Living organisms and in particular cells actively structure their inner world in the nano-dimension. Not only organelles are formed by the cells, but also their direct environment, the extracellular matrix. Recent studies show that electrical potentials are similarly important in the process of adhesion and directed migration. Nanostructured charge patterns may also influence the interactions between cells, tissues and implants used in therapy. Even small differences in the structure of charged molecules can already change the behaviour of cells drastically. Inside the cell, furthermore, very small topographic features are decisive: In ion channels, dimensions of 1/100 nm are essential for their function. Such precise structures are nowadays still a technical challenge. When modelling such cellular “electronics” using chip technology, we can learn a lot from nature’s tricks in cell physiology. / Lebende Organismen und insbesondere die einzelnen Zellen selbst sind Meister in der aktiven Strukturierung auf Nanoebene. So bilden die Zellen nicht nur ihr reichhaltiges „Innenleben“ in dieser Dimension, sondern strukturieren auch ihre direkte Umgebung, den extrazellulären Bereich. Bei der Haftung und gerichteten Bewegung der Zellen scheinen nach neueren Befunden auch elektrische Potenziale und Oberflächenladungen mit Mustern bis „hinab“ auf die Nanoebene eine Rolle zu spielen. Nanostrukturierte Muster von Ladungen können so auch die Wechselwirkung von Zellen und Geweben mit Implantaten beeinflussen. Diese Beobachtungen führen wieder zurück zu den Zellen selbst, die zum Beispiel im Falle von Ionenkanälen mit hundertstel Nanometer Genauigkeit Topographie und Potenziale kontrollieren. Solche Strukturen könnten zukünftig auch über Chiptechnologie modelliert werden – eine Chance, von der Natur zu lernen und dies technisch umzusetzen.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der Ladungsdichte des Polyelektrolyts sowie der Molmasse und der Ionenkonzentration der Lösung bei der Adsorption von Poly(vinylformamid) und Poly(vinylamin) an Kieselgel 60 und an Titandioxid unter-sucht. Die Charakterisierung der Polyelektrolyteigenschaften der modifizierten anorganischen Partikel erfolgt mit elektrokinetischen und potentiometrischen Mes-sungen. Es konnte gezeigt werden, daß Poly(vinylamine) mit geringen Ladungs-dichte ein Screening-enhanced-Verhalten zeigen, während bei hoher Ladungsdichte am Polyelektrolyt ein Screening-reduced-Verhalten vorliegt. Der Einfluß der Polymerfunktionalisierung auf die Oberflächenpolarität der Hybridpartikel wurde durch UV-VIS-spektroskopische Bestimmung der ET(30)-Werte nach Reichardt nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Adsorption von Poly(vinylaminen) wird die Synthese von geladenen Netzwerken auf der Oberfläche der anorganischen Partikel vorgestellt. Die aus wässriger Lösung adsorbierte Polyelektrolytschicht wird dabei in einem zweiten Schritt in einem organischen Lösungsmittel mit bifunktionellen Vernetzermolekülen (4,4´-Diisocyanato)diphenylmethan, Fulleren C60] umgesetzt. Der erfolgreiche Ablauf der Reaktion konnte im Fall des Isocyanats mit Festkörper-NMR-, ESCA- und ATR-FTIR-Messungen nachgewiesen werden. Um die Umsetzung mit Fullerenen nachzuweisen, wurde die EPR-Spektroskopie eingesetzt.

This review concentrates on findings described in the recent literature on the response of cells and tissues to electromagnetic fields (EMF). Models of the causal interaction between different forms of EMF and ions or biomolecules of the cell will be presented together with our own results in cell surface recognition. Naturally occurring electric fields are not only important for cell-surface interactions but are also pivotal for the normal development of the organism and its physiological functions. A further goal of this review is to bridge the gap between recent cell biological studies (which, indeed, show new data of EMF actions) and aspects of EMF-based therapy, e.g., in wounds and bone fractures. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Living organisms and in particular cells actively structure their inner world in the nano-dimension. Not only organelles are formed by the cells, but also their direct environment, the extracellular matrix. Recent studies show that electrical potentials are similarly important in the process of adhesion and directed migration. Nanostructured charge patterns may also influence the interactions between cells, tissues and implants used in therapy. Even small differences in the structure of charged molecules can already change the behaviour of cells drastically. Inside the cell, furthermore, very small topographic features are decisive: In ion channels, dimensions of 1/100 nm are essential for their function. Such precise structures are nowadays still a technical challenge. When modelling such cellular “electronics” using chip technology, we can learn a lot from nature’s tricks in cell physiology. / Lebende Organismen und insbesondere die einzelnen Zellen selbst sind Meister in der aktiven Strukturierung auf Nanoebene. So bilden die Zellen nicht nur ihr reichhaltiges „Innenleben“ in dieser Dimension, sondern strukturieren auch ihre direkte Umgebung, den extrazellulären Bereich. Bei der Haftung und gerichteten Bewegung der Zellen scheinen nach neueren Befunden auch elektrische Potenziale und Oberflächenladungen mit Mustern bis „hinab“ auf die Nanoebene eine Rolle zu spielen. Nanostrukturierte Muster von Ladungen können so auch die Wechselwirkung von Zellen und Geweben mit Implantaten beeinflussen. Diese Beobachtungen führen wieder zurück zu den Zellen selbst, die zum Beispiel im Falle von Ionenkanälen mit hundertstel Nanometer Genauigkeit Topographie und Potenziale kontrollieren. Solche Strukturen könnten zukünftig auch über Chiptechnologie modelliert werden – eine Chance, von der Natur zu lernen und dies technisch umzusetzen.

Chemische und physikalische Eigenschaften von Polymeren können verschiedene Zelltypen unterschiedlich, z. B. hinsichtlich Adhärenz oder Funktionalität, beeinflussen. Die Elastizität eines Polymers beeinflusst vor allem, welche Zugkräfte eine Zelle gegenüber ihrem Substrat entwickeln kann. Das Zellverhalten wird dann über intrazelluläre Rückkopplungsmechanismen reguliert. Die Oberflächenladung und/oder Hydrophilie eines Polymers beeinflusst zunächst die Adsorption von Ionen, Proteinen und anderen Molekülen. Vor allem über die Zusammensetzung, Dichte und Konformation der adsorbierten Komponenten werden anschließend die Wechselwirkungen mit den Zellen vermittelt. Des Weiteren können verschiedene Zelltypen unterschiedliche membranassoziierte Proteine, Zucker und Lipide aufweisen, so dass Polymereigenschaften zellspezifische Effekte bewirken können. Für biotechnologische Anwendungen und für den Einsatz in der regenerativen Medizin gewinnen Polymere, die spezifische Zellreaktionen regulieren können, immer weiter an Bedeutung. Die Isolierung und Kultur von primären Keratinozyten ist noch immer anspruchsvoll und die adäquate Heilung von Hautwunden stellt eine fortwährende medizinische Herausforderung dar. Ein Polymer, das eine bevorzugte Adhärenz von Keratinozyten bei gleichzeitig verminderter Anheftung dermaler Fibroblasten ermöglicht, würde erhebliche Vorteile für den Einsatz in der Keratinozyten-Zellkultur und als Wundauflage bieten. Um den potentiell spezifischen Einfluss bestimmter Polymereigenschaften auf primäre humane Keratinozyten und dermale Fibroblasten zu untersuchen, wurde in der vorliegenden Arbeit ein Zellkultursystem für die Mono- und Cokultur beider Zelltypen entwickelt. Das Testsystem wurde als Screening konzipiert, um den Einfluss unterschiedlicher Polymereigenschaften in mehreren Abstufungen auf die Zellen zu untersuchen. Folgende Parameter wurden untersucht: 1. Vitalität und Dichte adhärenter und nicht-adhärierter Zellen, 2. Schädigung der Zellmembran, 3. selektive Adhärenz von Keratinozyten in Cokultur durch die spezifische immunzytochemische Färbung von Keratin14 und Vimentin. Für die Polymere mit variabler Elastizität wurden zusätzlich die Ablagerung extrazellulärer Matrixkomponenten und die Sekretion löslicher Faktoren durch die Zellen untersucht. Als Modellpolymere für die Variation der Elastizität wurden vernetzte Poly(n-butylacrylate) (cPnBA) verwendet, da deren Elastizität durch den Anteil des Vernetzers eingestellt werden kann. Auf dem weniger elastischen cPnBA zeigte sich in der Cokultur ein doppelt so hohes Verhältnis von Keratinozyten zu Fibroblasten wie auf dem elastischeren cPnBA, so dass ein leichter zellselektiver Effekt angenommen werden kann. Acrylnitril-basierte Copolymere wurden als Modellpolymere für die Variation der Oberflächenladung und Hydrophilie verwendet, da die Eigenschaften durch Art und molaren Anteil des Comonomers eingestellt werden können. Durch Variation des molaren Anteils der Comonomere mit positiver bzw. negativer Ladung, Methacrylsäure-2-aminoethylester-hydrochhlorid (AEMA) und N-3-Aminopropyl-methacrylamid-hydro-chlorid (APMA) bzw. Natriumsalz der 2-Methyl-2-propen-1-sulfonsäure (NaMAS), wurde der Anteil der positiven bzw. negativen Ladung im Copolymer variiert. Durch die Erhöhung des molaren Anteils des hydrophilen Comonomers N-Vinylpyrrolidon (NVP) wurde die Hydrophilie des Copolymers gesteigert. Die Erhöhung des molaren Anteils an positiv geladenem Comonomer AEMA im Copolymer führte tendenziell zu einer höheren Keratinozytendichte, wobei die Fibroblastendichte unverändert blieb. Durch die Erhöhung des molaren Anteils des positiv geladenen Comonomers APMA ergaben sich keine deutlichen Unterschiede in Dichte, Vitalität oder Selektivität der Zellen. Durch die stufenweise Erhöhung des molaren Anteils des negativ geladenen Comonomers NaMAS konnte, wie im Falle von AEMA, eine Tendenz zur verbesserten Keratinozytenadhärenz beobachtet werden. Die Steigerung der Hydrophilie der Copolymere führte sowohl für Keratinozyten als auch für Fibroblasten zu einer reduzierten Adhärenz und Vitalität. In der vorliegenden Doktorarbeit wurde ein Testverfahren etabliert, das die Untersuchung von primären humanen Keratinozyten und primären humanen Fibroblasten in Monokultur und Cokultur auf verschiedenen Polymeren ermöglicht. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass sich durch die gezielte Modifizierung verschiedener Polymereigenschaften die Adhärenz und Vitalität beider Zelltypen beeinflussen lässt. Die Reduktion der Elastizität sowie die Erhöhung des molaren Anteils geladener Comonomere führten zu einer Zunahme der Keratinozytenadhärenz. Da die Fibroblasten unbeeinflusst blieben, zeigte sich für einige der untersuchten Polymere eine leichte Zellselektivität. Diese könnte durch die weitere Erhöhung der Steifigkeit oder des Anteils geladener Comonomere möglicherweise weiter gesteigert werden. / Chemical and physical properties of polymers can influence various cell types, e.g. concerning adherence and functionality. For instance, the elasticity of a polymer can influence, which pulling force a cell can generate towards a substrate. According to the cell type, its behavior can be controlled by intracellular feedback mechanisms. The surface charge and/or hydrophilicity of a polymer initially influence the adsorption of ions, proteins and other molecules. In particular, the composition, density, and conformation of the adsorbed components mediate the cell-material interactions. Since different cell types present varying cell membrane associated proteins, sugars and lipids, it is assumed that polymer properties can induce cell specific effects. Polymers, which can regulate specific cell reactions, become more and more important for biotechnological uses and applications in the regenerative medicine. The isolation and culture of primary keratinocytes is still challenging and an adequate wound healing remains a clinical task. A polymer, which enables a preferential adherence of keratinocytes and induces a reduced adherence of dermal fibroblasts, would provide enormous advantages for keratinocyte culture systems as well as for wound dressings. To investigate the specific influence of certain polymer properties on primary human keratinocytes and fibroblasts, a cell culture system for mono- and coculture of both cell types was established. The test system was designed as a screening to investigate the influence of polymers with gradations of different properties on the cells. Thereby, the viability and density of adherent and not adhered cells, as well as the impairment of the cell membranes were analyzed in mono- and cocultures, and the selective adherence of keratinocytes in the coculture was evaluated using a specific immunocytochemical staining for keratin14 and vimentin. Furthermore, the deposition of extracellular matrix components and the secretion of soluble factors were analyzed for the elastic polymers. Since the elasticity of crosslinked poly(n-butylacrylate) (cPnBA) networks can be adjusted by the amount of the crosslinker, they were used as model polymers to investigate the influence of varying elasticity to the cells. On the less elastic cPnBA, the ratio of keratinocytes to fibroblasts was increased compared to the more elastic one. From these results, a slight cell selective effect can be assumed. Acrylonitrile-based copolymers were used as model polymers for the variation of surface charge and hydrophilicity, since their properties can be modified by the type and molar ratio of comonomers. By the variation of the molar ratio of positively charged comonomers (Methacrylic acid-2-aminoethylester hydrochloride (AEMA) and N-3-aminopropyl methacrylamide hydrochloride (APMA)), or a negatively charged comonomer (2-methyl-2-propene-1-sulfonic acid sodium salt (NaMAS)), the amount of positive or negative charges was modified. The hydrophilicity was increased by the molar ratio of the hydrophilic comonomer N-vinylpyrrolidone (NVP). With an increased molar ratio of the positively charged comonomer AEMA, a tendency towards a higher density of adherent keratinocytes could be shown, whereby, the density of adherent fibroblasts remained unaffected. With increasing molar ratios of the positively charged comonomer APMA, no differences between cell densities, viability or selectivity were detectable. Comparable to AEMA, a tendency towards improved keratinocyte adhesion could be shown with an increasing molar ratio of the negatively charged comonomer NaMAS. The increase of the hydrophilicity of the copolymers led to a reduced adherence and viability of the keratinocytes, as well as of the fibroblasts. In conclusion, a test system was established, which enables the evaluation of primary human keratinocytes and fibroblasts in contact with different polymers in monoculture, as well as in coculture. Furthermore, the present thesis shows that directed modifications of polymer properties influenced the adherence and viability of both cell types. The decrease of elasticity and the increase of the molar ratio of charged comonomers led to an increased keratinocyte adherence. Since the fibroblasts remained unaffected, slight cell selectivity was shown. By further increasing the stiffness or the amount of charged comonomers, further enhancement of this effect might be possible.

To test nanosize surface patterning for application as implant material, a suitable titanium composition has to be found first. Therefore we investigated the effect of surface chemistry on attachment and differentiation of osteoblast-like cells on pure titanium prepared by pulsed laser deposition (TiPLD) and different Ti alloys (Ti6Al4V, TiNb30 and TiNb13Zr13). Early attachment (30 min) and alkaline phosphatase (ALP) activity (day 5) was found to be fastest and highest, respectively, in cells grown on TiPLD and Ti6Al4V. Osteoblasts seeded on TiPLD produced most osteopontin (day 10), whereas expression of this extracellular matrix protein was an order of magnitude lower on the TiNb30 surface. In contrast, expression of the corresponding receptor, CD44, was not influenced by surface chemistry. Thus, TiPLD was used for further experiments to explore the influence of surface nanostructures on osteoblast adhesion, differentiation and orientation. By laser-induced oxidation, we produced patterns of parallel Ti oxide lines with different widths (0.2–10 μm) and distances (2–20 and 1,000 μm), but a common height of only 12 nm. These structures did not influence ALP activity (days 5–9), but had a positive effect on cell alignment. Two days after plating, the majority of the focal contacts were placed on the oxide lines. The portion of larger focal adhesions bridging two lines was inversely related to the line distance (2–20 μm). In contrast, the portion of aligned cells did not depend on the line distance. On average, 43% of the cells orientated parallel towards the lines, whereas 34% orientated vertically. In the control pattern (1,000 μm line distance), cell distribution was completely at random. Because a significant surplus of the cells preferred a parallel alignment, the nanosize difference in height between Ti surface and oxide lines may be sufficient to orientate the cells by contact guiding. However, gradients in electrostatic potential and surface charge density at the Ti/Ti oxide interface may additionally influence focal contact formation and cell guidance. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß der Ladungsdichte des Polyelektrolyts sowie der Molmasse und der Ionenkonzentration der Lösung bei der Adsorption von Poly(vinylformamid) und Poly(vinylamin) an Kieselgel 60 und an Titandioxid unter-sucht. Die Charakterisierung der Polyelektrolyteigenschaften der modifizierten anorganischen Partikel erfolgt mit elektrokinetischen und potentiometrischen Mes-sungen. Es konnte gezeigt werden, daß Poly(vinylamine) mit geringen Ladungs-dichte ein Screening-enhanced-Verhalten zeigen, während bei hoher Ladungsdichte am Polyelektrolyt ein Screening-reduced-Verhalten vorliegt. Der Einfluß der Polymerfunktionalisierung auf die Oberflächenpolarität der Hybridpartikel wurde durch UV-VIS-spektroskopische Bestimmung der ET(30)-Werte nach Reichardt nachgewiesen. Ausgehend von den Ergebnissen der Adsorption von Poly(vinylaminen) wird die Synthese von geladenen Netzwerken auf der Oberfläche der anorganischen Partikel vorgestellt. Die aus wässriger Lösung adsorbierte Polyelektrolytschicht wird dabei in einem zweiten Schritt in einem organischen Lösungsmittel mit bifunktionellen Vernetzermolekülen (4,4´-Diisocyanato)diphenylmethan, Fulleren C60] umgesetzt. Der erfolgreiche Ablauf der Reaktion konnte im Fall des Isocyanats mit Festkörper-NMR-, ESCA- und ATR-FTIR-Messungen nachgewiesen werden. Um die Umsetzung mit Fullerenen nachzuweisen, wurde die EPR-Spektroskopie eingesetzt.

This review concentrates on findings described in the recent literature on the response of cells and tissues to electromagnetic fields (EMF). Models of the causal interaction between different forms of EMF and ions or biomolecules of the cell will be presented together with our own results in cell surface recognition. Naturally occurring electric fields are not only important for cell-surface interactions but are also pivotal for the normal development of the organism and its physiological functions. A further goal of this review is to bridge the gap between recent cell biological studies (which, indeed, show new data of EMF actions) and aspects of EMF-based therapy, e.g., in wounds and bone fractures. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Icing on materials surface causes operational failures as well as technical and safety issues. Furthermore, it reduces the energy efficiency of the power supply and passenger/freight transportation systems. Conventional active deicing methods are widely used to remove ice, but are often associated with uneconomically high energy consumption and high maintenance costs, often not being aware of their environmental impact. Instead, passive anti-icing methods are being sought to prevent or delay ice formation by means of physico-chemical surface treatment. Pyroelectric materials can be used as possible anti-icing surfaces after their ability to inhibit ice nucleation has been experimentally demonstrated. This makes use of the effect of the pyroelectrically induced surface charge, which changes with the ambient temperature and thus, hypothetically, exerts an influence on the dipole orientation of the water molecules at the surface. This is expected to affect the hydrogen bonding network of the interfacial water in the supercooled liquid phase, depending on the sign of surface charge. However, the Classical Nucleation Theory predicts an increased nucleation rate with increasing electric field strength of the pyroelectric surface charge irrespective of its polarity, as confirmed by many experiments. This raises the question of what exactly influences the ice nucleation. The main purpose of this thesis is to find a relationship between the pyroelectricity and the ice nucleation rate. Various theoretical and experimental investigation methods have been used to examine which of the possible influencing factors related to the pyroelectric material surface plays a major role in promoting or inhibiting ice nucleation.:Contents Abstract i List of figures xi List of tables xv 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objective and Tasks 4 1.3 Structure of the thesis 6 2 Basics 7 2.1 Pyroelectric materials 7 2.1.1 Fundamental properties 7 2.1.2 Lithium niobate, LiNbO3 14 2.2 Ice nucleation and water freezing 21 2.2.1 Thermodynamics of ice nucleation 21 2.2.2 Factors influencing ice nucleation 26 3 Materials and Methods 29 3.1 Sample materials used for the investigation 29 3.2 Theoretical methods 31 3.2.1 Theoretical background of computational quantum mechanical modeling 31 3.2.2 LiNbO3 model system 38 3.2.3 DFT implementation in CP2K 41 3.3 Experimental methods 42 3.3.1 Optical and vibrational spectroscopy 43 3.3.2 X-ray spectroscopy 47 3.3.3 Atomic force microscopy 48 3.3.4 Environmental scanning electron spectroscopy 51 3.3.5 Pyroelectric measurement 52 3.3.6 Contact angle measurement 53 3.3.7 Icing temperature measurement 54 3.4 Tabular overview of the different methods 57 ix4 Results and Discussion 59 4.1 Results 59 4.1.1 Several results of DFT calculations 59 4.1.2 MD simulations of interfacial water 75 4.1.3 Results of optical and vibrational spectroscopy 80 4.1.4 X-ray spectroscopy on LiNbO3 surfaces 96 4.1.5 Extended treatment of the Classical Nucleation Theory 100 4.1.6 Results of atomic force microscopy 108 4.1.7 ESEM images of ice crystals grown on LiNbO3 116 4.1.8 Results of pyroelectric measurements 122 4.1.9 Results of contact angle measurements 124 4.1.10 Results of icing temperature measurements 126 4.2 Discussion 135 4.2.1 Surface charge 135 4.2.2 Surface structure 144 4.2.3 Surface reactivity 149 4.3 Conclusion of the findings and remarks 151 5 Summary and Outlook 157 5.1 Conclusion of the thesis 157 5.2 Recommendations for further investigations 161 5.3 Outlook 164 Appendix 167 A.1 Additional information to the DFT calculations 167 A.2 Background spectrum for ATR spectroscopy 175 A.3 Additional information to SFG/SHG spectroscopy 176 A.4 Additional information to the XPS results 181 A.5 Additional information to the AFM measurement 182 A.6 ESEM images of ice accretion in the sample system 187 A.7 FEM simulation of local temperature and flow velocity distribution 190 A.8 Additional information to the icing temperature measurement 203 A.9 Temperature-dependent pH variation of water at LiNbO3 surface 207 List of abbreviations and symbols 213 References 217 Publications 276 Acknowledgements 277 Erklärung 281 / Vereisung auf Werkstoffoberflächen führt einerseits zu Betriebsausfällen und andererseits zur Reduzierung der Energieeffizienz von Energieversorgungs- sowie Personen- und Gütertransportsystemen. Sie stellt nicht selten ein sicherheitstechnisches und gesundheitliches Risiko dar. Da die konventionellen aktiven Enteisungsmethoden mit hohem Energieaufwand und hohen Wartungskosten verbunden sind, wird nach passiven Anti-icing-Methoden als vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung/Verzögerung von Eisbildung auf physikalisch-chemisch behandelten Oberflächen gesucht. Der Einsatz dieser Werkstoffoberflächen senkt nicht nur den Energieverbrauch, sondern soll auch die Umwelt schonen. Pyroelektrische Materialien kommen als passive Anti-icing-Oberflächen in Frage, nachdem ihre eiskeimbildungshemmende Fähigkeit experimentell nachgewiesen wurde. Dabei wird der Effekt der pyroelektrisch induzierten Oberflächenladung ausgenutzt, die sich mit der Umgebungstemperatur ändert und somit, hypothetisch gesehen, einen Einfluss auf die Dipolorientierung der Wassermoleküle an der Oberfläche ausübt. Das hat je nach Vorzeichen der Oberflächenladung Auswirkungen auf das Wassermolekülbindungsnetzwerk des Grenzflächenwassers in der unterkühlten flüssigen Phase. Da die klassische Keimbildungstheorie jedoch eine erhöhte Keimbildungswahrscheinlichkeit mit zunehmender Stärke des elektrischen Feldes der pyroelektrischen Oberflächenladung unabhängig von ihrem Vorzeichen voraussagt, wie es ebenfalls in vielen Experimenten nachgewiesen wurde, stellt sich die Frage, was genau die Eiskeimbildung beeinflusst. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist, einen Zusammenhang zwischen der Pyroelektrizität der Oberfläche und der Eiskeimbildungsrate zu finden. Mithilfe einer Vielzahl von verschiedenen theoretischen und experimentellen Methoden wird untersucht, welcher der möglichen Einflussfaktoren im Zusammenhang mit der pyroelektrischen Materialoberfläche eine große Rolle bei der Eiskeimbildung spielt.:Contents Abstract i List of figures xi List of tables xv 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objective and Tasks 4 1.3 Structure of the thesis 6 2 Basics 7 2.1 Pyroelectric materials 7 2.1.1 Fundamental properties 7 2.1.2 Lithium niobate, LiNbO3 14 2.2 Ice nucleation and water freezing 21 2.2.1 Thermodynamics of ice nucleation 21 2.2.2 Factors influencing ice nucleation 26 3 Materials and Methods 29 3.1 Sample materials used for the investigation 29 3.2 Theoretical methods 31 3.2.1 Theoretical background of computational quantum mechanical modeling 31 3.2.2 LiNbO3 model system 38 3.2.3 DFT implementation in CP2K 41 3.3 Experimental methods 42 3.3.1 Optical and vibrational spectroscopy 43 3.3.2 X-ray spectroscopy 47 3.3.3 Atomic force microscopy 48 3.3.4 Environmental scanning electron spectroscopy 51 3.3.5 Pyroelectric measurement 52 3.3.6 Contact angle measurement 53 3.3.7 Icing temperature measurement 54 3.4 Tabular overview of the different methods 57 ix4 Results and Discussion 59 4.1 Results 59 4.1.1 Several results of DFT calculations 59 4.1.2 MD simulations of interfacial water 75 4.1.3 Results of optical and vibrational spectroscopy 80 4.1.4 X-ray spectroscopy on LiNbO3 surfaces 96 4.1.5 Extended treatment of the Classical Nucleation Theory 100 4.1.6 Results of atomic force microscopy 108 4.1.7 ESEM images of ice crystals grown on LiNbO3 116 4.1.8 Results of pyroelectric measurements 122 4.1.9 Results of contact angle measurements 124 4.1.10 Results of icing temperature measurements 126 4.2 Discussion 135 4.2.1 Surface charge 135 4.2.2 Surface structure 144 4.2.3 Surface reactivity 149 4.3 Conclusion of the findings and remarks 151 5 Summary and Outlook 157 5.1 Conclusion of the thesis 157 5.2 Recommendations for further investigations 161 5.3 Outlook 164 Appendix 167 A.1 Additional information to the DFT calculations 167 A.2 Background spectrum for ATR spectroscopy 175 A.3 Additional information to SFG/SHG spectroscopy 176 A.4 Additional information to the XPS results 181 A.5 Additional information to the AFM measurement 182 A.6 ESEM images of ice accretion in the sample system 187 A.7 FEM simulation of local temperature and flow velocity distribution 190 A.8 Additional information to the icing temperature measurement 203 A.9 Temperature-dependent pH variation of water at LiNbO3 surface 207 List of abbreviations and symbols 213 References 217 Publications 276 Acknowledgements 277 Erklärung 281

To test nanosize surface patterning for application as implant material, a suitable titanium composition has to be found first. Therefore we investigated the effect of surface chemistry on attachment and differentiation of osteoblast-like cells on pure titanium prepared by pulsed laser deposition (TiPLD) and different Ti alloys (Ti6Al4V, TiNb30 and TiNb13Zr13). Early attachment (30 min) and alkaline phosphatase (ALP) activity (day 5) was found to be fastest and highest, respectively, in cells grown on TiPLD and Ti6Al4V. Osteoblasts seeded on TiPLD produced most osteopontin (day 10), whereas expression of this extracellular matrix protein was an order of magnitude lower on the TiNb30 surface. In contrast, expression of the corresponding receptor, CD44, was not influenced by surface chemistry. Thus, TiPLD was used for further experiments to explore the influence of surface nanostructures on osteoblast adhesion, differentiation and orientation. By laser-induced oxidation, we produced patterns of parallel Ti oxide lines with different widths (0.2–10 μm) and distances (2–20 and 1,000 μm), but a common height of only 12 nm. These structures did not influence ALP activity (days 5–9), but had a positive effect on cell alignment. Two days after plating, the majority of the focal contacts were placed on the oxide lines. The portion of larger focal adhesions bridging two lines was inversely related to the line distance (2–20 μm). In contrast, the portion of aligned cells did not depend on the line distance. On average, 43% of the cells orientated parallel towards the lines, whereas 34% orientated vertically. In the control pattern (1,000 μm line distance), cell distribution was completely at random. Because a significant surplus of the cells preferred a parallel alignment, the nanosize difference in height between Ti surface and oxide lines may be sufficient to orientate the cells by contact guiding. However, gradients in electrostatic potential and surface charge density at the Ti/Ti oxide interface may additionally influence focal contact formation and cell guidance. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.