Photochemisch strukturierte computergenerierte Hologramme in Bakteriorhodopsin-Schichten

Ziel dieser Dissertation ist die Untersuchung des photochemischen Aufzeichungsprozesses von computergenerierte Hologrammen (CGH's) innerhalb des Biomaterials Bakteriorhodopsin (BR). Dabei werden folgende Schwerpunkte detailliert analysiert: - Implementierung und Untersuchung verschiedene Algorithmen zur Berechnung von CGH's. Die Algorithmen sind insbesondere hinsichtlich der Verwendung des Biomaterials BR als Hologrammedien zu beurteilen. - Untersuchung des Aufzeichungsprozesses von CGH's mittels eines direkten Laserschreibsystems. Bei den CGH-Herstellungsverfahren werden die physikalischen und biochemischen Eigenschaften von BR gezielt ausgenutzt, um die für die CGH-Aufzeichnung optimale Oberflächenprofilierung und/oder Brechungsindexmodulation zu erreichen

Energy-filtered transmission electron microscopy of biological samples on highly transparent carbon nanomembranes

Ultrathin carbon nanomembranes (CNM) comprising crosslinked biphenyl precursors have been tested as support films for energy-filtered transmission electron microscopy (EFTEM) of biological specimens. Due to their high transparency CNM are ideal substrates for electron energy loss spectroscopy (EELS) and electron spectroscopic imaging (ESI) of stained and unstained biological samples. Virtually background-free elemental maps of tobacco mosaic virus (TMV) and ferritin have been obtained from samples supported by ~ 1 nm thin CNM. Furthermore, we have tested conductive carbon nanomembranes (cCNM) comprising nanocrystalline graphene, obtained by thermal treatment of CNM, as supports for cryoEM of ice-embedded biological samples. We imaged ice-embedded TMV on cCNM and compared the results with images of ice-embedded TMV on conventional carbon film (CC), thus analyzing the gain in contrast for TMV on cCNM in a quantitative manner. In addition we have developed a method for the preparation of vitrified specimens, suspended over the holes of a conventional holey carbon film, while backed by ultrathin cCNM

Schutz von Holz- und TMP-Holzstoff-Oberflächen vor lichtinduzierter Vergilbung durch chemische Modifikation des Lignins

Ein neuer Reaktionsmechanismus der Chromophorenbildung im Lignin wurde bei der lichtinduzierten Vergilbung von Holz- und TMP-Holzstoff-Oberflächen identifiziert. Die Photolabilität der acetylierten Oberflächen wurde anhand von Untersuchungen mit Ligninmodellsubstanzen nachgewiesen. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde eine neuartige Schutzmethode für Holz- und TMP-Holzstoff-Oberflächen vor lichtinduzierter Vergilbung entwickelt

Two-Photon-Absorption Triggered Release of 5-Fluorouracil from Isomer-Pure Polymer Bound Syn-Head-to-Head Dimers for Novel Intraocular Lenses

Different stereoisomers of the cytotoxic 5-fluorouracil (5FU) homodimers were synthesized by photochemical [2+2]-cycloaddition and polymerized into MMA/HEMA to form a novel drug-loaded copolymer for intraocular lenses as irradiation-activated treatment for secondary cataract. Three isomers were obtained, and showed significant differences in cleavage efficiency on photo-cleavage via single-photon-absorption (SPA) and two-photon-absorption (TPA). The most efficient TPA cleavage rate was observed for the syn-head-to-head 5FU dimer, which was, consequently, used for drug loading of the polymeric material to obtain a drug-loaded material of higher efficiency compared to previous works. The light and thermal stability of the polymer were confirmed and multi-dose release of the drug in aqueous solution for possible repeated treatment of cataract was proven

Photochemische und biochemische Modifikation von Bakteriorhodopsin: Optische Datenspeicherung und Hybridbio-Materialien

Entwicklung und Evaluierung einer auf Bakteriorhodopsin (BR) basierenden photochromen Tampondruckfarbe. Untersuchungen an neuen langzeitstabilen Photoprodukten von BR und Entwicklung eines biologisch-optischen WORM Datenspeichers und einer Datenchiffriermethode. Etablierung von MS- und LC/MS/MS-Methoden zur Untersuchung von biochemisch-modifiziertem BR. Entwicklung einer universellen Methode zur reversiblen Anbindung von Bionanokomponenten an BR. Etablierung einer Methode für die gerichtete Selbstassemblierung von Purpurmembranfragmenten auf Template-Stripped-Gold-Substraten

Neuartige hochbrechende Polymere für ophthalmologische Anwendungen

In der vorliegenden Arbeit lag das Ziel auf dem Design, der Synthese und Charakterisierung neuartiger flexibler Polymere mit hohem Brechungsindex (high refractive index, HRI) zur Anwendung als Intraokularlinsen-Material (IOL). Um als ophthalmologisches Implantat ein¬setzbar zu sein, muss das Material zahlreiche Zielparameter physikalischer, medizinischer und chemischer Natur erfüllen. Die funktionellen Module dieses Multiparameterproblems beein¬flussen sich gegenseitig. Es wurde gezeigt, dass das Polymerdesign in molekulare und funk¬tionale Teilbereiche zerlegt und die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen für jede Komponente (HRI-Funktion, Spacer-Einheit, polymerisierbare Gruppe) separat optimiert werden kann. Durch Variation der polymerisierbaren Gruppe wurden insgesamt zehn HRI-Homopolymere auf Methacrylat- und Siloxan-Basis synthetisiert, von denen fünf erstmalig beschrieben wurden. Die erhaltenen Brechungsindizes lagen im Bereich zwischen nD = 1,567 – 1,645 mit ABBE-Zahlen von νA = 20,3 – 33,7. Durch Austausch der Methacrylat- gegen Siloxan-Gruppen konnte die Flexibilität der Materialien signifikant erhöht und der Glaspunkt von Tg,PMA = 66 – 110 °C auf Tg,PSX = -15 – 49 °C abgesenkt werden. Ein Vergleich der Eigenschaften ermöglichte die Entwicklung eines einfachen Berechnungssystems zur Abschätzung der Kernparameter nD, vA und Tg vor Synthesebeginn. Zudem wurden wichtige Eigenschaften wie Transmission und Lichtechtheit der Materialien ermittelt. Die Variation der aliphatischen Spacer-Länge erfolgte im Rahmen der Synthese von sechs Monomeren mit direkter Anbindung und 14 Monomeren mit Spacern der Form –(CH2)s– im Bereich s = 2 – 12. Neben den jeweiligen Homopolymeren auf Acrylat- und Methacrylat-Basis wurden fünf Copolymere synthetisiert, um Unterschiede und Gemeinsamkeiten in den physikalischen Trends sichtbar zu machen. Alle Parameter konnten durch gezielte Variation erreicht (nD = 1,551 – 1,633; νA = 24,4 – 33,4; Tg = -26 – 149 °C) und rechnerische Zusammenhänge ermittelt werden. Neben Unterschieden zwischen den Polyacrylaten und Polymethacrylaten zeigte sich so eine Möglichkeit des Eigenschaften-Tunings. Diese Optimierungsmethode wurde erfolgreich auf andere HRI-Systeme übertragen. Auch für das Glistening-Verhalten der Polymere konnte eine starke Strukturabhängigkeit und somit die Möglichkeit einer Verbesserung ermittelt werden. Eine Variation der HRI-Funktion erfolgte ausgehend von der Synthese von 16 Polyacrylaten und Polymethacrylaten mit Mono- und Biaryl-Einheit unterschiedlicher Substitution. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden sechs neuartige, hoch transparente Polymere mit Triaryl-Funktion und aliphatischem Spacer der Länge s = 2 entwickelt. Da es sich bei den verwendeten Strukturen um Konstitutionsisomere handelt, konnten Einflüsse des Aufbaus auf die Eigenschaften ermittelt werden. Die Brechungsindizes lagen zwischen nD = 1,617 – 1,626 (νA = 26,1 – 28,0) mit Glaspunkten von Tg = 47 – 62 °C. Abschließend wurde ein zusammen¬hängendes Bewertungs- und Berechnungssystem für die Eigenschaften von Copolymeren entwickelt, auf deren Basis flexible HRI-Materialien mit guter optischer Qualität synthetisiert wurden. Die mechanische Bearbeitbarkeit wurde durch die Anfertigung von Intraokularlinsen (IOLs) und phaken Intraokularlinsen (pIOLs) gezeigt. Abschließende Versuche im Tiermodell verliefen positiv. Die Entfaltbarkeit und Biokompatibilität der neu entwickelten Materialien lässt einen Einsatz als IOL-Materialien zu

Two-Photon-Absorption Triggered Release of 5-Fluorouracil from Isomer-Pure Polymer Bound Syn-Head-to-Head Dimers for Novel Intraocular Lenses

Different stereoisomers of the cytotoxic 5-fluorouracil (5FU) homodimers were synthesized by photochemical [2+2]-cycloaddition and polymerized into MMA/HEMA to form a novel drug-loaded copolymer for intraocular lenses as irradiation-activated treatment for secondary cataract. Three isomers were obtained, and showed significant differences in cleavage efficiency on photo-cleavage via single-photon-absorption (SPA) and two-photon-absorption (TPA). The most efficient TPA cleavage rate was observed for the syn-head-to-head 5FU dimer, which was, consequently, used for drug loading of the polymeric material to obtain a drug-loaded material of higher efficiency compared to previous works. The light and thermal stability of the polymer were confirmed and multi-dose release of the drug in aqueous solution for possible repeated treatment of cataract was proven

Interfacing with the Brain: How Nanotechnology Can Contribute

Interfacing artificial devices with the human brain is the central goal of neurotechnology. Yet, our imaginations are often limited by currently available paradigms and technologies. Suggestions for brain-machine interfaces have changed over time, along with the available technology. Mechanical levers and cable winches were used to move parts of the brain during the mechanical age. Sophisticated electronic wiring and remote control have arisen during the electronic age, ultimately leading to plug-and-play computer interfaces. Nonetheless, our brains are so complex that these visions, until recently, largely remained unreachable dreams. The general problem, thus far, is that most of our technology is mechanically and/or electrically engineered, whereas the brain is a living, dynamic entity. As a result, these worlds are difficult to interface with one another. Nanotechnology, which encompasses engineered solid-state objects and integrated circuits, excels at small length scales of single to a few hundred nanometers and, thus, matches the sizes of biomolecules, biomolecular assemblies, and parts of cells. Consequently, we envision nanomaterials and nanotools as opportunities to interface with the brain in alternative ways. Here, we review the existing literature on the use of nanotechnology in brain-machine interfaces and look forward in discussing perspectives and limitations based on the authors' expertise across a range of complementary disciplines─from neuroscience, engineering, physics, and chemistry to biology and medicine, computer science and mathematics, and social science and jurisprudence. We focus on nanotechnology but also include information from related fields when useful and complementary

Diverse Applications of Nanomedicine

The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic. \ua9 2017 American Chemical Society