1,721,033 research outputs found
Laser-stimulated generation of nanomaterials on metallic surfaces
Die Arbeit befasst sich mit der laser-stimulierten Neustrukturierung von metallischen Oberflächen. Dabei wird sowohl die direkte (LIPSS) als auch indirekte (Katalysatorgenerierung für das CNT-Wachstum) Erzeugung von Nanomaterialien auf Oberflächen untersucht. Weiterhin werden Untersuchungen zum Lichtabsorptionscharakter unterschiedlicher CNT-Strukturen vorgenommen.The scope of this work is the structuring of metallic surfaces by laser radiation. Thereby the direct generation (LIPSS) as well as the indirect synthesis (catalyst generation for CNT-growth) is addressed. Additionaly the light absorption characteristics of different CNT-structures is part of this work
Nanogenomik und Nanoproteomik zur Ermöglichung personalisierter, voraussagender und präventiver Medizin
Since the discovery of the nucleic acid, molecular biology has made
tremendous progresses, achieving a lot of results.
Despite this, there is still a gap between the classical and traditional medical
approach and the molecular world. Inspired by the incredible wealth of data
generated by the "omics"-driven techniques and the “high-trouhgput
technologies” (HTTs), I have tried to develop a protocol that could reduce
the actually extant barrier between the phenomenological medicine and the
molecular medicine, facilitating a translational shift from the lab to the
patient bedside. I also felt the urgent need to integrate the most important
omics sciences, that is to say genomics and proteomics.
Nucleic Acid Programmable Protein Arrays (NAPPA) can do this, by
utilizing a complex mammalian cell free expression system to produce
proteins in situ. In alternative to fluorescent-labeled approaches a new label
free method, emerging from the combined utilization of three independent
and complementary nanobiotechnological approaches, appears capable to
analyze gene and protein function, gene-protein, gene-drug, protein-protein
and protein-drug interactions in studies promising for personalized
medicine. Quartz Micro Circuit nanogravimetry (QCM), based on frequency
and dissipation factor, mass spectrometry (MS) and anodic porous alumina
(APA) overcomes indeed the limits of correlated fluorescence detection
plagued by the background still present after extensive washes. Work is in
progress to further optimize this approach a homogeneous and well defined
bacterial cell free expression system able to realize the ambitious objective
to quantify the regulatory gene and protein networks in humans.
Implications for personalized medicine of the above label free protein array
using different test genes and proteins are reported in this PhD thesis.Seit der Entdeckung der Nukleinsäuren hat die Molekularbiologie enorme
Fortschritte gemacht und vieles erreicht. Trotz all dem besteht immer noch
eine Lücke zwischen dem klassich-traditionellen medizinischen Ansatz und
der molekularen Welt.
Inspiriert durch die riesigen Datenmengen, die durch die "omics"-geführten
Techniken und die "high-throughput" Techniken (HTTs) entstanden sind,
habe ich versucht ein Protokoll zu entwickeln, welches die Hürde zwischen
der phänomenlogischen Medizin und der Molekularmedizin überbrücken
soll und somit das Labor dem Patientenbett etwas näher bringen wird.
Außerdem finde ich, dass es dringend nötig ist die wichtigsten "omics"
Wissenschaften - Genomics und Proteomics - miteinander zu integrieren.
Nucleic Acid Programmable Protein Arrays (NAPPA) können dies
erreichen, durch die Verwendung eines "complex mammalian cell free
expression" Systems um die Proteine in situ zu erzeugen. Als Alternative zu Ansätzen, die mit floureszenmarkierungen arbeiten, kann eine neue kennzeichnungsfreie Methode, die durch den kombinierten Einsatz von drei unabhängigen und komplementären nanobiotechnologischen Ansätzen entsteht, verwendet werden.
Diese Methode mag fähig sein das Zusammenspiel von Gen- und
Proteinfunktionen, Gen-Protein, Gen-Medikament, Protein-Protein und
Protein-Medikament zu analysieren. Dies wäre sehr vorteilhaft für die
personalisierte Medizin. Quartz Micro Circuit Nanogravimetry (QCM), basierend auf Frequenz- und Dissipationsfaktoren, Massenspektrometrie
(MS) und anodisches poröses Aluminiumoxid (anodic porous alumina, APA) überwinden fürwahr die Grenzen der "correlated fluorescence detection", welche darunter leidet, dass es trotz gründlichen Waschens im Hintergrund weiterhin detektiert werden kann. Ausserdem wird momentan daran gearbeitet ein "homogeneous and well defined bacterial cell free expression system" weiter zu optimieren, welches die ambitionierten Ziele der Quantifizierung der bestimmenden Gen- und Protein-Netzwerke im menschlichen Körper verwirklichen kann.
Implikationen für die personalisierte Medizin der oben erwähnten
kennzeichnungsfreien Protein Arrays mit dem Einsatz verschiedener Test-
Gene und Proteine werden in dieser Arbeit besprochen
New quinolinone-based monomers for the development of high-refractive index polymers for ophthalmic application
Es wurden in dieser Arbeit acht neue hochbrechende Monomere dargestellt. Von diesen besitzen sieben Monomere Seitengruppen, in denen Quinolinonderivate (Q1-Q7) zur Brechungsindexerhöhung verwendet werden. Bei diesen Monomeren wurde das Substitutionsmuster am Quinolinon, der Spacer, der das Quinolinon mit der polymerisierbaren Gruppe verbindet und die polymerisierbare Gruppe variiert. Weiterhin wurde ebenfalls ein Monomer dargestellt, das ein Chromen-2-onderivat in der Seitengruppe enthält (S1).
Bisher sind keinerlei Monomere dieses Aufbaus mit Chromen-2-onen und Quinolinonen für ophthalmologische Zwecke bekannt.
Aus diesen Monomeren wurden Homopolymere hergestellt, die Brechungsindices bis n(D) = 1,685 aufweisen. Da die Glasübergangstemperaturen der Homopolymere für die Anwendung in Intraokularlinsen zu hoch und die ABBE-Zahlen zu niedrig sind, wurden Copolymere hergestellt.
Anhand der Eigenschaften binärer Copolymere wurden lineare Zusammenhänge zwischen Monomerverhältnis und Brechungsindex, sowie für die Glasübergangstemperatur gezeigt. Für die ABBE-Zahl konnte eine näherungsweise lineare Abhängigkeit gezeigt werden.
Anhand dieser mathematischen Beziehungen wurden die Eigenschaften ternärer Copolymere berechnet. Aus diesen Berechnungen gingen Copolymer-Zusammensetzungen hervor, die für die Darstellung von Intraokularlinsen geeignet sind. Aus diesen möglichen Mischungen wurden zwei Mischungen zur Herstellung ternärer Copolymere ausgewählt, hergestellt und charakterisiert. Die vorhergesagten Eigenschaften trafen für den Brechungsindex sehr gut zu, für die Glasübergangstemperatur in zufriedenstellendem Maße und für die ABBE-Zahl mäßig gut. Daher wurde die theoretische Berechnung der ABBE-Zahl weiter optimiert, so dass diese ebenfalls zuverlässig vorhergesagt werden kann.
Beide Materialien wurden weiterhin hinsichtlich ihres Absorptionsverhaltens, ihrer Licht-echtheit und hinsichtlich ihres Glistening-Verhaltens untersucht.
Das Material M1 besitzt eine „gute“ Lichtechtheit (Blauwollskala > 4), zeigt kein Glistening und ist im sichtbaren Bereich des Lichts transparent. Der Brechungsindex beträgt n(D) = 1,592, die Glasübergangstemperatur T(g) = 24 °C und die ABBE-Zahl ν(ABBE) = 28, wodurch die Anforderungen an ein IOL-Material nicht gänzlich erfüllt wurden. M2 erfüllt zwar alle Anforderung hinsichtlich n(D), T(g), und ν(ABBE), zeigt jedoch starkes Glistening und dessen Lichtechtheit ist als problematisch anzusehen und ist somit nicht als IOL-Material geeignet.
Es wurden jedoch Möglichkeiten aufgezeigt, bezüglich der Optimierung der Copolymeren-Zusammensetzung, die die Defizite bei M1 beheben können. Die Nutzbarkeit von Q2, dem HRI-Monomer aus M2, als Monomer für die Herstellung von Intraokularlinsen ist zwar in einem anderen Copolymer denkbar, kann aber nicht als sicher prognostiziert werden.
Zusammenfassend sind das Monomer Q1 und damit auch die Stoffklasse der Quinolinone grundsätzlich geeignete Strukturen, um daraus Polymere für hochbrechende, ophthalmologische Materialien zu entwickeln und herzustellen.In this work eight novel high refractive index monomers were synthesized. Seven of them contain Quinolinone-derivates Q1 - Q7, in order to increase refractive indices in their side-chain. These monomers vary in substitution of the quinolinone, spacer and polymerizable group. Furthermore, a monomer containing a chromen-2-one (S1) in its side-chain was synthesized
So far, no monomers of this structure containing quinolinone or chromen-2-one are known for ophthalmic application.
Homopolymers were confected of the new monomers, having refractive indices up to n(D) = 1.685. Glass transition-temperatures of the homopolymers were beyond the figure of merit for intraocular lens application, ABBE-numbers also understate requirements. Therefore, copolymers of the new monomers were synthesized.
By examination of the properties of binary copolymers linear, correlations between percentage of monomers and refractive index respectively glass-transition temperature were found. For ABBE-number an approximately linear correlation between ABBE-number and percentage of the monomers was found.
These relations were used in order to calculate properties of ternary copolymers. Mixtures were determined which provide suitable materials for manufacturing of intraocular lenses. Two of these mixtures were chosen, and the polymers synthesized and characterized. Predicted values for refractive index were very precise, for glass-transition temperature satisfactory and for ABBE-number sufficient. Especially prediction of ABBE-number was not optimal. Therefore a more sophisticated method for its prediction was developed. The use of this method enables reliable prediction of ABBE-number.
Moreover, both materials were examined concerning absorption, light stability and glistening. Material M1, containing Q1, possesses a good light stability, does not show glistening and is transparent at visible wavelengths. Its refractive index is n(D) = 1.592, glass-transition-temperature T(g) = 24 °C and ABBE-number ν(ABBE) = 28. This is why the specifications of an IOL-material were not achieved. M2, containing Q2, fulfills all requirements concerning n(D), T(g), und ν(ABBE), but its light stability and glistening-behavior exclude the use of M2 as a material for IOLs.
Proposals were made in order to rectify the deficits of M1. Also for monomer Q2 suggestions were made in order to enable its use as a monomer for IOL manufacture.
In conclusion Q1 can be seen as a new monomer for ophthalmic application. Hereby a new application for the Quinolinone-structure was found
Laser stimulated self-organization in simple and complex thin-film systems
Das Leitmotiv der vorliegenden Dissertation besteht in der Untersuchung laserstimulierter Selbstorganisation verschiedener Dünnschichtsysteme. Im Vergleich zu anderen Fertigungsprozessen wird die Strukturierung bei der Selbstorganisation nicht durch die direkte Kontrolle des verwendeten Werkzeuges bestimmt. Wie in der Einleitung genauer erläutert, wird vielmehr eine dynamische Materie-Umverteilung stimuliert. Bestehende Modelle dieser Selbstorganisationen beziehen sich fast usschließlich auf die initialen Systemparameter und vernachlässigen die zeitliche Veränderung und Reaktivität der Dünnschichten während der Laserstrukturierung. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit Dünnschichten verschiedener physikochemischer Eigenschaften (z. B. aus Metallen oder metall-organischen Präkursoren) strukturiert. Die Komplexität des Systems wurde hierfür, ausgehend vom reinen Substrat, stetig erhöht. Dabei wurde unter anderem der Einfluss des Substrats, der Oxophilie und des Legierungsverhaltens der Dünnfilme auf die Nanostrukturierung untersucht. Bei Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht entstehen LIPSS (engl.: laser-induced periodic surface structures), welche aus periodischen, linearen
Nanostrukturen bestehen. Die Ausrichtung und Periodizität der LIPSS werden maßgeblich durch die Art des Materials und die Bestrahlungs-Parameter bestimmt. Durch Bestrahlung von Oberflächen mit zirkular polarisiertem Licht können zweidimensionale periodische Muster erzeugt werden. Die selbstorganisierten Strukturen werden folglich in 1D-LIPSS (Streifen) und 2D-LIPSS (Wabenmuster und geordnete Nanopartikelfelder) unterteilt. Der Fokus dieser Arbeit liegt dabei auf der Untersuchung der weniger bekannten 2D-LIPSS. Als in der akademischen Forschung gut etabliertes, anwendungsrelevantes und zugleich simples Modellsystem wird Silizium gewählt. Durch die Bestrahlung der Oberfläche bei gleichzeitiger lateraler Bewegung des Laserspots können 1D-LIPSS erzeugt werden. Da durch die Verwendung von zirkular polarisiertem Laserlicht keine inhärente Vorzugsrichtung vorliegt, stellt sich die Bewegungsrichtung des Lasers als einzige richtungsgebende Komponente der LIPSS-Erzeugung heraus. Die Kristallausrichtung kann hierbei als zweiter Einflussfaktor ausgeschlossen werden. Zur Erhöhung der Komplexität wird das System um einen möglichst inerten Metalldünnfilm erweitert. Dazu werden Siliziumwafer mit einer Goldschicht im einstelligen Nanometerbereich bedampft. Die Laserstimulation dieser Dünnfilme führt zur Selbstorganisation des Goldes zu periodisch angeordneten Nanopartikeln. Die Partikel sind teilweise in das Si-Substrat eingesunken, wessen kristallographische Ausrichtung die Partikel-Morphologie bestimmt. So besitzen diese auf einer Si(100)-Oberfläche eine linsenförmige Form, während auf einer Si(111)-Oberfläche die Form abgerundeter, flacher Dreiecke entsteht. Bei analog durchgeführten Experimenten unterschiedlicher reaktiveren Metalldünnschichten aus Silber, Kupfer, Eisen, Zink und Titan entstehen neben den periodisch angeordneten Nanopartikelfeldern (hexagonal oder quadratisch) ebenfalls Metall-Wabenmuster und 1D-LIPSS. Durch graduelles Erhöhen der eingebrachten Gesamtenergie kann allgemein ein Morphologie Verlauf der Metallstrukturen ausgehend von einer Entnetzung, über eine Bildung von 1DLIPSS, Wabenmustern und letztendlich geordneter Nanopartikelfelder beobachtet werden. Der exakte Verlauf und die dabei auftretenden Strukturtypen sind systemabhängig. Als entscheidende Einflussfaktoren zeigen sich das chemische Element, die Schichtdicke und die Bestrahlungsparameter, wie beispielsweise Pulsenergie oder Pulszahl. Dabei wird der Einfluss des Metalls auf den Strukturierungsprozess vor allem durch seine Wechselwirkung mit dem Substrat und durch die Legierungseigenschaften bestimmt. Darauf aufbauend können zwei geschichtete Metall-Dünnfilme in einem einzigen Schritt strukturiert und legiert werden. Um das Spektrum der für die Laserstrukturierung verwendbaren Materialklassen zu erweitern, werden in einer Pionierarbeit mit Hilfe eines Spincoaters Dünnfilme eines metall-organischen MoS2-Präkursors [Mo2S4(S2CNnBu2)2] auf Siliziumwafer mit unterschiedlichen Siliziumdioxid-Schichtdicken aufgetragen. Anders als bei den Metalldünnfilmen verläuft die laserinduzierte Selbstorganisation des Präkursors bei niedrigen Pulszahlen über eine rein thermische Umverteilung, d. h. ohne Materialverlust und unter Erhalt der chemischen Integrität. Durch eine deutliche Erhöhung der Pulsenergie kann der Präkursor während des Strukturierungsprozesses gleichzeitig zu MoS2-Nanokristallen umgewandelt werden. Dieser Umwandlungsprozess verläuft allerdings unter deutlichem Verlust der LIPSS-Qualität. Sowohl die Strukturierung der geschichteten Metallsysteme als auch die des metall-organischen Präkursors verdeutlichen dabei die Anwendbarkeit des Strukturierungsverfahrens auf komplexe Schichtsysteme, bestehend aus verschiedenartigen Materialklassen. Die präsentierten Verfahren eignen sich folglich zur Herstellung verschiedener opto-elektronischer Geräte auf Halbleiterbasis. Als exemplarisches Anwendungsbeispiel laser-strukturierter Oberflächen werden im abschließenden Teil der Arbeit laser-generierte Goldkatalysatoren auf Silizium einem carbothermischen Wachstumsprozess von Zinkoxid- (ZnO) Nanostrukturen unterzogen. Durch die Laserbestrahlung entstehen sowohl passivierte als auch freiliegende Goldpartikel, deren Größe und Dichte einen wesentlichen Einfluss auf das Strukturwachstum haben, welches durch die Lasereinwirkung gezielt kontrolliert werden kann. Die Bestrahlung ermöglicht somit die ortsaufgelöste Steuerung der Morphologie, Dichte, Höhe und Breite der ZnO-Strukturen.This dissertation is guided by the theme of laser-induced self-organization of various thin film systems. Contrarily to similar manufacturing techniques, during self-organization the surface is not just directly modified by the tool itself. As further explained in the introduction section, the surface is rather modified by a stimulated material-reorganization. State-of-the-art pattern formation theories are often solely based on the initial system properties. These idealized models lack the consideration of laser mediated reactions and changes of material properties, as well as substrate interactions. To tackle aforementioned shortcomings, various thin films, e.g. inert and reactive metallic thin films, as well as organo-metallic precursor films, were irradiated. The influence of the thin film’s physicochemical properties on the pattern evolution and the final nanostructure expression were evaluated. Starting with the bare substrate, the system was first extended by an inert metal and subsequently by more reactive metallic thin films. Finally, the pattern formation of metal-organic precursor thin films was studied, providing a clear contrast to the metallic thin films in terms of material properties. When generated by linearly polarized laser light, these so-called laser-induced periodic surface structures (LIPSS) consist of periodically arranged nanowires or ridges. The periodicity and orientation are functions of the structured materials itself, as well as of the irradiation parameters. Upon laser irradiation with circularly polarized light, two dimensional periodic nano-structures were obtained. As a consequence, LIPSS generated in this work are classified into 1D-LIPSS (nanowires) and 2D-LIPSS (honeycomb-like arrangements and nanoparticle-arrays). This work was done with great emphasis on the less common 2D-LIPSS. Silicon (Si) is one of the most researched, yet application-oriented and simple materials, being the ideal candidate for a model-system. Arial illumination of a silicon surface leads to the formation of 1D-LIPSS. As the directional bias of linearly polarized light was omitted upon using circularly polarized light, the LIPSS’s orientation was solely defined by the laser scan direction. The self-organization is not disturbed by the silicon’s crystallographic orientation and leads to well-defined surface topography modulations, absent from additional surface oxidation. In order to increase the system’s complexity, silicon wafers were coated with an inert metal thin film. The laser-irradiation of gold thin films leads to the formation of self-organized gold nanoparticles arrays with hexagonal and square periodic arrangements. The nanoparticles are partly sunken in the Si surface, whose crystallographic orientation determines the nanoparticles shape. On Si(100) surfaces the nanoparticles possess a lens shape, while on Si(111) the nanoparticles are formed like bulged triangles. Analogous experiments conducted by replacing gold with other metal thin films as silver, copper, iron, zinc and titanium also resulted
in the formation of nanoparticle arrays. Additionally, honeycomb-like metal nanostructures, as well as 1D-LIPSS emerged. Generally, the nanostructures were found in the order of dewetting, 1D-LIPSS, honeycomb-like 2D-LIPSS and eventually nanoparticle arrays, upon gradually increasing the energy dose during irradiation. Depending on the thin film’s elemental composition and thickness, as well as the irradiation conditions, e.g. pulse fluence and pulse numbers, the pattern evolution does not necessarily follow through all aforementioned types of LIPSS. The metal’s influence on the self-organization could be attributed to the metal’s free energy of oxide formation, interaction with the substrate and alloying properties. Additionally, simultaneous patterning and alloying of two stacked thin films of different elements could be achieved. Further expanding the set of available material classes for LIPSS-generation, a metal-organic thin film of a MoS2 precursor [Mo2S4(S2CNnBu2)2] was spin coated on silicon. Upon irradiating the system with linearly polarized laser pulses, 1D-LIPSS were obtained. Stimulating the system with circularly polarized laser light resulted in a rearrangement of the thin film in honeycomb-like formations (2D-LIPSS). Unlike the structuration of metallic thin films, the laser induced self-organization of the metal-organic thin films was found to occur solely by matter reorganization, maintaining both the materials chemical integrity and quantity. Significantly increasing the pulse fluence initiates the conversion of the precursor material to dendritic MoS2 nanoparticles. On the downside, the chemical conversion process leads to a significant loss in LIPSS quality. The successful structuration of stacked metal thin films, as well as the metalorganic thin films on silicon-dioxide, confirms the laser-stimulated pattern formation to be applicable to complex layer systems. The presented methods thus allow for the fabrication of diverse semiconductor-based opto-electric nano-devices. In a last part of this work, the application of aforementioned nanostructures was exemplarily examined. The usage of laser-generated gold catalysts on silicon as catalysts for the carbothermal growth of zinc oxide (ZnO) nanostructures was investigated. The laser-generated catalysts are distinguished in two different nanoparticle types. The first type consists of nanoparticles passivated by a thin SiO2-layer. The second type consists of exposed gold surfaces, acting as main catalysts responsible for the ZnO-growth. Upon adjusting the irradiation parameters, the size and areal density of the exposed gold nanoparticles are directly controlled. As a consequence, this method allows the gradual and spatial-selective control of the subsequently grown ZnO-nanostructure’s morphology, density, height, and width
Laser triggered release of polymer bounded active pharmaceutical ingredients for the treatment of secondary cataract
Krankheiten stellen seit Menschengedenken Probleme für die Menschheit dar, die zu heilen, die Ursachen zu verstehen und sie zu vermeiden von jeher das Anliegen der Medizin und der angrenzenden Wissenschaften war und ist.
Das seit Jahrhunderten angesammelte vielfältige Wissen darüber, kombiniert mit den existierenden neusten physikalischen und chemischen Technologien, eröffnet ein umfassendes Verständnis für deren Ursachen und damit für deren Behandlungsmöglichkeiten, wie man es sich noch vor Jahren nicht vorstellen konnte. Einer der epochalen Erfolge in der Behandlung von Krankheiten war in den letzten Jahrzehnten die Entwicklung und der Einsatz synthetisch hergestellter chemisch-pharmazeutischer Arzneimittel, wie zum Beispiel Omeprazol (Säureblocker) oder Risperidon (Antipsyphotikum). All diese Arzneimittel haben gemein, dass sie üblicherweise oral oder mittels Spritze (i.m. oder i.v.) verabreicht werden, mit dem Nachteil, dass ein hoher Prozentsatz des aktiven Wirkstoffes mehr oder weniger durch Metabolisierung deaktiviert und anschließend ausgeschieden wird. Er steht damit für die Therapie der Krankheit nicht mehr zur Verfügung. Speziell bei der Behandlung mit onkologischen Medikamenten ist es wünschenswert, Möglichkeiten der gezielten Verabreichung zu besitzen.
Daher ist es Ziel der heute forschenden Pharmainstitute und der Pharmaindustrie, den entwickelten aktiven Wirkstoff in Form des Arzneimittels so zu synthetisieren oder galenisch zu gestalten, dass die Metabolisierung weitestgehend unterbleibt, damit der Wirkstoff am „Ort des Geschehens“ in hoher Konzentration zur Verfügung steht und seine gewünschteWirkung entfalten kann.
Neuste Forschungsergebnisse im Bereich der Onkologie befassen sich mit dem gezielten Verabreichen von Medikamenten in die Zielzellen, um das umgebende Zellgewebe nicht der Wirkung des Medikament auszusetzen. Diese neuartigen Verabreichungsmethoden werden durch den Begriff „drug targeting“ beschrieben. Zwei Beispiele neuerer Methoden des drug targeting zur Behandlung von Tumoren sind zum Einen das Einbinden von Zytostatika in Liposomen und zum Anderen das Anbinden von Zytostatika an magnetische Nanopartikel.
Neben diesen neueren Methoden besteht auch die Möglichkeit den Wirkstoff an ein nicht aktives Polymer zu binden, und diesen dann am Zielort durch physikalische Methoden wieder freizusetzen. Das hat den Vorteil, dass das Wirkstoffmolekül nicht angegriffen wird und als solches in aktiver Form erst am „Zielort“ freigesetzt wird.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Versuch, pharmazeutische Wirkstoffe an ein Polymer / Copolymer zu binden und durch Laser-Triggering bzw. den Einfluss von Photonen wieder abzuspalten, ohne dass das aktive Wirkstoffmolekül geschädigt wird.
Die dafür notwendigen chemischen Synthesen von z.B. mit Cumarinderivaten copolymerisierten Polymeren werden in der Arbeit ebenfalls beschrieben.
Weiterhin werden aus den so genannten Wirkstoff-Copolymeren Model-Intraokularlinsen hergestellt und an Hand derer das postulierte Ziel der Arbeit
„Laser-getriggerte Freisetzung polymergebundener pharmazeutischer Wirkstoffe zur Behandlung des Nachstars“
geprüft. Darauf aufbauend wurde der eingeschlagene Syntheseweg zur Herstellung des photochemisch aktivierbaren Copolymers optimiert und damit die Möglichkeit eröffnet verschiedene Wirkstoffe synthetisch anzuknüpfen. Aus den daraus resultierenden Copolymeren werden die Wirkstoffe photochemisch induziert freigesetzt und ihre Aktivität an in vitro Zellversuchen vergleichend getestet.Diseases represent problems for mankind within living memory, to heal, the causes to understand and it avoid always the request of the medicine and the adjacent sciences was and is.
The various knowledge about, it accumulated for centuries, combined with the existing newest physical and chemical technologies, opens a comprehensive understanding for their causes and thus for their possibilities of treatment, as one could not introduce oneself it still years ago. One of main successes in the treatment of diseases was in the last decades the development and the employment of synthetically manufactured chemical-pharmaceutical medicaments, like for example Omeprazol or Risperidon. All these medicaments have in common, that they are given usually orally or by means of syringe, with the disadvantage, that a high percentage of the active active substance by metabolisation is more or less deactivated and separated afterwards. It is not available thereby for the therapy of the illness any longer. Particularly with the treatment with oncological medicines it is desirable, to possess possibilities of the purposeful administration.
Therefore it is a goal of the pharmaceutical institutes researching today and the pharmaceutical industry, to synthesize or developed a active substance in form of the medicament in such a way, that the metabilisation is omitted as far as possible, so that the active substance at the place of the happening in high concentration is available and can unfold its desired effect. Newest research results within the range of the oncology are concerned with the purposeful giving of medicines into the goal cells, in order to expose the surrounding cell fabric to the effect medicine. These new administration methods are described by the term drug targeting. Two examples of newer methods drug targeting for the treatment of tumors are on the one hand merging cytostatic drugs in liposomes and on the other hand tying up cytostatic drugs to magnetic nano-particles. Apart from these newer methods also the possibility exists to bind the active substance to a not active polymer, to set free and these then at the destination by physical methods again. That has the advantage, that the active substance molecule is not attacked and as such in active form at the destination is only set free. A goal of the available work is the attempt, to bind pharmaceutical active substances to a polymer/copolymer and by laser Triggering or off the influence of photons again, without the active substance molecule is damaged. The chemical synthesis of photochemical active polymers is described in the work. Further of the active substance copolymers in such a way specified model intra ocular lenses are made and examined on the basis those to the postulated goal.
of the work laser-triggered release of polymere-bound pharmaceutical active substances for the treatment of the next acre. Whereupon constructing the hit synthesis way to the production of the photochemically activatable copolymer was optimized and thus the possibility opens different active substances synthetically to tie. From the copolymers resulting from it the active substances are photochemically induced set free and their activity in vitro cell attempts is comparatively tested on
Die Purpurmembran aus Halobacterium salinarum als Baustein der Nanobiotechnik: Die Bedeutung thermischer und mechanischer Eigenschaften für die Anwendung in Matrix, Suspension und auf Oberflächen
Bacteriorhodopsin (BR) is a light-driven proton pump and the key protein in halobacterial photosynthesis. In its native host, the archaeon Halobacterium salinarum, BR trimers arrange into a 2-D crystalline lattice, the so-called purple membranes (PMs) which comprise BR and lipids only. Along with the PM assembly BR is astonishingly stable against thermal and chemical stress which makes it an excellent candidate for a variety of technical applications. Many technical applications involve immobilization of PM in a matrix or at a surface. Sugar glasses are frequently used matrixes for the stabilization of biomolecules against thermal stress as well as dehydration. In the following work temperature-dependent interactions between PM and sugar glasses were analyzed. Above T > 60°C a blue membrane is formed the so-called sugar-induced membrane (SIBM). This thermochromism was explained by a model which is based on the release of divalent cations from PM and the chelating properties of carbohydrates.
Due to their high mass adsorption is an appropriate method for the immobilization of PMs at surfaces. In this work self-assembled monolayers (SAMs) of alkanethiols on gold were used and analyzed for this purpose. To fabricate selective adsorption sites the alkanethiol-SAMs have to be structured. An appropriate procedure for the patterning of alkanethiol-SAMs has been developed which has been named “submerged laser ablation” (SLAB).
Knowledge about the mechanical properties of freely suspended membranes is essential for nanobiotechnological applications of PM. In each PM thousands of BR molecules are arranged in a unidirectional manner and are strongly coupled due to the crystalline assembly. Therefore, collective conformational changes of single BRs should influence the topology of freely suspended PMs. In this work it was demonstrated by direct imaging of freely suspended native PMs via cryogenic high-resolution scanning electron microscopy (cryo-SEM) that the flat disk-like shape of PM changes dramatically as soon as most of the BRs are in the M2 state which is characterized by wedge-shaped BRs due to collective opening of the cytoplasmatic half-channels. Light- as well as pH-induced shape changes are easily observed with mutated BRs which accumulate wedge-shaped BR molecules. These results open the way for further nanobiotechnological applications of PM, i. e. as supramolecular actuator.Die licht-getriebene Protonenpumpe Bakteriorhodopsin (BR) aus dem halophilen Organismus Halobacterium salinarum ist das Schlüsselprotein der halobakteriellen Photosynthese. In seiner nativen Lipidumgebung ist BR in den so genannte Purpurmembranen (PM) zu finden, die zu 75 % aus BR und 25 % aus Lipiden bestehen und zu der seltenen Klasse natürlich vorkommender Membranprotein-2-D-Kristalle gehören. In der PM besitzt BR eine beeindruckende thermische Stabilität und ist vergleichsweise unempfindlich gegenüber einer Vielzahl von chemischen und physikalischen Einflüssen. Die funktionelle Vielfalt dieses halobakteriellen Retinalproteins macht es zu einem viel versprechenden Material für eine Reihe von technischen Anwendungen.
Die meisten technischen Anwendungen von BR und PM erfordern Matrixeinbettung oder Immobilisierung der PM auf einem festen Substrat. Als Matrixmaterial für die Einbettung von Biomolekülen dienen vielfach Zuckermatrizen. Amorphe Zuckergläser sind in der Lage das native wässrige Millieu zu ersetzen und Proteine auch in annähernd wasserfreien Präparationen funktionell aktiv zu halten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden temperaturabhängige Wechselwirkungen zwischen PM und Zuckermatrizen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich unabhängig von der Natur der verwendeten Zucker oberhalb einer Grenztemperatur von T > 60°C eine blaue Membran bildet, die so genannte „Sugar-Induced Blue Membrane“ (SIBM). Für diesen speziellen Thermochromismus wurde ein Modell entwickelt.
Aufgrund ihrer hohen Masse zeigen PMs vernachlässigbare Diffusion, so dass ladungsvermittelte Adsorption an Oberflächen ein attraktives Verfahren zur Immobilisierung vom PM ist. Um ortsselektive Adsorption zu erreichen, muss die betreffende Oberfläche geeignet strukturiert werden. In dieser Arbeit wurden Alkanthiol-modifizierte Goldoberflächen untersucht und ein Verfahren zur Strukturierung der „self-assembled monolayers“ (SAMs) entwickelt, das sich bestens für die Herstellung strukturierter Alkanthiol-SAMs im Mikrometer- bis Zentimeterbereich eignet, die so genannte „Submerged Laser Ablation“ (SLAB).
Für die nanobiotechnische Anwendung von PM ist es wichtig, die mechanischen Eigenschaften frei-suspendierter PMs zu kennen. Weil sich in jeder PM tausende, durch den kristallinen Verbund stark gekoppelter BR-Moleküle in undirektionaler lateraler Anordnung befinden, führen kollektive Konformationsänderungen der aktiven BR-Moleküle zu einer Änderung der Geometrie der Gesamtmembran. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die funktionelle Krümmung der PM während des Photozyklus zum ersten Mal mit strukturanalytischen Methoden direkt nachgewiesen werden. Als Methode kam hierbei die hochauflösende cryo-Rasterelektronenmikroskopie (cryo-SEM) zum Einsatz, mit der die strukturelle Charakterisierung frei-suspendierter PMs möglich ist. Im Rahmen der Arbeit wurde dem nanobiotechnischen Anwendungsspektrum von PM ein weiterer Aspekt hinzugefügt: Die Purpurmembran als licht- und pH-gesteuerter supramolekularer Schalter
Photo-induced Microstructuring and Anisotropy in Bacteriorhodopsin films
Im Rahmen dieser Dissertation wurden zwei Effekte von Bakteriorhodopsin untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurde die photoinduzierte Mikrostrukturierung erforscht und ihre Anwendung zur Darstellung von Beugungsgittern gezeigt. Im zweiten Teil wurde die photoinduzierte Anisotropie untersucht und für die Datenspeicherung mit mehreren Informationen angewendet.Under this thesis, two effects of bacteriorhodopsin were investigated. The photo-induced microstructuring was studied in the first part of the work. The diffraction gratings were showed as an application example for it. The photo-induced anisotropy was researched in the second part. This effect was applied for the data storage with several informations
Multi-Mode-Rasterkraftmikroskopie als nützliches Werkzeug in der Bionanotechnologie
The kernel of this dissertation is multi-mode atomic force microscopy (AFM) which is a useful
and powerful tool for characterizing and analyzing samples of nano- or micro size. Various
modes can satisfy specified requirements according to different samples, i.e., topography, surface
electrostatic potential, magnetic domain visual observation, single molecular force analysis and a
novel real-time monitoring cell viability system based on modification of AFM. No matter
whether samples are in air or in liquid, topological image can be realized. Hence, the flexibility
makes AFM a universal tool for exploring the biological nano-world. The subjects consist of
different working modes towards biological applications.
Firstly, topography is aimed at quantitative analysis of cellular morphology and surface changes,
which are effected by uptake of nanoparticles. In the case of concentration-dependent
experiments, the volume and number of filopodia is calculated by analyzing topological images
of AFM. It is verified that cellular morphology plays an important role for quantitative indicating
of harmful effects of NPs to cells. In addition, the roughness of the cellular surface which derives
from disruption of cell membrane integrity, when the cells internalized magnetic NPs subjected
to a rotating magnetic field, is evaluated for exploring magneto-cell-poration and magneto-cellanalysis.
Secondly, single molecule force microscopy is aimed at quantitative analysis of elasticity of gold
nanoparticles (Au NPs), which are coated with polyethylene glycol (PEG), whereby the diameter
of the gold cores as well as the thickness of the shell of PEG was varied. A conical tip indent into
single NP and then Sneddon’s equation is employed for calculating the elasticity, which serves as one of the basic physicochemical parameters having effect on structural and functional cell
parameters.
Thirdly, magnetic force microscopy is aimed at qualitative visual observation of magnetic
domains of the sample, which is a multifunctional co-loading NP with anti-drug tetradine and
superparamagnetic iron dioxide (Fe3O4) NPs. The magnetic domains of co-loading NPs, which is
reflected in phase section, can present magnetic profile which is attributed to the Fe3O4 NPs.
Thus such multifunctional co-loading NPs are further used for magnetic ablation to tumor cells,
so that a dual enhanced anti-cancer NP can be successfully realized.
Fourthly, electrostatic force microscopy (EFM) is aimed at qualitative visual observation of
electrostatic potential on surface of the sample, which is a mutant purple membrane (PM)
modified by functional NPs. A bias voltage between a conductive tip and the modified PM is
applied in an oscillating mode. The tip is lifted such that it can induce a long term electrostatic
force without effect of molecular repulsive force. Thus electric gradient dependent on surface of
the PM makes phase shift in a given frequency and then the EFM signal is extracted. Therefore,
the electric property of such a novel biomembrane is characterized.
Fifthly, a generally applicable quantitative real-time cell viability monitoring system which uses
cell adhesion property is successfully setup based on the oscillation system of AFM. The
amplitude of an oscillating cantilever at a given frequency is highly dependent on the mass of the
cantilever, in this situation, the mass of attached cells on the cantilever. In our method, the
dynamic toxic process can be observed and recorded, and can be analyzed even at an early stage
of intoxication. Therefore, this will be a greatly promising method for real-time exploring and
quantitatively analyzing of cellular toxicity.Der Kern dieser Arbeit ist die Multi-Mode-Rasterkraftmikroskopie, die ein nützliches und
leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Proben im Mikro- und Nanogrößenbereich
darstellt. Verschiedene Modi können spezifizierte Anforderungen verschiedener Proben erfüllen,
wie u.a. Messung der Topographie, des elektrostatischen Potentials der Oberfläche, magnetische
Domänen, einzelne molekulare Kraftanalyse und Echtzeit-Monitoring-System. Dabei kann in
Luft, Flüssigkeit und im Vakuum gemessen werden. Das macht das Rasterkraftmikroskop (AFM)
zu einem flexiblen, universellen Werkzeug für die biologische Nanowelt. Die Themen bestehen
aus unterschiedlichen Arbeitsweisen in Richtung biologische Anwendungen mit Multi-Mode-
Rasterkraftmikroskopie.
Zuerst wurde anhand quantitativer, topographischer Messungen die Zellmorphologie und
Oberflächenveränderungen nach Aufnahme verschiedener Nanopartikel beobachtet. Bei
konzentrationsabhängigen Experimenten konnte das Volumen und die Anzahl von Filopodien
anhand der topologischen AFM-Aufnahmen berechnet werden. Dadurch wurde bestätigt, dass
die zelluläre Morphologie eine wichtige Rolle für die quantitative Angabe schädlicher
Auswirkungen durch Nanopartikel auf Zellen spielt. Zusätzlich wurden die Nanopartikel
enthaltenen Zellen einem rotierenden Magnetfeld ausgesetzt und anschließend ihre Oberfläche
erneut vermessen. Die Rauigkeit der Zelloberflächen, die aus Störungen der
Zellmembranintegrität resultierte, wurde für die Untersuchung von magneto-Zell-Porenbildung
und magneto-Zell-Analyse herangezogen.
Als weiterer Teil dieser Arbeit wurden durch Einzelmolekülkraftspektroskopie an
Goldnanopartikeln (AuNP) mit verschiedenen Durchmessern, die mit Polyethylenglykol (PEG)
unterschiedlicher Dicke beschichtet waren, Elastizitätsmessungen durchgeführt. Hierzu wurde
mit einer konischen Spitze auf die Nanopartikel gedrückt und die Auslenkung der Spitze in
Funktion ihrer vertikalen Position gemessen. Zur Berechnung der Elastizität wurde die Sneddon-
Gleichung genutzt. Die Elastizität dient als eine der grundlegenden physikalisch-chemischen
Parameter der Beschreibung struktureller und funktioneller Zellparameter.
Im dritten Teil dieser Arbeit wurden superparamagnetische Eisendioxid (Fe3O4)–Nanopartikel
mit Tetradine beschichtet (co-geladene NP) und in Zellen internalisiert. Anschließend wurden
die magnetischen Eigenschaften dieser Zellen mit AFM gemessen. Die beobachteten
magnetischen Domänen waren den Fe3O4-Nanopartikeln zuzuordnen. Diese Nanopartikel
können durch ihre magnetische Eigenschaft zur Ablation von Tumorzellen verwendet werden,
sodass verbesserte Anti-Krebs-NP realisiert werden können.
Im nächsten Teil dieser Arbeit wurde das elektrostatische Potential der Oberfläche einer
mutierten Purpurmembran (PM), die durch funktionelle Nanopartikel modifiziert war, anhand
elektrostatischer Kraftmikroskopie (EFM) mit der AFM gemessen. Dazu wurde eine Spannung
zwischen einer leitenden, oszillierenden Spitze und der modifizierten PM angelegt. Die Spitze
wurde in einem vertikalen Offset zur Probe so angehoben, dass sie eine langfristige
elektrostatische Kraft ohne Wirkung der molekularen Abstoßungskraft ausüben konnte. Aus der
Phasenverschiebung der Oszillation der Spitze bei einer bestimmten Frequenz wurde das EFM-Signal extrahiert und zur Charakterisierung der elektrostatischen Eigenschaften dieser neuartigen Biomembran herangezogen.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurde ein System zur Beobachtung der Lebendigkeit von Zellen in
Echtzeit entwickelt. Dieses System basiert auf Zelladhäsionseigenschaften in Zusammenspiel mit
dem Schwingungssystem des AFM. Die Amplitude eines bei einer definierten Frequenz
schwingenden Cantilevers ist stark abhängig von dessen Masse. Durch Aufbringen von Zellen
auf den Cantilever konnte die Gesamtmasse des Cantilevers erhöht werden, somit stieg auch die
Amplitude der Schwingung. Nach Apoptose ließ die Zellhaftung stark nach und die Amplitude
sank wieder. So konnte die toxische Wirkung verschiedener Substanzen auf die Vitalität der
Zellen in Echtzeit aufgenommen und quantitativ beschrieben werden
Photochemically stuctured computer generated holograms in bacteriorhodospin layers
Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung des photochemischen Aufzeichungsprozesses von computergenerierte Hologrammen (CGH's) innerhalb des Biomaterials Bakteriorhodopsin (BR). Dabei werden folgende Schwerpunkte detailliert analysiert:
- Implementierung und Untersuchung verschiedene Algorithmen zur Berechnung von CGH's. Die Algorithmen sind insbesondere hinsichtlich der Verwendung des Biomaterials BR als Hologrammedien zu beurteilen.
- Untersuchung des Aufzeichungsprozesses von CGH's mittels eines direkten Laserschreibsystems. Bei den CGH-Herstellungsverfahren werden die physikalischen und biochemischen Eigenschaften von BR gezielt ausgenutzt, um die für die CGH-Aufzeichnung optimale Oberflächenprofilierung und/oder Brechungsindexmodulation zu erreichen.Photochemically stuctured computer generated holograms in bacteriorhodospin layers
Photoinduzierte Brechungsindexänderung von Funktionspolymeren für ophthalmologische Anwendungen
A cataract is a clouding of the eye’s lens that affects vision, causing images to look blurred or fuzzy. It is the leading cause of blindness worldwide with an estimated 50 million people suffering from this illness. Although the exact causes of cataract formation are still a topic of intense research, it is thought that most cataracts are related to aging and are usually caused by the denaturing of lens proteins, resulting in crystallization of the lens. The only way to treat cataract is to surgically remove the cloudy lens. The natural lens is then replaced with an artificial polymeric lens, a so-called intraocular
lens (IOL). Cataract surgery is one of the safest, most effective and most common procedures and is performed tens of millions of times every year. However, there are some specific related postoperative problems.
The aim of this work is to overcome one major drawback of IOLs. A typical postoperative complication in cataract surgery is that the refractive power of the implanted IOL is often not sufficient for optimal vision, requiring the patient to use prescription eye wear. This is mainly because the eye is a complex optical system and the biometric data required for the calculation of the IOL’s shape cannot be determined with sufficient precision before surgery. In particular, vision is strongly influenced by the radius of curvature of the cornea and the length of the eye ball. In addition, the exact location of
the IOL in the capsular bag may change unpredictably during surgery or afterwards while the wound is healing, making the initial IOL design no longer optimal.Most patients treated with IOLs need prescription eye wear for optimal vision following cataract surgery or the IOL needs to be explanted and changed to a more suitable one in another surgery.
This thesis develops a solution to this problem of poor imaging performance. The focal length of an IOL is tuned postoperatively in a non-invasive manner by changing the refractive index of the implanted lens through a photochemical process. Polymers, suitable for the fabrication of an IOL, were synthesized and characterized. These polymers have a specific photo-active linker group attached to the polymer backbone. Photo-induced cross-linking of these
photo-active linker molecules leads to a decrease in the IOL’s refractive index. The maximum change in refractive index of the polymers synthesized here is more than 0.03, enabling a fine-tuning of more than 2.5 diopters in a standard IOL. With such postoperative treatment nearly all patients should not need viewing aids after cataract surgery. Compared with other approaches for tuning the refractive power of an IOL, the system presented here offers further advantages since the focal length change is induced with virtually no delay. This makes a direct analysis and control of the achieved visual acuity possible. Photo-controlled tuning may be performed more than once and even a change back towards the initial value is possible by using another
irradiation wavelength.Die Katarakt oder der „Graue Star“ ist eine Erkrankung des Auges, in deren Verlauf sich die ursprünglich klare Augenlinse trübt. Katarakt ist weltweit die häufigste Ursache für Blindheit. Schätzungen gehen davon aus, dass mehr als 50 Millionen Menschen auf Grund einer Katarakt erblindet sind. Obwohl die genauen Ursachen der Entstehung einer Katarakt nach wie vor Gegenstand intensiver Forschung sind, so gilt doch als gesichert, dass es sich meist um einen alterungsbedingten Effekt handelt. Es gibt weder eine wissenschaftlich abgesicherte Prävention der Katarakt noch eine medikamentöse Therapie, die den Krankheitsverlauf stoppen oder gar die Trübung zurückbilden könnte. Die einzige Möglichkeit die Katarakt zu behandeln, ist die chirurgische Entfernung der getrübten Linse gefolgt vom Einsetzen einer Kunststofflinse, einer sogenannten Intraocularlinse (IOL), in das Auge. Die Kataraktoperation
ist heute eine der sichersten, effektivsten und am häufigsten durchgeführten
Operationen überhaupt. Jedoch kann es zu gewissen spezifischen postoperativen Komplikationen und Problemen kommen.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Lösung für ein Hauptproblem der Behandlung mit IOLs zu bieten. Eine typische postoperative Komplikation der Kataraktchirurgie ist, dass die Brechkraft der implantierten IOL oftmals nicht den Wert hat, der für eine optimale Sehschärfe erforderlich wäre. Der Patient ist dann nach der Kataraktoperation auf das Tragen von Sehhilfen angewiesen. Der Hauptgrund für diese Abweichung ist, dass das Auge ein aus mehreren brechenden Grenzflächen bestehendes komplexes optisches System darstellt. Die Auswertung klinischer Studien hat ergeben, dass etwa 80% der Kataraktpatienten nach der Operation eine Abweichung im Bereich von einer Dioptrie um das angestrebte Refraktionsziel haben. Bei weiteren 10% der Patienten ist die Abweichung mit zwei oder mehr Dioptrien sogar noch größer. Die meisten der mit IOLs behandelten Patienten benötigen also nach der Operation eine Sehhilfe oder die IOL muss in einer weiteren Operation explantiert und durch eine andere ersetzt werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Lösung für das beschriebene Problem, der bei vielen Patienten unzureichenden Sehleistung nach der Implantation einer IOL, entwickelt. Die Brennweite der IOL wird postoperativ und nicht-invasiv gezielt verändert, indem der Brechungsindex des Linsenmaterials mittels eines photochemischen Prozesses modifiziert wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Polymere, die für die Herstellung einer IOL geeignet sind, synthetisiert und charakterisiert. Diese Polymere tragen photoaktive Linkergruppen entlang ihres Rückgrats. Die photoinduzierte Verknüpfung der photoaktiven Linkermoleküle führt zu einer Erniedrigung des Brechungsindex der IOL. Die maximal mögliche Brechungsindexänderung der im Rahmen dieser Arbeit synthetisierten Polymere beträgt gut 0,03, was eine Brechkraftänderung von etwas mehr als 2,5 Dioptrien bei einer Standard-IOL ermöglicht. Mittels einer solchen postoperativen Behandlung benötigten also fast alle Kataraktpatienten nach der Operation und anschließender Feineinstellung der IOL keine Sehhilfe mehr. Verglichen mit anderen Ansätzen, die Brechkraft einer IOL postoperativ zu verändern, bietet die hier vorgestellte Lösung den weiteren Vorteil, dass die Änderung der Brechkraft praktisch ohne zeitliche Verzögerung eintritt. Dies ermöglicht eine direkte Messung und Kontrolle der erreichten Sehschärfe. Die photoinduzierte Änderung der Brechkraft kann mehrmals durchgeführt werden und es ist auch eine Änderung zurück in Richtung des Ausgangswerts möglich, wenn eine entsprechend andere Wellenlänge verwendet wird
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