Studien- und Abschlussarbeiten

Short Description

3D-printed bone scaffolds are primarily used to fill bone gaps after surgical removal due to tumors, trauma, or infection, where poor healing can lead to non-union fractures, cancer resurgence, or reinfection. Although, emerging 3D printing of on-demand bone graft biomaterials can provide personalized solutions and significant benefits over biological counterparts, it is highly probable that bacterial infections occur during surgical procedures or on scaffolds. Therefore, it is of great significance to obtain scaffolds with integrative antibacterial and osteogenic functions to treat bone scaffold-associated infections and promote bone repair. Among several scaffolding and coating techniques, electrospinning has been recognized for its ability to produce nanofibrous mats in a scalable and low-cost manner. These electrospun mats can mimic the nanotopographies of bone ECM nanofibers (such as collagen) and play a crucial role in cell attachment and proliferation.

Among natural polymers, Bombyx mori silk fibroin (SF) is one of the most commonly used biopolymeric materials due to its desirable properties such as biocompatibility, biodegradability, nontoxicity, low immunogenicity, and good mechanical strength. Additionally, various therapeutic components, such as growth factors, ions, oligonucleotides, peptides, proteins, and small molecules, can be incorporated into SF nanofibrous sheets/mats fabricated by electrospinning. On the other hand, Propolis is a gelatinous solid substance formed from resin or other secretions collected by worker bees from tree trunks or plant shoots. Propolis, compared with many other natural substances, has several biological activities such as antioxidant and antibacterial properties. Continuing an ongoing project, this study aims to evaluate the feasibility of electrospinning Propolis-enriched SF/Ag+ nanofibers to be used as coating mats on the surface of 3D-printed CPC scaffolds, with the goal of enhancing their antibacterial property. Various characterization techniques will be applied to analyze the structure, morphology, compressive strength, antibacterial activity, and ion release rate of the different fabricated scaffolds.

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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. Zur Beurteilung der abweisenden Eigenschaften einer solchen Beschichtung kommt unter anderm der sogenannte Roll-Off Winkel zum Einsatz. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Prüfstand zu konstruieren, der die Bestimmung dieses Winkels für die hergestellten SLIPS-Systeme ermöglicht. Die Auswertung soll dabei automatisch über ein Videosystem erfolgen und protokoliert werden.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Untersuchung von Gleiteigenschaften von SLIPS
• Auslegung und Konstruktion eines Prüfstands zur automatisierten Bewertung von SLIPS-Systemen
• Verknüpfung von gemessenem Winkel und Video zur automatisierten Auswertung des Bildmaterials

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Kurzbeschreibung

Aufgrund der zeitlich limitierten Haltbarkeit von Zellen und Gewebe, wird zur Sicherstellung einer ausreichenden Ver­füg­barkeit die hypotherme Konservierung (Kurzzeitla­ge­rung bei 4°C) und Kryokonservierung (Langzeitlagerung <‑80°C) verwendet. Aufgrund temperaturinduzierter bio­che­mischer und biophysikalischer Vorgänge kommt es bei beiden Konservierungsverfahren zu Zellschädigungen, die aller­dings durch die Verwendung von Konservie­rungs­lösun­gen reduziert werden können.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen hypotherme und kryogene Konservierungslösungen unter­sucht werden. Die Lösungen sind zunächst hinsichtlich ihrer physikalischen Eigen-schaften zu analysieren. Im Fokus stehen hierbei Messungen zur Dichte, Leitfähigkeit, Oberflächenspannung sowie der Viskosität. Anschließend sind die thermischen Eigen-schaften der Lösungen zu betrachten. Mit Hilfe der dynamischen Differenzkalorimetrie lassen sich die Kristallisations-, Glasübergangs- und Schmelztemperaturen der Lösungen bestimmen. Durch die anschließende Kryomikroskopie sollen die Ergebnis-se validiert werden. Zudem kann der Einfrier- und Auf­tau­prozess visualisiert sowie das Rekristallisationsver­halten untersucht und beurteilt 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. 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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Kurzbeschreibung:

Der Elektrospinnprozess ist ein Verfahren zur Herstellung von Faservliesen mit hohem Oberflächen-zu-Volumen Verhältnis. Im Bereich des Tissue Engineerings finden diese Faservliese aufgrund der guten Zelladhäsion und -proliferation häufig Anwendung. Die Eigenschaften des Faservlieses werden durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst. Zu diesen gehören die Prozessparameter, die Umgebungsbedingungen sowie die Eigenschaften der verwendeten Polymerlösung. Die komplexen Wechselwirkungen der Parameter sowie die mangelnde Kontrolle über die Umgebungsbedingungen erschweren dabei die Ableitung grundsätzlicher Zusammenhänge, z.B. in Parameterstudien. Durch die Einführung einer einheitlichen Protokollierung der Versuchsparameter in einer Datenbank mit Eingabemaske kann die Stichprobenzahl für die Ableitung grundsätzlicher Zusammenhänge zwischen den Parametern deutlich erhöht werden.

In dieser Arbeit ist eine Datenbank zur Erfassung von Versuchsdaten für den Elektrospinn-prozess zu programmieren. Zudem ist eine Eingabemaske als Schnittstelle für Eingaben der durchführenden Person zu erstellen. Die Eingabemaske soll eine einheitliche Protokollierung der Versuchsdaten ermöglichen. Ferner sollen die gespeicherten Daten mittels einer Suchmaske abgerufen und gefiltert werden können.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Literaturrecherche zu Datenbanken sowie zum Elektrospinnprozess
• Festlegung geeigneter Eingaben für Prozessparameter, Lösungseigenschaften, Umgebungsbedingungen und Ergebnisse
• Konzeptionierung der Datenbank sowie der Eingabemaske
• Finale Programmierung der Datenbank

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