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    Der akademische Unterricht in der Pharmazie um die Mitte des 19. Jahrhunderts, dargestellt an der Mitschrift einer Vorlesung Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroders aus dem Jahre 1845.

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    Die vorliegende Arbeit verfolgte das Ziel, Inhalt und Qualität des akademischen Unterrichts in Chemie und Pharmazie an Hand der von Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder (1798?1854) im Jahre 1845 in Jena gehaltenen Vorlesung über ?Pharmazie?, bei der es sich um eine anorganische pharmazeutische Chemie handelt, zu charakterisieren. Zu dieser Zeit stand Wackenroder, der 1828 als außerordentlicher Professor nach Jena gekommen war, im 47. Lebensjahr. Er befand sich auf dem Höhepunkt seines akademischen Wirkens und Schaffens, das 1849 mit seiner Berufung zum ordentlichen Professor verdiente Anerkennung fand. Der frühe Tod im Jahre 1854 beendete jäh sein erfolgreiches Wirken als Lehrer und Forscher auf dem Gebiet der Chemie und Pharmazie, denn von ihm wären sicher noch weitere wissenschaftliche Beiträge zu erwarten gewesen. Für diese Dissertation wurde eine 243-seitige Vorlesungsmitschrift ?Pharmazie? seines Schülers Heinrich Sänger (1817?1912) transkribiert, analysiert und kommentiert, wobei insbesondere Wackenroders Ansichten über die Metalle einer vertieften Analyse unterzogen wurden. Die Mitschrift war für den eigenen Gebrauch gedacht und daher sehr unleserlich geschrieben und zusätzlich mit vielen Abkürzungen, Symbolen, Formeln und Zeichnungen versehen. Daher steht die Transkription, d. h. die buchstabengetreue Erschließung der Mitschrift im Mittelpunkt der Arbeit, die für sich alleine schon ? unterstützt durch Kommentare und Erklärungen ? einen Einblick in die Entwicklung der anorganische Chemie um die Mitte des 19. Jahrhunderts gewährt. Wackenroder behandelte seinen Stoff, die pharmazeutisch-anorganische Chemiem, kompakt und gut strukturiert. Der Lehrinhalt war modern und aktuell aufbereitet. Die logische Gliederung seiner Vorlesung entsprach seiner Zeit und zeigte bei den Metallen eine eigenständige Auffassung, die sich an den analytischen Reaktionen orientierte . Die Vorlesungsmitschrift bestätigt die weitverbreitete Ansicht, dass die Anorganische Chemie, deren physikalischen Grundlagen Wackenroder abweichend von seinen Zeitgenossen als ?Grundzüge der Physikalische Chemie? bezeichnete, in der Mitte des 19. Jahrhunderts schon recht weit entwickelt war. Die physikalischen Kenngrößen der Metalle konnten bereits relativ genau ermittel und eine Vielzahl qualitativer und quantitativer Bestimmungen erfolgreich angewendet werden. Zudem existierten gewerblich?technische Herstellungsverfahren zu ihrer Gewinnung. Viele Mineralien waren bereits analysiert, ein Bereich in dem auch Wackenroder Hervorragendes geleistet hatte. In der Vorlesungsmitschrift stellte Wackenroder die Verbindung zur Pharmazie durch besondere Betonung des analytischen Aspekts her, der gleichsam seine herausragende Leistungsfähigkeit auf diesem Gebiet unterstreicht. Dies betraf sowohl die praktische Durchführung der Analysen, die seinen analytisch?experimentellen Arbeitsstil erkennen lassen, als auch die von Wackenroder angewandte Methode des Kationen?Trennungsganges. Diese pragmatische Einteilung ist als Vorläufer des zur Zeit der Mitschrift veröffentlichten Kationen?Trennungsganges von Carl Remigius Fresenius (1818?1897) anzusehen. Im Rahmen der Vorlesung finden sich häufig vergleichende Betrachtungen der Reaktionen einzelner Reagenzien mit verschiedenen Metallen, die seine Kompetenz in analytischen Fragen ebenso belegen, wie seine 1837 veröffentlichten analytischen Tabellenwerke. Wackenroder behandelt in dieser Vorlesung wesentliche pharmazeutische Inhalte wie die Herstellung wichtiger anorganischer Präparate und deren Prüfungen nach gängigen Pharmakopöen. Die Vielzahl Metallsalze enthaltenden Rezepturen bestätigt die Tatsache, dass die Mitschrift in der ?anorganische Phase der pharmazeutischen Chemie? entstand. Die hohe Wertschätzung von Wackenroders wissenschaftlichen Leistungen wird unter anderem durch seine Zeitgenossen Liebig und Gmelin bestätigt. Der Grund für diese allgemeine Anerkennung lässt sich auch anhand der Mitschrift erkennen. In nahezu allen Belangen entsprach die Vorlesung den aktuellen Erkenntnissen um die Mitte des 19. Jahrhunderts, in analytischen Fragen ging sie über den damaligen Wissensstand sogar an einigen Stellen hinaus. Wackenroder war zugleich Apotheker und Chemiker, Lehrer und Forscher und muss somit zu den hervorragendsten praktischen Chemikern seiner Zeit gerechnet werden. Die vorliegende Arbeit will daher einen Beitrag zur Untersuchung seines Lebenswerkes leisten

    Rheologische Charakterisierung eines Modell-Pyrolyseslurries auf Basis von Glykol und Strohkoks

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    Einfluss der, durch die Brände in Russland/Osteuropa 2010 emittierten Aerosole, auf die kurzwellige, nach unten gerichtete solare Strahlung

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    In dieser Arbeit geht es um den Einfluss von Aerosolen, die durch Brände emittiert werden, auf die kurzwellige, abwärts gerichtete, solare Strahlung, am Beispiel der Analyse der Brände in Russland/Osteuropa 2010 in den Monaten Juli-August. Dazu wurden einerseits Messdaten aus AERONET Bodenstationen und andererseits Daten des Messinstruments MODIS, von den Satelliten TERRA und AQUA, verwendet. Als AERONET Stationen wurden drei, in den, von den Bränden betroffenen Gebieten liegenden Stationen, ausgewählt: Toravere, Moskau und Yekaterinburg. Im Zuge der Analyse dieser Daten konnte an allen drei AERONET Messstationen eine deutliche Erhöhung der AOD, während der Brände im Jahr 2010, im Vergleich zu anderen Jahren, festgestellt werden. AERONET Daten zeigen, dass die Aerosol optische Dicke bei 500nm in Moskau, Spitzenwerte um die 4,5, zur Zeit der stärksten Belastung, um den 7.August herum, erreichte. Mit Hilfe dieser Messdaten wurden über das Strahlungstransfermodell UVspec, des libRadtran-Paketes, Tagesgänge der Bestrahlungsstärke mit Hilfe von AERONET Daten der drei verschiedenen Stationen, für ausgewählte Tage der Monate Juli und August, berechnet. Die Satellitendaten ermöglichten die Berechnung der Bestrahlungsstärken über eine größere Fläche betrachtet. Zuvor aber wurde in einem ersten Schritt eine Validierung der Modellberechnungen durchgeführt. Für die Berechnungen der Bestrahlungsstärken mit AERONET Daten wurde ein Vergleich mit BSRN Daten, der Messstationen Toravere und XiangHe herangezogen. Am 7.August ergaben die Modellberechnungen mit AERONET Daten der Station Moskau eine errechnete Reduktion der kurzwelligen, abwärts gerichteten solaren Strahlung, um ca. 30-48\%. Die Satellitendaten wurden dazu verwendet großflächigere Bereiche, der betroffenen Gebiete zu untersuchen. Mit den Berechnungen mit MODIS Daten, kommt man durch die Modellberechnungen auf ähnliche Reduktionen der kurzwelligen, abwärts gerichteten solaren Strahlung, mit Werten im Gebiet um Moskau herum, zu einer Zeit, als die Belastung durch die Feuer sehr groß war, um die 50%

    Precursoren zur Synthese von Präkatalysatoren

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    Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden bimetallische Precursoren auf der Basis von Cyanid und L-Tartrat hergestellt und charakterisiert. Den Schwerpunkt der Charakterisierung stellten hierbei die thermogravimetrischen Experimente dar. Diese dienten dabei zur Aufklärung der Thermolyseschritte und zur Bestimmung der Präparationsmöglichkeiten, die sich durch Verwendung der Precursoren erschlossen. Die erste Precursorverbindung, die untersucht wurde, war die polymere, bereits bekannte Koordinationsverbindung [(Me)3Sn]4[RuII(CN)6]. Anhand der durchge-führten Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass durch Thermolyse dieses Precursors in Luft nanoskalige Mischoxide hergestellt werden können. Durch nachfolgendes Tempern konnte weiterhin poröses SnO2 erhalten werden. Durch Thermolyse unter Stickstoff konnte die intermetallische Verbindung Ru3Sn7 bei moderaten Temperaturen von 450 °C erhalten werden. Das zweite Precursorsystem basierte auf Cyanid und zielte auf die Synthese von Oxidkompositen. Diese werden als Präkatalysatoren zur Darstellung von Kataly-satoren zur Methanolsynthese verwendet. Besonders das um Ethylendiamin er-weiterte Precursorsystem wurde intensiv untersucht. Neben der Aufklärung der Struktur der bereits bekannten Verbindung [Zn(en)]2[CuI2(CN)6] wurden auch die Strukturen der Verbindungen [Me(en)2(NH3)(H2O)][CuIZn(CN)5] (mit Me = Cu/Zn), {[CuII(en)2]2[CuI2(CN)6]}[CuII(en)2]2[CuI(CN)3]2∙2 H2O und [Zn(en)2]3[Zn(CN)4] zum ersten Mal bestimmt. Weiterhin wurden verschiedene neue Synthesewege zur Darstellung der Verbindung [Zn(en)3]6[CuI2(CN)7]2[CuI(CN)3] gefunden. Aus katalytischer Sicht waren vorwiegend die Untersuchungen an den Precursoren [Zn(en)]2[CuI2(CN)6] und [Zn(en)3]6[CuI2(CN)7]2[CuI(CN)3] von Interesse. Trotz unterschiedlicher Strukturen wurden bei den resultierenden Katalysatoren ähnlich hohe Aktivitäten gemessen. Im Gegensatz zu diesem Ergebnis steht ein Umstand, der beim Precursor [Zn(en)]2[CuI2(CN)6] auftritt. Durch zwei unterschiedlichen Synthesewege kann die Verbindung in zwei unterschiedlichen Formen (A = grüne Kristalle, B = braunes Pulver) erhalten werden. Die Aktivität der resultierenden Katalysatoren hängt, bei gleichem Thermolyseverfahren, von der Synthesemethode des Precursors ab, obwohl diese strukturell identisch sind. Letzteres muss allerdings auf die Elementarzelle beschränkt werden, da Form B nur in Form eines Pulvers erhältlich ist, während Form A auch kristallin erhalten werden konnte. Somit konnte keine Einkristall-strukturanalyse von Form B erhalten werden. Ein weiteres Precursorsystem, das im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurde, basiert auf L-Tartrat. Durch eine alkalifreie Synthese konnten Precursorproben mit einem frei einstellbarem Cu/Zn-Verhältnis synthetisiert werden. Der Precursor besitzt aufgrund der Tartrat-Iones jedoch den Nachteil, dass Thermolysen unter Sauerstoff und Luft exotherm verlaufen, was sich nachteilig auf die Synthese der Oxidproben auswirkt. Durch Sintereffekte konnten nur Oxide mit relativ kleinen spezifischen Oberflächen erhalten werden. Die mittels TPR/RFC bestimmten spezi-fischen Kupfer-Oberflächen waren sehr gering. Dennoch wurden Aktivitäten bis zu 18 % bezogen auf einen ternären Referenzkatalysator erreicht. Bei der Zersetzung des Tartrat-Precursors unter Stickstoff wird die Reduktionskraft des Precursors jedoch auf andere Weise nutzbar. Neben der Reduktion von Kupfer wird bei der Thermolyse auch röntgenamorpher Kohlenstoff gebildet, der als Trägermaterial genutzt werden kann. Durch die Verwendung der entsprechenden Tartrat-Precur-soren sind so durch Thermolyse unter Stickstoffatmosphäre die Synthesen von Materialien wie Cu@C, Cu/ZnO@C und ZnO@C möglich. Diese können ihrerseits als Ausgangsmaterialien für andere Komposite verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte klar gezeigt werden, dass durch die gezielte Synthese und Thermolyse bimetallischer einphasiger Precursoren aktive Katalysatoren hergestellt werden können. Es ist durchaus lohnenswert, unkon-ventionelle Precursorsysteme zu erproben, insbesondere wenn man das chemische „Gedächtnis“ der resultierenden Katalysatoren betrachtet

    Wassergas-Konvertierungsreaktion in mikrostrukturierten Reaktoren unter hohen Drücken für CO-reiches Synthesegas

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    Ein mikrostrukturierter Laborreaktor wurde für Untersuchungen zur Anhebung des H2/CO Verhältnisses im Synthesegas biogenen Ursprungs mittels einer Wassergas-Konvertierungsreaktion bei hohen Drücken und Temperaturen entwickelt und eingesetzt. Katalysatorschichten wurden hergestellt und charakterisiert. Darüber hinaus wurden Katalysatorpulverproben zur Integration für ein Mikrofestbett hergestellt. Die chemische Umsetzung wurde zwischen 400 und 600°C und bis 45 bar (g) untersucht

    Beiträge zur Synthese- und Kristallchemie neuer Chalkogenidometallate in flüssigem Ammoniak

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    Die vorliegende Arbeit beinhaltet Untersuchungen zur Synthese und Strukturchemie neuer Chalkogenidometallate und heteroatomarer Clusteranionen der Gruppe 14 und 15 in flüssigem Ammoniak. Durch Solvatation von ternären Chalkogenidometallaten in flüssigem Ammoniak konnten neue Solvatverbindungen erhalten werden. Anhand dieser Verbindungen lassen sich neue Erkenntnisse über die Aussagekraft von Ionenradien und die strukturchemische Rolle des Ammoniaks bei der Stabilität von Solvatkristallen gewinnen. Mittels Reaktion der binären Arsenchalkogenide As4S4 oder As4Se4 mit Metalllösungen gelang es, neue Thio- und Selenidoarsenate zu erhalten. So konnten die systematischen Präparationsversuche für Thiometallate über diese Route ergänzt und die Synthesebedingungen dieser komplexen Reaktionsabläufe näher untersucht werden. Dadurch konnten wichtige Informationen für nachfolgende Versuche zur Darstellung gemischter Gruppe 15/16 Clusteranionen abgeleitet werden. Durch reine Solvatation in flüssigem Ammoniak gelang zum ersten Mal die Isolierung und röntgenografische Charakterisierung eines echten Thiosilicatderivates aus Lösung. Dadurch konnten bisherige Überlegungen zur Reaktion von SiS2 in Ammoniak endgültig widerlegt werden. DFT-Rechnungen mit Analyse der Elektronenlokalisierungsfunktion (ELF) wurden für verschiedene gemischte Gruppe 15/16 Anionen durchgeführt. Hierdurch konnte die chemische Bindung in diesen Clusteranionen charakterisiert und strukturelle Besonderheiten erklärt werden

    Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Perlcellulose

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    Charakteristisch für Perlcellulose als Regenerat vom Typ Cellulose II sind sphärisch geformte, poröse Partikel mit einer hohen spezifischen Oberfläche und einer guten Bioverträglichkeit. Aufgrund ihrer Eigenschaften sind diese Cellulosemikropartikel besonders gut für medizinische Anwendungen geeignet. Im Mittelpunkt der Arbeit standen Herstellung, Charakterisierung und Modifizierung von Perlcellulosen mit Partikelgrößen von etwa 1 bis10 µm. Im Rahmen der Arbeit wurden zunächst sieben technische Cellulose-2,5-acetate mit vergleichbaren molekularen Eigenschaften auf ihre Eignung zur Herstellung von Perlcellulose nach dem in EP0750007 beschriebenen Acetatverfahren untersucht. Dabei erfolgte der Vergleich verschiedener Eigenschaften. Aus allen untersuchten Celluloseacetaten können Perlcellulosen synthetisiert werden. Als besonders geeignet erwies sich ein Produkt mit einer Molmasse von über 100.000, einem Verhältnis der Molmasse zur numerischen Molmasse von etwa 1,5 und einer guten Löslichkeit in Ethylacetat / Methanol (100:17,5). Die hergestellte Perlcellulose hat eine geringe Partikelgröße und eine relativ enge Größenverteilung. Damit erfüllt dieses Cellulose-2,5-acetat alle Anforderungen für die Synthese von Perlcellulose. Der entscheidende Verfahrensschritt zur Herstellung von Perlcellulose ist das Dispergieren der Emulsion mittels Inline-Ultraturrax. Die Partikelgrößenverteilung hängt im Wesentlichen von den Bedingungen während des Dispergierens ab. Im Rahmen der Arbeit gelang die reproduzierbare Herstellung von Cellulosemicrospheres mit einer Partikelgröße unter 5 µm. Für die Herstellung von Cellulosemikropartikeln mit definierten Eigenschaften ist neben den Synthesebedingungen auch die Charakterisierung der Perlcellulosen von entscheidender Bedeutung. Dafür wurden zunächst etablierte Verfahren verwendet (Partikelgrößenmessung, REM und Quecksilberporosimetrie). Parallel dazu erfolgte die Entwicklung bzw. Einführung neuer Methoden. Im Vordergrund stand die Untersuchung des Sedimentationsverhaltens der Perlcellulosen durch analytisches Zentrifugieren. Davon ausgehend konnte ein Verfahren zur Berechnung der Porosität aus dem Sedimentationsvolumen entwickelt werden. Zum Nachweis der kompletten Deacetylierung der Proben wurde die Ramanspektroskopie genutzt. Durch die Anwendung vorhandener und die Entwicklung neuer Methoden wird die genaue Einstellung von Eigenschaften der Perlcellulosen (z. B. Partikelgröße und deren Verteilung, Morphologie sowie Porosität) ermöglicht und deren Reproduzierbarkeit gewährleistet. Weitere Versuche hatten die Entwicklung von Endotoxinadsorbermaterial auf Basis von Perlcellulose und Polymyxin-B-sulfat (PMB) zum Ziel. Die Kopplung des PMB erfolgte meist nach Aktivierung der Proben mit Epichlorhydrin. Zunächst wurde die eingesetzte Epichlorhydrinmenge variiert, um das Optimum für die Aktivierung der Perlcellulosen zu finden. Weiterhin wurden unterschiedliche Mengen PMB angebunden und die Anbindung an nicht aktivierte Proben untersucht. Die Planung aller Versuche erfolgte jeweils nach Auswertung der an der Donau-Universität Krems durchgeführten Limulus- Amöbocyten- Lysat (LAL)-Tests. Mittels dieser Batchtests wurde die Wirksamkeit des Endotoxinadsorbermaterials sowohl im Vergleich zu unbehandeltem Blutplasma und als auch zu kommerziell erhältlichen Adsorbern auf Polystyrenbasis getestet. Endotoxinadsorber, die bei diesen Tests besonders gut bewertet wurden, konnten in einem up-scale- Versuch erstmals in größeren Mengen synthetisiert werden. Auch die direkte Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial aus Perlcelluloseacetat konnte realisiert werden. Bei diesem neu entwickelten Verfahren erfolgen Deacetylierung und Aktivierung in einem Schritt. Damit kann die Herstellung vereinfacht werden. Zur Gewährleistung der Erstfehlersicherheit in extrakorporalen Blutreinigungssystemen sollen magnetisierte Perlcellulosepartikel als bioverträgliche Marker eingesetzt werden. Versuche zur Magnetisierung von Cellulosemikropartikeln während des Herstellungsprozesses zeigten, dass die Einbindung von Magnetit bei Erhalt der sphärischen Partikelstruktur prinzipiell auch auf diesem homogenen Syntheseweg möglich ist.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 158Bead cellulose is regenerated cellulose II characterized by spherically shaped, porous particles with a high specific surface and a good biocompatibility. Because of their properties these cellulose microspheres are especially suited for medical applications. The focus of this work was the synthesis, characterization and modification of bead cellulose with particle sizes between 1 to 10 µm. In the frame of this work seven technical cellulose-2.5-acetates were investigated with regard to their suitability for making bead cellulose according to the process described in EP0750007. These cellulose acetates have comparable molecular characteristics. Different properties were compared. Bead celluloses can be synthesized from all investigated cellulose acetates. A product with a molecular weight of more than 100,000 and with a ratio between molecular weight and numeric molecular weight of about 1.5 is special suited. This cellulose-2.5-acetate has a good solubility in ethyl acetate / methanol (100:17.5). The bead cellulose made from it has a low particle size and a relative narrow size distribution. Thus this cellulose acetate complies with the requirements for making bead cellulose. The most important process step for making bead cellulose is the dispersing of the emulsion using an inline-ultraturrax. The distribution of particle size depends mainly on the conditions during dispersing. A reproducible synthesis of cellulose microspheres with a particle size range below 5 µm was successfully achieved. In addition to determining conditions for manufacturing bead cellulose the characterization of the microspheres is essential to obtain bead cellulose with well defined properties. At first well-established methods of characterization were used (particle size measurement, SEM and mercury porosimetry). In parallel new methods were developed and implemented. The main focus was the investigation of sedimentation behaviour of bead cellulose using analytical centrifugation. Based on this knowledge of the sedimentation volume a new method to calculate the porosity was designed. Raman spectroscopy was used for detecting the complete deacetylation of the samples. By using well-established and newly developed methods properties of bead cellulose such as particle size and distribution, morphology and porosity can be accurately adjusted. In this way the reproducible synthesis of cellulose microspheres can be ensured. The aim of further experiments was to develop an endotoxin adsorber material based on a coupling of bead cellulose with Polymyxin B sulfate (PMB). The coupling with PMB was carried out after activation of the samples by using epichlorohydrin. At first the added epichlorohydrin amount was diversified in order to find the optimum for the activation of bead cellulose. Later the coupling of different amounts of PMB took place and the linking of PMB to non activated samples was investigated too. The planning of all experiments occurred after evaluation of Limulus amebocyte lysate (LAL) tests at Danube-University Krems. Using these batch tests the effectiveness of the endotoxin adsorber material was tested compared to untreated blood plasma as well as commercial available adsorbers based on polystyrene. Endotoxin adsorbers showing the best adsorption rate were then synthesized for the first time in larger quantities. Also the direct synthesis of endotoxin adsorber material based on bead cellulose acetate could be realized. Using this newly developed method, deacetylation and activation occur during the same step. This means manufacturing process can be simplified. Using magnetized bead cellulose as biocompatible marker particles is planned to achieve first fault safety in case of a membrane rupture during extracorporeal blood purification. Initial tests have shown that the magnetization of cellulose microspheres is possible during the manufacturing process. The incorporation of magnetite can be realized while keeping the spherical shape of the particles using this homogenous synthesis pathway.:1. EINLEITUNG 3 2. THEORETISCHE GRUNDLAGEN 5 2.1 CELLULOSE 5 2.1.1 Molekulare Struktur 7 2.1.2 Morphologische Struktur 9 2.1.3 Polymorphie 9 2.1.3.1 Native Cellulose 11 2.1.3.2 Weitere Cellulosemodifikationen 12 2.1.3.3 Umwandlung von Cellulose I in Cellulose II 13 2.1.4 Aktivierung 15 2.2 CELLULOSEACETAT 17 2.2.1 Herstellung 17 2.2.1.1 Technische Herstellung 18 2.2.1.2 Homogene Herstellungsmethoden 19 2.2.2 Eigenschaften und Charakterisierung 20 2.2.3 Verwendung 21 2.3 PERLCELLULOSE 22 2.3.1 Herstellung 23 2.3.1.1 Sprühverfahren 23 2.3.1.2 Suspensionsverfahren 24 2.3.1.3 Acetatverfahren 24 2.3.2 Charakterisierung 26 2.3.2.1 Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 26 2.3.2.2 Porosität 27 2.2.2.3 Quellwert 28 2.3.2.4 Weitere Methoden 28 2.3.3 Verwendung 30 2.3.3.1 Perlcellulose als Adsorbermaterial 30 2.3.3.2 Adsorption von Endotoxinen 31 2.3.4 Magnetisierung 36 2.3.4.1 Einsatz und Herstellung magnetischer Partikel 36 2.3.4.2 Einbindung von Magnetit in Perlcellulose 39 3. HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE 41 3.1 CELLULOSEACETAT ALS AUSGANGSSTOFF FÜR DIE SYNTHESE VON PERLCELLULOSE 41 3.1.1 Charakterisierung von Celluloseacetaten 41 3.1.1.1 Löslichkeit 41 3.1.1.2 Trübungsmessungen 42 3.1.1.3 Molmassenverteilung 44 3.1.1.4 Verteilung der Substituenten 45 3.1.1.5 Bestimmung des Substitutionsgrades mittels NMR und SEC 46 3.1.2 Einfluss der Celluloseacetate auf die Eigenschaften der Perlcellulose 47 3.1.2.1 Herstellung der Perlcellulosen 47 3.1.2.2 Messung der Partikelgröße 48 3.1.2.3 Charakterisierung der Perlcellulosen mittels Rasterelektronenmikroskopie 49 3.1.3 Schlussfolgerungen 51 3.2 HERSTELLUNG VON PERLCELLULOSE MIT DEFINIERTEN EIGENSCHAFTEN 52 3.2.1 Bildung der Celluloseperlen 52 3.2.2 Dispergieren im Inline- Ultraturrax 54 3.2.2.1 Einfluss der Drehzahl 54 3.2.2.2 Mehrfaches Dispergieren 56 3.2.2.3 Geschwindigkeit der Schlauchpumpe 58 3.2.2.4 Vergleich der Ergebnisse 59 3.2.3 Zusammensetzung der Emulsion 60 3.2.3.1 Salzgehalt 61 3.2.3.2 Methylcellulosekonzentration 62 3.2.3.3 Ethylacetatkonzentration 63 3.2.3.4 Tensidgehalt 65 3.2.3.5 Gleichzeitige Veränderung mehrerer chemischen Parameter 66 3.2.4 Aufbereitung des Perlcelluloseacetats 68 3.2.4.1 Abrotieren der Lösungsmittel 68 3.2.4.2 Reinigung und Deacetylierung 69 3.2.5 Standardbedingungen 69 4. CHARAKTERISIERUNG VON PERLCELLULOSEN 70 4.1 PARTIKELGRÖßENMESSUNG 70 4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE 70 4.3 QUECKSILBERPOROSIMETRIE 71 4.4 SEDIMENTATIONSVERHALTEN 73 4.4.1 Sedimentationsgeschwindigkeit 73 4.4.2 Berechnung der mittleren Teilchengröße 79 4.4.3 Sedimentationsvolumen 82 4.5 BESTIMMUNG DER POROSITÄT AUS DEM SEDIMENTATIONSVOLUMEN 83 4.5.1 Porositätsuntersuchungen an einer analytischen Multiprobenzentrifuge 83 4.5.2 Porositätsuntersuchungen an einer Laborzentrifuge 84 4.5.3 Vergleich der ermittelten Porositätswerte 85 4.6 RAMANSPEKTROSKOPIE 87 5. PERLCELLULOSE ALS ENDOTOXINADSORBERMATERIAL 88 5.1 ENTWICKLUNG VON ENDOXINADSORBERN AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 88 5.1.1 Aktivierung von Perlcellulose 88 5.1.2 Anbindung von Polymyxin-B-Sulfat 90 5.2 CHARAKTERISIERUNG UND OPTIMIERUNG DES ENDOTOXINADSORBERMATERIALS 90 5.3 UP- SCALE- VERSUCH 96 5.4 WEITERE VERSUCHE MIT PERLCELLULOSE 98 5.5 ANBINDUNG VON PMB AN PERLCELLULOSEACETAT 102 5.6 BEWERTUNG UND AUSBLICK 107 6. MAGNETISCHE MARKERPARTIKEL AUF BASIS VON PERLCELLULOSE 109 6.1 HOMOGENE EINBINDUNG VON MAGNETIT IN PERLCELLULOSE 109 6.1.1 Auswahl des Dispergiergerätes 111 6.1.2 Optimierung der BUT- Drehzahl und der Dispergierzeit 112 6.1.3. Versuche mit Methylcellulose als Schutzkolloid 120 6.2 CHARAKTERISIERUNG DER MAGNETISIERTEN PERLCELLULOSEPARTIKEL 122 6.2.1 Partikelgröße 122 6.2.2 Rasterelektronenmikroskopie 124 6.2.3 Energiedispersive Röntgenmikroanalyse 126 6.2.4 Bestimmung des Eisengehaltes mittels AAS 128 6.2.5 Magnetische Messungen 129 6.3 BEWERTUNG DER BISHERIGEN ERGEBNISSE 130 7. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 132 8. EXPERIMENTELLES 135 8.1 CHEMIKALIEN 135 8.2 METHODISCHES 135 8.3 PRÄPARATIONSVORSCHRIFTEN UND ARBEITSANLEITUNGEN 136 8.3.1 Herstellen der Ausgangslösungen 136 8.3.2 Herstellung der Perlcellulosen 137 8.3.2.1 Herstellung des Perlcelluloseacetates 137 8.3.2.2 Deacetylierung des Perlcelluloseacetates 138 8.3.3 Aktivierung von Perlcellulosen 138 8.3.4 Herstellung von Endotoxinadsorbermaterial 138 8.3.5 Magnetitanbindung 139 LITERATUR 140 ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS 152 ABBILDUNGSVERZEICHNIS 154 TABELLENVERZEICHNIS 15
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