Investigations of cooperative interactions in template induced crystallization processes and kinetic studies of nucleation and growth by small-angle neutron scattering

Zusammenfassung Um zu einem besseren Verständnis des Prozesses der Biomineralisation zu gelangen, muss das Zusammenwirken der verschiedenen Typen biologischer Makromoleküle, die am Keimbildungs- und Wachstumsprozess der Minerale beteiligt sind, berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird ein neues Modellsystem eingeführt, das aus einem SAM (self-assembled monolayer) mit verschiedenen Funktionalitäten und unterschiedlichen, gelösten Makromolekülen besteht. Es konnte gezeigt werden, dass die Kristallisation von Vaterit (CaCO3) sowie Strontianit (SrCO3) Nanodrähten der Präsenz von Polyacrylat in Kooperation mit einer COOH-funktionalisierten SAM-Oberfläche zugeschrieben werden kann. Die Kombination bestehend aus einer polaren SAM-Oberfläche und Polyacrylat fungiert als Grenzfläche für die Struktur dirigierende Kristallisation von Nanodraht-Kristallen. Weiter konnte gezeigt werden, dass die Phasenselektion von CaCO3 durch die kooperative Wechselwirkung zwischen einer SAM-Oberfläche und einem daran adsorbierten hb-Polyglycerol kontrolliert wird. Auch die Funktionalität einer SAM-Oberfläche in Gegenwart von Carboxymethyl-cellulose übt einen entscheidenden Einfluss auf die Phasenselektion des entstehenden Produktes aus. In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an CaCO3 zur homogenen Keimbildung, zur Nukleation in Gegenwart eines Proteins sowie auf Kolloiden, die als Template fungieren, mittels Kleinwinkel-Neutronenstreuung durchgeführt. Die homogene Kristallisation in wässriger Lösung stellte sich als ein mehrstufiger Prozess heraus. In Gegenwart des Eiweißproteins Ovalbumin konnten drei Phasen identifiziert werden, darunter eine anfänglich vorhandene amorphe sowie zwei kristalline Phasen.

Latexpartikel als Trägermaterialien in der durch Postmetallocene katalysierten Ethenpolymerisation

Die vorliegende Arbeit beschäftigte sich mit der Immobilisierung von Postmetallocenen auf einem organischen Trägermaterial für die heterogene Ethenpolymerisation. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich mit nukleophilen Gruppen funktionalisierte Latexpartikel als Trägermaterial für empfindliche Bis(phenoxyimin)titankatalysatoren eignen. Durch geschickte Kombination aus Trägermaterial, Katalysator und Cokatalysator wurde ein Katalysatorsysteme erhalten, das ultrahochmolekulares Polyethylen mit einem Molekulargewicht Mw von bis zu 7.000.000 g/mol (GPC, PS-Standard) bei einer enger Molekulargewichtsverteilung von weniger als 3 erzeugt. Die erhaltenen Produktivitäten erreichten dabei die Anforderungen an industriellen Katalysatorsystemen. Erstaunlich war, dass nukleophile Gruppen auf den Latexpartikeln, die dafür bekannt sind, dass sie den Katalysator deaktivieren können, ein wichtige Schutzfunktion für den Titankatalysator bilden. So konnte gezeigt werden, dass Pyridingruppen auf der Oberfläche der Latexpartikel als Scavenger gegen Trimethylaluminium wirken, welches ansonsten den aktiven Titankomplex zersetzen würde. An ausgewählten Systemen auf der Basis unterschiedlicher Postmetallocene und einem Metallocen für die Ethenpolymerisation wurde durch Anwendung verschiedener Methoden das Polymerisationsverhalten der Latex-geträgerten Katalysatorsysteme untersucht. Eine Methode war die so genannte Videomikroskopie, bei der in Gasphase Ethen polymerisiert wird und so das Wachstumsverhalten der Katalysatorpartikel analysiert werden kann. In Kombination mit einer kinetischen Kontrolle des Monomerumsatzes in Suspensionspolymerisation, konnte gezeigt werden, dass die auf Latexpartikel geträgerten Katalysatorsysteme ein anderes Polymerisationsverhalten besitzen wie in der Literatur beschriebene Silica-geträgerte Katalysatoren. Dies kann auf die unterschiedliche Beschaffenheit des Trägermaterials zurückgeführt werden. Während das harte Silica-Material Monomer nur in den Poren aufnimmt und so rasch nach Beginn der Polymerisation in eine diffusionskontrollierte Polymerisation übergeht, quillt das organische Trägermaterial mit dem Monomeren an und kann den aktiven Katalysator damit bedienen bis weiteres Monomer von außen in das Katalysatorpartikel nach diffundiert ist. Durch die weiche Beschaffenheit der organischen Latexpartikel kann das entstehende Polymer das Katalysatorpartikel außerdem leicht auseinandertreiben werden. Die Polymerisation kann so im ganzen Katalysatorpartikel beginnen, während das Silica-Trägermaterial nur langsam von außen nach innen fragmentieren kann.

Tin (IV) oxide nanostructures: controlled synthesis, properties and applications in dye-sensitized solar cells

Für viele Anwendungen von Nanomaterialien sind maßgeschneiderte Produkte wün-schenswert, weswegen ein tiefgreifendes und genaues Wissen der Reaktionsabläufe, die zu diesen Produkten führen, unabdingbar ist. Um dies im Fall von SnO2 zu erreichen, behandelt diese Arbeit die kontrollierte Synthese und genaue Charakterisierung von Nanopartikeln von Zinn(IV) Oxid.

Biomimetic Scaffolds for the Controlled Release of Bioactive Molecules for Tissue Engineering Applications

The temporospatial controlled delivery of growth factors is crucial to trigger the desired healing mechanisms in target tissues. The uncontrolled release of growth factors has been demonstrated to cause severe side effects in its surrounding tissues. Thus, the first working hypothesis was to tune and optimize a newly developed multiscale delivery platform based on a nanostructured silicon particle core (pSi) and a poly (dl-lactide-co-glycolide) acid (PLGA) outer shell. In a murine subcutaneous model, the platform was demonstrated to be fully tunable for the temporal and spatial control release of the payload. Secondly, a multiscale approach was followed in a multicompartment collagen scaffold, to selectively integrate different sets of PLGA-pSi loaded with different reporter proteins. The spatial confinement of the microspheres allowed the release of the reporter proteins in each of the layers of the scaffold. Finally, the staged and zero-order release kinetics enabled the temporal biochemical patterning of the scaffold. The last step of this PhD project was to test if by fully embedding PLGA microspheres in a highly structured and fibrous collagen-based scaffold (camouflaging), it was possible to prevent their early detection and clearance by macrophages. It was further studied whether such a camouflaging strategy was efficient in reducing the production of key inflammatory molecules, while preserving the release kinetics of the payload of the PLGA microspheres. Results demonstrated that the camouflaging allowed for a 10-fold decrease in the number of PLGA microspheres internalized by macrophages, suggesting that the 3D scaffold operated by cloaking the PLGA microspheres. When the production of key inflammatory cytokines induced by the scaffold was assessed, macrophages' response to the PLGA microspheres-integrated scaffolds resulted in a response similar to that observed in the control (not functionalized scaffold) and the release kinetic of a reporter protein was preserved.

Dynamic development of hydrofractures

Natürliche hydraulische Bruchbildung ist in allen Bereichen der Erdkruste ein wichtiger und stark verbreiteter Prozess. Sie beeinflusst die effektive Permeabilität und Fluidtransport auf mehreren Größenordnungen, indem sie hydraulische Konnektivität bewirkt. Der Prozess der Bruchbildung ist sowohl sehr dynamisch als auch hoch komplex. Die Dynamik stammt von der starken Wechselwirkung tektonischer und hydraulischer Prozesse, während sich die Komplexität aus der potentiellen Abhängigkeit der poroelastischen Eigenschaften von Fluiddruck und Bruchbildung ergibt. Die Bildung hydraulischer Brüche besteht aus drei Phasen: 1) Nukleation, 2) zeitabhängiges quasi-statisches Wachstum so lange der Fluiddruck die Zugfestigkeit des Gesteins übersteigt, und 3) in heterogenen Gesteinen der Einfluss von Lagen unterschiedlicher mechanischer oder sedimentärer Eigenschaften auf die Bruchausbreitung. Auch die mechanische Heterogenität, die durch präexistierende Brüche und Gesteinsdeformation erzeugt wird, hat großen Einfluß auf den Wachstumsverlauf. Die Richtung der Bruchausbreitung wird entweder durch die Verbindung von Diskontinuitäten mit geringer Zugfestigkeit im Bereich vor der Bruchfront bestimmt, oder die Bruchausbreitung kann enden, wenn der Bruch auf Diskontinuitäten mit hoher Festigkeit trifft. Durch diese Wechselwirkungen entsteht ein Kluftnetzwerk mit komplexer Geometrie, das die lokale Deformationsgeschichte und die Dynamik der unterliegenden physikalischen Prozesse reflektiert. rnrnNatürliche hydraulische Bruchbildung hat wesentliche Implikationen für akademische und kommerzielle Fragestellungen in verschiedenen Feldern der Geowissenschaften. Seit den 50er Jahren wird hydraulisches Fracturing eingesetzt, um die Permeabilität von Gas und Öllagerstätten zu erhöhen. Geländebeobachtungen, Isotopenstudien, Laborexperimente und numerische Analysen bestätigen die entscheidende Rolle des Fluiddruckgefälles in Verbindung mit poroelastischen Effekten für den lokalen Spannungszustand und für die Bedingungen, unter denen sich hydraulische Brüche bilden und ausbreiten. Die meisten numerischen hydromechanischen Modelle nehmen für die Kopplung zwischen Fluid und propagierenden Brüchen vordefinierte Bruchgeometrien mit konstantem Fluiddruck an, um das Problem rechnerisch eingrenzen zu können. Da natürliche Gesteine kaum so einfach strukturiert sind, sind diese Modelle generell nicht sonderlich effektiv in der Analyse dieses komplexen Prozesses. Insbesondere unterschätzen sie die Rückkopplung von poroelastischen Effekten und gekoppelte Fluid-Festgestein Prozesse, d.h. die Entwicklung des Porendrucks in Abhängigkeit vom Gesteinsversagen und umgekehrt.rnrnIn dieser Arbeit wird ein zweidimensionales gekoppeltes poro-elasto-plastisches Computer-Model für die qualitative und zum Teil auch quantitativ Analyse der Rolle lokalisierter oder homogen verteilter Fluiddrücke auf die dynamische Ausbreitung von hydraulischen Brüchen und die zeitgleiche Evolution der effektiven Permeabilität entwickelt. Das Programm ist rechnerisch effizient, indem es die Fluiddynamik mittels einer Druckdiffusions-Gleichung nach Darcy ohne redundante Komponenten beschreibt. Es berücksichtigt auch die Biot-Kompressibilität poröser Gesteine, die implementiert wurde um die Kontrollparameter in der Mechanik hydraulischer Bruchbildung in verschiedenen geologischen Szenarien mit homogenen und heterogenen Sedimentären Abfolgen zu bestimmen. Als Resultat ergibt sich, dass der Fluiddruck-Gradient in geschlossenen Systemen lokal zu Störungen des homogenen Spannungsfeldes führen. Abhängig von den Randbedingungen können sich diese Störungen eine Neuausrichtung der Bruchausbreitung zur Folge haben kann. Durch den Effekt auf den lokalen Spannungszustand können hohe Druckgradienten auch schichtparallele Bruchbildung oder Schlupf in nicht-entwässerten heterogenen Medien erzeugen. Ein Beispiel von besonderer Bedeutung ist die Evolution von Akkretionskeilen, wo die große Dynamik der tektonischen Aktivität zusammen mit extremen Porendrücken lokal starke Störungen des Spannungsfeldes erzeugt, die eine hoch-komplexe strukturelle Entwicklung inklusive vertikaler und horizontaler hydraulischer Bruch-Netzwerke bewirkt. Die Transport-Eigenschaften der Gesteine werden stark durch die Dynamik in der Entwicklung lokaler Permeabilitäten durch Dehnungsbrüche und Störungen bestimmt. Möglicherweise besteht ein enger Zusammenhang zwischen der Bildung von Grabenstrukturen und großmaßstäblicher Fluid-Migration. rnrnDie Konsistenz zwischen den Resultaten der Simulationen und vorhergehender experimenteller Untersuchungen deutet darauf hin, dass das beschriebene numerische Verfahren zur qualitativen Analyse hydraulischer Brüche gut geeignet ist. Das Schema hat auch Nachteile wenn es um die quantitative Analyse des Fluidflusses durch induzierte Bruchflächen in deformierten Gesteinen geht. Es empfiehlt sich zudem, das vorgestellte numerische Schema um die Kopplung mit thermo-chemischen Prozessen zu erweitern, um dynamische Probleme im Zusammenhang mit dem Wachstum von Kluftfüllungen in hydraulischen Brüchen zu untersuchen.

Diffusion in heterogeneous systems studied by laser scanning confocal microscopy and fluorescence correlation spectroscopy

Understanding and controlling the mechanism of the diffusion of small molecules, macromolecules and nanoparticles in heterogeneous environments is of paramount fundamental and technological importance. The aim of the thesis is to show, how by studying the tracer diffusion in complex systems, one can obtain information about the tracer itself, and the system where the tracer is diffusing. rnIn the first part of my thesis I will introduce the Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) which is a powerful tool to investigate the diffusion of fluorescent species in various environments. By using the main advantage of FCS namely the very small probing volume (<1µm3) I was able to track the kinetics of phase separation in polymer blends at late stages by looking on the molecular tracer diffusion in individual domains of the heterogeneous structure of the blend. The phase separation process at intermediate stages was monitored with laser scanning confocal microscopy (LSCM) in real time providing images of droplet coalescence and growth. rnIn a further project described in my thesis I will show that even when the length scale of the heterogeneities becomes smaller than the FCS probing volume one can still obtain important microscopic information by studying small tracer diffusion. To do so, I will introduce a system of star shaped polymer solutions and will demonstrate that the mobility of small molecular tracers on microscopic level is nearly not affected by the transition of the polymer system to a “glassy” macroscopic state. rnIn the last part of the thesis I will introduce and describe a new stimuli responsive system which I have developed, that combines two levels of nanoporosity. The system is based on poly-N-isopropylacrylamide (PNIPAM) and silica inverse opals (iOpals), and allows controlling the diffusion of tracer molecules. rn

Safety and Efficacy of Ranibizumab in Diabetic Macular Edema (RESOLVE Study): A 12-month, randomized, controlled, double-masked, multicenter phase II study

The expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) is elevated in diabetic macular edema (DME). Ranibizumab binds to and inhibits multiple VEGF variants. We investigated the safety and efficacy of ranibizumab in DME involving the foveal center.

Diffusion-weighted MR imaging of the placenta in fetuses with placental insufficiency

PURPOSE: To evaluate diffusion-weighted magnetic resonance (MR) imaging of the human placenta in fetuses with and fetuses without intrauterine growth restriction (IUGR) who were suspected of having placental insufficiency. MATERIALS AND METHODS: The study was approved by the local ethics committee, and written informed consent was obtained. The authors retrospectively evaluated 1.5-T fetal MR images from 102 singleton pregnancies (mean gestation ± standard deviation, 29 weeks ± 5; range, 21-41 weeks). Morphologic and diffusion-weighted MR imaging were performed. A region of interest analysis of the apparent diffusion coefficient (ADC) of the placenta was independently performed by two observers who were blinded to clinical data and outcome. Placental insufficiency was diagnosed if flattening of the growth curve was detected at obstetric ultrasonography (US), if the birth weight was in the 10th percentile or less, or if fetal weight estimated with US was below the 10th percentile. Abnormal findings at Doppler US of the umbilical artery and histopathologic examination of specimens from the placenta were recorded. The ADCs in fetuses with placental insufficiency were compared with those in fetuses of the same gestational age without placental insufficiency and tested for normal distribution. The t tests and Pearson correlation coefficients were used to compare these results at 5% levels of significance. RESULTS: Thirty-three of the 102 pregnancies were ultimately categorized as having an insufficient placenta. MR imaging depicted morphologic changes (eg, infarction or bleeding) in 27 fetuses. Placental dysfunction was suspected in 33 fetuses at diffusion-weighted imaging (mean ADC, 146.4 sec/mm(2) ± 10.63 for fetuses with placental insufficiency vs 177.1 sec/mm(2) ± 18.90 for fetuses without placental insufficiency; P < .01, with one false-positive case). The use of diffusion-weighted imaging in addition to US increased sensitivity for the detection of placental insufficiency from 73% to 100%, increased accuracy from 91% to 99%, and preserved specificity at 99%. CONCLUSION: Placental dysfunction associated with growth restriction is associated with restricted diffusion and reduced ADC. A decreased ADC used as an early marker of placental damage might be indicative of pregnancy complications such as IUGR.

A phase IIa randomized controlled clinical and histological pilot study evaluating rhGDF-5/?-TCP for periodontal regeneration

The primary objective of this study was to clinically and histologically evaluate periodontal wound healing/regeneration following surgical implantation of recombinant human growth/differentiation factor-5 (rhGDF-5) adsorbed onto a particulate ?-tricalcium phosphate (?-TCP) carrier rhGDF-5/?-TCP into periodontal defects in man.

Local pain and spreading hyperalgesia induced by intramuscular injection of nerve growth factor are not reduced by local anesthesia of the muscle

Injections with local anesthesia for therapeutic and diagnostic purposes are common clinical practice. This double-blind placebo controlled study explores the rational of local anesthetic blocks for the detection of muscle pain as the primary generator in spreading hyperalgesic conditions.

Mobile goes global: The effect of cell phones on economic growth and development

This study investigates the effect of cell phones on economic development and growth by performing an econometric analysis using data from the International Telecommunications Union and the Penn World Table. It discusses the various ways cell phones can make markets more efficient and how the diffusion of information andknowledge plays into development. Several approaches (OLS, Fixed Effects, 2SLS) were used to test over 20 econometric models. Overall, the mobile cellular subscriptions rate was found to have a positive and significant impact on countries’ level of real per capitaGDP and GDP growth rate. Furthermore, the study provides policy implications for the use of technology to promote global growth.

Transforming growth factor-beta inhibits the expression of clock genes

Disturbances of sleep-wake rhythms are an important problem in Alzheimer's disease (AD). Circadian rhythms are regulated by clock genes. Transforming growth factor-beta (TGF-β) is overexpressed in neurons in AD and is the only cytokine that is increased in cerebrospinal fluid (CSF). Our data show that TGF-β2 inhibits the expression of the clock genes Period (Per)1, Per2, and Rev-erbα, and of the clock-controlled genes D-site albumin promoter binding protein (Dbp) and thyrotroph embryonic factor (Tef). However, our results showed that TGF-β2 did not alter the expression of brain and muscle Arnt-like protein-1 (Bmal1). The concentrations of TGF-β2 in the CSF of 2 of 16 AD patients and of 1 of 7 patients with mild cognitive impairment were in the dose range required to suppress the expression of clock genes. TGF-β2-induced dysregulation of clock genes may alter neuronal pathways, which may be causally related to abnormal sleep-wake rhythms in AD patients.

Preparation of intact bovine tail intervertebral discs for organ culture

The intervertebral disc (IVD) is the joint of the spine connecting vertebra to vertebra. It functions to transmit loading of the spine and give flexibility to the spine. It composes of three compartments: the innermost nucleus pulposus (NP) encompassing by the annulus fibrosus (AF), and two cartilaginous endplates connecting the NP and AF to the vertebral body on both sides. Discogenic pain possibly caused by degenerative intervertebral disc disease (DDD) and disc herniations has been identified as a major problem in our modern society. To study possible mechanisms of IVD degeneration, in vitro organ culture systems with live disc cells are highly appealing. The in vitro culture of intact bovine coccygeal IVDs has advanced to a relevant model system, which allows the study of mechano-biological aspects in a well-controlled physiological and mechanical environment. Bovine tail IVDs can be obtained relatively easy in higher numbers and are very similar to the human lumbar IVDs with respect to cell density, cell population and dimensions. However, previous bovine caudal IVD harvesting techniques retaining cartilaginous endplates and bony endplates failed after 1-2 days of culture since the nutrition pathways were obviously blocked by clotted blood. IVDs are the biggest avascular organs, thus, the nutrients to the cells in the NP are solely dependent on diffusion via the capillary buds from the adjacent vertebral body. Presence of bone debris and clotted blood on the endplate surfaces can hinder nutrient diffusion into the center of the disc and compromise cell viability. Our group established a relatively quick protocol to "crack"-out the IVDs from the tail with a low risk for contamination. We are able to permeabilize the freshly-cut bony endplate surfaces by using a surgical jet lavage system, which removes the blood clots and cutting debris and very efficiently reopens the nutrition diffusion pathway to the center of the IVD. The presence of growth plates on both sides of the vertebral bone has to be avoided and to be removed prior to culture. In this video, we outline the crucial steps during preparation and demonstrate the key to a successful organ culture maintaining high cell viability for 14 days under free swelling culture. The culture time could be extended when appropriate mechanical environment can be maintained by using mechanical loading bioreactor. The technique demonstrated here can be extended to other animal species such as porcine, ovine and leporine caudal and lumbar IVD isolation.

Vascular endothelial growth factor induces contralesional corticobulbar plasticity and functional neurological recovery in the ischemic brain

Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a potent angiogenic factor, which also has neuroprotective activity. In view of these dual actions on vessels and neurons, we were interested whether VEGF promotes long distance axonal plasticity in the ischemic brain. Herein, we show that VEGF promotes neurological stroke recovery in mice when delivered in a delayed way starting 3 days after middle cerebral artery occlusion. Using anterograde tract-tracing experiments that we combined with histochemical and molecular biological studies, we demonstrate that although VEGF promoted angiogenesis predominantly in the ischemic hemisphere, pronounced axonal sprouting was induced by VEGF in the contralesional, but not the ipsilesional corticobulbar system. Corticobulbar plasticity was accompanied by the deactivation of the matrix metalloproteinase MMP9 in the lesioned hemisphere and the transient downregulation of the axonal growth inhibitors NG2 proteoglycan and brevican and the guidance molecules ephrin B1/2 in the contralesional hemisphere. The regulation of matrix proteinases, growth inhibitors, and guidance molecules offers insights how brain plasticity is controlled in the ischemic brain.

Determining gypsum growth temperatures using monophase fluid inclusions-Application to the giant gypsum crystals of Naica, Mexico

Determining the formation temperature of minerals using fluid inclusions is a crucial step in understanding rock-forming scenarios. Unfortunately, fluid inclusions in minerals formed at low temperature, such as gypsum, are commonly in a metastable monophase liquid state. To overcome this problem, ultra-short laser pulses can be used to induce vapor bubble nucleation, thus creating a stable two-phase fluid inclusion appropriate for subsequent measurements of the liquid-vapor homogenization temperature, T-h. In this study we evaluate the applicability of T-h data to accurately determine gypsum formation temperatures. We used fluid inclusions in synthetic gypsum crystals grown in the laboratory at different temperatures between 40 degrees C and 80 degrees C under atmospheric pressure conditions. We found an asymmetric distribution of the T-h values, which are systematically lower than the actual crystal growth temperatures, T-g; this is due to (1) the effect of surface tension on liquid-vapor homogenization, and (2) plastic deformation of the inclusion walls due to internal tensile stress occurring in the metastable state of the inclusions. Based on this understanding, we have determined growth temperatures of natural giant gypsum crystals from Naica (Mexico), yielding 47 +/- 1.5 degrees C for crystals grown in the Cave of Swords (120 m below surface) and 54.5 +/- 2 degrees C for giant crystals grown in the Cave of Crystals (290 m below surface). These results support the earlier hypothesis that the population and the size of the Naica crystals were controlled by temperature. In addition, this experimental method opens a door to determining the growth temperature of minerals forming in low-temperature environments.