Bonn, Universiẗat, Diss., 2009.

Thesis (doctoral)--Freie Universität Berlin, 1981.

Universiẗat, Diss., 2001--München.

Effective vascularization is crucial for almost any therapeutic tissue engineering concept. In this context, therapeutic angiogenesis attempts to enforce the natural process of blood vessel formation by provision of bioactive effectors. Along these lines, the aim of this work was to evaluate the potential of a modular hydrogel composed of the synthetic star-shaped poly(ethylene glycol) (starPEG) and the naturally occurring biopolymer heparin for the defined and orchestrated delivery of two major angiogenic growth factors, fibroblast growth factor-2 (FGF-2) and vascular endothelial growth factor (VEGF). While starPEG determines the structural properties of the gel materials, effective administration of both cytokines is based on their natural affinity to heparin, the highly charged polysaccharidic building block capable of reversibly binding various growth factors upon geometrically matching electrostatic interactions. Varying the molar ratio of starPEG to heparin upon network formation, different hydrogel types with distinct mechanical characteristics but constant heparin content could be produced. As heparin represents the basis for the growth factor interaction with the scaffolds, the matrices were found to bind and release FGF-2 or VEGF independently of the particular network stiffness and structural properties of the different gel types. Moreover, the material could be utilized for a modular delivery of growth factor combinations over a broad range of concentrations. To evaluate the general suitability for pro-angiogenic stimulation, the provision of FGF-2 and VEGF from starPEG-heparin hydrogels differing in their mechanical characteristics and biofunctionalization with adhesive peptides was studied using human endothelial cells, the cell type that forms the inner layer of any blood vessel. Results showed that the presence of the adhesion ligand was an essential requirement to mediate cell attachment and subsequent growth on the scaffolds. Apart from that, hydrogels with an intermediate stiffness showed beneficial effects on endothelial cell proliferation/survival while in parallel also the differentiation into elongated, pro-tubular structures could be promoted. While the delivery of FGF-2 was able to enhance cell growth, VEGF mainly initiated endothelial cell shape elongation. However, with a parallel administration of both growth factors, their beneficial effects could be combined to obtain high numbers of endothelial cells undergoing differentiation. Furthermore, besides the possibility of growing endothelial cells on top of the biofunctionalized hydrogels, the release of growth factors by starPEG-heparin matrices could be applied as a stimulus to attract the cells to migrate into the direction of the scaffolds. While FGF-2 and VEGF supported cell motility to a similar extent, their combined action was found to exert the strongest effect on endothelial cell migration. Based on the results of these in vitro experiments, matrices most effectively stimulating pro-angiogenic cellular responses were selected for in vivo studies applying the functionalized materials to the chorioallantoic membrane (CAM) of fertilized chicken eggs, an assay commonly used to evaluate the vascularization potential of biomaterials. In this assay, the delivery of FGF-2 and/or VEGF by starPEG-heparin hydrogels induced a substantial angiogenic response within the CAM system, while the combination of both growth factors tends to increase vascularization most effectively. In order to adjust the starPEG-heparin hydrogel system to the complex requirements of therapeutic angiogenesis, further options to specifically modulate the FGF-2 or VEGF release were explored. With the incorporation of enzymatically cleavable peptide linkers, not only the possibility for a cellular remodeling of the gel matrix could be permitted, but also the growth factor release was substantially enhanced upon network degradation. Moreover, with the gradual removal of FGF-2 and VEGF interaction sites from heparin upon selective desulfation, the binding of both growth factors to hydrogels composed out of starPEG and desulfated heparin was significantly reduced depending on the remaining sulfate content. Irrespective of the lower immobilized amounts of FGF-2 or VEGF, higher absolute quantities of both growth factors could be released and retained in the medium due to their decreased affinity to heparin, thereby enhancing the delivery efficiency of the scaffolds. Going beyond common concepts for triggered cytokine release, hydrogel-bound FGF-2 or VEGF could be effectively displaced from their heparin binding sites by an application of the competitive, highly-heparin affine molecule chitosan. As chitosan could be introduced at different time points, not only the amounts of delivered growth factor were enhanced, but also the FGF-2 or VEGF release kinetics could be specifically modulated. Taken together, starPEG-heparin hydrogels with independently adaptable physical and biomolecular composition were demonstrated to provide time-resolved multi-factor delivery of pro-angiogenic growth factors resulting in valuable new options for therapeutic angiogenesis.

Für die N-Freisetzung aus mehrjährigen Klee(gras)- und Luzerne(gras)-Beständen lagen, trotz umfangreicher neuerer Arbeiten auf diesem Gebiet, bis dato kaum Daten vor, so dass hier 2004 ein entsprechendes dreijähriges Versuchsprogramm begonnen wurde. Hauptziel der Versuche war es, die N-Freisetzung aus unterschiedlich gepflegten (Futter- bzw. Grünbrachenutzung) ein- bzw. zweijährigen Klee(gras)- und Luzerne-Beständen anhand der Nachkultur Weißkohl zu ermitteln und so die Kalkulationsansätze zu überprüfen und ggf. zu korrigieren. Gleichzeitig bot es sich an, auch die 'Nachwirkung' der Gründüngungen im zweiten Jahr nach Umbruch zu erfassen. Hierzu wurde Rote Bete nach dem Weißkohl angebaut.

Effective vascularization is crucial for almost any therapeutic tissue engineering concept. In this context, therapeutic angiogenesis attempts to enforce the natural process of blood vessel formation by provision of bioactive effectors. Along these lines, the aim of this work was to evaluate the potential of a modular hydrogel composed of the synthetic star-shaped poly(ethylene glycol) (starPEG) and the naturally occurring biopolymer heparin for the defined and orchestrated delivery of two major angiogenic growth factors, fibroblast growth factor-2 (FGF-2) and vascular endothelial growth factor (VEGF). While starPEG determines the structural properties of the gel materials, effective administration of both cytokines is based on their natural affinity to heparin, the highly charged polysaccharidic building block capable of reversibly binding various growth factors upon geometrically matching electrostatic interactions. Varying the molar ratio of starPEG to heparin upon network formation, different hydrogel types with distinct mechanical characteristics but constant heparin content could be produced. As heparin represents the basis for the growth factor interaction with the scaffolds, the matrices were found to bind and release FGF-2 or VEGF independently of the particular network stiffness and structural properties of the different gel types. Moreover, the material could be utilized for a modular delivery of growth factor combinations over a broad range of concentrations. To evaluate the general suitability for pro-angiogenic stimulation, the provision of FGF-2 and VEGF from starPEG-heparin hydrogels differing in their mechanical characteristics and biofunctionalization with adhesive peptides was studied using human endothelial cells, the cell type that forms the inner layer of any blood vessel. Results showed that the presence of the adhesion ligand was an essential requirement to mediate cell attachment and subsequent growth on the scaffolds. Apart from that, hydrogels with an intermediate stiffness showed beneficial effects on endothelial cell proliferation/survival while in parallel also the differentiation into elongated, pro-tubular structures could be promoted. While the delivery of FGF-2 was able to enhance cell growth, VEGF mainly initiated endothelial cell shape elongation. However, with a parallel administration of both growth factors, their beneficial effects could be combined to obtain high numbers of endothelial cells undergoing differentiation. Furthermore, besides the possibility of growing endothelial cells on top of the biofunctionalized hydrogels, the release of growth factors by starPEG-heparin matrices could be applied as a stimulus to attract the cells to migrate into the direction of the scaffolds. While FGF-2 and VEGF supported cell motility to a similar extent, their combined action was found to exert the strongest effect on endothelial cell migration. Based on the results of these in vitro experiments, matrices most effectively stimulating pro-angiogenic cellular responses were selected for in vivo studies applying the functionalized materials to the chorioallantoic membrane (CAM) of fertilized chicken eggs, an assay commonly used to evaluate the vascularization potential of biomaterials. In this assay, the delivery of FGF-2 and/or VEGF by starPEG-heparin hydrogels induced a substantial angiogenic response within the CAM system, while the combination of both growth factors tends to increase vascularization most effectively. In order to adjust the starPEG-heparin hydrogel system to the complex requirements of therapeutic angiogenesis, further options to specifically modulate the FGF-2 or VEGF release were explored. With the incorporation of enzymatically cleavable peptide linkers, not only the possibility for a cellular remodeling of the gel matrix could be permitted, but also the growth factor release was substantially enhanced upon network degradation. Moreover, with the gradual removal of FGF-2 and VEGF interaction sites from heparin upon selective desulfation, the binding of both growth factors to hydrogels composed out of starPEG and desulfated heparin was significantly reduced depending on the remaining sulfate content. Irrespective of the lower immobilized amounts of FGF-2 or VEGF, higher absolute quantities of both growth factors could be released and retained in the medium due to their decreased affinity to heparin, thereby enhancing the delivery efficiency of the scaffolds. Going beyond common concepts for triggered cytokine release, hydrogel-bound FGF-2 or VEGF could be effectively displaced from their heparin binding sites by an application of the competitive, highly-heparin affine molecule chitosan. As chitosan could be introduced at different time points, not only the amounts of delivered growth factor were enhanced, but also the FGF-2 or VEGF release kinetics could be specifically modulated. Taken together, starPEG-heparin hydrogels with independently adaptable physical and biomolecular composition were demonstrated to provide time-resolved multi-factor delivery of pro-angiogenic growth factors resulting in valuable new options for therapeutic angiogenesis.

Die Uferfiltration und die unterirdische Enteisenung / Entmanganung (UEE) sind bewährte Verfahren für die natürliche, unterirdische Voraufbereitung von Wasser. In Abhängigkeit von der Wasserbeschaffenheit und den geochemischen Eigenschaften des Grundwasserleiters können Redoxreaktionen, Sorptions- und Auflösungsprozesse oder eine ungünstige Bewirtschaftung der Brunnen bei beiden Verfahren zu erhöhten Mangankonzentrationen im Rohwasser führen. Erhöhte Mangankonzentrationen sind häufig für Verockerungsprozesse im Filterbereich der Brunnen und Ablagerungen in Pumpen und Steigleitungen verantwortlich. Diese beeinträchtigen den langfristigen Brunnenbetrieb und führen zu höheren Kosten der Wasseraufbereitung. Außerdem führt Mangan zur Färbung des Wassers und muss in der Trinkwasseraufbereitung auf < 0,05 mg/L verringert werden. Für Wasserwerksbetreiber ist die Kenntnis über die Ursache und das Verhalten von Mangan essentiell für einen optimalen Betrieb. Die ägyptische Hauptstadt Kairo steht einem stark wachsenden Wasserbedarf gegenüber. Für die Bewertung einer möglichen Anwendung der Uferfiltration am Nil wurden vorhandene Versuchsbrunnen teufenabhängig beprobt und das Flusssohlsediment untersucht. Das Flusssohlsediment wies hohe Eisen- und Mangangehalte auf und wurde als Ursache für erhöhte Eisen-, Mangan- und Ammoniumkonzentrationen im Uferfiltrat identifiziert. Für den Uferfiltrationsstandort Dresden-Tolkewitz wurde der Einfluss von Temperatur und Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle untersucht. Betriebsdaten der Jahre 2006 bis 2016 und Säulenversuche bildeten die Grundlage. Die Manganfreisetzung wurde primär von der Temperatur kontrolliert, die Infiltrationsrate war weniger wichtig und verlor mit steigender Temperatur weiter an Bedeutung. Eine Manganfreisetzung wurde bei Wassertemperaturen von 20 °C und Infiltrationsraten von ≥ 0,3 m³/(m²×d) ausgelöst. Während der Inbetriebnahme eines UEE-Wasserwerks in Khabarovsk (Russland) wurde an einigen Brunnen eine intensive Manganfreisetzung beobachtet. Außerdem führte biologische Kolmation zu einem raschen Leistungsverlust und erforderte die Desinfektion der Brunnen. Die Auswertung der ersten 194 UEE-Zyklen eines Förderbrunnens und ergänzende Batchversuche ergaben, dass die Auflösung des im Grundwasserleiter vorhandenen, manganhaltigen Siderits die Ursache der Mn-Freisetzung war. Die Auflösungsprozesse hingen stark von der Korngröße des GWL-Materials und dem pH-Wert des Grundwassers ab. Die Filterkiesschüttung des Brunnens zehrte weniger als 1 % des infiltrierten Chlors und das Natriumhypochlorit drang ca. 2 bis 3,5 m in den Grundwasserleiter ein. Das Wasserwerk Eggersdorf nutzt die UEE für die Voraufbereitung von eisenhaltigem Grundwasser und dient, entgegen den Empfehlungen für die UEE, der Abdeckung von Bedarfsspitzen. In einem Feldversuch wurde die mögliche Umnutzung der UEE-Brunnen für die dauerhafte Grundwasserförderung getestet. Die dabei aufgetretene Manganfreisetzung wurde auf die chemische Reduktion von abgeschiedenen Mangan(hydr)oxiden durch eisenhaltiges Grundwasser zurückgeführt.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189 / Bank filtration and Subsurface Iron Removal (SIR) are proven technologies for the natural subsurface pre-treatment of water. Depending on the water quality and the geochemical properties of the aquifer, redox reactions, sorption and dissolution or unfavorable well management can lead to increased manganese concentrations in both treatment options. Increased manganese concentrations often cause filter screen clogging of the well or deposits in pumps and standpipes. This can affect the long-term well operation and lead to higher costs of water treatment. Furthermore, increased manganese concentrations can cause a coloring of the water and must be lowered to < 0.05 mg/l during drinking water treatment. For waterworks operators, the knowledge about the source and the behavior of manganese is essential for an optimal operation. The Egyptian capital Cairo faces a growing water demand. To evaluate a potential riverbank filtration site, depth-dependent sampling at existing test wells was carried out and sediment samples from the Nile riverbed were taken. The riverbed sediment showed elevated iron and manganese contents and was identified as cause of increased iron, manganese and ammonium concentrations in the riverbank filtrate. For the bank filtration site Dresden-Tolkewitz, the impact of temperature and infiltration rate on the manganese release from the riverbed sediment of the Elbe river was investigated. The investigations were based on monitoring data of the years 2006 to 2016 and column experiments. The manganese release was primarily controlled by temperature, the infiltration rate was less important. With increasing temperature, the infiltration rate became even less critical. Manganese was released at water temperatures of 20 °C and infiltration rates of ≥ 0.3 m³/(m²×d). During the start-up phase of a SIR waterworks in Khabarovsk, Russia, an intense manganese release was observed in several wells. In addition, biological clogging led to a rapid perfor-mance loss of the wells and required well disinfection. The evaluation of the first 194 SIR cycles of a production well and accompanying batch experiments indicated that the dissolution of the manganese-bearing siderite, which was present in the aquifer, caused the Mn release. The dissolution heavily depended on the grain size of the aquifer material and the pH of the groundwater. The filter gravel pack of the well consumed less than 1 % of the infiltrated chlorine and the sodium hypochlorite approximately penetrated between 2 and 3.5 m into the aquifer. The waterworks Eggersdorf has been using SIR for the pre-treatment of ferrous groundwater and, contrary to general recommendations for SIR well operation, served for covering peaks in water demand. In a field trial, the possible conversion of the SIR wells for permanent groundwater extraction was tested. An observed manganese release was attributed to the chemical reduction of former precipitated Mn(hydr)oxides by iron-containing groundwater.:Kurzfassung i Abstract iii Danksagung iv Inhaltsverzeichnis v Abkürzungsverzeichnis vii 1 Einleitung 1 1.1 Ausgangssituation 1 1.2 Motivation und Ziele 3 1.3 Gliederung der Arbeit 5 2 Auftreten und Verhalten von Mangan bei der Uferfiltration 6 2.1 Eintragspfade von Mangan in das Uferfiltrat 6 2.2 Einflussgrößen auf den Mangangehalt im Uferfiltrat 7 3 Erkundung eines neuen Uferfiltrationsstandortes in Embaba 9 3.1 Einleitung und Standortbeschreibung 9 3.2 Teufenabhängige Probennahme während des regulären Betriebes 9 3.3 Ursache der Manganfreisetzung und Bewirtschaftung des Standortes 10 4 Einfluss der Infiltrationsrate und der Temperatur auf die Manganfreisetzung aus der Elbsohle in Dresden 12 4.1 Einleitung und Standortbeschreibung 12 4.2 Einfluss der Temperatur auf die Manganfreisetzung 12 4.3 Einfluss der Infiltrationsrate auf die Manganfreisetzung 13 5 Freisetzung von Mangan beim Start einer UEE in Khabarovsk 15 5.1 Einleitung und Standortbeschreibung 15 5.2 Untersuchungen zur Ursache der Manganfreisetzung 15 5.3 Begrenzung der Leistungsabnahme der UEE-Brunnen 16 6 Manganfreisetzung bei der geplanten Umstellung des UEE-Wasserwerks Eggersdorf auf kontinuierliche Förderung 18 6.1 Einleitung und Standortbeschreibung 18 6.2 Umstellung eines UEE-Brunnens auf dauerhafte Förderung 18 6.3 Ursache der Manganfreisetzung aus dem ehemaligen Reaktionsraum 19 7 Zusammenfassung und Ausblick 21 Literaturverzeichnis 24 Beiliegende Publikationen 29 Beiliegende Publikation 1 31 Beiliegende Publikation 2 53 Beiliegende Publikation 3 69 Beiliegende Publikation 4 83 Beiliegende Publikation 5 103 Beiliegende Publikation 6 135 Beiliegende Publikation 7 167 Beiliegende Publikation 8 189

As an inspiration from nature, polymeric vesicles can be formed from amphiphilic block-copolymers. These vesicles are called polymersomes and have applications in drug delivery and as nanoreactors. Within this thesis, photo cross-linked and pH sensitive polymersomes were synthesized, characterized and applied on cells as well as bionanoreactors. The stability due to the crosslinking yielded polymersomes which show a distinct and reproducible swelling upon repeated pH changes. If the non cross-linked vesicles were exposed to a plasma-cleaned surface, they formed a tethered singly and multiple bilayers. Upon studying these membranes, they turned out to harden upon crosslinking and showed a completely non-fluid behaviour. Additionaly, the polymersome-cell interactions were studied and yielded a high influence of the crosslinking conditions on cellular toxicity. If crosslinked for a long time in a phosphate-free enviroment, the polymersomes proved to be least toxic. Finally, an enzyme was incorporated into the polymersomes to create bionanoreactors. Due to the pH sensitivity and swelling, the vesicles created yielded a pH controlled nanoreactor with enzymatic activity and a swollen, e.g. acidic, state only.

Microbial and chemical processes in the sediment of standing waters have a big influence on the release of nutrients and the trophic state. Due to the strong interactions between sediment and water body and the storage of materials sediments can be consulted as an important additional source of information for the evaluation of the trophic state and for the estimation of future trophic developments. Because of relatively small fluctuations the parameters in the sediment and pore water are well suitable for a trophic validation. Sediments and pore water of four reservoirs with different trophic characteristics were sampled in regular intervals (Neunzehnhain I - oligotrophic; Muldenberg - oligotrophic, dystrophic; Saidenbach - mesotroph; Quitzdorf - polytrophic). Many chemical and microbial parameters were examined regarding the trophic dependancy and the possibility for including these parameters into a trophic evaluation system. The concentrations of SRP, ammonium, and alkalinity in the pore water and the metal:phosphorus-quotient (Al:P, Fe:P) in the dry sediment showed the biggest trophic dependancy, so that these parameters are applicable for a sediment referred trophic assessment of standing waters. The polytrophic reservoir Quitzdorf has exhibited an extreme abundance of the cyanobacterium Microcystis for years. Investigations of the water body showed that apart from parameters like the water temperature the mass growth of Microcystis in the reservoir is obviously very strongly affected by the nitrogen:phosphorus-quotients in the water body. In laboratory experiments with sediments of this reservoir the phosphorus release from the sediment could be significantly lowered by the addition of aluminum and a part of the phosphorus could be shifted from the reductively soluble iron bound phosphorus fraction into the stable aluminum bound phosphorus fraction. / Die chemischen und mikrobiellen Prozesse im Sediment von Standgewässern haben großen Einfluss auf die Freisetzung von Nährstoffen und die Trophie. Aufgrund der starken Wechselwirkungen zwischen Sediment und Wasserkörper und der Speicherung von Stoffen in den Sedimenten können Gewässersedimente als wichtige zusätzliche Informationsquelle für die Bewertung des Trophiezustandes und zur Abschätzung zukünftiger trophischer Entwicklungen herangezogen werden. Durch relativ geringe Schwankungen sind die Parameter im Sediment und Porenwasser gut für eine Trophieeinschätzung geeignet. Die Sedimente und das Porenwasser von vier Talsperren mit unterschiedlichen trophischen Eigenschaften wurden in regelmäßigen Abständen beprobt (Neunzehnhain I ? oligotroph; Muldenberg ? oligotroph, dystroph; Saidenbach ? mesotroph; Quitzdorf ? polytroph). Es wurden viele chemische und mikrobielle Parameter im Sediment und Porenwasser im Hinblick auf die Trophieabhängigkeit und eine mögliche Einbeziehbarkeit in ein trophisches Bewertungssystem untersucht. Die größte trophische Abhängigkeit konnte bei den Konzentrationen von SRP, Ammonium, und Alkalinität im Porenwasser und den Metall:Phosphor-Quotienten (Al:P, Fe:P) im Trockensediment gefunden werden, sodass diese Parameter gut für eine sedimentbezogene Trophiebewertung von stehenden Gewässern geeignet sind. Die polytrophe Talsperre Quitzdorf weist seit Jahren ein extremes Massenwachstum des Cyanobakteriums Microcystis auf. Untersuchungen des Wasserkörpers haben gezeigt, dass das Microcystis-Massenaufkommen in der Talsperre neben Parametern wie der Wassertemperatur offensichtlich sehr stark von den Stickstoff:Phosphor-Quotienten im Wasserkörper beeinflusst wird. Laborversuche mit Sedimenten dieser Talsperre haben ergeben, dass die P-Freisetzung aus dem Sediment durch die Zugabe von Aluminium signifikant herabgesetzt werden und ein Teil des Phosphors von der reduktiv löslichen eisengebundenen P-Fraktion in die stabile aluminiumgebundene P-Fraktion verlagert werden konnte.

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