Kolloide und ihre Überstrukturen als Bausteine zur Herstellung funktioneller Materialien

In dieser Arbeit wird die Synthese von Polymerkolloiden mit unterschiedlichen Formen und Funktionalitäten sowie deren Verwendung zur Herstellung kolloidaler Überstrukturen beschrieben. Über emulgatorfreie Emulsionspolymerisation (SFEP) erzeugte monodisperse sphärische Kolloide dienen als Bausteine von Polymeropalen, die durch die Selbstorganisation dieser Kolloide über vertikale Kristallisation (mit Hilfe einer Ziehmaschine) oder horizontale Kristallisation (durch Aufschleudern oder Aufpipettieren) entstehen. Durch die Kontrolle der Kugelgröße über die Parameter der Emulsionspolymerisation sowie die Einstellung der Schichtdicke der Kolloidkristalle über die Anpassung der Kristallisationsparameter ist die Erzeugung von qualitativ hochwertigen Opalen mit definierter Reflektionswellenlänge möglich. Darüber hinaus kann die chemische und thermische Beständigkeit der Opale durch den Einbau von Vernetzern oder vernetzbaren Gruppen in die Polymere erhöht werden. Die Opalfilme können als wellenlängenselektive Reflektoren in auf Fluoreszenzkonzentratoren basierenden Solarzellensystemen eingesetzt werden, um Lichtverluste in diesen Systemen zu reduzieren. Sie können auch als Template für die Herstellung invertierter Opale aus verschiedenen anorganischen Oxiden (TiO2, Al2O3, ZnO) dienen. Über einen CVD-Prozess erzeugte ZnO-Replika besitzen dabei den Vorteil, dass sie nicht nur eine hohe optische Qualität sondern auch eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies ermöglicht sowohl deren Einsatz als Zwischenreflektor in Tandemsolarzellen als auch die Herstellung hierarchischer Strukturen über die Elektroabscheidung von Nanokristallen. In einem weiteren Teil der Arbeit wird die Herstellung funktioneller formanisotroper Partikel behandelt. Durch die Entmischung von mit Monomer gequollenen vernetzten Partikeln in einer Saatpolymerisation sind mehrere Mikrometer große Kolloide zugänglich, die aus zwei interpenetrierenden Halbkugeln aus gleichen oder verschiedenen Polymeren bestehen. Dadurch sind unter anderem Glycidyl-, Alkin- und Carbonsäuregruppen in die eine oder die andere Halbkugel integrierbar. Diese funktionellen Gruppen erlauben die Markierung bestimmter Partikelhälften mit Farbstoffen, die Beschichtung von Partikelbereichen mit anorganischen Oxiden wie SiO2 sowie die Erzeugung amphiphiler formanisotroper Partikel, die sich an Grenzflächen ausrichten lassen. Das Synthesekonzept kann - ausgehend von mittels SFEP erzeugten stark vernetzten PMMA-Partikeln - auch auf kleine Kolloide mit Größen von mehreren hundert Nanometern übertragen werden.

Synthese und Charakterisierung von Polymeren mit peptidischen Seitenketten

Die Forschung im Bereich der Drug Delivery-Systeme konzentriert sich auf biokompatible und wenig immunogene Trägermoleküle. Eine Klasse vielversprechender Trägersysteme stellen Peptid basierte Polymere dar, die neben einer hohen Biokompatibilität auch eine Sensitivität gegenüber externen Einflüssen aufweisen. Der zwitterionische Charakter von Aminosäuren und Peptiden verhindert die Adsorption von Serumproteinen und ein „antifouling“ Verhalten kann festgestellt werden, sodass diese Moleküle für den Einsatz als Wirkstoffträgersystem sehr geeignet scheinen. In Kombination mit einer bürstenartigen Struktur entstehen Systeme mit einer einzigartigen Peptidarchitektur, die sich durch eine hohe Dichte funktioneller Gruppen für Konjugationsreaktionen auszeichnen und deren formabhängige Zellaufnahme sie besonders attraktiv für die Anwendung als „Nanocarrier“ macht.rnrnDas zwitterionische Poly-(ε-N-Methacryloyl-L-Lysin) (Mw = 721,000 g∙mol 1) wurde durch freie radikalische Polymerisation dargestellt und seine Konformation in Abhängigkeit von Ionenstärke und pH-Wert untersucht. Die Biokompatibilität des Systems konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden. Zusammen mit der vernachlässigbaren unspezifischen Aufnahme in dendritische Zellen aus Knochenmark erfüllt das System damit alle Bedingungen, die an ein polymeres Wirkstoffträgersystem gestellt werden. Darüber hinaus können Komplexe des Polymers mit DNA in Gegenwart von divalenten Metallionen für die Gentransfektion verwendet werden.rnrnDurch Kopplung von ε-N-Methacryloyl-L-Lysin mit der Elastin-ähnlichen Polypeptid Pentasequenz Valin-Prolin-Glycin-Glycin-Glycin konnte ein Hexapeptid-Makromonomer dargestellt werden, welches anschließend mittels „grafting through“ Polymerisation zur Polymerbürste umgesetzt wurde. Die wurmartige Struktur der Polymerbürsten wurde in AFM-Aufnahmen gezeigt und eine hohe Kettensteifigkeit der Polymerbürsten über dynamische und statische Lichtstreuung nachgewiesen. Zirkulardichroismus-Messungen lieferten Informationen über struktur-, salz- und temperaturabhängige Veränderungen der Konformation. Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum bestätigten die erwartete Biokompatibilität.rnrnBasierend auf zwei Elastin-ähnlichen Polypeptiden mit ähnlicher Peptidsequenz wurden insgesamt vier unterschiedliche Makromonomere mit jeweils 20 Pentapeptid-Wiederholungseinheiten dargestellt. Über anschließende „grafting through“ Polymerisation entstanden molekulare Bürstenmoleküle mit variierenden externen funktionellen Gruppen, die für zukünftige Konjugationsreaktionen verwendet werden können. Der Einfluss von Ionenstärke und Temperatur auf die Konformation der Makromonomere und Polymere wurde mittels Zirkulardichroismus- und Trübungskurven-Messungen untersucht und ein starker Einfluss der hohen Seitenkettendichte auf das Verhalten der Polymerbürsten wurde festgestellt. Über dynamische Lichtstreuung konnte ein von den externen funktionellen Gruppen abhängiges Aggregationsverhalten in humanem Blutserum nachgewiesen werden.rnrnDie in dieser Arbeit synthetisierten Polymerbürsten mit peptidischen Seitenketten stellen damit biokompatible und vielversprechende Trägersysteme für die Konjugation mit Biomolekülen dar, die zukünftig als Drug Delivery-Systeme ihren Einsatz finden können.rn

Complex colloids by the emulsion solvent evaporation process

In this thesis, different complex colloids were prepared by the process of solvent evaporation from emulsion droplets (SEED). The term “complex” is used to include both an addressable functionality as well as the heterogeneous nature of the colloids.Firstly, as the SEED process was used throughout the thesis, its mechanism especially in regard to coalescence was investigated,. A wide variety of different techniques was employed to study the coalescence of nanodroplets during the evaporation of the solvent. Techniques such as DLS or FCS turned out not to be suitable methods to determine droplet coalescence because of their dependence on dilution. Thus, other methods were developed. TEM measurements were conducted on mixed polymeric emulsions with the results pointing to an absence of coalescence. However, these results were not quantifiable. FRET measurements on mixed polymeric emulsions also indicated an absence of coalescence. Again the results were not quantifiable. The amount of coalescence taking place was then quantified by the application of DC-FCCS. This method also allowed for measuring coalescence in other processes such as the miniemulsion polymerization or the polycondensation reaction on the interface of the droplets. By simulations it was shown that coalescence is not responsible for the usually observed broad size distribution of the produced particles. Therefore, the process itself, especially the emulsification step, needs to be improved to generate monodisperse colloids.rnThe Janus morphology is probably the best known among the different complex morphologies of nanoparticles. With the help of functional polymers, it was possible to marry click-chemistry to Janus particles. A large library of functional polymers was prepared by copolymerization and subsequent post-functionalization or by ATRP. The polymers were then used to generate Janus particles by the SEED process. Both dually functionalized Janus particles and particles with one functionalized face could be obtained. The latter were used for the quantification of functional groups on the surface of the Janus particles. For this, clickable fluorescent dyes were synthesized. The degree of functionality of the polymers was found to be closely mirrored in the degree of functionality of the surface. Thus, the marriage of click-chemistry to Janus particles was successful.Another complex morphology besides Janus particles are nanocapsules. Stimulus-responsive nanocapsules that show triggered release are a highly demanding and interesting system, as nanocapsules have promising applications in drug delivery and in self-healing materials. To achieve heterogeneity in the polymer shell, the stimulus-responsive block copolymer PVFc-b-PMMA was employed for the preparation of the capsules. The phase separation of the two blocks in the shell of the capsules led to a patchy morphology. These patches could then be oxidized resulting in morphology changes. In addition, swelling occurred because of the hydrophobic to hydrophilic transition of the patches induced by the oxidation. Due to the swelling, an encapsulated payload could diffuse out of the capsules, hence release was achieved.The concept of using block copolymers responsive to one stimulus for the preparation of stimulus-responsive capsules was extended to block copolymers responsive to more than one stimulus. Here, a block copolymer responsive to oxidation and a pH change as well as a block copolymer responsive to a pH change and temperature were studied in detail. The release from the nanocapsules could be regulated by tuning the different stimuli. In addition, by encapsulating stimuli-responsive payloads it was possible to selectively release a payload upon one stimulus but not upon the other one.In conclusion, the approaches taken in the course of this thesis demonstrate the broad applicability and usefulness of the SEED process to generate complex colloids. In addition, the experimental techniques established such as DC-FCCS will provide further insight into other research areas as well.

Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space

The dissertation entitled "Tuning of magnetic exchange interactions between organic radicals through bond and space" comprises eight chapters. In the initial part of chapter 1, an overview of organic radicals and their applications were discussed and in the latter part motivation and objective of thesis was described. As the EPR spectroscopy is a necessary tool to study organic radicals, the basic principles of EPR spectroscopy were discussed in chapter 2. rnAntiferromagnetically coupled species can be considered as a source of interacting bosons. Consequently, such biradicals can serve as molecular models of a gas of magnetic excitations which can be used for quantum computing or quantum information processing. Notably, initial small triplet state population in weakly AF coupled biradicals can be switched into larger in the presence of applied magnetic field. Such biradical systems are promising molecular models for studying the phenomena of magnetic field-induced Bose-Einstein condensation in the solid state. To observe such phenomena it is very important to control the intra- as well as inter-molecular magnetic exchange interactions. Chapters 3 to 5 deals with the tuning of intra- and inter-molecular exchange interactions utilizing different approaches. Some of which include changing the length of π-spacer, introduction of functional groups, metal complex formation with diamagnetic metal ion, variation of radical moieties etc. During this study I came across two very interesting molecules 2,7-TMPNO and BPNO, which exist in semi-quinoid form and exhibits characteristic of the biradical and quinoid form simultaneously. The 2,7-TMPNO possesses the singlet-triplet energy gap of ΔEST = –1185 K. So it is nearly unrealistic to observe the magnetic field induced spin switching. So we studied the spin switching of this molecule by photo-excitation which was discussed in chapter 6. The structural similarity of BPNO with Tschitschibabin’s HC allowed us to dig the discrepancies related to ground state of Tschitschibabin’s hydrocarbon(Discussed in chapter 7). Finally, in chapter 8 the synthesis and characterization of a neutral paramagnetic HBC derivative (HBCNO) is discussed. The magneto liquid crystalline properties of HBCNO were studied by DSC and EPR spectroscopy.rn

Synthese und Charakterisierung von zylindrischen Bürsten mit polypept(o)idischen Seitenketten als nanopartikuläre Trägersysteme

Zylindrische Polymerbürsten mit pept(o)idischen Seitenketten sind auf Grund ihrer elongierten Topologie, Bioverträglichkeit und hohen Dichte an funktionellen Gruppen vielversprechende Kandidaten für Anwendungen im Bereich des kontrollierten Wirkstoff- bzw. Gentransportes.In dieser Arbeit wurden Polylysin und Polysarkosin als Bestandteile der Seitenketten verwendet. Polylysin dient als positiv geladener Polypeptidblock für die Komplexierung von Polynukleotiden. Polysarkosin reduziert mit seinem „Stealth“-Effekt die Toxizität des Trägersystems und vermindert Wechselwirkungen mit dem Immunsystem. Über den „grafting from“-Ansatz und mit Hilfe der ringöffnenden NCA-Polymerisation konnten erstmals zylindrische Bürsten mit reinen Polysarkosin-Seitenketten sowie mit amphiphilen Seitenketten aus einem Polylysinkern und einer Polysarkosinschale hergestellt werden. Die Bürsten wurden mittels Lichtstreuung, GPC, CD-Spektroskopie und AFM charakterisiert. Die hohe Biokompatibilität beider Bürsten konnte durch Toxizitätstests und dynamische Lichtstreuung in humanem Blutserum nachgewiesen werden.Die Polysarkosin-Bürsten konnten zusätzlich an den Seitenkettenenden mit Azidgruppen funktionalisiert werden, welche eine effektive Biokonjugation ermöglichen. Die zylindrischen Bürsten zeigten nach ihrer Modifikation keine unspezifische Aufnahme in dendritische Zellen und könnten somit als Ausgangssubstanzen für die Synthese polymerbasierter Antikörper-Antigen-Konjugate in der Krebsimmuntherapie verwendet werden.Die Kern-Schale-Bürsten konnten erfolgreich mit siRNA komplexiert werden, ohne dass dabei eine Aggregation auftrat. In ersten Gen-Knockdown-Experimenten zeigten ihre Komplexe eine signifikante Verminderung der ApoB100-Proteinexpression in AML-12 Hepatozyten und könnten daher zukünftig als Transfektionsmittel in der Gentherapie ihren Einsatz finden.

Chemische und physikalische Charakterisierung von Aerosolpartikeln aus besonderen anthropogenen Emissionsquellen : ein integrativer Ansatz mittels online (HR-ToF-AMS)- und komplementärer offline (ATR-FTIR-Spektroskopie)-Analytik

Die Gesundheitseffekte von Aerosolpartikeln werden stark von ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften und somit den jeweiligen Bildungsprozessen und Quellencharakteristika beeinflusst. Während die Hauptquellen der anthropogenen Partikelemissionen gut untersucht sind, stellen die spezifischen Emissionsmuster zahlreicher kleiner Aerosolquellen, welche lokal und temporär zu einer signifikanten Verschlechterung der Luftqualität beitragen können, ein Forschungsdesiderat dar.rnIn der vorliegenden Arbeit werden in kombinierten Labor- und Feldmessungen durch ein integratives Analysekonzept mittels online (HR-ToF-AMS ) und filterbasierter offline (ATR-FTIR-Spektroskopie ) Messverfahren die weitgehend unbekannten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Emissionen besonderer anthropogener Aerosolquellen untersucht. Neben einem Fußballstadion als komplexe Mischung verschiedener Aerosolquellen wie Frittieren und Grillen, Zigarettenrauchen und Pyrotechnik werden die Emissionen durch Feuerwerkskörper, landwirtschaftliche Intensivtierhaltung (Legehennen), Tief- und Straßenbauarbeiten sowie abwasserbürtige Aerosolpartikel in die Studie mit eingebunden. Die primären Partikelemissionen der untersuchten Quellen sind vorrangig durch kleine Partikelgrößen (dp < 1 µm) und somit eine hohe Lungengängigkeit gekennzeichnet. Dagegen zeigen die Aerosolpartikel im Stall der landwirtschaftlichen Intensivtierhaltung sowie die Emissionen durch die Tiefbauarbeiten einen hohen Masseanteil von Partikeln dp > 1 µm. Der Fokus der Untersuchung liegt auf der chemischen Charakterisierung der organischen Partikelbestandteile, welche für viele Quellen die NR-PM1-Emissionen dominieren. Dabei zeigen sich wichtige quellenspezifische Unterschiede in der Zusammensetzung der organischen Aerosolfraktion. Die beim Abbrand von pyrotechnischen Gegenständen freigesetzten sowie die abwasserbürtigen Aerosolpartikel enthalten dagegen hohe relative Gehalte anorganischer Substanzen. Auch können in einigen spezifischen Emissionen Metallverbindungen in den AMS-Massenspektren nachgewiesen werden. Über die Charakterisierung der Emissionsmuster und -dynamiken hinaus werden für einige verschiedenfarbige Rauchpatronen sowie die Emissionen im Stall der Intensivtierhaltung Emissionsfaktoren bestimmt, die zur quantitativen Bilanzierung herangezogen werden können. In einem weiteren Schritt werden anhand der empirischen Daten die analytischen Limitierungen der Aerosolmassenspektrometrie wie die Interferenz organischer Fragmentionen durch (Hydrogen-)Carbonate und mögliche Auswertestrategien zur Überwindung dieser Grenzen vorgestellt und diskutiert.rnEine umfangreiche Methodenentwicklung zur Verbesserung der analytischen Aussagekraft von organischen AMS-Massenspektren zeigt, dass für bestimmte Partikeltypen einzelne Fragmentionen in den AMS-Massenspektren signifikant mit ausgewählten funktionellen Molekülgruppen der FTIR-Absorptionsspektren korrelieren. Bedingt durch ihre fehlende Spezifität ist eine allgemeingültige Interpretation von AMS-Fragmentionen als Marker für verschiedene funktionelle Gruppen nicht zulässig und häufig nur durch die Ergebnisse der komplementären FTIR-Spektroskopie möglich. Des Weiteren wurde die Verdampfung und Ionisation ausgewählter Metallverbindungen im AMS analysiert. Die Arbeit verdeutlicht, dass eine qualitative und quantitative Auswertung dieser Substanzen nicht ohne Weiteres möglich ist. Die Gründe hierfür liegen in einer fehlenden Reproduzierbarkeit des Verdampfungs- und Ionisationsprozesses aufgrund von Matrixeffekten sowie der in Abhängigkeit vorangegangener Analysen (Verdampferhistorie) in der Ionisationskammer und auf dem Verdampfer statt-findenden chemischen Reaktionen.rnDie Erkenntnisse der Arbeit erlauben eine Priorisierung der untersuchten anthropogenen Quellen nach bestimmten Messparametern und stellen für deren Partikelemissionen den Ausgangpunkt einer Risikobewertung von atmosphärischen Folgeprozessen sowie potentiell negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit dar. rn

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.

Temporal dynamics of benthic assemblages along a gradient of ocean acidification at a CO2 vent’s system of the Ischia Island

Global warming and ocean acidification, due to rising atmospheric levels of CO2, represent an actual threat to terrestrial and marine environments. Since Industrial Revolution, in less of 250 years, pH of surface seawater decreased on average of 0.1 unit, and is expected to further decreases of approximately 0.3-0.4 units by the end of this century. Naturally acidified marine areas, such as CO2 vent systems at the Ischia Island, allow to study acclimatation and adaptation of individual species as well as the structure of communities, and ecosystems to OA. The main aim of this thesis was to study how hard bottom sublittoral benthic assemblages changed trough time along a pH gradient. For this purpose, the temporal dynamics of mature assemblages established on artificial substrates (volcanic tiles) over a 3 year- period were analysed. Our results revealed how composition and dynamics of the community were altered and highly simplified at different level of seawater acidification. In fact, extreme low values of pH (approximately 6.9), affected strongly the assemblages, reducing diversity both in terms of taxa and functional groups, respect to lower acidification levels (mean pH 7.8) and ambient conditions (8.1 unit). Temporal variation was observed in terms of species composition but not in functional groups. Variability was related to species belonging to the same functional group, suggesting the occurrence of functional redundancy. Therefore, the analysis of functional groups kept information on the structure, but lost information on species diversity and dynamics. Decreasing in ocean pH is only one of many future global changes that will occur at the end of this century (increase of ocean temperature, sea level rise, eutrophication etc.). The interaction between these factors and OA could exacerbate the community and ecosystem effects showed by this thesis.

Tetraamine-derived bifunctional chelators for technetium-99m labelling: synthesis, bioconjugation and evaluation as targeted SPECT imaging probes for GRP-receptor-positive tumours

Owing to its optimal nuclear properties, ready availability, low cost and favourable dosimetry, (99m)Tc continues to be the ideal radioisotope for medical-imaging applications. Bifunctional chelators based on a tetraamine framework exhibit facile complexation with Tc(V)O(2) to form monocationic species with high in vivo stability and significant hydrophilicity, which leads to favourable pharmacokinetics. The synthesis of a series of 1,4,8,11-tetraazaundecane derivatives (01-06) containing different functional groups at the 6-position for the conjugation of biomolecules and subsequent labelling with (99m)Tc is described herein. The chelator 01 was used as a starting material for the facile synthesis of chelators functionalised with OH (02), N(3) (04) and O-succinyl ester (05) groups. A straightforward and easy synthesis of carboxyl-functionalised tetraamine-based chelator 06 was achieved by using inexpensive and commercially available starting materials. Conjugation of 06 to a potent bombesin-antagonist peptide and subsequent labelling with (99m)Tc afforded the radiotracer (99m)Tc-N4-BB-ANT, with radiolabelling yields of >97% at a specific activity of 37 GBq micromol(-1). An IC(50) value of (3.7+/-1.3) nM was obtained, which confirmed the high affinity of the conjugate to the gastrin-releasing-peptide receptor (GRPr). Immunofluorescence and calcium mobilisation assays confirmed the strong antagonist properties of the conjugate. In vivo pharmacokinetic studies of (99m)Tc-N4-BB-ANT showed high and specific uptake in PC3 xenografts and in other GRPr-positive organs. The tumour uptake was (22.5+/-2.6)% injected activity per gram (% IA g(-1)) at 1 h post injection (p.i.). and increased to (29.9+/-4.0)% IA g(-1) at 4 h p.i. The SPECT/computed tomography (CT) images showed high tumour uptake, clear background and negligible radioactivity in the abdomen. The promising preclinical results of (99m)Tc-N4-BB-ANT warrant its potential candidature for clinical translation.

Synthesis and biological activity of new functionalized epothilones for prodrug design and tumor targeting

Epothilones are potent antiproliferative agents, which have served as successful lead structures for anticancer drug discovery. However, their therapeutic efficacy would benefit greatly from an increase in their selectivity for tumor cells, which may be achieved through conjugation with a tumor-targeting moiety. Three novel epothilone analogs bearing variously functionalized benzimidazole side chains were synthesized using a strategy based on palladium-mediated coupling and macrolactonization. The synthesis of these compounds is described and their in vitro biological activity is discussed with respect to their interactions with the tubulin/microtubule system and the inhibition of human cancer cell proliferation. The additional functional groups may be used to synthesize conjugates of epothilone derivatives with a variety of tumor-targeting moieties.

Parallel synthesis and nucleic acid binding properties of C(6')-[alpha]-functionalized bicyclo-DNA

Two novel bicyclo-T nucleosides carrying a hydroxyl or a carboxymethyl substituent in C(6')-[alpha]-position were prepared and incorporated into oligodeoxynucleotides. During oligonucleotide deprotection the carboxymethyl substituent was converted into different amide substituents in a parallel way. Tm-measurements showed no dramatic differences in both, thermal affinity and mismatch discrimination, compared to unmodified oligonucleotides. The post-synthetic modification of the carboxymethyl substituent allows in principle for a parallel preparation of a library of oligonucleotides carrying diverse substituents at C(6'). In addition, functional groups can be placed into unique positions in a DNA double helix.

Rapid synthesis of arylgold compounds using dielectric heating

Dielectric heating has been successfully used in the preparation of a range of arylgold compounds. The approach is tolerant of a number of functional groups and rapidly generates the organometallic complexes in moderate to excellent yields.

A General Approach Towards the Synthesis of Amido-Functionalized Biodegradable Polyesters

The thesis presented here describes methodologies to produce pendant group functionalized polyesters from amido-functionalized α-hydroxy acids. The synthetic methods used to produce the functionalized α-hydroxy acids are compatible with a wide array of functional groups, making this technique highly versatile. The synthesis of functionalized polyesters was investigated to develop polymers with properties that may improve the capabilities of existing biodegradable polyesters for applications in controlled release pharmaceuticals. Chemically modified a-hydroxy acids were synthesized by reacting glyoxylic acid with a primary or secondary amide. To demonstrate the utility of this reaction, fourstructurally dissimilar amide substituents were examined including 2-pyrrolidione, benzamide, acetamide and acrylamide. The reaction is synthetically simple, provides high yields and is uniquely flexible, functionalized monomer. The compatibility of this procedure with the collection of functional groups mentioned circumvents the need for syntheses. The amido-functionalized monomers were polymerized by two different techniques: melt polycondensation and solution polymerization. Melt polycondensation was conducted by heating the monomer past its melting temperature under reduced pressure. Oligomeric functionalized polyesters (= 800 g/mol) with low PDIs (= 1.05) were obtained by melt polycondensation. Melt polycondensation was not compatible with all of the synthesized monomers. Two of the monomers (containing benzamide and acrylamide functionalities) degraded before the polycondensation reaction occurred. Thermal gravimetric analysis confirmed that a process other than polyesterification was occurring, indicating that some amido-functionalized α-hydroxy acids cannot be synthesized in the melt.Solution polymerization was conducted to polymerize functionalized α-hydroxy acids that were incompatible with melt polycondensation. Several modified Steglich polyesterifications were tested including p-toluenesulfonic acid mediated and scandium (III) triflate catalyzed. Only oligomeric functionalized polyesters were formed bythis method. A number of possible side reactions including the formation of an N-acylurea and a cyclic polymer ring were possible. The utility of this procedure appears to be limited due to the complexity of the reaction and its inability to produce high molecular weight polymer.

Enzymatic Activity of Soybean Lipoxygenase-1 on Linoleoyl-Derivatized Agarose

Soybean lipoxygenase-1 (SBLO-1) catalyzes the oxygenation of linoleic acid to form 13(S) and 9(R) hydroperoxides. The manner in which substrates bind to the lipoxygenase family of enzymes is not known. It is believed fatty acid substrates may bind either with the aliphatic end first or with the carboxylate group facing the interior of the protein. This thesis tested a potential methyl-end first substrate binding mechanism by studying the activity of SBLO-1 to oxygenate immobilized linoleoyl residues attached to an insoluble polymer. Linoleic acid was attached to aminohexyl agarose in the presence of N-(3- dimethylaminopropyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) and Nhydroxysuccinimide (NHS). The concentration of the covalently attached residues was facilitated by enriching linoleic acid with a small amount of the radioactive 14C-isotope. Functionalization yields of 3% available primary amines on the resin were obtained. Enzymatic oxygenation of the linoleoyl-residues was verified using the ferrous oxidation in xylenol orange (FOX) assay. Approximately 30% of the attached linoleoyl moieties were converted to hydroperoxides in the presence of SBLO-1. A disulfide-containing cleavable linker, cystamine, was used as part of an improved method to isolate the product in a facile manner. Cystamine was attached to NHS-activated agarose with approximately 5% overall functionalization yield of available functional groups. 14C-linoleic acid was successfully covalently linked to the cystamine moieties in the presence of EDC and NHS. The FOX assay verified the enzymatic oxygenation of the linoleoyl residues attached to cystamine-derivatized agarose. The isolation of the peroxide product was attempted in a series of extractions in organic solvents. The product was analyzed using GC/MS which did not show a new peak indicative of product. Further work is needed to successfully analyze the stereoand regiochemistry of the oxygenated product. The presence of the peroxides in this study indicated the linoleoyl residues behave as substrates of SBLO-1. It is unknown how bulky substrates bind to the active site; however, it is difficult to rationalize a carboxylate group-first binding mode. Discovery of the 13(S)-hydroperoxide product on the linoleoyl-agarose would support the claim of a potential methyl-end first binding mechanism.

Multiscale Characterization of Acrylic Bone Cement Modified with Functionalized Mesoporous Silica Nanoparticles

Acrylic bone cement is widely used to anchor orthopedic implants to bone and mechanical failure of the cement mantle surrounding an implant can contribute to aseptic loosening. In an effort to enhance the mechanical properties of bone cement, a variety of nanoparticles and fibers can be incorporated into the cement matrix. Mesoporous silica nanoparticles (MSNs) are a class of particles that display high potential for use as reinforcement within bone cement. Therefore, the purpose of this study was to quantify the impact of modifying an acrylic cement with various low-loadings of mesoporous silica. Three types of MSNs (one plain variety and two modified with functional groups) at two loading ratios (0.1 and 0.2 wt/wt) were incorporated into a commercially available bone cement. The mechanical properties were characterized using four-point bending, microindentation and nanoindentation (static, stress relaxation, and creep) while material properties were assessed through dynamic mechanical analysis, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, FTIR spectroscopy, and scanning electron microscopy. Four-point flexural testing and nanoindentation revealed minimal impact on the properties of the cements, except for several changes in the nano-level static mechanical properties. Conversely, microindentation testing demonstrated that the addition of MSNs significantly increased the microhardness. The stress relaxation and creep properties of the cements measured with nanoindentation displayed no effect resulting from the addition of MSNs. The measured material properties were consistent among all cements. Analysis of scanning electron micrographs images revealed that surface functionalization enhanced particle dispersion within the cement matrix and resulted in fewer particle agglomerates. These results suggest that the loading ratios of mesoporous silica used in this study were not an effective reinforcement material. Future work should be conducted to determine the impact of higher MSN loading ratios and alternative functional groups. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.