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Background With additive manufacturing (AM) individual and biocompatible implants can be generated by using suitable materials. The aim of this study was to investigate the biological effects of polylactic acid (PLA) manufactured by Fused Deposition Modeling (FDM) on osteoblasts in vitro according to European Norm / International Organization for Standardization 10,993–5. Method Human osteoblasts (hFOB 1.19) were seeded onto PLA samples produced by FDM and investigated for cell viability by fluorescence staining after 24 h. Cell proliferation was measured after 1, 3, 7 and 10 days by cell-counting and cell morphology was evaluated by scanning electron microscopy. For control, we used titanium samples and polystyrene (PS). Results Cell viability showed higher viability on PLA (95,3% ± 2.1%) than in control (91,7% ±2,7%). Cell proliferation was highest in the control group (polystyrene) and higher on PLA samples compared to the titanium samples. Scanning electron microscopy revealed homogenous covering of sample surface with regularly spread cells on PLA as well as on titanium. Conclusion The manufacturing of PLA discs from polylactic acid using FDM was successful. The in vitro investigation with human fetal osteoblasts showed no cytotoxic effects. Furthermore, FDM does not seem to alter biocompatibility of PLA. Nonetheless osteoblasts showed reduced growth on PLA compared to the polystyrene control within the cell experiments. This could be attributed to surface roughness and possible release of residual monomers. Those influences could be investigated in further studies and thus lead to improvement in the additive manufacturing process. In addition, further research focused on the effect of PLA on bone growth should follow. In summary, PLA processed in Fused Deposition Modelling seems to be an attractive material and method for reconstructive surgery because of their biocompatibility and the possibility to produce individually shaped scaffolds.

Background: With additive manufacturing (AM) individual and biocompatible implants can be generated by using suitable materials. The aim of this study was to investigate the biological effects of polylactic acid (PLA) manufactured by Fused Deposition Modeling (FDM) on osteoblasts in vitro according to European Norm / International Organization for Standardization 10,993–5. Method: Human osteoblasts (hFOB 1.19) were seeded onto PLA samples produced by FDM and investigated for cell viability by fluorescence staining after 24 h. Cell proliferation was measured after 1, 3, 7 and 10 days by cell-counting and cell morphology was evaluated by scanning electron microscopy. For control, we used titanium samples and polystyrene (PS). Results: Cell viability showed higher viability on PLA (95,3% ± 2.1%) than in control (91,7% ±2,7%). Cell proliferation was highest in the control group (polystyrene) and higher on PLA samples compared to the titanium samples. Scanning electron microscopy revealed homogenous covering of sample surface with regularly spread cells on PLA as well as on titanium. Conclusion: The manufacturing of PLA discs from polylactic acid using FDM was successful. The in vitro investigation with human fetal osteoblasts showed no cytotoxic effects. Furthermore, FDM does not seem to alter biocompatibility of PLA. Nonetheless osteoblasts showed reduced growth on PLA compared to the polystyrene control within the cell experiments. This could be attributed to surface roughness and possible release of residual monomers. Those influences could be investigated in further studies and thus lead to improvement in the additive manufacturing process. In addition, further research focused on the effect of PLA on bone growth should follow. In summary, PLA processed in Fused Deposition Modelling seems to be an attractive material and method for reconstructive surgery because of their biocompatibility and the possibility to produce individually shaped scaffolds. Hintergrund und Ziele: Durch den Einsatz von biomechanisch geeigneten und biokompatiblen Materialien können mittels 3D-Druck (engl.: additive manufacturing (AM)) individuelle Implantate hergestellt werden. Dieser Herstellungsprozess kann die Materialeigenschaften und damit auch die Biokompatibilität verändern. In dieser Studie wurde das als biokompatibel geltende Polylaktide (PLA) durch Schmelzschichtung (fused deposition modeling (FDM)) zu Scheiben verarbeitet. Ziel dieser Studie war es, den Einfluss dieses Herstellungsprozesses auf die Biokompatibilität von Osteoblasten in einer in vitro Kultur gemäß DIN EN ISO 10993-5 zu untersuchen. Material und Methoden: In dieser Studie wurden humane Osteoblasten (hFOB 1.19) auf PLA Scheiben kultiviert, welche mittels FDM hergestellt worden waren. Als Kontrollgruppe dienten Titan- und Polystyrolproben. Im Anschluss erfolgten Biokompatibilitätstestungen. Zunächst wurde die Zellviabilität durch eine Fluoresceindiacetat- (FDA; 10 μg/mL in PBS. Invitrogen, Germany) und Propidiumiodid-Färbung (PI; 50 μg/mL in PBS, Invitrogen, Germany) Färbung nach 24 Stunden Kultivierungszeit dargestellt. Die Zellproliferation wurde nach 1, 3, 7 und 10 Tagen durch Zellzählung gemessen. Die Zellmorphologie wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie bestimmt. Ergebnisse: Die Zellviabilität, also der Anteil lebender Zellen in einer Zellpopulation, war bei PLA (95,3% ± 2,1%) höher als in der Titan-Kontrollgruppe (91,7% ±2,7%). Die höchste Zellproliferation war in der Polystyrol-Kontrollgruppe zu finden, gefolgt von den PLA-Proben. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigte eine homogene Verteilung der regelrecht ausgebreiteten Osteoblasten sowohl auf den PLA- als auch auf den Titanproben. Schlussfolgerung: Die Herstellung von PLA-Scheiben aus Polylaktiden mittels FDM konnte erfolgreich durchgeführt werden. Die In-vitro-Untersuchungen mit humanen fetalen Osteoblasten konnten keinen zytotoxischen Effekt der PLA-Scheiben aufzeigen. Ferner scheint FDM die Biokompatibilität von PLA nicht zu verändern. Dennoch zeigten Osteoblasten auf PLA-Proben im Vergleich zur Polystyrol-Kontrolle ein reduziertes Zellwachstum. Dies könnte durch die Oberflächenrauigkeit oder eine mögliche Freisetzung von Restmonomeren bedingt sein und sollte in zukünftigen Studien untersucht werden, um so zu einer etwaigen Verbesserung des additiven Herstellungsprozesses zu führen. Ferner sollte der Einfluss von PLA auf das Knochenwachstum untersucht werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PLA, welches mittels Schmelzschichtung prozessiert wird, ein attraktives Material und eine attraktive Methode für rekonstruktive Eingriffe darstellt, um individuelle und biokompatible Implantate herzustellen.

Die Hydrothermale Karbonisierung ist ein schon Anfang des 20. Jahrhunderts von Friedrich Bergius beschriebener Prozess zur Erzeugung von Biokohle. Bei diesem Prozess wird der nat��rliche Inkohlungsprozess nachgestellt. Aus Biomasse wird unter Luftabschluss, Temperaturen ��ber 180��C und Dr��cken h��her als 10bar ��ber eine kurze Verweilzeit zu Biokohle. Da dieser Prozess, nach der ersten Beschreibung von Bergius erst Anfang des Jahrhunderts ���wiederentdeckt��� wurde, strebt man nach mehr Verst��ndnis ��ber den Prozess und dessen Nebenprodukte. Diese Arbeit besch��ftigt sich mit dem Aufbau und der Weiterentwicklung eines zur HTC f��higen Reaktors. Des Weiteren wird in dieser Arbeit die Exothermie des Prozesses untersucht. Zur Untersuchung der Einfl��sse der Prozessparameter wurde mit einer Versuchsreihe begonnen und von Stutzenstein weitergef��hrt. Als Feedmaterial f��r diese Versuchsreihe wurde Biogasg��lle mit einem Wassergehalt von 95Gew.% gew��hlt. Die im Zuge der Arbeit durchgef��hrten Versuche best��tigten, dass eine Kombination von hohen Karbonisierungsgraden gepaart mit hohen N��hrstoffkonzentrationen in der Hydrokohle nicht m��glich ist. Die daf��r notwendigen hohen Temperaturen wirken immer negativ auf Ausbeute und N��hrstoffr��ckgewinnung. Die weiteren Ergebnisse dieser Arbeit sind, dass der am Institut entwickelte Reaktor zu einer kontrollierten hydrothermalen Karbonisierung f��hig ist und diese durch die ��nderung der Prozessparameter zu unterschiedlichen Elementarzusammensetzungen der Hydrokohle f��hrt. Gezeigt wurde auch, dass die Reaktionen der hydrothermalen Karbonisierung in Summe exotherm sind, da sich der Verbrauch an Energie f��r Aufheizen und Temperaturerhalt, mit Biomasse anstelle von Wasser verringert., Hydrothermal Carbonization is a process first noted by Friedrich Bergius at the beginning of the 20th century, as means of producing biochar. During production the natural coalification process is emulated. Combining air exclusion with temperatures over 180��C and a pressure level above 10bar, biomass will form into biochar within a short period of time. Whilst Bergius first mentioned hydrothermal carbonization over 100 years ago, it was only ���rediscovered��� at the beginning of the 21st century, where a more detailed comprehension of the process and its by-products was pursued. This paper focuses on building and further developing a reactor capable of HTC, researching the exothermic of the process. To examine the influence of the process-parameters an experimental series was commenced and continued by Mrs Stutzenstein. Feed-material for these experimental series was biogas slurry. Experiments commenced showed, that a combination of high carbonization levels paired with a high concentration of nutrients is not possible in hydrochar, as the high temperature requirements have a negative impact on the rate of yield as well as nutrients reclaimed. Further result of the research conducted was, that a controlled hydrothermal carbonization is possible with the reactor built by the department. Additionally, varying process parameters resulted in different elemental compositions. It was further demonstrated, that reactions of hydrothermal carbonization are overall exothermic, since energy required for heating and temperature preservation, was lower using biomass instead of water.

In this work, we illustrate the benefits and problems of mathematical modelling and effective numerical algorithms to determine the diffraction of light by periodic grating structures. Such models are required for reconstruction of the grating structure from the light diffraction patterns. With decreasing structure dimensions on lithography masks, increasing demands on suitable metrology techniques arise. Methods like scatterometry as a non-imaging indirect optical method offer access to the geometrical parameters of periodic structures including pitch, side-wall angles, line heights, top and bottom widths. The mathematical model for scatterometry is based on the Helmholtz equation derived as a time-harmonic solution of Maxwell's equations. It determines the incident and scattered electric and magnetic fields, which fully specify the light propagation in a periodic two-dimensional grating structure. For numerical simulations of the diffraction patterns, a standard finite element method (FEM) or a generalized finite element method (GFEM) is used for solving the elliptic Helmholtz equation. In a first step, we performed systematic forward calculations for different varying structure parameters to evaluate the applicability and sensitivity of different scatterometric measurement methods. Furthermore our programs include several iterative optimization methods for reconstructing the geometric parameters of the grating structure by the minimization of a functional. First reconstruction results for different test data sets are presented.