Studien- und Abschlussarbeiten

Kurzbeschreibung

Im Forschungsbereich des Tissue Engineering können verschiedene Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften durch das Elektrospinnverfahren hergestellt und als Zellträgerstrukturen verwendet werden. Von Interesse sind insbesondere degradierbare Polymere, da diese in vivo abgebaut werden. Allerdings wird das Herstellungsverfahren stark von den Umgebungsbedingungen beeinflusst. Eine Möglichkeit zur Minimierung der Umgebungseinflüsse stellt die Durchführung des Verfahrens im Niederdruckbereich dar.

Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen Faserstrukturen mit Hilfe des Elektrospinnverfahrens unter Niederdruckeinfluss hergestellt und untersucht werden. Die Strukturen sind hinsichtlich ihrer physikalischen, chemischen und thermischen Eigenschaften zu charakterisieren. Im Fokus stehen hierbei vor allem die Untersuchungen mittels dynamischer Differenzkalorimetrie, Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie sowie die Rasterelektronenmikroskopie. Zudem sollen die mechanischen sowie die Benetzungseigenschaften der faserbasierten Proben untersucht werden.

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Kurzbeschreibung:

Das Elektrospinnen ist ein vielseitiges Verfahren zur Herstellung von Fasern im Mikro- oder Nanobereich aus Polymerlösungen oder -schmelzen. Diese Fasern finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, wie beispielsweise in Filtrationssystemen, Textilien, Wundverbänden oder im Tissue Engineering. Der Elektrospinnprozess selbst ist jedoch komplex und wird von zahlreichen Parametern beeinflusst. Eine zentrale Rolle spielen dabei die rheologischen Eigenschaften der verwendeten Polymerlösung. Die Viskosität, Elastizität und Oberflächenspannung der Lösung bestimmen maßgeblich, ob und wie gut sich die Lösung im Elektrospinnprozess zu kontinuierlichen Fasern verarbeiten lässt. Um die Verspinnbarkeit einer Polymerlösung im Elektrospinnprozess zu optimieren, ist daher ein tiefes Verständnis der Zusammenhänge zwischen den rheologischen Eigenschaften und den Prozessparametern erforderlich. Häufig wird jedoch für die Charakterisierung der verwendeten Polymerlösungen lediglich die Viskosität betrachtet.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine Literaturrecherche zu den Zusammenhängen zwischen rheologischen Messgrößen von Polymerlösungen und deren Prozessstabilität im Elektrospinnen durchgeführt werden.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Identifizieren relevanter Belastungsgrößen auf Polymerlösungen im Elektro-spinnprozess (Scherraten, Kräfte)
• Aufarbeiten des aktuellen Forschungsstands zum Einfluss der rheologischen Eigenschaften von Polymerlösungen auf den Elektrospinnprozess
• Ableiten von Handlungsempfehlungen für die rheologische Charakterisierung der Polymerlösungen

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Kurzbeschreibung

Cochlea Implantate (CI) werden zur Behandlung von Taubheit und hochgradiger Schwerhörigkeit eingesetzt. Der in die Hörschnecke eingeführte Teil des konventionellen CI besteht aus einem Silikonträger mit Platinelektroden an der Oberfläche. Durch elektrische Reize der Elektroden wird der Hörnerv stimuliert und auf diese Weise ein auditorisches Signal induziert. Als natürliche Reaktion auf die Implantation wird wenige Tage nach dem Einsetzen des Implantats Bindegewebe gebildet, welches das gesamte Implantat umschließt und elektrisch isoliert. Dies spiegelt sich in erhöhten Stimulationsströmen, in nicht vorhersagbarer Reizausbreitung und Frequenzselektivität sowie einem erhöhten Energieverbrauch der CI wider. Am IMP wird an einer neuartigen Beschichtung für CI auf Polymerbasis gearbeitet, welches unter anderem durch die Abgabe von anti-inflammatorischen Wirkstoffen den Bewuchs der Oberfläche mit Bindegewebe begrenzen soll. Hierzu sollen im Rahmen dieser Arbeit unterschiedliche Strategien für die Beladung von elektrogesponnenen Fasern mit einem Wirkstoff erarbeitet und untersucht werden. Dabei ist das Freisetzungsverhalten eines Modellwirkstoffes aus Probekörpern verschiedener Geometrien zu charakterisieren und mit Literaturwerten und Modellen zu verglichen. Darüber hinaus sollen Möglichkeiten recherchiert werden, die Freisetzungskinetik durch das Einbringen von Diffusionsbarrieren, Sandwich-Strukturen oder andere Verfahren zu beeinflussen.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu Drug Release und Kinetik aus Polymeren
• Aufstellungen eines Versuchsplanes
• Herstellung von Probekörpern
• Konzeptionierung eines Versuchsaufbaus
• Durchführung von Freisetzungsversuchen
• Optimierung der Freisetzungkinetik

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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 Erzeugung des superhxdrophoben SLIPS-Effektes müssen diese Schmiermittel in das Substrat eindringen. Hierzu gibt es verschiedene Verfahren wie das Spin Coating oder die Lagerung in dem verwendeten Schmiermittel. Zur Erzeugung reproduzierbarer und langzeitstabiler Eigenschaften soll der Einfluss des Imprägnierverfahrens untersucht werden.

Schwerpunkte dieser Arbeit:

• Recherche zu Oberflächeneigenschaften von Polymeren und Schmiermitteln
• Recherche zu Einflüssen und Parametern der Imprägnierung von Fasermatten
• Herstellung von superhydrophoben Oberflächenbeschichtungen mit unterschiedlichen Imprägnierverfahren.
• Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften (Kontaktwinkel, Roll-Off Winkel, Oberflächenenergien, Rheologie und Tribologie)

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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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