TY  - THES
A1  - Belka, Janina
T1  - Biomaterialien auf der Basis von Terpyridin-koordinierten Metallionen
T1  - Biomaterials based on terpyridine-coordinated metal ions
N2  - In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss von Metallkomplexverbindungen auf der Basis von monotopen und ditopen Terpyridin-Liganden auf Zellen behandelt. Es können mehrere Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie MEPE als kontrollierte Freisetzungssysteme für Zel-lanwendungen eingesetzt werden können. Es werden 2D-Beschichtungen, 3D-Knochenzemente und Terpyridin funktionalisierte Alginate hergestellt. Es ist möglich, definier-te, homogene Fe-MEPE Schichten auf Borosilikatglas mithilfe der Layer by Layer Technik und mittels Tauschbeschichtung abzuscheiden. Um die Oberfläche und somit die Freisetzung von Metallionen zu erhöhen, werden zusätzlich poröse SiO2-Schichten hergestellt, welche mit Fe-MEPE infiltriert werden. Um die Anwendbarkeit von Metallkomplexverbindungen auf der Basis von monotopen und ditopen Terpyridin-Liganden als Knochenersatzmaterial zu testen werden Hydroxylapatit Knochenzemente synthetisiert. Ziel ist eine retardierende Freisetzung der Metallionen ohne Burst Effekt und ohne den Verlust der Druckstabilitäten der HA Zemen-te. Die Funktionalisierung von Alginat mit 1-Amino-5-(2,2ʹ:6ʹ,2ʹʹ-terpyrid-4ʹ-yl-oxy)pentan resultiert in Hydrogelen, welche ein anderes Gelierverhalten als das unfunktionalisierte Alginat zeigen. Zudem ist es möglich mit Fe(II)- /Ca(II)-Salzmischungen Hydrogele auszubilden. Die funktionalisierten Alginate sind zudem bioaktiv.
Zum grundlegenden Verständnis der MEPE Zell Wechselwirkung werden zunächst Zytotoxo-zitätsuntersuchungen mittels WST-1 Test von L929 und C2C12-Zellen mit wässrigen M(II)MEPE Lösungen (Metallionen M= Fe(II), Co(II), Ni(II), Zn(II)) in einem Konzentrationsbe-reich von 1,56x10-11 bis 1,6x10-5 mol L-1 durchgeführt. Fe-MEPE zeigt im betrachteten Kon-zentrationsbereich keine zytotoxischen Eigenschaften auf die eingesetzte Fibroblastenzelllinie. Bei Konzentrationen über 1x10-6 mol L-1 Fe-MEPE sinkt die Mitochondrienaktivität der C2C12-Zellen auf 40%. Dagegen wirken Co- und Zn-MEPE ab einer Konzentration von 1x10-7 mol L-1 stark zytotoxisch auf L929 und C2C12-Zellen. 
Um selektiv die Differenzierung von C2C12, MG63, humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSCs) und humanen Endothelzellen anzuregen, werden die Zellen auf den hergestellten 2D Beschichtungen ausgesät. Es kann gezeigt werden, dass Fe-MEPE die Proliferation zu-gunsten der Stoffwechselaktivität von C2C12, MG63-Zellen und hMSCs hemmt. Bei weiterer Betrachtung der spezifischen myogenen Differenzierungsmarker der C2C12-Zellen bzw. der spezifischen Gene der osteogenen Differenzierung (Osteocalcin und ALP) mithilfe qRT-PCR können erhebliche Stimulierungen auf der mRNA Basis detektiert werden. Auch auf 

enzymatischer Ebene zeigen Fe-MEPE modifizierte Oberflächen einen stimulierenden Effekt auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase der MG63 Zelllinie und humaner mesenchyma-ler Stammzellen.
Somit kann eine Stimulierung der myogenen Differenzierung von C2C12-Zellen, sowie oste-ogenen Differenzierung von MG63-Zellen und hMSCs mittels Fe-MEPE beschichteten Ober-flächen innerhalb von drei Tagen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass Fe-MEPE funktionalisierte Oberflächen als innovative Scaffolds für die Behandlung von Kno-chendefekten eingesetzt werden können.
N2  - In this thesis the influence of metal complexes based on monotopic and ditopic terpyridine ligands on cells is discussed. There are several ways MEPE can be used as a controlled re-lease system for cell applications. 2D planar and porous coatings, 3D bone cements and ter-pyridine functionalised alginates are produced. It is possible to deposit defined, homogeneous Fe-MEPE layers on borosilicate glass using the layer by layer technique and by dip coating. In order to increase the surface and thus the release of metal ions, porous SiO2 layers are addi-tionally produced, which are infiltrated with Fe-MEPE. To test the applicability of monosubsti-tuted and ditopic terpyridine ligand metal complexes as bone substitutes, hydroxyapatite bone cements are synthesized. The intent is to release the metal ions without a burst effect and without losing the pressure stability of the HA cements. 
The functionalization of alginate with 1-amino-5-(2,2'-6',2'-terpyrid-4'-yl-oxy) pentane results in hydrogels which exhibit a different gelling behavior than the unfunctionalised alginate. It is possible to form hydrogels with aqueous Fe (II) / Ca (II) salt mixtures. The functionalized algi-nates are bioactive.
To gain a basic understanding of the MEPE cell interaction, cytotoxicity studies are first per-formed by WST-1 assay of L929 and C2C12 cells with aqueous M (II) MEPE solutions (metal ions M = Fe (II), Co (II), Ni (II), Zn (II)) in a concentration range of 1.56 × 10 -11 to 1.6 × 10 -5 mole L-1. In the concentration range Fe-MEPE shows no cytotoxic properties on the fibroblast cell line. At concentrations above 1x10-6 mol L-1 Fe-MEPE the mitochondrial activity of C2C12 cells decreases to 40%. In contrast, Co and Zn MEPEs have a strong cytotoxic effect on L929 and C2C12 cells at a concentration of 1x10-7 mol L-1. C2C12, MG63, human mes-enchymal stem cells (hMSCs) and human endothelial cells are seeded on the prepared Fe-MEPE 2D coatings to selectively stimulate the differentiation. It can be shown that Fe-MEPE inhibits the proliferation in favor of the metabolic activity of C2C12, MG63 cells and hMSCs. Further consideration of the specific myogenic differentiation markers of the C2C12 cells or the specific genes of osteogenic differentiation (osteocalcin and ALP) by means of qRT-PCR, significant mRNA-based stimuli can be detected. Likewise on the enzymatic level, the Fe-MEPE modified surfaces have a stimulating effect on the alkaline phosphatase activity of the MG63 cell line and human mesenchymal stem cells. During 3 days Fe-MEPE stimulates my-ogenic differentiation of C2C12 cells as well as osteogenic differentiation of MG63 cells and hMSCs. Thus, the results indicate that Fe-MEPE functionalized surfaces may serve as inno-vative scaffold for the treatment of bone defects.
KW  - Biologisches Material
KW  - Terpyridin <2,2':6',2''->
KW  - Terpyridinderivate <2,2':6',2''->
KW  - Knochen
KW  - Biomaterial
KW  - Terpyridin
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-210659
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bittner, Andreas
T1  - Innovative Materialkonzepte für elektrochemische Energiespeicher
T1  - Innovative Material Concepts for Electrochemical Energy Storage
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Beschichtungstyp für die Elektrodenmaterialien von Lithium-Ionen-Akkumulatoren entwickelt und charakterisiert. Dieser besteht aus einem speziellen anorganisch-organischen Hybridpolymer, das sich bezüglich seiner Zusammensetzung und Funktion gegenüber bestehenden Beschichtungsmaterialien abhebt. Das anorganisch-organische Netzwerk des Hybridpolymers konnte mittels Feststoff-NMR-Messungen vollständig aufgeklärt werden. Dabei zeigte sich ein stabiles anorganisches Gerüst aus hoch vernetzten Polysiloxan-Einheiten. Zusätzliche organische Modifizierungen liegen als lange bewegliche Ketten mit funktionellen Polyethylenoxid-Einheiten vor oder sind in Form von Polyethern und Diolen vernetzt. Mit dieser speziellen Netzwerkstruktur ist es möglich, Materialeigenschaften zu erzeugen, die über solche von rein anorganischen und rein organischen Beschichtungen hinausgehen. Zu den mit verschiedenen Methoden nachgewiesenen Eigenschaften zählen eine hohe ionische Leitfähigkeit von 10\(^{-4}\) S/cm, eine hohe Elastizität mit E = 63 kPa, eine hohe elektrochemische Stabilität bis 5,0 V vs. Li/Li\(^+\) und eine hohe thermische Stabilität. 

Eine weitere Besonderheit des neuen Beschichtungsmaterials ist die mehrstufige Vernetzung der anfänglichen Prekursoren zu einem Hybridpolymer-Sol und dem abschließenden Hybridpolymer-Gel. Die im Beschichtungssol vorliegende Teilvernetzung der Vorstufen konnte detailliert mittels Flüssig-NMR-Messungen untersucht und beschrieben werden. Aus den Messungen ließ sich folgern, dass die organisch und anorganisch vernetzbaren Gruppen im Sol teilweise vernetzt vorliegen. Die sterisch erreichbaren Si-OR-Gruppen der so entstandenen Oligomere sind vorwiegend nicht hydrolysiert, wodurch deren anorganische Anbindung an die OH-Gruppen der Partikeloberflächen kinetisch bevorzugt ist. Damit lassen sich besonders homogene und vollständig bedeckende Beschichtungen der Elektrodenmaterialien erzeugen. Dies konnte mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden nachgewiesen werden: simulationsgestützte Rückstreuanalysen mittels REM, hochaufgelöste TEM-Aufnahmen sowie Elementanalysen durch EDX und XPS.

Nach der Optimierung des nasschemischen Beschichtungsprozesses über Rotationsverdampfen ergaben sich für die verschiedenen Elektrodenmaterialien Li\(_4\)Ti\(_5\)O\(_{12}\), Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) jeweils etwa 20 nm dicke Beschichtungen mit Hybridpolymer. Die Frage nach deren Lösungsmittelbeständigkeit konnte durch die Analyse von behandelten Proben mit TG, REM, XPS und ICP-OES aufgeklärt werden. Dabei zeigte sich sowohl für die Behandlung mit NMP, dem klassischen Lösungsmittel bei der Elektrodenfertigung mit PVDF-Binder, als auch für die Behandlung mit dessen umweltschonenderem Ersatzstoff Aceton eine gute Beständigkeit der Beschichtung. Die Beschichtung löste sich in den Lösungsmitteln an, blieb allerdings als geschlossene nanoskalige Beschichtung erhalten. Lediglich gegenüber dem Lösungsmittel H\(_2\)O, das in Kombination mit dem neuen Binder CMC eingesetzt wird, wurde eine mangelnde Schichtstabilität deutlich. Das dafür verantwortliche Quellverhalten der Beschichtung konnte mittels Dünnschicht-Modellsystem und daran durchgeführten REM-, IR- und EPA-Untersuchungen aufgeklärt werden. Die Optimierung des Hybridpolymer-Materials bezüglich einer besseren H\(_2\)O-Beständigkeit übersteigt den Rahmen dieser Arbeit und liefert die Grundlage für weitere künftige Forschungsarbeiten. 

Aufgrund der vollständigen Bedeckung der neuen Beschichtung, ihrer besonderen Eigenschaften und ihrer Beständigkeit bei der klassischen Elektrodenfertigung ist es möglich, die Elektrodenmaterialien grundlegend hinsichtlich ihrer wichtigsten Eigenschaften zu verbessern. Hierfür wurden sowohl über die NMP- als auch über die Aceton-Route Elektroden gefertigt und zu Halbzellen und Vollzellen verarbeitet. Die REM-Analyse der Elektroden zeigte, dass die Partikelbeschichtungen keinen negativen Einfluss auf die Homogenität und Morphologie der Elektroden ausüben. Damit war es möglich, jeweils einen direkten Vergleich von beschichteten und unbeschichteten Materialien hinsichtlich ihrer elektrochemischen Performance anzustellen. Für die Kathodenmaterialien Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) und Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) ergaben die Zyklenfestigkeits- und Impedanzmessungen klare Verbesserungen durch die Beschichtung. Verbunden mit einer Verbesserung der Energiedichte erhöhte sich bei beiden Materialien die Zyklenfestigkeit um mehr als 60 %. Bei Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) zeigt sich die Verbesserung in einer erhöhten Zellspannung durch das vergleichsweise hohe Redoxpotential des Materials von etwa 4,7 V vs. Li/Li\(^+\), während sich bei Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) die Hochvoltfähigkeit des Materials verbessert, was mit einer vergrößerten Speicherkapazität verbunden ist. Dabei ist herauszustellen, dass für keines der Materialien ein negativer Einfluss der dünnen Beschichtung auf die Leistungsdichte festgestellt werden konnte. 

Der erwartete Mechanismus für die verbesserte Elektrodenfunktion durch das Hybridpolymer ist die Bildung einer physikalischen Schutzschicht in Form einer Li\(^+\)-leitfähigen Membran. Diese umgibt das Elektrodenmaterial vollständig, ermöglicht die Ladungsträgerinterkalation und schützt die Elektrode gleichzeitig vor irreversiblen Reaktionen mit dem Elektrolyten. Damit verbunden ist eine verminderte Mn-Auslösung und eine verminderte Entwicklung von isolierenden Deckschichten aus Reaktionsprodukten wie LiF, Li\(_2\)O, Li\(_2\)CO\(_3\), was sich positiv auf die Alterung der Batteriezellen auswirkt. Die Funktion der Beschichtung wurde primär auf den Kathodenmaterialien demonstriert. Doch auch auf der Anodenseite wurde ihre Anwendungstauglichkeit aufgezeigt, was das große Potential der Beschichtung für eine breite Anwendung in Lithium-Ionen-Batterien verdeutlicht.
N2  - Concerning its application on the electrode materials of lithium-ion batteries, in this thesis a new type of coating was developed and investigated. The new coating consists of an inorganic-organic hybrid polymer, which significantly differs from existing coating materials regarding composition and function. Its specific inorganic-organic network was characterized by solid-state NMR, which revealed stable inorganic domains consisting of highly cross-linked polysiloxane units with organic modifications. These modifications are long and flexible chains with functional polyethylene oxide units as well as networks cross-linked via polyethers and diols. With its special structure, the hybrid polymer shows material properties which surpass those of pure inorganic and pure organic materials. The properties were validated by different methods and include a high ionic conductivity of 10\(^{-4}\) S/cm, a high elasticity of E = 63 kPa, a high electrochemical stability of 5.0 V vs. Li/Li\(^+\), and a high thermal stability.

Another distinctive feature of the new coating is its gradual network formation, starting with the initial precursors, leading to a hybrid polymer sol and ending with the final hybrid polymer gel. The partial cross-linkage of the precursors in the sol was investigated with liquid-state NMR. Based on the measurements it could be concluded that the organically and inorganically cross-linkable groups are partly interconnected in the sol. The sterically accessible Si-OR groups are predominantly not hydrolyzed. So an inorganic linkage of the hybrid polymer sol’s oligomers to the OH groups of the particles’ surfaces is kinetically favored, which enables the creation of particularly homogeneous and entire particle coatings. This was shown by several physical and chemical methods of measurement: simulation-based backscattered electron analysis via SEM, high-resoluted images via TEM and elemental analysis by means of EDS and XPS.

After optimization of the wet chemical coating processes via rotary evaporation, hybrid polymer coatings of approximately 20 nm were realized on Li\(_4\)Ti\(_5\)O\(_{12}\), Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) and Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\). The solvent resistance of the coatings was investigated by TG, SEM, XPS and ICP-OES. These measurements revealed a good resistance against NMP, the classical solvent for the electrode production with PVDF binder. Similar results were obtained for the environmentally friendly solvent acetone. However, a partial dissolution was observed in both solvents. Nevertheless, a closed nanocoating remained on the particles’ surfaces after solvent treatment. Only for the solvent H\(_2\)O, which is used in combination with the binder CMC, an insufficient resistance became evident, caused by a swelling of the coating that was detected by means of a thin film model system and measurements with SEM, IR, and EPA. An optimization of the hybrid polymer material considering the H\(_2\)O resistance would exceed the scope of this work and provides the basis for future scientific research.

Based on the flawless new coating, its specific properties and its resistance during the classical electrode production, it is possible to fundamentally improve electrode materials regarding their most important characteristics. For that reason electrodes were fabricated with NMP and with acetone as solvent and processed to half and full cells. Analysis with SEM revealed that the hybrid polymer coating had no impact on the homogeneity and morphology of the composite electrodes, enabling a direct comparison of the coated and uncoated materials with regard to their electrochemical performance. For the cathode materials, Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) and Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\), cycling and impedance measurements showed that by the coating both materials have a considerably improved cycling stability of more than 60 %, going along with an increased energy density. Regarding Li(Mn,Ni)\(_2\)O\(_4\) the improvement is expressed in an increased cell voltage compared to typical materials because of its high redox potential of about 4.7 V vs. Li/Li\(^+\). In the case of Li(Ni,Co,Mn)O\(_2\) an improved high voltage stability enables higher operating voltages and consequently higher capacities. It has to be pointed out that no negative influence of the thin coating on the power density could be detected.

The formation of a physical protection layer in the form of a Li\(^+\) conducting membrane is the expected mechanism for the improved electrode function by the hybrid polymer, hence, protecting the electrode against undesired reactions with the electrolyte. As a consequence the Mn leaching and the evolution of insulating surface layers consisting of reaction products like LiF, Li\(_2\)O and Li\(_2\)CO\(_3\) is suppressed, leading to a reduced aging of the electrode materials. The coating function was primarily demonstrated for the cathode materials, but its suitability was also shown on the anode side, revealing the large potential of the coating for a broad application in lithium-ion batteries.
KW  - Lithium-Ionen-Akkumulator
KW  - Beschichtung
KW  - Polymere
KW  - Lithium-Ionen-Batterie
KW  - beschichtetes Elektrodenmaterial
KW  - anorganisch-organisches Hybridpolymer
KW  - lithium-ion battery
KW  - coated electrode material
KW  - inorganic-organic hybrid polymer
KW  - core-shell particles
KW  - improved cyle life
KW  - Kern-Schale-Partikel
KW  - verbesserte Zyklenfestigkeit
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152300
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brockmann, Dorothea E. R.
T1  - Gefüge-Simulationen an Nicht-Oxid-Keramiken: Korrelation zwischen Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften
T1  - Structure simulations on non-oxide ceramics: correlation between microstructure and macroscopic properties
N2  - Die experimentelle Verbesserung der makroskopischen Eigenschaften (z. B. thermische oder mechanische Eigenschaften) von Keramiken ist aufgrund der zahlreichen erforderlichen Experimente zeitaufwändig und kostenintensiv. Simulationen hingegen können die Korrelation von Mikrostruktur und makroskopischen Eigenschaften nutzen, um die Eigenschaften von beliebigen Gefügekompositionen zu berechnen. In bisherigen Simulationen wurden meist stark vereinfachte Modelle herangezogen, welche die Mikrostruktur einer Keramik nur sehr grob widerspiegeln und deshalb keine zuverlässigen Ergebnisse liefern.
In der vorliegenden Arbeit wird die Mikrostruktur-Eigenschafts-Korrelation der drei wichtigsten Nicht-Oxid-Keramiken untersucht. Dies sind Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumnitrid (Si3N4) und Siliciumcarbid (SiC). Diese drei Keramiktypen vertreten die häufigsten Mikrostrukturtypen, welche bei Nicht-Oxid-Keramiken auftreten können. Zu jedem Keramiktyp liegen zwei verschiedene Proben vor. 
Alle drei untersuchten Keramiktypen sind zweiphasig. Die Hauptphase von AlN und Si3N4 besteht aus keramischen Körnern, die Nebenphase erstarrt während der Sinterung aus den zugesetzten Sinteradditiven. Die Restporosität von AlN und Si3N4 wird als vernachlässigbar angesehen und in den Simulationen nicht berücksichtigt. Bei den SiC-Proben handelt es sich um Keramiken mit bimodaler Korngröÿenverteilung. Durch Infiltration mit flüssigem Silicium wurden die Hohlräume zwischen den Körnern aufgefüllt, um porenfreie SiSiC-Proben zu erhalten.
Anhand von Simulationen werden zunächst reale Mikrostrukturen in Anlehnung an vorliegende Vergleichsproben nachgebildet. Diese Modelle werden durch Abgleich mit rasterelektronenmikroskopischen 2D-Aufnahmen der Proben verifiziert. An den Modellen werden mit der Methode der Finite-Element-Simulation makroskopische Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Elastizitätsmodul und Poisson-Zahl) der Keramiken simuliert und mit experimentellen Messungen an den vorliegenden Proben abgeglichen. 
Der Vergleich der Mikrostruktur von den computergenerierten Gefügen und den vorliegenden Proben zeigt in der Mustererkennung durch das menschliche Auge und quantitativ in den Gefügeparametern eine gute Übereinstimmung. Für die makroskopischen Eigenschaften wird auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche zu den Materialparametern der beteiligten Phasen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentell gemessenen und den simulierten Eigenschaften erreicht. Evtl. auftretende Abweichungen zwischen Experiment und Simulation können damit erklärt werden, dass die Proben Verunreinigungen enthalten, da aus der Literatur bekannt ist, dass Verunreinigungen eine Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit bewirken.
Nachdem die Gültigkeit der Modelle verifiziert ist, wird der Einfluss von charakteristischen
Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften auf die Wärmeleitfähigkeit, den Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Keramiken untersucht. Hierzu werden die Mikrostrukturparameter von AlN und Si3N4 gezielt um die Parameter der vorliegenden Vergleichsproben variiert. Bei beiden Keramiktypen werden die Volumenanteile der beteiligten Phasen sowie die mittlere Sehnenlänge der keramischen Körner verändert. Bei den AlN-Keramiken wird zusätzlich der Dihedralwinkel variiert, welcher Auskunft über den Benetzungsgrad der Flüssigphase gibt; bei den Si3N4-Keramiken ist das Achsenverhältnis der langgezogenen Si3N4-Körner von Interesse und wird deshalb ebenfalls variiert. Es zeigt sich, dass die Aufteilung der Teilvolumina zwischen den zwei Phasen den größten Einfluss auf die Eigenschaften der Keramik hat, während die übrigen Mikrostrukturparameter nur eine untergeordnete Rolle spielen.
Um die Qualität der Simulationen zu überprüfen, wird die Simulationsreihe an AlN mit unterschiedlicher Aufteilung der Volumina zwischen den beiden Phasen in Relation zu etablierten Modellen aus der Literatur (Mischungsregel und Modell nach Ondracek) gesetzt. Alle Simulationsergebnisse für die Wärmeleitfähigkeit und den Elastizitätsmodul liegen innerhalb der jeweils oberen und unteren Grenze beider Modelle. Es konnte also eine Verbesserung gegenüber den etablierten Modellen erzielt werden.
An allen drei Keramiktypen wird der Einfluss der Materialeigenschaften der Haupt- und Nebenphase auf die makroskopischen Eigenschaften der Keramik untersucht. Hierfür werden die Wärmeleitfähigkeit, der Elastizitätsmodul und die Poisson-Zahl der Phasen getrennt voneinander über einen größeren Bereich variiert. Es stellt sich heraus, dass es vom Keramiktyp und dem Volumenanteil der Nebenphase abhängt, wie stark der Einfluss einer Komponenteneigenschaft auf die Eigenschaft der Keramik ist.
Mit den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wird der Einfluss von Mikrostrukturparametern und Phaseneigenschaften berechnet. Auf der Grundlage dieser Simulationen können die Architektur des Gefüges simuliert und die Eigenschaften von Keramiken für individuelle Anwendungen berechnet werden. Dies ist die Basis für die Produktion von maßgeschneiderten Keramiken. Zudem können mit den validierten Mikrostrukturmodellen die Eigenschaften von unbekannten Mischphasen ermittelt werden, was experimentell oft nicht möglich ist.
N2  - Experimental improvement of macroscopic properties (e. g. thermal or mechanical properties) of ceramics require countless experiments and are therefore costly in terms of time and money. However, simulations use the correlation of microstructure and macroscopic properties to calculate properties of any microstructure. Until now, simulations usually use oversimplified models, which only roughly reproduce a ceramics' microstructure and therefore do not give reasonable results.
In the paper on hand, the microstructure-property-correlation of the three most important non-oxide-ceramics (AlN, Si3N4, SiC) is analysed. These three types of ceramic represent the most important types of microstructures, which exist for nonoxidic ceramics. For each type of ceramic, two different samples are examined. 
All three ceramic types used are two-phase-ceramics. The primary phase of AlN and Si3N4 is built of the ceramic grains and the secondary phase solidifies from the added sinter additives. The remaining porosity of AlN and Si3N4 is regarded to be negligible and is therefore not considered in the simulations. The SiC-samples are ceramics with a bimodal grain size distribution. The spaces in between the grains are filled by infiltration with liquid silicon to get Si-SiC-samples free of pores.
At first, by employing simulations, microstructures are generated, which are close to the samples' microstructures. These models are verified by comparing them with two-dimensional scanning electron micrographs. Macroscopic properties (thermal conductivity, Young's modulus, Poisson's Ratio) of the ceramics are calculated by finite element simulations and then compared to experimental measurements on the samples.
Analyzing the microstructures of the computer-generated models and the samples shows good agreement in the pattern matching as well as quantitatively in the microstructures parameters. Also for the macroscopic properties good comparison between measured and simulated properties was reached, based on an elaborate literature research on material parameters of all phases involved. Occurring discrepancies between experiment and simulations are assumed to be due to impurities in the sample. From literature it is known that impurities lead to a decline in thermal conductivity.
As the models are validated, the influence of characteristic microstructure parameters and material properties of the phases on the thermal conductivity, Young's modulus and Poisson's ratio of ceramics are analysed. Therefore some microstructure parameters of the models of AlN and Si3N4 are deviated from the parameters of the samples. For both ceramic types the volume fractions of both phases and the average chord length of the grains are varied. At the AlN models, the dihedral angle is varied as well, which provides information about the wetting behaviour of the secondary phase; at the Si3N4 models, the aspect ratio of the elongated Si3N4 grains are of importance and hence analysed. It turns out that the volume fractions of the phases have the most significant influence on the ceramics' properties, whereas the other microstructure parameters are less important.
To check the quality of the simulations, the simulation data of AlN with different volume fractions is compared to established models from literature ("rule of mixture" and model according to Ondracek). All results from the simulations are within the upper and lower bounds of both models. In comparison with these models, an improvement was achieved.
For all three ceramic types, the influence of the material properties of the main and the secondary phase on the ceramics' properties is investigated. Therefore, the phases' thermal conductivity, Young's modulus and Poisson's ratio are separately from each other varied over a large range. It turns out that the influence of a component's property on the property of the ceramic depends on the ceramic type and the volume fraction of the secondary phase.
On models of all three ceramic types, the influence of the components' material properties on the macroscopic properties of the ceramic is analysed. Based on these simulations, the architecture of microstructures can be simulated and properties of random ceramics for individual purposes can by calculated. By this, it is possible to produce customised ceramics. Additionally, with the validated microstructure models, the properties of unknown mixed phases can be calculated, which is usually not possible in experiments.
KW  - Aluminiumnitrid
KW  - Siliciumcarbid
KW  - Siliciumnitrid
KW  - Finite-Elemente-Methode
KW  - Wärmeleitfähigkeit
KW  - Mikrostrukturmodellierung
KW  - Elastizitätsmodul
KW  - inverse Simulation
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157255
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brockmann, Nicolas
T1  - Kompositschichten aus dealuminiertem Zeolith Y und Hybridpolymeren auf Basis von Bis(triethoxysilyl)ethan
T1  - Composite coatings made from zeolite Y and hybrid polymers based on bis(triethoxysilyl)ethane
N2  - Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Kompositschichten aus Zeolithen und Hybridpolymeren,
die mittels des Sol-Gel-Prozesses aus Alkyltrialkoxysilanen hergestellt werden. Am Beispiel
von dealuminiertem Zeolith Y und Solen aus Bis(triethoxysilyl)ethan wurde untersucht, wie
sich die Zugänglichkeit der Zeolithporen in Kompositschichten erhalten lässt. Zur Analyse der
Porenzugänglichkeit kamen Gasadsorptionsmessungen zum Einsatz. Zur weiteren Charakterisierung
wurden elektronenmikroskopische Aufnahmen und ausführliche spektroskopische Untersuchungen
der erhaltenen Hybridpolymer-Sole durchgeführt. Die Ermittlung der mechanischen Eigenschaften
erfolgte über die Messung der Wischfestigkeit.
Die im Rahmen diverser Experimente erhaltenen Kompositschichten wiesen eine hohe Zeolithporenerreichbarkeit
auf, sofern der Zeolithanteil mindestens 70 Volumenprozent betrug, und das
jeweilige Sol einen hohen Hydrolyse- und Kondensationsgrad aufwies. Im Zusammenhang mit
den genannten Studien wurden Hybridpolymere verglichen, die bei unterschiedlichen pH-Bedingungen
mit verschiedenen Mengen an Wasser zur Hydrolysereaktion hergestellt wurden, oder bei
denen neben Bis(triethoxysilyl)ethan Methacryloxypropyltrimethoxysilan als zweites Monomer
eingesetzt wurde.
Letztendlich konnten mit einfachen Mitteln Kompositschichten hergestellt werden, die auf flexible
Oberflächen aufgebracht werden konnten und beim Biegen nicht vom Substrat abplatzten.
Ferner waren sie wischfest und zeigten bei passender Zusammensetzung eine nahezu vollständige
Zeolithporenerreichbarkeit (Zeolithanteil: ≥ 70 Vol.-%; Monomer: Bis(triethoxysilyl)ethan;
Hydrolyse- und Polykondensationsreaktion: pH-Wert ≤ 2, Überschuss an Wasser). Ihr Anwendungspotential
als Adsorbensschicht für die Aufnahme organischer Schadstoffe wurde beispielhaft
anhand der reversiblen Adsorption von Formaldehyd demonstriert.
N2  - The presented study describes composite coatings containing zeolites and hybrid polymers synthesized
from alkyltrialkoxysilanes. Dealuminated zeolite Y and sols of bis(triethoxysilyl)ethane
have been chosen as representatives to study which parameters affect the zeolite pore accessibility.
To determine the amount of open pores, we conducted gas sorption experiments. Additionally,
electron microscopy and intensive spectroscopic studies were used for further characterization.
Wipe resistance has been measured to determine the mechanical properties. We studied hybrid
polymers which were synthesized via sol-gel routes at different pH values, under addition of
various amounts of water for the hydrolysis reaction or in the presence of methacryloxypropyltrimethoxysilane
as a second monomer, besides bis(triethoxysilyl)ethane as main monomer component.
Finally, the composite coatings offered high zeolite pore accessibility if the zeolite content
was at least 70 vol.% and if the particular hybrid sol offered a high degree of hydrolysis and
polycondensation as well as a low content of organic components.
Composite coatings have been prepared by a simple manufacturing process and could be applied
on flexible polymer films without cracking if the substrate was bent. In addition, the coatings
were smudge-proof and offered nearly complete zeolite pore accessibility based on proper selection
of the composition (zeolite content: ≥ 70 vol.%; monomer: bis(triethoxysilyl)ethane; hydrolysis
and polycondensation reaction: pH value ≤ 2, excess amount of water). By observation of
reversible formaldehyde adsorption, composite coatings' potential use as adsorptive agent for
volatile organic compounds was successfully demonstrated.
KW  - Zeolith
KW  - Adsorptionsisotherme
KW  - Sol-Gel-Verfahren
KW  - Beschichtung
KW  - Ormocer
KW  - Kompositschicht
KW  - Hybridpolymer
KW  - Bis(triethoxysilyl)ethan
KW  - Alkyltrialkoxysilan
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-150817
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TY  - THES
A1  - Hochleitner, Gernot
T1  - Advancing melt electrospinning writing for fabrication of biomimetic structures
T1  - Entwicklung des Melt Electrospinning Writing zur Erzeugung biomimetischer Strukturen
N2  - In order to mimic the extracellular matrix for tissue engineering, recent research approaches often involve 3D printing or electrospinning of fibres to scaffolds as cell carrier material. Within this thesis, a micron fibre printing process, called melt electrospinning writing (MEW), combining both additive manufacturing and electrospinning, has been investigated and improved. Thus, a unique device was developed for accurate process control and manufacturing of high quality constructs. Thereby, different studies could be conducted in order to understand the electrohydrodynamic printing behaviour of different medically relevant thermoplastics as well as to characterise the influence of MEW on the resulting scaffold performance.
For reproducible scaffold printing, a commonly occurring processing instability was investigated and defined as pulsing, or in extreme cases as long beading. Here, processing analysis could be performed with the aim to overcome those instabilities and prevent the resulting manufacturing issues. Two different biocompatible polymers were utilised for this study: poly(ε-caprolactone) (PCL) as the only material available for MEW until then and poly(2-ethyl-2-oxazoline) for the first time. A hypothesis including the dependency of pulsing regarding involved mass flows regulated by the feeding pressure and the electrical field strength could be presented. Further, a guide via fibre diameter quantification was established to assess and accomplish high quality printing of scaffolds for subsequent research tasks.
By following a combined approach including small sized spinnerets, small flow rates and high field strengths, PCL fibres with submicron-sized fibre diameters (fØ = 817 ± 165 nm) were deposited to defined scaffolds. The resulting material characteristics could be investigated regarding molecular orientation and morphological aspects. Thereby, an alignment and isotropic crystallinity was observed that can be attributed to the distinct acceleration of the solidifying jet in the electrical field and by the collector uptake. Resulting submicron fibres formed accurate but mechanically sensitive structures requiring further preparation for a suitable use in cell biology. To overcome this handling issue, a coating procedure, by using hydrophilic and cross-linkable star-shaped molecules for preparing fibre adhesive but cell repellent collector surfaces, was used.
Printing PCL fibre patterns below the critical translation speed (CTS) revealed the opportunity to manufacture sinusoidal shaped fibres analogously to those observed using purely viscous fluids falling on a moving belt. No significant influence of the high voltage field during MEW processing could be observed on the buckling phenomenon. A study on the sinusoidal geometry revealed increasing peak-to-peak values and decreasing wavelengths as a function of decreasing collector speeds sc between CTS > sc ≥ 2/3 CTS independent of feeding pressures. Resulting scaffolds printed at 100 %, 90 %, 80 % and 70 % of CTS exhibited significantly different tensile properties, foremost regarding Young’s moduli (E = 42 ± 7 MPa to 173 ± 22 MPa at 1 – 3 % strain). As known from literature, a changed morphology and mechanical environment can impact cell performance substantially leading to a new opportunity of tailoring TE scaffolds.
Further, poly(L-lactide-co-ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) as well as poly(ε-caprolactone-co-acryloyl carbonate) (PCLAC) copolymers could be used for MEW printing. Those exhibit the opportunity for UV-initiated radical cross-linking in a post-processing step leading to significantly increased mechanical characteristics. Here, single fibres of the polymer composed of 90 mol.% CL and 10 mol.% AC showed a considerable maximum tensile strength of σmax = 53 ± 16 MPa. Furthermore, sinusoidal meanders made of PCLAC yielded a specific tensile stress-strain characteristic mimicking the qualitative behaviour of tendons or ligaments. Cell viability by L929 murine fibroblasts and live/dead staining with human mesenchymal stem cells revealed a promising biomaterial behaviour pointing out MEW printed PCLAC scaffolds as promising choice for medical repair of load-bearing soft tissue.
Indeed, one apparent drawback, the small throughput similar to other AM methods, may still prevent MEW’s industrial application yet. However, ongoing research focusses on enlargement of manufacturing speed with the clear perspective of relevant improvement. Thereby, the utilisation of large spinneret sizes may enable printing of high volume rates, while downsizing the resulting fibre diameter via electrical field and mechanical stretching by the collector uptake. Using this approach, limitations of FDM by small nozzle sizes could be overcome. Thinking visionary, such printing devices could be placed in hospitals for patient-specific printing-on-demand therapies one day. Taking the evolved high deposition precision combined with the unique small fibre diameter sizes into account, technical processing of high performance membranes, filters or functional surface finishes also stands to reason.
N2  - Um biomimetische extrazelluläre Matrices für das Tissue Engineering herzustellen, bedienen sich aktuelle Forschungsansätze oftmals der Produktion von Faser-Konstrukten durch additive Fertigung oder Elektrospinn-Verfahren. Das sogenannte Melt Electrospinning Writing (MEW) kombiniert Vorteile beider Techniken und weist dadurch ein hohes Applikationspotential auf. Daher bestand das Ziel der vorliegenden Arbeit in der Weiterentwicklung und Erforschung des MEW. Für diesen Zweck wurde eine neuartige Forschungsanlage konzipiert und gebaut, welche mit einzigartiger Verfahrenspräzision und Prozesskontrolle die Fertigung von hochqualitativen Konstrukten ermöglichte. Auf Basis dessen konnten die durchgeführten Studien das Verständnis des elektrohydrodynamischen Druckvorgangs und der untersuchten Prozessparameter vertiefen und letztendlich zur Ausweitung des Verfahrens auf neue medizinisch relevante Thermoplaste beitragen.
Um eine reproduzierbare Herstellung von Scaffolds zu ermöglichen, wurde eine häufig auftretende Prozessinstabilität erforscht und als pulsing, oder in stark ausgeprägten Fällen als long beading, klassifiziert. Durch Prozessanalyse konnte zudem eine Methode zur Vermeidung dieser Instabilität entwickelt werden. Dafür wurden zwei unterschiedliche biokompatible Polymere verwendet: Poly(ε-Caprolacton) (PCL) als bis dahin einziger verfügbarer MEW Werkstoff, sowie erstmalig Poly(2-Ethyl-2-Oxazolin). Die aufgestellte Hypothese umfasst eine universelle Abhängigkeit der pulsing Instabilität zu involvierten Massenströmen, welche durch Anpassung des angelegten Prozessdruckes und der elektrischen Feldstärke reguliert werden kann. Um ein optimales Prozessergebnis für nachfolgende Forschungsarbeiten zu erzielen, wurde zusätzlich ein Leitfaden zur quantitativen Bewertung des Grades der Instabilität bereitgestellt.
Durch Kombination kleiner Spinndüsen, kleiner Schmelze-Flussraten und hoher elektrischen Feldstärken, konnten erstmalig PCL Fasern mit sub-mikron Durchmessern (fØ = 817 ± 165 nm) zu präzisen Scaffolds verarbeitet werden. Diese wurden anschließend durch materialwissenschaftliche Analytik charakterisiert. Dabei wurde eine molekulare Vorzugsorientierung und isotrope Kristallausrichtung entlang der Faser beobachtet, welche durch den hohen Verstreckungsgrad des erstarrenden Polymerstrahls erklärt werden konnte. Resultierende sub-mikron Fasern konnten zwar für einen akkuraten Druckvorgang verwendet werden, jedoch erwiesen sich die Strukturen als instabil und daher nicht geeignet für die Handhabung bei Zellkulturstudien. Aus diesem Grund wurde ein Beschichtungsansatz mittels hydrophilen und vernetzbaren Sternmolekülen für Substratflächen herangezogen. Während solche modifizierten Oberflächen bekanntermaßen Zelladhäsion verhindern, konnten gedruckte sub-mikron Scaffolds auf der Oberfläche haften und so für biologische Studien verwendet werden.
Durch das gezielte Ablegen von Fasern unterhalb der kritischen Translationsgeschwindigkeit (CTS) des Kollektors, konnten sinusförmige Faserstrukturen erzeugt werden. Analog zu rein viskosen Fluiden, welche durch ein bewegliches Band aufgesammelt werden, schien dieser Vorgang dem sogenannten buckling zu unterliegen und daher phänomenologisch nicht oder nur geringfügig vom elektrischen Feld abhängig zu sein. Zudem konnte eine durchgeführte Studie die direkte Abhängigkeit der Fasergeometrie mit der Kollektorbewegung belegen. Unabhängig vom Prozessdruck, führte eine verminderte Kollektorgeschwindigkeit sc in den Grenzen CTS > sc ≥ 2/3 CTS zu erhöhten Amplituden bzw. Spitze-zu-Spitze Werten und verkürzten Wellenlängen. Durch das kontrollierte Ablegen der Fasern bei Geschwindigkeiten von 100 %, 90 % 80 % und 70 % CTS konnten zudem Scaffolds mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden. Speziell der Zugmodul wurde dadurch etwa um eine halbe Größenordnung moduliert (Es = 42 ± 7 MPa bis 173 ± 22 MPa bei 1 – 3 % Dehnung). Dies ist in Kombination mit der Strukturierung für maßgeschneiderte TE Scaffolds von großem Interesse, da zelluläre Systeme sensibel auf ihre Umgebung reagieren können. 
Des Weiteren wurden Poly(L-Lactid-co-ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) und Poly(ε-Caprolacton-co-Acryloylcarbonat) (PCLAC) Copolymere hinsichtlich deren MEW Verarbeitbarkeit untersucht. Solche Kunststoffe können nach dem Druckvorgang mit UV-Strahlung radikalisch vernetzt werden und dadurch deutlich erhöhte mechanische Eigenschaften ausbilden. Für Fasern aus 90 mol.% CL und 10 mol.% AC wurden beispielsweise maximale Zugfestigkeiten von σmax = 53 ± 16 MPa ermittelt. MEW gedruckte sinusförmige Faserstrukturen aus PCLAC wiesen darüber hinaus ein biomimetisches Spannungs-Dehnung-Verhalten auf, vergleichbar zu Sehnen- und Ligamentgewebe. Eine Untersuchung der Zellviabilität von L929 murinen Fibroblasten im Eluattest, sowie eine lebend/tot-Färbung von humanen mesenchymalen Stammzellen auf den Scaffolds, ergab vielversprechende Resultate und damit ein relevantes Anwendungspotential solcher Strukturen als Implantat.
Neben genannten Vorteilen, weist MEW als Verfahren bislang allerdings geringe Produktionsgeschwindigkeiten auf. Diese sind daher in den Fokus aktueller Forschungsvorhaben gerückt. Einen Ansatz hierfür bieten Spinndüsen mit hohem Innendurchmesser und erhöhter Austragsrate, wobei die optimierte elektrische Feldstärke, sowie ein Verstrecken durch die Kollektorbewegung, zu den erwünschten dünnen Fasern führen können. Dadurch kann die abwärtslimitierte Düsengröße des FDM Verfahrens überwunden werden. Visionär gedacht, könnte eine solche Anlage direkt in Krankenhäusern zur Fertigung von patienten- und defektspezifischen Implantaten eingesetzt werden. Darüber hinaus ermöglicht die hohe Präzision, zusammen mit dem Drucken von Mikro-Fasern, einen technischen Einsatz zur Herstellung von Membranen, Filtern oder funktionalen Oberflächenbeschichtungen.
KW  - scaffold
KW  - polymer
KW  - 3D printing
KW  - additive manufacturing
KW  - melt electrospinning
KW  - melt electrowriting
KW  - tissue engineering
KW  - polymer processing
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-162197
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Flegler, Andreas
A1  - Schneider, Michael
A1  - Prieschl, Johannes
A1  - Stevens, Ralph
A1  - Vinnay, Thomas
A1  - Mandel, Karl
T1  - Continuous flow synthesis and cleaning of nano layered double hydroxides and the potential of the route to adjust round or platelet nanoparticle morphology
JF  - RSC Advances
N2  - Here, we report a continuous flow synthesis of nano LDH, comprising a continuous precipitation process using static mixers and followed by an immediate cleaning process via a semi-continuous centrifuge to obtain the final product in one-go. Via this synthesis setup, it is possible to independently vary the concentrations of the reactants during precipitation and at the same time ensure constant reaction conditions and an immediate "quenching" of the precipitate due to "on the flow"-washing. We found that this paves the way to adjust the synthesis parameters in a way that the final morphology of the nano-LDH particles can be controlled to be either round or platelet-like.
KW  - MgAl LDH
KW  - nano LDH
KW  - static mixer
KW  - synthesis process
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-191305
VL  - 6
IS  - 62
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Emmert, M.
A1  - Witzel, P.
A1  - Heinrich, D.
T1  - Challenges in tissue engineering - towards cell control inside artificial scaffolds
JF  - Soft Matter
N2  - Control of living cells is vital for the survival of organisms. Each cell inside an organism is exposed to diverse external mechano-chemical cues, all coordinated in a spatio-temporal pattern triggering individual cell functions. This complex interplay between external chemical cues and mechanical 3D environments is translated into intracellular signaling loops. Here, we describe how external mechano-chemical cues control cell functions, especially cell migration, and influence intracellular information transport. In particular, this work focuses on the quantitative analysis of (1) intracellular vesicle transport to understand intracellular state changes in response to external cues, (2) cellular sensing of external chemotactic cues, and (3) the cells' ability to migrate in 3D structured environments, artificially fabricated to mimic the 3D environment of tissue in the human body.
KW  - chemotaxis
KW  - intracellular transport
KW  - cytoskeleton dynamics
KW  - adhesion
KW  - diffusion
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-191341
VL  - 12
IS  - 19
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Szczerba, Wojciech
A1  - Zukrowski, Jan
A1  - Przybylski, Marek
A1  - Sikora, Marcin
A1  - Safonova, Olga
A1  - Shmeliov, Aleksey
A1  - Nicolosi, Valeria
A1  - Schneider, Michael
A1  - Granath, Tim
A1  - Oppmann, Maximilian
A1  - Straßer, Marion
A1  - Mandel, Karl
T1  - Pushing up the magnetisation values for iron oxide nanoparticles via zinc doping: X-ray studies on the particle's sub-nano structure of different synthesis routes
JF  - Physical Chemistry Chemical Physics
N2  - The maximum magnetisation (saturation magnetisation) obtainable for iron oxide nanoparticles can be increased by doping the nanocrystals with non-magnetic elements such as zinc. Herein, we closely study how only slightly different synthesis approaches towards such doped nanoparticles strongly influence the resulting sub-nano/atomic structure. We compare two co-precipitation approaches, where we only vary the base (NaOH versus NH\(_3\)), and a thermal decomposition route. These methods are the most commonly applied ones for synthesising doped iron oxide nanoparticles. The measurable magnetisation change upon zinc doping is about the same for all systems. However, the sub-nano structure, which we studied with Mossbauer and X-ray absorption near edge spectroscopy, differs tremendously. We found evidence that a much more complex picture has to be drawn regarding what happens upon Zn doping compared to what textbooks tell us about the mechanism. Our work demonstrates that it is crucial to study the obtained structures very precisely when "playing'' with the atomic order in iron oxide nanocrystals.
KW  - Ferrite
KW  - FE
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-187390
VL  - 18
IS  - 36
ER  - 
TY  - JOUR
A1  - Fetsch, Corinna
A1  - Gaitzsch, Jens
A1  - Messager, Lea
A1  - Battaglia, Giuseppe
A1  - Luxenhofer, Roberts
T1  - Self-Assembly of Amphiphilic Block Copolypeptoids – Micelles, Worms and Polymersomes
JF  - Scientific Reports
N2  - Polypeptoids are an old but recently rediscovered polymer class with interesting synthetic, physico-chemical and biological characteristics. Here, we introduce new aromatic monomers, N-benzyl glycine N-carboxyanhydride and N-phenethyl glycine N-carboxyanhydride and their block copolymers with the hydrophilic polysarcosine. We compare their self-assembly in water and aqueous buffer with the self-assembly of amphiphilic block copolypeptoids with aliphatic side chains. The aggregates in water were investigated by dynamic light scattering and electron microscopy. We found a variety of morphologies, which were influenced by the polymer structure as well as by the preparation method. Overall, we found polymersomes, worm-like micelles and oligo-lamellar morphologies as well as some less defined aggregates of interconnected worms and vesicles. Such, this contribution may serve as a starting point for a more detailed investigation of the self-assembly behavior of the rich class of polypeptoids and for a better understanding between the differences in the aggregation behavior of non-uniform polypeptoids and uniform peptoids.
KW  - bioinspired materials
KW  - polymer characterization
KW  - polymer synthesis
KW  - polymers
KW  - self-assembly
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-147855
VL  - 6
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bertlein, Sarah
T1  - Hydrogels as Biofunctional Coatings and Thiol-Ene Clickable Bioinks for Biofabrication
T1  - Hydrogele als biofunktionale Beschichtungen und Thiol-Ene-clickbare Biotinten für die Biofabrikation
N2  - Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von funktionalisierbaren Hydrogel Beschichtungen für Schmelz-elektrogeschriebene PCL Gerüste und von Bio-druckbaren Hydrogelen für die Biofabrikation.
Hydrogel Beschichtungen von Schmelz-elektrogeschriebenen Konstrukten ermöglichten die Kontrolle der Oberflächen-Hydrophilie und damit Zell-Material Interaktionsstudien in minimal Protein-adhäsiven Umgebungen. Zu diesem Zweck wurde ein hydrophiles sternförmiges vernetzbares Polymer verwendet und eine Optimierung der Beschichtungsbedingungen durchgeführt. Außerdem boten neu entwickelte photosensitive Konstrukte eine Zeit- und pH-unabhängige Biofunktionalisierung.
Bio-druckbare Hydrogele für die Biofabrikation basierten auf der Allyl-Funktionalisierung von Gelatine (GelAGE) und modifizierten Hyaluronsäure-Produkten, die das Hydrogel-Vernetzen mittels Thiol-En Click Chemie ermöglichen. Die Optimierung der GelAGE Hydrogel-Eigenschaften wurde durch eine detaillierte Analyse der Syntheseparameter, variierender En:SH Verhältnisse, unterschiedlicher Vernetzungsmoleküle und Photoinitiatoren erreicht. Die Homogenität der Thiol-En Netzwerke wurde mit denen der freien radikalischen Polymerisation verglichen und die Verwendbarkeit von GelAGE als Bio-Tinte für den Extrusions-basierten Bio-Druck wurde untersucht. Es wurde angenommen, dass reine Hyaluronsäure-basierte Bio-Tinten eine Beibehaltung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften, der Zellviabilität und der Prozessierbarkeit ermöglichen trotz geringerem Polymer- und Thiol-Anteil der Hydrogele.
Hydrogel-Beschichtungen: Hoch definierte PCL Gerüste wurden mittels MEW hergestellt und anschließend mit sechs armigen sternförmigen vernetzbaren Polymeren (sP(EO-stat-PO)) beschichtet. Die Vernetzung wird durch die wässrig-induzierte Hydrolyse reaktiver Isocyanatgruppen (NCO) von sP(EO-stat-PO) bedingt. Diese Beschichtung erhöhte die Oberflächen-Hydrophilie und stellte eine Plattform für weitere Biofunktionalisierungen, in minimal Protein-adhäsiven Umgebungen, dar. Nicht nur das Beschichtungsprotokoll wurde hinsichtlich der sP(EO-stat-PO) Konzentrationen und der Beschichtungsdauern optimiert, sondern auch Vorbehandlungen der Gerüste wurden entwickelt. Diese waren essentiell um die finale Hydrophilie von sP(EO-stat-PO) beschichteten Gerüste so zu erhöhen, dass unspezifische Protein-Adhäsionen vollständig unterbunden wurden. Die sP(EO-stat-PO) Schichtdicke, von ungefähr 100 nm, ermöglicht
generell in vitro Studien nicht nur in Abhängigkeit der Gerüst-Biofunktionalisierung, sondern auch in Abhängigkeit der Gerüst-Architektur durchzuführen. Das Ausmaß der Hydrogel-Beschichtung wurde mittels einer indirekten Quantifizierung der NCO-Hydrolyse-Produkte ermittelt. Kenntnis über die NCO-Hydrolyse-Kinetik ermöglichte ein Gleichgewicht zwischen ausreichend beschichteten Gerüsten und der Präsenz der NCO-Gruppen herzustellen, welche für die anschließenden Biofunktionalisierungen genutzt wurden. Diese Zeit- und pH-abhängige Biofunktionalisierung war jedoch nur für kleine Biomoleküle möglich. Um diese Beschränkung zu umgehen und auch hochmolekulare Biomoleküle kovalent anzubinden, wurde ein anderer Reaktionsweg entwickelt. Dieser basierte auf der Photolyse von Diazirin-Gruppen und ermöglichte eine Zeit- und pH-unabhängige Biofunktionalisierung der Gerüste mit Streptavidin und Kollagen Typ I. Die Fibrillen bildende Eigenschaft von Kollagen wurde genutzt um auf den Gerüsten verschiedene Kollagen-Konformationen zu erhalten und eine erste in vitro Studie bestätigte die Anwendbarkeit für Zell-Material Interaktionsstudien.
Die hier entwickelten Gerüste könnten verwendet werden um tiefere Einblicke in die Grundlagen der zellulären Wahrnehmung zu erhalten. Insbesondere die Komplexität mit der Zellen z.B. Kollagen wahrnehmen bleibt weiterhin klärungsbedürftig. Hierfür könnten diverse Hierarchien von Kollagen-ähnlichen Konformationen an die Gerüste gebunden werden, z.B. Gelatine oder Kollagen-abgeleitete Peptidsequenzen. Dann könnte die Aktivierung der DDR-Rezeptoren in Abhängigkeit der Komplexität der angebundenen Substanzen bestimmt werden. Aufgrund der starken Streptavidin-Biotin Bindung könnten Streptavidin funktionalisierte Gerüste eine vielseitige Plattform für die Immobilisierung von jeglichen biotinylierten Molekülen darstellen.
Gelatine-basierte Bio-Tinten: Zuerst wurden die GelAGE-Produkte hinsichtlich der Molekulargewichts-Verteilung und der Integrität der Aminosäuren-Zusammensetzung synthetisiert. Eine detailliert Studie, mit variierenden molaren Edukt-Verhältnissen und Synthese-Zeitspannen, wurde durchgeführt und implizierte, dass der Gelatine Abbau am deutlichsten für stark alkalische Synthesebedingungen mit langen Reaktionszeiten war. Gelatine beinhaltet mehrere funktionalisierbare Gruppen und anhand diverser Model-Substanzen und Analysen wurde die vorrangige Amingruppen-Funktionalisierung ermittelt. Die Homogenität des GelAGE-Polymernetzwerkes, im Vergleich zu frei radikalisch polymerisierten GelMA-Hydrogelen, wurde bestätigt. Eine ausführliche
Analyse der Hydrogel-Zusammensetzungen mit variierenden funktionellen Gruppen Verhältnissen und UV- oder Vis-Licht induzierbaren Photoinitiatoren wurde durchgeführt. Die UV-Initiator Konzentration ist aufgrund der Zell-Toxizität und der potenziellen zellulären DNA-Beschädigung durch UV-Bestrahlung eingeschränkt. Das Zell-kompatiblere Vis-Initiator System hingegen ermöglichte, durch die kontrollierte Photoinitiator-Konzentration bei konstanten En:SH Verhältnissen und Polymeranteilen, die Einstellung der mechanischen Eigenschaften über eine große Spanne hinweg. Die Flexibilität der GelAGE Bio-Tinte für unterschiedliche additive Fertigungstechniken konnte, durch Ausnutzung des temperaturabhängigen Gelierungsverhaltens unterschiedlich stark degradierter GelAGE Produkte, für Stereolithographie und Extrusions-basiertem Druck bewiesen werden. Außerdem wurde die Viabilität zellbeladener GelAGE Konstrukte bewiesen, die mittels Extrusions-basiertem Bio-Druck erhalten wurden. Die Verwendung diverser multifunktioneller und makromolekularer Thiol-Vernetzungsmoleküle ermöglichte eine Verbesserung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften und ebenso der Prozessierbarkeit. Verglichen mit dem kleinen bis-Thiol-funktionellen Vernetzungsmolekül waren geringere Thiol-Vernetzer-Konzentrationen notwendig um bessere mechanische Festigkeiten und physikochemische Eigenschaften der Hydrogele zu erhalten. Der Extrusions-basierte Bio-Druck unterschiedlicher eingekapselter Zellen verdeutlichte die Notwendigkeit der individuellen Optimierung von Zell-beladenen Hydrogel-Formulierungen.
Nicht nur die Zellviabilität von eingekapselten Zellen in Extrusions-basierten biogedruckten Konstrukten sollte bewertet werden, sondern auch andere Parameter wie die Zellmorphologie oder die Kollagen- oder Glykosaminoglykan-Produktion, da diese einige der essentiellen Voraussetzungen für die Verwendung in Knorpel Tissue Engineering Konzepten darstellen. Außerdem sollten diese Studien auf die stereolithographischen Ansätze erweitert werden und letztlich wäre die Flexibilität und Zellkompatibilität der Formulierungen mit makromolekularen Vernetzern von Interesse. Makromolekulare Vernetzer ermöglichten die Reduktion des Polymeranteils und des Thiol-Gehalts und können, insbesondere in Kombination mit dem Zell-kompatibleren Vis-Initiator-System, voraussichtlich zu einer gesteigerten Zellkompatibilität beitragen, was zu klären bleibt.
Hyaluronsäure-basierte Bio-Tinten: Unterschiedliche Hyaluronsäure-Produkte (HA) wurden synthetisiert, sodass diese En- (HAPA) oder Thiol-Funktionalitäten (LHASH)
beinhalteten, um reine HA Thiol-En vernetzte Hydrogele zu erhalten. In Abhängigkeit des Molekulargewichts der HA-Produkte, der Polymeranteile und des En:SH Verhältnisses, konnte eine große Spanne an mechanischen Festigkeiten abgedeckt werden. Aufgrund der hohen Viskosität war allerdings im Falle von hochmolekularen HA (HHAPA) Produkt-Lösungen (HHAPA + LHASH) die Handhabbarkeit auf 5.0 wt.-% beschränkt. Die Verwendung der gleichen HA Thiol-Komponenten (LHASH) ermöglichte Hybrid-Hydrogele, mit HA und GelAGE, mit reinen HA-Hydrogelen zu vergleichen. Obwohl der Polymeranteil von HHAPA + LHASH Hydrogelen signifikant geringer war, als im Vergleich zu Hybrid-Hydrogelen (GelAGE + LHASH), wurden für gleiche En:SH Verhältnisse ähnliche mechanische und physikochemische Eigenschaften reiner HA-Hydrogele bestimmt. Aufgrund der geringen Viskosität niedermolekularer HA Lösungen (LHAPA + LHASH) konnten diese nicht für den Extrusions-basierten Druck verwendet werden. Das nicht temperaturabhängige HHAPA + LHASH System hingegen konnte mit nur einem Viertel des Polymeranteils der Hybrid Formulierungen gedruckt werden. Im Vergleich zu der Hybrid Bio-Tinte wurde angenommen, dass das hoch viskose Verhalten von HHAPA + LHASH Lösungen, der geringere Polymeranteil, der geringere Druck für das Drucken und eine demzufolge geringere Scherspannung, maßgeblich zu der hohen Zellviabilität in Extrusions-basiert-biogedruckten Konstrukten beisteuerten.
Die niedrigmolekulare HA Formulierung (LHAPA + LHASH) konnte zwar nicht für den Extrusions-basierten Druck verwendet werden, allerdings besitzt dieses System Potential für andere additive Fertigungstechniken wie z.B. der Stereolithographie. Um dieses System weiterzuentwickeln wäre, analog zu dem GelAGE System, eine detailliertere Studie zu den Funktionen eingekapselter Zellen hilfreich. Außerdem sollte die Initiierung dieses Systems mit dem Vis-Initiator untersucht werden.
N2  - Aim of this thesis was the development of functionalizable hydrogel coatings for melt electrowritten PCL scaffolds and of bioprintable hydrogels for biofabrication.
Hydrogel coatings of melt electrowritten scaffolds enabled to control the surface hydrophilicity, thereby allowing cell-material interaction studies of biofunctionalized scaffolds in minimal protein adhesive environments. For this purpose, a hydrophilic star- shaped crosslinkable polymer was used and the coating conditions were optimized. Moreover, newly developed photosensitive scaffolds facilitated a time and pH independent biofunctionalization.
Bioprintable hydrogels for biofabrication were based on the allyl-functionalization of gelatin (GelAGE) and modified hyaluronic acid-products, to enable hydrogel crosslinking by means of the thiol-ene click chemistry. Optimization of GelAGE hydrogel properties was achieved through an in-depth analysis of the synthesis parameters, varying Ene:SH ratios, different crosslinking molecules and photoinitiators. Homogeneity of thiol-ene crosslinked networks was compared to free radical polymerized hydrogels and the applicability of GelAGE as bioink for extrusion-based bioprinting was investigated. Purely hyaluronic acid-based bioinks were hypothesized to maintain mechanical- and rheological properties, cell viabilities and the processability, upon further decreasing the overall hydrogel polymer and thiol content.

Hydrogel coatings: Highly structured PCL scaffolds were fabricated with MEW and subjected to coatings with six-armed star-shaped crosslinkable polymers (sP(EO-stat-PO)). Crosslinking results from the aqueous induced hydrolysis of reactive isocyanate groups (NCO) of sP(EO-stat-PO) and increased the surface hydrophilicity and provided a platform for biofunctionalizations in minimal protein adhesive environments. Not only the coating procedure was optimized with respect to sP(EO-stat-PO) concentrations and coating durations, instead scaffold pre-treatments were developed, which were fundamental to enhance the final hydrophilicity to completely avoid unspecific protein adsorption on sP(EO-stat-PO) coated scaffolds. The sP(EO-stat-PO) layer thickness of around 100 nm generally allows in vitro studies not only in dependence on the scaffold biofunctionalization but also on the scaffold architecture. The hydrogel coating extent was assessed via an indirect quantification of the NCO-hydrolysis products. Knowledge of NCO-hydrolysis kinetics enabled to achieve a balance of sufficiently coated scaffolds while maintaining the presence of NCO-groups that were exploited for subsequent biofunctionalizations. However, this time and pH dependent biofunctionalization was restricted to small biomolecules. In order to overcome this limitation and to couple high molecular weight biomolecules another reaction route was developed. This route was based on the photolysis of diazirine moieties and enabled a time and pH independent scaffold biofunctionalization with streptavidin and collagen type I. The fibril formation ability of collagen was used to obtain different collagen conformations on the scaffolds and a preliminary in vitro study demonstrated the applicability to investigate cell-material interactions.
The herein developed scaffolds could be applied to gain deeper insights into the fundamentals of cellular sensing. Especially the complexity by which cells sense e.g. collagen remain to be further elucidated. Therefore, different hierarchies of collagen-like conformations could be coupled to the scaffolds, e.g. gelatin or collagen-derived peptide sequences, and the activation of DDR receptors in dependence on the complexity of the coupled substances could be determined. Due to the strong streptavidin-biotin bond, streptavidin functionalized scaffolds could be applied as a versatile platform to allow immobilization of any biotinylated molecules.

Gelatin-based bioinks: First the GelAGE products were synthesized with respect to molecular weight distributions and amino acid composition integrity. A detailed study was conducted with varying molar ratios of reactants and synthesis durations and implied that gelatin degradation was most dominant for high alkaline synthesis conditions with long reaction times. Gelatin possesses multiple functionalizable groups and the predominant functionalization of amine groups was confirmed via different model substances and analyses. Polymer network homogeneity was proven for the GelAGE system compared to free radical polymerized hydrogels with GelMA. A detailed analysis of hydrogel compositions with varying functional group ratios and UV- or Vis-light photoinitiators was executed. The UV-initiator concentration is restricted due to cytotoxicity and potential cellular DNA damages upon UV-irradiation, whereas the more cytocompatible Vis- initiator system enabled mechanical stiffness tuning over a wide range by controlling the photoinitiator concentration at constant Ene:SH ratios and polymer weight percentages. Versatility of the GelAGE bioink for different AM techniques was proved by exploiting the thermo-gelling behavior of differently degraded GelAGE products for stereolithography and extrusion-based printing. Moreover, the viability of cell-laden GelAGE constructs was demonstrated for extrusion-based bioprinting. By applying different multifunctional thiol-macromolecular crosslinkers the mechanical and rheological properties improved concurrently to the processability. Importantly, lower thiol-crosslinker concentrations were required to yield superior mechanical strengths and physico-chemical properties of the hydrogels as compared to the small bis-thiol-crosslinker. Extrusion-based bioprinting with distinct encapsulated cells underlined the need for individual optimization of cell-laden hydrogel formulations.
Not only the viability of encapsulated cells in extrusion-based bioprinted constructs should be assessed, instead other parameters such as cell morphology or production of collagen or glycosaminoglycans should be considered as these represent some of the crucial prerequisites for cartilage Tissue Engineering applications. Moreover, these studies should be expanded to the stereolithographic approach and ultimately the versatility and cytocompatibility of formulations with macromolecular crosslinkers would be of interest. Macromolecular crosslinkers allowed reducing polymer weight percentages and amounts of thiol groups and are thus expected to contribute to increased cytocompatibility, especially in combination with the more cytocompatible Vis-initiator system, which remains to be elucidated.

Hyaluronic acid-based bioinks: Different molecular weight hyaluronic acid (HA) products were synthesized to bear ene- (HAPA) or thiol-functionalities (LHASH) to enable pure HA thiol-ene crosslinked hydrogels. Depending on the molecular weight of modified HA products, polymer weight percentages and Ene:SH ratios, a wide range of mechanical stiffness was covered. However, the manageability of high molecular weight HA (HHAPA) product solutions (HHAPA + LHASH) was restricted to 5.0 wt.-% as a consequence of the high viscosity. Based on the same HA thiol component (LHASH), hybrid hydrogels of HA with GelAGE were compared to pure HA hydrogels. Although the overall polymer weight percentage of HHAPA + LHASH hydrogels was significantly lowered compared to hybrid hydrogels (GelAGE + LHASH), similar mechanical and physico-chemical properties of pure HA hydrogels were determined with maintained Ene:SH ratios. Low viscous low molecular weight HA precursor solutions (LHAPA + LHASH) prevented the applicability for extrusion-based bioprinting, whereas the non-thermoresponsive HHAPA + LHASH system could be bioprinted with only one-fourth of the polymer content of hybrid formulations. The high viscous behavior of HHAPA + LHASH solutions, lower polymer weight percentages, decreased printing pressures and consequently declined shear stress during printing, were hypothesized to contribute to high cell viabilities in extrusion-based bioprinted constructs compared to the hybrid bioink.
The low molecular weight HA precursor formulation (LHAPA + LHASH) was not applicable for extrusion-based printing, but this system has potential for other AM techniques such as stereolithography. Similar to the GelAGE system a more detailed study on the functions of encapsulated cells would be useful to further develop this system. Moreover, the initiation with the Vis-initiator should be conducted.
KW  - Biomaterial
KW  - Bioink
KW  - hydrogel
KW  - biofabrication
KW  - Hydrogel
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-174225
ER  -