Sistemi liquido cristallini complessi: simulazioni al calcolatore e studi ESR

The aim of this PhD thesis was to study at a microscopic level different liquid crystal (LC) systems, in order to determine their physical properties, resorting to two distinct methodologies, one involving computer simulations, and the other spectroscopic techniques, in particular electron spin resonance (ESR) spectroscopy. By means of the computer simulation approach we tried to demonstrate this tool effectiveness for calculating anisotropic static properties of a LC material, as well as for predicting its behaviour and features. This required the development and adoption of suitable molecular models based on a convenient intermolecular potentials reflecting the essential molecular features of the investigated system. In particular, concerning the simulation approach, we have set up models for discotic liquid crystal dimers and we have studied, by means of Monte Carlo simulations, their phase behaviour and self­-assembling properties, with respect to the simple monomer case. Each discotic dimer is described by two oblate Gay­Berne ellipsoids connected by a flexible spacer, modelled by a harmonic "spring" of three different lengths. In particular we investigated the effects of dimerization on the transition temperatures, as well as on the characteristics of molecular aggregation displayed and the relative orientational order. Moving to the experimental results, among the many experimental techniques that are typically employed to evaluate LC system distinctive features, ESR has proved to be a powerful tool in microscopic scale investigation of the properties, structure, order and dynamics of these materials. We have taken advantage of the high sensitivity of the ESR spin probe technique to investigate increasingly complex LC systems ranging from devices constituted by a polymer matrix in which LC molecules are confined in shape of nano- droplets, as well as biaxial liquid crystalline elastomers, and dimers whose monomeric units or lateral groups are constituted by rod-like mesogens (11BCB). Reflection-mode holographic-polymer dispersed liquid crystals (H-PDLCs) are devices in which LCs are confined into nanosized (50­-300 nm) droplets, arranged in layers which alternate with polymer layers, forming a diffraction grating. We have determined the configuration of the LC local director and we have derived a model of the nanodroplet organization inside the layers. Resorting also to additional information on the nanodroplet size and shape distribution provided by SEM images of the H-PDLC cross-section, the observed director configuration has been modeled as a bidimensional distribution of elongated nanodroplets whose long axis is, on the average, parallel to the layers and whose internal director configuration is a uniaxial quasi- monodomain aligned along the nanodroplet long axis. The results suggest that the molecular organization is dictated mainly by the confinement, explaining, at least in part, the need for switching voltages significantly higher and the observed faster turn-off times in H-PDLCs compared to standard PDLC devices. Liquid crystal elastomers consist in cross-linked polymers, in which mesogens represent the monomers constituting the main chain or the laterally attached side groups. They bring together three important aspects: orientational order in amorphous soft materials, responsive molecular shape and quenched topological constraints. In biaxial nematic liquid crystalline elastomers (BLCEs), two orthogonal directions, rather than the one of normal uniaxial nematic, can be controlled, greatly enhancing their potential value for applications as novel actuators. Two versions of a side-chain BLCEs were characterized: side­-on and end­-on. Many tests have been carried out on both types of LCE, the main features detected being the lack of a significant dynamical behaviour, together with a strong permanent alignment along the principal director, and the confirmation of the transition temperatures already determined by DSC measurements. The end­-on sample demonstrates a less hindered rotation of the side group mesogenic units and a greater freedom of alignment to the magnetic field, as already shown by previous NMR studies. Biaxial nematic ESR static spectra were also obtained on the basis of Molecular Dynamics generated biaxial configurations, to be compared to the experimentally determined ones, as a mean to establish a possible relation between biaxiality and the spectral features. This provides a concrete example of the advantages of combining the computer simulation and spectroscopic approaches. Finally, the dimer α,ω-bis(4'-cyanobiphenyl-4-yl)undecane (11BCB), synthesized in the "quest" for the biaxial nematic phase has been analysed. Its importance lies in the dimer significance as building blocks in the development of new materials to be employed in innovative technological applications, such as faster switching displays, resorting to the easier aligning ability of the secondary director in biaxial phases. A preliminary series of tests were performed revealing the population of mesogenic molecules as divided into two groups: one of elongated straightened conformers sharing a common director, and one of bent molecules, which display no order, being equally distributed in the three dimensions. Employing this model, the calculated values show a consistent trend, confirming at the same time the transition temperatures indicated by the DSC measurements, together with rotational diffusion tensor values that follow closely those of the constituting monomer 5CB.

Hygroskopische Eigenschaften atmosphärischer Partikel in kontinentalen Luftmassen

Die hygroskopischen Eigenschaften sind wichtige Parameter des atmosphärischen Aerosols. Sie beeinflussen sowohl direkt über den Strahlungsantrieb, als auch indirekt über die Wechselwirkung von Aerosol und Wolken die globale Strahlungsbilanz und somit das Klima. Auch die Sichtweiteveränderung ist von ihnen abhängig. Sie beeinflussen die Partikeldeposition in der Lunge und müssen zur Vermeidung von Artefaktbildung bei der Aerosolmessung berücksichtigt werden.
Die vorliegende Dissertation beinhaltet Messungen des wasserlöslichen Volumenanteils und des hygroskopischen Wachstumsfaktors des atmosphärischen Aerosols. Mit diesen Untersuchungen konnte der überwiegende Teil (50 nm bis 4 µm Partikeldurchmesser) des für atmosphärische Prozesse relevanten Größenbereichs gleichzeitig größenaufgelöst und detailliert erfasst werden. Messungen wurden in ruralen, semi-urbanen und frei-troposphärischen Luftmassen durchgeführt. Messverfahren sind die SoFA (Water-Soluble Fraction of Large and Giant Atmospheric Particles)-Methode und der HTDMA (Hygroscopic Tandem Differential Mobility Analyzer). Im Rahmen dieser Arbeit wurde die SoFA-Methode weiterentwickelt.
Ein umfangreiches Messprogramm zeigt, dass der mittlere lösliche Volumenanteil des Aerosols mit Werten von ca. 59 % geringe Variationen zwischen den Messstandorten aufweist, lediglich in frei-troposphärischen Luftmassen liegt er mit 66 % erwartungsgemäß höher. Betrachtet man die Daten größenaufgelöst, so zeigt sich, dass im Größenbereich zwischen 200 und 500 nm Partikeldurchmesser der lösliche Volumenanteil ein Maximum aufweist. Ein in semi-urbanem Aerosol gemessener Jahresgang weist, vor allem für Partikel kleiner 300 nm, im Sommer geringere Werte als im Winter auf. Unterhalb 300 nm Partikeldurchmesser treten üblicherweise zwei, oberhalb bis zu drei Partikeltypen unterschiedlicher Hygroskopizität auf: der fast unlösliche Partikeltyp mit löslichen Volumenanteilen bis 12 %, der wahrscheinlich aus Ruß, sekundärem organischem, mineralischem und biologischem Material besteht; der teilweise lösliche Partikeltyp (50 bis 75 %), der als Mischpartikel anzusprechen ist; schließlich der überwiegend lösliche Partikeltyp (ca. 90 %), der wahrscheinlich durch Wolkenprozessierung entsteht. Der Unterschied zwischen den Messstandorten ist auch hier gering. Üblicherweise dominieren die löslicheren Partikeltypen mit relativen Anteilen von 60 bis 95 %, wobei sich ein Minimum der Häufigkeit der löslicheren Partikel zwischen 1.5 und 2.5 µm zeigt. Abschließende größenaufgelöste Modellrechnungen zum Aerosol-Feuchtewachstum unterstreichen die Relevanz dieser Untersuchungen für Strahlungs- und Wolkenprozesse.

Synthese und Charakterisierung von Polymakromonomeren unterschiedlicher Topologie

In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Topologien von Polymakromonomeren auf unterschiedlichen chemischen Routen synthetisiert und mit verschiedenen Methoden charakterisiert. Es wurden Polyalkylmakromonomere, Kern-Schale zylindrische Bürsten (Poly[styrol-block-alkylmakromonomere]), Polystyrolmakromonomere und Blockcopolymere aus zylindrischer Polystyrolbürste und linearem t--BuMA--Knäuel synthetisiert. Die Synthese der Polyalkylmakromonomere und der Kern--Schale zylindrischen Bürsten wurde durch die freie radikalische Polymerisation von Makromonomeren erreicht. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Polymakromonomere wurden mit verschiedenen Methoden (Lichtstreuung, Neutronenstreuung, DSC, AFM und NMR) untersucht. Die metalloceninitiierte Polymerisation von Polystyrolmakromonomeren führte zum ersten Mal zu Polymerisationsgraden der Hauptkette von mehr als 1000, so dass eine neue chemische Route zur Synthese von zylindrischen Bürsten entwickelt werden konnte. Die partiell lebende metalloceninitiierte Polymerisation erlaubt weiterhin zum ersten Mal die Synthese von Blockstrukturen, die einen zylindrischen Bürstenteil und einen linearen Knäuelteil (t--BuMA) aufweisen. Diese Blockcopolymere bilden nach Abspaltung der tert.--Butylgruppe und Neutralisation der freien Polymethacrylsäure mit Cäsiumhydroxid ein sehr großes Amphiphil, das in einem selektiven Lösungsmittel (z.~B. THF) eine mizellare überstruktur ausbildet. Der mizellare Charakter dieser überstrukturen wurde mit der hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie/EDX bewiesen. Der mit der TEM beobachtete Durchmesser einer solchen Riesenmizelle erreicht Werte von bis zu 300 nm.

Plasmonenresonanzen von sichelförmigen metallischen Nanoobjekten

Metallische Objekte in der Größenordnung der optischen Wellenlänge zeigen Resonanzen im optischen Spektralbereich. Mit einer Kombination aus Kolloidlithographie, Metallfilmbedampfung und reaktivem Ionenstrahl¨atzen wurden Nanosicheln aus Gold bzw. Silber mit identischer Form und Orientierung in Sichelform mit einer Größe von 60nm bis 400nm hergestellt. Der Öffnungswinkel der Nanosicheln lässt sich kontinuierlich einstellen. Durch die einheitliche Orientierung lassen sich Messungen am Ensemble direkt auf das Verhalten des Einzelobjektes übertragen, wie ein Vergleich der Extinktionsspektren einer Ensemblemessung am UV/Vis/NIR-Spektrometer mit einer Einzelpartikelmessung in einem konfokalen Mikroskop zeigt. Die optische Antwort der Nanosicheln wurde als zwei-dimensionales Modell mit einer Finite Elemente Methode berechnet. Das Ergebnis sind mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im optischen Spektrum. Diese lassen sich durch Variation des Öffnungswinkels und der Gr¨oße der Nanosichel verschieben. Durch Beleuchten lassen sich plasmonische Schwingungen anregen, die ein stark lokalisiertes Nahfeld an den Spitzen und in der Öffnung der Nanosicheln erzeugen. Das Nahfeld der Partikelresonanz wurde mit einer Fotolackmethode nachgewiesen. Die Untersuchungen am UV/Vis/NIR-Spektrometer zeigen mehrere polarisationsabhängige Resonanzen im Spektralbereich von 300 nm bis 3200 nm. Die Resonanzen der Nanosicheln lassen sich durch den Öffnungswinkel und den Durchmesser in der Größenordnung der Halbwertbreite im optischen Spektrum verschieben. In der Anwendung als Chemo- bzw. Biosensor zeigen Gold-Nanosicheln eine ähnliche Empfindlichkeit wie vergleichbare Sensoren auf der Basis von dünnen Metallstrukturen. Das Nahfeld zeichnet sich durch eine starke Lokalisierung aus und dringt, je nach Multipolordnung, zwischen 14 nm und 70 nm in die Umgebung ein. Quantenpunkte wurden an das Nahfeld der Nanosicheln gekoppelt. Die Emission der Quantenpunkte bei einer Wellenlänge von 860nm wird durch die Resonanz der Nanosicheln verstärkt. Die Nanosicheln wurden als optische Pinzette eingesetzt. Bei einer Anregung mit einem Laser bei einer Wellenlänge von 1064 nm wurden Polystyrolkolloide mit einem Durchmesser von 40 nm von den resonanten Nanosicheln eingefangen. Die Nanosicheln zeigen außergewöhnliche optische Eigenschaften, die mithilfe der Geometrieparameter über einen großen Bereich verändert werden können. Die ersten Anwendungen haben Anknüpfungspunkte zur Verwendung in der Sensorik, Fluoreszenzspektroskopie und als optische Pinzette aufgezeigt.

Anisotrope Kolloide aus flüssigkristallinen Polymeren

In dieser Arbeit wird die Synthese, Charakterisierung und Manipulation anisotroper Kolloide aus flüssigkristallinen Polymeren beschrieben. Um Kolloide verschiedener Größe und aus verschiedenen Polymeren zu erhalten, wurden verschiedene Techniken verwendet. Einerseits wurden Kolloide aus nematischen und smektischen Polymeren mit Durchmessern meist im Bereich von 0,5 bis 3,5 Mikrometern hergestellt. Dazu wurden 16 verschiedene Acrylat- und Methacrylatmonomere synthetisiert und mittels Dispersionspolymerisation polymerisiert. Durch Variation der Polymerisationsbedingungen wurden Kolloide verschiedener Größe und Polydispersität erhalten. Durch Saatpolymerisation konnten zudem die Kugelgrößen bei gleichbleibend geringer Polydispersität erhöht werden. Polarisationsmikroskopie zeigt, dass die meisten Kolloide mit einer Größe zwischen ca. 2 bis 4 Mikrometern eine bipolare Direktorkonfiguration haben. Einige dieser Kolloide wurden mit einer optischen Pinzette mit zirkular polarisiertem Licht eingefangen und rotiert. Zum anderen wurden verschiedene flüssigkristalline Polymere (Polysiloxane, Hauptkettenpolymere und Polyacrylate) durch den Miniemulsionsprozess in Kolloide mit Durchmessern im Bereich von ca. 50 bis 300 nm überführt. Durch Variation der Emulgator- und Polymermenge sowie der Art des Emulgators konnte die Kugelgröße beeinflusst werden. Für die Polysiloxankolloide erfolgte die Aufklärung ihrer inneren Struktur mittels TEM und Kryo-TEM, da durch das Silizium im Polymerrückgrat ohne zusätzliches Anfärben ein Kontrast vorhanden ist. Die TEM-Aufnahmen zeigen deutlich die smektische Schichtstruktur innerhalb der Kolloide aus „verdünnten“ Copolysiloxanen und sind somit der erste direkte Beweis für die Mikrophasenseparation zwischen den Mesogenen und Polysiloxanketten, die bisher basierend auf Röntgenmessungen nur indirekt vorhergesagt wurde. Für die Copolysiloxane mit 2-Ring-Mesogenen wurden zwiebelartige Strukturen und für die Copolysiloxane mit 3-Ring-Mesogenen parallele Schichtstrukturen gefunden. Im ersten Fall folgt die smektische Schichtstruktur der Kugelsymmetrie des Kolloids, im zweiten Fall dominiert die Tendenz der smektischen Schichten, sich parallel anzuordnen.

Immunoconiugati contenenti tossine vegetali o siRNA per la deplezione selettiva di cellule leucemiche. Preparazione, citotossicità e studi di mutagenesi sito-specifica.

CD33 is a myeloid cell surface marker absent on normal hematopoietic stem cells and normal tissues but present on leukemic blasts in 90% of adult and paediatric acute myeloid leukaemia (AML) cases. By virtue of its expression pattern and its ability to be rapidly internalized after antibody binding, CD33 has become an attractive target for new immunotherapeutic approaches to treat AML. In this study two immunoconjugates were constructed to contain a humanised single-chain fragment variable antibody (scFv) against CD33 in order to create new antibody-derived therapeutics for AML. The first immunoconjugate was developed to provide targeted delivery of siRNAs as death effectors into leukemic cells. To this purpose, a CD33-specific scFv, modified to include a Cys residue at its C-terminal end (scFvCD33-Cys), was coupled through a disulphide bridge to a nona-d-arginine (9R) peptide carrying a free Cys to the N-terminal. The scFvCD33-9R was able to completely bind siRNAs at a protein to nucleic acid ratio of about 10:1, as confirmed by electrophoretic gel mobility-shift assay. The conjugate was unable to efficiently transduce cytotoxic siRNA (siTox) into the human myeloid cell line U937. We observed slight reductions in cell viability, with a reduction of 25% in comparison to the control group only at high concentration of siTox (300 nM). The second immunoconjugate was constructed by coupling the scFvCD33-Cys to the type 1 ribosome inactivating protein Dianthin 30 (DIA30) through a chemical linking The resulting immunotoxin scFvCD33-DIA30 caused the rapid arrest of protein synthesis, inducing apoptosis and leading ultimately to cell death. In vitro dose-dependent cytotoxicity assays demonstrated that scFvCD33-DIA30 was specifically toxic to CD33-positive cell U937. The concentration needed to reach 50 % of maximum killing efficiency (EC50) was approximately 0.3 nM. The pronounced antigen-restricted cytotoxicity of this novel agent makes it a candidate for further evaluation of its therapeutic potential.

Eine kontinuierliche Lyman-alpha-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen

In dieser Arbeit wird eine schmalbandige kontinuierliche kohärente Lyman-α-Quelle basierend auf Festkörperlasersystemen zur zukünftigen Kühlung von Antiwasserstoff vorgestellt. Die fundamentalen Festkörperlasersysteme ermöglichen es im Vier-Wellen-Misch-Prozess zur Erzeugung der Lyman-α-Strahlung nicht nur die 6^1S – 7^1S-Zwei-Photonen-Resonanz des Quecksilbers sondern erstmals auch die 6^1S – 6^3P-Ein-Photonen-Resonanz zur Erhöhung der Konversionseffizienz optimal zu nutzen. In ersten Messungen wurden 0,063nW Leistung bei Lyman-α erzeugt. Mit dieser Lyman-α-Quelle war es, durch die Nähe des ersten fundamentalen Lasers zur Ein-Photonen-Resonanz, erstmals möglich den kompletten Verlauf der Phasenanpassungskurve des Vier-Wellen- Misch-Prozesses aufzunehmen. Neben den fundamentalen Lasersystemen und der Lyman-alpha-Erzeugung selbst, wird in dieser Arbeit die Detektion der produzierten Lyman-α-Strahlung mit einem Photomultiplier vorgestellt, die soweit optimiert wurde, dass eine zuverlässige Abschätzung der erzeugten Leistung möglich ist. Für diesen Zweck wurde zudem ein Teststand aufgebaut, mit dem die Transmissivität der Optiken, welche in der Lyman-α-Apparatur verwendet werden, bei 121,56nm gemessen wurde. Des Weiteren wird hier eine vielseitige Rechnung vorgestellt, mit der die erzeugte Leistung bei Lyman-α, unter anderem in Abhängigkeit von der Temperatur, der Absorption des ersten fundamentalen Laserstrahls, dem Dichteprofil des Quecksilberdampfes und unter dem Einfluss eines Puffergases, bestimmt wird.

Synthese und Charakterisierung von HPMA-stabilisierten Kolloiden sowie deren Evaluierung in vitro und in vivo

Nanodimensionale Wirkstoff-Trägersysteme sind in der Lage, sowohl die Bioverfügbarkeit als auch das pharmakokinetische Profil von Wirkstoffen drastisch zu verbessern. Hauptgründe dafür sind eine erhöhte Plasma-Halbwertszeit durch die größenbedingte verminderte renale Ausscheidung und eine gesteigerte Anreicherung im Tumorgewebe durch den EPR-Effekt. Diese Arbeit beschreibt die Synthese und Entwicklung neuer kolloidaler Wirkstoff-Trägersysteme, welche biokompatibel, teilweise bioabbaubar und funktionalisierbar sind. Ein Fluoreszenzfarbstoff wurde als hydrophobes Wirkstoffmodell eingekapselt. Wohldefinierte, eng verteilte und funktionalisierbare HPMA-basierte Block- und statistische Copolymere unterschiedlicher Molekulargewichte (10-25 kDa) und hydrophiler/hydrophober Zusammensetzung (10-50 mol%) wurden mittels RAFT- Polymerisation in Kombination mit dem Reaktivesteransatz hergestellt und in Miniemulsionsprozesse eingesetzt, um ihre Stabilisierungseffizienz zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die kleineren Copolymere (10 kDa) mit einem Einbau von 10 mol% LMA, sowohl im Modellsystem Polystyrol, als auch im bioabbaubaren PDLLA-System, besonders geeignet sind und ergaben monodisperse Kolloide im Größenbereich von 100 bis 300 nm. Die kolloidalen Systeme zeigten keine Wirkung auf die Zellviabilität. In Folge dessen wurde das Aggregationsverhalten in humanem Blutserum mittels DLS untersucht, wobei keine Interaktion mit Blutbestandteilen festgestellt werden konnte. Zellaufnahmestudien wurden an HeLa-Zellen durchgeführt, um das Schicksal der Kolloide in vitro zu untersuchen. Dabei wurden Kernmaterial, Hülle und das hydrophobe Wirkstoffmodell durch unterschiedliche Fluoreszenzmarkierung getrennt betrachtet. Das hydrophobe Wirkstoffmodell wurde allein durch Interaktion der Kolloide mit den Zellen übertragen, was für eine diffusionsbedingte, initiale, aber unspezifische Freisetzung spricht. Eine solche Freisetzungskinetik kann durch Verwendung von Nitroglycerin, als vasodilatierender Wirkstoff mit geringer unspezifischer Wirkung, ausgenutzt werden, um den EPR-Effekt zu unterstützen. Die Aufnahme des Partikels hingegen geschieht zeitverzögert. Das Schicksal der Kolloide (sowohl des Kern- und desrnHüllmaterials) wurde durch doppelte Fluoreszenzmarkierung untersucht. Dabei kam es zu einer intrazellulären Ablösung der stabilisierenden Block-Copolymere zwischen 8 und 24 h. Nach Aufklärung der Aufnahme- und Freisetzungskinetiken wurde nun die Körperverteilung der PS- und PDLLA-Kolloide nach 18F-Markierung mittels PET und ex vivo-Biodistributiosstudien untersucht. Dabei hatte das Kernmaterial einen Einfluss auf die Körperverteilung. PET-Studien in Mäusen zeigten, dass die stabilisierenden Block-Copolymere beider Kolloide ein starkes Signal in der Niere geben, wobei das der PS-Kolloide weiter ausgeprägt war. Darüber hinaus war eine Anreicherung dieser in Lunge, Leber und Milz festzustellen. Die Verdrängung der stabilisierenden Polymere durch die Interaktion mit Blutbestandteilen erklärt dabei das erhöhte Nieren- und Blasensignal der PS- Kolloide. Das Anreicherungsmuster der PDLLA-Kolloide hingegen zeigte neben der Nierenakkumulation eine erhöhte Blutaktivität und somit die gewünschten langzirkulierenden Eigenschaften. Diese Ergebnisse konnten auch mittels ex vivo- Biodistributionsstudien bestätigt werden. Um die Tumoranreicherung weiter zu verbessern wurde die Verwendung von Folat als Erkennungsstruktur am einfachen HPMA-Polymer untersucht. Die Konjugate zeigten eine erhöhte Anreicherung im Vergleich zu den Polymeren ohne Erkennungsstrukturen. Blockadestudien bestätigten die Selektivität der Anreicherung. Diese Daten zeigen das Potential der Folat-Erkennungsstruktur in vivo innerhalb kurzer Zeitfenster, welche nun auf kolloidale Systeme übertragen werden kann.

Thermal model for optimization of vascular laser tissue soldering

Laser tissue soldering (LTS) is a promising technique for tissue fusion based on a heat-denaturation process of proteins. Thermal damage of the fused tissue during the laser procedure has always been an important and challenging problem. Particularly in LTS of arterial blood vessels strong heating of the endothelium should be avoided to minimize the risk of thrombosis. A precise knowledge of the temperature distribution within the vessel wall during laser irradiation is inevitable. The authors developed a finite element model (FEM) to simulate the temperature distribution within blood vessels during LTS. Temperature measurements were used to verify and calibrate the model. Different parameters such as laser power, solder absorption coefficient, thickness of the solder layer, cooling of the vessel and continuous vs. pulsed energy deposition were tested to elucidate their impact on the temperature distribution within the soldering joint in order to reduce the amount of further animal experiments. A pulsed irradiation with high laser power and high absorbing solder yields the best results.

Implementation of porous silicon technology for a fluidic flow-through optical sensor for pH measurements

This work presents an innovative integration of sensing and nano-scaled fluidic actuation in the combination of pH sensitive optical dye immobilization with the electro-osmotic phenomena in polar solvents like water for flow-through pH measurements. These flow-through measurements are performed in a flow-through sensing device (FTSD) configuration that is designed and fabricated at MTU. A relatively novel and interesting material, through-wafer mesoporous silica substrates with pore diameters of 20 -200 nm and pore depths of 500 µm are fabricated and implemented for electro-osmotic pumping and flow-through fluorescence sensing for the first time. Performance characteristics of macroporous silicon (> 500 µm) implemented for electro-osmotic pumping include, a very large flow effciency of 19.8 µLmin-1V-1 cm-2 and maximum pressure effciency of 86.6 Pa/V in comparison to mesoporous silica membranes with 2.8 µLmin-1V-1cm-2 flow effciency and a 92 Pa/V pressure effciency. The electrical current (I) of the EOP system for 60 V applied voltage utilizing macroporous silicon membranes is 1.02 x 10-6A with a power consumption of 61.74 x 10-6 watts. Optical measurements on mesoporous silica are performed spectroscopically from 300 nm to 1000 nm using ellipsometry, which includes, angularly resolved transmission and angularly resolved reflection measurements that extend into the infrared regime. Refractive index (n) values for oxidized and un-oxidized mesoporous silicon sample at 1000 nm are found to be 1.36 and 1.66. Fluorescence results and characterization confirm the successful pH measurement from ratiometric techniques. The sensitivity measured for fluorescein in buffer solution is 0.51 a.u./pH compared to sensitivity of ~ 0.2 a.u./pH in the case of fluorescein in porous silica template. Porous silica membranes are efficient templates for immobilization of optical dyes and represent a promising method to increase sensitivity for small variations in chemical properties. The FTSD represents a device topology suitable for application to long term monitoring of lakes and reservoirs. Unique and important contributions from this work include fabrication of a through-wafer mesoporous silica membrane that has been thoroughly characterized optically using ellipsometry. Mesoporous silica membranes are tested as a porous media in an electro-osmotic pump for generating high pressure capacities due to the nanometer pore sizes of the porous media. Further, dye immobilized mesoporous silica membranes along with macroporous silicon substrates are implemented for continuous pH measurements using fluorescence changes in a flow-through sensing device configuration. This novel integration and demonstration is completely based on silicon and implemented for the first time and can lead to miniaturized flow-through sensing systems based on MEMS technologies.

Development of a multifunctional platform for extra- and intracellular ionic activities recording

We present the development of a multifunctional platform equipped with an array of silicon nitride micropipettes with dimensions allowing the implementation of extra- and intracellular operations. Micropipettes with outer diameter that ranges from 6 mum down to 300 nm and with walls thicknesses of 500 down to 150 nm are presented. The generic technology developed to fabricate these micropipettes has a number of advantages, including the ability to be implemented as ion-selective electrodes for (A) intracellular and (B) extracellular recordings and as (C) local drug microdispensers.

ECHOGENIC LIPOSOMES FOR NITRIC OXIDE DELIVERY AND BREAST CANCER TREATMENT

Liposomes, also known as nontoxic, biodegradable, and non-immunogenic therapeutic delivery vehicles, have been proposed as a carrier for drugs and antitumor agents in cancer chemotherapy. Echogenic liposomes (ELIP) have the potential to entrap air or bioactive gas to enhance acoustic reflectivity in ultrasound and are used as a contrast agent. The innovative part of this study is based on a novel concept to encapsulate nitric oxide (NO) gas into ELIP, deliver it to breast cancer cells, and control its release via direct ultrasound exposure. Studies on the effect of NO in tumor biology have shown that a high levels of NO (> 300 nM) leads to cytostasis or apoptosis by decreasing the translation of several cell cycle proteins and stimulating cancer cell death by activating the p53 pathway. The central hypothesis is that NO gas can be packaged and delivered through a delivery methodology to breast cancer cells to facilitate tumor regression with minimal systemic toxicity. The primary goal of this thesis is to develop an echogenic liposomal solution that has the ability to encapsulate NO, to release NO locally upon ultrasound exposure, and to induce breast cancer cell death. NO-containing echogenic liposomes (NO-ELIP) were prepared by the freezing-under-pressure method previously developed in our laboratory. It was necessary to evaluate stability of NO-ELIP and release of NO from NO-ELIP by measuring echogenicity using intravascular ultrasound images. Breast cancer cell lines, MDA-MB-231 and MDA-MB-468, were selected to investigate the cytotoxic effects of NO liberated from NO-ELIP and their response to NO concentration. Ultrasound-triggered NO release from NO-ELIP using ultrasound activation was studied. It was demonstrated that NO-ELIP remained stable for 5 hours in bovine serum albumin. Delivery of NO using NO-ELIP induced cytotoxicity and programmed cell death of MDA-MB-231 and MDA-MB-468 after 5 hours of incubation. Enhancement of the NO-ELIP effect for therapeutic application was observed with ultrasound activation. This work demonstrates that NO-ELIP can incorporate and deliver NO to breast cancer cells providing increased NO stability and ultrasound-controlled NO release. Improved therapeutic effect with the use of NO-ELIP is expected to be found for breast cancer treatment.

Synthesis and properties of heterobifunctional photoaffinity reagents for the identification and isolation of receptors

A method employing isotopically- and photoaffinity-labeled probes and polyclonal and monoclonal antibody to the probes for the identification, isolation and recovery of protein receptors is described. Antibody was raised against N-(3-(p-azido-m-($\sp{125}$I) -iodophenyl)) propionate (AIPP) coupled to and photolyzed to BSA. The antibodies specifically bound AIPP-derivatized proteins. An isolation system was developed utilizing this probe and two antigenically identical reversible analogues. N-(3-((p-azido-m-($\sp{125}$I) -iodo-phenyl)propionyl)amidoethyl-1,3-dithiopropionyl) succinimide (Reversible $\sp{125}$I-AIPPS) reacts with primary amines and N-(((3-p-azido-m-($\sp{125}$I) -iodophenyl)propionyl)amidoethyl)dithiopyridine ($\sp{125}$I-AIPP-PDA) reacts with reduced thiols. The applicability of the system was established by derivatizing known ligands (Transferrin and Interferon-alpha) with one of the probes. The ligand-probe was then allowed to interact with its receptor by incubation with SS5 lymphoma cells and cross-linked by photolysis at 300 nm. The photolyzed ligand/probe/receptor preparation was then recovered with AIPP antibody. Utilization of N-(3-((p-azido-m-($\sp{125}$I) -iodo-phenyl-propionyl)-amidoethyl-1,3-dithiopropionyl) succinimide (Reversible $\sp{125}$I-AIPPS) allowed the components of the photolyzed complex to be separated by treatment with 2-mercaptoethanol in the SDS-PAGE solubilization buffer. Ligand and receptor labeling were then assessed by Coomassie staining and autoradiography. Results of receptor assays suggest that $\sp{125}$I-AIPP was, indeed, transferred to moieties that represent the receptors for both Transferrin and Interferon-alpha. ^

4'-O-methylhonokiol increases levels of 2-arachidonoyl glycerol in mouse brain via selective inhibition of its COX-2-mediated oxygenation

BACKGROUND AND PURPOSE 4'-O-methylhonokiol (MH) is a natural product showing anti-inflammatory, anti-osteoclastogenic, and neuroprotective effects. MH was reported to modulate cannabinoid CB2 receptors as an inverse agonist for cAMP production and an agonist for intracellular [Ca2+]. It was recently shown that MH inhibits cAMP formation via CB2 receptors. In this study, the exact modulation of MH on CB2 receptor activity was elucidated and its endocannabinoid substrate-specific inhibition (SSI) of cyclooxygenase-2 (COX-2) and CNS bioavailability are described for the first time. METHODS CB2 receptor modulation ([35S]GTPγS, cAMP, and β-arrestin) by MH was measured in hCB2-transfected CHO-K1 cells and native conditions (HL60 cells and mouse spleen). The COX-2 SSI was investigated in RAW264.7 cells and in Swiss albino mice by targeted metabolomics using LC-MS/MS. RESULTS MH is a CB2 receptor agonist and a potent COX-2 SSI. It induced partial agonism in both the [35S]GTPγS binding and β-arrestin recruitment assays while being a full agonist in the cAMP pathway. MH selectively inhibited PGE2 glycerol ester formation (over PGE2) in RAW264.7 cells and significantly increased the levels of 2-AG in mouse brain in a dose-dependent manner (3 to 20 mg kg(-1)) without affecting other metabolites. After 7 h from intraperitoneal (i.p.) injection, MH was quantified in significant amounts in the brain (corresponding to 200 to 300 nM). CONCLUSIONS LC-MS/MS quantification shows that MH is bioavailable to the brain and under condition of inflammation exerts significant indirect effects on 2-AG levels. The biphenyl scaffold might serve as valuable source of dual CB2 receptor modulators and COX-2 SSIs as demonstrated by additional MH analogs that show similar effects. The combination of CB2 agonism and COX-2 SSI offers a yet unexplored polypharmacology with expected synergistic effects in neuroinflammatory diseases, thus providing a rationale for the diverse neuroprotective effects reported for MH in animal models.