sowie die Versorgung mit Schmiermittel aus den tieferen Bereichen optimiert werden.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu Einflussparametern auf das Elektrospinnen
• Recherche zu Verfahren der gezielten Beeinflussung von Lösungseigenschaften im
Elektrospinnen
• Konzeptionierung eines Verfahrens zur Herstellung gradierter Substrate für SLIPSBeschichtungen
• Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften (Kontaktwinkel, Roll-Off Winkel,
Oberflächenmorphologie (REM))

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Kurzbeschreibung

Interaktionen an der Oberfläche von Implantaten bilden einen Schwerpunkt der Tätigkeiten der Arbeitsgruppe Grenzflächenverfahrenstechnik am Institut für Mehrphasenprozesse. Die Schnittstelle zwischen Organismus und Implantat stellt in der Anwendung vielfältige Herausforderungen dar. Insbesondere die Gleiteigenschaften spielen dabei ein große Rolle. Diese haben erheblichen Einfluss auf z.B. die Insertionskräfte während der Implantation von
Cochlea-Implantaten aber auch auf die Neigung von ungewolltem Bewuchs mit Narbengewebe. Superhydrophobic Liquid Infused Porous Surfaces (SLIPS) sind eine 2011 erstmals beschriebene Möglichkeit, Oberflächen zu schaffen, an welchen ein Anhaften praktisch nicht möglich ist. Sie bilden daher einen vielversprechenden Ansatz für die Funktionalisierung von Implantatoberflächen. Zur Herstellung dieser Oberflächen wird ein möglichst poröses Substrat benötigt, welches mit einer hydrophoben Flüssigkeit getränkt wird. Ein solches Substrat kann mit dem am IMP etablierten Elektrospinning produziert werden. Hierfür eignen sich unterschiedliche Polymere, welche unterschiedliche Eigenschaften und Einflüsse auf die Performance der SLIPS-Beschichtung haben. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl möglicher Schmiermittel, die für die Erreichung des SLIPS-Effektes eingesetzt werden können. Zur Herstellung der Beschichtung in-situ soll ein Verfahren entwickelt werden, mit dem ein Substrat direkt im Schmiermittel hergestellt werden kann. Hierzu soll das sogenannten wet electrospinning zum Einsatz kommen, dass ein Flüssigkeitsreservoir als Kollektor verwendet. Aufgrund der Eigenschaften der zu verwendenden Schmiermittel muss die Leitfähigkeit dieser über geeignete Strategien (Zugabe von Salzen oder anderen leitenden Substanzen z.B. Nanopartikel) angepasst werden, um sie als Kollektor verwenden zu können. Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem direkt in dem zu verwendenden Schmiermittel ein SLIPS-System erzeug werden kann.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu wet electrospinning
• Recherche zu Verfahren der gezielten Beeinflussung von Lösungseigenschaften im
Elektrospinnen (insbesonder Leitfähigkeit)
• Konzeptionierung eines Verfahrens zur Herstellung von SLIPS-Beschichtungen durch
wet electrospinning
• Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften (Kontaktwinkel, Roll-Off Winkel,
Oberflächenmorphologie (REM))

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Kurzbeschreibung:

Am Institut für Mehrphasenprozesse werden neuartige Prüfsysteme für Infektionsschutzmasken entwickelt. Diese setzen unter anderem auf die Verwendung von Liposomen zur realitätsnahen Nachbildung von Virus-belasteten Fluiden. Dabei handelt es sich um sphärische Strukturen aus Lipiden, wie sie auch in den Zellwänden von pro- und eukaryotischen Zellen sowie bei Viren zu finden sind. Zur Erhöhung der Spezifizität des Prüfverfahrens soll die Oberfläche der eingesetzten Liposomen so modifiziert werden, dass sie der verschiedener Viren ähnelt und nach Bedarf angepasst werden kann. Hierzu konnten bereits in Vorarbeiten geeignete Verfahren identifiziert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen die bisher identifizierten Oberflächenmodifikationen von Liposomen im Rahmen eines Proof of Concept erprobt werden. Insbesondere der Einbau von Spikeproteinen und anderen (Trans­-­)Membranproteinen sowie die Immobilisierung der Vesikel auf geeigneten Oberflächen steht hierbei im Fokus. Als Modell soll bovines Serum-Albumin dienen. Mithilfe der gewonnenen Erkenntnissen sollen die untersuchten Verfahren gegenübergestellt und eine Vorschrift zur Modifikation von Fluoreszenz-markierten Liposomen entwickelt werden. Die Ergebnisse sind zudem auf die Verwendung von Polymersomen zu übertragen sowie eine Abschätzung und gegebenenfalls Erprobung der Verfahren für diesen Anwendungsfall erfolgen. Für die Modifikation sind die idealen Prozessparameter (Temperatur, Druck, Kühlrate, Lösungszusammensetzung, Zyklen etc.) zu ermitteln. Die erfolgreiche Funktionalisierung der markierten Liposomen ist abschließend durch geeignete Verfahren zu bestätigen. Diese sind im Vorfeld zu recherchieren und gegenüberzustellen. Die Ergebnisse sollen als Versuchsvorschrift dokumentiert werden.

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Kurzbeschreibung:

Am Institut für Mehrphasenprozesse werden neuartige Prüfsysteme für Infektionsschutzmasken entwickelt. Diese setzen unter anderem auf die Verwendung von Liposomen zur realitätsnahen Nachbildung von Virus-belasteten Fluiden. Dabei handelt es sich um sphärische Strukturen aus Lipiden, wie sie auch in den Zellwänden von pro- und eukaryotischen Zellen sowie bei Viren zu finden sind. Für den Nachweis der „Virus“-Belastung ist es notwendig diese Liposomen zu markieren und ihre Konzentration zu bestimmen. Zu diesem Zweck sollen fluoreszenz-markierte Liposomen definierter Größe (~100 nm) hergestellt werden. Bisher wird zu diesem Zweck eine Kombination aus Dünnfilmrehydratation und Extrusion verwendet.

Aufbauend auf Erkenntnissen vorangegangener Arbeiten sollen im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Verfahren zur Herstellung markierter Liposomen recherchiert und hinsichtlich ihres Potentials für eine großtechnische Anwendung bewertet sowie verglichen werden. Besonderes Augenmerk soll dabei auf die Nutzung mikrofluidischer Systeme gelegt werden. Die Herstellung der Liposomen soll in verschiedenen Prüfmedien mit einer definierten Größe erfolgen. Dabei sind die notwendigen Prozess-parameter der verschiedenen Methoden (z.B. Temperatur, Lösungszusammensetzung, (Extrusionszyklen,) Durchsatz, erreichbare Liposomengröße, Kosten etc.) zu ermitteln, zu vergleichen sowie die Größenordnung anhand vorhandener Literatur abzuschätzen. Zur Entfernung freier Tracer-Substanz muss ein Aufreinigungsschritt im Anschluss an die Extrusion durchgeführt werden. Für diesen Schritt sollen ebenfalls aufbauend auf vornagegangenen Arbeiten mögliche Verfahren, welche sich für ein Upscaling eignen, recherchiert werden. Für die Verfahren sind ebenso die Prozessparameter zu ermitteln sowie zu vergleichen. Abschließend sollen eine Gegenüberstellung und Bewertung der Verfahren erfolgen mit dem Ziel, ein optimiertes Verfahren zu identifizieren. Diese Verfahren sollen abschließend in einem Proof of Concept aufgebaut und erprobt werden.

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Background/Motivation:

Blood is a complex fluid and, due to its opaque nature, the use of optical methods to study the shear-induced orientation and deformation of blood cells is limited. Artificial blood with an artificial plasma phase and hydrogel-based microparticles representing erythrocytes was introduced to overcome this limitation. Rheological experiments have shown promising results. However, the influence of particle size and number needs to be further understood.

Scope and goal of the project:

This project will further investigate the influence of particle size on shear behaviour under relevant shear conditions. Additionally, the particle concentration within the artificial plasma phase will be gradually increased to enable a comparison of the single particle influence with the rheological behaviour of the bulk fluid. Particular emphasis will be given to the measurement artefacts due to sedimentation or wall slip, and possible solutions will be evaluated theoretically and experimentally to minimise the effects of the latter.

The master thesis project will be carried out under co-supervision between the Institute of Multiphase Processes and NETZSCH-Gerätebau GmbH.

Are you interested? Do you have questions about the exact process and scope of the work? Get in touch and make an appointment for a non-committal discussion!

Kurzbeschreibung:

Diese Arbeit ist Teil eines Forschungsprojektes des Instituts für Mehrphasenprozesse (IMP), das sich mit der Entwicklung künstlicher Erythrozyten beschäftigt. Ziel ist es, künstliche rote Blutkörperchen zu entwickeln, die die rheologischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften menschlicher Erythrozyten nachahmen. Mit ihnen soll in späteren experimentellen Untersuchungen der Blutfluss in verschiedenen Gefäßtypen simuliert und mit verschiedenen Messmethoden (Particle Image Velocimetry, Optical Coherence Tomography, Magnetic Particle Imageing) optisch quantifiziert werden.

Derzeit werden am Institut künstliche Erythrozyten mit Hilfe mikrofluidischer Systeme hergestellt. Als Material wird das Hydrogel Polysodiumacrylat-co-Arylamid (PSAAm) verwendet. Hydrogele eignen sich als Ersatzmaterial, da sie aufgrund ihrer Fähigkeit, große Mengen Wasser zu speichern, die Verformbarkeit physiologischer Erythrozyten sehr gut nachahmen können. Um künstliche Erythrozyten optisch verfolgen zu können, soll versucht werden, sogenannte Markerpartikel in die Hydrogelpartikel zu integrieren. Zunächst sollen Integrationsprotokolle für drei verschiedene Markerpartikeltypen (TiO2, magnetische Nanopartikel, Fluoreszenzfarbstoff enthaltende Liposomen) entwickelt werden. Die erfolgreiche Integration der Marker soll dann experimentell bestätigt werden.  Anschließend erfolgt eine genaue mechanische und rheologische Charakterisierung der Hydrogel-Mikropartikel. Ziel ist es, die künstlichen Erythrozyten mit den integrierten Markerpartikeln für optische Systeme verfolgbar zu machen.

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