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
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Würzburg
2014
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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
.
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