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- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-751154
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.75115
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 23 February 2026 |
| Referee: | Prof. Dr. Antje Baeumner |
| Date of exam: | 24 February 2025 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik Chemistry and Pharmacy > Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik > Chemo- und Biosensorik (Prof. Antje J. Bäumner, formerly Prof. Wolfbeis) |
| Keywords: | Nanomaterials; Point-of-Care; Microplastic |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 75115 |
Abstract (English)
This thesis focuses on the development and use of nanofibers (NFs), highlighting their benefits such as simple production by electrospinning, their large surface to volume ratio and the possibility of chemical modifications. These properties make NFs suitable for various applications, including biosensors, medical devices, and environmental uses. Point-of-care (POC) testing is an important ...
Abstract (English)
This thesis focuses on the development and use of nanofibers (NFs), highlighting their benefits such as simple production by electrospinning, their large surface to volume ratio and the possibility of chemical modifications. These properties make NFs suitable for various applications, including biosensors, medical devices, and environmental uses.
Point-of-care (POC) testing is an important tool in resource-limited settings aiming to meet the requirements of the WHO for being inexpensive, portable but still sensitive and reliable. Compared to common tests, nucleic acid testing (NAT) can enhance sensitivity and specificity significantly but involves multiple steps like nucleic acid (NA) extraction, amplification, and detection, necessitating new POC solutions. Therefore, different materials like particles and membranes developed for NA extraction and their integration in sample to answer (S2A) devices were reviewed. While emerging materials offer interesting solutions for example the protection of RNA or mild elution conditions, integration in S2A devices and automation especially in resource limited settings is a remaining challenge. Future work needs to address the integration of sample lysis, especially for complex matrices like whole blood, reduction of user-input and storage of on paper-based devices. With isothermal amplification methods and portable, battery-powered devices, NAT testing is expected to become a standard technique in the field of POC.
In this thesis zwitterionic NFs were developed to allow the extraction of NA under mild conditions. Based on an initial material study, hydrophilic nylon NFs were electrospun and doped with one cationic and one anionic polymer. An in-depth material study revealed an influence of the chemical composition and the morphology of the NFs, which need to be controlled during production. After optimization, NAs could be successfully adsorbed at a pH of 4.5 in the presence of 0.1 % Tween20 by electrostatic interactions. Elution was then triggered by a change to pH 10 and the addition of 50 mM sodium chloride, as NAs are electrostatically repulsed from the anionic NFs. The addition of high salt concentrations or charged detergents typically needed for the elution used from cationic materials was avoided.
Further research focused on the isolation form NA from biological samples like serum. A dilution of 1:150 allowed successful extraction, but further improvements are needed to enhance efficiency. Increasing the number of cationic binding sites by adjusting the doping ratio or adsorption pH showed potential for optimization. To achieve a sample-to-answer (S2A) device, NFs were integrated into a paper-based analytical device (µPAD). Within this flow through set-up a good extraction efficiency could be maintained. Finally, recombinase polymerase amplification (RPA) was tested on filter paper as an isothermal amplification method. Future studies should combine the extraction of NAs from serum samples within the µPAD design and the amplification via RPA within one-test design to achieve a S2A device.
Microplastics (MPs) are present in the environment and human body, but their effects on organisms are still unknown. Current research focuses on investigating MP at the cellular level and within whole organisms and organs. However, commonly used commercial spherical particles do not represent the irregular fragments and fibrous particles found in the environment. This study aimed to produce true-to-life MP using NFs as a precursor.
They have a great potential as a one-dimensional nanomaterial and the ease of introducing several types of dopants. The shape of the particles can be adjusted depending on the production techniques. With ball milling irregular particles around 4 µm were obtained, while fibrous particles shredded with an Ultraturrax resulted in a length of 20 µm and must be further optimized.
As optical labels are often required in histological studies, DPA and UCNPs were successfully embedded in the NFs during electrospinning. A homogenous distribution and low leaching rates ensured the suitability of those optical labels. DPA labeled MP was then investigated with the ex vivo mouse isolated perfused kidney model, revealing a selective detection of the MPs within the tissue. As particles got stuck in smaller renal vessels and glomerular capillaries, future studies must focus on the impact of the shape of the MP. Based on those results, these systems can be further applied in biological assays, including cell, animal, or tissue studies and expanded towards different types of polymers as well.
Translation of the abstract (German)
Point-of-Care (POC) Tests sind eine wichtige Methode in ressourcenbeschränkten Umgebungen, um die Anforderungen der WHO zu erfüllen, d. h. kostengünstig, portabel und dennoch sensitiv und zuverlässig zu sein. Im Vergleich zu herkömmlichen antikörperbasierten Tests, können über den Nachweis von Nukleinsäuren (NAT) die Messempfindlichkeit und Spezifität erheblich verbessern, erfordern jedoch ...
Translation of the abstract (German)
Point-of-Care (POC) Tests sind eine wichtige Methode in ressourcenbeschränkten Umgebungen, um die Anforderungen der WHO zu erfüllen, d. h. kostengünstig, portabel und dennoch sensitiv und zuverlässig zu sein. Im Vergleich zu herkömmlichen antikörperbasierten Tests, können über den Nachweis von Nukleinsäuren (NAT) die Messempfindlichkeit und Spezifität erheblich verbessern, erfordern jedoch mehrere Schritte wie die Extraktion der Nukleinsäure (NA), die Amplifikation und den Nachweis, was neue Lösungen für den POC Bereich erforderlich macht. Daher wurden verschiedene für die NA-Extraktion entwickelte Materialien und ihre Integration in sample-to-answer (S2A) Geräte verglichen. Neu entwickelte Materialen bieten interessante Eigenschaften, wie zum Beispiel den Schutz von RNA vor Nukleasen oder milde Elutionsbedingungen, jedoch stellt deren Integration in S2A Test und deren Automatisierung eine Herausforderung dar. Künftige Arbeiten sollten sich mit der Integration des Probenausschlusses im Test-Design befassen, was insbesondere für komplexere Proben wie Vollblut relevant ist. Zudem müssen die Lagerbedingungen und Haltbarkeit von Tests untersucht werden und die Handhabung der Tests verbessert werden. Durch die Verwendung von isothermen Amplifizierungsmethoden, kann auf tragbare und batteriebetriebene Geräte zurückgegriffen werden. Aus diesem Grund wird erwartet, dass sich NAT Tests in Zukunft zu einer Standard Diagnosemethode entwickeln wird.
In dieser Arbeit wurden daher zwitterionische NFs für die Extraktion von NA unter milden Bedingungen entwickelt. Auf Basis einer Materialstudie wurden hydrophile Nylon-NFs elektrogesponnen, die mit einem kationischen und einem anionischen Polymer dotiert waren. Aufgrund der Ergebnisse dieser Materialstudie müssen die chemische Zusammensetzung und die Morphologie der NFs streng kontrolliert werden. Nach Optimierung konnten die NAs bei einem pH-Wert von 4,5 in Anwesenheit von 0,1 % Tween20 durch elektrostatische Wechselwirkungen erfolgreich adsorbiert werden. Die Elution wurde dann durch eine Änderung des pH-Werts auf 10 und die Zugabe von 50 mM Natriumchlorid ausgelöst, da so die NAs elektrostatisch von den anionischen NFs abgestoßen werden. Damit konnte eine Zugabe von hohen Salzkonzentrationen oder geladenen Detergenzien, die normalerweise für die Elution von kationischen Materialien benötigt werden, vermieden werden.
Des Weiteren sollten NA aus biologischen Proben wie Serum isoliert werden. Eine Verdünnung von 1:150 ermöglichte eine erfolgreiche Extraktion, jedoch musste die Effizienz verbessert werden. Sowohl die Erhöhung der Anzahl der kationischen Bindungsstellen durch Anpassung des Dotierungsverhältnisses oder das Herabsetzen des Adsorptions pH Wertes zeigte Optimierungspotenzial. Für die Entwicklung eines S2A-Tests, wurden NFs in ein Mikrofluidik-Analysegerät auf Papierbasis (µPAD) integriert. Die gute Extraktionseffizienz der NFs konnte auch im Test Design nachgewiesen werden. Schließlich wurde die Rekombinase-Polymerase-Amplifikation (RPA) auf Filterpapier als isotherme Amplifikationsmethode getestet. Für die Fertigstellung des S2A-Tests, sollten zukünftige Studien die Extraktion von NAs aus Serumproben im µPAD-Design mit der Amplifikation mittels RPA kombinieren.
Mikroplastik (MP) ist in der Umwelt und im menschlichen Körper verbreitet, aber dessen Auswirkungen auf Organismen sind noch unbekannt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung von Mikroplastik auf zellulärer Ebene und im ganzen Organismen, sowie einzelnen Organen. Üblicherweise werden kugelförmigen Partikel verwendet, jedoch repräsentieren diese nicht die in der Umwelt vorkommenden unregelmäßigen Fragmente und faserigen Partikel. Ziel dieser Studie war die Herstellung von naturgetreuem MP unter Verwendung von NFs Ausgangsmaterial.
Diese haben als eindimensionales Nanomaterial großes Potenzial und lassen sich leicht mit verschiedenen Arten von Dotierstoffen modifizieren. Die Form der Partikel kann je nach Herstellungsverfahren angepasst werden. Durch das Vermahlen mit Kugelmühlen wurden unregelmäßige Partikel von etwa 4 µm produziert. Durch die Zerkleinerung mit einem Ultraturrax konnten fasrige Partikel gewonnen werden, deren Länge von 20 µm jedoch für eine biologische Anwendung zu groß ist.
Da in histologischen Studien häufig optische Markierungen erforderlich sind, wurden DPA und UCNPs während des Elektrospinnens erfolgreich in die NFs eingebettet. Die Eignung dieser optischen Marker konnte durch die homogene Verteilung in den Fasern und die geringe Auslaugung bewiesen werden. Das mit DPA markierte MP wurde dann in einem ex vivo Modell von isolierten, perfundierten Nieren der Maus untersucht, wobei das MP selektiv im Gewebe angeregt werden konnte. Da die Partikel in kleineren Nierengefäßen und glomerulären Kapillaren stecken blieben, müssen sich künftige Studien auf den Einfluss der Form des MP konzentrieren. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse kann dieses System für weitere Anwendungen in biologischen Bereichen, einschließlich Zell-, Tier- oder Gewebestudien, eingesetzt und auch auf andere Arten von Polymeren ausgedehnt werden
Metadata last modified: 23 Feb 2026 07:43
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