Yes / Polyetheretherketone (or PEEK) is a thermoplastic polymer known for its high plasticity and toughness and has been widely employed as a material for a variety of load-bearing medical devices ranging from trauma implants to interspinal spacers and femoral stems. While being inherently chemically inert and therefore biocompatible and having very short lived post-radiation free radicals, PEEK presents different mechanical properties depending on its degree of crystallinity. It can be processed via extrusion, injection or compression moulding. However, these techniques do not allow high precision control over the fine morphological structure that strongly influences mechanical properties. Microinjection moulding, in contrast, makes it possible to produce fine details of medical implants with high precision and accuracy. Another advantage of this method is the controlled production of the material with heterogeneous structure due to variations in crystallinity. Having stiffness in the middle of the sample different from that at the edges enables a structure that mimics the bone/cartilage parts of an implant. This paper reports on the manufacturing of PEEK components by microinjection moulding, and their characterisation by physico-chemical (XRD, SAXS, TEM, FTIR, POM) and mechanical (tensile testing) means, in order to assess the suitability of use for biomedical application, such as spinal implants. We discuss the influence of such parameters as mould temperatures, injection speeds and hold pressures on the crystallinity and mechanical properties of the material. / Science Bridges: Bradford-China Programme for Pharmaceutical Sciences and Medical Technology, EP/G042365/1

Three-dimensional (3D) polymer structures are very attractive because the extra structural dimension can provide denser integration and superior performance to accomplish complex tasks. Successful fabrication of 3D multilayer microstructures in thermoplastic polymers using optimized nanoimprint lithography techniques such as layer-transfer and transfer-bonding methods are developed in this dissertation work. The capability and flexibility of the techniques developed here are expected to have deep impact on the applications of soft materials such as polymers including functional polymers in micro- and nanofabricated devices and systems. Although NIL technique is developing rapidly in recent years, there are still issues that need to be addressed for broader adoption of the nanoimprint technique. One of the problems is the residual layer that remains in the polymer pattern after nanoimprint. The conventional approach, oxygen reactive-ion-etching (RIE) process, to remove the residual layers, increases the cost and lowers the overall throughput of the nanoimprint process. More severely, it can degrade or even damage the functional polymers. In order to overcome these problems, new residual layer removal techniques need to be developed. In this dissertation, two methods are newly developed, which do not negatively affect the chemistry of the polymer materials. The techniques are suitable for all thermoplastic polymers, particularly functional polymers. Another advantage of nanoimprint is its ability to directly create functional polymers structures. This is because thermal nanoimprint only needs temperature and pressure for pattern replication, which both are benign to functional polymers. This feature combined with newly developed techniques such as transfer-bonding and residue removal techniques opens up the possibilities in nondestructive functional polymers patterning at the micro- and nanoscale for novel applications in electronics, optoelectronics, photonics and bioengineering. Finally, several applications of 3D multilayer structures fabricated by the techniques developed in this dissertation are demonstrated. The first application is a multilayer metal-dielectric-metal structure with embedded microfluidic channels. This structure can be used as an on-chip tunable filter for integrated microfluidic applications. The second application is a multilayer microfluidic channels in which each layer has a different channel size. This device can be used for particle separation and filtration based on lateral fluid flow.

Un des objectifs majeurs de la neuroimagerie moderne est l'identification de nouveaux marqueurs qui puissent aider au diagnostic et au suivi des pathologies neurologiques. L'imagerie par résonnance magnétique multimodale (IRMm) est une approche permettant l'évaluation de plusieurs biomarqueurs complémentaires au cours d'un seul examen d'IRM. Cette approche a montré son efficacité dans de nombreuses études récentes et notamment dans la maladie de Parkinson. A l'approche IRMm précédemment utilisée, nous avons introduit un nouveau biomarqueur i.e. les changements de forme des structures sous-corticales à partir d'images pondérées en T1. Ce dernier marqueur vient enrichir l'approche IRMm composée de la quantification de : (i) la volumétrie à partir d'images pondérées en T1 (ii) de l'intégrité et l'orientation microstructurales à partir des images pondérées en diffusion et (iii) des dépôts de métaux à partir de la relaxométrie T2*. Nous avons appliqué l'approche IRM multimodale à une autre maladie neurodégénérative, la maladie d'Alzheimer à un stade précoce. Les résultats de cette étude préliminaire nous ont permis de suggérer la présence de processus physiopathologiques différents à la phase prodromique de la maladie d'Alzheimer. En effet nous avons observé pour l'hippocampe et l'amygdale une atrophie avec modification de l'intégrité microstructurale alors que seule une atrophie a été observée pour le thalamus et le putamen. Ces résultats nous ont aussi permis de confirmer l'importance d'une approche multimodale pour les études portant sur les maladies neurodégénératives. Parmi les marqueurs de l'IRMm, la quantification du fer intracérébral par relaxométrie T2* est une des méthodes qui a été développé ces dernières années à l'unité Inserm U825. Le dérèglement du métabolisme du fer et son accumulation sont en effet impliqués dans la physiopathologie de nombreuses maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson. L'expérience acquise à travers les différentes validations cliniques de cette méthode ces dernières années nous a conduit à améliorer cette dernière. Nous avons dirigé nos travaux sur l'amélioration de la méthode de relaxométrie R2* en optimisant l'acquisition d'une part et le traitement des images d'autre part. Nous avons donc comparé différentes résolutions, antennes, facteurs d'accélération, et nombres d'acquisitions par temps d'écho afin de déterminer les paramètres permettant d'obtenir le plus haut rapport signal sur bruit. Pour la partie traitement des images nous avons comparé la méthode utilisée comme référence, la méthode des moindres carrés par algorithme de Levenberg-Marquardt, à une autre méthode, la décomposition en valeur singulière pour estimer avec le plus de justesse le taux relaxation R2*. Nous avons ainsi pu mettre au point une séquence de relaxométrie T2* optimisée que nous avons comparé à celle utilisée lors de la première étude, dans le modèle du vieillissement physiologique. Au final en plus de permettre la discrimination entre sujets âgés et jeunes, les résultats obtenus avec cette nouvelle séquence se sont révélés être beaucoup moins sensibles au bruit. / One of the main goals of modern neuroimaging is the identification of new markers that can help in the diagnosis and monitoring of neurological pathologies. Multimodal magnetic resonance imaging (MRIm), is an approach allowing the evaluation of several complementary biomarkers within one MRI. This approach has already demonstrated its efficiency in several recent studies, and in particular in Parkinson's disease. We added a new biomarker to the MRIm approach previously used i.e. shape changes of subcortical structures based on T1 images. This marker is now a part of our MRIm approach along with: (i) volumetry from T1 images, (ii) microstructural integrity and orientation from diffusion images and (iii) metal deposits from T2* relaxometry. We applied this multimodal MRI approach to an other neurodegenerative disease, the Alzheimer's disease at a prodromal stage. Results of this preliminary study gave us the opportunity to suggest the existence of two different physiopathological processes at the prodromal phase of the Alzheimer's disease. In fact we observed atrophy with modification of the microstructural integrity for the hippocampus and the amygdala, while only atrophy has been observed for the thalamus and the putamen. Those results also confirmed the necessity of studying neurodegenerative diseases in a multimodal way. Among MRIm markers, the T2* relaxometry for the quantification of intracerebral iron is one of the methods which has been developed lately at the Inserm U825. Dysregulation of iron metabolism and its accumulation are involved in the physiopathology of several neurodegenerative diseases like Parkinson's disease. The experience gained through the different clinical validation of this method in recent years has led us to improve it. Our work was to improve T2* relaxometry by optimizing the acquisition of the images on one hand, and the processing of the images on the other hand. We compared several resolutions, acquisition antennas, number of acquisition by echo time, to determine which parameters gave the higher signal to noise ratio. For the part about the process of the images, we compared the method used as a reference, the least square method using a Levenberg-Marquard algorithm, to an other method, the singular value decomposition to obtain the best estimation of the relaxation rate R2*. Then we were able to develop an optimized T2* relaxometry sequence, which we compared to the one used in the first study, but in the physiological ageing model. Finally in addition to allowing discrimination between elderly and young people, the results obtained with this new sequence were found to be much less sensitive to noise.

Im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen werden immer höhere Anforderungen an die für den Gütertransfer eingesetzte Fördertechnik gestellt. Neben der erhöhten Förderleistung sind zudem ein schmiermittelfreier Betrieb sowie eine hundertprozentige Verfügbarkeit gefordert. Durch die zunehmende Leistungssteigerung kommt es zu hohen Beanspruchungen, die bei falscher Auslegung zu mechanischem oder thermischem Versagen der Kunststoff-Bauteile im Fördersystem führen können. Während das mechanische Versagen mit den aktuellen Dimensionierungen vermieden werden kann, gibt es bezüglich des thermischen Versagens keine hinreichend genaue Auslegungsvorschrift. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse von Gleitketten-Fördersystemen sowie den darin eingesetzten thermoplastischen Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen. Diesbezüglich werden die Gleitkontakte eines Gleitkettenförderers und deren Belastungen analysiert. Durch Abstraktion des Kette–Schiene-Systems wird ein semi-analytisches Berechnungsmodell zur Abschätzung der Reibtemperatur entwickelt, welches mittels experimenteller Untersuchungen auf einem Tribo-Prüfstand und an einem Fördersystem verifiziert wird. Aus den Untersuchungsergebnissen konnte ein thermisches Auslegungskriterium für Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen abgeleitet werden, welches sowohl auf Gleitketten-Förderer als auch perspektivisch auf ähnliche tribologische Systeme übertragen werden kann. / In the course of the continuous enhancements of processing and packaging machines, higher demands are set on conveying technology used for transferring goods. In addition to an increased delivery rate, a lubricant-free operation as well as a hundred percent availability are claimed. Increasing performance leads to high stresses that can result to mechanical or thermal failure of plastic components in the conveying system, if incorrectly designed. While mechanical failure can be avoided with up to date dimensioning, there is no sufficiently precise dimensioning criterion in regard to thermal failure. The present thesis is concerning with the thermal analysis of sliding chain conveyor systems as well as the thermoplastic plastic-plastic sliding pairs used therein. In this regard, the sliding contacts of a sliding chain conveyor and their loads are analyzed. By abstraction of the chain–rail system, a semi-analytical model for estimating the frictional temperature is developed, which is verified by experimental studies on a tribo test bench and a conveyor system. From the study results, a thermal dimensioning criterion for plastic plastic pairings could be derived, which can be applied to sliding chain conveyor as well as perspectivly similar tribological systems.

In der Fördertechnik werden zunehmend Transportketten und Gleitelemente aus thermoplastischen Kunststoffen eingesetzt. Wesentliche Vorteile sind der schmierungsfreie und damit saubere und wartungsarme Betrieb, die geringe Eigenmasse sowie die mit hoher Gestaltungsfreiheit und Effizienz verbundene Fertigungstechnologie im Spritzgießverfahren. Die Bauelemente der Fördersysteme werden in der Praxis sehr unterschiedlich beansprucht. Da jedoch die mechanischen und tribologischen Eigenschaften der Kunststoffe signifikant von den Belastungs- und Umgebungsbedingungen, insbesondere der Temperatur, abhängig sind, ist die Entwicklung und Charakterisierung geeigneter Werkstoffsysteme sehr komplex. Im Vortrag werden diese Herausforderungen thematisiert und Möglichkeiten zur praxisnahen Untersuchung und Bereitstellung von Kennwerten vorgestellt. / In conveyor systems, transport chains and sliding elements made of thermoplastic materials are increasingly used. Major advantages are lubrication-free and so clean and low-maintenance operation, low weight as well as design-flexible and efficient injection molding manufacturing. In practice, components of conveyor systems are stressed in very different ways. However, mechanical and tribological properties of plastics are significantly dependent on load and environmental conditions, in particular temperature. Therefore, the development and characterization of suitable material systems are very complex. In the talk, these challenges are addressed and opportunities for practical investigation and provision of characteristic properties are presented.

Transportketten aus thermoplastischen Kunststoffen gehören zu den am häufigsten eingesetzten Zugmitteln in der Stetigfördertechnik. Wesentliche Vorteile, insbesondere gegenüber Stahlketten, sind eine geringe Masse, eine hocheffiziente Fertigung sowie sehr gute Reibungs- und Verschleißeigenschaften, die den schmierungsfreien Betrieb der Förderer ermöglichen. Die Dimensionierung der Förderanlagen erfolgt primär über eine zulässige Kettenzugkraft. Das setzt voraus, dass sowohl die im System vorherrschende als auch die für die Kette ertragbare Zugkraft bekannt ist. Der Beitrag behandelt zum einen die Herausforderungen bei der Ermittlung dieser Werte, z. B. lastabhängige Reibkoeffizienten und fehlende Dauerfestigkeitswerte. Zum anderen wird auf die reibungsbedingte Erwärmung der Gleitelemente eingegangen. Diese beeinflusst signifikant die mechanischen Eigenschaften und führt teilweise zum Aufschmelzen der Kunststoffelemente, wird jedoch nach den üblichen Dimensionierungsmethoden nicht berücksichtigt. / Transport chains made of thermoplastic materials are among the most frequently used traction mechanisms in conveying technology. Fundamental advantages, in particular compared to steel chains, are a low mass, a highly efficient production and excellent friction and wear properties that allow lubrication-free operation of conveyors. The dimensioning of conveyor systems is primarily carried out via a permissible chain tractive force. This presupposes that the system's prevailing forces and the chain's maximum allowable tractive force are known. The paper deals on the one hand with the challenges of identifying these values, such as load-depending coefficients of friction and missing fatigue strength values. On the other hand, the frictioninduced heating of the sliding elements is discussed. This heating significantly affects the mechanical properties and partially leads to melting of the plastic elements, but is not taken into account by the common dimensioning methods.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse sont focalisés sur les procédés deréplication permettant la transformation des mélanges en composants par les technologiesen séquentiel ou bien en continu, selon les applications visées. Les développementsconcernent la mise en place et l’hybridation de différents procédés de micro-réplication(estampage à chaud de polymère thermoplastique et par laminage circulaire entre deuxrouleaux). Ces deux procédés sont développés et optimisés pour l’élaboration decomposants micro-structurés ou de microcomposants possédant des propriétésfonctionnelles mécaniques ou thermo-physiques requises à partir de différents mélangeschargés en poudres métalliques ou en nanotubes de carbone. Des exemples de réalisationde composants structurés, à base d’un système micro-fluidique possédant plusieurs canauxde 200 microns par 200 microns et des réservoirs de diamètre de 2 mm, sont prises commeexemple tout au long de ces travaux de cette thèse. Différents travaux de caractérisationsont été entrepris pour optimiser les procédés de micro-réplication par estampage à chaud etpar laminage circulaire entre deux rouleaux. / The Ph.D subject concerns the study of two micro-replication processes by hotembossing and roll to roll processes for thermoplastic polymers and loaded polymers withpowders or carbon nanotubes. The micro-replication processes, realized in sequential orcontinuous ways, use some different elaborated loaded feedstocks in order to obtainstructural components or micro-component with high aspect ratio and mechanical orthermo-physical properties.A chain combining hot embossing and roll embossing and powder metallurgy have beendeveloped in our lab and investigated. The different micro mould die cavities have beenrealized with different micro-manufacturing process, elastomeric mould has been obtainedby casting process. Finally, a metallic structured die cavity has been obtained by combininghot embossing and debinding and sintering stages. The second topic is the comparison ofmetallic die cavity mould obtained by roll embossing or rolls embossing. Two demonstratorshave been developed during the preparation of this Ph.D period: first a metallic micro-fluidicsystem with micro-structuration with diameter of 1 mm for the reservoir and 200 microns by200 microns for the channel have been realized and characterized by different methods.Secondly, some functional micro-component has been obtained with carbon nanotube andsome specific properties in terms of mechanic and thermo-physical properties have beencharacterized.

Im Zuge der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Verarbeitungs- und Verpackungsmaschinen werden immer höhere Anforderungen an die für den Gütertransfer eingesetzte Fördertechnik gestellt. Neben der erhöhten Förderleistung sind zudem ein schmiermittelfreier Betrieb sowie eine hundertprozentige Verfügbarkeit gefordert. Durch die zunehmende Leistungssteigerung kommt es zu hohen Beanspruchungen, die bei falscher Auslegung zu mechanischem oder thermischem Versagen der Kunststoff-Bauteile im Fördersystem führen können. Während das mechanische Versagen mit den aktuellen Dimensionierungen vermieden werden kann, gibt es bezüglich des thermischen Versagens keine hinreichend genaue Auslegungsvorschrift. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der thermischen Analyse von Gleitketten-Fördersystemen sowie den darin eingesetzten thermoplastischen Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen. Diesbezüglich werden die Gleitkontakte eines Gleitkettenförderers und deren Belastungen analysiert. Durch Abstraktion des Kette–Schiene-Systems wird ein semi-analytisches Berechnungsmodell zur Abschätzung der Reibtemperatur entwickelt, welches mittels experimenteller Untersuchungen auf einem Tribo-Prüfstand und an einem Fördersystem verifiziert wird. Aus den Untersuchungsergebnissen konnte ein thermisches Auslegungskriterium für Kunststoff-Kunststoff-Gleitpaarungen abgeleitet werden, welches sowohl auf Gleitketten-Förderer als auch perspektivisch auf ähnliche tribologische Systeme übertragen werden kann. / In the course of the continuous enhancements of processing and packaging machines, higher demands are set on conveying technology used for transferring goods. In addition to an increased delivery rate, a lubricant-free operation as well as a hundred percent availability are claimed. Increasing performance leads to high stresses that can result to mechanical or thermal failure of plastic components in the conveying system, if incorrectly designed. While mechanical failure can be avoided with up to date dimensioning, there is no sufficiently precise dimensioning criterion in regard to thermal failure. The present thesis is concerning with the thermal analysis of sliding chain conveyor systems as well as the thermoplastic plastic-plastic sliding pairs used therein. In this regard, the sliding contacts of a sliding chain conveyor and their loads are analyzed. By abstraction of the chain–rail system, a semi-analytical model for estimating the frictional temperature is developed, which is verified by experimental studies on a tribo test bench and a conveyor system. From the study results, a thermal dimensioning criterion for plastic plastic pairings could be derived, which can be applied to sliding chain conveyor as well as perspectivly similar tribological systems.

In Stetigfördersystemen mit Gleitketten treten Schwingungen auf, die zu Beeinträchtigungen des Materialflusses führen können. Dazu zählen u. a. Kippen oder Rutschen der Fördergüter oder die Schädigung der Förderkette durch schwellende Belastung. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse und Simulation der auftretenden Schwingungen, mit dem Ziel, ein Simulationsmodell zu entwickeln, welches die dynamischen Effekte in einer Kunststoff-Gleitkette abbilden kann. Einführend werden Gleitkettenfördersysteme analysiert und die Anregungsursachen, die in dem System zu Schwingungen führen, betrachtet. Die Eigenfrequenz ist eine maßgebliche Größe des Schwingungsverhaltens. Deshalb werden mehrere Ansätze zur Berechnung der Eigenfrequenzen einer Gleitkette aufgestellt und deren Zweckmäßigkeit überprüft. Anschließend erfolgt die Erstellung eines Mehrkörper-Simulationsmodells, mit dem neben den Eigenfrequenzen auch die Amplitudenverläufe der Beschleunigung sowie der Kettenzugkraft berechnet werden können. Weiterhin wird aufgrund des viskoelastischen Materialverhaltens der Kunststoffkette ein geeignetes Materialmodell ermittelt und dessen Parameter über eine Optimierungsrechnung bestimmt. Nach der Validierung des Eigenfrequenz- und des Simulationsmodells an einer Versuchsförderanlage erfolgt eine Parameteranalyse, mit der die Auswirkungen der relevanten Einflussgrößen auf das dynamische Verhalten am Beispiel des Versuchsfördersystems eruiert werden. Abschließend werden Empfehlungen zur Reduzierung von Schwingungen in Gleitkettenfördersystemen gegeben. / In continuous conveyor systems occur vibrations which can lead to impairments of material flow. These includes tilting or slipping of transported material as well as damage to the conveyor chain due to swelling stress. The present thesis is concerned with the analysis and simulation of occurring vibrations with the aim of developing a simulation model which can depict the dynamic effects in a plastic slide chain. Introductorily, conveyor systems with sliding chains are analyzed and causes of excitation are examined, which lead to vibrations in the system. The natural frequency is a significant variable of vibration behavior. Therefore, several approaches for calculating the natural frequencies of a sliding chain are compiled and their suitability is reviewed. A multi-body simulation model is built which can be used to calculate amplitude curves of acceleration and chain traction force besides the natural frequencies. Due to the viscoelastic material behavior of plastic chains, a suitable material model is defined and its parameters are determined via an optimization calculation. After validating the natural frequency and the simulation model at a test conveyor, a parameter analysis is carried out with which effects of relevant influencing variables on the dynamic behavior are determined. Finally, recommendations are given for reducing vibrations in sliding chain conveyor systems.