Derivate des Ionentransporters Valinomycin

In der vorliegenden Arbeit wurden Derivate des Ionentransporters Valinomycin synthetisiert und als Sensorelemente in Modellmembransysteme inkorporiert. Als Modellmembranen wurden festkörpergestützte Lipiddoppelschichten (tBLMs, tethered bilayer lipid membranes) verwendet. rnValinomycin transportiert selektiv Kalium-Ionen durch Membranen, was durch einen Rückgang des Widerstandes über elektrochemische Messmethoden nachgewiesen werden kann. Es ist ein zyklisches Dodecadepsipeptid, das aus zwei verschiedenen Aminosäuren (L- und D-Valin) und  Hydroxysäuren (L Milchsäure und D Hydroxyisovaleriansäure) besteht. In dieser Arbeit wurde ein L Valin durch ein L-Lysin ausgetauscht, um eine freie Aminogruppe zum Anbinden verschiedenster Liganden zu erhalten. rnDie Synthese erfolgte in Lösung über einen linearen Decadepsipeptid-Precursor, hierbei wurde hauptsächlich mit Benzyl- und Boc-Schutzgruppen gearbeitet. An den Precursor wurden dann unterschiedlich modifizierte Lysin-Didepside gebunden und das daraus erhaltene lineare Dodecadepsipeptid zyklisiert.rnInsgesamt wurden sechs verschiedene Derivate synthetisiert, deren Ionentransportfähigkeit mit Hilfe eines angebundenen Liganden blockiert wurde. Diese Blockade kann entweder mechanisch durch Festhalten des Ionencarriers an der Oberfläche der Membran oder chemisch durch Einbringen einer Ladung erfolgen, da geladene Moleküle eine Membran nicht überwinden können. rnAcetyl-Lysin-Valinomycin wurde als Testsystem hergestellt, um zu zeigen, dass die Synthese einen funktionsfähigen Ionencarrier ergeben hatte. Im nächsten Schritt wurde Lysin-Valinomycin mit freier Aminogruppe synthetisiert, um es als pH-Sensor zu nutzen und damit zu überprüfen, ob das chemische Einbringen einer Ladung möglich ist. Es konnte ein pH abhängiger Kalium-Transport nachgewiesen werden, die Blockade der Ionentransportfähigkeit über eine eingebrachte Ladung ist somit möglich. rnAuf dem gleichen Konzept beruht Ferrocen-Valinomycin. Wird der Ferrocen-Ligand oxidiert, liegt eine positive Ladung vor und der Ionencarrier kann die Membran nicht mehr überwinden. Eine Reduktion macht diesen Prozess reversibel. Ferrocen-Valinomycin konnte innerhalb einer tBLM chemisch oxidiert und reduziert werden, dieses System kann somit als chemischer Redox-Sensor eingesetzt werden.rnEine mechanische Blockade liegt dem Biotin- und dem Sulfonamid-Valinomycin zugrunde. Dabei soll die Zugabe von Streptavidin bzw. BCA II (bovine Carboanhydrase) den Ionentransport durch die Membran stoppen. Beide Valinomycin-Derivate zeigten aber keine Ionentransportfähigkeit, eine Inkorporation in tBLMs konnte jedoch über SPR gezeigt werden. rnDie Synthese eines fluoreszenz-markierten (FITC) Valinomycins ergab zwar auch keinen transportfähigen Ionencarrier, aber mit diesem Derivat konnte der Diffusionskoeffizient von Valinomycin in sBLMs mit Hilfe von Fluorescence Recovery after photobleaching (FRAP) bestimmt werden.rn

Advanced lithium battery chemistries for sustainable transportation

The specific energy of lithium-ion batteries (LIBs) is today 200 Wh/kg, a value not sufficient to power fully electric vehicles with a driving range of 400 km which requires a battery pack of 90 kWh. To deliver such energy the battery weight should be higher than 400 kg and the corresponding increase of vehicle mass would narrow the driving range to 280 km. Two main strategies are pursued to improve the energy of the rechargeable lithium batteries up to the transportation targets. The first is the increase of LIBs working voltage by using high-voltage cathode materials. The second is the increase of battery capacity by the development of a cell chemistry where oxygen redox reaction (ORR) occurs at the cathode and metal lithium is the anode (Li/O2 battery). This PhD work is focused on the development of high-voltage safe cathodes for LIBs, and on the investigation of the feasibility of Li/O2 battery operating with ionic liquid(IL)-based electrolytes. The use of LiMn1-xFexPO4 as high-voltage cathode material is discussed. Synthesis and electrochemical tests of three different phosphates, more safe cathode materials than transition metal oxides, are reported. The feasibility of Li/O2 battery operating in IL-based electrolytes is also discussed. Three aspects have been investigated: basic aspects of ORR, synthesis and characterization of porous carbons as positive electrode materials and study of limiting factors to the electrode capacity and cycle-life. Regarding LIBs, the findings on LiMnPO4 prepared by soluble precursors demonstrate that a good performing Mn-based olivine is viable without the coexistence of iron. Regarding Li/O2 battery, the oxygen diffusion coefficient and concentration values in different ILs were obtained. This work highlighted that the O2 mass transport limits the Li/O2 capacity at high currents; it gave indications on how to increase battery capacity by using a flow-cell and a porous carbon as cathode.

Entwicklung und Anwendung eines Beatmungssystems zur Untersuchung der Lungenfeinstruktur mittels He-3-Magnetresonanztomographie

Im Rahmen meiner Dissertation wurde ein 3He-Applikationssystem für die in-vivo 3He-Magnetresonanztomographie der Lunge von Ratten entwickelt. Im Gegensatz zu anderen bisher entwickelten MR-kompatiblen Beatmungsgeräten wurde in diesem Applikationssystem erstmals der polarisationserhaltende ³He-Langzeitspeicher im Streufeld des Tomographen integriert. Bei der 3He-Applikation wird das 3He-Gas automatisch aus dem Langzeitspeicher außerhalb des Magneten zum Tier in den Tomographen geleitet. Die Kernspin-Polarisationsverluste, die beim 3He-Transfer zum Tier in den Tomographen auftreten, betragen etwa 1% (rel.) und sind vernachlässigbar gering. Das Beatmungssystem wurde zusammen mit der MRT-Bildgebungssequenz COMSPIRA an mehr als 200 Tieren erfolgreich getestet. Die MRT-Aufnahmen fanden hauptsächlich an einem 0,47 T Niederfeldtomographen bei der Firma Boehringer-Ingelheim Pharma in Biberach statt. Es wurden sowohl morphologische Aufnahmen der Rattenlunge gemacht als auch der „Apparent Diffusion Coefficient“ (ADC) gemessen. Die relative Streuung der ADC-Werte innerhalb einer Gruppe von Tieren ähnlichen Alters und Gewichts betrug dabei 5%. Bei Wiederholungsmessungen an ein und demselben Tier verringerte sich die relative Streuung auf 1%. Diese Werte unterstreichen die hohe Reproduzierbarkeit des Beatmungssystems sowie des gesamten Messverfahrens. Weiterhin wurde ein Verfahren vorgestellt, das den experimentell bestimmten ADC unabhängig von dem Mischungsverhältnis zwischen dem applizierten 3He und der Atemluft in der Lunge macht. Dies kann erreicht werden, indem das hp 3He mit dem chemisch inerten und ungiftigen Gas SF6 in einem definierten Verhältnis gemischt wird und anschließend dem Tier appliziert wird. Zuletzt wurde der ADC von emphysematischen Rattenlungen und von gesunden Rattenlungen gemessen. Die Ergebnisse zeigten einen signifikant kleineren ADC innerhalb der Gruppe der erkrankten Tiere. Diese Dissertation wurde durch die Boehringer-Ingelheim Pharma GmbH & Co. KG unterstützt.

Techniques for Lagrangian modelling of dispersion in geophysical flows

Basic concepts and definitions relative to Lagrangian Particle Dispersion Models (LPDMs)for the description of turbulent dispersion are introduced. The study focusses on LPDMs that use as input, for the large scale motion, fields produced by Eulerian models, with the small scale motions described by Lagrangian Stochastic Models (LSMs). The data of two different dynamical model have been used: a Large Eddy Simulation (LES) and a General Circulation Model (GCM). After reviewing the small scale closure adopted by the Eulerian model, the development and implementation of appropriate LSMs is outlined. The basic requirement of every LPDM used in this work is its fullfillment of the Well Mixed Condition (WMC). For the dispersion description in the GCM domain, a stochastic model of Markov order 0, consistent with the eddy-viscosity closure of the dynamical model, is implemented. A LSM of Markov order 1, more suitable for shorter timescales, has been implemented for the description of the unresolved motion of the LES fields. Different assumptions on the small scale correlation time are made. Tests of the LSM on GCM fields suggest that the use of an interpolation algorithm able to maintain an analytical consistency between the diffusion coefficient and its derivative is mandatory if the model has to satisfy the WMC. Also a dynamical time step selection scheme based on the diffusion coefficient shape is introduced, and the criteria for the integration step selection are discussed. Absolute and relative dispersion experiments are made with various unresolved motion settings for the LSM on LES data, and the results are compared with laboratory data. The study shows that the unresolved turbulence parameterization has a negligible influence on the absolute dispersion, while it affects the contribution of the relative dispersion and meandering to absolute dispersion, as well as the Lagrangian correlation.

Bau und Entwicklung eines Applikators zur Verabreichung hyperpolarisierter Gase in der MRT der Lunge

Im Rahmen meiner Dissertation habe ich gemäß dem Medizinproduktegesetz ein MR-kompatibles Verabreichungsgerät entwickelt, um Patienten hyperpolarisierte Gas Boli (He-3, Xe-129) als Kontrasgas zur MRT der Lunge zu applizieren. Das Gerät wurde dazu optimiert, die Gase oder Gasmischungen (z. B. HP Gas + N2) in definierten Mengen und zu definierten Zeitpunkten während der Inspiration mit hoher Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit zu verabreichen, ohne dabei die MR-Qualität zu beeinträchtigen. Aus Sicherheitsgründen und zur späteren Datenanalyse werden die Atemflusskurven der Patienten kontinuierlich angezeigt und aufgezeichnet. Ein Kolbenkompressor ist integriert, um die gesamte gespeicherte He-3-Menge nutzen zu können. Weiterhin ist es möglich, die Polarisation vor Ort zu bestimmen und das abgeatmete He-3 zur späteren Rückgewinnung aufzufangen. Diese Auffangeffizienz konnte durch Untersuchungen mit He-4 (als He-3-Ersatz) gesteigert werden.rnDie ersten MR-Aufnahmen von 10 gesunden Probanden wurden mit diesem Aufbau imrnRahmen einer klinischen Studie durchgeführt. Die Analyse der bestimmten MR-Parameter Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), Sauerstoffpartialdruck (pO2), Scheinbarer Diffusionskoeffizient (ADC=apparent diffusion coefficient) sowie die Signalanstiegszeit (rise-time) zeigt eine deutlich bessere Reproduzierbarkeit bei der Verabreichung des He-3 mit dem Applikators anstelle eines Tedlarbags (= kleine heliumdichte Plastiktüte).

An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Hundertneunundzwanzig Xe NMR for investigations of complex and dynamic systems

In this work, the remarkable versatility and usefulness of applications of Xe-129 NMR experiments is further extended. The application of Xe-129 NMR spectroscopy to very different system is studied, including dynamic and static, solid and liquid, porous and non-porous systems. Using the large non-equilibrium polarization created by hyperpolarization of Xe-129, time-resolved NMR measurements can be used for the online-monitoring of dynamic systems. In the first part of this work, several improvements for medical applications of hyperpolarized Xe-129 are achieved and their feasibility shown experimentally. A large gain in speed and reproducibility of the accumulation process of Xe-129 as ice and an enhancement of the usable polarization in any experiment requiring prior accumulation are achieved. An enhancement of the longitudinal relaxation time of Xe-129 is realized by admixture of a buffer gas during the storage of hyperpolarized Xe-129. Pursuing the efforts of simplifying the accumulation process and enhancing the storage time of hyperpolarized Xe-129 will allow for a wider use of the hyperpolarized gas in (medical) MRI experiments. Concerning the use of hyperpolarized Xe-129 in MRI, the influence of the diffusion coefficient of the gas on parameters of the image contrast is experimentally demonstrated here by admixture of a buffer gas and thus changing the diffusion coefficient. In the second part of this work, a polymer system with unique features is probed by Xe-129 NMR spectroscopy, proving the method to be a valuable tool for the characterization of the anisotropic properties of semicrystalline, syndiotactic polystyrene films. The polymer films contain hollow cavities or channels with sizes in the sub-nanometer range, allowing for adsorption of Xe-129 and subsequent NMR measurements. Despite the use of a ’real-world’ system, the transfer of the anisotropic properties from the material to adsorbed Xe-129 atoms is shown, which was previously only known for fully crystalline materials. The anisotropic behavior towards atomar guests inside the polymer films is proven here for the first time for one of the phases. For the polymer phase containing nanochannels, the dominance of interactions between Xe-129 atoms in the channels compared to interactions between Xe atoms and the channel walls are proven by measurements of a powder sample of the polymer material and experiments including the rotation of the films in the external magnetic field as well as temperature-dependent measurements. The characterization of ’real-world’ systems showing very high degrees of anisotropy by Xe-129 are deemed to be very valuable in future applications. In the last part of this work, a new method for the online monitoring of chemical reactions has been proposed and its feasibility and validity are experimentally proven. The chemical shift dependence of dissolved Xe-129 on the composition of a reaction mixture is used for the online monitoring of free-radical miniemulsion polymerization reactions. Xe-129 NMR spectroscopy provides an excellent method for the online monitoring of polymerization reactions, due to the simplicity of the Xe-129 NMR spectra and the simple relationship between the Xe-129 chemical shift and the reaction conversion. The results of the time-resolved Xe-129 NMR measurements are compared to those from calorimetric measurements, showing a good qualitative agreement. The applicability of the new method to reactions other than polymerization reactions is investigated by the online monitoring of an enzymatic reaction in a miniemulsion. The successful combination of the large sensitivity of Xe-129, the NMR signal enhancements due to hyperpolarization, and the solubility of Xe-129 gives access to the large new field of investigations of chemical reaction kinetics in dynamic and complex systems like miniemulsions.

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Plasmon-enhanced dynamic light scattering of gold nanorods in bulk and near a wall

Transportprozesse von anisotropen metallischen Nanopartikeln wie zum Beispiel Gold-Nanostäbchen in komplexen Flüssigkeiten und/oder begrenzten Geometrien spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Ein Weg zu einem tiefen, grundlegenden Verständnis von Transportmechanismen ist die Verwendung zweier leistungsstarker Methoden - dynamischer Lichtstreuung (DLS) und resonanzverstärkter Lichtstreuung (REDLS) in der Nähe einer Grenzfläche. In dieser Arbeit wurden nanomolare Suspensionen von Gold-Nanostäbchen, stabilisiert mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), mit DLS sowie in der Nähe einer Grenzfläche mit REDLS untersucht. Mit DLS wurde eine wellenlängenabhängige Verstärkung der anisotropen Streuung beobachtet, welche sich durch die Anregung von longitudinaler Oberflächenplasmonenresonanz ergibt. Die hohe Streuintensität nahe der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Stäbchen, welche parallel zum anregenden optischen Feld liegen, erlaubte die Auflösung der translationalen Anisotropie in einem isotropen Medium. Diese wellenlängenabhängige anisotrope Lichtstreuung ermöglicht neue Anwendungen wie etwa die Untersuchung der Dynamik einzelner Partikel in komplexen Umgebungen mittels depolarisierter dynamischer Lichtstreuung. In der Nähe einer Grenzfläche wurde eine starke Verlangsamung der translationalen Diffusion beobachtet. Hingegen zeigte sich für die Rotation zwar eine ausgeprägte aber weniger starke Verlangsamung. Um den möglichen Einfluss von Ladung auf der festen Grenzfläche zu untersuchen, wurde das Metall mit elektrisch neutralem Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet. In einem weiteren Ansatz wurde das CTAB in der Gold-Nanostäbchen Lösung durch das kovalent gebundene 16-Mercaptohexadecyltrimethylammoniumbromid (MTAB) ersetzt. Daraus ergab sich eine deutlich geringere Verlangsamung.

La risonanza magnetica per la valutazione della funzionalità renale in pazienti affetti da malattia policistica

Scopo. La risonanza magnetica (RM) in diffusione (Diffusion Weighted imaging DWI) permette di ottenere dati quantitativi sul movimento dei protoni liberi in acqua mediante la valutazione di alcuni parametri tra cui il coefficiente di diffusione apparente (Apparent Diffusion Coefficient ADC). Questo parametro potrebbe essere usato per differenziare i diversi tipi di tessuti (cisti di diverso tipo, parenchima sano, parenchima non più funzionante, …) e stabilire il danno renale. Lo scopo del presente lavoro è quello di valutare la correlazione tra il valore di ADC e il tessuto renale al fine di verificare la potenziale capacità di questo parametro di offrire informazioni funzionali e poter predire l’insorgenza di cisti e quindi l’aumento di volume del rene. Materiali e Metodi. 11 pazienti di cui 2 donne e 9 uomini (età compresa tra i 55 e i 75 anni) sono stati sottoposti a esame RM con sistema ad alto campo 1,5T. Tutti i pazienti erano affetti da malattia policistica. Il protocollo prevedeva l’utilizzo di una sequenza SE-EPI pesata in diffusione, le immagini sono state acquisite per diversi valori di b-value (500 s/mm², 700 s/mm², 900 s/mm², e 1500 s/mm²). Risultati. Osservando i valori di ADC (coefficiente di diffusione apparente) ottenuti per diversi valori di b e in due differenti regioni del rene, corrispondenti a cisti e parenchima, si sono riscontrati valori diversi . Indipendentemente dal b-value, le cisti hanno un valore di ADC minore rispetto al valore di ADC delle zone parenchimali. Al crescere del b-value, tali valori diventano più piccoli. Conclusioni. La DWI permette di ottenere valori di ADC in grado di discriminare tessuti.

DW-MRI of the urogenital tract: applications in oncology

Diffusion-weighted magnetic resonance imaging (DW-MRI) appears to hold promise as a non-invasive imaging modality in the detection of early microstructural and functional changes of different organs. DW-MRI is an imaging technique with a high sensitivity for the detection of a large variety of diseases in the urogenital tract. In kidneys, DW-MRI has shown promise for the characterization of solid lesions. Also in focal T1 hyperintense lesions DW-MRI was able to differentiate hemorrhagic cysts from tumours according to the lower apparent diffusion coefficient (ADC) values reported for renal cell carcinomas. Promising results were also published for the detection of prostate cancer. DW-MRI applied in addition to conventional T2-weighted imaging has been found to improve tumour detection. On a 3 T magnetic resonance unit ADC values were reported to be lower for tumours compared with the normal-appearing peripheral zone. The combined approach of T2-weighted imaging and DW-MRI also showed promising results for the detection of recurrent tumour in patients after radiation therapy. DW-MRI may improve the performance of conventional T2-weighted and contrast-enhanced MRI in the preoperative work-up of bladder cancer, as it may help in distinguishing superficial from muscle invasive bladder cancer, which is critical for patient management. Another challenging application of DW-MRI in the urogenital tract is the detection of pelvic lymph node metastases. As the ADC is generally reduced in malignant tumours and increased under inflammatory conditions, reduced ADC values were expected in patients with lymph node metastases.

Critical review of coupled flux formulations for clay membranes based on nonequilibrium thermodynamics

Extensive research conducted over the past several decades has indicated that semipermeable membrane behavior (i.e., the ability of a porous medium to restrict the passage of solutes) may have a significant influence on solute migration through a wide variety of clay-rich soils, including both natural clay formations (aquitards, aquicludes) and engineered clay barriers (e.g., landfill liners and vertical cutoff walls). Restricted solute migration through clay membranes generally has been described using coupled flux formulations based on nonequilibrium (irreversible) thermodynamics. However, these formulations have differed depending on the assumptions inherent in the theoretical development, resulting in some confusion regarding the applicability of the formulations. Accordingly, a critical review of coupled flux formulations for liquid, current, and solutes through a semipermeable clay membrane under isothermal conditions is undertaken with the goals of explicitly resolving differences among the formulations and illustrating the significance of the differences from theoretical and practical perspectives. Formulations based on single-solute systems (i.e., uncharged solute), single-salt systems, and general systems containing multiple cations or anions are presented. Also, expressions relating the phenomenological coefficients in the coupled flux equations to relevant soil properties (e.g., hydraulic conductivity and effective diffusion coefficient) are summarized for each system. A major difference in the formulations is shown to exist depending on whether counter diffusion or salt diffusion is assumed. This difference between counter and salt diffusion is shown to affect the interpretation of values for the effective diffusion coefficient in a clay membrane based on previously published experimental data. Solute transport theories based on both counter and salt diffusion then are used to re-evaluate previously published column test data for the same clay membrane. The results indicate that, despite the theoretical inconsistency between the counter-diffusion assumption and the salt-diffusion conditions of the experiments, the predictive ability of solute transport theory based on the assumption of counter diffusion is not significantly different from that based on the assumption of salt diffusion, provided that the input parameters used in each theory are derived under the same assumption inherent in the theory. Nonetheless, salt-diffusion theory is fundamentally correct and, therefore, is more appropriate for problems involving salt diffusion in clay membranes. Finally, the fact that solute diffusion cannot occur in an ideal or perfect membrane is not explicitly captured in any of the theoretical expressions for total solute flux in clay membranes, but rather is generally accounted for via inclusion of an effective porosity, n(e), or a restrictive tortuosity factor, tau(r), in the formulation of Fick's first law for diffusion. Both n(e) and tau(r) have been correlated as a linear function of membrane efficiency. This linear correlation is supported theoretically by pore-scale modeling of solid-liquid interactions, but experimental support is limited. Additional data are needed to bolster the validity of the linear correlation for clay membranes. Copyright 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

Critical Review of Coupled Flux Formulations for Clay Membranes Based on Nonequilibrium Thermodynamics

Extensive research conducted over the past several decades has indicated that semipermeable membrane behavior (i.e., the ability of a porous medium to restrict the passage of solutes) may have a significant influence on solute migration through a wide variety of clay-rich soils, including both natural clay formations (aquitards, aquicludes) and engineered clay barriers (e.g., landfill liners and vertical cutoff walls). Restricted solute migration through clay membranes generally has been described using coupled flux formulations based on nonequilibrium (irreversible) thermodynamics. However, these formulations have differed depending on the assumptions inherent in the theoretical development, resulting in some confusion regarding the applicability of the formulations. Accordingly, a critical review of coupled flux formulations for liquid, current, and solutes through a semipermeable clay membrane under isothermal conditions is undertaken with the goals of explicitly resolving differences among the formulations and illustrating the significance of the differences from theoretical and practical perspectives. Formulations based on single-solute systems (i.e., uncharged solute), single-salt systems, and general systems containing multiple cations or anions are presented. Also, expressions relating the phenomenological coefficients in the coupled flux equations to relevant soil properties (e.g., hydraulic conductivity and effective diffusion coefficient) are summarized for each system. A major difference in the formulations is shown to exist depending on whether counter diffusion or salt diffusion is assumed. This difference between counter and salt diffusion is shown to affect the interpretation of values for the effective diffusion coefficient in a clay membrane based on previously published experimental data. Solute transport theories based on both counter and salt diffusion then are used to re-evaluate previously published column test data for the same clay membrane. The results indicate that, despite the theoretical inconsistency between the counter-diffusion assumption and the salt-diffusion conditions of the experiments, the predictive ability of solute transport theory based on the assumption of counter diffusion is not significantly different from that based on the assumption of salt diffusion, provided that the input parameters used in each theory are derived under the same assumption inherent in the theory. Nonetheless, salt-diffusion theory is fundamentally correct and, therefore, is more appropriate for problems involving salt diffusion in clay membranes. Finally, the fact that solute diffusion cannot occur in an ideal or perfect membrane is not explicitly captured in any of the theoretical expressions for total solute flux in clay membranes, but rather is generally accounted for via inclusion of an effective porosity, ne, or a restrictive tortuosity factor, tr, in the formulation of Fick's first law for diffusion. Both ne and tr have been correlated as a linear function of membrane efficiency. This linear correlation is supported theoretically by pore-scale modeling of solid-liquid interactions, but experimental support is limited. Additional data are needed to bolster the validity of the linear correlation for clay membranes.

Quantitative magnetic resonance imaging of enzymatically induced degradation of the nucleus pulposus of intervertebral discs

STUDY DESIGN: The structural integrity of the nucleus pulposus (NP) of intervertebral discs was targeted by enzyme-specific degradations to correlate their effects to the magnetic resonance (MR) signal. OBJECTIVE: To develop quantitative MR imaging as an accurate and noninvasive diagnostic tool to better understand and treat disc degeneration. SUMMARY OF BACKGROUND DATA: Quantitative MR analysis has been previously shown to reflect not only the disc matrix composition, but also the structural integrity of the disc matrix. Further work is required to identify the contribution of the structural integrity versus the matrix composition to the MR signal. METHODS: The bovine coccygeal NPs were injected with either enzyme or buffer, incubated at 37 degrees C as static, unloaded and closed 3-disc segments, and analyzed by a 1.5-Tesla MR scanner to measure MR parameters. RESULTS: Collagenase degradation of the NP significantly decreased the relaxation times, slightly decreased the magnetization transfer ratio, and slightly increased the apparent diffusion coefficient. Targeting the proteoglycan and/or hyaluronan integrity by trypsin and hyaluronidase did not significantly affect the MR parameters, except for an increase in the apparent diffusion coefficient of the disc after trypsin treatment. CONCLUSIONS: Our results demonstrate that changes in the structural integrity of matrix proteins can be assessed by quantitative MR.

Catch-up alveolarization in ex-preterm children: evidence from (3)He magnetic resonance

RATIONALE Histologic data from fatal cases suggest that extreme prematurity results in persisting alveolar damage. However, there is new evidence that human alveolarization might continue throughout childhood and could contribute to alveolar repair. OBJECTIVES To examine whether alveolar damage in extreme-preterm survivors persists into late childhood, we compared alveolar dimensions between schoolchildren born term and preterm, using hyperpolarized helium-3 magnetic resonance. METHODS We recruited schoolchildren aged 10-14 years stratified by gestational age at birth (weeks) to four groups: (1) term-born (37-42 wk; n = 61); (2) mild preterm (32-36 wk; n = 21); (3) extreme preterm (<32 wk, not oxygen dependent at 4 wk; n = 19); and (4) extreme preterm with chronic lung disease (<32 wk and oxygen dependent beyond 4 wk; n = 18). We measured lung function using spirometry and plethysmography. Apparent diffusion coefficient, a surrogate for average alveolar dimensions, was measured by helium-3 magnetic resonance. MEASUREMENTS AND MAIN RESULTS The two extreme preterm groups had a lower FEV1 (P = 0.017) compared with term-born and mild preterm children. Apparent diffusion coefficient was 0.092 cm(2)/second (95% confidence interval, 0.089-0.095) in the term group. Corresponding values were 0.096 (0.091-0.101), 0.090 (0085-0.095), and 0.089 (0.083-0.094) in the mild preterm and two extreme preterm groups, respectively, implying comparable alveolar dimensions across all groups. Results did not change after controlling for anthropometric variables and potential confounders. CONCLUSIONS Alveolar size at school age was similar in survivors of extreme prematurity and term-born children. Because extreme preterm birth is associated with deranged alveolar structure in infancy, the most likely explanation for our finding is catch-up alveolarization.