Geological and hydrogeological features affecting migration, multi-phase partitioning and degradation of chlorinated hydrocarbons through unconsolidated porous media.

Chlorinated solvents are the most ubiquitous organic contaminants found in groundwater since the last five decades. They generally reach groundwater as Dense Non-Aqueous Phase Liquid (DNAPL). This phase can migrate through aquifers, and also through aquitards, in ways that aqueous contaminants cannot. The complex phase partitioning to which chlorinated solvent DNAPLs can undergo (i.e. to the dissolved, vapor or sorbed phase), as well as their transformations (e.g. degradation), depend on the physico-chemical properties of the contaminants themselves and on features of the hydrogeological system. The main goal of the thesis is to provide new knowledge for the future investigations of sites contaminated by DNAPLs in alluvial settings, proposing innovative investigative approaches and emphasizing some of the key issues and main criticalities of this kind of contaminants in such a setting. To achieve this goal, the hydrogeologic setting below the city of Ferrara (Po plain, northern Italy), which is affected by scattered contamination by chlorinated solvents, has been investigated at different scales (regional and site specific), both from an intrinsic (i.e. groundwater flow systems) and specific (i.e. chlorinated solvent DNAPL behavior) point of view. Detailed investigations were carried out in particular in one selected test-site, known as “Caretti site”, where high-resolution vertical profiling of different kind of data were collected by means of multilevel monitoring systems and other innovative sampling and analytical techniques. This allowed to achieve a deep geological and hydrogeological knowledge of the system and to reconstruct in detail the architecture of contaminants in relationship to the features of the hosting porous medium. The results achieved in this thesis are useful not only at local scale, e.g. employable to interpret the origin of contamination in other sites of the Ferrara area, but also at global scale, in order to address future remediation and protection actions of similar hydrogeologic settings.

Transport of nanoparticles into polymersomes : a minimal model system of particles passage through biological membranes

This thesis focuses on the design and characterization of a novel, artificial minimal model membrane system with chosen physical parameters to mimic a nanoparticle uptake process driven exclusively by adhesion and softness of the bilayer. The realization is based on polymersomes composed of poly(dimethylsiloxane)-b-poly(2-methyloxazoline) (PMDS-b-PMOXA) and nanoscopic colloidal particles (polystyrene, silica), and the utilization of powerful characterization techniques. rnPDMS-b-PMOXA polymersomes with a radius, Rh ~100 nm, a size polydispersity, PD = 1.1 and a membrane thickness, h = 16 nm, were prepared using the film rehydratation method. Due to the suitable mechanical properties (Young’s modulus of ~17 MPa and a bending modulus of ~7⋅10-8 J) along with the long-term stability and the modifiability, these kind of polymersomes can be used as model membranes to study physical and physicochemical aspects of transmembrane transport of nanoparticles. A combination of photon (PCS) and fluorescence (FCS) correlation spectroscopies optimizes species selectivity, necessary for a unique internalization study encompassing two main efforts. rnFor the proof of concepts, the first effort focused on the interaction of nanoparticles (Rh NP SiO2 = 14 nm, Rh NP PS = 16 nm; cNP = 0.1 gL-1) and polymersomes (Rh P = 112 nm; cP = 0.045 gL-1) with fixed size and concentration. Identification of a modified form factor of the polymersome entities, selectively seen in the PCS experiment, enabled a precise monitor and quantitative description of the incorporation process. Combining PCS and FCS led to the estimation of the incorporated particles per polymersome (about 8 in the examined system) and the development of an appropriate methodology for the kinetics and dynamics of the internalization process. rnThe second effort aimed at the establishment of the necessary phenomenology to facilitate comparison with theories. The size and concentration of the nanoparticles were chosen as the most important system variables (Rh NP = 14 - 57 nm; cNP = 0.05 - 0.2 gL-1). It was revealed that the incorporation process could be controlled to a significant extent by changing the nanoparticles size and concentration. Average number of 7 up to 11 NPs with Rh NP = 14 nm and 3 up to 6 NPs with Rh NP = 25 nm can be internalized into the present polymersomes by changing initial nanoparticles concentration in the range 0.1- 0.2 gL-1. Rapid internalization of the particles by polymersomes is observed only above a critical threshold particles concentration, dependent on the nanoparticle size. rnWith regard possible pathways for the particle uptake, cryogenic transmission electron microscopy (cryo-TEM) has revealed two different incorporation mechanisms depending on the size of the involved nanoparticles: cooperative incorporation of nanoparticles groups or single nanoparticles incorporation. Conditions for nanoparticle uptake and controlled filling of polymersomes were presented. rnIn the framework of this thesis, the experimental observation of transmembrane transport of spherical PS and SiO2 NPs into polymersomes via an internalization process was reported and examined quantitatively for the first time. rnIn a summary the work performed in frames of this thesis might have significant impact on cell model systems’ development and thus improved understanding of transmembrane transport processes. The present experimental findings help create the missing phenomenology necessary for a detailed understanding of a phenomenon with great relevance in transmembrane transport. The fact that transmembrane transport of nanoparticles can be performed by artificial model system without any additional stimuli has a fundamental impact on the understanding, not only of the nanoparticle invagination process but also of the interaction of nanoparticles with biological as well as polymeric membranes. rn

Selbstorganisation von Amphiphilen auf Basis von Hexaphenylbenzol und Hexa-peri-hexabenzocoronen

Die Selbstorganisation von amphiphilen Molekülen wird genutzt, um in Lösung, auf der Oberfläche, in der festen Phase und an der Flüssig/Fest-Grenzfläche nanoskopisch strukturierte Materialien zu erhalten. Ziel hierbei ist es, die Dynamik der niedermolekularen Amphiphile mit der Stabilität der hochmolekularen Amphiphile zu vereinigen, um damit die Selbstorganisation der Moleküle zu kontrollieren. Drei Konzepte zur Strukturierung von Kohlenstoff durch Selbstorganisation werden vorgestellt. Im ersten Konzept werden aus Hexaphenylbenzol-Polyethylenglykol- (HPB-PEG) und Hexa-peri-hexabenzocoronen- (HBC-PEG) Derivaten wurmähnliche bzw. faserförmige Strukturen in wässriger Lösung erhalten. Der Wassergehalt in den Hydrogelfasern aus den HPB-PEG-Derivaten kann durch das Substitutionsmuster der Amphiphile und die Länge der PEG-Ketten eingestellt werden. Die Hydrogelfasern ähneln anders als die bisherigen Verfahren, die zur Faserherstellung verwendet werden (Extrudieren, Mikrofluid-Verarbeitung oder Elektrospinning), Systemen in der Natur. Der Beweis für die Bildung von Hydrogelfasern wird mittels spezieller Methoden der polarisierten und depolarisierten dynamischen Lichtstreuung erbracht. Im zweiten Konzept werden durch Elektronenbestrahlung und Pyrolyse von 3',4',5',6'-Tetraphenyl-[1,1':2',1''-terphenyl]-4,4''-dithiol homogene Kohlenstoffmembranen mit Poren erzeugt, die Anwendung in der Filtration finden können und im dritten Konzept wird die Selbstorganisation von einem ortho-verknüpften HPB-Trimer an der Flüssig/Fest-Grenzfläche untersucht. Auf diese Weise werden hochgeordnete lamellare Strukturen erhalten. In allen drei Konzepten sind die Geometrie und die Größe der Moleküle die entscheidenden Parameter zur Erzeugung definierter Strukturen.

Curvature induced nanoscale rafts in lipid membranes

We present a coarse grained model for computer simulations of lipid mixtures, which we use to study generic mechanisms for the formation of nanoscale membrane structures (lipid rafts). We observe that even a two component system can separate into rafts of finite size, and we study these rafts and other membrane structures in detail. We look at the characteristics of our model that enable these phenomena and how they may relate to lipid-cholesterol or lipid-lipid mixtures. We propose an explanation for our findings using elastic theory to describe a possible mechanism of raft stabilization via curvature differences between coexisting lipid phases and we investigate whether this theory can be used to explain the results of our computer simulations.

Imaging and modeling of pore scale processes in porous media using X-ray computed tomography and lattice Boltzmann solver

In der Erdöl– und Gasindustrie sind bildgebende Verfahren und Simulationen auf der Porenskala im Begriff Routineanwendungen zu werden. Ihr weiteres Potential lässt sich im Umweltbereich anwenden, wie z.B. für den Transport und Verbleib von Schadstoffen im Untergrund, die Speicherung von Kohlendioxid und dem natürlichen Abbau von Schadstoffen in Böden. Mit der Röntgen-Computertomografie (XCT) steht ein zerstörungsfreies 3D bildgebendes Verfahren zur Verfügung, das auch häufig für die Untersuchung der internen Struktur geologischer Proben herangezogen wird. Das erste Ziel dieser Dissertation war die Implementierung einer Bildverarbeitungstechnik, die die Strahlenaufhärtung der Röntgen-Computertomografie beseitigt und den Segmentierungsprozess dessen Daten vereinfacht. Das zweite Ziel dieser Arbeit untersuchte die kombinierten Effekte von Porenraumcharakteristika, Porentortuosität, sowie die Strömungssimulation und Transportmodellierung in Porenräumen mit der Gitter-Boltzmann-Methode. In einer zylindrischen geologischen Probe war die Position jeder Phase auf Grundlage der Beobachtung durch das Vorhandensein der Strahlenaufhärtung in den rekonstruierten Bildern, das eine radiale Funktion vom Probenrand zum Zentrum darstellt, extrahierbar und die unterschiedlichen Phasen ließen sich automatisch segmentieren. Weiterhin wurden Strahlungsaufhärtungeffekte von beliebig geformten Objekten durch einen Oberflächenanpassungsalgorithmus korrigiert. Die Methode der „least square support vector machine” (LSSVM) ist durch einen modularen Aufbau charakterisiert und ist sehr gut für die Erkennung und Klassifizierung von Mustern geeignet. Aus diesem Grund wurde die Methode der LSSVM als pixelbasierte Klassifikationsmethode implementiert. Dieser Algorithmus ist in der Lage komplexe geologische Proben korrekt zu klassifizieren, benötigt für den Fall aber längere Rechenzeiten, so dass mehrdimensionale Trainingsdatensätze verwendet werden müssen. Die Dynamik von den unmischbaren Phasen Luft und Wasser wird durch eine Kombination von Porenmorphologie und Gitter Boltzmann Methode für Drainage und Imbibition Prozessen in 3D Datensätzen von Böden, die durch synchrotron-basierte XCT gewonnen wurden, untersucht. Obwohl die Porenmorphologie eine einfache Methode ist Kugeln in den verfügbaren Porenraum einzupassen, kann sie dennoch die komplexe kapillare Hysterese als eine Funktion der Wassersättigung erklären. Eine Hysterese ist für den Kapillardruck und die hydraulische Leitfähigkeit beobachtet worden, welche durch die hauptsächlich verbundenen Porennetzwerke und der verfügbaren Porenraumgrößenverteilung verursacht sind. Die hydraulische Konduktivität ist eine Funktion des Wassersättigungslevels und wird mit einer makroskopischen Berechnung empirischer Modelle verglichen. Die Daten stimmen vor allem für hohe Wassersättigungen gut überein. Um die Gegenwart von Krankheitserregern im Grundwasser und Abwässern vorhersagen zu können, wurde in einem Bodenaggregat der Einfluss von Korngröße, Porengeometrie und Fluidflussgeschwindigkeit z.B. mit dem Mikroorganismus Escherichia coli studiert. Die asymmetrischen und langschweifigen Durchbruchskurven, besonders bei höheren Wassersättigungen, wurden durch dispersiven Transport aufgrund des verbundenen Porennetzwerks und durch die Heterogenität des Strömungsfeldes verursacht. Es wurde beobachtet, dass die biokolloidale Verweilzeit eine Funktion des Druckgradienten als auch der Kolloidgröße ist. Unsere Modellierungsergebnisse stimmen sehr gut mit den bereits veröffentlichten Daten überein.

Interactions of gold nanoparticles with polymeric membranes

This thesis focuses on the interactions of nanoparticles with artificial membranes. The synthesis of the block copolymer poly(dimethylsiloxane)-block-poly(2-methyloxazoline) (PDMS-b-PMOXA) is described, as well as the formation of polymersomes in water. These polymersomes act as minimal cell models, consisting of an artificial bilayer membrane only, allowing the study of the interactions between nanoparticles and polymeric membranes. Both spherical and rod-shaped gold nanoparticles (AuNPs) were used in this study and they were characterized using light scattering (PCS), transmission electron microscopy (TEM), UV/Vis spectroscopy, and polarization anisotropy measurements. The polymer grafting on the spherical cores is asymmetric (shell asphericity) but is parallel to the inherent, due to polycrystallinity, core anisotropy, resulting in a characteristic scattering of the AuNPs in PCS.rnInteractions of polymersomes and AuNPs were investigated by PCS, cryo-TEM and UV/Vis. Three possible scenarios upon mixing of polymersomes and AuNPs can be distinguished by using only PCS: (i) no interactions between particles and vesicles, (ii) attachment of the particles to the outer side of the vesicles (decoration), and (iii) uptake of particles into the vesicles. It is shown that all three scenarios are possible, solely depending on the particle’s surface functionalization. In addition, it was revealed that the AuNPs need to be attached to the inner side of the membrane instead of diffusing freely within the vesicle. The present experimental findings essentially help with the understanding of the interactions of nanoparticles with membranes and show that the process of endocytosis can be attributed to physical processes only. rn

Phosphonsäurehaltige polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe für Anwendungen in Brennstoffzellen

Die vorliegende Arbeit umfasst die Synthese und Charakterisierung phosphonsäurehaltiger, organischer Kristalle als ionenleitende Verbindungen in Brennstoffzellen-Anwendungen. Sie zielt dabei einerseits auf die Darstellung von protonenleitenden Polyphenylenverbindungen und deren Verwendung als Linker für den Aufbau protonenleitender Aluminium-Phosphonat-Netzwerke ab und behandelt andererseits die Einführung stark polarer Phosphonsäuregruppen in einen diskreten Nanographenkern sowie deren Einfluss auf die ionen- und elektronenleitenden Eigenschaften, um diese als gemischt-leitende Kompatibilisatoren an der isolierenden Elektrode/ Membran-Grenzfläche in einer Brennstoffzelle zu verwenden. Am Beispiel eines phosphonsäurefunktionalisierten, phenylenisch-expandierten Hexaphenylbenzols konnte ein solvothermisch stabiler Protonenleiter mit einer Selbstorganisation in kolumnare, supramolekulare Strukturen und hoher, temperaturunabhängiger Leitfähigkeit mit dominierendem Grotthuss-Anteil präsentiert werden. Durch einen Wechsel dieser 1D-radialen Phosphonsäureanordnung in der Molekülhülle hin zu 2D- und 3D-H2PO3-funktionalisierten, dendritischen Stäbchen- bzw. Kugelstrukturen konnte gezeigt werden, dass eine kolumnare Molekülanordnung jedoch kein notwendiges Kriterium für einen Grotthuss-artigen Protonentransport darstellt. Durch die mehrdimensionale Orientierung der Phosphonsäuren in der Außenhülle der Dendrimere garantieren die synthetisierten Strukturen hochaggregierte Phosphonsäurecluster, die als dichtes Säurekontinuum die eigentlichen protonenleitfähigen Kanäle darstellen und somit als entscheidendes Kriterium für das Auftreten eines Grotthuss-artigen Mechanismus definiert werden müssen. Eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit konnte durch den Aufbau poröser, organisch-anorganischer Netzwerke (Al-HPB-NETs) über Komplexierung einer unterstöchiometrischen Menge an Aluminium-Kationen mit der Polyphosphonsäureverbindung Hexakis(p-phosphonatophenyl)benzol als Linkereinheit erfolgen, die anschließend mit kleinen intrinsischen Protonenleitern wie Phosphonsäure dotiert wurden. Diese dotierten Netzwerke wiesen außergewöhnliche Leitfähigkeit auf, da sie die σ-Werte des Referenzpolymers Nafion® bereits in einem Temperaturbereich oberhalb von 135°C übertrafen, aber gleichzeitig ein sehr gutes Säureretentionsverhalten von einem Gew.-% Säuredesorption über eine Immersionsdauer von 14 h gegenüber wässrigem Medium zeigten. Durch Mischen dieser Aluminiumphosphonate mit einer dotierten Polymermatrix wie PBI konnten synergistische Effekte durch zusätzliche attraktive H-Brückenbindungen zwischen molekular angebundener Phosphonsäure und mobiler H3PO4 an Hand eines signifikanten Leitfähigkeitsanstiegs für die resultierenden Membranen beobachtet werden. Die Protonenleitfähigkeit lag in diesen Materialien in dem gesamten untersuchten Temperaturbereich oberhalb von Nafion®. Durch das Einbringen der NETs in PBI konnte ebenfalls die Säureretention von PBI um etwa 9 % bei kurzen Immersionszeiten (bis 1 min) verbessert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit die synthetische Kombination eines hydrophoben, elektronenleitenden Nanographenkerns mit einer, durch eine isolierende Peripherie getrennten, stark polaren, protonenleitenden Außenhülle realisiert. Am Beispiel von zwei phosphonsäurefunktionalisierten Triphenylenen, die sich in Länge und Planarität der gewählten Peripheriebausteine unterschieden, sollten polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe mit gemischt protonen- und elektronenleitenden Eigenschaften hergestellt werden, die über Impedanzspektroskopie und Vierpunktmessungen untersucht wurden. Da es sich bei der Anwendung solcher gemischtleitenden Verbindungen um grenz-flächenaktive Substanzen handelt, die das ohne verbesserte Anbindung bestehende Dielektrikum zwischen Elektrode und protonenleitender Membran überbrücken sollen, wurde die Untersuchung eines möglichen Elektronentransportes durch eine Molekülmonolage ebenfalls über kombinatorische STM- und STS-Technik durchgeführt.

The FGFRL1 receptor is shed from cell membranes, binds fibroblast growth factors (FGFs), and antagonizes FGF signaling in Xenopus embryos

FGFRL1 (fibroblast growth factor receptor like 1) is the fifth and most recently discovered member of the fibroblast growth factor receptor (FGFR) family. With up to 50% amino acid similarity, its extracellular domain closely resembles that of the four conventional FGFRs. Its intracellular domain, however, lacks the split tyrosine kinase domain needed for FGF-mediated signal transduction. During embryogenesis of the mouse, FGFRL1 is essential for the development of parts of the skeleton, the diaphragm muscle, the heart, and the metanephric kidney. Since its discovery, it has been hypothesized that FGFRL1 might act as a decoy receptor for FGF ligands. Here we present several lines of evidence that support this notion. We demonstrate that the FGFRL1 ectodomain is shed from the cell membrane of differentiating C2C12 myoblasts and from HEK293 cells by an as yet unidentified protease, which cuts the receptor in the membrane-proximal region. As determined by ligand dot blot analysis, cell-based binding assays, and surface plasmon resonance analysis, the soluble FGFRL1 ectodomain as well as the membrane-bound receptor are capable of binding to some FGF ligands with high affinity, including FGF2, FGF3, FGF4, FGF8, FGF10, and FGF22. We furthermore show that ectopic expression of FGFRL1 in Xenopus embryos antagonizes FGFR signaling during early development. Taken together, our data provide strong evidence that FGFRL1 is indeed a decoy receptor for FGFs.

Effect of systemic tetracycline on the degradation of tetracycline-impregnated bilayered collagen membranes: an animal study

BACKGROUND: Premature collagen membrane degradation may compromise the outcome of osseous regenerative procedures. Tetracyclines (TTCs) inhibit the catalytic activities of human metalloproteinases. Preprocedural immersion of collagen membranes in TTC and systemic administration of TTC may be possible alternatives to reduce the biodegradation of native collagen membranes. AIM: To evaluate the in vivo degradation of collagen membranes treated by combined TTC immersion and systemic administration. MATERIALS AND METHODS: Seventy-eight bilayered porcine collagen membrane disks were divided into three groups and were immersed in 0, 50, or 100 mg/mL TTC solution. Three disks, one of each of the three groups, were implanted on the calvaria of each of 26 Wistar rats. Thirteen (study group) were administered with systemic TTC (10 mg/kg), while the remaining 13 received saline injections (control group). Calvarial tissues were retrieved after 3 weeks, and histological sections were analyzed by image analysis software. RESULTS: Percentage of remaining collagen area within nonimpregnated membranes was 52.26 ± 20.67% in the study group, and 32.74 ± 13.81% in the control group. Immersion of membranes in 100 mg/mL TTC increased the amount of residual collagen to 63.46 ± 18.19% and 42.82 ± 12.99% (study and control groups, respectively). Immersion in 50 mg/mL TTC yielded maximal residual collagen values: 80.75 ± 14.86% and 59.15 ± 8.01% (study and control groups, respectively). Differences between the TTC concentrations, and between the control and the study groups were statistically significant. CONCLUSIONS: Immersion of collagen membranes in TTC solution prior to their implantation and systemic administration of TTC significantly decreased the membranes' degradation.

Different collagen types define two types of idiopathic epiretinal membranes

To identify differences in extracellular matrix contents between idiopathic epiretinal membranes (IEM) of cellophane macular reflex (CMRM) or preretinal macular fibrosis (PMFM) type.

How Porous are the Walls that Separate Us?: Transformative Service-Learning, Women’s Incarceration, and the Unsettled Self

In this article, we refine a politics of thinking from the margins by exploring a pedagogical model that advances transformative notions of service learning as social justice teaching. Drawing on a recent course we taught involving both incarcerated women and traditional college students, we contend that when communication among differentiated and stratified parties occurs, one possible result is not just a view of the other but also a transformation of the self and other. More specifically, we suggest that an engaged feminist praxis of teaching incarcerated women together with college students helps illuminate the porous nature of fixed markers that purport to reveal our identities (e.g., race and gender), to emplace our bodies (e.g., within institutions, prison gates, and walls), and to specify our locations (e.g., cultural, geographic, socialeconomic). One crucial theoretical insight our work makes clear is that the model of social justice teaching to which we aspired necessitates re-conceptualizing ourselves as students and professors whose subjectivities are necessarily relational and emergent.

[Heterogeneity of costs and performance for penetrating eye injuries and suturing amniotic membranes under DRG conditions : Analysis of case constellations of the G-DRG C01B of the Regensburg University eye clinic]

Patients with penetrating eye injuries are a very heterogeneous group both medically and economically. Since 2009, treatment involving sutures for open eye injuries and cases requiring amniotic membrane transplantation (AMT) were allocated to DRG C01B of the German diagnosis-related group system. However, given the significant clinical differences between these treatments, an inhomogeneity of costs to performance is postulated. This analysis describes case allocation problems within the G-DRG C01B category and presents solutions.

Interactions between selected photosensitizers and model membranes: an NMR classification

Membrane interactions of porphyrinic photosensitizers (PSs) are known to play a crucial role for PS efficiency in photodynamic therapy (PDT). In the current paper, the interactions between 15 different porphyrinic PSs with various hydrophilic/lipophilic properties and phospholipid bilayers were probed by NMR spectroscopy. Unilamellar vesicles consisting of dioleoyl-phosphatidyl-choline (DOPC) were used as membrane models. PS-membrane interactions were deduced from analysis of the main DOPC (1)H-NMR resonances (choline and lipid chain signals). Initial membrane adsorption of the PSs was indicated by induced changes to the DOPC choline signal, i.e. a split into inner and outer choline peaks. Based on this parameter, the PSs could be classified into two groups, Type-A PSs causing a split and the Type-B PSs causing no split. A further classification into two subgroups each, A1, A2 and B1, B2 was based on the observed time-dependent changes of the main DOPC NMR signals following initial PS adsorption. Four different time-correlated patterns were found indicating different levels and rates of PS penetration into the hydrophobic membrane interior. The type of interaction was mainly affected by the amphiphilicity and the overall lipophilicity of the applied PS structures. In conclusion, the NMR data provided valuable structural and dynamic insights into the PS-membrane interactions which allow deriving the structural constraints for high membrane affinity and high membrane penetration of a given PS. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.