Review on Carbon-Graphene Nanocomposite based conductive-ink in printed electronics

Energy is the divesting need of human being to make the life easy going and comfortable. But according to the recent scenario, there will be insufficient source of generating energy. Printed electronics is a new concept of printing technology. PE is safest printing ink technology for securing documentation, for making circuits on different subtracts, less time consuming for making and easily detect if counterfeit. Nanoprint technology with semiconductor materials is in improvising and it has been future trend in energy sector with enhancing various properties of nanomaterials. It has been developed in the area of the digital printing technology by using and combining different nanomaterials. With ever-increasing demand for light-weight, small, and transportable devices, the speed of production of electronic and optoelectronic devices is consistently increasing, and alternatives to the current vital, voluminous, fragile, semi semiconducting and clear materials will inevitably be needed at intervals the long run. This review article explains about the carbon-Graphene nanocomposite based conductive ink, which can be a source in digital printing technology to draw various types of circuits and to make different surface to conductive surfaces. It also describes brief information about carbon and Graphene material individually. It also concludes carbon-graphene nanocomposite based conductive ink in printed electronics technology with several literature surveys. &nbsp

Sustainable Advanced Manufacturing of Printed Electronics: An Environmental Consideration

Printing technologies have become a novel and disruptive innovation method of manufacturing electronic components to produce a diverse range of devices including photovoltaic cells, solar panels, energy harvesters, batteries, light sources, and sensors on really thin, lightweight, and flexible substrates. In traditional electronic manufacturing, a functional layer must be deposited, typically through a chemical vapor or physical vapor process for a copper layer for circuitry production. These subtractive techniques involve multiple production steps and use toxic etching chemicals to remove unwanted photoresist layers and metals. In printing, the same functional material can be selectively deposited only where it is needed on the substrate via plates or print heads. The process is additive and significantly reduces not only the number of manufacturing steps, but also the need for energy, time, consumables, as well as the waste. Thereby, printing has been in the focus for many applications as a green, efficient, energy-saving, environmentally friendly manufacturing method. This chapter presents a general vision on green energy resources and then details printed electronics that consolidates green energy and environment relative to traditional manufacturing system

Design, graphic arts, and environment

The environment draws great attention today from many people and businesses. Some companies are beginning to play off these concerns in their marketing approach, while others dodge the topic at all turns. While many people feel we have serious environmental problems, others do not. It is a subject with which everyone is, perhaps, too hasty in their judgment. This thesis project encourages behavioral awareness and provides information from a multitude of sources so that a practical, rather than radical, view may develop. Information surrounding issues about the environment appear in many diverse publications. The sources of information, as well as the information itself, are very broad. This thesis project, Design, Graphic Arts, and the Environ ment, brings a great number of these sources together. The proposed publication discusses many different topics. More detailed information, if desired by the reader, may be found by consulting the extensive list of references supplied. This project focuses on environmental issues from the standpoint of a designer, graphic artist, or printer. These people, while often restricted by a client, make many decisions affecting the environment. They must realize their pivotal position between industry and customers, and between technical and marketing people. They must use their knowledge and position of influence for the benefit of all, including the environment. This project covers six main topics. Part One addresses paper, focusing on recycled papers and environmental labeling organizations. Part Two, Bleaching, looks at the needs, methods and effects of this paper unit operation. Part Three discusses printing inks and the concern of pigments and oils used in their com position. Part Four then investigates de-inking methods and the problems associated with them. Packaging, Part Five, describes the function of this indus try and analyzes some packaging materials being used. Lastly, Standards & Regulations, Part Six, looks at the government\u27s role in environmental issues. An appendix follows with organizations to contact for further information. An addi tional appendix includes two sample issues of the proposed publication. The thesis project presents information about varied, yet related topics, in the hopes of generating environmental interest in readers. People are encour aged to read further about a specific subject; this thesis is not meant to provide solutions, but rather information. The condition of the environment is an enormous and critical topic that has the potential to affect everyone. When people sense that their behavior can have an impact, albeit small, on a large problem, they can and often do change their behavior. Ideally, everyone should consider their environment in their daily decision mak ing. For persons working in the design, graphic arts and printing industries, this thesis project provides the type of information, or access to it, needed to make those decisions

How to formulate for structure and texture via 3D-Printing – design and characterisation of edible biopolymer gels to act as release vehicles

3D printing of edible materials has seen a surge of interest within the last decade. However, there exists a shortage of printable materials and the understanding of parameters that must be controlled to facilitate successful print jobs that are appealing to consumers and reproducible to prevent waste and keep costs down. 3D printed objects are created one layer at a time, with subsequent layers deposited on top of the previous one. This requires the shape to set quickly and be able to support the weight of the new layers above it. Most research on the 3D printing of edible materials has focused on extruding pre-gelled samples which maintain their shape due to yield stress, with no sol-gel transition taking place. This work aims to address the gaps in the literature present surrounding hot-extrusion 3D printing. Hydrocolloid gels that gel rapidly, with a high gel strength and recovery that allows it to maintain its shape after printing are ideal for this method. This work examined agar and kappa-carrageenan (кC) as candidate hydrocolloids. Initially these gels had their thermal characteristics analysed through rheology and micro differential scanning calorimetry (DSC), as the gel temperatures were a key parameter for hot-extrusion 3D printing. The storage modulus (G′) was also used to determine printability of the gels. Above their gel temperature, gels should have a low G′ which should rapidly rise below the gel temperature. 3% w/v кC with 2% w/v vitamin B1 had a G′ of around 100,000 Pascals and was found to be printable. 2% w/v agar was not printable with the printing setup being used. Hereafter, agar was no longer used. Texture profile analysis showed that 3D printed gels were weaker than cast gels, undergoing delamination at the weak semi-fused sites between printed layers. Release tests were carried out and the 3DP were found to release more vitamin B1 compared to cast gels (78% vs 66% after 6 hours at 37 ˚C) owing to the layering allowing water to penetrate more quickly into the gel network. Sunflower oil (SFO) was then added into the systems by creating oil-in-water emulsions and then dispersing the кC within them to produce emulsion gels. This gave a system with controllable energy content and the ability to encapsulate lipophilic molecules in a straightforward manner. Two emulsifiers were used, tween 20 (T20) and whey protein isolate (WPI). T20-stabilised emulsions underwent flocculation upon addition of the кC, but the WPI-stabilised emulsion gels did not. DSC showed that if the concentration of кC was fixed at 3% w/w in the aqueous phase, then addition of up to 40% w/w sunflower oil did not affect the gelling temperatures (36-37 ˚C). This was reflected in the printability not being affected by varying the oil phase from 0-40% w/w. Post-printing rheology and texture profile analysis found that increasing the oil fraction did not affect the tested mechanical characteristics of the 3D printed gels as they still failed along the semi-fused sites between layers. Finally, to build on this work the emulsion gels were tested for stability and it was found that the oil droplet size remained constant over 8 weeks. Cinnamaldehyde, a lipophilic molecule was added to the oil phase and release tests were carried out. Unlike the vitamin B1 there was no significant difference in the final amount of cinnamaldehyde released over six hours between cast and 3D printed кC-emulsion gels. Lastly, erioglaucine disodium salt (EDS) was added and co-release was carried out. The EDS was found not to interfere with the release of the cinnamaldehyde and it released faster from the 3D printed gels compared to the cast gels. Overall кC-gels were found to be suitable for 3D printing under a narrow range of parameters with and without sunflower oil. The 3D printed gels perform differently to cast gels in terms of mechanical properties owing to the presence of semi-fused sites running throughout them. They can be utilised as customisable release vehicles that release hydrophiles at a faster rate and lipophiles at a similar rate compared to the equivalent cast gels

Materials and processes for 3D printed electronics

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de MateriaisThe traditional manufacturing of electronic components consists of complex and with high environmental impact methods. Those materials are potentially dangerous for both environmental and public health, during the manufacturing process and at the end of the product lifetime when not correctly handled. Thus, the goal consists of producing in a simpler/cheaper way and with lower environmental impact, materials to be used into electronic components. In this work inks based of a natural polymer (carrageenan) and ultrapure water (a “green” solvent) were used to produce more environmentally friendly printable electronic components. To achieve magnetic, conductive and dielectric properties CoFe2O4 (CFO), multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and BaTiO3 (BTO) nanoparticles were added, respectively. To promote a better dispersion and, therefore, to improve the properties of the final product, Triton X-100 was used as a surfactant. Trition X-100 was selected among other surfactants, since it has shown better results on initial selection tests. For the printing process, the most suitable parameters were selected according to the ink viscosity to improve the process as well as to optimize the method to introduce the ink into the syringe. Morphological, thermal, and mechanical tests were performed in order to evaluate the effects of fillers addition and concentration. Dielectric tests were carried out to the samples with BTO. The higher dielectric constant has been obtained for the sample with 20 wt.% BTO content, reaching 1.3 x 104 at 10 kHz. The electrical conductivity evaluation in the samples with MWCNTs shows that a DC conductivity of 0.026 S.m-1 is achieved for the sample with 5 wt.% MWCTNs content. Vibrating sample magnetometer (VSM) test was performed to analyse the magnetic behaviour of the composite samples with CFO, a saturation magnetization of 11 emu.g-1 being obtained for the samples with 20 wt.% CFO content. The inks developed on this work highlights the relevance of the implementation of natural materials as a base for the development of functional and multifunctional materials. Adding to that, this work can also act as an incentive to the study of materials and manufacturing procedures with lower environmental risks with the capacity of still answering society’s needs.A manufatura tradicional de componentes eletrónicos consiste em métodos complexos, com elevado impacto ambiental, quer por gasto energético quer pelos materiais usados que são potencialmente nocivos para o ambiente e para a saúde pública, durante o processo de fabrico e no final de vida do produto, quando não corretamente processados. Visto isto, o objetivo deste projeto consiste em produzir de um modo simples, com baixo custo e com menor impacto ambiental materiais que possam ser usados em componentes eletrónicos. Assim, neste trabalho foram desenvolvidas tintas à base de um polímero natural (carragenina) e água ultrapura (usada como solvente “verde”) para produzir componentes eletrónicos impressos mais amigos do ambiente. De modo a fornecer propriedades magnéticas, condutivas e dielétricas foram adicionadas nanopartículas de CoFe2O4 (CFO), Multicamadas de Nanotubos de Carbono (MWCNTs) e BaTiO3 (BTO), respetivamente. Para promover uma melhor dispersão foi usado Triton X-100 como surfactante. No processo de impressão foram estudados os parâmetros mais adequados de acordo com a viscosidade da tinta para tornar o processo mais rentável assim como tentar encontrar o melhor método para introduzir a tinta dentro da seringa com a menor formação de bolhas possível. Os testes morfológicos, térmicos e mecânicos foram feitos para todas as amostras para comparar as propriedades fornecidas pela adição das partículas, avaliando a sua interferência com o aumento da concentração de filler. Os testes dielétricos foram realizados para as amostras de BTO. A constante dielétrica com valor mais elevado foi obtido para a amostra com concentração de 20 wt.% BTO, atingindo 1.3 x 104 a 10 kHz. A avaliação dos testes de condutividade elétrica nas amostras de MWCNTs, mostraram uma condutividade DC de 0.026 S.m-1 foi obtida para a mostra com concentração de 5 wt.% MWCTNs. O teste de mapeamento de fluxo de valor (VSM) foi realizado para analisar o comportamento magnético do compósito com partículas de CFO, a magnetização de saturação de 11 emu.g-1 foi obtida para a amostra com concentração de 20 wt.% CFO . As tintas desenvolvidas neste trabalho veem dar relevância à implementação de materiais naturais como base para o desenvolvimento de materiais funcionais e multifuncionais. Vem também promover o estudo de materiais e métodos de produção com menos impacto ambiental e que consigam manter a resposta às necessidades da sociedade

3D/4D printing of cellulose nanocrystals-based biomaterials: Additives for sustainable applications

Cellulose nanocrystals (CNCs) have gained significant attraction from both industrial and academic sectors, thanks to their biodegradability, non-toxicity, and renewability with remarkable mechanical characteristics. Desirable mechanical characteristics of CNCs include high stiffness, high strength, excellent flexibility, and large surface-to-volume ratio. Additionally, the mechanical properties of CNCs can be tailored through chemical modifications for high-end applications including tissue engineering, actuating, and biomedical. Modern manufacturing methods including 3D/4D printing are highly advantageous for developing sophisticated and intricate geometries. This review highlights the major developments of additive manufactured CNCs, which promote sustainable solutions across a wide range of applications. Additionally, this contribution also presents current challenges and future research directions of CNC-based composites developed through 3D/4D printing techniques for myriad engineering sectors including tissue engineering, wound healing, wearable electronics, robotics, and anti-counterfeiting applications. Overall, this review will greatly help research scientists from chemistry, materials, biomedicine, and other disciplines to comprehend the underlying principles, mechanical properties, and applications of additively manufactured CNC-based structures

Formulation, characterization and processing of protein-based hydrogels

In den letzten Jahren ist der Bedarf an Materialien aus erneuerbaren Ressourcen gestiegen, was zu großen Fortschritten auf dem Gebiet der proteinbasierten Materialien geführt hat. Derzeit konzentriert sich die Forschung in diesem Feld dabei insbesondere auf Anwendungen im medizinischen Bereich, da Proteine und Peptide in der Regel biokompatibel und biologisch abbaubar sind und über spezifische, auf Stimuli reagierende Materialeigenschaften verfügen. Fortschritte in der Rekombinationstechnologie für Desoxyribonukleinsäure (DNA) ermöglichten die Entwicklung von Polymeren auf Peptidbasis, die auf natürlichen Vorbildern basieren. Ein Beispielmolekül, das in dieser Dissertation verwendet wird, sind elastinähnliche Proteine (ELPs), die das Tropoelastin von Säugetieren nachahmen. Obwohl sie für das Design neuer proteinbasierter Materialien mit gewünschten Eigenschaften von entscheidender Bedeutung sind, sind die Einflussparameter während der Formulierung und Lagerung, die die mechanischen Eigenschaften der gebildeten Hydrogele bestimmen, sowie die der Bildung von Proteinnetzwerken zugrunde liegende Physik nach wie vor kaum verstanden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis von proteinbasierten Hydrogelen während ihrer Formulierung, Charakterisierung und Verarbeitung zu verbessern. Neben der Entwicklung von dityrosinvernetzten proteinbasierten Hydrogelformulierungen für Homo- und Copolymere aus natürlich vorkommenden Proteinen und eines künstlich hergestellten ELPs, wurden im Rahmen dieser Arbeit auch verschiedene weitere Herausforderungen im Zusammenhang mit proteinbasierten Hydrogelen behandelt. Damit proteinbasierte Hydrogele aus rekombinant exprimierten ELP gebildet werden können, wurde zunächst deren Herstellung untersucht, indem drei Aufreinigungsprozesse für ein hydrophobes ELP-Konstrukt mit niedrigem Temperaturübergang durchgeführt und bewertet wurden. Im Formulierung- und Prozessierungsteil dieser Arbeit wurde eine neuartige Tinte für den Extrusionsdruck von unmodifiziertem Kasein entwickelt, um die prinzipielle Anwendbarkeit der additiven Fertigung zur Funktionalisierung und Verarbeitung des Hydrogelmaterials zu demonstrieren. Zur Charakterisierung der entwickelten Materialien wurden herkömmliche makroskopische Methoden wie Rheometrie, Kompression und gewichtsbasiertes Quellverhalten angewandt. Mit der Magnetresonanztomographie wurde eine zerstörungsfreie Analysestrategie mit hoher räumlicher Auflösung etabliert, um das Quellverhalten von Hydrogelen zu überwachen. Mit diesem Ansatz konnte die Flüssigkeitsaufnahme und das Quellverhalten von Hydrogelen, die in Flüssigkeiten mit komplexer Zusammensetzung hergestellt und gequollen wurden, sowie das Verhalten komplexer Hydrogelgeometrien beschrieben werden, was besonders für die Charakterisierung funktionalisierter Hydrogelmaterialien nützlich ist. Die drei Themen Formulierung, Charakterisierung und Verarbeitung wurden in insgesamt fünf Studien mit dityrosinvernetzten Hydrogelen auf Proteinbasis aus unterschiedlichen Perspektiven behandelt. In einer ersten Studie wurden drei verschiedene Aufreinigungsprozesse für ein neuartiges, künstlich entwickeltes hydrophobes ELP-Konstrukt, das in Einschlusskörpern in Escherichia coli exprimiert wurde, untersucht. Neben dem Ziel einer hohen Zielausbeute und Reinheit, sowie eines wirtschaftlichen und skalierbaren Prozessdesigns wurden zusätzlich der Salzgehalt der Formulierung und der Nukleinsäuregehalt betrachtet. Die Aufreinigung des mit Hexahistidin markierten ELP-Konstrukts mit einer unteren kritischen Lösungstemperatur (LCST) unterhalb der Raumtemperatur in Wasser wurde durch Homogenisierung und Auflösung der Einschlusskörper begonnen, entweder gefolgt von einer Hochsalzfällung, einer Kombination aus Hochsalzfällung und einem Zyklus des inverse transition cycling (ITC) oder einer immobilisierten Metallaffinitätschromatographie (IMAC) in Kombination mit einer Größenausschlusschromatographie. Die Methode der Hochsalzfällung hatte die höchste Ausbeute an Zielmolekülen, aber eine geringe Reinheit (60 %) und eine höhere Nukleinsäurekontamination und höheren Salzgehalt in der Endformulierung. Die ITC-Methode erhöhte die Reinheit und die Nukleinsäureentfernung, verringerte aber auch die Gesamtausbeute um 17 bis 34 % während des Niedrigtemperaturzentrifugationsschritts in Abhängigkeit von der angewandten Zentrifugationszeit aufgrund der niedrigen LCST-Temperatur des verwendeten ELP-Konstrukts. IMAC hatte eine vergleichbare Reinheit und eine etwas geringere Ausbeute, aber auch eine höhere Nukleinsäureentfernung. Unter Berücksichtigung der skalenabhängigen Kosten und dem Ziel, Material für biomedizinische Anwendungen zu erzeugen, sollte ITC (hohe Prozessierungskosten aufgrund der temperaturabhängigen Zentrifugationsschritte) gegen IMAC (hohe Investitionskosten) abgewogen werden, während die salzinduzierte Fällung aufgrund ihrer hohen Ausbeute und Einfachheit eine Option für Massenanwendungen sein könnte. Vor der Polymerisation von proteinbasierten Hydrogelen aus diesem ELP-Konstrukt, wurde eine Studie mit einem allgemeineren Ansatz durchgeführt. Ziel der Studie war es, zu verstehen, wie die Art und die Eigenschaften des Proteins in Kombination mit den Formulierungsbedingungen die mechanischen Eigenschaften der dityrosinvernetzten Hydrogele beeinflussen. Die unmodifizierten, handelsüblichen Proteine Rinderserumalbumin (BSA) und Kasein wurden unter verschiedenen Bedingungen vernetzt, wobei das photoinitiierende System konstant gehalten wurde. Die resultierenden Hydrogelnetzwerke wurden in Puffersystemen mit oder ohne externe Stimuli gelagert und die Hydrogele auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Die Proteinfaltung und damit die dreidimensionale (3D) Anordnung und die Oberflächenverfügbarkeit der Aminosäurereste wurden durch Zugabe verschiedener Harnstoffkonzentrationen zum Formulierungspuffer variiert und der Speichermodul sowie der Verlustfaktor mit oszillierender Rheometrie gemessen. Höhere Harnstoffkonzentrationen verstärkten die strukturelle Festigkeit und Elastizität des Hydrogels, wobei die genauen zugrunde liegenden Mechanismen, die für diesen Effekt verantwortlich sind, unklar bleiben. Der Speichermodul, die Bruchdehnung und die Druckfestigkeit nahmen mit der Proteinkonzentration zu, während die Elastizität ein konzentrationsabhängiges Maximum bei 60 mg/ml BSA aufwies und die Bruchdehnung oberhalb von 80 mg/ml BSA nicht weiter anstieg. In der letzten Teilstudie wurden das rheologische Verhalten und das gewichtsbezogene Quellungsverhältnis von Hydrogelen, die entweder 100 mg/ml Casein oder BSA enthielten, in Abhängigkeit von der Harnstoffkonzentration und der Nettoladung des BSA-Proteins bei verschiedenen pH-Werten der Formulierung untersucht. Die sich daraus ergebenden Hydrogeleigenschaften waren vom Protein und vom Lagermedium abhängig, was die Bedeutung der Formulierungskomponenten für die Entwicklung der gewünschten mechanischen Eigenschaften von dityrosinvernetzten Hydrogelen auf Proteinbasis hervorhebt. Um die große Vielfalt der potenziell vernetzbaren Proteine zu demonstrieren, wurden diese Methoden im weiteren Verlauf auf insgesamt vier Proteine angewandt, die vom intrinsisch ungeordneten ELP-Konstrukt bis zu BSA mit einer geordneten Tertiärstruktur reichen. Diese Proteine wurden verwendet, um entweder dityrosinvernetzte Homo- oder Copolymerhydrogele herzustellen, wobei die Proteine in unterschiedlichen Verhältnissen gemischt wurden. Die rheologischen Eigenschaften der resultierenden homopolymeren Hydrogelnetzwerke unterschieden sich je nach Proteincharakteristik, während die Eigenschaften durch Kompressionsversuche für alle Proteinkonstrukte vergleichbar waren. Das zweite Ziel dieser Studie war es, eine Möglichkeit zu finden, die mechanischen Eigenschaften von dityrosinvernetzten Hydrogelen zu modifizieren, ohne den spezifischen Einfluss bestimmter Proteineigenschaften auf das resultierende Hydrogelnetzwerk zu bestimmen, da dies aufgrund der vielen Faktoren, die zwischen den chemisch komplexen Proteinmolekülen variieren, schwierig ist. Zu diesem Zweck wurden Copolymerhydrogele polymerisiert, indem je zwei der vier Proteine vor der Vernetzung in zwei verschiedenen Pufferbedingungen gemischt wurden, wobei die Gesamtsumme der Aminosäuren durch Verwendung gewichtsabhängiger Konzentrationen konstant gehalten wurde. Die rheologischen Eigenschaften dieser copolymeren Hydrogele waren von den gemischten Proteintypen und -konzentrationen abhängig, wobei die Druckfestigkeit und die Zähigkeit des Hydrogels bei kaseinhaltigen Mischungen im Vergleich zu den entsprechenden Homopolymeren am höchsten waren. Insgesamt konnte innerhalb der Grenzen der Studie gezeigt werden, dass es möglich ist, die mechanischen Eigenschaften von dityrosinvernetzten Hydrogelen auf Proteinbasis zu verändern, indem copolymere Hydrogele aus verschiedenen Proteinen mit bekannten Eigenschaften ihrer homopolymeren Hydrogele hergestellt werden. Damit steht mit dieser Methodik ein einfaches Werkzeug für das gezielte Design mechanischer Eigenschaften von Hydrogelen auf Proteinbasis für spezifische Anwendungen zur Verfügung. Für die Verarbeitung biobasierter Materialien ist eine mögliche Option die additive Fertigung, eine Methode zur schichtweisen Herstellung von 3D-Objekten mit komplexen Geometrien. Die meisten Tintenformulierungen für biobasierte Materialien beruhen auf modifizierten chemischen Substanzen. Ein Vorteil der photoinduzierten Dityrosinvernetzung ist, dass dadurch unter anderem der extrusionsbasierte Druck von unmodifizierten Proteinen möglich sein kann. In einer weiteren Studie wurde eine photopolymerisierbare Tintenformulierung auf der Grundlage des natürlich vorkommenden Proteins Kasein für den Extrusionsdruck entwickelt. Diese Tinte wird durch Mischen des Proteins, des Photoinitiatorsystems, eines Puffers und eines Verdickungsmittels zur Erhöhung der Extrudierbarkeit der Tintenlösung hergestellt. Die Studie zeigte, dass die Herstellbarkeit einer solchen Tinte stark von dem verwendeten Verdickungsmittel und dem verwendeten Mischverfahren abhängt. Insgesamt wurden acht verschiedene Verdickungsmittel getestet, um das am besten geeignete zu finden, das die Viskosität der gemischten Tinte erhöht, ohne dass es zu einer irreversiblen Schaumbildung oder einer Hemmung der Polymerisation formstabiler Hydrogele kommt. Für die entwickelte Tintenformulierung erwies sich Natriumalginat als das wirksamste Verdickungsmittel und wurde für den Druck funktionalisierter Hydrogelstrukturen mit bis zu 30 Schichten verwendet.   Neben der Verarbeitung zu funktionalisierten Hydrogelstrukturen ist das Verständnis und die Charakterisierung der zeitabhängigen stimulusabhängigen Verhaltens solcher Hydrogele wichtig in der Entwicklung für ihre potenziellen Anwendungen. Hydrogele können aus mehreren Komponenten bestehen, wobei Salze und Puffersubstanzen mehr als die Hälfte des Trockengewichts des Hydrogels im Ausgangszustand ausmachen können. Diese Eigenschaften können eine aussagekräftige Interpretation gängiger Analysemethoden, wie z. B. gewichtsbasierter Quellungsquotienten, erschweren. Die Magnetresonanztomographie (MRI) ist eine zerstörungsfreie Technik, die eine räumlich aufgelöste 3D-Untersuchung von weichen Materialien ermöglicht. Die zuvor entwickelte Tintenformulierung wurde als eine auxetische Struktur gedruckt, getrocknet, um vergleichbare Probenbedingungen zu schaffen, und ihr Flüssigkeitsaufnahme- und Quellverhalten in verschiedenen Flüssigkeiten mittels MRI untersucht. Es zeigte sich, dass das Verhalten des Hydrogels je nach Flüssigkeit, in die es eingetaucht war, unterschiedlich war. Diese Studie zeigte das Potenzial des Einsatzes von MRI zur Untersuchung komplexer struktureller Veränderungen von Hydrogelen, zur Überwachung der Aufnahme von Flüssigkeit in das Hydrogel und der stimulusabhängigen Hydrogelreaktion. Diese Arbeit hat durch ein tieferes Verständnis der Faktoren, die die Hydrogelformulierung unter Verwendung der durch sichtbares Licht induzierten Dityrosinvernetzung beeinflussen, den Grundstein für die gezielte Entwicklung von Hydrogelen auf Proteinbasis gelegt. Darüber hinaus wurde ein tiefes Verständnis des Produktionsprozesses eines hydrophoben elastinähnlichen Proteins gewonnen, was dazu beitragen wird, die Produktion dieser Proteinklasse effizienter und kostengünstiger zu gestalten. Die maßgeschneiderte Verarbeitung der entwickelten Materialien durch Extrusionsdruck ermöglicht die Herstellung funktionalisierter Hydrogele mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften. Um komplexe Prozesse in diesen funktionalisierten Hydrogelen zu untersuchen, kann MRI eingesetzt werden. Ihr Potenzial wurde durch die Überwachung des zeitabhängigen Flüssigkeitsaufnahme und Quellverhaltens von auxetischen Hydrogelstrukturen gezeigt

Faba bean foods: Structure and texture : Evaluation of faba bean component behaviours in different product matrices

Faba bean (Vicia faba minor) is a cool-climate crop that could serve as a locally sourced sustainable ingredient in transition towards a more plant-based diet in temperate regions. Poor texture is one of the main aversion factors of plant-based foods, so this thesis characterised the functionality of faba bean components and their effect on structure and texture in different food matrices. The main aim in this thesis was to increase the knowledge on structure-texture relationship in increasingly complex faba bean food prodcuts.Isolated faba bean fractions (starch, protein and fibre) were studied. Faba bean starch was physiochemically characterised and microscopic and macroscopic properties were correlated. Different ratios of starch and protein were then combined to create mixed gels. Faba bean starch formed a relatively viscous paste due to long branch-chains, high amylose content and larger granule size. Addition of protein perturbed starch network formation, delaying and reducing associated pasting and gel viscosities in mixed systems. For food model systems, two prototypes were designed: i) a combination of faba bean starch, protein and fibre to produce edible ink for 3D-printed foods and ii) faba bean protein films reinforced with cellulose nanocrystals (CNC) for use as bio-degradable edible packaging. For the 3D samples, fibre appeared to have a stabilising effect on structure, improving ink printability while also ensuring that 3D-printed objects retained their shape. Carbohydrate-rich 3D-printed objects had a more porous structure that required less force to compress than structurally more compact protein-rich objects. Addition of CNC resulted in stronger, stiffer and more opaque films with improved barrier properties.Thus faba bean fractions in different combinations and processing approaches yield different textures. Using the basic knowledge of component functionalities in simple systems obtained in this thesis, intra- and intermolecular factors influencing product texture in more complex systems can be assessed