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Entwicklung und Charakterisierung von selbstangetriebenen Mikroschwimmern mit biologischem Vorbild

By Ann-Kathrin Froin

Abstract

In dieser Arbeit lag der Fokus auf der Entwicklung und Untersuchung von Mikroschwimmern auf Basis der Marangoni-Konvektion. Das Ziel bestand in dem Verständnis des Systems und darin verschiedene Ein ussparameter aus ndig zu machen um das System zu optimieren. Außerdem sollten durch Untersuchungen mit vielen Mikroschwimmern ein erster Einblicke in das komplexe Schwarmverhalten der Mikroschwimmer erhalten werden. Hierzu war es unerlässlich, zunächst eine geeignete Methode zur Verfolgung der Mikroschwimmer zu nden, da diese essentiell für die Analytik der Schwimmbewegung sind. Ebendies wurde durch viele Experimente bei unterschiedlicher Beleuchtung und Anfärbung der Mikroschwimmer erreicht. Auch die vielfältigen Kameraeinstellungen waren Grundlage dieser Versuche, sowie die darau olgende Videobearbeitung. Ziel war es die optimalen Bedingungen zu nden, die technisch realisierbar waren. Bei den hier verwendeten Mikroschwimmern handelt es sich um Alginatbeads, die mit Polyethylenglycol (PEG) durchsetzt sind. Die Herstellung erfolgte für gewöhnlich direkt auf der Vernetzerober äche, die meist eine Calciumchloridlösung war. Die Schwimmer wurden zur Bestimmung der Größe und der Größenverteilung mikroskopisch untersucht. Es ergab sich bei den größeren Schwimmern eine Größe von (1631 ± 78) µm und bei den gesprühten Mikroschwimmern eine Größe von (145 ± 90) µm. Genauere Untersuchungen der Ober ächenbescha ung erfolgten mit der Rasterelektronenmikroskopie. Eine der besonderen Herausforderungen dieser Arbeit war die Mechanismusaufklärung. Dazu wurden viele Untersuchungen bezüglich der Konvektion innerhalb eines Mikroschwimmers gemacht, wie auch zur Strömung um den Mikroschwimmer herum. Die Analyse der inneren Strömung erfolgte mikroskopisch, während die Untersuchung der äußeren Strömung mit der Particle Image Velocimetry (PIV) Methode erfolgte. Diese Untersuchungen zur Strömungsvisualisierung wurden in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Strömungsmechanik von Prof. Dr.-Ing. Ehrhard durchgeführt. Durch diese Messungen war es möglich, ein detailliertes Bild der Strömung zu erhalten. Diese Ergebnisse stimmten mit der Theorie der Marangoni-Konvektion überein. Weiterhin wurde eine Vielzahl von verschiedenen möglichen Antriebssubstanzen getestet und kategorisiert. Eine große Anzahl von Ein ussparametern wurden erfolgreich überprüft. Der Ein uss der Veränderung der Ober ächenspannung durch unterschiedliche Methoden, wie der Temperaturänderung, wurden ebenfalls erfolgreich überprüft. Das System ist allerdings sehr komplex und kann auf diese Art nicht direkt auf die gewünschte Weise beein usst werden. Der Grund ist das gleichzeitige Statt nden von Spreitungsvorgang und Gelierung, wodurch sich viele Prozesse überlagern. Der E ekt verschiedener Vernetzer, wie auch der Ein uss der unterschiedlichen Konzentrationen, von Alginat, PEG und des Vernetzers, waren Teil der Untersuchungen. Die Experimente zeigen, dass das Referenzsystem bereits beinahe dem optimalen System entspricht. Aber aufgrund der Ressourcenschonung den besten Mittelweg bietet. Als Bezugsystem wurde bei den Mikroschwimmern (V = 10µL) eine wässrige Lösung aus Natriumalignat (wAlginat = 0,5 %), Polyethylenglycol 300 (wPEG 300 = 5 %) angesetzt, bis zur Homogenität gerührt und mit Anilinblau angefärbt. Als Vernetzer diente CaCl2 (wCaCl2 2H2O = 0,5 %). Die mechanischen Eigenschaften der Gelmatrix der Mikroschwimmer wurden in Form von rheologischen Messungen mit der Methode der Deformation zwischen parallelen Platten und der Squeezing-Capsule-Methode analysiert. Viele neue Erkenntnisse konnten auch durch die Experimente mit einer Vielzahl von Mikroschwimmern gewonnen werden, da gezeigt werden konnte, dass ein Schwarmverhalten existiert und dieses sogar durch äußere Ein üsse gesteuert werden kann. Als Resultat konnte eine geeignete Basis für die Entwicklung von Theorien erreichtwerden, welche in Kooperation mit dem Lehrstuhl von Prof. Kierfeld entstehen soll. Denn es gelang, viele bisher unbekannte Eigenschaften, Größen und Ein üsse zu charakterisieren und zu parametrisieren. Besonders durch die Experimente mit PEG unterschiedlicher Kettenlängen und mit Mikroschwimmern mit verschiedenen Volumina, konnten viele Parameter für zukünftige theoretische Beschreibungen des Systems ermittelt werden. Außerdem bietet dieses neuartige System die Möglichkeit, als Träger für den gesteuerten Transport kleiner Objekte zu dienen. Dadurch das das System biokompatibel ist, ist dieses nicht nur ungefährlich, sondern kann auch von Mikroorganismen restlos recycelt werden. Durch diese drei Fakten, der Biokompatibilität, der gezielten Steuerung und der Stärke des Antriebs, bieten sich große Anwendungspotentiale für die Industrie

Topics: ddc:540, Mikroschwimmer, Marangoni-Konvektion, Alginat
Year: 2019
DOI identifier: 10.17877/DE290R-19950
OAI identifier: oai:eldorado.tu-dortmund.de:2003/37965

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