Presented thesis deals with the preparation and characterization of hydrogels based on positively-charged biopolymer and negatively-charged tenside. As an appropriate representative of positively-charged polymer was chosen chitosan, because of his biocompatibility and biodegrability, and N,N,N-trimethylchitosan, which was synthetised from chitosan in this diploma thesis. The final product of synthesis was characterised by SEC-MALS, elemental analysis, infrared spectroscopy and nuclear magnetic rezonation. Interactions between these polymers and representatives of negatively-charged tensides, which are sodium dodecylsuphate and sodium tetradecylsulphate, were investigated. The main method used in this thesis was rheology, through it were investigated prepared hydrogels based on chitosan and tensides and also prepared microgels based on N,N,N-trimethylchitosan and tensides. The interactions between polymers and tensides have been proved.

Les travaux décrits dans ce manuscrit concernent l’élaboration de conservateurs naturels et hydrosolubles à base de polysaccharides greffés par des molécules actives d’origine végétale de type phénoliques (peu solubles dans l’eau). L’objectif est de développer de nouveaux systèmes présentant des propriétés antioxydantes et/ou antibactériennes, voire rhéologiques et principalement destinés aux domaines des formulations aqueuses cosmétiques et/ou alimentaires. Pour ce faire, le composé aminogaïacol (dérivé du gaïacol) a été greffé chimiquement sur un polysaccharide (carboxyméthylpullulane) selon des proportions variées (comprises entre 5 et 58 %). Les études physico-chimiques en milieux salins dilué et semi-dilué mettent en avant un caractère associatif (de type polysavon) des dérivés les plus greffés, avec des interactions intramoléculaires hydrophobes prédominantes qui limitent les propriétés rhéologiques. Tous les produits synthétisés ont par contre démontré des propriétés antioxydantes et antibactériennes. Le caractère associatif (i.e. la présence de microdomaines hydrophobes) s’est avéré être favorable à l’activité antioxydante, avec les meilleures activités observées pour le dérivé le plus fortement greffé en aminogaïacol (58%). Au contraire, le comportement associatif a limité l’activité biologique, dans ce cas, c’est le dérivé le moins greffé (5%) qui a démontré la meilleure activité antibactérienne, en raison d’une meilleure disponibilité des greffons. Afin d’améliorer les propriétés biologiques et/ou rhéologiques, cette approche de greffage de l’aminogaïacol a été étendue sur un autre polysaccharide anionique (l’alginate), plus rigide que le carboxyméthylpullulane avec des résultats prometteurs notamment en rhéologie. / The works described in this manuscript concern the development of natural and water soluble preservatives based on polysaccharides grafted with molecules of plant origin (from phenolic structure). The aim consists in developing new systems with antioxidant and/or antibacterial properties together with rheological ones for cosmetic and/or food application fields. For this purpose, aminoguaiacol (derived from guaiacol) was chemically grafted onto a polysaccharide (carboxymethylpullulan) in various proportions (between 5 and 58 %). The physicochemical studies in dilute and semi-dilute saline media put forward an associative character (of polysoap type) of the most grafted derivatives, with predominant hydrophobic intramolecular interactions which are limiting for rheology. All synthesized products have demonstrated antioxidant and antibacterial properties. The associative character (i.e., the presence of hydrophobic microdomains) was found to be favorable to the antioxidant activity, with the best activity for the most grafted aminoguaiacol derivative (58%). On the contrary, the associative behavior limited the antibacterial activity, in this case, the least grafted derivative (5%) demonstrated the best antibacterial activity, due to best availability of the grafted moieties. In order to improve the biological and/or rheological properties, this grafting approach of aminoguaiacol has been extended to another anionic polysaccharide (alginate), more rigid than carboxymethylpullulan with promising results notably as concerns rheology.

Dans la configuration de Rayleigh-Bénard, on considère une fine couche de fluide placée entre deux parois horizontales, chauffée par le bas et refroidie par le haut. Cette couche peut être le siège d'une instabilité si le gradient thermique est suffisamment important : on passe alors de l'état conductif à l'état convectif et on parle de bifurcation primaire pour qualifier cette première transition. Cette mise en mouvement du fluide se fait de manière ordonnée : on constate ainsi l'émergence de différents motifs de convection comme des rouleaux, des carrés ou encore des hexagones. Ces structures vont à leur tour subir des instabilités qualifiées de secondaires qui vont limiter la gamme de nombres d'onde stables. On étudie ici théoriquement ces instabilités d'une part à proximité du seuil de la convection grâce à une approche faiblement non linéaire, d'autre part loin des conditions critiques grâce à une approche fortement non linéaire. Le fluide est rhéofluidifiant, ce qui correspond au comportement rhéologique le plus fréquemment rencontré, et est décrit par le modèle de Carreau. À proximité du seuil, on considère deux situations : la première correspond au cas où les plaques ont une conductivité finie, la seconde à celui d'un fluide thermodépendant. Dans chaque cas, l'influence du caractère rhéofluidifiant sur la nature du motif émergeant à la bifurcation primaire et sur les instabilités secondaires est mise en évidence. Pour étudier les motifs de convection loin des conditions critiques, on a recours à une procédure de continuation permettant de déterminer de proche en proche les caractéristiques de l'écoulement comme les champs de vitesse ou de température ainsi que le nombre de Nusselt. / In the Rayleigh-Bénard configuration, we consider a thin layer of fluid confined between two horizontal slabs which is heated from below and cooled from above. This layer undergoes an instability if the thermal gradient is strong enough: a transition from the conductive state to the convective state and called _ primary bifurcation _occurs. Moreover, it happens in an ordered way: we can notice the emergence of various convection patterns such as rolls, squares or hexagons. In their turn, these patterns undergo _ secondary instabilities _ that limit the range of stable wavenumbers. These instabilities are studied theoretically _firstly near the threshold thanks to a weakly nonlinear approach, and secondly far from critical conditions thanks to a strongly nonlinear approach. We consider a shear thinning fluid, the most common rheological behavior, which is described by the Carreau model. Near the threshold, two situations are considered: the first corresponds to finite conductivity plates, the second corresponds to a thermodependent fluid. In each case, the influence of the shear thinning effect on the nature of the pattern emerging at the primary bifurcation and on secondary instabilities is highlighted. To study the convection patterns far from the critical conditions, a continuation procedure is used to determine, step-by-step, the characteristics of the flow, such as the velocity or temperature fields and the Nusselt number.

Temperature has a reliable and nearly instantaneous influence on mechanical responses of cells. As recently published, MCF-10A normal epithelial breast cells follow the time-temperature superposition (TTS) principle. Here, we measured thermorheological behaviour of eight common cell types within physiologically relevant temperatures and applied TTS to creep compliance curves. Our results showed that superposition is not universal and was seen in four of the eight investigated cell types. For the other cell types, transitions of thermorheological responses were observed at 36 °C. Activation energies (EA) were calculated for all cell types and ranged between 50 and 150 kJ mol-1. The scaling factors of the superposition of creep curves were used to group the cell lines into three categories. They were dependent on relaxation processes as well as structural composition of the cells in response to mechanical load and temperature increase. This study supports the view that temperature is a vital parameter for comparing cell rheological data and should be precisely controlled when designing experiments.

Microbial transglutaminase (mTGase) is an acyltransferase that predominantly catalyses the formation of covalent cross-links between protein-bound glutamine and lysine residues, referred to as isopeptide bonds. This typically results in protein polymerisation. The enzymatic polymerisation of caseins, the major protein fraction in milk, has been studied for decades because of its potential to modify physical properties of fermented dairy products. It was suggested that cross-linked caseins form denser gel networks, resulting in higher gel stiffness and increased water holding capacity. However, other studies indicated that there is an optimal cross-linking degree and that prolonged incubation with mTGase results in converse effects. The aim of this research was to elucidate the mechanisms that cause these alterations of the gelation properties. Using non-micellar casein preparations at 27 g·kg-1 protein as model systems, structure-function-interrelationships were studied by molecular characterisation in combination with rheological studies of acid-induced gels. The results suggested that casein molecules self-associate in aqueous solutions and that cross-linking occurs predominantly within distinct casein particles. These cross-links contributed directly to the stiffness of acid-induced gels as indicated by an increased maximum storage modulus. However, in the presence of ions, introduced either prior to or after cross-linking, the highest value was shifted to shorter incubation times. This was attributed to an increased inflexibility of the casein particles with ongoing internal cross-linking, which made them incapable of conformational changes to compensate for the screening of attractive electrostatic interactions through other non-covalent interactions. The findings provide important information for the direct application of mTGase in milk as well as on the utilisation of cross-linked caseinates as additives in food processing. Further studies should be conducted at casein concentrations below self-association as well as above close packing of casein particles to include other cross-linking mechanisms. Moreover, potential applications in the non-food sector should be ascertained.

Localization of deformation occurs in Earth's crust as a consequence of applied stress and is widespread phenomenon that can be found in crustal rocks. Such localization of deformation can be mostly seen in a form of shear zones. Small shear zones referred as shear bands or S-C structures are often used as kinematic indicators. However, the evolution and kinematic continuity of such structures is not well identified, which makes it problematic when interpreting regional geodynamic evolution. Two possible cases were distinguished and described in this thesis: a) kinematically discontinuous S-C structures formed during two deformation events and b) kinematically continuous S-C structures formed during single deformation event. Kinematically unrelated S-C structures were studied in westernmost part of Tauern Window in Eastern Alps and in Gemer-Vepor Contact Zone in Central West Carpathians where previous geodynamic interpretations might have misinterpreted localization structures. Kinematically continuous shear bands were studied in South Armorican Shear Zone where the S-C fabrics were originally defined and described (Berthé et al., 1979). Two fabrics that crosscut each other at small angles forming S-C geometries were documented during field work and studied from macroscale down to microscale or...

Ein erfolgversprechender Ansatz in der biomedizinischen Forschung besteht im zielgerichteten Transport von Medikamenten und deren lokaler Anreicherung im erkrankten Bereich. Aktuelle Untersuchungen auf dem Gebiet der Krebstherapie beschäftigen sich mit dem magnetischen Drug Targeting, der Kopplung von Chemotherapeutika an magnetische Nanopartikel und der Anreicherung im erkrankten Bereich unter Verwendung externer Magnetfelder. Um derartige Verfahren perspektivisch zu beherrschen sind die Grundlagen des Strömungsverhaltens der eingesetzten sogenannten Ferrofluide, Suspensionen magnetischer Nanopartikel in geeigneten Trägermedien zu ermitteln. Während von Ferrofluiden aus dem technischen Anwendungsbereich eine starke Viskositätserhöhung durch den Einfluss externer magnetischer Felder bekannt ist, gilt es diese auch für biokompatible Ferrofluide zu untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Untersuchung der zahlreichen Einflussparameter wie dem Partikeldurchmesser, der mikroskopischen Struktur oder der magnetischen Konzentration. Weiterhin ist auch das Fließverhalten bei Verdünnung mit Blut in einer Strömungssituation möglichst nahe der medizinischen Anwendung von zentralem Interesse. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit diesen Problemstellungen. Einerseits wurden durch eine umfassende Charakterisierung wichtige Einflussparameter der Viskositätsveränderung unter dem Einfluss externer magnetischer Felder identifiziert und untersucht. Andererseits wurde ein spezielles Kapillarviskosimeter entwickelt. Dieses zeichnet sich durch die Auslegung hinsichtlich der Kapillardurchmesser sowie der Scherraten an Bereiche des menschlichen Organismus aus und es eröffnet die Möglichkeit, mit Blut verdünnte Ferrofluide unter dem Einfluss starker Magnetfelder zu untersuchen. Im Rahmen der Arbeit wurde Schafblut verwendet und es konnten Effekte gefunden werden, die eine Interaktion der Blutbestandteile mit den magnetischen Nanopartikeln vermuten lassen. Die Bildung von kettenartigen Strukturen unter dem Einfluss von Magnetfeldern, die diese Wechselwirkung verursacht, wurde mikroskopisch untersucht und ein Quantifizierungsverfahren zur Bewertung der Abhängigkeit von Magnetfeldstärke und -applikationsdauer eingeführt. Die ermittelten Resultate zeigen eine starke Beeinflussung des rheologischen und mikroskopischen Verhaltens der biokompatiblen Ferrofluide auf, welche das Potenzial besitzt die Anwendung der Flüssigkeiten zu beeinflussen und in zukünftige Forschungen, sowohl hinsichtlich der theoretischen Modellierung als auch der chemischen Synthese, einbezogen werden sollte.

Charles University Faculty of Pharmacy in Hradec Kralove Department of Pharmaceutical Technology Author: Jakub Tisoň Title of thesis: Evaluation of rheological properties of nasal sprays Supervisor: PharmDr. Eva Šnejdrová, Ph.D. The aim of the submitted diploma thesis was to develop a comprehensive methodology for testing the rheological and especially thixotropic properties of nasal suspensions. Characterize the original preparation Avamys® and samples of a generic preparation at various stages of the formulation by selected tests. Within the theoretical part of the work, the nasal application of drugs, nasal preparations were discussed, the basics of rheometry were summarized and the principle of relevant rheological tests was described. Flow curves were measured on a Kinexus rotary rheometer using plate-to-plate geometry and analyzed by power law. The yield stress of nasal suspensions was determined. The thixotropic properties were evaluated by the area of the hysteresis loop, and especially by the three-step thixotropy test. The conformity of selected rheological characteristics of the tested samples with the original preparation was evaluated. Key words: nasal sprays, viscosity, yield stress, thixotropy.

In der vorliegenden Arbeit wird die Mechanik von Netzwerken semiflexibler Polymere behandelt. Insbesondere wird der Zusammenhang zwischen der Steifigkeit des Einzelfilaments und der Steifigkeit des Gesamtnetzwerks experimentell untersucht. Der Hintergrund aktueller, einschlägiger theoretische Modelle wird zusammengefasst. Die Möglichkeiten und Limitierungen bisheriger experimenteller Modellsysteme werden diskutiert. Zur Untersuchung des eingangs genannten Zusammenhangs wird ein neuartiges, vielfältiges Modellsystem für semiflexible Polymere auf Basis von DNA Röhren eingeführt und umfassend auf Einzelfilament- und Netzwerkebene charakterisiert. Die Steifigkeit des Netzwerks lässt sich damit und unter Einsatz von Quervernetzern über einen weiten Bereich einstellen. Es zeigt sich, dass bisherige einschlägige Modelle in der korrekten Vorhersage des o.g. Zusammenhangs scheitern. Mögliche Auswege in der Modellierung werden skizziert, sowie konkrete, weitere Anwendungen der DNA Röhren benannt.:Chapter 1 Introduction Chapter 2 Background Section 2.1 Theoretical Models Section 2.2 Rheology Section 2.3 Experimental Model Systems Section 2.4 Existing G_0(l_p) Studies Chapter 3 Materials & Methods Section 3.1 Microscopy Section 3.2 Atomic Force Microscopy Section 3.3 Shear Rheology Section 3.4 Actin Section 3.5 DNA Assembly Section 3.6 Statistical Analysis Tools Chapter 4 Results Section 4.1 Persistence Length of Individual Filaments Section 4.2 Entangled Networks Section 4.3 Reptation Section 4.4 Inextensibility Section 4.5 Cross-Linked DNA n-Helix Tubes Chapter 5 Discussion Section 5.1 Limitations of Established Semiflexible Model Systems Section 5.2 DNA $n$-Helix Tubes as a Tunable Model System Section 5.3 Validation as an Entangled Semiflexible Model System Section 5.4 Impact on Existing Theories Section 5.5 DNA n-Helix Tubes as a Tunable Material Section 5.6 Summary Section 5.7 Outlook Chapter A Further Calculations Section A.1 Detailed Calculations on Worm-Like Chains. Chapter B Protocols Section B.1 Actin Section B.2 DNA n-Helix Tubes Chapter Bibliography Chapter List of Own Publications Chapter Acknowledgments Chapter Zusammenfassung nach §11(4) Promotionsordnung

Semiflexible Polymere erfüllen als Hauptbausteine intrazellulärer Gerüste und extrazellulärer Matrizen eine zentrale Rolle in biologischen Systemen. In der vorgelegten Arbeit wird der Einfluss kollektiver Effekte auf die physikalischen Eigenschaften semiflexibler Polymerstrukturen untersucht. Mikrorheologische Messungen sowohl an verwickelten als auch an quervernetzten Aktinfilamentnetzweken enthüllen, dass Aktingele drastisch durch die Belichtung fluoreszierender Kügelchen mit der entsprechenden Anregungswellenlänge erweicht werden. Dies beeinflusst die Resultate bei der Untersuchung von Aktinnetzwerken mit Mikrorheologie und kann zu großen Unterschieden zwischen mikro- und makrorheologischen Messungen führen. Messungen an mehrfaserigen Aktinbündlen mit Hilfe optischer Pinzetten enthüllen kontraktile Kräfte mit einem harmonischen Potential beim Auseinanderziehen und Kontrahieren der Bündel. Die beobachteten Dynamiken werden durch ein analytisches Modell als emergentes, kollektives Phänomen erklärt welches durch additive, paarweise Interaktionen der Filamente im Bündel verursacht wird. Auf der Netzwerkebene wird gezeigt, dass Kompositnetzwerke aus rekonstituierten Aktin- und Vimentinproteinen als Superposition zweier nichtinteragierender Gerüste beschrieben werden können. Hierbei entstehende Effekte werden durch die Verbindung von Einzelfilamentdynamiken mit makrorheologischen Netzwerkeigenschaften dargestellt und innerhalb eines inelasitschen Glassy Wormlike Chain Modells erfasst. Dies bereitet den Weg um die mechanischen Eigenschaften des Zytoskeletts auf der Basis der Eigenschaften der Einzelkomponenten vorherzusagen. Weitere Untersuchungen an Netzwerken bestehend aus Aktinfilamenten, Intermediärfilamenten und synthetischen DNS Nanoröhren zeigen, dass Mengeneigenschaften durch diverse Interfilamentinterkationen beeinflusst werden. Es wird vorgeschlagen, dass diese Interaktionen in einen einzelnen Parameter im Rahmen des Glassy Wormlike Chain Modells zusammengefasst werden können. Die Interpretation dieses Parameters als polymerspezifische 'Stickiness' ist sowohl für makrorheologische Beobachtungen als auch im Reptationsverhalten konsistent. Diese Erkenntnisse zeigen, dass Stickiness im Allgemeinen nicht in semiflexiblen Polymermodellen ignoriert werden sollte. / Semiflexible polymers play a central role in biological systems as major building blocks of intracellular scaffolds and extracellular matrices. The presented thesis investigates the influence of collective effects on the physical properties of semiflexible polymer structures. Microrheological measurements on both entangled and cross-linked actin filament networks reveal that illumination of fluorescent beads with their appropriate excitation wavelength leads to a drastic softening of actin gels. This impairs results when studying the microrheology of actin networks and can cause large discrepancies between micro and macro-rheological measurements. Optical tweezers measurements on multifilament actin bundles reveal contractile forces with a harmonic potential upon bundle extension and contraction. The observed dynamics are explained as an emergent, collective phenomenon stemming from the additive, pairwise interactions of filaments within a bundle through an analytical model. On the network level, it is shown that composite networks reconstituted from actin and vimentin can be described by a superposition of two non-interacting scaffolds. Arising effects are demonstrated in a scale-spanning frame connecting single filament dynamics to macro-rheological network properties and are captured within an inelastic glassy wormlike chain model. This paves the way to predict the mechanics of the cytoskeleton based on the properties of its single structural components. Further investigations on networks assembled from filamentous actin, intermediate filaments and synthetic DNA nanotubes show bulk properties are affected by various inter-filament interactions. It is proposed that these interactions can be merged into a single parameter in the frame of the glassy wormlike chain model. The interpretation of this parameter as a polymer specific stickiness is consistent with observations from macro-rheological measurements and reptation behavior. These findings demonstrate that stickiness should generally not be ignored in semiflexible polymer models.