In computed tomography (CT) cross-sectional images of the attenuation distribution within a slice are created by scanning radiographic projections of an object with a rotating X-ray source detector compound and subsequent reconstruction of the images from these projection data on a computer. CT can be made very fast by employing a scanned electron beam instead of a mechanically moving X-ray source. Now this principle was extended towards high-energy electron beam tomography with an electrostatic accelerator. Therefore a dedicated experimental campaign was planned and carried out at the Budker Insitute of Nuclear Physics (BINP), Novosibirsk. There we investigated the capabilities of BINP’s accelerators as an electron beam generating and scanning unit of a potential high-energy electron beam tomography device. The setup based on a 1 MeV ELV-6 (BINP) electron accelerator and a single detector. Besides tomographic measurements with different phantoms, further experiments were carried out concerning the focal spot size and repeat accuracy of the electron beam as well as the detector’s response time and signal to noise ratio.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde für ein magnetisches Hydrogel auf Alginat-Methylcellulose-Basis und Mikropartikeln aus Magnetit über einen Beobachtungszeit-raum von mindestens 14 Tagen eine umfassende Charakterisierung des Deformationsverhaltens auf makroskopischer Ebene und der Partikelanalyse auf mikrostruktureller Ebene in Abhängigkeit von Partikelgehalt, Alterung und Lagerungsbedingungen durchgeführt. Für diese Untersuchungen wurde ein, den Maxwell-Aufbau verwendender Versuchsstand konstruiert, der ein definiertes Feld mit einem annähernd konstanten Feldgradient in axialer Richtung aufweist. Die Hauptuntersuchungen wurden an Tag 0, 1 und 14 für Proben mit 5, 15, 25 und 35 wt% Magnetit durchgeführt. Schwerpunkte der Arbeit sind zum einen die Bestimmung von E-Modul, Zeitverhalten und Biegeverhalten und zum anderen die Erstellung von Modellen zur Beschreibung des Deformationsverhaltens. Als weitere Eigenschaften wurden das Fließverhalten, die Formstabilität, die Dichte und die magnetischen Eigenschaften analysiert. Hinsichtlich einer zyklischen Stimulation für eine medizinische Anwendung wurden Proben mit 25 wt% Magnetit über 14 Tage täglich einer Frequenz von 1 Hz über 3 h ausgesetzt. Dafür wurde im Rahmen dieser Arbeit der 9-Kammern-Bioreaktor CyMAD entwickelt und nach erfolgter Stimulation Untersuchungen zum Biegeverhalten und eine Partikelanalyse durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis I Abkürzungsverzeichnis V Symbolverzeichnis VI 1 Einleitung 1 1.1 Medizinischer Hintergrund und Motivation 1 1.2 Lösungsansatz 2 1.3 Ziele und Inhalt der Arbeit 3 2 Grundlagen 5 2.1 Matrixmaterial 5 2.1.1 Alginat 5 2.1.2 Methylcellulose 6 2.1.3 Alginat-MC-Scaffolds 8 2.2 Magnetismus 9 2.3 Tissue Engineering 12 2.3.1 Additive Fertigung von Hydrogelen 13 2.3.2 Gestaltungs- und Einsatzmöglichkeiten von Alginatscaffolds 15 2.3.3 Smart Materials im Tissue Engineering - Ermittlung des Deformationsvermögens und Anwendungen von magnetischen Druckpasten 16 2.3.4 Stimulation von Zellen – applizierte Dehnungen und Versuchsaufbauten 17 3 Materialien und Probenherstellung 21 3.1 Wahl der magnetischen Partikel 21 3.2 Herstellung der Druckpaste 22 3.3 Probenherstellung 22 3.3.1 Versuche zum Biegeverhalten 22 3.3.2 Zugversuche 22 3.3.3 VSM-Messungen 23 3.4 Lagerungsbedingungen 24 4 Verwendete und angepasste Messtechnik 25 4.1 Rotationsviskosimeter und Zugprüfmaschine 25 4.1.1 Definition der mechanischen Eigenschaften 25 a) Fließverhalten 25 b) Elastizitätsmodul 26 4.1.2 Ermittlung der mechanischen Eigenschaften 27 a) Messgerät Physica MCR 301von Anton Paar 27 b) Aufbau als Rotationsviskosimeter und Versuchsdurchführung 28 c) Aufbau, Durchführung und Adaptionen der Zugversuche hinsichtlich der Messung von Hydrogelen 29 4.2 Vibrating Sample Magnetometer 30 4.2.1 Aufbau und Funktionsweise 31 4.2.2 Messgerät VSM 7407 32 4.3 Röntgencomputertomografie 32 4.3.1 Grundlagen der Erzeugung von Röntgenstrahlung 32 4.3.2 Messprinzip und Datenverarbeitung der Röntgencomputertomografie 33 4.3.3 Experimentelle Aufbauten für die Röntgencomputertomografie 36 a) Messtechnische Gegebenheiten der Labortomografieanlage TomoTU 36 b) Versuchsstand „Magnetmesszelle“ 37 5 Verarbeitung der Bilddaten 40 5.1 Makroskopische Betrachtungen 40 5.1.1 Ermittlung der Biegelinie 40 5.1.2 Ermittlung des Zeitverhaltens 42 5.1.3 Ermittlung der Formstabilität 42 5.2 Mikroskopische Betrachtungen 43 5.2.1 Ermittlung der Partikelverteilung mittels Watershed-Algorithmus 43 5.2.2 Ermittlung der richtungsabhängigen Paarkorrelationsfunktion 44 6 Modellierung des Deformationsverhaltens 46 6.1 Beschreibung des Zeitverhaltens 46 6.1.1 PTn-Glieder (Regelungstechnik) 46 6.1.2 Retardation von Kunststoffen 47 6.2 Modellierung der Durchbiegung mittels Balkentheorie 48 6.2.1 Annahmen und Vereinfachungen 48 6.2.2 Gestaltung der Probenaufnahme 49 6.2.3 Berechnungen der Biegelinie und der benötigten Kraft 51 6.3 Berechnung der magnetischen Kraft 52 6.4 Modellbereich 54 7 Grundcharakterisierung und Vorbetrachtungen 55 7.1 Reproduzierbarkeit der Alginat-PBS-Lösung 55 7.2 Charakterisierung des verwendeten Magnetits 57 7.2.1 Oberflächenbeschaffenheit und Form 57 7.2.2 Partikelgrößenverteilung 57 7.3 Sensitivitätsanalyse 58 7.3.1 Wahl der Parameter und deren Kombination 58 7.3.2 Einfluss von Temperatur und Lagermedium auf den Probendurchmesser 59 7.3.3 Zusammenfassung 62 7.4 Formstabilität der Proben 62 7.5 Dichte 63 7.6 Magnetische Eigenschaften 64 8 Experimentelle Untersuchungen zum Deformationsverhalten 67 8.1 Elastizitätsmodul 67 8.1.1 Grundlegendes zur Auswertung 67 8.1.2 E-Moduln nach der Vernetzung 70 8.1.3 E-Modul in Abhängigkeit von Zeit und Partikelkonzentration 73 8.1.4 E-Modul für 25 wt% Magnetit in Abhängigkeit von der Zeit 75 8.1.5 E-Modul für einen beschleunigten Alterungsprozess 76 8.2 Zeitverhalten 77 8.2.1 Sprungantwort 77 a) Fitfunktion zur Beschreibung des zeitabhängigen Deformationsverhaltens 77 b) Definition und Bestimmung der Parameter 81 8.2.2 Schlussfolgerungen für die Untersuchungen zum Deformationsverhalten 82 a) Bedeutung für die Erfassung der Biegelinie 82 b) Bedeutung für zyklische Belastungen 83 8.3 Biegeverhalten 83 8.3.1 Validierung des Fastscans 85 8.3.2 Biegelinien 88 a) Abhängigkeit der Biegelinie von Alter und Partikelkonzentration 88 b) Vergleich nicht stimulierter und stimulierter Proben mit 25 wt% Magnetit 91 8.3.3 Vergleich von Theorie und Praxis 92 8.3.4 Fehlerdiskussion 98 a) Korrektur der Biegelinie 98 b) Eignung des Modells 100 8.4 Partikelanalyse 101 8.4.1 Partikelverteilung 102 8.4.2 Paarkorrelationsfunktion 108 8.5 Bedeutung für das TE 114 8.5.1 Vergleich zu etablierten Verfahren im TE 114 8.5.2 Übertragbarkeit auf autoklaviertes Material 115 8.5.3 Gestaltungsansatz für Scaffolds 115 9 Zusammenfassung 118 10 Ausblick 121 Tabellenverzeichnis X Abbildungsverzeichnis XI Literaturverzeichnis XVI

In computed tomography (CT) cross-sectional images of the attenuation distribution within a slice are created by scanning radiographic projections of an object with a rotating X-ray source detector compound and subsequent reconstruction of the images from these projection data on a computer. CT can be made very fast by employing a scanned electron beam instead of a mechanically moving X-ray source. Now this principle was extended towards high-energy electron beam tomography with an electrostatic accelerator. Therefore a dedicated experimental campaign was planned and carried out at the Budker Insitute of Nuclear Physics (BINP), Novosibirsk. There we investigated the capabilities of BINP’s accelerators as an electron beam generating and scanning unit of a potential high-energy electron beam tomography device. The setup based on a 1 MeV ELV-6 (BINP) electron accelerator and a single detector. Besides tomographic measurements with different phantoms, further experiments were carried out concerning the focal spot size and repeat accuracy of the electron beam as well as the detector’s response time and signal to noise ratio.