Thesis (Ph.D.) - University of St Andrews, June 2009.

The work in this thesis relates to the preparation and structural and electrical characterisation of calcium and strontium hydrides, imides and nitride hydrides. Conventional solid state methods in controlled atmospheres were used to synthesise these materials. High temperature neutron diffraction, thermal analysis and conductivity studies performed on calcium and strontium hydride suggest an order – disorder transition in these materials at 350 – 450°C. Disordering is believed to involve rapid exchange of hydride ions across two crystallographic sites. This manifests itself in a lowering of the activation energy for bulk hydride ion conduction. The hydride ion conduction is good in these undoped materials: σ[total]subscript = 0.01 S/cm for CaH₂ at 1000K; for SrH₂, σ[total]subscript = 0.01 S/cm at 830K. Doping of SrH₂ with NaH causes a significant increase in the low temperature conductivity, due to presence of extrinsic defects. The high temperature conductivity is negatively affected by NaH doping. Calcium nitride hydride (Ca₂NH) was obtained as a single phase material by reacting either calcium metal or calcium hydride (CaH₂) in an argon atmosphere containing 5 – 7% H₂ and 1 – 7% N₂. Imide ions substituting for hydride and nitride ions constitute a major chemical defect in this material. Long range ordering of the nitride and hydride ions occurs, giving rise to a double cubic crystal symmetry. This order breaks down at 600 – 650°C. Applying the same reaction conditions to strontium metal results in a mixed phase of strontium nitride hydride and imide. No long range order in the nitride hydride phase could be observed. Doping Ca₂NH with lithium hydride (LiH) causes the appearance of a second calcium imide phase, whereas doping with sodium hydride (NaH) increases the amount of imide ions as a defect in the nitride hydride structure, thereby decreasing the long range ordering of nitride and hydride ions.

Für die Behandlung von Knochendefekten überkritischer Größe stehen seit einigen Jahren zahlreiche resorbierbare Materialien zur Verfügung, die eine Defektheilung bis hin zur vollständigen knöchernen Regeneration erlauben. Im Fall systemischer Knochenerkrankungen, insbesondere im osteoporotischen Knochen, ist jedoch die Selbstheilungskapazität des Gewebes stark eingeschränkt, was neben der Defektbehandlung eine knochenanabole sowie resorptionshemmende Therapie erfordert. Diese kann beispielsweise durch die Gabe von Strontium-haltigen Präparaten erreicht werden, da der duale Wirkmechanismus der Strontium-Ionen zu vermehrter Knochenneubildung bei gleichzeitig verminderter Knochenresorption führt. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines Strontium-haltigen Knochenzements, welcher eine Freisetzung von Strontium-Ionen spezifisch im jeweiligen Knochendefekt und somit eine lokale Stimulation der Knochenneubildung ermöglicht. Basierend auf einem etablierten Calciumphosphat-Knochenzement wurden Strontium-haltige Zementvarianten hergestellt und ausgiebig charakterisiert. Im Gegensatz zu den meisten bislang verfolgten Methoden konnten Zemente mit deutlich verbesserten mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, welche weiterhin Strontium-Ionen in physiologisch relevanten Konzentrationen freisetzen. Durch Zellkulturuntersuchungen an humanen Zellen sowohl der osteoblastären- als auch osteoklastären Linie konnte eine Stimulation der für den Knochenaufbau verantwortlichen Zellen sowie eine Hemmung der den Knochen resorbierenden Zellen durch die entwickelten Zemente nachgewiesen werden.

Ce travail est axé sur l’étude d’un profil de sol et des solutions de sol prélevés sur une parcelle expérimentale couvertes d’épicéas. Tous ces échantillons proviennent du Bassin Versant du Strengbach (Observatoire HydroGéochimique de l’Environnement – OHGE), ont été échantillonnés à différentes profondeurs (5, 10, 30 et 60 cm) et durant la période comprise entre 2009 et 2013.Les caractérisations des extraits des sols par spectroscopie Infra-Rouge ont permis de mettre en évidence les modifications des groupements fonctionnels organiques avec la profondeur et que ces modifications ont une forte incidence sur le comportement des cations (majeurs et traces) dans le sol. Des expérimentations d’ultra-filtration ont permis d’identifier les flux colloïdaux et dissous du carbone organique ainsi que ceux des éléments majeurs et traces présents dans les solutions de sol. L’utilisation conjointe des traceurs isotopiques (87Sr/86Sr et δ44/40Ca) et chimiques (Terres Rares) ont mis en évidence des processus ayant lieu aux interfaces eau-sol-plante, comme le prélèvement racinaire ou l’altération des sols. / This work is focused on the study of a profile of soil and soil solutions collected on an experimental plot covered with spruce. All these samples come from the watershed of the Strengbach (environment - OHGE Hydrogeochimique Observatory), were sampled at different depths (5, 10, 30 and 60 cm) and during the period between 2009 and 2013. Characterizations of soil extracts by infrared spectroscopy allowed to highlight changes in the organic functional groups with depth and that these changes have a significant impact on the behaviour of the cations (major and trace) in the soil. Ultrafiltration experiments helped to identify flows of colloidal and dissolved organic carbon as well as those of the major and trace-element present in soil solutions. The joint use of isotope tracers (87Sr / 86Sr and δ44 / 40 Ca) and chemical (Rare Earth Elements) have highlighted processes taking place at the water-soil-plant interface, as the uptake by root or soil alteration.