Effects of metal-induced oxidative stress on endothelial cells in vitro

Aseptic loosening of metal implants is mainly attributed to the formation of metal degradation products. These include particulate debris and corrosion products, such as metal ions (anodic half-reaction) and ROS (cathodic half-reaction). While numerous clinical studies describe various adverse effects of metal degradation products, detailed knowledge of metal-induced cellular reactions, which might be important for possible therapeutic intervention, is not comprehensive. Since endothelial cells are involved in inflammation and angiogenesis, two processes which are critical for wound healing and integration of metal implants, the effects of different metal alloys and their degradation products on these cells were investigated. Endothelial cells on Ti6Al4V alloy showed signs of oxidative stress, which was similar to the response of endothelial cells to cathodic partial reaction of corrosion induced directly on Ti6Al4V surfaces. Furthermore, oxidative stress on Ti6Al4V alloy reduced the pro-inflammatory stimulation of endothelial cells by TNF-α and LPS. Oxidative stress and other stress-related responses were observed in endothelial cells in contact with Co28Cr6Mo alloy. Importantly, these features could be reduced by coating Co28Cr6Mo with a TiO2 layer, thus favouring the use of such surface modification in the development of medical devices for orthopaedic surgery. The reaction of endothelial cells to Co28Cr6Mo alloy was partially similar to the effects exerted by Co2+, which is known to be released from metal implants. Co2+ also induced ROS formation and DNA damage in endothelial cells. This correlated with p53 and p21 up-regulation, indicating the possibility of cell cycle arrest. Since CoCl2 is used as an hypoxia-mimicking agent, HIF-1α-dependence of cellular responses to Co2+ was studied in comparison to anoxia-induced effects. Although important HIF-1α-dependent genes were identified, a more detailed analysis of microarray data will be required to provide additional information about the mechanisms of Co2+ action. All these reactions of endothelial cells to metal degradation products might play their role in the complex processes taking place in the body following metal device implantation. In the worst case this can lead to aseptic loosening of the implant and requirement for revision surgery. Knowledge of molecular mechanisms of metal-induced responses will hopefully provide the possibility to interfere with undesirable processes at the implant/tissue interface, thus extending the life-time of the implant and the overall success of metal implant applications.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.

Identification and dissolution behavior of the secondary uranium minerals in the corrosion products of Depleted Uranium (DU) ammunition formed in soils

In der vorliegenden Studie wurden verschiedene Techniken eingesetzt um drei Proben (4, 7, and 8) die aus denrnKorrosionsprodukten von aus dem Kosovo Krieg stammenden Munitionskugeln, bestehend aus abgereichertem Uranrn(Depleted Uranium - DU), zu untersuchen. Als erstes Verfahren wurde die Raman-Spektroskopie eingesetzt. Hierbeirnzeigte sichin den Proben, charakterisiert durch einen Doppelpeak, die Anwesenheit von Schoepitrn(UO2)8O2(OH)12(H2O)12. Der erste und zweite Peakzeigte sich im Spektralbereich von 840,3-842,5 cm-1rnbeziehungsweise 853,6-855,8 cm-1. Diese Werte stimmen mit den Literaturwerten für Raman-Peaks für Schoepitrnüberein. Des Weiteren wurde bei dieser Untersuchungsmethode Becquerelite Ca(UO2)6O4(OH)6(H2O)8 mit einemrnPeak im Bereich zwischen 829 to 836 cm-1 gefunden. Aufgrund des Fehlens des Becquerelitespektrums in derrnSpektralbibliothek wurde eine in der Natur vorkommende Variante analysiert und deren Peak bei 829 cm-1 bestimmt,rnwas mit den Ergebnissen in den Proben korrespondiert. Mittels Röntgenbeugung (X-Ray Diffraction, XRD) zeigtenrnsich in allen Proben ähnliche Spektren. Das lässt darauf schließen, dass das pulverisierte Material in allen Probenrndas gleiche ist. Hierbei zeigte sich eine sehr gute Übereinstimmung mit Schoepit und/oder meta-rnSchoepit(UO2)8O2(OH)12(H2O)10, sowie Becquerelite. Weiterhin war weder Autunit, Sabugalit noch Uranylphosphatrnanwesend, was die Ergebnisse einer anderen Studie, durchgeführt an denselben Proben, wiederlegt. DiernAnwesenheit von P, C oder Ca im Probenmaterial konnte ausgeschlossen werden. Im Falle von Calciumkann diesrnmit der Anwesenheit von Uran erklärt werden, welches aufgrund seines Atomradius bevorzugt in Becquerelite (1:6)rneingebaut wird. Die beiden Hauptpeaks für Uran lagen im Falle von U 4f 7/2 bei 382.0 eV und im Falle von U 4f 5/2rnbei 392 eV. Diese Werte mit den Literaturwerten für Schoepit und meta-Schoepitüberein. Die Ergebnissernelektronenmikroskopischen Untersuchung zeigen U, O, Ca, Ti als dominante Komponenten in allen Messungen.rnElemente wie Si, Al, Fe, S, Na, und C wurden ebenfalls detektiert; allerdings kann nicht ausgeschlossen werden,rndass diese Elemente aus dem Boden in der unmittelbaren Umgebung der Munitionsgeschosse stammen. Gold wurdernebenfalls gemessen, was aber auf die Goldarmierung in den Probenaufbereitungsbehältern zurückgeführt werdenrnkann. Die Elektronenmikroskopie zeigte außerdem einige Stellen in denen elementares Uran und Bodenmineralernsowie sekundäre Uranminerale auftraten. Die Elementübersicht zeigt einen direkten Zusammenhang zwischen U andrnCa und gleichzeitig keine Korrelation zwischen U und Si, oder Mg. Auf der anderen Seite zeigte sich aber einrnZusammenhang zwischen Si und Al da beide Konstituenten von Bodenmineralen darstellen. Eine mit Hilfe derrnElektronenstrahlmikroanalyse durchgeführte quantitative Analyse zeigte den Massenanteil von Uran bei ca. 78 - 80%,rnwas mit den 78,2% and 79,47% für Becquerelite beziehungsweise Schoepit aufgrund ihrer Summenformelrnkorrespondiert. Zusätzlich zeigt sich für Calcium ein Massenanteil von 2% was mit dem Wert in Becquerelite (2.19%)rnrecht gut übereinstimmt. Der Massenanteil von Ti lag in einigen Fällen bei 0,77%, was auf eine noch nicht korrodierternDU-Legierung zurückzuführen ist. Ein Lösungsexperiment wurde weiterhin durchgeführt, wobei eine 0,01 M NaClO4-rnLösung zum Einsatz kam in der die verbliebene Probensubstanz der Korrosionsprodukte gelöst wurde;rnNatriumperchlorate wurde hierbei genutzt um die Ionenstärke bei 0,01 zu halten. Um Verunreinigungen durchrnatmosphärisches CO2 zu vermeiden wurden die im Versuch für die drei Hauptproben genutzten 15 Probenbehälterrnmit Stickstoffgas gespült. Eine Modelkalkulation für den beschriebenen Versuchsaufbau wurde mit Visual MINTEQrnv.3.0 für die mittels vorgenannten Analysemethoden beschriebenen Mineralphasen im pH-Bereich von 6 – 10 imrnFalle von Becquerelite, und Schoepit berechnet. Die modellierten Lösungskurven wurden unter An- und Abwesenheitrnvon atmosphärischem CO2 kalkuliert. Nach dem Ende des Lösungsexperiments (Dauer ca. 6 Monate) zeigten diernKonzentrationen des gelösten Urans, gemessen mittels ICP-OES, gute Übereinstimmung mit den modelliertenrnSchoepit und Becquerelite Kurven. Auf Grund des ähnlichen Löslichkeitverhaltens war es nicht möglich zwichen denrnbeiden Mineralen zu unterscheiden. Schoepit kontrolliert im sauren Bereich die Löslichkeit des Urans, währendrnbecquerelit im basichen am wenigsten gelöst wird. Des Weiteren bleibt festzuhalten, dass ein Anteil an CO2 in diernverschlossenen Probenbehälter eingedrungen ist, was sich mit der Vorhersage der Modeldaten deckt. Die Löslichkeitrnvon Uran in der Lösung als Funktion des pH-Wertes zeigte die niedrigsten Konzentrationen im Falle einer Zunahmerndes pH-Wertes von 5 auf 7 (ungefähr 5,1 x 10-6 mol/l) und einer Zunahme des pH-Wertes auf 8 (ungefähr 1,5 x 10-6rnmol/l bei). Oberhalb dieses Bereichs resultiert jeder weitere Anstieg des pH-Wertes in einer Zunahme gelösten Uransrnin der Lösung. Der ph-Wert der Lösung wie auch deren pCO2-Wert kontrollieren hier die Menge des gelösten Urans.rnAuf der anderen Seite zeigten im Falle von Becquerelite die Ca-Konzentrationen höhere Werte als erwartet, wobeirnwahrscheinlich auf eine Vermischung der Proben mit Bodensubstanz zurückgeführt werden kann. Abschließendrnwurde, unter Berücksichtigung der oben genannten Ergebnisse, eine Fallstudie aus Basrah (Irak) diskutiert, wo inrnzwei militärischen Konflikten Uranmunition in zwei Regionen unter verschiedenen Umweltbedingungen eingesetztrnwurden.

Sustainable improvement of water networks : to achieve best decisions for rehabilitation plans using advanced GIS and statistical techniques

Many of developing countries are facing crisis in water management due to increasing of population, water scarcity, water contaminations and effects of world economic crisis. Water distribution systems in developing countries are facing many challenges of efficient repair and rehabilitation since the information of water network is very limited, which makes the rehabilitation assessment plans very difficult. Sufficient information with high technology in developed countries makes the assessment for rehabilitation easy. Developing countries have many difficulties to assess the water network causing system failure, deterioration of mains and bad water quality in the network due to pipe corrosion and deterioration. The limited information brought into focus the urgent need to develop economical assessment for rehabilitation of water distribution systems adapted to water utilities. Gaza Strip is subject to a first case study, suffering from severe shortage in the water supply and environmental problems and contamination of underground water resources. This research focuses on improvement of water supply network to reduce the water losses in water network based on limited database using techniques of ArcGIS and commercial water network software (WaterCAD). A new approach for rehabilitation water pipes has been presented in Gaza city case study. Integrated rehabilitation assessment model has been developed for rehabilitation water pipes including three components; hydraulic assessment model, Physical assessment model and Structural assessment model. WaterCAD model has been developed with integrated in ArcGIS to produce the hydraulic assessment model for water network. The model have been designed based on pipe condition assessment with 100 score points as a maximum points for pipe condition. As results from this model, we can indicate that 40% of water pipeline have score points less than 50 points and about 10% of total pipes length have less than 30 score points. By using this model, the rehabilitation plans for each region in Gaza city can be achieved based on available budget and condition of pipes. The second case study is Kuala Lumpur Case from semi-developed countries, which has been used to develop an approach to improve the water network under crucial conditions using, advanced statistical and GIS techniques. Kuala Lumpur (KL) has water losses about 40% and high failure rate, which make severe problem. This case can represent cases in South Asia countries. Kuala Lumpur faced big challenges to reduce the water losses in water network during last 5 years. One of these challenges is high deterioration of asbestos cement (AC) pipes. They need to replace more than 6500 km of AC pipes, which need a huge budget to be achieved. Asbestos cement is subject to deterioration due to various chemical processes that either leach out the cement material or penetrate the concrete to form products that weaken the cement matrix. This case presents an approach for geo-statistical model for modelling pipe failures in a water distribution network. Database of Syabas Company (Kuala Lumpur water company) has been used in developing the model. The statistical models have been calibrated, verified and used to predict failures for both networks and individual pipes. The mathematical formulation developed for failure frequency in Kuala Lumpur was based on different pipeline characteristics, reflecting several factors such as pipe diameter, length, pressure and failure history. Generalized linear model have been applied to predict pipe failures based on District Meter Zone (DMZ) and individual pipe levels. Based on Kuala Lumpur case study, several outputs and implications have been achieved. Correlations between spatial and temporal intervals of pipe failures also have been done using ArcGIS software. Water Pipe Assessment Model (WPAM) has been developed using the analysis of historical pipe failure in Kuala Lumpur which prioritizing the pipe rehabilitation candidates based on ranking system. Frankfurt Water Network in Germany is the third main case study. This case makes an overview for Survival analysis and neural network methods used in water network. Rehabilitation strategies of water pipes have been developed for Frankfurt water network in cooperation with Mainova (Frankfurt Water Company). This thesis also presents a methodology of technical condition assessment of plastic pipes based on simple analysis. This thesis aims to make contribution to improve the prediction of pipe failures in water networks using Geographic Information System (GIS) and Decision Support System (DSS). The output from the technical condition assessment model can be used to estimate future budget needs for rehabilitation and to define pipes with high priority for replacement based on poor condition. rn

Stimuli-responsive materials for self-healing in corrosion protection

The corrosion of metallic materials is a crucial issue on an economical and ecological scale. Corrosion protection becomes then necessarily needed. The main focus of the thesis is to develop stimuli-responsive nanocontainers for self-healing in corrosion protection. A nanocontainer is efficient if distinct payloads can be selectively released via different stimuli because unwanted and unspecific release can be avoided. For anti-corrosion, the wanted nanocontainer is the one able to release its self-healing agents or corrosion inhibitors upon change of pH- or/and redox-potential due to the variation of these two signals at the corroded sites. Conducting polymers such as polyaniline (PANI) were chosen for building the shell of capsules due to their important characteristics of being both pH- and redox responsive.