The use of confocal laser scanning microscopy to analyze the process of parasitic protozoon-host cell interaction

In this communication we review the results obtained with the confocal laser scanning microscope to characterize the interaction of epimastigote and trypomastigote forms of Trypanosoma cruzi and tachyzoites of Toxoplasma gondii with host cells. Early events of the interaction process were studied by the simultaneous localization of sites of protein phosphorylation, revealed by immunocytochemistry, and sites of actin assembly, revealed by the use of labeled phaloidin. The results obtained show that proteins localized in the interaction sites are phosphorylated. The process of formation of the parasitophorous vacuole was monitored by labeling the host cell surface with fluorescent probes for lipids (PKH26), proteins (DTAF) and sialic acid (FITC-thiosemicarbazide) before interaction with the parasites. Evidence was obtained indicating transfer of components of the host cell surface to the parasite surface in the beginning of the interaction process. We also analyzed the distribution of cytoskeletal structures (microtubules and microfilaments visualized with specific antibodies), mitochondria (visualized with rhodamine 123), the Golgi complex (visualized with C6-NBD-ceramide) and the endoplasmic reticulum (visualized with anti-reticulin antibodies and DIOC6) during the evolution of intracellular parasitism. The results obtained show that some, but not all, structures change their position during evolution of the intracellular parasitism.

Studies of the small bowel surface by scanning electron microscopy in infants with persistent diarrhea

We describe the ultrastructural abnormalities of the small bowel surface in 16 infants with persistent diarrhea. The age range of the patients was 2 to 10 months, mean 4.8 months. All patients had diarrhea lasting 14 or more days. Bacterial overgrowth of the colonic microflora in the jejunal secretion, at concentrations above 10(4) colonies/ml, was present in 11 (68.7%) patients. The stool culture was positive for an enteropathogenic agent in 8 (50.0%) patients: for EPEC O111 in 2, EPEC O119 in 1, EAEC in 1, and Shigella flexneri in 1; mixed infections due to EPEC O111 and EAEC in 1 patient, EPEC O119 and EAEC in 1 and EPEC O55, EPEC O111, EAEC and Shigella sonnei in 1. Morphological abnormalities in the small bowel mucosa were observed in all 16 patients, varying in intensity from moderate 9 (56.3%) to severe 7 (43.7%). The scanning electron microscopic study of small bowel biopsies from these subjects showed several surface abnormalities. At low magnification (100X) most of the villi showed mild to moderate stunting, but on several occasions there was subtotal villus atrophy. At higher magnification (7,500X) photomicrographs showed derangement of the enterocytes; on several occasions the cell borders were not clearly defined and very often microvilli were decreased in number and height; in some areas there was a total disappearance of the microvilli. In half of the patients a mucus-fibrinoid pseudomembrane was seen partially coating the enterocytes, a finding that provides additional information on the pathophysiology of persistent diarrhea.

Characterization of ß-trypsin at acid pH by differential scanning calorimetry

Trypsin is a serino-protease with a polypeptide chain of 223 amino acid residues and contains six disulfide bridges. It is a globular protein with a predominance of antiparallel ß-sheet and helix in its secondary structure and has two domains with similar structures. We assessed the stability of ß-trypsin in the acid pH range using microcalorimetric (differential scanning calorimetry) techniques. Protein concentrations varied in the range of 0.05 to 2.30 mg/ml. Buffer solutions of 50.0 mM ß-alanine and 20.0 mM CaCl2 at different pH values (from 2.0 to 4.2) and concentrations of sorbitol (1.0 and 2.0 M), urea (0.5 M) or guanidinium hydrochloride (0.5 and 1.0 M) were used. The data suggest that we are studying the same conformational transition of the protein in all experimental situations using pH, sorbitol, urea and guanidinium hydrochloride as perturbing agents. The observed van't Hoff ratios (deltaHcal/deltaHvH) of 1.0 to 0.5 in the pH range of 3.2 to 4.2 suggest protein aggregation. In contrast, deltaHcal/deltaHvH ratios equal to one in the pH range of 2.0 to 3.2 suggest that the protein unfolds as a monomer. At pH 3.00, ß-trypsin unfolded with Tm = 54ºC and deltaH = 101.8 kcal/mol, and the change in heat capacity between the native and unfolded forms of the protein (deltaCp) was estimated to be 2.50 ± 0.07 kcal mol-1 K-1. The stability of ß-trypsin calculated at 298 K was deltaG D = 5.7 kcal/mol at pH 3.00 and deltaG D = 15.2 kcal/mol at pH 7.00, values in the range expected for a small globular protein.

Quantitative evaluation of experimental choroidal neovascularization by confocal scanning laser ophthalmoscopy: fluorescein angiogram parallels heparan sulfate proteoglycan expression

The objective of the present study was to develop a quantitative method to evaluate laser-induced choroidal neovascularization (CNV) in a rat model using Heidelberg Retina Angiograph 2 (HRA2) imaging. The expression of two heparan sulfate proteoglycans (HSPG) related to inflammation and angiogenesis was also investigated. CNV lesions were induced with argon laser in 21 heterozygous Zucker rats and after three weeks a fluorescein angiogram and autofluorescence exams were performed using HRA2. The area and greatest linear dimension were measured by two observers not aware of the protocol. Bland-Altman plots showed agreement between the observers, suggesting that the technique was reproducible. After fluorescein angiogram, HSPG (perlecan and syndecan-4) were analyzed by real-time RT-PCR and immunohistochemistry. There was a significant increase in the expression of perlecan and syndecan-4 (P < 0.0001) in retinas bearing CNV lesions compared to control retinas. The expression of these two HSPG increased with increasing CNV area. Immunohistochemistry demonstrated that the rat retina damaged with laser shots presented increased expression of perlecan and syndecan-4. Moreover, we observed that the overexpression occurred in the outer layer of the retina, which is related to choroidal damage. It was possible to develop a standardized quantitative method to evaluate CNV in a rat model using HRA2. In addition, we presented data indicating that the expression of HSPG parallels the area of CNV lesion. The understanding of these events offers opportunities for studies of new therapeutic interventions targeting these HSPG.

Scanning the future of Single Euro Payment Area – towards cashless payment methods

The future of paying in the age of digitalization is a topic that includes varied visions. This master’s thesis explores images of the future of paying in the Single Euro Payment Area (SEPA) up to 2020 and 2025 through the views of experts specialized in paying. This study was commissioned by a credit management company in order to obtain more detailed information about the future of paying. Specifically, this thesis investigates what could be the most used payment methods in the future, what items could work as a medium of exchange in 2020 and how will they evolve towards the year 2025. Changing consumer behavior, trends connected to payment methods, security and private issues of new cashless payment methods were also part of this study. In the empirical part of the study the experts’ ideas about probable and preferable future images of paying were investigated through a two-round Disaggregative Delphi method. The questionnaire included numeric statements and open questions. Three alternative future images were created with the help of cluster analysis: “Unsurprising Future”, “Technology Driven Future” and “The Age of the Customer”. The plausible images had similarities and differences, which were reflected to the previous studies in the literature review. The study’s findings were formed based on the images of futures’ similarities and to the open questions answers that were received from the questionnaire. The main conclusion of the study was that development of technology will unify and diversify SEPA; the trend in 2020 seems to be towards more cashless payment methods but their usage depends on the countries’ financial possibilities and customer preferences. Mobile payments, cards and cash will be the main payment methods but the banks will have competitors from outside the financial sector. Wearable payment methods and NFC technology are seen as widely growing trends but subcutaneous payment devices will likely keep their niche position until 2025. In the meantime, security and private issues are seen to increase because of identity thefts and various frauds. Simultaneously, privacy will lose its meaning to younger consumers who are used to sharing their transaction and personal data with third parties in order to get access to attractive services. Easier access to consumers’ transaction data will probably open the door for hackers and cause new risks in paying processes. There exist many roads to future, and this study was not an attempt to give any complete answers about it even if some plausible assumptions about the future’s course were provided.

Applying scanning electron microscopy for the ultrastructural and clinical analysis of periprosthetic capsules in implant-based breast reconstruction

La reconstruction en deux étapes par expanseur et implant est la technique la plus répandue pour la reconstruction mammmaire post mastectomie. La formation d’une capsule périprothétique est une réponse physiologique universelle à tout corps étranger présent dans le corps humain; par contre, la formation d’une capsule pathologique mène souvent à des complications et par conséquent à des résultats esthétiques sous-optimaux. Le microscope électronique à balayage (MEB) est un outil puissant qui permet d’effectuer une évaluation sans pareille de la topographie ultrastructurelle de spécimens. Le premier objectif de cette thèse est de comparer le MEB conventionnel (Hi-Vac) à une technologie plus récente, soit le MEB environnemental (ESEM), afin de déterminer si cette dernière mène à une évaluation supérieure des tissus capsulaires du sein. Le deuxième objectif est d‘appliquer la modalité de MEB supérieure et d’étudier les modifications ultrastructurelles des capsules périprothétiques chez les femmes subissant différents protocoles d’expansion de tissus dans le contexte de reconstruction mammaire prothétique. Deux études prospectives ont été réalisées afin de répondre à nos objectifs de recherche. Dix patientes ont été incluses dans la première, et 48 dans la seconde. La modalité Hi-Vac s’est avérée supérieure pour l’analyse compréhensive de tissus capsulaires mammaires. En employant le mode Hi-Vac dans notre protocole de recherche établi, un relief 3-D plus prononcé à été observé autour des expanseurs BIOCELL® dans le groupe d’approche d’intervention retardée (6 semaines). Des changements significatifs n’ont pas été observés au niveau des capsules SILTEX® dans les groupes d’approche d’intervention précoce (2 semaines) ni retardée.

Scanning Electron Microscopy Studies on Tear and Wear Failure of Short Kevlar Fiber-Thermoplastic- Polyurethane Composite

Tear and wear properties of short kevlar fiber, thermoplastic polcurethane (TPU) composite with respect to fiber loading-and fiber onentation has been studied and the fracture surfaces were examined under scanning electron microscope (SEM). Tear strength first decreased up to 20 phr fiber loading and then gradually increased with increasing fiber loading. Anisotropy in tear strength was evident beyond a fiber loading of 20 phr. Tear fracture surface of unfilled TPU showed sinusoidal folding characteristics of high strength matrix. At low fiber loading the tear failure was mainly due to fibermatrix failure whereas at higher fiber loading the failure occurred by fiber breakage. Abrasion loss shows a continuous rise with increasing fiber loading, the loss in the transverse orientation of fibers being higher than that in the longitudinal orientation. The abraded surface showed lone cracks and ridges parallel to the direction of abrasion indicating an abrasive wear mechanism. In the presence of fber the abrasion loss was mainly due to fiber low.

Young’s modulus of silicon nitride used in scanning force microscope cantilevers

The Young’s modulus and Poisson’s ratio of high-quality silicon nitride films with 800 nm thickness, grown on silicon substrates by low-pressure chemical vapor deposition, were determined by measuring the dispersion of laser-induced surface acoustic waves. The Young’s modulus was also measured by mechanical tuning of commercially available silicon nitride cantilevers, manufactured from the same material, using the tapping mode of a scanning force microscope. For this experiment, an expression for the oscillation frequencies of two-media beam systems is derived. Both methods yield a Young’s modulus of 280–290 GPa for amorphous silicon nitride, which is substantially higher than previously reported (E5146 GPa). For Poisson’s ratio, a value of n 50.20 was obtained. These values are relevant for the determination of the spring constant of the cantilever and the effective tip–sample stiffness

Realization of a Scanning Photoacoustic Technique: Thermal properties of Bulk and Film Samples

Among the large number of photothcrmal techniques available, photoacoustics assumes a very significant place because of its essential simplicity and the variety of applications it finds in science and technology. The photoacoustic (PA) effect is the generation of an acoustic signal when a sample, kept inside an enclosed volume, is irradiated by an intensity modulated beam of radiation. The radiation absorbed by the sample is converted into thermal waves by nonradiative de-excitation processes. The propagating thermal waves cause a corresponding expansion and contraction of the gas medium surrounding the sample, which in tum can be detected as sound waves by a sensitive microphone. These sound waves have the same frequency as the initial modulation frequency of light. Lock-in detection method enables one to have a sufficiently high signal to noise ratio for the detected signal. The PA signal amplitude depends on the optical absorption coefficient of the sample and its thermal properties. The PA signal phase is a function of the thermal diffusivity of the sample.Measurement of the PA amplitude and phase enables one to get valuable information about the thermal and optical properties of the sample. Since the PA signal depends on the optical and thennal properties of the sample, their variation will get reflected in the PA signal. Therefore, if the PA signal is collected from various points on a sample surface it will give a profile of the variations in the optical/thennal properties across the sample surface. Since the optical and thermal properties are affected by the presence of defects, interfaces, change of material etc. these will get reflected in the PA signal. By varying the modulation frequency, we can get information about the subsurface features also. This is the basic principle of PA imaging or PA depth profiling. It is a quickly expanding field with potential applications in thin film technology, chemical engineering, biology, medical diagnosis etc. Since it is a non-destructive method, PA imaging has added advantages over some of the other imaging techniques. A major part of the work presented in this thesis is concemed with the development of a PA imaging setup that can be used to detect the presence of surface and subsmface defects in solid samples.Determination of thermal transport properties such as thermal diffusivity, effusivity, conductivity and heat capacity of materials is another application of photothennal effect. There are various methods, depending on the nature of the sample, to determine these properties. However, there are only a few methods developed to determine all these properties simultaneously. Even though a few techniques to determine the above thermal properties individually for a coating can be found in literature, no technique is available for the simultaneous measurement of these parameters for a coating. We have developed a scanning photoacoustic technique that can be used to determine all the above thermal transport properties simultaneously in the case of opaque coatings such as paints. Another work that we have presented in this thesis is the determination of thermal effusivity of many bulk solids by a scanning photoacoustic technique. This is one of the very few methods developed to determine thermal effiisivity directly.

Spontane Strukturbildung in Mehrschichtsystemen unter Verwendung Molekularer Gläser

Den Schwerpunkt dieser Dissertation bildet zum einen die Entwicklung eines theoretischen Modells zur Beschreibung des Strukturbildungsprozesses in organisch/anorganischen Doppelschichtsystemen und zum anderen die Untersuchung der Übertragbarkeit dieser theoretisch gewonnenen Ergebnisse auf reale Systeme. Hierzu dienen systematische experimentelle Untersuchungen dieses Phänomens an einem Testsystem. Der Bereich der selbstorganisierenden Systeme ist von hohem wissenschaftlichen Interesse, erlaubt er doch die Realisierung von Strukturen, die nicht den Begrenzungen heutiger Techniken unterliegen, wie etwa der Beugung bei lithographischen Verfahren. Darüber hinaus liefert ein vertieftes Verständnis des Strukturbildungsprozesses auch eine Möglichkeit, im Falle entsprechender technischer Anwendungen Instabilitäten innerhalb der Schichtsysteme zu verhindern und somit einer Degradation der Bauteile entgegenzuwirken. Im theoretischen Teil der Arbeit konnte ein Modell im Rahmen der klassischen Elastizitätstheorie entwickelt werden, mit dessen Hilfe sich die Entstehung der Strukturen in Doppelschichtsystemen verstehen läßt. Der hier gefundene funktionale Zusammenhang zwischen der Periode der Strukturen und dem Verhältnis der Schichtdicken von organischer und anorganischer Schicht, wird durch die experimentellen Ergebnisse sehr gut bestätigt. Die Ergebnisse zeigen, daß es technologisch möglich ist, über die Vorgabe der Schichtdicke in einem Materialsystem die Periodizität der entstehenden Strukturen vorzugeben. Darüber hinaus liefert das vorgestellte Modell eine Stabilitätsbedingung für die Schichtsysteme, die es ermöglicht, zu jedem Zeitpunkt die dominierende Mode zu identifizieren. Ein Schwerpunkt der experimentellen Untersuchungen dieser Arbeit liegt auf der Strukturbildung innerhalb der Schichtsysteme. Das Testsystem wurde durch Aufbringen einer organischen Schicht - eines sog. Molekularen Glases - auf ein Glassubstrat realisiert, als Deckschicht diente eine Siliziumnitrid-Schicht. Es wurden Proben mit variierenden Schichtdicken kontrolliert erwärmt. Sobald die Temperatur des Schichtsystems in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur des jeweiligen organischen Materials lag, fand spontan eine Strukturbildung auf Grund einer Spannungsrelaxation statt. Es ließen sich durch die Wahl einer entsprechenden Heizquelle unterschiedliche Strukturen realisieren. Bei Verwendung eines gepulsten Lasers, also einer kreisförmigen Wärmequelle, ordneten sich die Strukturen konzentrisch an, wohingegen sich ihre Ausrichtung bei Verwendung einer flächenhaften Heizplatte statistisch verteilte. Auffällig bei allen Strukturen war eine starke Modulation der Oberfläche. Ferner konnte in der Arbeit gezeigt werden, daß sich durch eine gezielte Veränderung der Spannungsverteilung innerhalb der Schichtsysteme die Ausrichtung der Strukturen (gezielt) manipulieren ließen. Unabhängig davon erlaubte die Variation der Schichtdicken die Realisierung von Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von einigen µm bis hinunter zu etwa 200 nm. Die Kontrolle über die Ausrichtung und die Periodizität ist Grundvoraussetzung für eine zukünftige technologische Nutzung des Effektes zur kontrollierten Herstellung von Mikro- bzw. Nanostrukturen. Darüber hinaus konnte ein zunächst von der Strukturbildung unabhängiges Konzept eines aktiven Sensors für die optische Raster-Nahfeld-Mikroskopie vorgestellt werden, das das oben beschriebene System, bestehend aus einem fluoreszierenden Molekularen Glas und einer Siliziumnitrid-Deckschicht, verwendet. Erste theoretische und experimentelle Ergebnisse zeigen das technologische Potential dieses Sensortyps.

Mikrostrukturierte Sensoren für die pH-Wert-Bestimung auf Basis von dünnen, intrinisch leitfähigen Polyanilinschichten

Der pH-Wert stellt in der Chemie, Physik, Biologie, Pharmazie und Medizin eine wichtige Meßgröße dar, da eine Vielzahl von Reaktionen durch den pH-Wert bestimmt wird. In der Regel werden zur pH-Wert-Messung Glaselektroden eingesetzt. Hierbei konnte der pH-sensitive Bereich zwar bis auf einige Mikrometer reduziert werden, aber die Gesamtab-messungen betragen immer noch 15-20 cm. Mit der Einführung miniaturisierter Reaktionsgefäße ist daher der Bedarf an miniaturisierten Sensoren enorm gestiegen. Um in solchen Gefäßen Reaktionsparameter wie z. B. den pH-Wert zu kontrollieren, müssen die Gesamtabmessungen der Sensoren verringert werden. Dies lässt sich mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik von Silizium realisieren. Hiermit lassen sich Strukturen und ganze Systeme bis in den Nanometerbereich herstellen. Basierend auf Silizium und Gold als Elektrodenmaterial wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Interdigitalstrukturen hergestellt. Um diese Strukturen zur pH-Wert-Messungen einsetzen zu können, müssen sie mit einer pH-sensitiven Schicht versehen werden. Hierbei wurde Polyanilin, ein intrinsisch leitendes Polymer, aufgrund seine pH-abhängigen elektrischen und optischen Verhaltens eingesetzt. Die Beschichtung dieser Sensoren mit Polyanilin erfolgte vorwiegend elektrochemisch mit Hilfe der Zyklovoltammetrie. Neben der Herstellung reiner Polyanilinfilme wurden auch Kopolymerisationen von Anilin und seinen entsprechenden Aminobenzoesäure- bzw. Aminobenzensulfonsäurederivaten durchgeführt. Ergebnisse dazu werden vorgestellt und diskutiert. Zur Charakterisierung der resultierenden Polyanilin- und Kopolymerfilme auf den Inter-digitalstrukturen wurden mit Hilfe der ATR-FT-IR-Spektroskopie Spektren aufgenommen, die gezeigt und diskutiert werden. Eine elektrochemische Charakterisierung der Polymere erfolgte mittels der Zyklovoltammetrie. Die mit Polyanilin bzw. seinen Kopolymeren beschichteten Sensoren wurden dann für Widerstandsmessungen an den Polymerfilmen in wässrigen Medien eingesetzt. Polyanilin zeigt lediglich eine pH-Sensitivität in einem pH-Bereich von pH 2 bis pH 4. Durch den Einsatz der Kopolymere konnte dieser pH-sensitive Bereich jedoch bis zu einem pH-Wert von 10 ausgeweitet werden. Zur weiteren Miniaturisierung der Sensoren wurde das Konzept der interdigitalen Elektroden-paare auf Cantilever übertragen. Die pH-sensitive Zone konnte dabei auf 500 µm2 bei einer Gesamtlänge des Sensors (Halter mit integriertem Cantilever) von 4 mm reduziert werden. Neben den elektrischen pH-abhängigen Eigenschaften können auch die optischen Eigen-schaften des Polyanilins zur pH-Detektion herangezogen werden. Diese wurden zunächst mit Hilfe der UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen Spektren werden gezeigt und kurz diskutiert. Mit Hilfe eines Raster-Sonden-Mikroskops (a-SNOM, Firma WITec) wurden Reflexionsmessungen an Polyanilinschichten durchgeführt. Zur weiteren Miniaturisierung wurden Siliziumdioxidhohlpyramiden (Basisfläche 400 µm2) mit Spitzenöffnungen in einem Bereich von 50-150 nm mit Polyanilin beschichtet. Auch hier sollten die optischen Eigenschaften des Polyanilins zur pH-Wert-Sensorik ausgenutzt werden. Es werden erste Messungen an diesen Strukturen in Transmission diskutiert.

Influence of the buffer environment on the Relative Biological Effectiveness of carbon ion radiation, investigated by Scanning Force Microscopy and gel electrophoresis

This work focuses on the analysis of the influence of environment on the relative biological effectiveness (RBE) of carbon ions on molecular level. Due to the high relevance of RBE for medical applications, such as tumor therapy, and radiation protection in space, DNA damages have been investigated in order to understand the biological efficiency of heavy ion radiation. The contribution of this study to the radiobiology research consists in the analysis of plasmid DNA damages induced by carbon ion radiation in biochemical buffer environments, as well as in the calculation of the RBE of carbon ions on DNA level by mean of scanning force microscopy (SFM). In order to study the DNA damages, besides the common electrophoresis method, a new approach has been developed by using SFM. The latter method allows direct visualisation and measurement of individual DNA fragments with an accuracy of several nanometres. In addition, comparison of the results obtained by SFM and agarose gel electrophoresis methods has been performed in the present study. Sparsely ionising radiation, such as X-rays, and densely ionising radiation, such as carbon ions, have been used to irradiate plasmid DNA in trishydroxymethylaminomethane (Tris buffer) and 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES buffer) environments. These buffer environments exhibit different scavenging capacities for hydroxyl radical (HO0), which is produced by ionisation of water and plays the major role in the indirect DNA damage processes. Fragment distributions have been measured by SFM over a large length range, and as expected, a significantly higher degree of DNA damages was observed for increasing dose. Also a higher amount of double-strand breaks (DSBs) was observed after irradiation with carbon ions compared to X-ray irradiation. The results obtained from SFM measurements show that both types of radiation induce multiple fragmentation of the plasmid DNA in the dose range from D = 250 Gy to D = 1500 Gy. Using Tris environments at two different concentrations, a decrease of the relative biological effectiveness with the rise of Tris concentration was observed. This demonstrates the radioprotective behavior of the Tris buffer solution. In contrast, a lower scavenging capacity for all other free radicals and ions, produced by the ionisation of water, was registered in the case of HEPES buffer compared to Tris solution. This is reflected in the higher RBE values deduced from SFM and gel electrophoresis measurements after irradiation of the plasmid DNA in 20 mM HEPES environment compared to 92 mM Tris solution. These results show that HEPES and Tris environments play a major role on preventing the indirect DNA damages induced by ionising radiation and on the relative biological effectiveness of heavy ion radiation. In general, the RBE calculated from the SFM measurements presents higher values compared to gel electrophoresis data, for plasmids irradiated in all environments. Using a large set of data, obtained from the SFM measurements, it was possible to calculate the survive rate over a larger range, from 88% to 98%, while for gel electrophoresis measurements the survive rates have been calculated only for values between 96% and 99%. While the gel electrophoresis measurements provide information only about the percentage of plasmids DNA that suffered a single DSB, SFM can count the small plasmid fragments produced by multiple DSBs induced in a single plasmid. Consequently, SFM generates more detailed information regarding the amount of the induced DSBs compared to gel electrophoresis, and therefore, RBE can be calculated with more accuracy. Thus, SFM has been proven to be a more precise method to characterize on molecular level the DNA damage induced by ionizing radiations.

Transport magnetischer Partikel durch maßgeschneiderte magnetische Feldlandschaften zur Anwendung in mikrofluidischen Mischprozessen

Die Miniaturisierung von konventioneller Labor- und Analysetechnik nimmt eine zentrale Rolle im Bereich der allgemeinen Lebenswissenschaften und medizinischen Diagnostik ein. Neuartige und preiswerte Technologieplattformen wie Lab-on-a-Chip (LOC) oder Mikrototalanalysesysteme (µTAS) versprechen insbesondere im Bereich der Individualmedizin einen hohen gesellschaftlichen Nutzen zur frühzeitigen und nichtinvasiven Diagnose krankheitsspezifischer Indikatoren. Durch den patientennahen Einsatz preiswerter und verlässlicher Mikrochips auf Basis hoher Qualitätsstandards entfallen kostspielige und zeitintensive Zentrallaboranalysen, was gleichzeitig Chancen für den globalen Einsatz - speziell in Schwellen- und Entwicklungsländern - bietet. Die technischen Herausforderungen bei der Realisierung moderner LOC-Systeme sind in der kontrollierten und verlässlichen Handhabung kleinster Flüssigkeitsmengen sowie deren diagnostischem Nachweis begründet. In diesem Kontext wird der erfolgreichen Integration eines fernsteuerbaren Transports von biokompatiblen, magnetischen Mikro- und Nanopartikeln eine Schlüsselrolle zugesprochen. Die Ursache hierfür liegt in der vielfältigen Einsetzbarkeit, die durch die einzigartigen Materialeigenschaften begründet sind. Diese reichen von der beschleunigten, aktiven Durchmischung mikrofluidischer Substanzvolumina über die Steigerung der molekularen Interaktionsrate in Biosensoren bis hin zur Isolation und Aufreinigung von krankheitsspezifischen Indikatoren. In der Literatur beschriebene Ansätze basieren auf der dynamischen Transformation eines makroskopischen, zeitabhängigen externen Magnetfelds in eine mikroskopisch veränderliche potentielle Energielandschaft oberhalb magnetisch strukturierter Substrate, woraus eine gerichtete und fernsteuerbare Partikelbewegung resultiert. Zentrale Kriterien, wie die theoretische Modellierung und experimentelle Charakterisierung der magnetischen Feldlandschaft in räumlicher Nähe zur Oberfläche der strukturierten Substrate sowie die theoretische Beschreibung der Durchmischungseffekte, wurden jedoch bislang nicht näher beleuchtet, obwohl diese essentiell für ein detailliertes Verständnis der zu Grunde liegenden Mechanismen und folglich für einen Markteintritt zukünftiger Geräte sind. Im Rahmen der vorgestellten Arbeit wurde daher ein neuartiger Ansatz zur erfolgreichen Integration eines Konzepts zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel zur Anwendung in modernen LOC-Systemen unter Verwendung von magnetisch strukturierten Exchange-Bias (EB) Dünnschichtsystemen verfolgt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich das Verfahren der ionenbe-schussinduzierten magnetischen Strukturierung (IBMP) von EB-Systemen zur Herstellung von maßgeschneiderten magnetischen Feldlandschaften (MFL) oberhalb der Substratoberfläche, deren Stärke und räumlicher Verlauf auf Nano- und Mikrometerlängenskalen gezielt über die Veränderung der Materialparameter des EB-Systems via IBMP eingestellt werden kann, eignet. Im Zuge dessen wurden erstmals moderne, experimentelle Verfahrenstechniken (Raster-Hall-Sonden-Mikroskopie und rastermagnetoresistive Mikroskopie) in Kombination mit einem eigens entwickelten theoretischen Modell eingesetzt, um eine Abbildung der MFL in unterschiedlichen Abstandsbereichen zur Substratoberfläche zu realisieren. Basierend auf der quantitativen Kenntnis der MFL wurde ein neuartiges Konzept zum fernsteuerbaren Transport magnetischer Partikel entwickelt, bei dem Partikelgeschwindigkeiten im Bereich von 100 µm/s unter Verwendung von externen Magnetfeldstärken im Bereich weniger Millitesla erzielt werden können, ohne den magnetischen Zustand des Substrats zu modifizieren. Wie aus den Untersuchungen hervorgeht, können zudem die Stärke des externen Magnetfelds, die Stärke und der Gradient der MFL, das magnetfeldinduzierte magnetische Moment der Partikel sowie die Größe und der künstlich veränderliche Abstand der Partikel zur Substratoberfläche als zentrale Einflussgrößen zur quantitativen Modifikation der Partikelgeschwindigkeit genutzt werden. Abschließend wurde erfolgreich ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, das die quantitative Studie der aktiven Durchmischung auf Basis des vorgestellten Partikeltransportkonzepts von theoretischer Seite ermöglicht, um so gezielt die geometrischen Gegebenheiten der mikrofluidischen Kanalstrukturen auf einem LOC-System für spezifische Anwendungen anzupassen.