540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
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Herstellung anisotroper Kolloide mittels templatgesteuerter Assemblierung und Kontaktdruckverfahren
(2017)
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Daniela John
- Diese Arbeit befasste sich mit neuen Konzepten zur Darstellung anisotroper Partikelsysteme durch Anordnung von funktionalisierten Partikeln unter Zuhilfenahme etablierter Methoden wie der templatgestützten Assemblierung von Partikeln und dem Mikrokontaktdruck.
Das erste Teilprojekt beschäftigte sich mit der kontrollierten Herstellung von Faltenstrukturen im Mikro- bis Nanometerbereich. Die Faltenstrukturen entstehen durch die Relaxation eines Systems bestehend aus zwei übereinander liegender Schichten unterschiedlicher Elastizität. In diesem Fall wurden Falten auf einem elastischen PDMS-Substrat durch Generierung einer Oxidschicht auf der Substratoberfläche mittels Plasmabehandlung erzeugt. Die Dicke der Oxidschicht, die über verschiedene Parameter wie Behandlungszeit, Prozessleistung, Partialdruck des plasmaaktiven Gases, Vernetzungsgrad, Deformation sowie Substratdicke einstellbar war, bestimmte Wellenlänge und Amplitude der Falten.
Das zweite Teilprojekt hatte die Darstellung komplexer, kolloidaler Strukturen auf Basis supramolekularer Wechselwirkungen zum Ziel. Dazu sollte vor allem die templatgestützte Assemblierung von Partikeln sowohl an fest-flüssig als auch flüssig-flüssig Grenzflächen genutzt werden. Für Erstere sollten die in Teilprojekt 1 hergestellten Faltenstrukturen als Templat, für Letztere Pickering-Emulsionen zur Anwendung kommen. Im ersten Fall wurden verschiedene, modifizierte Silicapartikel und Magnetitnanopartikel, deren Größe und Oberflächenfunktionalität (Cyclodextrin-, Azobenzol- und Arylazopyrazolgruppen) variierte, in Faltenstrukturen angeordnet. Die Anordnung hing dabei nicht nur vom gewählten Verfahren, sondern auch von Faktoren wie der Partikelkonzentration, der Oberflächenladung oder dem Größenverhältnis der Partikel zur Faltengeometrie ab.
Die Kombination von Cyclodextrin (CD)- und Arylazopyrazol-modifizierten Partikeln ermöglichte, auf Basis einer Wirt-Gast-Wechselwirkung zwischen den Partikeltypen und einer templatgesteuerten Anordnung, die Bildung komplexer und strukturierter Formen in der Größenordnung mehrerer Mikrometer. Dieses System kann einerseits als Grundlage für die Herstellung verschiedener Janus-Partikel herangezogen werden, andererseits stellt die gerichtete Vernetzung zweier Partikelsysteme zu größeren Aggregaten den Grundstein für neuartige, funktionale Materialien dar. Neben der Anordnung an fest-flüssig Grenzflächen konnte außerdem nachgewiesen werden, dass Azobenzol-funktionalisierte Silicapartikel in der Lage sind, Pickering-Emulsionen über mehrere Monate zu stabilisieren. Die Stabilität und Größe der Emulsionsphase kann über Parameter, wie das Volumenverhältnis und die Konzentration, gesteuert werden. CD-funktionalisierte Silicapartikel besaßen dagegen keine Grenzflächenaktivität, während es CD-basierten Polymeren wiederum möglich war, durch die Ausbildung von Einschlusskomplexen mit den hydrophoben Molekülen der Ölphase stabile Emulsionen zu bilden. Dagegen zeigte die Kombination zwei verschiedener Partikelsysteme keinen oder einen destabilisierenden Effekt bezüglich der Ausbildung von Emulsionen.
Im letzten Teilprojekt wurde die Herstellung multivalenter Silicapartikel mittels Mikrokontaktdruck untersucht. Die Faltenstrukturen wurden dabei als Stempel verwendet, wodurch es möglich war, die Patch-Geometrie über die Wellenlänge der Faltenstrukturen zu steuern. Als Tinte diente das positiv geladene Polyelektrolyt Polyethylenimin (PEI), welches über elektrostatische Wechselwirkungen auf unmodifizierten Silicapartikeln haftet. Im Gegensatz zum Drucken mit flachen Stempeln fiel dabei zunächst auf, dass sich die Tinte bei den Faltenstrukturen nicht gleichmäßig über die gesamte Substratfläche verteilt, sondern hauptsächlich in den Faltentälern vorlag. Dadurch handelte es sich bei dem Druckprozess letztlich nicht mehr um ein klassisches Mikrokontaktdruckverfahren, sondern um ein Tiefdruckverfahren. Über das Tiefdruckverfahren war es dann aber möglich, sowohl eine als auch beide Partikelhemisphären gleichzeitig und mit verschiedenen Funktionalitäten zu modifizieren und somit multivalente Silicapartikel zu generieren. In Abhängigkeit der Wellenlänge der Falten konnten auf einer Partikelhemisphäre zwei bis acht Patches abgebildet werden. Für die Patch-Geometrie, sprich Größe und Form der Patches, spielten zudem die Konzentration der Tinte auf dem Stempel, das Lösungsmittel zum Ablösen der Partikel nach dem Drucken sowie die Stempelhärte eine wichtige Rolle. Da die Stempelhärte aufgrund der variierenden Dicke der Oxidschicht bei verschiedenen Wellenlängen nicht kontant ist, wurden für den Druckprozess meist Abgüsse der Faltensubstrate verwendet. Auf diese Weise war auch die Vergleichbarkeit bei variierender Wellenlänge gewährleistet. Neben dem erfolgreichen Nachweis der Modifikation mittels Tiefdruckverfahren konnte auch gezeigt werden, dass über die Komplexierung mit PEI negativ geladene Nanopartikel auf die Partikeloberfläche aufgebracht werden können.
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CxNy-materials from supramolecular precursors for “All-Carbon” composite materials
(2017)
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Thomas Jordan
- Among modern functional materials, the class of nitrogen-containing carbons combines non-toxicity and sustainability with outstanding properties. The versatility of this materials class is based on the opportunity to tune electronic and catalytic properties via the nitrogen content and –motifs: This ranges from the electronically conducting N-doped carbon, where few carbon atoms in the graphitic lattice are substituted by nitrogen, to the organic semiconductor graphitic carbon nitride (g-C₃N₄), with a structure based on tri-s-triazine units.
In general, composites can reveal outstanding catalytic properties due to synergistic behavior, e.g. the formation of electronic heterojunctions. In this thesis, the formation of an “all-carbon” heterojunction was targeted, i.e. differences in the electronic properties of the single components were achieved by the introduction of different nitrogen motives into the carbon lattice. Such composites are promising as metal-free catalysts for the photocatalytic water splitting. Here, hydrogen can be generated from water by light irradiation with the use of a photocatalyst. As first part of the heterojunction, the organic semiconductor g-C₃N₄ was employed, because of its suitable band structure for photocatalytic water splitting, high stability and non-toxicity. The second part was chosen as C₂N, a recently discovered semiconductor. Compared to g-C₃N₄, the less nitrogen containing C₂N has a smaller band gap and a higher absorption coefficient in the visible light range, which is expected to increase the optical absorption in the composite eventually leading to an enhanced charge carrier separation due to the formation of an electronic heterojunction.
The aim of preparing an “all-carbon” composite included the research on appropriate precursors for the respective components g-C₃N₄ and C₂N, as well as strategies for appropriate structuring. This was targeted by applying precursors which can form supramolecular pre-organized structures. This allows for more control over morphology and atom patterns during the carbonization process.
In the first part of this thesis, it was demonstrated how the photocatalytic activity of g-C₃N₄ can be increased by the targeted introduction of defects or surface terminations. This was achieved by using caffeine as a “growth stopping” additive during the formation of the hydrogen-bonded supramolecular precursor complexes. The increased photocatalytic activity of the obtained materials was demonstrated with dye degradation experiments.
The second part of this thesis was focused on the synthesis of the second component C₂N. Here, a deep eutectic mixture from hexaketocyclohexane and urea was structured using the biopolymer chitosan. This scaffolding resulted in mesoporous nitrogen-doped carbon monoliths and beads. CO₂- and dye-adsorption experiments with the obtained monolith material revealed a high isosteric heat of CO₂-adsorption and showed the accessibility of the monolithic pore system to larger dye molecules. Furthermore, a novel precursor system for C₂N was explored, based on organic crystals from squaric acid and urea. The respective C₂N carbon with an unusual sheet-like morphology could be synthesized by carbonization of the crystals at 550 °C. With this precursor system, also microporous C₂N carbon with a BET surface area of 865 m²/g was obtained by “salt-templating” with ZnCl₂.
Finally, the preparation of a g-C₃N₄/C₂N “all carbon” composite heterojunction was attempted by the self-assembly of g-C₃N₄ and C₂N nanosheets and tested for photocatalytic water splitting. Indeed, the composites revealed high rates of hydrogen evolution when compared to bulk g-C₃N₄. However, the increased catalytic activity was mainly attributed to the high surface area of the nanocomposites rather than to the composition. With regard to alternative composite synthesis ways, first experiments indicated N-Methyl-2-pyrrolidon to be suitable for higher concentrated dispersion of C₂N nanosheets. Eventually, the results obtained in this thesis provide precious synthetic contributions towards the preparation and processing of carbon/nitrogen compounds for energy applications.
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Synthesis of side-chain polystyrenes for all organic solution processed OLEDs
(2017)
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Alejandro Jose Lorente Sánchez
- In the present work side-chain polystyrenes were synthesized and characterized, in order to be applied in multilayer OLEDs fabricated by solution process techniques. Manufacture of optoelectronic devices by solution process techniques is meant to decrease significantly fabrication cost and allow large scale production of such devices.
This dissertation focusses in three series, enveloped in two material classes. The two classes differ to each other in the type of charge transport exhibited, either ambipolar transport or electron transport. All materials were applied in all-organic solution processed green Ir-based devices.
In the first part, a series of ambipolar host materials were developed to transport both charge types, holes and electrons, and be applied especially as matrix for green Ir-based emitters. It was possible to increase devices efficacy by modulating the predominant charge transport type. This was achieved by modification of molecules electron transport part with more electron-deficient heterocycles or by extending the delocalization of the LUMO. Efficiencies up to 28.9 cd/A were observed for all-organic solution-process three layer devices.
In the second part, suitability of triarylboranes and tetraphenylsilanes as electron transport materials was studied. High triplet energies were obtained, up to 2.95 eV, by rational combination of both molecular structures. Although the combination of both elements had a low effect in materials electron transport properties, high efficiencies around 24 cd/A were obtained for the series in all-organic solution-processed two layer devices.
In the last part, benzene and pyridine were chosen as the series electron-transport motif. By controlling the relative pyridine content (RPC) solubility into methanol was induced for polystyrenes with bulky side-chains. Materials with RPC ≥ 0.5 could be deposited orthogonally from solution without harming underlying layers. From the best of our knowledge, this is the first time such materials are applied in this architecture showing moderate efficiencies around 10 cd/A in all-organic solution processed OLEDs.
Overall, the outcome of these studies will actively contribute to the current research on materials for all-solution processed OLEDs.
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The role of serum amyloid A and sphingosine-1-phosphate on high-density lipoprotein functionality
(2017)
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Nicole Prüfer
Burkhard Kleuser
Markus van der Giet
- The high-density lipoprotein (HDL) is one of the most important endogenous cardiovascular protective markers. HDL is an attractive target in the search for new pharmaceutical therapies and in the prevention of cardiovascular events. Some of HDL’s anti-atherogenic properties are related to the signaling molecule sphingosine-1-phosphate (S1P), which plays an important role in vascular homeostasis. However, for different patient populations it seems more complicated. Significant changes in HDL’s protective potency are reduced under pathologic conditions and HDL might even serve as a proatherogenic particle. Under uremic conditions especially there is a change in the compounds associated with HDL. S1P is reduced and acute phase proteins such as serum amyloid A (SAA) are found to be elevated in HDL. The conversion of HDL in inflammation changes the functional properties of HDL. High amounts of SAA are associated with the occurrence of cardiovascular diseases such as atherosclerosis. SAA has potent pro-atherogenic properties, which may have impact on HDL’s biological functions, including cholesterol efflux capacity, antioxidative and anti-inflammatory activities. This review focuses on two molecules that affect the functionality of HDL. The balance between functional and dysfunctional HDL is disturbed after the loss of the protective sphingolipid molecule S1P and the accumulation of the acute-phase protein SAA. This review also summarizes the biological activities of lipid-free and lipid-bound SAA and its impact on HDL function.
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Development of functional hydrogels for sensor applications
(2017)
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Sandor Dippel
- In this work, a sensor system based on thermoresponsive materials is developed by utilizing a modular approach. By synthesizing three different key monomers containing either a carboxyl, alkene or alkyne end group connected with a spacer to the methacrylic polymerizable unit, a flexible copolymerization strategy has been set up with oligo ethylene glycol methacrylates. This allows to tune the lower critical solution temperature (LCST) of the polymers in aqueous media. The molar masses are variable thanks to the excurse taken in polymerization in ionic liquids thus stretching molar masses from 25 to over 1000 kDa. The systems that were shown shown to be effective in aqueous solution could be immobilized on surfaces by copolymerizing photo crosslinkable units. The immobilized systems were formulated to give different layer thicknesses, swelling ratios and mesh sizes depending on the demand of the coupling reaction.
The coupling of detector units or model molecules is approached via reactions of the click chemistry pool, and the reactions are evaluated on their efficiency under those aspects, too. These coupling reactions are followed by surface plasmon resonance spectroscopy (SPR) to judge efficiency. With these tools at hand, Salmonella saccharides could be selectively detected by SPR. Influenza viruses were detected in solution by turbidimetry in solution as well as by a copolymerized solvatochromic dye to track binding via the changes of the polymers’ fluorescence by said binding event. This effect could also be achieved by utilizing the thermoresponsive behavior. Another demonstrator consists of the detection system bound to a quartz surface, thus allowing the virus detection on a solid carrier.
The experiments show the great potential of combining the concepts of thermoresponsive materials and click chemistry to develop technically simple sensors for large biomolecules and viruses.
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Grenzflächen-kontrollierte Mineralisation von Calciumphosphat
(2017)
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Doreen Hentrich
- In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die beiden verwendeten Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block, gute Template für die Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche sind. Mittels Infrarot-Reflexions-Absorptions-Spektroskopie (IRRAS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Energie dispersiver Röntgenspektroskopie (EDXS), Elektronenbeugung (SAED) und hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) konnte die erfolgreiche Mineralisation von Calciumphosphat für beide Amphiphile an der Wasser/Luft-Grenzfläche nachgewiesen werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass das Phasenverhalten der beiden Amphiphile und die bei der Mineralisation von Calciumphosphat gebildeten Kristallphasen nicht identisch sind. Beide Amphiphile üben demnach einen unterschiedlichen Einfluss auf den Mineralisationsverlauf aus.
Beim CHOL-HEM konnte sowohl nach 3 h als auch nach 5 h Octacalciumphosphat (OCP) als einzige Kristallphase mittels XPS, SAED, HRTEM und EDXS nachgewiesen werden. Das A-CHOL hingegen zeigte bei der Mineralisation von Calciumphosphat nach 1 h zunächst eine nicht eindeutig identifizierbare Vorläuferphase aus amorphen Calciumphosphat, Brushit (DCPD) oder OCP. Diese wandelte sich dann nach 3 h und 5 h in ein Gemisch, bestehend aus OCP und ein wenig Hydroxylapatit (HAP) um.
Die Schlussfolgerung daraus ist, dass das CHOL-HEM in der Lage ist, dass während der Mineralisation entstandene OCP zu stabilisieren. Dies geschieht vermutlich durch die Adsorption des Amphiphils bevorzugt an der OCP Oberfläche in [100] Orientierung. Dadurch wird die Spaltung entlang der c-Achse unterdrückt und die Hydrolyse zum HAP verhindert.
Das A-CHOL ist hingegen sterisch anspruchsvoller und kann wahrscheinlich aufgrund seiner Größe nicht so gut an der OCP Kristalloberfläche adsorbieren verglichen zum CHOL HEM. Das CHOL-HEM kann also die Hydrolyse von OCP zu HAP besser unterdrücken als das A-CHOL. Da jedoch auch beim A-CHOL nach einer Mineralisationszeit von 5 h nur wenig HAP zu finden ist, wäre auch hier ein Stabilisierungseffekt der OCP Kristalle möglich. Um eine genaue Aussage darüber treffen zu können, sind jedoch zusätzliche Kontrollexperimente notwendig. Es wäre zum einen denkbar, die Mineralisationsexperimente über einen längeren Zeitraum durchzuführen. Diese könnten zeigen, ob das CHOL-HEM die Hydrolyse vom OCP zum HAP komplett unterdrückt. Außerdem könnte nachgewiesen werden, ob beim A-CHOL das OCP weiter zum HAP umgesetzt wird oder ob ein Gemisch beider Kristallphasen erhalten bleibt.
Um die Mineralisation an der Wasser/Luft-Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung zu vergleichen, wurden zusätzlich Mineralisationsexperimente in Bulklösung durchgeführt. Dazu wurden Nitrilotriessigsäure (NTA) und Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) als Mineralisationsadditive verwendet, da NTA unter anderem der Struktur der hydrophilen Kopfgruppe des A-CHOLs ähnelt. Es konnte gezeigt werden, dass ein Vergleich der Mineralisation an der Grenzfläche mit der Mineralisation in Bulklösung nicht ohne weiteres möglich ist. Bei der Mineralisation in Bulklösung wird bei tiefen pH-Werten DCPD und bei höheren pH-Werten HAP gebildet. Diese wurde mittels Röntgenpulverdiffraktometrie Messungen nachgewiesen und durch Infrarotspektroskopie bekräftigt. Die Bildung von OCP wie an der Wasser/Luft-Grenzfläche konnte nicht beobachtet werden.
Es konnte auch gezeigt werden, dass beide Additive NTA und EDTA einen unterschiedlichen Einfluss auf den Verlauf der Mineralisation nehmen. So unterscheiden sich zum einen die Morphologien des gebildeten DCPDs und zum anderen wurde beispielsweise in Anwesenheit von 10 und 15 mM NTA neben DCPD auch HAP bei einem Ausgangs-pH-Wert von 7 nachgewiesen.
Da unser Augenmerk speziell auf der Mineralisation von Calciumphosphat an der Wasser/Luft-Grenzfläche liegt, könnten Folgeexperimente wie beispielsweise GIXD Messungen durchgeführt werden. Dadurch wäre es möglich, einen Überblick über die gebildeten Kristallphasen nach unterschiedlichen Reaktionszeiten direkt auf dem Trog zu erhalten.
Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass auch einfache Amphiphile in der Lage sind, die Mineralisation von Calciumphosphat zu steuern. Amphiphile mit Cholesterol als hydrophoben Block bilden offensichtlich besonders stabile Monolagen an der Wasser/Luft-Grenzfläche. Eine Untersuchung des Einflusses ähnlicher Amphiphile mit unterschiedlichen hydrophilen Kopfgruppen auf das Mineralisationsverhalten von Calciumphosphat wäre durchaus interessant.
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The two faces of reactive oxygen species (ROS) in adipocyte function and dysfunction
(2017)
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José Pedro Castro
Tilman Grune
Bodo Speckmann
- White adipose tissue (WAT) is actively involved in the regulation of whole-body energy homeostasis via storage/release of lipids and adipokine secretion. Current research links WAT dysfunction to the development of metabolic syndrome (MetS) and type 2 diabetes (T2D). The expansion of WAT during oversupply of nutrients prevents ectopic fat accumulation and requires proper preadipocyte-to-adipocyte differentiation. An assumed link between excess levels of reactive oxygen species (ROS), WAT dysfunction and T2D has been discussed controversially. While oxidative stress conditions have conclusively been detected in WAT of T2D patients and related animal models, clinical trials with antioxidants failed to prevent T2D or to improve glucose homeostasis. Furthermore, animal studies yielded inconsistent results regarding the role of oxidative stress in the development of diabetes. Here, we discuss the contribution of ROS to the (patho)physiology of adipocyte function and differentiation, with particular emphasis on sources and nutritional modulators of adipocyte ROS and their functions in signaling mechanisms controlling adipogenesis and functions of mature fat cells. We propose a concept of ROS balance that is required for normal functioning of WAT. We explain how both excessive and diminished levels of ROS, e.g. resulting from over supplementation with antioxidants, contribute to WAT dysfunction and subsequently insulin resistance.
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Functional Poly(ionic liquid) Materials based on Poly(1,2,4-triazolium)s
(2017)
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Weiyi Zhang
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Mikrowellen-assistierte Synthese von IFPs und Darstellung von lumineszierenden Lanthanid-IFP-Materialien
(2017)
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Karsten Behrens
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Zytotoxizität, Bioverfügbarkeit und Metabolismus kleiner Selenspezies in humanen Zellen und Entwicklung von ICP-QQQ-MS-basierten Methoden für deren Nachweis
(2017)
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Talke Anu Marschall
