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Temperature-responsive Polymer Membranes by Integration of “Nanoparticle Heaters”
No full textMembranen haben seit Jahrzehnten einen wichtigen Platz in der Separationstechnologie erlangt. Die Forschung beschränkt sich nicht nur auf die Entwicklung neuer Membranmaterialien, sondern insbesondere auf die Modifizierung der Oberflächeneigenschaften, um bereits vorhandene Membranen zu verbessern und neue Anwendungsfelder zu erschließen. Die Forschung im Bereich der Nanowissenschaft ist dagegen relativ neu. Es beschäftigen sich inzwischen jedoch zahlreiche Forschungsgruppen sehr intensiv mit der Nanotechnologie, da die kleinen Partikel aufgrund ihrer Größe spezielle Eigenschaften aufweisen, welche den Zugang zu vollkommen neuen Technologien eröffnen und zur Verbesserung vieler Materialen in unterschiedlichen Bereichen beitragen. Die Kombination von magnetischen Nanopartikeln (NP) mit Membranen ist relativ neu und weitgehend unerforscht. Durch die Integrierung von Nanopartikeln in Polymermembranen können nicht nur die Membranen hinsichtlich ihrer Leistung und Lebensdauer verbessert, sondern auch neue Funktionalitäten durch die Synergien der Materialien generiert werden.
In dieser Arbeit wurden im ersten Schritt superparamagnetische Fe3O4 NP auf der Oberfläche einer Polyethylenterephthalat-Kernspur-Membran (PET-KS-M; Porengröße: 120 nm, 151 nm, 630 nm, 1501 nm) immobilisiert. Die Spins dieser NP rotieren in einem hochfrequenten Wechselmagnetfeld und erzeugen dadurch Wärme. Im zweiten Schritt wurde auf diese NP Membran das temperatur-responsive Poly(N isopropylacrylamid) (PNIPAAm) aufgepropft. PNIPAAm ändert in Abhängigkeit der Temperatur seine Struktur, unter 32 °C hat es hydrophile Ketten und über 32 °C kollabiert die Struktur und weist einen hydrophoben Charakter auf. Mit dieser Hybridmembran bestehend aus NP und PNIPAAm gelang es durch ein hochfrequentes Magnetfeld die Membranporengröße von außen lokal zu steuern.
Die Fe3O4 NP sind mit einer Schicht Ölsäure, sowie einer Außenschale eines amphiphilen Polymers funktionalisiert und weisen dadurch reaktive Carboxylgruppen auf der Oberfläche auf. Um diese NP kovalent an die PET-KS-M Membran zu binden, wurde die Membran vor der NP Immobilisierung aminiert. Dadurch konnte eine Peptidbindung zwischen NP und Membran generiert werden. Dabei wurde festgestellt, dass erst durch die Zugabe von NaCl zur NP Dispersion die Immobilisierung in den Membranporen ermöglicht wurde, da die NP zuvor nicht in die Poren hinein diffundiert sind. Untersuchungen zeigten, dass eine erfolgreiche NP Immobilisierung auf die äußere und innere Membranoberfläche von der NaCl Konzentration und der NP Größe (15 nm, 25 nm, 40 nm) abhängt. Weiterhin erwiesen sich die NP als stabil auf die Membran immobilisiert. Diese bedeckten die Membranoberfläche nach dem ersten Immobilisierungsschritt in einer dichten, monolagigen Schicht. Um die NP Menge auf der Membran zu erhöhen und somit eine stärkere Gesamtwärmebildung auf der Membran zu erzeugen, wurden weitere NP Schichten durch Tetraethylenpentamin oder Polymerelektrolyt Zwischenschichten auf die erste NP Schicht immobilisiert.
Die Oberflächenfunktionalisierung der Membran mit PNIPAAm wurde durch photo-initiiertes „grafting from“ durchgeführt. Bei diesem Verfahren werden die Polymerketten von der Membranoberfläche initiiert. Um Startradikale auf der Membranoberfläche durch UV Strahlung und weiterhin eine erfolgreiche PNIPAAm Funktionalisierung mit einer guten Schaltbarkeit der Poren zu erzeugen, wurde auf die NP Membranen ein anderer Photiinitiator als auf die Basisembran ohne NP adsorbiert. Der für die NP Membranen eingesetzte kationische Makroinitiator wurde gut auf der Membranoberfläche adsorbiert und stellte sich als guter Startradikalbildner durch die auftreffenden UV-Strahlung heraus. Bei Verwendung kleinerer Initiatormoleküle wurde die Strahlung durch die braunen NP adsorbiert und somit die Strahlungsenergie soweit geschwächt, dass keine Radikale erzeugt werden konnten.
Die 40 nm NP zeigten eine stärkere Wärmebildung bei gleichen Magnetfeldeinstellungen, als die 15 nm und 25 nm NP. Außerdem wurde bei der Untersuchung des Wärmebildungseffektes der NP eine unspezifische Erwärmung von Wasser festgestellt. Diese trägt jedoch zur Gesamterwärmung der Membran bei und ist in Zusammenhang mit der NP Wärmebildung als Vorteil für die äußere Steuerung der Porengröße der Hybridmembran anzusehen. Die Erwärmung von Wasser erwies sich als stromabhängig und die Wärmeerzeugung durch die NP als frequenzabhängig. Je höher die eingestellte Stromstärke des Magnetfeldes ist, desto stärker die Wassererwärmung. Analog gilt für die NP, dass die Wärmebildung mit steigender Frequenz stärker ist.
Die Hybridmembranen, deren Oberfläche mit einer Monoschicht von 40 nm großen NP bedeckt ist, erwiesen sich durch ein hochfrequentes Magnetfeld als von außen schaltbar. Dabei konkurriert die Erwärmung des Systems mit der konvektiven Kühlung durch das Einströmen des kalten Feeds in die Membranporen. Durch die konvektive Kühlung konnte ein kleinerer Schalteffekt der NP Membran als durch direkte Erwärmung des Feeds erzielt werden. Um den Effekt der konvektiven Kühlung in Relation zu der Systemerwärmung zu reduzieren, sollten mehr und eventuell größere NP auf die Membran immobilisiert und höhere Frequenzen des Magnetfeldes eingestellt werden.
In dieser Arbeit konnte die Herstellung von schaltbaren NP Polymerhybridmembranen erfolgreich realisiert werden. Weiterhin konnte die Kontrolle der Membranporengröße durch ein hochfrequentes magnetisches Feld und die temperatur-responsiven Eigenschaften des Polymers PNIPAAm deutlich demonstriert werden.Polymeric membranes play a central role in reaction engineering and various separation applications such as water treatment and purification or medical devices. The research takes not only care of the development of new membrane materials but especially of the modification of membrane surface properties. Thus membranes can be improved and new applications developed. So far, the use of magnetic nanoparticles (NP) in membrane technology is still relatively new and interactions between such NP and separation membranes are essentially unexplored. By the integration of NP in polymeric membranes it is possible to create new functionalities based on the synergies of the materials. Via a well-defined composition consisting of a porous membrane, magnetic NP and a stimulus-responsive polymer, a system can be developed where the barrier and separation properties can be externally (remote) controlled and switched.
In this project, a polyethylene terephthalate (PET) track-etched membrane (pore diameter 630 nm) with integrated Fe3O4 NP (diameters 15, 25, or 40 nm) which is also functionalised with temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) is created. PNIPAAm exhibits a lower critical solution temperature at 32 °C, i.e., below 32 °C PNIPAAm is swollen and hydrophilic and above 32 °C collapsed and relatively hydrophobic. By their characteristic superparamagnetic behaviour, Fe3O4 NP can generate heat when stimulated with a high frequency (> 200 kHz) magnetic field. The hybrid system (magnetic NP, PET TEM, PNIPAAm) can thus be controlled externally, i.e., effective membrane pore size can be switched by the magnetic field due to the temperature-responsive properties of PNIPAAm.
The Fe3O4 NP are functionalised with a oleic acid layer and with an outer layer of a amphiphilic polymer with reactive carboxylic groups at the surface. The integration of NP is realized by peptide coupling between the carboxylic groups of the NP and PET Membrane prefunctionalised with surface amino groups. Thus a peptide bond was generated which allows a stable NP immobilisation on the membrane surface. Thereby it was noticed that first by adding NaCl to the dispersion the immobilisation could successfully carry out in the membrane pores. Before, the NP do not diffuse into the pores and only the outer membrane surface was covered by NP. Studies showed a dependency of the NaCl concentration and NP size on a successful NP immobilization on the inner and outer membrane surface. The stable immobilied NP covered the membrane surface as a dense monolayer. To increase the NP amount on the membrane and therefore get a stronger overall heat generation, further NP layers were immobilised by tetraethylenpentamin or polymer electrolyte inside layers.
Pore surface functionalisation with PNIPAAm was obtained via photo-initiated “grafting from”. In this method the polymer chains were initiated from the membrane surface. To generate starter radicals at the membrane by UV light different photo initiators were used. In this process it was confirmed that a macroinitiator is more suitable for a successful PNIPAAm functionalisation on NP membranes like suitable initiators for the base membrane without NP. In comparison, when using small initiator molecules, the UV irradiation was extenuated by adsorption via the brown NP, so that no radicals could be generated.
The 40 nm NP showed a stronger heat generation at the same magnetic field conditions, comparing with the 15 nm and 25 nm NP. Besides the specific NP heating effect an unspecific heating effect of water was also discovered. However, this contributes to the overall membrane heating and is an advantage for the external pore size control of the hybrid membrane. It is also found that the heating of water depends on the current of the magnetic field and the heating of NP depends on the frequency of the magnetic field. With higher current of the magnetic field the water heating increase and analogue for the NP the heating increase with a higher frequency.
The hybrid membranes covered with a monolayer NP showed to be externally switchable via a high frequency magnetic field. Therefore the heating of the system competes with the convective cooling by streaming of the cold feed in the membrane pores. Because of the convective cooling a smaller switch effect like by direct feed heating was obtained. To reduce effects of the convective cooling in relation to the heating of the system, more and bigger NP should be immobilised on the membrane and higher frequencies of the magnetic field should be applied.
The production of switchable NP polymer hybrid membranes has been realized successfully in this work. Also the external control of the membrane pore size via a high frequency magnetic field and by the temperature-responsive properties of the polymer PNIPAAm has been shown clearly
Evaluation of methods for improved CD8 + T-cell immune response in the murine Friend retrovirus model
No full textDie Antwort CD8+ zytotoxischer T-Lymphozyten (CTL) stellt einen wesentlichen Bestandteil der antiretroviralen Immunität dar, denn sie ermöglicht eine effektive Bekämpfung intrazellulärer Erreger. Ein Impfstoff gegen Retroviren muss daher neben einer guten Antikörper- und T-Helferzell-Antwort auch diesen Teil der zellulären Immunität induzieren. In der Vergangenheit ist es bislang nicht gelungen, einen effektiven und zugleich unbedenklichen Impfstoff gegen den retroviralen Friend-Virus-Komplex zu entwickeln. Ursächlich dafür war unter anderem die insuffiziente Generierung einer CD8+ CTL-Antwort durch die verwendeten Vakzine.
In dieser Arbeit wurden daher verschiedene Methoden zur Verbesserung der CD8+ CTL-Antwort evaluiert. Zur Identifikation möglicher CD8+ CTL-Epitope wurde die bislang noch nicht untersuchte FV-Sequenz Pol in einen adenoviralen Vektor integriert. Dieser zeigte jedoch im Vakzinierungsexperiment keine Schutzwirkung, da die Pol-Sequenz vermutlich keine relevanten Epitope enthält. In einem weiteren Ansatz wurde bei der GagL85-93-Sequenz, die zuvor keine messbare CTL-Antwort induziert hatte, durch die Modifiktion der kodierenden Sequenz ein Aminosäureaustausch bewirkt. In einen adenoviralen Vektor als Transgen eingeführt sollte so eine Verbesserung der Antigen-Prozessierung erreicht werden. Mit diesem Vektor konnte sowohl die Immunantwort als auch die Schutzwirkung signifikant verbessert werden. Eine Koapplikation der modifizierten GagL-Vakzine und von Vektoren, die ausgewählte Th1-Zytokine zur Verbesserung der zellmediierten Immunantwort exprimierten, konnte den Impfschutz allerdings nicht weiter verbessern.
Die Ergebnisse der Arbeit unterstreichen nochmals die Bedeutung zytotoxischer T-Zellen für den Impferfolg im Friend-Virus-Modell und zeigen Methoden auf, mit denen die CTL-Antwort moduliert werden kann. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch der Optimierung von Impfstoffen gegen humanpathogene Retroviren zugutekommen.The immune response of CD8+ cytotoxic T lymphocytes (CTL) is an essential component of the antiretroviral immunity, as it allows for efficient control of intracellular pathogens. Therefore, a vaccine against retroviruses must also induce this part of the cellular immunity in addition to a robust antibody and T-helper cell response. In the past it has not been possible to develop an effective, yet safe vaccine against retroviral Friend virus complex. This was due to the insufficient generation of a CD8+ CTL response by the vaccine used.
Therefore, different methods to improve the CD8 + CTL response were evaluated in this work. To identify potential CD8+ CTL epitopes the FV-Pol sequence was integrated into an adenoviral vector. But it failed to show any protective effect in vaccination experiments. This indicates that the Pol sequence most probably does not contain relevant epitopes. In another approach the GagL85-93 epitope which had previously not induced any measurable CTL response was modified by substitution of the flanking sequence to cause an amino acid substitution. After introduction into an adenoviral vector as a transgene enhanced antigen processing could be achieved. With this vector both the immune response and the protective effect could be significantly improved. Co-application of the modified GagL vaccines and vectors expressing Th1 cytokines to improve the cell-mediated immune response to vaccination, however, could not further increase the vaccination outcome.
The results of this work underline once again the importance of cytotoxic T cells for the response to vaccines in the Friend retrovirus model and show methods by which the CTL response can be modulated. These findings can also be useful for the optimization of vaccines against human pathogenic retroviruses
The Life-Cycle Model IDEAL for innovations in e-learning through quality management and competence building, standards and open learning
No full textDie Qualitätsentwicklung und die Kompetenzentwicklung sind die wichtigsten Zielsetzungen im E-Learning und in der gesamten Aus- und Weiterbildung, um nicht nur die individuellen Lernenden zu unterstützen, sondern auch unsere Gesellschaft insgesamt zu verbessern: Schon im Kleinkindalter und in der Schulzeit sollten alle Möglichkeiten für eine optimale Ausbildung und Kompetenzentwicklung genutzt werden. Bildung ist das stärkste Mittel für ein friedliches Zusammenleben und die Stärkung der Gemeinschaft.
Christian M. Stracke präsentiert dazu das Life-Cycle-Modell IDEAL: Es ist das erste Referenzmodell für die Integration von Qualitäts- und Kompetenzentwicklung im E-Learning, das auf die gesamte Aus- und Weiterbildung übertragbar ist.Quality development and competence development are the most important objectives in e-learning as well as in all sectors of learning, education, and training to support not only the individual learners but also to improve our whole society. In particular during childhood and school education, all opportunities for an optimized education and competence development should be utilised.
Learning is the strongest means for a peaceful coexistence and for strengthening the community.
For this purpose, Christian M. Stracke presents the Life-Cycle Model IDEAL, the first reference model for the integration of quality and competence development in e-learning that can be transferred into all sectors of learning, education, and training
Effects of CD83 and miR183 over expression in CD4+ T cells
No full textCD4+ T-Helferzellen übernehmen essentielle Aufgaben während einer Immunreaktion. Zu ihren Aufgaben gehören immunaktivierenden Funktionen, vermittelt durch die Subpopulati-onen der T-Effektorzellen sowie immunregulatorische Funktionen, die durch regulatorische T-Zellen vermittelt werden. Für eine funktionierende Immunantwort ist die richtige Balance der verschiedenen T-Helferzellpopulationen essentiell, denn ein Ungleichgewicht kann zu chronischen Infektionen, Tumoren, Allergien oder Autoimmunerkrankungen führen. Daher ist das Verständnis der Faktoren, die in die Funktion der verschiedenen CD4+ T-Helferzellpopulationen involviert sind von enormer Bedeutung für ein therapeutisches Ein-greifen.
In dieser Arbeit wurden zwei Moleküle auf ihre Funktion in CD4+ T-Zellen hin untersucht. Zum einen wurde der Einfluss des Oberflächenmolekül CD83 auf die Funktion von CD4+ T-Zellen mit Hilfe einer CD4CD83 trangenen Maus untersucht, die CD83 unter Kontrolle des CD4-Promotors überexprimiert. Phänotypisch wurde eine verminderte Menge an CD4+ und CD8+ T-Zellen sowie eine erhöhte Menge an CD4+CD8+ Thymozyten im Thymus dieser Mäuse gegenüber nicht-transgenen Geschwistern detektiert. In in vitro Analysen konnte kein regu-latorischer Einfluss der CD83 Überexpression in CD4+ T-Zellen gemessen werden. Allerdings sezernierten die CD4CD83 transgenen CD4+CD25- T-Zellen nach Stimulation signifikant weni-ger IL17A als CD4+CD25- T-Zellen aus nicht-transgenen Tieren. Darüber hinaus hatte eine DNFB-vermittelte Kontaktallergie in CD4CD83 transgenen Mäusen einen milderen Verlauf als in nicht-transgenen Kontrollen, was mit einem erhöhten Anteil CD4+FoxP3+ T-Zellen und einer verminderten Menge IL17A-sezernierender CD4+ T-Zellen in den drainierenden Lymph-knoten einherging. Um die Funktion von CD83 insbesondere auf CD4+ T-Zellen weiter unter-suchen zu können, wurde außerdem im Zuge dieser Arbeit eine CD83-Flox Maus geniert.
Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht, welchen Einfluss miR183 auf die Regulation der CD4+ T-Zellfunktion hat. In naiven Tregs wurden signifikant höhere miR183 Expressionswerte in regulatorischen T-Zellen als in naiven T-Zellen gemessen. Mehrere Tage nach Aktivierung jedoch waren die Werte in T-Effektorzellen höher, was auf eine Funktion von miR183 in beiden Populationen hindeutete. Um dies näher zu untersuchen, wurde miR183 mittels retroviralem Gentransfer in CD4+CD25- T-Zellen überexprimiert. Die funktio-nelle Analyse zeigte keine Induktion eines regulatorischen Phänotyps, aber eine Verstärkung von Effektorfunktionen wie beschleunigte Proliferation und erhöhte CD69 Expression in vitro. Diese Effekte der miR183-Überexpression konnten in einem Antigen-spezifischen Diabe-tesmodell in vivo bestätigt werden. Mechanistisch konnten diese Effekte mit der Regulation des Transkriptionsfaktors EGR1 durch miR183 und einer verstärkten Aktivität des Akt-Signalweges in Zusammenhang gebracht werden.
Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten dazu beitragen die Faktoren, die in die Funktion der verschiedenen CD4+ T-Helferzellpopulationen involviert sind besser zu verstehen, was für deren therapeutische Manipulation von großer Bedeutung ist
Modelling of Product Changing Processes in Extrusion Dies
No full textDie effiziente Durchführung von Produktwechseln bietet insbesondere bei der kontinuierlichen Herstellung von Waren aus Kunststoff hohe Einsparpotenziale bezüglich Material- und Energiebedarf sowie Anlagenverfügbarkeit.
Unter Berücksichtigung unterschiedlicher Aspekte ist die Zielsetzung dieser Arbeit, Produktwechselvorgänge in Extrusionsprozessen wissenschaftlich zu untersuchen und durch eine geeignete Modellbildung beschreibbar zu machen.
Für die Ermittlung eines abgeschlossenen Wechsels ist die Fließgeschichte entlang des Stromfadens der längsten Verweilzeit im Kanal zu berücksichtigen. Als Messmethode zur Beurteilung abgeschlossener Wechsel hat sich die Messung von Proben- bzw. Folienoberflächen mittels Spektralphotometer bewährt.
Die Prognose von Wechselvorgängen gelingt durch das in dieser Arbeit vorgestellte analytische Modell. Dies zeigt sich anhand des Vergleichs der berechneten und der experimentell ermittelten Wechselmassen.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigen eine starke Abhängigkeit der Wechselvorgänge zu den strömungsmechanischen Materialeigenschaften. Es ist insbesondere ein deutlicher Einfluss des Viskositätsverhältnisses beider Wechselpartner zu identifizieren. Auf die Viskositäten der Wechselpartner nimmt dabei neben der Geometrie des Werkzeuges vor allem der Betriebspunkt des Prozesses Einfluss. Durch die Annahme, dass vornehmlich die Eigenschaften des Zielmaterials, vor allem die Schubspannung, den Wechsel dominieren, wird es möglich, den Wechsel auf den einzelnen Abschnitten eines Stromfadens längster Verweilzeit zu prognostizieren.
Zur Bestimmung des Wechselverhaltens in Extrusionswerkzeugen werden im Allgemeinen numerische Mehrschichtsimulationen vorgeschlagen. Um auch quantitative Ergebnisse zu erzielen, wird die Simulation mit Hilfe des analytischen Ansatzes kalibriert.
In Verarbeitungsanlagen kommt es bei allen realen Polymeren in Abhängigkeit von der Temperatur und der Verweilzeit im Extrusionssystem zu Alterungsphänomenen. Bei Produktwechseln mit niedrigem Viskositätsverhältnis der Wechselpartner entstehen insbesondere in den wandnahen Schichten verhältnismäßig lange Verweilzeiten. Eine thermo-rheologische Charakterisierung von Polyolefinen zeigt unter praxisrelevanten Randbedingungen deutliche Änderungen der makromolekularen Kettenstruktur zu einem Auf- bzw. Abbau. Die Messergebnisse deuten auf eine zusätzliche Abhängigkeit der Alterungsphänomene von der Schergeschwindigkeit hin, die das Material erfährt.
Die betriebspunktabhängigen Einflüsse auf Wechselprozesse lassen sich auf eine Veränderung der strömungsmechanischen Materialeigenschaften zurückführen. So sind Einsparungen der Wechselmasse in Abhängigkeit von der Massetemperatur damit zu begründen, dass ein höheres Verhältnis der Viskositäten von Ziel- zu Ausgangsmaterial erreicht wird. Ein solcher Effekt auf das Viskositätsverhältnis wird durch unterschiedliche Resultate bei der Ermittlung der jeweiligen Temperaturverschiebungsfaktoren erkennbar und quantitativ berechenbar. Anhand der Untersuchungen ist davon auszugehen, dass Wechsel aufgrund hoher Schubspannungen immer bei maximalem Durchsatz durchzuführen sind. Einsparungen der Wechselmasse durch wiederholte Variationen des Durchsatzes während eines Wechsels zeigen sich nicht.More efficient product changing processes lead to economic advantages by saving additional material, energy and production time especially by continuous production of polymer products.
Taking different aspects into consideration it is the main objective of this work to analyse product changing processes and be able to describe them with a proper mathematical model.
To determine completed changing processes the history of the melt flow along the streamline at the highest residence time in the channel is taken into account. As a measuring method for the evaluation of completed changes the sampling of probe surfaces with a spectrophotometer measuring colour values has proven to be most useful.
Changing processes are predicted by the analytical model presented in this work, which is shown by comparison of the calculated and the experimentally determined changeover masses.
A strong dependence of the changing processes to the fluid mechanical material properties is shown. In particular a significant influence from the viscosity ratio of the changing partners was identified. The viscosities are mainly influenced by the flow channel design and the operation point. Assuming that the shear stresses resulting from the target material dominate the whole changing process a prediction of the progress along the streamline of highest residence time in sections is possible.
The usage of numerical multiphase simulations are proposed to determine the change of behaviour in extrusion dies. This already showed a good qualitative way to identify critical areas of long residence times in the die design. In order to obtain quantitative results, the simulation is calibrated by means of the analytical approach.
During the processing of all real polymers phenomena of aging are observable depending on temperature and residence time in the extrusion system. Especially high residence times result at product changes with low viscosity ratios in layers near the channel wall. Normally fluid mechanical properties after long durations under thermal load are measured to test the stability of materials. Analysing the changes to the properties or the way of structural changes caused by aging are not mainly focused. Thermo-rheological characterizations of polyolefines show significant alterations of the macromolecular chain structure to coupling/crosslinking or scission under practical conditions. The measurement results indicate an additional dependence between aging and the experienced shear rate.
Influences on changing processes resulting from variation of operation points are attributed to a change in the fluid mechanical material properties. The variation of the material temperature affects the changeover mass by leading to lower or higher viscosity ratios of the changing partners. Such influences on the viscosity ratio are noticeable from different temperature shifting factors of the materials, which can be used to calculate the outcome for the changing process. The studies show advantages performing the material changes at maximal throughputs resulting from high shear stresses. A repeatedly variation of the mass flow during the changing process shows no positive effect on the changeover mass
Establishment of new GIST-models and functional relevance of DOG1 in GIST
No full textGastrointestinale Stromatumoren (GIST) sind die häufigsten mesenchymalen Tumoren im Gastrointestinaltrakt. Charakteristisch für GIST sind aktivierende Mutationen der Typ-III-Rezeptortyrosinkinasen KIT oder Platelet-derived growth factor receptor alpha (PDGFR-α). Bei etwa 85 % aller Patienten finden sich Mutationen in diesen Genen. Trotz der klinischen Erfolge mit KIT-Inhibitoren entwickeln über 80 % aller Patienten im Verlauf eine Resistenz und versterben an der Erkrankung. Klinisch manifestiert sich die erworbene Resistenz als noduläres Wachstum resistenter Klone, die meist eine sekundäre Mutation von KIT aufweisen. Die Entwicklung von Salvage-Therapien wird durch die große genomische Heterogenität auch innerhalb einzelner Patienten erschwert.
In dieser Arbeit konnten durch systematische Kultivierung von Frischtumorgewebe und Selektion bestehender Zelllinien verschiedene einzigartige GIST-Linien etabliert werden. Dazu zählen die erste Neurofibromatose-assoziierte GIST-Linie sowie die erste GIST-Linie mit der klinisch Behandlungsrefraktären KIT D816 Sekundär-Mutation. Zudem wurde ein einzigartiges isogenes Imatinib-Resistenz Modell (in vitro und in vivo) generiert, welches die klinisch relevante, komplexe genomische Heterogenität von GIST und die klonale Evolution resistenter Klone rekapituliert. Mithilfe dieses Modells wird die Entwicklung von Behandlungskombinationen und Dosierungsschemata ermöglicht, die die Ausbildung von resistenten Klonen verhindern oder deutlich verzögern könnten.
Überdies wurde erstmals DOG1, einen der wichtigsten immunhistochemischen Marker von GIST in der pathologischen Praxis, funktionell im zellulären Kontext von GIST untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die funktionelle Ausschaltung von DOG1 das Wachstum von GIST in vivo hemmt und somit eine mögliche therapeutische Zielstruktur darstellt.Gastrointestinal stromal tumors (GIST) represent the most common mesenchymal malignancy of the gastrointestinal tract and are characterized by activating mutations of the receptor tyrosine kinases KIT or PDGFRA. About 85% of GIST patients have such mutations.
Despite the clinical success of KIT-inhibitors 80% of the patients eventually progress and die of their disease. Acquired resistance to KIT-inhibitors typically manifests as nodular outgrowth of GIST clones that harbor secondary KIT-mutations. Development of salvage therapies is complicated by a marked genomic heterogeneity of secondary mutations even within single patients.
In this project different unique GIST-lines were established by systematic cultivation of fresh tumor tissues and systematic selection of an existing cell line. This includes the first neurofibromatosis-associated GIST line worldwide and the first GIST line harboring the clinically important secondary KIT mutation D816.
Moreover, a unique isogenic model of Imatinib-resistance was generated (in vitro and in vivo). This model recapitulates the clinical complexity of genomic heterogeneity and clonal evolution. This may help to develop treatment combinations and schedules that may avoid or delay acquired resistance.
Furthermore the functional relevance of DOG1, one of the most pathologically important immunohistochemical marker of GIST, was proven for the first time. This project has shown that the functional inhibition of DOG1 leads to a delayed tumor growth in vivo therefore DOG1 could be a potential therapeutic target in GIST
Applying discrete choice experiments to recent topics in health economics
No full textThis thesis comprises four studies in which health related preferences are elicited from the German public. All studies have in common that DCE data are analyzed while they are related to different research questions.
In “Rescuing Schelling’s girl” it is analyzed whether the identifiable victim effect can be observed for a sample of the German public. Generally, it is widely believed that in modern societies identified lives are valued more highly than statistical lives. However, only a limited number of empirical studies finds evidence for the existence of this so-called identifiable victim effect. In this chapter, the results of a labeled DCE are reported, which was designed to overcome some of the limitations of the methods that have been applied to date to investigate preferences in the context of identified and statistical lives. It is found that the respondents prefer reducing the mortality risk of an identified life over the one of a statistical life on an aggregate level. When expressed in monetary terms, the respondents attach an additional value of approximately USD 3.8 million to saving an identified life over an otherwise comparable statistical life. However, an analysis of subgroups suggests that the older part of the respondents in the sample drives this effect.
In “The dead-anyway effect from a societal perspective” we draw on the same data set used in “Rescuing Schelling’s girl” and use more sophisticated MIXL models to investigate the relationship between willingness to pay (WTP) for a given level of risk reduction and the initial mortality risk of the beneficiary when society spends the resources. Pratt & Zeckhauser (1996) assert that this relationship should be positive on the individual level and termed it the dead-anyway effect (DAE). We find evidence in favor of this assertion on the societal level. Furthermore, our results suggest that the WTP for a fixed risk reduction does not seem to increase incrementally with initial risk.
In “Evaluating the consequences of rheumatoid arthritis” we empirically investigate whether patients and non-patients tend to attach different utility values to the state of suffering from a specific illness. If that would be the case, we were naturally led to the question whose utility values should be used as the basis in cost-effectiveness analysis (CEA). Intuitively, one would presume that patients are better informed about the consequences of their illness and public authorities should therefore use the patients' utility values in CEA. Contrary to this presumption, it has been argued that society at large should determine which values are to be used and not the patients because, in the end, it is societal resources that are to be allocated. Against this background, we use data from a DCE that was completed by patients suffering from rheumatoid arthritis (RA) and non-patients to explore the discrepancies between the two groups’ utility estimates for typical consequences of RA. Our results indicate that both groups attach remarkably similar part-worth utilities to the symptoms pain, fatigue and functional limitations. However, non-patients significantly undervalue the ability to work when compared to patients.
In “A comparison of discrete choice and best-worst scaling” we supplement the DCE described in “Evaluating the consequences of rheumatoid arthritis” by a BWS survey with the identical underlying experimental design to shed more light on potential differences between the two methods. In particular, we estimate models capable of accounting for taste and scale heterogeneity in order to investigate if there are method induced differences in this regard. We find that the DCE and BWS lead to considerably different coefficient estimates and that the BWS responses exhibit a larger degree of taste heterogeneity
Numerical simulation of vortex dominated cavitating flows
No full textZielsetzung dieser Arbeit war die Weiterentwicklung von numerischen Algorithmen, welche der hohen Wirbeldissipation in der numerischen Lösung entgegenwirken um eine genauere Prognose speziell im Bereich der Spitzenwirbelkavitation von Propellern zu erreichen. Hierzu wurde zunächst anhand einfachster Problemstellungen die Wirbelausbreitung mit numerischen Verfahren nach aktuellem Stand der Wissenschaft untersucht. Aufgrund der ungenügenden Abbildung von Wirbelstrukturen ist hier zwingend Handlungsbedarf erforderlich, insbesondere wenn zu der Wirbelabbildung in einphasigen Strömungssimulationen die speziell in der Propellerauslegung zumeist unerwünschte Kavitation anhand von Berechnungen zweiphasiger
Strömungen berücksichtigt und simuliert werden muss. Der Fokus liegt in dieser Arbeit auf der Abbildung der Spitzenwirbelkavitation.
Zur Aufrechterhaltung von Wirbeln kann im Allgemeinen zum einen eine erhöhte Netzauflösung gewählt werden. Dieses führt jedoch zu deutlich erhöhten Rechenzeiten. Eine weitere Möglichkeit ist das Einbringen antidissipativer Terme in die numerische Lösung. Dieses Einbringen
antidissipativer Terme muss jedoch so gesteuert werden, daß nur gezielt in ausgewählten Bereichen in die numerische Lösung eingegriffen wird. Hierzu gibt es in der Literatur bereits unterschiedliche Ansätze, welche jedoch in der Praxis aus eigenen Erfahrungen nicht zu dem gewünschten Erfolg bzw. zu einer gewünschten Stabilität in der numerischen Lösung speziell im Bereich der Propellerumströmung geführt haben. Der Hauptgrund ist bei allen Formulierungen der unzureichende Ausschluß der Grenzschicht welcher bei Grenzschichtbehafteten Strömungsproblemen zu einer vernachlässigbar geringen Beeinflussung der Strömung führt. Für reale Problemstellungen sind diese Verfahren nur sehr eingeschränkt nutzbar. Weiterhin
handelte es sich bei den frühen Formulierungen um einen dimensionsbehafteten Parameter e.
Aufgrund der Erfahrungen mit bereits vorhandenen Formulierungen wurde eine Möglichkeit des gesteuerten Eingriffs in die numerische Lösung geschaffen, welche die direkte Auswahl vorhandener Wirbelstrukturen ermöglicht. Dieses erfordert natürlich eine gewisse Kenntnis der aktuellen Umströmungssituation. Diese wird jedoch nicht nur für diese Art des Eingriffs in die numerische Lösung gefordert, sondern ist stets bei der Bewertung numerischer Lösungen notwendig und stellt somit keine erhöhten Anforderungen an den Nutzer.
Das Verfahren wurde zunächst an einfachsten Wirbelströmungen auf die Eignung untersucht und im Anschluss an realen Strömungsproblemen angewendet für welche experimentelle Ergebnisse vorliegen. Es hat gute Übereinstimmungen gezeigt zu vergleichbaren Berechnungen mit fein aufgelösten Netzen aber auch zu den vorliegenden Versuchsergebnissen. Eine ausreichend genaue Abbildung und Verfolgung von Spitzenwirbeln ist somit auch auf grob aufgelösten
Netzen möglich. Zur Simulation von Kavitationseffekten ist natürlich eine besonders hohe Netzauflösung gefordert. Jedoch kann auch hier für frühe Abschätzungen der Wirbelausbreitung dieses Verfahren zum Einsatz kommen. Dieses wurde z.B. am untersuchten Tragflügel
und auch am Propeller gezeigt.
Weiterer Handlungsbedarf besteht in der Abschätzung der Stärke des einzubringenden wirbelerhaltenden Terms. Die Einführung eines variablen Faktors, welcher anhand der Wirbeltransportgleichung
ermittelt werden könnte und die Richtung der Durchströmung durch die einzelnen Zellen berücksichtigt, sollte weitergehend untersucht werden. Ebenso ist eine Anpassung des einzubringenden Kraftterms in Umfangsrichtung zu überdenken, um eine exaktere Abbildung
der Rotation zu gewährleisten. Zudem sollte die Findung des für die Problemstellung günstigen Parameters e automatisch erfolgen. Die automatische Ermittlung könnte über die Einbindung der Wirbeltransportgleichung in die numerische Lösung ermöglicht werden. Mit den bisherigen Verfahren können jedoch bereits gute Ergebnisse und Übereinstimmungen mit experimentellen Ergebnissen erzielt werden
Molekulargenetische Analyse der minor Histokompatibilitäts-Antigene (mHag) und deren Relevanz für die allogene Blutstammzell-Transplantation
No full textKlinische und experimentelle Daten weisen daraufhin, dass bei Patienten nach allogener Blutstammzell-Transplantation (HSCT) trotz genotypischer HLA-Identität des Spenders in 30-40% der Fälle eine Graft-versus-Host (GvH) Reaktion auftreten kann, die durch zytotoxische alloreaktive T-Lymphozyten des Spenders ausgelöst wird. Bei genotypischer HLA-Identität zwischen Spender und Empfänger verbleibt somit als allogene Differenz die Aminosäuresequenz-Variation in den dem T-Zell Rezeptor präsentierten Peptiden. Dieser Peptid-Polymorphismus ist die Grundlage für Auslösung einer GvH-Reaktion. Deshalb werden die allelischen Ausprägungen der präsentierten Peptide als minor Histokompatibilitäts-Antigene (mHag) bezeichnet. In der vorliegenden Arbeit wurden die mHag HA-1, CD31 und CD49b molekulargenetisch charakterisiert und deren allelischen Ausprägungen mit dem Auftreten einer akuten GvH Reaktion in einer gut definierten Patientenkohorte von 163 CML-Patienten und deren HLA-identischen Geschwisterspendern (n=94) sowie HLA-kompatiblen unverwandten Spendern (n=69) korreliert. Nach univariater Analyse ergab sich eine signifikante Assoziation von mHag-Mismatch und einer erhöhten aGvHD-Inzidenz in HLA-B44 Supertyp-positiven Patienten. Nach multivariater Untersuchung konnte jedoch einzig das Alter der Patienten zum Zeitpunkt der Transplantation als statistisch signifikanter aGvHD-Risikofaktor etabliert werden. Zur mHag-Testung wurde eine einheitliche PCR-SSP Methodik eingeführt und in einem populationsgenetischen Ansatz durch die Untersuchung von Normalpersonen (n=201) sowie eine Segregationsanalyse in 20 Familien mit 80 parentalen Haplotypen validiert. Die Verteilung aller im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersuchten mHag-Allele befand sich dabei im Hardy-Weinberg Equilibrium. Innerhalb der Segregationsanalyse konnte eine bisher unbekannte Allelkombination im CD31 Gen beschrieben werden, die durch eine entsprechende Sequenzierungsstrategie weiter aufgeklärt wurde. Weiterführende Untersuchungen des für das mHag HA-1 kodierenden Gens KIAA0223 ergaben schließlich einen bisher unbeschriebenen T ® A Polymorphismus im an das Exon 22 anschließenden Intronbereich. Aufgrund der gegenüber den etablierten aGvHD-Risikofaktoren untergeordneten Relevanz der mHag und der widersprüchlichen Datenlage in der Literatur besteht weiterhin die Notwendigkeit nach zusätzlichen Studien mit großen Fallzahlen, um einen klinisch relevanten Effekt von multiplen mHag-Inkompatibilitäten im Rahmen der HSCT sicher nachzuweisen
Synthesis and characterization
No full textDiese Forschungsarbeit ist Teil eines Verbundprojektes durch Zusammenarbeit mit dem Institut für Physiologische Chemie des Universitätsklinikums Essen unter Leitung von Herrn Prof. Dr. Dr. Herbert de Groot. Das gemeinsame Bestreben der Kooperation ist die Entwicklung eines potentiellen Sauerstoffträgers für künstlichen Blutersatz in Form von perfluorcarbongefüllten Polymernanokapseln in wässriger Dispersion. Im Mittelpunkt der ersten Projektphase stehen die Ausarbeitung einer effizienten Synthesestrategie zur Präparation der Nanokapseln und eine Untersuchung geeigneter Charakterisierungs- bzw. Nachweismethoden.
Perfluorcarbone sind vollständig oder auch partiell fluorierte Kohlenwasserstoffe mit einer hohen Aufnahme- und Abgabekapazität für respiratorische Gase wie Sauerstoff oder Kohlenstoffdioxid. Zudem sind sie chemisch und biologisch inert und ihr Vorrat ist quasi unbegrenzt. Ihre ausgeprägte Hydro- sowie Lipophobie veranlasst die Emulgierung von Perfluorcarbonen in einem wässrigen Medium, um ihre Aufnahme in den Blutkreislauf zu bewerkstelligen. Als nachteilig erweist sich jedoch die oftmals geringe Stabilität solcher Emulsionen und die damit verbundenen physiologischen Nebenwirkungen oder Begleiterscheinungen. Als Lösung bietet sich die Einkapselung der Emulsionstropfen innerhalb einer festen Polymerhülle an. Auf diesem Wege können sowohl eine Festigung der dispersen Struktur als auch eine Maskierung der Perfluorcarbontropfen erreicht werden.
Zur Einkapselung von Perfluorcarbonen werden in dieser Arbeit im Wesentlichen zwei Prä-parationsansätze untersucht. Dabei handelt es sich zum Einen um eine Nanopartikelsynthese auf Grundlage des sogenannten Ouzo-Effekts, auch bekannt unter dem Begriff der spontanen Emulgierung, zum Anderen wird ein Einkapselungsverfahren getestet, das sich stärker an den Prozess der technischen Emulgierung und anschließender Lösemittelverdampfung anlehnt. Als Perfluorcarbon wird Perfluordecalin (PFD) verwendet. Als Kapselwandmaterial stehen die beiden Polymere Polybutylcyanacrylat (PBCA) und Polylactid-co-Glycolid (Polylactide-co-glycolic acid, PLGA) zur Verfügung. Im Zuge erster physiologischer Tests wird die Konzentration aber verstärkt auf die Präparation perfluordecalingefüllter Polybutylcyanacrylat-Nanokapseln gerichtet. Dafür wird die Synthesestrategie, basierend auf dem Ouzo-Effekt, in einem zweiten Schritt hinsichtlich des Monomer- und Tensidgehalts optimiert.
Zur Charakterisierung der Nanokapseldispersionen stehen bildgebende Untersuchungsmethoden wie die Rasterkraftmikroskopie (AFM) und die Dunkelfeldmikroskopie zur Verfügung. Über kernresonanzspektroskopische Messmethoden (NMR) wird die Sauerstoffaufnahmekapazität der Kapseln untersucht. Zudem werden erste physiologische Tests von den Kooperationspartnern des Universitätsklinikums durchgeführt.
Die durchschnittliche Partikelgröße und die Partikelgrößenverteilung werden über die Methode des Particle Tracking (PT), eine Kombination aus Dunkelfeldmikroskopie und digitaler Bildverarbeitung, bestimmt. Im Fall der optimierten PBCA-Nanokapseln liegt die durchschnittliche Partikelgröße im Bereich von 100 bis 300 nm im Radius.
Mittels der Rasterkraftmikroskopie ist es möglich, die morphologischen Eigenschaften sowie die Elastizität der Kapseln durch kraftspektroskopische Experimente nachzuweisen. Einkerbungsversuche führen zu einer charakteristischen Faltung der Kapselhülle.
Die Gasdurchlässigkeit der Polymerwand sowie die Gasaufnahmekapazität perfluordecalingefüllter PBCA-Nanokapseln werden mittels NMR untersucht. Hierdurch kann festgestellt werden, dass zwischen der chemischen Verschiebung des 19F-Signals von Perfluordecalin in reiner Form oder im eingekapselten Zustand und dem Sauerstoffgehalt ein linearer Zusammenhang besteht. In gleicher Weise korreliert die Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 mit der Sauerstoffkonzentration. Darauf aufbauend werden sogenannte Gas-Kinetik-Experimente durchgeführt, wobei die Kapseldispersionen alternierend mit Sauerstoff und Stickstoff behandelt werden, um den Grad der Sauerstoffsättigung zu bestimmen.
Im Rahmen erster physiologischer Beständigkeits- und Tauglichkeitstests werden von den Kooperationspartnern des Universitätklinikums ex vivo-/in vitro-Untersuchungen an den Kapseln durchgeführt. Hierfür werden Rattenlebern innerhalb eines extrakorporalen Zirkulationssystems mit den Kapseldispersionen perfundiert und physiologische Parameter im Vergleich mit Messungen an perfundierter Krebs-Henseleit-Pufferlösung kontrolliert. Hierbei lassen sich keine gravierenden Abweichungen und in einigen Fällen sogar ein verbessertes Resultat gegenüber den Kontrollwerten feststellen. Des Weiteren zeigen PT- und NMR-Untersuchungen der perfundierten Kapseldispersionen keine signifikanten Veränderungen der Partikelgrößenverteilung und der Fluorkonzentration auf.This research project is created in collaboration with the Institute for Physiological Chemistry at the University Hospital Essen headed by Professor de Groot. Goal of the cooperation is the development of a potential oxygen carrier as artificial blood substitute. As part thereof, synthesis and characterization of perfluorocarbon-filled polymer nanocapsules are central pillars of this study.
Perfluorocarbons are fully or partly fluorinated hydrocarbons with high uptake and release capacity for respiratory gases such as oxygen and carbon dioxide. They are chemically and biologically inert and strongly hydro- and lipophobic. Due to that an efficient uptake of perfluorocarbons into the blood stream is only achieved after emulsification in aqueous media. However, so far the often inadequate stability of such emulsions and associated side effects have proved disadvantageous. A possible solution is the encapsulation of perfluorocarbon droplets into a polymeric shell. This allows both the stabilisation of the dispersed system and masking of the droplets.
In order to encapsulate essentially two preparation techniques are investigated: firstly, the synthesis of nanoparticles via the Ouzo effect, a process also known as spontaneous emulsification and secondly, an encapsulation method that is based on a more technical emulsification practice and subsequent evaporation of the solvent. Perfluorodecalin (PFD) is chosen as the core material. The shell is made out of polybutyl cyanoacrylate (PBCA) or polylactide-co-glycolic acid (PLGA). For first physiological investigations focus is placed on the preparation of perfluorodecalin-filled PBCA nanocapsules. To improve the physiological compatibility of these nanocapsules the amount of PBCA monomer and surfactant are optimised.
With regard to the characterisation of such nanocapsule dispersions imaging methods such as atomic force microscopy (AFM) and darkfield microscopy are available. Nuclear magnetic resonance (NMR) experiments are conducted to check the oxygen uptake capacity of the capsules. In addition first physiological test runs are made at the medical centre.
The average particle size and particle size distribution is determined by particle tracking (PT). A combination of darkfield microscopy and digital image processing. In case of the optimised PBCA nanocapsules the average particle size is in the range of 100 to 300 nm in radius.
Atomic force microscopy is used to verify morphological properties as well as the elasticity of the capsules via force spectroscopic measurements. Indentation experiments lead to a characteristic folding of the capsule shell.
Gas permeability of the capsule shell and intake capacity of PFD-filled PBCA nanocapsules are investigated by nuclear magnetic resonance. A linear dependence between the chemical shift of the 19F signal of pure as well as encapsulated perfluorodecalin and the amount of oxygen can be observed. Similarly the spin-lattice relaxation time (T1) correlates to the oxygen concentration. On that basis gas-kinetic experiments are conducted whereas the capsule dispersions are treated alternately with oxygen and nitrogen to determine the degree of gas saturation.
Ex-vivo/in-vitro tests regarding the stability and compatibility of the capsule dispersions are performed at the University hospital. Therefore rat livers are isolated and perfused within an extracorporeal circulation system. Control of physiological values show good results of capsule perfusion compared to perfusion with Krebs-Henseleit buffer solution. In addition PT and NMR analysis of the perfused capsules detect no significant changes of particle size distribution and Fluorine concentration