Die Anwendung von körperfremden Materialien zur Behandlung verschiedenster Krankheitsbilder, wie zum Beispiel als Zahnersatz oder Knochenstabilisierung, ist seit Jahrtausenden fester Bestandteil in der Medizin. Während damals hauptsächlich stabile Materialien genutzt wurden, die möglichst wenig mit dem menschlichen Körper interagieren, wird heutzutage ein anderer Ansatz verfolgt. Intelligente Materialien können nicht nur passiv die Heilung unterstützen, sondern aktiv zu ihr beitragen. Ein berühmtes Beispiel hierfür ist das Formgedächtnismaterial Nitinol, das in Stents zur Behandlung verengter Arterien eingesetzt wird. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Eisen-Palladium, einem neuen Formgedächtnismaterial, bei dem der Effekt nicht wie bei Nitinol über eine Temperaturänderung sondern durch ein äußeres Magnetfeld induziert wird. Da man somit körpertemperaturbedingte Restriktionen in biomedizinischen Anwendungen umgehen kann, birgt Eisen-Palladium ein hohes Potential für Drug-Delivery Systeme oder mikromechanische Pumpen. Da eine optimale Verträglichkeit des Materials mit seiner biologischen Umgebung absolut unabdingbar ist, untersucht diese Arbeit verschiedene Möglichkeiten, die Oberfläche zu modifizieren und somit die Adhäsion biologischer Zellen zu unterstützen. Zu diesem Zweck wurden das Peptid RGD als spezifische Zelladhäsionssequenz, ein Plasmapolymer auf L-Lysin Basis als unspezifische Beschichtung und die Nanostrukturierung der Eisen-Palladium Oberfläche durch Glanzwinkeldeposition untersucht. Die verwendeten Methoden beinhalten Immunofluoreszenztests zur Quantifizierung der fokalen Kontakte zwischen Zellen und Material, theoretische Dichtefunktionaltheorie Rechnungen, sowie Kontraktilitätsmessungen mittels eines selbst entwickelten Biegebalkenaufbaus. Somit gelingt es in dieser Arbeit, die gegenseitigen Beziehungen des Materials mit der jeweiligen Oberflächenmodifikation mit den lebenden Zellen aus verschiedenen Blickwinkeln zu analysieren. Durch eine Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden werden die Stärken und Schwächen der einzelnen Funktionalisierungsmethoden beleuchtet und die Bildung fokaler Kontakte für eine verbesserte Zelladhäsion wird maßgeblich verbessert.

In der vorliegenden Dissertation wurden Neurone untersucht, die von einer speziellen Form der extrazellulären Matrix, dem perineuronalen Netz (PN), umgeben sind. Neurone mit einem PN zeichnen sich durch eine geringe Vulnerabilität bei neurodegenerativen Erkrankungen aus. Da das PN mit hoher Affinität Eisen bindet, war zu klären, ob das PN den Eisenhaushalt der Neurone beeinflusst und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induzierten oxidativen Stress ausstattet. Es wurde die Eisenkonzentration und der Gehalt an Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen von Neuronen mit PN und Neuronen ohne PN in der Ratte untersucht. Dabei kamen quantitative Methoden wie die ortsaufgelöste Ionenstrahlmikroskopie und die Objektträger-basierte Laser Scanning Zytometrie sowie Western Blot Analysen und quantitative Real-Time-PCR zum Einsatz. Die Untersuchungen zeigen, dass Neurone, die mit einem PN umgeben sind, eine höhere Konzentration an Eisen sowie Eisentransport- und Eisenspeicherproteinen besitzen als Neurone ohne ein PN. Das PN könnte so den Eisenhaushalt der Neurone beeinflussen und diese mit einer protektiven Eigenschaft gegenüber Eisen-induziertem oxidativen Stress ausstatten.

Wasserstoff-induzierte Schäden sind ein verbreitetes Problem in verschiedenen Anwendungen von Metallen. In dieser Arbeit wurde Wasserstoff-induzierte Rissbildung in Eisen untersucht. Die Proben wurden elektrochemisch mit Wasserstoff beladen. Diese Beladung führt zu Rissen in den Eisenproben und Blistern auf deren Oberfläche, wenn Risse oberflächennah lokalisiert sind. Als Triebkraft der Rissbildung wurde der hohe Wasserstoffdruck in den Rissen gefolgert. Dieser Druck wurde durch eine Kombination aus Ausgasexperimenten und Dichtemessungen bestimmt. Die Mikrostruktur, die Risse und Blister umgibt, wurde mit Elektronenmikroskopie untersucht. Dafür wurden Rissflächen durch Zugversuche freigelegt. Oxidische Einschlüsse konnten als Ausgangspunkt für Risse ausgemacht werden. Mit Transmissionselektronenmikroskopie wurden duktile Merkmale in der Nähe von Rissen sichtbar. Ein Mechanismus für die Riss- und Blisterbildung wurde vorgeschlagen.

Magnetische Nanopartikel bieten ein großes Potential, da sie einerseits die Eigenschaften ihrer Bulk-Materialien besitzen und anderseits, auf Grund ihrer Größe, über komplett unterschiedliche magnetische Eigenschaften verfügen können; Superparamagnetismus ist eine dieser Eigenschaften. Die meisten etablierten Anwendungen magnetischer Nanopartikel basieren heutzutage auf Eisenoxiden. Diese bieten gute magnetische Eigenschaften, sind chemisch relativ stabil, ungiftig und lassen sich auf vielen Synthesewegen relativ einfach herstellen. Die magnetischen Eigenschaften der Eisenoxide sind materialabhängig aber begrenzt, weshalb nach anderen Verbindungen mit besseren Eigenschaften gesucht werden muss. Eisencarbid (Fe3C) kann eine dieser Verbindungen sein. Dieses besitzt vergleichbare positive Eigenschaften wie Eisenoxid, jedoch viel bessere magnetische Eigenschaften, speziell eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Bis jetzt wurde Fe3C hauptsächlich in Gasphasenabscheidungsprozessen synthetisiert oder als Nebenprodukt bei der Synthese von Kohlenstoffstrukturen gefunden. Eine Methode, mit der gezielt Fe3C-Nanopartikel und andere Metallcarbide synthetisiert werden können, ist die „Harnstoff-Glas-Route“. Neben den Metallcarbiden können mit dieser Methode auch die entsprechenden Metallnitride synthetisiert werden, was die breite Anwendbarkeit der Methode unterstreicht. Die „Harnstoff-Glas-Route“ ist eine Kombination eines Sol-Gel-Prozesses mit einer anschließenden carbothermalen Reduktion/Nitridierung bei höheren Temperaturen. Sie bietet den Vorteil einer einfachen und schnellen Synthese verschiedener Metallcarbide/nitride. Der Schwerpunkt in dieser Arbeit lag auf der Synthese von Eisencarbiden/nitriden, aber auch Nickel und Kobalt wurden betrachtet. Durch die Variation der Syntheseparameter konnten verschiedene Eisencarbid/nitrid Nanostrukturen synthetisiert werden. Fe3C-Nanopartikel im Größenbereich von d = 5 – 10 nm konnten, durch die Verwendung von Eisenchlorid, hergestellt werden. Die Nanopartikel weisen durch ihre geringe Größe superparamagnetische Eigenschaften auf und besitzen, im Vergleich zu Eisenoxid Nanopartikeln im gleichen Größenbereich, eine höhere Sättigungsmagnetisierung. Diese konnten in fortführenden Experimenten erfolgreich in ionischen Flüssigkeiten und durch ein Polymer-Coating, im wässrigen Medium, dispergiert werden. Desweiteren wurde durch ein Templatieren mit kolloidalem Silika eine mesoporöse Fe3C-Nanostruktur hergestellt. Diese konnte erfolgreich in der katalytischen Spaltung von Ammoniak getestet werden. Mit der Verwendung von Eisenacetylacetonat konnten neben Fe3C-Nanopartikeln, nur durch Variation der Reaktionsparameter, auch Fe7C3- und Fe3N-Nanopartikel synthetisiert werden. Speziell für die Fe3C-Nanopartikel konnte die Sättigungsmagnetisierung, im Vergleich zu den mit Eisenchlorid synthetisierten Nanopartikeln, nochmals erhöht werden. Versuche mit Nickelacetat führten zu Nickelnitrid (Ni3N) Nanokristallen. Eine zusätzliche metallische Nickelphase führte zu einer Selbstorganisation der Partikel in Scheiben-ähnliche Überstrukturen. Mittels Kobaltacetat konnten, in Sphären aggregierte, metallische Kobalt Nanopartikel synthetisiert werden. Kobaltcarbid/nitrid war mit den gegebenen Syntheseparametern nicht zugänglich. / Magnetic nanoparticles offer a great potential, because they exhibit on the one hand the properties of their bulk materials and on the other hand, because of their size, completely different magnetic properties. The most established applications of magnetic nanoparticles are based on iron oxide. These oxides have good magnetic properties, they are chemical relatively stable, non toxic and easy to prepare. But the magnetic properties are limited. Therefore, we need new materials with improved magnetic properties. Iron carbide (Fe3C) could be one of these materials. Up to now, Fe3C was mainly synthesized in chemical vapor deposition processes (CVD) or was found as side product in the synthesis of carbon structures. A method for the systematical synthesis of metal carbides is the “Urea-Glass-Route”. In addition to the synthesis of metal carbides, this method allows to synthesize metal nitrides, which shows the broad practicability. The “Urea-Glass-Route” is a combination of a sol-gel process with following carbothermal reduction/nitridation at higher temperatures. The method is fast and simple and it is possible to synthesis different metal carbides/nitrides. The main topic of this work is the synthesis of iron carbide/nitride, but also cobalt and nickel is examined. By varying the synthesis parameters, different iron carbide/nitride nanostructures could be synthesized. With the use of iron chloride, Fe3C nanoparticles, in the size range of d = 5 – 10 nm, could be produced. Because of their small size, the particles show superparamagnetism and compared to iron oxide particles (in the same size range) a higher saturation magnetization. In following experiments, the particles could be successfully dispersed in an ionic liquid and with a polymer coating in aqueous medium. Furthermore, via templating with colloidal silica a mesoporous Fe3C structure could be synthesized. The material could be successfully tested in the catalytic ammonia decomposition. By changing the iron source to iron acetylacetonate, Fe7C3 and Fe3N nanoparticles, in addition to Fe3C, could be also synthesized. With nickel acetate it was possible to synthesize nickel nitride (Ni3N) nano crystals. An additional metallic nickel phase in the sample leads to a self organization to disk-like superlattice. Via cobalt acetate, in spheres aggregated, metallic cobalt nanoparticles could be synthesized. Cobalt carbide or nitride was not accessible under these synthesis parameters.

Als überregionales Wirtschaftszentrum war für das spätkeltische Oppidum bei Manching (Bayern) Eisen ein wichtiges Handels- und Gebrauchsgut. Auf der Grundlage von Untersuchungen an eisernen Werkzeugen und Waffen ist es möglich, Aussagen über die keltische Eisentechnologie der jüngeren Eisenzeit zu machen. So werden Härten und Oberflächenhärten gezielt bei bestimmten Werkzeugen eingesetzt, während konstruktive Schweißtechniken zur Erzeugung dekorativer Oberflächen für Waffen angewandt werden. Durch verschiedene metallographische Untersuchungsverfahren ist es möglich, das Recycling von Altmetall nachzuweisen. Durch eine Kombination verschiedener geochemischer und isotopischer Analysen von Erzen und Artefakten kann die mehrfach postulierte Verwendung der Erze der nahegelegenen Fränkischen Alb ausgeschlossen und die Rohstoffgrundlage auf Raseneisenerze eingegrenzt werden. Weiterhin ist es möglich, einzelne Vorkommen zu unterscheiden und von den Artefakten abzugrenzen.

Zugl.: Hamburg, Techn. Univ., Diss., 2009

In den letzten Jahren wurde umfangreich über Wirkprinzipien berichtet, die zur Verbesserung der Passivschichtstabilität von Fe-Basislegierungen durch Legierungsbestandteile, wie Cr [1-3] und Al [4-6] beitragen. Die Zahl der Arbeiten zu Untersuchungen mit dem Legierungsbestandteil Si sind dagegen gering und lassen noch keine endgültige Schlußfolgerung zu. Insbesondere sind verschiedene Wirkmechanismen bei unterschiedlichen ph-Werten zu erwarten.

Universiẗat, Diss., 2001--Duisburg.

Zugl.: Florenz, Dt. Hochsch.-Inst., Diss., 2003

Universiẗat, Diss.--Karlsruhe, 2003.