Orientierung von mesoporösen Strukturen

Mesoporöse Strukturen, deren Poren eine Größe zwischen 2 und 50 nm aufweisen, eignen sich in der Anwendung bei größen- und formselektiven Abläufen wie etwa Katalysatoren, Membranen, Beschichtungen oder auch Nanoreaktoren. Ziel dieser Arbeit war die Orientierung der Mesoporen, um mesoporöse Strukturen noch effizienter zur Separation von Flüssigkeiten und Gasen in der Medizin oder Materialforschung einsetzen zu können. Zur Orientierung der Mesoporen wurde die physikalische Methode der Scherung angewendet, wofür eine eigens für dieses Experiment entwickelte Drehapparatur konstruiert wurde, an welcher auch in-situ Untersuchungen zur Beobachtung der Strukturbildung und Entwicklung der Orientierungen durchgeführt werden können. Zur Charakterisierung der Struktur der mesoporösen Materialien im Nanoskalenbereich wurde Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) verwendet

Increased structural order in nanocomposites

Die Kombination anorganischer und organischer Phasen im Nanometerbereich führt zu Nanokompositen mit faszinierenden, neuen Eigenschaften. Ein erster wichtiger Schritt war die Charakterisierung der Nanopartikelgröße und -form, da diese Parameter einen großen Einfluss auf die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der Nanokomposite haben. Danach wurden die Oberflächenmoleküle in ihren Bestandteilen bezüglich der Länge und der Endgruppe variiert, um die Verteilung der oberflächenmodifizierten Nanopartikel im Polymer zu erhöhen. Der entscheidende Teil der Arbeit war jedoch die Untersuchung der Wechselwirkungen und der Kontrolle der Grenzfläche zwischen Partikel und Polymer. Die Größe und Verteilungsbreite sphärischer, amorpher SiO2 und kristalliner, anisotroper ZrO2 wurden mittels fünf verschiedener experimenteller Methoden bestimmt, um die "wahre" Größe der Partikel zu ermitteln. Die Form hatte ebenfalls einen Einfluss auf Oberflächenmolekülen, welche an der Partikeloberfläche befestigt wurden: Es konnte nachgewiesen werden, dass sich Alkylketten als selbstanordnende Monoschichten an der Oberfläche der kristallinen ZrO2 bilden, was wiederum dazu führt, dass sich Nanopartikel aufgrund eines "Reißverschluss"-Effekts mit einem Nachbarpartikel zu Agglomerationen formen. Die Ordnung konnte kontinuierlich durch Co-Oberflächenmoleküle gestört werden, was mittels der spektroskopischen Methode FT-IR untersucht und mit dem Ansteigen der Agglomeration, gemessen mittels der strukturellen Methode SAXS, korreliert wurde. Die Komponenten der Oberflächenmoleküle zu kontrollieren, erlaubte die Untersuchung des komplexen Zusammenspiels zwischen Nanopartikel, Oberflächenfunktionalisierung und Polymer und damit ein optimiertes System eines Nanokomposits mit homogen verteilten Nanopartikel zu entwickeln. Die Hinzugabe polymerisierbarer Endgruppen führte zu einer verbesserten Verteilung der SiO2 in Thermoplasten wie Polystyrol und PMMA, während mit physikalisch agierenden Diethylenglykolketten modifizierte ZrO2 in quervernetzenden Polymeren wie Epoxidharz homogen verteilt waren. Überraschenderweise enthüllten strukturelle Messungen eines Verbundwerkstoffes aus der Natur, entstanden durch die Faltung eines einzigen Proteins, dem Federkeratin, eine vergleichbare strukturelle Kontrolle auf der Nanometerebene: Ein langer, flexibler C-Terminus, ein kristalliner beta-Kern und ein wahrscheinlich steifer N-Terminus verbinden einzelne Moleküle, um die mechanischen Eigenschaften zu optimieren. SAXS Experimente enthüllten die stabile Struktur des Keratins entlang der gesamten Feder und in-situ Experimente unter Belastung ermöglichten ein modifiziertes Modell des Keratins.Combining inorganic-organic phases on the nanometer range lead to nanocomposites with fascinating new properties. One first important step was the characterization of the nanoparticles size and shape, as these parameters have a high influence on the structural and mechanical properties of the nanocomposites. Then, the capping agent molecules were varied in their components, the spacer length and the end group, to enhance the dispersion of the surface-functionalized nanoparticles within a polymer matrix. However, the crucial part was the investigation of the interaction and control of the interface between particles and polymer. The size and size distribution of spherical, amorphous SiO2 and crystalline, irregularly shaped ZrO2, were determined by five different experimental methods to obtain the "true" size of the particles. The shape also plays a crucial role for the arrangement of the capping agent molecules attached to the nanoparticle's surface: It could be proven that alkyl chains formed self assembled monolayers on the surface of the crystal-faceted ZrO2, which furthermore controlled the agglomeration of the nanoparticles due to a "zipper" effect with a neighboring particle. The ordering was continually disturbed by co-capping agents, investigated by the spectroscopic method FT-IR and correlated with the decrease of the tendency to agglomerate measured by the structural method SAXS. Controlling the components of the capping agent allowed to investigate the complex interplay of nanofiller, surface-functionalization and polymer matrix and therefore to find an optimized system of nanocomposites with a homogeneous distribution of the nanoparticles. The addition of polymerizable end groups led to enhanced dispersion of SiO2 in thermoplasts such as polystyrene and PMMA, whereas ZrO2 modified with physically acting diethylene glycol chains exhibited a homogeneous dispersion in crosslinked polymers such as epoxy resin. Surprisingly, structural measurements of a natural composite by folding one single protein, feather keratin, revealed a comparable structural control on the nanometer level: A long, flexible C-terminus, a crystalline beta-core and a probably stiff N-terminus link the molecule to optimize mechanical properties. SAXS experiments revealed the stable structure of the keratin along the whole feather length and in-situ experiments under load enabled a revised model of the keratin

Keratin homogeneity in the tail feathers of Pavo cristatus and Pavo cristatus mut. alba

The keratin structure in the cortex of peacocks' feathers is studied by X-ray diffraction along the feather, from the calamus to the tip. It changes considerably over the first 5. cm close to the calamus and remains constant for about 1. m along the length of the feather. Close to the tip, the structure loses its high degree of order. We attribute the X-ray patterns to a shrinkage of a cylindrical arrangement of β-sheets, which is not fully formed initially. In the final structure, the crystalline beta-cores are fixed by the rest of the keratin molecule. The hydrophobic residues of the beta-core are locked into a zip-like arrangement. Structurally there is no difference between the blue and the white bird. © 2010 Elsevier Inc

Epoxy Resin Nanocomposites: The Influence of Interface Modification on the Dispersion Structure—A Small-Angle-X-ray-Scattering Study

The surface functionalization of inorganic nanoparticles is an important tool for the production of homogeneous nanocomposites. The chemical adaptation of the nano-filler surface can lead to effective weak to strong interactions between the fillers and the organic matrix. Here we present a detailed systematic study of different surface-functionalized particles in combination with a SAXS method for the systematic investigation of the interface interaction in the development of epoxy nanocomposites. We investigated the effect of surface modification of spherical SiO2 nanoparticles with 9 nm and 72 nm diameter and crystalline ZrO2 nanoparticles with 22 nm diameter on the homogeneous distribution of the fillers in diethylenetriamine (DETA) cured bisphenol-F-diglycidylether epoxy resin nanocomposites. Unmodified nanoparticles were compared with surface-modified oxides having diethylene glycol monomethyl ethers (DEG), 1,2-diols, or epoxy groups attached to the surface. The influence of surface modification on dispersion quality was investigated by transmission electron microscopy (TEM) and small angle X-ray scattering (SAXS) for inorganic filler contents of 3, 5 and 10 wt%. It was shown that the dispersion quality can be optimized by varying the coupling agent end group to obtain homogeneous and transparent nanomaterials. UV/VIS measurements confirmed the transparency/translucency of the obtained materials. The relationship between particle–matrix interaction and particle–particle interaction plays a decisive role in homogeneity and is controlled by the surface groups as well as by the type, size, and morphology of the nanoparticles themselves

Body wall structure in the starfish Asterias rubens

Queen Mary University of London; Engineering & Physical Sciences Research Council. Grant Number: EP/J501360/1; Biotechnology and Biological Sciences Research Council. Grant Number: BBSRC;BB/M001644/1; Royal Society through the Equipment Grant scheme. Grant Number: SEMF1A6

Keratin: Structure, mechanical properties, occurrence in biological organisms, and efforts at bioinspiration

A ubiquitous biological material, keratin represents a group of insoluble, usually high-sulfur content and filament-forming proteins, constituting the bulk of epidermal appendages such as hair, nails, claws, turtle scutes, horns, whale baleen, beaks, and feathers. These keratinous materials are formed by cells filled with keratin and are considered 'dead tissues'. Nevertheless, they are among the toughest biological materials, serving as a wide variety of interesting functions, e.g. scales to armor body, horns to combat aggressors, hagfish slime as defense against predators, nails and claws to increase prehension, hair and fur to protect against the environment. The vivid inspiring examples can offer useful solutions to design new structural and functional materials. Keratins can be classified as α- and β-types. Both show a characteristic filament-matrix structure: 7 nm diameter intermediate filaments for α-keratin, and 3 nm diameter filaments for β-keratin. Both are embedded in an amorphous keratin matrix. The molecular unit of intermediate filaments is a coiled-coil heterodimer and that of β-keratin filament is a pleated sheet. The mechanical response of α-keratin has been extensively studied and shows linear Hookean, yield and post-yield regions, and in some cases, a high reversible elastic deformation. Thus, they can be also be considered 'biopolymers'. On the other hand, β-keratin has not been investigated as comprehensively. Keratinous materials are strain-rate sensitive, and the effect of hydration is significant. Keratinous materials exhibit a complex hierarchical structure: polypeptide chains and filament-matrix structures at the nanoscale, organization of keratinized cells into lamellar, tubular-intertubular, fiber or layered structures at the microscale, and solid, compact sheaths over porous core, sandwich or threads at the macroscale. These produce a wide range of mechanical properties: the Young's modulus ranges from 10 MPa in stratum corneum to about 2.5 GPa in feathers, and the tensile strength varies from 2 MPa in stratum corneum to 530 MPa in dry hagfish slime threads. Therefore, they are able to serve various functions including diffusion barrier, buffering external attack, energy-absorption, impact-resistance, piercing opponents, withstanding repeated stress and aerodynamic forces, and resisting buckling and penetration. A fascinating part of the new frontier of materials study is the development of bioinspired materials and designs. A comprehensive understanding of the biochemistry, structure and mechanical properties of keratins and keratinous materials is of great importance for keratin-based bioinspired materials and designs. Current bioinspired efforts including the manufacturing of quill-inspired aluminum composites, animal horn-inspired SiC composites, and feather-inspired interlayered composites are presented and novel avenues for research are discussed. The first inroads into molecular-based biomimicry are being currently made, and it is hoped that this approach will yield novel biopolymers through recombinant DNA and self-assembly. We also identify areas of research where knowledge development is still needed to elucidate structures and deformation/failure mechanisms

Medikationsmanagement in der Apotheke mit besonderer Berücksichtigung der CYP450 bedingten Interaktionen

In der vorliegenden Diplomarbeit wurde behandelt, wie Medikationsmanagement in der öffentlichen Apotheke zur Verbesserung der Therapietreue, zur Optimierung von Therapien und zur Arzneimittelsicherheit beitragen kann. Durch Analyse der gesamten Arznei- und Nahrungsergänzungsmittel eines Patienten können Wechselwirkungen auf pharmakokinetischer und pharmakodynamischer Ebene erkannt und vermieden werden. In dieser Arbeit wurde die Aufmerksamkeit auf Wechselwirkungen über Cytochrom P450 gelegt. Durch Inhibition oder Induktion eines verstoffwechselnden Enzyms der Cytochrom P450 Familie kann es zu gefährlichen Überdosierungen oder zum Wirkungsverlust kommen. Ältere Patienten haben ein größeres Risiko für potentielle Arzneimittelinteraktionen aufgrund von Polypharmazie und altersabhängigen pharmakologischen und pharmakodynamischen Veränderungen ihres Körpers. Anhand von Fallbeispielen wurden die wichtigsten Interaktionen mit Hilfe des Interaktionsprogramms MediQ beschrieben und Lösungsvorschläge erarbeitet. Mit der Einführung der ELGA Funktion „e-medikation“ möchte Österreich in Zukunft einigen anderen europäischen Ländern, die im Moment noch einen Schritt voraus sind, folgen. Mit Hilfe von Gentests, die genetische Variationen von arzneistoffmetabolisierenden Enzymen bestimmen, könnte in Zukunft die Therapie für jeden Patienten individueller abgestimmt werden. Jedoch kann nicht zwingend eine Therapieempfehlung für einen Patienten gemacht werden, auch wenn bekannt ist, ob er ein langsamer, intermediärer, extensiver oder ultraschneller Metabolisierer-Typ ist. Es gibt einen klaren Zusammenhang zwischen pharmazeutischer Betreuung und der Therapietreue von Patienten. Wenn die Anzahl an Arzneimittel, die ein Patient täglich einnehmen muss steigt, wird es immer schwieriger den Überblick zu behalten. Das wirkt sich dann bewusst oder unbewusst negativ auf die Adhärenz aus. Patienten lassen Medikamente weg, weil sie überfordert oder unsicher sind, warum ihnen die Medikamente vom Arzt überhaupt verschrieben wurden. Im Rahmen eines Medikationsmanagement kann der Apotheker mit dem Patienten noch einmal alle Indikationen und Einnahmezeitpunkte besprechen, und gegebenenfalls Anwendungsfehler oder Unsicherheiten beseitigen.This diploma thesis shows how medication therapy management in the public pharmacy can contribute to the improvement of medication adherence, the optimization of therapies and drug safety. By analyzing the medication and nutritional supplements of a patient, interactions at pharmacokinetic and pharmacodynamic levels can be identified and avoided. Special attention was paid to interactions via cytochrome P450. Inhibition or induction of a metabolizing enzyme of the cytochrome P450 family can result in dangerous overdose or loss of efficacy. Elderly patients are at greater risk for potential drug interactions due to polypharmacy and age-related pharmacological and pharmacodynamic changes in their body. By using the program MediQ, the most important interactions were described in case studies and possible solutions were discussed. Regarding medication therapy management, many European countries are one step ahead of Austria. With the introduction of the ELGA function "e-medikation", Austria tries to close that gap. The possibility of testing genetic polymorphisms of drug-metabolizing enzymes, would allow the individualisation of each patients therapy in the future. However, even with the knowledge, if a person is a poor, intermediate, extensive or ultrarapid metabolizer, a generally valid therapy recommendation cannot be made. The correlation between pharmaceutical care and medication adherence has been proven in several publications. As the number of drugs for daily intake increases, it becomes a challenging task to keep track of the medication. This usually has a negative effect on medication adherence. Patients tend to skip their medication, because they are overwhelmed or unsure why the medication was prescribed by the doctor in the first place. Once more, medication therapy management can help the patients to understand the purpose of their medication. The pharmacist can support the patient in case of application problems or can assist with any concerns about the medication in general