Organisch-chemische Synthesestudien in der Mikrofluidik und im Batch. - Ilmenau. - 70 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Masterarbeit befasst sich mit dem Einsatz der Mikrofluidik für organisch-chemische Synthesen. Es wurde im besonderen Maße auf eine nachhaltige Produktbildung Wert gelegt ("Green Chemistry"). Dies beinhaltete den Einsatz möglichst geringer Lösungsmittel- und Eduktmengen, sowie die Nutzung vorwiegend wässriger Komponenten während der Synthese. Zwei der drei Synthesen waren "Bulk"-Chemikalien, also Stoffe, deren Einsatzmöglichkeiten den pharmazeutischen, kosmetischen oder Agrochemikalienbereich abdecken. Der Hintergrund der Synthese eines Azofarbstoffes lag in dessen besonderer Eigenschaft der cis-trans-Isomerie begründet. Durch diese ist es möglich, die Konfiguration und die Eigenschaften des Moleküls zu ändern, so dass es als photoschaltbares Oberflächenmolekül die Benetzungseigenschaften auf Oberflächen in Anwesenheit von UV- oder sichtbarem Licht zu ändern vermag. Für diese Synthese wurden neben den herkömmlichen analytischen Methoden (HPLC, GC-MS) auch zwei speziell für die mikrofluidischen Module integrierte "On-Line" Detektionsplattformen verwendet, die photometrische und mikrowellensensorische Methoden beinhalteten. Es konnte gezeigt werden, dass bei der Synthese des Styrolderivats 1,2-Dichlorethylbenzol aus Styrol mit dem Oxidationsmittel Oxone® (KHSO5 &hahog; ½ KHSO4 &hahog; ½ K2SO4) und NaCl bzw. NH4Cl als Chlorquelle (wässrige Phase) die mikrofluidische Plattform gegenüber der Batch-Synthese, bei bestimmten Synthesebedingungen höhere Produktumsatzraten erzielte. Solche Phasentransferreaktionen, bei der eine Reaktionskomponente von einer in eine andere Phase durch Diffusion überführt wird, lässt sich auch sehr gut auf die Synthese von Azofarbstoffen übertragen. Der zweistufige Synthesemechanismus beruht auf der Mills-Reaktion, bei der zunächst durch die Oxidation eine aromatische Amino- in eine Nitroso-Komponente überführt wird. Anschließend erfolgt eine Kondensationsreaktion zwischen dem Nitroso-Aromat und einem Anilin zum entsprechenden Azofarbstoff. Zur Analyse der jeweiligen Produkte standen sowohl ein HPLC als auch ein Standard UV-VIS-Spektrometer zur Verfügung. Ergänzt wurden die Methoden durch externe GC-MS Messungen und einer im Institut für Bioprozess- und Analysemesstechnik (iba e.V. Heiligenstadt) entwickelten mikrofluidischen Photometerkammer für Absorptionsmessungen im UV-VIS- Bereich. Ein weiterer Bestandteil der Arbeit umfasste erste Voruntersuchungen für eine chemo-enzymatische Synthese. Diese bezogen sich auf das Verhalten des Enzyms der Alkohol Dehydrogenase aus dem Organismus Lactobacillus Kefir (LK-ADH) in verschiedenen Lösungsmitteln (Rapsöl, Butylacetat, Ethylacetat und Methyl-tert-butylether), die für die Synthese eingesetzt werden sollten. Letztendlich konnten zwei der Lösungsmittel (Butylacetat und Ethylacetat) für die Synthese verwendet werden und zeigten erste positive Ergebnisse.
Synthese und Charakterisierung eines neuartigen amphiphilen Fulleropyrrolidinderivats. - Ilmenau. - 32 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2017
Das Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung einer möglichen Syntheseroute eines neuartigen amphiphilen Fulleropyrrolidins. Die Zielverbindung stellt hierbei eine mit Triethylenglykolmonomethylether veresterte Tricarbonsäureverbindung des Fulleropyrrolidins dar. Die dargelegte Route verläuft über die Darstellung eines Glyoxalsäureesters und eines Iminodiessigsäureesters welche schlussendlich mit Fulleren zur Zielverbindung umgesetzt wurden. Im ersten Teil der Arbeit werden hierbei die retrosynthetische Betrachtung und der Gedankengang hinter den einzelnen Syntheseschritten erläutert. Der zweite Teil legt die ausgearbeiteten Synthesevorschriften der einzelnen Schritte sowie die analytische Charakterisierung der Produkte dar. Alle Vorstufen der hier erarbeiteten Syntheseroute konnten bis auf den Glyoxalsäureester erfolgreich synthetisiert, isoliert und charakterisiert werden. Die Zielverbindung konnte synthetisiert, aber nicht isoliert werden. Diese Arbeit untersucht somit eine Möglichkeit zur Synthese eines amphiphilen Tricarbonsäurederivats des Fulleropyrrolidins. Schlussendlich werden die Ergebnisse diskutiert und Verbesserungsvorschläge aufgeführt.
Untersuchungen zum impedimetrischen Monitoring der Biofilmbildung. - Ilmenau. - 67 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Biofilme spielen im Leben des Menschen eine entscheidende Rolle, da sie häufig eine gesundheitliche Gefährdung für den Menschen darstellen. Da die Biofilmbildung innerhalb von Stunden geschieht und deren Beseitigung später schwierig ist, soll die Adhäsion der Bakterien schnellstmöglich detektiert werden. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Biofilmbildung mittels kontinuierlichem, nichtinvasivem impedimetrischem Monitoring aufgezeichnet und beobachtet. Um unterschiedliche Oberflächeneigenschaften zu erzielen, wurden diese mit drei verschiedenen Beschichtungen (PEI, PDADMAC, ConA) chemisch modifiziert. Hierdurch konnte gezeigt werden, dass die physiochemische Veränderung der Oberfläche deutliche Auswirkungen auf die Biofilmdicke und den Besiedlungsgrad der jeweiligen Oberfläche hatte. Mittels Impedanzversuche konnte detektiert werden, dass die Biofilmbildung auf PDADMAC-beschichteten Elektroden am optimalsten war und die Biofilmdicke mit der Zeit zunahm. Auch konnte aufgrund der Impedanzspektroskopie gezeigt werden, dass PEI eine bakterizide Wirkung auf Bakterien hatte und eine Unterscheidung zwischen lebenden und toten Biofilmen ermöglichte. Auf Grundlage von optischen Methoden, CLSM- und Weißlichtinterferometermessungen, war dies nicht möglich. Die Biofilmdicke wurde zusätzlich mit Hilfe des Weißlichtinterferometers und dem CLSM aufgenommen. Anschließend wurden die Messungen ins Verhältnis zu der jeweiligen relativen Änderung |Z| gesetzt. Hierdurch konnte eine Korrelation zwischen dem Ansteigen und Abfallen der Impedanzwerte und der Biofilmdicke nachgewiesen werden. Bei der Nutzung von PDAMAC sowie ConA wurde bei CLSM- und Weißlichtinterferometeraufnahmen ein höherer Besiedlungsgrad festgestellt als bei der Nutzung von PEI. Auch wurde bei den CLSM-Aufnahmen die bakterizide Wirkung von PEI bei direktem Kontakt mit den Bakterien ersichtlich. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit die Zugabe von Antibiotikum Auswirkungen auf einen bereits bestehenden Biofilm und einen sich bildenden Biofilm hatte. Sowohl impedimetrisch als auch bei CLSM- und Weißlichtinterferometermessungen konnte detektiert werden, dass die Biofilmentstehung dadurch nur gehemmt stattfand. Auch konnte der Einfluss von Antibiotika auf einen bereits bestehenden Biofilm gezeigt werden, da sich die Biofilmdicke und der Bedeckungsgrad reduzierten.
Charakterisierung eines Aptamer-basierten Biosensors für die Detektion von Doxorubicin mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie. - Ilmenau. - 63 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2017
Die Kontamination des Trink- und Grundwassers mit Medikamentenrückständen stellt ein zunehmend auftretendes Umweltproblem dar, sodass das Monitoring der Gewässerbelastung zukünftig eine bedeutendere Rolle spielt. Im Zuge dieser Arbeit wurde ein Aptamer-basierter Biosensor (Aptasensor) für die Detektion des Anthracyclins Doxorubicin entwickelt. Hierzu wurde eine mikrofluidische Messkammer mit einer Drei-Elektroden-Anordnung aufgebaut und charakterisiert. Das Daunorubicin-Aptamer konnte erfolgreich immobilisiert werden und es wurde eine Belegungsdichte von 1,3*10+13 ± 2,4*10+12 DNA-Moleküle/cm^2 erreicht. Die Bindung des Doxorubicin als auch die von Daunorubicin an das auf eine Goldoberfläche immobilisierte Aptamer konnte mit der elektrochemischen Impedanzspektroskopie erfolgreich detektiert werden. Aufgrund der hohen Sensitivität konnte eine Dissoziationskonstante KD von 64 nM und eine Nachweisgrenze LoD von 28,3 nM bestimmt werden. Dass es sich hierbei nicht um unspezifische Bindungen handelt, wurde anhand von Negativkontrollen überprüft. Die Signale der unspezifischen Bindungen lagen deutlich unter denen der spezifischen Bindungen. Im Hinblick auf die gezielte Verwendung des Aptasensors im Bereich des Gewässermonitorings wurde auch die Detektion von Doxorubicin in Realproben untersucht. Gespikte Flusswasserproben konnten jedoch bisher nicht signifikant von reinen Flusswasserproben unterschieden werden. Dies lag vermutlich an einer Konkurrenzreaktion zwischen Fremdionen bzw. -molekülen und Doxorubicin mit dem DRN-Aptamer. Weiterhin wurde untersucht, inwieweit die Aptamer-Target-Bindung regenerierbar ist. Eine Regenerierung der Bindung mittels Hitze-Denaturierung kann anhand der gewonnenen Ergebnisse ausgeschlossen werden. In weiterführenden Arbeiten sollten weitere Methoden für die Regenerierung der Bindung untersucht werden. Schlussfolgernd konnte erfolgreich ein Aptasensor zur impedimetrischen Detektion von Doxorubicin und Daunorubcin im mittleren nanomolaren Bereich entwickelt werden. Für die praktische Anwendung sind weitere Untersuchungen notwendig. Das hohe Potenzial der Aptasensoren ist durch das fehlende Verständnis für die Aptamer-Target-Bindung begrenzt. Durch weitere Grundlagenforschung kann das Design der Aptasensoren den Bedürfnissen der Detektionsmechanismen angepasst werden.
Elektrochemische Untersuchung neu synthetisierter Ruthenium(II)-Koordinationsverbindungen des Pyridin-Typs. - 45 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Gegenstand dieser Bachelorarbeit ist die elektrochemische Untersuchung von fünf neu synthetisierten Ruthenium(II)-Koordinationsverbindungen der Struktur [RuCl_2 (L)(PPh_3 )_2] bzw. [RuCl_2 (L)_2] mit L=2-(2'-pyridyl)chinoxalin, L=2-(2'-pyridyl)chinolin, L=2-(2'-pyridyl)chinolinsäure-methylester oder L=2-2'-bipyridin. Zu diesem Zweck wurden repräsentative Cyclovoltammogramme (CVs) sowohl mit Glassy-Carbon- (GC), Platin- (Pt) als auch zum Teil mit Gold-Scheiben-Arbeitselektroden in Acetonitril und Dichlormethan aufgenommen. Durch diese Messungen konnten Aussagen über die Art und Reversibilität der jeweiligen Redoxprozesse getroffen werden. Mit Hilfe von konduktometrischen Untersuchungen von Lösungen bestimmter Konzentration in Acetonitril konnte bei drei Komplexen ein Ligandenaustausch eines Cloro-Liganden durch Acetonitril nachgewiesen werden. Schlagwörter: 2-(2'-pyridyl)chinoxalin; 2-(2'-pyridyl)chinolin; 2-2'-bipyridin; Triphenylphosphan; Ruthenium(II) Komplexe; Cyclovoltammetrie; Konduktometrie.
Synthese von Goldnanostäbchen mit einstellbarem Aspektverhältnis im mikrosegmentierten Durchflussverfahren. - 50 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Goldnanostäbchen werden in der Elektronik, Sensorik, Analytik und Medizin eingesetzt. Dabei werden ihre speziellen optischen Eigenschaften ausgenutzt, die stark vom Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Stäbchen (Aspektverhältnis) abhängen. In dieser Arbeit wurde eine mikrosegmentierte Durchflusssynthese zur Herstellung von Goldnanostäbchen entwickelt. Sie basiert auf dem nasschemischen, zweistufigen Batchverfahren. Dabei werden zunächst Kristallisationskeime durch Reduktion von Tetrachloroaurat erzeugt. In einem zweiten Reaktor wachsen diese sphärischen Partikel zu Stäbchen auf. Charakterisiert wurden die Partikel mittels UV-Vis-Spektrometrie, Zetaziser, differentieller Zentrifugation und Rasterelektronenmikroskopie. Durch Variation der Reaktionsparameter konnte das Aspektverhältnis der Stäbchen zwischen 1,9 und 4,1 variiert und die optischen Eigenschaften genau eingestellt werden. Eine Stäbchenform mit überwachsenen Ecken, sogenannte "dog-bones", konnte hergestellt und deren Aspektverhältnis variiert werden.
Elektrokoaleszenz von nl-Tropfen in einem mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Bauelement. - 73 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Im Fachbereich der tropfenbasierten Mikrofluidik sind Elektrokoaleszenzvorgänge eine der vielversprechendsten Wege der Einflussnahme auf das Verhalten des mikrofluidischen Systems Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz vor, mit dem in einem bestehenden mikrofluidischen System Elektrokoaleszenzvorgänge kontrolliert, reproduzierbar und zuverlässig eingeleitet und durchgeführt werden können. Hierzu werden flache Elektroden an der Außenseite des Systems in einer bestimmten Art und Weise angebracht. Auf Grund einer angelegten Spannung wirkt das elektrische Feld (gepulstes DC) auf das Innere des Kanals und löst dort die Verschmelzung von Tropfen aus. Die Elektroden stehen dabei nicht in direktem Kontakt mit den verwendeten Fluiden. Auf Grund der Vielzahl biologischer und medizinischer Anwendungen im Rahmen der Mikrofluidik ist es von besonderem Interesse, in wieweit sich die Zusammensetzung verschiedener wässriger Lösungen auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Die wässrige Phase wird daher in Ionenstärke, pH-Wert und Viskosität variiert und deren Einfluss untersucht. Dabei wird beobachtet, dass diese Größen über einen weiten Bereich verändert werden können, ohne dass sich dies bemerkbar auf das Koaleszenzverhalten auswirkt. Lediglich bei einem stark alkalischen Milieu der Lösung bei niedrigeren Spannungen von unter 450 V zeigt sich eine Verschlechterung der Koaleszenz. Diesem Effekt kann mit einer Erhöhung der Spannung entgegengewirkt werden. Allgemein konnte mit allen untersuchten Lösungen bei einer Arbeitsspannung von 450 V eine Koaleszenzrate von über 90 %, mit höheren Spannungen von 100 % erzielt werden. Darüber wird ein automatisiertes Verfahren vorgestellt, welches eine Anpassung der Elektrokoaleszenz an verschiedenen Flussraten erlaubt. Hiermit ist es möglich eine Vielzahl an Segmenten (im Mittel wurden 1600 getestet) kontrolliert, reproduzierbar, zuverlässig und voll automatisiert zu verschmelzen. Eine numerische Simulation ergänzt die experimentellen Betrachtungen. Schlagwörter: Elektrokoaleszenz, Lab-on-a-Chip, tropfenbasierte Mikrofluidik
Aktivierung von Polysacchariden und Herstellung von Polysaccharid-Protein-Konjugaten. - 86 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Bachelorarbeit 2016
Im Rahmen der Arbeit wurden die Polysaccharide Dextran und Cellulose mit verschiedenen funktionellen Gruppen modifiziert, um Vorstufen eines Antikörper-Polymer-Enzym-Konjugats zu synthetisieren. Es wurden Divinylsulfon-, Azid- und Trichlortriazingruppen eingeführt und die Löslichkeit der entstandenen Konjugate in Wasser dokumentiert. Die funktionellen Polysaccharide wurden dann mit Proteinen und Enzymen gekoppelt, um die Nützlichkeit der Funktionalitäten hinsichtlich eines Antikörper-Polymer-Enzym-Konjugats zu testen. Es konnte ein wasserlösliches Protein-Polymer-Enzym-Konjugat synthetisiert werden, indem zwei mit Hilfe der Click-Chemie verknüpfte Proteine mit Vinylsulfon-Dextran gekoppelt wurden.
Entwicklung eines tropfenbasierten mikrofluidischen Systems für einen zellbasierten Assay. - 109 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Ziel dieser Arbeit war es, eine Alternative zum Mikrotiterplatten-basierten AlamarBlue®-Assay auf der Basis einer tropfenbasierten mikrofluidischen Plattform zu entwickeln. Um alle notwendigen Verfahrensschritte des etablierten Assays auf die mikrofluidische Plattform übertragen zu können, wurde eine Reihe funktioneller mikrofluidischer Module entwickelt und umfassend getestet. Eine Mikrocontroller-basierte Steuereinheit zum aktiven Dosieren der AlamarBlue®-Reagenz wurde im Rahmen der Masterarbeit etabliert. Der Einfluss von Phenolrot und Perfluodecalin auf die Fluoreszenzintensitäten bei unterschiedlichen Zellkonzentrationen wurde ebenso untersucht wie die potentielle toxische Wirkung von Tetradekan auf die Viabilität der verwendeten Zelllinie. Umfangreiche Untersuchungen zum Vergleich des etablierten Mikrotiterplatten-basierten AlamarBlue®-Assay zu dem im Rahmen der Masterarbeit entwickelten tropfenbasierten Assay bewiesen die Funktionalität der neuen mikrofluidischen Module und Protokolle auch als Basis für weitergehende Anwendungen.
Untersuchung des Einflusses der Biomaterialkomposition auf die Adhäsion und Proliferation von Tumorzellen. - 88 Seiten
Technische Universität Ilmenau, Masterarbeit 2016
Die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix (ECM) und deren komplexe Wechselwirkungen mit Zellen spielen eine essentielle Rolle für die Tumorentstehung und progression. Vor diesem Hintergrund wurden methacrylierte Lactid-Caprolacton-Copolymere und z. T. Polyethylenglycol (PEG) mittels UV-Polymerisation zu dreidimensionalen Gelen mit unterschiedlichem Vernetzungsgrad fotovernetzt. Diese Gele wurden physikochemisch und mechanisch charakterisiert und anschließend hinsichtlich ihrer Biokompatibilität mit MDA-MB-231-Zellen untersucht. Eine Oberflächenfunktionalisierung mit Kollagen Typ I und deren Einfluss auf die Zellantwort wurde untersucht. Durch die Bestimmung der Einzelzellsteifigkeit wurde der Einfluss der Materialsteifigkeit auf die Zellantwort ermittelt. Abschließend erfolgte ein Prinzipnachweis der Strukturierbarkeit der Materialien mittels Zwei-Photonen-Polymerisation und der Besiedlung der hergestellten 3D-Scaffolds mittels Perfusion. Die Ergebnisse zeigen, dass das untersuchte Polymersystem biokompatibel und für eine Verwendung als Scaffold in 3D-in vitro-Tumormodellen geeignet ist. Durch die gezielte Einstellbarkeit der Mechanik ist eine flexible Anpassung an unterschiedliche Untersuchungsziele hinsichtlich Tumorzell-ECM-Wechselwirkungen möglich.