Ferroelectricity and isotope effects in hydrogen-bonded KDP crystals

Based on an accurate first principles description of the energetics in H-bonded potassium-dihydrogen-phosphate crystals, we conduct a first study of nuclear quantum effects and of the changes brought about by deuteration. Tunneling is allowed only for clusters involving correlated protons and heavy ion displacements, the main effect of deuteration being a depletion of the proton probability density at the O-H-O bridge center, which in turn weakens its proton-mediated covalent bonding. The ensuing lattice expansion couples self-consistently with the proton off-centering, thus explaining both the giant isotope effect and its close connection with geometrical effects.

Electrochemical Oxidation of Hydrogen Sulfide at Platinum Electrodes in Room Temperature Ionic Liquids: Evidence for Significant Accumulation of H2S at the Pt/1-Butyl-3-methylimidazolium Trifluoromethylsulfonate Interface

Electrochemical oxidation of hydrogen sulfide gas (H2S) has been studied at a platinum microelectrode (10 mu m diameter) in five room temperature ionic liquids (RTILs): [C(4)mim][OTf], [C(4)dmim][NTf2], [C(4)mim][PF6],. [C(6)mim][FAP], and [P-14,P-6,P-6,P-6][FAP] (where [C-n mim](+) = 1-alkyl-3-methylimidazolium, [C(n)dmim](+) = 1-alkyl-2,3-dimethylimidazolium, [P-14,P-6,P-6,P-6](+) = tris(p-hexyl)-tetradecylphosphonium, [OTf](-) = trifluoromethlysulfonate, [NTf2](-) = bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, [PF6](-) = hexafluorophosphate, and [FAP](-) = trifluorotris(pentafluoroethyl)phosphate). In four of the RTILs ([C(4)dmim][NTf2], [C(4)mim][PF6], [C(6)mim][FAP], and [P-14,P-6,P-6,P-6][FAP]), no clear oxidative signal was observed. In [C(4)mim][OTf], a chemically irreversible oxidation peak was observed on the oxidative sweep with no signal seen on the reverse scan. The oxidative signal showed an adsorptive stripping peak type followed by near steady-state limiting current behavior. Potential step chronoamperometry was carried out on the reductive wave, giving a diffusion coefficient and solubility of 1.6 x 10(-11) m(2) s(-1) and 7 mM, respectively (at 25 degrees C). Using these data, we modeled the oxidation signal kinetically, assuming adsorption preceded oxidation and that adsorption was approximately Langmuirian. The oxidation step was described by an electrochemically fully irreversible Tafel law/Butler-Volmer formalism. Modeling indicated a substantial buildup of H2S in the double layer in excess of the coverage that would be expected for a monolayer of chemisorbed H2S, reflecting high solubility of the gas in [C(4)mim][OTf] and possible attractive interactions with the [OTf](-) anions accumulated at the electrode at potentials positive of the potential of zero charge. Solute enrichment of the double layer in the solution adjacent to the electrode appears a novel feature of RTIL electrochemistry.

Étude du rôle spécifique du système à deux composantes PhoBR et du système Pst (phosphate specific transport) dans la virulence d’une souche pathogène aviaire de Escherichia coli (APEC)

Les souches d’Escherichia coli pathogènes aviaires (APEC) sont responsables d’infections respiratoires et de septicémies chez la volaille. Le régulon Pho est contrôlé conjointement par le système à deux composantes PhoBR et par le système de transport spécifique du phosphate (Pst). Afin de déterminer l’implication de PhoBR et du système Pst dans la pathogenèse de la souche APEC O78 χ7122, différentes souche mutantes phoBR et pst ont été testées pour divers traits de virulence in vivo et in vitro. Les mutations menant à l’activation constitutive du régulon Pho rendaient les souches plus sensibles au peroxyde d’hydrogène et au sérum de lapin comparativement à la souche sauvage. De plus, l’expression des fimbriae de type 1 était affectée chez ces souches. L’ensemble des mutants Pho-constitutifs étaient aussi significativement moins virulents que la souche sauvage dans un modèle de coinfection de poulet, incluant les souches avec un système Pst fonctionnel. De plus, l’inactivation du régulateur PhoB chez un mutant Pst restaure la virulence. Par ailleurs, l’inactivation de PhoB n’affecte pas la virulence de la souche χ7122 dans notre modèle. De manière intéressante, le degré d’atténuation des souches mutantes corrèle directement avec le niveau d’activation du régulon Pho. Globalement, les résultats indiquent que l’activation du régulon Pho plutôt que le transport du phosphate via le système Pst joue un rôle majeur dans l’atténuation des APEC.

Improvements in Fermentative Hydrogen Production through Physiological Manipulation and Metabolic Engineering

La production biologique d'hydrogène (H2) représente une technologie possible pour la production à grande échelle durable de H2 nécessaire pour l'économie future de l'hydrogène. Cependant, l'obstacle majeur à l'élaboration d'un processus pratique a été la faiblesse des rendements qui sont obtenus, généralement autour de 25%, bien en sous des rendements pouvant être atteints pour la production de biocarburants à partir d'autres processus. L'objectif de cette thèse était de tenter d'améliorer la production d'H2 par la manipulation physiologique et le génie métabolique. Une hypothèse qui a été étudiée était que la production d'H2 pourrait être améliorée et rendue plus économique en utilisant un procédé de fermentation microaérobie sombre car cela pourrait fournir la puissance supplémentaire nécessaire pour une conversion plus complète du substrat et donc une production plus grande d'H2 sans l'aide de l'énergie lumineuse. Les concentrations optimales d’O2 pour la production de H2 microaérobie ont été examinées ainsi que l'impact des sources de carbone et d'azote sur le processus. La recherche présentée ici a démontré la capacité de Rhodobacter capsulatus JP91 hup- (un mutant déficient d’absorption-hydrogénase) de produire de l'H2 sous condition microaérobie sombre avec une limitation dans des quantités d’O2 et d'azote fixé. D'autres travaux devraient être entrepris pour augmenter les rendements d'H2 en utilisant cette technologie. De plus, un processus de photofermentation a été créé pour améliorer le rendement d’H2 à partir du glucose à l'aide de R. capsulatus JP91 hup- soit en mode non renouvelé (batch) et / ou en conditions de culture en continu. Certains défis techniques ont été surmontés en mettant en place des conditions adéquates de fonctionnement pour un rendement accru d'H2. Un rendement maximal de 3,3 mols de H2/ mol de glucose a été trouvé pour les cultures en batch tandis que pour les cultures en continu, il était de 10,3 mols H2/ mol de glucose, beaucoup plus élevé que celui rapporté antérieurement et proche de la valeur maximale théorique de 12 mols H2/ mol de glucose. Dans les cultures en batch l'efficacité maximale de conversion d’énergie lumineuse était de 0,7% alors qu'elle était de 1,34% dans les cultures en continu avec un rendement de conversion maximum de la valeur de chauffage du glucose de 91,14%. Diverses autres approches pour l'augmentation des rendements des processus de photofermentation sont proposées. Les résultats globaux indiquent qu'un processus photofermentatif efficace de production d'H2 à partir du glucose en une seule étape avec des cultures en continu dans des photobioréacteurs pourrait être développé ce qui serait un processus beaucoup plus prometteur que les processus en deux étapes ou avec les co-cultures étudiés antérieurément. En outre, l'expression hétérologue d’hydrogenase a été utilisée comme une stratégie d'ingénierie métabolique afin d'améliorer la production d'H2 par fermentation. La capacité d'exprimer une hydrogénase d'une espèce avec des gènes de maturation d'une autre espèce a été examinée. Une stratégie a démontré que la protéine HydA orpheline de R. rubrum est fonctionnelle et active lorsque co-exprimée chez Escherichia coli avec HydE, HydF et HydG provenant d'organisme différent. La co-expression des gènes [FeFe]-hydrogénase structurels et de maturation dans des micro-organismes qui n'ont pas une [FeFe]-hydrogénase indigène peut entraîner le succès dans l'assemblage et la biosynthèse d'hydrogénase active. Toutefois, d'autres facteurs peuvent être nécessaires pour obtenir des rendements considérablement augmentés en protéines ainsi que l'activité spécifique des hydrogénases recombinantes. Une autre stratégie a consisté à surexprimer une [FeFe]-hydrogénase très active dans une souche hôte de E. coli. L'expression d'une hydrogénase qui peut interagir directement avec le NADPH est souhaitable car cela, plutôt que de la ferrédoxine réduite, est naturellement produit par le métabolisme. Toutefois, la maturation de ce type d'hydrogénase chez E. coli n'a pas été rapportée auparavant. L'opéron hnd (hndA, B, C, D) de Desulfovibrio fructosovorans code pour une [FeFe]-hydrogénase NADP-dépendante, a été exprimé dans différentes souches d’E. coli avec les gènes de maturation hydE, hydF et hydG de Clostridium acetobutylicum. L'activité de l'hydrogénase a été détectée in vitro, donc une NADP-dépendante [FeFe]-hydrogénase multimérique active a été exprimée avec succès chez E. coli pour la première fois. Les recherches futures pourraient conduire à l'expression de cette enzyme chez les souches de E. coli qui produisent plus de NADPH, ouvrant la voie à une augmentation des rendements d'hydrogène via la voie des pentoses phosphates.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Dynamic magnetic resonance spectroscopy of phosphate energetics during muscle exercise and recovery

Entailing of phosphorus exchanges in most bio-chemicals as a key factor in disease, increases researcher’s interest to develop the technologies capable of detecting this metabolite. Phosphorus magnetic resonance spectroscopy is able to detect key metabolites in a non-invasive manner. Particularly, it offers the ability to measure the dynamic rate of phosphocreatine(PCr) degeneration through the exercise and recovery. This metric as a valid indication of mitochondrial oxidative metabolism in muscle, differentiate between normal and pathological state. To do magnetic resonance imaging and spectroscopy, clinical research tools provide a wide variety of anatomical and functional contrasts, however they are typically restricted to the tissues containing water or hydrogen atoms and they are still blind to the biochemicals of other atoms of interests. Through this project we intended to obtain the phosphorus spectrum in human body – specificadenerativelly in muscle – using 31P spectroscopy. To do so a double loop RF surface coil, tuned to phosphorus frequency, is designed and fabricated using bench work facilities and then validated through in vitro spectroscopy using 3 Tesla Siemens scanner. We acquired in vitro as well as in vivo phosphorus spectrum in a 100 mM potassium phosphate phantom and human calf muscle in rest-exercise-recovery phase in a 3T MR scanner. The spectrum demonstrates the main constituent in high-energy phosphate metabolism. We also observed the dynamic variation of PCr for five young healthy subjects who performed planter flexions using resistance band during exercise and recovery. The took steps in this project pave the way for future application of spectroscopic quantification of phosphate metabolism in patients affected by carotid artery disease as well as in age-matched control subjects.

Potassium nickel(II) gallium phosphate hydrate, K[NiGa2(PO4)(3)(H2O)(2)]

The title compound, potassium nickel(II) digallium tris-( phosphate) dihydrate, K[NiGa2(PO4)(3)(H2O)(2)], was synthesized hydrothermally. The structure is constructed from distorted trans-NiO4(H2O)2 octahedra linked through vertices and edges to GaO5 trigonal bipyramids and PO4 tetrahedra, forming a three-dimensional framework of formula [NiGa2(PO4)(3)(H2O)(2)](-). The K, Ni and one P atom lie on special positions (Wyckoff position 4e, site symmetry 2). There are two sets of channels within the framework, one running parallel to the [10 (1) over bar] direction and the other parallel to [001]. These intersect, forming a three-dimensional pore network in which the water molecules coordinated to the Ni atoms and the K+ ions required to charge balance the framework reside. The K+ ions lie in a highly distorted environment surrounded by ten O atoms, six of which are closer than 3.1 angstrom. The coordinated water molecules are within hydrogen-bonding distance to O atoms of bridging Ga-O-P groups.

Synthesis and crystal structure of a 3-D zinc phosphate, [C5N2H14][Zn-2(PO3(OH))(3)], containing (4.8) net sheets

A new 3-D zinc phosphate, [C5N2H14][Zn-2(PO3(OH))(3)], has been synthesised under solvothermal conditions in the presence of 1-methylpiperazine. The structure, determined by single-crystal X-ray diffraction at 293 K (RMM = 520.9, orthorhombic, space group P2(1)2(1)2(1); a = 10.0517(2) &ANGS;, b = 10.4293(2) &ANGS; and c = 14.9050(5) &ANGS;; V = 1562.52 &ANGS;(3); Z = 4; R(F) = 2.60%, wR(F) = 2.93%), consists of vertex linked ZnO4 and PO3(OH) tetrahedra assembled into (4.8) net sheets which in turn are linked through further PO3(OH) units to generate a 3-D framework. 1-Methylpiperazinium cations reside within the 3-D channel system, held in place by a strong network of hydrogen bonds. The (4.8) net sheets occur in a number of zeolite structures e.g. ABW and GIS and related zinc phosphate phases. © 2004 Academie des sciences. Published by Elsevier SAS. All rights reserved.

Catena-Poly[bis(ethane-1,2-diammonium) [manganese(II)-di-mu-phosphato-kappa O-4 : O ']]: a one-dimensional manganese phosphate

The title compound,{(C2H10N2)(2)[Mn(PO4)(2)]}(n), contains anionic square-twisted chains of formula [Mn(PO4)(2)](4-) constructed from corner-sharing four-membered rings of alternating MnO4 and PO4 units. The Mn and P atoms have distorted tetrahedral coordination and the Mn atom lies on a twofold axis. The linear manganese-phosphate chains are held together by hydrogen-bonding interactions involving the framework O atoms and the H atoms of the ethane-1,2-diammonium cations, which lie in the interchain spaces.

Synthesis and crystal structure of a 3-D zinc phosphate, [C5N2H14][Zn2(PO3(OH))3], containing (4.8) net sheets

A new 3-D zinc phosphate, [C5N2H14][Zn-2(PO3(OH))(3)], has been synthesised under solvothermal conditions in the presence of 1-methylpiperazine. The structure, determined by single-crystal X-ray diffraction at 293 K (RMM = 520.9, orthorhombic, space group P2(1)2(1)2(1); a = 10.0517(2) &ANGS;, b = 10.4293(2) &ANGS; and c = 14.9050(5) &ANGS;; V = 1562.52 &ANGS;(3); Z = 4; R(F) = 2.60%, wR(F) = 2.93%), consists of vertex linked ZnO4 and PO3(OH) tetrahedra assembled into (4.8) net sheets which in turn are linked through further PO3(OH) units to generate a 3-D framework. 1-Methylpiperazinium cations reside within the 3-D channel system, held in place by a strong network of hydrogen bonds. The (4.8) net sheets occur in a number of zeolite structures e.g. ABW and GIS and related zinc phosphate phases. © 2004 Academie des sciences. Published by Elsevier SAS. All rights reserved.

Cytotoxicity of chlorhexidine digluconate to murine macrophages and its effect on hydrogen peroxide and nitric oxide induction

Chlorhexidine, even at low concentrations, is toxic for a variety of eukaryotic cells; however, its effects on host immune cells are not well known. We evaluated in vitro chlorhexidine-induced cytotoxicity and its effects on reactive oxygen/nitrogen intermediate induction by murine peritoneal macrophages. Thioglycollate-induced cells were obtained from Swiss mice by peritoneal lavage with 5 ml of 10 mM phosphate-buffered saline, washed twice and resuspended (10(6) cells/ml) in appropriate medium for each test. Cell preparations contained more than 95% macrophages. The cytotoxicity was determined by the 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl-tetrazolium bromide assay and the presence of hydrogen peroxide (H2O2) and nitric oxide (NO) by the horseradish peroxidase-dependent oxidation of phenol red and Griess reaction, respectively. The midpoint cytotoxicity values for 1- and 24-h exposures were 61.12 ± 2.46 and 21.22 ± 2.44 µg/ml, respectively. Chlorhexidine did not induce synthesis or liberation of reactive oxygen/nitrogen intermediates. When macrophages were treated with various sub-toxic doses for 1 h (1, 5, 10, and 20 µg/ml) and 24 h (0.5, 1, and 5 µg/ml) and stimulated with 200 nM phorbol myristate acetate (PMA) solution, the H2O2 production was not altered; however, the NO production induced by 10 µg/ml lipopolysaccharide (LPS) solution varied from 14.47 ± 1.46 to 22.35 ± 1.94 µmol/l and 13.50 ± 1.42 to 20.44 ± 1.40 µmol/l (N = 5). The results showed that chlorhexidine has no immunostimulating activity and sub-toxic concentrations did not affect the response of macrophages to the soluble stimulus PMA but can interfere with the receptor-dependent stimulus LPS.

A Chloro-Bridged Linear Chain Imine-Copper(II) Complex and Its Application as an Enzyme-Free Amperometric Biosensor for Hydrogen Peroxide

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Insights into Phosphate Cooperativity and Influence of Substrate Modifications on Binding and Catalysis of Hexameric Purine Nucleoside Phosphorylases

The hexameric purine nucleoside phosphorylase from Bacillus subtilis (BsPNP233) displays great potential to produce nucleoside analogues in industry and can be exploited in the development of new anti-tumor gene therapies. In order to provide structural basis for enzyme and substrates rational optimization, aiming at those applications, the present work shows a thorough and detailed structural description of the binding mode of substrates and nucleoside analogues to the active site of the hexameric BsPNP233. Here we report the crystal structure of BsPNP233 in the apo form and in complex with 11 ligands, including clinically relevant compounds. The crystal structure of six ligands (adenine, 2'deoxyguanosine, aciclovir, ganciclovir, 8-bromoguanosine, 6-chloroguanosine) in complex with a hexameric PNP are presented for the first time. Our data showed that free bases adopt alternative conformations in the BsPNP233 active site and indicated that binding of the co-substrate (2'deoxy) ribose 1-phosphate might contribute for stabilizing the bases in a favorable orientation for catalysis. The BsPNP233-adenosine complex revealed that a hydrogen bond between the 5' hydroxyl group of adenosine and Arg(43*) side chain contributes for the ribosyl radical to adopt an unusual C3'-endo conformation. The structures with 6-chloroguanosine and 8-bromoguanosine pointed out that the Cl-6 and Br-8 substrate modifications seem to be detrimental for catalysis and can be explored in the design of inhibitors for hexameric PNPs from pathogens. Our data also corroborated the competitive inhibition mechanism of hexameric PNPs by tubercidin and suggested that the acyclic nucleoside ganciclovir is a better inhibitor for hexameric PNPs than aciclovir. Furthermore, comparative structural analyses indicated that the replacement of Ser(90) by a threonine in the B. cereus hexameric adenosine phosphorylase (Thr(91)) is responsible for the lack of negative cooperativity of phosphate binding in this enzyme.

C-Phycocyanin protects SH-SY5Y cells from oxidative injury, rat retina from transient ischemia and rat brain mitochondria from Ca2+/phosphate-induced impairment

Oxidative stress and mitochondrial impairment are essential in the ischemic stroke cascade and eventually lead to tissue injury. C-Phycocyanin (C-PC) has previously been shown to have strong antioxidant and neuroprotective actions. In the present study, we assessed the effects of C-PC on oxidative injury induced by tert-butylhydroperoxide (t-BOOH) in SH-SY5Y neuronal cells, on transient ischemia in rat retinas, and in the calcium/phosphate-induced impairment of isolated rat brain mitochondria (RBM). In SH-SY5Y cells, t-BOOH induced a significant reduction of cell viability as assessed by an MTT assay, and the reduction was effectively prevented by treatment with C-PC in the low micromolar concentration range. Transient ischemia in rat retinas was induced by increasing the intraocular pressure to 120 mmHg for 45 min, which was followed by 15 min of reperfusion. This event resulted in a cell density reduction to lower than 50% in the inner nuclear layer (INL), which was significantly prevented by the intraocular pre-treatment with C-PC for 15 min. In the RBM exposed to 3 mM phosphate and/or 100 mu M Ca2+, C-PC prevented in the low micromolar concentration range, the mitochondrial permeability transition as assessed by mitochondrial swelling, the membrane potential dissipation, the increase of reactive oxygen species levels and the release of the pro-apoptotic cytochrome c. In addition, C-PC displayed a strong inhibitory effect against an electrochemically-generated Fenton reaction. Therefore, C-PC is a potential neuroprotective agent against ischemic stroke, resulting in reduced neuronal oxidative injury and the protection of mitochondria from impairment. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Polymer controlled mineralization of zinc phosphate hydrates and applications in corrosion protection, catalysis and biomedicine

ZUSAMMENFASSUNG Die Tauglichkeit von Hybridmaterialien auf der Basis von Zinkphosphathydrat-Zementen zum Einsatz als korrosionshemmende anorganische Pigmente oder zur prothetischen und konservierenden Knochen- und Zahntherapie wird weltweit empirisch seit den neunziger Jahren intensiv erforscht. In der vorliegenden Arbeit wurden zuerst Referenzproben, d.h. alpha-und beta-Hopeite (Abk. a-,b-ZPT) dank eines hydrothermalen Kristallisationsverfahrens in wässerigem Milieu bei 20°C und 90°C hergestellt. Die Kristallstruktur beider Polymorphe des Zinkphosphattetrahydrats Zn3(PO4)2  4 H2O wurde komplett bestimmt. Einkristall-strukturanalyse zeigt, daß der Hauptunterschied zwischen der alpha-und beta-Form des Zinkphosphattetrahydrats in zwei verschiedenen Anordnungen der Wasserstoffbrücken liegt. Die entsprechenden drei- und zweidimensionalen Anordnungen der Wasserstoffbrücken der a-und b-ZPT induzieren jeweils unterschiedliches thermisches Verhalten beim Aufwärmen. Während die alpha-Form ihr Kristallwasser in zwei definierten Stufen verliert, erzeugt die beta-Form instabile Dehydratationsprodukt. Dieses entspricht zwei unabhängigen, aber nebeneinander ablaufenden Dehydratationsmechanismen: (i) bei niedrigen Heizraten einen zweidimensionalen Johnson-Mehl-Avrami (JMA) Mechanismus auf der (011) Ebene, der einerseits bevorzugt an Kristallkanten stattfindet und anderseits von existierenden Kristalldefekten auf Oberflächen gesteuert wird; (ii) bei hohen Heizraten einem zweidimensionalen Diffusionsmechanismus (D2), der zuerst auf der (101) Ebene und dann auf der (110) Ebene erfolgt. Durch die Betrachtung der ZPT Dehydratation als irreversibele heterogene Festkörperstufenreaktion wurde dank eines „ähnlichen Endprodukt“-Protokolls das Dehydratationsphasendiagramm aufgestellt. Es beschreibt die möglichen Zusammenhänge zwischen den verschiedenen Hydratationszuständen und weist auf die Existenz eines Übergangszustandes um 170°C (d.h. Reaktion b-ZPT  a-ZPT) hin. Daneben wurde auch ein gezieltes chemisches Ätzverfahren mit verdünnten H3PO4- und NH3 Lösungen angewendet, um die ersten Stufe des Herauslösens von Zinkphosphat genau zu untersuchen. Allerdings zeigen alpha- und beta-Hopeite charakteristische hexagonale und kubische Ätzgruben, die sich unter kristallographischer Kontrolle verbreitern. Eine zuverlässige Beschreibung der Oberfächenchemie und Topologie konnte nur durch AFM und FFM Experimente erfolgen. Gleichzeitig konnte in dieser Weise die Oberflächendefektdichte und-verteilung und die Volumenauflösungsrate von a-ZPT und b-ZPT bestimmt werden. Auf einem zweiten Weg wurde eine innovative Strategie zur Herstellung von basischen Zinkphosphatpigmenten erster und zweiter Generation (d.h. NaZnPO4  1H2O und Na2ZnPO4(OH)  2H2O) mit dem Einsatz von einerseits oberflächenmodifizierten Polystyrolatices (z.B. produziert durch ein Miniemulsionspolymerisationsverfahren) und anderseits von Dendrimeren auf der Basis von Polyamidoamid (PAMAM) beschritten. Die erhaltene Zeolithstruktur (ZPO) hat in Abhängigkeit von steigendem Natrium und Wassergehalt unterschiedliche kontrollierte Morphologie: hexagonal, würfelförmig, herzförmig, sechsarmige Sterne, lanzettenförmige Dendrite, usw. Zur quantitativen Evaluierung des Polymereinbaus in der Kristallstruktur wurden carboxylierte fluoreszenzmarkierte Latices eingesetzt. Es zeigt sich, daß Polymeradditive nicht nur das Wachstum bis zu 8 µm.min-1 reduzierten. Trotzdem scheint es auch als starker Nukleationsbeschleuniger zu wirken. Dank der Koordinationschemie (d.h. Bildung eines sechszentrigen Komplexes L-COO-Zn-PO4*H2O mit Ligandenaustausch) konnten zwei einfache Mechanismen zur Wirkung von Latexpartikeln bei der ZPO Kristallisation aufgezeigt werden: (i) ein Intrakorona- und (ii) ein Extrakorona-Keimbildungsmechanismus. Weiterhin wurde die Effizienz eines Kurzzeit- und Langzeitkorrosionschutzes durch maßgeschneiderte ZPO/ZPT Pigmente und kontrollierte Freisetzung von Phosphationen in zwei Näherungen des Auslösungsgleichgewichts abgeschätzt: (i) durch eine Auswaschungs-methode (thermodynamischer Prozess) und (ii) durch eine pH-Impulsmethode (kinetischer Prozess. Besonders deutlich wird der Ausflösungs-Fällungsmechanismus (d.h. der Metamorphismus). Die wesentliche Rolle den Natriumionen bei der Korrosionshemmung wird durch ein passendes zusammensetzungsabhängiges Auflösungsmodell (ZAAM) beschrieben, das mit dem Befund des Salzsprühteste und der Feuchtigkeitskammertests konsistent ist. Schließlich zeigt diese Arbeit das herausragende Potential funktionalisierter Latices (Polymer) bei der kontrollierten Mineralisation zur Herstellung maßgeschneiderter Zinkphosphat Materialien. Solche Hybridmaterialien werden dringend in der Entwicklung umweltfreundlicher Korrosionsschutzpigmente sowie in der Dentalmedizin benötigt.