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Computergestützte Suche nach optimalen linearen Codes über endlichen Kettenringen unter Verwendung heuristischer Methoden (2011)

Johannes Zwanzger

In den Jahren 1968 und 1972 entdeckten Preparata bzw. Kerdock zwei unendliche Serien sehr guter nichtlinearer binärer Codes. Beide umfassen den Nordstrom-Robinson-Code, einen (16, 2^8, 6)-Code, dessen Minimaldistanz die obere Schranke von 5 für lineare binäre Codes gleicher Länge und Kardinalität übertrifft. Lange Zeit war unklar, warum die Codes beider Serien formal dual zueinander sind, d. h. warum ihre Gewichtszähler die MacWilliams-Identität erfüllen. Erst in den neunziger Jahren fand man heraus, dass sie als Bilder linearer Codes über dem Ring Z4 unter der sogenannten Grayabbildung dargestellt werden konnten. Diese Entdeckung löste einerseits das Rätsel und rückte gleichzeitig die Untersuchung linearer Codes über Z4 in den Fokus der Forschung. In den Folgejahren wurden Codes über endlichen Kettenringen als natürliche Verallgemeinerung der klassischen Codes über endlichen Körpern erkannt. Für jeden endlichen Kettenring R ist der Faktorring R/Rad(R) isomorph zu einem endlichen Körper GF(q), und mit Hilfe einer verallgemeinerten Version der Grayabbildung kann jeder R-lineare Code in einen - für gewöhnlich nichtlinearen - Code über GF(q) überführt werden. R-lineare Codes, deren Graybild eine bessere Minimaldistanz aufweist als optimale lineare Codes über GF(q) mit denselben Parametern, nennen wir BTL-Codes (better-than-linear). Ist noch unklar, ob lineare Codes derselben Minimaldistanz über GF(q) existieren, sprechen wir von BTKL-Codes (better-than-known-linear). Im Unterschied zu den umfassenden Tabellen für lineare Codes über Körpern gab es - abgesehen von Z4 - bisher nur wenig vergleichbares Datenmaterial zu linearen Codes über endlichen Kettenringen. Diese Lücke zu schließen und gleichzeitig nach weiteren Beispielen für BTL- und BTKL-Codes zu suchen, waren die Hauptziele der vorliegenden Arbeit. Um dies zu erreichen, wurde ein heuristischer Algorithmus aus meiner Diplomarbeit für die Suche nach guten linearen Codes über endlichen Körpern auf die Situation über endlichen Kettenringen verallgemeinert. Es handelt sich hierbei um einen Greedy-Algorithmus, der versucht, die gewünschten Codes durch schrittweises Erweitern von Generatormatrizen zu konstruieren. Die Entscheidungen in jedem Schritt basieren dabei auf einer von probabilistischen Überlegungen geleiteten Bewertungsfunktion. Eine weitere Verallgemeinerung ermöglichte es außerdem, die Methode auf eine größere Klasse von Problemen anzuwenden. In dieser Arbeit betraf dies im Speziellen die Konstruktion linearer Codes nach der Kramer-Mesner-Methode, also solchen, deren Automorphismengruppe eine bestimmte, vorgeschriebene Untergruppe enthält. Mit Hilfe dieser Verfahren wurde eine Datenbank von mehr als 93.000 linearen Codes mit hoher Minimaldistanz über 24 verschiedenen endlichen Kettenringen aufgebaut. Mehr als 1.200 dieser Codes sind als optimal nachgewiesen. Außerdem wurden mehrere neue BTL- und BTKL-Codes gefunden. Einer von ihnen entpuppte sich als der erste Vertreter einer unendlichen Serie über Z4, für deren beiden Anfangsglieder die BTL-Eigenschaft gezeigt werden konnte. Für einen anderen Code fand sich eine interessante geometrische Interpretation. Die Methoden wurden auch zur Konstruktion klassischer Codes über endlichen Körpern mit vorgeschriebener Automorphismengruppe eingesetzt. Dies führte zur Verbesserung der internationalen Tabellen für die beste bekannte Minimaldistanz an insgesamt 497 Stellen, wobei mindestens 38 der gefundenen Codes optimal sind. Auf Grundlage dieser Ergebnisse ist festzustellen, dass die verallgemeinerte Version des Algorithmus sich als mächtiges Werkzeug für Konstruktionsprobleme der hier vorliegenden Art erwiesen hat. Die erzeugten Tabellen legen außerdem die Vermutung nahe, dass BTL- und BTKL-Codes eher seltene Objekte sind, insbesondere für andere Kettenringe als Z4.

Complex TERRain and ECOlogical Heterogeneity (TERRECO);WP 1-02: Spatial assessment of atmosphere-ecosystem exchanges via micrometeorological measurements, footprint modeling and mesoscale simulations ; Documentation of the Observation Period May 12th to Nov. 8th, 2010, Haean, South Korea (2011)

Peng Zhao Johannes Lüers Johannes Olesch Thomas Foken

no abstract

Constraint-System für eine mehrschichtige Metamodellierungsumgebung (2011)

Michael Zeising

In vielen Bereichen wird die Bewältigung von komplexen Problemstellungen durch Modelle unterstützt. Modelle beschreiben Software-Systeme, geschäftliche Abläufe, Kommunikationsbeziehungen zwischen Menschen und vieles mehr. Sogenannte Metamodelle beschreiben dabei die Struktur und Bedeutung von Modellen, dienen also als „Sprache“ für deren Formulierung. Die meisten Modellierungswerkzeuge sind eng an ein bestimmtes Metamodell gekoppelt, können also nur zur Entwicklung einer bestimmten „Art“ von Modellen dienen. Ein Ansatz flexiblere Werkzeuge zu erhalten besteht darin, zwischen der Repräsentation und der Bedeutung von Modellen zu trennen. Ein flexibles Werkzeug basiert dann auf einem Metamodell, dass lediglich die Repräsentation von Modellen beschreibt und kann damit zur Entwicklung von Metamodellen selbst dienen. Zu Beginn der Entwicklung eines Modells darf das Werkzeug so wenige Einschränkungen wie möglich vorgeben. Für bestimmte Anwendungsfälle sind hingegen strikte Regeln für die Form eines Modells sinnvoll. Das Werkzeug muss es daher ermöglichen einem Modell je nach Bedarf Regeln bezüglich seiner Struktur aufzuerlegen. Für viele inhaltliche Zusammenhänge wären sehr komplexe Modelle notwendig um alle Randbedingungen präzise zu erfassen und manches lässt sich unter Umständen mit den Mitteln der Modellierungssprache überhaupt erst gar nicht ausdrücken. Auch inhaltlich muss es daher möglich sein, dass Modell durch beliebige Randbedingungen zu verfeinern. In dieser Arbeit wird eine Sprache zur Formulierung solcher Randbedingungen (engl. constraints) entwickelt. Diese dienen einerseits dazu, die Modellierungssprache selbst einzuschränken, ermöglichen also den oben erwähnten Wechsel zwischen freien und strikten Modellierungsparadigmen. Andererseits ermöglicht sie eine inhaltliche Verfeinerung von Modellen über die Modellierungssprache hinaus.

Stability Analysis of Unconstrained Receding Horizon Control Schemes (2011)

Karl Worthmann

In this thesis we are concerned with receding horizon control (RHC), also known as model predictive control. In particular, schemes which neither incorporate terminal constraints nor costs are considered. Our goal is to ensure a relaxed Lyapunov inequality which allows to conclude asymptotic stability of the RHC closed loop and, in addition, to quantify the loss of performance in comparison to infinite horizon optimal control. To this end, a (stability) condition is derived based on a controllability assumption. Then, a sensitivity analysis is carried out with respect to the most important parameters in our RHC strategy: the prediction and the control horizon. Here, the proposed stability condition is exploited in order to deduce guidelines to suitably design receding horizon stage costs. Furthermore, symmetry and monotonicity properties are rigorously shown which pave the way in order to develop algorithms such that the prediction horizon and, thus, the computational costs can be reduced while maintaining a desired performance guarantee. Since many practically relevant discrete time systems are induced by sampled differential equations, effects linked to employing faster sampling and, thus, more accurate discretizations are analyzed. In this context a growth condition which may, e.g., reflect continuity properties, is introduced and the proposed methodology is generalized to this setting - a decisive step towards so called accumulated bounds which further improve our stability estimates and, thus, allow to derive tighter performance bounds. Moreover, the applicability and effectiveness of the presented results are demonstrated by several examples including a class of reaction diffusion equations.

Von partikulären Bausteinen zu suprakolloidalen Strukturen finiter Größe (2011)

Claudia Simone Wagner

Im Rahmen dieser Arbeit wurden unter Zuhilfenahme von Templaten komplexe kolloidale Strukturen aufgebaut. Die Herstellung von kolloidalen Clustern, Hybridclustern und nanoporösen Kapseln wurde in Verknüpfung mit theoretischer Modellierung erforscht, um komplexe Bausteine für die Mesotechnologie zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck wurden gezielt größere Mengen kolloidaler Cluster hergestellt, wobei erstmals eine Gesamtgröße der Aggregate unter 300 nm erzielt werden konnte. Cluster dieser Größe sind auf Grund der Brownschen Teilchenbewegung stabilisiert, welche der Sedimentation der Cluster entgegenwirkt. Die Clusterherstellung erfolgte durch eine kontrollierte Aggregation kolloidaler Polymer-Bausteine. Dabei wurden Emulsionströpfchen von Öl-in-Wasser-Emulsionen als Template verwendet. Die in derartigen Emulsionen dispergierten Partikel adsorbierten auf Grund des Pickering-Effekts an der Tröpfchenoberfläche. Die Reduktion der Clustergröße wurde durch eine Beschränkung der Primärbausteine auf Polystyrol-Partikel auf Durchmesser kleiner 200 nm und eng verteilte Öltröpfchen im Mikrometerbereich erreicht. Die Tröpfchengrößenverteilung konnte gezielt durch den Einsatz von Ultraschall gesteuert werden. Durch kontrolliertes Verdampfen der Öltröpfchen wurde die Clusterbildung induziert und es kam zu einer Anordnung der Partikel zu Clustern mit definierten Konfigurationen. Durch Zentrifugation in einem Dichtegradienten ließ sich die Suspension in Fraktionen einheitlicher Cluster auftrennen und schließlich mittels rasterelektronischer Aufnahmen definierten Konfigurationen zuordnen. Um in der vorliegenden Dissertation das nächsthöhere Level an Komplexität zu erreichen, wurde das neue Verfahren der Clusterherstellung zur Synthese definierter kolloidaler Hybridcluster eingesetzt, das heißt zum Aufbau von Clustern bestehend aus unterschiedlichen Bausteinen. Zunächst wurden Polystyrol-Cluster nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt. Diese dienten als Template für eine Adsorption entgegengesetzt geladener anorganischer Nanopartikel auf ihren Oberflächen. Hierbei konnte gezeigt werden, dass ein hoher Bedeckungsgrad der Clusteroberfläche mit Nanopartikeln mit einer Ladungsumkehr verbunden ist und dies die Herstellung stabiler Suspensionen von Hybridclustern ermöglicht, obwohl sich die Polystyrol-Cluster und die Nanopartikel in ihrer Nettoladung unterschieden. Die Charakterisierung der Hybridcluster durch Rasterelektronenmikroskopie ergab, dass das Abscheiden der Nanopartikel zu einer gleichmäßigen, räumlich separierten Verteilung der Nanopartikel auf der Clusteroberfläche führte. Somit eröffnen sich Perspektiven für Hybride mit einer Kontrolle über Form, Zusammensetzung und Oberflächenrauigkeit. Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit einer Strategie zur Herstellung anisometrischer, nanoporöser Kapseln, sogenannten Nanosomen, bestehend aus einer geschlossenen Monolage von Nanopartikeln. Zur Synthese der Nanosome wurden die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Arbeiten genutzt: zum einen können geladene Partikel kontrolliert über die Öl- und die Wasserphase in den Emulsionsschritt eingebracht werden und zum anderen können kolloidale Cluster als Template zur Herstellung von Hybriden dienen. Zuerst wurden negativ geladene anorganische Nanopartikel und positiv geladene Polymerpartikel an der Oberfläche von Emulsionströpfchen vereint. Die Emulgierung erfolgte in Anlehnung an das Verfahren zur Herstellung von kolloidalen Clustern. Die entstandenen Heteroaggregate wurden anschließend mittels Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Dabei zeigte sich, dass diese eine Kern-Schale-Architektur besaßen, wobei definierte Polymercluster als Kern fungierten und die Nanopartikel die Schale bildeten. Eine anschließende Entfernung der inneren Template durch Pyrolyse zeigte nanoporöse Kapseln mit komplexer Gestalt, welche durch die Anzahl der Polymerpartikel pro Tröpfchen bestimmt war. Trotz der Monolage der erhaltenen Nanosome waren alle untersuchten Konfigurationen intakt. Zusätzliche theoretische Modellierung erlaubte ein vertieftes Verständnis der Anordnung der Nanopartikel auf den Clustern und eine Aussage zur Stabilität der Nanosome. Durch deren Komplexität und einer bemerkenswert hohen Dichte an Nanoporen könnten die Nanosome somit Anwendung im Bereich der Biomedizin finden. Zusammenfassend dargestellt präsentiert diese Dissertation die Kombination elementarer Bausteine zu mesoskopischen Designer-Aggregaten höherer Komplexität, gepaart mit einzigartigen optischen und magnetischen Eigenschaften.

Gitterbasenreduktion mit Random Sampling und heuristischen Erweiterungen (2011)

Heiko Vogel

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem mathematischen Teilgebiet der Gitterbasenreduktion. Aufbauend aus den Erkenntnissen der Diplomarbeit "Gitterbasenreduktion mit Random Sampling" werden verschiedene Modifikationen am ursprünglichen LLL- bzw. BKZ-Verfahren vorgenommen: Es wird der von C. Schnorr entwickelte Ansatz, den LLL-Austauschschritt um Tiefeneinfügungen zu erweitern, aufgegriffen und eine alternative Methode zum Basisaustausch für das BKZ-Verfahren vorgestellt. Ferner werden zwei unterschiedliche Verfahren von A. Wassermann und P. Nguyen zum Abschneiden von Enumerationsbäumen beschrieben. Die Random Sampling Strategie von Schnorr wurde überarbeitet, um ein schlechtes GSA-Verhalten des Gitters zu berücksichtigen und eine neuartige Strategie von Buchmann und Ludwig wurde implementiert, bei der das GSA-Verhalten vollkommen irrelevant ist. Schließlich wird ein grundlegendes, heuristisches Bewertungskonzept für Gittervektoren entwickelt, das im Rahmen eines von T. Vidick und P. Nguyen beschriebenen Siebverfahrens, Anwendung findet. Mit Hinblick auf die Qualität der erreichten Gitter-Reduktion für schwierige Market-Split-Probleme in Dimensionen ≈ 120, liefern diese neuen Methoden hervorragende Ergebnisse in äußerst kurzer Zeit (ca. 5 Stunden auf einem 3 GHz Rechner). Auch für Problemdimensionen > 500 sind die Resultate durchaus noch zufriedenstellend - allerdings ist hierbei der Rechenaufwand (> 7 Tage) nicht mehr zu vernachlässigen. Im Vergleich mit dem kommerziellen Programm CPLEX, das einen völlig anderen Ansatz zur Lösung von ganzzahlig-linearen Gleichungssystemen verfolgt, konnten sogar sehr gute Ergebnisse erzielt werden.

Korrespondenzberechnung auf Klassendiagrammen (2011)

Sabrina Uhrig

Für die modellgetriebene Softwareentwicklung werden Werkzeuge benötigt, die das Arbeiten mit Modellen unterstützen. Ein besondere Stellung nehmen Vergleichswerkzeuge ein, die dem Entwickler nicht nur veranschaulichen, was sich zwischen zwei Versionen eines Modells geändert hat, sondern auch Differenzen liefern, auf deren Grundlage zwei Versionen miteinander zu einem Dokument verschmolzen werden können. Vergleichsverfahren arbeiten üblicherweise in zwei Schritten. Zunächst werden die korrespondierenden Modellelemente bestimmt, bevor dann im zweiten Schritt die Unterschiede auf Basis der Korrespondenzen ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem ersten, schwierigeren Schritt, der Korrespondenzberechnung, mit einem Schwerpunkt auf Klassendiagrammen, die das Kernstück der objektorientierten Modellierung darstellen. In diesem Rahmen wurden zwei Korrespondenzberechnungsverfahren für den Vergleich von Ecore-Klassendiagrammen entwickelt, die strukturbasiert arbeiten und keine eindeutigen Objektbezeichner verwenden. Während die bisher bekannten Vergleichsverfahren für Klassendiagramme, die keine eindeutigen Objektbezeichner verwenden, die Korrespondenzen über Ähnlichkeitsheuristiken bestimmen, wurde für das erste Verfahren ein neuartiger Ansatz verfolgt. Analog zu der Definition eines Edierabstandes für Bäume oder Graphen wurde ein Edierkostenmodell in Verbindung mit einer Menge zulässiger Änderungsoperationen auf Klassendiagrammen entworfen. Auf diese Weise kann die Berechnung der Korrespondenzen zwischen zwei Klassendiagrammen als Optimierungsproblem dargestellt werden, eine Zuordnung mit minimalen Edierkosten zu bestimmen. Aufgrund der kontextabhängigen Kosten für die Edieroperationen auf Assoziationen und Vererbungskanten würde eine Bestimmung der optimalen Lösung die Bewertung aller O(n!) verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der Klassenpaare erfordern. Daher wird in dem vorgestellten Verfahren stattdessen ein relaxiertes Optimierungsproblem gelöst. Mit Hilfe der Abschätzung der Kosten für Assoziationen und Vererbungsbeziehungen durch eine untere Schranke lässt sich das Optimierungsproblem auf ein Netzwerkflussproblem reduzieren, das mit Hilfe eines Verfahrens aus der Graphentheorie mit polynomiellem Aufwand gelöst werden kann. In einem Teil der Fälle lässt sich über ein leicht überprüfbares hinreichendes Optimalitätskriterium nachweisen, dass die so berechnete Lösung für das relaxierte Optimierungsproblem auch für das ursprüngliche Optimierungsproblem optimal ist. Entsprechend den Ergebnissen einer durchgeführten Evaluation weichen die berechneten Edierkosten nur wenig von den optimalen Edierkosten ab. Das Verfahren unterscheidet sich von allen heuristischen Verfahren dadurch, dass ein objektives Kriterium, die Edierkosten der berechneten Zuordnung, existiert, mit dem beurteilt werden kann, inwieweit das Verfahren die vorgegebenen Ziele erreicht hat. Als zweites Verfahren zum Vergleich wurde ein ähnlichkeitsbasiertes, heuristisches Verfahren entwickelt, das für die möglichen Korrespondenzpaare Ähnlichkeitswerte berechnet und mit Hilfe eines heuristischen Auswahlverfahrens die korrespondierenden Elemente über die Maximierung der Gesamtähnlichkeit bestimmt. Beide Verfahren wurden in einem Plugin für Eclipse implementiert, das zusammen mit Komponenten des Eclipse Modeling Frameworks ein Rahmenwerk zum Modellieren und Vergleichen von Ecore-Klassendiagrammen bildet. Dabei wurde der Vergleich von Klassendiagrammen mit Paketen in zwei Stufen unterteilt. Über einen Vergleich aller Klassenpaare unabhängig von deren Lage in der Pakethierarchie werden zunächst die Korrespondenzen auf Klassenebene gebildet. Darauf aufsetzend werden die korrespondierenden Pakete unter der Vorgabe der Klassenkorrespondenzen bestimmt. Das Rahmenwerk bietet eine Auswahlsicht, in der verschiedene Klassen- und Paketebenenverfahren kombiniert werden können. Die Vergleichsergebnisse des edierkostenbasierten und des ähnlichkeitsbasierten Verfahrens wurden in einer Evaluation einander gegenübergestellt. Die vorliegende Arbeit erweitert den Stand der Technik in diesem Gebiet somit nicht nur um Korrespondenzberechnungsverfahren, sondern liefert auch Erkenntnisse über die Eignung des Edierabstandes zwischen Modellen als Kriterium für die Bewertung von Modelldifferenzen und darüber, wie sich ein edierkostenbasiertes Verfahren im Vergleich zu einem ähnlichkeitsbasierten Verfahren verhält.

Exotic Species Invasion and Biodiversity in Bangladesh Forest Ecosystems (2011)

Mohammad Belal Uddin

Both, biological invasion by exotic plant species and biodiversity including spatial patterns and drivers are two major issues in tropical forest ecosystems. This dissertation deals with these two issues in a tropical forest ecosystem in Bangladesh. Considering the first issue, it comprises two manuscripts: a systematic review and a field survey in Bangladesh forest ecosystem. The review was done based on a formalized literature search in order to summarize the approaches that were hitherto applied as well as to mark gaps in tropical invasion research. A considerable number of primary research papers focused on invasion by plants in tropical forests were reviewed. The results identified ample gaps of research. Adressing these gaps may generate promising future research to understand and mitigate this great challenge in different types of tropical forests. Then a case study was conducted to examine the invasiveness and invasibility characteristics in a forest ecosystem of Bangladesh. This study seeks to find out the characteristics of exotic species and relationships between native species richness, environmental variables, disturbances and exotic plant invasion in this ecosystem. Boosted Regression Trees and Detrended Correspondence Analysis are used to determine these relationships. Most exotics are trees followed by shrubs and herbs. Fabaceae and Asteraceae contribute a large proportion of exotic species. Most of them originated from other tropical areas. Native species richness was found to be the best predictor for the number and percentage of exotic species in the study area. However, a unimodal relationship was found. Multiple other factors also influence the success of exotic species. The number and the percentage of exotic species are positively correlated with frequency of disturbances and with soil attributes (phosphorus and bulk density) but negatively correlated with topography (elevation) and conservation patterns (protection). Considering the biodiversity issue, it encompases another two manuscripts based on a case study conducting a systematic field work in the same forest ecosystem of Bangladesh. They are the first spatially explicit analysis of drivers and patterns of biodiversity in this terrestrial ecosystem based on multivariate approaches, similarity analysis and variation partitioning. One manuscript assesses the relationships between landscape and habitat characteristics, conservation patterns, and plant diversity in this tropical forest ecosystem. This study analyses the effects of soils, topographic conditions, disturbances and nature protection on plant species richness and species composition. The results reveal that biodiversity patterns in the study area are positively correlated with protection and elevation. These patterns are, however, negatively correlated with disturbances. The other manuscript focuses on the stand characteristics and spatial patterns of biodiversity as they are rarely studied in the tropics in general and in Bangladesh in particular. Data on tree species are used as they are the most conspicuous element of these ecosystems. Tree species composition was recorded in a systematic plot design and diameter was measured at breast height for each individual tree. Distance-decay approach was applied to analyze the spatial pattern of biodiversity for the whole study area and two subsamples from Satchari National Park and Satchari Reserve Forest. Analyses showed that biomass increased significantly with protection status. Plots in the Reserve Forest were associated with higher species turnover than in the National Park. This dissertation identifyies, for the first time in a systematic approach, the major drivers for invasion and biodiversity pattern in a forested area in Bangladesh. In conclusion, both, biological invasion by exotic plant species as well as biodiversity are strongly related to the disturbance regime and nature protection.

Überlegungen und Konzepte eines Produktivitätsindexes für Krankenhäuser (2011)

Cornelius P. Tillmann Ricarda B. Bouncken

Neben dem moralischen Zwang aus dem Gebot der Menschlichkeit erleben die Dienstleister des Gesundheitsbereiches eine weitere Notwendigkeit der Sicherung hoher Qualität und Produktivität. Geöffnete Märkte, sich wandelnde Rahmenbedingungen wie ein entgeltorientiertes Vergütungssystem und sich dadurch verändernde Marktdynamiken erhöhen den Druck, unter dem Diktat sinkenden Kosten eine gleichbleibende, ja sogar steigende Qualität der medizinischen Versorgung sicherzustellen. Der Produktivität kommt dabei eine entscheidende Rolle zu. Doch nicht die Steigerung eben dieser soll Thema sein; Ziel dieser Abfassung ist vielmehr, eine Einordnung und einen Überblick über Konzepte zur Messung der Produktivität im Krankenhaus zu geben. Dabei wird auf die Herleitung zur Bildung eines Produktivitätsindexes hingearbeitet. Dieser muss sowohl weiche als auch harte Faktoren medizinischer Dienstleistungen erfassen. Das dabei erarbeitete Konzept wird diesem Anspruch insofern gerecht, als dass ein Ansatz formuliert wird, der in der Lage ist, auf theoretische Weise Qualität und Produktivität im Krankenhaus zu operationalisieren und damit mess- und vergleichbar zu machen. Denn erst, wenn Prozesse messbar sind, können sie, z.B. durch ein in- bzw. externes Benchmarking, verglichen werden. Dazu werden Kennzahlen entwickelt, die in einem entsprechenden Index zusammengefasst werden und damit in der Lage sind, umfassend über Qualität und Produktivität eines Prozesses im Krankenhaus Auskunft zu geben. Des Weiteren werden Limitationen des Modells aufgezeigt und Ideen und Ansätze, die der Weiterentwicklung des Konzeptes dienen, diskutiert.

Fabrication of Polymersomes using Microfluidic Devices (2011)

Julian Thiele

The fabrication of diblock copolymer vesicles, so-called polymersomes, from poly(2-vinylpyridine)-block-poly(ethylene glycol) (P2VP-b-PEG) and poly(ethylene glycol)-block-poly(lactid acid) (PEG-b-PLA) by means of microfluidics is described. The experiments were performed in microfluidic devices made by soft lithography in poly(dimethylsiloxane) (PDMS). To gain insight into the fluid dynamics in the microfluidic devices, 2D and 3D simulations based on the finite element method (FEM) were performed. This allowed for optimization of the microchannel geometry, and thus precise control over the formation process and properties of the polymersomes, which were extensively characterized by dynamic light scattering (DLS), confocal laser scanning microscopy (CLSM) and cryo transmission electron microscopy (cryo-TEM). Two distinct approaches to control the vesicular self-assembly of copolymer molecules into polymersomes were studied: the undirected self-assembly using hydrodynamic flow focusing (HFF) and the directed self-assembly using copolymer-stabilized water/organic solvent/water (W/O/W) double emulsion templates. In the former case, the formation of polymersomes occurred at the interface of a flow-focused, copolymer-loaded solvent stream and a selective solvent in a simple microchannel cross junction. Investigations revealed that the polymersome size is in proportion with the flow rate ratio of polymer solution and the selective solvent; a nucleation and growth model explaining the observed relation between flow conditions and polymersome size was proposed. In the latter case, the formation of polymersomes was directed by W/O/W double emulsions during evaporation of the organic solvent in which the copolymer was dissolved. The formation of vesicles from diblock copolymers in microfluidic devices not only enables continuous fabrication of polymersomes with controlled size and narrow polydispersity (PDI), but also offers the ability to tune the polymersome size over several orders of magnitude from less than 50 nm using HFF to more than 100 micron using double-emulsion templates. To allow for the aforementioned studies, preliminary work focusing on increasing the resistance of PDMS towards swelling due to organic solvents was performed. By using a glass-like coating based on sol-gel chemistry, the swelling of PDMS was decisively decreased. Analyses of coated devices by scanning electron microscopy (SEM) illustrated that the coating could be homogeneously distributed even in complex microfluidic devices as employed for the preparation of double-emulsion templates. To simplify the fabrication of microfluidic devices with patterned wettability as required for the formation of double emulsions, a novel method to spatially pattern the surface properties of microchannels using flow confinement was developed. For a better understanding of the formation of double emulsions, a fundamental investigation of multiple emulsion formation in microfluidic devices in general was performed. Results show that, depending on the number of dripping instabilities present in the device, multiple emulsions can either be formed in a sequence of emulsification steps or in a one-step process. It was furthermore demonstrated that one-step formation of multiple emulsions provides a novel way to create emulsions from liquids, which otherwise cannot be emulsified controllably, such as viscoelastic polymer solutions or liquids exhibiting a low surface tension. Finally, the development of a novel microfluidic spray dryer based on a conventional microfluidic device for forming double emulsions was presented and its application for fabricating drug nanoparticles from hydrophobic active pharmaceutical ingredients (APIs) was demonstrated.

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