TY  - THES
A1  - Baryzewska, Agata W.
T1  - Reconfigurable Janus emulsions as signal transducers for biosensing applications
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lian, Tingting
T1  - Efficient activation of peroxymonosulfate by carbon-based catalysts for water purification
N2  - The increasing global population has led to a growing demand for cost-effective and eco-friendly methods of water purification. This demand has reached a peak due to the increasing presence of impurities and pollutants in water and a growing awareness of waterborne diseases. Advanced oxidation processes (AOPs) are effective methods to address these challenges, due to the generation of highly reactive radicals, such as sulfate radical (SO4•-), hydroxyl radical (•OH), and/or superoxide radical (•O2-) in oxidation reactions. Relative to conventional hydrogen peroxide (H2O2)-based AOPs for wastewater treatment, the persulfate-related AOPs are receiving increasing attention over the past decades, due to their stronger oxidizing capability and a wider pH working window. Further deployment of the seemingly plausible technology as an alternative for the well-established one in industry, however, necessitates a careful evaluation of compounding factors, such as water matrix effects, toxicological consequences, costs, and engineering challenges, etc. To this end, rational design of efficient and environmentally friendly catalysts constitutes an indispensable pathway to advance persulfate activation efficacy and to elucidate the mechanisms in AOPs, the combined endeavors are expected to provide insightful understanding and guidelines for future studies in wastewater treatment. A dozens of transition metal-based catalysts have been developed for persulfate-related AOPs, while the undesirable metal leaching and poor stability in acidic conditions have been identified as major obstacles. Comparatively, the carbonaceous materials are emerging as alternative candidates, which are characterized by metal-free nature, wide availability, and exceptional resistance to acid and alkali, as well as tunable physicochemical and electronic properties, the combined merits make them an attractive option to overcome the aforementioned limitations in metal-based catalytic systems. This dissertation aims at developing novel carbonaceous materials to boost the activity in peroxymonosulfate (PMS) activation processes. Functionalized carbon materials with metal particles or heteroatoms were constructed and further evaluated in terms of their ability to activate PMS for AOPs. The main contents of this thesis are summarized as follows: (1) Iron oxide-loaded biochar: improving stability and alleviating metal leakage Metal leaching constitutes one of the main drawbacks in using transition metals as PMS activators, which is accompanied by the generation of metal-containing sludge, potentially leading to secondary pollution. Meanwhile, the metal nanoparticles are prone to aggregate, causing rapid decay of catalytic performance. The use of carbons as supports for transition metals could mitigate these deficiencies, because the interaction between metals and carbons could in turn disperse and stabilize metal nanoparticles, thus suppressing the metal leaching. In this work, the environmentally benign lignin with its abundant phenolic groups, which is well known to serve as carbon source with high yields and flexibility, was utilized to load Fe ions. The facile low-temperature pre-treatment pyrolytic strategy was employed to construct a green catalyst with iron oxides embedded in Kraft-lignin-derived biochar (termed as γ-Fe2O3@KC). The γ-Fe2O3@KC was capable of activating PMS to generate stable non-radical species (1O2 and Fe (V)=O) and to enhance electron transfer efficiency. A surface-bound reactive complex (catalyst-PMS*) was identified by electrochemical characterizations and discussed with primary surface-bound radical pairs to explain the contradictions between quenching and EPR detection results. The system also showed encouraging reusability for at least 5 times and high stability at pH 3-9. The low concentration of iron in γ-Fe2O3@KC/PMS system implied that the carbon scaffold of biochar substantially alleviated metal leakage. (2) MOF-derived nanocarbon: new carbon crystals Traditional carbon materials are of rather moderate performance in activation PMS, due to the poor electron transfer capacity within the amorphous structure and limited active sites for PMS adsorption. Herein, we established crystalline nanocarbon materials via a simple NaCl-templated strategy using the monoclinic zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) sealed with NaCl crystals as the precursors. Specifically, NaCl captured dual advantages in serving as structure-directing agent during hydrolysis and protective salt reactor to facilitate phase transformation during carbonization. The structure-directing agent NaCl provided a protective and confined space for the evolution of MOF upon carbonization, which led to high doping amounts of nitrogen (N) and oxygen elements (O) in carbon framework (N: 14.16 wt%, O: 9.6 wt%) after calcination at a high temperature of 950 oC. We found that N-O co-doping can activate the chemically inert carbon network and the nearby sp2-hybridized carbon atoms served as active sites for adsorption and activation. Besides, the highly crystallized structure with well-established carbon channels around activated carbon atoms could significantly accelerate electron transfer process after initial adsorption of PMS. As such, this crystalline nanocarbon exhibited excellent catalytic kinetics for various pollutants. (3) MOF-derived 2D carbon layers: enhanced mass/electron transfer The two-dimensional (2D) configuration of carbon-based nanosheets with inherent nanochannels and abundant active sites residing on the layer edges or in between the layers, allowed the accessible interaction and close contact between the substrates and reactants, as well as the dramatically improved electron- and mass-transfer kinetics. In this regard, we developed dual-templating strategy to afford 2D assembly of the crystalline carbons, which found efficiency in reinforcing the interactions between the catalyst surface and foreign pollutants. Specifically, we found that the ice crystals and NaCl promoted the evolution of MOF in a 2D fashion during the freezing casting stage, while the later further allowed the formation of a graphitic surface at high calcination temperature, by virtue of the templating effect of molten salt. Due to the highly retained co-doping amounts, N and O heteroatoms created abundant active sites for PMS activation, the 2D configuration of carbon-based nanosheets enable efficient interaction of PMS and pollutants on the surface, which further boosted the kinetics of degradation.
KW  - Carbon
KW  - Water treatment
KW  - PMS activation
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Frank, Bradley D.
T1  - Complex and adaptive soft colloids
BT  - templated from reconfigurable jamus emulsions
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Störmann, Florian Konstantin
T1  - Multifunctional Microballoons for the active and passive control of fluid-flows
N2  - Functional materials, also called "Smart Materials", are described by their ability to fulfill a desired task through targeted interaction with its environment. Due to this functional integration, such materials are of increased interest, especially in areas where the increasing micronization of components is required. Modern manufacturing processes (e.g. microfluidics) and the availability of a wide variety of functional materials (e.g. shape memory materials) now enable the production of particle-based switching components. This category includes micropumps and microvalves, whose basic function is the active control of liquid flows. One approach in realizing those microcomponents as pursued by this work, enables variable size-switching of water-filled microballoons by implementing a stimulus-sensitive switching motif in the capsule's membrane shell, while being under the influence of a constant driving force. The switching motif with its gatekeeper function has a critical influence on one or more material parameters, which modulate the capsule's resistance against the driving force in microballoon expansion process. The advantage of this concept is that even non-variable analyte conditions, such as concentration levels of ions, can be capitalized to generate external force fields that, under the control of the membrane, cause an inflation of the microballoon by an osmotically driven water influx. In case of osmotic pressure gradients as the driving force for the capsule expansion, material parameters associated with the gatekeeper function are specifically the permeability and the mechanical stiffness of the shell material. While a modulation of the shell permeability could be utilized to kinetically impede the water influx on large time scales, a modulation of the shell's mechanical stiffness even might be utilized to completely prevent the capsule inflation due to a possible non-deformability beneath a certain threshold pressure. In polymer networks, which are a suitable material class for the demanded capsule shell because of their excellent elasticity, both the permeability and the mechanical properties are strongly influenced by the crystallinity of the material. Since the permeability is effectively reduced with increasing crystallinity, while the mechanical stiffness is simultaneously greatly increased, both effects point in the same direction in terms of their functional relationship. For this reason and due to a reversible and contactless modulation of the membrane crystallinity by heat input, crystallites may be suitable switching motifs for controlling the capsule expansion. As second design element of reversible expandable microballoons, the capsule geometry, defined by an aqueous core enveloped by the temperature-sensitive polymer network membrane, should allow an osmotic pressure gradient across the membrane layer. The strength of the inflation pressure and the associated inflation velocity upon membrane melting should be controlled by the salt concentration within the aqueous core, while a turn in the osmotic gradient should furthermore allow the reversible process of capsule deflation. Therefore, it should be possible to build either microvalves and micropumps, while their intended action of either pumping or valving is determined by their state of expansion and the direction of the osmotic pressure gradient.. Microballoons of approximately 300 µm in diameter were formed via droplet-based microfluidics from double-emulsion templates (w/o/w). The elastomeric capsule membrane was formed by photo-crosslinking of methacrylate (MA) functionalized oligo(ε-caprolactone) precursors (≈ 3.8 MA-arms, Mn ≈ 12000 g mol-1) within the organic medium layer (o) via UV-exposure after droplet-formation. After removal of the toluene/chloroform mixture by slow extraction via the continuous aqueous phase, the capsules solidified under the development of a characteristic "mushroom"-like shape at specific experimental conditions (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min). It could be furthermore shown that in dependency to the process parameters: oligomer concentration and curing-time also spherical capsules were accessible. Long curing-times and high oligomer concentrations at a fixed light-intensity favored the formation of "mushroom"-like capsules, whereas the contrary led to spherical shaped capsules. A comparative study on thin polymer network films of same composition and equal treatment proved a correlation between the film's crosslink density and their contraction capability, while stronger crosslinked polymer networks showed a stronger contraction after solvent removal. In combination with observations during capsule solidification via light-microscopy, where a continuous shaping from almost spherical crosslinked templates to "mushroom"-shaped and solidified capsules was stated, the following mechanism was proposed. In case of low oligomer contents and short curing-times, the contraction of the capsule shell during solvent removal is strongly diminished due to a low degree of crosslinking. Therefore, the solidifying shell could freely collapse onto the aqueous core. In the other case, high oligomer concentrations and long curing-times will favor the formation of highly crosslinked capsule membranes with a strong contraction capability. Due to an observed decentered location of the aqueous core within the swollen polymer network, an uneven radial stress along the capsule's circumference is exerted to the incompressible core. This lead to an uneven contraction during solvent removal and a directed flow of the core fluid into the direction of the minimal stress vector. In consequence, the initially thicker spherical cap contracts, whereas the opposing thinner spherical cap get stretched. The "mushroom"-shape over some advantages over their spherical shaped counterparts, why they were selected for the further experiments. Besides the necessity of a high density of crosslinking for the purpose of extraordinary elasticity and toughness, the form-anisotropy promotes a faster microballoon expandability due to a partial reduction of the membrane thickness. Additionally, pre-stretched regions of thin thickness might provide a better resistance against inflation pressure than spherical but non-stretched capsules of equal membrane thickness. The resulting "mushroom"-shaped microcapsules exhibited a melting point of Tm ≈ 50 - 60 °C and a degree of crystallinity of Xc ≈ 29 - 38 % depending on the membrane thickness and internal salt content, which is slightly lower than for the non-crosslinked oligomer and reasoned by a limited chain mobility upon crosslinking. Nonetheless, the melting transition of the polymer network was associated with a strong drop in its mechanical stiffness, which was shown to have a strong influence on the osmotic driven expansion of the microcapsules. Capsules that were subjected to osmotic pressures between 1.5 and 4.7 MPa did not expand if the temperature was well below the melting point of the capsule's membrane, i.e. at room temperature. In contrast, a continuous expansion, while approaching asymptotically to a final capsule size, was observed if the temperature exceeded the melting point, i.e. 60 °C. Microballoons, which were kept for 56 days at ∆Π = 1.5 MPa and room temperature, did not change significantly in diameter, why the impact of the mechanical stiffness on the expansion behavior is considered to be the greater than the influence of the shell permeability. The time-resolved expansion behavior of the microballoons above their Tm was subsequently modeled, using difusion equations that were corrected for shape anisotropy and elastic restoring forces. A shape-related and expansion dependent pre-factor was used to dynamically address the influence of the shell thickness differences along the circumference on the inflation velocity, whereas the microballoon's elastic contraction upon inflation was rendered by the inclusion of a hyperelastic constitutive model. An important finding resulting from this model was the pronounced increase in inflation velocity compared to hypothetical capsules with a homogeneous shell thickness, which stresses the benefit of employing shape anisotropic balloon-like capsules in this study. Furthermore, the model was able to predict the finite expandability on basis of entropy-elastic recovery forces and strain-hardening effects. A comparison of six different microballoons with different shell thicknesses and internal salt contents showed the linear relationship between the volumetric expansion, the shell thickness and the applied osmotic pressure, as represented by the model. As the proposed model facilitates the prediction of the expansion kinetics depending on the membranes mechanical and diffusional characteristics, it might be a screening tool for future material selections. In course of the microballoon expansion process, capsules of intermediate diameters could be isolated by recrystallization of the membrane, which is mainly caused by a restoration of the membrane's mechanical stiffness and is otherwise difficult to achieve with other stimuli-sensitive systems. The capsule's crystallinity of intermediate expansion states was nearly unchanged, whereas the lamellar crystal size tends to decreased with the expansion ratio. Therefore, it was assumed that the elastic modulus was only minimally altered and might increased due to the networks segment-chain extension. In addition to the volume increase achieved by inflation, a turn in the osmotic gradient also facilitated the reversible deflation, which was shown in inflation/deflation cycles. These both characteristics of the introduced microballoons are important parameter regarding the realization of micropumps and microvalves. The fixation of expanded microcapsules via recrystallization enabled the storage of entropy-elastic strain-energy, which could be utilized for pumping actions in non-aqueous media. Here, the pumping velocity depended on both, the type of surrounding medium and the applied temperature. Surrounding media that supported the fast transport of pumped liquid showed an accelerated deflation, while high temperatures further accelerate the pumping velocity. Very fast rejection of the incorporated payload was furthermore realized with pierced expanded microballoons, which were subjected to temperatures above their Tm. The possible fixation of intermediate particle sizes provide opportunities for vent constructions that allowed the precise adjustment of specific flow-rates and multiple valve openings and closings. A valve construction was realized by the insertion of a single or multiple microballoons in a microfluidic channel. A complete and a partial closing of the microballoon-valves was demonstrated as a function of the heating period. In this context, a difference between the inflation and deflation velocity was stated, summarizing slower expansion kinetics. Overall, microballoons, which presented both on-demand pumping and reversible valving by a temperature-triggered change in the capsule's volume, might be suitable components that help to design fully integrated LOC devices, due to the implementation of the control switch and controllable inflation/deflation kinetics. In comparison to other state of the art stimuli-sensitive materials, one has to highlight the microballoons capability of stabilizing almost continuously intermediate capsule sizes by simple recrystallization of the microballoon's membrane.
N2  - Funktionsmaterialien, auch "Smart Materials" genannt, werden durch ihre Fähigkeit, durch die gezielte Interaktion mit seiner Umgebung eine gewünschte Aufgabe zu erfüllen, beschrieben. Aufgrund dieser Funktionsintegration sind solche Materialien vor allem in Bereichen, in denen die zunehmende Mikronisierung von Bauteilen benötigt wird, von gesteigerten Interesse. Moderne Fertigungsverfahren (z..B. Mikrofluidik) und die Verfügbarkeit verschiedenster Funktionsmaterialien (z.B. Formgedächtnismaterialien) ermöglichen heutzutage die Herstellung partikelbasierter Schaltkomponenten. In diese Kategorie fallen unter anderem Mikropumpen und Mikroventile, deren grundsätzliche Funktion die aktive Steuerung von Flüssigkeitsströmen ist. Ein Ansatz zur Realisierung solcher Mikroschalter, der von dieser Arbeit verfolgt wurde, basiert auf wassergefüllten Mikroballons mit einem integrierten stimuli-sensitiven Schaltelement, welche unter dem Einfluss einer konstanten Antriebskraft eine Gröÿenänderung erfahren. Das Schaltmotiv als kontrollierende Instanz entscheidet dabei über die Auswirkung der einwirkenden Kraft auf die Gröÿenänderung durch ihren Einfluss auf einen oder mehrere Materialparameter. Dies ermöglicht die Ausnutzung nicht-variabler Analytbedingungen, wie zum Beispiel Ionenkonzentrationsunterschiede, zur Erzeugung von Kraftfeldern, welche eine Expansion der Mikroballons durch Osmose hervorrufen. Materialparameter welche mit osmotischen Volumenströmen assoziiert sind und diese steuern, sind im Speziellen die Permeabilität und die mechanische Steifigkeit der Kapselmembran. Durch eine Verringerung der Permeabilität kann die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln kinetisch gehemmt und zu langen Zeitperioden hin verschoben werden, wohingegen eine Verstärkung der mechanischen Steifigkeit die Expansion der Kapseln komplett unterbinden kann, indem der angelegte osmotische Druck unterhalb des zur Dehnung notwendigen Schwellendruck liegt.. In Verbindung mit Polymernetzwerken, welche aufgrund ihrer herausragenden Elastizität und Zähfestigkeit eine geeignete Materialklasse für die Herstellung der Kapselmembran darstellen, sind sowohl die Permeabilität als auch die mechanische Steifigkeit mit der Kristallinität des Materials assoziiert. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass die Permeabilität mit der Kristallinität sinkt, wohingegen die Steifigkeit mit ihr steigt. Die Expansion der Kapseln sollte demnach in Abhängigkeit der Kristallinität des Hüllmaterials ermöglicht oder unterbunden werden können, weswegen sich Kristallite als temperatur-sensitive Schaltmotive eignen sollten. Das zweite Designelement von reversibel expandierbaren Mikroballons wird durch die Kapselgeometrie beschrieben, welche sowohl einen wässrigen Kern als auch eine elastomere, semi-permeable Membran aufweist. Diese Kompartimentierung ermöglicht zum einen die Generierung eines osmotischen Druckgradientens zwischen Kapselkern und Umgebung und zum anderen die Erzeugung einer dünnen und umspannenden Polymermembran. Der osmotische Druck als auch die hiermit einhergehende Expansionsgeschwindigkeit nach Aufschmelzen der Kapselmembran sollte durch das Einstellen des Salzgehaltes des Partikelkerns möglich sein. Eine reversible Kapselschrumpfung nach erfolgter Expansion sollte durch Änderungen des äußeren Salzgehaltes zugänglich sein. Auf Basis dieses Konzepts sollten demnach reversibel schaltbare Mikropumpen und Mikroventile realisierbar sein, wobei die Art ihrer Funktion sowohl von ihrem Expansionszustand als auch von der Richtung des osmotischen Druckgradienten abhängt. Die templat-basierte Erzeugung von Mikroballons mit einem Durchmesser von ca. 300 µm erfolgte aus (w/o/w) Doppelemulsionströpfchen mittels Mikrofluidik. Die elastomere Kapselmembran wurde durch Photovernetzung von Methacrylat funktionalisierten oligo(ϵ-caprolacton) Vorläufern (≈ 3.8 MA-Arme, Mn ≈ 12000 g mol-1) aus der organischen Phase (o) und nach Abschluss der Tröpfchenformierung erzeugt. Nach Verfestigung der Kapselmembran durch langsames extrahieren des Lösungsmittelgemisches (Toluol/Chloroform) über die kontinuierliche wässrige Phase, wurden unter bestimmten Reaktionsbedingungen während der Photovernetzung (e.g. λ = 308 nm, 57 mJ·s-1·cm-2, 16 min) formanisotrope "pilzförmige" Mikrokapseln erhalten. Es wurde festgestellt, dass über die Syntheseparameter der Oligomerkonzentration und Belichtungszeit, die Formgebung zwischen kugelförmigen und "pilzförmigen" Kapseln gesteuert werden konnte. Im Fall von niedrigen Oligomerkonzentrationen und kurzen Belichtungszeiten wurden kugelförmige Mikrokapseln und ansonsten "pilzförmige" Kapseln erzeugt. In einer vergleichenden Studie an dünnen Polymernetzwerkfilmen gleicher Zusammensetzung und Behandlung konnte ein Zusammenhang zwischen den beiden Syntheseparametern und der Kontraktilität der Filme bestätigt werden, wobei im Falle höherer Oligomerkonzentrationen und längeren Belichtungszeiten eine stärkere Kontraktion der Filme nach Abdampfen des Lösungsmittelgemisches beobachtet werden konnte. Zusammen mit Beobachtungen eines kontinuierlichen Ausprägens der "Pilzform" von initial annähernd kugelförmigen Kapseln im Laufe des Verfestigungsprozesses mittels Lichtmikroskopie wird folgender Mechanismus der Formausprägung vorgeschlagen. Kapseln mit niedriger Vernetzungsdichte zeigen nur eine geringe Kontraktilität, wodurch das Polymernetzwerk nach Extraktion des Lösungsmittelgemisches frei auf der Kernoberfläche kollabieren kann. Stark vernetzte Kapseln weisen hingegen eine sehr starke Schrumpfung infolge des Lösungsmittelverlustes auf. Aufgrund der nicht mittigen Positionierung des wässrigen Kerns mit Abschluss der Tröpfchenbildung und der darauf ausgebildeten inhomogenen Schichtdickenverteilung ergeben sich unterschiedlich starke radiale Spannungsunterschiede entlang der Membran. Bereiche großer Materialstärke kontrahieren infolge stärker und sorgen für eine Verformung des inkompressiblen wässrigen Kerns in Richtung dünnerer Membransegmente, welche daraufhin gedehnt werden. Nach Abschluss der Membranverfestigung liegen demnach entspannte und stark vorgedehnte Membransegmente vor, die aufgrund der Kristallisation konserviert werden. Die "Pilzform" bietet hinsichtlich der Expansionseigenschaften der Mikroballons einige Vorteile gegenüber ihrem kugelförmigen Pendant, weswegen diese für die weiteren Experimente verwendet wurden. Neben den Anforderung hoher Vernetzungsdichten zum Zwecke der geforderten Elastizität, wird durch die Formanisotropie und der damit verbundenen Schichtdickenunterschiede die Expansionsgeschwindigkeit der Kapseln gesteigert. Weiterhin könnte die Vorstreckung der dünnen Membranschichten eine zusätzliche Stabilität gegenüber dem angelegten osmotischen Drucks aufweisen und somit ein ungewolltes Expandieren unterhalb der Schmelztemperatur erschweren. Die resultierenden "pilzförmigen" Mikroballons wiesen je nach eingestellter Schichtdicke und innerer Salzkonzentration, einen Schmelzpunkt von Tm ≈ 50 - 60 °C und einen Kristallisationsgrad von Xc ≈ 29 - 38 % auf, welche verglichen mit dem unvernetzten PCL Homopolymer geringfügig kleiner waren. Dies liegt zum einen an der erhöhten Anzahl von Kettenenden und zum anderen an der eingeschränkten Kettenmobilität infolge der Oligomervernetzung. Es konnte jedoch weiterhin eine starke Verringerung der mechanischen Steifigkeit nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur beobachtet werden. Der große Einfluss der Temperatur auf die Expansion der Mikroballons konnte für mehrere Kapseln bestätigt werden. Kapseln welche einem osmotischen Druck von 1.5 bis 4.7 MPa ausgesetzt waren zeigten keine Größenveränderung bei Raumtemperatur, d.h. weit unterhalb der Schmelztemperatur. Im Gegensatz hierzu wurde eine starke Volumenzunahme aller Kapseln nach dem Überschreiten der Schmelztemperatur, bei 60 °C festgestellt. Mikroballons welche für 56 Tage einem osmotischen Druck von 1.5 MPa bei Raumtemperatur ausgesetzt waren zeigten keine signifikanten Volumenänderungen, weswegen insbesondere der Effekt der mechanischen Erweichung ausschlaggebend für das Schaltprinzip gemacht werden kann. Das zeitaufgelöste Expansionsverhalten der Mikroballons oberhalb ihres Schmelzpunktes wurde daraufhin unter Verwendung von Diffusionsgleichungen, welche für die Formanisotropie und elastische Rückstellkräfte korrigiert wurden, modelliert. Ein formabhängiger Vorfaktor, der die Expansionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schichtdickenunterschiede und des Expansionszustandes beschreibt, wurde ebenso eingeführt wie ein Term zur Beschreibung der mechanischen Rückstellkräfte auf Basis eines hyperelastischen Materialmodells. Das Model ermöglichte zum einen eine Beschreibung der endlichen Expandierfähigkeit aufgrund entropie-elastischer Rückstellkräfte sowie aufgrund von Kaltverfestigungen, und zum anderen eine deutliche Beschleunigung des Expandiervorganges aufgrund der Kapselanisotropie. Der Vergleich sechs unterschiedlicher Kapseln mit unterschiedlichen Schichtdicken und inneren Salzgehalten zeigte zudem, in Übereinstimmung mit dem Modell, eine lineare Abhängigkeit von Schichtdicke, osmotischen Druck und der Volumenzunahme. Die mit dem Modell einhergehende Vorhersagemöglichkeit der Expansionskinetik hinsichtlich der mechanischen und diffusionsbedingten Materialcharakteristika stellen somit möglicherweise eine Hilfestellung dar, eine zukünftige Materialauswahl zu treffen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass durch Rekristallisation der Kapselmembran und der damit verbundenen Wiederherstellung der mechanischen Steifigkeit, intermediäre Kapselgrößen isoliert werden konnten, was nach besten Wissen des Standes-der-Technik andernfalls nur schwer zu erreichen ist. Ungeachtet des Expansionsgrades konnten nur geringe Änderungen der Kristallinität festgestellt werden, wohingegen die Kristallgröße mit zunehmender Expansion abnahm. Diesbezüglich wird angenommen dass der Elastizitätsmodulus nur geringfügigen Veränderungen unterliegt oder sogar aufgrund einer Kettenversteifung tendenziell zunimmt. Zusätzlich der Betrachtung einer Volumenzunahme, konnte durch die Änderung des Druckgradienten ebenfalls ein Schrumpfen der Kapseln erreicht werden. Die Reversibilität dieses Prozesses wurde in Expansions/Deflations-Zyklen bestätigt und ist eine wichtige Eigenschaft der Mikroballons hinsichtlich ihrer Verwendung als Mikropumpe und Mikroventil. Die Fixierung expandierter Mikrokapseln durch Rekristallisierung der Membran ermöglichte weiterhin eine Pumpfunktion in nicht-wässrigen Medien. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Pumpleistung sowohl von dem umgebenden Medium als auch von der applizierten Temperatur abhingen. Medien, die einen schnellen Abtransport der freigesetzten Flüssigkeit ermöglichten, als auch hohe Temperaturen steigerten hierbei die Pumpleistung. Mikroballons mit einer sehr großen Auswurfleistung konnten durch das Einbringen einer Öffnung in die Membran erzeugt werden. Die Fixierung intermediärer Kapselgrößen ermöglichte Ventilkonstruktionen, welche eine präzise Flussrateneinstellung und ein vielfaches öffnen und Schließen des Ventils ermöglichte. Diese Konstruktionen wurden durch das Einbringen eines oder mehrerer Mikroballons realisiert. Ein teilweises und vollkommenes Schließen dieser Mikroballon-basierten Ventilen wurde mit einem periodischen Versuchsaufbau in Abhängigkeit der Heizperiode gezeigt. Dabei wurden unterschiedliche Expansions- und Deflationskinetiken mit einem schnelleren Schrumpfverhalten bestätigt. Zusammenfassend wurden Mikroballons entwickelt, welche sowohl eine "on-demand" Pumpfunktion als auch eine reversible Ventilfunktion aufweisen. Die Implementierung des Schaltmotives in die Partikelmembran sowie die kontrollierbaren Expansions/Deflationskinetiken machen die Mikroballons gegebenenfalls zu geeigneten Komponenten für hochintegrierbare LOC-Systeme. Im Vergleich zu anderen Stimuli-sensitiven Materialien ist die Möglichkeit der nahezu kontinuierlichen Stabilisierung von intermediärer Partikelgrößen hervorzuheben. Dieses Verhalten wird dabei durch Wechselspiel zwischen Materialeigenschaften und Kapselgeometrie erzeugt.
KW  - microcapsules
KW  - expansion
KW  - stimuli-sensitivity
KW  - microfluidics
KW  - polymer network
KW  - Mikrokapseln
KW  - expandierbar
KW  - Stimuli-Sensitivität
KW  - Mikrofluidik
KW  - Polymernetzwerk
Y1  - 2023
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhou, Shuo
T1  - Biological evaluation and sulfation of polymer networks from glycerol glycidyl ether
N2  - Cardiovascular diseases are the main cause of death worldwide, and their prevalence is expected to rise in the coming years. Polymer-based artificial replacements have been widely used for the treatment of cardiovascular diseases. Coagulation and thrombus formation on the interfaces between the materials and the human physiological environment are key issues leading to the failure of the medical device in clinical implantation. The surface properties of the materials have a strong influence on the protein adsorption and can direct the blood cell adhesion behavior on the interfaces. Furthermore, implant-associated infections will be induced by bacterial adhesion and subsequent biofilm formation at the implantation site. Thus, it is important to improve the hemocompatibility of an implant by altering the surface properties. One of the effective strategies is surface passivation to achieve protein/cell repelling ability to reduce the risk of thrombosis. 
This thesis consists of synthesis, functionalization, sterilization, and biological evaluation of bulk poly(glycerol glycidyl ether) (polyGGE), which is a highly crosslinked polyether-based polymer synthesized by cationic ring-opening polymerization. PolyGGE is hypothesized to be able to resist plasma protein adsorption and bacterial adhesion due to analogous chemical structure as polyethylene glycol and hyperbranched polyglycerol. Hydroxyl end groups of polyGGE provide possibilities to be functionalized with sulfates to mimic the anti-thrombogenic function of the endothelial glycocalyx. 
PolyGGE was synthesized by polymerization of the commercially available monomer glycerol glycidyl ether, which was characterized as a mixture of mono-, di- and tri-glycidyl ether. Cationic ring opening-polymerization of this monomer was carried out by ultraviolet (UV) initiation of the photo-initiator diphenyliodonium hexafluorophosphate. With the increased UV curing time, more epoxides in the side chains of the monomers participated in chemical crosslinking, resulting in an increase of Young’s modulus, while the value of elongation at break of polyGGE first increased due to the propagation of the polymer chains then decreased with the increase of crosslinking density. Eventually, the chain propagation can be effectively terminated by potassium hydroxide aqueous solution. PolyGGE exhibited different tensile properties in hydrated conditions at body temperature compared to the values in the dry state at room temperature. Both Young’s modulus and values of elongation at break were remarkably reduced when tested in water at 37 °C, which was above the glass transition temperature of polyGGE. At physiological conditions, entanglements of the ployGGE networks unfolded and the free volume of networks were replaced by water molecules as softener, which increased the mobility of the polymer chains, resulting in a lower Young’s modulus. 
Protein adsorption analysis was performed on polyGGE films with 30 min UV curing using an enzyme-linked immunosorbent assay. PolyGGE could effectively prevent the adsorption of human plasma fibrinogen, albumin, and fibronectin at the interface of human plasma and polyGGE films. The protein resistance of polyGGE was comparable to the negative controls: the hemocompatible polydimethylsiloxane (PDMS), showing its potential as a coating material for cardiovascular implants. Moreover, antimicrobial tests of bacterial activity using isothermal microcalorimetry and the microscopic image of direct bacteria culturing demonstrated that polyGGE could directly interfere biofilm formation and growth of both Gram-negative and antibiotic-resistant Gram-positive bacteria, indicating the potential application of polyGGE for combating the risk of hospital-acquired infections and preventing drug-resistant superbug spreading.
To investigate its cell compatibility, polyGGE films were extracted by different solvents (ethanol, chloroform, acetone) and cell culture medium. Indirect cytotoxicity tests showed extracted polyGGE films still had toxic effects on L929 fibroblast cells. High-performance liquid chromatography/electrospray ionization mass spectrometry revealed the occurrence of organochlorine-containing compounds released during the polymer-cell culture medium interaction. A constant level of those organochlorine-containing compounds was confirmed from GGE monomer by a specific peak of C-Cl stretching in infrared spectra of GGE. This is assumed to be the main reason causing the increased cell membrane permeability and decreased metabolic activity, leading to cell death. Attempts as changing solvents were made to remove toxic substances, however, the release of these small molecules seems to be sluggish. The densely crosslinked polyGGE networks can possibly contribute to the trapping of organochlorine-containing compounds. These results provide valuable information for exploring the potentially toxic substances, leaching from polyGGE networks, and propose a feasible strategy for minimizing the cytotoxicity via reducing their crosslinking density.

Sulfamic acid/ N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) were selected as the reagents for the sulfation of polyGGE surfaces. Fourier transform attenuated total reflection infrared spectroscopy (ATR-FT-IR) was used to monitor the functionalization kinetics and the results confirmed the successful sulfate grafting on the surface of polyGGE with the covalent bond -C-O-S-. X-ray photoelectron spectroscopy was used to determine the element composition on the surface and the cross-section of the functionalized polyGGE and sulfation within 15 min guarantees the sulfation only takes place on the surface while not occurring in the bulk of the polymer. The concentration of grafted sulfates increased with the increasing reaction time. The hydrophilicity of the surface of polyGGE was highly increased due to the increase of negatively charged end groups. Three sterilization techniques including autoclaving, gamma irradiation, and ethylene oxide (EtO) sterilization were used for polyGGE sulfates. Results from ATR-FT-IR and Toluidine Blue O quantitative assay demonstrated the total loss of the sulfates after autoclave sterilization, which was also confirmed by the increased water contact angle. Little influence on the concentration of sulfates was found for gamma-irradiated and autoclaving sterilized polyGGE sulfates. To investigate the thermal influence on polyGGE sulfates, one strategy was to use poly(hydroxyethyl acrylate) sulfates (PHEAS) for modeling. The thermogravimetric analysis profile of PHEAS demonstrated that sulfates are not thermally stable independent of the substrate materials and decomposition of sulfates occurs at around 100 °C. Although gamma irradiation also showed little negative effect on the sulfate content, the color change in the polyGGE sulfates indicates chemical or physical change might occur in the polymer. EtO sterilization was validated as the most suitable sterilization technique to maintain the chemical structure of polyGGE sulfates.
In conclusion, the conducted work proved that bulk polyGGE can be used as an antifouling coating material and shows its antimicrobial potential. Sulfates functionalization can be effectively realized using sulfamic acid/NMP. EtO sterilization is the most suitable sterilization technique for grafted sulfates. Besides, this thesis also offers a good strategy for the analysis of toxic leachable substances using suitable physicochemical characterization techniques. Future work will focus on minimizing/eliminating the release of toxic substances via reducing the crosslinking density. Another interesting aspect is to study whether grafted sulfates can meet the need for anti-thrombogenicity.
N2  - Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die Haupttodesursache, und es wird erwartet, dass ihre Prävalenz in den kommenden Jahren zunehmen wird. Künstlicher Ersatz auf Polymerbasis wird in großem Umfang für die Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt. Gerinnung und Thrombenbildung an den Grenzflächen zwischen den Materialien und der menschlichen physiologischen Umgebung sind ein Hauptproblem, das zum Versagen des Medizinprodukts bei der klinischen Implantation führt. Die Oberflächeneigenschaften der Materialien haben einen starken Einfluss auf die Proteinadsorption und können das Adhäsionsverhalten von Blutzellen an den Grenzflächen steuern. Darüber hinaus werden Implantat-assoziierte Infektionen durch bakterielle Adhäsion und anschließende Biofilmbildung an der Implantationsstelle ausgelöst. Daher ist es wichtig, die Hämokompatibilität eines Implantats durch Veränderung der Oberflächeneigenschaften zu verbessern. Eine der wirksamen Strategien ist die Oberflächenpassivierung, um die Fähigkeit zur Protein-/Zellabweisung zu erreichen und so das Thromboserisiko zu verringern. 
Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese, Funktionalisierung, Sterilisation und biologischen Bewertung von Poly(glycerin glycidyl ether) (polyGGE), einem stark vernetzten Polymer auf Polyetherbasis, das durch kationische Ringöffnungspolymerisation hergestellt wird. Es wird angenommen, dass PolyGGE aufgrund seiner ähnlichen chemischen Struktur wie Polyethylenglykol und hyperverzweigtes Polyglycerin der Adsorption von Plasmaproteinen und der Anhaftung von Bakterien widerstehen kann. Die Hydroxyl-Endgruppen von PolyGGE können mit Sulfaten funktionalisiert werden, um die antithrombogene Funktion der endothelialen Glykokalyx zu imitieren. 
PolyGGE wurde durch Polymerisation des kommerziell erhältlichen Monomers Glycerin Glycidyl ether synthetisiert, das als Mischung aus Mono-, Di- und Triglycidylether charakterisiert wurde. Die kationische Ringöffnungspolymerisation dieses Monomers wurde mit Hilfe des Photoinitiators Diphenyliodoniumhexafluorophosphat durch Ultraviolett (UV) ausgelöst. Mit zunehmender UV-Härtungszeit nahmen mehr Epoxide in den Seitenketten der Monomere an der chemischen Vernetzung teil, was zu einem Anstieg des Elastizitätsmoduls führte, während der Wert der Bruchdehnung von polyGGE zunächst aufgrund der Ausbreitung der Polymerketten anstieg und dann mit zunehmender Vernetzungsdichte abnahm. Schließlich kann die Kettenausbreitung durch wässrige Kaliumhydroxidlösung wirksam gestoppt werden. PolyGGE wies im hydratisierten Zustand bei Körpertemperatur andere Zugeigenschaften auf als im trockenen Zustand bei Raumtemperatur. Sowohl der Elastizitätsmodul als auch die Werte der Bruchdehnung waren deutlich reduziert, wenn sie in Wasser bei 37 °C getestet wurden, was oberhalb der Glasübergangstemperatur von PolyGGE lag. Unter physiologischen Bedingungen entfalteten sich die Verflechtungen der PolyGGE-Netzwerke und das freie Volumen der Netzwerke wurde durch Wassermoleküle als Weichmacher ersetzt, was die Mobilität der Polymerketten erhöhte und zu einem niedrigeren Elastizitätsmodul führte. 
Die Proteinadsorptionsanalyse wurde an PolyGGE-Filmen mit 30-minütiger UV-Härtung unter Verwendung eines Enzymimmunoassays durchgeführt. PolyGGE konnte die Adsorption von Fibrinogen, Albumin und Fibronektin aus menschlichem Plasma an der Grenzfläche zwischen menschlichem Plasma und PolyGGE-Filmen wirksam verhindern. Die Proteinresistenz von PolyGGE war vergleichbar mit den Negativkontrollen: dem hämokompatiblen Polydimethylsiloxan, was sein Potenzial als Beschichtungsmaterial für kardiovaskuläre Implantate zeigt. Darüber hinaus zeigten antimikrobielle Tests der bakteriellen Aktivität mittels isothermischer Mikrokalorimetrie und das mikroskopische Bild der direkten Bakterienkultur, dass PolyGGE die Biofilmbildung und das Wachstum sowohl von gramnegativen als auch von antibiotikaresistenten grampositiven Bakterien direkt stören kann, was auf die potenzielle Anwendung von PolyGGE zur Bekämpfung des Risikos von Krankenhausinfektionen und zur Verhinderung der Ausbreitung arzneimittelresistenter Superbugs hinweist.
Um die Zellkompatibilität zu untersuchen, wurden polyGGE-Folien mit verschiedenen Lösungsmitteln (Ethanol, Chloroform, Aceton) und Zellkulturmedium extrahiert. Indirekte Zytotoxizitätstests zeigten, dass die extrahierten polyGGE-Filme immer noch eine toxische Wirkung auf L929-Fibroblastenzellen hatten. Die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie/Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie zeigte das Auftreten von chlororganischen Derivaten, die während der Interaktion zwischen Polymer und Zellkulturmedium freigesetzt wurden. Ein konstantes Niveau dieser chlororganischen Derivate wurde vom GGE-Monomer durch einen spezifischen C-Cl-Streckungspeak im Infrarotspektrum von GGE bestätigt. Es wird angenommen, dass dies der Hauptgrund für die erhöhte Permeabilität der Zellmembran und die verringerte Stoffwechselaktivität ist, was zum Zelltod führt. Es wurden Versuche unternommen, die Lösungsmittel zu wechseln, um die toxischen Substanzen zu entfernen, aber die Freisetzung dieser kleinen Moleküle scheint nur langsam zu erfolgen. Die dicht vernetzten polyGGE-Netzwerke können möglicherweise zum Einschluss chloridhaltiger Verbindungen beitragen. Diese Ergebnisse liefern wertvolle Informationen für die Erforschung potenzieller toxischer Substanzen, die aus PolyGGE-Netzwerken ausgewaschen werden, und schlagen eine praktikable Strategie zur Minimierung der Zytotoxizität durch Verringerung der Vernetzungsdichte vor.
Als Reagenzien für die Sulfatierung von PolyGGE-Oberflächen wurden Sulfaminsäure und N-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) gewählt. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion (ATR-FT-IR) wurde zur Überwachung der Funktionalisierungskinetik eingesetzt, und die Ergebnisse bestätigten die erfolgreiche Sulfatpfropfung auf der Oberfläche von PolyGGE mit der kovalenten Bindung -C-O-S-. Mit Hilfe der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie wurde die Elementzusammensetzung auf der Oberfläche und der Querschnitt des funktionalisierten PolyGGE bestimmt, und die Sulfatierung innerhalb von 15 Minuten garantiert, dass die Sulfatierung nur auf der Oberfläche stattfindet, während sie in der Masse des Polymers nicht vorkommt. Die Konzentration der gepfropften Sulfate nahm mit zunehmender Reaktionszeit zu. Die Hydrophilie der Oberfläche von polyGGE wurde durch die Zunahme negativ geladener Endgruppen stark erhöht. Für die PolyGGE-Sulfate wurden drei Sterilisationstechniken verwendet: Autoklavieren, Gammastrahlenbestrahlung und Ethylenoxid (EtO)-Sterilisation. Die Ergebnisse der quantitativen ATR-FT-IR und Toluidinblau O-Untersuchung zeigten den vollständigen Verlust der Sulfate nach der Sterilisation im Autoklaven, was auch durch den erhöhten Wasserkontaktwinkel bestätigt wurde. Bei den mit Gammastrahlen und im Autoklaven sterilisierten PolyGGE-Sulfaten wurde nur ein geringer Einfluss auf die Sulfatkonzentration festgestellt. Um den thermischen Einfluss auf PolyGGE-Sulfate zu untersuchen, bestand eine Strategie darin, ein Poly(hydroxyethylacrylat)-Sulfat (PHEAS) für die Modellierung zu verwenden. Das Profil der thermogravimetrischen Analyse von PHEAS zeigte, dass Sulfate unabhängig von den Substratmaterialien thermisch nicht stabil sind und die Zersetzung der Sulfate bei etwa 100 °C stattfindet. Obwohl die Gammasterilisation ebenfalls kaum negative Auswirkungen auf den Sulfatgehalt hat, deutet die Farbveränderung der PolyGGE-Sulfate darauf hin, dass chemische oder physikalische Veränderungen im Polymer auftreten könnten. Die EtO-Sterilisation erwies sich als die am besten geeignete Sterilisationstechnik, um die chemische Struktur der PolyGGE-Sulfate zu erhalten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführte Arbeit bewiesen hat, dass PolyGGE als Antifouling-Beschichtungsmaterial verwendet werden kann und sein antimikrobielles Potenzial zeigt. Die Funktionalisierung der Sulfate kann mit Sulfaminsäure/NMP effektiv durchgeführt werden. Die EtO-Sterilisation ist die am besten geeignete Sterilisationstechnik für gepfropfte Sulfate. Darüber hinaus bietet diese Arbeit auch eine gute Strategie für die Analyse toxischer auslaugbarer Substanzen mit Hilfe geeigneter physikalisch-chemischer Charakterisierungstechniken. Zukünftige Arbeiten werden sich darauf konzentrieren, die Freisetzung toxischer Substanzen durch Verringerung der Vernetzungsdichte zu minimieren bzw. zu eliminieren. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Untersuchung, ob gepfropfte Sulfate den Anforderungen an die Anti-Thrombogenität gerecht werden können.
KW  - Sulfation
KW  - Antifouling
KW  - antimicrobial
KW  - Polyether
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Neumann, Christian
T1  - Development of functionalized waterborne coatings for the production of multifunctional microapsules
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Zhao, Yuhang
T1  - Synthesis and surface functionalization on plasmonic nanoparticles for optical applications
N2  - This thesis focuses on the synthesis of novel functional materials based on plasmonic nanoparticles. Three systems with targeted surface modification and functionalization have been designed and synthesized, involving modified perylenediimide doped silica-coated silver nanowires, polydopamine or TiO2 coated gold-palladium nanorods and thiolated poly(ethylene glycol) (PEG-SH)/dodecanethiol (DDT) modified silver nanospheres. Their possible applications as plasmonic resonators, chiral sensors as well as photo-catalysts have been studied. In addition, the interaction between silver nanospheres and 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) molecules has also been investigated in detail.
In the first part of the thesis, surface modification on Ag nanowires (NWs) with optimized silica coating through a modified Stöber method has been firstly conducted, employing sodium hydroxide (NaOH) to replace ammonia solution (NH4OH). The coated silver nanowires with a smooth silica shell have been investigated by single-particle dark-field scattering spectroscopy, transmission electron microscopy and electron-energy loss spectroscopy to characterize the morphologies and structural components. The silica-coated silver nanowires can be further functionalized with fluorescent molecules in the silica shell via a facile one-step coating method. The as-synthesized nanowire is further coupled with a gold nanosphere by spin-coating for the application of the sub-diffractional chiral sensor for the first time. The exciton-plasmon-photon interconversion in the system eases the signal detection in the perfectly matched 1D nanostructure and contributes to the high contrast of the subwavelength chiral sensing for the polarized light.
In the second part of the thesis, dumbbell-shaped Au-Pd nanorods coated with a layer of polydopamine (PDA) or titanium dioxide (TiO2) have been constructed. The PDA- and TiO2- coated Au-Pd nanorods show a strong photothermal conversion performance under NIR illumination. Moreover, the catalytic performance of the particles has been investigated using the reduction of 4-nitrophenol (4-NP) as the model reaction. Under light irradiation, the PDA-coated Au-Pd nanorods exhibit a superior catalytic activity by increasing the reaction rate constant of 3 times. The Arrhenius-like behavior of the reaction with similar activation energies in the presence and absence of light irradiation indicates the photoheating effect to be the dominant mechanism of the reaction acceleration. Thus, we attribute the enhanced performance of the catalysis to the strong photothermal effect that is driven by the optical excitation of the gold surface plasmon as well as the synergy with the PDA layer.
In the third part, the kinetic study on the adsorption of 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquino-dimethane (F4TCNQ) on the surface of Ag nanoparticles (Ag NPs) in chloroform has been reported in detail. Based on the results obtained from the UV-vis-NIR absorption spectroscopy, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM), scanning nano-beam electron diffraction (NBED) and electron energy loss spectroscopy (EELS), a two-step interaction kinetics has been proposed for the Ag NPs and F4TCNQ molecules. It includes the first step of electron transfer from Ag NPs to F4TCNQ indicated by the ionization of F4TCNQ, and the second step of the formation of Ag-F4TCNQ complex. The whole process has been followed via UV-vis-NIR absorption spectroscopy, which reveals distinct kinetics at two stages: the instantaneous ionization and the long-term complex formation. The kinetics and the influence of the molar ratio of Ag NPs/F4TCNQ molecules on the interaction between Ag NPs and F4TCNQ molecules in the organic solution are reported herein for the first time. Furthermore, the control experiment with silica-coated Ag NPs indicates that the charge transfer at the surface between Ag NPs and F4TCNQ molecules has been prohibited by a silica layer of 18 nm.
KW  - plasmonic nanoparticles
KW  - silica
KW  - polydopamine
KW  - TiO2
KW  - chiral sensing
KW  - catalysis
KW  - surface interaction
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Yan, Wan
T1  - Shape-Memory effects of thermoplatic multiblock copolymers with overlapping thermal transitions
Y1  - 2021
ER  - 
TY  - THES
A1  - Heyne, Benjamin
T1  - Design and Synthesis of Highly Efficient InPZnS/ZnSe/ZnS Multishell Quantum Dots and Phase Transfer via Ligand Exchange
Y1  - 2022
ER  - 
TY  - THES
A1  - Nie, Yan
T1  - Modulating keratinocyte and induced pluripotent stem cell behavior by microenvironment design or temperature control
N2  - Under the in vivo condition, a cell is continually interacting with its surrounding microenvironment, which is composed of its neighboring cells and the extracellular matrix (ECM). These components generate and transmit the microenvironmental signals to regulate the fate and function of the target cells. Except the signals from the microenvironment, stimuli from the ambient environment, such as temperature changes, also play an important in modulating the cell behaviors, which are considered as regulators from the macroenvironment. In this regard, recapitulation of these environmental factors to steer cell function will be of crucial importance for therapeutic purposes and tissue regeneration. Although the role of a variety of environmental factors has been evaluated, it is still challenging to identify and provide the appropriate factors, which are required for optimizing the survival of cells and for ensuring effective cell functions.
Thus, in vitro recreating the environmental factors that are present in the extracellular environment would help to understand the mechanism of how cells sense and process those environmental signals. In this context, this thesis is aimed to harness these environmental parameters to guide cell responses. Here, human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) and human keratinocytes (KTCs), HaCaT cells, were used to investigate the impact of signals from the microenvironment or stimuli from the macroenvironment.
Firstly, polydopamine (PDA) or chitosan (CS) modifications were applied to generate different substrate surfaces for hiPSCs and KTCs (Chapter 4 to Chapter 6). Our results showed that the PDA modification was efficient to increase the cell-substrate adhesion and consequently promoted cell spreading. While CS modification was able to decrease the cell-substrate adhesion and enhance the cell-cell interaction, which enabled the morphology shift from monolayered cells to multicellular spheroids. The quantitative result was acquired using the atomic force microscopy (AFM)-based single-cell force spectroscopy. The balance between the cell-substrate and cell-cell adhesion yielded a net force, which determined the preference of the cell to adhere to its neighboring cells or to the substrate. The difference in the adhesive behaviors further affected the cellular function, such as the proliferation and differentiation potential of both hiPSCs and HaCaT cells.
Next, the cyclic temperature changes (ΔT) were selected here to study the influence of macroenvironmental stimuli on hiPSCs and KTCs (Chapter 7 and Chapter 8). The macroenvironmental temperature ranging from 10.0 ± 0.1 °C to 37.0 ± 0.1 °C was achieved using a thermal chamber equipped with a temperature controller. This temperature range was selected to explore the responses of hiPSCs to the extreme environments, while a temperature variation between 25.0 ± 0.1 °C and 37.0 ± 0.1 °C was applied to mimic the ambient temperature variations experienced by the skin epithelial KTCs. The ΔT led to cell stiffening in both hiPSCs and HaCaT cells in a cytoskeleton-dependent manner, which was measured by AFM. Specifically, in hiPSCs, the cell stiffening was resulted from the rearrangement of the actin skeleton; in HaCaT cells, was due to the difference of the Keratin (KRT) filaments. Except for inducing cell hardening, ΔT also caused differences in the protein expression profiles in hiPSCs or HaCaT cells, compared to those without ΔT treatment, which might be attributed to the alterations in their cytoskeleton structures.
To sum up, the results of the thesis demonstrated how individual factors from the micro-/macro-environment can be harnessed to modulate the behaviors of hiPSCs and HaCaT cells. Engineering the microenvironmental cues using surface modification and exploiting the macroenvironmental stimuli through temperature control were identified as precise and potent approaches to steer hiPSC and HaCaT cell behaviors. The application of AFM served as a non-invasive and real-time monitoring platform to trace the change in cell topography and mechanics induced by the environmental signals, which provide novel insights into the cell-environment interactions.
N2  - In vivo interagiert eine Zelle ständig mit ihrer Mikroumgebung, die aus ihren Nachbarzellen und der extrazellulären Matrix (ECM) besteht. Diese Komponenten erzeugen und übertragen die Mikroumgebungssignale, um das Schicksal und die Funktion der Zielzellen zu regulieren. Außer den Signalen aus der Mikroumgebung spielen auch Reize aus der Makroumgebung, wie Temperaturänderungen, eine wichtige Rolle bei der Modulation des Zellverhaltens. In dieser Hinsicht ist es wichtig, diese Umweltfaktoren zur Steuerung der Zellfunktion für therapeutische Zwecke und die Geweberegeneration zu rekapitulieren. Es stellt sich immer noch eine Herausforderung, geeignete Faktoren zu identifizieren und bereitzustellen, die zur Optimierung des Überlebens von Zellen und zur Sicherstellung effektiver Zellfunktionen erforderlich sind.
Daher würde die in vitro-Nachbildung der Umweltfaktoren helfen, den Mechanismus zu verstehen, wie Zellen diese Umweltsignale wahrnehmen und verarbeiten. In diesem Zusammenhang zielt diese Dissertation darauf ab, diese externen Parameter zu nutzen, um Zellantworten zu steuern. Hier wurden humaninduzierte pluripotente Stammzellen (hiPSCs) und humane Keratinozyten (KTCs) wie HaCaT-Zellen verwendet, um den Einfluss von Signalen aus der Mikroumgebung oder Stimuli aus der Makroumgebung zu untersuchen.
Zunächst wurden Modifikationen mit Polydopamin (PDA) oder Chitosan (CS) angewendet, um unterschiedliche Substratoberflächen für hiPSCs und KTCs zu erzeugen (Kapitel 4 bis Kapitel 6). Unsere Ergebnisse zeigten, dass die PDA-Modifikation die Zell-Substrat-Adhäsion erhöhte und folglich die Zellausbreitung förderte. Während die CS-Modifikation die Zell-Substrat-Adhäsion verringerte und die Zell-Zell-Interaktion verstärkte, verändeite sich die Morphologie von einschichtigen Zellen zu mehrzelligen Sphäroiden. Das quantitative Ergebnis wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM)-basierter Einzelzellkraftspektroskopie gewonnen. Das Gleichgewicht zwischen Zell-Substrat und Zell-Zell-Adhäsion ergab eine Nettokraft, die die Präferenz der Zelle bestimmt, an ihren Nachbarzellen oder am Substrat zu haften. Der Unterschied im Adhäsionsverhalten beeinflusste außerdem die Zellfunktion, wie das Proliferations- und Differenzierungspotential von hiPSCs und HaCaT-Zellen.
Als nächstes wurden hier zyklische Temperaturänderungen (ΔT) ausgewählt, um den Einfluss von Stimuli aus der Makroumgebung auf hiPSCs und KTCs zu untersuchen (Kapitel 7 und Kapitel 8). Die Makroumgebungstemperatur im Bereich von 10,0 ± 0,1 °C bis 37,0 ± 0,1 °C wurde unter Verwendung einer mit einem Temperaturregler ausgestatteten Wärmekammer erreicht.
Dieser Temperaturbereich wurde gewählt, um die Reaktion von hiPSCs auf extreme Umgebungen zu untersuchen, während eine Temperaturvariation zwischen 25,0 ± 0,1 ° C und 37,0 ± 0,1 ° C angewendet wurde, um die Temperaturänderungen nachzuahmen, die die Epithelzellen erfahren. Das ΔT führte zytoskelettabhängig zu einer Zellversteifung sowohl in hiPSCs als auch in HaCaT-Zellen, die mittels AFM gemessen wurde. Insbesondere bei hiPSCs resultierte die Zellversteifung aus der Neuordnung des Aktinskeletts; in HaCaT-Zellen, war auf den Unterschied der Keratin (KRT)-Filamente zurückzuführen. Abgesehen von der festgestellten Erhärtung der Zellen verursachte ΔT auch Unterschiede in den Proteinexpressionsprofilen in hiPSCs oder HaCaT-Zellen im Vergleich zu denen ohne ΔT-Behandlung. Dies könnte auf die Veränderungen in ihren Zytoskelettstrukturen zurückgeführt werden.
Zusammenfassend zeigten die Ergebnisse, wie die drei Faktoren (PDA/CS-Modifikation und ΔT) aus der Mikro-/Makroumgebung genutzt werden können, um das Verhalten von hiPSCs und HaCaT-Zellen zu modulieren. Als präzise und wirksame Ansätze zur Steuerung des hiPSC- und HaCaT-Zellen-Verhaltens wurde das Engineering der Mikroumgebungssignale durch Oberflächenmodifikation und die Nutzung der Makroumgebungsreize durch Temperaturkontrolle identifiziert. Die Anwendung von AFM diente als nicht-invasive und Echtzeit-Überwachungsplattform, um die durch die Umweltsignale induzierten Veränderungen der Zelltopographie und -mechanik zu verfolgen, die neue Einblicke in die Zell-Umwelt-Interaktionen liefern.
KW  - human induced pluripotent stem cells
KW  - human keratinocytes
KW  - cell-environment interactions
KW  - surface modification
KW  - temperature variations
KW  - humaninduzierte pluripotente Stammzellen
KW  - humane Keratinozyten
KW  - Zell-Umwelt-Interaktionen
KW  - Oberflächenmodifikation
KW  - Temperaturänderungen
Y1  - 2022
ER  -