Master-/Diplomarbeiten

Jedes Jahr leiden Millionen von Menschen an Knochendefekten infolge von Traumata, Tumoren oder knochenbedingten Verletzungen. Daher besteht die Notwendigkeit, ständig neue Materialien zu entwickeln oder die Eigenschaften der derzeit verwendeten Materialien für Knochenersatz oder Implantatanwendungen zu verbessern. Polymethylmethacrylat (PMMA) hat sich als Material für Implantate als vielversprechende Alternative erwiesen; Es gibt jedoch immer noch einige Einschränkungen, die diesem Material inhärent sind, insbesondere in Bezug auf seine Oberflächeneigenschaften. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von Hydroxylapatit (HAp) -Dünnfilmen auf der Oberfläche von 3D-gedruckten PMMA-Substraten. Das 3D-Drucken, insbesondere das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), wurde zur Herstellung von PMMA-Substraten mit unterschiedlichen Oberflächenporositätsgraden verwendet. Die FDM-Technik weist das Potential zur Herstellung von maßgeschneiderten Freiformstrukturen für verschiedene Anwendungen auf, einschließlich der kraniofazialen Rekonstruktion. HAp-Dünnfilme wurden mittels Radiofrequenz-Magnetron-Sputtern (RFMS) und Ionenstrahl-Sputtern (IBS) -Techniken mit einem kommerziellen Target bzw. einem "in-house" gesinterten Target abgeschieden. Eine strukturelle, chemische, mechanische und morphologische Charakterisierung wurde in den erzeugten Oberflächen mittels Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (REM), energiedispersiver Spektroskopie (EDS) und Härte- und Rauheitsmessungen durchgeführt. Die Ergebnisse der XRD-Analyse zeigten eine amorphe Struktur für die Filme, die sowohl durch RFMS- als auch IBS-Techniken auf den PMMA-Substraten hergestellt wurden. Die durch SEM erhaltenen mikroskopischen Aufnahmen zeigten eine Säulenmorphologie und eine niedrige Dichte für die durch RFMS hergestellten Filme; Die gleiche Technik zeigte eine Struktur von Stegen von stehenden Plättchen mit gekrümmten Konturen für die abgeschiedenen IBS-Filme. Die amorphe Struktur und die Morphologie der Filme sowie die Härte und Rauheit können günstig sein, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern und die Osseointegrationsfähigkeiten von PMMA zu fördern. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Entwicklung eines PMMA-Implantationsherstellungsverfahrens unter Verwendung von 3D-Druck- und HAp-Filmdepositionstechniken mit verbesserten Osseointegrationseigenschaften.

In dieser Arbeit, wurden Hydroxyapatit (HAp) Schichten unter Verwendung von zwei verschiedenen Sputtertechniken hergestellt: Radiofrequenz Magnetronsputtern und Ionenstrahlsputtern. Im erste Fall wurden die Schichten auf Ti-6Al-4V-Substraten unter Verwendung eines hochreinen kommerziellen HAp-Targets gewachsen, wobei eine Dicke von 200 nm erhalten wurde. Für die zweite Herstellungsmethode wurden die Schichten auf reinen Titansubstraten unter Verwendung eines selbst hergestellten HAp-Targets abgeschieden. Dieses wurde aus einem Pulver (Ca/P = 1,628, gesintert und zerkleinert) hergestellt. Die Schichtdicke war hier, nach dem Ionenstrahlsputtern 300 nm. Die Sinterversuche für die Targetherstellung wurde unter Verwendung von zwei verschiedenen Heizregimen bei einer maximalen Temperatur von 1200 ˚C (Haltezeit von 2h und 4h) unter Verwendung von verschiedenen Additiven durchgeführt. Als Additive kamen Wasser (H2O), Polyvinylalkohol (PVA) und Polyethylenglykol (PEG) zum Einsatz, um dis mechanische Festigkeit der Grünkörper zu verbessern. Als Target für das Ionenstrahlsputtern wurde die der gesinterte HAp Körper mit den Herstellparametern: Verdichtungsdruck: 72 MPa; Sintern bei 1200 ˚C für 4h unter Verwendung einer Additivmischung aus PEG und PVA in wässriger Lösung genutzt, da dieses die strukturellen und chemischen Eigenschaften aufweist, die dem Pulver sehr ähnlich sind und eine Sinterdichte von 1.78 g/cm3, was die 56% der theoretischen Dichte (3.156 g/cm3). Die erhaltenen Schichten war in beiden Fällen nach dem Sputtern amorph. Daher wurden auch die Schichten in einem Nachbehandlungsschritt erneut getempert, um die Kristallinität zu erhöhen. Das Tempern wurde in Luftatmosphäre für 2 Stunden bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt: 400, 600 und 800 ˚C für RF-Magnetron-Sputterproben; 600 und 800 ˚C für Ionenstrahlsputternproben. Das Ergebnis für die Schichten zeigt in beiden Fällen, dass die Kristallinität von HAp nur für die mit Ionenstrahlsputtern hergestellten getemperten Proben bei 800 ºC verbessert wurde. In beiden Fällen zeigen die energiedispersiven Röntgenspektroskopie-Messungen eine Verringerung des Ca/P-Verhältnisses mit steigender Temperatur. Die Messung der Härte ergab eine Zunahme dieser mit dem Anstieg der Temperatur möglicherweise aufgrund der Bildung von Titanoxid. Die Rauheit für die mit dem RF-Magnetron-Sputtern hergestellten Schichten steigt bis 600 ˚C an und sinkt dann bis 800 ˚C, während die Rauheit für die mit Ionenstrahlsputtern hergestellten Schichten in den abgeschiedenen Proben höher ist und dann mit steigender Tempertemperatur abnimmt. In beiden Fällen ist es auf die Kristallbildung zurückzuführen, die die Oberfläche glatter machen.

Tuberkulose ist weltweit eine führende tödlichen Krankheiten mit mehr als 9 Millionen Neuinfektionen pro Jahr. Aktuelle diagnostische Methoden weisen mehrere Nachteile auf. Eine der vielversprechendsten Alternativen, um dies zu überwinden, ist die Entwicklung von nanostrukturierten Diagnosesystemen, die in der Lage werden, Moleküle zu erkennen, die mit bestimmten Krankheiten assoziiert sind. Seit seiner Entdeckung ist Graph eine vielversprechende Möglichkeit für die Entwicklung dieser Sensorelemente aufgrund seiner hervorragenden elektronischen Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde ein Graphen-basierter Feldeffekttransistor (FET) für die Tuberkulose-DNA-Detektion entwickelt, um die Grundlage für ein diagnostisches Verfahren zu schaffen, das die gegenwärtigen Einschränkungen überwindet. Die Sensorelemente aus Graphenmonoschichten wurden in den Stufen: Glühen des Substrats, dem Zugeben des Linkers und der Funktionalisierung unter Zugabe einer Probe-DNA zur TB-Detektion hergestellt. Zusätzlich wurden zwei Sensorelemente hergestellt: Ein System mit der Zugabe einer komplementären DNA Sequenz ("DNA Target") und die andere mit einer nicht übereinstimmenden DNA-Sequenz ("Non-complementary DNA"). Das Graphen und der Transistor wurden in jeder Stufe des Herstellungsprozesses strukturell, chemisch und morphologisch mittels Raman-Spektroskopie, energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS), Optische Mikroskopie, Laserscanning-Mikroskopie (LSM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisiert. Die Ergebnisse zeigten eine geeignete Funktionalisierung der Graphen-Oberfläche mit dem Linker, die Immobilisierung der Sonden - Tuberkulose - DNA und die Hybridisierung mit dem entsprechenden ("DNA Target"), nachgewiesen durch Beobachtung unterschiedlicher homogener Morphologien und eine entsprechende Erhöhung der Rauhigkeit in jedem Stadium des Herstellungsprozesses sowie durch die Anwesenheit von charakteristischen Peaks der stickstoffhaltigen Basen in der energiedispersiven Röntgenspektroskopie und durch die Variation von Graphen-Absorptionsbänder im Raman-Spektrum. Im Gegensatz dazu zeigte, das Sensorelement mit der "nicht-komplementaren DNA" eine Agglomeration der Moleküle und die Segregation von Salzen auf einer heterogenen Oberfläche. Die Ergebnisse der Charakterisierung stimmen mit den zuvor durchgeführten elektronischen Merkmalen überein. Diese Untersuchung bildet die Grundlage für die Entwicklung eines Tuberkulose-Nachweissystems auf der Basis der Nanotechnologie für den klinischen Einsatz.

Im Einschneckenextruder finden Schneckenelemente zur Förderung und Homogenisierung der Kunststoffschmelze häufig Anwendung. Ziel dieser Arbeit ist die numerische Auslegung eines förderwirksamen Schneckenelementes zur besseren Abkühlung und Homogenisierung der Schmelze. Im Fokus der Arbeiten steht dabei zunächst die qualitative Untersuchung der vorliegenden Schneckenelemente. Nach der Analysephase werden die zu untersuchenden Schneckenelementgeometrien und Betriebsparameter definiert. Mithilfe des Programmes ANSYS-Polyflow wird der Druck- und Temperaturverlauf bei verschiedenen Schneckenelementen berechnet. Die Simulationsergebnisse dieser Schneckenelemente werden analysiert und nach den Zielgrößen und der Priorität geordnet. Die Auslegung eines kombinierten Schneckenelementes wird auf Basis der zusammengefassten Analyseergebnisse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schmelze kann mittels dieses Schneckenelementes gut gefördert, abgekühlt und homogenisiert werden kann.

Durch Fortschritte in der Mikrosystemtechnik werden in der Messtechnik zunehmend monolithisch konstruierte Systeme aus Silizium anstatt makroskopisch gestalteter Tastsysteme mit diskreten Teilkomponenten verwendet. Diese als MEMS (mikroelektromechanisches System) bezeichnete Bauweise ermöglicht u. a. Systeme mit höherer Dynamik, höherer Auflösung und geringeren Antastkräften, jedoch tritt beim Messvorgang Sticking der Tastspitze am Messobjekt auf. Um dies zu verhindern, werden dynamische Tastsysteme mit Aktoren und oszillierender Tastspitze verwendet, die im Nicht- oder Semi-Kontaktmodus arbeiten. Die bei MEMS üblicherweise verwendeten elektrostatischen Aktoren können dabei in Vertikal- oder Tangentialaktoren unterteilt werden. In der vorliegenden Arbeit wird auf Basis eines bereits vorhandenen Mikrotastsystems mit Vertikalaktoren vier Versionen mit Tangentialaktoren entworfen. Die Unterschiede beider Aktuierungssysteme und deren Auswirkungen auf das Design werden diskutiert, das neue System wird in einem iterativen Prozess modelliert und die wichtigsten Parameter in einer Simulation betrachtet. Es werden unterschiedliche Fälle der Luftdämpfung betrachtet und entsprechend modifizierte Versionen des Tastsystems entworfen. Schließlich werden die Fertigungsmasken für das System gestaltet und ein Konzept zur Auswerteelektronik erstellt, das die Unterschiede zur vorhandenen Ansteuerung aufzeigt und alternative Methoden zur Auswertung der Tastersensorik erörtert.