Universität Stuttgart
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Item Open Access Untersuchung der Abscheidung von Bornitrid auf metallischen Substraten(2004) Ulrich, Lars; Lunk, Achim (Prof. Dr.)Das kubische Bornitrid (c–BN) ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Gegenüber dem Diamant ist es aber chemisch stabiler und bildet keine Verbindungen mit eisen- und nickelhaltigen Legierungen. Diese Eigenschaften macht es geradezu ideal für den Einsatz als Verschleißschutzschicht von Werkzeugen für die Stahlbearbeitung. In der Industrie wird c–BN bereits zur Stahlbearbeitung eingesetzt. Die Werkzeuge bestehen aus mit Hilfe eines Binders gesinterten c–BN Kristalliten. Die c–BN Kristallite werden dafür in einem Hochdruck-Hochtemperatur-Prozess hergestellt. Bei diesen Werkzeugen hat c–BN seine Einsatzmöglichkeit in der Materialbearbeitung bereits bewiesen. Der Nachteil dieser Werkzeuge ist allerdings die aufwändige Nachbearbeitung des gesinterten Materials. Das wesentliche Problem bei der plasmagestützten Schichtabscheidung sind die hohen Eigenspannungen, die während des Wachstums in den Schichten entstehen. Für das Wachstum der kubischen Phase ist ein Beschuss der Schicht mit Ionen notwendig. Durch diesen Ionenbeschuss werden gleichzeitig intrinsische Spannungen in den Schichten erzeugt. Sie limitieren die Dicke und die Stabilität der abgeschiedenen Schichten. In den meisten Fällen platzten die Schichten schon bei einer Dicke von wenigen 100 nm ab. Eine Verbesserung der Schichtstabilität kann erreicht werden durch eine Reduzierung der Schichtspannungen und durch die Optimierung der Zwischenschicht zwischen der c–BN-Schicht und dem Substrat. Neben diesem grundsätzlichen Problem gibt es für eine industrielle Anwendung zusätzliche Anforderungen. Bisher wurden die meisten c–BN Beschichtungen auf Silizium und im Labormaßstab durchgeführt. Für eine industrielle Anwendung werden metallische Substrate und größere Anlagen benötigt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung von Bornitridschichten auf titannitridbeschichteten Stahlsubstraten untersucht und optimiert. Die Abscheidung der Schichten erfolgte in einem Hohlkathodenbogen-Verdampferverfahren unter Ionenbeschuss. Vor der Schichtabscheidung wurden die Plasmabedingungen in der Anlage systematisch untersucht. Daraus ergab sich eine Voraussage über die Größe des Volumens, in dem eine Abscheidung von c-BN möglich sein sollte. Diese Voraussage konnte experimentell nahezu bestätigt werden. Das Schichtwachstum wurde insitu mit polarisierter Infrarot-Reflexionsspektroskopie (PIRRS) untersucht. Bei der Verwendung der PIRRS in Verbindung mit metallischen, hoch reflektierenden Substraten ergibt sich eine Steigerung der Empfindlichkeit bei dünnen Schichten durch den Berreman-Effekt in p-Polarisation. Wie in der Arbeit gezeigt wird, kann diese Berreman-Absorption zur Überwachung des Wachstums der h-BN-Zwischenschicht eingesetzt werden. Die Messgröße für die Überwachung des Wachstums ist die Position des Minimums der Berreman-Absorption und ihre Verschiebung während der Beschichtung. Die Untersuchng der Zwischenschicht mit hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie zeigt eine Korrelation zwischen der Berreman-Absorption und der Struktur des h-BN's. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Silizium- und metallischen Substraten sind die beim Abkühlen entstehenden thermischen Spannungen. Sie wurden im Rahmen dieser Arbeit mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Werte der thermischen Spannungen auf metallischen Substraten vom Betrag her deutlich größer sind als bei Siliziumsubstraten. Zusätzlich ist das Vorzeichen entgegen gerichtet. Bei Silizium werden die bei der Beschichtung entstehenden kompressiven Spannungen durch die thermischen Spannungen beim Abkühlen vermindert, während sich auf metallischen Substraten beide Spannungen addieren. Im Experiment konnte dies bestätigt werden. Erst durch die Einführung einer ca. 250 nm dicken h-BN-Zwischenschicht konnten Schichten abgeschieden werden, die mehrere Monate stabil waren. An mehreren, zeitlich stabilen Schichten wurden ex situ Untersuchungen zur Charakterisierung der Schichteigenschaften durchgeführt. Die Härte wurde mit einem Indenter-Verfahren gemessen. An einer Schicht mit einer Gesamtschichtdicke von 1,07 µm und einem c-BN Anteil von 820 nm ergab sich eine Mikrohärte von 37,4 GPa und ein E-Modul von 268 GPa. Mit dem Kalottenschliff wurde ein Vergleich zwischen einer Titannitrid- und einer c-BN-Schicht durchgeführt. Dabei wurde unter denselben Bedingungen eine Kugel in die jeweilige Schicht eingeschliffen. Bei Titannitrid ergab sich unter den gewählten Bedingungen eine Einschleiftiefe von 1,45 µm und bei c-BN eine Tiefe von 0,75 µm. D.h. in der c-BN-Schicht reduziert sich die Einschleiftiefe nahezu auf die Hälfte gegenüber Titannitrid. Das zeigt das Potential, welches in c-BN als Verschleißschutzschicht liegt.Item Open Access Persistente organische Spurenstoffe in Kompost und Rückständen der Biomassevergärung - Belastungsituation, Abbau und Bewertung(2011) Stäb, Jessica; Metzger, Jörg (Prof. Dr. rer. nat. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich deshalb mit der Analyse verschiedener ausge- wählter organischer Spurenstoffe, sowohl in Komposten als auch in Gärresten. Die Pro- bennahme erfolgte dabei monatlich über ein Jahr hinweg - Proben wurden sowohl von den fertigen Produkten als auch von den Zwischenstufen genommen. In Laborversuchen wurden kontaminierte Materialien den bei der Kompostierung auftretenden Temperatu- ren ausgesetzt, um das Verhalten der Schadstoffe zu beobachten. Desweiteren wurden Versuche zur Aufnahme der analysierten Schadstoffe in Kompostwürmern (Eisenia feti- da) und Pflanzen (Weizen) durchgeführt, sowie Ausgangsmaterialien der Kompostierung und Vergärung analysiert. Hierbei wurden in allen Kompost- und Gärrestproben die Schadstoffe bzw. Schadstoff- gruppen DEHP, 16-EPA-PAK, PCB7, PBDE9, p,p’-DDE, DBE, BBP sowie Nonylphe- nole in quantitativen Mengen gefunden. In einem GC-MS-Screening konnten außerdem verschiedene Fettsäuren, Terpene, PAK-Derivate, Insektizide und Aromastoffe wie Va- nillin und Limonen nachgewiesen werden. In Gärresten lagen die Schadstoffkonzentratio- nen im Allgemeinen höher als in den Kompostproben. Die geringsten Konzentrationen konnten in den Proben des Grüngutkomposts ermittelt werden. Grenzwerte, soweit sie existieren, wurden hierbei nur im Falle von DEHP für einige norwegische Gärrestproben überschritten. Während der Kompostierung, Vergärung und insbesondere der Gärrest- trocknung konnte ein Rückgang der Konzentrationen der Schadstoffe DEHP und der PAK beobachtet werden, ebenso wie bei den Thermoversuchen im Labor. Zwischen der Belastungssituation der Proben, die aus Anlagen mit unterschiedlicher Prozessführung und aus verschiedenen Ländern genommen wurden, zeigten sich deut- liche Unterschiede. So wurden in den norwegischen Komposten und Gärresten deutlich höhere Konzentrationen an DEHP nachgewiesen. In den deutschen Anlagen hingegen wurden höhere Belastungen an PAK, PCB und PBDE festgestellt. Dies mag mit der unterschiedlichen Verwendung der Stoffe, sowie im Falle der PAK, die im Wesentlichen durch Verbrennungsprozesse entstehen, mit einer unterschiedlichen Besiedlungsdichte der Länder zusammenhängen. Betrachtet man die Hintergrundbelastung von Böden mit den beiden Schadstoffgruppen der PCB und PBDE, so zeigen sich deutlich geringere Konzentrationen in Norwegen als in Deutschland. Auch dies mag neben der früheren Verwendung mit der geringeren Besiedlungsdichte zusammenhängen. Hingegen ist die erhöhte Belastung des norwegischen Gärrestes mit DEHP eher prozessbedingt. Eine deutlich geringere Belastung als für die anderen Probentypen konnte für den Kom- post aus reinem Grünschnitt festgestellt werden. Eine Belastung mit Industriechemikali- en trat hier kaum auf. Der Kompost aus der Containerkompostierung wies eine deutlich geringere PAK-Belastung auf als die anderen untersuchten Komposte. In diesem Fall ist ein Eintrag der PAK über den Luftweg während der Hauptrotte ausgeschlossen. Ein deutlicher Unterschied kann auch zwischen der anaeroben und aeroben Abfallbehand- lung beobachtet werden. In den Gärrestproben wurden deutlich höhere Konzentratio- nen nachgewiesen als in den Kompostproben (siehe Kapitel 4.1.1: Konzentrationen der einzelnen Verbindungen). Die Eliminierung der verschiedenen Schadstoffe während der Kompostierung/Vergärung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. So spielen so- wohl Temperatur, Dauer des Prozesses, als auch die beteiligten Mikroorganismen eine entscheidende Rolle. Neben dem Abbau haben weitere Faktoren wie Mineralisierung, nichtkovalente und kovalente Bindung an Partikel (z.B. Humus) und Evaporation einen Einfluss auf die Konzentrationsabnahme der Schadstoffe. Vor allem die Trocknung des Gärrestes nach der Vergärung führt zu einem hohen Konzentrationsverlust an DEHP und den flüchtigeren PAK. Auch die Temperatur während der Vergärung und damit die beteiligten Mikroorganismen scheinen einen Einfluss auf die Schadstoffkonzentra- tion zu haben. Gärrest aus einer mesophilen Vergärung weist deutlich höhere DEHP- Konzentrationen auf als Gärrest aus der thermophilen Vergärung (siehe Kapitel 4.1.2: Abhängigkeit der Konzentration vom Kompostierungsgrad und der Trocknung des Gär- restes ). Experimente zur Untersuchung des Einflusses der Temperatur auf Abbau und Mineralisierung haben ebenfalls gezeigt, dass die Temperatur einen großen Einfluss auf die Schadstoffkonzentration ausübt.Item Open Access Synthesis and characterization of carbon nanotube reinforced copper thin films(2006) Otto, Cornelia; Arzt, Eduard (Prof. Dr.)Two model composites of copper and carbon nanotubes were fabricated by very different deposition methods. Copper electrodeposition in a plating bath containing nanotubes created a 3D matrix of randomly oriented CNTs within a thick, 20 micron Cu film. In contrast, sandwiching a layer of well-separated nanotubes between two sub-micron sputtered Cu layers produced a 2D-composite with nanotubes lying parallel to the substrate surface. These composites, which were mechanically tested using various techniques, proved to be well suited to explore the nature of the CNT/Cu matrix interface. Columns approximately 600 nm in diameter and 1.4 microns high were cut from the sputter-deposited composite and microcompression tested in a nanoindenter. No influence of the presence of nanotubes on the stress-strain-curves was observed, which was attributed to the low nanotube content. On the other hand, microscopic analysis showed an influence of the nanotube on the copper immediately surrounding it, resulting in funnel-like depressions on the column surface. In addition to deformation by slip, twinning was observed in some columns, which has never before been reported in the literature for micron-sized columns. Macroscopic tensile tests were performed on the electrodeposited films and the samples with the highest carbon content showed an increase in toughness of over 100% with respect to the CNT-free control samples produced by the same method. Finally, short copper electrodepositions into carbon nanotube carpets revealed large regions with conformally coated nanotubes. Until now, it was assumed that copper would not wet the nanotubes and that the interfacial strength between copper and CNTs would be low, since copper does not form a carbide. However, these experiments all revealed clear evidence of adhesion exceeding the copper shear strength. To our knowledge, this is the first time such strong adhesion was demonstrated between a nanotube and a metal matrix. We attribute this unexpected, but highly desirable adhesion and wetting behaviour to the defect structure in the nanotubes used. Most of the experiments were done with nitrogen-doped carbon nanotubes, which are known to be rich in defects. The nanotube carpets used in the last experiment were not doped but had a high defect density due to the synthesis method used. As a good adhesion between fiber and matrix is a prerequisite for the successful use of carbon nanotubes in metal matrix composites, these results are very encouraging. The composites and methods presented here provide a foundation for further studies needed to understand the nanotube-metal interaction in more detail and thus ultimately for successful metal-carbon nanotube composites.Item Open Access Synthese und Strukturaufklärung von Dodekahydro-closo-Dodekaboraten und hydroxylierten Derivaten(2011) Schölkopf, Thomas; Schleid, Thomas (Prof. Dr.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit bislang unbekannten, salzartigen Verbindungen aus der Stoffklasse der closo-Dodekaborate. Grundgerüst der ersten Hälfte aller nachfolgend vorgestellten Verbindungen bildet das ikosaedrische [B12H12]2–-Dianion. Seine Eigenschaften als sterisch anspruchsvolles Molekül mit relativ kleinem Ladungs-Volumen-Verhältnis lässt es als nicht-nucleophiles Anion prädestiniert erscheinen.Item Open Access Targeted lipid coated nanoparticles : delivery of tumor necrosis factor functionalized particles to tumor cells(2009) Messerschmidt, Sylvia; Kontermann, Roland (Prof. Dr.)Polymeric nanoparticles become more and more important as versatile carrier systems for therapeutic and diagnostic compounds embedded within the particle matrix or attached to the particle surface through physical or covalent bonds. Nanoparticle displaying tumor necrosis factor (TNF) on their surface, efficiently activate both TNF receptors and thus mimic the bioactivity of membrane-bound TNF. This leads to a strikingly increased apoptosis. However, an in vivo application for cancer therapy is hampered by the potential systemic action of TNF, which can lead to severe side effects and even death. In this study, targeted lipid-coated TNF-functionalized nanoparticles (scTNF-TLP) were generated, which may be a promising formulation of TNF enabling a systemic and tumor selective application. ScTNF-TLP are composed of an inner polymeric core with a surface that is functionalized with a single-chain TNF derivative (scTNF). The particles are surrounded by a sterically stabilized polyethylene glycol (PEG)-lipid coat. Thus a strong reduction of the cytotoxic effect could be achieved which indicates an effective shielding of the TNF activity. By insertion of a single-chain Fv fragment (scFv) directed against the tumor stroma marker fibroblast activation protein (FAP) an active targeting could be demonstrated. The insertion of the targeting moiety into the lipid coat was achieved by a defined and site-directed coupling through a genetically engineered cysteine residue. In order to improve the scFv format for coupling a comparative analysis of various newly designed variants was performed. The most suitable variants contain the hexahistidyl-tag for purification and detection incorporated into the linker sequence together with a cysteine residue (LCH). The resulting TLP and scTNF-TLP bound specifically to FAP-expressing cells but not to FAP-negative cells. The lipid-coating strongly reduced the unspecific uptake of particles and also the scTNF-P mediated apoptosis. In contrast, an increased cytotoxicity towards FAP-expressing cells could be shown for anti-FAP scTNF-TLP compared to lipid-coated scTNF-P without targeting molecule. This indicates a selective delivery of the embedded TNF-functionalized nanoparticle to antigen-positive target cells. In summary, by encapsulation into a multifunctional lipid-shell, polymeric and TNF-functionalized nanoparticles, which are subject to an unspecific activity towards a variety of cells and tissue, could be converted in a targeted lipid-coated nanoparticulare carrier system and demonstrated a target cell-specific action of the bioactive compound. This system benefits from a large modularity: beyond the bioactive compound also the targeting moiety as well as the inner core could be adapted at the current requirements. Thus, a manifold application as imaging or drug carrier system is conceivable. Moreover, a combination of both approaches enables usage for a diagnostic as well as therapeutic application.Item Open Access Mössbauer spectroscopy, nuclear inelastic scattering and density functional theory studies on oxobridged iron complexes and their reaction under Gif-type conditions(2010) Subramanian, Rajagopalan; Asthalter, Tanja (Priv.-Doz. Dr. rer. nat.)This dissertation comprises studies of the Gif reaction of trinuclear oxobridged iron complexes aimed at predicting the intermediates formed during the Gif reaction. The experimental techniques used in these studies were 57Fe transmission Mössbauer spectroscopy and synchrotron-based nuclear inelastic scattering (NIS). Quantum mechanical calculations based on density functional theory were also used to interpret the experimental results. Because NIS has rarely been applied to study catalytic reactions and nonheme and sulphur-free proteins with at least two iron centered complexes, we first used the Michael reaction to validate the reliability of the NIS technique before applying it to frozen solutions of the Gif reaction. The vibrational dynamics of another trinuclear oxobridged iron complex studied using the three above-mentioned methods together with Raman spectroscopy is also discussed in a separate chapter. One chapter is dedicated to a discussion of the instrumentation of a 57Fe transmission Mössbauer spectrometer built in the frame of this dissertation. This instrument can be used to analyze samples at room temperature with good instrumental resolution.Item Open Access Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Gaseigenschaften auf aerodynamisch erzeugte Schallleistungen umlaufender Kreisprofile(2009) Hupfeld, Jan; Hübner, Gerhard (Prof. Dr. rer. nat.)In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluss des Strömungsmediums in einem weiten Bereich von Geometrie- und Strömungsparameter auf die Generierung der Schallleistung von im Rundlauf bewegter Kreiszylinder experimentell untersucht. Das Strömungsmedium wird dabei durch Zumischung von Helium zu Luft geändert, wodurch insbesondere die Schallgeschwindigkeit im Gasgemisch im Verhältnis von etwa bis zu 1:3 verändert und damit bei gleich bleibender Geometrie der bewegten Objekte das für die Schallabstrahlung wesentliche Verhältnis von Objektabmessung zu Schallwellenlänge im gleichen Verhältnis variiert. Diese Untersuchung der Schallgenerierung von bewegten Kreiszylindern ist eine Fortführung der Arbeiten von Wittstock, bei der die Schallleistung der Kreiszylinder gleicher Abmessungs- und Geschwindigkeitsvariationen aber nur in einem Gas, in Luft, dies aber bei verschiedenen statischen Drücken gemessen wurden, also bei gleich bleibender Schallgeschwindigkeit. Schallleistungen wurden bei beiden Untersuchungsvorhaben mit dem Hallraumverfahren in einem speziellen Messraum durchgeführt, in dem Änderungen von Druck und Gaszusammensetzung in einem Bereich zwischen statischen Umgebungsdruck bis herab zu 1 kPa und für beliebige Stufungen zwischen Luft und einem Anteil von 98% Helium eingestellt werden konnten. Der für eine normgerechte Hallfeldschallleistungsbestimmung der Klasse 1 für Luft bis etwa 600 Hz herab qualifizierte Messraum machte es wegen der nun bei gleichen Frequenzen hierzu dreifach größeren Wellenlänge allerdings erforderlich tiefe Frequenzen bis herab zum Druckkammerfeld zu kalibrieren, um auch bei durch die Heliumbeimischung vergrößerten Wellenlängen hinreichend genaue Schalleistungsbestimmungen durchführen zu können. Die dazu zusammen mit einer eingehenden Diskussion der neusten Entwicklungen auf dem Gebiet der Bestimmung und Angabe von Messunsicherheiten nach ISO und GUM im Kapitel 3 und 5 durchgeführten sorgfältigen Untersuchungen führte zu Ergebnissen, die anlässlich der Tagung der Deutschen Akustischen Gesellschaft 2005 in München auch bereits in den Hauptaussagen vorgetragen und so in Fachkreisen zur Diskussion gestellt wurden. Damit kann die Verlässlichkeit der Ergebnisse dieser experimentellen Arbeit in ihrem akustischen Teil als abgesichert gelten. Eingeschlossen in diese sehr breit angelegten Voruntersuchungen sind dabei auch die Kalibrierungen der Mikrofone in der für diesen Wandler üblicherweise nicht vorgesehenen Anwendung in verschiedenen Schallträgermedien sowie die mit akustischen Mitteln durchgeführte Bestimmung der Schallgeschwindigkeit zu den jeweiligen Gasgemischen. Detailangaben zu diesen Grundlagen der ausgeführten akustischen Messungen sind in den Anhängen A.1, A.2 und A.3 wiedergegeben. Für die im Frequenzbereich unter 600 Hz erforderliche akustische Vergleichsschallquellen-Messung wurde sowohl eine aerodynamische Referenzschallquelle wie auch eine hierfür konstruierte Kolbenschallquelle verwendet, deren Schallleistungen unter Freifeldbedingungen mittels Schallintensitätshüllflächenverfahren bestimmt wurde. Die mit Hitzdraht- und Splitfilmsonden durchgeführte Strömungsmessung bedurften dementsprechend auch für die geänderten Gase spezielle Kalibrierungen, über die in Abschnitt 5 sowie in Anhang A.4 ausführlich berichtet wird. Hierfür war eine spezielle Kalibrierungsvorrichtung erforderlich, deren Entwurf und Realisierung ebenfalls in dem zuvor genannten Abschnitten beschrieben ist. Der insgesamt für die akustischen und strömungstechnischen Messungen durchgeführte Ablauf ist in den Abschnitten 6 und 7 beschrieben. Die Strömungsmessung erfolgte dabei mit einer Traversiervorrichtung parallel und entlang der Zylinderlänge im kleinen Abstand. Aus dem so in radialer Richtung erhaltenen Strömungsgeschwindigkeiten wurden für weitere Auswertungen der Mittelwert gebildet. Die eigentlichen Schallquellen sind Kreiszylinderstäbe, die zwischen zwei Scheiben eingepasst umlaufen und deren Länge zu Durchmesser im Verhältnis zwischen 1:1 bis 1:13 variiert. Dabei konnten Drehzahlen bis zu 9000 U/min entsprechend Machzahlen bis 0,4 in Luft eingestellt werden. Aus der stufenweise durchgeführten Variation von Drehzahl/Anströmgeschwindigkeit, Geometrie und Gas ergab sich eine Vielfalt von 433 einzelnen gemessenen Schallleistungsspektren. Das Ziel der aeroakustischen Auswertungen, die im Abschnitt 8 sowie detailliert in Anhang F beschrieben sind, ist die quantitative Beschreibung der generierten Schallleistung in Abhängigkeit relevanter Einflussgrößen. Jedoch galt es auch Abhängigkeiten von der Helmholtzzahl HeD und HeL und damit schallabstrahlungsrelevante Einflüsse zu untersuchen. Dazu wurde in dem Anhang A.7 eine Modellrechnung mit Hilfe der DFEM für den Dipollinienstrahler verschiedener Ordnungen ausgeführt.Item Open Access Optische Leitfähigkeit dünner Goldfilme im infraroten Spektralbereich(2008) Brandt, Tobby; Dressel, Martin (Prof. Dr. rer. nat.)Die optische Leitfähigkeit von Goldfilmen mit Schichtdicken von 9nm bis hin zu einer Monolagenbedeckung wurde im Frequenzbereich zwischen 600 Wellenzahlen bis 6000 Wellenzahlen bei Temperaturen vom 300K bis 4,5K aus Reflexionsmessungen mittels Fouriertransformationsspektroskopie ermittelt. Die Goldfilme wurden unter UHV Bedingungen auf Si(111)Au-7x7-Oberflächen präpariert, mit LEED charakterisiert und optisch untersucht. Ein Metall-Isolator Übergang sowohl in der Frequenz- als auch in der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit wurde bei einer nominellen Schichtdicke von 2nm beobachtet. Für Filmdicken größer 3nm lassen sich die Goldfilme mit der Drudetheorie beschreiben. Bei diesen metallischen Goldfilmen wurden frequenzabhängige Sizeeffekte in der Leitfähigkeit identifiziert. Bei Auswertung der Streurate wurde weiterhin ein Anstieg der Debeye-Temperatur in Abhängigkeit der Filmdicke beobachtet. Für Filmdicken kleiner 2nm wird ein ausgeprägtes Maximum in der frequenzabhängigen Leitfähigkeit beobachtet. Generell steigt die Leitfähigkeit in Abhängigkeit zur inversen Filmdicke stark an. Die Frequenz- und Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit dieser granularen, nicht geschlossenen Filme lässt sich nicht wiederspruchsfrei mit einer der bekannten Theorien zum Elektronentransport beschreiben.Item Open Access Structural and mechanical investigations of biological materials using a Focussed Ion Beam microscope(2005) Orso, Steffen; Arzt, Eduard (Prof. Dr. phil.)Biological materials have been evolved over millions of years of evolution to fulfil the requirements posed by the organism and environment. A closer inspection of these materials reveals that they are composites with a highly hierarchical structure. A detailed understanding of the behaviour and function of these materials is possible only if the structure and the mechanical properties down to the smallest level of the hierarchy are known. This requires specimens of very small scale to be analysed. This thesis describes the development and application of a novel technique for the quantitative investigation of both the three-dimensional structure and the mechanical properties of biological materials. This technique allows the micromechanical testing in bending and tension of samples of a few tens of micrometers in length and a few micrometers or less in diameter. It uses a Focussed Ion Beam system (FIB) as an in situ laboratory for structural investigations, sample preparation and sample fixation. Mechanical tests are carried out in situ in a FIB and a scanning electron microscope (SEM). Advantages of this method are that samples from larger objects can be prepared site-specifically using the FIB, and that testing in tension is possible without end effects due to gripping, since the samples are affixed by metal ‘tapes’ deposited using the FIB. Forces are measured with a piezoresistive Atomic Force Microscope (AFM) tip attached to a micromanipulator for high precision positioning. The displacement is determined from micrographs taken during the test. The mechanical properties of three different polymeric and biological materials and structures were measured in bending in situ inside an SEM: polyimide (Kapton®), horse hair (keratin) and spruce wood cell wall material (cellulose-fibre composite). Four different biological materials were tested in tension in situ in a FIB: a single element (seta) of the hairy attachment system of a beetle Gastrophysa viridula, wind-receptor hairs from the filiform sensor of crickets (Acheta domesticus) (both chitin-fibre composites), natural spider silk from the garden cross spider (Araneus diadematus) and artificial spider silk (protein fibres). Some of the biological samples could be tested for the first time using the newly designed testing method. They showed exceptional high mechanical properties when compared to technical materials.Item Open Access Hemmung von Bcr/Abl durch Imatinib führt zu einer Cisplatin-Sensitivierung und zu einer modulierten p53-Funktion bei Bcr/Abl-positiven Zellen(2009) Skorta, Ioanna; Scheurich, Peter (Prof. Dr.)Für die Pathogenese der chronisch myeloischen Leukämie (CML) ist die onkogene Kinaseaktivität von Bcr/Abl essentiell. Aufgrund der Tatsache, dass Bcr/Abl selektiv in malignen Zellen exprimiert wird und diese onkogene Tyrosinkinase kausal für die CML ist, stellt dieses Fusionsprotein einen hervorragenden Angriffspunkt für eine zielgerichtete Behandlung der Krankheit dar. Seit der Einführung im Jahr 2001 hat sich der Bcr/Abl-Tyrosinkinase-Inhibitor Imatinib Mesylat (Glivec®; GleevecTM; STI571) zum Goldstandard in der Primärtherapie der CML etabliert. Obwohl bisher große therapeutische Erfolge mit Imatinib bei Patienten mit CML in chronischer Phase erzielt werden konnten, ist nach aktuellem Erkenntnisstand keine Eliminierung aller leukämischen Zellen durch eine Imatinib-Monotherapie in Patienten möglich. Die Entwicklung neuer Behandlungs-Strategien, die eine vollständige Heilung der CML erzielt, ist nach wie vor von großer Bedeutung. Erfolgversprechend könnte die Kombination aus Imatinib und anderen Medikamenten, wie zum Beispiel Chemotherapeutika, sein. In der vorliegenden Dissertation gelang erstmalig der Nachweis, dass eine Behandlung mit Imatinib zu einer Hypersensitivität gegenüber Cisplatin führt sowohl bei murinen Bcr/Abl positiven Zellen als auch in primären Philadelphia- positiven Progenitor-Zellen aus CML Patienten, die in diesem Ausmaß bisher nicht beschrieben wurde. Die Kombination aus Imatinib und Cisplatin führte bei Bcr/Abl-positiven Zellen zu einer extrem verstärken Induktion von Zelltod, während dieselbe Behandlung keine zusätzlichen Effekte bei Bcr/Abl-negativen Zellen hatte. Darüber hinaus konnte der durch eine Imatinib/Cisplatin- Behandlung vermittelte Viabilitätsverlust durch eine zusätzliche Inkubation mit dem Mdm2-Antagonisten Nutlin weiter verstärkt werden, sodass im Zellliniensystem ein fast 100 %-iger Zelltod und bei primären Zellen eine fast komplette Hemmung der Koloniebildung erreicht wurde. Interessanterweise ergab ein Vergleich der Cisplatin-Sensitivität der Bcr/Abl-positiven Zelllinie BaF3p185 in Anwesenheit von Imatinib mit der von anderen Tumorzelllinien, dass durch Imatinib in Bcr/Abl-positiven Zellen eine Sensitivität erreicht wurde, die vergleichbar mit der extrem sensitiven Hodenzelllinie N-TERA war. Zur Charakterisierung möglicher Ursachen dieser Hypersensitivität Imatinib- behandelter CML Zellen gegenüber Cisplatin, wurden zunächst mögliche Alterationen der Regulation des Zellzyklusarrests nach Cisplatin-Behandlung untersucht. Cisplatin induzierte sowohl bei Bcr/Abl-positiven als auch bei Bcr/Abl-negativen Zellen einen G2/M-Arrest. Durch die Behandlung mit Imatinib kam es zu einem Verlust des G2/M-Arrests und zu einer schnellen Induktion von Zelltod bei Bcr/Abl-positiven Zellen, während dieselbe Behandlung keinen Effekt auf den Cisplatin-induzierten G2/M-Arrest bei Bcr/Abl-negativen Zellen hatte. Darüber hinaus konnte mittels einer Analyse der einzelnen Zellgenerationen 24 h nach Cisplatin-Behandlung gezeigt werden, dass Bcr/Abl-positive Zellen bereits nach der ersten Zellteilung in der G2/MPhase arretierten und eine kleine Zellpopulation, vermutlich nach erfolgter Reparatur des DNASchadens, ohne signifikanten Verlust der mitochondrialen Integrität, eine dritte Zellteilung vollendet hatte. In Anwesenheit von Imatinib hingegen waren die Zellen nicht in der Lage in G2/M zu arretieren. Vielmehr kam es bereits nach der ersten Zellteilung zum Verlust der mitochondrialen Integrität infolge von Cisplatin. Es ist bekannt, dass es durch den Verlust des mitochondrialen Membranpotentials zur Freisetzung von Cytochrom C aus dem Mitochondrium und damit zu einem Caspase-abhängigen Todesmechanismus kommt. Interessanterweise verlief der Imatinib/Cisplatin-induzierte Zelltod bei Bcr/Abl-positiven Zellen unabhängig von Caspasen. Neben Cytochrom C wird auch AIF aus dem Mitochondrium freigesetzt, das in der Lage ist einen Caspase-unabhängigen Todesmechanismus zu induzieren. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass es in Bcr/Abl-positiven Zellen infolge einer Behandlung mit Imatinib und Cisplatin zu einer AIFTranslokation in den Zellkern und somit zur Induktion von Zelltod kam. Als mögliche Ursache für den Verlust des G2/M-Arrests konnte eine verminderte ATMAktivierung infolge einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung selektiv bei Bcr/Abl-positiven Zellen identifiziert werden. Die verminderte Aktivierung von ATM führte zu einer Reduktion der p53-Phosphorylierung an Serin 15 und zu einer leichten Reduktion der p53-Induktion nach Cisplatin-Behandlung. Die verminderte p53-Phosphorylierung an Serin 15 hatte Konsequenzen auf die durch zellulären Stress hervorgerufene p53-Antwort, wobei es zu einer verminderten transkriptionellen Aktivität von p53 kam. Dies konnte durch die reduzierte Expression der p53-Zielstukturen, Mdm2 und p21, sowohl auf RNA- als auch auf Proteinebene, gezeigt werden. Im Gegensatz zu Mdm2 und p21 waren die proapoptotischen p53-abhängigen Gene wie BAX, PUMA und NOXA bereits in Abwesenheit von zellulärem Stress hoch exprimiert und wurden durch eine Behandlung mit Cisplatin nicht weiter induziert. Auch eine zusätzliche Behandlung der Zellen mit Imatinib hatte keine Auswirkungen auf die Expression von BAX, PUMA und NOXA. Demnach hat p53 auch keine transaktivierende Wirkung auf diese proapoptotischen Gene in diesem Zellsystem nach einer Behandlung mit Cisplatin. Dies bedeutet, dass die Funktion von p53 als Transkriptionsfaktor durch eine Behandlung mit Imatinib in Bcr/Abl-positiven Zellen gestört war. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte dennoch gezeigt werden, dass p53 für den hypersensitiven Phänotyp, der bei Bcr/Abl-positiven Zellen durch eine Imatinib/Cisplatin-Behandlung induziert wird, eine entscheidende Rolle spielt. p53 hat neben seiner Funktion als Transkriptionsfaktor im Zellkern auch im Zytoplasma eine wichtige Zelltod-induzierende Funktion. Im Zytoplasma ist p53 in der Lage durch die Bindung an pro- und antiapoptotische Proteine, unabhängig von seiner transkriptionellen Aktivität, BAX zu aktivieren und somit Zelltod zu induzieren. Voraussetzung für die Ausübung dieser Funktion ist eine Lokalisation von p53 im Zytoplasma. In dieser Arbeit gelang der Nachweis, dass p53 nach einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung Bcr/Abl-positiver Zellen größtenteils im Zytoplasma akkumuliert. Der p53-Export aus dem Zellkern wird vermittelt durch eine verminderte p53-Phosphorylierung am Serin-Rest an Stelle 15, durch eine niedrige Mdm2-Proteinmenge und durch die Aktivierung von FoxO3a. Alle drei Mechanismen konnten in dieser Arbeit nachgewiesen werden. Demnach wird die rasche Induktion von Zelltod durch zytoplasmatisches p53 vermittelt. Im Zytoplasma interagiert p53 mit dem antiapoptotischen Protein Bcl-xL, wodurch eine Aktivierung von BAX durch p53 und somit die Induktion von Zelltod verhindert wird. Es konnte gezeigt werden, dass es selektiv bei Bcr/Abl- positiven Zellen nach einer Behandlung mit Imatinib und Cisplatin zu einer signifikanten Reduktion der Bcl-xL-Expression kam. Diese verminderte Expression von Bcl-xL führte wahrscheinlich zu einem Ungleichgewicht zwischen Bcl-xL und p53 zugunsten von p53, sodass vermehrt “freies“ p53 im Zytoplasma vorlag, das dann in der Lage war, BAX zu aktivieren und einen mitochondrialen Zelltod zu induzieren. Die entscheidende Rolle der verminderten Bcl-xL Expression für den hypersensitiven Phänotyp konnte dadurch belegt werden, dass eine exogene Expression von Bcl-xL, die das Gleichgewicht mit p53 wiederherstellte, ausreichend war, um den Verlust der mitochondrialen Membranintegrität und die Translokation von AIF zu verhindern. Die Induktion von Zelltod bei Bcr/Abl- positiven Zellen nach einer Imatinib/Cisplatin-Behandlung konnte dadurch signifikant reduziert werden. Somit konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass für die Induktion einer Tumorselektiven Hypersensitivität gegenüber Cisplatin zwei Signalwege von entscheidender Bedeutung sind. Durch die Hemmung des ATM/p53-Signalwegs sind Bcr/Abl-positive Zellen nicht mehr in der Lage, in der G2/M-Phase zu arretieren. Darüber hinaus vermittelt eine Cisplatin-Behandlung in Anwesenheit von Imatinib die Akkumulation von p53 im Zytoplasma und eine gleichzeitige Reduktion der Bcl-xL-Expression, was zu einer massiven Induktion von Zelltod führt. Die Befunde dieser Arbeit könnten auch für andere maligne Erkrankungen bedeutend sein. Aufgrund der Tatsache, dass bei vielen Tumoren Signalwege der DNA-Schadensprozessierung per se dereguliert sind, könnte die pharmakologische Hemmung eines weiteren Wegs zu einer vergleichbaren Hypersensitivität führen, wie sie in vorliegender Dissertation nach Hemmung der ATM/p53-Achse und der Bcl-xL-Expression beobachtet wurde. Da bei normalen Zellen durch diesen pharmakologischen Eingriff lediglich ein Weg gehemmt würde, der andere jedoch weiterhin intakt wäre, wäre diese Hypersensitivität tumorselektiv.