Im Bereich der Biomedizin werden Nanopartikel in Form von Kontrastmitteln oder Wirkstoffträgersystemen
bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften
können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z.B. nach magnetischer
Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden
realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw.
superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und
Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer
nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften.
In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen
Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln
etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte
(InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren
erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive
Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex
vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde
ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und
Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere
Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP
mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs
oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in
vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische
Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels
magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch
Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor
sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach
postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als
Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch
den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge
unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z.B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur
ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute
mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt.
Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche
physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten
Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich
wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme
abgeleitet und diskutiert.
Aktualisiert: 2023-06-08
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Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines piezogestützten Sortiersystems, das für Objektgrößen von 7 – 300 µm und unterschiedliche Betriebsmodi in der Mikrofluidik geeignet ist. Im Vordergrund stehen die Untersuchung des Sortierprozesses und der Strömungseigenschaften im Mikrokanal. Die Erkenntnisse ermöglichen u. a. über Modellgleichungen die Charakterisierung des Sortiersystems und einen direkten Einblick in die Funktionsweise der mikrofluidischen Funktionsstrukturen.
Aktualisiert: 2023-06-01
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Gewinner des "Bloody Cover 2023"-Preises
Als sie Motorengeräusche hörte, ließ die Frau sich zu Boden fallen. Die Geräusche waren schwach, kamen aber schnell näher. Sie glitt in eine Mulde. Drückte den Kopf in den heißen Wüstensand. Es gab kaum Sträucher, keine Bäume, nichts, was sie verbergen konnte …
TRIGGERWARNUNG: Dystopisches Szenario, Erschütterung des politischen Weltbilds, Vertrauensverlust in den Staat, Drogen, sexuelle Freiheiten ...
2029: Die Biochemikerin Madeleine Alberti wird in eine künstlich geschaffene Agrarstadt mitten in der Wüste New Mexikos geschickt, um dort als Forscherin an einem Bewässerungsprojekt mitzuwirken. Tatsächlich aber wird an diesem Ort mit neuartigen bargeldlosen Zahlungsmethoden experimentiert – insbesondere mit einem liquiden Chip, der, einmal in den Menschen implantiert, als Kredit- und Informationsträger dient. Als Madeleine die wahren Hintergründe bewusst werden, kontaktiert sie sofort Richard Weigelt in Frankfurt am Main, Geschäftsführer einer Initiative gegen das sich anbahnende Bargeldverbot, und lässt ihm heimlich alle gesammelten Informationen zukommen. Als ihre Kommunikation auffliegt, muss sie aus den USA fliehen und gelangt mit der Hilfe des Chefs eines mexikanischen Drogenkartells, der großes Interesse daran hat, sein Bargeld zu behalten, über Mexiko zurück nach Deutschland, wo sich zu diesem Zeitpunkt eine folgenreiche Hochwasserkatastrophe anbahnt …
Aktualisiert: 2023-05-26
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Gewinner des "Bloody Cover 2023"-Preises
Als sie Motorengeräusche hörte, ließ die Frau sich zu Boden fallen. Die Geräusche waren schwach, kamen aber schnell näher. Sie glitt in eine Mulde. Drückte den Kopf in den heißen Wüstensand. Es gab kaum Sträucher, keine Bäume, nichts, was sie verbergen konnte …
TRIGGERWARNUNG: Dystopisches Szenario, Erschütterung des politischen Weltbilds, Vertrauensverlust in den Staat, Drogen, sexuelle Freiheiten ...
2029: Die Biochemikerin Madeleine Alberti wird in eine künstlich geschaffene Agrarstadt mitten in der Wüste New Mexikos geschickt, um dort als Forscherin an einem Bewässerungsprojekt mitzuwirken. Tatsächlich aber wird an diesem Ort mit neuartigen bargeldlosen Zahlungsmethoden experimentiert – insbesondere mit einem liquiden Chip, der, einmal in den Menschen implantiert, als Kredit- und Informationsträger dient. Als Madeleine die wahren Hintergründe bewusst werden, kontaktiert sie sofort Richard Weigelt in Frankfurt am Main, Geschäftsführer einer Initiative gegen das sich anbahnende Bargeldverbot, und lässt ihm heimlich alle gesammelten Informationen zukommen. Als ihre Kommunikation auffliegt, muss sie aus den USA fliehen und gelangt mit der Hilfe des Chefs eines mexikanischen Drogenkartells, der großes Interesse daran hat, sein Bargeld zu behalten, über Mexiko zurück nach Deutschland, wo sich zu diesem Zeitpunkt eine folgenreiche Hochwasserkatastrophe anbahnt …
Aktualisiert: 2023-05-22
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Als sie Motorengeräusche hörte, ließ die Frau sich zu Boden fallen. Die Geräusche waren schwach, kamen aber schnell näher. Sie glitt in eine Mulde. Drückte den Kopf in den heißen Wüstensand. Es gab kaum Sträucher, keine Bäume, nichts, was sie verbergen konnte …
TRIGGERWARNUNG: Dystopisches Szenario, Erschütterung des politischen Weltbilds, Vertrauensverlust in den Staat, Drogen, sexuelle Freiheiten ...
2029: Die Biochemikerin Madeleine Alberti wird in eine künstlich geschaffene Agrarstadt mitten in der Wüste New Mexikos geschickt, um dort als Forscherin an einem Bewässerungsprojekt mitzuwirken. Tatsächlich aber wird an diesem Ort mit neuartigen bargeldlosen Zahlungsmethoden experimentiert – insbesondere mit einem liquiden Chip, der, einmal in den Menschen implantiert, als Kredit- und Informationsträger dient. Als Madeleine die wahren Hintergründe bewusst werden, kontaktiert sie sofort Richard Weigelt in Frankfurt am Main, Geschäftsführer einer Initiative gegen das sich anbahnende Bargeldverbot, und lässt ihm heimlich alle gesammelten Informationen zukommen. Als ihre Kommunikation auffliegt, muss sie aus den USA fliehen und gelangt mit der Hilfe des Chefs eines mexikanischen Drogenkartells, der großes Interesse daran hat, sein Bargeld zu behalten, über Mexiko zurück nach Deutschland, wo sich zu diesem Zeitpunkt eine folgenreiche Hochwasserkatastrophe anbahnt …
Aktualisiert: 2023-05-11
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Als sie Motorengeräusche hörte, ließ die Frau sich zu Boden fallen. Die Geräusche waren schwach, kamen aber schnell näher. Sie glitt in eine Mulde. Drückte den Kopf in den heißen Wüstensand. Es gab kaum Sträucher, keine Bäume, nichts, was sie verbergen konnte …
TRIGGERWARNUNG: Dystopisches Szenario, Erschütterung des politischen Weltbilds, Vertrauensverlust in den Staat, Drogen, sexuelle Freiheiten ...
2029: Die Biochemikerin Madeleine Alberti wird in eine künstlich geschaffene Agrarstadt mitten in der Wüste New Mexikos geschickt, um dort als Forscherin an einem Bewässerungsprojekt mitzuwirken. Tatsächlich aber wird an diesem Ort mit neuartigen bargeldlosen Zahlungsmethoden experimentiert – insbesondere mit einem liquiden Chip, der, einmal in den Menschen implantiert, als Kredit- und Informationsträger dient. Als Madeleine die wahren Hintergründe bewusst werden, kontaktiert sie sofort Richard Weigelt in Frankfurt am Main, Geschäftsführer einer Initiative gegen das sich anbahnende Bargeldverbot, und lässt ihm heimlich alle gesammelten Informationen zukommen. Als ihre Kommunikation auffliegt, muss sie aus den USA fliehen und gelangt mit der Hilfe des Chefs eines mexikanischen Drogenkartells, der großes Interesse daran hat, sein Bargeld zu behalten, über Mexiko zurück nach Deutschland, wo sich zu diesem Zeitpunkt eine folgenreiche Hochwasserkatastrophe anbahnt …
Aktualisiert: 2023-05-11
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Im Bereich der Biomedizin werden Nanopartikel in Form von Kontrastmitteln oder Wirkstoffträgersystemen
bereits routinemäßig eingesetzt. Durch ihre größenbasierten Eigenschaften
können die Partikel im Zielgewebe systematisch akkumulieren (z.B. nach magnetischer
Zielführung) und dort sensitive Diagnoseverfahren oder auch effiziente Therapiekaskaden
realisieren. Insbesondere eine Kombination von anorganischen Nanopartikeln (bspw.
superparamagnetische Eisenoxidnanopartikel, FexOyNP) mit organischen Molekülen und
Strukturen (Wirkstoffe, Antikörper etc.) bietet die Möglichkeit zur Entwicklung innovativer
nanopartikulärer Hybridsysteme mit multifunktionellen Eigenschaften.
In der vorliegenden Dissertation wurden neue Ansätze zur Herstellung und biomedizinischen
Anwendung von insgesamt vier verschiedenartigen organisch-anorganischen Nanohybridpartikeln
etabliert. Hierfür wurden zunächst Indiumphosphid/Zinksulfid-Quantenpunkte
(InP/ZnS-QDs) sowie FexOyNP und Goldnanopartikel (AuNP) mittels nasschemischer Verfahren
erzeugt. Die Herstellung des ersten Hybridpartikelsystems erfolgte über eine selektive
Ankopplung von FexOy- und AuNP an einen Alzheimer-Biomarker. Neben einer sensitiven ex
vivo Biomarkerdetektion mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) wurde
ein detailliertes Prozessverständnis durch umfassende Untersuchung der Synthese- und
Funktionalisierungsschritte anhand unterschiedlicher Analysemethoden erreicht. Drei weitere
Nanohybride wurden durch gleichzeitige Einkapselung von superparamagnetischen FexOyNP
mit jeweils einer weiteren Komponente (therapeutische RNA, fluoreszierende InP/ZnS-QDs
oder plasmonische AuNP) in organische Nanovesikel (Niosome) hergestellt und für eine in
vitro Anwendung zu verschiedenen Krebszelllinien appliziert. Das RNA-beladene superparamagnetische
Hybridnanopartikel konnte durch erhöhte zelluläre Internalisierung mittels
magnetischer Zielführung eine effiziente RNA-gestützte Chemotherapie ermöglichen. Durch
Einkapselung der InP/ZnS-QDs und FexOyNP konnte ein weiterer Nanohybrid als Fluorophor
sowie auch als Kontrastmittel eingesetzt werden. Das vierte Hybridnanopartikel erlaubte nach
postsynthetischer magnetischer Aufreinigung eine sensitive SERS-basierte Diagnostik. Als
Applikationsplattform bewirkten die Niosome ein verbessertes Anwendungspotential durch
den Schutz der eingeschlossenen Komponenten vor einem Funktionalitätsverlust infolge
unterschiedlicher in vitro Einflüsse (z.B. Azidität). In ergänzenden Untersuchungen wurde zur
ressourceneffizienten Herstellung eines niosomalen Wirkstoffträgersystems eine Syntheseroute
mittels einer kommerziellen mikrofluidischen Apparatur entwickelt.
Bei den unterschiedlichen nanopartikulären Formulierungen wurden wesentliche
physikalische, chemische und biologische Zusammenhänge zwischen den eingesetzten
Substanzen, der Prozesskette und dem resultierenden Partikelsystem analysiert. Folglich
wurden grundsätzliche Herstellungs- und Anwendungsstrategien für nanopartikuläre Hybridsysteme
abgeleitet und diskutiert.
Aktualisiert: 2022-11-24
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Neue aussichtsreiche Pharmazeutika scheitern regelmäßig in späten Entwicklungsphasen und stehen somit nicht als wertvolle Wirkstoffe zur Verfügung. Ein Grund hierfür ist die komplexe Pharmakinetik und der Mangel an geeigneten in-vitro Modellen.
Diese Dissertation befasst sich daher mit der Entwicklung neuartiger in-vitro Membranmodelle am Beispiel der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Dabei werden die Umgebungsbedinungen der Endothelzellen auf einem Mikrofluidikchip nachgebildet und die Steuerung der Zellpositionen mittels Dielektrophorese realisiert. Die Auslegung und Optimierung des Chip-Designs, die Entwicklung einer in-situ Membran sowie die Ermittlung der Randbedingungen sind wesentliche Bestandteil dieser Arbeit. Weithin werden neben den FEM-Simulationen zur Designentwicklung u.a. auch wichtige Einflussgebende Parameter zur Erstellung eines solchen Mikroorgans vorstellt. Darüber hinaus wird das so aufgebaute Modell mittels Rhodamins, Fluorescein und FITC-Dextran charakterisiert und die Grenzen des Modells erörtert. Als neuartig kann die in-situ Herstellung einer vertikalen Polyamidmembran in einem Polymerchip bezeichnet werden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Sie lässt sich in geschlossenen Polymerchips herstellen und könnte als Basis auch für andere Anwendungen dienen.
Aktualisiert: 2022-07-21
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In den letzten Jahrzehnten hat die Biotechnologie zur Produktion von chemischen Grundbausteinen und komplexen Strukturen an Bedeutung gewonnen. Trotz enormer Fortschritte sind die gängigen Fermentationsprozesse in erster Linie limitiert durch die Lebensfähigkeit der eingesetzten Organismen. Weitere Probleme sind die Biomasseproduktion und eine häufige Produkttoxizität für die Zellen. Durch die Übertragung von spezifischen Stoffwechelsschritten aus der Zeööe in mikrostrukturierte, kompartimentiere Bioreaktoren sollen diese Grenzen überwunden werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit Hilfe der Mikroverfahrenstechnik ein Reaktor entwickelt, der vor allem die Minimierung von Transportwiderständen auch in Mehrphasensystemen durch ein großes Oberflächen- zu Volumenverhältnis in mikrostrukturierten Apparaten ausnutzen sollte. Als Modelsystem wurde die enzymatische Synthese von nicht-proteinogenen Aminosäuren aus Hydantoinen ausgewählt. Dieser biotechnologische Prozess ist vor allem durch eine geringe Substratlöslichkeit in wässrigen Systemen und eine Produktinhibierung der Enzyme limitiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch Kopplungvon Mikroextraktion und enzymatische Umsetzung in einem mikrostrukturiertem Reaktorsystem ein stabiler kontinuierlicher Prozess generiert werden kann.
Aktualisiert: 2021-12-30
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Als sie Motorengeräusche hörte, ließ die Frau sich zu Boden fallen. Die Geräusche waren schwach, kamen aber schnell näher. Sie glitt in eine Mulde. Drückte den Kopf in den heißen Wüstensand. Es gab kaum Sträucher, keine Bäume, nichts, was sie verbergen konnte …
TRIGGERWARNUNG: Dystopisches Szenario, Erschütterung des politischen Weltbilds, Vertrauensverlust in den Staat, Drogen, sexuelle Freiheiten ...
2029: Die Biochemikerin Madeleine Alberti wird in eine künstlich geschaffene Agrarstadt mitten in der Wüste New Mexikos geschickt, um dort als Forscherin an einem Bewässerungsprojekt mitzuwirken. Tatsächlich aber wird an diesem Ort mit neuartigen bargeldlosen Zahlungsmethoden experimentiert – insbesondere mit einem liquiden Chip, der, einmal in den Menschen implantiert, als Kredit- und Informationsträger dient. Als Madeleine die wahren Hintergründe bewusst werden, kontaktiert sie sofort Richard Weigelt in Frankfurt am Main, Geschäftsführer einer Initiative gegen das sich anbahnende Bargeldverbot, und lässt ihm heimlich alle gesammelten Informationen zukommen. Als ihre Kommunikation auffliegt, muss sie aus den USA fliehen und gelangt mit der Hilfe des Chefs eines mexikanischen Drogenkartells, der großes Interesse daran hat, sein Bargeld zu behalten, über Mexiko zurück nach Deutschland, wo sich zu diesem Zeitpunkt eine folgenreiche Hochwasserkatastrophe anbahnt …
Aktualisiert: 2023-03-06
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Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik sind die Schlüsseltechnologien unserer Wirtschaftsbranchen, die es zu sichern und weiterzuentwickeln gilt.
Dazu bedarf es nicht nur erfolgreicher, großer und mittelständischer Industrieunternehmen, sondern auch spezialisierter und auf ihren Fachgebieten international führender Forschungsinstitute, exzellenter Ausbildungen an Universitäten und Hochschulen sowie gezielter und nachhaltiger Förderung durch die öffentliche Hand. Der MikroSystemTechnik Kongress ist seit jeher die größte nationale Fachkonferenz in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, die diese Stakeholders in einen regen Austausch bringt – mit dem Ziel, den nationalen Stand der Technik zu beleuchten und zukünftige Bedarfe und Initiativen abzustimmen und auf den Weg zu bringen. So soll es auch im Konferenzjahr 2021 wieder sein – mehr noch, in Ludwigsburg wollen wir nach der aus der Corona Pandemie 2020 verursachten Wirtschaftskrise aufzeigen, wie bedeutsam diese Schlüsseltechnologien für unsere Wirtschaftskraft und unser Gemeinwohl sind und welche Zukunftschancen sie bieten.
Wir heißen Sie hierzu herzlich willkommen in Ludwigsburg bei Stuttgart, der Hauptstadt des Landes Baden-Württemberg. Im Großraum Stuttgart haben nicht nur Weltmarktführer der Mikrosystemtechnik und des halbleitertechnischen Gerätebaus ihren Sitz, sondern hier sind vor allem auch viele der international führenden mittelständischen Unternehmen ansässig. Viele dieser Akteure engagieren sich im Netzwerk MicroTEC Südwest e.V., das sich in den Jahren 2010-2015 im Rahmen der BMBF Spitzencluster Förderung etablieren konnte.
Profitieren auch Sie von einem intensiven Austausch mit Wissenschaftlern und Ingenieuren aller Erfahrungsstufen aus den erfolgreichen Unternehmen und den exzellenten Forschungseinrichtungen in der Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik in Deutschland ebenso wie mit Vertretern der involvierten Ministerien des Bundes und des Landes.
Viele der Schwerpunkte aus 2019 setzen sich 2021 fort. Die Digitalisierung erhält nach der Corona Krise 2020 einen noch höheren Stellenwert bei dezentralen Arbeitsprozessen und bei der Weiterentwicklung der Megathemen Internet der Dinge (Internet of Things), Industrie 4.0 und Künstliche Intelligenz (KI). Die Photonik und die optischen Technologien führen dabei nicht nur zu einer dramatischen Erhöhung der verfügbaren Datenraten, sondern sie ermöglichen zudem neue Anwendungen in der Mikrosystemtechnik von der Sensorik/Aktorik bis hin zu den Quantentechnologien. Die Medizintechnik profitiert ebenfalls maßgeblich von den Fortschritten in der Mikrosystemtechnik durch die Entwicklung neuer Lösungen in der Diagnostik, Point-of-Care und bei Implantaten.
Aktualisiert: 2022-12-09
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Zielstellung dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines piezogestützten Sortiersystems, das für Objektgrößen von 7 – 300 µm und unterschiedliche Betriebsmodi in der Mikrofluidik geeignet ist. Im Vordergrund stehen die Untersuchung des Sortierprozesses und der Strömungseigenschaften im Mikrokanal. Die Erkenntnisse ermöglichen u. a. über Modellgleichungen die Charakterisierung des Sortiersystems und einen direkten Einblick in die Funktionsweise der mikrofluidischen Funktionsstrukturen.
Aktualisiert: 2023-03-31
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Die Mikrofluidik ist ein Teilgebiet der Mikrosystemtechnik. Obwohl sich dieses Forschungsfeld noch in der frühen Entwicklungsphase befindet, verspricht Mikrofluidik große wissenschaftliche und kommerzielle Potenziale in der nahen Zukunft.
Dieses Buch ist das erste deutschsprachige Fachbuch für Universitätsstudenten und Ingenieure auf dem Gebiet der Mikrofluidik und Mikrosystemtechnik. Es ermöglicht eine didaktisch sorgfältig gegliederte Einführung in die Mikrofluidik. Viele ausgearbeitete Rechenbeispiele und Fallbeispiele illustrieren den behandelten Inhalt, ermöglichen ein leichtes Verständnis der einzelnen Probleme und umfassen die wichtigsten Aspekte in der Entwicklung der mikrofluidischen Komponenten, der theoretischen Grundlagen, des Entwurfprozesses sowie deren Herstellung und Charakterisierung.
Aktualisiert: 2023-03-14
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Die moderne Industrie ist ohne Schlüsseltechnologien wie die Mikrosystemtechnik und die Nanotechnologie heutzutage kaum mehr vorstellbar. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Erforschung von Mikro- und Nanopartikeln, die sich durch ein hohes spezifisches Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auszeichnen. Diese Eigenschaft ist vor allem für die Biowissenschaften und die Medizintechnik interessant, da sich diese Oberfläche funktionalisieren lässt. Speziell der Einsatz magnetischer mikroskopisch kleiner Kügelchen, Magnetic beads genannt, eröffnet ein breites Anwendungsspektrum, das die Wissenschaft im Rahmen der Mikrofluidik erforscht. Dieses Buch beschreibt die Grundlagen mikrofluidischer Strömungen. Die Autorin gibt einen Überblick über verschiedene Fertigungstechnologien und Materialien für mikrofluidische Systeme und erläutert die Funktionsweise von mikrofluidischen Separationsverfahren unter Einsatz elektrischer und magnetischer Felder. In zwei Anwendungsbeispielen - von denen eines die Manipulation von Biomolekülen umfasst, während sich das zweite mit der Bindung metallischer Nanopartikel der Platingruppe beschäftigt - werden die Lerninhalte praktisch nachvollziehbar. Das Innovationspotential dieser Separationsverfahren zeigt sich vor allem in der aktuellen Debatte um das begrenzte natürliche Rohstoffvorkommen, da sich aus der Wiederabtrennung von Nanopartikeln eine völlig neue Recyclingmethode ergibt. Besonders Studenten der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie werden von der Lektüre dieses Buches profitieren, da es die Grundlagen mikrofluidischer Lab-on-a-Chip-Systeme vermittelt ohne spezielle Vorkenntnisse vorauszusetzen. Aber auch Ingenieure und Naturwissenschaftler in den Bereichen Nanotechnik, Mikrosysteme und Mikrofluidik können sich dank dieses Buches detailliert über die Einsatzmöglichkeiten der mikrofluidischen Separationsverfahren informieren.
Aktualisiert: 2023-04-02
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Trotz vielerlei Fortschritte in der medizinischen Forschung und der Fülle an neu entwickelten Substanzen als potentielle Wirkstoffe, gibt es noch immer Erkrankungen, die nicht ausreichend effizient behandelt werden können. Eine der größten Herausforderungen besteht hierbei in der Untersuchung und Evaluierung der Wirkstoffkandidaten, was ein sehr zeit- und kostenintensiver Prozess ist. Gleichzeitig ergibt sich auch noch in späten Phasen der Medikamentenentwicklung eine hohe Misserfolgsquote der Testsubstanzen, da die Ergebnisse der verschiedenen Testmodelle oft nur schwer aufeinander zu übertragen sind. Auf Hochdurchsatz-Selektionen in in vitro-Systemen mit einfachen Zellkulturen folgen in vivo-Versuche in verschiedenen Tiermodellen, bevor schließlich erste Studien an einer kleinen humanen Probandengruppe durchgeführt werden. Dabei ist allerdings weder die Übertragbarkeit von Erkenntnissen aus der Zellkultur auf den tierischen Organismus, noch die Relevanz eben dieser Tiermodelle für die humane Physiologie gewährleistet. Im Rahmen dieses Projekts sollten daher verschiedene in vitro-Modelle für die Testung von Wirkstoffen und -transportern untersucht, angepasst und evaluiert werden. Im Fokus standen dabei einerseits zwei therapeutisch einsetzbare Nanopartikel, die es zu charakterisieren galt, sowie andererseits fortschrittliche in vitro-Systeme mit dreidimensionalen Zellkulturen und in mikrofluidischen Organ-on-a-Chip-Modellen.
Aktualisiert: 2021-04-20
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Die moderne Industrie ist ohne Schlüsseltechnologien wie die Mikrosystemtechnik und die Nanotechnologie heutzutage kaum mehr vorstellbar. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Erforschung von Mikro- und Nanopartikeln, die sich durch ein hohes spezifisches Verhältnis von Oberfläche zu Volumen auszeichnen. Diese Eigenschaft ist vor allem für die Biowissenschaften und die Medizintechnik interessant, da sich diese Oberfläche funktionalisieren lässt. Speziell der Einsatz magnetischer mikroskopisch kleiner Kügelchen, Magnetic beads genannt, eröffnet ein breites Anwendungsspektrum, das die Wissenschaft im Rahmen der Mikrofluidik erforscht. Dieses Buch beschreibt die Grundlagen mikrofluidischer Strömungen. Die Autorin gibt einen Überblick über verschiedene Fertigungstechnologien und Materialien für mikrofluidische Systeme und erläutert die Funktionsweise von mikrofluidischen Separationsverfahren unter Einsatz elektrischer und magnetischer Felder. In zwei Anwendungsbeispielen - von denen eines die Manipulation von Biomolekülen umfasst, während sich das zweite mit der Bindung metallischer Nanopartikel der Platingruppe beschäftigt - werden die Lerninhalte praktisch nachvollziehbar. Das Innovationspotential dieser Separationsverfahren zeigt sich vor allem in der aktuellen Debatte um das begrenzte natürliche Rohstoffvorkommen, da sich aus der Wiederabtrennung von Nanopartikeln eine völlig neue Recyclingmethode ergibt. Besonders Studenten der Mikrosystemtechnik und Nanotechnologie werden von der Lektüre dieses Buches profitieren, da es die Grundlagen mikrofluidischer Lab-on-a-Chip-Systeme vermittelt ohne spezielle Vorkenntnisse vorauszusetzen. Aber auch Ingenieure und Naturwissenschaftler in den Bereichen Nanotechnik, Mikrosysteme und Mikrofluidik können sich dank dieses Buches detailliert über die Einsatzmöglichkeiten der mikrofluidischen Separationsverfahren informieren.
Aktualisiert: 2023-04-04
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Kurzfassung
Prototypen von mikrofluidischen Systemen werden heutzutage mittels Mikrofräsen hergestellt.
Ein verbreiteter Kunststoff hierfür ist der Thermoplast Polymethylmethacrylat, kurz PMMA.
Bei der Herstellung der Systeme stellen die applikationsangepasste Werkzeugauslegung für
Fräserdurchmesser D ≤ 50 μm sowie das gegenwärtig noch fehlende Prozessverständnis bei der
Zerspanung die Hauptgrenzen dar. Hauptziel dieser Arbeit ist die Beherrschung der
Mikrofräsbearbeitung von PMMA mit einer 3-achsigen Fräsmaschine. Die
Hauptanforderungen für die Prozessauslegung liegen in der Herstellung mikrofluidischer
Strukturen mit einer Rauheit Ra < 60 nm am Nutgrund und einer Grathöhe an den Flanken
h0 < 3 μm. Die Prozessauslegung umfasst dabei die komplette Kette von der CAD-Datei bis hin
zur Herstellung prototypischer mikrofluidischer Strukturgeometrien. Unter diesen Aspekten
ergeben sich als Teilziele das Vertiefen des Fräsprozessverständnisses sowie die Auslegung
von Mikroschaftfräsern und CAM-Bearbeitungsstrategien, die die genannten Anforderungen
bestmöglich erfüllen. Die Untersuchungen erfolgten mit einschneidigen Mikroschaftfräsern
D ≤ 50 μm. Basierend auf der im Fräsprozess vorkommenden Kinematik wurden für das Stirnund
Umfangsfräsen relevante Beziehungen für die Werkzeug-Werkstück-Interaktion
abgeleitet. Hierbei ließ sich nachweisen, dass die von der Spindeldrehzahl abhängige Plan- und
Rundlaufabweichung des Spindel-Werkzeug-Systems für das erreichbare Arbeitsergebnis
maßgebend ist. Nur unter Berücksichtigung dieser Mikro-Maschine-Spindel-Prozess-
Interaktion (MikroMSPI) lässt sich der Prozess reproduzierbar auslegen. Die erzielten
Erkenntnisse führen zu einem allgemeingültigen Prozessverständnis, welches auch die
Beherrschung anderer Mikrofräsbearbeitungen ermöglicht und somit der Erschließung neuer
Anwendungsgebiete dient.
Abstract
Today, prototypes of microfluidic systems are produced via micro milling. Here, the common
thermoplastic used is polymethyl methacrylate (PMMA). Main limitations are the design of
application adapted tools with diameters D ≤ 50 μm, and the understanding of the machining
process itself. Main requirements for process design involve the manufacture of microfluidic
structures with Ra < 60 nm on the groove bottom and a top burr overhang h0 < 3 μm. The
objective of this work is the mastery of stable PMMA micro milling with tool diameters
D ≤ 50 μm on a 3-axes milling machine. For this purpose, the process design covers the
complete process chain - from the CAD data file up to the final structure geometry of
microfluidic prototypes. The objectives are to design single-edge micro end mills, establish
milling parameters, and define CAD/CAM machining strategies that meet the requirements as
good as possible. Based on the kinematic of micro milling with single-edge tools, relevant toolworkpiece-
interactions for the face and peripheral milling were derived. The influence of the
spindle-tool-system and its interaction with the machining results was researched among other
factors. There is a strong influence of the spindle-tool-system by working with D ≤ 50 μm, and
the spindle speed dependent axial and radial runout is decisive for the achievable machining
results. Taking the micro-machine-spindle-process-interaction (MicroMSPI) into account
makes the repeatability and reproducibility of the process possible. The results and findings
obtained, provide a universal understanding of the micro end milling process. This enables the
process control for other micro end mill applications and opens up new markets.
Aktualisiert: 2023-01-27
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In der vorliegenden Dissertation wird nachgewiesen, dass mit Hydrogelaktoren mikrofluidische Systeme realisierbar sind, die komplexe, mehrstufige Prozesse durchführen können. Dazu wurde ein solcher Prozessor entworfen, seine Komponenten und für deren Herstellung geeignete Technologien entwickelt und Messungen an aufgebauten Prototypen durchgeführt. Die entwickelten Technologien betreffen die Substrate, die Aufbau- und Verbindungstechnologie, die Hydrogelaktoren, die elektronische Steuerung sowie den Prozessor und seine Bauelemente.
Aktualisiert: 2022-04-20
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Heutzutage werden chemische und biologische Anwendungen in immer kleineren Maßstäben durch eine Klasse miniaturisierter Reaktions- und Analysesysteme (Lab-on-a-Chip) durchgeführt, so dass die Durchführung von Screenings, schnellen optischen Analysen und komplexe Enzymkaskadenreaktionen mit sehr kleinen Reaktionsvolumen möglich sind. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Einsatzgebiete vor allem immobilisierter Enzyme in der industriellen Biotechnologie beschrieben. Im ersten Teil wird untersucht, wie die Stabilität von Cytochrome P450_{BMPdurch unterschiedliche Denaturierungsverfahren, durch Immobilisierung und Lagerung beeinflusst wird. Mittels eines miniaturisierten hochgradienten Magnetfilters wurde anschließend die direkte Aufreinigung von Cytochrome P450_{BMPaus dem Zelllysat durch die Immobilisierung auf magnetische Partikel mit integrierter Reaktionsführung durchgeführt und evaluiert. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine neue Abrollvorrichtung für die Charakterisierung von Mikroreaktoren sowie einfachen Tropfen entwickelt und etabliert. Ferner wurde eine magnetische Aktuatorplattform zur automatisierten Bewegung von Mikroreaktoren entwickelt und erste Reaktionsführungen mittels Mikroreaktoren erprobt. Damit wird der zunehmenden Nachfrage nach der Entwicklung von vielseitigen Verfahren zum kontrollierten Transport und zur Manipulation von kleinen Flüssigkeitsvolumen nachgekommen.
Aktualisiert: 2022-12-21
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Mit Hilfe mikrotechnischer Fertigungsverfahren und Aufbau- und Verbindungstechniken wurde ein mikrofluidisches System mit integrierten weichmagnetischen Strukturen hergestellt. Magnetpartikel können ins System gebracht und über ein externes Magnetfeld separiert werden. Das Transport- und Separationsverhalten der Magnetpartikel im mikrofluidischen System wurde untersucht.
Aktualisiert: 2021-02-11
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