Loading of itraconazole into porous silica and silicon microparticles: characterization and dissolution tests

Most new drug molecules discovered today suffer from poor bioavailability. Poor oral bioavailability results mainly from poor dissolution properties of hydrophobic drug molecules, because the drug dissolution is often the rate-limiting event of the drug’s absorption through the intestinal wall into the systemic circulation. During the last few years, the use of mesoporous silica and silicon particles as oral drug delivery vehicles has been widely studied, and there have been promising results of their suitability to enhance the physicochemical properties of poorly soluble drug molecules. Mesoporous silica and silicon particles can be used to enhance the solubility and dissolution rate of a drug by incorporating the drug inside the pores, which are only a few times larger than the drug molecules, and thus, breaking the crystalline structure into a disordered, amorphous form with better dissolution properties. Also, the high surface area of the mesoporous particles improves the dissolution rate of the incorporated drug. In addition, the mesoporous materials can also enhance the permeability of large, hydrophilic drug substances across biological barriers. T he loading process of drugs into silica and silicon mesopores is mainly based on the adsorption of drug molecules from a loading solution into the silica or silicon pore walls. There are several factors that affect the loading process: the surface area, the pore size, the total pore volume, the pore geometry and surface chemistry of the mesoporous material, as well as the chemical nature of the drugs and the solvents. Furthermore, both the pore and the surface structure of the particles also affect the drug release kinetics. In this study, the loading of itraconazole into mesoporous silica (Syloid AL-1 and Syloid 244) and silicon (TOPSi and TCPSi) microparticles was studied, as well as the release of itraconazole from the microparticles and its stability after loading. Itraconazole was selected for this study because of its highly hydrophobic and poorly soluble nature. Different mesoporous materials with different surface structures, pore volumes and surface areas were selected in order to evaluate the structural effect of the particles on the loading degree and dissolution behaviour of the drug using different loading parameters. The loaded particles were characterized with various analytical methods, and the drug release from the particles was assessed by in vitro dissolution tests. The results showed that the loaded drug was apparently in amorphous form after loading, and that the loading process did not alter the chemical structure of the silica or silicon surface. Both the mesoporous silica and silicon microparticles enhanced the solubility and dissolution rate of itraconazole. Moreover, the physicochemical properties of the particles and the loading procedure were shown to have an effect on the drug loading efficiency and drug release kinetics. Finally, the mesoporous silicon particles loaded with itraconazole were found to be unstable under stressed conditions (at 38 qC and 70 % relative humidity).

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

Purification of pharmaceuticals and nutraceutical compounds by sub- and supercritical extraction and chromatography

This thesis discusses the use of sub- and supercritical fluids as the medium in extraction and chromatography. Super- and subcritical extraction was used to separate essential oils from herbal plant Angelica archangelica. The effect of extraction parameters was studied and sensory analyses of the extracts were done by an expert panel. The results of the sensory analyses were compared to the analytically determined contents of the extracts. Sub- and supercritical fluid chromatography (SFC) was used to separate and purify high-value pharmaceuticals. Chiral SFC was used to separate the enantiomers of racemic mixtures of pharmaceutical compounds. Very low (cryogenic) temperatures were applied to substantially enhance the separation efficiency of chiral SFC. The thermodynamic aspects affecting the resolving ability of chiral stationary phases are briefly reviewed. The process production rate which is a key factor in industrial chromatography was optimized by empirical multivariate methods. General linear model was used to optimize the separation of omega-3 fatty acid ethyl esters from esterized fish oil by using reversed-phase SFC. Chiral separation of racemic mixtures of guaifenesin and ferulic acid dimer ethyl ester was optimized by using response surface method with three variables per time. It was found that by optimizing four variables (temperature, load, flowate and modifier content) the production rate of the chiral resolution of racemic guaifenesin by cryogenic SFC could be increased severalfold compared to published results of similar application. A novel pressure-compensated design of industrial high pressure chromatographic column was introduced, using the technology developed in building the deep-sea submersibles (Mir 1 and 2). A demonstration SFC plant was built and the immunosuppressant drug cyclosporine A was purified to meet the requirements of US Pharmacopoeia. A smaller semi-pilot size column with similar design was used for cryogenic chiral separation of aromatase inhibitor Finrozole for use in its development phase 2.

Improving oncolytic adenoviral therapies for gastrointestinal cancers and tumor initiating cells

Although the treatment of most cancers has improved steadily, only few metastatic solid tumors can be cured. Despite responses, refractory clones often emerge and the disease becomes refractory to available treatment modalities. Furthermore, resistance factors are shared between different treatment regimens and therefore loss of response typically occurs rapidly, and there is a tendency for cross-resistance between agents. Therefore, new agents with novel mechanisms of action and lacking cross-resistance to currently available approaches are needed. Modified oncolytic adenoviruses, featuring cancer-celective cell lysis and spread, constitute an interesting drug platform towards the goals of tumor specificity and the implementation of potent multimodal treatment regimens. In this work, we demonstrate the applicability of capsid-modified, transcriptionally targeted oncolytic adenoviruses in targeting gastric, pancreatic and breast cancer. A variety of capsid modified adenoviruses were tested for transductional specificity first in gastric and pancreatic cancer cells and patient tissues and then in mice. Then, oncolytic viruses featuring the same capsid modifications were tested to confirm that successful transductional targeting translates into enhanced oncolytic potential. Capsid modified oncolytic viruses also prolonged the survival of tumor bearing orthotopic models of gastric and pancreatic cancer. Taken together, oncolytic adenoviral gene therapy could be a potent drug for gastric and pancreatic cancer, and its specificity, potency and safety can be modulated by means of capsid modification. We also characterized a new intraperitoneal virus delivery method in benefit for the persistence of gene delivery to intraperitoneal gastric and pancreatic cancer tumors. With a silica implant a steady and sustained virus release to the vicinity of the tumor improved the survival of the orthotopic tumor bearing mice. Furthermore, silica gel-based virus delivery lowered the toxicity mediating proimflammatory cytokine response and production of total and anti-adenovirus neutralizing antibodies (NAbs). On the other hand, silica shielded the virus against pre-excisting NAbs, resulting in a more favourable biodistribution in the preimmunized mice. The silica implant might therefore be of interest in treating intraperitoneally disseminated disease. Cancer stem cells are thought to be resistant to conventional cancer drugs and might play an important role in cancer relapse and the formation of metastasis. Therefore, we examined if transcriptionally modified oncolytic adenoviruses are able to kill these cells. Complete eradication of CD44+CD24-/low putative breast cancer stem cells was seen in vitro, and significant antitumor activity was detected in CD44+CD24-/low –derived tumor bearing mice. Thus, genetically engineered oncolytic adenoviruses have potential in destroying cancer initiating cells, which may have relevance for the elimination of cancer stem cells in humans.

Mesoporous silica- and silicon-based materials as carriers for poorly water soluble drugs

New chemical entities with unfavorable water solubility properties are continuously emerging in drug discovery. Without pharmaceutical manipulations inefficient concentrations of these drugs in the systemic circulation are probable. Typically, in order to be absorbed from the gastrointestinal tract, the drug has to be dissolved. Several methods have been developed to improve the dissolution of poorly soluble drugs. In this study, the applicability of different types of mesoporous (pore diameters between 2 and 50 nm) silicon- and silica-based materials as pharmaceutical carriers for poorly water soluble drugs was evaluated. Thermally oxidized and carbonized mesoporous silicon materials, ordered mesoporous silicas MCM-41 and SBA-15, and non-treated mesoporous silicon and silica gel were assessed in the experiments. The characteristic properties of these materials are the narrow pore diameters and the large surface areas up to over 900 m²/g. Loading of poorly water soluble drugs into these pores restricts their crystallization, and thus, improves drug dissolution from the materials as compared to the bulk drug molecules. In addition, the wide surface area provides possibilities for interactions between the loaded substance and the carrier particle, allowing the stabilization of the system. Ibuprofen, indomethacin and furosemide were selected as poorly soluble model drugs in this study. Their solubilities are strongly pH-dependent and the poorest (< 100 µg/ml) at low pH values. The pharmaceutical performance of the studied materials was evaluated by several methods. In this work, drug loading was performed successfully using rotavapor and fluid bed equipment in a larger scale and in a more efficient manner than with the commonly used immersion methods. It was shown that several carrier particle properties, in particular the pore diameter, affect the loading efficiency (typically ~25-40 w-%) and the release rate of the drug from the mesoporous carriers. A wide pore diameter provided easier loading and faster release of the drug. The ordering and length of the pores also affected the efficiency of the drug diffusion. However, these properties can also compensate the effects of each other. The surface treatment of porous silicon was important in stabilizing the system, as the non-treated mesoporous silicon was easily oxidized at room temperature. Different surface chemical treatments changed the hydrophilicity of the porous silicon materials and also the potential interactions between the loaded drug and the particle, which further affected the drug release properties. In all of the studies, it was demonstrated that loading into mesoporous silicon and silica materials improved the dissolution of the poorly soluble drugs as compared to the corresponding bulk compounds (e.g. after 30 min ~2-7 times more drug was dissolved depending on the materials). The release profile of the loaded substances remained similar also after 3 months of storage at 30°C/56% RH. The thermally carbonized mesoporous silicon did not compromise the Caco-2 monolayer integrity in the permeation studies and improved drug permeability was observed. The loaded mesoporous silica materials were also successfully compressed into tablets without compromising their characteristic structural and drug releasing properties. The results of this research indicated that mesoporous silicon/silica-based materials are promising materials to improve the dissolution of poorly water soluble drugs. Their feasibility in pharmaceutical laboratory scale processes was also confirmed in this thesis.

Funktionelle und morphologische Untersuchungen der Silikataufnahme und Nadelbildung im marinen Schwamm Suberites domuncula

Die für Metazoen einzigartige Fähigkeit, hochdifferenzierte Silikatstrukturen herzustellen und als Gerüstsubstanz zu verwenden, steht bei den Porifera in einem scheinbaren Gegensatz zu der niedrigen Konzentration an Silizium in dem die Schwämme umgebenden Medium. In der zweiten bedeutenden silikatpolymerisierenden Species, den einzelligen Kieselalgen (Diatomeen), konnte bereits ein Silikattransporter identifiziert werden, dessen Sequenzdaten jedoch aufgrund der phylogenetisch geringen Verwandtschaft der Demospongien mit den Diatomeen keine Verwendung finden konnte Im Zuge der Suche nach einem Silikat-Transportsystem im Schwamm Suberites domuncula wurde ein potentielles Kandidatengen mittels molekularbiologischer Techniken aus einer cDNA Bank des Instituts isoliert, vervollständigt und analysiert. Es zeigte sich, dass dieser Transporter durch seine Sequenzdaten der Familie der Bikarbonattransporter angehörte, und somit membranständig war. Seine Transportfunktion zeigte sich mittels spezifischer Inhibitoren hemmbar. Damit der Schwamm in der Lage ist, eine regulierbare und schnelle Anreicherung von Silikat durchführen zu können, lag eine Annahme einer Induzierbarkeit der Transportergene durch das Substrat Silikat nahe. Mittels Northern-Blot Analyse konnte in einem Primmorphensystem des Schwammes eine Hochregulation der Transkription der Transportergene festgestellt werden. Die Lokalisation der Exprimierung des Transporters innerhalb des Schwammgewebes konnte mittels In situ Hybridisierung untersucht werden und zeigte eine direkte Nähe zu den Polysilikatstrukturen des Schwammes. Um Hinweise auf eine Bifunktionalität des Transporters aufgrund der Ähnlichkeit von Carbonat und Silikat zu erhärten, wurden fluoreszenzmikroskopische Studien an isolierten Zellkulturen des Schwammes durchgeführt. Es kam zu einer intensive Reaktion der Zellen auf Silikat als Substrat. Dieser Effekt konnte nicht nur durch einen spezifischen Transportinhibitor (DIDS) gehemmt werden, sondern zeigt auch eine deutliche Temperaturabhängigkeit. Um den potentiellen Silikattransporter in Zusammenhang mit dem Gesamtmechanismus der Silikatnadelherstellung in Schwämmen zu bringen, wurden zusätzliche elektronenmikroskopische Studien angestellt. Hier konnte zunächst gezeigt werden, wie sich das die Polykondensation auslösende und dirigierende Proteinfilament des Schwammes bei der Nadelbildung entwickelt. Mittels einer darauf folgenden Immunogold-Markierung des Hauptaxialfilamentproteins des Schwammes in elektronenmikroskopischen Gewebepräparaten, konnte dessen Vorkommen nicht nur im Zentrum der Silikatnadel, sondern auch in den die Nadel umgebenden Strukturen nachgewiesen werden

Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).

Functional hydrogels: ferrogel thin films

Die Kombination magnetischer Nanopartikel (NP) mit temperatursensitiven Polymeren führt zur Bildung neuer Komposit-Materialien mit interessanten Eigenschaften, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Mögliche Anwendungsgebiete liegen in der magnetischen Trennung, der selektiven Freisetzung von Medikamenten, dem Aufbau von Sensoren und Aktuatoren. Als Polymerkomponente können z.B. Hydrogele dienen. Die Geschwindigkeit der Quellgradänderung mittels externer Stimuli kann durch eine Reduzierung des Hydrogelvolumens erhöht werden, da das Quellen ein diffusionskontrollierter Prozess ist. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurde ein durch ultraviolettes Licht vernetzbares Hydrogel aus N-isopropylacrylamid, Methacrylsäure und dem Vernetzer 4-Benzoylphenylmethacrylat hergestellt (PNIPAAm-Hydrogel) und mit magnetischen Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) kombiniert. Dabei wurde die Temperatur- und die pH-Abhängigkeit des Quellgrades im Hinblick auf die Verwendung als nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) untersucht. Desweiteren erfolgte eine Charakterisierung durch Oberflächenplasmonen- und optischer Wellenleitermoden-Resonanz Spektroskopie (SPR/OWS). Die daraus erhaltenen Werte für den pKa-Wert und die lower critical solution Temperatur (LCST) stimmten mit den bekannten Literaturwerten überein. Es konnte gezeigt werden, dass eine stärkere Vernetzung zu einer geringeren LCST führt. Die Ergebnisse mittels NCS wiesen zudem auf einen skin-effect während des Heizens von höher vernetzten Polymeren hin.rnDie Magnetit Nanopartikel wurden ausgehend von Eisen(II)acetylacetonat über eine Hochtemperaturreaktion synthetisiert. Durch Variation der Reaktionstemperatur konnte die Größe der hergestellten Nanopartikel zwischen 3.5 und 20 nm mit einer Größenverteilung von 0.5-2.5 nm eingestellt werden. Durch geeignete Oberflächenfunktionalisierung konnten diese in Wasser stabilisiert werden. Dazu wurde nach zwei Strategien verfahren: Zum einen wurden die Nanopartikel mittels einer Silika-Schale funktionalisiert und zum anderen Zitronensäure als Tensid eingesetzt. Wasserstabilität ist vor allem für biologische Anwendungen wünschenswert. Die magnetischen Partikel wurden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), und superconductive quantum interference device (SQUID) charakterisiert. Dabei wurde eine Größenabhängigkeit der magnetischen Eigenschaften sowie superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Außerdem wurde die Wärmeerzeugung der magnetischen Nanopartikel in einem AC Magnetfeld untersucht. rnDie Kombination beider Komponenten in Form eines Ferrogels wurde durch Mischen Benzophenon funktionalisierter magnetischer Nanopartikel mit Polymer erreicht. Durch Aufschleudern (Spin-Coaten) wurden dünne Filme erzeugt und diese im Hinblick auf ihr Verhalten in einem Magnetfeld untersucht. Dabei wurde eine geringes Plastikverhalten beobachtet. Die experimentellen Ergebnisse wurden anschließend mit theoretisch berechneten Erwartungswerten verglichen und mit den unterschiedlichen Werten für dreidimensionale Ferrogele in Zusammenhang gestellt. rn

Oxygen-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (OPAHs) and their parent-PAHs in soil

In spite of the higher toxicity of oxygen-containing polycyclic aromatic hydrocarbons (OPAHs) than of their parent-PAHs, there are only a few studies of the concentrations, composition pattern, sources and fate of OPAHs in soil, the presumably major environmental sink of OPAHs. This is related to the fact that there are only few available methods to measure OPAHs together with PAHs in soil. rnThe objectives of my thesis were to (i) develop a GC/MS-based method to measure OPAHs and their parent-PAHs in soils of different properties and pollution levels, (ii) apply the method to soils from Uzbekistan and Slovakia and (iii) investigate into the fate of OPAHs, particularly their vertical transport in soilrnI optimized and fully evaluated an analytical method based on pressurized liquid extraction, silica gel column chromatographic fractionation of extracted compounds into alkyl-/parent-PAH and OPAH fractions, silylation of hydroxyl-/carboxyl-OPAHs with N,O-bis(trimethylsilyl)trifluoracetamide and GC/MS quantification of the target compounds. The method was targeted at 34 alkyl-/parent-PAHs, 7 carbonyl-OPAHs and 19 hydroxyl-/carboxyl-OPAHs. I applied the method to 11 soils from each of the Angren industrial region (which hosts a coal mine, power plant, rubber factory and gold refinery) in Uzbekistan and in the city of Bratislava, the densely populated capital of Slovakia.rnRecoveries of five carbonyl-OPAHs in spike experiments ranged between 78-97% (relative standard deviation, RSD, 5-12%), while 1,2-acenaphthenequinone and 1,4-naphtho-quinone had recoveries between 34-44%% (RSD, 19-28%). Five spiked hydroxyl-/carboxyl-OPAHs showed recoveries between 36-70% (RSD, 13-46%), while others showed recoveries &amp;amp;lt;10% or were completely lost. With the optimized method, I determined, on average, 103% of the alkyl-/parent-PAH concentrations in a certified reference material.rnThe ∑OPAHs concentrations in surface soil ranged 62-2692 ng g-1 and those of ∑alkyl-/parent-PAHs was 842-244870 ng g-1. The carbonyl-OPAHs had higher concentrations than the hydroxyl-/carboxyl-OPAHs. The most abundant carbonyl-OPAHs were consistently 9-fluorenone (9-FLO), 9,10-anthraquinone (9,10-ANQ), 1-indanone (1-INDA) and benzo[a]anthracene-7,12-dione (7,12-B(A)A) and the most abundant hydroxyl-/carboxyl-OPAH was 2-hydroxybenzaldehyde. The concentrations of carbonyl-OPAHs were frequently higher than those of their parent-PAHs (e.g., 9-FLO/fluorene &amp;amp;gt;100 near a rubber factory in Angren). The concentrations of OPAHs like those of their alkyl-/parent-PAHs were higher at locations closer to point sources and the OPAH and PAH concentrations were correlated suggesting that both compound classes originated from the same sources. Only for 1-INDA and 2-biphenylcarboxaldehyde sources other than combustion seemed to dominate. Like those of the alkyl-/parent-PAHs, OPAH concentrations were higher in topsoils than subsoils. Evidence of higher mobility of OPAHs than their parent-PAHs was provided by greater subsoil:topsoil concentration ratios of carbonyl-OPAHs (0.41-0.82) than their parent-PAHs (0.41-0.63) in Uzbekistan. This was further backed by the consistently higher contribution of more soluble 9-FLO and 1-INDA to the ∑carbonyl-OPAHs in subsoil than topsoil at the expense of 9,10-ANQ, 7,12-B(A)A and higher OPAH/parent-PAH concentration ratios in subsoil than topsoil in Bratislava.rnWith this thesis, I contribute a suitable method to determine a large number of OPAHs and PAHs in soil. My results demonstrate that carbonyl-OPAHs are more abundant than hydroxyl-/carboxyl-OPAHs and OPAH concentrations are frequently higher than parent-PAH concentrations. Furthermore, there are indications that OPAHs are more mobile in soil than PAHs. This calls for appropriate legal regulation of OPAH concentrations in soil.

Quantum dot-dye hybrid systems for energy transfer applications

In this thesis, we focus on the preparation of energy transfer-based quantum dot (QD)-dye hybrid systems. Two kinds of QD-dye hybrid systems have been successfully synthesized: QD-silica-dye and QD-dye hybrid systems.rn rnIn the QD-silica-dye hybrid system, multishell CdSe/CdS/ZnS QDs were adsorbed onto monodisperse Stöber silica particles with an outer silica shell of thickness 2 - 24 nm containing organic dye molecules (Texas Red). The thickness of this dye layer has a strong effect on the total sensitized acceptor emission, which is explained by the increase in the number of dye molecules homogeneously distributed within the silica shell, in combination with an enhanced surface adsorption of QDs with increasing dye amount. Our conclusions were underlined by comparison of the experimental results with Monte-Carlo simulations, and by control experiments confirming attractive interactions between QDs and Texas Red freely dissolved in solution. rnrnNew QD-dye hybrid system consisting of multishell QDs and organic perylene dyes have been synthesized. We developed a versatile approach to assemble extraordinarily stable QD-dye hybrids, which uses dicarboxylate anchors to bind rylene dyes to QD. This system yields a good basis to study the energy transfer between QD and dye because of its simple and compact design: there is no third kind of molecule linking QD and dye; no spacer; and the affinity of the functional group to the QD surface is strong. The FRET signal was measured for these complexes as a function of both dye to QD ratio and center-to-center distance between QD and dye by controlling number of covered ZnS layers. Data showed that fluorescence resonance energy transfer (FRET) was the dominant mechanism of the energy transfer in our QD-dye hybrid system. FRET efficiency can be controlled by not only adjusting the number of dyes on the QD surface or the QD to dye distance, but also properly choosing different dye and QD components. Due to the strong stability, our QD-dye complexes can also be easily transferred into water. Our approach can apply to not only dye molecules but also other organic molecules. As an example, the QDs have been complexed with calixarene molecules and the QD-calixarene complexes also have potential for QD-based energy transfer study. rn

Core-shell particles and their application for superhydrophobic surfaces

During the last years great effort has been devoted to the fabrication of superhydrophobic surfaces because of their self-cleaning properties. A water drop on a superhydrophobic surface rolls off even at inclinations of only a few degrees while taking up contaminants encountered on its way. rnSuperhydrophobic, self-cleaning coatings are desirable for convenient and cost-effective maintenance of a variety of surfaces. Ideally, such coatings should be easy to make and apply, mechanically resistant, and long-term stable. None of the existing methods have yet mastered the challenge of meeting all of these criteria.rnSuperhydrophobicity is associated with surface roughness. The lotus leave, with its dual scale roughness, is one of the most efficient examples of superhydrophobic surface. This thesis work proposes a novel technique to prepare superhydrophobic surfaces that introduces the two length scale roughness by growing silica particles (~100 nm in diameter) onto micrometer-sized polystyrene particles using the well-established Stöber synthesis. Mechanical resistance is conferred to the resulting “raspberries” by the synthesis of a thin silica shell on their surface. Besides of being easy to make and handle, these particles offer the possibility for improving suitability or technical applications: since they disperse in water, multi-layers can be prepared on substrates by simple drop casting even on surfaces with grooves and slots. The solution of the main problem – stabilizing the multilayer – also lies in the design of the particles: the shells – although mechanically stable – are porous enough to allow for leakage of polystyrene from the core. Under tetrahydrofuran vapor polystyrene bridges form between the particles that render the multilayer-film stable. rnMulti-layers are good candidate to design surfaces whose roughness is preserved after scratch. If the top-most layer is removed, the roughness can still be ensured by the underlying layer.rnAfter hydrophobization by chemical vapor deposition (CVD) of a semi-fluorinated silane, the surfaces are superhydrophobic with a tilting angle of a few degrees. rnrnrn

Festkörper-NMR an polymeren Kompositmaterialien

In dieser Arbeit wurden polymere Kompositmaterialien mit Hilfe von Festkörper-NMR-Techniken untersucht, um den Einfluß von Polymer-Festkörper-Kontakten auf molekulare Materialeigenschaften zu betrachten. Dabei wurden sowohl Analysen am Polymer als auch am Füllmaterial durchgeführt.rnrnIm ersten Teil der Arbeit wurde die Dynamik von Poly(ethylmethacrylat) (PEMA) in sphärischen Bürstenpartikeln gemessen. Diese Bürsten bestanden aus einem Poly(silsesquioxan)-Kern und verpfropften PEMA-Ketten, die über ATRP (atom transfer radical polymerization) an verschiedenen Kettensequenzen mit 13C an der Carboxylgruppe markiert wurden. Statische 13C-NMR-Messungen konnten zeigen, dass die Dynamik dieser Sequenzen unabhängig vom Abstand zur Oberfläche verlangsamt ist, was auf eine eingeschränkte Reptation zurückgeführt wurde.rnrnDer zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den molekularen Unterschieden von Silika-Naturkautschuk-Kompositen, die über mechanisches Mischen bzw. über eine Sol-Gel-Reaktion hergestellt wurden. Durch kinetische 1H-NMR-Messungen wurde der Umsatz der Sol-Gel-Reaktion bestimmt. Mittels heteronuklearen 29Si{1H}-NMR-Korrelationsexperimenten wurde ein direkter räumlicher Kontakt zwischen dem Inneren der Partikel und dem Polymer nachgewiesen. Dies belegt experimentell, dass im Kompositmaterial die Polymerketten in den durch Sol-Gel-Reaktion hergestellten Silikapartikeln eingeschlossen sind.

Functionalization and characterization of magnetic nanoparticles for biomedical applications

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Oberflächenfunktionalisierung von MnO Nanopartikeln (NP). Durch die Verwendung und Verbesserung verschiedener Polymere durch die Einbindung von Poly (Ethylen Glycol) (PEG), gelang es, die Löslichkeit dieser Nanopartikel in wässrigen Lösungen sowie in Körperflüssigkeiten zu erhöhen. Zusätzlich konnten diese Nanopartikel deutlich besser steril filtriert werden und zeigten eine erhöhte Aktivität alsrnKontrastmittel im MRT. Vorläufige Ergebnisse für die Verwendung von Silika als Schutzhülle für MnO NP werden ebenfalls kurz erläutert. Die verwendeten Polymere besaßen dabei zugängliche Aminogruppen, die eine weitere Funktionalisierung durch Bio-aktiver Gruppen ermöglichte. Der Nachweis einer erfolgreichen Bindung durch verschiedene Methoden wie SDS-PAGE, Western- und Northern Blot sowie die Verwendung unterschiedlicher FluoreszenzMessungen wird ebenfalls diskutiert. MnO NP und anderer magnetischer NP werden weiterhin auf ihr toxisches Verhalten gegenüber Caki1 und HeLa Zellen getestet. Dabei zeigte sich, dass MnO NP, im Gegensatz zu einigen Kupferoxiden, quasi nicht toxisch waren und das Proliferationsverhalten dieser Zellen quasi nicht beeinflussten. Weiterhin wurde ein Fluoreszenzfarbstoff, konkret Protoporphyrin IX, an die Oberfläche von MnO NP angebracht.Diese konnten dann erfolgreich als Kontrastmittel in der MRT verwendet werden und zeigten vielversprechende Ergebnisse für die Photodynamische Therapie. Desweiteren wird die Synthese des Antikörpers gegen p53 ausführlich erläutert. Dabei wurde genau darauf geachtet,dass dieser Antikörper dann an MnO NP gebunden werden kann.

Controlled wetting on silica-based nano- and microstructured surfaces

Der Fokus dieser Doktorarbeit liegt auf der kontrollierten Benetzung von festen Oberflächen, die in vielen Bereichen, wie zum Beispiel in der Mikrofluidik, für Beschichtungen und in biologischen Studien von Zellen oder Bakterien, von großer Bedeutung ist.rnDer erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Frage, wie Nanorauigkeit das Benetzungsverhalten, d.h. die Kontaktwinkel und die Pinningstärke, von hydrophoben und superhydrophoben Beschichtungen beeinflusst. Hierfür wird eine neue Methode entwickelt, um eine nanoraue Silika-Beschichtung über die Gasphase auf eine superhydrophobe Oberfläche, die aus rauen Polystyrol-Silika-Kern-Schale-Partikeln besteht, aufzubringen. Es wird gezeigt, dass die Topographie und Dichte der Nanorauigkeiten bestimmt, ob sich die Superhydrophobizität verringert oder erhöht, d.h. ob sich ein Flüssigkeitstropfen im Nano-Wenzel- oder Nano-Cassie-Zustand befindet. Das verstärkte Pinning im Nano-Wenzel-Zustand beruht auf dem Eindringen von Flüssigkeitsmolekülen in die Nanoporen der Beschichtung. Im Nano-Cassie-Zustand dagegen sitzt der Tropfen auf den Nanorauigkeiten, was das Pinning vermindert. Die experimentellen Ergebnisse werden mit molekulardynamischen Simulationen in Bezug gesetzt, die den Einfluss der Oberflächenbeschichtungsdichte und der Länge von fluorinierten Silanen auf die Hydrophobizität einer Oberfläche untersuchen. rnEs wurden bereits verschiedenste Techniken zur Herstellung von transparenten superhydrophoben, d.h. extrem flüssigkeitsabweisenden, Oberflächen entwickelt. Eine aktuelle Herausforderung liegt darin, Funktionalitäten einzuführen, ohne die superhydrophoben Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern. Dies ist extrem anspruchsvoll, da funktionelle Gruppen in der Regel hydrophil sind. In dieser Arbeit wird eine innovative Methode zur Herstellung von transparenten superhydrophoben Oberflächen aus Janus-Mikrosäulen mit variierenden Dimensionen und Topographien entwickelt. Die Janus-Säulen haben hydrophobe Seitenwände und hydrophile Silika-Oberseiten, die anschließend selektiv und ohne Verlust der superhydrophoben Eigenschaften der Oberfläche funktionalisiert werden können. Diese selektive Oberflächenfunktionalisierung wird mittels konfokaler Mikroskopie und durch das chemische Anbinden von fluoreszenten Molekülen an die Säulenoberseiten sichtbar gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass das Benetzungsverhalten durch Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper in der Nähe der Benetzungslinie bestimmt wird. Diese Beobachtung widerlegt das allgemein akzeptierte Modell von Cassie und Baxter und beinhaltet, dass hydrophile Flächen, die durch mechanischen Abrieb freigelegt werden, nicht zu einem Verlust der Superhydrophobizität führen müssen, wie allgemein angenommen.rnBenetzung kann auch durch eine räumliche Beschränkung von Flüssigkeiten kontrolliert werden, z.B. in mikrofluidischen Systemen. Hier wird eine modifizierte Stöber-Synthese verwendet, um künstliche und natürliche Faser-Template mit einer Silika-Schicht zu ummanteln. Nach der thermischen Zersetzung des organischen Templat-Materials entstehen wohldefinierte Silika-Kanäle und Kanalkreuzungen mit gleichmäßigen Durchmessern im Nano- und Mikrometerbereich. Auf Grund ihrer Transparenz, mechanischen Stabilität und des großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisses sind die Kanäle sehr gut geeignet, um die Füllgeschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit variierenden Oberflächenspannungen und Viskositäten zu untersuchen. Konfokale Mikroskopie ermöglicht es hierbei, die Füllgeschwindigkeiten über eine Länge von mehreren Millimetern, sowie direkt am Kanaleingang zu messen. Das späte Füllstadium kann sehr gut mit der Lucas-Washburn-Gleichung beschrieben werden. Die anfänglichen Füllgeschwindigkeiten sind jedoch niedriger als theoretisch vorhergesagt. Wohingegen die vorhergehenden Abschnitte dieser Arbeit sich mit der quasistatischen Benetzung beschäftigen, spielt hier die Dynamik der Benetzung eine wichtige Rolle. Tatsächlich lassen sich die beobachteten Abweichungen durch einen geschwindigkeitsabhängigen Fortschreitkontaktwinkel erklären und durch dynamische Benetzungstheorien modellieren. Somit löst diese Arbeit das seit langem diskutierte Problem der Abweichungen von der Lucas-Washburn-Gleichung bei kleinen Füllgeschwindigkeiten.