Magnetische Formgedächtnsilegierungen haben die besondere Fähigkeit, sich im äußeren Magnetfeld zu verformen. Dies geschieht aufgrund von Zwillingsgrenzenbewegung in der martensitischen Tieftemperaturphase. Da der Effekt bislang an Einkristallen untersucht wurde, ist es das Ziel dieser Arbeit, den Effekt an polykristallinen Proben nachzuweisen. Dafür wurden Proben nach dem Prinzip der gerichteten Erstarrung präpariert. Deren Kristallstruktur wurde durch geeignete Zusammensetzung und Wärmebehandlung einphasig eingestellt. Mechanisches Training und weitere Wärmebehandlungen ermöglichten schließlich die Demonstration der magnetischen Dehnung von ca. 1 % an polykristallinen Proben. Durch zusätzliche Einkopplung akustischer Wellen konnte die Dehnung auf 2,2 % gesteigert werden.

Background: Mechanical ventilation (MV) inflicts stress on the lungs, initiating or increasing lung inflammation, so-called ventilator-induced lung injury (VILI). Besides overdistention, cyclic opening-and-closing of alveoli (atelectrauma) is recognized as a potential mechanism of VILI. The dynamic stretch may be reduced by positive endexpiratory pressure (PEEP), which in turn increases the static stretch. We investigated whether static stretch modulates the inflammatory response of rat type 2 alveolar epithelial cells (AECs) at different levels of dynamic stretch and hypothesized that static stretch increases pro-inflammatory response of AECs at given dynamic stretch. - Methods: AECs, stimulated and not stimulated with lipopolysaccharide (LPS), were subjected to combinations of static (10, 20, and 30%) and dynamic stretch (15, 20, and 30%), for 1 and 4 h. Non-stretched AECs served as control. The gene expression and secreted protein levels of interleukin-6 (IL-6), monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), and macrophage inflammatory protein 2 (MIP-2) were studied by real-time polymerase chain reaction (RTqPCR) and enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), respectively. The effects of static and dynamic stretch were assessed by two-factorial ANOVA with planned effects post-hoc comparison according to Šidák. Statistical significance was considered for p < 0.05. - Results: In LPS-stimulated, but not in non-stimulated rat type 2 AECs, compared to nonstretched cells: 1) dynamic stretch increased the expression of amphiregulin (AREG) (p < 0.05), MCP-1 (p < 0.001), and MIP-2 (<0.05), respectively, as well as the protein secretion of IL-6 (p < 0.001) and MCP-1 (p < 0.05); 2) static stretch increased the gene expression of MCP-1 (p < 0.001) and MIP-2, but not AREG, and resulted in higher secretion of IL-6 (p < 0.001), but not MCP-1, while MIP-2 was not detectable in the medium. - Conclusion: In rat type 2 AECs stimulated with LPS, static stretch increased the proinflammatory response to dynamic stretch, suggesting a potential pro-inflammatory effect of PEEP during mechanical ventilation at the cellular level.

Beatmungsbedingte Lungenschäden in der Therapie des akuten Atemnotsyndroms (ARDS) sind aufgrund der inhomogenen Vorschädigung der Lunge praktisch unvermeidbar. Die unphysiologische mechanische Belastung der Lunge führt über Volutrauma, Atelektotrauma und Biotrauma nicht selten zur Exazerbation des Syndroms und trägt zur hohen Mortalität des ARDS bei. Pharmakologische Interventionsmöglichkeiten sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Diesbezüglich vielversprechend ist die zentrale Komponente des Kinin-Kallikrein-Systems, namentlich Bradykinin, das über seinen B2-Rezeptor anti-apoptotische Signalwege aktivieren kann und somit zellprotektive Wirkung besitzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, in welcher Weise zyklische mechanische Dehnung die Konzentration einzelner Komponenten des Kinin-Kallikrein-Systems in isolierten alveolären Epithelzellen (Typ II) der Ratte beeinflusst. Dafür wurden die alveolären Typ-II-Zellen auf speziellen BioFlex®-Membranen kultiviert und für 24 Stunden zyklisch mit hoher Dehnungsamplitude gedehnt. Anschließend wurden mit etablierten Analysemethoden in Zellüberständen bzw. Zelllysaten die Konzentrationen von Kininogen 1, Bradykinin und vom B2-Rezeptor gemessen, sowie die Aktivität des Enzyms Kallikrein und des Bradykinin-Abbaus bestimmt - jeweils im Vergleich mit Überständen bzw. Lysaten ungedehnter AT-II-Zellkulturen. Es zeigte sich dehnungs-bedingt eine Zunahme der Bradykinin-Produktion durch Kininogen und Kallikrein und eine stark gesteigerte Bradykinin-abbauende Aktivität, sodass sich der Bradykininspiegel insgesamt verringerte. Die Konzentration des B2-Rezeptors blieb unverändert. Detailliertes Wissen über den Einfluss zyklischer mechanischer Dehnung auf die Einzelkomponenten des Kinin-Kallikrein-Systems ist eine Grundvoraussetzung, um die zellprotektive Wirkung von Bradykinin im Sinne einer pharmakologischen Interventionsmöglichkeit bei ARDS nutzbar machen zu können.

The monolithic integration of III-V semiconductors on Si substrates is a part of a long-term technological roadmap for the semiconductor industry towards More-than-Moore technologies. Despite of the different lattice constants and thermal expansion coefficients, research efforts over the last two decades have shown that III-V crystals with a high structural quality can be grown epitaxially in the form of nanowires directly on Si using CMOS-compatible (Au-free) methods. Among other III-V compounds, InxGa1-xAs is of the special interest for the use in infrared photonics and high-speed electronics due to its tunable direct bandgap and low electron effective mass, respectively. For comparison, InxGa1-xAs thin films are typically grown on lattice-matched InP substrates with a limited range of compositions at around x=0.52. The realization of InxGa1-xAs nanowires on Si, though, has been proved challenging owing to the limited In-content when the nanowires are grown Ga-catalyzed or the high density of stacking faults when the nanowires are grown catalyst-free. In this work, the use of highly lattice-mismatched GaAs/InxGa1-xAs and GaAs/InxAl1-xAs core/shell nanowires on Si(111) substrates have been studied as an alternative to InxGa1-xAs nanowires. The core/shell mismatch strain and its accommodation within the nanowires plays an important role in the growth, the structural, and the electronic properties of the nanowires. A key parameter in this work was the unusually small diameter of 20 – 25 nm of the GaAs core. First, the strain-induced bending of the nanowires during the growth of the shell by molecular beam epitaxy was investigated. It was apparent that the nanowires bend as a result of a preferential incorporation of In adatoms on one side of the nanowires. To obtain straight nanowires with symmetric shell composition and thickness around the core, it was necessary to choose relatively low growth temperatures and high growth rates that limited the surface diffusivity of In adatoms. Second, the strain accommodation in straight nanowires was investigated as a function of the shell thickness and composition using a combination of Raman scattering spectroscopy and X-ray diffraction. For a fixed shell composition of x=0.20 and small enough shell thicknesses, the strain in the shell is compressive and decreases progressively as the shell grows thicker. On the other hand, the strain in the core is tensile with hydrostatic character and increases with shell thickness. Finally, for shell thicknesses larger than 40 nm, the shell becomes strain-free, whereas the strain in the core saturates at 3.2% without any dislocations. For a fixed shell thickness of 80 nm, the strain in the core was further increased by increasing the In-content in the shell, reaching values as high as 7% for x=0.54. A plastic relaxation via misfit dislocations was observed only for the next highest In-content of x=0.70. In agreement to theoretical predictions, the tensile strain in the core resulted in a large reduction of the GaAs bandgap (as measured by photoluminescence spectroscopy), up to approximately 40% of the strain-free value. A similar reduction in electron effective mass is also expected. The transport properties of electrons inside the strained GaAs core were assessed by optical-pump terahertz-probe spectroscopy. Quite high mobility values of approximately 6100 cm2/Vs at 300 K for a carrier concentration of 9×1017 cm−3 were measured, which are the highest reported in the literature for GaAs nanowires, but also higher than the values for unstrained bulk GaAs. The importance of the results in this work is two-fold. On the one hand, strain-free InxGa1-xAs nanowire shells were grown on Si substrates with x up to 0.54 and thicknesses well beyond the critical thickness of their thin film counterparts. Such shells could potentially be employed as conduction channels in high electron mobility transistors (HEMTs) integrated in Si platforms. On the other hand, highly tensile-strained GaAs cores with electronic properties like those of InxGa1-xAs thin films were obtained. In this case, the results demonstrate, that GaAs nanowires can be suitable for photonic devices across the near-infrared range, including telecom photonics at 1.3 and potentially 1.55 μm, as well as for high-speed electronics. GaAs as a binary material is expected to be advantageous compared to InxGa1-xAs due to the absence of structural imperfections typically present in ternary alloys. Finally, to explore the potential of the core/shell nanowires as HEMTs, self-consistent Schrödinger-Poisson calculations of two different modulation-doped heterostructures were performed. In the case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained InxGa1-xAs shell and an additional unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, the possibility to form a cylindrical-like two-dimensional electron gas inside the InxGa1-xAs shell was found. In the alternative case of a strained GaAs core overgrown by an unstrained Si-doped InxAl1-xAs shell, it was found that it is possible to form a quasi-one-dimensional electron gas at the center of the core. Both structures are the subject of ongoing research.:1 Introduction 1 2 Fundamentals and state-of-the-art 7 2.1 Electronic and structural properties of III-V semiconductors 7 2.2 Growth of III-V nanowires on Si 20 2.3 Core/shell heterostructure nanowires 29 2.4 Strain in epilayers and core/shell nanowires 36 2.5 Strain engineering in core/shell nanowires and its effect on band parameters 46 2.6 Modulation-doped III-V semiconductor heterostructures 56 3 Methods 61 3.1 Optical and electron microscopes 61 3.2 X-ray diffraction 64 3.3 Raman scattering spectroscopy 65 3.4 Photoluminescence spectroscopy 75 3.5 Optical-pump terahertz-probe spectroscopy and photoconductivity in semiconductors 77 3.6 Device processing 82 3.7 Semiconductor nanodevice software “nextnano” 85 3.8 MBE for crystal growth and core/shell nanowire growth 86 4 Results and discussions 91 4.1 Structural, compositional analyses of straight nanowires and coherent growth limit 91 4.2 Bent nanowires 95 4.3 Strain analyses in core/shell nanowires 97 4.3.1 Dependence of strain on shell thickness 97 4.3.2 Dependence of strain on the shell chemical composition 102 4.3.3 Dependence of strain on the core diameter 105 4.4 Strain-induced modification of electronic properties 106 4.5 Strain-enhanced electron mobility of GaAs nanowires higher than the bulk limit 114 4.6 Towards high electron mobility transistors 123 5 Conclusion and outlook 129 Bibliography 131 List of abbreviations I List of Symbols III List of publications VII List of conference contributions VIII Acknowledgements X

Theoretische Berechnungen sagen für tetragonal gedehntes Fe-Co eine hohe magnetokristalline Anisotropie voraus, wie sie für seltenerdfreie Dauermagnetwerkstoffe vorteilhaft wäre. In dieser experimentellen Arbeit werden epitaktische Fe-Co-Schichten strukturell und magnetisch charakterisiert. Zur Untersuchung der Dehnung in diesen Schichten eignen sich AuxCu100-x-Pufferschichten besonders, da über die Stöchiometrie (x) deren lateraler Gitterparameter eingestellt werden kann. Wird Fe-Co auf einer solchen Pufferschicht abgeschieden, erfolgt aufgrund dessen hoher elastischer Energie schon in den ersten Monolagen eine vollständige Relaxation der pufferinduzierten Dehnung. In ternären Fe-Co-X-Schichten, in denen kleine X-Atome (X = B, C oder N) Oktaederlücken besetzen, wird jedoch eine spontane tetragonale Dehnung c/a bis zu 1,05 beobachtet. Entlang der gedehnten c-Achse tritt eine uniaxiale magnetokristalline Anisotropie auf, die für B- oder C-Zulegierungen von 2 at% eine maximale Anisotropiekonstante von 0,4 MJ/m³ zeigt. Wird der X-Gehalt weiter erhöht, nehmen die Kristallinität der Schichten und die magnetische Anisotropie ab. Neben der magnetokristallinen Anisotropie des Schichtvolumens wird an den Fe-Co(-X)-Schichten eine hohe Grenzflächenanisotropie beobachtet. Der Beitrag der freien Oberfläche übersteigt den der Au-Cu-Grenzfläche dabei deutlich. / Theoretical calculations predict a high magnetocrystalline anisotropy for tetragonally strained Fe-Co, which would be beneficial for rare-earth free permanent magnet materials. In this experimental work, epitaxial Fe-Co films are investigated structurally and magnetically. AuxCu100-x buffer layers are very suitable to study the strain in these films since their in-plane lattice parameter can be tailored via the applied stoichiometry (x). However, when Fe-Co is deposited on such a buffer layer, the induced strain of the Fe-Co lattice relaxes completely within the first monolayers, due to its high elastic energy. In ternary Fe-Co-X films, where small atoms X like B, C or N occupy octahedral interstitial sites, a spontaneous strain c/a up to 1.05 is observed. A uniaxial magnetocrystalline anisotropy along the strained c axis appears. Their maximum anisotropy constant is 0.4 MJ/m³ for B or C contents of 2 at%. If the X content is further increased, the crystallinity and thus, the magnetic anisotropy of the films degrade. Together with the magnetocrystalline anisotropy of the films’ volumes, a high interface anisotropy is observed for the Fe-Co(-X) films. The contribution of the free surface clearly exceeds the contribution of the Au-Cu interface.

The work in this thesis focuses on the preparation of epitaxial Nd-Fe-B thin films using pulsed laser deposition for good hard magnetic properties. They are suitable for a basic understanding of the intrinsic magnetic properties. Compositional control was necessary to achieve phase formation with improved magnetic properties. Nd-Fe-B samples were prepared on single crystal MgO (001) substrates with different buffer layers in order to obtain good textures with different surface morphology. The smooth and continuous epitaxial films were suitable for performing magnetization measurements under stress. Although the magnetostriction is easily neglected in the Nd2Fe14B compound, distinguishable inverse magnetostriction was observed by conventional tensile elongation with a flexible substrate. As a result, anisotropic strain in the film, which breaks the in-plane symmetry, affected the opening angle during the spin reorientation. Therefore an elliptical distortion of the in-plane anisotropy below the spin reorientation temperature of Nd2Fe14B was obtained, whereas the transition temperature itself was not influenced significantly. / Diese Arbeit behandelt die Herstellung dünner epitaktischer Nd-Fe-B-Schichten mit gepulster Laserdeposition mit dem Ziel, gute hartmagnetische Eigenschaften zu erreichen. Diese Schichten sind außerdem für das Verständnis grundlegender magnetischer Eigenschaften geeignet. Die Kontrolle der Zusammensetzung ist notwendig, um die Phasenbildung und optimale hartmagnetische Eigenschaften zu erreichen. Nd-Fe-B-Schichten wurden auf einkristallinen MgO (001)-Substraten mit verschiedenen Buffern deponiert, um unterschiedliche Texturen und Oberflächenmorphologien einzustellen. Die glatten kontinuierlichen epitaktischen Schichten ermöglichen die Messung der Magnetisierung bei gleichzeitig angelegter mechanischer Spannung. Obwohl die Magnetostriktion bei Nd-Fe-B im Allgemeinen vernachlässigt werden kann, konnte an Nd-Fe-B-Schichten nach dem Aufbringen einer Dehnung auf ein flexibles Substrat eine deutliche inverse Magnetostriktion induziert werden. Die anisotrope Dehnung in der Schicht, die die Symmetrie in der Schichtebene bricht, beeinflusst die Öffnungswinkel bei der Spinreorientierung. Damit wurde unterhalb der Spinreorientierungstemperatur eine elliptische Verzerrung der Anisotropie in der Schichtebene erreicht, die Übergangstemperatur selbst änderte sich dagegen nicht signifikant.

Eine Methode zur Variation der interatomaren Abstände eröffnet die epitaktische Abscheidung dünner Schichten. Dabei führt die Wahl eines geeigneten Substrates zu Spannungen in der Schichtebene. Im Gegensatz zu hydrostatischen Druckexperimenten an Massivproben ist die dadurch erzeugte biaxiale Verspannung des Kristallgitters von der Art der Probenherstellung abhängig und kann anschließend nicht mehr variiert werden. Werden für verschiedene Verspannungszustände das Substrat und die Präparationsparameter angepasst, beeinflusst dies gleichzeitig das Schichtwachstum. Aus den daraus resultierenden Schichteigenschaften lässt sich der Einfluss der Gitterdeformation nur schwer separieren, was die Vergleichbarkeit von verschiedenen Verspannungszuständen stark einschränkt. Aus diesem Grund konzentrieren sich bisherige Untersuchungen zur Dehnungsempfindlichkeit von supraleitenden Dünnschichten zumeist auf die phänomenologische Beschreibung der Ergebnisse, da sie nur schwer mit der Verspannung in Korrelation zu setzen sind. Da dieses Problem mit herkömmlichen Verfahren nicht zu lösen ist, werden in dieser Arbeit neue Verspannungstechniken auf supraleitende Dünnschichten angewendet und im Besonderen mit dem Fokus auf Fe-basierte Supraleiter untersucht. Zum einen kommen dazu piezoelektrische Substrate zum Einsatz, die eine biaxiale Verspannung der darauf abgeschiedenen Dünnschicht ermöglichen, indem die Gitterparameter des Substrates durch ein elektrisches Feld verändert werden. Zum anderen wird auf Grundlage flexibler Substrate mittels eines Biegeversuchs eine uniaxiale Gitterdeformation von Dünnschichten realisiert. Zusammenfassend wird in dieser Arbeit die Anwendung der dynamischen Verspannung auf supraleitende Schichten für zwei wichtige Materialklassen demonstriert: die Kupferoxid-basierten Supraleiter und die Eisen-basierten Supraleiter. In beiden Fällen konnte ein epitaktisches Wachstum durch gezielte Anpassung der Pufferarchitektur erreicht werden. Im Fall der piezoelektrischen Substrate wurde der vollständige Übertrag der Verspannung in die Schicht nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit der induzierten Dehnung über verschiedene Verfahren ermittelt. Auf dieser Grundlage konnte die Dehnungsempfindlichkeit der supraleitenden Übergangstemperatur, die bisher nur durch statisch verspannte Schichten zugänglich war, näher untersucht werden. Zusätzlich erlaubte der Ansatz die Analyse der Vortexdynamik sowie des oberen kritischen Feldes. Es konnte materialübergreifend gezeigt werden, dass sich die Dehnungsempfindlichkeit der charakteristischen Übergangsfelder einheitlich beschreiben und sich dabei der Vortex-Glas-Flüssigkeits Übergang mit der Aktivierungsenergie korrelieren lässt.

Obwohl die künstliche bzw. mechanische Beatmung bei der Therapie von ALI / ARDS eine wichtige und bedeutende Rolle spielt, kann sie selbst eine akute Lungen-schädigung auslösen oder bestehende pulmonale Beeinträchtigungen verstärken. Zentraler Schädigungsmechanismus ist die alveoläre Überdehnung durch hohe Ti-dalvolumina. Selbst bei der Anwendung kleiner, protektiver Tidalvolumina in Lungen mit einem nur geringen Anteil belüfteter Alveolen kann es in diesen zu alveolärer Überdehnung kommen. Diese Überdehnung führt einerseits zu mechanisch induzier-te Apoptose sowie Nekrose und andererseits zu einer mechanisch induzierten Ver-änderung der Mediatorenfreisetzung hin zu einem pro-inflammatorischen Muster. Da der Transkriptionsfaktor NF-κB zahlreiche Mediatoren aktiviert bzw. von ihnen beeinf-lusst werden kann, nimmt er in diesem Geschehen eine ganz besondere Schlüssel-position ein. In der vorliegenden Arbeit wird der Hypothese nachgegangen, ob die NF-κB-Aktivierung bei der mechanischen Dehnung und dem daraus resultierenden inflam-matorischen Verhalten von pulmonalen Strukturzellen verändert wird und in wie weit ein Zusammenhang zwischen Dehnung, Zellschädigung und NF-κB besteht. Dafür wurden sowohl frisch isolierte alveoläre Ratten-Typ-II Zellen, Zellen der hu-man-alveolaren Epithelzelllinie A549 sowie Lungen- Fibroblasten der Zell-Linie Wi 38 untersucht. Alle drei Zellarten wurden auf einem speziellen elastischen Silikonboden von 6er-Well-Platten inkubiert, wo sie mit Hilfe des Flexercell-Stretch-Gerätes (FX 3000) als Zellmonolayer equibiaxial für 24 Stunden gedehnt wurden. Auch die zeitliche Abhängigkeit der NF-κB-Expression von der mechanischen Deh-nung wurde untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass ein Zusammenhang zwischen NF-κB-Aktivierung, Zellschädigung und mechanischer Dehnung existiert. Wobei bei unter-schiedlichen Zellarten auch variierende Ergebnisse beobachtet werden konnten. Im Zusammenhang mit anderen aus unserer Forschungsgruppe und in der Literatur stammenden Erkenntnissen konnte so eine Verknüpfung zwischen NF-κB-Aktivierung, Zytokinfreisetzung und inflammatorischer pulmonaler Reaktion nachge-wiesen werden.

Der Einsatz von Fasergefügen und insbesondere von Papier geht heute über dessen ursprüngliches Anwendungsgebiet als Informationsträger weit hinaus. Mit alternativen und neuen Aufgabenfeldern des Papiers kommen auch weitere, qualitative Anforderungen hinzu, welche es während der Herstellung, Weiterverarbeitung und Nutzung erfüllen muss. In der Vergangenheit stand verstärkt z.B. die Verbesserung der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften im Vordergrund. Für viele Anwendungsfälle spielt jedoch auch die Dehnung eine entscheidende Rolle. Beispiele sind Sackpapier oder Elektroisolationspapier. Darum verfolgt diese Arbeit das Ziel, systematisch und anhand eines neuen Dehnungsmodells, qualitativ und quantitativ die Einflüsse der Faser- und Gefügeeigenschaften anhand ausgewählter Prozessbedingungen auf das Kraft-Dehnungsverhalten, aber insbesondere auf dessen Dehnung zu untersuchen. Des Weiteren wurde eine Methode entwickelt, mit der es unter Nutzung eines Röntgen-Computertomographen möglich ist, weitere Gefügeparameter, auch während einer semi-dynamischen Zugprüfung in-situ zu ermitteln. Für die Bewertung der Fasereigenschaften wurden vier Faserstoffe ausgewählt. Zum Einsatz kam ein ungebleichter Nadelholzsulfatzellstoff (UKP), ein gebleichter Eukalyptuszellstoff, Baumwolllinters und Tencel, eine synthetische Cellulosefaser. Diese Faserstoffe sind chemisch und morphologisch analysiert worden, bevor sie sowohl überwiegend fibrillierend als auch überwiegend kürzend in einem Refiner gemahlen wurden. Nach unterschiedlich hohem Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit in den Faserstoff wurden aus der Suspension Papiermuster gebildet, schrumpfungsbehindert getrocknet und charakterisiert. Durch die Mahlung der Faserstoffe erfolgte eine Reduktion deren mittlerer längengewichteter Faserkonturlänge, der Feinstoffanteil konnte gesteigert werden und das Wasserrückhaltevermögen nahm zu. Es konnte ein unterschiedliches Verhalten der Entwicklung des Wasserrückhaltevermögens zwischen dem ungebleichten Nadelholzsulfatzellstoff und dem gebleichten Eukalyptus gegenüber den Baumwolllinters und den Tencelfasern gefunden werden. Das Wasserrückhaltevermögen von Baumwolllinters und den Tencelfasern blieb, unabhängig von der Mahlstrategie, fast bis zum maximalen Eintrag an massenspezifischer Mahlarbeit von ca. 770 kWh/t unbeeinflusst. Mit den erhaltenen Kraft-Dehnungsdiagrammen der Papiermuster, welche durch eine uniaxiale Zugprüfung mit konstanter Dehnungsgeschwindigkeit messtechnisch erfasst wurden, konnte durch eine Kurveneinpassung mit dem entwickelten Dehnungsmodell das jeweilige Kraft-Dehnungsverhalten mathematisch nachgebildet werden. Dieser neue Modellansatz wurde gewählt, nachdem die Auswertung des Ansatzes von Paetow [77;78;79;90] zu große Abweichungen bei bestimmten Papiermustern aufzeigte. Dies ermöglichte die quantitative Auswertung relevanter Parameter der Kraft-Dehnungskurven. Dabei wurden der Elastizitätsmodul, die Reißlänge und die Dehnung bei maximaler Reißlänge bewertet. Eine sehr hohe Reißlänge konnte mit einem fibrillierend gemahlenem, ungebleichtem Nadelholzsulfatzellstoff und eine hohe Dehnung mit einem, ebenfalls fibrillierend gemahlenem Eukalyptuszellstoff erreicht werden. Des Weiteren sind die Reißlänge am Übergang von einem initial linearen in den nicht-linearen Kurventeil, ein Abknickfaktor sowie der weitere Kurvenverlauf nach dem nicht-linearen Bereich, bis zur maximalen Reißlänge des Gefüges bewertet worden. Der letzte Kurvenbereich wurde entweder durch den weiteren, nicht-linearen Verlauf oder durch einen sekundären Linearbereich charakterisiert. Der von Seth und Page [22] dargestellte Einfluss der Faserstoffmahlung auf den Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier konnte nicht nachgebildet werden. Dies zeigte auch, dass die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse durch eine Korrektur des Elastizitätsmoduls mit den Kraft-Dehnungskurven nicht mit den Ergebnissen aus [22] übereinstimmen. Die Faserstoffmahlung hat demnach nicht nur einen Einfluss auf die maximal erreichbare Reißlänge und Dehnung, sondern beeinflusst auch den qualitativen Verlauf der Kraft-Dehnungskurve von Papier. Es konnten keine individuellen Einflussgröße der Fasermorphologie und der Prozessparameter auf die Dehnung oder das Kraft-Dehnungsverhalten festgestellt werden, da sich die meisten dieser Eigenschaften direkt mit der eingebrachten, massenspezifischen Mahlarbeit verändern, die Papierdehnung jedoch schon nach Erreichen einer moderaten massenspezifischen Mahlarbeit von ca. 100 – 200 kWh/t nicht weiter steigern ließ. Für eine weitere Bewertung der Einflüsse auf das Kraft-Dehnungsverhalten von Papier wurden Messwerte aus [143] analysiert. Dabei zeigte sich, dass ein Anstieg an Fasern mit einer hohen Faserkräuselung die Reißlänge des Papiers sowie den Elastizitätsmodul signifikant reduziert. Die Reißlänge am Kurvenübergang vom initial linearen in den nicht-linearen Teil bleibt dabei jedoch konstant. Ein anderes Verhalten, welches mit den Ergebnissen von Seth und Page [22] sowie Lowe [12] übereinstimmt, ist die Auswirkung eines kationischen Additivs wie z.B. Stärke auf die Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Additiv keinerlei Einfluss auf den initial linearen sowie den nicht-linearen Teil der Kraft-Dehnungskurve hat, sondern nur den sekundären, linearen Kurvenbereich in Abhängigkeit der Dosiermenge beeinflusst. Dabei wurde die Steigung im sekundären Linearbereich bestimmt. Dieses Verhalten führte zu einer Erweiterung der Theorie von Kallmes [82], welcher nach einem Anstieg der Festigkeit und der Dehnung, ab einer kritischen, relativen Bindungsfläche nur noch einen Anstieg der Festigkeit vorhersagte, jedoch nicht mehr der Dehnung. Auf Grund der in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse müssen drei Fälle der Entwicklung des Kraft-Dehnungsverhaltens von Fasergefügen unterschieden werden, welche primär von der Homogenität der Spannungsverteilung im Fasergefüge abhängig sind und z.B. durch die Faserkräuselung oder Blattformation beeinflusst werden kann. Diese neue Ansicht basiert auf dem Verhältnis zwischen der Bindungsenergie der Faser-Faserbindung und dem formbasierten sowie dem längenbasierten Arbeitsaufnahmevermögen der Fasern. Der erste Fall der Gefügedehnung beschreibt das Verhalten, wenn die Bindungsenergie geringer ist als das formbasierte Arbeitsaufnahmevermögen. Dies führt zu einem Auseinandergleiten des Fasergefüges. Dieses Verhalten konnte mit der Analyse von Papierproben aus Linters im Röntgen-Computertomograph qualitativ nachgewiesen werden. Steigt die Bindungsenergie an, wie es der zweite Fall voraussetzt, kann das formbasierte Arbeitsvermögen der Fasern überwunden werden und steht als Dehnvermögen zur Verfügung. Um auch, wie es der dritte Fall beschreibt, das längenbasierte Dehnvermögen der Fasern nutzen zu können, muss die Bindungsenergie zusätzlich durch z.B. ein Additiv oder hohe Drücke in einer Nasspresse weiter steigen. Die erweiterte Theorie bildet nun das gesamte Kraft-Dehnungsverhalten von Fasergefügen ab und muss in weiteren Arbeiten zur Papieranalyse verifiziert werden. Eine wertvolle Ergänzung der zu ermittelnden Gefügeparameter kann durch die entwickelte Methode mit der Röntgen-Computertomographie geleistet werden.

Beatmungsbedingte Lungenschäden in der Therapie des akuten Atemnotsyndroms (ARDS) sind aufgrund der inhomogenen Vorschädigung der Lunge praktisch unvermeidbar. Die unphysiologische mechanische Belastung der Lunge führt über Volutrauma, Atelektotrauma und Biotrauma nicht selten zur Exazerbation des Syndroms und trägt zur hohen Mortalität des ARDS bei. Pharmakologische Interventionsmöglichkeiten sind Gegenstand der aktuellen Forschung. Diesbezüglich vielversprechend ist die zentrale Komponente des Kinin-Kallikrein-Systems, namentlich Bradykinin, das über seinen B2-Rezeptor anti-apoptotische Signalwege aktivieren kann und somit zellprotektive Wirkung besitzt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht, in welcher Weise zyklische mechanische Dehnung die Konzentration einzelner Komponenten des Kinin-Kallikrein-Systems in isolierten alveolären Epithelzellen (Typ II) der Ratte beeinflusst. Dafür wurden die alveolären Typ-II-Zellen auf speziellen BioFlex®-Membranen kultiviert und für 24 Stunden zyklisch mit hoher Dehnungsamplitude gedehnt. Anschließend wurden mit etablierten Analysemethoden in Zellüberständen bzw. Zelllysaten die Konzentrationen von Kininogen 1, Bradykinin und vom B2-Rezeptor gemessen, sowie die Aktivität des Enzyms Kallikrein und des Bradykinin-Abbaus bestimmt - jeweils im Vergleich mit Überständen bzw. Lysaten ungedehnter AT-II-Zellkulturen. Es zeigte sich dehnungs-bedingt eine Zunahme der Bradykinin-Produktion durch Kininogen und Kallikrein und eine stark gesteigerte Bradykinin-abbauende Aktivität, sodass sich der Bradykininspiegel insgesamt verringerte. Die Konzentration des B2-Rezeptors blieb unverändert. Detailliertes Wissen über den Einfluss zyklischer mechanischer Dehnung auf die Einzelkomponenten des Kinin-Kallikrein-Systems ist eine Grundvoraussetzung, um die zellprotektive Wirkung von Bradykinin im Sinne einer pharmakologischen Interventionsmöglichkeit bei ARDS nutzbar machen zu können.:Inhaltsverzeichnis………………………………………………………………………3 1. Einleitung ..................................................................................7 1.1. Zyklische Dehnung der Lunge als physiologischer Stimulus ..........7 1.2. Zyklische Dehnung der Lunge als pathologischer Stimulus ..........8 1.2.1. Beatmungsbedingte Lungenschäden ..................................9 1.2.1.1. Pathomechanismen ..........................................................9 A) Barotrauma und Volutrauma ..................................................9 B) Atelektotrauma .........................................................................10 C) Biotrauma und Mechanotransduktion 11 D) Sauerstofftrauma .................................................................11 1.2.2. Das akute Atemnotsyndrom (ARDS)...................................12 1.2.2.1. Definition/Diagnosekriterien des ARDS................................12 1.2.2.2. Ätiologie und Inzidenz des ARDS .................................13 1.2.2.3. Verlauf des ARDS .........................................................13 1.2.2.4. Therapie des ARDS .........................................................15 1.3. Das Kinin-Kallikrein-System des Menschen .................................17 1.3.1. Komponenten .................................................................18 A) Kallikrein .................................................................................18 B) Kininogen .................................................................................19 C) Bradykinin .........................................................................19 D) Bradykinin-Rezeptoren .........................................................20 1.4. Das Kinin-Kallikrein-System der Ratte .................................22 2. Fragestellungen und Ziele der Studie .........................................23 3. Material und Methoden .........................................................25 3.1. Materialien .........................................................................25 Tabelle 1: Reagenzien und Chemikalien .........................................25 Tabelle 2: Lösungen, Puffer und Kulturmedien .................................27 Tabelle 3: Assays .........................................................................28 Tabelle 4: Geräte und Arbeitsmittel .................................................29 Tabelle 5: Computer-Software .........................................................31 3.2. Methoden .................................................................................31 3.2.1. Zellkultur .........................................................................31 3.2.1.1. Isolierung der AT-II-Zellen aus der Ratte .........................31 3.2.1.2. Kultivierung der AT-II-Zellen .........................................33 3.2.2. Dehnungsexperiment .................................................34 3.2.3. Gewinnung von Analysematerial .................................36 3.2.4. Auswertung der Experimente .........................................37 3.2.4.1. Bestimmung des Proteingehaltes .................................37 3.2.4.2. Bestimmung der Kininogen-Konzentration .........................38 3.2.4.3. Bestimmung der Kallikrein-Aktivität mittels Fluoreszenzspektroskopie .................................................................39 3.2.4.4. Bestimmung der Bradykinin-Konzentration .................40 3.2.4.5. Bestimmung der Bradykinin-abbauenden Aktivität .........42 3.2.4.6. Konzentrationsbestimmung des Bradykinin-Rezeptors 2......44 3.2.5. Statistik .........................................................................45 4. Ergebnisse .........................................................................46 4.1. Beeinflussung des Kinin-Kallikrein-Systems .........................46 4.1.1. Kininogen .........................................................................46 4.1.2. Kallikrein .........................................................................48 4.1.3. Bradykinin-Konzentration .................................................50 4.1.4. Bradykinin-Abbau .........................................................51 4.1.5. Bradykinin-Rezeptor 2 .................................................54 4.2. Zusammenfassung der Ergebnisse .........................................55 5. Diskussion .........................................................................56 5.1. Diskussion der Methoden .........................................................56 5.1.1. Dehnexperiment .........................................................56 5.1.2. Zellkultur .........................................................................59 5.2. Diskussion der Ergebnisse .........................................................59 5.2.1. Die Beeinflussung der Bradykinin-Konzentration durch zyklische mechanische Dehnung ..................................................................59 5.2.2. Die Beeinflussung der Bradykinin-bildenden Komponenten durch zyklische mechanische Dehnung ....................................................61 5.2.3. Die Beeinflussung des Bradykinin-Abbaus durch zyklische mechanische Dehnung ....................................................................65 5.2.4. Die Beeinflussung des Bradykinin-Rezeptors 2 durch zyklische mechanische Dehnung .....................................................................69 5.2.5. Bedeutung der dehnungsinduzierten Aktivierung des Kinin-Kallikrein-Systems .............................................................72 5.3. Schlussbetrachtungen und Ausblick .............................................75 6. Zusammenfassung .....................................................................78 7. Literaturverzeichnis .....................................................................81 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis .............................................96 9. Abkürzungsverzeichnis .............................................................98 10. Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit ...........101 11. Curriculum vitae ...................................................................102 12. Danksagung ...........................................................................103