Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Textilier med vatten- och smutsavvisande effekt fyller en viktig funktion inom många olika områden och branscher. Dock finns det flera allvarliga problem kopplat till produktionen och användningen utav dem. Per och polyfluoroalkylsubstanser (PFAS´s), användes länge för att erhålla den vattenavvisande effekten hos textilier. Sådana substanser har dock visat sig kunna brytas ned till persistenta miljö-och hälsoskadliga ämnen och därför omfattas de idag av både förbud och utfasningskrav i REACH, en förordning antagen för Europeiska unionen för att minimera risker kring miljö och hälsa. Trots att långa fluorerade alkylkedjor är förbjudna så används liknande men kortare alkylkedjor för att åstadkomma vattenavvisande effekt. Det finns även andra varianter på marknaden, men inga klarar att vara både slitage- och nötningståliga samt hälso- och miljöriskfria. I syfte att skapa nya hållbara alternativ är Swerea IVF del av ett projekt som syftar till att utveckla en lotusfiber. I en sådan fiber är förhoppningen att den vattenavvisande effekten skall kunna inkluderas redan under fiberspinning och på så vis resultera i mer slitagetåliga och miljövänliga textila produkter. Material med superhydrofoba ytor, så som lotusblads, har både en primär och sekundär grovlek. Därför krävs anpassning av både mikro- och nanostruktur när en sådan yta skapas. I detta examensarbete, som är en del av ovan nämnda projekt, har fokus legat vid nanostrukturen. Syftet har varit att undersöka om man kan påverka nanopartiklars dispersion i termoplastiska filament genom att modifiera dem så att de blir hydrofoba och termiskt stabila. Förhoppningen har varit att få nanopartiklarna att dispergera homogent ända ut till filamentens yta. Detta för att både ge filamentet en struktur och en potentiell sänkning av dess ytenergi. Projektet påbörjades genom litteraturstudier för att bestämma material och metoder för det experimentella arbetet. Som partikelsubstrat valdes sfäriska nanopartiklar av kiseldioxid, (AEROSIL® OX 50) med en medeldiameter av 40 nm. Som ytmodifierare valdes två typer av silaner med olika alkylkedjelängd, dels triklor(oktyl)silan och dels triklor(oktadekyl)silan. Två modifieringsreaktioner med varierande halt av ovan silaner utfördes för både typer, (6 resp. 20% (w/w) i 50 ml vattenfri toluen). Efter modifieringen analyserades nanopartiklarna genom karaktä- riseringsmetoderna: Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR, Termogravimetrisk analys, TGA, Differential Scanning Calorimetry, DSC och Kontaktvinkelmätning, (drop shape analysis), DSA. Tillsammans pekar analysernas resultat på att nanopartiklar av kiseldioxid kan uppnå god hydrofob och termiskt stabil effekt genom modifiering med båda silantyperna. Beräkningar visar dock att den kortare kedjan reagerat med högst molekylhalt. Därför valdes denna till projektets följande experiment, vilka innefattade inkludering av två procenthalter av partiklar till XPURE® Polyester 701K. För att analysera partiklarnas dispersion i de därefter extruderade filamenten utfördes Svepelektronmikroskopi, SEM över filamentens tvärsnitt. Resultaten indikerar att de hydrofobt ytmodifierade partiklarna är mer benägna att dispergera homogent ända ute vid filamentens fasgränsyta, än vad de hydrofila partiklarna är. Lotusfibern kan således vara möjlig att skapa med tillämpande av liknande principer och tekniker som i detta projekt.

Die Herstellung und Charakterisierung photopolymerisierbarer Opaquer mit verbesserter Adhäsion zur Metalloberfläche als Ziel dieser Arbeit wurde durch Integration von Methacryloxypropyltrimethoxysilan als Haftvermittlers in den Opaquer angestrebt. Der synthetisierte Opaquer mit einem Bis-GMA/TEGDMA-Verhältnis von 90:10 zeigte auf Grund seiner Zusammensetzung die besten Verarbeitungseigenschaften und weist nach Kochen der Klebungen für 24h die besten Haftwerte mit einer verbleibenden Haftfestigkeit von 94,7% auf. Nach Oberflächenbehandlung mit tribochemischer TiO2-Beschichtung zeigen die Probenkörper in allen Versuchen eine bessere Haftfestigkeit gegenüber der Vorbehandlung mit Korund. Im Rocatec-Verfahren, welches für Vergleichszwecke untersucht wurde, erreichte der Opaquer mit einem Bis-GMA/TEGDMA-Verhältnis von 90:10 mit direkt aufgetragenem Haftvermittler Initialwerte von 20,1 MPa, fiel aber nach Temperaturwechselbelastung von 15.000 Zyklen unter die definierte Grenze von 8 MPa ab. Die Integration von 5% Silan als Haftvermittler in den ausgewählten Opaquer mit einem Bis-GMA/TEGDMA-Verhältnis von 90:10 zeigt die höchsten Haftwerte (19,7 MPa) auf Degunorm nach Vorbehandlung mit tribochemischer TiO2-Beschichtung. Eine Erhöhung des Silan-Anteils im Opaquer liefert keine besseren Haftfestigkeitswerte. Das direkte Auftragen von Silan als Haftvermittler verbessert die Haftwerte um durchschnittlich 60,8% nach Oberflächenbehandlung mit tribochemischer TiO2-Beschichtung. Entgegen bisherigen Veröffentlichungen liegen in dieser Studie die Haftwerte der Prüfkörper auf Degunorm durchschnittlich um 24,3% höher als die auf NEM Biosil. Bei der Charakterisierung des Opaquers mit einem Bis-GMA/TEGDMA-Verhältnis von 90:10 zeigt die Vickershärte 216 HV, der Zusatz von Haftvermittler Silan ergibt keine Verbesserung der Vickershärte. Beim Polymerisationsgrad hingegen bewirkt der Zusatz von 20% Silan als Haftvermittler eine Steigerung von 60,6% (Opaquer 90:10) auf 83,5%. Der Zusatz von Haftvermittler liefert in den Biegeversuchen keine Verbesserung gegenüber dem initialen Wert von 118,7 MPa. Abschließend lässt sich sagen, dass eine langfristige Gewährleistung für die Haltbarkeit des Klebeverbundes mit den selbst synthetisierten Opaquern mit den Ergebnissen aus dieser Studie nicht gegeben werden kann. / Aim of this study is the production and characterization of light curing Opaquers with enhanced adhesion to metal surface through integration of methacryloxypropyltrimethoxysilane (silane) as coupling agent. The self synthesized Opaquer with Bis-GMA/TEGDMA ratio of 90:10 showed the best processing properties based on its components. After Thermocycling for 24h it showed the best bond strengths at 94,7%. Compared to pretreatment with Korund test samples showed higher bond strengths in all trials after surface treatment with tribochemical TiO2-coating. Using the Rocatec technique, which was used as control treatment, Opaquer with Bis-GMA/TEGDMA ratio of 90:10 and direct applicated coupling agent showed initial values of 21,1 MPa but after 15.000 thermocycles values declined below a defined cut at 8 MPa. When 5% silane was integrated into Opaquer with Bis-GMA/TEGDMA ratio of 90:10 the highest adhesion values (19,7MPa) were seen on Degunorm with tribochemical TiO2 pretreatment. A rise in the silane proportion in the Opaquer does not lead to improved bond strength values. Direct application of silane as coupling agent increases bond strength values on an average of 60,8% after surface conditioning due TiO2-coating. In opposition to previous publications this trial shows 24,3% higher bond strength values of specimens on Degunorm versus samples on base metal Biosil. Opaquer with Bis-GMA/TEGDMA ratio of 90:10 shows Vickers hardness of 216 HV. Addition of silan as coupling agent does not show enhanced Vickers hardness. Addition of 20% silane leads to a rise in degree of polymerization from 60,6% (Opaquer 90:10) to 83,5%. Three point bending test did not show enhanced values after addition of coupling agent compared to initial value of 118,7MPa. In the long run the metal-composite-resin stability of self synthesized Opaquers cannot be guaranteed by outcomes of this study.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Universiẗat, Diss., 2004--Jena.

Vid adhesiv cementering, så kallad bonding, rekommenderar fabrikanter att glaskeramers cementeringsyta etsas innan applicering av silan. Att värmebehandla silan med respektive utan etsning, har i tidigare studier visat en höjning av bindningsstyrkan mellan olika material.Den litiumdisilikatbaserade glaskeramen IPS e.max® Press har funnits på marknaden sedan 2005 och få studier har gjorts på ytbehandlingar och dess effekter på materialet och bindningen till olika material.Syftet: att undersöka om ytbehandling med värmebehandlat silan ger en högre bindningsstyrka till adhesivt cement hos en litiumdisilikatbaserad glaskeram, jämfört med kombinationen etsning och silanisering.Material och metod: 12 litiumdisilikatbaserade keramiska block pressades. Blocken delades parvis in i sex grupper och ytbehandlades med etsmedel och/eller silan med eventuell påföljande värmebehandling.Blocken cementerades samman varpå mikrostavar sektionerades fram, som sedan termocyklades. 10 provkroppar ur varje grupp valdes ut för ett microtensile bond strength test. Frakturytorna bedömdes i mikroskop. Resultaten analyserades med one-way ANOVA, Tukey’s test samt Student’s t-test.Resultat: Resultaten visar ingen signifikans i bindningsstyrka mellan enskilda grupper oavsett ytbehandling. En statistisk signifikant skillnad (p=0,047) finns mellan grupperna med ytbehandlingen icke-etsad respektive etsad. Högsta medelvärdet uppmäter de etsade grupperna.Mellan de värmebehandlade grupperna, oavsett temperatur, uppmättes ingen statistisk signifikant skillnad på bindningsstyrkan. En höjning av temperaturen visar en numerisk ökning av medelvärdet.Slutsats: En låg signifikans kan utläsas mellan de icke-etsade och de etsade grupperna, där de etsade visar högre bindningsstyrka. Resultatet mellan grupperna gällande medelvärdet av bindningsstyrka och värmebehandling är ej av statistisk signifikans tillika jämförelse av grupper oavsett ytbehandling.

The term "Lab-on-a-Chip" (LoC) describes highly miniaturized systems in which the functionalities of entire laboratories are scaled down to the size of transportable microchips. Particularly in the field of chemical and bio-analysis, such platforms are desired for a fast and highly sensitive sample analysis at the point of care. This work focuses on silicon nanowire (SiNW) based sensors. Innovative device fabrication concepts are developed from various directions, for a facile and reliable assembly of LoC analysis systems. Firstly, a multifunctional microfluidic set-up is developed which allows for a facile reversible sealing of channel structures on virtually any kind of substrate while maintaining the possibility of a rapid prototyping of versatile channel designs and the applicability of high working pressures of up to 600 kPa. Secondly, a 3-(triethoxysilyl)propylsuccinic anhydride (TESPSA) based surface modification strategy for the attachment of specific receptor molecules without additional binding site passivation is explored. Thirdly, bottom-up grown SiNWs are utilized for producing parallel arrays of Schottky barrier field-effect transistors (FETs) via contact printing. Using the initially developed microfluidic set-up, the concept of the TESPSA-based receptor immobilization is proved via fluorescence microscopy and by applying the SiNW FETs as biosensors. Using a receptor-analyte system based on a set of antibodies and a peptide from human influenza hemagglutinin, it is shown that antibodies immobilized with the developed method maintain the specificity for their antigens. The fourth major research field in this work is the microfluidics-based alignment of one-dimensional nanostructures and their deposition at predetermined trapping sites for reliably fabricating single NW-based FETs. Such devices are expected to provide superior sensitivity over sensors based on parallel arrays of FETs. Consequently, within this work, innovative LoC devices fabrication approaches over a broad range of length scales, from micrometer scale down to the molecular level, are investigated. The presented methods are considered a highly versatile and beneficial tool set not only for SiNW-based biosensors, but also for any other LoC application. / Unter dem Begriff „Lab-on-a-Chip“ (LoC) fasst man stark miniaturisierte Systeme zusammen, die die Fähigkeiten eines ganzen Labors auf einen transportablem Mikrochip übertragen. Insbesondere im Bereich der Analyse chemischer und biologischer Proben werden solche Plattformen bevorzugt eingesetzt, da sie direkt am Ort der Probenentnahme schnelle, hoch sensible Messungen ermöglichen. Im Mittelpunkt dieser Doktorarbeit stehen Sensoren auf Basis von Siliziumnanodrähten (SiNWs). Auf verschiedenen Gebieten werden innovative Konzepte zur einfachen und zuverlässigen Herstellung von LoC Systemen entwickelt. Zu Beginn wird ein multifunktionaler Mikrofluidik-Aufbau vorgestellt, der ein einfaches reversibles Verschließen von Mikrofluidik-Kanälen auf nahezu allen möglichen Substraten erlaubt. Der Aufbau ermöglicht das schnelle Anfertigen und Testen verschiedener Kanalstrukturen sowie das Betreiben von Fluidik-Experimenten mit hohen Arbeitsdrücken von bis zu 600 kPa. Der zweite Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur Funktionalisierung von Sensor-Oberflächen mittels 3-(Triethoxysilyl) Propyl Bernsteinsäure Anhydrid (TESPSA) für die Immobilisierung spezifischer Rezeptormoleküle. Bei dieser Methode entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen Passivierung ungenutzter Anbindungsstellen. Des Weiteren erfolgt die Herstellung von Parallelschaltungen von Schottky-Barrieren-Feld-Effekt-Transistoren (SB-FETs) aus „bottom-up“ gewachsenen SiNWs durch mechanisches Abreiben der SiNWs vom Wachstumssubstrat auf ein Empfängersubstrat. Unter Verwendung des eingangs entwickelten Mikrofluidik-Aufbaus wird die prinzipielle Anwendbarkeit der TESPSA-basierten Rezeptor-Immobilisierung nachgewiesen, sowohl anhand von Fluoreszenzmikroskopie-Untersuchungen als auch mit Hilfe der SiNW FETs als Biosensoren. Mittels eines Rezeptor-Analyt-Systems, bestehend aus verschiedenen Antikörpern und einem Peptid des Influenzavirus A, wird gezeigt, dass Antikörper, die über TESPSA an Oberflächen gebunden werden, ihre Spezifizität für ihre Antigene beibehalten. Der vierte große Forschungsabschnitt dieser Arbeit widmet sich der mikrofluidischen Ausrichtung eindimensionaler Nanomaterialien und deren Ablage an vorgegebenen Fangstellen, wodurch eine zuverlässige Herstellung von FETs aus Einzelnanodrähten erreicht wird. Es wird davon ausgegangen, dass Einzelnanodraht-FETs gegenüber Parallelschaltungen von Nanodraht-FETs verbesserte Sensoreigenschaften aufweisen. Folglich beinhaltet diese Arbeit viele zukunftsweisende Ansätze für die Herstellung von LoC Systemen. Untersuchungen über eine Bandbreite von Längenskalen, von Mikrometer großen Strukturen bis hinab zur molekularen Ebene, werden präsentiert. Es wird davon ausgegangen, dass die vorgestellten Methoden als eine vielfältige Sammlung von Werkzeugen nicht nur bei der Herstellung von Biosensoren auf SiNW-Basis Einsatz finden, sondern ganz allgemein den Aufbau verschiedenster LoC Systeme vorantreiben.

Hannover, Univ., Diss., 2007

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2003. / Print-Ausg. bei Shaker, Aachen erschienen.

The aim of this work was to functionalize silicon dioxide surfaces with biochemical molecules in such a way that biorecognition of target molecules in solution will be possible. By introducing a tool set of different molecules and characterization methods, a more universal approach towards various biosensor setups is presented. This includes on the one hand preparation of the biosensor surfaces to allow further molecule attachment via their reactive functional groups. Secondly, the selection of chemical molecules providing suitable counterparts for abundant functional groups of potential receptors is discussed. Two detection schemes are introduced – based on an antibody to detect the antibiotic amoxicillin and aptamers to detect thrombin. The antibody was implemented in an inverse competition assay to probe such small target molecules. Antibiotic residues are often present in wastewater. Aptamers, so-called artificial antibodies, were selected as they provide many advantages over antibodies. As a model system, two different thrombin binding aptamers were chosen which allowed to perform sandwich assays as well. The protein thrombin plays an important role in the blood coagulation cascade. To probe the individual modification steps, different techniques for analysis were applied. Surface micropatterning was introduced to improve recognition of modified areas and fluorescence-to-background ratios resulting in a thrombin detection limit down to 20 pM. One important goal was the integration in ion-sensitive field-effect transistor devices. Aptamers are small in size which might enable a higher sensitivity of these devices compared to the use of antibodies because of the Debye layer thickness. As a final step, first measurements towards silicon nanowire based field-effect transistor biosensors were carried out on devices with bottom-up and top-down fabricated nanowires using both proposed receptor-analyte combinations. The potential of these devices as portable sensors for real-time and label-free biosensing is demonstrated. / Ziel dieser Arbeit war es Siliziumdioxidoberflächen so mit biochemischen Molekülen zu funktional- isieren, dass die biologisch spezifische Erkennung von Zielmolekülen in Lösung möglich wird. Hier wird eine Auswahl an geeigneten Molekülen und Charakterisierungsmethoden für einen vielseitigen Ansatz gezeigt, der auf verschiedene Biosensorsysteme anwendbar ist. Das beinhaltet zum Einen die Präparation der Biosensoroberflächen, so dass die Moleküle über reaktive funktionelle Gruppen angebunden werden können. Als zweites ist die Auswahl der chemischen Moleküle wichtig, da diese die passenden Gegenstücke zu potentiellen funktionellen Gruppen der Rezeptoren darstellen. Zwei verschiedene Detektionsvarianten werden eingeführt – Antikörper gegen das Antibiotikum Amoxicillin und Aptamere gegen Thrombin. Der Antikörper wurde in einen inversen Wettbewerbsassay integriert um einen solch kleinen Ana- lyten detektieren zu können. Rückstände von Antibiotika sind häufig in Abwässern zu finden. Ap- tamere, sogenannte künstliche Antikörper, weisen gegenüber Antikörpern viele Vorteile auf. Als ein Modellsystem wurden zwei unterschiedliche Thrombin bindende Aptamere verwendet, was auch die Durchführung von Sandwich Assays ermöglichte. Das Protein Thrombin spielt eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung. Um die einzelnen Modifikationsschritte zu untersuchen, wurden verschiedene Charakterisierungsmethoden angewendet. Die Mikrostrukturierung der Funktionalisierung erleichterte die Erkennung der modifizierten Flächen und verbesserte das Fluoreszenz-zu-Hintergrund Verhältnis. Das führte zu einer Detektionsgrenze von 20 pM für Thrombin. Ein wichtiges Ziel dieser Arbeit war die Integration der Funktionalisierung in einen ionen-sensitiven Feldeffekttransistor. Die kleinen Aptamere könnten dabei aufgrund der geringen Debye-Schichtdicke bei diesen Sensoren eine höhere Sensitivität als mit Antikörpern ermöglichen. Zuletzt wurden erste Messungen hin zu Silizium Nanodraht basierten Feldeffekttransistor Biosen- soren mit beiden untersuchten Rezeptor-Analyt-Kombinationen durchgeführt. Sowohl die Chips mit bottom-up als auch mit top-down gewachsenen Nanodrähten zeigen dabei ihr Potential als handliche Sensoren zur markerfreien Detektion in Echtzeit.