TY - THES A1 - Wang, Li T1 - Reprogrammable, magnetically controlled polymer actuators T1 - Reprogrammierbar, magnetisch gesteuerte Polymeraktuatoren N2 - Polymeric materials, which can perform reversible shape changes after programming, in response to a thermal or electrical stimulation, can serve as (soft) actuating components in devices like artificial muscles, photonics, robotics or sensors. Such polymeric actuators can be realized with hydrogels, liquid crystalline elastomers, electro-active polymers or shape-memory polymers by controlling with stumuli such as heat, light, electrostatic or magnetic field. If the application conditions do not allow the direct heating or electric stimulation of these smart devices, noncontact triggering will be required. Remotely controlled actuation have been reported for liquid crystalline elastomer composites or shape-memory polymer network composites, when a persistent external stress is applied during inductive heating in an alternating magnetic field. However such composites cannot meet the demands of applications requiring remotely controlled free-standing motions of the actuating components. The current thesis investigates, whether a reprogrammable remotely controlled soft actuator can be realized by magneto-sensitive multiphase shape-memory copolymer network composites containing magnetite nanoparticles as magneto-sensitive multivalent netpoints. A central hypothesis was that a magnetically controlled two-way (reversible bidirectional) shape-memory effect in such nanocomposites can be achieved without application of external stress (freestanding), when the required orientation of the crystallizable actuation domains (ADs) can be ensured by an internal skeleton like structure formed by a second crystallizable phase determing the samples´s geometry, while magneto-sensitive iron oxide nanoparticles covalently integrated in the ADs allow remote temperature control. The polymer matrix of these composites should exhibit a phase-segregated morphology mainly composed of cyrstallizable ADs, whereby a second set of higher melting crystallites can take a skeleton like, geometry determining function (geometry determining domains, GDs) after programming of the composite and in this way the orientation of the ADs is established and maintained during actuation. The working principle for the reversible bidirectional movements in the multiphase shape-memory polymer network composite is related to a melting-induced contraction (MIC) during inductive heating and the crystallization induced elongation (CIE) of the oriented ADs during cooling. Finally, the amount of multivalent magnetosensitive netpoints in such a material should be as low as possible to ensure an adequate overall elasticity of the nanocomposite and at the same time a complete melting of both ADs and GDs via inductive heating, which is mandatory for enabling reprogrammability. At first, surface decorated iron oxide nanoparticles were synthesized and investigated. The coprecipitation method was applied to synthesize magnetic nanoparticles (mNPs) based on magnetite with size of 12±3 nm and in a next step a ring-opening polymerization (ROP) was utilized for covalent surface modification of such mNPs with oligo(ϵ-caprolactone) (OCL) or oligo(ω-pentadecalactone) (OPDL) via the “grafting from” approach. A successful coating of mNPs with OCL and OPDL was confirmed by differential scanning calorimetry (DSC) experiments showing melting peaks at 52±1 °C for mNP-OCL and 89±1 °C for mNP-OPDL. It was further explored whether two-layered surface decorated mNPs, can be prepared via a second surface-initiated ROP of mNP-OCL or mNP-OPDL with ω-pentadecalactone or ϵ-caprolactone. The observation of two distinct melting transitions in DSC experiments as well as the increase in molecular weight of the detached coatings determined by GPC and 1H-NMR indicated a successful synthesis of the twolayered nanoparticles mNP-OCL-OPDL and mNP-OPDL-OCL. In contrast TEM micrographs revealed a reduction of the thickness of the polymeric coating on the nanoparticles after the second ROP, indicating that the applied synthesis and purification required further optimization. For evaluating the impact of the dispersion of mNPs within a polymer matrix on the resulting inductive heating capability of composites, plain mNPs as well as OCL coated magnetite nanoparticles (mNP-OCLs) were physically incorporated into crosslinked poly(ε-caprolactone) (PCL) networks. Inductive heating experiments were performed with both networks cPCL/mNP and cPCL/mNP-OCL in an alternating magnetic field (AMF) with a magnetic field strength of H = 30 kA·m-1. Here a bulk temperature of Tbulk = 74±2 °C was achieved for cPCL/mNP-OCL, which was almost 20 °C higher than the melting transition of the PCL-based polymer matrix. In contrast, the composite with plain mNPs could only reach a Tbulk of 48±2 °C, which is not sufficient for a complete melting of all PCL crystallites as required for actuation. The inductive heating capability of a multiphase copolymer nanocomposite network (designed as soft actuators) containing surface decorated mNPs as covalent netpoints was investigated. Such composite was synthesized from star-shaped OCL and OPDL precursors, as well as mNP-OCLs via reaction with HDI. The weight ratio of OPDL and OCL in the starting reaction mixture was 15/85 (wt%/wt%) and the amount of iron oxide in the nanocomposite was 4 wt%. DSC experiments revealed two well separated melting and crystallization peaks confirming the required phase-segregated morphology in the nanocomposite NC-mNP-OCL. TEM images could illustrate a phase-segregated morphology of the polymer matrix on the microlevel with droplet shaped regions attributed to the OPDL domains dispersed in an OCL matrix. The TEM images could further demonstrate that the nanoparticulate netpoints in NC-mNP-OCL were almost homogeneously dispersed within the OCL domains. The tests of the inductive heating capability of the nanocomposites at a magnetic field strength of Hhigh = 11.2 kA·m-1 revealed a achievable plateau surface temperature of Tsurf = 57±1 °C for NC-mNP-OCL recorded by an infrared video camera. An effective heat generation constant (̅P) can be derived from a multi-scale model for the heat generation, which is proportional to the rate of heat generation per unit volume of the sample. NC-mNP-OCL with homogeneously dispersed mNP-OCLs exhibited a ̅P value of 1.04±0.01 K·s- 1 at Hhigh, while at Hreset = 30.0 kA·m-1 a Tsurf of 88±1 °C (where all OPDL related crystallite are molten) and a ̅P value of 1.93±0.02 K·s-1 was obtained indicating a high magnetic heating capability of the composite. The free-standing magnetically-controlled reversible shape-memory effect (mrSME) was explored with originally straight nanocomposite samples programmed by bending to an angle of 180°. By switching the magnetic field on and off the composite sample was allowed to repetitively heat to 60 °C and cool to the ambient temperature. A pronounced mrSME, characterized by changes in bending angle of Δϐrev = 20±3° could be obtained for a composite sample programmed by bending when a magnetic field strength of Hhigh = 11.2 kA·m-1 was applied in a multi-cyclic magnetic bending experiment with 600 heating-cooling cycles it could be shown that the actuation performance did not change with increasing number of test cycles, demonstrating the accuracy and reproducibility of this soft actuator. The degree of actuation as well as the kinetics of the shape changes during heating could be tuned by variation of the magnetic filed strength between Hlow and Hhigh or the magnetic field exposure time. When Hreset = 30.0 kA·m-1 was applied the programmed geometry was erased and the composite sample returned to it´s originally straight shape. The reprogrammability of the nanocomposite actuators was demonstrated by one and the same test specimen first exhibiting reversible angle changes when programmed by bending, secondly reprogrammed to a concertina, which expands upon inductive heating and contracts during cooling and finally reprogrammed to a clip like shape, which closes during cooling and opens when Hhigh was applied. In a next step the applicability of the presented remote controllable shape-memory polymer actuators was demonstrated by repetitive opening and closing of a multiring device prepared from NC-mNP-OCL, which repetitively opens and closes when a alternating magnetic field (Hhigh = 11.2 kA·m-1) was switched on and off. For investigation of the micro- and nanostructural changes related to the actuation of the developed nanocomposite, AFM and WAXS experiments were conducted with programmed nanocomposite samples under cyclic heating and cooling between 25 °C and 60 °C. In AFM experiments the change in the distance (D) between representative droplet-like structures related to the OPDL geometry determining domains was used to calculate the reversible change in D. Here Drev = 3.5±1% was found for NC-mNP-OCL which was in good agreement with the results of the magneto-mechanical actuation experiments. Finally, the analysis of azimuthal (radial) WAXS scattering profiles could support the oriented crystallization of the OCL actuation domains at 25 °C. In conclusion, the results of this work successfully demonstrated that shape-memory polymer nanocomposites, containing mNPs as magneto-sensitive multifunctional netpoints in a covalently crosslinked multiphase polymer matrix, exhibit magnetically (remotely) controlled actuations upon repetitive exposure to an alternating magnetic field. Furthermore, the (shape) memory of such a nanocomposite can be erased by exposing it to temperatures above the melting temperature of the geometry forming domains, which allows a reprogramming of the actuator. These findings would be relevant for designing novel reprogrammable remotely controllable soft polymeric actuators. N2 - Polymere Materialien, die nach ihrer Programmierung reversible Formänderungen infolge einer thermischen oder elektrischen Stimulation ausführen, können als Aktuatoren in künstlichen Muskeln, sowie Bauteilen in den Bereichen Photonik, Robotik oder Sensorik dienen. Derartige Aktuatormaterialien können mit Hydrogelen, flüssigkristallinen Elastomeren, elektroaktiven Polymeren oder Formgedächtnispolymeren realisiert werden. Wenn die Anwendungsbedingungen eine direkte Erwärmung oder elektrische Stimulation dieser intelligenten Bauteile nicht zulassen, ist eine kontaktlose Aktivierung erforderlich. Eine ferngesteuerte Aktivierung der Aktuatoren wurde für Komposite aus flüssigkristallinen Elastomeren oder Formgedächtnispolymernetzwerken beschrieben, wenn eine anhaltende externe Spannung während der induktiven Erwärmung in einem magnetischen Wechselfeld angewendet wird. Solche Verbundwerkstoffe können jedoch nicht den Anforderungen von Anwendungen entsprechen, die ferngesteuerte freistehende Bewegungen der Aktuatorkomponenten erfordern. Die vorliegende Arbeit untersucht, ob fernsteuerbare Aktuatoren, deren Geometrie umprogrammierbar ist, über magneto-sensitive Multiphasen-Formgedächtnis-Copolymernetzwerk-Komposite, die Eisenoxid-Nanopartikel als magneto-sensitive, multivalente Netzpunkte enthalten, hergestellt werden können. Eine zentrale Hypothese besteht darin, dass ein magnetisch ferngesteuerter (reversibler bidirektionaler) Formgedächtniseffekt bei derartigen Nanokompositen ohne das Anlegen einer äußeren Spannung/Kraft (freistehend) erreicht werden kann, wenn die erforderliche Orientierung der kristallisierbaren Aktuatordomänen (AD) durch eine innere skelettartige Struktur, die durch eine zweite kristallisierbare Phase ausgebildet wird und die Geometrie der Probe bestimmt, sichergestellt werden kann, während die kovalent integrierten, magneto-sensitiven Eisenoxid-Nanopartikel, die kovalent in die ADs integriert sind, als Sensoren für das kontaktlose Aufheizen im Magnetfeld fungieren. Die Polymermatrix dieser Komposite sollte eine phasen-segregierte Morphologie aufweisen, die überwiegend aus kyrstallierbaren AD besteht, wobei zusätzliche andere, höher schmelzende Kristallite nach der Programmierung der Komposite eine skelettartige, geometriebestimmende Gerüststruktur ausbilden (Geometrie bestimmende Domänen, GD), die auf diese Weise die Orientierung der AD während der Aktuation sicherstellen. Das Arbeitsprinzip für die reversiblen bidirektionalen Bewegungen im Multiphasen-Formgedächtnis-PolymerNetzwerk Komposit beruht auf einer schmelzinduzierte Kontraktion (MIC) der orientierten ADs während der induktiven Erwärmung und deren kristallisationsinduzierten Ausdehnung (CIE) während des Abkühlens. Schließlich sollte die Menge an mehrwertigen magneto-empfindlichen Netzpunkten in solch einem Material so gering wie möglich sein, um eine ausreichende Gesamtelastizität des Nanokomposits zu gewährleisten und gleichzeitig ein vollständiges Schmelzen von ADs und GDs durch induktive Erwärmung ermöglichen, die erforderlich ist für die Reprogrammierung des Aktuators.Zunächst wurden oberflächenmodifizierte Eisenoxid-Nanopartikel synthetisiert und untersucht. Das Co-Präzipitationsverfahren wurde angewandt, um mNP auf der Basis von Magnetit mit einer Größe von 12±3 nm zu synthetisieren. In einem nächsten Schritt wurde eine Ringöffnungspolymerisation (ROP) zur kovalenten Oberflächenmodifizierung solcher mNP mit oligo(ε-Caprolacton) (OCL) oder oligo(ω-Pentadecalacton) (OPDL) über den "grafted from" Ansatz durchgeführt. Eine erfolgreiche Beschichtung von mNP mit OCL und OPDL konnte anhand von zwei Schmelzpeaks bei 52±1 °C (mNP-OCL) und 89±1 °C für mNP-OPDL in DSCExperimenten bestätigt werden. Es wurde weiter untersucht, ob mit einer zweiten oberflächeninitiierten ROP aus mNP-OCL oder mNP-OPDL durch Umsetzung mit ω-Pentadecalacton oder ε-Caprolacton zweischichtig oberflächenmodifizierte mNPs hergestellt werden können. Die Beobachtung von zwei unterschiedlichen Schmelzübergängen in DSCAufheizkurven sowie die mittels Gelpermeationschromatographie und 1H-NMR bestimmte Molekulargewichtszunahme der abgelösten oligomeren Beschichtungen bestätigten eine erfolgreiche Synthese der zweischichtig modifizierten Nanopartikel (mNP-OCL-OPDL und mNPOPDL-OCL). Im Gegensatz dazu zeigten TEM-Aufnahmen eine Reduktion der Dicke der Polymerbeschichtung auf den Nanopartikeln nach der zweiten ROP. Dies deutet darauf hin, dass die angewandte Synthese und Aufreinigung eine weitere Optimierung bedarf. Zur Untersuchung des Einflusses der Verteilung der mNP in einer Polymermatrix auf das magnetische Aufheizverhalten der Komposite wurden sowohl mNP als auch OCL-beschichtete Magnetit-Nanopartikel (mNP-OCL) physikalisch in vernetzte Poly(ε-caprolacton) Netzwerke eingearbeitet. In einem magnetischen Wechselfeld (AMF) mit einer magnetischen Feldstärke von H = 30 kA·m-1 wurden induktive Aufheizexperimente mit beiden Kompositmaterialien cPCL/mNP und cPCL/mNP-OCL durchgeführt. Dabei wurde für cPCL/mNP-OCL eine Massetemperatur von Tbulk = 74±2 °C erreicht, die um fast 20 °C höher lag als der ix Schmelzübergang der PCL-basierten Polymermatrix. Im Gegensatz dazu konnte für das Komposit mit einfachen mNP nur eine Tbulk von 48±2 °C erreicht werden, was für ein vollständiges Schmelzen aller PCL-Kristallite nicht ausreichend ist, wie es für eine kontaklose Schaltung des Formgedächtniseffektes erforderlich wäre. Als nächstes wurden multiphasige Nanokompositnetzwerke hergestellt, die oberflächenmodifizierte mNP als kovalente Netzpunkte enthalten. Diese Komposite wurden aus sternförmigen OCL und OPDL Precursoren, mNP-OCL durch Reaktion mit HDI synthetisiert. Das Gewichtsverhältnis von OPDL und OCL in der Reaktionsmischung betrug 15/85, und die Menge an Eisenoxid in den Nanokompositen entsprach 4 wt%. DSC-Experimente zeigten je zwei gut getrennte Schmelz- und Kristallisationspeaks, die die erforderliche phasen-segregierte Morphologie in den Nanokompositen NC-mNP-OCL bestätigten. TEM-Aufnahmen zeigten ebenfalls eine phasen-separierte Morphologie der Polymermatrix auf der Mikroebene mit tröpfchenförmigen Bereichen, die den in der OCL-Matrix dispergierten OPDL-Domänen zugeordnet werden können. Die Untersuchungen zum induktiven Aufheizverhalten der Nanokomposite bei einer Magnetfeldstärke von Hhigh = 11.2 kA·m-1 ergaben eine Oberflächen-Plateautemperatur von Tsurf = 57±1 °C. Eine effektive Wärmeerzeugungskonstante ̅P kann aus einem kinetischen Monte Carlo-Modellansatz abgeleitet werden, diese ist proportional zur Rate der Wärmeerzeugung pro Volumeneinheit der Probe. Für das untersuchte Nanokomposit betrug ̅P = 1.04±0.01 K·s-1 bei Hhigh, wohingegen bei einer Magnetfeldstärke von Hreset = 30.0 kA·m-1 eine Oberflächentemperatur von Tsurf = 88±1 °C erreicht wurde, bei der alle OPDL Kristallite aufgeschmolzen sind und der ̅P-Wert 1.93±0.02 K·s-1 betrug, welches ein gutes magnetische Aufheizverhalten charakterisiert. Der freistehende magnetisch gesteuerte reversible Formgedächtniseffekt (mrSME) wurde mit Nanokompositstreifen untersucht, der durch Biegen auf einen Winkel von 180° programmiert wurden. Durch Anwendung eines Magnetfeldes von Hhigh = 11.2 kA·m-1 wurden die Komposite auf ca. 60 °C aufgeheizt (erforderlich für das vollständige Aufschmelzen von OCL-Kristallen), und durch Ausschalten des Magnetfeldes (H0 = 0 kA·m-1) auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Ein ausgeprägter mrSME konnte für eine durch Biegen programmierten Probe beobachtetet werden, mit Änderungen im Biegewinkel von Δϐrev = 20±3°. In einem mehrzyklischen magnetischen Biegeversuch mit 600 Heiz/Kühlzyklen konnte gezeigt werden, dass sich die Aktuations-Performance mit zunehmender Anzahl an Prüfzyklen nicht verändert, was die Zuverlässigkeit dieses Soft-Aktuators dokumentiert. Der Grad der Auslenkung (Winkeländerung) während der Aktuation sowie die Kinetik der Formänderung während des Erhitzens können durch Variation der magnetischen Feldstärke zwischen Hlow = 10.0 kA·m-1 und Hhigh sowie Einwirkzeit des Magnetfelds eingestellt werden. Nach Anwendung von Hreset = 30.0 kA·m-1 wird die programmierte Geometrie gelöscht und die nimmt wieder ihre ursprünglich gerade Form ein. Die Reprogrammierbarkeit der Nanokomposit-Aktuatoren wurde am Beispiel ein und desselben Probekörpers demonstriert, der nach Programmierung durch Biegen zunächst eine reversible Winkeländerungen bei Aktivierung vollführt, anschließend zu einer Ziehharmonika umprogrammiert wurde, die sich bei induktiver Erwärmung zusammenzieht und bei Kühlung auf Raumtemperatur ausdehnt und abschließend zu einer clipartigen Form umprogrammiert wurde, welche sich bei induktiver Erwärmung im Magnetfeld schließt und beim Kühlen wieder öffnet. In einem nächsten Schritt wurde die grundsätzliche Anwendbarkeit der vorgestellten fernsteuerbaren Formgedächtnispolymer-Aktuatoren am Beispiel des wiederholten Öffnens und Schließens einer aus NC-mNP-OCL hergestellten Multiringvorrichtung demonstriert. Dieser Demonstrator öffnet und schließt sich, wenn ein Magnetfeld von (Hhigh = 11.2 kA·m-1) wiederholend ein- und ausgeschaltet wird. Zur Untersuchung der mikro- und nanostruturellen Veränderungen im Zusammenhang mit der Aktuation der entwickelten Nanokomposite wurden AFM- und WAXS-Experimente an programmierten Nanokompositproben unter zyklischen Erwärmen und Kühlen von 25 °C auf 60 °C durchgeführt. In AFM-Experimenten wurde die Änderung des Abstands (D) zwischen repräsentativen tröpfchenartigen OPDL-Strukturen (GD) verwendet, um die reversible Änderung in D zu berechnen. Hierbei wurde Drev = 3.5±1% für NC-mNP-OCL gefunden, die mit den Ergebnissen der magneto-mechanischen Experimente gut übereinstimmen. Schließlich konnte die Analyse der azimutalen (radialen) WAXS-Streuprofile die orientierte Kristallisation der OCLAktuatordomänen bei abkühlen von 60 °C auf 25 °C zeigen. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Formgedächtnispolymer-Nanokomposite, die mNP als magneto-sensitive multifunktionelle Netzpunkte in einer kovalent vernetzten Multiphasen-Polymermatrix enthalten, eine ferngesteuerte, freistehende Aktuation bei wiederholter Exposition in einem magnetischen Wechselfeld aufweisen. Ferner kann der Formspeicher der Nanokomposite gelöscht werden, indem diese Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur der geometriebestimmenden Domänen (OPDL) ausgesetzt werden, was eine Neuprogrammierung der Aktuatoren in beliebige andere Formen ermöglicht. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten für die Konstruktion neuartiger, umprogrammierbarer und fernsteuerbarer Polymer-Aktuatoren relevant sein. KW - materials science KW - actuator KW - magnetic nanoparticles KW - shape-memory polymer KW - nanocomposite KW - Aktuator KW - magnetische Nanopartikel KW - Formgedächtnispolymer KW - Nanokomposite Y1 - 2018 ER - TY - THES A1 - Brunacci, Nadia T1 - Oligodepsipeptides as matrix for drug delivery systems and submicron particulate carriers Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Tung, Wing Tai T1 - Polymeric fibrous scaffold on macro/microscale towards tissue regeneration Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - You, Zewang T1 - Conformational transition of peptide-functionalized cryogels enabling shape-memory capability Y1 - 2017 ER - TY - THES A1 - Liu, Yue T1 - Polymeric objects switchable between two shapes N2 - As the ongoing trend of developing smart materials that can reversibly switch geometry stimulated by environmental control addressed increasing attention in many research fields, especially for biomedical or soft robotic applications. Shape-memory polymers (SMPs), which can change shape, stiffness, size, and structure when exposed to an external stimulus, are intensively explored as encouraging material candidates for achieving multifunctionality, and for miniaturizing into micro-components to expand the applications. Besides, the geometrical design has gained growing attention for creating engineering applications, such as bi-stable mechanisms, and has the potential to be explored by implementing SMP for new functions. In this context, this thesis aimed to develop smart micro-/nano-objects based on SMP and explore new functions by geometrical design using SMP. Here, two types of stimuli-responsive objects capable of one-way temperature-memory effect (TME) or free-standing reversible actuation e.g., micro/nanofibers (i) and microcuboids (ii) at different aspects were explored. At first, it was hypothesized that the advanced atomic force microscopy (AFM) platform can be established to study individual polymeric micro-/nanofibers (i) in terms of incorporation and characterization of a reversible shape-memory actuation capability. Crystallizable material was chosen for preparing the fibers and the molecular alignment within the fibers among different diameters will influence the crystallization-induced elongation during cooling that determined the reversible effect. For the second type, microcuboids (ii), it was hypothesized that a programming and quantification approach can be developed to enable the realization and characterization of a one-way micro-TME and micro-shape-memory polymer actuation (SMPA) in microcuboids. The responsive temperature of one-way shape transformation can be tuned by programming temperature (Tp) and the separation temperature (Tsep) for post-programming can influence the actuation. Finally, a geometrical design with bi-stability was combined with SME to create new functions of shape actuation. It was hypothesized that the predicted bi-stable or mono-stable structures can be achieved with the aid of digital fabrication methods. Using shape-memory effect (SME), the alteration of bi-stable and mono-stable can initiate shape transformation with a larger magnitude and higher energy output. In the first part, the method to quantify the reversible SMPA of a single micro/nano crystallizable fiber with geometry change during the actuation was explored. Electrospinning was used to prepare poly (ε-caprolactone) (PCL) micro/nanofiber with different diameters, which were fixed by UV glue and crosslinked on the structured silicon wafer. Using AFM, the programming, as well as the observation of recovery and reversible displacement of the fiber, were performed by vertical three-point bending at the free suspended part. A plateau tip was chosen to achieve stable contact and longer working distance for performing larger deformation, enabling intensified reversible SMPA of single fibers. In this way, programming strains of 39 ± 1% or 46 ± 1% were realized for fiber with a diameter of 1 ± 0.2 µm and 300 ± 50 nm, which were bent at 80 °C and fixed at 10 °C. Values for the reversible elongation of εrev = 3.4 ± 0.1% and 10.5 ± 0.1% were obtained for a single micro and nanofiber respectively between 10 and 60 °C. The higher actuation effect observed for nanofiber demonstrated that the highly compact and oriented crystallites in nanofibers, which determined the pronounced εrev compared to the thick microfibers. Besides, a stable reversible actuation of a nanofiber can be tracked by AFM tip up to 10 cycles, indicating a sustainable application can be achieved on the fiber actuators. The findings obtained for cPCL micro-/nano-fibers will help design and evaluate the next generation polymeric microactuators or micromanipulators. The second part of the thesis studies the shape-memory effect (SME) of a single individual SMP micro-object by controlling deformation temperatures during programming and actuation temperatures during reversible change. In this work, microcuboids of crosslinked poly[ethylene-co-(vinyl acetate)] (cPEVA) elastomers with 18 wt% vinyl acetate (VA) contents were successfully prepared by template-based replication from polydimethylsiloxane (PDMS) mold. The micro-TME and micro-SMPA were observed and studied based on micro-geometry change using optical microscopy (OM) and AFM. Different switching temperatures of shape recovery were achieved from 55 °C to 86 °C by tuning Tp from 55 °C to 100 °C, indicating a successful implementation of micro-TME on individual microcuboid. For micro-SMPA functionalization, microcuboids were deformed by compression at 100 °C and the change in single particle height was monitored during cyclic heating and cooling between various Tseps from 60 °C to 85 °C and 20 °C. The micro-SMPA on a single microcuboid was achieved with a reversible strain in the range of 2 to 7%, whereby higher compression ratio CR and Tsep induced prominent reversible strain. The results achieved in this work demonstrated the successful functionalization of microcuboids with different SMEs by controlling temperatures during programming and actuation processes. Based on these achievements, such micro-objects can be further designed as on demand switchable microactuators or release systems with adjustable working temperatures. In the last part of the work, a new function of shape-memory polymeric bi-stable 3D structured film was designed and fabricated. The SME and geometrical design of compliant mechanics were merged to enable switching between bi-stable and mono-stable states, which generate snap movement that mimics the Venus flytrap. A truncated tetrahedron structure with a slope angle as a tunable parameter to alter the bi-stability was chosen for the study to combine with SME. It was anticipated that the structured film designed with a slope angle of 30° exhibited mono-stable behavior, and such a structure with a slope angle of 45° exhibited bi-stable behavior. Then the structured SMP film of designed mono-stable shape was successfully fabricated using soft lithography based on 3D printed master molds supported from digital manufacturing. The structured mold was also used in programming the SMP film into the structure with a higher slope angle to attain bi-stability. Finally, the switching between bi-stable and mono-stable states was successfully realized using SME, which introduces snapping movement triggered by heat. The implementation of compliant mechanisms by the SME increased the magnitude of thermally induced reconfiguration without additional external force. To sum up, the results of the thesis support the development of smart objects capable of one-way micro-TME, free-standing reversible actuation, or bi-stability mediated shape-memory reconfiguration. Electrospinning and template-based method were used for fabrication with good control of geometry and low size dispersity. Microscopy methods especially the AFM platform with decent sensitivity was developed for implementation as well as characterization of SME on individual micro-/nanoobjects. Implementation of bi-stability improves the shape transformation amplitude of thermally triggered SMP. These findings can give novel insights for designing polymer-based actuators or soft robotics. KW - shape-memory polymer KW - compliant mechanism KW - atomic force microscopy Y1 - 2021 ER - TY - THES A1 - Farhan, Muhammad T1 - Multifunctional reprogrammable actuators based on polymer networks with crystallizable segments N2 - Soft polymeric materials, which can change their shape reversibly in response to external stimuli, can serve as actuating components in robotic systems. Besides electroactive polymers (EAP), hydrogels and liquid crystalline elastomers (LCE), crosslinked crystallizable shape-memory polymers networks have been introduced recently as reprogrammable thermo-reversible actuators. The integration of additional functions in such materials will lead to multifunctional polymeric actuators, which meet the complex requirements of modern robotic applications. The primary aim of this thesis was to achieve multifunctional reprogrammable thermo-reversible actuators based on thermoplastic polymers. Here, three different actuators providing additional functionalities such as surface modification capability (i), self-healing capability (ii) or a tailorable non-response function enabling noncontinuous multi-step motions (iii) were realized. At first, it was hypothesized that surface modifiable polymeric actuators (i) can be achieved by crosslinking of crystallizable thermoplastic terpolymers having reactive moieties, where subsequent thermomechanical programming enables reversible actuations while the sustained reactive groups allow post surface modification. For the second actuator type (ii) it was hypothesized that self-healing during reprogramming of polymeric actuators prepared by crosslinking of crystallizable linear homopolymers, can be achieved by adjusting the amount of freely interpenetrating extractable polymer moieties. Finally, it was hypothesized that thermo-reversible actuators providing a non-response function (iii) and thus enable multistep motions upon continuous normal stimulation, can be achieved by a crosslinked blend of two thermoplastic polymers with co-continuous morphology having a well-separated melting and crystallization transitions. In addition, these actuators can be physically reprogrammed by heating above all melting transitions to provide a different actuating shape. In this study, surface functionalizable actuators were realized from crosslinked poly[(ethylene)-co-(ethyl acrylate)-co-(maleic anhydride)] (cPEEAMA) based networks. Here crystallizable polyethylene (PE) segments should serve as actuation segments, ethyl acrylate (EA) provides elasticity to the system required for deformation, while reactive maleic anhydride (MA) will be used as chemically modifiable entities for post surface modification. Networks with varied crosslink density were prepared and its effect on thermomechanical properties as well as actuation performance was analyzed. Cyclic thermomechanical experiments were employed to investigate the actuation capability, which revealed a reversible actuation (ε׳rev) between 5 and 15%. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) measurements confirmed that MA groups were sustained at the sample surface after processing and programming, which could be modified by reaction with ethylene diamine. Such amine functionalization allows the attachment of bioactive molecules to the actuator surface, which might provide a route to actuating substrates for biotechnology. Self-healable actuating materials were realized by poly(ε-caprolactone) (PCL) polymer networks with extractable linear PCL fractions of 5 to 60 wt%. A detailed evaluation of the actuation capabilities by cyclic experiments revealed the highest reversible change in strain of Δε = 24% for the cPCL network with 30 wt% of linear polymer. The thermal treatment of damaged samples resulted in the healing of the network when heated to 80 °C. Here a linear polymer fraction ≥ 30 wt% was necessary to achieve a self-healing efficiency of ≥ 50%. The application of such high temperatures erases the programmed actuator shape and at the same time allows to reprogram a new actuating shape. Such sustainable actuators with self-healing function are of great interest for future robotic devices. Afore mentioned actuators operate continuously between two shapes and their movements can only be interrupted when the temperature is stopped. To overcome this limitation, noncontinuously responding actuators enabling multi-step actuation were realized from crosslinked blend networks prepared from PCL and poly[(ethylene)-co-(vinyl acetate)] (PEVA). These polymers (PCL and PEVA) were selected due to their immiscible character, where crystallizable PE and PCL segments provide two different actuation units, while vinyl acetate (VA) segment enabled sufficient elasticity of the system. A gap of 20 K in the melting and crystallization temperature of PE and PCL was achieved by selecting PEVA with 5 wt% VA content (cPCL-PEVA5) providing a co-continuous phase morphology. Cyclic thermomechanical investigations were employed to investigate noncontinuous actuation, which revealed a high Δε = 25% with a similar contribution from PCL and PE actuation units with a non-response region in the temperature range from 50 to 71 °C in heating step and 30 to 60 °C in cooling step. The actuation related to PCL part changed from 13 to 2% by altering the heating and cooling rates from 3 to 10 K·min-1. Free-standing reversible noncontinuous actuation was realized by rotating demonstrator which exhibits reversible angle change in a custom-made setup. For this purpose, cPCL-PEVA5 stripe was programmed by twisting and reversible rotational actuation was realized from 0 to 180° while pausing in the 90° position during non-response. These blends can be physically programmed to perform reversible noncontinuous actuations, while the programmed geometry can be erased by heating it to temperature above all melting transitions. By physically reprogramming of the material various different actuation modes can be obtained. Such a noncontinuous actuator would be relevant for designing interruptive actuating soft robots at continuous trigger signals. N2 - Weiche, Polymer-basierte Materialien, die ihre Form in Abhängigkeit eines äußeren Reizes reversibel ändern können, können als bewegliche Bauteile in Robotern Verwendung finden. Neben elektro-aktiven Polymeren, Hydrogelen und flüssigkristallinen Elastomeren wurden vernetzte kristallisierbare Polymernetzwerke mit Formgedächtnisfunktion als reprogrammierbare, temperatur-abhängige Aktuatoren beschrieben. Das Integrieren von zusätzlichen Funktionen in derartige Materialien führt zu neuen multifunktionalen Aktuatoren, die in der Lage sein sollten die immer komplexer werdenden Anforderungen an weiche Roboter in zukünftigen Anwendungsfelder erfüllen zu können. Das Ziel dieser Arbeit war es multifunktionale, reprogrammierbare thermo-sensitive Aktuatoren auf Basis von thermoplastischen Polymeren zu realisieren. Hierfür wurden drei unterschiedliche multifunktionale Aktuator-Typen mit zusätzlichen Funktionen hergestellt und untersucht. Als zusätzliche Funktionen wurden: (i) die Möglichkeit der Oberflächenmodifikation, (ii) Selbstheilung der Materialien und (iii) einstellbare diskontinuierliche Bewegungen erforscht. Zu Beginn wurden Aktuatoren betrachtet, die eine modifizierbaren Oberfläche (i) aufweisen. Durch Vernetzung von kristallisierbaren Thermoplasten, die reaktive, funktionelle Gruppen beinhalten wurden entsprechende Materialien hergestellt. Während die reversible Bewegungsinformation über eine thermomechanische Behandlung im Material gespeichert wird, erfolgt die Funktionalisierung mittels chemischer Behandlung an der Oberfläche nachträglich. Der zweite Ansatz (ii) verfolgt das Ziel den Aktuator mit selbstheilende Eigenschaften auszustatten. Dabei soll über freie, unvernetzte lineare Polymerketten innerhalb des Polymernetzwerkes, während der Reprogrammierungsphase eine Reparatur von zuvor eingebrachten oder entstandenen Schäden erfolgen. Im letzten Teilprojekt soll ein diskontinuierliches Bewegungsprofil mit einem polymeren Aktuator umgesetzt werden. Hierfür wird ein kovalent vernetztes Copolymernetzwerk aus einer Mischung von zwei Thermoplasten mit deutlich getrennten thermischen Übergängen (Schmelzbereich und Kristallisationsbereich) hergestellt, welches bei kontinuierlichem Heizen und Kühlen eine pausierend Bewegung ausführt z.B. eine unterbrochene Längenänderung (oder auch anderen Bewegung). Eine Gemeinsamkeit für alle untersuchten Materialien ist deren Fähigkeit zur Reprogrammierung in unterschiedliche Bewegungsformen über ein rein physikalisches (thermomechanisches) Verfahren wobei alle kristallinen Bereiche aufgeschmolzen werden. Im Rahmen der Oberflächen-modifizierbaren Aktuatoren wurden Netzwerke aus dem Terpolymer, Poly[(ethylen)-co-(ethylacrylat)-co-(maleinsäureanhydrid)] hergestellt. Der kristallisierbare Anteil von Polyethylen (PE) dient als Aktuator-Domäne, Ethylacrylat unterstützt die Deformierbarkeit des Polymernetzwerkes und Maleinsäureanhydrid ermöglicht die nachträgliche Funktionalisierung an der Oberfläche. Netzwerke mit unterschiedlichen Vernetzungsdichten wurden bezüglich ihrer thermomechanischen Eigenschaften und ihrer Aktuator-Performance untersucht und zeigten in zyklischen Heiz-Kühl-Experimenten reversible Formänderungen zwischen 5 und 15%. Messungen mit dem Fourier-Transform-Infrarotspektrometer zeigen die Beständigkeit der Maleinsäureanhydrid-Gruppen auch nach der Vernetzung und der thermomechanischen Behandlung. Durch chemische Reaktion der Maleinsäureanhydrid Gruppen mit Ethylendiamin wurden Amin-Funktionalitäten an der Oberfläche etabliert. Diese ermöglichen die kovalente Anknüpfung von bioaktiven Molekülen auf dem Aktuator, was insbesondere für Anwendungen in der Biotechnologie relevant sein könnte. Selbstheilende Aktuatoren wurden am Beispiel von Netzwerken aus Poly(ε-Caprolacton) (PCL) erforscht. Hier wurden Materialien mit unterschiedliche Anteilen an extrahierbaren Polymerketten von bis zu 60 Gew.-% hergestellt und untersucht. Diese Untersuchungen zeigten, dass die höchsten reversiblen Bewegungsänderungen für Netzwerke mit ein Anteil von 30 Gew.-% an unvernetzten PCL erzielt werden können. Ein Erwärmen von beschädigten Probenkörpern auf 80 °C ermöglichte das „Heilen“, wobei ein Anteil von ≥ 30 Gew.-% an freien Polymerketten nötig ist um hohe Heilungs-Effizienz zu erreichen. Die Behandlung bei 80 °C erlaubt neben dem Schließen von Beschädigungen auch die Programmierung einer anderen Bewegungsform des Prüfkörpers. Dieser Typ von nachhaltigen Aktuatoren könnte zukünftig neuartige Technologien ermöglichen. Alle vorher genannten Beispiele haben gemeinsam, dass sie ihre Form zwischen zwei definierten Zuständen über eine gleichmäßige Bewegung ändern bzw. diese Bewegung nur unterbrochen werden kann, wenn die Temperatur angehalten wird. Um diese Einschränkung zu überwinden wurden eine Mischung aus zwei Polymer-Systeme, PCL und Poly[(Ethylen)-co-(Vinylacetat)] (PEVA) hergestellt und vernetzt. Durch ihre geringe Mischbarkeit phasenseparieren PCL und PEVA und es entsteht ein Material mit co-kontinuierlicher Morphologie. Die entsprechenden Schmelz- und Kristallisationstemperaturen der beiden Komponenten PCL und PEVA weisen eine Differenz von gut 20 °C auf. In zyklischen Heiz-Kühl-Experimenten konnten reversible Formänderungen von bis zu 25% erzielt werden, wobei die Beiträge der beiden kristallisierbaren PCL und PEVA Domänen ähnlich sind. Während des Heizens findet im Temperaturbereich zwischen 50 und 71 °C keine Formänderung statt und gleichermaßen beobachtet man beim Kühlen zwischen 60 und 30 °C keine Bewegung. Diese Beobachtung lässt sich gut durch den Abstand der Schmelztemperaturen der beiden Polymere PCL und PEVA erklären. Das Aufschmelzen und die Kristallisation von Polymeren sind abhängig von den angewendeten Heiz-/Kühlraten. Insbesondere für den PCL-Anteil im Material kann durch die Änderung der Heiz-/Kühlraten sowohl die mehrstufige Bewegungsperformance als auch der Temperaturbereich in dem keine Bewegung stattfindet beeinflusst werden. Um die Vielfältigkeit der Formänderung von Aktuatoren zu demonstrieren wurden Probenkörper auch verdrillt und deren reversible Rotation untersucht, wobei eine der Längenänderung vergleichbare Performance beobachtet wurde. Derartige Aktuatoren, die eine Unterbrechung in ihrer Bewegung aufweisen, bei einem kontinuierlichen Steuerimpulses, könnten Anwendung im Bereich der weichen Robotik finden in denen diskontinuierliche Bewegungsabläufe gefordert sind. KW - shape-memory polymers KW - soft actuators KW - thermoplastic polymers KW - Formgedächtnispolymere KW - weiche Aktuatoren KW - thermoplastischen Polymere Y1 - 2019 ER - TY - THES A1 - Altabal, Osamah T1 - Design and fabrication of geometry-assisted on-demand dosing systems N2 - The controlled dosage of substances from a device to its environment, such as a tissue or an organ in medical applications or a reactor, room, machinery or ecosystem in technical, should ideally match the requirements of the applications, e.g. in terms of the time point at which the cargo is released. On-demand dosage systems may enable such a desired release pattern, if the device contain suitable features that can translate external signals into a release function. This study is motivated by the opportunities arising from microsystems capable of an on-demand release and the contributions that geometrical design may have in realizing such features. The goals of this work included the design, fabrication, characterization and experimental proof-of-concept of geometry-assisted triggerable dosing effect (a) with a sequential dosing release and (b) in a self-sufficient dosage system. Structure-function relationships were addressed on the molecular, morphological and, with a particular attention, the device design level, which is on the micrometer scale. Models and/or computational tools were used to screen the parameter space and provide guidance for experiments. N2 - Die kontrollierte Freisetzung von Substanzen aus einem Device in seine Umgebung, wie ein Gewebe oder Organ in medizinischen Anwendungen oder ein Reaktor, ein Raum, ein Gerät oder ein Ökosystem in technischer Nutzung sollte idealerweise den Anforderungen des Einsatzzweckes entsprechen, beispielsweise hinsichtlich des Zeitpunktes an dem die Freisetzung erfolgt. On-demand Freisetzungssysteme könnten eine derartiges gewünschtes Verhalten zeigen, wenn das System die Befähigung besitzt, externe Signale in eine Freisetzungsfunktion zu überführen. Diese Arbeit greift die Möglichkeiten auf, die sich durch den Einsatz und ein gezieltes Design von mikrostrukturierten Systemen für die Realisierung einer on-demand Freisetzung ergeben könnten. Die Ziele der Arbeit umfassen die Konzeptionierung, Herstellung, Charakterisierung sowie den grundsätzlichen Nachweis durch Stimuli induzierten on-demand Freisetzungsfunktion einerseits in Form eines sequentiellen Freigabeverhaltens und anderseits in Form eines autarken (kontaktfrei ausgelösten) Dosiersystems. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden auf molekularer, morphologischer und - mit besonderen Augenmerk - auf der Ebene des Device-Designs untersucht. Modelle und/oder Computer-gestützte Verfahren wurden verwendet um geeignete Materialparameter zu identifizieren und einen Leitfaden für die Experimente bereitzustellen. KW - Stress concentration KW - Negative Poisson’s ratio KW - On-demand release KW - Spannungskonzentrationen KW - Negatives Poisson-Verhältnis KW - On-demand Freisetzung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532441 ER - TY - THES A1 - Bhaskar, Thanga Bhuvanesh Vijaya T1 - Biomimetic layers of extracellular matrix glycoproteins as designed biointerfaces N2 - The goal of regenerative medicine is to guide biological systems towards natural healing outcomes using a combination of niche-specific cells, bioactive molecules and biomaterials. In this regard, mimicking the extracellular matrix (ECM) surrounding cells and tissues in vivo is an effective strategy to modulate cell behaviors. Cellular function and phenotype is directed by the biochemical and biophysical signals present in the complex 3D network of ECMs composed mainly of glycoproteins and hydrophilic proteoglycans. While cellular modulation in response to biophysical cues emulating ECM features has been investigated widely, the influence of biochemical display of ECM glycoproteins mimicking their presentation in vivo is not well characterized. It remains a significant challenge to build artificial biointerfaces using ECM glycoproteins that precisely match their presentation in nature in terms of morphology, orientation and conformation. This challenge becomes clear, when one understands how ECM glycoproteins self-assemble in the body. Glycoproteins produced inside the cell are secreted in the extra-cellular space, where they are bound to the cell membrane or other glycoproteins by specific interactions. This leads to elevated local concentration and 2Dspatial confinement, resulting in self-assembly by the reciprocal interactions arising from the molecular complementarity encoded in the glycoprotein domains. In this thesis, air-water (A-W) interface is presented as a suitable platform, where self-assembly parameters of ECM glycoproteins such as pH, temperature and ionic strength can be controlled to simulate in vivo conditions (Langmuir technique), resulting in the formation of glycoprotein layers with defined characteristics. The layer can be further compressed with surface barriers to enhance glycoprotein-glycoprotein contacts and defined layers of glycoproteins can be immobilized on substrates by horizontal lift and touch method, called Langmuir-Schäfer (LS) method. Here, the benefit of Langmuir and LS methods in achieving ECM glycoprotein biointerfaces with controlled network morphology and ligand density on substrates is highlighted and contrasted with the commonly used (glyco)protein solution deposition (SO) method on substrates. In general, the (glyco)protein layer formation by SO is rather uncontrolled, influenced strongly by (glyco)protein-substrate interactions and it results in multilayers and aggregations on substrates, while the LS method results in (glyco)proteins layers with a more homogenous presentation. To achieve the goal of realizing defined ECM layers on substrates, ECM glycoproteins having the ability to self-assemble were selected: Collagen-IV (Col-IV) and fibronectin (FN). Highly packed FN layer with uniform presentation of ligands was deposited on polydimethysiloxane VIII (PDMS) by LS method, while a heterogeneous layer was formed on PDMS by SO with prominent aggregations visible. Mesenchymal stem cells (MSC) on PDMS equipped with FN by LS exhibited more homogeneous and elevated vinculin expression and weaker stress fiber formation than on PDMS equipped with FN by SO and these divergent responses could be attributed to the differences in glycoprotein presentation at the interface. Col-IV are scaffolding components of specialized ECM called basement membranes (BM), and have the propensity to form 2D networks by self-polymerization associated with cells. Col- IV behaves as a thin-disordered network at the A-W interface. As the Col-IV layer was compressed at the A-W interface using trough barriers, there was negligible change in thickness (layer thickness ~ 50 nm) or orientation of molecules. The pre-formed organization of Col-IV was transferred by LS method in a controlled fashion onto substrates meeting the wettability criterion (CA ≤ 80°). MSC adhesion (24h) on PET substrates deposited with Col-IV LS films at 10, 15 and 20 mN·m-1 surface pressures was (12269.0 ± 5856.4) cells for LS10, (16744.2 ± 1280.1) cells for LS15 and (19688.3 ± 1934.0) cells for LS20 respectively. Remarkably, by selecting the surface areal density of Col-IV on the Langmuir trough on PET, there is a linear increase between the number of adherent MSCs and the Col-IV ligand density. Further, FN has the ability to self-stabilize and form 2D networks (even without compression) while preserving native β-sheet structure at the A-W interface on a defined subphase (pH = 2). This provides the possibility to form such layers on any vessel (even on standard six-well culture plates) and the cohesive FN layers can be deposited by LS transfer, without the need for expensive LB instrumentation. Multilayers of FN can be immobilized on substrates by this approach, as easily as Layer-by-Layer method, even without the need for secondary adlayer or activated bare substrate. Thus, this facile glycoprotein coating strategy approach is accessible to many researchers to realize defined FN films on substrates for cell culture. In conclusion, Langmuir and LS methods can create biomimetic glycoprotein biointerfaces on substrates controlling aspects of presentation such as network morphology and ligand density. These methods will be utilized to produce artificial BM mimics and interstitial ECM mimics composed of more than one ECM glycoprotein layer on substrates, serving as artificial niches instructing stem cells for cell-replacement therapies in the future. N2 - Ziel der regenerativen Medizin ist es, Regenerationsprozesse in biologischen Systemen mit Hilfe von nischenspezifischen Zellen, bioaktiven Molekülen und Biomaterialien zu modulieren. In diesem Zusammenhang ist die Nachahmung der extrazellulären Matrix (ECM), die Zellen und Gewebe in vivo umgibt, eine wirksame Strategie zur Modulation des Zellverhaltens. Die zelluläre Funktion und der Phänotyp werden durch die biochemischen und biophysikalischen Signale gesteuert, die in dem komplexen 3D-Netzwerk von ECMs vorhanden sind, welches hauptsächlich aus Glykoproteinen und hydrophilen Proteoglykanen besteht. Während die zelluläre Modulation als Reaktion auf biophysikalische Signale, die ECM-Merkmale nachahmen, umfassend untersucht wurde, ist der Einfluss der biochemischen Charakterisierung von ECM-Glykoproteinen, die deren Darstellung in vivo nachahmen, nicht gut charakterisiert. Es bleibt eine bedeutende Herausforderung, künstliche Biogrenzflächen mit ECM-Glykoproteinen zu schaffen, die in Bezug auf Morphologie, Orientierung und Konformation genau ihrer Darstellung in der Natur entsprechen. Diese Herausforderung wird deutlich, wenn man versteht, wie sich die ECM-Glykoproteine im Körper selbst zusammensetzen. Glykoproteine, die im Inneren der Zelle produziert werden, werden im extrazellulären Raum ausgeschieden, wo sie durch spezifische Interaktionen an die Zellmembran oder andere Glykoproteine gebunden werden. Dies führt zu einer erhöhten lokalen Konzentration und zweidimensionalen Raumbegrenzung, was durch die wechselseitigen Wechselwirkungen, die sich aus der in den Glykoprotein-Domänen kodierten molekularen Komplementarität ergeben, zur Selbstorganisation führt. In dieser Arbeit wird die Luft-Wasser (A-W)-Grenzfläche als eine geeignete Umgebung vorgestellt, mit der die Selbstorganisationsparameter von ECM-Glykoproteinen wie pH-Wert, Temperatur und Ionenstärke kontrolliert werden können, um in vivo-Bedingungen zu simulieren (Langmuir-Technik), was zur Bildung von Glykoproteinschichten mit definierten Eigenschaften führt. Die Schicht kann mit Oberflächenbarrieren weiter komprimiert werden, um die Glykoprotein-Glykoprotein-Kontakte zu verstärken, und definierte Schichten von Glykoproteinen können auf Substraten durch eine horizontale Hebe- und Berührungsmethode, sie sogenannte Langmuir-Schäfer (LS)-Methode, immobilisiert werden. Hier wird der Vorteil der Langmuir- und LS-Methode bei der Erzielung von ECM-Glykoprotein-Biogrenzflächen mit kontrollierter Netzwerkmorphologie und Ligandendichte auf Oberflächen hervorgehoben und mit der üblicherweise verwendeten Methode der (Glyko)Protein-Lösungsabscheidung (SO) auf Oberflächen gegenübergestellt. Im Allgemeinen ist die (Glyko)ProteinX Schichtbildung durch SO eher unkontrolliert, wird stark durch (Glyko)Protein-Substrat- Wechselwirkungen beeinflusst und führt zu Mehrfachschichten und Ansammlungen auf Oberflächen, während die LS-Methode zu (Glyko)Protein-Schichten mit einer homogeneren Darstellung führt. Um definierte ECM-Schichten auf Oberflächen zu erzeugen, wurden ECM-Glykoproteine mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation ausgewählt: Kollagen-IV (Col-IV) und Fibronektin (FN). Eine dicht gepackte FN-Schicht mit gleichmäßiger Verteilung der Liganden wurde mit der LSMethode auf Polydimethysiloxan (PDMS) aufgetragen, während auf PDMS mit SO eine heterogene Schicht mit klar erkennbaren Verdichtungen gebildet wurde. Mesenchymale Stammzellen (MSC) auf PDMS, denen FN nach der LS-Methode hinzugefügt wurde, wiesen eine homogenere und erhöhte Vinculin-Expression und eine schwächere Stressfaserbildung auf als MSC Stammzellen auf PDMS, dem FN nach der SO-Methode hinzugefügt wurde, und diese verschiedenen Reaktionen konnten auf die Unterschiede in der Glykoprotein-Verteilung an der Grenzfläche zurückgeführt werden. Col-IV ist eine Komponente spezialisierter ECMs, die Basalmembranen (BM) genannt werden, und neigen zur Bildung von 2D-Netzwerke durch Selbstpolymerisation, die mit Zellen assoziiert sind. Col-IV verhält sich wie ein dünnes ungeordnetes Netzwerk an der A-WGrenzfläche. Während die Col-IV-Schicht an der A-W-Grenzfläche mit Hilfe von Trogbarrieren zusammengerückt wurde, gab es eine vernachlässigbare Änderung der Dicke (Schichtdicke ~ 50 nm) oder der Orientierung der Moleküle. Die vorgeformte Organisation von Col-IV wurde mit der LS-Methode kontrolliert auf Oberflächen aufgetragen, die das Kriterium der Benetzbarkeit erfüllten (CA ≤ 80°). Die MSC-Adhäsion (24h) auf Polyethylenterephthalat (PET)-Oberflächen, die mit Col-IV LS-Folien bei Oberflächendrücken von 10, 15 und 20 mN·m-1 aufgebracht wurden, waren (12269,0 ± 5856,4) Zellen für LS10, (16744,2 ± 1280,1) Zellen für LS15 (19688,3 ± 1934,0) Zellen für LS20. Bemerkenswert ist dabei, dass durch die Auswahl der Oberflächen-Flächendichte von Col-IV am Langmuir-Trog auf PET ein linearer Anstieg zwischen der Anzahl der adhärenten MSCs und der Col-IV-Ligandendichte erfolgt. Auch FN die Fähigkeit, sich selbst zu stabilisieren und 2D-Netzwerke zu bilden (sogar ohne Kompression), während die native β-Faltblattstruktur an der A-W-Grenzfläche auf einer definierten Subphase (pH = 2) erhalten bleibt. Dies bietet die Möglichkeit, solche Schichten auf jedem beliebigen Gefäß (sogar auf Platten mit Standard-Six-Well-Kulturen) zu bilden, und die kohäsiven FN-Schichten können durch LS-Transfer abgelagert werden, ohne dass eine teure LB-Instrumentierung erforderlich ist. Mehrfachschichten aus FN können auf diese Weise XI auf Oberflächen immobilisiert werden, genauso einfach wie bei der Layer-by-Layer-Methode, auch ohne die Notwendigkeit einer zweiten adsorbierenden Schicht oder einer aktivierten blanken Oberfläche. Somit ist dieser Ansatz einer einfachen Glykoprotein- Beschichtungsstrategie vielen Forschern zugänglich, um definierte FN-Filme auf Oberflächen für die Zellkultur zu realisieren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Langmuir- und LSMethoden biomimetische Glykoprotein-Bioschnittstellen auf Oberflächen erzeugen können, die makroskopische Darstellungen wie Netzwerkmorphologie und Ligandendichte kontrollieren. Diese Methoden werden genutzt, um künstliche BM und ECM zu generieren, die aus mehr als einer Glykoproteinschicht bestehen. Diese können dann als künstliche Nischen für Stammzellen, die in zukünftigen Zellersatztherapien zum Einsatz kommen könnte. KW - Extracellular Matrix KW - Biomimetics KW - Glycoproteins KW - Langmuir-Schaefer method KW - Designed Biointerfaces KW - Extrazelluläre Matrix KW - Biomimetik KW - Glykoproteine KW - Langmuir-Schäfer-Methode KW - Designte Biointerface Y1 - 2020 ER - TY - THES A1 - Moradian, Hanieh T1 - Modulation of human macrophage activity by mRNA-mediated genetic engineering N2 - Macrophages play an integral role for the innate immune system. It is critically important for basic research and therapeutic applications to find approaches to potentially modulate their function as the first line of defense. Transient genetic engineering via delivery of synthetic mRNA can serve for such purposes as a robust, reliable and safe technology to modulate macrophage functions. However, a major drawback particularly in the transfection of sensitive immune cells such as macrophages is the immunogenicity of exogenous IVT-mRNAs. Consequently, the direct modulation of human macrophage activity by mRNA-mediated genetic engineering was the aim of this work. The synthetic mRNA can instruct macrophages to synthesize specific target proteins, which can steer macrophage activity in a tailored fashion. Thus, the focus of this dissertation was to identify parameters triggering unwanted immune activation of macrophages, and to find approaches to minimize such effects. When comparing different carrier types as well as mRNA chemistries, the latter had unequivocally a more pronounced impact on activation of human macrophages and monocytes. Exploratory investigations revealed that the choice of nucleoside chemistry, particularly of modified uridine, plays a crucial role for IVT-mRNA-induced immune activation, in a dose-dependent fashion. Additionally, the contribution of the various 5’ cap structures tested was only minor. Moreover, to address the technical aspects of the delivery of multiple genes as often mandatory for advanced gene delivery studies, two different strategies of payload design were investigated, namely “bicistronic” delivery and “monocistronic” co-delivery. The side-by-side comparison of mRNA co-delivery via a bicistronic design (two genes, one mRNA) with a monocistronic design (two gene, two mRNAs) unexpectedly revealed that, despite the intrinsic equimolar nature of the bicistronic approach, it was outperformed by the monocistronic approach in terms of reliable co-expression when quantified on the single cell level. Overall, the incorporation of chemical modifications into IVT-mRNA by using respective building blocks, primarily with the aim to minimize immune activation as exemplified in this thesis, has the potential to facilitate the selection of the proper mRNA chemistry to address specific biological and clinical challenges. The technological aspects of gene delivery evaluated and validated by the quantitative methods allowed us to shed light on crucial process parameters and mRNA design criteria, required for reliable co-expression schemes of IVT-mRNA delivery. N2 - Makrophagen spielen eine wesentliche Rolle für das angeborene (innate) Immunsystem. Sowohl für die Grundlagenforschung sowie als auch für therapeutische Anwendungen ist es von größter Wichtigkeit, Möglichkeiten zu finden, die Funktion von Makrophagen als erstem Abwehrmechanismus des Immunsystems zu modulieren. Transientes Genetic Engineering mittels synthetischer mRNA kann hierbei als robuste, zuverlässige und sichere Technologie zur Modulation des Zellverhaltens zu dienen. Eine besondere Herausforderung ist jedoch die Immunogenität exogener IVT-mRNAs, insbesondere für sensitive Immunzellen wie Makrophagen. Die direkte Modulation der Zellaktivität von humanen Makrophagen durch mRNA-vermitteltes Genetic Engineering ist das Ziel dieser Arbeit. Mit synthetischer mRNA lassen sich Makrophagen so instruieren, dass sie spezifische Zielproteine produzieren, um die Zellaktivität bedarfsgerecht zu steuern. Der Hauptfokus dieser Dissertation war die Identifikation der Parameter, die eine aus dem IVT-mRNA Transfer resultierende, unerwünschten Zellaktivierung bei Makrophagen auslösen und Ansätze zu finden, um diese zu minimieren. Beim Vergleich verschiedener Transfektionsagenzien und Nukleinsäurekompositionen der mRNA zeigte sich, dass letztere einen weitaus eindeutigeren Effekt auf die Zellaktivierung von humanen Makrophagen und Monozyten haben. Explorative Untersuchungen ergaben, dass die Wahl der Nukleosidchemie, insbesondere des modifizierten Uridins, eine entscheidende Rolle für diese dosisabhängige Immunaktivierung durch IVT-mRNA spielt. Im Vergleich dazu war der Einfluss der verschiedenen getesteten 5'-Cap-Strukturen nur geringfügig. Der Transfer mehrerer Gene in Zellen ist für komplexe Studien und Anwendungen oft zwingend erforderlich. Hierzu wurden die technischen Aspekte von zwei verschiedenen Strategien untersucht, nämlich die "bicistronische" Transfektion und die "monocistronische" Co-Transfektion. Der direkte Vergleich von mRNA-Co-Transfer über ein bicistronisches Design (zwei Gene, eine mRNA) mit einem monocistronischen Design (zwei Gene, zwei mRNAs) ergab überraschenderweise, dass trotz der intrinsischen äquimolaren Natur des bicistronischen Ansatzes dieser dem monocistronische Ansatz in Bezug auf eine zuverlässige Koexpression bei der Quantifizierung auf Einzelzellebene unterlegen war. Wie in dieser Arbeit gezeigt kann die Einbeziehung geeigneter chemischer Modifikationen in IVT-mRNA durch die Verwendung der entsprechenden Bausteine bei der Synthese zur Bewältigung spezifischer biologischer und klinischer Herausforderungen beitragen, in erster Linie durch die Minimierung der Immunaktivierung. Die Evaluation und Validierung technologischer Aspekte des Gentransfers durch quantitative Methoden ermöglichten uns auch entscheidende Prozessparameter und Kriterien für das mRNA-Design zu identifizieren, die für eine zuverlässige Co-Expression von Genen nach IVT-mRNA Transfektion erforderlich sind. T2 - Modulation der Aktivität humaner Makrophagen durch mRNA-vermittelte gentechnische Eingriffe KW - In vitro transcription technology KW - Messenger RNA (mRNA) KW - mRNA chemistry KW - primary human macrophages KW - macrophage activation KW - genetic engineering KW - innate immune response KW - co-delivery of multiple genes KW - co-transfection KW - In-vitro-Transkriptionstechnologie KW - Boten-RNA (mRNA) KW - simultane Einbringung multipler Gene KW - Co-Transfektion KW - Gentechnik KW - angeborene Immunantwort KW - mRNA-Chemie KW - Makrophagen-Aktivierung KW - primäre humane Makrophagen Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-548579 ER - TY - THES A1 - Jiang, Yi T1 - Tailoring surface functions of micro/nanostructured polymeric substrates by thermo-mechanical treatments Y1 - 2019 ER -