Die Herstellung von Scaffolds aus funktionellen Hybridpolymeren für die regenerative Medizin mittels Zwei-Photonen-Polymerisation: = Fabrication of scaffolds of hybrid polymers for regenerative medicine using two photon polymerization
Gespeichert in:
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| Format: | Abschlussarbeit Buch |
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Würzburg
2014
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| adam_text | DIE HERSTELLUNG VON SCAFFOLDS AUS FUNKTIONELLEN
HYBRIDPOLYMEREN FUER DIE REGENERATIVE MEDIZIN
MITTELS ZWEI-PHOTONEN-POLYMERISATION
DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES
NATURWISSENSCHAFTLICH DOKTORGRADES
DERJULIUS-MAXIMILIANS-UNIVERSITAETWUERZBURG
O RG ELEG T VON
THOMAS GUENTHER STICHEL
AUS LOHRA MAIN
WUERZBURG 2014
INHALTSVERZEICHNIS
1. E
INLEITUNG
.....................................................................................................................7
2 G
RUNDLAGEN
DER
Z
WEI
-P
HOTONEN
-P
OLYMERISATION
................................................11
2.1 DIE THEORIE DER
ZWEI-PHOTONEN-ABSORPTION....................................................................................*
1
2.1.1 QUANTENMECHANISCHER URSPRUNG DER
ZWEI-PHOTONEN-ABSORPTION...............................................................................................*
1
2.1.2 NICHTLINEARE O P
TIK...............................................................................................................................................................................
12
2.
*
.3
DERZWEI-PHOTONEN-ABSORPTIONSKOEFFIZIENT....................................................................................................................................
*
3
2.2 GRUNDLAGEN DER
2.2.1 PHYSIK DER ULTRAKURZEN
LASERPULSE...........................................................................................................................................
14
2.2.
*
.
*
ERZEUGUNG VON ULTRAKURZEN
LASERPULSEN......................................................................................................................
*
4
2.2.1.2 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG ULTRAKURZER
LASERPULSE..................................................................................................
15
2.2.2
GRUPPENGESCHWINDIGKEITSDISPERSION................................................................................................................................................
*
6
2.2.3 GAUSSSCHE OPTIK * PROPAGATION VON LICHT UND
FOKUSSIERUNG.........................................................................................................17
2.2.4 EFFEKTE BEI DER FOKUSSIERUNG VON
LASERPULSEN.................................................................................................................................
20
2.2.5 FOKUSSIERUNG DURCH MEDIEN M IT UNTERSCHIEDLICHEN
BRECHZAHLEN..................................................................................................
20
2.2.6 RAEUMLICHE STRAHLFORMUNG MITTELS DIFFRAKTIVER OPTISCHER *EM
ENTE...............................................................................................22
2.2.6.1 WIRKUNGSWEISE VON DIFFRAKTIVEN OPTISCHEN * EM
ENTEN...................................................................................................22
2.2. O.2 MATHEMATISCHER
FORMALISMUS........................................................................................................................................23
2.2.63 *NSATZ VON DIFFRAKTLVEN OPTISCHEN *EMENTEN IN DER
LASERMATERIALBEARBEITUNG........................................................24
2.3 ZWE*-PH
*
T
*
NEN-POLYMERISAT
*
* N
*
..M.......
*
..
*
.
*
.
*
..........
*
..........
*
.......
*
...
*
...
*
.
*
.......
*
.......
*
.
*
.....
*
.
*
...
*
.
*
...
*
........25
2.3.1 PHOTOINDUZIERTE VERNETZUNG VON ANORGANISCH-ORGANISCHEN
HYBRIDPOLYMEREN
..........................................................................
25
2.31.1 ANORGANISCH-ORGANISCHE
HYBRIDPOLYMERE........................................................................................................................
25
2.3.1.2
PHOTOINITIATOREN.................................................................................................................................................................
26
2.3.
*
.3 ORGANISCHE V E R N E TZ U N G 28
2.3.2 GRUNDPRINZIP DER
ZWEI-PHOTONEN-POLYMERISATION..........................................................................................................................29
2.3.3 MECHANISMEN UND VEREINFACHTE MATHEMATISCHE MODELLE ZUR
VOXEIBILDUNG...............................................................................30
2.3.4 MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG DER
REAKTIONSKINETIK.......................................................................................................................
32
3 A
NWENDUNGEN
DER
Z
WEI
-P
HOTONEN
-P
OLYMERISATION
.............................................35
****
.
*****
36
..
*
.
*********
.
*****
..
*
...
**
.........
*
...
*
..3.2
ZELLTRAEGERSTRUKTUREN (SCAFFOLDS) FUR DIE REGENERATIVE MEDIZ*N
***
36
...........................................................................................................................
3.2.1
REGENERATIVE MEDIZIN UND TISSUE ENGINEERING
37
.................................................................................................................
3.2.2
ANFORDERUNGEN AN BIOLOGISCHE ZELLTRAEGERSTRUKTUREN
38
.................................................................................................................
SCHEN SCAFFOLDS
*ZIN*
ELE VON BJ
*
MED
*SP*
3.2.3
ANWENDUNGSBE
41
.........................................................................................................
4.
E
XPERIMENTELLES
41
.............................................................................................................................................
4.1
ANLAGE UND PROZESSKETTE
41
........................................................................................................................................................................
4.1.1
GRUNDAUFBAU UND CHARAKTERISTIKA
43
.................................................................................................................
4.1.2
PROZESSKETTE ZUR ERZEUGUNG VON BELIEBIGEN STRUKTUREN
4.1.3
BELICHTUNGSSTRATEGIEN
*.*
46
.......................................................................................................................................
4.2
VERWENDETE MATERIALSYSTEME
47
................................................
4.3
METHODEN ZUR CHARAKTERISIERUNG VON MATERIALIEN UND STRUKTUREN
48
...............................................................................................................................................................................
4.3.
*
KONFOKALE *-RAMAN-SPEKTROSKOP*E
48
.................................................................................
4.3.1.1
DER RAMAN-EFFEKT UND ENTSTEHUNG DER SCHWINGUNGSSPEKTREN
49
...................................................................................................................................................
4.3*
*
.2
EXPERIMENTELLER*-RAMAN-AUFBAU
50
.................................................................................................................................................
4.3.1.3
BESTIMMUNG DES VERNETZUNGSGRADS
50
...........................................................................................................................................................................
4.3.2
MESSUNG DER DRUCKFESTIGKEIT
51
........................................................................................................................................................
4.3.2
.*
THORETISCHE GRUNDLAGEN
52
..........................................................................
4.3.2.2
MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN VON ANORGANISCH-ORGANISCHEN HYBRIDPOLYMEREN
53
...................................................................................................................................................
4.3.2.3
EXPERIMENTELLER AUFBAU
53
........................................................................................................
*****
4.3.3
DICHTEBESTIMMUNG NACH DEM ARCHIMEDISCHEN
*
*
54
...........................................................................................................................................
4.3.4
VISKOSITAETSBESTIMMUNG MITTELS KEGEL-PLATTE-VERFAHREN
54
..................................................................................................................................................................................................
4.3.5
RASTERELEKRONENMIKROSKOPIE
55
...................................................................................
5.
E
RGEBNISSE
UND
D
ISKUSSION
55
....................................................
5
*
*
THEORETISCHE BETRACHTUNGEN UND SIMULATIONEN ZUR VOXEIBILDUNG
57
.............................................................................................................................................................................
5.
*
.
*
TECHNISCHES WECHSELWIRKUNGSVOLUMEN
58
................................................................................................................
5.1.1*
*
GAUSSSCHE NAEHERUNG UND VEKTORIELLE BEUGUNGSTHEORIE
59
5.11.2
SPHAERISCHE ABERRATION
6
*
.....................................................................................................................................................................................
5*
*
.
*
.3
SCHWELLWERTVERHALTEN
63
...............................................................................................................................................................................
5.1.1.4
ZUSAMMENFASSUNG
64
.....................................................................................
5.12
CHEMISCHES WECHSELWIRKUNGSVOLUMEN
64
5.
*.2.*
DIFFUSION DER RADIKALE
65
.................................................................................................................
5.1.2.2
REALE MOLEKUELGROESSE UND KINETISCHE KETTENLAENGE
66
................................................................................................................................................................................
5.1.2.3
ZUSAMMENFASSUNG
66
...............................................................................................................................
5.1.3
SIMULATIONEN ZUR REAKTIONSKINETIK DER ZWEI-PHOTONEN-POLYMERISATION
67
.........................................................................................................................................
5.1.3
.*
TEIKHENDIFFUSION UND TEMPERATURENTWICKLUNG
67
....................................................................................
5.1.3.2
VEREINFACHUNG UND LOESUNG DES SYSTEMS GEKOPPELTER DIFFERENTIALGLEICHUNGEN
68
..........................................................................................................................
5.1.3.3
EINFLUSS VON TERMINIERUNG UND INHIBIERUNG
5.13.4 EINFLUSS DER LASERLEISTUNG AUF DEN
REAKTIONSVERLAUF.......................................................................................................70
5.13.5 EINFLUSS DER
DUNKELREAKTION................................................................................................................................................72
5.1.3.6 ABHAENGIGKEIT DER KONVERSION VON DER
LASERLEISTUNG......................................................................................................74
5.1.3.7 RAEUMLICH INHOMOGENE
KONVERSION...................................................................................................................................
76
5.1.3.8
ZUSAMMENFASSUNG...............................................................................................................................................................76
5.2 CHARAKTERISIERUNG VERSCHIEDENER
HYBRIDPOLYMERSYSTEME..................................................................78
5.2.1 VOXEIBILDUNG UND
REAKTIONSVERHALTEN...........................................................................................................................................78
5.2.1.1 ERZEUGUNG VON VOXELFELDER DURCH DIE *ASCENDING-SCAN.Z-TECHNIK
...............................................................................
78
5.2.12 VERSCHIEDENE MATERIALSYSTEME
..............................................................................
..........................................................
79
5.2.1.3 EINFLUSS DER
FOKUSSIEROPTIK................................................................................................................................................
84
5.2. *.4
ZUSAMMENFASSUNG....................................................................................................................................................*....85
5.2.2 KONVERSIONSGRAD VON DURCH ZWEI-PHOTONEN-POLYMERISATION
HERGESTELLTEN S T R U K T U R E N 87
5.2.2.1 KONFOKALE *-RAMAN-SPEKTROSKOPIE AN
LINIENSTRUKTUREN...............................................................................................
88
5.2.2.2 ZUORDNUNG DER SCHWINGUNGSBANDEN UND
AUSWERTUNG...................................................................................................89
5.2.2.3
FEHLERANALYSE........................................................................
**
5 .2 .2 *
ZEIT- UND LEISTUNGSABHAENGIGES VEMETZUNGSVE*HALTEN.... *
...................
*
........
*
....................
*.*
..................
****
.......
*.* ....92
5.2.3 MECHANISCHE EIGENSCHAFTEN UND KONVERSIONSGRAD VON
FORMKOERPERN.........................................................................................
94
5.2.3
*
PRAEPARATION VON F _ K OE *PE*N
............................................................................................................................................
94
5.2.3.2 VERNETZUNGSCHARAKTERISTIK DER
FORMKOERPER......................................................................................................................95
5.2.3.3 VARIATION DER
PHOTOINITIATORKONZENTRATION......................................................................................................................
96
5.2.3.4 EINFLUSSDERVERNETZUNGSBEDINGUNGEN
5.2.3.5 UNTERSCHIEDLICHE
MATERIALSYSTEME..........................................................................................................................******99
5.2.3.6
ZUSAMMENFASSUNG.................................................................
.
5.3 AUFSKALIERUNG DER TECHNOLOGIE DER
ZWEI-PHOTONEN.POLYMERISATION...............................................102
5.3.
*
HERAUSFORDERUNGEN DER
AUFSKALIERUNG............................................................................................................................................102
5.3.1.1 LIMITIERTE BELICHTUNGSSTRATEGIEN
.......................................................................
102
5.3.1.2 ERHOEHUNG DER BAU- UND POIYMERISATIONSRATEN
............................................
103
5.3.1 *3 ABLEITUNG GEEIGNETER LOESUNGSKONZEPTE AUS DEN ANFORDERUNGEN
...........................................................................
106
5 .3 1 4 AUSWAHL DES M
ATERIALS.....................................................................................................................................................
107
5.3.
*
.5
ZUSAMMENFASSUNG.........................................................................................................................................................107
5.3.2 STANDARDBELICHTUNGSAUFBAU M IT OBJEKIVEN M*TTLE *E* NUMERISCHER
APERTUR
............................................................................
*
08
5.3.2. * DEFOKUS-KORREKTUR UND
LEISTUNGSANPASSUNG.................................................................................................................
*
08
5.3.2.2 STRUKTURIERUNGSERGEBNISSE
.....................................................
112
5.3.2.3
ZUSAMMENFASSUNG.............................................................................................................................................................
*
15
5.3.3 DER BADAUFBAU - KONZEPT UND UMSETZUNG EINES NEUEN
BELICHTUNGSAUFBAUS
..........................................................................
115
5.3.3.
*
EXPERIMENTELLER ****** UND
CHARAKTERISTIK................................................................................................................
**
5
5.3.3.2 IN-SITU-CHARAKTERISIERUNG DER INTENSITY POINT SPREAD
FUNCTION...................................................................................
**
8
5.3.3.3 OPTIMIERUNG DER POINT SP*EAD FUNCTION DURCH KORREKTUR DER
SPHAERISCHEN ABERRATION
........................................
***120
5.3.3.4
STRUKTURIERUNGSERGEBNISSE................................................................................................................................................123
5.3.3.5
ZUSAMMENFASSUNG.............................................................................................................................................................126
5.3.4 EINSATZ VON DIFFRAKTIVEN OPTISCHEN
ELEMENTEN...............................................................................................................................127
5.3.4.1 EXPERIMENTELLER AUFBAU UND
CHARAKTERISTIK............................................................................................................127
5.3.4.2 SIMULTANE HERSTELLUNG MEHRERER GLEICHER
STRUKTUREN............................................................................................129
5.3.4.3 HERSTELLUNG EINER EINZIGEN STRUKTUR DURCH EINE
SPOT-MATRIX..................................................................................129
5.3.4.4
ZUSAMMENFASSUNG..................................................................................................................................................*
32
6. Z
USAMMENFASSUNG
U N D
A
USBLICK
...........................................................................
135
7 E
NGUSCHE
Z
USA
^
ENFASSUNG
.................................................................................
139
. A
NHANG
......................................................................................................................143
8
*
* MATHEMATISCHE BESCHREIBUNG EINES FOKUSSIERTEN LICHTSTRAHLS DURCH EINE
GRENZFLAECHE
*
..
**
.
*
.
*
_
*
_
*
..143
143
..................................................................................................................................................................................
8.1.1
VEKTORIELLE BEUGUNGSTHEORIE
147
..................................................................................................................................................................................
8.1.2
SKALARE NAEHERUNG
148
.........................................................................................
8.2
EINFLUSS DER TEILCHENDIFFUSION AUF DIE REAKTIONSKINETIK
149
*
.........................................................................................................................
8.2.1
ITERATIVE LOESUNG DER RATENGLEICHUNG DES PHOTOINITIATORS
149
.................................................................................................................................
8.2.2
EINFLUSS DER REPETITIONSRATE AUF DIE SIMULATION
151
................................................................................................................................................
8.2.3
UNTERSCHIED ZWISCHEN 1D- UND 3D-DIFFUSION
151
.........................................................................................................................................
8.2.4
DIFFUSION BEI UNTERSCHIEDLICHEN BELICHTUNGSZEITEN
152
............................................................................................................
UNTERSCHIEDLICHEN DIFFUSIONSKONSTANTEN
*
8.2.5
DIFFUSJON BE
153
.......................................................................................................................................................
8.2.6
FEHLERABSCHAETZUNG DER DIFFUSIONSBERECHNUNGEN
155
.................................................................................................................................
8.3
ABSCHAETZUNG DER TEMPERATURENTWICKLUNG
157
............................................................................
8.4
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERGEBNISSE AUS K A P D 5.*
*
3
157
...............................................................................................................................
5.1.3.3
SSE AUS KAPITEL
*
8.4.1
SIMULATJ
*
NSE*GEBN
158
...............................................................................................................................
5.1 3 .4
8.4.2
SIMULATIONSERGEBNISSE AUS KAPITEL
158
...............................................................................................................................
5.1.3.5
8.4.3
SIMULATIONSERGEBNISSE AUS KAPITEL
159
...............................................................................................................................
5.1 3 .6
SSE AUS KAPITEL
*
ONSERGEBN
*
8.4.4
SIMULAT
**59
.....................................................................................................................................
5.1 3 .7
8.4.5
SIMULATIONSERGEBNISSE AUS KAPITEL
159
....................................................................
8.5
REDUZIERUNG DER NA EINES OBJEKTIVS DURCH EINE LOCHBLENDE
160
..............................
.............................................................................................................................
8.6
MATHEMATICA-QUELKODES
160
............................................................................................................................................
8.6.1
DIFFUSIONSBERECHNUNGEN DES PHOTOINITIATORS
162
........................................................................................................................................
8.6.2
LOESUNG EINES SYSTEMS GEKOPPELTER DIFFERENTIALGLEICHUNGEN
167
...............................................................................................
L
ITERATURVERZEICHNIS
*
179
..................................................................................................
1.
.
S
YMBOLVERZEICHNIS
10.1 FORMELZEICHEN
179
10.2 ABKUERZUNGEN
182
* 1
*
V
EROEFFENTLICHUNGEN
................................................... 185
* .1
KONFERENZBEITRAEGE.................................................................................................................................185
* .2
PUBLIKATIONEN.........................................................................................................................................
185
* .3
PATENTE....................................................................................................................................................
186
12. D
ANKSAGUNG
............................................................................................................
187
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| discipline | Biologie Elektrotechnik / Elektronik / Nachrichtentechnik Medizin |
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