An investigation into complex inorganic materials with Mössbauer spectroscopy

Mössbauer Spektroskopie ist ein unverzichtbares Instrument für die Bestimmung von Oxidationszuständen und für die Analyse von lokalen Ordnungsphänomenen von Mössbauer aktiven Atomen. Weil es sich um eine lokale Methode handelt können sowohl kristalline als auch amorphe Materialien untersucht werden. Die Kombination von lokaler Prüfung mit Mössbauer Spektroskopie und globaler Untersuchung z.B. mit Röntgendiffraktometrie ermöglicht die Studie von Ordnungseffekten von statistisch besetzten Positionen in einer geordneten Matrix. Das wurde hier eingesetzt um die lokale Umgebung in zwei Serien von Heuslerverbindungen, Co2-xFe1+xSi and Co2Mn1-xFexAl zu untersuchen. Für die Co2Mn1-xFexAl Serie wurde eine L21 geordnete Phase in einer insgesamt B2 geordneten Probe detektiert. Ein Wechsel von der AlCu2Mn zu der CuHg2Ti Struktur wurde für die Co2-xFe1+xSi Proben gefunden. Die Transformation von einem Glas zu einem keramischen Material wurde mit 119Sn Mössbauer Spektroskopie untersucht. Die höhere Ordnung in der Keramik wurde von einer kleiner werdenden Mössbauerlinienbreite begleitet. Demzufolge geben die Modifikationen der Sn Umgebungen klar die Transformation des gesamten Materials wieder. Ist die lokale Umgebung von unregelmäßig auftretenden Atomen in einer amorphen Matrix von Interesse, sind lokal prüfende Methoden die zuverlässigsten Methoden die zur Verfügung stehen. In dieser Arbeit wurde 119Sn Mössbauer Spektroskopie eingesetzt um die Oxidationszustände, die lokalen Umgebungen und relativen Intensitäten von Zinn Atomen in einer Silikatmatrix zu bestimmen. Modifikationen dieser Parameter als Funktion von Prozess bestimmenden Parametern wie der Sauerstoffpartialdruck, die Temperatur, die Behandlungsdauer und der Abkühlprozess genauso wie der SnO2 Gehalt sind von Interesse, weil durch Reduktions- und Diffusionsprozesse Änderungen des Koordinations- und des Oxidationszustands der Zinnatome auftreten. Da diese Änderungen in der Glasmatrix verursachen, die das fertige Produkt im industriellen Fertigungsprozess ruinieren können sind diese feinen Veränderungen sehr wichtig. Wenigstens zwei Mössbauerlinien korrespondierend mit zwei verschiedenen Umgebungen für Sn2+ und Sn4+ sind für eine Analyse mit ausreichender Qualität notwendig. Durch Vergleich von den bestimmten Hyperfein Parametern mit den Parametern von Modelsubstanzen werden lokale Umgebungen der Zinnatome entworfen. Für Sn2+ werden zwei auf einer trigonalen Pyramide basierende Umgebungen mit variierender Anzahl von bindenden und nicht-bindenden Sauerstoffatomen formuliert. Für Sn4+ wurde eine tetraedrische und eine oktaedrische Umgebung postuliert. Die relativen Intensitäten der vier Mössbauerlinien wurden um ein Diffusions- und Reaktionsmodell zu entwickeln und um einen Satz von Diffusions- und Transferkoeffizienten zu bestimmen eingesetzt. Die bestimmten Diffusionskoeffizienten stimmen mit den Literaturdaten überein. Der Massentransferkoeffizient ist kleiner als der bestimmte Wert, aber immer noch in der gleichen Größenordnung. Im Gegensatz zu den Erwartungen ist der präsentierte Diffusionskoeffizient für Sn4+ bestimmt als der von Sn2+. Das wiederum kann durch Berücksichtigung von Elektronhoppingprozessen erklärt werden.

Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen : Synthese von Polymer-Hydroxylapatit-Nanopartikeln, bio-inspirierten Nanokapseln und Polymer-Einzelkettenpartikeln

In der vorliegenden Arbeit wurden Miniemulsionen als räumliche Begrenzungen für die Synthese von unterschiedlichen funktionellen Materialien mit neuartigen Eigenschaften verwendet. Das erste Themengebiet umfasst die Herstellung von Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikeln und –Hybridkapseln über die templatgesteuerte Mineralisation von Calciumphosphat. Die funktionalisierte Oberfläche von Polymernanopartikeln, welche über die Miniemulsionspolymerisation hergestellt wurden, diente als Templat für die Kristallisation von Calciumphosphat auf den Partikeln. Der Einfluss der funktionellen Carboxylat- und Phosphonat-Oberflächengruppen auf die Komplexierung von Calcium-Ionen sowie die Mineralisation von Calciumphosphat auf der Oberfläche der Nanopartikel wurde mit mehreren Methoden (ionenselektive Elektroden, REM, TEM und XRD) detailliert analysiert. Es wurde herausgefunden, dass die Mineralisation bei verschiedenen pH-Werten zu vollkommen unterschiedlichen Kristallmorphologien (nadel- und plättchenförmige Kristalle) auf der Oberfläche der Partikel führt. Untersuchungen der Mineralisationskinetik zeigten, dass die Morphologie der Hydroxylapatit-Kristalle auf der Partikeloberfläche mit der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeit durch eine sorgfältige Wahl des pH-Wertes gezielt kontrolliert werden kann. Sowohl die Eigenschaften der als Templat verwendeten Polymernanopartikel (z. B. Größe, Form und Funktionalisierung), als auch die Oberflächentopografie der entstandenen Polymer/Calciumphosphat-Hybridpartikel wurden gezielt verändert, um die Eigenschaften der erhaltenen Kompositmaterialien zu steuern. rnEine ähnliche bio-inspirierte Methode wurde zur in situ-Herstellung von organisch/anorganischen Nanokapseln entwickelt. Hierbei wurde die flexible Grenzfläche von flüssigen Miniemulsionströpfchen zur Mineralisation von Calciumphosphat an der Grenzfläche eingesetzt, um Gelatine/Calciumphosphat-Hybridkapseln mit flüssigem Kern herzustellen. Der flüssige Kern der Nanokapseln ermöglicht dabei die Verkapselung unterschiedlicher hydrophiler Substanzen, was in dieser Arbeit durch die erfolgreiche Verkapselung sehr kleiner Hydroxylapatit-Kristalle sowie eines Fluoreszenzfarbstoffes (Rhodamin 6G) demonstriert wurde. Aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der Gelatine/Calciumphosphat-Kapseln konnten abhängig vom pH-Wert der Umgebung unterschiedliche Mengen des verkapselten Fluoreszenzfarbstoffes aus den Kapseln freigesetzt werden. Eine mögliche Anwendung der Polymer/Calciumphosphat-Partikel und –Kapseln ist die Implantatbeschichtung, wobei diese als Bindeglied zwischen künstlichem Implantat und natürlichem Knochengewebe dienen. rnIm zweiten Themengebiet dieser Arbeit wurde die Grenzfläche von Nanometer-großen Miniemulsionströpfchen eingesetzt, um einzelne in der dispersen Phase gelöste Polymerketten zu separieren. Nach der Verdampfung des in den Tröpfchen vorhandenen Lösungsmittels wurden stabile Dispersionen sehr kleiner Polymer-Nanopartikel (<10 nm Durchmesser) erhalten, die aus nur wenigen oder einer einzigen Polymerkette bestehen. Die kolloidale Stabilität der Partikel nach der Synthese, gewährleistet durch die Anwesenheit von SDS in der wässrigen Phase der Dispersionen, ist vorteilhaft für die anschließende Charakterisierung der Polymer-Nanopartikel. Die Partikelgröße der Nanopartikel wurde mittels DLS und TEM bestimmt und mit Hilfe der Dichte und des Molekulargewichts der verwendeten Polymere die Anzahl an Polymerketten pro Partikel bestimmt. Wie es für Partikel, die aus nur einer Polymerkette bestehen, erwartet wird, stieg die mittels DLS bestimmte Partikelgröße mit steigendem Molekulargewicht des in der Synthese der Partikel eingesetzten Polymers deutlich an. Die Quantifizierung der Kettenzahl pro Partikel mit Hilfe von Fluoreszenzanisotropie-Messungen ergab, dass Polymer-Einzelkettenpartikel hoher Einheitlichkeit hergestellt wurden. Durch die Verwendung eines Hochdruckhomogenisators zur Herstellung der Einzelkettendispersionen war es möglich, größere Mengen der Einzelkettenpartikel herzustellen, deren Materialeigenschaften zurzeit näher untersucht werden.rn

Synthese von grenzflächenaktiven Monomeren zur Herstellung von funktionalen Metall-Chalkogenid,Polymer-Hybridnanopartikeln

In dieser Arbeit wurde gezeigt, wie oberflächenfunktionalisierte Polystyrolnanopartikel zur Herstellung von Metallchalkogenid/Polymer-Hybridnanopartikeln eingesetzt werden können. Dazu wurden zunächst phosphonsäure- und phosphorsäurefunktionalisierte Surfmere synthetisiert, die anschließend bei der Miniemulsionspolymerisation von Styrol verwendet wurden. Die Surfmere dienten dabei zugleich zur Stabilisierung und als Comonomer. Die oberflächenfunktionalisierten Polystyrolnanopartikel wurden anschließend als Trägerpartikel für die Kristallisation von Metalloxiden eingesetzt. Dabei wurden Metalloxid/Polymer-Hybridnanopartikel mit einer „himbeerartigen“ Morphologie erhalten. Um die vielseitige Modifizierbarkeit der phosphonat- und phosphat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel zu demonstrieren, wurden Cer-, Eisen- sowie Zinkoxid auf der Partikeloberfläche kristallisiert. Dazu wurden sowohl wässrige als auch alkoholische Metalloxid-Präkursorlösungen eingesetzt. Die synthetisierten Metall¬oxid/Polymer-Hybridpartikel wurden detailliert mit REM, TEM und PXRD analysiert. Die Untersuchung des Kristallisationsmechanismus hatte erwiesen, dass die komplexierten Metallkationen auf der Partikeloberfläche als Nukleationszentren wirkten und die Zutropfrate des Fällungsreagenz entscheidend für die Oberflächenkristallisation ist. Durch Mischungsexperimente von Metalloxidnanopartikeln und den oberflächen¬funktionalisierten Polymerpartikeln konnte die Hybridpartikelbildung über Hetero¬koagulation ausgeschlossen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Polarität der funktionellen Gruppe über die Stärke der Komplexierung der Metalloxid-Präkursor bestimmt. Darüber hinaus wurde ein Modell zur Erklärung der kolloidalen Stabilisierung der Metalloxid/Polymer-Hybridsysteme aufgestellt und ein Zusammenhang zwischen dem gemessenen Zeta-Potential und der Oberflächenbedeckung der Polymerpartikel durch Metalloxid gefunden. Mit der Methode der Oberflächenkristallisation konnten frühe Stadien der Nukleation auf der Partikeloberfläche fixiert werden. Weiterhin wurden die individuellen physikalisch-chemischen Eigenschaften der hergestellten Metall¬oxid/Polymer-Hybridnano¬partikel untersucht. Dabei zeigten die CeO2/Polymer-Hybridpartikel eine hohe katalytische Aktivität bezüglich der photokatalytischen Oxidation von Rhodamin B, die als Modellreaktion durchgeführt wurde. Des Weiteren wurde die Magnetisierung der Magnetit/Polymer-Hybridpartikel gemessen. Die Fe3O4-Hybrid¬partikelsysteme wiesen eine vergleichbare Sättigungsmagnetisierung auf. Die Zinkoxid/Polymer-Hybridsysteme zeigten eine starke Lumineszenz im sichtbaren Bereich bei Anregung mit UV-Licht. Die Metalloxid/Polymer-Hybridpartikel, die mit den phosphonat- oder phosphatfunktion¬alisierten Polystyrolpartikeln hergestellt wurden, zeigten keine signifikanten Unterschiede in ihren physikochemischen Eigenschaften. Im Allgemeinen lässt sich schlussfolgern, dass sowohl Phosphonat- als auch Phosphatgruppen gleichermaßen für die Oberflächenkristallisation von Metalloxiden geeignet sind. Die Zink¬oxid/Polymer-Hybridsysteme stellen eine Ausnahme dar. Die Verwendung der phosphonat¬funktionalisierten Polystyrolpartikel führte zur Entstehung einer Zinkhydroxidphase, die neben der Zinkoxidphase gebildet wurde. Aufgrund dessen zeigten die ZnO/RPO3H2-Hybridpartikel eine geringere Lumineszenz im sichtbaren Bereich als die ZnO/RPO4H2-Hybridsysteme.rnDie Erkenntnisse, die bei der Oberflächenkristallisation von Metalloxiden gewonnen wurden, konnten erfolgreich auf Cadmiumsulfid übertragen werden. Dabei konnte Cadmiumsulfid auf der Oberfläche von phosphonatfunktionalisierten Polystyrolpartikeln kristallisiert werden. Mit Hilfe des RPO3H2-Surfmers konnten phosphonatfunktion¬alisierte Polystyrolpartikel mit superparamagnetischem Kern synthetisiert werden, die zur Herstellung von multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikeln mit Magnetitkern verwendet wurden. Die Kristallphase und die Oberflächenbedeckung der multi¬funktionalen Hybridsysteme wurden mit den CdS/Polymer-Hybridsystemen ohne magnetischen Kern verglichen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass in beiden Fällen Cadmiumsulfid in der Greenockit-Modifikation gebildet wurde. Die multifunktionalen CdS/Polymer-Hybridpartikel mit superparamagnetischem Kern konnten sowohl mit einem optischen als auch einem magnetischen Stimulus angeregt werden.rnrn

Charge generation and recombination in hybrid organic,inorganic solar cells

This thesis deals with the investigation of exciton and charge dynamics in hybrid solar cells by time-resolved optical spectroscopy. Quasi-steady-state and transient absorption spectroscopy, as well as time-resolved photoluminescence spectroscopy, were employed to study charge generation and recombination in solid-state organic dye-sensitized solar cells, where the commonly used liquid electrolyte is replaced by an organic solid hole transporter, namely 2,2′7,7′-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-9,9′-spirobifluorene (spiro-MeOTAD), and polymer-metal oxide bulk heterojunction solar cells, where the commonly used fullerene acceptor [6,6]-phenyl C61 butyric acid methyl ester (PCBM) is replaced by zinc oxide (ZnO) nanoparticles. By correlating the spectroscopic results with the photovoltaic performance, efficiency-limiting processes and processes leading to photocurrent generation in the investigated systems are revealed. rnIt is shown that the charge generation from several all-organic donor-π-bridge-acceptor dyes, specifically perylene monoimide derivatives, employed in solid-state dye-sensitized solar cells, is strongly dependent on the presence of a commonly used additive lithium bis(trifluoromethanesulphonyl)imide salt (Li-TFSI) at the interface. rnMoreover, it is shown that charges can not only be generated by electron injection from the excited dye into the TiO2 acceptor and subsequent regeneration of the dye cation by the hole transporter, but also by an alternative mechanism, called preceding hole transfer (or reductive quenching). Here, the excited dye is first reduced by the hole transporter and the thereby formed anion subsequently injects an electron into the titania. This additional charge generation process, which is only possible for solid hole transporters, helps to overcome injection problems. rnHowever, a severe disadvantage of solid-state dye-sensitized solar cells is re-vealed by monitoring the transient Stark effect on dye molecules at the inter-face induced by the electric field between electrons and holes. The attraction between the negative image charge present in TiO2, which is induced by the positive charge carrier in the hole transporter due to the dielectric contrast between the organic spiro-MeOTAD and inorganic titania, is sufficient to at-tract the hole back to the interface, thereby increasing recombination and suppressing the extraction of free charges.rnBy investigating the effect of different dye structures and physical properties on charge generation and recombination, design rules and guidelines for the further advancement of solid-state dye-sensitized solar cells are proposed.rnFinally, a spectroscopic study on polymer:ZnO bulk heterojunction hybrid solar cells, employing different surfactants attached to the metal oxide nanoparticles, was performed to understand the effect of surfactants upon photovoltaic behavior. By applying a parallel pool analysis on the transient absorption data, it is shown that suppressing fast recombination while simultaneously maintaining the exciton splitting efficiency by the right choice of surfactants leads to better photovoltaic performances. Suppressing the fast recombination completely, whilst maintaining the exciton splitting, could lead to a doubling of the power conversion efficiency of this type of solar cell.

Organic/inorganic polyoxometalate-based hybrids for oxidation catalysis and energy conversion

This thesis work has been carried out during the Erasmus exchange period at the “Université Paris 6 – Pierre et Marie Curie”, in the “Edifices PolyMétalliques – EPOM” team, leaded by Prof. Anna Proust, belonging to the “Institut Parisien de Chimie Moléculaire”, under the supervision of Dr. Guillaume Izzet and Dr. Geoffroy Guillemot. The redox properties of functionalized Keggin and Dawson POMs have been exploited in photochemical, catalytic and reactivity tests. For the photochemical purposes, the selected POMs have been functionalized with different photoactive FGs, and the resulting products have been characterized by CV analyses, luminescence tests and UV-Vis analyses. In future, these materials will be tested for hydrogen photoproduction and polymerization of photoactive films. For the catalytic purposes, POMs have been firstly functionalized with silanol moieties, to obtain original coordination sites, and then post-functionalized with TMs such as V, Ti and Zr in their highest oxidation states. In this way, the catalytic properties of TMs were coupled to the redox properties of POM frameworks. The redox behavior of some of these hybrids has been studied by spectro-electrochemical and EPR methods. Catalytic epoxidation tests have been carried out on allylic alcohols and n-olefins, employing different catalysts and variable amounts of them. The performances of POM-V hybrids have been compared to those of VO(iPrO)3. Finally, reactivity of POM-VIII hybrids has been studied, using styrene oxide and ethyl-2-diazoacetate as substrates. All the obtained products have been analyzed via NMR techniques. Cyclovoltammetric analyses have been carried out in order to determine the redox behavior of selected hybrids.

Phosphonate ligands in extended inorganic hybrids and as radical units in complexes

Phosphonatliganden in erweiterten anorganischen Hybridmaterialien undrnals Radikalträgern in KomplexenrnrnAnorganisch-organische Hybridmaterialien sind in der Regel extrem vielseitig. Die systematische Darstellung von niederdimensionalen Materialien (eindimensionale Kettenverbindungen oder zweidimensionalen Schichtverbindungen) mit einer Kontrolle über die Art der Verbindung,rnbietet neue Möglichkeiten im Bereich des molekularen Magnetismus. Hier im Fall von Metall-Phosphonat Verbindungen in erweiterten anorganischen Hybriden wurde der pH - Wert während der Reaktion eingestellt, wodurch der Grad der Protonierung des Phosphonatliganden kontrolliert wurde. Aufgrund der Tatsache, dass alle erhaltenen Metall Phosphonatverbindungen neutral waren, konnte das Ligand zu Metallverhältnis erstmals vorhergesagt werden. So wurden mehrere neue Metall–Phosphonat Verbindungen im Bereich von Null-dimensionalen (I0O0, Co-Kristallisation von M(H2O)6 mitrndeprotonierten Phosphonatligand), über eindimensionalen (I1O0, Kettenstrukturen) bis hin zu zweidimensionalen (I2O0, Schichtstrukturen) ausführlich diskutiert in Bezug auf ihr magnetisches Verhalten. Im Allgemeinen sind die erwarteten Austauschwechselwirkungen in einem erweiterten anorganischen Hybridmaterial stark, weil oft ein Superaustausch durch ein einzelnes Sauerstoffatom möglich ist. Hier waren oft mehrere konkurrierende Austauschwechselwirkungen vorhanden, so dass kompliziertere magnetische Verhalten beobachtet wurden.rnrnDarüber hinaus wurden drei neue Beispiele von Nitronyl-Nitroxidradikale dargestellt, in denen eine zusätzliche saure Funktionalität eingeführt war. Die Auswirkungen des sauren Charakters der zusätzlich eingeführten Sulfonsäure oder Phosphonsäure-Gruppe auf das Nitronyl-Nitroxidradikal wurden im Detail zum ersten Mal untersucht. Die mit der Phosphonsäure-Gruppe versehenen Nitronyl-Nitroxidradikale sind perfekte Proben für die Untersuchung einer Spin-Verschiebung in Nitronyl-Nitroxidradikale durch EPR-Spektroskopie, aufgrund des eingeführten Phosphors. Auch der Protonierungsgrad der zusätzlich eingeführten Phosphonsäure-Gruppe wurde berücksichtigt. In dieser Arbeit wurden die ersten Metallkomplexe der neuen substituierten sauren Nitronyl-Nitroxidradikale vorgestellt. Die Koordination von Nickel(II) Metallionen an die saure, zweite funktionelle Gruppe des Nitronyl–Nitroxid Radikal wurde beschrieben. Die magnetische Austauschwechselwirkung der Metallionen untereinander und die Metall-Radikal-Austauschwechselwirkungen wurden untersucht. rnrnIm Allgemeinen können interessante molekulare magnetische Materialien dadurch dargestellt werden, dass die Dimension der Metall-Phosphonat-Verbindungen als Beispiele für die erweiterten anorganischen Hybridmaterialien gesteuert werden kann. Mit Nitronyl-Nitroxidradikale als organische Liganden können in Zukunft noch mehr Spin-Träger in anorganisch-organischen Gerüstmaterialien integriert werden um die magnetischen Eigenschaften zu verbesseren.rn

Dynamics of inorganic carbon and carbonate saturation in the Gulf of Cádiz (SW Spain)

The study of inorganic carbon chemistry of the coastal ocean is conducted in the Gulf of Cádiz (GoC). Here we describe observations obtained during 4 sampling cruises in March, June, September and November 2015. The primary data set consists of state-of-the-art measurements of the keystone parameters of the marine CO2 system: Total Alkalinity (TA), pH, dissolved inorganic carbon (DIC). We have then calculated aragonite and calcite saturation state. The distribution of inorganic carbon system parameters in the north eastern shelf of the Gulf of Cádiz showed temporal and spatial variability. River input, mixing, primary production, respiration and remineralization were factors that controlled such distributions. Data related to carbonate saturation of calcite and aragonite reveal the occurrence of a supersaturated water; in any case, both species increased with distance and decreased with depth. The carbon system parameters present a different behaviour close to the coast to offshore ad at deeper water. In this area six water masses are clearly identified by their different chemical properties: Surface Atlantic Water, North Atlantic Central Water (NACW) and Mediterranean Water (MOW). Moreover, with this work the measurement of calcium in seawater is optimize, allowing a better quantification for future work of the saturation state of CaCO3.

VEGF incorporated into calcium phosphate ceramics promotes vascularisation and bone formation in vivo

Bone formation and osseointegration of biomaterials are dependent on angiogenesis and vascularization. Angiogenic growth factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF) were shown to promote biomaterial vascularization and enhance bone formation. However, high local concentrations of VEGF induce the formation of malformed, nonfunctional vessels. We hypothesized that a continuous delivery of low concentrations of VEGF from calcium phosphate ceramics may increase the efficacy of VEGF administration.VEGF was co-precipitated onto biphasic calcium phosphate (BCP) ceramics to achieve a sustained release of the growth factor. The co-precipitation efficacy and the release kinetics of the protein were investigated in vitro. For in vivo investigations BCP ceramics were implanted into critical size cranial defects in Balb/c mice. Angiogenesis and microvascularization were investigated over 28 days by means of intravital microscopy. The formation of new bone was determined histomorphometrically. Co-precipitation reduced the burst release of VEGF. Furthermore, a sustained, cell-mediated release of low concentrations of VEGF from BCP ceramics was mediated by resorbing osteoclasts. In vivo, sustained delivery of VEGF achieved by protein co-precipitation promoted biomaterial vascularization, osseointegration, and bone formation. Short-term release of VEGF following superficial adsorption resulted in a temporally restricted promotion of angiogenesis and did not enhance bone formation. The release kinetics of VEGF appears to be an important factor in the promotion of biomaterial vascularization and bone formation. Sustained release of VEGF increased the efficacy of VEGF delivery demonstrating that a prolonged bioavailability of low concentrations of VEGF is beneficial for bone regeneration.

Biomimetic coating of organic polymers with a protein-functionalized layer of calcium phosphate: the surface properties of the carrier influence neither the coating characteristics nor the incorporation mechanism or release kinetics of the protein

Polymers that are used in clinical practice as bone-defect-filling materials possess many essential qualities, such as moldability, mechanical strength and biodegradability, but they are neither osteoconductive nor osteoinductive. Osteoconductivity can be conferred by coating the material with a layer of calcium phosphate, which can be rendered osteoinductive by functionalizing it with an osteogenic agent. We wished to ascertain whether the morphological and physicochemical characteristics of unfunctionalized and bovine-serum-albumin (BSA)-functionalized calcium-phosphate coatings were influenced by the surface properties of polymeric carriers. The release kinetics of the protein were also investigated. Two sponge-like materials (Helistat® and Polyactive®) and two fibrous ones (Ethisorb and poly[lactic-co-glycolic acid]) were tested. The coating characteristics were evaluated using state-of-the-art methodologies. The release kinetics of BSA were monitored spectrophotometrically. The characteristics of the amorphous and the crystalline phases of the coatings were not influenced by either the surface chemistry or the surface geometry of the underlying polymer. The mechanism whereby BSA was incorporated into the crystalline layer and the rate of release of the truly incorporated depot were likewise unaffected by the nature of the polymeric carrier. Our biomimetic coating technique could be applied to either spongy or fibrous bone-defect-filling organic polymers, with a view to rendering them osteoconductive and osteoinductive.

Long-term cell-mediated protein release from calcium phosphate ceramics

Efficient delivery of growth factors from carrier biomaterials depends critically on the release kinetics of the proteins that constitute the carrier. Immobilizing growth factors to calcium phosphate ceramics has been attempted by direct adsorption and usually resulted in a rapid and passive release of the superficially adherent proteins. The insufficient retention of growth factors limited their bioavailability and their efficacy in the treatment of bone regeneration. In this study, a coprecipitation technique of proteins and calcium phosphate was employed to modify the delivery of proteins from biphasic calcium phosphate (BCP) ceramics. To this end, tritium-labeled bovine serum albumin ([(3)H]BSA) was utilized as a model protein to analyze the coprecipitation efficacy and the release kinetics of the protein from the carrier material. Conventional adsorption of [(3)H]BSA resulted in a rapid and passive release of the protein from BCP ceramics, whereas the coprecipitation technique effectively prevented the burst release of [(3)H]BSA. Further analysis of the in vitro kinetics demonstrated a sustained, cell-mediated release of coprecipitated [(3)H]BSA from BCP ceramics induced by resorbing osteoclasts. The coprecipitation technique described herein, achieved a physiologic-like protein release, by incorporating [(3)H]BSA into its respective carriers, rendering it a promising tool in growth factor delivery for bone healing.

Mechanical insertion properties of calcium-phosphate implant coatings

Abstract Objectives: To investigate the influence of protein incorporation on the resistance of biomimetic calcium-phosphate coatings to the shear forces that are generated during implant insertion. Materials and Methods: Thirty-eight standard (5 x 13 mm) Osseotite((R)) implants were coated biomimetically with a layer of calcium phosphate, which either lacked or bore a co-precipitated (incorporated) depot of the model protein bovine serum albumin (BSA). The coated implants were inserted into either artificial bone (n=18) or the explanted mandibles of adult pigs (n=12). The former set-up was established for the measurement of torque and of coating losses during the insertion process. The latter set-up was established for the histological and histomorphometric analysis of the fate of the coatings after implantation. Results: BSA-bearing coatings had higher mean torque values than did those that bore no protein depot. During the insertion process, less material was lost from the former than from the latter type of coating. The histological and histomorphometric analysis revealed fragments of material to be sheared off from both types of coating at vulnerable points, namely, at the tips of the threads. The sheared-off fragments were retained within the peri-implant space. Conclusion: The incorporation of a protein into a biomimetically prepared calcium-phosphate coating increases its resistance to the shear forces that are generated during implant insertion. In a clinical setting, the incorporated protein would be an osteogenic agent, whose osteoinductive potential would not be compromised by the shearing off of coating material, and the osteoconductivity of an exposed implant surface would not be less than that of a coated one. To cite this article: Hägi TT, Enggist L, Michel D, Ferguson SJ, Liu Y, Hunziker EB. Mechanical insertion properties of calcium-phosphate implant coatings. Clin. Oral Impl. Res. xx, 2010; 000-000. doi: 10.1111/j.1600-0501.2010.01916.x.

Clinical and histologic evaluation of granular Beta-tricalcium phosphate for the treatment of human intrabony periodontal defects: a report on five cases

BACKGROUND: The aim of the study is to clinically and histologically evaluate the healing of advanced intrabony defects treated with open flap debridement and the adjunct implantation of granular beta tricalcium phosphate (beta-TCP). METHODS: Five patients, each displaying advanced combined 1- and 2-wall intrabony defects around teeth scheduled for extraction or root resection, were recruited. Approximately 6 months after surgery, the teeth or roots were removed together with a portion of their surrounding soft and hard tissues and processed for histologic evaluation. RESULTS: The mean probing depth (PD) was reduced from 10.8 +/- 2.3 mm presurgically to 4.6 +/- 2.1 mm, whereas a mean clinical attachment level (CAL) gain of 5.0 +/- 0.7 mm was observed. The increase in gingival recession was 1.2 +/- 3.2 mm. The histologic evaluation indicated the formation of new cellular cementum with inserting collagen fibers to a varying extent (mean: 1.9 +/- 0.7 mm; range: 1.2 to 3.03 mm) coronal to the most apical extent of the root instrumentation. The mean new bone formation was 1.0 +/- 0.7 mm (range: 0.0 to 1.9 mm). In most specimens, beta-TCP particles were embedded in the connective tissue, whereas the formation of a mineralized bone-like or cementum-like tissue around the particles was only occasionally observed. CONCLUSION: The present data indicates that treatment of intrabony periodontal defects with this beta-TCP may result in substantial clinical improvements such as PD reduction and CAL gain, but this beta-TCP does not seem to enhance the regeneration of cementum, periodontal ligament, and bone.

Cis-4-methylsphingosine is a sphingosine-1-phosphate receptor modulator

Sphingosine-1-phosphate (S1P) acts as high affinity agonist at specific G-protein-coupled receptors, S1P(1-5), that play important roles e.g. in the cardiovascular and immune systems. A S1P receptor modulating drug, FTY720 (fingolimod), has been effective in phase III clinical trials for multiple sclerosis. FTY720 is a sphingosine analogue and prodrug of FTY720-phosphate, which activates all S1P receptors except S1P(2) and disrupts lymphocyte trafficking by internalizing the S1P(1) receptor. Cis-4-methylsphingosine (cis-4M-Sph) is another synthetic sphingosine analogue that is readily taken up by cells and phosphorylated to cis-4-methylsphingosine-1-phosphate (cis-4M-S1P). Therefore, we analysed whether cis-4M-Sph interacted with S1P receptors through its metabolite cis-4M-S1P in a manner similar to FTY720. Indeed, cis-4M-Sph caused an internalization of S1P receptors, but differed from FTY720 as it acted on S1P(2) and S1P(3) and only weakly on S1P(1), while FTY720 internalized S1P(1) and S1P(3) but not S1P(2). Consequently, pre-incubation with cis-4M-Sph specifically desensitized S1P-induced [Ca(2+)](i) increases, which are mediated by S1P(2) and S1P(3), in a time- and concentration-dependent manner. This effect was not shared by sphingosine or FTY720, indicating that metabolic stability and targeting of S1P(2) receptors were important. The desensitization of S1P-induced [Ca(2+)](i) increases was dependent on the expression of SphKs, predominantly of SphK2, and thus mediated by cis-4M-S1P. In agreement, cis-4M-S1P was detected in the supernatants of cells exposed to cis-4M-Sph. It is concluded that cis-4M-Sph, through its metabolite cis-4M-S1P, acts as a S1P receptor modulator and causes S1P receptor internalization and desensitization. The data furthermore help to define requirements for sphingosine kinase substrates as S1P receptor modulating prodrugs.

Glucocorticoids protect renal mesangial cells from apoptosis by increasing cellular sphingosine-1-phosphate

Neutral ceramidase (NCDase) and sphingosine kinases (SphKs) are key enzymes regulating cellular sphingosine-1-phosphate (S1P) levels. In this study we found that stress factor-induced apoptosis of rat renal mesangial cells was significantly reduced by dexamethasone treatment. Concomitantly, dexamethasone increased cellular S1P levels, suggesting an activation of sphingolipid-metabolizing enzymes. The cell-protective effect of glucocorticoids was reversed by a SphK inhibitor, was completely absent in SphK1-deficient cells, and was associated with upregulated mRNA and protein expression of NCDase and SphK1. Additionally, in vivo experiments in mice showed that dexamethasone also upregulated SphK1 mRNA and activity, and NCDase protein expression in the kidney. Fragments (2285, 1724, and 1126 bp) of the rat NCDase promoter linked to a luciferase reporter were transfected into rat kidney fibroblasts and mesangial cells. There was enhanced NCDase promoter activity upon glucocorticoids treatment that was abolished by the glucocorticoid receptor antagonist RU-486. Single and double mutations of the two putative glucocorticoid response element sites within the promoter reduced the dexamethasone effect, suggesting that both glucocorticoid response elements are functionally active and required for induction. Our study shows that glucocorticoids exert a protective effect on stress-induced mesangial cell apoptosis in vitro and in vivo by upregulating NCDase and SphK1 expression and activity, resulting in enhanced levels of the protective lipid second messenger S1P.

Peroxisome proliferator-activated receptor {gamma} coactivator 1{alpha} (PGC-1{alpha}) promotes skeletal muscle lipid refueling in vivo by activating de novo lipogenesis and the pentose phosphate pathway

Exercise induces a pleiotropic adaptive response in skeletal muscle, largely through peroxisome proliferator-activated receptor coactivator 1 (PGC-1 ). PGC-1 enhances lipid oxidation and thereby provides energy for sustained muscle contraction. Its potential implication in promoting muscle refueling remains unresolved, however. Here, we investigated a possible role of elevated PGC-1 levels in skeletal muscle lipogenesis in vivo and the molecular mechanisms that underlie PGC-1 -mediated de novo lipogenesis. To this end, we studied transgenic mice with physiological overexpression of PGC-1 and human muscle biopsies pre- and post-exercise. We demonstrate that PGC-1 enhances lipogenesis in skeletal muscle through liver X receptor -dependent activation of the fatty acid synthase (FAS) promoter and by increasing FAS activity. Using chromatin immunoprecipitation, we establish a direct interaction between PGC-1 and the liver X receptor-responsive element in the FAS promoter. Moreover, we show for the first time that increased glucose uptake and activation of the pentose phosphate pathway provide substrates for RNA synthesis and cofactors for de novo lipogenesis. Similarly, we observed increased lipogenesis and lipid levels in human muscle biopsies that were obtained post-exercise. Our findings suggest that PGC-1 coordinates lipogenesis, intramyocellular lipid accumulation, and substrate oxidation in exercised skeletal muscle in vivo.