Physico-chemical and microstructural properties of food dispersions

The macroscopic properties of oily food dispersions, such as rheology, mechanical strength, sensory attributes (e.g. mouth feel, texture and even flavour release) and as well as engineering properties are strongly determined by their microstructure, that is considered a key parameter in the understanding of the foods behaviour . In particular the rheological properties of these matrices are largely influenced by their processing techniques, particle size distribution and composition of ingredients. During chocolate manufacturing, mixtures of sugar, cocoa and fat are heated, cooled, pressurized and refined. These steps not only affect particle size reduction, but also break agglomerates and distribute lipid and lecithin-coated particles through the continuous phase, this considerably modify the microstructure of final chocolate. The interactions between the suspended particles and the continuous phase provide information about the existing network and consequently can be associated to the properties and characteristics of the final dispersions. Moreover since the macroscopic properties of food materials, are strongly determined by their microstructure, the evaluation and study of the microstructural characteristics, can be very important for a through understanding of the food matrices characteristics and to get detailed information on their complexity. The aim of this study was investigate the influence of formulation and each process step on the microstructural properties of: chocolate type model systems, dark milk and white chocolate types, and cocoa creams. At the same time the relationships between microstructural changes and the resulting physico-chemical properties of: chocolate type dispersions model systems dark milk and white chocolate were investigated.

Synthese und Charakterisierung von Polymethylmethacrylat (PMMA)-Silika-Komposit-Partikeln und fluorierten Nanopartikeln unter Verwendung des Miniemulsionsprozesses

In der vorliegenden Dissertation wurden zwei verschiedene Fragestellungen bearbeitet. Zum einen wurde im Rahmen des Schwerpunktprojektes „Kolloidverfahrenstechnik“ und in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Heike Schuchmann vom KIT in Karlsruhe die Verkapselung von Silika-Nanopartikeln in eine PMMA-Hülle durch Miniemulsionspolymerisation entwickelt und der Aufskalierungsprozess unter Verwendung von Hochdruckhomogenisatoren vorangetrieben. Zum anderen wurden verschiedene fluorierte Nanopartikel durch den Miniemulsionsprozess generiert und ihr Verhalten in Zellen untersucht.rnSilika-Partikel konnten durch Miniemulsionspolymerisation in zwei unterschiedlichen Prozessen erfolgreich verkapselt werden. Bei der ersten Methode wurden zunächst modifizierte Silika-Partikel in einer MMA-Monomerphase dispergiert und anschließend durch den normalen Miniemulsionsprozess Silika-beladene Tröpfchen generiert. Diese konnten zu Komposit-Partikeln polymerisiert werden. Bei der Verkapselung durch den Fission/Fusion Prozess wurden die hydrophobisierten Silika-Partikel durch Fission und Fusion Prozesse in schon vorhandene Monomertröpfchen eingebracht, welche hinterher polymerisiert wurden. Um hydrophiles Silika in einem hydrophoben Monomer zu dispergieren, musste zunächst eine Modifizierung der Silika-Partikel stattfinden. Dies geschah unter anderem über eine chemische Anbindung von 3-Methacryloxypropyltri-methoxysilan an der Oberfläche der Silika-Partikel. Des Weiteren wurden die hydrophilen Silika-Partikel durch Adsorption von CTMA-Cl physikalisch modifiziert. Unter anderem durch die Variation des Verkapselungsprozesses, der Silika-Menge, der Tensidart und –menge und der Comonomere konnten Komposit-Partikel mit unterschiedlichen Morphologien, Größen, und Füllgraden erhalten werden.rnFluorierte Nanopartikel wurden erfolgreich über den Prozess der Miniemulsionspolymerisation synthetisiert. Als Monomere dienten dabei fluorierte Acrylate, fluorierte Methacrylate und fluoriertes Styrol. Es war möglich aus jeder dieser drei Gruppen an Monomeren fluorierte Nanopartikel herzustellen. Für genauere Untersuchungen wurden 2,3,4,5,6-Pentafluorstyrol, 3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,10-Heptadecafluorodecyl-methacrylat und 1H,1H,2H,2H-Perfluorodecylacrylat als Monomere ausgewählt. Als Hydrophob zur Unterdrückung der Ostwaldreifung wurde Perfluromethyldecalin eingesetzt. Die stabilsten Miniemulsionen wurden wiederum mit den ionischen Tensid SDS generiert. Mit steigendem Gehalt an SDS gelöst in der kontinuierlichen Phase, wurde eine Verkleinerung der Partikelgröße festgestellt. Neben den Homopolymerpartikeln wurden auch Copolymerpartikel mit Acrylsäure erfolgreich synthetisiert. Zudem wurde noch das Verhalten der fluorierten Partikel in Zellen überprüft. Die fluorierten Partikel wiesen ein nicht toxisches Verhalten vor. Die Adsorption von Proteinen aus Humanem Serum wurde über ITC Messungen untersucht. rnSomit konnte gezeigt werden, dass die Technik der Miniemulsionspolymerisation eine abwechslungsreiche und effektive Methode ist, um Hybridnanopartikel mit verschiedenen Morphologien und oberflächenfunktionalisierte Nanopartikel erfolgreich zu generieren.rn

Entwicklung und Anwendung von mobilen Messstrategien und Analysemethoden zur Untersuchung urbanen Aerosols

Seit Anbeginn der Menschheitsgeschichte beeinflussen die Menschen ihre Umwelt. Durch anthropogene Emissionen ändert sich die Zusammensetzung der Atmosphäre, was einen zunehmenden Einfluss unter anderem auf die Atmosphärenchemie, die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna und das Klima hat. Die steigende Anzahl riesiger, wachsender Metropolen geht einher mit einer räumlichen Konzentration der Emission von Luftschadstoffen, was vor allem einen Einfluss auf die Luftqualität der windabwärts gelegenen ruralen Regionen hat. In dieser Doktorarbeit wurde im Rahmen des MEGAPOLI-Projektes die Abluftfahne der Megastadt Paris unter Anwendung des mobilen Aerosolforschungslabors MoLa untersucht. Dieses ist mit modernen, zeitlich hochauflösenden Instrumenten zur Messung der chemischen Zusammensetzung und Größenverteilung der Aerosolpartikel sowie einiger Spurengase ausgestattet. Es wurden mobile Messstrategien entwickelt und angewendet, die besonders geeignet zur Charakterisierung urbaner Emissionen sind. Querschnittsmessfahrten durch die Abluftfahne und atmosphärische Hintergrundluftmassen erlaubten sowohl die Bestimmung der Struktur und Homogenität der Abluftfahne als auch die Berechnung des Beitrags der urbanen Emissionen zur Gesamtbelastung der Atmosphäre. Quasi-Lagrange’sche Radialmessfahrten dienten der Erkundung der räumlichen Erstreckung der Abluftfahne sowie auftretender Transformationsprozesse der advehierten Luftschadstoffe. In Kombination mit Modellierungen konnte die Struktur der Abluftfahne vertieft untersucht werden. Flexible stationäre Messungen ergänzten den Datensatz und ließen zudem Vergleichsmessungen mit anderen Messstationen zu. Die Daten einer ortsfesten Messstation wurden zusätzlich verwendet, um die Alterung des organischen Partikelanteils zu beschreiben. Die Analyse der mobilen Messdaten erforderte die Entwicklung einer neuen Methode zur Bereinigung des Datensatzes von lokalen Störeinflüssen. Des Weiteren wurden die Möglichkeiten, Grenzen und Fehler bei der Anwendung komplexer Analyseprogramme zur Berechnung des O/C-Verhältnisses der Partikel sowie der Klassifizierung der Aerosolorganik untersucht. Eine Validierung verschiedener Methoden zur Bestimmung der Luftmassenherkunft war für die Auswertung ebenfalls notwendig. Die detaillierte Untersuchung der Abluftfahne von Paris ergab, dass diese sich anhand der Erhöhung der Konzentrationen von Indikatoren für unprozessierte Luftverschmutzung im Vergleich zu Hintergrundwerten identifizieren lässt. Ihre eher homogene Struktur kann zumeist durch eine Gauß-Form im Querschnitt mit einem exponentiellen Abfall der unprozessierten Schadstoffkonzentrationen mit zunehmender Distanz zur Stadt beschrieben werden. Hierfür ist hauptsächlich die turbulente Vermischung mit Umgebungsluftmassen verantwortlich. Es konnte nachgewiesen werden, dass in der advehierten Abluftfahne eine deutliche Oxidation der Aerosolorganik im Sommer stattfindet; im Winter hingegen ließ sich dieser Prozess während der durchgeführten Messungen nicht beobachten. In beiden Jahreszeiten setzt sich die Abluftfahne hauptsächlich aus Ruß und organischen Partikelkomponenten im PM1-Größenbereich zusammen, wobei die Quellen Verkehr und Kochen sowie zusätzlich Heizen in der kalten Jahreszeit dominieren. Die PM1-Partikelmasse erhöhte sich durch die urbanen Emissionen im Vergleich zum Hintergrundwert im Sommer in der Abluftfahne im Mittel um 30% und im Winter um 10%. Besonders starke Erhöhungen ließen sich für Polyaromaten beobachten, wo im Sommer eine mittlere Zunahme von 194% und im Winter von 131% vorlag. Jahreszeitliche Unterschiede waren ebenso in der Größenverteilung der Partikel der Abluftfahne zu finden, wo im Winter im Gegensatz zum Sommer keine zusätzlichen nukleierten kleinen Partikel, sondern nur durch Kondensation und Koagulation angewachsene Partikel zwischen etwa 10nm und 200nm auftraten. Die Spurengaskonzentrationen unterschieden sich ebenfalls, da chemische Reaktionen temperatur- und mitunter strahlungsabhängig sind. Weitere Anwendungsmöglichkeiten des MoLa wurden bei einer Überführungsfahrt von Deutschland an die spanische Atlantikküste demonstriert, woraus eine Kartierung der Luftqualität entlang der Fahrtroute resultierte. Es zeigte sich, dass hauptsächlich urbane Ballungszentren von unprozessierten Luftschadstoffen betroffen sind, advehierte gealterte Substanzen jedoch jede Region beeinflussen können. Die Untersuchung der Luftqualität an Standorten mit unterschiedlicher Exposition bezüglich anthropogener Quellen erweiterte diese Aussage um einen Einblick in die Variation der Luftqualität, abhängig unter anderem von der Wetterlage und der Nähe zu Emissionsquellen. Damit konnte gezeigt werden, dass sich die entwickelten Messstrategien und Analysemethoden nicht nur zur Untersuchung der Abluftfahne einer Großstadt, sondern auch auf verschiedene andere wissenschaftliche und umweltmesstechnische Fragestellungen anwenden lassen.

Analyse der intrazellulären Freisetzung von Wirkstoffmodellen via konfokaler Laser-Raster-Mikroskopie

In der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, wie man das Potential nanopartikulärer Systeme, die vorwiegend via Miniemulsion hergestellt wurden, im Hinblick auf „Drug Delivery“ ausnutzen könnte, indem ein Wirkstoffmodell auf unterschiedliche Art und Weise intrazellulär freigesetzt wurde. Dies wurde hauptsächlich mittels konfokaler Laser-Raster-Mikrokopie (CLSM) in Kombination mit dem Bildbearbeitungsprogramm Volocity® analysiert.rnPBCA-Nanokapseln eigneten sich besonders, um hydrophile Substanzen wie etwa Oligonukleotide zu verkapseln und sie so auf ihrem Transportweg in die Zellen vor einem etwaigen Abbau zu schützen. Es konnte eine Freisetzung der Oligonukleotide in den Zellen aufgrund der elektrostatischen Anziehung des mitochondrialen Membranpotentials nachgewiesen werden. Dabei war die Kombination aus Oligonukleotid und angebundenem Cyanin-Farbstoff (Cy5) an der 5‘-Position der Oligonukleotid-Sequenz ausschlaggebend. Durch quantitative Analysen mittels Volocity® konnte die vollständige Kolokalisation der freigesetzten Oligonukleotide an Mitochondrien bewiesen werden, was anhand der Kolokalisationskoeffizienten „Manders‘ Coefficients“ M1 und M2 diskutiert wurde. Es konnte ebenfalls aufgrund von FRET-Studien doppelt markierter Oligos gezeigt werden, dass die Oligonukleotide weder beim Transport noch bei der Freisetzung abgebaut wurden. Außerdem wurde aufgeklärt, dass nur der Inhalt der Nanokapseln, d. h. die Oligonukleotide, an Mitochondrien akkumulierte, das Kapselmaterial selbst jedoch in anderen intrazellulären Bereichen aufzufinden war. Eine Kombination aus Cyanin-Farbstoffen wie Cy5 mit einer Nukleotidsequenz oder einem Wirkstoff könnte also die Basis für einen gezielten Wirkstofftransport zu Mitochondrien liefern bzw. die Grundlage schaffen, eine Freisetzung aus Kapseln ins Zytoplasma zu gewährleisten.rnDer vielseitige Einsatz der Miniemulsion gestattete es, nicht nur Kapseln sondern auch Nanopartikel herzustellen, in welchen hydrophobe Substanzen im Partikelkern eingeschlossen werden konnten. Diese auf hydrophobe Wechselwirkungen beruhende „Verkapselung“ eines Wirkstoffmodells, in diesem Fall PMI, wurde bei PDLLA- bzw. PS-Nanopartikeln ausgenutzt, welche durch ein HPMA-basiertes Block-Copolymer stabilisiert wurden. Dabei konnte gezeigt werden, dass das hydrophobe Wirkstoffmodell PMI innerhalb kürzester Zeit in die Zellen freigesetzt wurde und sich in sogenannte „Lipid Droplets“ einlagerte, ohne dass die Nanopartikel selbst aufgenommen werden mussten. Daneben war ein intrazelluläres Ablösen des stabilisierenden Block-Copolymers zu verzeichnen, welches rn8 h nach Partikelaufnahme erfolgte und ebenfalls durch Analysen mittels Volocity® untermauert wurde. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die eigentliche Partikelaufnahme oder die Freisetzung des Wirkstoffmodells. Ein großer Vorteil in der Verwendung des HPMA-basierten Block-Copolymers liegt darin begründet, dass auf zeitaufwendige Waschschritte wie etwa Dialyse nach der Partikelherstellung verzichtet werden konnte, da P(HPMA) ein biokompatibles Polymer ist. Auf der anderen Seite hat man aufgrund der Syntheseroute dieses Block-Copolymers vielfältige Möglichkeiten, Funktionalitäten wie etwa Fluoreszenzmarker einzubringen. Eine kovalente Anbindung eines Wirkstoffs ist ebenfalls denkbar, welcher intrazellulär z. B. aufgrund von enzymatischen Abbauprozessen langsam freigesetzt werden könnte. Somit bietet sich die Möglichkeit mit Nanopartikeln, die durch HPMA-basierte Block-Copolymere stabilisiert wurden, gleichzeitig zwei unterschiedliche Wirkstoffe in die Zellen zu bringen, wobei der eine schnell und der zweite über einen längeren Zeitraum hinweg (kontrolliert) freigesetzt werden könnte.rnNeben Nanokapseln sowie –partikeln, die durch inverse bzw. direkte Miniemulsion dargestellt wurden, sind auch Nanohydrogelpartikel untersucht worden, die sich aufgrund von Selbstorganisation eines amphiphilen Bock-Copolymers bildeten. Diese Nanohydrogelpartikel dienten der Komplexierung von siRNA und wurden hinsichtlich ihrer Anreicherung in Lysosomen untersucht. Aufgrund der Knockdown-Studien von Lutz Nuhn konnte ein Unterschied in der Knockdown-Effizienz festgestellt werden, je nach dem, ob 100 nm oder 40 nm große Nanohydrogelpartikel verwendet wurden. Es sollte festgestellt werden, ob eine größenbedingte, unterschiedlich schnelle Anreicherung dieser beiden Partikel in Lysosomen erfolgte, was die unterschiedliche Knockdown-Effizienz erklären könnte. CLSM-Studien und quantitative Kolokalisationsstudien gaben einen ersten Hinweis auf diese Größenabhängigkeit. rnBei allen verwendeten nanopartikulären Systemen konnte eine Freisetzung ihres Inhalts gezeigt werden. Somit bieten sie ein großes Potential als Wirkstoffträger für biomedizinische Anwendungen.rn

Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Amphotericin B nano-formulations : development, characterisation and suitability for oral administration

In der Form von Nanokapseln (AmB-HST), Nanoemulsion beziehungsweise multilamellaren Vesikeln (MLV) wurden drei Amphotericin-B-Formulierungen für die orale Applikation entwickelt, charakterisiert und verglichen. Die neuartige homogene Nanokapsel-Formulierung des hydrophoben Polyen-Antimykotikums Amphotericin B wurde in Analogie zu einem für Simvastatin und andere Arzneistoffe etablierten Prozess aus der Reinsubstanz, Lezithin und Gelatine mit Hilfe des HST-Verfahrens hergestellt. Photometrische Untersuchungen zeigten, dass das Endprodukt aus Monomeren aufgebaut ist. Mittels Mikroskopie ließen sich die Aggregate vor der Umhüllung mit Lezithin und Gelatine im Ausgangsmaterial als individuelle kugelförmige Arzneistoffpartikel darstellen. Strukturuntersuchungen mit dynamischer licht streuung (DLS) zeigten eine enge Größenverteilung der verkapselten Partikel von ca. 1 µm. Die Struktur der Hülle der HST-Partikel wurde erstmalig mit Neutronenstreuung unter Verwendung der Deuterium-basierten Lösungsmittel kontrastmethode aufgeklärt. Durch die teilweise Kontrastmaskierung des Partikelkerns bei der Neutronenstreuung konnte die Lezithin-Gelatine-Hülle als eine dünne, 5,64 ± 0.18 nm dicke Schicht aufgelöst werden, welche der biologischen Lipidmembran ähnlich, im Vergleich aber geringfügig größer ist. Dieses Resultat eröffnet Wege für die Optimierung der Formulierung von pharmazeutischen Nanopartikeln, z.B. durch Oberflächenmodifizierungen. Weitere Untersuchungen mittels Kleinwinkelneutronenstreuung unter Verwendung der D-Kontrastvariation deuten darauf hin, dass die Komponenten der Nanokapseln nicht den gleichen Masseschwerpunkt haben, sondern asymmetrisch aufgebaut sind und dass die stärker streuenden Domänen weiter außen liegen. Die Partikel sind im Vergleich zu Liposomen dichter. In-Vitro Freisetzungsstudien belegen das Solubilisierungsvermögen des HST-Systems, wonach die Freisetzung des Arzneistoffes aus der Formulierung zu allen gemessenen Zeitpunkten höher als diejenige der Reinsubstanz war. rnDie Nanoemulsion-Formulierung von Amphotericin B wurde mit einem Öl und Tensid system, jedoch mit unterschiedlichen Co-Solvenzien, erfolgreich entwickelt. Gemäß der Bestimmung der Löslichkeit in verschiedenen Hilfsstoffen erwies sich der Arzneistoff Amphotericin B als nicht-lipophil, gleichzeitig aber auch als nicht-hydrophil. Die zur Ermittlung der für die Emulsionsbildung notwendigen Hilfstoffkonzentrationen erstellten ternären Diagramme veranschaulichten, dass hohe Öl- und Tensidgehalte zu keiner Emulsionsbildung führten. Dementsprechend betrug der höchste Ölgehalt 10%. Die Tröpfchengröße wuchs mit zunehmender Tensidkonzentration, wobei die Co-Solventmenge der Propylenglykol-haltigen Nanoemulsion indirekt verringert wurde. Für die Transcutol®P-haltige Nanoemulsion hingegen wurde das Gegenteil beobachtet, nämlich eine Abnahme der Tröpfchengröße bei steigenden Tensidkonzentrationen. Durch den Einschluss des Arzneistoffes wurde nicht die Viskosität der Formulierung, sondern die Tröpfchengröße beeinflusst. Der Wirkstoffeinschluss führte zu höheren Tröpfchengrößen. Mit zunehmender Propylenglykolkonzentration wurde der Wirkstoffgehalt erhöht, mit zunehmender Transcutol®P-Konzentration dagegen vermindert. UV/VIS-spektroskopische Analysen deuten darauf hin, dass in beiden Formulierungen Amphotericin B als Monomer vorliegt. Allerdings erwiesen sich die Formulierungen Caco-2-Zellen und humanen roten Blutkörperchen gegenüber als toxisch. Da die Kontrollproben eine höhere Toxizität als die wirkstoffhaltigen Formulierungen zeigten, ist die Toxizität nicht nur auf Amphotericin, sondern auch auf die Hilfsstoffe zurückzuführen. Die solubilisierte Wirkstoffmenge ist in beiden Formulierungen nicht ausreichend im Hinblick auf die eingesetzte Menge an Hilfsstoff nach WHO-Kriterien. Gemäß diesen Untersuchungen erscheinen die Emulsions-Formulierungen für die orale Gabe nicht geeignet. Dennoch sind Tierstudien notwendig, um den Effekt bei Tieren sowie die systemisch verfügbare Wirkstoffmenge zu ermitteln. Dies wird bestandskräftige Schlussfolgerungen bezüglich der Formulierung und Aussagen über mögliche Perspektiven erlauben. Nichtsdestotrotz sind die Präkonzentrate sehr stabil und können bei Raumtemperatur gelagert werden.rnDie multilamellar-vesikulären Formulierungen von Amphotericin B mit ungesättigten und gesättigten neutralen Phospholipiden und Cholesterin wurden erfolgreich entwickelt und enthielten nicht nur Vesikel, sondern auch zusätzliche Strukturen bei zunehmender Cholesterinkonzentration. Mittels Partikelgrößenanalyse wurden bei den Formulierungen mit gesättigten Lipiden Mikropartikel detektiert, was abhängig von der Alkylkettenlänge war. Mit dem ungesättigten Lipid (DOPC) konnten hingegen Nanopartikel mit hinreichender Verkapselung und Partikelgrößenverteilung gebildet werden. Die Ergebnisse der thermischen und FTIR-spektroskopischen Analyse, welche den Einfluss des Arzneistoffes ausschließen ließen, liefern den Nachweis für die mögliche, bereits in der Literatur beschriebene Einlagerung des Wirkstoffs in lipid- und/oder cholesterinreiche Membranen. Mit Hilfe eines linearen Saccharosedichtegradienten konnte die Formulierung in Vesikel und Wirkstoff-Lipid-Komplexe nach bimodaler Verteilung aufgetrennt werden, wobei der Arzneistoff stärker mit den Komplexen als mit den Vesikeln assoziiert ist. Bei den Kleinwinkelneutronenstreu-Experimenten wurde die Methode der Kontrastvariation mit Erfolg angewendet. Dabei konnte gezeigt werden, dass Cholesterol in situ einen Komplex mit Amphotericin B bildet. Diesen Sachverhalt legt unter anderem die beobachtete Differenz in der äquivalenten Streulängendichte der Wirkstoff-Lipid- und Wirkstoff-Lipid-Cholesterin-haltigen kleinen unilamellaren Vesikeln nahe. Das Vorkommen von Bragg-Peaks im Streuprofil weist auf Domänen hin und systematische Untersuchungen zeigten, dass die Anzahl der Domänen mit steigendem Cholesteringehalt zunimmt, ab einem bestimmten Grenzwert jedoch wieder abnimmt. Die Domänen treten vor allem nahe der Außenfläche der Modellmembran auf und bestätigen, dass der Wirkstoff in den Cholesterinreichen Membranen vertikal eingelagert ist. Die Formulierung war sowohl Caco-2-Zellen als auch humanen roten Blutkörperchen gegenüber nicht toxisch und erwies sich unter Berücksichtigung der Aufnahme in Caco-2-Zellen als vielversprechend für die orale Applikation. Die Formulierung zeigt sich somit aussichtsreich und könnte in Tabletten weiterverarbeitet werden. Ein Filmüberzug würde den Wirkstoff gegen die saure Umgebung im Magen schützen. Für die Bestimmung der systemischen Verfügbarkeit der Formulierung sind Tierstudien notwendig. Die entwickelten multilamellaren Formulierungen einschließlich der Wirkstoff-Cholesterin-Komplexe bieten somit gute Aussichten auf die mögliche medizinische Anwendung. rnrn

Addition of Zinc Sulfide Shells to Semiconducting Nanoparticles and its Effect on the Nanoparticle Fluorescence Emission Properties

The addition of a ZnS shell to CdSe and CdS quantum dot cores was explored using various methods. Spectrophotometry was used to assess the success of ZnS overcoating, which produces both an increase in overall fluorescence and decrease in particle size distribution. A new method was developed, involving preheating of the zinc and sulfide precursor solutions, resulting in CdSe(ZnS) particles with improved fluorescence and a more uniform shell coating from oleylamine-capped CdSe core particles.

Elaboration et caractérisation de ciments géopolymères à base de scories volcaniques

Two types of volcanic ashes referenced as ZD (volcanic ashes from Djoungo) and ZG (volcanic ashes from Galim) were collected from two Cameroonian localities. They were characterized (chemical and mineralogical compositions, amorphous phase content, particle size distribution and specific surface area) and used as raw materials for the synthesis of geopolymer cements at ambient temperature of laboratory (24 ± 3 °C). The synthesized products were characterized by determining their setting time, linear shrinkage and compressive strength, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy and Scanning Electron Microscopy. The mineralogical composition, the amorphous phase content, the particle size distribution, the specific surface area of the volcanic ashes as well as the mass ratio of the alkaline solution (sodium silicate / sodium hydroxide) were the main parameters which influenced the synthesis of geopolymers with interesting characteristics at ambient temperature (24 ± 3 °C). The volcanic ashes (ZD) whose mineralogical composition contained anhydrite, low amorphous phase content and low specific surface area led to long setting times. Moreover, its products swelled and presented cracks due to the formation of ettringite and these resulted in low compressive strengths (7 to 19 MPa). The volcanic ashes (ZG) containing high amounts of amorphous phase and high specific surface area led geopolymers with setting times between 490 and 180 minutes and compressive strength between 7 and 50 MPa at ambient temperature of laboratory. The properties of geopolymers were improved when elaborated with a mixture of volcanic ashes and metakaolin (ZD–MK and ZG–MK). For geopolymers obtained from ZD–MK, the setting time was between 500 and 160 minutes while it was between 220 and 125 minutes for geopolymers obtained from ZG–MK. The compressive strength greatly increased between 23 and 68 MPa and 39 and 64 MPa for geopolymers obtained from ZG –MK and ZD–MK respectively. A comparative study of the properties of mixtures of metakaolin–alumina and volcanic ash–alumina based geopolymers shows that metakaolin is a good source of Al2O3 and SiO2 and which highly reactive with alkaline solution and produces geopolymers with better characteristics compared to volcanic ash based–geopolymer. The properties of volcanic ash–based geopolymer were also improved when amorphous alumina was incorporated into the volcanic ash. This additive is used to compensate the deficiencies in Al2O3 content in the volcanic ash. Compare to when volcanic ash is used alone 20 to 40 % incorporation of this additive corresponded to increases of the compressive strength by 18.1 % for metakaolin-alumina based-geopolymers and by 32.4 % for volcanic ash-based geopolymers.

In-situ measurement and characterization of cloud particles using digital in-line holography

Satellite measurement validations, climate models, atmospheric radiative transfer models and cloud models, all depend on accurate measurements of cloud particle size distributions, number densities, spatial distributions, and other parameters relevant to cloud microphysical processes. And many airborne instruments designed to measure size distributions and concentrations of cloud particles have large uncertainties in measuring number densities and size distributions of small ice crystals. HOLODEC (Holographic Detector for Clouds) is a new instrument that does not have many of these uncertainties and makes possible measurements that other probes have never made. The advantages of HOLODEC are inherent to the holographic method. In this dissertation, I describe HOLODEC, its in-situ measurements of cloud particles, and the results of its test flights. I present a hologram reconstruction algorithm that has a sample spacing that does not vary with reconstruction distance. This reconstruction algorithm accurately reconstructs the field to all distances inside a typical holographic measurement volume as proven by comparison with analytical solutions to the Huygens-Fresnel diffraction integral. It is fast to compute, and has diffraction limited resolution. Further, described herein is an algorithm that can find the position along the optical axis of small particles as well as large complex-shaped particles. I explain an implementation of these algorithms that is an efficient, robust, automated program that allows us to process holograms on a computer cluster in a reasonable time. I show size distributions and number densities of cloud particles, and show that they are within the uncertainty of independent measurements made with another measurement method. The feasibility of another cloud particle instrument that has advantages over new standard instruments is proven. These advantages include a unique ability to detect shattered particles using three-dimensional positions, and a sample volume size that does not vary with particle size or airspeed. It also is able to yield two-dimensional particle profiles using the same measurements.

OPTIMAL SHAPE IN ELECTROMAGNETIC SCATTERING BY SMALL ASPHERICAL PARTICLES

We consider the question of optimal shapes, e.g., those causing minimal extinction among all shapes of equal volume. Guided by the isoperimetric property of a sphere, relevant in the geometrical optics limit of scattering by large particles, we examine an analogous question in the low frequency (electrostatics) approximation, seeking to disentangle electric and geometric contributions. To that end, we survey the literature on shape functionals and focus on ellipsoids, giving a simple proof of spherical optimality for the coated ellipsoidal particle. Monotonic increase with asphericity in the low frequency regime for orientation-averaged induced dipole moments and scattering cross-sections is also shown. Additional physical insight is obtained from the Rayleigh-Gans (transparent) limit and eccentricity expansions. We propose connecting low and high frequency regime in a single minimum principle valid for all size parameters, provided that reasonable size distributions of randomly oriented aspherical particles wash out the resonances for intermediate size parameters. This proposal is further supported by the sum rule for integrated extinction.

Direct combination of nanoparticle fabrication and exposure to lung cell cultures in a closed setup as a method to simulate accidental nanoparticle exposure of humans

The tremendous application potential of nanosized materials stays in sharp contrast to a growing number of critical reports of their potential toxicity. Applications of in vitro methods to assess nanoparticles are severely limited through difficulties in exposing cells of the respiratory tract directly to airborne engineered nanoparticles. We present a completely new approach to expose lung cells to particles generated in situ by flame spray synthesis. Cerium oxide nanoparticles from a single run were produced and simultaneously exposed to the surface of cultured lung cells inside a glovebox. Separately collected samples were used to measure hydrodynamic particle size distribution, shape, and agglomerate morphology. Cell viability was not impaired by the conditions of the glovebox exposure. The tightness of the lung cell monolayer, the mean total lamellar body volume, and the generation of oxidative DNA damage revealed a dose-dependent cellular response to the airborne engineered nanoparticles. The direct combination of production and exposure allows studying particle toxicity in a simple and reproducible way under environmental conditions.

Lateral sediment sources and knickzones as controls on spatio-temporal variations of sediment transport in an Alpine river

Modern mixed alluvial-bedrock channels in mountainous areas provide natural laboratories for understanding the time scales at which coarse-grained material has been entrained and transported from their sources to the adjacent sedimentary sink, where these deposits are preserved as conglomerates. This article assesses the shear stress conditions needed for the entrainment of the coarse-bed particles in the Glogn River that drains the 400 km2 Val Lumnezia basin, eastern Swiss Alps. In addition, quantitative data are presented on sediment transport patterns in this stream. The longitudinal stream profile of this river is characterized by three ca 500 m long knickzones where channel gradients range from 0·02 to 0·2 m m−1, and where the valley bottom confined into a <10 m wide gorge. Downstream of these knickzones, the stream is flat with gradients <0·01 m m−1 and widths ≥30 m. Measurements of the grain-size distribution along the trunk stream yield a mean D84 value of ca 270 mm, whereas the mean D50 is ca 100 mm. The consequences of the channel morphology and the grain-size distribution for the time scales of sediment transport were explored by using a one-dimensional step-backwater hydraulic model (Hydrologic Engineering Centre – River Analysis System). The results reveal that, along the entire trunk stream, a two to 10 year return period flood event is capable of mobilizing both the D50 and D84 fractions where the Shields stress exceeds the critical Shields stress for the initiation of particle motion. These return periods, however, varied substantially depending on the channel geometry and the pebble/boulder size distribution of the supplied material. Accordingly, the stream exhibits a highly dynamic boulder cover behaviour. It is likely that these time scales might also have been at work when coarse-grained conglomerates were constructed in the geological past.

The calculation of Afρ and mass loss rate for comets

Ab initio calculations of Afρ are presented using Mie scattering theory and a Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) dust outflow model in support of the Rosetta mission and its target 67P/Churyumov-Gerasimenko (CG). These calculations are performed for particle sizes ranging from 0.010 μm to 1.0 cm. The present status of our knowledge of various differential particle size distributions is reviewed and a variety of particle size distributions is used to explore their effect on Afρ , and the dust mass production View the MathML sourcem˙. A new simple two parameter particle size distribution that curtails the effect of particles below 1 μm is developed. The contributions of all particle sizes are summed to get a resulting overall Afρ. The resultant Afρ could not easily be predicted a priori and turned out to be considerably more constraining regarding the mass loss rate than expected. It is found that a proper calculation of Afρ combined with a good Afρ measurement can constrain the dust/gas ratio in the coma of comets as well as other methods presently available. Phase curves of Afρ versus scattering angle are calculated and produce good agreement with observational data. The major conclusions of our calculations are: – The original definition of A in Afρ is problematical and Afρ should be: qsca(n,λ)×p(g)×f×ρqsca(n,λ)×p(g)×f×ρ. Nevertheless, we keep the present nomenclature of Afρ as a measured quantity for an ensemble of coma particles.– The ratio between Afρ and the dust mass loss rate View the MathML sourcem˙ is dominated by the particle size distribution. – For most particle size distributions presently in use, small particles in the range from 0.10 to 1.0 μm contribute a large fraction to Afρ. – Simplifying the calculation of Afρ by considering only large particles and approximating qsca does not represent a realistic model. Mie scattering theory or if necessary, more complex scattering calculations must be used. – For the commonly used particle size distribution, dn/da ∼ a−3.5 to a−4, there is a natural cut off in Afρ contribution for both small and large particles. – The scattering phase function must be taken into account for each particle size; otherwise the contribution of large particles can be over-estimated by a factor of 10. – Using an imaginary index of refraction of i = 0.10 does not produce sufficient backscattering to match observational data. – A mixture of dark particles with i ⩾ 0.10 and brighter silicate particles with i ⩽ 0.04 matches the observed phase curves quite well. – Using current observational constraints, we find the dust/gas mass-production ratio of CG at 1.3 AU is confined to a range of 0.03–0.5 with a reasonably likely value around 0.1.

Age determination, sedimentological, biogeochemical, and plant macrofossils analyses of outcrop PG2038-1

Thermokarst lakes are a widespread feature of the Arctic tundra, in which highly dynamic processes are closely connected with current and past climate changes. We investigated late Quaternary sediment dynamics, basin and shoreline evolution, and environmental interrelations of Lake El'gene-Kyuele in the NE Siberian Arctic (latitude 71°17'N, longitude 125°34'E). The water-body displays thaw-lake characteristics cutting into both Pleistocene Ice Complex and Holocene alas sediments. Our methods are based on grain size distribution, mineralogical composition, TOC/N ratio, stable carbon isotopes and the analysis of plant macrofossils from a 3.5-m sediment profile at the modern eastern lake shore. Our results show two main sources for sediments in the lake basin: terrigenous diamicton supplied from thermokarst slopes and the lake shore, and lacustrine detritus that has mainly settled in the deep lake basin. The lake and its adjacent thermokarst basin rapidly expanded during the early Holocene. This climatically warmer than today period was characterized by forest or forest tundra vegetation composed of larches, birch trees and shrubs. Woodlands of both the HTM and the Late Pleistocene were affected by fire, which potentially triggered the initiation of thermokarst processes resulting later in lake formation and expansion. The maximum lake depth at the study site and the lowest limnic bioproductivity occurred during the longest time interval of ~7 ka starting in the Holocene Thermal Maximum and lasting throughout the progressively cooler Neoglacial, whereas partial drainage and an extensive shift of the lake shoreline occurred ~0.9 cal. ka BP. Correspondingly, this study discusses different climatic and environmental drivers for the dynamics of a thermokarst basin.

Grain size composition and age of ODP Hole 167-1017E sediments

Siliciclastic sedimentation at Ocean Drilling Program Site 1017 on the southern slope of the Santa Lucia Bank, central California margin, responded closely to oceanographic and climatic change over the past ~130 ka. Variation in mean grain-size and sediment sorting within the ~25-m-thick succession from Hole 1017E show Milankovitch-band to submillenial-scale variation. Mean grain size of the "sortable silt" fraction (10-63 µm) ranges from 17.6 to 33.9 µm (average 24.8 µm) and is inversely correlated with the degree of sorting. Much of the sediment has a bimodal or trimodal grain-size distribution that is composed of distinct fine silt, coarse silt to fine sand, and clay-size components. The position of the mode and the sorting of each component changes through the succession, but the primary variation is in the presence or abundance of the coarse silt fraction that controls the overall mean grain size and sorting of the sample. The occurrence of the best-sorted, finest grained sediment at high stands of sea level (Holocene, marine isotope Substages 5c and 5e) reflect the linkage between global climate and the sedimentary record at Site 1017 and suggest that the efficiency of off-shelf transport is a key control of sedimentation on the Santa Lucia Slope. It is not clear what proportion of the variation in grain size and sorting may also be caused by variations in bottom current strength and in situ hydrodynamic sorting.