TY - THES A1 - Stier, Simon T1 - Konzepte, Materialien und Verfahren für multimodale und hochintegrierte Elastomersensorik T1 - Concepts, Materials and Processes for Multimodal and Highly Integrated Elastomer Sensors N2 - Dielektrische Elastomersensoren sind aus Elastomermaterialien aufgebaute Sensoren mit einem kapazitiven Messprinzip. In ihrer einfachsten Form bestehen sie aus einer dehnbaren Elastomerfolie als Dielektrikum, die beidseitig mit leitfähigen und ebenfalls dehnbaren Schichten als Elektroden bedeckt ist. Damit entsteht ein mechanisch verformbarer elektrischer Kondensator, dessen Kapazität mit der Dehnung der Elastomerfolie stetig ansteigt. Neben solchen Dehnungssensoren lassen sich mit einem geeigneten geometrischen Aufbau auch dielektrische Elastomersensoren realisieren, bei denen eine elektrische Kapazität mit einem angelegten Druck bzw. einer Kraft auf die Oberfläche, mit einer Scherkraft oder mit der Annäherung eines elektrisch leitfähigen oder polarisierbaren Körpers wie z. B. der menschlichen Hand messbar ansteigt. Durch ihre vielfältige Funktion, intrinsische Verformbarkeit und flächige Ausgestaltung weisen Dielektrische Elastomersensoren erhebliches Potential in der Schaffung smarter, sensitiver Oberflächen auf. Dabei sind weitgehende und individuelle Adaptionen auf den jeweiligen Anwendungszweck durch Abstimmung geometrischer, mechanischer und elektrischer Eigenschaften möglich. Die bisherige Forschung beschränkt sich jedoch auf die Analyse und Optimierung einzelner Aspekte ohne das Potential einer übergreifenden systemischen Perspektive zu nutzen. Diese Arbeit widmet sich daher der Betrachtung der Sensorik als Gesamtsystem, sowohl horizontal - von abstrakten Modellen bis zur Fertigung und prototypischen Anwendung - als auch vertikal über die Komponenten Material, Struktur und Elektronik. Hierbei wurden in mehreren Teilgebieten eigenständige neue Erkenntnisse und Verbesserungen erzielt, die anschließend in die übergreifende Betrachtung des Gesamtsystems integriert wurden. So wurden in den theoretischen Vorarbeiten neue Konzepte zur ortsaufgelösten Erfassung mehrerer physikalischer Größen und zur elektrischen und mechanischen Modellierung entwickelt. Die abgeleiteten Materialanforderungen wurden in eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Elastomer-Kompositwerkstoffe überführt, in der neuartige analytische Methoden in Form von dynamischer elektromechanischer Testung und nanoskaliger Computertomographie zur Aufklärung der inneren Wechselwirkungen zum Einsatz kamen. Im Bereich der automatisierten Prozessierung wurde ein für die komplexen mehrschichtigen Elektrodenstrukturen geeigneter neuer lasergestützer substraktiver Fertigungprozess etabliert, der zudem die Brücke zu elastischer Elektronik schlägt. In der abschließenden Anwendungsevaluierung wurden mehrere ortsaufgelöste und multimodale Gesamtsysteme aufgebaut und geeignete Messelektronik und Software entwickelt. Abschließend wurden die Systeme mit einem eigens entwickelten robotischen Testsystem charakterisiert und zudem das Potential der Auswertung mittels maschinellem Lernen aufgezeigt. N2 - Dielectric elastomer sensors are sensors constructed from elastomer materials with a capacitive measuring principle. In their simplest form, they consist of a stretchable elastomer film as dielectric, which is covered on both sides with conductive and also stretchable layers as electrodes. This creates a mechanically deformable electrical capacitor whose capacitance increases steadily with the stretching of the elastomer film. In addition to such strain sensors, with a suitable geometric design it is also possible to realize dielectric elastomer sensors in which an electrical capacitance increases measurably with an applied pressure or force on the surface, with a shear force or with the approach of an electrically conductive or polarizable body such as the human hand. Due to their versatile function, intrinsic deformability and flat design, dielectric elastomer sensors have considerable potential in the creation of smart, sensitive surfaces. Extensive and individual adaptations to the respective application purpose are possible by matching geometric, mechanical and electrical properties. However, research to date has been limited to the analysis and optimization of individual aspects without exploiting the potential of an overarching systemic perspective. This work is therefore certainly dedicated to the consideration of sensor technology as an overall system, both horizontally - from abstract modeling to manufacturing and prototypical application - and vertically via the components material, structure and electronics. In this context, individual new findings and improvements were achieved in several sub-areas, which were subsequently integrated into the overall consideration of the entire system. Thus, in the preliminary theoretical work, new concepts were developed for the spatially resolved measurement of multiple physical quantities and for electrical and mechanical modeling. The derived material requirements were transferred into an in-depth characterization of the elastomer composite materials used, in which novel analytical methods in the form of dynamic electro-mechanical testing and nanoscale computer tomography were applied to elucidate the internal mechanisms of interaction. In the area of automated processing, a new laser-based subtractive manufacturing process suitable for the complex multilayer electrode structures was established, which also bridges the gap to stretchable electronics. In the final application evaluation, several spatially resolved and multimodal sensor systems were built and suitable measurement electronics and software were developed. Finally, the systems were characterized with a specially developed robotic test system and, in addition, the potential of evaluation by means of machine learning was demonstrated. KW - Taktiler Sensor KW - Silicone KW - Schaltungsentwurf KW - Roboter KW - Künstliche Intelligenz KW - Dielektrische Elastomersensoren KW - Mikroelektronik KW - Laserstrukturierung KW - Moultimodale Sensorik KW - Roboter Sensorhaut KW - Dielectric Elastomer Sensors KW - Mikroelektronik KW - Laser structuring KW - Multimodal sensors KW - Robot Sensor Skin Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-260875 ER - TY - THES A1 - Jordan, Martin Cornelius T1 - Biotechnologisch modifizierte Silikonimplantate in der Chirurgie - in vivo Untersuchungen zur Biokompatibilität einer Polydimethylsiloxan-Tetraethoxysilan-Halofuginon-Hybridoberfläche T1 - Modified medical silicone implants in surgery - in vivo compatibility of Polydimethylsiloxan-Tetraethoxysilan-Halofuginone-Surfaces N2 - Silikonprodukte werden erfolgreich im klinischen Alltag eingesetzt und haben sich in vielen Bereichen der Medizin als nützlich erwiesen. Trotz guter Biokompatibilität ist die Verwendung von medizinischen Materialien aus Silikon, besonders bei der dauerhaften Integration in den Körper, mit Komplikationen verbunden. Die Brustrekonstruktion mit Silikonimplantaten ist ein Beispiel für den langfristigen Gewebeersatz mit einem Fremdmaterial. Der Organismus erkennt dabei das synthetische Polymer und reagiert mit einer fibrösen Abkapselung. Dabei handelt es sich um eine physiologische Entzündungsreaktion mit Abgrenzung des Implantats durch Bestandteile der extrazellulären Matrix. Durch bisher nicht vollständig geklärte pathophysiologische Abläufe kann es jedoch zu einer verstärkten Ausprägung dieser Kapselfibrose kommen, was mit Schmerzen und einer Deformierung sowie Zerstörung des Implantats einhergehen kann. Als Konsequenz einer voll ausgeprägten Kapselfibrose, der sogenannten Kapselkontraktur, bleibt dann meist nur eine operative Revision. Das Ziel dieser Arbeit war die Modifizierung herkömmlicher Silikonimplantate, um die Biokompatibilität zu verbessern und die übermäßige Ausbildung einer periprothetischen Kapsel als häufigste revisionsbedürftige Komplikation zu vermeiden. Dafür wurde der antifibrotische Wirkstoff Halofuginon in einem nasschemischen Beschichtungsprozess auf eine Silikonoberfläche gebunden und die Implantate in einem Tiermodell der Ratte untersucht. Es zeigte sich, dass Halofuginon den TGF-beta1-Signalweg durch Beeinflussung der intrazellulären Smad-Signalkaskade hemmt, wodurch es unter anderem zu einer spezifischen Hemmung der Kollagen-Typ-I-Expression kommt. Histologische, immunhistologische und molekularbiologische Untersuchungen nach einer Implantationsdauer von drei Monaten zeigten, dass eine Halofuginonbeschichtung die Kollagendichte, die Kapseldicke und die Anzahl an Fibroblasten und Entzündungszellen im Kapselgewebe vermindert. Zusätzlich konnten weniger TGF-beta- und CD68-positive Zellen im Vergleich zur Kontrollgruppe nachgewiesen werden. Die Ergebnisse der Real-Time-PCR zeigten übereinstimmend eine erniedrigte Expression für TGF-beta1, Kollagen-Typ-I, CTGF und CD68 und bestätigten die immunhistologische Auswertung. Darüber hinaus konnte eine verminderte Expression des MMP-2-Gens nachgewiesen werden, welches für die Steuerung der EZM-Ablagerung mitverantwortlich ist. Es kann belegt werden, dass eine Halofuginon freisetzende Silikonhybridoberfläche effektiv und spezifisch die pathologische periprothetische Kapselbildung hemmt. Es sind jedoch weitere in-vivo-Studien zur Überprüfung der Nachhaltigkeit und der Pharmakodynamik erforderlich, um die gewonnenen Erkenntnisse als Schritt in der Verbesserung der Biokompatibilität von Silikonimplantaten nutzen zu können. N2 - Modified medical silicone implants in surgery - in vivo compatibility of Polydimethylsiloxan-Tetraethoxysilan-Halofuginone-Surfaces KW - Silikon KW - Polydimethylsiloxan KW - Tetraethoxysilan KW - Halofuginon KW - Hybridoberfläche KW - Polydimethylsiloxan KW - Tetraethoxysilan KW - Halofuginon KW - Silicone Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-81213 ER - TY - THES A1 - Haacke, Christian T1 - Die multifunktionelle Gefäßprothese - Weiterentwicklung und Optimierung T1 - The multi-functional vascular graft - advancement and improvement N2 - Einleitung Müssen im Verlauf einer kardiovaskulären Erkrankung geschädigte Gefäßabschnitte ersetzt werden, stehen den Gefäßchirurgen neben organischen Eigen– oder Fremdmaterial hauptsächlich die Kunststoffe Polytetraflourethylen (PTFE) und Polyethylen-terephtalat (PET, Polyester, Dacron®) zum Gefäßersatz zur Verfügung. Im Zusammenhang mit diesen künstlichen Ersatzmaterialien kommt es allerdings häufig zu Komplikationen. Diese sind besonders nach Rekonstruktion kleiner Gefäße durch die Thrombogenität ihrer Oberflächen und eine übersteigerte Intimahyperplasie bedingt. Ursächlich für einen Misserfolg können außerdem eine ungenügende Dichtigkeit und eine Infektion des Gefäßersatzes sein. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung einer "multifunktionellen“ Silikon–beschichteten und Medikamenten-freisetzenden Gefäßprothese, bei der die Oberflächeneigenschaften optimiert wurden. Material und Methoden Herstellung der Prothesen: Gewirkte Polyesterprothesen wurden maschinell mit Silikon beschichtet. Mit Hilfe einer neuen Beschichtungsmaschine wurden die Prothesen zusätzlich von innen mit Silikon betropft. Durch einen nass–chemischen Prozess wurden in einem zweiten Schritt verschiedene Stoffe kovalent an die Oberfläche des Silikons gebunden (Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol, Phosphorylcholin, eine amphotere Oberfläche, Silber und die Kombination von Silber und PVA). Außerdem wurde das Medikament Paclitaxel (Taxol®) in die Silikonmatrix eingebracht. Untersuchung der Eigenschaften: Es wurde die Dichtigkeit nach Beschichtung und zusätzlich der Wasserverlust nach Einstich mit Kanülen und Venenverweilkanülen untersucht und mit dem herkömmlicher Prothesen verglichen (eine PTFE -, eine mit Kollagen beschichtete und eine 3-schichtige PTFE-Polymer – Prothese (Rapidax)). Zusätzlich wurden die antiinfektiösen Eigenschaften der verschiedenen Oberflächen (Silber, amphotere Oberfläche, Kollagen- und Silikon-beschichtete Polyesterprothesen) auf den Prothesen, der Einfluss der an die Prothese gebundenen Moleküle auf die Thrombogenität und die Elution von Paclitaxel, einem Medikament zur Unterdrückung der Intimahyperplasie, untersucht. Ergebnisse Herstellung der Prothesen. Die Umstellung des Beschichtungsvorgangs mit einer 3. Beschichtung von innen konnte realisiert werden. Untersuchung der Eigenschaften: Dichtigkeit: Bei der Untersuchung des Wasserverlustss nach Einstich von Kanülen und Venenverweilkanülen zeigten sich die geringsten Verlustraten bei der Rapidax®-Prothese und die höchsten bei der PTFE–Prothese. Die Silikon–beschichtete und die herkömmliche PET–Prothese erzielten insgesamt ähnliche Ergebnisse Oberflächenthrombogenität: Durch die Beschichtung mit Silikon konnte im Vergleich zur reinen Polyesterprothese und gegenüber den herkömmlichen Prothesen (Dacron®-Gelatine und PTFE) in allen Versuchen eine geringere Gerinnungsaktivierung für die Silikonprothese festgestellt werden. Die zusätzliche Oberflächenmodifizierung von Silikon- und Silberprothesen mit PVA erbrachte niedrigere Gerinnungswerte als die alleinigen Oberflächen. Die antiinfektiöse Oberfläche: Die mit Silber modifizierte Silikon-beschichtete Prothese konnte das bakterielle Wachstum komplett inhibieren. Die amphotere Oberfläche hingegen konnte das bakterielle Wachstum im Vergleich zur reinen Silikonoberfläche nur leicht hemmen. Medikamentenelution: Paclitaxel konnte im Kreislaufmodell und auch im statischen Versuchsaufbau über einen Zeitraum von bis zu 21 Tagen im Humanalbumin nachgewiesen werden. Diskussion Durch die Beschichtung mit Silikon wird eine primäre Dichtigkeit erreicht. Außerdem konnten nun die Prothesen durch die Umstellung des Herstellungsverfahrens in besserer Qualität und schneller hergestellt werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Eigenschaften der einzelnen Moleküle in der Kombinationsprothese erhalten bleiben: so konnte die Thrombogenität der antiinfektiösen Silberprothese durch das PVA aufgehoben werden. Die Elution des Paclitaxels war unabhängig von der Oberflächenbeschichtung. Alternativ können auch andere Moleküle und Medikamente verwendet werden. Ziel ist nun die Testung dieser Prothese zunächst im Tierversuch und auf lange Sicht in einer klinischen Studie. Insbesondere bietet sich eine vergleichende Studie mit herkömmlichen Prothesen im Dialyseeinsatz an, da die Silikonprothese hinsichtlich der Dichtigkeit besonders bei Venenverweilkanülen mittleren Durchmessers gegenüber PTFE– und einer Polyester-Prothese überzeugen konnte. N2 - Abstract Background: To replace affected blood vessels surgeons might use synthetic prostheses made of polytetraflourethylen (PTFE) and polyethylenterephtalat (PET, Polyester, Dacron®) instead of autologous veins. There are some common complications in conjunction with these prostheses. Major complications are infections, a deficient density, the thrombogenicity of the artificial surfaces and especially after reconstruction of smaller blood vessels the development of intima hyperplasia. The current dissertation describes the improvement of a "multifunctional" silicone-coated and drug-eluting vascular graft. Methods: Fabrication of prostheses: Knitted polyester-prostheses were coated with silicone. The former coating with silicone which was only from outside was completed with an extra coating at the inner side of the prosthesis. For this process we developed a special machine. The coating was followed by a modification with different molecules such as polyvinylpyrrolidone (PVP), polyvinylalcohole (PVA), phosphorylcholine (PC), an amphoteric surface, silver and a combination of silver and PVA. In another processes we inserted the drug paclitaxel in the matrix of the silicone. Analysis of characteristics: We analysed the density, the anti-infectious qualities of the prostheses, the influence of bonded molecules on the thrombogenicity and the drug-elution of paclitaxel. Density: We tested the average leakage and the leakage after puncture with canulas and indwelling venous catheters of the coated prostheses and three conventionally used vascular grafts (one PTFE, one collagen-coated and one prosthesis made of PTFE and another polymer (Rapidax)). Thrombogenicity of surfaces: We analysed the INR, Quick, PTT and fibrinogen after the contact of blood with the different surfaces. Furthermore we determined the amount of fibrinogen adhered platelets and platelet aggregates via FACS and the presence of coagulation activators (fragments of prothrombin F1+ F2) and of fibrinolysis (D-Dimeres) via ELISA (Enzyme-Linked Immunosorbend Assay). Infectivity: We analysed the effectivity of silver and of an amphotere surface on silicone catheters and on silicone prostheses against S. aureus. In an in-vitro experiment we incubated different catheters with a bacterial suspension and quantified the adherent bacteria. In a second experiment we incubated different coated prostheses with a S.aureus xen29 strain and determined the luminescence of the adhered bacteria. Drug elution: In static and dynamic experimental set-ups we detected the concentration of paclitaxel eluted from a prostheses via an Immuno-Assay (Fa. Cardax Pharmaceuticals, Hawaii, USA). This drug should inhibit the intima hyperplasia. Results: Production of prostheses: We realized the restructering of the coating process. Thereby we could save time and silicone. In addition we achieved a constant layer of silicone at the inside of the prostheses. Analysis of characteristics: Density: After puncturing the prostheses with canulas and indwelling venous catheters the Rapidax-prosthesis achieved the lowest and the PTFE the highest leakage. The silicone-coated and the collagen-coated prostheses achieved comparable results with advantages for the silicone-prosthesis. Thrombogenicity: The silicone-coated prostheses caused a lower activation of coagulation than the commonly used vascular grafts (Dacron-Gelatine or PTFE). The modification with PVA could additionally decrease the activation of silicone and silver. Infectivity: The silver-coated catheters and prostheses could completely inhibit the growth of bacteria. The highest growth was detected on the collagen-prostheses. The amphotere surface could achieve a low inhibation. Drug elution: It was possible to detect paclitaxel in the static as well as in the dynamic experimental set-up until the 21th day. Discussion: The coating with silicone could achieve a complete density of the prostheses. Furthermore we now have the ability to produce silicone-coated grafts in a better quality and in a shorter period of time. We could demonstrate that the individual characteristics of the different molecules persist in the combination with other molecules. The coating with PVA for example made it possible to compensate the higher activation of coagulation. Alternatively we could also coat the prostheses with other molecules or drugs. Our ambition is to test the silicone-prostheses in an animal experiment and in a clinical survey. Because of the good results in the density experiment it is conceivable to test our prostheses in conjunction with dialysis. KW - Silicone KW - Gefäßprothese KW - Gefäßersatz KW - Dacron KW - Dichtheit KW - Gerinnbarkeit KW - Infektiösität KW - Intimahyperplasie KW - artery KW - vascular KW - graft KW - prosthesis KW - intima hyperplasia KW - thrombogenicity KW - silicone KW - infectivity Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-36584 ER - TY - THES A1 - Körner, Christiane T1 - Die Silikon-beschichtete Polyesterprothese : Konzept, physikalische und biologische Eigenschaften T1 - The silicone-coated polyester prosthesis. Concept, physical and biological characteristics N2 - Einleitung: Eine operative Alternative bei Bypassoperationen stellen bei fehlender Eigenvene alloplastische Kunststoffprothesen dar. Die Langzeitprognosen vor allem bei kleinkalibrigem Durchmesser zeigen sich eher ernüchternd. In der hier vorliegenden Arbeit wird über die Entwicklung einer neuen multifunktionellen Gefässprothese zur Verbesserung oben genannter Probleme berichtet. Material und Methoden: Es erfolgte die Silikonbeschichtung herkömmlicher Polysterprothesen (Fa. Intervascular, 6mm Durchmesser, "Micron®") mit anschliessender Oberflächenmodifizierung mit unterschiedlichen Molekülen. Im Anschluss wurden Substanzen in die Matrix eingebracht, welche in Abhängigkeit von der Zeit wieder frei eluieren konnten. Danach folgte die Testung der physikaltischen/biologischen Eigenschaften. Ergebnisse: Physikalisch: Im Vergleich zu herkömmlichen Prothesen konnten ab einer Beschichtung von 16-20 mg/cm2 Silikon physikalisch keine Unterschiede in Bezug auf Dichtigkeit, Compliance oder Steifigkeit gesehen werden. Biologisch: Die PVA und PC- Prothese zeigten bezüglich der thrombogenen Eigenschaft deutlich positive Ergebnisse. Medikamentenelution: Es konnte bestätigt werden, dass die inkorporierten Substanzen an die Umgebung und das Medium abgegeben wurden. Diskussion: Es gelang die Herstellung einer multifunktionellen Prothese mit beliebig wählbaren physikalischen Eigenschaften. Ausserdem wurde eine Verbesserung der Hämokompatibilität der getesteten Materialien gezeigt. Die lokale Medikamentenwirkung kann durch Einbringung unterschiedlicher Substanzen in Zukunft weiter ausgebaut werden. N2 - Introduction: A surgical solution for bypass operations represents alloplastic polyester prostheses, if veins are not possible to use. Long-range prognosis psecially by small gauged diameters are deflating The present paper contains the development of a multifunctional polyester graft for a advancement of those problems. Methods: Normal polyester prostheses were coated with silicone (Micron®, Fa. Intervascular) followed by modified surface with different molecules. Next the substances were incorporated into the bulk with the aim of elution against the time. Thereafter we analyzed them physical and biological characteristics. Results: Physical: in comparison to a coating of 16-20mg/cm2 there were no differents in density, compliance or stiffness in accord to normal prostheses. Biological: the polyvenylalcohol and phosphorylcholine-modified prostheses showed in terms of thrombogenicity clear positive results. Drug-eluting: we confirm the dispensary of the substances at the ambiance and the medium. Discussion: We managed to fabricate a multifunctional prosthesis with user-defined physical features. Also we showed a enhanced hemocompatibility of the examinated materials. For the future the impact of the drugs can be extended by adding of different substances. KW - Arteriosklerose KW - Silikon KW - Drug releasing graft KW - Oberflächenmodifikation KW - Intimahyperplasie KW - Arteriosclerosis KW - Intimal hyperplasia KW - Silicone KW - Drug releasing graft KW - Surface modification Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-26016 ER -