Bioinspired fabrication of biosilica-based bone substitution materials

Until today, autogenic bone grafts from various donor regions represent the gold standard in the field of bone reconstruction, providing both osteoinductive and osteoconductive characteristics. However, due to low availability and a disequilibrium between supply and demand, the risk of disease transfer and morbidity, usually associated with autogeneic bone grafts, the development of biomimic materials with structural and chemical properties similar to those of natural bone have been extensively studied. So far,rnonly a few synthetic materials, so far, have met these criteria, displaying properties that allow an optimal bone reconstitution. Biosilica is formed enzymatically under physiological-relevant conditions (temperature and pH) via silicatein (silica protein), an enzyme that was isolated from siliceous sponges, cloned, and prepared in a recombinant way, retaining its catalytic activity. It is biocompatible, has some unique mechanical characteristics, and comprises significant osteoinductive activity.rnTo explore the application of biosilica in the fields of regenerative medicine,rnsilicatein was encapsulated, together with its substrate sodium metasilicate, into poly(D,L-lactide)/polyvinylpyrrolidone(PVP)-based microspheres, using w/o/wrnmethodology with solvent casting and termed Poly(D,L-lactide)-silicatein silicacontaining-microspheres [PLASSM]. Both silicatein encapsulation efficiency (40%) and catalytic activity retention upon polymer encapsulation were enhanced by addition of an essential pre-emulsifying step using PVP. Furthermore, the metabolic stability, cytoxicity as well as the kinetics of silicatein release from the PLASSM were studied under biomimetic conditions, using simulated body fluid. As a solid support for PLASSM, a polyvinylpyrrolidone/starch/Na2HPO4-based matrix (termed plastic-like filler matrix containing silicic acid [PMSA]) was developed and its chemical and physical properties determined. Moreover, due to the non-toxicity and bioinactivity of the PMSA, it is suggested that PMSA acts as osteoconductive material. Both components, PLASSM and PMSA, when added together, form arnbifunctional 2-component implant material, that is (i)non-toxic(biocompatible), (ii)moldable, (iii) self-hardening at a controlled and clinically suitable rate to allows a tight insertion into any bone defect (iv) biodegradable, (v)forms a porous material upon exposure to body biomimetic conditions, and (vi)displays both osteoinductive (silicatein)and osteoconductive (PMSA) properties.rnPreliminary in vivo experiments were carried out with rabbit femurs, by creatingrnartificial bone defects that were subsequently treated with the bifunctional 2-component implant material. After 9 weeks of implantation, both computed tomography (CT) and morphological analyses showed complete resorption of the implanted material, concurrent with complete bone regeneration. The given data can be considered as a significant contribution to the successful introduction of biosilica-based implants into the field of bone substitution surgery.

Synthese organisch-anorganischer Hybridmaterialien in Mehrkomponenten-Lösungsmittelsystemen

Die Funktionalisierung anorganischer Nanopartikel stellt einen Schlüsselschritt in der Herstellung von Nanokompositen dar. Nanokomposite erzielen ein wachsendes Interesse im Bereich der Polymer- und der Materialwissenschaften, da die Kombination mehrerer Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa die Kombination anorganischer Nanopartikel mit Polymeren, große Synergieeffekte erhoffen lässt.rnrnDer Einbau anorganischer Nanopartikel in polymere Matrixmaterialien zur Verbesserung oder Einführung mechanischer, optischer oder magnetischer Eigenschaften von Polymeren bedarf allerdings der Modifizierung der Oberfläche des anorganischen Materials, um die für die positiven Synergieeffekte essentielle Kompatibilität zwischen Füllstoff und Matrix zu erreichen.rnrnEine Vielzahl anorganischer Partikel ist bereits als wässrige Dispersion erhältlich (SiO2, Al2O3, CeO2, ZrO2, ...). Mehrkomponenten- Lösungsmittelsysteme ermöglichen den Transfer dieser Partikel in eine unpolare Umgebung und gleichzeitig deren Funktionalisierung mit amphiphilen Copolymeren. Aufgrund der reversiblen Schaltbarkeit dieser Lösungsmittelsysteme zwischen einem einphasigen und zweiphasigen Zustand werden die zu Beginn in zwei nichtmischbaren Phasen vorliegenden Reaktionspartner durch Übergang in einen einphasigen Zustand unter homogenen Bedingungen in Kontakt gebracht und durch eine erneute Phasentrennung isoliert.rnEin weiterer Vorteil dieser Lösungsmittelsysteme ist deren Tolerierung funktioneller Gruppen in den verwendeten amphiphilen Copolymeren, welche nicht in Wechselwirkung mit der Partikeloberfläche stehen. Beispielsweise können Amine in den amphiphilen Copolymeren für die Wechselwirkung der funktionalisierten Partikel mit einer Polyurethanmatrix dienen, Alkine können mittels einer 1,3-dipolaren Cycloaddition umgesetzt werden oder aber perfluorierten Seitenketten in den Seitenketten der amphiphilen Copolymere die Kompatibilisierung der funktionalisierten Partikel mit einem perfluorierten Polymer gewährleisten.

Adsorption of macromolecules on interfaces studied by isothermal titration calorimetry

The mixing of nanoparticles with polymers to form composite materials has been applied for decades. They combine the advantages of polymers (e.g., elasticity, transparency, or dielectric properties) and inorganic nanoparticles (e.g., specific absorption of light, magneto resistance effects, chemical activity, and catalysis etc.). Nanocomposites exhibit several new characters that single-phase materials do not have. Filling the polymeric matrix with an inorganic material requires its homogeneous distribution in order to achieve the highest possible synergetic effect. To fulfill this requirement, the incompatibility between the filler and the matrix, originating from their opposite polarity, has to be resolved. A very important parameter here is the strength and irreversibility of the adsorption of the surface active compound on the inorganic material. In this work the Isothermal titration calorimetry (ITC) was applied as a method to quantify and investigate the adsorption process and binding efficiencies in organic-inorganic–hybrid-systems by determining the thermodynamic parameters (ΔH, ΔS, ΔG, KB as well as the stoichiometry n). These values provide quantification and detailed understanding of the adsorption process of surface active molecules onto inorganic particles. In this way, a direct correlation between the adsorption strength and structure of the surface active compounds can be achieved. Above all, knowledge of the adsorption mechanism in combination with the structure should facilitate a more rational design into the mainly empirically based production and optimization of nanocomposites.

Schriftlicher Text im Film und seine Übersetzung : die Inserts der BBC-Serie Sherlock (2010-12) ; aus der Perspektive von Untertiteltheorie, Comictheorie und Translationspraxis

Die BBC-Serie SHERLOCK war 2011 eine der meistexportierten Fernsehproduktionen Großbritanniens und wurde weltweit in viele Sprachen übersetzt. Eine der Herausforderungen bei der Übersetzung stellen die Schrifteinblendungen der Serie (kurz: Inserts) dar. Die Inserts versprachlichen die Gedanken des Protagonisten, bilden schriftliche und digitale Kommunikation ab und zeichnen sich dabei durch ihre visuelle Auffälligkeit und teilweise als einzige Träger sprachlicher Kommunikation aus, womit sie zum wichtigen ästhetischen und narrativen Mittel in der Serie werden. Interessanterweise sind in der Übersetztung alle stilistischen Eigenschaften der Original-Inserts erhalten. In dieser Arbeit wird einerseits untersucht, wie Schrifteinblendungen im Film theoretisch beschrieben werden können, und andererseits, was sie in der Praxis so übersetzt werden können, wie es in der deutschen Version von Sherlock geschah. Zur theoretischen Beschreibung werden zunächst die Schrifteinblendungen in Sherlock Untertitelungsnormen anhand relevanter grundlegender semiotischer Dimensionen gegenübergestellt. Weiterhin wird das Verhältnis zwischen Schrifteinblendungen und Filmbild erkundet. Dazu wird geprüft, wie gut verschiedene Beschreibungsansätze zu Text-Bild-Verhältnissen aus der Sprachwissenschaft, Comicforschung, Übersetzungswissenschaft und Typografie die Einblendungen in Sherlock erklären können. Im praktischen Teil wird die Übersetzung der Einblendungen beleuchtet. Der Übersetzungsprozess bei der deutschen Version wird auf Grundlage eines Experteninterviews mit dem Synchronautor der Serie rekonstruiert, der auch für die Formulierung der Inserts zuständig war. Abschließend werden spezifische Übersetzungsprobleme der Inserts aus der zweiten Staffel von SHERLOCK diskutiert. Es zeigt sich, dass Untertitelungsnormen zur Beschreibung von Inserts nicht geeignet sind, da sie in Dimensionen wie Position, grafische Gestaltung, Animation, Soundeffekte, aber auch Timing stark eingeschränkt sind. Dies lässt sich durch das historisch geprägte Verständnis von Untertiteln erklären, die als möglichst wenig störendes Beiwerk zum fertigen Filmbild und -ablauf (notgedrungen) hinzugefügt werden, wohingegen für die Inserts in SHERLOCK teilweise sogar ein zentraler Platz in der Bild- und Szenenkomposition bereits bei den Dreharbeiten vorgesehen wurde. In Bezug auf Text-Bild-Verhältnisse zeigen sich die größten Parallelen zu Ansätzen aus der Comicforschung, da auch dort schriftliche Texte im Bild eingebettet sind anstatt andersherum. Allerdings sind auch diese Ansätze zur Beschreibung von Bewegung und Ton unzureichend. Die Erkundung der Erklärungsreichweite weiterer vielversprechender Konzepte, wie Interface und Usability, bleibt ein Ziel für künftige Studien. Aus dem Experteninterview lässt sich schließen, dass die Übersetzung von Inserts ein neues, noch unstandardisiertes Verfahren ist, in dem idiosynkratische praktische Lösungen zur sprachübergreifenden Kommunikation zwischen verschiedenen Prozessbeteiligten zum Einsatz kommen. Bei hochqualitative Produktionen zeigt ist auch für die ersetzende Insertübersetzung der Einsatz von Grafikern unerlässlich, zumindest für die Erstellung neuer Inserts als Übersetzungen von gefilmtem Text (Display). Hierbei sind die theoretisch möglichen Synergien zwischen Sprach- und Bildexperten noch nicht voll ausgeschöpft. Zudem zeigt sich Optimierungspotential mit Blick auf die Bereitstellung von sorgfältiger Dokumentation zur ausgangssprachlichen Version. Diese wäre als Referenzmaterial für die Übersetzung insbesondere auch für Zwecke der internationalen Qualitätssicherung relevant. Die übersetzten Inserts in der deutschen Version weisen insgesamt eine sehr hohe Qualität auf. Übersetzungsprobleme ergeben sich für das genretypische Element der Codes, die wegen ihrer Kompaktheit und multiplen Bezügen zum Film eine Herausforderung darstellen. Neben weiteren bekannten Übersetzungsproblemen wie intertextuellen Bezügen und Realia stellt sich immer wieder die Frage, wieviel der im Original dargestellten Insert- und Displaytexte übersetzt werden müssen. Aus Gründen der visuellen Konsistenz wurden neue Inserts zur Übersetzung von Displays notwendig. Außerdem stellt sich die Frage insbesondere bei Fülltexten. Sie dienen der Repräsentation von Text und der Erweiterung der Grenzen der fiktiv dargestellten Welt, sind allerdings mit hohem Übersetzungsaufwand bei minimaler Bedeutung für die Handlung verbunden.

Thermoelektrische und strukturelle Eigenschaften gefüllter Skutterudite, sowie Verbesserung ihres Gütefaktors durch Nanostrukturierung

Gefüllte Skutterudite mit der Summenformel MxCo4Sb12 sind vielversprechende thermoelektrische Materialien. Die Standardsynthese führt jedoch oft zur Bildung von MSbx, Sb, CoSb oder CoSb2 als Nebenphasen. In dieser Arbeit wird eine neue zweistufige Synthese vorgestellt, bei der die Bildung des Kieftits (CoSb3) getrennt von dem topotaktischen Füllen mit dem Metallatom M erfolgt. Dieser Ansatz erlaubt eine Durchführung der Reaktion bei niedrigeren Temperaturen mit kürzeren Reaktionszeiten. Ein geringer Antimon-Unterschuss im so erhaltenen Kieftit erhöht die Anzahl der Ladungsträger und unterdrückt die Bildung von Verunreinigungsphasen. Zunächst wurden Skutteruditproben mit der nominellen Zusammensetzung InxCo4Sb12 mit x = 0,12; 0,15; 0,18 und 0,20 in hoher Reinheit hergestellt und mit Spark Plasma Sintering (SPS) kompaktiert. Messaufnahmen mit Potential- und Seebeck-Mikrosonde und Rasterelektronenmikroskop zeigten eine hohe Probenhomogenität. Produkte waren nahezu phasenrein, was eine Untersuchung der Transporteigenschaften ohne Verfälschung durch Nebenphasen ermöglichte. Die quantitative Phasenanalyse mittels Synchrotron-Beugungsdaten zeigte < 0,1 % InSb bei In0,18Co4Sb12 und In0,20Co4Sb12, sowie eine lineare Korrelation zwischen dem wahren Füllgrad und der Gitterkonstante. Die Bindung von < 0,1 % InSb verringerte den Füllgrad der nominellen In0,20Co4Sb12-Probe auf x = 0,144. Die nominelle In0,18Co4Sb12-Probe mit dem wahren Gehalt x = 0,160 hatte den höchsten zT-Wert nahe eins bei 420 °C. Es konnte anschließend die Anwendbarkeit der Synthesemethode für Barium- und mehrfach gefüllte (Na+In) Skutterudite gezeigt werden. Die Na-gefüllte Probe war gegenüber der thermischen Behandlung in der SPS oder der Charakterisierung instabil. Alle Verbindungen wurden gesintert und ihre Transporteigenschaften wurden charakterisiert. Des weiterem wurde der Einfluss der Konzentration der Korngrenzen bei den Mischungen von zu Nanomaßstab vermahlenem In0,18Co4Sb12 (Partikelgrößen zwischen 20 und 100 nm) mit dem ursprünglichen Bulk untersucht. Proben mit verschiedenen Anteilen von Nanopulver wurden gesintert, ihre thermoelektrischen und strukturellen Eigenschaften wurden untersucht. Die Gütezahl zT von 1,39 bei 375 °C wurde bei der Probe mit gleichen Anteilen des Nano- und des unbehandelten Pulvers erreicht. Die Komposite mit Anteilen <10 % oder >75 % des Nanopulvers zeigten keine Verbesserung gegenüber der unbehandelten Verbindung.rn