Universiẗat, Diss., 2005--Würzburg. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2004.

Die Basis der vorliegenden Arbeit bildet die Eigenentwicklung eines neuen massiv verbesserten Experimentalaufbaus einer dynamischen Lichtstreuapparatur zur Untersuchung von kollektiven Membranbewegungen. Die technischen Verbesserungen ermöglichten Messungen in einem bisher nicht zugänglichen Wellenzahlbereich der Membranundulationen. Dadurch konnte eine präzise Untersuchung der Abhängigkeiten der ihnen zugrunde liegenden mikromechanischen Größen Membranspannung und Membranviskosität von verschiedenen intrinsischen und extrinsischen Parametern durchgeführt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden fundamentale Untersuchungen zur Charakterisierung der Membranspannung beschrieben. Eine Vergrößerung der Temperatur oder des Anteils an geladenem Lipid bei Lipidmischungen führte zu einer Erhöhung der Membranspannung. Diese Parameter besitzen aber keinen messbaren Einfluss auf die Membranviskosität. Im zweiten Teil der Arbeit wurde der Ankopplungsmechanismus von kurzen DNA-Stücken an kationische Membranen und deren Einfluss auf die Membranparameter untersucht. Die Experimente konzentrierten sich auf den Vergleich kurzer DNA Doppelstränge (ds-DNA) und Einzelstränge (ss-DNA). Die Adsorption der beiden DNA-Typen zeigte für die in der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) messbaren charakteristischen Membrangrößen signifikante Unterschiede. Während die ds-DNA die Membranspannung und die Membranviskosität im Vergleich zu einer Membran ohne DNA Adsorption erhöhte, wurde durch die ss-DNA die Membranviskosität nicht verändert und die Membranspannung sogar erniedrigt. Die kurze ds-DNA (≤ 50 Basenpaare) beeinflusste die Undulationen durch eine rein elektrostatische Kopplung an die entgegengesetzt geladene Membranoberfläche, ohne in diese einzudringen. Die kurzen ss-DNA-Stränge zeigten neben der elektrostatischen Kopplung ein zumindest partielles Eintauchen in die Membran mit drastischen Auswirkungen auf deren mikromechanische Eigenschaften, die im völligen Gegensatz zur doppelsträngigen DNA standen. Die DLS erwies sich in diesen Experimenten als extrem empfindliche Methode, die sogar die Längenunterschiede der kurzen DNA-Stränge detektieren konnte. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Einfluss der drei evolutionsbiologisch bedeutsamsten Steroide Lanosterol, Ergosterol und Cholesterol auf die kollektive Membrandynamik studiert. Ziel war es, die möglichen Korrelationen zwischen der molekularen Struktur der Steroide und den makroskopischen Funktionen der Komposit-Membranen zu identifizieren. Die drei untersuchten Steroide besitzen eine sehr ähnliche Struktur, unterscheiden sich jedoch sehr in ihrer molekularen Dynamik. Die Messung der kollektiven Dynamik der Undulationen konnte teils erstaunliche Auswirkungen aufdecken. Ergosterol versteift durch seine Anwesenheit die Membran und erhöht die Membranspannung, verkürzt allerdings die Haltbarkeit der Membranen. Lanosterol erhöht die Membranspannung wesentlich stärker, macht aber die Membranen etwas flexibler als Ergosterol, was sich auch positiv auf die Haltbarkeit auswirkt. Das Cholesterol ist aber das Einzige, das aufgrund seiner molekularen Dynamik bis in die andere Hälfte der zweischichtigen Membran vordringen kann. Damit koppelt es beide Schichten dynamisch miteinander, wodurch die Membran extrem flexibel und dadurch widerstandsfähiger wird. Künstliche Cholesterolmembranen (Durchmesser 3,5 mm) weisen daher eine äußerst erstaunliche Haltbarkeit von bis zu 9 Tagen auf. Unterschiede in der Membranspannung bedingen zum Teil extreme Änderungen der kollektiven Undulationsfrequenzen. Erst das Cholesterol scheint durch ein Zusammenspiel der Membranspannung mit der Membranviskosität, die im Gegensatz zu den anderen Steroiden beide extrem erhöht werden, eine für Eukaryonten biologisch sinnvolle Abstimmung zu bieten. Die sehr hohe Membranviskosität wirkt der Frequenzerhöhung durch die Membranspannung entscheidend entgegen. Dieser Umstand ermöglicht es Zellen, dass sie die Vorteile des Cholesterols nutzen können und dennoch moderate kollektive Bewegungen stattfinden, die nicht durch sehr hohe Frequenzen Zell-Zell- oder Molekül-Zell-Interaktionen außerordentlich erschweren. / The basis of this thesis is a proprietary development of a new experimental setup of a dynamic light scattering device for the investigation of collective membrane motions. The huge technical improvements allowed measurements in range of wave numbers of membrane undulations not accessible before and the accurate analysis of the dependency of underlying micromechanic quantities like membrane tension and membrane viscosity from different intrinsic and extrinsic parameters. In the first part of the thesis some fundamental measurements for the characterization of the membrane tension are described. Increasing the temperature or the share of charged lipids in lipid mixtures led to an increase of the membrane tension. But these variables didn’t show a measurable influence on the membrane viscosity. The second part of the thesis focused on the coupling mechanism of short DNA-strands with a cationic membrane and their influence on the membrane parameters. In the experiments short double stranded DNA (ds-DNA) and short single stranded DNA (ss-DNA) were compared. The adsorption of both types of DNA has shown significant differences on the characteristic membrane parameters, which are accessible for the Dynamic Light Scattering (DLS). Whereas the ds-DNA increased the membrane tension and the membrane viscosity in comparison to a membrane without DNA adsorption, the ss-DNA left the membrane viscosity unchanged and even decreased the membrane tension. The short ds-DNA (≤ 50 base pairs) affects the undulations only by an electrostatic coupling to the oppositely charged membrane surface, but without intrusion. The short ss-DNA was showing at least a partial intrusion into the membrane besides the electrostatic coupling, which had dramatic consequences for the micromechanic properties contrary to the ds-DNA. DLS proved to be an extremely sensitive method, which was even able to discriminate the effects caused by different chain length of the short DNA strands. In the third part of the thesis the influence of three steroids, namely lanosterol, ergosterol, and cholesterol on the collective membrane dynamics was studied, which played a significant role during the evolution. The intention was to identify the possible correlation between the molecular steroid structure and the macroscopic function of the composite membrane. The three examined steroids have a similar structure but differ highly in their molecular dynamics. The collective dynamics of the undulations revealed partly astonishing results. Ergosterol stiffens the membrane by its presence and increases the membrane tension, but shortens the lifetime of the artificial membranes. Lanosterol increases the membrane tension significantly more, but provides a better membrane flexibility than ergosterol, which causes a higher durability of the membranes. Cholesterol is the only steroid that can penetrate into the opposite layer of the membrane bilayer due to its unique molecular dynamics. It dynamically couples both layers, which leads to highly flexible and therefore more durable membranes. Hence, artificial cholesterol membranes (diameter 3.5 mm) feature an amazing lifetime of up to 9 days. Differences in the membrane tension could affect extreme changes of the collective undulation eigenfrequencies. Only cholesterol is able to provide a biological reasonable conformance for the eukaryotes by the cooperation of membrane tension and membrane viscosity, which are in contrast to the other steroids both extremely increased. The very high membrane viscosity counteracts the increase of the eigenfrequencies caused by the membrane tension. This enables cells to benefit of the advantages of cholesterol by simultaneously having moderate collective motions, which doesn’t make cell-cell or molecule-cell interactions exceedingly difficult by to high frequencies.

University, Diss., 2004--Regensburg.

The light scattering methods were used for characterization of properties and formation of networks of different dimension, based on N-vinylcaprolactam (VCL). Formation of PVCL microgels in presence of poly(vinyl alcohol) as stabilizer was studied. Size of resulting microgels strongly depends on the temperature and heating rate: interparticle aggregation was observed during slow heating and intraparticle collapse during fast heating. Angular dependence of measured diffusion coefficient on the angle of observation was studied for the microgel in the swollen, shrunken and aggregated states. Thermo-sensitive microgels based on N-vinylcaprolactam and acetoacetoxyethyl methacrylate were prepared under surfactant free conditions. The presence of internal part with low thermo-sensitivity and highly thermo-sensitive outer part of the particle (the core-shell structure of microgel) was deduced from static and dynamic light scattering experiments. Results obtained from combined SLS and DLS show the change of conformation from "swollen" soft sphere to compact shrunken "hard sphere". Thermo-sensitive microgel based on N-vinylcaprolactam and N-vinylpyrrolidone was used for investigation of the internal modes in microgel dispersion in the wide range of qRg values. Two internal motions and translation diffusion were observed in the asymptotic range. Angular dependence of the normalized diffusion coefficient showed power law behavior in this range. The experimentally determined value of exponent n = 0.96 was in good agreement with the value predicted for ZIMM limit for polymer chains with hydrodynamic interaction. The reduced first cumulant Ã*(q) reached a constant value in the range of large qRg values. Appearance of plateau value indicates ZIMM limit of hydrodynamic interaction but experimental value was much lower than the theoretically predicted plateau value for linear chains in good solution. 3,3?-(ethane-1,1-diyl)bis(1-vinyl-2-pyrrolidone) was used as a cross-linker of VCL in solution by radical polymerization. The network formation was investigated by dynamic light scattering. It was shown, that monitoring of the light scattered intensity in all cases is quite sensitive to detect the gelation threshold even in the presence of very low amount of cross-linker. The power law of time correlation function at the gel point is a sufficient but not a necessary condition for critical gelation. The exponent calculated from power law depends on cross-linker concentration and can be attributed to the degree of branching. Critical exponents obtained at the gel point by DLS and rheology for hydrogel system based on VCL and hydroxyethyl methacrylate were compared. The theoretically predicted equality of exponents from these methods was found as not valid at least for this studied system.

The light scattering methods were used for characterization of properties and formation of networks of different dimension, based on N-vinylcaprolactam (VCL). Formation of PVCL microgels in presence of poly(vinyl alcohol) as stabilizer was studied. Size of resulting microgels strongly depends on the temperature and heating rate: interparticle aggregation was observed during slow heating and intraparticle collapse during fast heating. Angular dependence of measured diffusion coefficient on the angle of observation was studied for the microgel in the swollen, shrunken and aggregated states. Thermo-sensitive microgels based on N-vinylcaprolactam and acetoacetoxyethyl methacrylate were prepared under surfactant free conditions. The presence of internal part with low thermo-sensitivity and highly thermo-sensitive outer part of the particle (the core-shell structure of microgel) was deduced from static and dynamic light scattering experiments. Results obtained from combined SLS and DLS show the change of conformation from "swollen" soft sphere to compact shrunken "hard sphere". Thermo-sensitive microgel based on N-vinylcaprolactam and N-vinylpyrrolidone was used for investigation of the internal modes in microgel dispersion in the wide range of qRg values. Two internal motions and translation diffusion were observed in the asymptotic range. Angular dependence of the normalized diffusion coefficient showed power law behavior in this range. The experimentally determined value of exponent n = 0.96 was in good agreement with the value predicted for ZIMM limit for polymer chains with hydrodynamic interaction. The reduced first cumulant Ã*(q) reached a constant value in the range of large qRg values. Appearance of plateau value indicates ZIMM limit of hydrodynamic interaction but experimental value was much lower than the theoretically predicted plateau value for linear chains in good solution. 3,3?-(ethane-1,1-diyl)bis(1-vinyl-2-pyrrolidone) was used as a cross-linker of VCL in solution by radical polymerization. The network formation was investigated by dynamic light scattering. It was shown, that monitoring of the light scattered intensity in all cases is quite sensitive to detect the gelation threshold even in the presence of very low amount of cross-linker. The power law of time correlation function at the gel point is a sufficient but not a necessary condition for critical gelation. The exponent calculated from power law depends on cross-linker concentration and can be attributed to the degree of branching. Critical exponents obtained at the gel point by DLS and rheology for hydrogel system based on VCL and hydroxyethyl methacrylate were compared. The theoretically predicted equality of exponents from these methods was found as not valid at least for this studied system.

Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2010

Die Struktur von Netzwerken wird durch die Wahl der Netzwerkaufbaureaktion, der Ausgangsmoleküle und der Reaktionsbedingungen bestimmt. Es ist schwierig, wenn nicht gar unmöglich, geeignete Reaktionsparameter zu finden, die zum Aufbau homogener Netzwerkstrukturen führen. Die unterschiedliche Reaktivität der Ausgangsmoleküle resultiert in Unregelmäßigkeiten innerhalb der Netzwerkstruktur, z. B. durch inhomogene Verteilung der Vernetzungspunkte. Als Maß für die Heterogenität eines Netzwerkes kann die Streuintensität herangezogen werden. Diese besteht bei Netzwerken aus einem dynamischen und einem statischen Teil. In stark heterogenen Netzwerken überwiegt die statische Komponente der Streuintensität, die dynamischen Beiträge sind gering. Bei homogeneren Strukturen überwiegt die dynamische Komponente. Deshalb kann der Beitrag dynamischer Konzentrationsfluktuationen zur Gesamtstreuintensität als Maß für den Grad der Heterogenität dienen. Die meisten Netzwerke werden durch radikalische Copolymerisation von Monomeren und Vernetzern synthetisiert. Aufgrund der unterschiedlichen Reaktivitäten sind die entstehenden Strukturen stark heterogen. Die Verwendung anderer Mechanismen zum Netzwerkaufbau bietet eine Möglichkeit, homogenere Netzwerke zu erhalten. Vor allem die Vernetzung polymerer Ketten, ausgehend von einer homogenen halbverdünnten Lösung, ist eine strategisch interessante Variante. Ziel dieser Arbeit war die systematische Untersuchung des Einflusses der chemischen Zusammensetzung, der Netzwerkaufbaureaktion, der Polymerkonzentration und der Netzwerkdichte auf die thermodynamischen Eigenschaften (kooperative Diffusionskoeffizienten Dcoop) und die Netzwerkstruktur (Heterogenität) unterschiedlicher Netzwerksysteme. Am Beispiel von Polyacrylsäure (PAS) Netzwerken (radikalische Vernetzung) und Poly(styrol-co-maleinsäureanhydrid) (PScoMSA) Netzwerken (Vernetzung polymerer Lösungen) wurden zwei Netzwerksysteme untersucht, die sich hinsichtlich ihrer Aufbaureaktion unterscheiden. Mittels klassischer Netzwerkanalyse können diese Systeme sehr gut charakterisiert werden. Die kooperativen Diffusionskoeffizienten sowie die Netzwerkheterogenität wurden durch dynamische Lichtstreuung bestimmt.

Die Funktionalisierung von tetra-PEG Makromolekülen mit fotoreaktiven Gruppen und die anschließende Umsetzung zu Hydrogelen durch fotochemische Vernetzung werden beschrieben. Die Funktionalisierung der Makromoleküle wird mittels UV-Vis- und NMR-Spektroskopie nachgewiesen, während der Verlauf der Vernetzung über die dynamische Lichtstreuung und IR-Spektroskopie betrachtet wird. Die hergestellten Hydrogele werden hinsichtlich des Sol-Anteils und der Quelleigenschaften untersucht. Über den Umsatz wird die Konzentration der Netzketten theoretisch berechnet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Charakterisierung der Hydrogele hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Über den Speichermodul wird die Konzentration der Netzketten experimentell bestimmt. Mittels dynamischer Lichtstreuung werden die kooperativen Diffusionskoeffizienten und Maschenweiten der Hydrogele bestimmt.

Dynamic light scattering (DLS) is a method to size submicron particles by measuring their thermal motion (diffusion) in suspensions and emulsions. However, the validity of the Stokes-Einstein equation that relates the diffusion coefficient and the particle size is limited to spherical particles and very low concentrations. Within this thesis, DLS is used for the characterization of suspensions of pyrogenic silica which consists of fractal-like aggregates composed of sintered spherical primary particles. These structural features clearly complicate the understanding of DLS experiments and have been a severe obstacle to employing DLS as routine standard tool for the characterization of pyrogenic silica. The main objective of this thesis is therefore to evaluate the application of DLS in product development and quality assurance of pyrogenic silica industry, what essentially means to identify those structural properties of fractal aggregates which are measurable with DLS and to quantify the method’s sensitivity to changes in these properties. The investigations presented here are split up into four parts, simulations that establish a relation between structural and hydrodynamic properties, experiments validating the simulation results, the characterization of concentrated suspensions and the application-oriented analysis of DLS data for specific industrially relevant measurement tasks. / Die Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine Messmethode zur Größenbestimmung submikroner Partikel. Dabei wird primär die stochastische Bewegung der Teilchen (Diffusion) in Suspensionen und Emulsionen bewertet. Die Stokes-Einstein Gleichung, die das Verhältnis zwischen gemessenem Diffusionskoeffizienten und Partikelgröße wiedergibt, ist jedoch nur für kugelförmige Teilchen, die in sehr niedriger Konzentration vorliegen, gültig. In der vorliegenden Arbeit wird die dynamische Lichtstreuung zur Charakterisierung von Suspensionen pyrogener Kieselsäure eingesetzt. Diese besteht aus fraktalen Aggregaten, die wiederum aus versinterten aber meist kugelförmigen Primärpartikeln zusammengesetzt sind. Diese strukturellen Eigenschaften erschweren die Anwendbarkeit der DLS bzw. die Interpretation der Messergebnisse und verhinderten bisher den Einsatz der DLS als Routinemethode zur Charakterisierung pyrogener Kieselsäuren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher eine Bewertung der Möglichkeiten der DLS für die Produktentwicklung und Qualitätssicherung in der Herstellung pyrogener Kieselsäuren. Das bedeutet im Besonderen, dass sowohl die messbaren granulometrischen Eigenschaften als auch die Sensitivität der Methode bei Eigenschaftsänderungen ermittelt werden müssen. Die hier durchgeführten Arbeiten sind in vier Teile gegliedert: Simulationen, die eine Beziehung zwischen strukturellen und hydrodynamischen Eigenschaften herstellen, Experimente zur Validierung der Simulationsergebnisse, die Charakterisierung konzentrierter Suspensionen und die anwendungsorientierte Auswertung von DLS-Daten für spezifische industrierelevante Messaufgaben.

Die Funktionalisierung von tetra-PEG Makromolekülen mit fotoreaktiven Gruppen und die anschließende Umsetzung zu Hydrogelen durch fotochemische Vernetzung werden beschrieben. Die Funktionalisierung der Makromoleküle wird mittels UV-Vis- und NMR-Spektroskopie nachgewiesen, während der Verlauf der Vernetzung über die dynamische Lichtstreuung und IR-Spektroskopie betrachtet wird. Die hergestellten Hydrogele werden hinsichtlich des Sol-Anteils und der Quelleigenschaften untersucht. Über den Umsatz wird die Konzentration der Netzketten theoretisch berechnet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Charakterisierung der Hydrogele hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Über den Speichermodul wird die Konzentration der Netzketten experimentell bestimmt. Mittels dynamischer Lichtstreuung werden die kooperativen Diffusionskoeffizienten und Maschenweiten der Hydrogele bestimmt.