In dieser Arbeit werden Ergebnisse der Untersuchungen zur Laserstrukturierung von Prägewerkezeugen sowie zur Abformung von Gitterstrukturen mit Gitterperioden von kleiner gleich 2 µm in verschiedene Folien und Werkstoffverbunde präsentiert und diskutiert. Die hierfür entwickelte Kombination von Laserprozessen wird erläutert. Des Weiteren sind die auf Basis der experimentellen Untersuchungen ermittelten Parameterräume aufgezeigt und in Bezug zu theoretischen Beschreibungsmodellen gesetzt. Limitationen und Potentiale der einzelnen Teilprozesse werden dargelegt. Unter Anwendung der beschriebenen Strukturierungs- und Prozessparameter ist die Erstellung funktional einsetzbarer Prägewerkzeuge möglich. Für die Strukturübertragung konnte die Abformbarkeit der in die Oberflächen der Prägewerkzeuge eingebrachten beugungsoptisch wirksamen Gitterstrukturen mit Gitterperioden von kleiner gleich 2 µm bei Kontaktzeiten im Millisekundenbereich nachgewiesen werden.

Auf molekular geprägten Polymeren (MIP) basierende Sonden, insbesondere fluoreszierende MIPs, die eine spezifische Erkennung mit Fluoreszenzsignalen kombinieren, wurden aufgrund der vorteilhaften Spezifität und Selektivität von MIPs und der hohen Empfindlichkeit und schnellen Erfassungszeiten der Fluoreszenz für den Nachweis von Analyten aus verschiedenen chemischen Klassen entwickelt. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von dual-fluoreszierenden Kern-Schale-MIPs als Erkennungselement für den empfindlichen Nachweis von Carbonsäure-haltigen Verbindungen, Chlorogensäure und Sialinsäure-Derivaten, die während des Prägeprozesses als sogenanntes Template dienen und als Zielanalyten in den analytischen Rückbindungsassays fungieren. Zunächst wurden fluoreszierende Siliziumdioxid-Nanopartikel synthetisiert, die Kohlenstoff-Nanopunkte (Carbon Nanodots) und Seltenerdmetall-Ionen enthalten und als emittierender Kern der dual-fluoreszierenden MIPs dienen. Es wurden spektroskopische Untersuchungen über die Wechselwirkung zwischen den Templaten und den fluoreszierenden Monomeren durchgeführt, die in eine dünne fluoreszierende MIP-Schale eingebaut wurden, die auf die Oberfläche der fluoreszierenden Siliziumdioxid-Nanopartikel aufgewachsen wurde und die interne Referenz der dual fluoreszierenden MIPs darstellt. Die zweifach fluoreszierenden MIPs wurden auf ihr optisches Ansprechen, ihre Empfindlichkeit und Selektivität in Küvetten-basierten, durchflusszytometrischen und fluoreszenzmikroskopischen Assays untersucht. Diese Systeme eignen sich für den empfindlichen, schnellen und zuverlässigen (bio)chemischen Nachweis einer potenziell breiten Palette von Analyten. Neben den beiden oxoanionischen Templaten wurde auch ein MIP-System für Triphenylphosphin (TPP) entwickelt, das zeigt, dass der Ansatz der Fluoreszenzmonomer-vermittelten MIP-Detektion auch auf neutrale nukleophile Template ausgeweitet werden kann. / Molecularly imprinted polymer (MIP)-based probes, especially fluorescent MIPs, which combine specific recognition with fluorescence signalling, have been developed for the detection of analytes from different chemical classes, due to the favourable specificity and selectivity of MIPs and the high sensitivity and fast acquisition times of fluorescence. This thesis aimed at the development of core-shell dual-fluorescent MIPs as recognition element for the sensitive detection of carboxylate-containing compounds, chlorogenic acid and sialic acid derivatives, which serve as the so-called template during the imprinting process and are the target analytes in the analytical rebinding assays. Fluorescent silica nanoparticles were firstly synthesized, incorporating carbon nanodots and rare-earth metal ions and serving as the emitting core of dual-fluorescent MIPs. Spectroscopic studies were performed on the interaction between the templates and the fluorescent monomers, which were incorporated into a thin fluorescent MIP shell grown from the surface of the fluorescent silica nanoparticles that provide the internal reference for the resulting dual-fluorescent MIPs. The dual-fluorescent MIPs were investigated for their optical response, sensitivity, and selectivity in cuvette-based, flow cytometric and fluorescence microscopic assays. These systems are applicable for sensitive, fast, and reliable (bio)chemical analysis of a potentially wide range of analytes. Besides the oxoanionic templates, a MIP system was also developed for triphenylphosphine (TPP), revealing that the approach of fluorescent monomer-mediated MIP detection can also be expanded to neutral nucleophilic templates.

Ziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung neuartiger Prägeformkonzepte hinsichtlich ihres Prägeverhaltens. Die Konzepte weisen lokal unterschiedliche Materialeigenschaften auf, die zu einer verbesserten Ausprägung von Karton führen sollen. Die Konzepte sollen anhand der Prägeergebnisse und der Abformgenauigkeit evaluiert werden. Dabei ist ein weiteres Ziel der Arbeit, Methoden zur Quantifizierung der Abformgenauigkeit zu finden. Die Herstellung der Konzepte erfolgt mithilfe eines additiven Fertigungssystems, welches mehrere Materialien in einem Bauvorgang verarbeiten kann. Zur Datengewinnung werden Oberflächenscans der geprägten Kartonproben und Werkzeuge durchgeführt. Auf Grundlage dieser Scans werden drei Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit vorgeschlagen. Abschließend werden die Werkzeuge anhand der Prägeergebnisse und der ermittelten Abformgenauigkeit bewertet. Weiterhin werden die vorgeschlagenen Methoden miteinander verglichen und deren Vor- und Nachteile diskutiert. Dies gibt Auskunft darüber, unter welchen Bedingungen der Einsatz welcher Methode sinnvoll erscheint.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung / The aim of this master thesis is to investigate novel embossing die concepts with regard to their embossing behavior. The concepts have locally different material properties, which should lead to an improved embossing of cardboard. The concepts are to be evaluated on the basis of the embossing results and the impression accuracy. A further aim of the work is to find methods for quantifying the impression accuracy. The concepts will be manufactured using an additive manufacturing system that can process multiple materials in a single build process. Surface scans of the embossed cardboard samples and tools are performed to obtain data. Based on these scans, three methods are proposed to determine the impression accuracy. Finally, the tools are evaluated based on the embossing results and the determined impression accuracy. Furthermore, the proposed methods are compared with each other and their advantages and disadvantages are discussed. This provides information on the conditions under which the use of which method appears to be sensible.:1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1 Umformprozesse 2.1.1 Prägen von Faserwerkstoffen 2.1.2 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Blechen 2.1.2.1 Tiefenziehen 2.1.2.2 Tiefen 2.1.3 Einsatz von Niederhaltern beim Umformen von Karton 2.1.3.1 Ziehen und Pressformen 2.1.3.2 Hydroformen 2.2 Multi-Material-Verarbeitung in der additiven Fertigung 2.2.1 Materialextrusion 2.2.2 Badbasierte Photopolymerisation 2.2.3 Material Jetting 2.2.4 Pulverbettbasiertes Schmelzen 2.2.5 Workflow und Datenvorbereitung 2.3.6 Geeignete Dateiformate 2.3 Soll-Ist-Vergleich von 2.5D-Oberflächendaten 2.3.1 Berechnung von Flächeninhalten und Volumen 2.3.2 Registrierung und Abstandsberechnung von Punktwolken 3. Versuche und Messungen 3.1 Herstellung der Prägeformkonzepte 3.1.1 Beschreibung der Konzepte 3.1.2 Fertigungstechnologie und Materialwahl 3.1.3 Datenvorbereitung für die Polyjet-Fertigung 3.2 Prägeversuche und Datenverarbeitung 3.2.1 Prägeversuche 3.2.2 Oberflächenscan am Keyence 3D-Makroskop 3.3 Ermittlung der Abformgenauigkeit 3.3.1 Flächen- und Volumenberechnung in MatLab & CloudCompare 3.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4. Ergebnisse und Diskussion 4.1 Betrachtung der Prägewerkzeuge 4.2 Betrachtung der Kartonprägungen 4.2.1 Prägeergebnisse nach Flächeninhalt der Profilschnitte 4.2.2 Einfluss der Faserlaufrichtung auf Kartonprägungen 4.2.3 Prägeergebnisse nach Volumen der Punktwolken 4.3 Betrachtung der Abformgenauigkeit 4.3.1 Abformgenauigkeit nach Flächeninhalt & Volumen 4.3.2 Abformgenauigkeit nach ICP-Algorithmus & Abstandsberechnung 4.4 Bewertung der Methoden zur Ermittlung der Abformgenauigkeit 4.5 Beurteilung des Bedienereinflusses bei der Datenverarbeitung am Keyence 5. Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Eidesstattliche Erklärung

Die vorliegende Arbeit ist eine Untersuchung, inwieweit die Herstellung eines kartonbasierter POCT mit Kapillaren zum Transport von Flüssigkeiten mit Hilfe von Nanocellulose und additiv gefertigten Prägewerkzeugen möglich ist. Die Nanocellulose wurde von RISE aus Schweden zur Verfügung gestellt. Rheologische Untersuchungen ergaben, dass diese mit Hilfe eines Bingham-Modells beschrieben werden können und einer Fließgrenze unterliegen. Die Nanocellulose wurde mit Hilfe der konventionellen direkten Druckverfahren Flexo-, Tief- und Siebdruck auf verschiedene Kartonsorten aufgetragen. Der Flexo- und Tiefdruck erwies sich aufgrund einer Saffman-Taylor-Instabilität als ungeeignet zur Erzeugung von homogenen Schichten. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass mit Hilfe des Siebdrucks unter Verwendung eines Siebs mit sehr hoher Nassfarbschichtdicke die besten Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Nutzung von offenen Kapillaren in POCT erfordert einen möglichst geringen Kontaktwinkel. Durch das Applizieren von Nanocellulose konnte sowohl der Kontaktwinkel des Kartons auf einen geeigneten Wert reduziert werden als auch das Penetrationsverhalten insofern verändert werden, dass die Penetration einer aufgetragenen Flüssigkeit zunächst in der Nanocellulose stattfindet. Die Penetration in den Karton selbst wurde durch die Nanocellulose stark verzögert. Die Funktionalität von offenen Kapillaren konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgrund von mangelnder Herstellgenauigkeit der additiven Fertigung und begrenzter Kartonauswahl nicht erreicht werden. Allerdings konnten mit Hilfe einer Folienkaschierung funktionelle geschlossene Kapillaren erzeugt werden, welche einen Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte über eine Distanz von 25 mm ohne Penetration in den Karton ermöglichen. Dies zeigt, dass die Herstellung und Nutzung von kartonbasierten POCT theoretisch möglich ist.:Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIV Abkürzungsverzeichnis XV Symbolverzeichnis XVI 1 Einleitung 19 2 Ziele 23 3 Theoretische Grundlagen 25 3.1 Nanomaterial 25 3.2 Cellulose 26 3.3 Nanocellulose 27 3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28 3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30 3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31 3.4 Rheologie 31 3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32 3.4.2 Bingham-Fluide 32 3.5 Druckverfahren 34 3.5.1 Siebdruck 34 3.5.2 Tiefdruck 36 3.5.3 Flexodruck 37 3.6 Prägen 38 3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39 3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40 3.7.2 Offene Kapillaren 41 3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42 4 Materialien 45 4.1 Nanocellulose 45 4.2 Druckformen 45 4.3 Bedruckstoff 46 5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49 5.1 Vorgehensweise 49 5.1.1 Viskositätsmessung 49 5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50 5.2 Ergebnisse 50 5.2.1 Viskosität 50 5.2.2 Strukturerholung 52 5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53 6 Explorative Studie 55 6.1 Druckversuche 55 6.1.1 Siebdruck 55 6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56 6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57 6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59 6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59 6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62 6.3.3 Rauheit 63 6.3.4 Kontaktwinkel 65 6.3.5 Wasserfestigkeit 66 6.3.6 Penetrationsverhalten 66 6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73 6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76 6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79 7 Weiterentwickelte Studie 81 7.1 Vorgehensweise 81 7.2 Ergebnisse 82 7.2.1 Siebdruck 83 7.2.2 Vollprägung 85 7.2.3 Reliefprägung 90 7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91 7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93 8 Zusammenfassung und Ausblick 95 Literaturverzeichnis XCVII Anhänge / The present work is an investigation into the potential of fabricating a cardboard-based POCT with capillaries for transporting fluids using nanocellulose and additive manufactured embossing tools. The nanocellulose was provided by RISE from Sweden. Rheological studies showed that they can be described using a Bingham model and are subject to a yield point. The nanocellulose was applied to various types of cardboard using the conventional direct printing processes of flexographic, gravure and screen printing. Flexo and gravure printing proved unsuitable for producing homogeneous layers due to a Saffman-Taylor instability. Various investigations showed that screen printing using a screen with a very high wet ink film thickness produced the best results. The use of open capillaries in POCT requires the lowest possible contact angle. By applying nanocellulose, it was possible to reduce the contact angle of the cardboard to a suitable value and to change the penetration behavior in that the penetration of an applied liquid first takes place in the nanocellulose. Penetration into the cardboard itself was greatly delayed by the nanocellulose. The functionality of open capillaries could not be achieved in this work due to lack of manufacturing accuracy of additive manufacturing and limited cardboard selection. However, functional closed capillaries could be created using film lamination, allowing fluid transport by capillary forces over a distance of 25 mm without penetration into the cardboard. This shows that the production and use of cardboard-based POCT is theoretically possible.:Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIV Abkürzungsverzeichnis XV Symbolverzeichnis XVI 1 Einleitung 19 2 Ziele 23 3 Theoretische Grundlagen 25 3.1 Nanomaterial 25 3.2 Cellulose 26 3.3 Nanocellulose 27 3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28 3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30 3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31 3.4 Rheologie 31 3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32 3.4.2 Bingham-Fluide 32 3.5 Druckverfahren 34 3.5.1 Siebdruck 34 3.5.2 Tiefdruck 36 3.5.3 Flexodruck 37 3.6 Prägen 38 3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39 3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40 3.7.2 Offene Kapillaren 41 3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42 4 Materialien 45 4.1 Nanocellulose 45 4.2 Druckformen 45 4.3 Bedruckstoff 46 5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49 5.1 Vorgehensweise 49 5.1.1 Viskositätsmessung 49 5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50 5.2 Ergebnisse 50 5.2.1 Viskosität 50 5.2.2 Strukturerholung 52 5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53 6 Explorative Studie 55 6.1 Druckversuche 55 6.1.1 Siebdruck 55 6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56 6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57 6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59 6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59 6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62 6.3.3 Rauheit 63 6.3.4 Kontaktwinkel 65 6.3.5 Wasserfestigkeit 66 6.3.6 Penetrationsverhalten 66 6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73 6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76 6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79 7 Weiterentwickelte Studie 81 7.1 Vorgehensweise 81 7.2 Ergebnisse 82 7.2.1 Siebdruck 83 7.2.2 Vollprägung 85 7.2.3 Reliefprägung 90 7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91 7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93 8 Zusammenfassung und Ausblick 95 Literaturverzeichnis XCVII Anhänge

Die vorliegende Arbeit ist eine Untersuchung, inwieweit die Herstellung eines kartonbasierter POCT mit Kapillaren zum Transport von Flüssigkeiten mit Hilfe von Nanocellulose und additiv gefertigten Prägewerkzeugen möglich ist. Die Nanocellulose wurde von RISE aus Schweden zur Verfügung gestellt. Rheologische Untersuchungen ergaben, dass diese mit Hilfe eines Bingham-Modells beschrieben werden können und einer Fließgrenze unterliegen. Die Nanocellulose wurde mit Hilfe der konventionellen direkten Druckverfahren Flexo-, Tief- und Siebdruck auf verschiedene Kartonsorten aufgetragen. Der Flexo- und Tiefdruck erwies sich aufgrund einer Saffman-Taylor-Instabilität als ungeeignet zur Erzeugung von homogenen Schichten. Verschiedene Untersuchungen zeigten, dass mit Hilfe des Siebdrucks unter Verwendung eines Siebs mit sehr hoher Nassfarbschichtdicke die besten Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Nutzung von offenen Kapillaren in POCT erfordert einen möglichst geringen Kontaktwinkel. Durch das Applizieren von Nanocellulose konnte sowohl der Kontaktwinkel des Kartons auf einen geeigneten Wert reduziert werden als auch das Penetrationsverhalten insofern verändert werden, dass die Penetration einer aufgetragenen Flüssigkeit zunächst in der Nanocellulose stattfindet. Die Penetration in den Karton selbst wurde durch die Nanocellulose stark verzögert. Die Funktionalität von offenen Kapillaren konnte im Rahmen dieser Arbeit aufgrund von mangelnder Herstellgenauigkeit der additiven Fertigung und begrenzter Kartonauswahl nicht erreicht werden. Allerdings konnten mit Hilfe einer Folienkaschierung funktionelle geschlossene Kapillaren erzeugt werden, welche einen Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte über eine Distanz von 25 mm ohne Penetration in den Karton ermöglichen. Dies zeigt, dass die Herstellung und Nutzung von kartonbasierten POCT theoretisch möglich ist.:Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIV Abkürzungsverzeichnis XV Symbolverzeichnis XVI 1 Einleitung 19 2 Ziele 23 3 Theoretische Grundlagen 25 3.1 Nanomaterial 25 3.2 Cellulose 26 3.3 Nanocellulose 27 3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28 3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30 3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31 3.4 Rheologie 31 3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32 3.4.2 Bingham-Fluide 32 3.5 Druckverfahren 34 3.5.1 Siebdruck 34 3.5.2 Tiefdruck 36 3.5.3 Flexodruck 37 3.6 Prägen 38 3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39 3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40 3.7.2 Offene Kapillaren 41 3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42 4 Materialien 45 4.1 Nanocellulose 45 4.2 Druckformen 45 4.3 Bedruckstoff 46 5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49 5.1 Vorgehensweise 49 5.1.1 Viskositätsmessung 49 5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50 5.2 Ergebnisse 50 5.2.1 Viskosität 50 5.2.2 Strukturerholung 52 5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53 6 Explorative Studie 55 6.1 Druckversuche 55 6.1.1 Siebdruck 55 6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56 6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57 6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59 6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59 6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62 6.3.3 Rauheit 63 6.3.4 Kontaktwinkel 65 6.3.5 Wasserfestigkeit 66 6.3.6 Penetrationsverhalten 66 6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73 6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76 6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79 7 Weiterentwickelte Studie 81 7.1 Vorgehensweise 81 7.2 Ergebnisse 82 7.2.1 Siebdruck 83 7.2.2 Vollprägung 85 7.2.3 Reliefprägung 90 7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91 7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93 8 Zusammenfassung und Ausblick 95 Literaturverzeichnis XCVII Anhänge / The present work is an investigation into the potential of fabricating a cardboard-based POCT with capillaries for transporting fluids using nanocellulose and additive manufactured embossing tools. The nanocellulose was provided by RISE from Sweden. Rheological studies showed that they can be described using a Bingham model and are subject to a yield point. The nanocellulose was applied to various types of cardboard using the conventional direct printing processes of flexographic, gravure and screen printing. Flexo and gravure printing proved unsuitable for producing homogeneous layers due to a Saffman-Taylor instability. Various investigations showed that screen printing using a screen with a very high wet ink film thickness produced the best results. The use of open capillaries in POCT requires the lowest possible contact angle. By applying nanocellulose, it was possible to reduce the contact angle of the cardboard to a suitable value and to change the penetration behavior in that the penetration of an applied liquid first takes place in the nanocellulose. Penetration into the cardboard itself was greatly delayed by the nanocellulose. The functionality of open capillaries could not be achieved in this work due to lack of manufacturing accuracy of additive manufacturing and limited cardboard selection. However, functional closed capillaries could be created using film lamination, allowing fluid transport by capillary forces over a distance of 25 mm without penetration into the cardboard. This shows that the production and use of cardboard-based POCT is theoretically possible.:Abbildungsverzeichnis X Tabellenverzeichnis XIV Abkürzungsverzeichnis XV Symbolverzeichnis XVI 1 Einleitung 19 2 Ziele 23 3 Theoretische Grundlagen 25 3.1 Nanomaterial 25 3.2 Cellulose 26 3.3 Nanocellulose 27 3.3.1 Cellulose Nanofibrillen (CNF) 28 3.3.2 Cellulose Nanokristalle (CNC) 30 3.3.3 Carboxymethyl-Cellulose (CMC) 31 3.4 Rheologie 31 3.4.1 Eigenschaften von Suspensionen mit Nanopartikeln 32 3.4.2 Bingham-Fluide 32 3.5 Druckverfahren 34 3.5.1 Siebdruck 34 3.5.2 Tiefdruck 36 3.5.3 Flexodruck 37 3.6 Prägen 38 3.7 Microfluidic Devices und Kapillaren 39 3.7.1 Geschlossene Kapillaren 40 3.7.2 Offene Kapillaren 41 3.8 Ultraschallmessung des Penetrationsverhaltens 42 4 Materialien 45 4.1 Nanocellulose 45 4.2 Druckformen 45 4.3 Bedruckstoff 46 5 Rheologische Untersuchungen der Nanocellulose 49 5.1 Vorgehensweise 49 5.1.1 Viskositätsmessung 49 5.1.2 Erfassung der Strukturerholung 50 5.2 Ergebnisse 50 5.2.1 Viskosität 50 5.2.2 Strukturerholung 52 5.2.3 Vergleich mit konventionellen Druckverfahren 53 6 Explorative Studie 55 6.1 Druckversuche 55 6.1.1 Siebdruck 55 6.1.2 Flexo- und Tiefdruck 56 6.2 Vorgehensweise der Auswertung 57 6.3 Ergebnisse und Diskussion der Druckversuche 59 6.3.1 Visuelle Homogenität der Oberfläche 59 6.3.2 Einfluss auf Bedruckstoff 62 6.3.3 Rauheit 63 6.3.4 Kontaktwinkel 65 6.3.5 Wasserfestigkeit 66 6.3.6 Penetrationsverhalten 66 6.4 Prägewerkzeuge und -versuche 73 6.5 Ergebnisse und Diskussion der Prägeversuche 76 6.6 Erkenntnisse der explorativen Studie 79 7 Weiterentwickelte Studie 81 7.1 Vorgehensweise 81 7.2 Ergebnisse 82 7.2.1 Siebdruck 83 7.2.2 Vollprägung 85 7.2.3 Reliefprägung 90 7.3 Erkenntnisse der weiterentwickelten Studie 91 7.4 Empfehlungen für weitere Studien 93 8 Zusammenfassung und Ausblick 95 Literaturverzeichnis XCVII Anhänge