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.

Characterisation of supramolecular structures by novel recoupling methods in solid-state NMR

In this work, solid-state NMR methods suitable for the investigation of supramolecular systems were developed and improved. In this context, special interest was focussed on non-covalent interactions responsible for the formation of supramolecular structures, such as pi-pi interacions and hydrogen-bonds. In the first part of this work, solid-state NMR methods were presented that provide information on molecular structure and motion via the investigation of anisotropic interactions, namely quadrupole and dipole-dipole couplings, under magic-angle spinning conditions. A two-dimensional 2H double quantum experiment was developed, which is performed under off magic-angle conditions and correlates 2H isotropic chemical shifts with quasistatic DQ-filtered line shapes. From the latter, the quadrupole coupling parameters of samples deuterated at multiple sites can be extracted in a site-selective fashion. Furthermore, 7Li quadrupole parameters of lithium intercalated into TiO2 were determined by NMR experiments performed under static and MAS conditions, and could provide information on the crystal geometry. For the determination of 7Li-7Li dipole-dipole couplings, multiple-quantum NMR experiments were performed. The 1H-13C REREDOR experiment was found to be capable of determining strong proton-carbon dipole-dipole couplings with an accuracy of 500~Hz, corresponding to a determination of proton-carbon chemical-bond lengths with picometer accuracy In the second part of this work, solid-state NMR experiments were combined with quantum-chemical calculations in order to aid and optimise the interpretation of experimental results. The investigations on Calix[4]hydroquinone nanotubes have shown that this combined approach can provide information on the presence of disordered and/or mobile species in supramolecular structures. As a second example, C3-symmetric discs arranging in helical columnar stacks were investigated. In these systems, 1H chemical shifts experience large pi-shifts due to packing effects, which were found to be long-ranged. Moreover, quantum-chemical calculations revealed that helicity in these systems is induced by the propeller-like conformation of the core of the molecules.

Solid-state NMR investigation of phosphonic acid based proton conducting materials

In this work, new promising proton conducting fuel cell membrane materials were characterized in terms of their structure and dynamic properties using solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and X-ray diffraction. Structurally different, phosphonic acid (PA) containing materials were systematically evaluated for possible high-temperature operation (e.g. at T>100°C). Notably, 1H, 2H and 31P magic angle spinning (MAS) NMR provided insight into local connectivities and dynamics of the hydrogen bonded network, while packing arrangements were identified by means of heteronuclear dipolar recoupling techniques.rnThe first part of this work introduced rather crystalline, low molecular weight ionomers for proton conducting membranes, where six different geometries such as line, triangle, screw, tetrahedron, square and hexagon, were investigated. The hexagon was identified as the most promising geometry with high-temperature bulk proton conductivities in the range of 10-3 Scm-1 at a relative humidity of 50%. However, 2H NMR and TGA-MS data suggest that the bulk proton transport is mainly due to the presence of crystal water. Single crystal X-ray data revealed that in the tetrahedron phosphonic acids form tetrameric clusters isolating the mobile protons while the phosphonic acids in the hexagon form zigzag-type pathways through the sample.rnThe second part of this work demonstrates how acid-base pairing and the choice of appropriate spacers may influence proton conduction. Different ratios of statistical copolymers of poly (vinylphosphonic acid) and poly (4-vinylpyridine) were measured to derive information about the local structure and chemical changes. Though anhydrous proton conductivities of all statistical copolymers are rather poor, the conductivity increases to 10-2 S cm-1 when exposing the sample to relative humidity of 80%. In contrast to PVPA, anhydride formation of phosphonic acids in the copolymer is not reversible even when exposing the sample to a relative humidity of 100%.rnIn addition, the influence of both spacers and degree of backbone crystallinity on bulk proton conductivity was investigated. Unlike in systems such as poly benzimidazole (PBI), spacers were inserted between the protogenic groups along the backbone. It was found that dilution of the protogenic groups decreases the conductivity, but compared to PVPA, similar apparent activation energies for local motions were obtained from both variable temperature 1H NMR and impedance spectroscopy data. These observations suggest the formation of phosphonic acid clusters with high degrees of local proton motion, where only a fraction of motions contribute to the observable bulk proton conductivity. Additionally, it was shown that gradual changes of the spacer length lead to different morphologies.rnIn summary, applying advanced solid-state NMR and X-ray analysis, structural and dynamic phenomena in proton conducting materials were identified on a molecular level. The results were discussed with respect to different proton conduction mechanisms and may contribute to a more rational design or improvement of proton conducting membranes.rn

Identifizierung, Sequenzierung und Charakterisierung des Dmxl1-Gen in Mus musculus sowie die funktionelle Analyse durch Knock-Out

Identifizierung, Sequenzierung und Charakterisierung des Dmxl1-Gen in Mus musculus sowie die funktionelle Analyse durch Knock-OutrnrnBei Dmxl1 handelt es sich um ein neuartiges Gen aus Mus musculus. Das ebenfalls in der vorliegenden Arbeit bioinformatisch untersuchte Gen DMXL1 ist das zu Dmxl1 homologe Gen des Menschen. Beide Gene bestehen aus 43 Exons, das murine Dmxl1 codiert für eine mRNA von 10992 bp bzw. 12210 bp, das humane DMXL1 kodiert für eine cDNA von 11082 bp, der offene Leserahmen umfasst bei der Maus 9042 bp. In der Maus konnte ein mögliches alternatives Polyadenylierungssignal identifiziert werden. Zwischen beiden Spezies sind die Exonpositionen und ihre Längen hoch konserviert. Dmxl1 liegt auf dem Crick-Strang von Chromosom 18 Bande C, der translatierte Bereich erstreckt sich auf genomischer Ebene über 129558 bp und die Orientierung verläuft in Richtung Centromer. Dmxl1 und DMXL1 gehören damit zu den größten bekannten Genen in Maus und Mensch. Bei beiden Spezies liegen die DmX-Homologen genomisch innerhalb eines Bereichs der Isochoren-Klasse L1 in einer Gen-armen Region. Die Anzahl der repetitiven Elemente innerhalb der Genregion von Dmxl1 liegt 6% unter dem erwarteten Wert eines L1 Isochors, die Anzahl beim Menschen liegt 4% über dem erwarteten Wert. Um die mögliche Promotorstruktur von Dmxl1 darzustellen, wurden umfangreiche in silico-Analysen der Region um den putativen Transkriptionsstart vorgenommen. Mit Hilfe der gewonnenen Daten konnte ein Transkriptionstartpunkt identifiziert werden. Zudem wurde eine Promotorstruktur erarbeitet, bei der angenommen werden kann, dass sie eine gute Näherung an die tatsächlich vorhandenen Bindungsstellen von Transkriptionsfaktoren darstellt. Die mit bioinformatischen Werkzeugen erzeugte virtuelle Promotor- und Enhancerstruktur zeigt das Potenzial, Dmxl1 basal und ubiquitär zu exprimieren. Gleichzeitig zeigen diese Daten, dass Dmxl1 vermutlich in einigen Geweben der Keimbahn, im Fettgewebe, dem blutbildenen System und während der Embryogenese hochkomplex reguliert werden kann. Eine regulierte Expression zur Steuerung des Energiestoffwechsels ist ebenfalls wahrscheinlich. Diese Ergebnisse passen sehr gut zu den experimentell ermittelten Daten und den beobachteten Phänotypen Dmxl1-chimärer Mäuse.rnDie abgeleitete Aminosäuresequenz umfasst in der Maus 3013 AS, im Menschen 3027 AS, der Vergleich der abgeleiteten Aminosäuresequenzen zeigt eine Identität von 89,3 % und eine Similarität von 94,7 % zwischen beiden Spezies. Im Dmxl1/DMXL1-Protein von Maus und Mensch konnten mindestens 24 und maximal 36 WD-Wiederholungseinheiten identifiziert werden, zudem wurden eine Reihe weiterer konservierter Proteinmotive gefunden. Die in silico-Strukturanalysen beider abgeleiteter Aminosäuresequenzen lässt vermuten, dass sich C- und N-terminal WD-Propellerstrukturen befinden. In dieser Arbeit gelang eine C-terminale Rekonstruktion einer 10-blättrigen Propellerstruktur, denkbar ist jedoch auch eine Struktur mit mindestens drei WD-Propellern, wenn eine prädominante Struktur mit Propellern aus jeweils sieben Propellerblättern angenommen wird.rnDas primäre Ziel dieser Arbeit, die Etablierung einer stabilen Mauslinie mit diruptiertem Dmxl1-Gen konnte aufgrund einer beobachteten Haploinsuffizienz nicht erreicht werden. Trotz zahlreicher Transformationen von Maus-Stammzelllinien konnte letztlich nur eine stabil transformierte Linie mit einem Dmxl1-Null-Allel identifiziert werden, was auch zu den theoretischen Daten und den angenommenen Aufgaben von Dmxl1 als komplex und diffizil reguliertes Multifunktions-Protein passt. Aus der transformierten Mauszelllinie konnten chimäre Mäuse entwickelt werden, die in Abhängigkeit von dem Ausmaß des Chimärismus phänotypisch massive Schädigungen aufwiesen. Neben einer Teilsterilität wurden massive Fettleibigkeit und ein ausgeprägter Hypogonadismus beobachtet. Keines der Tiere war in der Lage das Dmxl1-Null-Allel zu transduzieren. Die Tiere waren nur sehr eingeschränkt fertil, die wenigen Nachkommen entsprachen genotypisch und phänotypisch ausschließlich den verwendeten Blastocysten.rn

Minimalinvasive Osteosynthese der distalen extraartikulären Radiusfraktur : XSCREW und DorsalNailPlate im biomechanischen Vergleich

Gegenstand der Arbeit: Die distale Radiusfraktur ist der häufigste Bruch des Menschen. Neben etablierten Verfahren wie der dorsalen und palmaren Plattenosteosynthese gibt es seit Kurzem neuartige minimalinvasive Osteosynthesesysteme. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der biomechanischen Stabilität von zwei neuartigen Implantaten für die distale extraartikuläre Radiusfraktur. rnMethodik: Es handelt sich einerseits um das System XSCREW (Zimmer, Freiburg i. Br., Deutschland), eine kanülierte Schraube, die über den Processus styloideus eingeführt wird und mit bis zu neun Bohrdrähten im Knochen fixiert werden kann. Das Vergleichsimplantat DorsalNailPlate (HandInnovations, Miami, Florida, USA) ist ein Hybrid aus einer dorsalen Platte und einem Marknagel. Beide Systeme wurden an 8 paarigen frischen unfixierten Leichenradii unter Axialbelastung bis 100 N und Torsionsbelastung bis 1,5 Nm getestet. Die A3-Fraktur wurde durch eine standardisierte Keilosteotomie simuliert. Das Biomaterial wurde prä- und postinterventionell sowie nach einem Dauerbelastungstest unter 1000 Zyklen in Rotation mit 0,5 Hz untersucht. Ein Versagenstest mit steigendem Drehmoment beendete das Experiment. rnErgebnisse: Die XSCREW erreichte eine Axialsteifigkeit von 136 N/mm und eine Torsionssteifigkeit von 0,16 Nm/°. Die DNP erzielte hingegen axial 70 N/mm und torsional 0,06 Nm/°. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren war nur für die Torsion eindeutig statistisch auffällig (p=0,012), jedoch nicht für die Axialsteifigkeit (p=0,054). Die ursprüngliche Axial- und Torsionssteifigkeit wurde durch die XSCREW signifikant besser wiederhergestellt als durch die DNP (p=0,012). Beide Verfahren erzielten nach der Intervention signifikant niedrigere Steifigkeiten als die intakten Knochen (p=0,012). Ein Präparat der DNP-Gruppe und vier Präparate der XSCREW-Gruppe überstanden den Dauerbelastungstest. Das Drehmoment bei Versagen war mit der XSCREW höher als mit der DNP, der Unterschied zwischen den Verfahren war signifikant (p=0,043). Die Schwachstellen beider Systeme lagen vorwiegend in der proximalen Verankerung im Knochen. Kirschner-Drähte bzw. Verriegelungsschrauben führten unter andauernder Belastung zu einer Spaltung der Kortikalis im Schaftbereich. Bedingt durch die Ausrichtung der distalen Verriegelungen können mit beiden Implantaten Schäden an der radiocarpalen bzw. radioulnaren Gelenkfläche entstehen. rnZusammenfassung: Die XSCREW ermöglicht insgesamt eine höhere mechanische Stabilität als die DNP. Beide Verfahren sind jedoch einer winkelstabilen palmaren Plattenosteosynthese insbesondere unter rotatorischer Dauerbelastung unterlegen und erreichen nicht die Stabilität eines anderen neuartigen minimalinvasiven Systems.

Modellkomplexe zur Sauerstoffaktivierung auf Basis des 1,3,4-Thiadiazols

Das Ziel der vorliegenden Arbeit waren die Synthese und Untersuchung von Modellverbindungen zur Sauerstoffaktivierung auf der Basis neuer Ligandensysteme des 1,3,4-Thiadiazols unter Ausarbeitung einer Synthesestrategie zur Derivatisierung der heteroaromatischen 1,3,4-Thiadiazol-Liganden, deren Koordinationsverhalten in Abhängigkeit ihres 2,5-Substitutionsmusters untersucht wurde, sowie die fortführende Bearbeitung bereits bekannter Ligandensysteme zur Erzeugung von homo- und heterovalenten Übergangsmetallkomplexverbindungen.rnDie unter der Verwendung der modifizierten Liganden TPDE, H1TPDP und H1BPMP resultierenden dinuklearen Komplexverbindungen zeigen unterschiedlich starke antiferromagnetische Wechselwirkungen in Abhängigkeit der vorhandenen Brückenliganden. In der Verbindung [Fe6O2(OH)(L´)2(OOCMe3)9(OEt)2] trat eine Fragmentierung des Liganden H1TPDP auf. Das cisoide Ligandensubstitutionsmuster der entstandenen sechskernigen Verbindung ist verantwortlich für die interessanten magnetischen Eigenschaften des Komplexes. rnNeue Perspektiven zur Erzeugung von Modellverbindungen zur Sauerstoffaktivierung wurden mit dem Mono-Chelatliganden H1ETHP und den Bis-Chelatliganden HL2H, H2L2H und H2BATP aufgezeigt. Die Umsetzung von H1ETHP mit verschiedenen Übergangsmetallsalzen resultierte für die Metalle Cr(III), Fe(III), Co(III) und Ni(II) in mononuklearen Verbindungen des Typs [M(ETHP)2]X (X = ClO4, FeCl4, OMe, Cl, Br) sowie in zwei tetranuklearen Verbindungen mit Mn(II) und Cu(II). [Mn4(ETHP)6] besitzt ein propellerförmiges, planares [Mn4O6]2+-System mit einen Spingrundzustand von S = 5. In allen Verbindungen von H1ETHP konnte eine mono-κN-Koordination des 1,3,4-Thiadiazol-Rückgrates über eines seiner beiden endozyklischen Stickstoffdonoratome beobachtet werden. rnAus Umsetzungen der Bis-Chelatliganden wurden fast ausschließlich polynukleare Übergangsmetallkomplexe erhalten. Insbesondere der Ligand H2L2H zeigt eine ausgeprägte Tendenz zur Ausbildung trinuklearer, linearer Komplexe, welche auf Grund ihrer ungeraden Anzahl von Übergangsmetallionen einen Spingrundzustand S ≠ 0 aufweisen.rn Die mit dem Liganden HL2H erhaltenen Verbindungen unterstreichen die hohe Flexibilität dieser Systeme hinsichtlich der Erzeugung polynuklearer und heterovalenter Komplexverbindungen. So konnten in Abhängigkeit vom verwendeten Übergangsmetallsalz trinukleare, pentanukleare, aber auch hepta- und oktanukleare Verbindungen synthetisiert werden. Insbesondere die Komplexe des Mangans und des Cobalts zeigen ein heterovalentes [MnIIMnIII4]- bzw. [CoII2CoIII3]-Motiv, was sich in Spingrundzuständen von S ≠ 0 äußert. Der diamagnetische, achtkernige Fe8-Cluster besitzt eine pseudo C3-symmetrische Anordnung der Metall-Zentren, während für die heptanukleare Cu7-Kette durch ihre stark unterschiedlichen Kupfer-Koordinationsgeometrien interessante magnetische Austauschwechselwirkungen beobachtet werden konnten. Der dreikernige µ3-oxo-verbrückte Komplex des Liganden H2BATP zeigt als interessante strukturelle Eigenschaft ein ein µ3-Verbrückungsmuster des eingesetzten Sulfat-Anions. rnIn allen Komplexen der Bis-Chelatliganden HL2H, H2L2H und H2BATP konnte ein µ2-κN,κN-Koordiantionsmodus des 1,3,4-Thiadiazols und somit eine Abhängigkeit der Verbrückung vom Ligandensubstitutionsmuster beobachtet werden.rn