629 Andere Fachrichtungen der Ingenieurwissenschaften
Refine
Year of publication
Document Type
- Doctoral Thesis (158)
- Article (3)
- Conference Proceeding (2)
- Part of a Book (1)
- Report (1)
Keywords
- Ingenieurwissenschaften (10)
- Maschinenbau (10)
- Produktionstechnik (10)
- Fahrwerk (4)
- Modellierung (4)
- Regelung (4)
- Audio Signal Processing (3)
- Leistungselektronik (3)
- Simulation (3)
- 3D-Druck (2)
Institute
- Technische Fakultät (83)
- Department Werkstoffwissenschaften (23)
- Department Chemie- und Bioingenieurwesen (22)
- Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik (16)
- Department Maschinenbau (13)
- Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) (6)
- Department Informatik (5)
- Lehrstuhl für Kunststofftechnik (LKT) (4)
- Lehrstuhl für Fertigungstechnologie (LFT) (3)
- Department Chemie und Pharmazie (1)
Valvular heart disease (VHD) is a major public health problem with a prevalence of 2.5% in the US. Tens of thousands of minimally invasive procedures are performed every year and new therapeutical approaches are continuously developed at a rapid pace. Major clinical decisions and therapies are nowadays guided by peri- and intraoperative imaging with an increasing emphasis on 3D. Given the complexity of pathology and therapies in VHD, there is a strong need for fast, precise and reproducible quantification.
To this end, several contributions are proposed in this thesis across various aspects of VHD management. These are structured into two parts: i) Mitral valve (MV) modeling and ii) advanced computational decision support.
The first part starts with describing a comprehensive MV model obtained from 3D+t transesophageal echocardiography (TEE). An original methodology combines robust machine learning (ML) techniques and biomechanical constraints to obtain a temporally consistent estimate of model parameters. Extensive experiments on a large data set of 195 3D+t TEE volumes -- comprising 3026 3D frames -- demonstrate, that this automatic method is highly competitive in terms of speed and accuracy and outperforms purely data-driven methods in terms of robustness. Clinical evaluation in numerous centers around the world shows the applicability of its versatile quantification capabilities to various aspects of disease characterization and therapy planning.
Subsequently a more lightweight alternative enables for robust 3D tracking of the MV annulus at high frame rates. Two parallel components based on ML and image-based tracking complement each other in robustness and speed. Experiments with emulated probe motion suggest suitability towards an interventional setting for guiding transcatheter mitral valve repair (TMVR) procedures.
The second part proposes computational approaches for advanced decision support throughout the clinical workflow. First, the previously described valve modeling is combined with chamber models into a holistic and detailed model of the left heart. This enables for estimating patient-specific computational hemodynamics by serving as boundary condition for a level-set based computational fluid dynamics (CFD) solver. A validation concept using clinically acquired Doppler measurements is proposed and shows high agreement.
Finally, a framework is presented for post-operative modeling of self-expandable stent devices for monitoring in transcatheter aortic valve implantation (TAVI) procedures. The technique is based on deformable simplex meshes, geometrical constraints and ML. Evaluation on postoperative computed tomography (CT) data shows promising accuracy.
Piezoelectric materials continue to be an increasingly important class of materials for several technological sectors. One famous group of these materials is functional ceramics, which are an enabling material class used in numerous applications, such as actuators, sensors, energy storage, and electronic components. In particular, the generation of energy through the piezoelectric behavior of ceramics is of particular interest for energy harvesting systems to generate localized, wireless access to energy in unattended wireless sensors, e.g., for the monitoring of pipe or bridge corrosion or temperature, humidity, dust, smog, and gas detectors (ozone); medical sensor arrays, e.g., on shoes for the diagnosis of Parkinson’s disease; and energy harvesting systems for remote telecommunications. Unfortunately, the most utilized piezoelectric system, PZT (PbZrTiO3), is lead-containing and, therefore, hazardous to the environment and health. For this reason, a concerted effort has been made to develop lead-free piezoelectric materials. Despite the potential importance of lead-free piezoelectric ceramics for applications in the medical, aerospace, military, transportation, and energy sectors due to their promising electromechanical properties, there is a lack of information regarding the mechanical behavior as well as the influence of external mechanical fields on the electromechanical coupling and structural phase transitions. In particular, the influence of chemical substitutions, which are critical for tuning the electromechanical properties of piezoelectrics, on the mechanical properties, crystal structure, and corresponding defect associates are not well-understood in lead-free ferroelectrics, limiting their integration into the application. This doctoral thesis studied and reported the properties and crystal structure of three lead-free ferroelectric materials (i.e., NBT, BCZT, and KNN-based) under external mechanical and thermal fields.
Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) convert chemical energy into electricity. Typically, PEMFCs are operating at around 80 °C and are based on perfluorosulfonic acids (PFSAs) as a polymer electrolyte. The polymer membrane must be highly humidified to ensure proton conductivity, which is enabled by humidifying the gas feeds to the cell.
A specific type of PEMFC operates above 100 °C and is called high-temperature (HT)-PEMFC. These fuel cells are of great interest for PEMFC research due to faster electrode kinetics, higher tolerances to impurities such as carbon monoxide (CO), easier cooling due to the higher temperature difference to the surroundings, and possible re-use of the waste heat. Further, proton conduction does not depend on humidification since these types of FCs are based on polybenzimidazole (PBI) as a polymer membrane doped with phosphoric acid (PA) as an electrolyte, which simplifies the water management since no humidifiers are needed for the fuel streams.
Key drawbacks of HT-PEMFC systems are the mechanical deterioration of the membrane upon doping, the loss of PA during operation (acid leaching), and the challenge of finding suitable proton conductive ionomeric binder materials for use in the catalyst layer (CL). Within this thesis, membrane electrode assemblies (MEAs) for the application in HT-PEMFCs were developed and characterized, addressing the mentioned drawbacks.
Fundamental insight into the doping process of PA-doped PBI-based membranes was obtained by confocal Raman microscopy, which provides information about the spatial distribution of the dopant PA. The acid doping levels (ADLs) were defined via titration and weighing and compared to spectral acid doping levels. For the first time, the diffusion-limited doping process was experimentally proven in this study.
Further, an approach to optimize the membrane was explored. A new ion-pair coordinated membrane material was developed as a first possibility to increase mechanical stability upon doping and reduce PA leaching during operation. The new membranes were ex-situ characterized by tensile testing, thermogravimetric analysis, and measuring acid doping levels and swelling. Further, electrochemical HT-PEMFC characterization, including polarization data, constant current holds, and gas crossover measurements, was carried out. The new membrane system revealed a higher performance than a standard commercial membrane when operated within an HT-PEMFC.
Finally, the catalyst layer of HT-PEMFCs was optimized by using proton conductive polymers as ionomeric binders compared to the non-conductive polytetrafluoroethylene binder, which is state-of-the-art for HT-PEMFCs. PWN was used for this purpose, an ionomeric derivative of polypentafluorostyrene containing phosphonic acid groups. These ion-conductive groups are covalently bonded to the polymer backbone and, therefore, cannot leach out during FC operation like the PA in the matrix of the PBI membrane. The HT-PEMFCs with PWN in the catalyst layer were electrochemically characterized by Tafel slope analyses, determination of gas crossover and electrochemically active surface area, and proton sheet resistances. The results show that HT-PEMFCs with PWN offer improved performance compared to HT-PEMFCs with polytetrafluoroethylene as the electrode binder.
In summary, this work contributes new insights into and developments for HT-PEMFCs. In future research, it is crucial to combine the achieved developments and apply the new membrane materials with the ionomeric binder in an MEA and investigate long-term fuel cell performance. Further, the leaching of the phosphoric acid from the system is an important parameter since it is the main drawback of HT-PEMFCs. In this regard, polymers containing covalently bonded phosphonic acid groups, such as the binder investigated in this work, are promising candidates since their proton conductivity cannot be lost during FC operation. The long-term goal is to develop a PEM suitable for HT-PEMFC application without needing PA.
Automatic Generation of Test Scenarios and Simulation Scenarios based on Real-World Driving Data
(2023)
The functional safety of driver assistance systems as well as automated and connected driving functions must be ensured by the automotive manufacturers in every conceivable traffic situation. During the development and validation process, a considerable number of so-called driving scenarios must be tested. In the future, this extensive scope of testing can actually only be meaningfully managed by the massive use of simulation. In order to generate a corresponding validity and practical relevance in these simulations, models of the testing vehicle, the routes and environment as well as the surrounding traffic have to be modeled adequately. In the context of this work, real-world driving data will provide the key to achieving this level of capability. Test drives of real test vehicles are sensed and recorded. From these data recordings, the driving scenarios are firstly identified, then extracted and modeled in a driving simulation. In this way, the accuracy of the simulation model can be compared with the recorded data and validated. In addition, the collected driving scenarios can thus be performed and tested with an automated driving function in the simulation. This leads to a fully automated generation of test scenarios for the validation of automated driving functions.
Bedeutung der geometrieabhängigen Belichtungstemperaturen für das Lasersintern von Kunststoffen
(2023)
Das Lasersintern von Kunststoffen ermöglicht durch die schichtweise Fertigung eine nahezu unbegrenzte Geometriefreiheit. Ursprünglich fand das Verfahren insbesondere im Protoypenbau Anwendung. Im letzten Jahrzehnt konnte es sich im Bereich der schnellen und individualisierten industriellen Bauteilherstellung von Einzelteilen und Kleinserien etablieren. Allerdings stellt die Einstellung von reproduzierbaren Material- und Bauteileigenschaften, wie der Maßhaltigkeit, der Porosität oder der Mechanik immer noch eine Herausforderung dar. Dies ist auf die mannigfaltigen und in Wechselwirkung stehenden Material- und Prozesseinflüsse zurückzuführen, da diese die Temperaturhistorie bei der Bauteilentstehung direkt beeinflussen.
Entsprechend des Stands der Forschung kommt dem Belichtungsvorgang die entscheidende Rolle zur Steuerung der Temperaturfelder und somit der Bauteileigenschaften zu. Aus diesem Grund werden im Rahmen dieser Dissertation belichtungsparameter-, schicht- und geometriespezifisch die Belichtungstemperaturen analysiert und in Bezug auf die resultierenden Bauteileigenschaften bei der Verarbeitung von Polyamid 12 charakterisiert. Es wird festgestellt, dass die bei der Belichtung gemessenen geometrieabhängigen Maximaltemperaturen schichtunabhängig und aufgrund der kurzen Wirkdauer nicht maßgeblich für die resultierenden Bauteileigenschaften sind. Als entscheidende thermische Größen können die Abklingzeit und die Durchwärmung des Pulverbetts oberhalb der Schmelze identifiziert werden. Die Größen beschreiben die thermischen Wechselwirkungen zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten. Bei gleichbleibender Querschnittsfläche ist eine belichtungsparameterunabhängige Schichtabhängigkeit dieser Größen bis zur annähernden Schichtkonstanz bei zehn bis 15 Schichten nachweisbar. Diese Schichtkonstanz korreliert mit der Menge an Material, das basierend auf der Schmelztiefe aufgeschmolzen werden muss. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend kann der Bedarf an schicht- und geometrieabhängigen oder geometrieinvarianten Belichtungsparametern abgeleitet werden, um die Reproduzierbarkeit von Bauteileigenschaften weiter zu erhöhen.
The topic of this work is the analysis of control loops under the influence of input/output timing deviations. Such deviations from the ideal periodic timing can lead to increased control error or even to instability. To address this issue, methods are presented to determine a safe tolerance band for the timing deviation. Two alternatives are addressed: stability analysis at design time and timing adaptation at run time. In both cases, the methods support multiple inputs and outputs with individual timing uncertainties.
For the analysis at design time, the work presents methods to determine stability and maximal control error at design time for a given input/output time window. The linear case is analyzed using linear impulsive systems. Progress towards solving the nonlinear case is made by reachability analysis of hybrid automata in connection with the Continuization method.
For a flexible adaptation at run time, the framework of convergence rate abstractions is developed. By this, the decision about the permissible input/output timing can be made according to the current situation and with little computational overhead. Hence, larger temporal deviations can be permitted for a short time as long as the timing remains good enough in the long-term average to preserve stability.
Pumpensysteme haben einen hohen Anteil am weltweiten elektrischen Energiebedarf. Diese Systeme werden hauptsächlich durch Kreiselpumpen betrieben, welche oftmals zu groß ausgelegt sind oder, im Falle einer vorhandenen Drehzahlregelung, sich in zu hohen Betriebspunkten befinden. Für drehzahlregelbare Pumpensysteme zeigt diese Arbeit unterschiedliche Methoden auf, wie das energetische Optimum vollkommen automatisiert, ohne Systeminformationen wie beispielsweise Kennlinien, gefunden werden kann.
Um die Vielzahl an möglichen Systemen zu erfassen, werden diese zunächst klassifiziert. So werden vier unterschiedliche Einzelpumpensysteme und vier unterschiedliche Mehrpumpensysteme definiert. Für diese Klassen werden die Zielgrößen, also die zu optimierenden physikalischen Größen, welche die energetischen Optima beschreiben, definiert. Weiterhin wird für jede Klasse die Art des jeweiligen energetischen Optimums durch eine theoretische Betrachtung der Zusammenhänge bewiesen. Somit wird bestätigt, dass es sich immer um die gleiche Art des Optimums für jede individuelle Klasse handelt.
Für diese Systeme werden nun drei Optimierungsmethoden angewandt: die statische Optimierung, die dynamische Optimierung und die Extremwertregelung. Diese Methoden werden anhand von sieben definierten Anforderungen hinsichtlich ihrer Tauglichkeit bewertet. Es zeigt sich, dass die statische Optimierung für Einzelpumpensysteme ohne Systemveränderung die passende Herangehensweise ist. Treten nichtmessbare Systemvariationen auf, so bietet sich die Extremwertregelung an. Für Mehrpumpensysteme ist die dynamische Optimierung eine geeignete Optimierungsmethode. Mit diesen Erkenntnissen kann jedes Pumpensystem, welches sich einer Klasse zuordnen lässt, energetisch optimieren.
Epitaxy is a process to grow high-quality crystalline materials in a highly ordered manner, which is a key requirement for the development of modern electronic and optoelectronic devices. In the last few years, metal halide perovskites have revolutionized the field of optoelectronics due to their astonishing properties. Thus, they are promising to compete against conventional semiconductors for certain applications in electronics or optoelectronics. Moreover, their easy solution processing promises low-cost and facile device fabrication as well as high throughput via printing or coating techniques. Recently, perovskites have been demonstrated as efficient laser gain media with high optical gain coefficients comparable to those of commercial lasers. Furthermore, their self-assembled microcrystals can act as optical resonators, offering the fabrication of compact lasers with the potential for integration and use in a wide range of applications. Therefore, the solution epitaxy of perovskites represents a significant step forward toward economical practical applications. Specifically, the epitaxial perovskite microcrystal lasers will advance the development of on-chip integrated miniaturized coherent light sources.
In this doctoral thesis, the epitaxial growth of oriented high-quality microcrystals from formamidinium lead bromide and methylammonium lead bromide perovskites is demonstrated by facile solution methods. The drop casting method and antisolvent vapor-assisted crystallization are introduced to expand the current solution-epitaxial methods of perovskites. Various crystal geometries are grown from both materials, and the growth methods offer the possibility to control the crystals’ sizes and shapes under certain conditions. The microcrystals serve as optical resonators, producing the first solution-epitaxial perovskite microcavity laser. The lasing is achieved under optical pumping with a record low threshold for the epitaxially grown perovskite microcavities. The different geometry microcavities are demonstrated to support various resonant optical modes. Remarkably, the microcavities exhibit high lasing emission stability, which is a record value for the perovskite lasers tested in the air. Furthermore, single-mode lasing –a desirable operation for optical communications– is successfully realized via increasing the lasing mode spacing by decreasing the size of the pumped microcavities. These promising results emphasize that solution-epitaxial perovskite microlasers are competitive to vapor-epitaxial ones, paving the way toward low-cost and energy-efficient fabrication of high-quality optoelectronics.
Gesetzliche Vorgaben und die gestiegene Marktnachfrage zwingen die Automobilindustrie zur Herstellung umweltfreundlicher Fahrzeuge. Unabhängig von der Antriebsart ist dazu eine weitere Reduzierung des Fahrzeuggewichts unabdingbar. Eine Schlüsselrolle nimmt dabei der Leichtbau ein, der eine maximale Gewichtseinsparung durch einen optimierten Materialeinsatz zum Ziel hat. Der Stoffleichtbau beabsichtigt dabei die Entwicklung von Werkstoffen mit einer geringen spezifischen Dichte und gleichzeitig hohen mechanischen Eigenschaften. Im Bereich der Karosserie setzt man seit einigen Jahren vermehrt auf gegossene Aluminiumstrukturbauteile. Hierbei zeichnet sich Aluminium durch seine hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften aus. Zum weiteren Vorantreiben des Leichtbaus ist neben der Festigkeitssteigerung vor allem in der Erhöhung der Steifigkeit noch Entwicklungsarbeit zu leisten. Im Vergleich zur Festigkeit kann der E-Modul generell nur geringfügig durch Legierungselemente gesteigert werden, weshalb partikelverstärkte Aluminiummatrix Verbundwerkstoffe in den Fokus gerückt sind.
Al3Ti Partikel gelten aufgrund der geringen Dichte von 3,5 g/cm³ und dem hohen E-Modul von 216 GPa für die Verstärkung von Aluminiumlegierungen als äußerst vielversprechend. Das direkte Legieren von Titan zur Aluminiumschmelze führt zu sehr großen und nadelförmigen Al3Ti Ausscheidungen, was sich negativ auf die späteren mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffes auswirkt. Feine Al3Ti Partikel lassen sich hingegen über die in-situ Reaktion zwischen schmelzflüssigem Aluminium und festen Titanpartikeln bilden. Dabei bildet sich auf der Oberfläche der Titanpartikel eine Reaktionsschicht aus Al3Ti aus, welche über einen Rührvorgang vom Titanpartikel abgestreift und weiter in Form von feinen Partikeln im Schmelzevolumen verteilt wird. Das Design des verwendeten Rührers basiert auf einem Rotor-Stator-Prinzip und ermöglicht die Erzeugung von hohen Scherraten zum Abstreifen der Al3Ti Reaktionsschicht vom Titanpartikel. Gleichzeitig wird die Ausbildung eines Vortex um den Rotor unterdrückt, wodurch der Gaseintrag in die Schmelze vermindert wird. Während der Umsetzung des zugeführten Titanpulvers zu feinen Al3Ti Partikeln erhöht sich die Viskosität der Schmelze, was sich wiederum auf das Fließverhalten auswirkt. Die Schwerkraft zur Füllung einer Kavität mit dieser zähflüssigen Schmelze reicht dabei alleine nicht mehr aus, um qualitativ hochwertige Gussteile zu erzeugen, weshalb der Verguss unter zusätzlicher Druckbeaufschlagung erfolgen muss.
Das Druckgießen gilt als eines der wirtschaftlichsten Gießverfahren zur Herstellung von Aluminium-Gussteilen und ist seit Jahrzehnten in der Industrie etabliert. Die druckunterstützte Füllung der Kavität kompensiert dabei die verminderte Fließfähigkeit der partikelbeladenen Schmelze. Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit ist es deshalb, die Tauglichkeit dieses Verfahrens für den Verguss der Schmelze mit Al3Ti Partikeln zu untersuchen. Ein besonderes Augenmerk liegt daher auf der Untersuchung der Umsetzungskinetik vom Titanpulver zu den Al3Ti Partikeln in Abhängigkeit von den Prozessparametern beim Konditionieren und der Legierungszusammensetzung. Die Herausforderung ist es, den Rührprozess zur Erzeugung und Verteilung der Partikel in der Aluminiumschmelze mit der Taktzeit des Druckgusses in Übereinkunft zu bringen und die partikelbeladene Schmelze prozesssicher zu vergießen. Letzteres ist maßgeblich von der Fließfähigkeit und damit vom Volumengehalt der Partikel in der Schmelze abhängig, weshalb die Obergrenze dessen bestimmt werden soll. Zur Ermittlung des Fließverhaltens der Partikel-Schmelze Suspensionen werden Viskositätsmessungen mit unterschiedlichen Partikelgehalten und bei verschiedenen Scherraten durchgeführt. Die Ergebnisse dienen als Grundlage zur numerischen Berechnung des Rührprozesses und des Formfüllverhaltens während des Druckgusses mit der Simulationssoftware FLOW 3D. Anhand der Simulationen lässt sich ableiten, wie der Gaseintrag während des Rührvorgangs von der Viskosität der Schmelze abhängt. Mit diesen Erkenntnissen können die Rührparameter weiter angepasst werden, um den Gaseintrag in die Schmelze so gering wie möglich zu halten und folglich auch die Porosität im späteren Gussteil.
Das Leistungsvermögen der Al3Ti partikelverstärkten Aluminiumdruckgusslegierungen wird schließlich anhand der mikrostrukturellen und mechanischen Charakterisierung von druckgegossenem Probematerial mit steigendem Partikelgehalt demonstriert.
Die Arbeit zeigt mit der deutlichen Steigerung der Steifigkeit durch in-situ gebildete Al3Ti Partikel das Potential dieser Verstärkungskomponente für den Stoffleichtbau auf. Daneben werden die prozesstechnischen Grundlagen für den Konditionierungsprozess der Schmelze geschaffen, welche die Integration dessen in den Verfahrensablauf des Druckgießen zukünftig ermöglichen.
Situation ist, dass batterieelektrisch angetriebene Fahrzeuge (BEV) gegenüber fossilen Antriebstechnologien zunehmend an Marktanteilen gewinnen. Während der Anwendungsfall der urbanen Mobilität, mit den Anforderungen kurze Fahrdistanzen und lokale Emissionsfreiheit, ideal durch BEV erfüllt werden, gelten für die Langstreckenmobilität abweichende Anforderungen, wie lange Fahrdistanzen sowie möglichst ausbleibende energiebedingte Fahrstopps. Fragestellung dieser Arbeit ist daher, welche Antriebstechnologien in welchem Maße die Anforderungen der individuellen Langstreckenmobilität erfüllen.
Um dieser Frage nachzugehen, wird in dieser Arbeit eine Vergleichsmethodik für Antriebskonzepte für die individuelle Langstreckenmobilität unter Berücksichtigung von Infrastrukturaufwendungen beschrieben, die verlässliche und objektive Bewertungsergebnisse ermöglicht. Die Vergleichsmethodik ist dreistufig aufgebaut und leitet aus strukturierten Rahmenbedingungen technologische, ökologische und ökonomische Kennzahlenausprägungen ab. Im Rahmen der Problemstrukturierung erfolgt die Antriebstechnologiemodellierung sowie die Anwendung eines Dimensionierungs- und Umlagemechanismus, um erforderliche Infrastrukturaufwendungen auf die Fahrzeugflotte zu verteilen. In der anschließenden Folgenabschätzen werden durch ein Rechensystem aus quantitativen Rahmenbedingungen multidimensionale Kennzahlen berechnet, welche schließlich in der Bewertungsphase zu einem ganzheitlichen Kennzahlensystem assembliert werden.
Die beschriebene Vergleichsmethodik wurde darüber hinaus im Rahmen einer Webapplikation automatisiert. Die E|KPI-Webapplikation ermöglicht die interaktive Anwendung der Vergleichsmethodik zur Bewertung der Antriebstechnologien des Lösungsraums.
Due to the progress in communication technologies and the ever-shrinking form-factors of electronic devices, sensors are becoming increasingly ubiquitous in daily life. In smart-home applications especially, detecting the number of humans present and determining their positions allows for intelligent controls of heating, ventilation, lighting, and entertainment systems, potentially saving significant amounts of energy and CO2 emissions in the process. However, while recent progress through deep learning in computer vision enables cameras to detect human targets accurately, privacy concerns and their dependency on good sight conditions prevent their adoption. Contrary to that, radar sensors are privacy-preserving, work independent of sight conditions, and allow for the estimation of range, velocity, and angle information of targets.
This work explores the use of millimeter-wave frequency continuous wave radar sensors for estimating the number of human targets and detecting their positions in indoor environments.
To this date, most methods in literature on radar-based tracking, detection, and counting, focus on automotive applications and are mostly based on traditional signal processing-based methods.
The work presented in this thesis shows that deep learning enables a low-cost radar sensor to succeed in said tasks in complex multi-target indoor environments, where signal-processing-based methods reach their limits due to multi-path reflections, clutter, and ghost targets.
To this end, new training schemes, network architectures, and loss functions were developed to enable performance gains similar to what was seen with the advent of deep learning in computer vision.
The analysis of clinical use cases suggests that one of the most important aspects in storing and transmitting medical image data still consists in compression with its focus on time-efficiently reducing storage demand while maintaining image quality. Current appliances typically perform compression using common signal processing codecs like described in JPEG or MPEG/ITU-T standards. As such codecs have been designed mostly for compression of camera-captured natural scenes, efficiency can be improved by exploitation of deviating image treatment and image characteristics in medicine.
Using a bottom-up approach, this thesis introduces novel techniques both for pixel-wise prediction, mostly used in lossless and high-quality scenarios, as well as for frame-wise prediction, most useful in medium-quality scenarios. Because of diverse image characteristics across modalities, focus is restricted to computed tomography and for frame prediction in particular to dynamic 3-D+t cardiac acquisitions. Apart from traditional approaches, foremostly numerical optimization like linear and nonlinear least-squares but also discrete algorithms are utilized in order to find context region, mean, and variance of predictions, determine local image structures, weight rate versus distortion, identify motion between frames, remove noise from predictors, etc. Backward-adaptive autoregression approaches are thoroughly compared and extended to 3-D images, adaptive context selection and boundary treatment, closed probability distribution estimation, and lots of other procedures in order to make them usable within real codecs like a massively parallel implementation on GPUs or the presented Open Source framework Vanilc. Vanilc's compression ratio is shown to beat all algorithms from literature with implementations available for comparison the author is aware of. Next to alternative developments intended for use with small contexts like Burg or EMP predictors, also a lossy application has been designed, outperforming on the one hand established codecs like HM or VTM at high qualities, while featuring on the other hand a noise removing behavior that in reality even enhances image quality as proven by phantom reconstruction simulations.
For medium-quality image compression three deformation compensation methods are proposed to replace block-based compensation in dynamic data evincing heart movements. One of them models physiological 3-D muscle contractions and is again realized in Nvidia CUDA. Together with Vanilc compression of motion information and frequency-filtered combination with axially preceding slices, it surpasses the rate-distortion performance of modern inter predictors like the one realized in HM. A harmonized deformation inversion algorithm for applications like motion-compensated temporal filtering or intermediate image interpolation completes the thesis.
Zum intralaminaren Scherverhalten endlosfaserverstärkter Thermoplaste und dessen Quantifizierung
(2022)
Endlosfaserverstärkte Thermoplaste bieten hohes Leichtbaupotential und können über eine Reihe verschiedener Umformverfahren singulär oder für Funktionsintegration in Kombination mit weiteren Prozessen wie dem Spritzguss in kurzen Zykluszeiten großserientauglich zu hoch performanten Bauteilen verarbeitet werden. Ein Hindernis für eine größere Marktverbreitung ist, neben oft hohen Halbzeugkosten, die noch unzureichende Prognostizierbarkeit des Materialverhaltens in der Umformsimulation, was ursächlich in unzureichenden Simulationsmethoden und unzureichenden Charakterisierungsmöglichkeiten der Umformeigenschaften dieser Materialgruppe begründet ist. Der aktuelle Fokus der Simulationsmethodenentwicklung liegt dabei auf mesoskopischen Ansätzen. Die Umformeigenschaften zeichnen sich durch eine komplexe Wechselwirkung aus Fasern und polymerer Matrix aus und werden klassischerweise anhand aus der Textiltechnik bekannter Deformationsmechanismen kategorisiert. Dabei nimmt neben dem Biegeverhalten das intralaminare Scherverhalten den größten Einfluss auf die resultierenden makroskopischen Deformationseigenschaften. Der zur Charakterisierung der intralaminaren Schereigenschaften verbreitete Scherrahmentest ist noch unzureichend erforscht, sodass eine Vielzahl verschiedener Einflussfaktoren und inkonsistenter Umgang mit diesen bislang keine weitläufig reproduzier- und vergleichbaren Prüfdaten zulässt.
Das intralaminare Scherdeformationsverhalten endlosfaserverstärkter Thermoplaste soll daher im Rahmen dieser Arbeit auf die wesentlichen Wirkzusammenhänge hin erforscht werden, um darauf basierend eine zuverlässige, vergleichbare und auf beliebige Werkstoffe anwendbare Prüfmethodik abzuleiten. Dabei sollen wesentliche Fehlerquellen im Scherrahmentest aufgezeigt sowie Möglichkeiten zur Kompensation dieser erarbeitet werden. Zusätzlich ist es ein Ziel, den bislang auf makroskopische Materialbetrachtungen beschränkten Test um Möglichkeiten der Erschließung mesoskopischer Deformationseigenschaften zu erweitern, um eine Brücke zu den aktuellen Entwicklungen in der Simulationsmethodenentwicklung schlagen zu können.
Aufgrund der oft unterschiedlichen pharmakologischen Wirkung zweier Enantiomere eines Racemats, spielen enantioselektive Synthesen in der Produktion von Arzneiwirkstoffen eine wichtige Rolle. Eine Möglichkeit hierfür bieten Deracemisierungen, bei denen beispielsweise eine Racematspaltung mit einer Racemisierung des verbleibenden Enantiomers kombiniert wird. Im Gegensatz zur klassischen Racematspaltung können so Ausbeuten von mehr als 50 % erzielt werden. Dabei treten jedoch sehr häufig Inkompatibilitäten zwischen den beiden Reaktionen auf. So erfolgen Racematspaltungen meist durch selektive Acylierungen mit Enzymen aus der Klasse der Lipasen, welche zum Erzielen hoher Selektivitäten üblicherweise organische Lösemittel mit geringer Wasseraktivität benötigen. Unter diesen Bedingungen sind die zumeist lösemittelsensitiven Racemasen jedoch inaktiv, weshalb eine räumliche Trennung der einzelnen Reaktionen erfolgen muss.
Ziel dieser Forschungsarbeit war daher die Entwicklung von Enzymmembranreaktoren im Nanomaßstab (nano EMRs), welche die räumliche Trennung enzymatischer Reaktionen in wässrigen Zweiphasensystemen auf nanoskaliger Ebene ermöglichen. Als nano EMRs dienten künstliche Polymervesikel, sogenannte Polymersomen, deren Membranen aus amphiphilen Block Copolymeren bestehen und in deren wässrigem Inneren lösliche Enzyme eingeschlossen werden können. Um eine Desintegration der Vesikelmembran in organischen Lösemitteln zu vermeiden, wurden die einzelnen Membranpolymere durch radikalische Polymerisation quervernetzt. Hierdurch wurde die Integrität der Vesikelmembran erhalten und der Molekülverlust beladener Versikel verringert. Gleichzeitig wurde der Stofftransport potentieller Reaktanten über die Vesikelmembran erhöht, indem das Transmembrankanalprotein Phosphoporin Protein E aus Escherichia coli K 12 in die Membran eingebettet wurde. Die Eignung dieser nano EMRs für Deracemisierungen wurde schließlich anhand der Deracemisierung von (R,S) Mandelat gezeigt. Hierzu wurde die Lipase aus Burkholderia cepacia mit der Mandelatracemase aus Pseudomonas putida ATCC 12633 kombiniert. Während die Mandelatracemase aufgrund ihrer hohen Lösemittelsensitivität im wässrigen Innenraum der nano EMRs eingeschlossen wurde, konnte die Lipase in der organischen Bulkphase bei geringen Wasseranteilen dispergiert werden. Durch den gemeinsamen Einsatz beider Enzyme wurde eine Ausbeute von 72 % bei einem Enantiomerenüberschuss (enantiomeric excess, ee) des Produkt Enantiomers von >99 % erzielt.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Potenziale der CO2-Gashydrat basierten Konzentrierung anhand von ausgewählten Säften aufzuzeigen. Verfahren nach dem Stand der Technik, wie z. B. die Gefrierkonzentrierung oder die Verdampfung, sind durch hohen Energiebedarf und/oder negative Auswirkungen auf die Produktqualität gekennzeichnet. Im Rahmen eines nachhaltigeren Umgangs mit den der Menschheit zur Verfügung stehenden Ressourcen, bedarf es deshalb neuer Verfahren, um diesen Trend auch in der Lebensmittelindustrie voranzubringen.
In dieser Arbeit werden deshalb sowohl thermodynamische und kinetische Aspekte der Hydratbildung als auch deren generelle Eignung zum Erreichen industriell relevanter Zuckergehälter betrachtet. Arbeiten auf dem Gebiet der Gashydrattechnologie konzentrieren sich bisher vor allem auf die hohe Gasspeicherkapazität und die daraus resultierenden Vorteile bei der CO2-Sequestrierung oder Methanspeicherung. Dagegen werden Potenziale im Bereich der Konzentrierung von Säften bisher selten betrachtet. Darüber hinaus existieren, bis auf wenige Ausnahmen, keine Systeme zur Hydraterzeugung deren Bildungsraten darauf hoffen lassen, dass diese die kurzen Zeitskalen der state-of-the-art Verfahren erreichen könnten. Schon gar nicht betrachten diese Wenigen die Erzeugbarkeit von Fruchtsaftkonzentraten auf industriell relevante Niveaus.
Um diese Lücke zu schließen, wird in der vorliegenden Arbeit ein modularer Hochdruckbehälter konzipiert, der als Sprühsystem oder Rührkessel eingesetzt werden kann. Die Betrachtungen fokussieren sich dabei auf die Gashydratbildung und die Konzentrierung der eingesetzten Fruchtsäfte. Für diese Untersuchung werden Apfel- und Orangensaft verwendet, da sie typische Verbrauchersäfte sind. In beiden Systemen wird eine schnelle Hydratbildung bei 35 bar und Temperaturen nahe 0 °C erreicht. Das Sprühsystem stellt jedoch in Bezug auf die Wärmeübertragung noch eine Herausforderung dar.
Durch Konzentrieren von Apfelsaft im Rührbehälter in mehreren diskreten Stufen konnte dieser von 11°Bx auf 45°Bx eingedickt werden, während Zuckerlösungen bis zu 60°Bx konzentriert werden konnten. Diese Zuckergehälter sind vergleichbar mit Konzentraten aus etablierten Verfahren wie der Gefrierkonzentrierung oder der Eindampfung. Die erreichten Konzentrierungsraten von 2,5-3°Bx/h sind dabei deutlich höher als die für die Gefrierkonzentrierung veröffentlichten Raten. Untersuchungen der
iv
Hydratdissoziationsenthalpie zeigen, dass keine Saftbestandteile im Hydratkäfig eingeschlossen werden und somit die ursprüngliche Qualität erhalten bleibt. Durch die stetige Konzentrierung verlagern sich die Bildungsbedingungen jedoch zu immer höheren Drücken und niedrigeren Temperaturen.
Die Ergebnisse zeigen außerdem, dass der Gesamtenergiebedarf dieser Technologie aufgrund des energetisch vorteilhaften Phasenübergangs der Hydratbildung weit unter dem der etablierten Verfahren liegt. Im Vergleich mit den vorliegenden Daten der Gefrierkonzentrierung beträgt die Einsparung bis zu 64 % und im Vergleich zur Verdampfung bis zu 55 %. Für den hydratbasierten Prozess zeigt die Methode der Fluid-Gas-Durchmischung den größten Einfluss.
Durch die erzielten Ergebnisse positioniert sich die gashydratbasierte Konzentrierung als relevante und neuartige Alternative zu den etablierten Verfahren, die den Energiebedarf der Lebensmittelindustrie deutlich reduziert und gleichzeitig die Produktqualität bewahrt.
The abundance of hierarchical structures in nature, from the modular organization of collagen to tendon and brain, and from mollusk shell to bone and wood, reflects a universal tendency of biological systems after millions of years of evolution to be organized in a hierarchical modular fashion. This microstructural architecture can serve conflicting purposes simultaneously. In the context of materials performance, it is known to distribute load on all scales efficiently while containing damage locally and thus enhancing structural resilience. In this thesis, we introduce a beam lattice model and utilize it to study the effects of hierarchical arrangement on failure and fracture properties of fibrous materials.
We first study how cracks form and spread in uniaxially loaded materials composed of randomly cross-linked fibers with statistically distributed failure thresholds. We investigate the failure behavior of such materials and determine the proportion of cross-links required to obtain an optimal strength-to-weight ratio for various degrees of disorder. This problem has a simple analytical solution (no cross-links) in the absence of disorder, which turns out to be the worst feasible arrangement for highly unreliable materials and/or large system sizes.
We then demonstrate that the resistance to crack propagation is very significantly enhanced by inserting hierarchical patterns of load-parallel cuts into axially loaded brittle materials. This effect is investigated by two and three-dimensional simulations via beam lattice model and validated by comparing the simulation results with experimental data obtained from testing paper sheets that were sliced with a laser cutter to induce load-perpendicular hierarchical cut patterns. For comparison, samples with non-hierarchical reference patterns of the same cut density and non-sliced sheets are used. We show that hierarchical slicing of notched paper sheets can enhance failure load, apparent fracture toughness, and work-of-fracture by factors of 2 to 10.
We then characterize the morphological properties of such materials in terms of deterministically constructed hierarchical beam lattice models and their randomized variants. We utilize these models to investigate how load-parallel gaps in hierarchical materials obstruct stress transfer in the load perpendicular direction, confining damage within load-carrying modules that are hierarchically nested. We further investigate the damage accumulation and global failure processes (as defined by the positions and timings of beam breakages before global failures and the associated avalanche statistics). We show that failure of hierarchically (micro)structured materials is characterized by diffuse local damage nucleation that eventually percolates on the lattice, but never by stress-driven propagation of a critical crack, regardless of the degree of local disorder. On the other hand, the sequence of damage nucleation, crack formation, and crack propagation characterizes the failure of non-hierarchical reference lattices. These distinctions are visible at low and intermediate levels of material disorder, but they vanish in highly disordered materials with extreme scatter in local failure strengths. We also show that, regardless of material disorder, the various types of failure cause considerable changes in fracture surface morphology.
Novel developments in the field of cardiac tissue engineering (CTE) are highly relevant and timely due to the massive number of cases worldwide involving mortality and morbidity caused by cardiovascular diseases (CVDs) every year. In particular after severe damage of the myocardial tissue, for example caused by myocardial infarction (MI), the infected area forms a fibrotic scar, which can lead to reduced contractility and thereby to congestive or chronic heart failure. Owing to the very limited intrinsic self-regeneration ability of cardiomyocytes, insufficient medical treatments available to date, the low availability of donor organs, and the time-limited application of ventricular assist devices, CTE represents an alternative approach to address the enormous clinical need by developing novel therapeutic measures like the cardiac patch strategy.
The cardiac patch should mimic the myocardial extracellular matrix (ECM) as close as possible and, consequently, should not only be biocompatible and biodegradable but should also offer matching surface properties as well as chemical, mechanical, and electrical properties related to the native environment. Therefore, in the present thesis, novel biomaterials based on combinations of natural and synthetic polymers have been processed by electrospinning into fibrous scaffolds. Electrospinning was chosen for being a versatile and facile scaffold fabrication method, which allows the production of continuous fibers with diameters between tens of nano- to micrometer, resembling the fibrous myocardial ECM. Additionally, electrospun scaffolds offer high porosities formed by interconnected pores, very high surface area to volume ratio, superior mechanical characteristics, and flexibility in surface functionalities.
Three different polymeric systems, namely gelatin/poly(glycerol sebacate) (PGS)/polyaniline (PANi), collagen/hyaluronic acid (HA)/PANi, and poly(ε-caprolactone) (PCL)/poly(1,8-octanediol-co-citrate) (POC) dip-coated with gelatin/PANi, were developed and characterized according to their suitability for CTE. All materials were chosen because of their promising properties in soft tissue engineering (TE), especially CTE. To impart electrical conductivity to the fibrous scaffolds, the electrically conductive polymer PANi was incorporated into electrospinning solutions or later applied to the fiber mats via dip-coating. An electrical conductivity function should enhance the integration of the scaffold with the host tissue bridging the electrical propagation across the non-conductive infarcted area.
Randomly oriented gelatin/PGS fiber mats were fabricated in different ratios, where especially a 3:1 ratio of gelatin to PGS revealed suitable outcomes regarding morphological and physicochemical properties. Moreover, an excellent cytocompatibility, assessed with C2C12 cells, was demonstrated by a confluent and even multi-layered cell growth after seven days of incubation. Additional post-crosslinking of PGS after electrospinning led to less leaching of unreacted monomers and thereby to a less acidic pH change in the close surroundings of the specimens. The addition of PANi increased the electrical conductivity of the scaffolds without significantly influencing the morphological and biodegradation properties. While the mechanical properties decreased regarding the failure strain, the electrical conductivity was improved, although the level of bioconductance of the human myocardium was not achieved. The incorporation of PANi led to initially decreased C2C12 cell viability, but the cell viability was comparable to neat gelatin/PGS scaffolds after a culturing period of seven days.
Collagen/HA/PANi fibrous scaffolds showed a material composition closest to the native myocardial environment. High PANi concentrations at simultaneously low collagen/HA concentration led to significantly reduced average fiber diameters and induced a favorable alignment of fibers. Besides being very hydrophilic, the mechanical properties of wet scaffolds showed suitable values for CTE. The electrical conductivity was successfully increased up to 2.0 ± 0.6 mScm-1 by the incorporation of PANi. Postnatal rat ventricular cardiomyocytes and human induced pluripotent stem cells (hiPSC) derived cardiomyocytes showed cell survival, attachment, and contractile behavior after 48h. Connexin 43 (Cx43) expression increased for fibrous scaffolds of high PANi concentration, and, at the same time, these fiber mats promoted longer contraction times and higher contractile amplitudes with simultaneously lower beating rates than pure collagen and collagen/HA scaffolds.
Random and aligned PCL/POC fiber mats were successfully electrospun in different ratios, whereby especially a 2:1 ratio of PCL to POC revealed suitable outcomes regarding morphological and physicochemical properties. The mechanical properties of fibrous PCL/POC scaffolds were found to be tunable by the ratio of PCL to POC, the crosslinking treatment as well as fiber orientation. Additionally, the degradation resistance was significantly improved by the post-crosslinking of the fiber mats. An excellent C2C12 cytocompatibility of the fiber mats was observed, whereby aligned PCL/POC fiber mats led to a more oriented cellular attachment after one day. The dip-coating of post-crosslinked PCL/POC (2:1) fiber mats with various compositions of gelatin/PANi did not significantly influence the morphological properties but decreased the mechanical properties. Nevertheless, the mechanical properties were still in a suitable range for CTE. Although the coating of gelatin/PANi on PCL/POC fiber mats had only a minor impact on the electrical conductivity, cytocompatibility assessment with C2C12 cells revealed a cytotoxic behavior of coatings with high PANi concentrations. However, fiber mats dip-coated with lower PANi concentrations led to suitable cell viability and proliferation after seven days of culture.
The applicability of fiber mats in a bilayer scaffold structure was exemplarily demonstrated by constructing a bilayer scaffold made of a porous solvent cast and particulate leached (SC/PL) PGS bottom layer and a fibrous gelatin/PANi dip-coated aligned PCL/POC (2:1) fiber mat as the top layer. The bilayer structure showed an appropriately interconnected porosity with micro- and macropores, while the alignment of the fibers was preserved. The successful, stable, and sufficiently strong attachment of the fiber mat to the porous bottom layer via dip-coating was proven by a modified pull-off test and by the lack of modification of the bilayer after one month of incubation in Dulbecco’s phosphate buffered saline (DPBS) solution. Additionally, the dip-coating process created an electrically conductive surface with an electrical conductivity of 0.71 ± 0.05 mScm-1. The beneficial effect of the attached fiber mat on the C2C12 cytocompatibility compared to neat PGS scaffolds was demonstrated by a higher cellular proliferation.
In summary, the three novel scaffold systems based on different combinations of natural and synthetic polymers fabricated using electrospinning showed promising characteristics to make them interesting candidates for potential applications in CTE. The simple attachment of the fiber mats to a porous substrate by dip-coating created a bilayer scaffold with suitable mechanical properties and porosity, which makes the scaffold (patch) attractive for CTE. The developed bilayer scaffolds should be investigated in further research involving in vivo studies.
Self-assembled monolayers (SAMs) provide a unique feature to engineer the surface properties of the inorganic metal oxides with flexible means, where they offer a large selection window for the variation of the chemical moieties. Therefore, it is important to understand how SAM molecules behave when they are functionalizing in the nano-scale surfaces. This work focuses on the analyzing the SAM functionalized nano-surfaces. Especially when the mixture of the SAM molecules, which consists of two orthogonal functionalities, are simultaneously functionalizing the surfaces. Furthermore, several strategies for the utilizing SAM functionalized nano-surfaces are proposed to provide a direction for the potential application of the nano-functional surfaces.
The first section describes the experimental analysis on multifunctional surfaces, which were achieved with two different SAM molecules. These were deposited in one of the following two ways: Either the molecules were deposited subsequently in ordered manner by a lithographic process or they were deposited simultaneously in a mixture. In order to analyze the structures, a quantitative analytic method is designed to investigate the adsorption behavior of mixded SAM molecules to the nanoparticle (NP) surfaces. To show validity of proposed analysis methods, several different sets of mixed SAM functionalized NP surfaces are investigated and under certain assumption, adsorption behavior of mixed SAM on NP surface can be predicted with proposed method.
The second section deals with the applications of the different strategies to incorporate the SAM molecules to the nanomaterial surfaces. Strategy 1 describes the binding of the anchoring group of the SAM molecules to the 0-dimensional nanoparticle surfaces. In this regard, large amount of molecules can bind on the nanoparticle surfaces, which provides a large specific surface area for the molecular adsorption. Furthermore, by varying the anchoring motif, it is possible to endorse the molecular selective binding to the surface of the nanoparticle. This concept is applied to the extracting the organophosphorous contaminant from the water using superparamagnetic iron oxide NPs (SPIONs). Strategy 2 describes the functionalization of the 1-dimensional nanowire surfaces with different SAM molecules. In this way, the surface states of the nanowires can be modulated to have desired chemical functionalities while they are maintaining the a surface area. This concept is applied to SnO2 NW-based gas sensor device to modulate the selectivity of the gas sensors. As the functionality of the SAM molecule varies from alkyl moiety to fluoroalky, thiolalkyl, and ammonium alkyl moiety, gas sensors show superior selectivity towards CH4, CCl3F, H2S and HCHO gas, respectively, which possess favorable chemical affinity to the SAM molecules. Strategy 3 suggests utilizing the orthogonal functionalities to the 0-dimensional surfaces and apply them to a 2-dimensional thin-film. As the surface of the NPs are functionalized with certain moieties, their dispersibility can easily switch between two orthogonality. Utilizing this concept, the surface of the NP are functionalized with either hydrophilic or oleophilic SAM molecules and dispersed in the amphiphilic block co-polymer (BCP) solution which consist hydrophilic polyethylene oxide and oleophilic polystyrene blocks. Due to the nature of BCP thin-film, each orthogonal particles simultaneously enrich the corresponding phases while the nanophase separation of BCP thin-film occurs. Lastly, strategy 4 introduce the idea of combining functional 0-dimensional nanoparticles to 3D bulk materials. Functional nano-surfaces are able to provide a seeding layer to expand their nano-scale forms to a 3-dimensional bulk form. To show this concept, the surface of NPs is functionalized with methyl methacrylate moieties and subsequently polymerized with methyl methacrylate monomers to create an inorganic NP/polymer nanocomposite. As the MMA-functionalized NP surface provides polymerization centers, the microstructure of the nanocomposite materials are different from normal NP/polymer mixtures, thereby exhibit more ductile mechanical behaviors.
Aufgrund der Abhängigkeit der regenerativen Energiequellen von Umweltbedingungen entsteht oftmals ein zeitlicher Versatz zwischen Bedarfs- und Produktionszeiten. Diese Lücke muss durch den Einsatz von Energiespeichern geschlossen werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Energiespeicherung in Form von Wasserstoff in flüssigen organischen Wasserstoffträgern (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC), wie bspw. Dibenzyltoluol. Hierzu wird der LOHC mit regenerativ produziertem Wasserstoff exotherm hydriert. Die beladene Form des LOHCs kann gefahrlos und verlustfrei transportiert oder gelagert werden. Wenn durch erneuerbare Energiequellen nur wenig elektrische Energie bereitgestellt wird, kann der Wasserstoff vom beladenen LOHC mittels endothermer Dehydrierung freigesetzt werden.
In dieser Arbeit wird nach einem Wärmespeicher zur Integration in den LOHC-Prozess gesucht, um die thermische Energie der exothermen Hydrierung zur zeitlich versetzten endothermen Dehydrierung des beladenen LOHCs zu nutzen. Hierzu wurden Sorptionswärmespeicher und Metall/Metalloxid-Wärmespeicher sowohl theoretisch als auch praktisch untersucht, die auf einem Temperaturniveau von 250 - 450 °C thermische Energie aufnehmen und abgeben können.
Die untersuchten Sorptionswärmespeicher bestanden aus einem inerten Aktivkohleträger auf dessen hoher innerer Oberfläche ein hygroskopisches Salz mittels Nassimprägnierung aufgebracht wurden. Diese Komposite wurden charakterisiert und die freiwerdende Sorptionsenthalpie wurde experimentell bestimmt. Da bei Temperaturen jenseits von 230 °C mit keinem Komposit eine signifikante Wärmemenge abgegeben werden konnte, wurde das Konzept eines Metall/Metalloxid - Wärmespeicher entwickelt. Mit Hilfe der Software FactSage 6.4 wurden die Elemente des Periodensystems theoretisch auf ihre Eignung bewertet: Das Element muss bei einer Temperatur von 450 °C mit Wasser oxidierbar und das entstandene Oxid mit Wasserstoff reduzierbar sein. Die Selektion wurde durch weitere Kriterien wie Reaktionsenthalpie und Gibb'sches Energie eingegrenzt. Auf Grund der vorangegangen Analyse wurden die Elemente Eisen, Wolfram, Molybdän und Germanium in einer thermogravimetrischen Balkenwaage charakterisiert. Eisen und Wolfram konnten über mehrere Zyklen reversibel oxidiert und reduziert werden. Der Umsatz der Oxidation und der Reduktion pendelte sich nach 20 Zyklen bei 8 - 10 % ein. Der abnehmende Umsatz lässt sich durch das Sintern des Metalls erklären. Zur Stabilisierung wurden Kompositmaterialien aus Trägern auf Aluminiumoxidbasis und Eisen zyklisch oxidiert und reduziert. Die Langzeitstabilität dieser Komposite konnte über 30 Zyklen hinweg gezeigt werden.
Ion doped mesoporous silica-based bioactive glasses for antibiotic-free antibacterial applications
(2022)
The goal of this doctoral project was the development of bioactive glasses that can provide antibacterial activity without the addition of any antibiotic drugs in order to be effective against antibiotic-resistance bacteria. In this perspective, non-ordered and ordered silicate mesoporous bioactive glasses (MBGs) were synthesised via conventional sol-gel and surfactant-assisted sol-gel methods, respectively. Antibacterial therapeutic elements (Ag, Cu, Zn, and Ce) in 1, 3 and 5 wt% amounts were incorporated into the MBGs with the base composition of 76SiO2-13CaO-11P2O5 (wt%) in order to provide antibacterial activity. The MBGs obtained by the two different sol-gel methods were also examined for their mesoporous structures, dissolution behaviour, bioactivity and antibacterial properties. Ordered MBGs showed larger surface area, larger pore size and higher pore volume compared to non-ordered MBGs. Among non-ordered and ordered MBGs, Ag-MBGs exhibited the highest dopant release into PBS, which was measured by ICP-OES. The MBG that showed the highest evidence of bioactivity compared to other MBGs was ordered undoped MBG after 72 h immersion in SBF. The most promising MBGs in terms of antibacterial behaviour against E. coli and S. aureus bacterial strains were the non-ordered and ordered Ag-MBGs. Some of the non-ordered MBGs (undoped and 1, 3, and 5 wt% Ag-, Cu- and Zn-MBGs) were also examined for their indirect cytocompatibility behaviour, which was tested with murine fibroblast cell line (L929). The tested extracts were all cytocompatible with L929 cells. Among the other doped MBGs, due to its overall good antibacterial and cytocompatibility behaviour, non-ordered 5 wt% Ag-MBG (NO5 Ag-MBG) was chosen to be combined with a synthetic polymer (poly(ether urethane)) and a natural polymer (chitosan) to make antibacterial polymer/MBG films with potential to be used in wound healing applications. The developed poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films were antibacterial against E. coli, P. aeruginosa, S. aureus, S. epidermidis and also against antibiotic-resistant bacterial strains (MRSA and CR P. aeruginosa), tested via disk diffusion method. On the other hand, pure poly(ether urethane) films did not form any inhibition zones when tested with bacteria. The cytocompatibility of poly(ether urethane) and poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films was below 50% when tested with L929 cells. Both of these films showed good cytocompatibilty with human keratinocyte cell line (HaCaT). Besides the antibacterial efficiency and good cytocompatibility of the poly(ether urethane)/NO5 Ag-MBG films, they were also easy to produce (solvent casting method), which could make them suitable candidates for wound dressing applications.
The developed chitosan films with NO5 Ag-MBG exhibited good antibacterial behaviour against S. aureus, S. epidermidis, E. coli and P. aeruginosa strains. It was shown that the films absorbed roughly 50% of their original weight after 7 days in PBS. This result suggests that they can absorb the excessive wound exudates and with this property they support the wound healing process. Chitosan/NO5 Ag-MBG films exhibited 40% cytocompatibility with L929 cells, showing that they were toxic to L929. However, these films showed good cytocompatibility (>80%) with primary normal human epidermal keratinocyte (NHEK) cells. In addition to the promising antibacterial and cytocompatibilty behaviour of chitosan/NO5 Ag-MBG films, they showed water absorbing capabilities, being thus candidates for wound healing applications.
In this doctoral project therefore, the antibacterial properties of various doped MBGs were confirmed. The ordered mesoporous structure and higher pore properties (surface area, pore size and pore volume) of the surfactant-assisted sol-gel derived MBGs were shown by HRTEM images and BET & BJH results. In general, MBGs exhibited bioactivity, even if it could not be proven in all compositions. Both non-ordered and ordered Ag-MBGs showed the highest antibacterial activity, where especially the NO5 Ag-MBG showed also good L929 cytocompatiblility. All MBG extracts tested were cytocompatible with L929 cells. For wound healing application purposes developed polymer/MBG composite films showed good antibacterial properties without any antibiotic drug addition and they were also cytocompatible with human keratinocyte cells. Conclusively it can be said that antibiotic-free antibacterial ion doped MBGs were successfully developed for stand-alone use and in wound healing films.