Asbestos é um termo geral usado comercialmente para descrever minerais fibrosos de silicato. A fibra mais utilizada até hoje é denominada crisotila, com uso considerado seguro. Embora, fragmentos menores podem permanecer por longo tempo em tecidos pulmonares. As fibras de crisotila, assim como as demais fibras de asbestos, possuem sílica na sua composição e podem ser fagocitadas com a participação de receptores scavenger. Este trabalho teve como objetivo o estudo de mecanismos de interação e de internalização das pequenas fibras de crisotila em duas linhagens celulares. Uma análise por microscopia confocal de varredura a laser e microscopia eletrônica de transmissão foi realizada e observou-se que ambas as linhagens são capazes de internalizar fibras, que apresentavam livres ou envoltas pela membrana plasmática. A presença de elementos do citoesqueleto próximos às fibras de crisotila foi verificada, assim como alterações no nível de expressão de alguns desses elementos. Dentro deste contexto, a participação de receptores no processo de internalização de fibras de crisotila também foi estudada e verificamos que esses receptores podem estar envolvidos de alguma forma com o processo de internalização de fibras de crisotila. / Asbestos is a term used commercially to describe silicate minerals. Chrysotile is the most used fiber until today and it is considered safe. However, smaller fragments can be found in lung tissues for a long period of time. Chrysotile fibers, as other asbestos fibers, are composed by silica and may be phagocyted with the participation of scavenger receptors. This studys goal was to study the interaction an internalization mechanisms of small chrysotile fibers in two cell lineages. Confocal laser scan microscopy analysis and electronic microscopy transmission analysis were conducted in both lineages, that showed capable of internalize fibers, that were involved or not by cell membrane. Cytoeskeleton elements presence near the fibers was verified and there were also changes in expression levels these elements. In this context, the participation of scavenger receptors in the internalization process of chrysotile fibers was also studied, and we verified that these receptors may be associated to the internalization process of chrysotile fibers.

To enhance material performance at different length scales, this study strives to develop a reliable analytical and computational tool with the help of internal state variables spanning micro and macro-level behaviors. First, the practical relevance of a nonlocal damage integral added to an internal state variable (BCJ) model is studied to alleviate numerical instabilities associated within the post-bifurcation regime. The characteristic length scale in the nonlocal damage, which is mathematical in nature, can be calibrated using a series of notch tensile tests. Then the same length scale from the notch tests is used in solving the problem of a high-velocity (between 89 and 107 m/s) rigid projectile colliding against a 6061-T6 aluminum-disk. The investigation indicates that incorporating a characteristic length scale to the constitutive model eliminates the pathological mesh-dependency associated with material instabilities. In addition, the numerical calculations agree well with experimental data. Next, an effort is made rather to introduce a physically motivated length scale than to apply a mathematical-one in the deformation analysis. Along this line, a dislocation based plasticity model is developed where an intrinsic length scale is introduced in the forms of spatial gradients of mobile and immobile dislocation densities. The spatial gradients are naturally invoked from balance laws within a consistent kinematic and thermodynamic framework. An analytical solution of the model variables is derived at homogenous steady state using the linear stability and bifurcation analysis. The model qualitatively captures the formation of dislocation cell-structures through material instabilities at the microscopic level. Finally, the model satisfactorily predicts macroscopic mechanical behaviors - e.g., multi-strain rate uniaxial compression, simple shear, and stress relaxation - and validates experimental results.

The challenge to put power electronics on the same cost reduction spiral as integrated signal electronics has yet to be met. In the ongoing work for achieving complete power electronic converter integration, it has proven to be essential to develop a technology for integration of electromagnetic power passives. This integration will enable the incorporation of resonant circuits, transformers, EMI filters and the like into the integrated power electronics modules. These integrated electromagnetic power passives have been realized in terms of distributed structures, utilizing magnetic layers, conductive layers and dielectric layers. Because of the compact structures and the special implementation techniques of these integrated modules, the high frequency parasitic resonance are normally significant and may have negative impact on the performance and EMI characteristics. However, the existing modeling technique can only predict the fundamental resonant frequency and showed neither the causes of the high frequency resonance nor how to calculate those accurately. In this dissertation, comprehensive research work towards higher order electromagnetic modeling of integrated passive components is presented. Firstly, an L-C cell is identified as the basic building block of integrated passives such as an integrated series resonator. As an essential mistake in the structure evolution process of the original resonant transmission line primitive, the well-known conventional transmission line equivalent circuit as well as the equations are not applicable for the unbalanced current in an integrated passive module. For this particular application, a generalized transmission structure theory that applies to both balanced and unbalanced current has to be developed. The impedances of a generalized transmission structure with various loads and interconnections have been studied. An open-circuited load and a short-circuited load lead to series resonance and parallel resonance, respectively. The equations are substantiated with experimental results. Some preliminary study indicates the advantages of this unbalanced current passives integration technique. Since the existing integrated passive components are no other than some combination of this generalized transmission line primitive, the theoretical analysis may be applied to the further modeling of all integrated passive components. As the extension of the generalized two-conductor transmission structure model developed for the two-conductor approach, the generalized multi-conductor transmission structure theory has been proposed. As multiple L-C cells are putting in parallel, magnetic and capacitive coupling between cells cannot be neglected. To determine the capacitance between two adjacent conductors on top of the same dielectric substrate, Schwarz-Christoffel transformation and its inverse transformation have been applied with the calculation results verified by measurement. Based on the original voltage and current equations written in matrix form, modal analysis has been conducted to solve the equations. All these provide the basis for any further modeling of an integrated passive structure. Based on the basic L-C cell structure, this dissertation proposes an alternative multi-cell approach to the integration of reactive components and establishes the principles for its design and operation. It achieves the 3-D integration and has a PCB-mount chip-like structure which may have the potential to be more manufacturable, modularizable and mechanically robust. Different functional equivalents can be obtained by different PCB interconnections. The experimental results confirm the functionality as integrated reactive components for applications such as high frequency resonators. To apply the multi-conductor generalized transmission structure model to practical integrated passives structures, three typical cases have been studied: spiral-winding structure integrated series resonator, multi-cell structure integrated series resonator and integrated RF EMI filter. All these structures can be treated as one or more multi-conductor transmission structures connected in certain patterns. Different connection patterns only determine the voltage and current boundary conditions with which the equations can be solved. After obtaining the voltages and currents at each point, the impedance or transfer gain of a structure can be obtained. The MATLAB calculation results correlate well with the measurement results. The calculation sensitivities with respect to variation of various parameters are also discussed and causes of resonance at different frequency range are identified. The proposed generalized transmission structure model based on matrix modal analysis is rather complex and takes a lot of computer time especially when the number of turns is large. Furthermore, the operating frequency of an integrated resonant module is normally around its 1st resonant frequency and up to the 2nd resonant frequency. Therefore, a more simplistic higher order lumped element model which covers the operating range up to the 2nd resonant frequency may be good enough for the general design purpose. A higher order equivalent circuit model for integrated series resonant modules as an example of integrated power passives is presented in this dissertation. Inter-winding capacitance is also considered compared to the conventional 1st order approximation model. This model has been verified by small-signal test results and can be easily implemented into the design algorithm as part of the high frequency design considerations. The wide band modeling and proposed new structure mentioned above provide a comprehensive basis for better design of integrated passive components. As a general frequency plane modeling approach, the work presented in this dissertation may be extended to other passive structures, such as multi-layer capacitors, planar magnetics, etc.. / Ph. D.

Thesis (MscAgric (Viticulture and Oenology))--Stellenbosch University, 2008. / The South African table grape industry is under great pressure to produce table grapes of the best quality for the export markets. Quality defects such as poor colour, inadequate berry firmness, browning and soft tissue breakdown cause great losses in export. The firmness of table grapes is one of the major factors determining the eating quality of grapes. Consumers prefer grapes with a firmer flesh above those with soft flesh. Firmer berries are commonly accepted to have better eating quality and longer cold storage capacity. Factors that promote and maintain berry firmness are only speculated about; therefore producers cannot effectively control the development of firmer berries by managerial practises or by applying specific sprays. The study was done on Redglobe and two Waltham Cross clones (the firmer Clone 8 and softer Clone 13). The aim of this study was two-fold. Firstly the cellular and ultracellular differences between the tissues of firm and soft berries were determined. The effect of gibberellic acid (GA3), synthetic cytokinin (CPPU) and bunch applied calcium sprays on the cellular and ultracellular structure of berry tissues were also under investigation. Secondly, the effects of GA3, CPPU and bunch directed calcium sprays on berry firmness, eating quality and storage capacity were determined. To determine the cellular and ultracelular structure of berry tissues, light microscope (LM) and transmission electron (TEM) studies were done. In order to investigate the effect of different sprays on berry firmness, 20 mg/L GA3 (GA3 treatment) was applied at 10mm average berry size; 20 mg/L GA3 plus 3 mg/L CPPU (CPPU treatment) was applied at 10 mm average berry size; and a mixture of 8 L/ha Stopit® and 5 L/ha Caltrac® (calcium treatment) was applied directly to the bunches every two weeks from berry set till veraison for the calcium treatments. The control received no plant bioregulators (PBR’s). The treatments were the same for both cultivars. Grapes were stored three weeks at 0 °C and one week at 10 °C after which it was evaluated for loose berries, botrytis infections, rachis browning and berry split. Afterwards it was tasted by an independent tasting panel. Firm berries were found to have an opaque coloured flesh while soft berries had a gel-like translucent flesh. For berries with normal firmness, the opaque flesh is limited to the outer mesocarp of the berry. Extremely firm berries’ whole mesocarp consisted of the opaque coloured flesh while soft berries’ mesocarp consisted of mostly the gel-like translucent flesh with, in some cases, a very thin layer of opaque flesh just under the skin. Berry firmness was not related to cell size as the cell size of the tissues in the firm and soft berries were identical. Cell shape seems to play an important role in berry firmness. The cells in the opaque coloured flesh of the outer mesocarp are more turgid and oval than those in the gel-like flesh of the inner mesocarp. Berry firmness is therefore determined by the thickness of the outer mesocarp with the opaque coloured flesh that contains turgid cells. The thickness of cell walls between the different tissues did not differ. There was however a difference between the cell contents and the plasmalemmas of the inner and outer mesocarp. The plasmalemma and tonoplast of the outer mesocarp cells was more intact than those of the inner mesocarp. The membranes in the inner mesocarp are more subtracted form the cell wall than in the outer mesocarp. Both the PBR’s and calcium treatments cause a delay in sugar accumulation in the case of Redglobe and Waltham Cross. The CPPU treatment results in significantly bigger and firmer berries for both cultivars. In the case of Redglobe, this treatment cause bigger cells in the outer mesocarp suggesting a correlation between berry firmness and cell size. In the case of Waltham Cross, however, cell size did not play a role in berry size and firmness; instead the rate of cell division earlier in berry development. The CPPU treatment was the only treatment that maintains berry firmness during cold storage for Redglobe while GA3 and CPPU did so in the case of Waltham Cross. PBR’s seems to have no effect on cell wall thickness. In the case of Redglobe, the calcium treatments resulted in significantly thinner cell walls, but this can not be explained. Calcium and GA3 treatments had a negative effect on grape quality after cold storage of both Redglobe and Waltham Cross. The Waltham Cross CPPU treatment results in better taste and colour as observed by the tasting panel, while in the case of Redglobe, the tasting panel preferred the control. It is found that the use of CPPU in combination with GA3 had the best effect on the eating quality, storage capacity, berry size and firmness. When a producer decides to use the CPPU treatment in order to improve berry firmness, he must realize that it can cause delayed ripening which can affect the export of the fruit.

A Represa Billings apresenta águas eutrofizadas em decorrência da grande quantidade de esgoto proveniente da área urbana próxima, e como conseqüência, os peixes podem representar um problema de saúde pública. As brânquias e o fígado tornam-se órgãos alvo para a ação dos poluentes existentes no meio aquático podendo se manifestar em vários níveis de organização biológica. Estas respostas biológicas ao estresse provocado pelos poluentes podem ser utilizadas para identificar sinais iniciais de danos aos peixes e podem ser denominadas biomarcadores. Desse modo, o presente projeto teve como objetivo a análise histológica de brânquias e fígado de Tilápias do Nilo, por meio de mensurações, Índice de Alterações Histológicas e Valor Médio de Avaliação; também foi realizada a análise da freqüência de micronúcleo. Verficou-se que as Tilápias do Nilo apresentam alterações histológicas das brânquias e do fígado classificadas como moderada a grave, além da presença de micronúcleo. Os resultados permitem um melhor monitoramento ambiental e o controle da qualidade dessa espécie. / The Billings dam shows eutrophic waters due to the large amount of sewage from urban occupation neaby, and consequently, the fish can be a public health problem. The gills and liver become target organs for the action of pollutants in the aquatic environment and may present several levels of biological organization. These biological responses to stress caused by pollutants can be used to identify early signs of damage to fish and can be called biomarkers. Thus, this project aimed to analyze the histological gills and liver of Nile Tilapia, by means of measurements, Histological Alterations Index and Assessment Medium Value; the frequency of micronuclei was done. We observed histological alterations in gills and livers of Nile Tilapia classified as mild to severe, and the presence of micronucleus. The results enable better environmental monitoring and quality control of this species.

A Represa Billings apresenta águas eutrofizadas em decorrência da grande quantidade de esgoto proveniente da área urbana próxima, e como conseqüência, os peixes podem representar um problema de saúde pública. As brânquias e o fígado tornam-se órgãos alvo para a ação dos poluentes existentes no meio aquático podendo se manifestar em vários níveis de organização biológica. Estas respostas biológicas ao estresse provocado pelos poluentes podem ser utilizadas para identificar sinais iniciais de danos aos peixes e podem ser denominadas biomarcadores. Desse modo, o presente projeto teve como objetivo a análise histológica de brânquias e fígado de Tilápias do Nilo, por meio de mensurações, Índice de Alterações Histológicas e Valor Médio de Avaliação; também foi realizada a análise da freqüência de micronúcleo. Verficou-se que as Tilápias do Nilo apresentam alterações histológicas das brânquias e do fígado classificadas como moderada a grave, além da presença de micronúcleo. Os resultados permitem um melhor monitoramento ambiental e o controle da qualidade dessa espécie. / The Billings dam shows eutrophic waters due to the large amount of sewage from urban occupation neaby, and consequently, the fish can be a public health problem. The gills and liver become target organs for the action of pollutants in the aquatic environment and may present several levels of biological organization. These biological responses to stress caused by pollutants can be used to identify early signs of damage to fish and can be called biomarkers. Thus, this project aimed to analyze the histological gills and liver of Nile Tilapia, by means of measurements, Histological Alterations Index and Assessment Medium Value; the frequency of micronuclei was done. We observed histological alterations in gills and livers of Nile Tilapia classified as mild to severe, and the presence of micronucleus. The results enable better environmental monitoring and quality control of this species.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden. Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS). Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden. Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen. Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden. In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird. Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die technologischen Schritte für die Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs aus Stahl zu untersuchen. Das Eigenschaftsbild dieses neuartigen zellular aufgebauten Werkstoffs soll umfassend beschrieben und mit bereits existierenden Werkstoffkonzepten verglichen werden. Die Grundidee für die Herstellung einer geschlossenzelligen Struktur bildet die Kombination der Technologie zur Herstellung von metallischen Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen mit dem Herstellungsprozesses für Partikelschäume aus expandierbarem Polystyrol (EPS). Dazu ist es notwendig zunächst Grünkugeln herzustellen, wie bei der Technologie der Hohlkugeln, wobei jedoch ein treibmittelhaltiges EPS zum Einsatz kommt, das mit einer Beschichtung aus Metallpulver und Binder versehen wird. Anschließend sollen die Grünkugeln in einer geschlossenen Form zum expandieren gebracht werden. Dazu wird, wie bei der Partikelschaumtechnologie für Teile aus expandierbarem Polystyrol (EPS), Wasserdampf verwendet. Der durch den Temperaturanstieg und das Treibmittel der EPS-Partikel in den Grünkugeln entstehende Innendruck führt zum Aufschäumen und zur Expansion jeder Grünkugel. In der Folge ändert jede Kugel ihre Form so lange, bis sie mit allen Nachbarn einen flächigen, stabilen Kontakt bildet. Der auf diesem Weg erzeugte Grünkörper kann dann entformt und getrocknet werden. Wie bei der Hohlkugeltechnologie muss nachträglich das EPS durch die thermische Entbinderung entfernt und das Metallpulverskelett zu dichten Zellwänden gesintert werden. Für die Umsetzung dieser Idee ist es erforderlich, ein geeignetes Bindersystem für die Metallpulver-Binder-Beschichtung zu entwickeln, welches die Formänderung während des Schäumprozess unbeschädigt übersteht, sowie den Schäumprozess entsprechend anzupassen. Damit wäre die Möglichkeit gegeben, einen geschlossenzelligen metallischen Werkstoff herzustellen. Er würde die Vorteile einer geschlossenzelligen Struktur und die Materialvielfalt der pulvermetallurgischen Technologie der Hohlkugelherstellung (insbesondere in Bezug auf Stähle und andere höherschmelzende Werkstoffe) miteinander verbinden. In Vorversuchen wurde bereits gezeigt, dass die der Arbeit zugrunde liegenden Ideen realisierbar sind. Mit der vorliegenden Arbeit wird jedoch erstmals die vollständige Kette der technologischen Schritte hinsichtlich der relevanten Einflussgrößen untersucht, wobei großen Wert auf eine Umsetzbarkeit auch im industriellen Maßstab gelegt wird. Für den praktischen Einsatz des geschlossenzelligen Metallschaums sind seine mechanischen Kennwerte, sowie die sie beeinflussenden Herstellungsparameter von grundlegender Bedeutung. Dazu soll die Charakterisierung der zellularen Struktur und des Gefüges des Zellwandmaterials erfolgen. Hauptsächlich soll das Verformungsverhalten mit Hilfe von Druckversuchen untersucht werden. Die Festigkeitskennwerte, das Energieabsorptionsvermögen und die Steifigkeit des zellularen Werkstoffes sind weitere zu untersuchende Kenngrößen. Anhand der Ergebnisse wird eine Einordnung gegenüber dem Stand der Technik der Metallschäume vorgenommen.:1 Ziel der Arbeit 1 2 Einführung – zellulare Materialien 3 2.1 Herstellung zellularer metallischer Werkstoffe 4 2.2 Pulvermetallurgische Verfahren zur Herstellung von Schäumen aus höherschmelzenden Werkstoffen (Stahl, Titan, …) 8 2.2.1 Pressen von Metallpulver-Treibmittel-Mischungen 8 2.2.2 Pressen von Metallpulver-Platzhalter-Mischungen 9 2.2.3 Schaumherstellung mit Metallpulver-Polymer-Mischungen 9 2.2.4 Beschichtung von Trägerstrukturen 10 2.2.5 Technologie zur Herstellung von Hohlkugelstrukturen 11 2.3 Eigenschaften zellularer metallischer Werkstoffe 13 2.4 Die Struktur zellularer metallischer Werkstoffe 14 2.4.1 Mikrostruktur 15 2.4.2 Mesostruktur 16 2.4.3 Makrostruktur 16 2.5 Mechanische Eigenschaften 17 2.5.1 Einleitung 17 2.5.2 Mechanische Prüfung 19 2.5.3 Verformung und Versagen 20 2.5.4 E-Modul und Steifigkeit 22 2.5.4.1 Theoretische Betrachtung 22 2.5.4.2 Praktische Bestimmung der Steifigkeit 24 2.5.5 Einfluss der Strukturebenen auf das mechanische Verhalten 25 2.5.5.1 Makroskopische Parameter 26 2.5.5.2 Einfluss der mikroskopischen Parameter 27 2.5.5.3 Einfluss der mesoskopischen Parameter 28 2.6 Zusammenfassung 31 3 Konzept zur Herstellung eines geschlossenzelligen metallischen Werkstoffs 33 4 Nachweis der Herstellbarkeit einer geschlossenzelligen Struktur 37 4.1 Experimentelle Arbeiten 37 4.1.1 Verwendete Materialien 37 4.1.2 Beschichtung 38 4.1.3 Formgebung - Ausschäumen 38 4.1.4 Wärmebehandlung 39 4.2 Ergebnisse 39 4.3 Zusammenfassung 40 5 Formschäumen 43 5.1 Formteilherstellung aus expandierbarem Polystyrol (EPS) 43 5.2 Überlegungen zum Formschäumen von Grünkugeln 44 5.3 Anforderungen an das Bindersystem beim Formschäumen 44 5.4 Entwicklung des Versuchsstandes 46 5.4.1 Konstruktion des Formwerkzeuges 46 5.4.2 Dampfbereitstellung 48 6 Verfahrensexperimente 49 6.1 Ausgangsmaterialien 49 6.1.1 Metallpulver 49 6.1.2 Expandierbares Polystyrol (EPS) 49 6.1.3 Binder 50 6.2 Grünkugelherstellung 51 6.2.1 Substrataufbereitung 51 6.2.2 Suspensionen 52 6.2.3 Grünkugelherstellung – Beschichtung des EPS 53 6.2.4 Charakterisierung der EPS-Partikel und Grünkugeln 54 6.3 Formschäumen 55 6.3.1 Formschäumen von unbeschichtetem EPS 55 6.3.1.1 Schäumen mit dem Dampfkessel 55 6.3.1.2 Schäumen mit dem Dampferzeuger 56 6.3.1.3 Schäumkraftmessung an EPS- Formkörpern 56 6.3.2 Formkörperherstellung – Formschäumen mit Grünkugeln 57 6.3.2.1 Formschäumen mit Dampfkessel 58 6.3.2.2 Formschäumen mit Dampferzeuger 58 6.4 Untersuchungen an ausgewählten Metallpulver-Binder-Folien 58 6.4.1 Herstellen der Folien durch das Foliengießen 58 6.4.2 Zugversuche an Folien 59 7 Ergebnisse der Formgebung und Grünkörperherstellung 61 7.1 Formschäumen mit EPS-Partikeln 61 7.1.1 Vorgeschäumtes EPS 61 7.1.2 Formkörper aus unbeschichtetem EPS 62 7.1.3 Schäumkraftmessung an EPS-Formkörpern 63 7.1.4 Anzahl der Kontaktflächen geschäumter Partikel 65 7.2 Formschäumen mit Grünkugeln 67 7.2.1 Grünkugelherstellung 67 7.2.2 Formkörperherstellung 71 7.2.2.1 Beurteilung der Metallpulver-Binder-Schichten 74 7.2.2.2 Schäumen mit Dampfkessel 75 7.2.2.3 Schäumen mit Dampferzeuger 76 7.2.2.4 Vergleich der Metallpulver-Binder-Schichten 76 7.2.3 Formkörperherstellung mit Dampferzeuger 77 7.2.3.1 Einfluss des verwendeten Dampfdrucks 78 7.2.3.2 Einfluss von Schäumzeit und Bedampfungszeit 80 7.2.3.3 Schäumkraftmessung bei der Grünkörperherstellung 82 7.3 Metallpulver-Binder-Folien (Grünfolien) 83 7.3.1 Dicke und Dichte der Grünfolien 83 7.3.2 Mechanische Eigenschaften der Folien 83 7.3.2.1 Versuchsergebnisse der „trockenen“ Grünfolien 84 7.3.2.2 Versuchsergebnisse der „nassen“ Grünfolien 84 8 Diskussion der Herstellungsuntersuchungen 87 8.1 Formschäumen 87 8.1.1 Einfluss der Metallpulver-Binder-Schicht auf den Schäumvorgang 87 8.1.2 Modifikation der Binderzusammensetzung 87 8.1.3 Schäumkraftmessungen 88 8.2 Zusammenfassung des Formschäumprozesses 89 8.3 Theoretische Betrachtungen zur Bildung der polyederförmigen Zellen 90 8.3.1 Grundlegende Annahmen 90 8.3.2 Tangentialspannung der Kugelschicht 92 8.3.3 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 92 8.3.4 Geometrische Verhältnisse spezieller Polyeder und ihrer Inkugel 93 8.3.5 Vergleich zu den Ergebnissen der Folienzugversuche 97 8.4 Zusammenfassung der Herstellungstechnologie von Grünformteilen 98 9 Untersuchung der mechanischen Eigenschaften 103 9.1 Herstellen der Proben 103 9.2 Wärmebehandlung 103 9.2.1 Probenvorbereitung 103 9.2.2 Entbinderung 104 9.2.3 Sintern 104 9.3 Methoden der Charakterisierung 105 9.4 Druckversuche an gesinterten Formkörpern 107 9.4.1 Probenvorbereitung für den Druckversuch 107 9.4.2 Durchführung der Druckversuche 107 9.4.3 Auswertung der Druckversuche 109 9.5 Zugversuche an Folien 110 10 Ergebnisse der mechanischen Prüfungen 111 10.1 Wärmebehandlung 111 10.1.1 Ergebnisse der Sinterung 111 10.1.2 Kohlenstoffgehalte nach der Entbinderung und Sinterung 112 10.2 Metallographie 113 10.3 Ergebnisse der Druckversuche 117 10.3.1 Druckspannung und Stauchung 117 10.3.2 Darstellung der Verformung 118 10.3.3 Probenfestigkeit, Probensteifigkeit und Energieabsorption 119 10.4 Ergebnisse der Folienprüfung 123 10.4.1 Sinterergebnisse (Wärmebehandlung und Metallographie) 123 10.4.2 Ergebnisse der Zugversuche 124 11 Diskussion der mechanischen Prüfungen 125 11.1 Einfluss des Gefüges auf die mechanischen Eigenschaften 126 11.2 Einfluss von Herstellungsparametern auf die mechanischen Eigenschaften 127 11.2.1 Primäre Herstellungsparameter 127 11.2.2 Sekundäre Herstellungsparameter 129 11.2.3 Einfluss der Zwickelform auf die lokale Spannungsverteilung im Zwickelbereich 136 11.2.4 Einfluss der Probenfläche 140 11.3 Elastisches und plastisches Deformationsverhalten der Proben im Druckversuch 142 11.3.1 Elastischer Bereich 144 11.3.2 Elastisch-plastischer Übergangsbereich 149 11.3.3 Plateaubereich 151 11.3.4 Lokale Maxima im Plateaubereich der Druckspannung-Stauchung-Kurve 153 11.4 Zusammenfassung zu den mechanischen Eigenschaften und Einordnung der Ergebnisse 155 12 Zusammenfassung und Ausblick 161 12.1 Zusammenfassung 161 12.2 Ausblick 166 13 Literaturverzeichnis 171 14 Anhang 185 14.1 Abbildungen und Tabellen 185 14.2 Verzeichnis der Abbildungen 200 14.3 Verzeichnis der Tabellen 208 14.4 Verzeichnis der Abkürzungen und Symbole 211 Danksagung 217 Versicherung 219 Lebenslauf 221

La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil puissant permettant d’acquérir des profils biochimiques du cerveau et de quantifier de nombreux paramètres cellulaires in vivo. Au cours de ce travail de thèse, nous nous sommes intéressés à trois techniques : (i) la spectroscopie RMN du 1H pondérée en diffusion, (ii) la spectroscopie RMN du carbone-13 (13C) et (iii) de l’oxygène-17 (17O) pour étudier la microstructure et la fonction cellulaire in vivo.Les métabolites cérébraux sont des traceurs endogènes spécifiques d’un type cellulaire (neurones et astrocytes) dont la diffusion dépend des nombreuses propriétés cellulaires (par exemple la viscosité du cytosol et la restriction intracellulaire). L’étude de la dépendance du coefficient de diffusion (ADC) aux temps de diffusion (td) permet de quantifier chacun de ces paramètres. En particulier, la mesure de l’ADC aux td longs permet d’évaluer la compartimentation des métabolites. Dans une première étude, nous avons mesuré l’ADC de plusieurs métabolites neuronaux et astrocytaires sur une large gamme de td (de ~80 ms à ~1 s) dans un large voxel dans le cerveau du macaque. Aucune dépendance de l’ADC de l’ensemble des métabolites au td n’a été observée suggérant que les métabolites diffusent majoritairement dans les prolongements neuronaux (axones, dendrites) et astrocytaires et ne sont pas confinés dans le corps cellulaire ou les organelles (mitochondries, noyau). La grande taille du voxel, liée à la sensibilité de détection limitée, ne nous a pas permis d’étudier la compartimentation des métabolites dans la substance blanche (SB) et la substance grise (SG). C’est pourquoi, une nouvelle étude a été réalisée dans le cerveau de l’Homme. Les résultats montrent que les métabolites diffusent dans des structures fibrillaires dans la SG et la SB. Enfin, une dernière étude, avec une gamme de td jusqu’à 2 s chez le macaque, nous a permis d’estimer, à l’aide de modèles analytiques simples mimant la structure cellulaire, la longueur des fibres neuronales (~110 μm) et astrocytaires (~70 μm). L’oxydation du glucose au sein des mitochondries permet de produire l’ATP (adénosine triphosphate), la principale source d’énergie de l’organisme. La spectroscopie du 13C permet de mesurer la vitesse de dégradation du glucose dans le cycle de Krebs (VTCA). Cette méthode est largement reconnue pour l’étude du métabolisme. Néanmoins, de nombreuses limitations, en termes de modélisation des données en détection indirecte ou de puissance émise dans le contexte du découplage hétéronucléaire en détection directe, ont été rencontrées sur notre scanner IRM. C’est pourquoi, la spectroscopie du 17O a ensuite été développée afin de quantifier la vitesse de consommation de l’oxygène pendant la phosphorylation oxydative (CMRO2). Des développements méthodologiques et technologiques ont été nécessaires et sont encore en cours pour mettre en place et valider cette technique qui n’a encore jamais été utilisée chez le macaque. / Magnetic Resonance Spectroscopy is a unique tool that allows acquiring brain biochemical profiles and quantifying many cellular parameters in vivo. During this thesis, three different techniques have been developed: (i) 1H diffusion-weighted, (ii) carbone-13 (13C) and (iii) oxygen-17 (17O) NMR spectroscopy to study brain structure and function in vivo. Brain metabolites are cell-specific endogeneous tracers of the intracellular space whose translational diffusion depends on many cellular properties (e.g.: cytosol vicosity and intracellular restriction). Studying the variation of the diffusion coefficient (ADC) as a function of diffusion time (td) allows untangling and quantifying those parameters. In particular, measuring metabolites ADC at long diffusion times gives information about the metabolites compartmentation in cells. In a first study, we measured neuronal and astrocytic metabolites ADC over a large time window (from ~80 ms to ~1 s) in a large voxel in the macaque brain. No dependence of all metabolites ADC on td was observed suggesting that metabolites primarily diffuse in neuronal (dendrites and axons) and astrocytic processes and are not confined inside the cell body and organelles (nucleus, mitochondria). The large size of the voxel, due to low detection sensitivity, did not allow us to study metabolites compartmentation in pure white (WM) and grey matters (GM). Therefore, we performed a new study in the human brain. Results showed that in both WM and GM metabolites diffuse in fiber-like cell structure. Finally, using an even larger time window (up to 2 s) in the macaque brain and analytical models mimicking the cell structure, we estimated the length of neuronal (~110 μm) and astrocytic (~70 μm) processes. ATP (adenosine triphosphate), the main source of energy in the organism, is produced thanks to glucose oxidation inside the mitochondria. 13C NMR spectroscopy is a well-known technique to study brain energy metabolism and can be used to estimate the rate of glucose degradation within the Krebs cycle (VTCA). However, many limitations, concerning data modeling when performing indirect detection or power deposition due to heteronuclear decoupling during direct detection, were encountered on our MRI scanner. Therefore, 17O NMR spectroscopy was developed to quantify the rate of oxygen consumption during oxidative phosphorylation (CMRO2). Methodological and technological developments were necessary and are still ongoing to validate this technique, which has never been used with macaque.