TY  - THES
A1  - Mathieu-Gaedke, Maria
T1  - Grafting-to and grafting-from proteins - synthesis and characterization of protein-polymer conjugates on the way to biohybrid membrane materials
T1  - Grafting-to und Grafting-from - Synthese und Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten auf dem Weg zu biohybriden Membranen
N2  - The incorporation of proteins in artificial materials such as membranes offers great opportunities to avail oneself the miscellaneous qualities of proteins and enzymes perfected by nature over millions of years. One possibility to leverage proteins is the modification with artificial polymers. To obtain such protein-polymer conjugates, either a polymer can be grown from the protein surface (grafting-from) or a pre-synthesized polymer attached to the protein (grafting-to). Both techniques were used to synthesize conjugates of different proteins with thermo-responsive polymers in this thesis. 
First, conjugates were analyzed by protein NMR spectroscopy. Typical characterization techniques for conjugates can verify the successful conjugation and give hints on the secondary structure of the protein. However, the 3-dimensional structure, being highly important for the protein function, cannot be probed by standard techniques. NMR spectroscopy is a unique method allowing to follow even small alterations in the protein structure. A mutant of the carbohydrate binding module 3b (CBM3bN126W) was used as model protein and functionalized with poly(N-isopropylacrylamide). Analysis of conjugates prepared by grafting-to or grafting-from revealed a strong impact of conjugation type on protein folding. Whereas conjugates prepared by grafting a pre-formed polymer to the protein resulted in complete preservation of protein folding, grafting the polymer from the protein surface led to (partial) disruption of the protein structure.
Next, conjugates of bovine serum albumin (BSA) as cheap and easily accessible protein were synthesized with PNIPAm and different oligoethylene glycol (meth)acrylates. The obtained protein-polymer conjugates were analyzed by an in-line combination of size exclusion chromatography and multi-angle laser light scattering (SEC-MALS). This technique is particular advantageous to determine molar masses, as no external calibration of the system is needed. Different SEC column materials and operation conditions were tested to evaluate the applicability of this system to determine absolute molar masses and hydrodynamic properties of heterogeneous conjugates prepared by grafting-from and grafting-to. Hydrophobic and non-covalent interactions of conjugates lead to error-prone values not in accordance to expected molar masses based on conversions and extents of modifications. 
As alternative to this method, conjugates were analyzed by sedimentation velocity analytical ultracentrifugation (SV-AUC) to gain insights in the hydrodynamic properties and how they change after conjugation. Within a centrifugal field, a sample moves and fractionates according to the mass, density, and shape of its individual components. Conjugates of BSA with PNIPAm were analyzed below and above the cloud point temperature of the thermo-responsive polymer component. It was identified that the polymer characteristics were transferred to the conjugate molecule which than showed a decreased ideality – defined as increased deviation from a perfect sphere model – below and increased ideality above the cloud point temperature. This effect can be attributed to an arrangement of the polymer chain pointing towards the solvent (expanded state) or snuggling around the protein surface depending on the applied temperature. 
The last project dealt with the synthesis of ferric hydroxamate uptake protein component A (FhuA)-polymer conjugates as building blocks for novel membrane materials. The shape of FhuA can be described as barrel and removal of a cork domain inside the protein results in a passive channel aimed to be utilized as pores in the membrane system. The polymer matrix surrounding the membrane protein is composed of a thermo-responsive and a UV-crosslinkable part. Therefore, an external trigger for covalent immobilization of these building blocks in the membrane and switchability of the membrane between different states was incorporated. The overall performance of membranes prepared by a drying-mediated self-assembly approach was evaluated by permeability and size exclusion experiments. The obtained membranes displayed an insufficiency in interchain crosslinking and therefore a lack in performance. Furthermore, the aimed switch between a hydrophilic and hydrophobic state of the polymer matrix did not occur. Correspondingly, size exclusion experiments did not result in a retention of analytes larger than the pores defined by the dimension of the used FhuA variant.
Overall, different paths to generate protein-polymer conjugates by either grafting-from or grafting-to the protein surface were presented paving the way to the generation of new hybrid materials. Different analytical methods were utilized to describe the folding and hydrodynamic properties of conjugates providing a deeper insight in the overall characteristics of these seminal building blocks.
N2  - Der Einbau von Proteinen in künstliche Materialien wie zum Beispiel Membranen ist eine vielversprechende Möglichkeit sich die besonderen Eigenschaften dieser Biomakromoleküle zunutze zu machen. Eine Möglichkeit, solche Membranen herzustellen, ist die Nutzung von Protein-Polymer-Konjugaten als universelle Bausteine. Für die Synthese solcher Konjugate stehen zwei Ansätze zur Verfügung. Bei grafting-to wird ein endgruppenfunktionalisiertes Polymer an das Protein angebunden. Dagegen wird bei grafting-from das Protein in einem ersten Schritt mit Initiatoren funktionalisiert und in einem zweiten Schritt das Polymer ausgehend von diesen sogenannten Makroinitiatoren synthetisiert. 
Innerhalb der hier vorliegenden Dissertation wurden vier Hauptprojekte bearbeitet, die sich entweder mit der tiefergehenden Charakterisierung von Protein-Polymer-Konjugaten oder deren Nutzung als Bausteine für Biohybrid-Membranen beschäftigten. Im ersten Projekt wurde der Einfluss der Konjugation auf die Proteinstruktur mittels NMR-Spektroskopie untersucht. Viele Analysemethoden geben Aufschluss über die Erhaltung großer, lokal ausgebildeter Strukturelemente nach Modifizierung. Kleine strukturelle Änderungen bleiben dort meist unerkannt. NMR-Spektroskopie ist eine der wenigen Methoden, die auch solche kleinen Änderungen aufzeigen kann. Innerhalb dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass die Modifizierung von Proteinen mit Polymeren je nach Konjugationsmethode einen enormen Einfluss auf die Proteinstruktur hat. Während Konjugate, die durch grafting-to hergestellt wurden, nahezu keine strukturellen Änderungen aufwiesen, führte die Modifizierung mit Initiatoren bereits zu deutlichen Änderungen, die sich nach der Polymerisation verstärkten.
Das zweite Projekt widmetete sich der Analyse der hydrodynamischen Eigenschaften und der absoluten Molmassenbestimmung von Konjugaten mittels einer Kombination aus Größenausschlusschromatographie und Mehrwinkellichtstreuung. Während der Chromatographie werden die Konjugate entsprechend ihrer Größe aufgetrennt und anschließend durch Lichtstreuung vermessen. Damit diese Vermessung zu realistischen Werten führt, muss die vorangehende Chromatographie gewisse Anforderungen erfüllen. Eine davon ist, dass die Probe die Säule rein entsprechend ihrer Größe passiert und keine anderen Wechselwirkungen auftreten. Leider konnte diese Anforderung unter den getesteten Bedingungen nicht erfüllt werden, sodass die erhaltenen hydrodynamischen Werte und Molmassen stark fehlerbehaftet waren.
Als Alternative zu dieser Methode wurden im dritten Projekt Konjugate in einer analytischen Ultrazentrifuge untersucht. Im Zentrifugalfeld wird eine Probe entsprechend der Größe, Masse und Dichte der Einzelbestandteile getrennt und detektiert. Solche Messungen wurden an Konjugaten modifiziert mit einem temperaturschaltbaren Polymer durchgeführt. Bei Temperaturen unterhalb des Schaltpunkts des Polymers sedimentierten die Konjugate langsamer als oberhalb dieses Punkts. Da sich die Molmasse während des Prozesses nicht ändert, kann dieses Verhalten auf die Form des Konjugats und den Einfluss des Polymers zurückgeführt werden. Die Messungen werden so interpretiert, dass das Polymer unterhalb der Schalttemperatur vom Protein weg zeigt und wie eine Art Fallschirm fungiert. Oberhalb der Temperatur schmiegt es sich an das Protein, ähnlich einem Fallschirmspringer, der die Arme an den Körper zieht. 
Das letzte Projekt strebte die Immobilisierung von Membranproteinen als funktionelle Poren in Membranmaterialien an. Dazu wurden Membranprotein-Polymer-Konjugate mit einem thermoresponsiven, UV-verlinkbaren Polymer hergestellt, welches einerseits durch einen externen Auslöser für eine kovalente Immobilisierung der Bausteine in der Membran und andererseits durch einen zweiten Auslöser die Membraneigenschaften modulieren sollte. Die Performance der hergestellten Membranen wurde durch Permeabilitäts- und Größenausschlussexperimente bewertet. Allerdings fand der angestrebte Wechsel zwischen einem hydrophilen und einem hydrophoben Zustand der Polymermatrix unter den getesteten Bedingungen nicht statt. Dementsprechend führten Größenausschlussexperimente nicht zu einer Retention von Analyten, die theoretisch größer sind als die durch die Dimension der verwendeten FhuA-Variante definierten Poren. 
Insgesamt wurden verschiedene Wege zur Synthese von Protein-Polymer-Konjugaten durch grafting-from und grafting-to vorgestellt. Die entwickelten Methoden und gewonnenen Erkenntnisse sind ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu neuen Hybridmaterialien. Verschiedene analytische Methoden wurden eingesetzt, um die Faltung und die hydrodynamischen Eigenschaften der Konjugate zu untersuchen, was einen tieferen Einblick in die allgemeinen Eigenschaften dieser zukunftsträchtigen Bausteine ermöglicht.
KW  - Protein-Polymer-Konjugat
KW  - Proteincharakterisierung
KW  - kontrollierte radikalische Polymerisationen
KW  - Transmembranprotein
KW  - Analytische Ultrazentrifugation
KW  - SEC-MALS
KW  - Protein-NMR-Spektroskopie
KW  - Biohybrid-Membran
KW  - protein-polymer conjugate
KW  - protein characterization
KW  - controlled radical polymerization
KW  - transmembrane protein
KW  - analytical ultracentrifugation
KW  - SEC-MALS
KW  - protein NMR spectroscopy
KW  - biohybrid membrane materials
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542921
ER  - 
TY  - THES
A1  - Saretia, Shivam
T1  - Modulating ultrathin films of semi-crystalline oligomers by Langmuir technique
T1  - Modulation ultradünner Filme aus semikristalliner Oligomere durch Langmuir-Technik
N2  - Polymeric films and coatings derived from semi-crystalline oligomers are of relevance for medical and pharmaceutical applications. In this context, the material surface is of particular importance, as it mediates the interaction with the biological system. Two dimensional (2D) systems and ultrathin films are used to model this interface.  However, conventional techniques for their preparation, such as spin coating or dip coating, have disadvantages, since the morphology and chain packing of the generated films can only be controlled to a limited extent and adsorption on the substrate used affects the behavior of the films. Detaching and transferring the films prepared by such techniques requires additional sacrificial or supporting layers, and free-standing or self supporting domains are usually of very limited lateral extension. The aim of this thesis is to study and modulate crystallization, melting, degradation and chemical reactions in ultrathin films of oligo(ε-caprolactone)s (OCL)s with different end-groups under ambient conditions. Here, oligomeric ultrathin films are assembled at the air-water interface using the Langmuir technique. The water surface allows lateral movement and aggregation of the oligomers, which, unlike solid substrates, enables dynamic physical and chemical interaction of the molecules. Parameters like surface pressure (π), temperature and mean molecular area (MMA) allow controlled assembly and manipulation of oligomer molecules when using the Langmuir technique. The π-MMA isotherms, Brewster angle microscopy (BAM), and interfacial infrared spectroscopy assist in detecting morphological and physicochemical changes in the film. Ultrathin films can be easily transferred to the solid silicon surface via Langmuir Schaefer (LS) method (horizontal substrate dipping). Here, the films transferred on silicon are investigated using atomic force microscopy (AFM) and optical microscopy and are compared to the films on the water surface.

The semi-crystalline morphology (lamellar thicknesses, crystal number densities, and lateral crystal dimensions) is tuned by the chemical structure of the OCL end-groups (hydroxy or methacrylate) and by the crystallization temperature (Tc; 12 or 21 °C) or MMAs. Compression to lower MMA of ~2 Å2, results in the formation of a highly crystalline film, which consists of tightly packed single crystals. Preparation of tightly packed single crystals on a cm2 scale is not possible by conventional techniques. Upon transfer to a solid surface, these films retain their crystalline morphology whereas amorphous films undergo dewetting.

The melting temperature (Tm) of OCL single crystals at the water and the solid surface is found proportional to the inverse crystal thickness and is generally lower than the Tm of bulk PCL. The impact of OCL end-groups on melting behavior is most noticeable at the air-solid interface, where the methacrylate end-capped OCL (OCDME) melted at lower temperatures than the hydroxy end-capped OCL (OCDOL). When comparing the underlying substrate, melting/recrystallization of OCL ultrathin films is possible at lower temperatures at the air water interface than at the air-solid interface, where recrystallization is not visible. Recrystallization at the air-water interface usually occurs at a higher temperature than the initial Tc.
 
Controlled degradation is crucial for the predictable performance of degradable polymeric biomaterials. Degradation of ultrathin films is carried out under acidic (pH ~ 1) or enzymatic catalysis (lipase from Pseudomonas cepcia) on the water surface or on a silicon surface as transferred films. A high crystallinity strongly reduces the hydrolytic but not the enzymatic degradation rate. As an influence of end-groups, the methacrylate end-capped linear oligomer, OCDME (~85 ± 2 % end-group functionalization) hydrolytically degrades faster than the hydroxy end capped linear oligomer, OCDOL (~95 ± 3 % end-group functionalization) at different temperatures. Differences in the acceleration of hydrolytic degradation of semi-crystalline films were observed upon complete melting, partial melting of the crystals, or by heating to temperatures close to Tm. Therefore, films of densely packed single crystals are suitable as barrier layers with thermally switchable degradation rates.

Chemical modification in ultrathin films is an intricate process applicable to connect functionalized molecules, impart stability or create stimuli-sensitive cross-links. The reaction of end-groups is explored for transferred single crystals on a solid surface or amorphous monolayer at the air-water interface. Bulky methacrylate end-groups are expelled to the crystal surface during chain-folded crystallization. The density of end-groups is inversely proportional to molecular weight and hence very pronounced for oligomers. The methacrylate end-groups at the crystal surface, which are present at high concentration, can be used for further chemical functionalization. This is demonstrated by fluorescence microscopy after reaction with fluorescein dimethacrylate. The thermoswitching behavior (melting and recrystallization) of fluorescein functionalized single crystals shows the temperature-dependent distribution of the chemically linked fluorescein moieties, which are accumulated on the surfaces of crystals, and homogeneously dispersed when the crystals are molten. In amorphous monolayers at the air-water interface, reversible cross-linking of hydroxy-terminated oligo(ε-caprolactone) monolayers using dialdehyde (glyoxal) lead to the formation of 2D networks. Pronounced contraction in the area occurred for 2D OCL films in dependence of surface pressure and time indicating the reaction progress. Cross linking inhibited crystallization and retarded enzymatic degradation of the OCL film. Altering the subphase pH to ~2 led to cleavage of the covalent acetal cross-links. Besides as model systems, these reversibly cross-linked films are applicable for drug delivery systems or cell substrates modulating adhesion at biointerfaces.
N2  - Ultradünne Filme/Beschichtungen aus semikristallinen oligomeren Makromolekülen sind für medizinische und pharmazeutische Anwendungen von Bedeutung. Dabei kommt der Materialoberfläche eine besondere Bedeutung zu, da diese die Interaktion mit dem umgebenden biologischen System ermöglicht. Zur Modellierung der Oberfläche werden 2D Systeme und ultradünne Filme verwendet.  Herkömmlichen Techniken zu deren Präparation wie Spin-Coating oder Dip-Coating haben jedoch Nachteile, da sich die Morphologie und Kettenpackung der erzeugten Filme nur sehr bedingt kontrollieren lässt und sich die Adsorption auf dem verwendeten Substrat auf das Verhalten der Filme auswirkt. Zum Ablösen oder Übertragen der mit Hilfe dieser Techniken hergestellten Filme sind zusätzliche Opfer- oder Transferschichten erforderlich. Zudem können mit diesen Methoden nur freistehende oder selbsttragende Filme von sehr geringer lateraler Ausdehnung hergestellt werden.  Das Ziel dieser Arbeit ist es, Kristallisation, Schmelzen, Abbau und chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen von Oligo(ε-caprolacton)en (OCL)s mit unterschiedlichen Endgruppen unter Umgebungsbedingungen zu untersuchen und zu kontrollieren. Dazu wurden ultradünne Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche mit der Langmuir-Technik erzeugt. Die Wasseroberfläche erlaubt eine ungestörte Bewegung und Aggregation der Oligomere, was, im Gegensatz zu festen Substraten, dynamische physikalische und chemische Interaktion der Moleküle miteinander ermöglicht. Die Langmuir-Technik erlaubt mit Hilfe von Parametern wie Temperatur, Oberflächendruck (π) und Fläche pro Wiederholheinheit eine kontrollierte Manipulation der Oligomere. Kompressionsiothermen, Brewster-Winkelmikroskopie und Grenzflächen-Infrarotspektroskopie halfen beim Nachweis morphologischer und physikalisch-chemischer Veränderungen im Film. Die ultradünnen Filme wurden über das Langmuir-Schäfer-Verfahren (Kontakt mit Substrat in paralleler Orientierung zur Grenzfläche) auf Siliziumsubstrate übertragen. Danach wurden die übertragenen Filme mittels AFM und optischer Mikroskopie untersucht und mit Filmen an der Wasseroberfläche verglichen.

Die teilkristalline Morphologie (Lamellendicke, Kristallzahldichte und laterale Dimension der Kristalle) von Polymerfilmen kann durch die chemische Struktur der OCL-Endgruppen (Hydroxy oder Methacrylat) und durch die Kristallisationstemperatur (Tc; 12 oder 21 °C) oder die Fläche pro Wiederholeinheit beeinflusst werden. Die Kompression auf eine sehr kleine Fläche pro Wiederholeinheit von ~2 Å2 führt zur Bildung eines hochkristallinen Films, der aus dicht gepackten Einkristallen besteht. Eine Synthese von derartigen Filmen im cm2 Maßstab ist mit herkömmlichen Techniken nicht möglich. Nach Übertragung auf eine feste Oberfläche behielten die teilkristallinen Filme ihre Morphologie, während amorphe Filme das für Polymere charakteristische Entnetzungsverhalten aufwiesen.

Die Schmelztemperaturen (Tm) von OCL-Einkristallen an der Wasser- und Festkörperoberfläche waren proportional zur inversen Kristalldicke und im Allgemeinen niedriger als die Tm von PCL im Festkörper. Der Einfluss der OCL-Endgruppen auf das Schmelzverhalten war an der Luft-Feststoff-Grenzfläche am deutlichsten, wo OCL mit Methacrylat-Endgruppen bei niedrigeren Temperaturen schmolz als OCL mit Hydroxyl-Endgruppen.  Das Schmelzen/Rekristallisieren ultradünner OCL-Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte bei niedrigeren Temperaturen  als an der Luft-Feststoff-Grenzfläche, wo keine Rekristallisation beobachtet wurde. Die Rekristallisation geschmolzener Filme an der Luft-Wasser-Grenzfläche erfolgte normalerweise bei einer höheren Temperatur als der anfänglichen Tc.

Der kontrollierte Abbau ist entscheidend für die Performance von abbaubaren Polymeren als Biomaterialien. Der Abbau ultradünner Filme erfolgte hydrolytisch entweder unter saurer (pH ~ 1) oder enzymatischer Katalyse (Lipase aus Pseudomonas cepcia) auf der Wasseroberfläche oder als übertragene Filme auf Siliziumoberflächen. Eine hohe Kristallinität reduzierte die hydrolytische Abbaurate stark, aber die enzymatische dagegen wenig. Das lineare Oligomer mit Methacrylat Endgruppen (~85 ± 2 % Endgruppenfunktionalisierung) wurde bei unterschiedlichen Temperaturen schneller hydrolytisch abgebaut als das lineare Oligomer mit Hydroxyl Endgruppen (~95 ± 3 % Endgruppenfunktionalisierung). Unterschiede in der Beschleunigung des hydrolytischen Abbaus von teilkristallinen Filmen wurden beim vollständigen Schmelzen, teilweisen Schmelzen der Kristalle, oder durch erwärmen in die Nähe von Tm beobachtet. Daher eignen sich Filme aus dicht gepackten Einkristallen als Barriereschichten mit thermisch schaltbarer Degradationsrate.

Chemische Reaktionen in ultradünnen Filmen können angewandt werden, um funktionalisierte Moleküle zu verbinden und ihnen Stabilität zu verleihen oder Stimuli-sensitive Vernetzungen zu erzeugen. Hier wurden die Reaktionen der Endgruppen transferierter Einkristalle auf festen Oberflächen und amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche untersucht. Da die Kettenenden defekte in den Einkristallen darstellen würden, werden sie bei der Kristallisation an der Kristalloberfläche angeordnet. Die Dichte der Endgruppen ist umgekehrt proportional zum Molekulargewicht und daher bei Oligomeren besonders hoch. Hier wurden mit Methacrylatendgruppen versehene OCL Moleküle verwendet.   Diese Gruppen können chemisch weiter umgesetzt und für eine Funktionalisierung der Kirstalle verwendet werden. Dies wurde fluoreszenz-mikroskopisch nach der Reaktion mit Fluoresceindimethacrylat nachgewiesen. Das thermische Schalten (Schmelzen und Umkristallisieren) von Fluorescein-funktionalisierten Einkristallen erzeugt eine temperaturabhängige Verteilung der chemisch verknüpften Fluorescein-Einheiten, die sich auf den Oberflächen der Kristalle ansammeln und beim Schmelzen der Kristalle homogen dispergiert werden. In amorphen Monoschichten an der Luft-Wasser-Grenzfläche führt die reversible Vernetzung von Hydroxy-terminierten Oligo(ε-caprolacton) Monoschichten unter Verwendung eines Dialdehyds (Glyoxal) zur Bildung von zweidimensionalen (2D) Netzwerken. Bei 2D-OCL-Filmen trat eine ausgeprägte Kontraktion der Fläche in Abhängigkeit von Oberflächendruck und Zeit auf, was den Fortschritt der Reaktion anzeigte. Die Vernetzung hemmte die Kristallisation und verzögerte den enzymatischen Abbau des OCL-Films. Eine Änderung des pH-Wertes der Subphase auf ~2 führte zur Spaltung der kovalenten Acetalvernetzungen. Außer als Modellsysteme wäre der Einsatz dieser reversibel vernetzten Filme für den Einsatz als Drug-Delivery-Systeme oder als Oberflächen zur Steuerung der Adhäsion von Zellen möglich.
KW  - polymer
KW  - poly(ε-caprolactone)
KW  - 2D material
KW  - ultrathin film
KW  - single crystals
KW  - crystallization
KW  - melting
KW  - degradation
KW  - hydrolysis
KW  - reactions
KW  - substrate
KW  - end-groups
KW  - hydroxy
KW  - methacrylate
KW  - Polymer
KW  - Poly(ε-caprolacton)
KW  - 2D-Material
KW  - Beschichtungen
KW  - Ultradünne Filme
KW  - Einkristalle
KW  - Kristallisation
KW  - Schmelz
KW  - Abbau
KW  - Hydrolyse
KW  - Reaktion
KW  - Substrat
KW  - Hydroxyl
KW  - Methacrylat
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-542108
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schutjajew, Konstantin
T1  - Electrochemical sodium storage in non-graphitizing carbons - insights into mechanisms and synthetic approaches towards high-energy density materials
T1  - Elektrochemische Natriumspeicherung in nicht-graphitisierbaren Kohlenstoffen - Untersuchungen zu Mechanismen und synthetische Ansätze für die Darstellung von Materialien mit hohen Energiedichten
N2  - To achieve a sustainable energy economy, it is necessary to turn back on the combustion of fossil fuels as a means of energy production and switch to renewable sources. However, their temporal availability does not match societal consumption needs, meaning that renewably generated energy must be stored in its main generation times and allocated during peak consumption periods. Electrochemical energy storage (EES) in general is well suited due to its infrastructural independence and scalability. The lithium ion battery (LIB) takes a special place, among EES systems due to its energy density and efficiency, but the scarcity and uneven geological occurrence of minerals and ores vital for many cell components, and hence the high and fluctuating costs will decelerate its further distribution. 
The sodium ion battery (SIB) is a promising successor to LIB technology, as the fundamental setup and cell chemistry is similar in the two systems. Yet, the most widespread negative electrode material in LIBs, graphite, cannot be used in SIBs, as it cannot store sufficient amounts of sodium at reasonable potentials. Hence, another carbon allotrope, non-graphitizing or hard carbon (HC) is used in SIBs. This material consists of turbostratically disordered, curved graphene layers, forming regions of graphitic stacking and zones of deviating layers, so-called internal or closed pores.
The structural features of HC have a substantial impact of the charge-potential curve exhibited by the carbon when it is used as the negative electrode in an SIB. At defects and edges an adsorption-like mechanism of sodium storage is prevalent, causing a sloping voltage curve, ill-suited for the practical application in SIBs, whereas a constant voltage plateau of relatively high capacities is found immediately after the sloping region, which recent research attributed to the deposition of quasimetallic sodium into the closed pores of HC.
Literature on the general mechanism of sodium storage in HCs and especially the role of the closed pore is abundant, but the influence of the pore geometry and chemical nature of the HC on the low-potential sodium deposition is yet in an early stage. Therefore, the scope of this thesis is to investigate these relationships using suitable synthetic and characterization methods. Materials of precisely known morphology, porosity, and chemical structure are prepared in clear distinction to commonly obtained ones and their impact on the sodium storage characteristics is observed. Electrochemical impedance spectroscopy in combination with distribution of relaxation times analysis is further established as a technique to study the sodium storage process, in addition to classical direct current techniques, and an equivalent circuit model is proposed to qualitatively describe the HC sodiation mechanism, based on the recorded data. The obtained knowledge is used to develop a method for the preparation of closed porous and non-porous materials from open porous ones, proving not only the necessity of closed pores for efficient sodium storage, but also providing a method for effective pore closure and hence the increase of the sodium storage capacity and efficiency of carbon materials. 
The insights obtained and methods developed within this work hence not only contribute to the better understanding of the sodium storage mechanism in carbon materials of SIBs, but can also serve as guidance for the design of efficient electrode materials.
N2  - Eine nachhaltige Energiewirtschaft kann nur durch die Abkehr von fossilen Brennstoffen als Energiequellen und den ausschließlichen Einsatz erneuerbarer Quellen für die Energieerzeugung erreicht werden. Da diese jedoch naturgemäß nur diskontinuierlich zur Verfügung stehen und sich die tageszeitliche Verfügbarkeit kaum mit dem Bedarf deckt, muss erneuerbar gewonnene Energie zwischengespeichert werden. Dies kann mittels elektrochemischer Energiespeicher geschehen, wobei sich die Lithium-Ionen-Batterie (LIB) aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Effizienz besonders dafür eignet. Da jedoch Ressourcen, welche für entscheidende Zellkomponenten der LIB benötigt werden, knapper werden und oft in geopolitisch komplizierten Regionen vorkommen, muss auch dafür eine Alternative gefunden werden. Die Natrium-Ionen-Batterie (NIB) bietet sich als Nachfolger für LIBs an, da sich die Zellchemie der beiden Systeme ähnelt und somit Kenntnisse direkt aus der LIB-Forschung übernommen werden können. Es erweist sich allerdings als problematisch, dass das kommerziell wichtigste negative Elektrodenmaterial in LIBs, Graphit, nicht für die Anwendung in NIBs eignet und daher eine andere Kohlenstoffmodifikation, sogenannter nicht-graphitisierbarer Kohlenstoff, oder aus dem Englischen hard carbon (HC), verwendet werden muss. HC ist durch eine besondere Art der Fehlordnung geprägt und besteht im Wesentlichen aus Regionen, in denen die Kohlenstoffschichten parallel zueinander verlaufen und aus Regionen, in denen die Schichten innere Hohlräume, sogenannte geschlossene Poren bilden. Die Lade-Entladekurve von HCs ist geprägt von diesen Strukturmerkmalen, sodass sie in einen linear-abflachenden, aus dem Englischen sloping Bereich, und einen Plateaubereich unterteilt werden kann. Die Speicherung im für Energieanwendungen relevanteren Plateaubereich erfolgt durch Abscheidung quasimetallischer Natriumstrukturen in eingangs erwähnten geschlossenen Poren, bei geringen, konstanten Spannungen, wie zahlreiche Forschungsarbeiten unter Berufung auf verschiedene Strukturcharakterisierungsmethoden � uberzeugend nahelegen. Jedoch ist über den Einfluss der Größe und Form der geschlossenen Poren sowie derer chemischer Eigenschaften auf die Natriumspeicherung nur wenig bekannt.
Eben diese Fragestellung soll in der vorliegenden Arbeit behandelt werden. Durch die Herstellung von Materialien mit genau definierter und bekannter Morphologie, Porenstruktur sowie chemischer Beschaffenheit wird die Bedeutung dieser Merkmale für die Natriumabscheidung bei geringen Potentialen beleuchtet. Mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie wird desweiteren der Natriumspeichermechanismus detailliert untersucht und die Kinetik der reversiblen Natriumspeicherung mit der der irreversiblen Metallabscheidung verglichen, wobei eine bemerkenswerte Ähnlichkeit der beiden Prozesse zu beobachten ist. Abschließend ist die gezielte Herstellung geschlossenporiger Materialien aus offenporigen Vorläufermaterialien gelungen, welche es nicht nur ermöglicht, geschlossen- und offenporige Materialien ansonsten gleicher Porenstruktur zu vergleichen und die Notwendigkeit geschlossener Poren nachzuweisen, sondern auch die Speicherkapazität und Effizienz der Elektrodenmaterialien zu erhöhen. Insgesamt tragen die im Rahmen der vorliegenden Dissertation gewonnenen Erkenntisse nicht nur zum tiefergehenden Verständnis des Natriumspeichermechanismus in HCs bei, sondern es werden auch synthetische und analytische Methoden vorgestellt, die der weiteren Forschung auf diesem Gebiet dienen werden.
KW  - sodium-ion batteries
KW  - energy storage
KW  - carbon
KW  - Natrium-Ionen-Akkumulator
KW  - Energiespeicher
KW  - Kohlenstoff
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541894
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hechenbichler, Michelle
T1  - New thermoresponsive amphiphilic block copolymers with unconventional chemical structure and architecture
T1  - Neue thermoresponsive amphiphile Blockcopolymere mit unkonventioneller chemischer Struktur und Architektur
N2  - Das Aggregationsverhalten von amphiphilen Blockcpoolymeren ist wichtig für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise in der Waschmittelindustrie als Verdicker oder in der Pharmazie zur kontrollierten Freisetzung von Wirkstoffen. Wenn einer der Blöcke thermoresponsiv ist, kann das Aggregationsverhalten zusätzlich über die Temperatur gesteuert werden. Während sich die bisherigen Untersuchungen solcher „intelligenten“ Systeme zumeist auf einfache Diblockcopolymere beschränkt haben, wurde in der vorliegenden Arbeit die Komplexität der Polymere und damit die Vielseitigkeit dieser Systeme erhöht. Dazu wurden spezifische Monomere, verschiedene Blocklängen, unterschiedliche Architekturen und zusätzliche funktionelle Gruppen eingeführt. Durch systematische Änderungen wurde das Struktur-Wirkungsverhalten solcher thermoresponsiver amphiphiler Blockcopolymere untersucht. Dabei sind die Blockcopolymere typischerweise aus einem permanent hydrophoben „Sticker“, einem permanent hydrophilen Block sowie einem thermoresponsiven Block, der ein Lower Critical Solution Temperature (LCST) Verhalten zeigt, aufgebaut. Während der permanent hydrophile Block aus N,N Dimethylacrylamid (DMAm) bestand, wurden für den thermoresponsiven Block unterschiedliche Monomere, nämlich N n Propylacrylamid (NPAm), N iso Propylacrylamid (NiPAm), N,N Diethylacrylamid (DEAm), N,N Bis(2 methoxyethyl)acrylamid (bMOEAm), oder N Acryloylpyrrolidin (NAP) mit entsprechend unterschiedlichen LCSTs von 25, 32, 33, 42 und 56 °C verwendet. Die Blockcopolymere wurden mittels aufeinanderfolgender reversibler Additions-Fragmentierungs-Kettenübertragungspolymerisation (RAFT Polymerisation) hergestellt, um Polymere mit linearer, doppelt hydrophober sowie symmetrischer Quasi Miktoarm Architektur zu erhalten. Dabei wurden wohldefinierte Blockgrößen, Endgruppen und enge Molmassenverteilungen (Ɖ ≤ 1.3) erzielt. Für komplexere Architekturen, wie die doppelt thermoresponsive und die nicht symmetrische Quasi Miktoarm Architekturen, wurde RAFT mit Atomtransfer-Radikalpolymerisation (ATRP) oder Single Unit Monomer Insertion (SUMI), kombiniert. Die dabei erhaltenen Blockcopolymere hatten ebenfalls wohldefinierte Blocklängen, allerdings war die Molmassenverteilung generell breiter (Ɖ ≤ 1.8) und Endgruppen gingen zum Teil verloren, da komplexere Syntheseschritte nötig waren.
Das thermoresponsive Verhalten in wässriger Lösung wurde mittels Trübungspunktmessung und Dynamischer Lichtstreuung (DLS) untersucht. Unterhalb der Phasenüberganstemperatur waren die Polymere löslich in Wasser und mizellare Strukturen waren in der DLS sichtbar. Oberhalb der Phasenübergangstemperatur war das Aggregationsverhalten dann stark abhängig von der Architektur und der chemischen Struktur des thermoresponsiven Blocks. Thermoresponsive Blöcke aus PNAP und PbMOEAm mit einer Blocklänge von DPn = 40 zeigten keinen Trübungspunkt (CP) bis hin zu 80 °C, da durch den angebrachten hydrophilen PDMAm Block die bereits hohe LCST der entsprechenden Homopolymere bei den Blockcopolymeren weiter erhöht wurde. Blockcopolymere mit PNiPAm, PDEAm und PNPAm hinggeen zeigten abhängig von der Architektur und Blockgröße unterschiedliche CP’s. Oberhalb der CP’s waren größere Aggregate vor allem für die Blockcopolymere mit PNiPAm und PDEAm sichtbar, wohingegen der Phasenübergang für Blockcopolymere mit PNPAm stark abhängig von der jeweiligen Architektur war und entsprechend kleinere oder größere Aggregate zeigte.
Um das Aggregationsverhalten besser zu verstehen, wurden Fluoreszenzstudien an PDMAm und PNiPAm Homo  und Blockcopolymeren mit linearer Architektur durchgeführt, welche mit komplementären Fluoreszenzfarbstoffen an den entgegengesetzten Kettenenden funktionalisiert wurden. Das thermoresponsive Verhalten wurde dabei sowohl in Wasser als auch in Öl-in-Wasser Mikroemulsion untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Blockcopolymer sich, ähnlich wie die anderen hergestellten Architekturen, bei niedrigen Temperaturen wie ein Polymertensid verhält. Dabei bilden die hydrophoben Stickergruppen den Kern und die hydrophilen Arme die Corona der Mizelle. Oberhalb des Phasenübergangs des PNiPAm Blocks verhielten sich die Blockcopolymere allerdings wie assoziative Telechele mit zwei nicht symmetrischen hydrophoben Endgruppen, die sich untereinander nicht mischten. Daher bildeten die Blockcopolymere anstatt aggregierter „Blumen“-Mizellen größere, dynamische Aggregate. Diese sind einerseits über die ursprünglichen Mizellkerne bestehend aus den hydrophoben Sticker als auch über Cluster der kollabierten thermoresponsiven Blöcke miteinander verknüpft. In Mikroemulsion ist diese Art der Netzwerkbildung noch stärker ausgeprägt.
N2  - The self-assembly of amphiphilic polymers in aqueous systems is important for a plethora of applications, in particular in the field of cosmetics and detergents. When introducing thermoresponsive blocks, the aggregation behavior of these polymers can be controlled by changing the temperature. While confined to simple diblock copolymer systems for long, the complexity - and thus the versatility - of such smart systems can be strongly enlarged, once designed monomers, specific block sizes, different architectures, or additional functional groups such as hydrophobic stickers are implemented. In this work, the structure-property relationship of such thermoresponsive amphiphilic block copolymers was investigated by varying their structure systematically. The block copolymers were generally composed of a permanently hydrophobic sticker group, a permanently hydrophilic block, and a thermoresponsive block exhibiting a Lower Critical Solution Temperature (LCST) behavior. While the hydrophilic block consisted of N,N dimethylacrylamide (DMAm), different monomers were used for the thermoresponsive block, such as N n propylacrylamide (NPAm), N iso propylacrylamide (NiPAm), N,N diethylacrylamide (DEAm), N,N bis(2 methoxyethyl)acrylamide (bMOEAm), or N acryloylpyrrolidine (NAP) with different reported LCSTs of 25, 32, 33, 42 and 56 °C, respectively. The block copolymers were synthesized by successive reversible addition fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization. For the polymers with the basic linear, the twinned hydrophobic and the symmetrical quasi miktoarm architectures, the results were well defined block sizes and end groups as well as narrow molar mass distributions (Ɖ ≤ 1.3). More complex architectures, such as the twinned thermoresponsive and the non-symmetrical quasi miktoarm one, were achieved by combining RAFT polymerization with a second technique, namely atom transfer radical polymerization (ATRP) or single unit monomer insertion (SUMI), respectively. The obtained block copolymers showed well defined block sizes, but due to the complexity of these reaction paths, the dispersities were generally higher (Ɖ ≤ 1.8) and some end groups were lost. 
The thermoresponsive behavior of the block copolymers was investigated by turbidimetry and dynamic light scattering (DLS). Below the phase transition temperature, the polymers were soluble in water and small micellar structures were visible. However, above the phase transition temperature, the aggregation behavior was strongly dependent on the architecture and the chemical structure of the thermoresponsive block. Thermoresponsive blocks comprising PNAP and PbMOEAm with DPn = 40 showed no cloud point (CP), since their already high LCSTs were further increased by the attached hydrophilic block. Depending on the architecture as well as on the block size, block copolymers with PNiPAm, PDEAm and PNPAm showed different CP’s. Large aggregates were visible for block copolymers with PNiPAm and PDEAm above their CP. For PNPAm containing block copolymers, the phase transition was very sensitive towards the architecture resulting in either small or large aggregates. 
In addition, fluorescence studies were performed using PDMAm and PNiPAm homo  and block copolymers with linear architecture, functionalized with complementary fluorescence dyes introduced at the opposite chain ends. The thermoresponsive behavior was studied in pure aqueous solution as well as in an oil in water (o/w) microemulsion. The findings indicate that the block copolymer behaves as polymeric surfactant at low temperatures, with one relatively small hydrophobic end group and an extended hydrophilic chain forming ‘hairy micelles’ similar as the other synthesized architectures. Above the phase transition temperature of the PNiPAm block, however, the copolymer behaves as associative telechelic polymer with two non-symmetrical hydrophobic end groups, which do not mix. Thus, instead of a network of bridged ‘flower micelles’, large dynamic aggregates are formed. These are connected alternatingly by the original micellar cores as well as by clusters of the collapsed PNiPAm blocks. This type of bridged micelles is even more favored in the o/w microemulsion than in pure aqueous solution.
KW  - block copolymers
KW  - thermoresponsive
KW  - aggregation
KW  - RAFT polymerization
KW  - RAFT, Polymerisation
KW  - Aggregation
KW  - Blockcopolymer
KW  - thermoresponsiv
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-541822
ER  - 
TY  - THES
A1  - Lood, Kajsa
T1  - Stereoselective Construction of C-C Double Bonds via Olefin Metathesis: From Tethered Reactions to Water-Soluble Catalysts for Stereoretentive Metathesis
T1  - Stereoselektiver Aufbau von C-C-Doppelbindungen durch Olefinmetathese: Von gebundenen Reaktionen zu wasserlöslichen Katalysatoren für die stereoretentive Metathese
N2  - Natural products have proved to be a major resource in the discovery and development of many pharmaceuticals that are in use today. There is a wide variety of biologically active natural products that contain conjugated polyenes or benzofuran structures. Therefore, new synthetic methods for the construction of such building blocks are of great interest to synthetic chemists. The recently developed one-pot tethered ring-closing metathesis approach allows for the formation of Z,E-dienoates in high stereoselectivity. The extension of this method with a Julia-Kocienski olefination protocol would allow for the formation of conjugated trienes in a stereoselective manner. This strategy was applied in the total synthesis of conjugated triene containing (+)-bretonin B. Additionally, investigations of cross metathesis using methyl substituted olefins were pursued. This methodology was applied, as a one-pot cross metathesis/ring-closing metathesis sequence, in the total synthesis of benzofuran containing 7-methoxywutaifuranal. Finally, the design and synthesis of a catalyst for stereoretentive metathesis in aqueous media was investigated.
N2  - Naturstoffe haben sich als wichtige Ressource für die Entdeckung und Entwicklung zahlreicher Arzneimittel erwiesen, die heute verwendet werden. Es gibt eine Vielzahl biologisch aktiver Naturstoffe, die konjugierte Polyene oder Benzofuranstrukturen enthalten. Daher sind neue Synthesemethoden für die Herstellung solcher Bausteine für synthetische Chemiker von großem Interesse. Der kürzlich entwickelte Ein-Topf-Ansatz der tethered ring-closing metathesis ermöglicht die Bildung von Z,E-Dienoaten in hoher Stereoselektivität. Die Erweiterung dieser Methode mit einem Julia-Kocienski-Olefinierungsprotokoll würde die Bildung von konjugierten Trienen in stereoselektiver Weise ermöglichen. Diese Strategie wurde bei der Totalsynthese von konjugierten Trienen, die (+)-Bretonin B enthalten, angewandt. Außerdem wurden Untersuchungen zur Kreuzmetathese mit methylsubstituierten Olefinen durchgeführt. Diese Methodik wurde als Ein-Topf-Kreuzmetathese/Ringschluss-Metathese-Sequenz in der Totalsynthese von benzofuranhaltigem 7-Methoxywutaifuranal angewendet. Schließlich wurde die Entwicklung und Synthese eines Katalysators für die stereoretentive Metathese in wässrigen Medien untersucht.
KW  - Olefin metathesis
KW  - synthesis
KW  - organic chemistry
KW  - catalysts
KW  - Olefin Metathese
KW  - Synthese
KW  - organische Chemie
KW  - Katalysatoren
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-539142
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kossmann, Janina
T1  - Controlled condensation to functional materials –  synergetic effect of nitrogen content and pore structure
T1  - Kontrollierte Kondensation zu funktionellen Materialien - Synergetische Wirkung von Stickstoffgehalt und Porenstruktur
N2  - The development and optimization of carbonaceous materials is of great interest for several applications including gas sorption, electrochemical storage and conversion, or heterogeneous catalysis. In this thesis, the exploration and optimization of nitrogen containing carbonaceous materials by direct condensation of smart chosen, molecular precursors will be presented. As suggested with the concept of noble carbons, the choice of a stable, nitrogen-containing precursor will lead to an even more stable, nitrogen doped carbonaceous material with a controlled structure and electronic properties. Molecules fulfilling this requirement are for example nucleobases. The direct condensation of nucleobases leads to highly nitrogen containing carbonaceous materials without any further post  or pretreatment. By using salt melt templating, pore structure adjustment is possible without the use of hazardous or toxic reagents and the template can be reused.  
Using these simple tools, the synergetic effect of the pore structure and nitrogen content of the materials can be explored. Within this thesis, the influence of the condensation parameters will be correlated to the structure and performance of the materials. First, the influence of the condensation temperature to the porosity and nitrogen content of guanine will be discussed and the exploration of highly CO2 selective structural pores in C1N1 materials will be shown. Further tuning the pore structure of the materials by salt melt templating will be then explored, the potential of the prepared materials as heterogeneous catalysts and their basic catalytic strength will be correlated to their nitrogen content and pore morphology. A similar approach is used to explore the water sorption behavior of uric acid derived carbonaceous materials as potential sorbents for heat transformation applications. Changes in maximum water uptake and hydrophilicity of the prepared materials will be correlated to the nitrogen content and pore architecture. Due to the high thermal stability, porosity, and nitrogen content of ionic liquid derived nitrogen doped carbonaceous materials, a simple impregnation and calcination route can be conducted to obtain copper nano cluster decorated nitrogen-doped carbonaceous materials. The activity as catalyst for the oxygen reduction reaction of the obtained materials will be shown and structure performance relations are discussed.  
In conclusion, the versatility of nitrogen doped carbonaceous materials with a nitrogen to carbon ratio of up to one will be shown. The possibility to tune the pore structure as well as the nitrogen content by using a simple procedure including salt melt templating as well as the use of molecular precursors and their effect on the performance will be discussed.
N2  - Die Entwicklung und Optimierung von kohlenstoffhaltigen Materialien ist von großem Interesse in vielen Anwendungsbereichen, darunter Gassorption, elektrochemische Speicherung und Umwandlung von Energie und in der heterogenen Katalyse. In dieser Arbeit wird die Erforschung und Optimierung von stickstoff‑ und kohlenstoffhaltigen Materialien durch direkte Kondensation ausgewählter, molekularer Ausgangsstoffe vorgestellt. Entsprechend dem Konzept der edlen Kohlenstoffe (noble carbons), führt die Kondensation eines stabilen, stickstoffhaltigen Ausgangsstoffes zu einem noch stabileren, stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Material mit kontrollierter Struktur und elektronischen Eigenschaften. Moleküle, die diese Anforderung erfüllen, sind zum Beispiel Nukleobasen. Die direkte Kondensation von Nukleobasen führt ohne weitere Nach- oder Vorbehandlungen zu kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem sehr hohen Stickstoffanteil. Durch die Verwendung des Salzschmelze-Template Verfahrens ist eine Anpassung der Porenstruktur ohne Verwendung gefährlicher oder toxischer Reagenzien möglich und die Templates können außerdem wiederverwendet werden. 

Mit diesen einfachen Werkzeugen kann der synergetische Effekt der Porenstruktur und des Stickstoffgehalts der Materialien erforscht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der Kondensationsparameter auf die Struktur und die Leistung der Materialien in Beziehung gesetzt. Zunächst wird der Einfluss der Kondensationstemperatur auf die Porosität und den Stickstoffgehalt von Guanin erörtert und die Erforschung von CO2-selektiven strukturellen Poren in C1N1-Materialien aufgezeigt. Das Potenzial der hergestellten Materialien als heterogener Katalysator und ihre katalytische Wirkung werden mit ihrem Stickstoffgehalt und ihrer Porenstruktur korreliert. Ein ähnlicher Ansatz wird verwendet, um das Wassersorptionsverhalten von aus Harnsäure hergestellten kohlenstoffhaltigen Materialien als potenzielle Sorptionsmittel für Wärmetransformationsanwendungen zu untersuchen. Die maximale Wasseraufnahme und Hydrophilie der hergestellten Materialien werden mit dem Stickstoffgehalt und der Porenarchitektur korreliert. Aufgrund der hohen thermischen Stabilität, der Porosität und des Stickstoffgehalts der mit ionischer Flüssigkeit hergestellten stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Materialien können diese des Weiteren als Träger für Metalle dienen. Durch einfache Imprägnierung und Kalzinierung werden Kupfer‑Nanocluster dekorierte stickstoffhaltige Kohlenstoffmaterialen hergestellt und als Katalysator für die in Brennstoffzellen stattfindende Sauerstoff-Reduktionsreaktion genutzt.

Zusammenfassend wird die Vielseitigkeit von stickstoffdotierten kohlenstoffhaltigen Materialien mit einem Stickstoff-Kohlenstoff-Verhältnis von bis zu eins aufgezeigt. Es wird die Möglichkeit gezeigt, die Porenstruktur und den Stickstoffgehalt in einem einfachen Verfahren, einschließlich Salzschmelze‑Templating und die Verwendung von molekularen Ausgangsstoffen, zu beeinflussen und somit für gezielte Anwendungen zu variieren.
KW  - CO2 capture
KW  - nitrogen containing carbonaceous materials
KW  - C1N1
KW  - heat transformation application
KW  - oxygen reduction reaction
KW  - salt melt templating
KW  - C1N1
KW  - CO2-Abscheidung
KW  - Wärmetransformationsanwendungen
KW  - Stickstoff‑ und Kohlenstoffhaltige Materialien
KW  - Sauerstoff-Reduktionsreaktion
KW  - Salzschmelze-Templating
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-536935
ER  - 
TY  - THES
A1  - Haubitz, Toni
T1  - Transient absorption spectroscopy
T1  - Transienten Absorptionsspektroskopie
BT  - a versatile tool for investigating excited states in organic and inorganic molecules
BT  - ein vielseitiges Werkzeug zur Untersuchung angeregter Zustände von organischen und anorganischen Molekülen
N2  - The optical properties of chromophores, especially organic dyes and optically active inorganic molecules, are determined by their chemical structures, surrounding media, and excited state behaviors. The classical optical go-to techniques for spectroscopic investigations are absorption and luminescence spectroscopy. While both techniques are powerful and easy to apply spectroscopic methods, the limited time resolution of luminescence spectroscopy and its reliance on luminescent properties can make its application, in certain cases, complex, or even impossible. This can be the case when the investigated molecules do not luminesce anymore due to quenching effects, or when they were never luminescent in the first place. In those cases, transient absorption spectroscopy is an excellent and much more sophisticated technique to investigate such systems. This pump-probe laser-spectroscopic method is excellent for mechanistic investigations of luminescence quenching phenomena and photoreactions. This is due to its extremely high time resolution in the femto- and picosecond ranges, where many intermediate or transient species of a reaction can be identified and their kinetic evolution can be observed. Furthermore, it does not rely on the samples being luminescent, due to the active sample probing after excitation. In this work it is shown, that with transient absorption spectroscopy it was possible to identify the luminescence quenching mechanisms and thus luminescence quantum yield losses of the organic dye classes O4-DBD, S4-DBD, and pyridylanthracenes. Hence, the population of their triplet states could be identified as the competitive mechanism to their luminescence. While the good luminophores O4-DBD showed minor losses, the S4-DBD dye luminescence was almost entirely quenched by this process. However, for pyridylanthracenes, this phenomenon is present in both the protonated and unprotonated forms and moderately effects the luminescence quantum yield. Also, the majority of the quenching losses in the protonated forms are caused by additional non-radiative processes introduced by the protonation of the pyridyl rings. Furthermore, transient absorption spectroscopy can be applied to investigate the quenching mechanisms of uranyl(VI) luminescence by chloride and bromide. The reduction of the halides by excited uranyl(VI) leads to the formation of dihalide radicals X^(·−2). This excited state redox process is thus identified as the quenching mechanism for both halides, and this process, being diffusion-limited, can be suppressed by cryogenically freezing the samples or by observing these interactions in media with a lower dielectric constant, such as ACN and acetone.
N2  - Die optischen Eigenschaften von organischen Farbstoffen und optisch aktiven anorganischen Molekülen werden durch ihre chemische Struktur, ihrer chemischer Umgebung, und durch das Verhalten ihrer angeregten Zustände bestimmt. Die klassischen Methoden zur Untersuchung dieser Eigenschaften sind die Absorptions- und Lumineszenzspektroskopie. Obwohl beide Methoden leistungsfähig und einfach anzuwenden sind, stellen die fehlende Zeitauflösung respektive das benötigte Vorhandensein von Lumineszenz in gewissen Anwendungen ein Problem dar. Dies ist der Fall, wenn die zu untersuchenden Moleküle durch Löscheffekte keine Lumineszenz mehr aufweisen oder von vornherein nicht lumineszent sind.
Unter diesen Umständen ist die Transientenabsorptionsspektroskopie eine exzellente Alternative. Dieses laserspektroskopische Anregungs-Abfrage-Verfahren ist für mechanistische Untersuchungen von Lumineszenz-Löschphänomenen und Photoreaktionen sehr gut geeignet. Aufgrund seiner extrem hohen Zeitauflösung im Femto- und Picosekundenbereich können Intermediate und transiente Spezies identifiziert und deren kinetische Entwicklung beobachtet werden. Da es sich außerdem eine aktive Abfrage des Probenzustands handelt, entfällt die Notwendigkeit von lumineszenten Probeneigenschaften.
In dieser Arbeit konnten mittels Transientenabsorptionsspektroskopie die Lumineszenz-Löschmechanismen der organischen Farbstoffklassen O4-DBD, S4-DBD, und der Pyridylanthracene aufgeklärt werden. Bei all diesen Farbstoffen konnte die Bildung von Triplettzuständen als kompetitiver Mechanismus zur Lumineszenz identifiziert werden. Während bei den O4-DBD-Farbstoffen diese Verluste eher gering ausfallen, wird die Lumineszenz der S4-DBD-Farbstoffe fast vollständig gelöscht. Eine Triplettbildung konnte ebenfalls bei den Pyridylanthracenen beobachtet werden, sie hat jedoch einen eher moderaten Anteil am Löschverhalten der Lumineszenz. Der Hauptteil der Lumineszenz-Löschung der protonierten Pyridylanthracene wird eher durch zusätzliche nicht-strahlende Desaktivierungsprozesse über die Pyridylringe verursacht.
Es konnte gezeigt werden, dass die Transientenabsorptionsspektroskopie für die Untersuchung des Löschverhaltens von Uranyl(VI)-Lumineszenz durch Chlorid und Bromid geeignet ist. Es wurde geschlussfolgert, dass die Reduktion der Halogenide durch angeregtes Uranyl(VI) zur Bildung von Dihalogenidradikalen X^(·−2). führt. Diese Redoxreaktion im angeregten Zustand wurde daher als Lumineszenz-Löschmechanismus für beide Halogenide identifiziert. Dieser diffusionslimitierte Mechanismus wird unter cryogenen Bedingungen oder in schwächeren dielektriktrischen Lösemitteln wie ACN oder Aceton unterdrückt.
KW  - spectroscopy
KW  - luminescence
KW  - dye
KW  - quenching
KW  - uranyl
KW  - DBD
KW  - transient
KW  - Spektroskopie
KW  - Lumineszenz
KW  - Farbstoff
KW  - Löschung
KW  - Uranyl
KW  - DBD
KW  - Transient
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-535092
ER  - 
TY  - THES
A1  - Chandrakanth Shetty, Sunidhi
T1  - Directed chemical communication in artificial eukaryotic cells
T1  - Gezielte chemische Kommunikation in künstlichen eukaryotischen Zellen
N2  - Eukaryotic cells can be regarded as complex microreactors capable of performing various biochemical reactions in parallel which are necessary to sustain life. An essential prerequisite for these complex metabolic reactions to occur is the evolution of lipid membrane-bound organelles enabling compartmental- ization of reactions and biomolecules. This allows for a spatiotemporal control over the metabolic reactions within the cellular system. Intracellular organi- zation arising due to compartmentalization is a key feature of all living cells and has inspired synthetic biologists to engineer such systems with bottom-up approaches.
Artificial cells provide an ideal platform to isolate and study specific re- actions without the interference from the complex network of biomolecules present in biological cells. To mimic the hierarchical architecture of eukaryotic cells, multi-compartment assemblies with nested liposomal structures also re- ferred to as multi-vesicular vesicles (MVVs) have been widely adopted. Most of the previously reported multi-compartment systems adopt bulk method- ologies which suffer from low yield and poor control over size. Microfluidic strategies help circumvent these issues and facilitate a high-throughput and robust technique to assemble MVVs of uniform size distribution.
In this thesis, firstly, the bulk methodologies are explored to build MVVs and implement a synthetic signalling cascade. Next, a polydimethylsiloxane (PDMS)-based microfluidic platform is introduced to build MVVs and the significance of PEGylated lipids for the successful encapsulation of inner com- partments to generate stable multi-compartment systems is highlighted.
Next, a novel two-inlet channel PDMS-based microfluidic device to create MVVs encompassing a three-step enzymatic reaction cascade is presented. A directed reaction pathway comprising of the enzymes α-glucosidase (α-Glc), glucose oxidase (GOx), and horseradish peroxidase (HRP) spanning across three compartments via reconstitution of size-selective membrane proteins is described. Furthermore, owing to the monodispersity of our MVVs due to microfluidic strategies, this platform is employed to study the effect of com- partmentalization on reaction kinetics.
Further integration of cell-free expression module into the MVVs would allow for gene-mediated signal transduction within artificial eukaryotic cells. Therefore, the chemically inducible cell-free expression of a membrane protein alpha-hemolysin and its further reconstitution into liposomes is carried out.
In conclusion, the present thesis aims to build artificial eukaryotic cells to achieve size-selective chemical communication that also show potential for applications as micro reactors and as vehicles for drug delivery.
N2  - Eukaryontische Zellen können als komplexe Mikroreaktoren betrachtet werden, die in der Lage sind, verschiedene biochemische Reaktionen parallel durchzuführen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens notwendig sind. Eine wesentliche Voraussetzung für die Durchführung dieser komplexen Stoffwechselreaktionen ist die Entwicklung von Organellen mit Lipidmembranen, die eine Kompartimentierung von Reaktionen und Biomolekülen ermöglichen. Dies ermöglicht eine räumlich-zeitliche Kontrolle über die Stoffwechselreaktionen innerhalb des zellulären Systems. Die durch die Kompartimentierung entstehende intrazelluläre Organisation ist ein Schlüsselmerkmal aller lebenden Zellen und hat synthetische Biologen dazu inspiriert, solche Systeme mit Bottom-up-Ansätzen zu entwickeln.

Künstliche Zellen bieten eine ideale Plattform, um spezifische Reaktionen zu isolieren und zu untersuchen, ohne dass das komplexe Netzwerk von Biomolekülen, das in biologischen Zellen vorhanden ist, stört. Um die hierarchische Architektur eukaryontischer Zellen zu imitieren, haben sich Multikompartiment-Anordnungen mit verschachtelten liposomalen Strukturen, die auch als multivesikuläre Vesikel (MVV) bezeichnet werden, durchgesetzt. Die meisten der bisher vorgestellten Multikompartiment-Systeme basieren auf Bulk-Methoden, die eine geringe Ausbeute und eine schlechte Kontrolle über die Größe aufweisen. Mikrofluidische Strategien helfen, diese Probleme zu umgehen und ermöglichen eine robuste Technik mit hohem Durchsatz, um MVVs mit einheitlicher Größenverteilung herzustellen.

In dieser Dissertation werden zunächst die Bulk-Methoden zum Aufbau von MVVs und zur Implementierung einer synthetischen Signalkaskade untersucht. Anschließend wird eine auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierende mikrofluidische Plattform zur Herstellung von MVVs vorgestellt und die Bedeutung von PEGylierten Lipiden für die erfolgreiche Verkapselung der inneren Kompartimente zur Erzeugung stabiler Multikompartiment-Systeme hervorgehoben.

Es wird ein neuartiges mikrofluidisches Gerät mit zwei Einlasskanälen auf PDMS-Basis zur Herstellung von MVVs vorgestellt, das eine dreistufige enzymatische Reaktionskaskade umfasst. Es wird ein gerichteter Reaktionsweg beschrieben, der die Enzyme α-Glucosidase (α-Glc), Glucoseoxidase (GOx) und Meerrettichperoxidase (HRP) umfasst und sich über drei Kompartimente erstreckt, die durch die Rekonstitution von größenselektiven Membranproteinen entstehen. Aufgrund der Monodispersität unserer MVVs durch mikrofluidische Strategien nutze ich diese Plattform außerdem, um die Auswirkungen der Kompartimentierung auf die Reaktionskinetik zu untersuchen.
Eine weitere Integration von zellfreien Expressionsmodulen in MVVs würde eine genvermittelte Signaltransduktion in künstlichen eukaryotischen Zellen ermöglichen. Daher wird die chemisch induzierbare zellfreie Expression eines Membranproteins alpha-Hämolysin und seine weitere Rekonstitution in Liposomen durchgeführt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die vorliegende Arbeit darauf abzielt, künstliche eukaryotische Zellen zu bauen, um eine größenselektive chemische Kommunikation zu erreichen, und das Potenzial für Anwendungen als Mikroreaktoren und als Vehikel für die Verabreichung von Medikamenten aufweisen.
KW  - microfluidics
KW  - synthetic biology
KW  - Mikrofluidik
KW  - synthetische Biologie
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-533642
ER  - 
TY  - THES
A1  - Altabal, Osamah
T1  - Design and fabrication of geometry-assisted on-demand dosing systems
N2  - The controlled dosage of substances from a device to its environment, such as a tissue or an organ in medical applications or a reactor, room, machinery or ecosystem in technical, should ideally match the requirements of the applications, e.g. in terms of the time point at which the cargo is released. On-demand dosage systems may enable such a desired release pattern, if the device contain suitable features that can translate external signals into a release function. This study is motivated by the opportunities arising from microsystems capable of an on-demand release and the contributions that geometrical design may have in realizing such features. The goals of this work included the design, fabrication, characterization and experimental proof-of-concept of geometry-assisted triggerable dosing effect (a) with a sequential dosing release and (b) in a self-sufficient dosage system.  Structure-function relationships were addressed on the molecular, morphological and, with a particular attention, the device design level, which is on the micrometer scale. Models and/or computational tools were used to screen the parameter space and provide guidance for experiments.
N2  - Die kontrollierte Freisetzung von Substanzen aus einem Device in seine Umgebung, wie ein Gewebe oder Organ in medizinischen Anwendungen oder ein Reaktor, ein Raum, ein Gerät oder ein Ökosystem in technischer Nutzung sollte idealerweise den Anforderungen des Einsatzzweckes entsprechen, beispielsweise hinsichtlich des Zeitpunktes an dem die Freisetzung erfolgt. On-demand Freisetzungssysteme könnten eine derartiges gewünschtes Verhalten zeigen, wenn das System die Befähigung besitzt, externe Signale in eine Freisetzungsfunktion zu überführen. Diese Arbeit greift die Möglichkeiten auf, die sich durch den Einsatz und ein gezieltes Design von mikrostrukturierten Systemen für die Realisierung einer on-demand Freisetzung ergeben könnten. Die Ziele der Arbeit umfassen die Konzeptionierung, Herstellung, Charakterisierung sowie den grundsätzlichen Nachweis durch Stimuli induzierten on-demand Freisetzungsfunktion einerseits in Form eines sequentiellen Freigabeverhaltens und anderseits in Form eines autarken (kontaktfrei ausgelösten) Dosiersystems. Struktur-Eigenschafts-Beziehungen wurden auf molekularer, morphologischer und - mit besonderen Augenmerk - auf der Ebene des Device-Designs untersucht. Modelle und/oder Computer-gestützte Verfahren wurden verwendet um geeignete Materialparameter zu identifizieren und einen Leitfaden für die Experimente bereitzustellen.
KW  - Stress concentration
KW  - Negative Poisson’s ratio
KW  - On-demand release
KW  - Spannungskonzentrationen
KW  - Negatives Poisson-Verhältnis
KW  - On-demand Freisetzung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-532441
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kirchhofer, Tabea
T1  - The development of multi - compartmentalised systems for the directed organisation of artificial cells
N2  - Membrane contact sites are of particular interest in the field of synthetic biology and biophysics. They are involved in a great variety of cellular functions. They form in between two cellular organelles or an organelle and the plasma membrane in order to establish a communication path for molecule transport or signal transmission.  
The development of an artificial membrane system which can mimic membrane contact sites using bottom up synthetic biology was the goal of this research study. For this, a multi - compartmentalised giant unilamellar vesicle (GUV) system was created with the membrane of the outer vesicle mimicking the plasma membrane and the inner GUVs posing as cellular organelles.  
In the following steps, three different strategies were used to achieve an internal membrane - membrane adhesion.
N2  - Viele bedeutende Prozesse einer Zelle spielen sich an den Berührungsstellen zwischen Zellmembranen und auch zwischen Zellmembranen und der Plasmamembran ab. An diesen, aus spezifischen Lipiden und Proteinen aufgebauten Kontaktstellen, können auf Grund der geringen Entfernung Signale und auch Moleküle ausgetauscht werden. 
Ziel dieses Forschungsprojektes war die Entwicklung eines künstlichen Zellmembransystems, das in der Lage ist diese Kontaktstellen nachzubilden. Dafür wurden multikompartmentalisierte riesige unilamellare Vesikel (GUVs) aufgebaut. Dies bedeutet, dass sich ein GUV innerhalb eines anderen GUVs befindet. Das äußere Vesikel bildet in diesem System die Plasma Membran, während das Innere als Zellorganelle fungiert. Dieses System wird auch als Vesosom bezeichnet. Im Folgenden wurden drei verschiedene Strategien entwickelt, um interne Haftung (Adhäsion) zwischen den Membranen zu erzeugen.
KW  - vesicle studies
KW  - membrane science
KW  - synthetic biology
KW  - internal membrane-membrane adhesion
KW  - artificial cells
KW  - multi-compartmentalised vesicles
KW  - künstliche Zellen
KW  - interne Membran-Membran Adhäsion
KW  - Membranforschung bzw. Membranwissenschaften
KW  - multi-kompartmentalisierte Vesikel
KW  - Synthetische Biologie
KW  - Vesikel Forschung/Vesikel Studien
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-528428
ER  - 
TY  - THES
A1  - Sanay, Berran
T1  - Monomers and polymers based on renewable resources for new photopolymer coating
N2  - The present work focuses on minimising the usage of toxic chemicals by integration of the biobased monomers, derived from fatty acid esters, to photopolymerization processes, which are known to be nature friendly. Internal double bond present in the oleic acid was converted to more reactive (meth)acrylate or epoxy group. Biobased starting materials, functionalized by different pendant groups, were used for photopolymerizing formulations to design of new polymeric structures by using ultraviolet light emitting diode (UV-LED) (395 nm) via free radical polymerization or cationic polymerization. 
New (meth)acrylates (2,3 and 4) consisting of two isomers, methyl 9-((meth)acryloyloxy)-10-hydroxyoctadecanoate / methyl 9-hydroxy-10-((meth)acryloyloxy)octadecanoate (2 and 3) and methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4), modified from oleic acid mix, and ionic liquid monomers (1a and 1b) bearing long alkyl chain were polymerized photochemically. New (meth)acrylates are based on vegetable oil, and ionic liquids (ILs) have nonvolatile behaviour. Therefore, both monomer types have green approach. Photoinitiated polymerization of new (meth)acrylates and ionic liquids was investigated in the presence of ethyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenylphosphinate (Irgacure® TPO−L) or di(4-methoxybenzoyl)diethylgermane (Ivocerin®) as photoinitiator (PI). Additionally, the results were discussed in comparison with those obtained from commercial 1,6-hexanediol di(meth)acrylate (5 and 6) for deeper investigation of biobased monomer’s potential to substitute petroleum derived materials with renewable resources for possible coating applications. Kinetic study shows that methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4) and ionic liquids (1a and 1b) have quantitative conversion after irradiation process which is important for practical applications. On the other hand, heat generation occurs in a longer time during the polymerization of biobased systems or ILs.
The poly(meth)acrylates modified from (meth)acrylated fatty acid methyl ester monomers generally show a low glass transition temperature because of the presence of long aliphatic chain in the polymer structure. However, poly(meth)acrylates containing aromatic group have higher glass transition temperature. Therefore, new 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) was synthesized which can be a promising candidate for the green techniques, such as light induced polymerization. Photokinetic investigation of the new monomer, 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7), was discussed using Irgacure® TPO−L or Ivocerin® as photoinitiator. The reactivity of that monomer was compared to commercial 2-phenoxyethyl methacrylate (8) and phenyl methacrylate (9) basis of the differences on monomer structures. The photopolymer of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) might be an interesting candidate for the coating application with the properties of quantitative conversion and high molecular weight. It also shows higher glass transition temperature.
In addition to the linear systems based on renewable materials, new crosslinked polymers were also designed in this thesis. Therefore, isomer mixture consisting of ethane-1,2-diyl bis(9-methacryloyloxy-10-hydroxy octadecanoate), ethane-1,2-diyl 9-hydroxy-10-methacryloyloxy-9’-methacryloyloxy10’-hydroxy octadecanoate and ethane-1,2-diyl bis(9-hydroxy-10-methacryloyloxy octadecanoate) (10) was synthesized by derivation of the oleic acid which has not been previously described in the literature. Crosslinked material based on this biobased monomer was produced by photoinitiated free radical polymerization using Irgacure® TPO−L or Ivocerin® as photoinitiator. Furthermore, material properties were diversified by copolymerization of 10 with 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) or methyl 9-(1H-imidazol-1-yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoate / methyl 9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1-yl)octadecanoate (4). In addition to this, influence of comonomer with different chemical structure on the network system was investigated by analysis of thermo-mechanical properties, crosslink density and molecular weight between two crosslink junctions. An increase in the glass transition temperature caused by copolymerization of biobased monomer 10 with the excess amount of 4-(4-methacryloyloxyphenyl)-butan-2-one (7) was confirmed by both techniques, differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA). On the other hand, crosslink density decreased as a result of copolymerization reactions due to the reduction in the mean functionality of the system. Furthermore, surface characterization has been tested by contact angle measurements using solvents with different polarity.
This work also contributes to the limited data reported about cationic photopolymerization of the epoxidized vegetable oils in the literature in contrast to the widely investigation of thermal curing of the biorenewable epoxy monomers. In addition to the 9,10-epoxystearic acid methyl ester (11), a new monomer of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) has been synthesized from oleic acid. These two biobased epoxies have been polymerized via cationic photoinitiated polymerization in the presence of bis(t-butyl)-iodonium-tetrakis(perfluoro-t-butoxy)aluminate ([Al(O-t-C4F9)4]-) and isopropylthioxanthone (ITX) as photinitiating system. Polymerization kinetic of 9,10-epoxystearic acid methyl ester (11) and bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) was investigated and compared with the kinetic of commercial monomers being 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3’,4’-epoxycyclohexane carboxylate (13), 1,4-butanediol diglycidyl ether (14), and diglycidylether of bisphenol-A (15). Both biobased epoxies (11 and 12) showed higher conversion than cycloaliphatic epoxy (13), and lower reactivity than 1,4-butanediol diglycidyl ether (14). Additional network systems were designed by copolymerization of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) and diglycidylether of bisphenol-A (15) in different molar ratios (1:1; 1:5; 1:9). It addresses that, final conversion is dependent on polymerization rate as well as physical processes such as vitrification during polymerization. Moreover, low glass transition temperature of homopolymer derived from bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) was successfully increased by copolymerization with diglycidylether bisphenol-A (15). On the other hand, the surface produced from bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) shows hydrophobic character. Higher concentration of biobased diepoxy (12) in the copolymerizing mixture decreases surface free energy. Network systems were also investigated according to the rubber elasticity theory. Crosslinked polymer derived from the mixture of bis-(9,10-epoxystearic acid) 1,2-ethanediyl ester (12) and diglycidylether of bisphenol-A (15)  (molar ratio=1:5) exhibits  almost ideal polymer network.
N2  - Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Minimierung des Einsatzes von giftigen Chemikalien durch die Integration von biobasierten Monomeren, die aus Fettsäureestern gewonnen werden, in Photopolymerisationsprozessen, die als naturfreundlich bekannt sind. Die in der Ölsäure vorhandene interne Doppelbindung wurde in eine reaktivere (Meth)acrylat- oder Epoxidgruppe umgewandelt. Biobasierte Ausgangsmaterialien, funktionalisiert durch verschiedene Seitengruppen, wurden für photopolymerisierende Formulierungen verwendet, um neue polymere Strukturen unter Verwendung einer ultravioletten lichtemittierenden Diode (UV-LED) (395 nm) über freie radikalische Polymerisation oder kationische Polymerisation zu entwickeln. 

Neue (Meth)acrylate, Methyl-9-((meth)acryloyloxy)-10-hydroxyoctadecanoat / Methyl-9-hydroxy-10-((meth)acryloyloxy)octadecanoat (2 und 3) und Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)octadecanoat / Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoat (4), modifiziert aus einem Ölsäuregemisch und ionischen flüssigen Monomeren mit eine langen Alkylkette wurden photochemisch polymerisiert. Die neuen (Meth)acrylate basieren auf Pflanzenöl. Die ionischen Flüssigkeiten (ILs) haben ein nichtflüchtiges Verhalten. Daher haben beide Monomertypen einen grünen Ansatz. Photoinitiierte Polymerisationen von neuen (Meth)acrylaten und ionischen Flüssigkeiten wurden in Gegenwart von Ethyl-(2,4,6-trimethylbenzoyl)phenylphosphinat (Irgacure® TPO-L) oder Di(4-methoxybenzoyl)diethylgerman (Ivocerin®) als Photoinitiator untersucht. Zusätzlich wurden die Ergebnisse im Vergleich mit denen von kommerziellem 1,6-hexandiol di(meth)acrylat (5 und 6) diskutiert, um das Potenzial von biobasierten Monomeren zur Substitution von erdölbasierten Materialien durch erneuerbare Ressourcen für mögliche Beschichtungsanwendungen genauer zu untersuchen. Die kinetische Studie zeigt, dass Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)octadecanoat / Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)octadecanoat (4) und die ionischen Flüssigkeiten (1a und 1b) eine quantitative Umsetzung nach dem Bestrahlungsprozess aufweisen, was für praktische Anwendungen wichtig ist. Andererseits erfolgt die Wärmeentwicklung bei der Polymerisation von biobasierten Systemen oder ILs in einem längeren Zeitraum.

Die aus Fettsäuren hergestelltem modifizierten Poly(meth)acrylate zeigen im Allgemeinen eine niedrige Glasübergangstemperatur aufgrund der Anwesenheit einer langen aliphatischen Kette in der Polymerstruktur. Poly(meth)acrylate, die eine aromatische Gruppe enthalten, haben jedoch eine höhere Glasübergangstemperatur. Daher wurde das neue 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) synthetisiert, das ein vielversprechender Kandidat für die grünen Techniken, wie zum Beispiel die lichtinduzierte Polymerisation, sein kann. Die photokinetische Untersuchung des neuen Monomers, 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7), wurde unter Verwendung von Irgacure® TPO-L oder Ivocerin® als Photoinitiator diskutiert. Die Reaktivität dieses Monomers wurde mit kommerziellem 2-Phenoxyethylmethacrylat (8) und Phenylmethacrylat (9) aufgrund der Unterschiede in der Monomerstruktur verglichen. Das Photopolymer von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) könnte ein interessanter Kandidat und eine Alternative zu den herkömmlichen Monomeren für die Beschichtungsanwendung sein aufgrund der quantitativen Umsetzung des Monomeren und des hohen Molekulargewichts sowie einer höheren Glasübergangstemperatur des resultieren den Photopolymeren.

Neben den linearen Systemen auf Basis nachwachsender Rohstoffe wurden in dieser Arbeit auch neue vernetzte Polymere entwickelt. So wurde ein Ethan-1,2-diyl bis(9-methacryloyloxy-10-hydroxy octadecanoate), Ethane-1,2-diyl 9-hydroxy-10-methacryloyloxy-9’-methacryloyloxy10’-hydroxy octadecanoat und Ethane-1,2-diyl bis(9-hydroxy-10-methacryloyloxy octadecanoat) (10) Monomer mit zwei funktionellen Gruppen durch weitere Derivatisierung der Ölsäure synthetisiert, das bisher in der Literatur nicht beschrieben wurde. Ein vernetztes Material Auf Basis dieses biobasierten Monomers wurde durch photoinitiierte, radikalische Polymerisation unter Verwendung von Irgacure® TPO-L oder Ivocerin® als Photoinitiator hergestellt. Darüber hinaus wurden die Materialeigenschaften durch Copolymerisation des 10 mit 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) oder Methyl-9-(1H-imidazol-1yl)-10-(methacryloyloxy)-octadecanoat /Methyl-9-(methacryloyloxy)-10-(1H-imidazol-1yl)-octadecanoat (4) variiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Comonomeren mit unterschiedlicher chemischer Struktur auf das Netzwerksystem durch Analyse der mechanischen Eigenschaften, der Glasübergangstemperaturen, der Vernetzungsdichte und des Molekulargewichts zwischen zwei Vernetzungsstellen untersucht. Eine Erhöhung der Glasübergangstemperatur durch die Copolymerisation von 10 mit einem Überschuss von 4-(4-Methacryloyloxyphenyl)-butan-2-on (7) wurde durch DSC und DMA bestätigt. Andererseits verringerte sich die Vernetzungsdichte aufgrund der Verringerung der mittleren Funktionalität des Systems. Darüber hinaus wurde die Oberflächencharakterisierung durch Kontaktwinkelmessungen unter Verwendung von Lösungsmitteln mit unterschiedlicher Polarität getestet.

Diese Arbeit trägt auch zur Erweiterung der in der Literatur über die kationische Photopolymerisation der epoxidierten Pflanzenöle berichteten Erkenntnisse bei, die, im Gegensatz zu den weit verbreiteten Untersuchungen zur thermischen Härtung der biobasierten Epoxidmonomere nur begrenzt verfügbar sind. Zusätzlich zum 9,10-Epoxystearinsäuremethylester (11) wurde ein neues Monomer Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) auf der Basis von Ölsäure synthetisiert. Diese beiden biobasierten Epoxide wurden durch kationische photoinitiierte Polymerisation in Gegenwart von Bis(t-butyl)-iodonium-tetrakis(perfluor-t-butoxy)aluminat ([Al(O-t-C4F9)4]-) und Isopropylthioxanthon (ITX) als photostimulierendes System polymerisiert. Die Polymerisationskinetik von 9,10-Epoxystearinsäuremethylester (11) und Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) wurde untersucht und mit der Kinetik der kommerziellen Monomere 3,4-Epoxycyclohexylmethyl-3',4'-epoxycyclohexancarboxylat (13), 1,4-Butandioldiglycidylether (14) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) verglichen. Beide biobasierten Epoxide (11 und 12) zeigten eine höhere Umwandlung als  das cycloaliphatische Epoxid (13) und eine geringere als 1,4-Butandioldiglycidylether (14). Weitere Netzwerksysteme wurden durch Copolymerisation von Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) in verschiedenen molaren Verhältnissen (1:1; 1:5; 1:9) hergestellt. Es wird angesprochen, dass der endgültige Umsatz sowohl von der Polymerisationsgeschwindigkeit als auch von physikalischen Prozessen wie der Verglasung während der Polymerisation abhängig ist. Darüber hinaus wurde die niedrige Glasübergangstemperatur des Homopolymers aus Bis-(9,10-epoxystearinsäure)-1,2-ethandiylester (12) durch Copolymerisation mit Diglycidylether von Bisphenol-A (15) erfolgreich erhöht. Andererseits zeigt die aus Bis-(9,10-epoxystearinsäure) 1,2-ethan-diylester (12) hergestellte Oberfläche einen hydrophoben Charakter. Eine höhere Konzentration des biobasierten difunktionellen Epoxids (12) in der Copolymerisationsmischung verringert die freie Oberflächenenergie. Die Netzwerksysteme wurden auch unter Einsatz der Gummielastizitätstheorie untersucht. Das vernetzte Polymer, das aus der Mischung von Bis-(9,10-epoxystearinsäure) 1,2-ethan-diylester (12) und Diglycidylether von Bisphenol-A (15) (Molverhältnis=1:5) hergestellt wurde, zeigt ein nahezu ideales Polymernetzwerk.
KW  - Biobased Polymers
KW  - Renewable Resources
KW  - Coating Applications
KW  - Photopolymers
KW  - Photopolymerization
KW  - Biobasierte Polymere
KW  - Beschichtungsanwendung
KW  - Photoinitiierte Polymerisationen
KW  - Photopolymer
KW  - Erneuerbare Ressourcen
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518684
ER  - 
TY  - THES
A1  - Izraylit, Victor
T1  - Reprogrammable and tunable actuation in multiblock copolymer blends
T1  - Reprogrammierbare und abstimmbare Aktuation in Blenden von Multiblock Copolymeren
N2  - Soft actuators have drawn significant attention due to their relevance for applications, such as artificial muscles in devices developed for medicine and robotics. Tuning their performance and expanding their functionality are frequently done by means of chemical modification. The introduction of structural elements rendering non-synthetic modification of the performance possible, as well as control over physical appearance and facilitating their recycling is a subject of a great interest in the field of smart materials. The primary aim of this thesis was to create a shape-memory polymeric actuator, where the capability for non-synthetic tuning of the actuation performance is combined with reprocessability. Physically cross-linked polymeric matrices provide a solid material platform, where the in situ processing methods can be employed for modification of the composition and morphology, resulting in the fine tuning of the related mechanical properties and shape-memory actuation capability. 
The morphological features, required for shape-memory polymeric actuators, namely two crystallisable domains and anchoring points for physical cross-links, were embedded into a multiblock copolymer with poly(ε-caprolactone) and poly(L-lactide) segments (PLLA-PCL). Here, the melting transition of PCL was bisected into the actuating and skeleton-forming units, while the cross-linking was introduced via PLA stereocomplexation in blends with oligomeric poly(D-lactide) (ODLA). PLLA segment number average length of 12-15 repeating units was experimentally defined to be capable of the PLA stereocomplexes formation, but not sufficient for the isotactic crystallisation. Multiblock structure and phase dilution broaden the PCL melting transition, facilitating its separation into two conditionally independent crystalline domains. Low molar mass of the PLA stereocomplex components and a multiblock structure enables processing and reprocessing of the PLLA-PCL / ODLA blends with common non-destructive techniques. The modularity of the PLLA-PCL structure and synthetic approach allows for independent tuning of the properties of its components. The designed material establishes a solid platform for non-synthetic tuning of thermomechanical and structural properties of thermoplastic elastomers.
To evaluate the thermomechanical stability of the formed physical network, three criteria were appraised. As physical cross-links, PLA stereocomplexes have to be evenly distributed within the material matrix, their melting temperature shall not overlap with the thermal transitions of the PCL domains and they have to maintain the structural integrity within the strain ε ranges further applied in the shape-memory actuation experiments. Assigning PCL the function of the skeleton-forming and actuating units, and PLA stereocomplexes the role of physical netpoints, shape-memory actuation was realised in the PLLA-PCL / ODLA blends. Reversible strain of shape-memory actuation was found to be a function of PLA stereocomplex crystallinity, i.e. physical cross-linking density, with a maximum of 13.4 ± 1.5% at PLA stereocomplex content of 3.1 ± 0.3 wt%. In this way, shape-memory actuation can be tuned via adjusting the composition of the PLLA-PCL / ODLA blend. This makes the developed material a valuable asset in the production of cost-effective tunable soft polymeric actuators for the applications in medicine and soft robotics.
N2  - Weiche Polymer-Aktuatoren haben, dank ihrer Bedeutung bei Anwendungen wie z.B. als künstliche Muskeln in Geräten oder in Medizin und Robotik, maßgeblich Aufmerksamkeit erregt. Das Einstellen ihrer Leistung und die Erweiterung ihrer Funktionalität werden oft mittels chemischer Modifizierung durchgeführt. Die Einführung struktureller Elemente, die durch nicht-synthetische Prozesse hervorgerufene Einstellung von Eigenschaften, sowie die Kontrolle der physikalischen Parameter und die Möglichkeit, das Material erneut zu verarbeiten, sind von besonderem Interesse für das Design von intelligenten Werkstoffen. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es einen polymeren Formgedächtnis-Aktuator zu entwickeln, der die durch nicht-synthetische Prozesse hervorgerufene Einstellung der Aktuator Parameter mit erneuter Formgebung kombiniert. Physikalisch vernetzte Polymermatrizen stellen dafür eine solide Materialbasis dar, wobei in situ Verarbeitungsmethoden zum Ändern der Zusammensetzung und der Morphologie verwendet werden können. Die Folge davon ist eine präzise Einstellung der entsprechenden mechanischen Eigenschaften und der Formgedächtnis-Aktuator-Leistung. 
Die morphologischen Elemente, die für die polymeren Formgedächtnis-Aktuatoren benötig werden, nämlich zwei kristallisierbare Domänen und Verankerungspunkte für die physikalischen Cross-Links, wurden in einem Multiblock-Copolymer aus Poly(ε-Caprolakton) und Poly(L-Lactid) Segmenten (PLLA-PCL) integriert. Die Cross-Links wurden durch PLA-Stereokomplexe in Blends mit Poly(D-Lactid) Oligomer (ODLA) geformt. Um die thermomechanische Beständigkeit der hergestellten physikalischen Vernetzung einzuschätzen, wurden drei Kriterien bewertet. Die Erfüllung des morphologischen Kriteriums, gleichmäßige Verteilung innerhalb des Materials, wurde aus der Mikrophasenstruktur abgeleitet. Diese bestand aus einer kontinuierlichen PCL Phase und den isolierten PLA Domänen mit einem durchschnittlichen Domänenabstand von nm Maßstab. Die Schmelzübergänge von PLA Stereokomplexen und PCL überschnitten sich nicht, womit das thermische Kriterium erfüllt wurde. Die Gehalts- und Dehnungsbereiche der strukturelle Beständigkeit der PLA Stereokomplexe wurde in einer detaillierten Untersuchung der mechanischen Eigenschaften mittels Zug-, Dehnungsrückstellungs- und Spannungsrelaxationsversuchen definiert. Indem PCL die skelettbildende und die Aktuatorfunktion zugeordnet wurde, und die PLA Stereokomplexe die Rolle des physikalischen Netzwerks übernehmen, lassen sich in den PLLA-PCL / ODLA Polymerblends Formgedächtniseffekte ausführen. Des Weiteren wurde die Formgedächtnis-Aktuation ε′rev als eine Funktion des Gehalts an PLA Stereokomplex φc mit einem extremalen Charakter festgestellt, d.h. von der Dichte der physikalischen Cross-Links abhängt. Dadurch könnte ε′rev im PLLA-PCL / ODLA System mittels Variation der Zusammensetzung eingestellt werden. Dies verschafft dem entwickelten Polymermaterial ein wertvoller Vorteil bei der Herstellung von kosteffektiven, skalierbaren polymeren Formgedächtnis-Aktuatoren für Anwendungen in der Medizin und der Robotik.
KW  - Actuator
KW  - Shape-memory
KW  - Multiblock copolymer
KW  - Thermoplastic elastomer
KW  - Stereocomplex
KW  - Polymer physics
KW  - Polymer chemistry
KW  - Aktuator
KW  - Multiblock Copolymer
KW  - Polymerchemie
KW  - Polymerphysik
KW  - Formgedächtnis
KW  - Stereokomplex
KW  - thermoplastisches Elastomer
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-518434
ER  - 
TY  - THES
A1  - Ebel, Kenny
T1  - Quantification of low-energy electron induced single and double strand breaks in well-defined DNA sequences using DNA origami nanostructures
T1  - Quantifizierung von DNA Einzel- und Doppelstrangbrüchen definierter DNA Sequenzen induziert durch niederenergetische Elektronen unter Verwendung von DNA Origami Nanostrukturen
N2  - Ionizing radiation is used in cancer radiation therapy to effectively damage the DNA of tumors leading to cell death and reduction of the tumor tissue. The main damage is due to generation of highly reactive secondary species such as low-energy electrons (LEE) with the most probable energy around 10 eV through ionization of water molecules in the cells. A simulation of the dose distribution in the patient is required to optimize the irradiation modality in cancer radiation therapy, which must be based on the fundamental physical processes of high-energy radiation with the tissue. In the present work the accurate quantification of DNA radiation damage in the form of absolute cross sections for LEE-induced DNA strand breaks (SBs) between 5 and 20 eV is done by using the DNA origami technique. This method is based on the analysis of well-defined DNA target sequences attached to DNA origami triangles with atomic force microscopy (AFM) on the single molecule level. The present work focuses on poly-adenine sequences (5'-d(A4), 5'-d(A8), 5'-d(A12), 5'-d(A16), and 5'- d(A20)) irradiated with 5.0, 7.0, 8.4, and 10 eV electrons. Independent of the DNA length, the strand break cross section shows a maximum around 7.0 eV electron energy for all investigated oligonucleotides confirming that strand breakage occurs through the initial formation of negative ion resonances. Additionally, DNA double strand breaks from a DNA hairpin 5'-d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4 are examined for the first time and are compared with those of DNA single strands 5'-d(CAC)4 and 5'- d(GTG)4. The irradiation is made in the most likely energy range of 5 to 20 eV with an anionic resonance maximum around 10 eV independently of the DNA sequence. There is a clear difference between σSSB and σDSB of DNA single and double strands, where the strand break for ssDNA are always higher in all electron energies compared to dsDNA by the factor 3. A further part of this work deals with the characterization and analysis of new types of radiosensitizers used in chemoradiotherapy, which selectively increases the DNA damage upon radiation. Fluorinated DNA sequences with 2'-fluoro-2'-deoxycytidine (dFC) show an increased sensitivity at 7 and 10 eV compared to the unmodified DNA sequences by an enhancement factor between 2.1 and 2.5. In addition, light-induced oxidative damage of 5'-d(GTG)4 and 5'-d((CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4) modified DNA origami triangles by singlet oxygen 1O2 generated from three photoexcited DNA groove binders [ANT994], [ANT1083] and [Cr(ddpd)2][BF4]3 illuminated in different experiments with UV-Vis light at 430, 435 and 530 nm wavelength is demonstrated. The singlet oxygen induced generation of DNA damage could be detected in both aqueous and dry environments for [ANT1083] and [Cr(ddpd)2][BF4]3.
N2  - In der Radiotherapie wird ionisierende Strahlung verwendet, um die DNA in Tumorzellen wirksam zu schädigen. Der Hauptschaden ist auf die Erzeugung hochreaktiver Sekundärspezies wie niederenergetische Elektronen (LEE) durch Ionisierung von Wassermolekülen in den Zellen mit einer wahrscheinlichsten Energie um 10 eV zurückzuführen. Die Optimierung der Bestrahlungsmodalität in der Strahlentherapie beruht auf Simulationen der Dosisverteilung im menschlichen Körper, die auf fundamentale physikalische Prozesse zwischen hochenergetischer Strahlung mit dem Gewebe basieren.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der exakten Quantifizierung von LEE-induzierten DNA-Strahlenschäden in Form von absoluten Wirkungsquerschnitten σSB für DNA-Strangbrüche (SBs) zwischen 5 und 20 eV mit Hilfe der DNA-Origami-Technik. Diese Methode verwendet wohl definierte DNA-Zielsequenzen gebunden an DNA-Origami Nanostrukturen, dessen Schädigung durch die Rasterkraftmikroskopie auf Einzelmolekülniveau untersucht werden kann. Ein großer Fokus liegt auf den Bestrahlungsexperimenten von Polyadeninsequenzen ((5'-d(A4), 5'-d(A8), 5'-d(A12), 5'-d(A16) und 5'-d(A20) unterschiedlicher Nukleotidanzahl) bestrahlt mit 5.0, 7.0, 8.4 und 10 eV Elektronen. Unabhängig von der DNA-Nukleotidlänge zeigen die Strangbruchquerschnitte für alle untersuchten Oligonukleotide ein Maximum um 7.0 eV Elektronenenergie. Diese DNA-Strangbrüche sind durch die anfängliche Bildung negativer Ionenresonanzen bedingt. Zusätzlich werden erstmals Wirkungsquerschnitte für DNA-Doppelstrangbrüche σDSB spezifischer Sequenz (5'- d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4) ermittelt und mit den Wirkungsquerschnitten von DNA-Einzelstrangbrüchen σSSB (5'- d(CAC)4 und 5'-d(GTG)4) verglichen. Die Bestrahlungen erfolgen im Energiebereich von 5 bis 20 eV mit einem anionischen Resonanzmaximum um 10 eV unabhängig von der DNA-Sequenz. Es wird ein deutlicher Unterschied zwischen σSSB und σDSB von DNA-Einzel- und Doppelstrangbrüchen im Verhältnis von 3 zu 1 erhalten. Des Weiteren befasst sich ein großer Forschungsbereich in der Radiochemotherapie mit der Charakterisierung und Analyse neuer Radiosensibilisatoren, die den DNA-Schaden bei Bestrahlung selektiv erhöhen können. Dafür werden DNA-Sequenzen mit 2'-Fluor-2'-desoxycytidin (dFC) modifiziert, die eine erhöhte Empfindlichkeit mit einem Verstärkungsfaktor zwischen 2.1 und 2.5 bei 7 und 10 eV im Vergleich zu den nicht modifizierten DNA-Sequenzen zeigen.
Außerdem können mit der DNA-Origami-Technik lichtinduzierte oxidative DNA-Schädigungen von 5'-d(GTG)4 und 5'- d(CAC)4T(Bt-dT)T2(GTG)4 durch hochreaktivem Singulett-Sauerstoff 1O2 untersucht werden. Der Singulett-Sauerstoff wird durch photoaktive DNA-Binder [ANT994], [ANT1083] und [Cr(ddpd)2][BF4]3 mit UV-Vis Licht bei Wellenlängen von 430, 435 und 530 nm gebildet, die sich auf den DNA-Origami Nanostrukturen nahe den Zielsequenzen zufällig binden. Die Erzeugung von DNA-Schäden konnte sowohl in wässriger als auch in kondensierter Umgebung durch [ANT1083] und [Cr(ddpd)2][BF4]3 nachgewiesen werden.
KW  - DNA damage
KW  - single strand break
KW  - double strand break
KW  - ionizing radiation
KW  - low-energy electrons
KW  - DNA origami
KW  - DNA origami
KW  - Einzelstrangbruch
KW  - Doppelstrangbruch
KW  - niederenergetische Elektronen
KW  - DNA Schädigung
KW  - ionisierende Strahlung
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-504499
ER  -