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- Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenkrankheiten, Kopf- und Halschirurgie (1)
Publisher
- S. Karger AG (1)
Objectives:
This study investigates the effectiveness of the Cold AP on the alteration of the enamel surface
without using acid etchant by using Conventional photo-activated resin bond to bond the
orthodontic brackets.
Materials and Methods:
One hundred and twenty-five Enamel specimens are prepared from disinfected bovine
mandibular incisors are divided into five groups. Group I: brackets are attached on the enamel
surface with the standard adhesive technique (etch + primer +bond). Group II: the brackets are
attached with the Standard Orthodontic adhesive technique without etching. Group III: the
enamel surface is conditioned with pure Argon Cold atmospheric plasma before the application
of the primer without using an acid etchant. Group IV: the enamel surface is conditioned with
the admixture of Argon Cold atmospheric plasma with 0.5 % Oxygen before the application of
the primer without using acid etchant Group V: after the application of Argon Cold atmospheric
plasma with 0.5 % Oxygen the surface is rewetted by deionized water before the application
of the primer and adhesive. After that, the samples are exposed to thermal cycling. The shear
bond strength of the samples is tested by the universal testing machine which measured the
maximum force at which the brackets are deboned from the tooth surface at a speed of
1mm/minute is measured.
Results:
Significant intergroup differences were found. Group V showed the highest shear bond
strength followed by Group I, VI, III, II respectively. There isn’t a statistical difference in the
values of The Shear bond strength values between Group III and IV.
Conclusions:
this study implies that Cold Atmospheric Plasma is a safe method to change the chemical
surface characteristics of the enamel surface.in addition to the significant importance of plasma
treatment followed by water rewetting, which could enhance adhesion between the orthodontic
attachments and the enamel layer
Recent experimental campaigns in the Wendelstein 7-X stellarator, a
plasma-confining device designed to investigate the Magnetic Confinement Fusion
(MCF) approach to generating electrical power, have shown that the injection of
fuelling pellets had an unexpected and considerable impact on the performance of
the plasma. Rather than simply refuelling the device and `diluting' the plasma
energy, pellet injection is followed by a significant increase in the ratio of
the ion temperature to the electron temperature. It has been suggested that this
is not merely due to the improved confinement following the reduction of
turbulent transport after the pellet material has homogenised with the bulk
plasma, but also due to a direct transfer of energy from electrons to ions. The
proposed mechanism for this energy transfer is the ambipolar expansion of the
pellet plasmoid, the localised plasma structure produced by the
ionisation of ablated pellet material, along magnetic field lines.
Early work on pellet plasmoid expansion predicted that half the heating power
deposited in plasmoid electrons by collisions with hot ambient electrons is
transferred to plasmoid ions in the form of flow velocity as the plasmoid
expands. The complicated nature of the system of the pellet plasmoid embedded in
the ambient plasma, particularly the behaviour of electrons, which experience
many collisional and collisionless phenomena on multiple disparate timescales,
means that early models of the expansion were not wholly self-consistent, but
rather made use of strong approximations that apply in some regions of the
plasmoid but not in others. For example, only electrons and ions associated with
the plasmoid were rigorously treated, meaning that the framework was one of
`expansion into vacuum'. Combined with the assumption of Maxwellian electrons,
this led to an electric potential that was unbounded at infinity. Naturally, the
validity of the conclusions of such a model are called into question because the
approximations lose their validity far from the plasmoid and as time advances,
yet predictions about the final state of the plasma are desired. A deeper
investigation is required: careful consideration of the phenomena in question
and the timescales (and lengthscales) on which they act must be made in order to
rigorously construct a model that is valid throughout the entire expansion.
The first two papers presented in this thesis iterate on the model established
in the paper that first predicted the electron-to-ion energy transfer; their aim
was to find out how the character of the expansion changes with a more
sophisticated and accurate description of various phenomena, while remaining
within the existing framework of expansion into vacuum. Ultimately, we find that
the qualitative character is unchanged, and that approximately half the heating
power deposited in plasmoid electrons is transferred to ions.
Two other papers in this thesis address the limitations of the original model.
This is achieved by properly considering the electron kinetic problem in a
plasmoid. One paper considers the electron kinetic problem when electrons are
highly isotropised. In this case the kinetic equation can be integrated to
remove all but two independent variables, which is the maximum possible
reduction considering it is a time-dependent problem. The full nonlinear
integro-differential Landau self-collision operator is integrated exactly and
few approximations are made, leading to a rather general kinetic equation.
However, for fuelling pellets some anisotropy in the electron distribution is
expected. Another paper considers the electron kinetic problem (and the entire
plasmoid expansion) allowing for electron anisotropy. Careful consideration of
the ordering of timescales of electron phenomena in a pellet plasmoid leads to a
steady-state kinetic problem that we call collisional quasi-equilibrium (QE). QE
appears in many ways similar to the collisional steady-state characterising a
true thermal equilibrium. It was found that the time-dependent kinetic problem
of the earlier paper, with isotropic electrons, produces the QE distribution
function, corroborating the existence of the QE state. We then take moments of
the electron kinetic equation that is valid on the expansion timescale, assuming
that the electron distribution is that given as the solution to the QE kinetic
problem. This is completely analogous to what is done to obtain the Braginskii
equations or any Chapman-Enskog theory. The result is a set of equations for the
long-term evolution of the macroscopic quantities that describe the distribution
function existing in a quasi-steady-state at each point in time. It is from this
point that one may feasibly describe the plasmoid expansion with an accurate
picture of the electron kinetics and finally obtain the electron-to-ion energy
transfer so desired in a rigorous model of the expansion.
From a broader point of view, the two frameworks provided by these rigorous
investigations of the electron kinetic problem serve as a basis for the future
study of plasmoids. Such a `first-principles' approach to plasmoid dynamics is
novel and interesting in its own right, but it will be demonstrated that such an
approach is essential for pellet plasmoids owing to the fact that they are
poorly described by the `standard tools' of plasma physics.
Using the QE framework it was found that, once more, about half the heating
power experienced by plasmoid electrons is transferred to plasmoid ions. The
incredible robustness of the prediction of such an energy transfer is, in the
author's opinion, the result of the self-similar nature of the expansion found
as a solution to the original model. As a rule, the profiles of self-similar
solutions tend to be attractors for the `real', more complicated, system, and
the qualitative predictions involving no parameters, of which the
electron-to-ion energy transfer is one, tend to be very sturdy.
Aside from fuelling pellets, composed of hydrogen or deuterium, one paper in
this thesis investigates the physics of high-Z pellets that are designed to
terminate the plasma safely in the event of a `disruption', where much of the
magnetic field energy is channelled into a runaway electron beam with
potentially disastrous consequences if the beam encounters a plasma-facing
component. The paper draws on the work carried out in the paper concerning the
kinetic problem of isotropised electrons in a plasmoid.
This thesis is `cumulative'; the vast majority of the work carried out is
described within a set of Papers, labelled A-E, placed at the back of the text.
There is a preceding `wrapper text' (given in numbered Sections) tasked with
introducing the reader to the topic, guiding the reader through the papers, and
expounding some of their main results. Some amount of material not present in
the papers is also provided in the wrapper text. Naturally, the wrapper text
mainly focusses on the results of the papers which are under my first
authorship. In the course of publishing papers over an extended period of time
the nomenclature is bound to vary. Although it is mostly consistent between the
papers, a few difference do arise, and the section `Common symbols and
subscripts' is provided in the frontmatter to alleviate confusion. Particular
care should be taken with the symbols x and z; both can refer to the
coordinate parallel to the magnetic field line, but in papers where z is used
for this purpose x tends to have another definition. In the wrapper text the
choice of symbols is generally chosen to reflect those in the corresponding
paper.
Kaltes Atmosphärendruckplasma (CAP) hat in der Therapie an Bedeutung gewonnen und wird zurzeit in verschiedenen Bereichen der Medizin eingesetzt. CAP hat antiproliferative, antimikrobielle und zellstimulierende Wirkungen. Eine therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeit vom CAP ist die Behandlung maligner Tumoren. Weiterhin wird CAP klinisch in der Behandlung chronischer Wundheilungsstörungen der Haut eingesetzt.
In dieser Arbeit wurde die antiproliferative Wirkung von CAP auf zwei Haut-assoziierte Zelllinien (HaCaT und B16) untersucht. Anhand der CAP-Exposition und der Analyse der Wachstumskinetiken konnten wir bestätigen, dass die antiproliferative Wirkung von CAP von der Behandlungszeit abhängt. Ferner bestätigten die Ergebnisse, dass die antiproliferative Wirkung in der malignen Zelllinie B16 stärker ausgeprägt ist.
Weiterhin wurde die genotoxische Wirkung von CAP in einem 3D-Epidermismodell, dem epiCS® untersucht. Das Epidermismodell wurde 30s, 60s und 120s mit CAP behandelt (Plasmagerät kINPen MED). Zum Nachweis von DNA- Doppelstrangbrüchen und Apoptose wurden γ-H2AX und Caspase-3 herangezogen. Die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Epidermis zeigte keinen höheren Anteil an γ-H2AX oder Capspase-3 positiven Zellen durch die CAP-Exposition. Lediglich waren γ-H2AX und Caspase-3 in beiden Behandlungsgruppen (Argon/CAP) nachweisbar. Ein direkter Zusammenhang zur CAP-Behandlung bzw. zur Behandlungszeit wurde jedoch nicht nachgewiesen.
Insgesamt kann man feststellen, dass die CAP-Exposition nicht zur vermehrten Apoptose in gesunden Epidermiszellen führt. Außerdem kann die CAP-Exposition gesunder Epidermis Zellen bis 120s ohne genotoxische oder zellschädigende Wirkung erfolgen.
Kinetic modeling and infrared spectroscopy of charge carriers across the plasma-wall interface
(2022)
In this thesis, charge transport at the plasma-wall interface is investigated theoretically, on a semiclassical, microscopic level. Based on the Boltzmann and Poisson equations a set of equations is derived and numerically solved to model charge carriers both within a semiconducting wall and a gaseous plasma in front of it. While the plasma is considered collision-free, within the solid, phonon collisions, as well as recombination processes between conduction band electrons and valence band holes are considered. This results, for the first time, in a self-consistent modeling of both the gaseous electron-ion plasma and the electron-hole plasma in the solid on the same footing. Utilizing specific approximations for different physical scenarios, numerical solutions are presented both for the floating and the electronically contacted (biased) interface. In the latter case, the current voltage characteristic is calculated and shown to heavily depend on the charge kinetics within the wall.
Furthermore, we present optical methods to measure the wall charge noninvasively. These utilize the influence of the deposited surplus charges on the optical reflection coefficient of the surface. By calculating the optical response of these charges, we show that the magnitude of the surface charge can be inferred from the change in the reflectivity of the surface caused by the presence of the plasma. While nonlocal effects are considered, it is shown analytically and numerically that these can be neglected at the scales of the considered physical systems.
Untersuchung zur Wirkung von kaltem Atmosphärendruckplasma über die Oxidation von Thiolgruppen
(2022)
Redox signaling-Prozesse innerhalb und zwischen Zellen spielen eine Rolle in
verschiedenen physiologischen und pathologischen Prozessen, wobei zelluläre
Thiolgruppen als wichtige Signalübermittler identifiziert wurden. Durch Behandlung der
Aminosäure Cystein mit kaltem Atmosphärendruckplasma werden solche
Thiolgruppen oxidiert und verschiedene Verbindungen erzeugt. Diese Arbeit sollte
klären, ob so die Erzeugung von stabilen reaktiven Spezies möglich ist, die einen
biologischen Effekt haben. Dazu wurden Pufferlösungen, die Cystein enthielten, mit
einem Argon-Plasmajet (kINPen 09) mit Sauerstoffzumischung behandelt und auf
kultivierte menschliche Keratinozyten der HaCaT-Zellinie übertragen. Zellproliferation,
Migrationsaktivität, Metabolismus, Viabilität und intrazellulärer Redoxzustand wurden
untersucht.
Plasmabehandelte Flüssigkeiten mit Cysteinkonzentrationen von 2 mmol/l zeigten
keinen Einfluss auf das Zellverhalten im Vergleich zu behandeltem Puffer ohne
Cystein. Erhöhte Cysteinkonzentrationen von 100 mmol/l verringerten bei langen
Plasmabehandlungszeiten von 5 min beziehungsweise 10 min die Proliferation,
Migration, Laktatsekretion und Viabilität. Für kürzere Behandlungszeiten von 1 min und
2,5 min wurden Hinweise auf eine erhöhte metabolische Aktivität gefunden. GSSGSpiegel
in den Zellen wurden stabilisiert und intrazelluläre ROS reduziert. Diese
Effekte könnten auf generierte bioaktive Substanzen wie oxidierte Disulfide
zurückzuführen sein, die längerfristig zu Energiemangel führen. Ein möglicher
Vermittler ist Cystein-S-sulfonat, welches als NMDA-Rezeptoragonist bekannt ist.
Zudem könnte auch die Aktivierung des XC-Antiporters mit Folgen für den
intrazellulären Redoxzustand zu den kurzfristigen Effekten beigetragen haben.
Durch plasmabehandelte Cysteinlösung konnten biologische Effekte, teilweise im
Sinne einer Hormesis, nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigten eine
zytotoxische Wirkung nach langer Plasmabehandlung der Cysteinlösung, während für
kürzere Zeiten auch aktivierende Effekte deutlich wurden. Somit scheint die gezielte
Erzeugung stabiler reaktiver Spezies als neuer Ansatzpunkt der Plasmaanwendung
möglich.
In dieser Arbeit sollte die Möglichkeit der Anwendung von kaltem atmosphärischen Plasma (CAP) bei der Therapie von Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereichs (HNSCC) evaluiert werden. Dazu wurden in vitro HNO97- und HNO41-Karzinomzellen mit Argon-CAP bzw. Helium-CAP durch den kINPen 09 bzw. einen Prototyp behandelt und einer Epithelzelllinie gegenübergestellt, um quellgasbedingte Unterschiede herauszuarbeiten. Durch die Verwendung von fetalem Kälberserum (FCS) und Panexin NTA (NTA) konnten zwei unterschiedliche Mediumzusätze verglichen werden.
In Wachstumskinetiken wurde eine Reduktion der Zellzahl von Karzinom- und Epithelzellen nach CAP-Behandlung erzielt. Daran schloss sich eine Proteomanalyse durch 2D-DIGE mit mas- senspektrometrischer Identifikation von in ihrer Menge veränderten Proteinen im Vergleich zu korrespondierenden Gaskontrollen an. Durch eine Hauptkomponentenanalyse (PCA) regu- lierter Proteine konnten die behandelten Proben in Cluster aufgeteilt werden. Die Auftrennung war in absteigender Effektgröße abhängig vom verwendeten Serum, Quellgas und der CAP-Behandlung. Mit Hilfe von Ingenuity Pathway Analysen (IPA) wurden Regulatorproteine und molekulare Funktionen identifiziert. So ließ sich die Regulation von p53, HSF1 und TGF-b und eine damit verbundene Beeinflussung der Stressantwort auf ungefaltete Proteine, der mitochondrialen Membranpermeabilität und der Apoptose nachweisen. Durch Darstellung der regulierten Proteine in Netzwerken konnte der Einfluss von CAP auf den MAPK-ERK-Pathway als zentraler Bestandteil der Wirkung identifiziert werden.
Nach Analyse der Proteinveränderungen wurde explizit eine mögliche Beeinflussung von Hit- zeschockprotein 27 (HSP27) und Glycerinaldehyd-3-phosphat Dehydrogenase (GAPDH) mittels Immunoblotassay untersucht. HSP27 dient u.a. der Reduktion von oxidativem Stress. GAPDH ist in Abhängigkeit vom Oxidationsstatus Bestandteil der Glykolyse oder an der Apoptose beteiligt. Es zeigte sich eine Reduktion der Proteinmenge von HSP27 durch CAP in Karzinomzellen, die unter Verwendung von NTA größer ausfiel als unter FCS. Die Proteinmenge von GAPDH änderte sich nicht, es ließ sich lediglich eine Modifikation des Proteins vermuten.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Karzinomzellen an oxidativen Stress nur bedingt anpassungsfähig sind und CAP somit eine geeignete Therapieoption darstellt. Die Effektivität des CAP wird dabei durch das Quellgas, die Behandlungsdauer sowie extra- und intrazelluläre Scavengersysteme beeinflusst.
The here presented dissertation investigated the molecular mechanisms, by which the food industry model bacteria Pseudomonas fluorescens and Listeria monocytogenes, grown either as planktonic cultures, were inhibited by plasma treated water (PTW) produced by a microwave-induced plasma source (MidiPLexc). As a starting point, optimal operating parameters were determined with 5 standard liters per minutes(slm)compressed air during the treatment of 10 ml deionized water within a treatment time of up to 15 min (pre-treatment time). Treatment times of 1, 3 and 5 min were selected (post-treatment time). In addition to physical parameters, i.e. temperature measurements at different spots at the plasma source during the production of the PTW, the chemical composition of PTW was determined by pH measurements, chronoamperometry (determination of the H2O2 concentration), ion chromatography (determination of the NO2-, NO3- and ONOO- concentrations) and mass spectrometry (qualitative determination of the molecules). In addition, concentration changes of reactive species over a period of 3 h indicated a decrease of the NO2- concentration as well as an increase of the NO3- and ONOO- concentration in the PTW. Microbiological assays, i.e. quantification of colony-forming units (CFU), fluorescence and XTT assays, revealed a significant reduction of the proliferation ability of the cells, membrane damages and metabolic activity have been demonstrated for planktonic cultures as well as mono- and multispecies biofilms. PTW effects on biofilm structures were investigated using microscopic methods such as fluorescence microscopy, confocal laser scanning microscopy (CLSM), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM), as well as physical methods such as contact angle measurements. Significant changes in the biofilm structure have been shown, which indicate an ablation of the biofilm mass from top to bottom by approximately 2/3 of the biofilm mass and a destruction of the extracellular matrix (ECM) by the reactive species within the PTW. Subsequently, fresh-cut lettuce has been treated with PTW produced by up-scaled plasma sources. Apart from qualitative parameters of the lettuce after PTW treatment such as texture and color, the concentration of PTW reactive species have been determined. These experiments showed that the composition of the reactive species were slightly different from that of the laboratory-scaled plasma source MidiPLexc. Notably, the PTW treatment did not cause significant changes in texture and color of the fresh-cut lettuce. Finally, a synergistic effect of PTW treatment followed by plasma-processed air (PPA) drying was demonstrated application-specific.
Modern space missions depend more and more on electric propulsion devices for in-space
flights. The superior efficiency by ionizing the feedgas and propelling them using electric
fields with regard to conventional chemical thrusters makes them a great alternative. To
find optimized thruster designs is of high importance for industrial applications. Building
new prototypes is very expensive and takes a lot of time. A cheaper alternative is to rely
on computer simulations to get a deeper understanding of the underlying physics. In order
to gain a realistic simulation the whole system has to be taken into account including the
channel and the plume region. Because numerical models have to resolve the smallest time
and spatial scales, simulations take up an unfeasible amount of time. Usually a self-similarity
scaling scheme is used to greatly speed up these simulations. Until now the limits of this
method have not been thoroughly discussed. Therefore, this thesis investigates the limits
and the influence of the self-similarity scheme on simulations of ion thrusters. The aim
is to validate the self-similarity scaling and to look for application oriented tools to use
for thruster design optimization. As a test system the High-Efficiency-Multistage-Plasma
thruster (HEMP-T) is considered.
To simulate the HEMP-T a fully kinetic method is necessary. For low-temperature plasmas,
as found in the HEMP-T, the Particle-in-Cell (PIC) method has proven to be the best
choice. Unfortunately, PIC requires high spatial and temporal resolution and is hence
computationally costly. This limits the size of the devices PIC is able to simulate as well
as limiting the exploration of a wider design space of different thrusters. The whole system
is physically described using the Boltzmann and Maxwell equations. Using these system
of equations invariants can be derived. In the past, these invariants were used to derive a
self-similarity scaling law, maintaining the exact solution for the plasma volume, which is
applicable to ion thrusters and other plasmas. With the aid of the self-similarity scaling
scheme the computation cost can be reduced drastically. The drawback of the geometrical
scaling of the system is, that the plasma density and therefore the Debye length does not
scale. This expands the length at which charge separation occurs in respect to the system
size. In this thesis the limits of this scaling are investigated and the influence of the scaling
at higher scaling factors is studied. The specific HEMP-T design chosen for these studies is
the DP1.
Because the application of scaling laws is limited by the increasing influence of charge separation with increased scaling, PIC simulations still are computationally costly. Another approach to explore a wider design space is given using Multi-Objective-Design-Optimization
(MDO). MDO uses different tools to generate optimized thruster designs in a comparatively
short amount of time. This new approach is validated using the PIC method. During this
validation the drawback of the MDO surfaces. The MDO calculations are not self-consistent
and are based on empirical values of old thruster designs as input parameters, which not
necessarily match the new optimized thruster design. By simulating the optimized thruster
design with PIC and recalculate the former input parameters, a more realistic thruster design is achieved. This process can be repeated iteratively. The combination of self-consistent
PIC simulations with the performance of MDO is a great way to generate optimized thruster
designs in a comparatively short amount of time. The proof of concept of such a combination
is the pinnacle of this thesis.
Ex vivo- und in vivo-Untersuchungen der Anwendung von nicht-thermischem Plasma zur Blutkoagulation
(2021)
Die steigende Inzidenz und Prävalenz von Vorhofflimmern mit dem gleichzeitig erhöhten Risiko thrombembolischer Ereignisse macht eine Antikoagulation in einer immer größer werdenden Population nötig [1-3]. Das intraoperative Blutungsmanagement stellt bei Patienten, welche eine Antikoagulation erhalten, eine Schwierigkeit dar [4, 5]. Insbesondere für die direkten oralen Antikoagulantien sind Antidote häufig nicht verfügbar oder kostenintensiv [6, 7]. Die aktuell verwendete elektrische Kauterisation geht mit dem Risiko der Bildung von Nekrosen einher, welche unter Umständen zu Nachblutungen, Strikturen oder Perforationen führen können [8, 9]. Dies untermauert den Bedarf an neuen sicheren Techniken zur intraoperativen Hämostase. Eine mögliche Alternative scheint nicht-thermisches Plasma darzustellen [10]. Dies ist ein energiereiches Gas, welches eine Reihe reaktiver Komponenten enthält und eine gewebeschonende Anwendung am Menschen ermöglicht [11].
In der vorliegenden Arbeit wurde demonstriert, dass nicht-thermisches Plasma des gut charakterisierten kINPen MEDs [11] ex vivo eine Blutkoagulation im murinen Blut induzieren kann. Hierbei spielt vor allem die direkte Aktivierung der Thrombozyten eine Rolle. Nachweise der plasmatischen Gerinnung konnten ex vivo nicht gezeigt werden. Während einer murinen Leberteilresektion wurde in der vorliegenden Arbeit in nativen und Rivaroxaban-antikoagulierten Tieren eine suffiziente Blutungskontrolle durch nicht-thermisches Plasma erzielt, welche mit der elektrischen Kauterisation vergleichbar war. Weiterhin war das nicht-thermische Plasma der elektrischen Kauterisation dahingehend überlegen, als dass es zu keiner akuten Schädigung des umliegenden Gewebes und keiner zeitversetzten Nachblutung geführt hat. Die histologischen Analysen der mit nicht-thermischem Plasma behandelten Wunden zeigten die Ausbildung eines Blutkoagulums, welches am ehesten der natürlichen Koagulation entsprach. Nach Inhibition der Thrombozyten-Funktion durch Clopidogrel war das nicht-thermische Plasma in vivo nicht in der Lage, eine suffiziente Hämostase zu induzieren. Daher konnten die Thrombozyten auch in vivo als wichtige Regulatoren der durch nicht-thermisches Plasma vermittelten Hämostase herausgearbeitet werden.
Auf der Basis einer ausführlichen Literaturrecherche wurde weiterhin die Hypothese aufgestellt, dass vor allem Reduktions-Oxidations-Reaktionen an der durch nicht-thermisches Plasma induzierten Blutkoagulation beteiligt sind. In folgenden Arbeiten sollte darauf hingearbeitet werden, den Mechanismus weiter zu verstehen und effizienter zu gestalten, um dieser Methode einen Einsatz in der Zukunft der Medizin zu ermöglichen.
Schilddrüsenhormone haben einen vielfältigen Einfluss auf den Stoffwechselmetabolismus. Die genauen molekularen Mechanismen, die mit Veränderungen der Schilddrüsenhormon-spiegel einhergehen, sind jedoch in vielen Bereichen noch unbekannt. Das Ziel der Arbeit bestand deshalb darin, auf Basis von Daten einer repräsentativen Stichprobe der Allgemein-bevölkerung die Zusammenhänge zwischen den Schilddrüsenhormonen und einem umfang-reichen Metabolitenpanel zu untersuchen, um so weitere Einblicke in die zugrunde-liegenden Ätiologien und Signal-wege zu erhalten.
Von 952 Teilnehmenden der SHIP-Trend-Studie wurden aus Plasma- und Urinproben in einem kombinierten Messverfahren (LC-MS sowie 1H-NMR) sowohl mit ungerichtetem als auch mit gerichtetem Ansatz das Metabolom quantifiziert. Um den Zusammenhang zwischen Thyroxin (fT4), Triiodthyronin (fT3) und Thyreotropin (TSH) mit den identifizierten Metaboliten zu untersuchen, wurden lineare Regressionsmodelle herangezogen. Bei Vorliegen eines signi-fikanten Interaktionseffekts zwischen fT4, fT3 bzw. TSH und dem Geschlecht wurden diese Analysen für Männer und Frauen getrennt durchgeführt. Eine Random-Forest-Analyse wurde angewendet, um die Relevanz phänotypischer Charakteristiken für die individuelle fT4-Konzentration vorherzusagen und die beobachteten Geschlechterunterschiede in den Asso-ziationen zu erklären.
Zwischen TSH und den Metaboliten im Plasma und Urin ließen sich keine signifikanten Assoziationen identifizieren. 106 von 613 Plasmametaboliten waren signifikant mit fT4 assoziiert. Assoziationen zwischen fT4 und den Urinmetaboliten ließen sich hingegen deutlich seltener beobachten (12 von 587). Die Mehrheit der mit fT4 assoziierten Plasmametabolite (n = 84) konnte den Klassen der Lipide und Lipidabkömmlingen zugeordnet werden. Die Analyse unterschiedlicher, mittels 1H-NMR-Spektroskopie quantifizierter Lipoproteinsub-fraktionen zeigte zudem in-verse Assoziationen zwischen der fT4-Konzentration und einer Reihe von großen sowie kleinen LDL- und HDL-Unterklassen auf. Dabei ließen sich auch einige geschlechtsspezifische Assoziationen beobachten. So konnten beispielsweise die Assoziationen zwischen fT4 und den HDL3-Subfraktionen nur bei Männern beobachtet werden. Assoziationen zwischen fT4 und verschiedenen mehrfach ungesättigten sowie gesättigten Fettsäuren waren hingegen nur bei Frauen sichtbar. Die identifizierten Geschlechterunterschiede in den Assoziationen lassen sich vermutlich bei Männern auf einen höheren Alkoholkonsum und bei Frauen auf Vorerkrankungen der Schilddrüse sowie den menopausalen Status zurückführen, denn die genannten phänotypischen Charakteristiken zeigten sich in den Random-Forest-Analysen als wichtige geschlechtsspezifische Faktoren für den individuellen fT4-Spiegel. Assoziationen zwischen fT3 und den Metaboliten im Plasma ließen sich im Vergleich zu fT4 deutlich seltener beobachten (55 von 613). Zudem waren 13 Urinmetabolite signifikant mit fT3 assoziiert. Die mittels 1H-NMR-Spektroskopie durch-geführte Analyse der Lipoproteinsubfraktionen zeigte positive Assoziationen zwischen fT3 und kleinen LDL-Unterklassen auf.
Die vorliegende Studie zeigte eine umfangreiche Signatur von Metaboliten auf, deren Konzentrationen im Plasma mit Serumspiegeln von fT4 und fT3, aber nicht mit TSH assoziiert waren. Somit deutet sie auf die besondere Relevanz von fT4 Spiegeln in der Therapie von Schilddrüsenerkrankungen hin, um eine ausreichende Versorgung peripherer Gewebe mit Schilddrüsen-hormonen zu gewährleisten.
Einfluss der Plasmabehandlung auf das transepidermale Penetrationsverhalten von Arzneistoffen
(2021)
Zusammenfassung und Ausblick
Die Forschungshypothese, dass eine Plasmabehandlung der Haut mit kaltem
Atmosphärendruckplasma zu einer lokalen Änderung der physikochemischen Eigenschaften des
Stratum corneum und dessen Struktur und (Barriere-)Funktion führt, konnte bestätigt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden morphologisch sichtbare Hautveränderungen, die
Penetrationseigenschaften verschiedener Substanzen vor und nach Plasmabehandlung sowie
Veränderungen der Lipidzusammensetzung des Stratum corneum auf molekularer Ebene analysiert.
Der wesentliche Erkenntnisgewinn der Arbeit besteht im qualitativen und quantitativen Nachweis der
gefahrlosen durch kaltes Atmosphärendruckplasma vermittelten Penetrationssteigerung von
Substanzen in die Haut mit speziellem Fokus auf das Stratum corneum.
Die Plasmabehandlung der Haut mit einem Plasmajet lockert abhängig von der
Plasmabehandlungszeit das aus Corneozyten und einer interzellulären Lipidmatrix bestehende
Stratum corneum auf. Die aufgelockerte Struktur des Stratum corneum ermöglicht eine beschleunigte
Penetration verschiedener, nach Plasmabehandlung applizierter Substanzen durch die Haut (Kapitel
4.2.). Die Penetrationssteigerung variiert dabei abhängig von den Stoffeigenschaften der
penetrierenden Substanz (zum Beispiel Molekülgröße und Lipophilie).
Die morphologische Auflockerung des Stratum corneum spiegelt sich im nach der Plasmabehandlung
veränderten Ceramid-Profil wieder. Die veränderten Barriereeigenschaften in den obersten Schichten
des Stratum corneum nach einer einminütigen Plasmabehandlung lassen sich über die Interaktion von
plasma-produzierten reaktiven Spezies mit Lipiden der Haut (insbesondere Triacylglycerolen) und
die dadurch vermittelte Bildung von Triacylglycerol-Oxidationsprodukten erklären (Kapitel 4.4.).
Eine Plasmabehandlung hat im Bereich der in der Dermatologie für den kINPen MED empfohlenen
Anwendungsdauer von 15 s/cm² bis 1 min/cm² keine negativen Auswirkungen auf die Haut (keine
gesteigerte Anzahl an Apoptosen im Stratum basale, Möglichkeit der Regeneration des
aufgelockerten Stratum corneum von basal, (Kapitel 4.3.)). Längere Behandlungszeiten von 2
min/cm² bis 5 min/cm² können jedoch zu Apoptosen in für die Zellregeneration bedeutenden
Schichten führen.
Im Gegensatz zu anderen Methoden zur transdermalen Penetrationssteigerung besteht bei der Plasma-
vermittelten Penetrationssteigerung auf Grund der antibakteriellen Plasmaeigenschaften und der
Penetrationsbeschleunigung von ausschließlich kleinen Stoffen (Größe unter 689 nm) ein geringeres
Risiko der Infektion der behandelten Hautbereiche durch die Einwanderung von Bakterien und
Pilzen. Die Plasmabehandlung stellt demnach eine zukunftsträchtige Möglichkeit zur gefahrlosen
Penetrationssteigerung von Arzneistoffen durch die Hautbarriere dar.
Da die in dieser Arbeit gewonnenen Daten in vitro mit Hilfe eines Schweineohrmodells ermittelt
wurden, ermöglichen sie einen ersten Einblick in die Reaktion der gesunden menschlichen Haut auf
die Plasmabehandlung, lassen sich jedoch nicht eins zu eins auf die in vivo-Situation am menschlichen
Körper übertragen. Zudem sollte bei der Plasmabehandlung in vivo beachtet werden, dass es am
menschlichen Körper große intra- und interindividuelle Unterschiede in der Beschaffenheit der
Hautbarriere gibt, welche zu unterschiedlich starken Effekten der Plasmabehandlung führen könnten.
Ein Vergleich der Penetrationseigenschaften weiterer Stoffe mit unterschiedlichen hydro- und
lipophilen Stoffeigenschaften sowie unterschiedlichen Molekülgrößen vor und nach
Plasmabehandlung wäre für weitere Forschungsarbeiten empfehlenswert. Auf diese Weise könnte
erforscht werden, auf welche Substanzen die Plasmabehandlung der Haut den größten Einfluss hat
und es wären weitere Rückschlüsse auf die Form der aufgelockerten Bindungen, sowie auf eine
eventuelle Interaktion modifizierter Stratum corneum-Bestandteile mit der penetrierenden Substanz
möglich. Gleichzeitig könnten die Versuche mit längeren Penetrationszeiten wiederholt werden, um
zu überprüfen, ob tatsächlich eine Rechtsverschiebung des Peaks der Konzentration der penetrierten
Substanzen (siehe Kapitel 3.4. und Kapitel 3.5.) in tiefere Hautbereiche stattfindet.
Ein direkter Vergleich penetrationssteigernder Methoden (beispielsweise Mikronadeln und
Plasmajet) wäre interessant, um die verschiedenen Systeme auch quantitativ vergleichen zu können
und zu analysieren, ob die Vorteile der plasmavermittelten Penetrationssteigerung gegenüber der
Mikronadelmethode durch die Menge an penetrierter Substanz ausgeglichen werden können.
Neben den Lipiden könnte auch die Modifikation weiterer Stratum-corneum-Bestandteile ursächlich
für die veränderten Barriereeigenschaften der Haut nach Plasmabehandlung sein. Interessant wäre
deshalb auch die Untersuchung der Stratum-corneum-Peptide und -Proteine vor und nach
Plasmabehandlung.
Um die Reaktion der Haut in vivo auf die Plasmabehandlung besser vorhersagen zu können und damit
die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse in die klinische Praxis übertragen zu können,
sind weitere Studien nötig. Diese könnten die in vitro-Experimente am Schweineohr beispielsweise
auf ein in vivo-Mäusehautmodell übertragen. An einem frischen Mäusehautmodell wäre auch die
Untersuchung längerer Penetrationszeiten sowie die Geschwindigkeit der Hautregeneration und dem
damit Verbundenen Wiederaufbau der Hautbarriere nach Plasmabehandlung möglich.
Nach einer Verifizierung der Ergebnisse in vivo könnten die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen
Erkenntnisse in Zukunft auf den klinischen Alltag übertragen werden. Für Langzeittherapien bei
speziellen Patientengruppen mit Problemen bei der oralen Medikamentenaufnahme (beispielsweise
in Form von Resorptionsstörungen im Magen-Darm-Trakt) oder bei einem starken First-Pass-Effekt
des Medikaments in der Leber ist die transdermale Medikamentenapplikation eine
Ausweichmöglichkeit, welche durch eine vorherige Plasmabehandlung der Haut noch verbessert
werden würde.
Im Rahmen des bereits etablierten medizinischen Anwendungsfelds von kaltem
Atmosphärendruckplasma bei der Behandlung chronischer Wunden könnte eine Plasmabehandlung
der Wundränder und angrenzender gesunder Hautbereiche die Penetration von nach der Behandlung
applizierten wundheilungsfördernden Cremes und Gels im betroffenen Gebiet beschleunigen und so
die Heilungsaussichten noch weiter verbessern.
In this work, studies with respect to the exhaust problem were performed
in the stellarator experiment Wendelstein 7-X with different target concepts and different magnetic field geometries. Different infrared cameras were used to study the heat flux from the plasma onto the PFC. In the first publication, the limiter set-up was used with a simpler magnetic topology in the plasma edge. The radial fall-off of the parallel heat flux for inboard limiters in W7-X shows, similar to inboard limiters in tokamaks, two different radial fall-off lengths, a short (narrow) one, characterizing the near-SOL, and a long (broad) characterizing the far-SOL. For the far-SOL, the heating power and connection length have been identified as the main scaling parameters, while for the near-SOL, the electron temperature close to the LCFS has been identified as the main scaling parameter. The two fall-off lengths differ by a factor 10, and the found scalings for both regimes differ from known models and experimental scalings in tokamaks. A turbulent-driven feature was discussed in the publication as a possible explanation for the behavior of the fall-off length in W7-X.
The gained information and data have been further used to support many
other publications, covering the symmetry of the heat loads, the
energy balance of the machine, and seeding experiments.
The heat exhaust in W7-X with an island divertor was studied in the second
and third publication. Definitions of parameters such as peaking factor and
wetted area were applied for the heterogeneous heat flux pattern on the
W7-X divertor. It was shown that the island divertor concept is capable
of spreading out the heat efficiently, resulting in large wetted areas of up to 1.5 m2. The reached values for the wetted area are comparable to the ones of the larger tokamak JET but with a much smaller ratio of wetted
area to the area of the last closed flux surface. Furthermore, a positive
scaling of the wetted area with the power in the SOL was observed. This
scaling is beneficial for future reactors but needs further investigation of the involved transport processes. The peaking factor (discussed in the second publication) describes how concentrated the heat load is within the region of the strike line. It was shown that this factor is decreasing for increasing densities without affecting the wetted area. The present work paves the way for further analysis of the transport processes of the heat flux towards the island divertor of Wendelstein 7-X.
The active screen plasma nitrocarburizing (ASPNC) technology is a state-of-the-art plasma-assisted heat treatment for improving surface hardness and wear resistance of metallic workpieces based on thermochemical diffusion. In comparison to conventional plasma nitrocarburizing, the use of an active screen (AS) improves thermal homogeinity at the workload and reduces soot formation. Further it can serve as a chemical source for the plasma processes, e.g. by use of an AS made of carbon-fibre reinforced carbon. This compilation of studies investigates the plasma-chemical composition of industrial- and laboratory-scale ASPNC plasmas, predominantly using in-situ laser absorption spectroscopy with lead-salt tuneable diode lasers, external-cavity quantum cascade lasers, and a frequency comb. In this way the temperatures and concentrations of the dominant stable molecular species HCN, NH3, CH4, C2H2, and CO, as well as of less prevelant species, were recorded as functions of e.g. the pressure, the applied plasma power, the total feed gas flow and its composition. Additionally, the diagnostics were applied to a chemically similar plasma-assisted process for diamond deposition.
Resulting from this thesis are new insights into the practical application of an AS made of CFC, the plasma-chemistry involving hydrogen, nitrogen, and carbon, and the particular role of CO as an indicator for reactor contamination. The effect of the feed gas composition on the resulting nitrogen- and carbon-expanded austenite layers was proven by combination of in-situ laser absorption spectroscopy with post-treatment surface diagnostics. Furthermore this work marks the first use of frequency comb spectroscopy with sub-nominally resolved Michelson interferometry for investigation of a low-pressure molecular discharge. This way the rotational bands of multiple species were simultaneously measured, resulting in temperature information at a precision hitherto not reached in the field of nitrocarburizing plasmas.
Die initiale Integration von Implantaten ist von hoher Bedeutung für die spätere Stabilität und
Standzeit von beispielsweise Endoprothesen im Körper. Mit Hinblick auf die steigende Zahl
von Patienten, die ein Implantat benötigen, ist es von großer Bedeutung unterschiedliche
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifizierungen bezüglich ihrer Eigenschaften und
Interaktionen mit dem Implantatlager zu untersuchen, um diese verbessern zu können.
Ziel der vorgestellten Arbeit war die Entwicklung und Etablierung eines Screeningmodells zur
Analyse der Auswirkung von verschiedenen Metallimplantaten auf die Mikrozirkulation in
unmittelbarer Nähe des Implantats.
Dazu wurde ein neues in vivo Modell an der Chorioallantoismembran des Hühnerembryos
entwickelt, angewendet und etabliert. Dieses stellt eine Modifikation des seit Jahrzehnten
etablierten HET-CAM (Hühnereitest an der Chorioallantoismembran) dar und ermöglicht
quantitative und qualitative intravitalmikroskopische Aussagen über die Funktionelle
Gefäßdichte (FGD) und die Leukozyten-Endothel-Interaktion (LEI).
Zunächst wurden im Zuge der Modellanwendung Nickel- und Titan-Implantate verglichen, um
die mögliche Reaktionsbreite des Modells zu untersuchen. Es folgte eine Etablierung des
Modells, indem die Oberfläche der Implantate kurz vor der Applikation mit kaltem
Atmosphärendruckplasma (CAP) behandelt wurde. Die intravitalmikroskopische
Untersuchung erfolgte jeweils 24 h nach Applikation.
Die Chorioallantoismembran der mit Nickel-Implantaten behandelten Hühnerembryonen
zeigte im Vergleich zur Titan- und der internen Kontrollgruppe eine signifikante Reduktion der
FGD sowie eine signifikante Erhöhung der LEI gegenüber der Kontrollgruppe. Durch
Vorbehandlung der Nickel-Implantate mit CAP konnte der Negativeffekt auf das Gefäßsystem
signifikant reduziert werden. Für Titanimplantate konnte mit Hinblick auf die FGD kein
zusätzlicher Effekt nach der Behandlung mit CAP detektiert werden.
Die vorgestellte Arbeit zeigt, dass sich das neue Modell als Screeningmodell dazu eignet, neue
Implantatmaterialien und Oberflächenmodifikationen an der Schwelle zwischen in vitro
Zellkultur und in vivo Tiermodellen zu untersuchen. Somit könnte es dabei helfen,
Tierversuche gezielter einzusetzen. Vorteile und Einschränkungen des Modells werden
diskutiert.
The importance of ion propulsion devices as an option for in-space propulsion of space
crafts and satellites continues to grow. They are more efficient than conventional chemi-
cal thrusters, which rely on burning their propellant, by ionizing the propellant gas in a
discharge channel and emitting the heavy ions at very high velocities. The ion emission
region of a thruster is called the plume and extends several meters axially and radially
downstream from the exit of a thruster. This region is particularly important for the effi-
ciency of a thruster, because it determines energy and angular distribution of the emitted
ions. It also determines the interaction with the carrier space craft by defining the electric
potential shape and the fluxes and energies of the emitted high energy ions, which are the
key parameters for sputter erosion of satellite components such as solar panels. Developing
new ion thrusters is expensive because of the high number of prototypes and testing cycles
required. Numerical modeling can help to reduce the costs in thruster development, but
the vastly differing length and time scales of the system, particularly the large differences of
scales between the discharge chamber and the plume, make a simulation challenging. Often
both regions are considered to be decoupled and are treated with different models to make
their simulation technically feasible. The coupling between channel and plume plasmas and
its influence on each other is disregarded, because there is no interaction between the two
regions. Therefore, this thesis investigates the physical effects which arise from this cou-
pling as well as models suitable for an integrated simulation of the whole coupled problem
of channel and plume plasmas. For this purpose the High Efficiency Multistage Plasma
Thruster (HEMP-T) ion thruster is considered.
For the discharge channel plasma, a fully kinetic model is required and the Particle-in-Cell
(PIC) method is applied. The PIC method requires very high spatial and temporal resolu-
tions which makes it computationally costly. As a result, only the discharge channel and the
near-field plume close to the channel exit can be simulated. In the channel, the results show
that electrons are magnetized and follow the magnetic field lines. The orientation of the
magnetic field there is mostly parallel to the symmetry axis and the channel walls which re-
sults in a high parallel electron transport and leads to a flat electric potential and a reduced
plasma-wall sheath. Only at the magnetic cusps, which are characteristic of HEMP-Ts the
electrons are guided towards the wall, with ions following due to quasineutrality, where a
classical plasma-wall sheath develops. The ion-wall contact is thus limited to the cusp re-
gion. The small radial drop of the potential towards the wall gives rather low energies of
ions impinging at the wall and minimizes erosion in the HEMP-T.
In the near-field plume, which extends from the thruster exit plane to some centimeters
downstream, the ion emission characteristics is defined. The ratio of radial and axial elec-
tric field components in this region determines the ion emission angle which should be
minimized for maximum thruster efficiency. The plasma discharge in the channel produces
high plasma densities and the subsequent drop from plasma to vacuum potential occurs
further downstream for higher densities. This increases the ratio of radial and axial electric
field components because the plasma expands radially outside of the confinement from the
dielectric discharge channel walls. The potential structure in the near-field plume impacts
also the supply of electrons for the channel discharge because the electrons enter the channel
from the plume. An effect which arises from this coupling is the breathing mode oscilla-
tion. It is an oscillation which is observed in all plasma quantities and is located near the
thruster exit. The oscillation frequency measured in the simulation is in good agreement
with a predator-prey estimate which validates this ansatz. However, the electron tempera-
ture, assumed constant in the predator-prey model, correlates inversely with the oscillation,
i.e. it is minimal at the current maximum and vice versa, which contributes to the observed
oscillations. Because of the oscillation of the plasma number density, the potential drop also
oscillates in the exit region and thus the ratio of radial to axial electric field components,
which results in the oscillation of the mean ion emission angle.
Regarding suitable models for a combined simulation of channel and plume plasmas, the
PIC model for channel and near-field plume is explicitly coupled to a hybrid fluid-PIC
model for the plume. The latter treats the electrons as a fluid, hence increasing the effective
spatial and temporal resolutions which can be applied in the plume simulations at the cost
of reduced accuracy of the electron model. Plasma densities decrease by two orders of
magnitude two meters downstream from the channel exit. The explicitly coupled kinetic
and hybrid PIC models are well suited for the computation of a HEMP-T and its plume
expansion, but they disregard the coupling of channel and plume plasmas for which other
methods are necessary. For this purpose a new approach is presented with a proof-of-
principle validation. The limited spatial resolution in the plume can be overcome with the
mesh-coarsening method, which increases the resolution in regions of low plasma density
without numerical artifacts. Sub-cycling for the electrons in the plume can then be used
to increase the temporal resolution in the plume. The combination of both methods, called
the sub-cycling mesh-coarsening (SMC) algorithm in the scope of this work, promises high
savings in computational cost which can make a combined simulation of plume and channel
plasmas feasible.
In dieser Arbeit wurden die Eigenschaften von atmosphärendruckplasmaaktivierten Natriumchloridlösungen (NaCl-Lösungen), unter Anwendung von nass-chemischen und mikrobiologischen Analysenverfahren, untersucht. Es zeigte sich, dass plasmaaktivierte NaCl-Lösungen sowohl mit kurzzeitigen als auch mit langzeitigen antimikrobiellen Effekten generiert werden können. Diese Effekte korrelieren mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung der flüssigen Phase. Molekularbiologische Untersuchungen zeigten, dass die antimikrobiellen Effekte auf unterschiedlichen Wirkmechanismen, vor allem auf oxidativem und nitrosativem Stress, beruhen. Anwendungsorientierte Untersuchungen haben gezeigt, dass plasmaaktivierte NaCl-Lösungen über ein enges Wirkspektrum (grampositive und gramnegative Erreger) verfügen, sich keine schnellen Resistenzen gegen den Testorganismus ausbilden und eine Kombination mit handelsüblichen Antibiotika ein vielversprechender Ansatz für eine Wirkungssteigerung der verwendeten Antibiotika ist.
Manipulating and utilizing plasmas becomes a more and more important task in various research fields of physics and in industrial developments. Especially in nowadays spacerelevant applications there are different ideas to modify plasmas concerning particular tasks.
One major point of interest is the ability to influence plasmas using magnetic fields. To study the underlying physical effects that were achieved by these magnetic fields for both scenarios Particle-in-Cell simulations were done. Two examples are discussed in this thesis.
The first example originates from an experiment performed by the European Space Agency ESA in collaboration with the German Space Agency DLR. To verify the possibility of heat-flux reduction by magnetic fields onto the thermal protection system of a space vehicle a simplified experiment on earth was developed. Most of the heat that is created during re-entry comes from compression of the air ahead of the hypersonic vehicle, as a result of the basic thermodynamic relation between temperature and pressure. The shock front, which builds up in front of the vehicle deflects most of the heat and prohibits the surface of the space vehicle from direct contact with the maximum flux. State of the art spacecrafts use highly developed materials like ceramics to handle the enormous heat. An attractive approach to reduce costs is to use magnetic fields for heat-flux reduction. This would allow the use of cheaper materials and thus reduce costs for the whole space mission. A partially-ionized Argon beam was used to create a certain heat-flux onto a target. The main finding of the experimental campaign was a large mitigation of heat-flux by applying a dipole-like magnetic field. The Particle-in-Cell method was able to reproduce experimental observations like the heat-flux reduction. An additionally implemented optical diagnostics module allowed to confirm the results of the spectroscopy done during the experiment. The underlying effect that is responsible for the heat-flux reduction was identified as a coupling between the modified plasma and the dominating neutral flux component. The plasma, that is guided towards the target, act as a shield in front of the target surface for arriving neutrals. These neutrals are slowed down by charge-exchange collisions. Furthermore the magnetic field induces an increased turbulent transport that is also needed to reach a reduction in heat-ux. The turbulent transport was also obtained by three-dimensional Direct Simulation Monte Carlo simulations. Unfortunately, such source driven turbulence can not be expected in space, so that a heat flux reduction in real space applications is questionable. Nevertheless, other effects like the induced turbulence by the rotating vehicle can compensate the missing source driven effect.
The second scenario in which a magnetic field is used to modify the heat flux of a plasma is the operation of the pulsed cathodic arc thruster. The same Particle-in-Cell code was used to simulate a typical pulse of this newly developed thruster of Neumann Space Pty Ltd. The typical behavior of the thruster could be reproduced numerically. The thrust is mainly produced by fast electrons. These electrons are accelerated by electric fields as a result of a plasma-beam instability. This plasma-beam instability was verified by a phase space diagnostics for the electrons. To demonstrate the influence of the magnetic field a simulation of the cathodic arc thruster without magnetic field and one with magnetic field were compared. It was shown that the use of a magnetic field leads to a ten times larger thrust by directing the heat ux. The resulting narrow plume is an additional Advantage of the particle guiding magnetic field. This narrowness of the plume reduces the danger of interaction with other components of the space vehicle.
Both scenarios demonstrate the different capabilities for electromagnetic fields to manipulate plasmas and especially the corresponding heat-flux with respect to certain tasks. The possibilities range from reducing the heat-flux onto a target to maximizing the thrust by directing the heat-ux. This thesis demonstrates that simulations are a great tool to support experiments and to deliver an improved physics understanding. They help to identify the basic physics principles in the different systems, because they can deliver information not accessible to experiments.
In particular, a better understanding of the influence of electromagnetic fields on the heat-flux distribution in space-relevant applications was obtained. This can be the basis for further simulation-guided optimization, e.g. for the design of more effective cathodic arc thrusters. Here, the goal is to minimize costs for prototypes by replacing the hardware by virtual prototypes in the simulations. This allows to test basic design ideas in advance and get more highly-optimized designs at a fraction of time and costs.
Gegenstand der hier vorgestellten Arbeit ist die Beschichtung von Wundauflagen mit Zinkoxid- und Silberhaltigen antibakteriellen Schichten. Die Aufbringung der Schichten erfolgt dabei auf den Wundauflagen mittels Atmosphärendruckplasma. Die Matrix der Schichten besteht aus Siliziumdioxid, in welcher die Wirkstoffe eingelagert sind. Auf diesem Weg hergestellten Wundauflagen wurden hinsichtlich ihrer antibakteriellen Wirkung und zytotoxischen Eigenschaften charakterisiert. Ziele waren ein minimaler Einsatz an Wirkstoffen und die Nutzung eines modernen Beschichtungsverfahrens. Der zytotoxische Einfluss der Wundauflagen wurde an 3D-Hautmodellen im Vergleich zu den am Markt befindlichen Produkten validiert.
Das fortgeschrittene, metastasierte Pankreaskarzinom stellt allen Fortschritten innerhalb der Onkologie zum Trotz weiterhin eine Diagnose mit infauster Prognose dar, deren palliative Therapiemöglichkeiten ebenfalls nicht zufriedenstellend sind. Seit einigen Jahren besteht die Hoffnung den vierten Aggregatzustand in Form von ‚nicht-thermischem Plasma' (NTP) in der modernen Tumortherapie einzusetzen. Dies beruht auf der Generierung zahlreicher reaktiver Sauerstoff- und Stickstoffspezies, die in der Balance aus Wachstum und Apoptose von Tumoren eine entscheidende Rolle einnehmen. In Zusammenschau aller im Rahmen dieser Arbeit erhobenen in vitro Ergebnisse und der hierzu einsehbaren Literatur lässt sich eine selektive, anti-tumoröse Wirkung von NTP festhalten, die sich in reduzierter Zellviabilität und -proliferation, sowie effektiver Apoptoseinduktion ohne Bildung von Nekrosen äußert. Diese Effekte werden vorrangig über im Medium gelöste reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies vermittelt, sodass auch zellfreie, NTP-behandelte Flüssigkeit diese Wirkung erzielt. In einem syngenen Mausmodell einer Peritonealkarzinose des Pankreaskarzinoms konnten die antiproliferativen und proapototischen Effekte dieser indirekten NTP-Behandlung nachgestellt werden. Die repetitive intraperitoneale Applikation resultierte in einer signifikanten Reduktion der Tumoren hinsichtlich Anzahl, Größe und Gewicht. Dabei zeigte sich eine beachtliche effektive Eindringtiefe innerhalb der Tumorläsionen. Lokale oder systemische Nebenwirkungen konnten unter der Therapie nicht beobachtet werden, insbesondere wiesen die übrigen aufgearbeiteten intraperitonealen Gewebe keine makro- oder mikroskopisch sichtbaren Veränderungen auf und auch die Blutzusammensetzung zeigte sich unverändert gegenüber der Kontrollgruppe. In dieser Arbeit wurde zudem - nach Kenntnisstand des Autors - erstmals der Einfluss einer indirekten NTP-Behandlung auf das Überleben immunkompetenter, Tumor-tragender Mäuse untersucht und hierbei ein signifikanter Überlebensvorteil demonstriert.
Die präsentierte Arbeit stellt einen wichtigen Schritt in der Entwicklung neuer Therapieoptionen des metastasierten Pankreaskarzinoms dar, als dass die selektive in vitro Wirksamkeit von NTP nun auch in vivo in einem komplexen Organismus wie der immunkompetenten Maus nachgestellt werden konnte. Künftige Arbeiten zu den NTP-Regulationsmöglichkeiten durch Flüssigkeits- und Plasmamodifikationen werden mutmaßlich das vollständige Potential dieses neuartigen Therapieansatzes offenbaren.
The content of this thesis can be summarized as follows: (i) The deposition processes of SiOx and SiOxCyHz coatings were investigated in a low-pressure, low temperature HMDSO-O2-N2 plasmas. Infrared laser absorption spectroscopy (IRLAS) and optical emission spectroscopy (OES) were combined to measure the gas temperatures in the hot and colder zones of the plasma as well as to monitor the concentration of the methyl radical, CH3, and of seven stable molecules, HMDSO, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO and CO2. Tunable lead salt diode lasers (TDLs) and an external-cavity quantum cascade laser (EC-QCL) were simultaneously employed as radiation sources to perform the IRLAS measurements. They were found to be in the range between 10^{11} to 10^{15} cm^{−3}. The influence of the discharge parameters of power, pressure and gas mixture on the molecular concentrations was studied. The plasma generation is characterized by a certain degree of inhomogeneity with different temperature zones, i.e., hottest, hot and colder zones depending on the construction of the reactor. This complexity is characterized by the multiple molecular species including the HMDSO precursor and products in ground and excited states existing in the plasma. (ii) Employing similarly IRLAS and OES techniques, the deposition of nanocrystalline diamond at relatively low temperature in low-pressure MW H2 plasmas with small ad-mixtures of methane and carbon dioxide was investigated. Five methods were applied for an extensive temperature analysis, providing new insights into energetic aspects of the multi-component non-equilibrium plasma. The OES method provided information about the gas temperature of H2 inside the MW plasma. Using lead salt diode lasers, the rotational temperature of the methyl radical, CH3 , and gas temperature of methane molecule, CH4 , was measured. A variety of CO lines in the ground and in three excited states have been analysed using an EC-QCL with a relatively wide spectral range. These methods have shown that based on the construction of the DAA reactor using 16 single plasma sources the plasma generation is characterized by a variety of hottest, hot and colder zones. Extensive measurement of these various species temperatures in the complex plasma enabled the concentration determination of the various stable and unstable plasma species, which were found to be in the range between 10 11 to 10 15 cm −3 . The influence of the discharge parameters, power and pressure, on the molecular concentrations has been studied. To achieve insight into general plasma chemical aspects, the dissociation of the carbon precursor gases including their fragmentation and conversion to the reaction products was analysed in detail. The evolution of the concentration of the methyl radical, CH 3 , of five stable molecules, CH4, CO2, CO, C2H2 and C2H4, and of vibrationally excited CO in the first and second hot band was monitored in the plasma processes by in situ infrared laser absorption spectroscopy using lead salt diode lasers (TDL) and an external-cavity quantum cascade laser (EC-QCL) as radiation sources. OES was applied simultaneously to obtain complementary information about the degree of dissociation of the H2 precursor gas. The analysis of the carbon and oxygen mass balances shows clearly, that the deposition on the reactor walls and the production of other hydrocarbons species may act as sinks for carbon and oxygen. (iii) The absolute line strengths of many P-branch transitions of the ν3 fundamental of {28}^SiH4 were determined using the wide tuning range and the narrow line width of a cw EC-QCL between 2096 and 2178 cm^{−1}. The line positions and line strengths of transitions of the stretching dyad within the P-branch of {28}^SiH4 were determined with an estimated experimental measurement accuracy of 10%. The high spectral resolution available has enabled us to resolve and measure representative examples of the tetrahedral splittings associated with each component of the P-branch. The positions of these components are in excellent agreement with spherical top data system (STDS) predictions and theoretical transitions from the TDS spectroscopic database for spherical top molecules. To our knowledge, this is the first reported measurement of these line strengths in this band and is an example of the applicability of high-powered, widely tunable EC-QCLs to high resolution spectroscopy in the MIR. (iv) Similarly, the determination of the silyl radicals, ν3 band, line strengths is ongoing using the same cw EC-QCL. This effort was impaired by silane and other unknown species lines overlap; however, the silyl radicals was successfully detected in a SiH4/H2 plasma. A method to determine the silyl line strengths has been presented through its iterative decay measurements which relied on the value of the silyl radical self reaction constant. There was a consensus of its value in the literature.