Wenn erworbene oder angeborene Knochendefekte aufgrund überkritischer Größe oder krankhafter Störungen nicht durch natürliche Regenerationsprozesse geheilt werden können, ist der Einsatz von Knochenersatzmaterialien notwendig. In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen ein neuartiges Knochenersatzmaterial zu entwickeln und eingehend zu charakterisieren. Dazu wurden die Phasen Silikat und Kollagen in einem biomimetisch inspirierten Prozess zu einem Anorganik/Organik-Komposit verbunden. Calciumphosphatphasen konnten darüber hinaus als dritte Komponente hinzugefügt werden. Dafür wurden Herstellungsstrategien entwickelt, die Silikat in Form von Kieselsäure, Kollagen als hochkonzentrierte Suspension und gegebenenfalls Calciumphosphat als Pulver zu homogenen Mischungen vereinten. Als Zwischenprodukte wurden Komposithydrogele erhalten, deren Überführung in Xerogele in der Literatur als kritischer Schritt gilt, weil die dabei auftretenden Kapillarspannungen die Gelstruktur in der Regel irreversibel zerstören, wodurch das Material als Pulver oder Fragmente erhalten wird. Im vorliegenden Fall aber konnte die Gelfestigkeit in einem definierten Zusammensetzungsbereich durch die Kompositbildung und die kontrollierte Trocknung der Hydrogele so gesteigert werden, dass monolithische Proben von bis zu mehreren Kubikzentimetern Größe erhalten wurden. Diese konnten ohne weitere Verarbeitungsschritte einer Reihe von Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften, Bioaktivität, Degradabilität und Biokompatibilität unterzogen werden.

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Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT)-Polymer-Komposite haben ein großes Potential im Bereich sensorischer Anwendungen. Dabei spielen die elektrischen Eigenschaften des Komposits und deren Änderungen unter mechanischer Belastung eine entscheidende Rolle. Einen maßgeblichen Einfluss nimmt dabei das Aspektverhältnis der CNT-Agglomerate sowie der CNTs selbst ein, welches jeweils vom CNT-Desagglomerationsprozess bestimmt wird. Die Dispergierung beeinflusst folglich auch die elektrische Leitfähigkeit und Reproduzierbarkeit des Komposits sowohl im mechanisch unbelasteten als auch belasteten Zustand. Dies wurde anhand von (teil-)analytischen Modellen gezeigt. Die Dispersionsqualität wird dabei von vielen Faktoren beeinflusst, wobei die Prozessparameter beim Ultraschalldispergieren derzeit nach der Trial-and-Error-Methode bestimmt werden. Im Rahmen der Arbeit wurde eine Dispergiergleichung für zylindrische Partikel, die CNTs näherungsweise sind, erstmals für die Dispergierung von CNTs in Lösungsmitteln entwickelt, angewendet sowie verifiziert. Die Gültigkeit der Gleichung für CNTs wurde durch Variation der Ultraschallparameter Zeit sowie Energie und deren Einfluss auf den Dispergiergrad gezeigt. Die mittels UV-VIS-Spektroskopie gemessene Extinktion diente dabei als indirekte Messgröße des Dispergiergrads. Nach Vorversuchen zur geeigneten Materialauswahl wurden alle relevanten Einflussparameter berechnet oder experimentell bestimmt. Die experimentelle Verifikation erfolgte an CNT-N-Methyl-2-pyrrolidon-Dispersionen, die mittels Ultraschallsonotrode kontrolliert dispergiert wurden. Im Ergebnis wurde gezeigt, dass die Bestimmung der optimalen Ultraschallparameter möglich ist und die bis dahin übliche Praxis der experimentellen Bestimmung der Dispergierparameter für CNTs ablösen kann. Mithin wurde die Grundlage für die Herstellung elektrisch reproduzierbarer CNT-Polymer-Komposit-basierter Sensoren gelegt. Darüber hinaus wurde das Anwendungspotential dieses Sensorkonzepts für Einzelsensoren zur punktuellen Druckmessung über eine Druckverteilungsmessung als Sensormatrix bis hin zur Anwendung als Einlegesohle im Schuh zur Überwachung des Drucks gezeigt. / Carbon nanotubes (CNT) polymer composites in the field of sensory applications have considerable potential. However, their electrical properties and their changes under mechanical stress play a decisive role. The deagglomeration process of the CNTs also has a great influence on the aspect ratio of the CNT agglomerates as well as the CNTs themselves and thus the electrical conductivity and reproducibility of the composite in both the mechanically unloaded and loaded state.This is shown by means of (partially) analytical models. The dispersion quality is influenced by many factors. The process parameters during ultrasound dispersion are currently being determined by a trial-and-error method. Within the scope of the work, a dispersing equation for cylindrical particles, which are approximate to CNTs, was first developed, applied and verified for the dispersion of CNTs in solvents. The validity of the equation for CNTs was shown by the variation of the ultrasonic parameters time as well as energy and their influence on the degree of dispersion. The absorbance measured by means of UV-VIS spectroscopy serves as an indirect measure of the degree of dispersion. After pre-testing for suitable material selection, all relevant influencing parameters were calculated or determined experimentally. Experimental verification was carried out on CNT-N-methyl-2-pyrrolidone dispersions, which were dispersed in a controlled manner by means of an ultrasonic sonotrode. As a result, it is illustrated that the determination of the optimal ultrasonic parameters is possible and can replace the conventional practice of the experimental determination of the dispersing parameters for CNTs. Accordingly, the basis for the production of electrically reproducible CNT polymer composite-based sensors has been established. In addition, the application potential of this sensor concept ranging from individual sensors for selective pressure measurement over pressure distribution measurement as a sensor matrix to the application as a shoe insole for pressure monitoring was shown.

Die Synthese von neuartigen organisch-anorganischen Polymer-Zeolith-Hybriden wird in der vorliegenden Arbeit vorgestellt. Die Hybride wurden durch kationische Polymerisation elek-tronenreicher Monomere direkt in den Poren der Zeolithe und zeolithanalogen Materialien hergestellt. Die Vinylether Ethyl-, Isobutyl-, Cyclohexyl- und 2-Chlor-ethylvinylether, 2,3-Dihydrofuran, 2-Methoxypropen sowie N-Vinylcarbazol wurden zur Herstellung der orga-nischen Komponente der Hybride genutzt. Die Polymerisation wurde dabei einerseits durch die Protonen der Zeolithgitter und andererseits durch separate Oberflächeninitiatoren gestar-tet. Die anorganische Basis der Hybride bildeten vorrangig mikroporöser HY-Zeolith und mesoporöses MCM-41. Bei der Synthese entstand neben dem eingeschlossenen Polymer im Zeolith eine vom Hybrid extrahier-bare Polymerfraktion. Beide Fraktionen wurden mittels GPC und einer speziellen Kopplung von GPC und UV/Vis-Spektrometer analysiert. DSC und dielektrische Spektro-skopie wurden zur Glasübergangstemperaturbestimmung herangezogen. Die Strukturuntersuchung der neuartigen Hybridmaterialien erfolgte mit Festkörper-NMR-Spektroskopie, Röntgendiffraktometrie XRD, Transmissionselektronenmikroskopie TEM, Sekun-därelektro-nenmikroskopie SEM, Elektronenstrahlmikroanalyse ESMA, UV/Vis-Spektroskopie und Infrarotspektroskopie FT-IR. Die Porentopologie wurde mit Stick-stoff-sorp-tionsmessungen bestimmt.

Polyamide 6/SiO2 hybrid materials were produced by a coupled polymerization reaction of three monomeric components namely 1,1′,1′′,1′′′-silanetetrayltetrakis-(azepan-2-one) (Si(ε-CL)4), 6-aminocaproic acid (ε-ACA) and ε-caprolactam (ε-CL) within one process. Si(ε-CL)4 together with ε-ACA has been found suitable as a precursor monomer for the silica and PA6 components. The accurate adjustment of the molar ratio of both components, as well as the combination of the overall process for producing the polyamide 6/SiO2 hybrid material with the hydrolytic ring opening polymerization of ε-caprolactam is of great importance to achieve homogeneous products with a low extractable content. Water in comparison with ε-ACA has been found unsuitable as an oxygen source to produce uniformly distributed silica. The procedure was carried out in a commercial laboratory autoclave at 8 bar initial pressure. The molecular structure and morphology of the hybrid materials have been investigated by solid state 29Si and 13C NMR spectroscopy, DSC and FTIR spectroscopy and electron microscopy measurements. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit werden Zwillingsmonomere, die eine Aminogruppe über eine Alkylkette kovalent am Siliziumatom gebunden tragen, synthetisiert, organisch/anorganischen Hybridmaterialien aus diesen Monomeren hergestellt und in der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde angewendet. Über Reaktionen der Aminogruppe mit Benzaldehyden und cyclischen Carbonsäureanhydriden am Zwillingsmonomer 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin können weitere funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert werden. Bei der Herstellung von Hybridmaterialien liegt der Fokus auf der simultanen Zwillingspolymerisation der funktionellen Monomere mit dem Monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin]. Die erhaltenen Materialien werden mittels spektroskopischer und thermischer Verfahren untersucht. Die Zugänglichkeit der Aminogruppe in den Hybridmaterialien wird mittels Modellreaktionen untersucht. Die Zwillingsmonomere werden zudem auf verschiedene Metallsubstrate aufgebracht, polymerisiert und anschließend hinsichtlich der Oberflächenrauheit, Abriebfestigkeit und Oberflächenpolarität untersucht. Die in der Beschichtung integrierte Aminogruppe kann zur kovalenten Anbindung eines Maleinsäureanhydrid-Copolymers genutzt werden. Bei der Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunden werden Press- und Spritzgießverfahren genutzt. Hier können die funktionellen Zwillingsmonomere erfolgreich als Haftvermittler eingesetzt und auf verschiedene Metall/Thermoplast-Kombinationen angewendet werden.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Einleitung und Motivation 1.2 Zielsetzung 2 Kenntnisstand 2.1 Leichtbau, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde 2.1.1 Metall/Kunststoff-Hybridbauteile 2.1.2 Haftungsmechanismen 2.1.3 Methoden zur Vorbehandlung einer Metalloberfläche für die Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 2.1.4 Prüfmethoden 2.2 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 2.2.1 Klassifizierung von Kompositen und Hybridmaterialien 2.2.2 Synthesestrategien 2.2.3 Zwillingspolymerisation 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Amino-funktionalisierte Zwillingsmonomere 3.1.1 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 3.1.2 Synthese von amino-funktionalisierten organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.3 Charakterisierung der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.4 Zugänglichkeit der funktionellen Gruppe der organisch/anorganischen Hybridmaterialien 3.1.5 Trifunktionelles Zwillingsmonomer 3.2 Derivatisierung der amino-funktionalisierten ZM 3.2.1 Bildung einer Amidbindung 3.2.2 Bildung eines Azomethins 3.3 Verwendung der (simultaner) Zwillingspolymerisation zur Gestaltung von Oberflächen 3.3.1 Beschichtung unterschiedlicher Metallsubstrate 3.3.2 Mikroverschleiß 3.3.3 Optimierung des Beschichtungsvorgangs zur Generierung dünner Schichten . 3.3.4 Funktionalisierung mit Maleinsäureanhydrid-(MSA)-Copolymer 3.4 Herstellung von Metall/Kunststoff-Verbunde 3.4.1 Herstellung im Pressverfahren 3.4.2 Herstellung im Spritzgießprozess 3.4.3 Allgemeine Betrachtungen zur Verbundfestigkeit 4 Zusammenfassung und Ausblick 4.1 Zusammenfassung 4.2 Ausblick 5 Experimenteller Teil 5.1 Geräte und Chemikalien 5.2 Synthese 5.2.1 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzodioxasilin] (1) 5.2.2 Synthese von amino-funktionalisierten Zwillingsmonomeren 5.2.3 Derivatisierung von 2-(3-Amino-n-propyl)-2-methyl-4H-1,3,2-benzodioxasilin (2) 5.3 Organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.1 Synthese organisch/anorganische Hybridmaterialien 5.3.2 Extraktion der Hybridmaterialien 5.3.3 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Aldehyden 5.3.4 Umsetzung der Hybridmaterialien mit tert-Butylglycidylether (t-BGE) 5.3.5 Umsetzung der Hybridmaterialien mit Methyliodid 5.4 Herstellung von Schichten mittels Zwillingspolymerisation 5.4.1 Materialien 5.4.2 Beschichtungsvorgang 5.4.3 Funktionalisierung mit MSA-Copolymer 5.4.4 Mikro-Ritzprüfung 5.4.5 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie 5.5 Herstellung von Metall/Kunstsoff-Verbunde 5.5.1 Verwendete Materialien 5.5.2 Herstellung im Pressverfahren 5.5.3 Herstellung im Spritzgießprozess 5.5.4 Prüfung 6 Anhang 6.1 Zusammensetzung Hybridmaterialien 6.2 TG-MS-Analyse der Verbindungen 1, 2, 9, 10 und 11 6.3 Thermisches Verhalten – Beobachtung DSC 6.4 1H-13C-Korrelationsspektren (gs-HSQC) ausgewählter Extrakte 6.5 XPS-Analyse der Hybridmaterialien 6.6 Betrachtungen zum Reaktionsfortschritt bei der Herstellung von Hybridmaterialien 6.7 Bestimmung der Schichtdicke mittels Rasterkraftmikroskopie - Beispiel 6.8 Bruchbilder Literaturverzeichnis Danksagung Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Publikationen und Posterpräsentationen

Saab Kockums har på länge tillämpat kompositmaterial i uppbyggande av deras nya fartyg. Detta medför många fördelar kopplat till stealth teknik men samtidigt utgör vissa andra utmaningar gällande installationer ombord. Arbetet utfördes därför med syfte att undersöka möjligheten för användning av lastskenor för standardiserat montage på dessa fartyg. Vidare skulle det utvecklas en standardlösning för montaget där användarvänlighet står som fokus.   Arbetet inleds med en undersökning av produkter från marknaden där också utvecklingspotential identifierades. Fokus med undersökningen var att hitta den optimala utseende för montaget. Dessa punkter användes därefter för att generera idéer för samtliga delar. Den bästa idéen filtreras fram genom poängsättning kopplat till utsatta kravställningen. För infästning av konstruktion bestämdes det med hjälp av olika litteraturstudier tillsammans med dragprovsdata som tillhandahålls av Kockums. Litteraturstudien omfattades studie på egenskaper hos sandwichkonstruktioner samt dragproven på olika lastfallen som utfördes på andra rapporter. Sist verifierades konceptet utifrån olika aspekter baserat på olika sätt. Hållfasthetmässigt är baserade på FEM/manuella beräkningar, tillverkning är baserade på intervju och monteringen baserad på 3D-utskrift.   En konstruktion på montaget erhölls som resultatet av arbetet där den klarade samtliga krav som ställdes. Konstruktionen består av förmonterade skena som har ett homogen utseende tillsammans med vinkelbeslag för montering av eventuella bäddar eller dämpare. Konstruktionen fästs på skottet med M8 blindnitsmuttrar för områden utan stötkrav och M10 muttrar tillsammans med laminatsförstärkning för områden med stötkrav. Som bevisat är det möjligt att tillverka dessa med några enkla steg av standardprofiler från marknaden. Det är även enkelt att montera ombord på fartygen. / Saab Kockums has long time used composite materials in the construction of their new ships. This brings many advantages linked to stealth technology, but at the same time poses some other challenges regarding installations on board. This thesis was therefore performed with the aim of investigating the possibility of using cargo rails for standardized assembly on these ships. Furthermore, a developed standard solution for assembly where ease of use is the focus for this study.  The work begins with an analysis of products from the market and potential development is identified. The focus of the investigation was to find the optimal design for the montage. These potentials were then used to generate ideas for parts in the design. The best idea is filtered through scoring linked to the set of requirements. For attachment of the construction, it was determined with the help of various literature studies along with tensile test data provided by Kockums. The literature study included studies on properties of sandwich constructions as well as tensile tests on different load cases that were carried out on other reports. Finally, the concept is verified based on different aspects. The durability is based on FEM/manual calculations, the manufacturing is based on interview and finally the assembly is based on 3D printing.  A construction of the assembly was obtained as the result of the work and met all the requirements that were set. The construction consists of pre-assembled cargo rails that have a homogeneous appearance together with angle fittings for mounting any foundations or dampers. The structure shall be attached to the bulkhead with M8 blind rivet nuts for areas without impact requirements and M10 nuts together with laminate reinforcement for areas with impact requirements. As proven, it is possible to manufacture these in a few simple steps from standard profiles from the market and easily fit on board the ships.

Gas turbine engine efficiency needs to be raised in order to decrease fuel consumption, greenhouse gas emissions, and expenses. Efficiency may be improved in two ways: by reducing engine weight and raising intake temperatures. At intake temperature, conventional nickel-based alloys are already on the verge of failure, meaning there is a need and demand of materials which can withstand higher temperatures. Silicon Carbide Ceramic Matrix Composites (SiC CMCs) are being investigated as a potential replacement for superalloys due to their superior physical properties, such as their low weight and high melting point (approximately one-third of superalloys' weight). However, using SiC CMCs has a serious disadvantage. The mass recession of the SiC is caused by the volatilization of silicon hydroxide, which is caused by oxidation and reactivity with water vapor under the working conditions of gas turbine engines. Therefore, a shielding layer is used to prevent oxidation of the SiC CMCs. This protective coating (EBC) goes by the name of Environmental Barrier Coating. Thermal spray techniques such as atmospheric plasma spray and suspension plasma spray, which employ powder as the feedstock, are used to deposit EBC on SiC CMCs. For EBC to perform well, the coating must be crystalline, reasonably thick to sustain harsh environment, and devoid of cracks. EBC was deposited in order to look at how the spray parameters affected the microstructure. SEM pictures were used to quantify the coating's porosity and the severity of the cracks. To investigate the production of thermally grown oxide (TGO) in the coating and substrate and check how EBCs perform under thermal cyclic fatigue loading, a thermal cyclic fatigue test was conducted. The XRD analysis is performed to ascertain the proportion of crystalline and amorphous phases in the coating, which unfortunately is still in the process to be completed. In the as-sprayed coating samples we can see that when there are more amount and larger pores, we see less number of cracks and vice versa. The effect of spray parameters can be seen on the coatings. Comparing to SPS trial 1, the SPS trial 2 coatings are denser with less number of cracks and has good adhesion. Still the SPS trial 2 coating did not achieve better microstructure in terms of density, and cracks compared to the APS coatings but further looking into the parameters, more desirable coatings can be achieved. After TCF testing, a layer of TGO was seen at the bond coat/topcoat interface, and there was no failure of the coating seen.

Besides osteoconductivity and a high degradation rate, mesoporous bioactive glasses (MBGs) are specific for their highly ordered channel structure and high specific surface area, making them suitable as drug and/or growth factor delivery systems. On the other hand, the mesoporous channel structure and MBG composition can have an effect on common cell evaluation assays, leading to inconclusive results. This effect is especially important when MBG is mixed in composite bioinks, together with cells. Additionally, the hydrogel component of the ink can influence the degradation of MBG, leading to different ion releases, which can additionally affect the analyses. Hence, our aim here was to show how the MBG structure and composition influence common cell viability and differentiation assays when calcium (Ca)- or magnesium (Mg)-containing glass is part of an alginate-based composite bioink. We suggested pre-labeling of cells with DiI prior to bioprinting and staining with calcein-AM to allow identification of metabolically active cells expressing signals in both green and red channels, allowing the use of fluorescence imaging for cell viability evaluations in the presence of high amounts (7 wt %) of MBGs. The release and uptake of ions during degradation of CaMBG and MgMBG were significantly changed by alginate in the composite bioinks, as confirmed by higher release and uptake from bulk glasses. Additionally, we detected a burst release of Mg²⁺ from composites only after 24 h of incubation. Furthermore, we demonstrated that released ions and the mesoporous channel structure affect the measurement of lactate dehydrogenase (LDH) and alkaline phosphatase activity (ALP) in bioprinted composite scaffolds. Measured LDH activity was significantly decreased in the presence of CaMBG. On the other hand, the presence of MgMBG induced increased signal measured for the ALP. Taken together, our findings show how composite bioinks containing MBGs can interfere with common analyses, obtaining misleading results.