AIMS: Macrophages (MPs) and vascular smooth muscle cells (VSMCs) closely interact within the growing atherosclerotic plaque. An in vitro co-culture model was established to study how MPs modulate VSMC behaviour. METHODS AND RESULTS: MPs were exposed to fluorescence-labelled-acetylated LDL (FL-acLDL) prior to co-culture with VSMCs. Fluorescence microscopy visualized first transport of FL-acLDL within 6 h after co-culture implementation. When MPs had been fed with FL-acLDL in complex with fluorescence-labelled cholesterol (FL-Chol), these complexes were also transferred during co-culture and resulted in cholesterol positive lipid droplet formation in VSMCs. When infected with a virus coding for a fusion protein of Rab5a and fluorescent protein reporter (FP) to mark early endosomes, no co-localization between Rab5a-FP and the transported FL-acLDL within VSMCs was detected implying a mechanism independent of phagocytosis. Next, expression of lysosome-associated membrane glycoprotein 1 (LAMP1)-FP, marking all lysosomes in VSMCs, revealed that the FL-acLDL was located in non-acidic lysosomes. MPs infected with virus encoding for LAMP1-FP prior to co-culture demonstrated that intact fluorescence-marked lysosomes were transported into the VSMC, instead. Xenogenic cell composition (rat VSMC, human MP) and subsequent quantitative RT-PCR with rat-specific primers rendered induction of genes typical for MPs and down-regulation of the cholesterol sensitive HMG-CoA reductase. CONCLUSION: Our results demonstrate that acLDL/cholesterol-loaded lysosomes are transported from MPs into VSMCs in vitro. Lysosomal transfer results in a phenotypic alteration of the VSMC towards a foam cell-like cell. This way VSMCs may lose their plaque stabilizing properties and rather contribute to plaque destabilization and rupture.

Biological degradable polymers on a basis of renewable raw materials, such as polysaccharides, represent promising alternatives to synthetic polymers used as flocculant or stabilizing agents. Polysaccharides derived from potato starch and chitosan have been modified with benzyl- and the first one with additionally cationic hydroxypropyl-trimethylammonium groups of different degrees of substitution (DS). The aim of this work was to characterize the solution properties of these novel amphiphilic polysaccharides concerning the impact of their DS on charge density, particle size, dynamic surface tension and viscosity behaviour. The work is further focused on investigations on flocculation properties of these amphiphilic polyelectrolytes in dispersions of kaolin and silica to identify the interplay between charge density and hydrophobicity. Flocculation efficiency has been evaluated via joint analysis of charge density measurements (using polyelectrolyte titration), turbidity and TOC measurements, as well as dynamic surface tension measurements applying the drop profile analysis. Particle sizes and particle size distributions have been determined by dynamic light scattering and laser diffraction methods. In addition, these amphiphilic starch derivatives have been used to remove substances which impact negatively the paper production process when using recycled paper, so called stickies. Model suspensions have been studied using a multitude of different measurement techniques with the aim to predict a “sticky potential” and to reduce containing dissolved and colloidal substances such as micro stickies. The surface activity and viscometric behaviour have been studied of solely cationic and moderately and highly substituted, amphiphilic polysaccharides in salt-free and 0.05 M NaCl aqueous solution. For the first time dynamic surface tension measurement results have been correlated with particle sizes and apparent charge density. Rheological investigation of large concentration ranges (0.01–20 g/L) was used to discuss Huggins plots and typical polyelectrolyte behaviour for all polysaccharide derivatives could be found. Overlap concentration and, in dilute aqueous solution, intrinsic viscosity could be determined. For polysaccharide solution in dilute regime semi-empirical equations of Rao and Wolf have been applied, making it possible to get insights to polyelectrolyte conformation in dependence on the DS of both substituents. It is shown that for intrinsic viscosity a change of the impact of both substituents takes place when having derivatives with enhanced hydrophobicity. Data evaluation via the ratio of both DS values had been successfully utilized and thus, the applied method has been identified as being a promising tool to compare a multitude of starch derivatives with substituents of different polarity in various degrees of substitution to get tendencies regarding overall hydrophobicity. Moderate hydrophobic substitution was found to lead to a decrease of the efficient flocculant dose and to an increase of the flocculation window width. Amphiphilic starch derivatives with high DS of hydrophobic moieties showing strong hydrophobic association are effective only at significantly higher doses, but in a broader concentration range compared to cationic starch of the same DS. Joint analysis of adsorption isotherms and flocculation test data has revealed, that the surface coverage required to induce phase separation ranges between 10 and 25 % and is minimal for amphiphilic starch derivatives. This gave the evidence of the complex mechanism of flocculation via combination of electrostatic “charge patch” interactions and bridging. Concerning sticky reduction experiments by systematically studying the interactions between the novel amphiphilic starch derivatives and the model suspension it turned out, that dynamic surface tension is a very suitable property to characterize the surface active compounds in the model suspension giving additional information about the sticky potential of waste water, e.g. white water, being a new and sensitive method to describe the parameter “hydrophobicity”. Moderate cationic and hydrophobic starch derivatives have been proved to be the most effective ones for sticky removal.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung neuartiger thermoelektrischer (TE) Materialien, unter Berücksichtigung einer effizienten Präparation in Verbindung mit sorgfältiger chemischer Charakterisierung und physikalischer Messung. Als Grundvoraussetzung für eine TE aktive Verbindung muss diese ein Halbleiter sein, dessen Ladungsträgerkonzentration durch geeignete Substitution justiert werden kann. Weiterhin sollte eine starke Steigung der elektronischen Zustandsdichte am Fermi-Niveau vorhanden sein, um hohe Seebeck-Koeffizienten zu erhalten. Schwere Elemente in einer möglichst komplizierten Kristallstruktur sollten für eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit von Vorteil sein. RuIn3 und seine Substitutionsvarianten erfüllen diese Voraussetzungen. Eine Fest-Flüssig-Reaktion mit anschließendem Spark-Plasma-Sintern (SPS) zur Präparation polykristalliner Materialien lieferte phasenreine Produkte. Binäres RuIn3 ist ein Halbleiter mit einer Bandlücke von 0,45 eV, welcher in Abhängigkeit von der Temperatur große negative und positive Seebeck-Koeffizienten zeigt. Die thermische Leitfähigkeit ist mit κmin = 3,8(8) W K-1 m-1 relativ gering. Eine genaue Einstellung der Ladungsträgerkonzentration kann durch Substitution von In mit Sn oder Zn erfolgen, wodurch ausschließlich negative (Sn) oder positive (Zn) Seebeck-Koeffizienten vorliegen. Gleichzeitig wird die thermische Leitfähigkeit um ca. 50 % im Vergleich zu binärem RuIn3 gesenkt. Die Substitution in RuIn3-xSnx und RuIn3-xZnx (x = 0,10) geht mit einem Halbleiter-Metall-Übergang einher, welcher durch Messungen des elektrischen Widerstands verifiziert wurde. Analysen mittels wellenlängendispersiver Röntgenspektroskopie zeigen eine gute Übereinstimmung der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Sn-Substitution und einen vergleichsweise geringen Zn-Gehalt. RuO2-Verunreinigungen in kommerziellem Ru-Pulver sind die Ursache für kleine Nebenphasenanteile von In2O3 in RuIn3-xSnx und ZnO in RuIn3-xZnx. Die dadurch ablaufenden Reduktionen und die Redoxpotentiale der Elemente und Verbindungen können mit den Gitterparametern der Substitutionsvarianten und dem Homogenitätsbereich der Stammverbindung RuIn3 in Einklang gebracht werden. Zur Eliminierung der RuO2-Verunreinigungen wurde eine Wasserstoff-Reduktionsapparatur entwickelt. Damit konnten die Sauerstoffverunreinigungen im Ru-Pulver vollständig entfernt werden. Mit diesem gereinigten Ausgangsmaterial wurden die mit Zn substituierten Spezies erneut synthetisiert. Es zeigt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen der nominellen und experimentellen Zusammensetzung für die Zn-Substitution unter Nutzung des reduzierten Ru-Pulvers. Die Substitutionen der In-Position mit Zn führten zu maximalen TE Gütewerten von ZTmax = 0,76(19) in RuIn2;975Zn0;025. Neben Optimierungen der Ladungsträgerkonzentration spielen Veränderungen des Gefüges für die Eigenschaften eines TE Materials eine zentrale Rolle. Zur Ermittlung der Auswirkungen des Gefüges auf die TE Eigenschaften wurden große Einkristalle von RuGa3 (isostrukturell zu RuIn3) durch ein modifiziertes Bridgman-Verfahren gezüchtet und mit polykristallinem Material verglichen, welches aus diesem Einkristall hergestellt wurde. Gitterparameter und chemische Zusammensetzung der untersuchten RuGa3-Proben weisen keinerlei Variation auf. Die TE Eigenschaften zeigen im Hochtemperaturbereich (T = 300 K) keine signifikanten Unterschiede. In der Messung des Seebeck-Koeffizienten des RuGa3-Einkristalls lässt sich bei tiefen Temperaturen ein scharfes Minimum beobachten, welches in der polykristallinen Probe nicht auftritt. Analog dazu ist die thermische Leitfähigkeit des Einkristalls durch ein deutliches Maximum gekennzeichnet, welches in der polykristallinen Probe nahezu vollständig zusammenfällt. Die zusätzlichen Korngrenzen im Gefüge des polykristallinen Materials wirken als Streuzentren für Phononen, welche im entsprechenden RuGa3-Einkristall nicht vorhanden sind. Die intrinsischen Eigenschaften von RuGa3 mit hoher Wärmeleitfähigkeit in Verbindung mit niedrigem Seebeck-Koeffizienten bei tiefen Temperaturen könnten mit dem Phonon-drag-Effekt erklärt werden. Darauffolgend wurde Ruthenium durch Eisen vollständig ersetzt und der momentan viel untersuchte Halbleiter FeGa3 (isostrukturell zu RuIn3) studiert. Die Präparation polykristalliner Proben wurde analog zu RuIn3 und RuGa3 mit einer Fest-Flüssig-Reaktion und anschließender SPS-Behandlung durchgeführt. Aufgrund fehlender Untersuchungen zu einem geeigneten Substitutionselement wurden die Substitutionsvarianten FeGa3-xEx (E = Al, In, Zn, Ge; x = 0,50) präpariert. Die festen Lösungen FeGa3-xEx mit E = Al, In, Zn zeigen keine Verbesserung der TE Aktivität. Für FeGa3-xGex konnten aus chemischer und physikalischer Sicht die besten Ergebnisse erzielt werden. Systematisch sinkende c-Gitterparameter bei steigender Substitutionskonzentration gehen mit einer sehr guten Übereinstimmung von nomineller und experimenteller Zusammensetzung einher. Mit steigendem Ge-Gehalt wird der elektrische Widerstand und die thermische Leitfähigkeit gesenkt. Für die feste Lösung FeGa2;80Ge0;20 wird eine maximale TE Aktivität ZTmax = 0,21(5) erreicht. Für Untersuchungen zu Gefügeeinflüssen in FeGa3 wurden Einkristalle mit polykristallinem Material verglichen. Dabei weisen die Gitterparameter und die chemische Zusammensetzung der Einkristalle und des polykristallinen Materials im Bereich des experimentellen Fehlers keine Unterschiede auf. Die TE Eigenschaften bei hohen Temperaturen (T = 400 K) zeigen keine signifikanten Unterschiede zwischen poly- und einkristallinen Proben. Im Gegensatz dazu stehen Messungen des Seebeck-Koeffizienten und der thermischen Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen. Bei Temperaturen unter 20 K sind die Wärmeleitfähigkeiten der Einkristalle durch starke Maxima geprägt (κ[001](Czochralski) < κ[100](Czochralski) < κ(Ga-Fluss)). Im polykristallinen Material mit der höchsten Defekt-Konzentration (Korngrenzen) ist dieses Signal durch viele zusätzliche Streuzentren für Phononen fast vollständig unterdrückt. Der Seebeck-Koeffizient der Einkristalle und des polykristallinen Materials ist im gleichen Temperaturbereich und in gleicher Reihenfolge ebenfalls durch starke Signale gekennzeichnet. Für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten wurden magnetische oder strukturelle Phasenübergänge durch Messungen der magnetischen Suszeptibilität und der Wärmekapazität ausgeschlossen. Theoretische Berechnungen der elektronischen Eigenschaften auf Basis von ermittelten Ladungsträgerkonzentrationen aus Hall-Messungen zeigen, dass die extremen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3 nicht elektronischen Ursprungs sein können, weshalb Elektronen-Korrelation ausgeschlossen wurde. Die gesamte thermische Leitfähigkeit ist bei Temperaturen kleiner 400 K nahezu ausschließlich durch den Anteil des Gitters bestimmt. Demzufolge wurde der Phonon-drag-Effekt als Ursache für die ungewöhnlich niedrigen Seebeck-Koeffizienten in FeGa3-Einkristallen von bis zu -16.000(800) µV K-1 begründet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die kontrollierte Durchführung von chemischen Reaktionen in Kombination mit einer gründlichen chemischen Charakterisierung eine entscheidende Rolle bei der effizienten Präparation von (un-)bekannten Verbindungen und Materialien spielt.

Ziel der vorliegenden Dissertation war, die Elektronendichte von RuAl2 anhand von Röntgenbeugungsdaten mit Hilfe des Multipolmodells [1] zu rekonstruieren, um Erkenntnisse zur chemischen Bindung in dieser Substanz zu erlangen. Im Gegensatz zu organischen Molekülen machen diese bei einer intermetallischen Verbindung wie RuAl2 nur einen kleinen Anteil an der Gesamtelektronenzahl aus, wodurch die Methode an ihre Grenzen stößt. RuAl2 kristallisiert im TiSi2 -Strukturtyp [2], die Kristallstruktur kann als Abfolge gegeinander verschobener pseudohexagonaler Schichten verstanden werden. Der erste Schritt auf dem Weg zu einer erfolgreichen Dichterekonstruktion besteht in der Synthese eines geeigneten Kristalls. Die hohen Synthesetemperaturen von über 1500 °C, die bei der Arbeit mit Schmelzen im System Ruthenium – Aluminium benötigt werden, wurden durch den Einsatz von Zinn als Lösungsmittel umgangen. Auf diese Weise konnten bei Temperaturen unter 1000 °C Kristalle gezüchtet werden. Die Analyse mittels elektronenmikroskopischer Methoden zeigte, dass auf diese Weise Kristalle erhalten werden können, die frei von Verunreinigungen sind. Erste Röntgenbeugungsexperimente zeigten auch, dass die Kristalle gut geordnet sind und bis zu hoher Auflösung Daten liefern. Um unerwünschte Effekte wie Extinktion und thermische Bewegung der Atome, sowie thermisch diffuse Streuung zu minimieren wurden die eigentlichen Diffraktionsversuche an einem sehr kleinen Kristall (Durchmesser 15 μm) mit kurzwelliger Synchrotronstrahlung (λ = 0,41328 Å) bei 25 K durchgeführt. Es konnte ein Datensatz von sehr hoher Qualität gesammelt werden, der zur Verfeinerung des Strukturmodells genutzt wurde. Dabei trat eine sehr geringe Stapelfehlordnung zu Tage, die auf die enge Verwandtschaft des MoSi2 -Strukturtyps mit dem TiSi2 -Typ, zurückzuführen ist. Trotz des sehr geringen Fehlordnungsanteils (0,3 %) wurde die Strukturverfeinerung anhand des Multipolmodells durchgeführt. Die aus dem Modell rekonstruierte Elektronendichte wurde bezüglich ihrer Topologie untersucht, wobei innerhalb der pseudohexagonalen Schichten sowohl Ru – Al als auch Al – Al Wechselwirkungen nachgewiesen wurden, während zwischen den Schichten ausschließlich Ru – Al-Bindungen zu finden sind. Um die entsprechende Datensammlung weiter zu verbessern wurde parallel zu den Experimenten ein Computerprogramm entwickelt, das die Datensammlungsstrategie des Beugungsexperimentes optimieren soll. Bei der Strategiesuche handelt es sich um eine Variante des Problems des Handlungsreisenden (Travelling Salesman) und stellt somit bereits bei einer moderaten Reflexzahl eine enorme kombinatorische Aufgabe dar [3, 4]. Um möglichst gute Näherungslösungen zu finden, benutzt das Programm den Simulated Annealing-Algorithmus [5]. Dieser generiert Lösungsvorschläge, indem er die Parameter der Messung zufällig variiert und den resultierenden Datensatz simuliert. Der Algorithmus beurteilt die Güte einer Lösung anhand einer Kostenfunktion. Im Falle der Strategieoptimierung wird der Wert dieser Funktion aus bestimmten Indikatoren für Datenqualität berechnet. Da in diesem Stadium des Experiments in der Regel noch kein Strukturmodell besteht, kann in der Simulation nicht auf Intensitätsinformation zurückgegriffen werden. Deshalb muss auf Qualitätsindikatoren zurückgegriffen werden, die nicht auf Intensitätsinformation basieren. Vollständigkeit und Redundanz sind an dieser Stelle besonders wichtig und können mit Hilfe der verfügbaren Informationen berechnet werden. Allerdings können sich sowohl Simulation als auch die Berechnung der Kostenfunktion bei verschiedenen Experimenten gravierend voneinander unterscheiden. Diese Tatsache floss bereits ganz am Anfang als eine der Hauptanforderungen in den Entwurf des Programms ein. Sämtliche Berechnungen und Teilalgorithmen werden als Plugins in die Software eingebunden, wodurch diese beliebig erweiterbar ist. Die unterschiedlichen Berechnungen können vom Benutzer auf vielfältige Art und Weise miteinander kombiniert werden. Zur Überprüfung der Tauglichkeit für die Strategieoptimierung wurde zunächst angestrebt bereits gemessene Datensätze anhand einer Simulation auf Basis der Ewaldkonstruktion zu reproduzieren. Nachdem dies gelang, wurde eine Messstrategie für ein konkretes strukturchemisches Problem erarbeitet. Es handelte sich um die Aufklärung einer sehr kleinen Fehlordnung in CeIrIn5 [6], deren Nachweis mit Hilfe der verbesserten Beugungsdaten untermauert werden konnte. [1] N. K. Hansen und P. Coppens. „Testing aspherical atom refinements on small-molecule data sets“. Acta Crystallogr. A 34 (1978), S. 909–921. [2] L.-E. Edshammar. „An X-Ray Investigation of Ruthenium-Aluminium Alloys“. Acta Chem. Scand. 20 (1966), S. 427–431. [3] R. G. Bland und D. F. Shallcross. Large Travling Salesman Problems Arising From Experiments In X-Ray Crystallography: A Preliminary Report On Computation. Ithaca, New York: Cornell University, 1987. [4] Z. Dauter. „Data-collection strategies“. Acta Crystallogr. D 55 (1999), S. 1703–1717. [5] S. Kirkpatrick, C. D. Gelatt und M. P. Vecchi. „Optimization by Simulated Annealing“. Science 220 (1983), S. 671–680. [6] S. Wirth u. a. „Structural investigations of CeIrIn5 and CeCoIn5 on macroscopic and atomic length scales“. J. Phys. Soc. Jpn. 83(6):061009, 2014.

Polymer-based carbide-derived carbons (CDCs) with combined micro- and mesopores are prepared by an advantageous sacrificial templating approach using poly(methylmethacrylate) (PMMA) spheres as the pore forming material. Resulting CDCs reveal uniform pore size and pore shape with a specific surface area of 2434 m2 g−1 and a total pore volume as high as 2.64 cm3 g−1. The bimodal CDC material is a highly attractive host structure for the active material in lithium–sulfur (Li–S) battery cathodes. It facilitates the utilization of high molarity electrolytes and therefore the cells exhibit good rate performance and stability. The cathodes in the 5 M lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (LiTFSI) electrolyte show the highest discharge capacities (up to 1404 mA h gs−1) and capacity retention (72% after 50 cycles at C/5). The unique network structure of the carbon host enables uniform distribution of sulfur through the conductive media and at the same time it facilitates rapid access for the electrolyte to the active material.

The design of versatile biohybrid nanosized materials has revealed itself as a promising avenue towards biomedical applications in today´s life sciences. In this regard the combination of components of synthetic and natural origin facilitates an applicability which is supposed to be far beyond the sum of their single components. These biohybrid structures (BHS) can be built by a huge variety of building blocks including solid or soft nanoparticles, peptides/proteins, polynucleotides or low molecular weight drugs. Along with the latter the attachment of biologically active entities or imaging moieties, e. g. enzymes, fluorescence markers or targeting motifs display thereby a key step towards the development of carrier systems for drug delivery purposes. Among the soft nanoparticles especially dendritic polymers such as perfectly branched dendrimers or hyperbranched polymers are considered as ideal building blocks, since they allow an easy tailoring of crucial properties such as solubility, biocompatibility or bioactivity by means of surface functionalization. Especially in the field of targeted drug delivery the crucial role of sizes and size distributions of carriers has been highlighted recently, since it critically influences important factors such as circulation time or biodistribution within the body. The ability of avidin to form high molecular weight associates with biotinylated macromolecules as well as its inherent properties makes it a suitable candidate for passive and active targeting in combination with biotinylated (bio-)polymers. Furthermore, along with the covalent attachment of bioactive moieties, non-covalent attachment is a frequently used approach, because it is assumed to only require stoichiometric mixing. In context of the latter molecular recognition processes such as the avidin-biotin, β-cyclodextrin-adamantane or Ni(II)-NTA-histidine-tag interactions have shown to be fruitful strategies for the attachment of bioactive entities. The overall aim of this work was to fabricate BHS based on dendritic glycopolymers with varied sizes in the nano- and micrometer range as models for biomedical applications e. g. carriers for drug delivery. Therefore the molecular recognition of avidin with biotin derivatives and β-cyclodextrin with adamantane derivatives was utilized in order to tailor final sizes, functionality or catalytic activity of those BHS.

Elektrochemische Doppelschichtkondensatoren (engl. Electrochemical Double-Layer Capacitors, EDLCs) stellen eine zunehmend wichtige Technologie auf dem Markt der elektrischen Energiespeicher dar. Sie zeichnen sich durch die Aufnahmefähigkeit großer Energiemengen, eine hohe Langzeitstabilität und ein schnelles Ansprechverhalten aus. Diese Eigenschaften sind Gründe, weshalb EDLCs als Speicherbausteine für Energierück-gewinnungssysteme oder zur Stabilisierung der Stromversorgung in diversen elektronischen Bauelementen eingesetzt werden. Die Aufnahme der Energie erfolgt über Ladungsseparation von Elektrolytionen an der Elektrodenoberfläche. Die Kapazität der Speicherfähigkeit wird dabei maßgeblich vom Betrag der Elektrodenoberfläche und dem Abstand der Elektrolytionen zur Oberfläche der Elektrode bestimmt (bei gleichbleibendem Elektrolyten). In der gegenwärtigen Forschung werden neue Elektrodenmaterialien entwickelt, um über deren Systemeigenschaften, wie Leitfähigkeit und Porosität, die Leistungsfähigkeit der Doppelschichtkondensatoren weiter zu optimieren. Gängige Komponenten für Elektroden in diesen Bauelementen stellen Kohlenstoffmaterialien dar, da diese chemisch inert und zumeist kostengünstig in der Produktion sind. In der vorliegenden Arbeit sollte die Eignung der Materialklasse der Siliziumoxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe (engl. Silicon Oxycarbide-Derived Carbons, SiOCDCs) für die Anwendung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren untersucht werden. Die SiOCDCs wurden über die Pyrolyse (700 – 1500 °C) und Chlorierung (700 – 1000 °C) eines kohlenstoffreichen Polysilsesquioxans mit der theoretischen Zusammensetzung C6H5SiO3/2 erzeugt. Dabei zeigte sich, dass sowohl die porösen Eigenschaften als auch die Leitfähigkeit innerhalb der erhaltenen Kohlenstoffmaterialien stark von der Synthesetemperatur abhängen. Somit konnten reine Kohlenstoffe mit spezifischen Oberflächen bis zu 2400 m2 g-1 und Porenvolumina von 1,9 cm3 g-1 synthetisiert werden. Im Verlauf der Arbeit wurde eine geeignete Methode zur Verarbeitung der erzeugten Oxykarbid-abgeleiteten Kohlenstoffe zu Elektroden evaluiert, um eine elektrochemische Charakterisierung vorzunehmen. Ein vielversprechender Ansatz stellt die vollkommen trockene Umsetzung der SiOCDCs zu freistehenden Elektrodenschichten dar. Dieses Verfahren nutzt die Verreibung der Aktivkomponente mit einem geringen Anteil (5 Gew.-%) eines Bindemittels (Polytetrafluorethylen, PTFE) aus, um flexible und selbsttragende Elektrodenfolien zu erzeugen. Die Vorteile dieses Prozesses gegenüber anderen Verarbeitungsarten liegen darin, dass aufwendige Trocknungsverfahren während der Elektrodenherstellung entfallen und die Schichtdicken der resultierenden Folien unmittelbar eingestellt werden können. Während der Untersuchung der unterschiedlichen Elektrodensysteme im organischen Elektrolyten (1 M Tetraethylammoniumtetrafluoroborat-Lösung in Acetonitril) konnten spezifische Kapazitäten von bis zu 120 F g-1 gemessen werden. Des Weiteren zeigte sich der Einfluss der Kohlenstoffstruktur innerhalb der Aktivmaterialien auf die elektrochemischen Resultate. So konnte festgestellt werden, dass eine zunehmende Graphitisierung im Kohlenstoff, welche mit einer steigenden Mesoporosität im SiOCDC einherging, zu einer verbesserten Leitfähigkeit innerhalb der EDLC-Elektroden führte, aber auch eine Verringerung der spezifischen Kapazität bedeutete. Die Verringerung der Widerstände im System weitete erheblich den Bereich der nutzbaren Arbeitsfrequenzen und die Strombelastbarkeit des Elektrodenmaterials aus. So bestand die Möglichkeit ein mesoporöses Kohlenstoffmaterial zu synthetisieren, welches mit einer maximalen Arbeitsfrequenz von 8 Hz einen Wert zeigte, der zwei Größenordnungen über der Arbeitsfrequenz eines kommerziell erhältlichen Standards (Aktivkohle YP-50F) lag. Dieses exzellente Ansprechverhalten bildet die Grundlage für den Einsatz in Hochleistungsspeichersystemen. Des Weiteren offenbarte sich, dass die trocken prozessierten Elektroden das Potential für eine hohe Langzeitstabilität besitzen, da je nach Elektrodensystem ein Erhalt von 94% der Ursprungskapazität über 10.000 Lade-/Entladezyklen beobachtet werden konnte. Die Modifikation der Elektrodenmaterialien mittels CO2-Aktivierung und eine damit verbundene Erhöhung der spezifischen Oberfläche führten zu einer Verbesserung der spezifischen Kapazität der Aktivkomponenten um bis zu 33%. Zusammenfassend bleibt zu erwähnen, dass poröse Oxykarbid-abgeleitete Kohlenstoffe erfolgreich über die Chlorierung von keramischen Vorläuferverbindungen synthetisiert werden konnten. Die Kohlenstoffmaterialien zeigten nach der Prozessierung zu freistehenden und flexiblen Elektrodenfilmen vielversprechende Eigenschaften bei der Nutzung in elektrochemischen Doppelschichtkondensatoren, wie hohe spezifische Kapazitäten, gute Langzeitstabilitäten und hohe Arbeitsfrequenzen bei Lade- und Entladevorgängen.

The Maillard reaction is a network of different non-enzymatic reactions between carbonyl groups of reducing sugars and amino groups from amino acids, peptides, or proteins, which progresses in three major stages and originates a very heterogeneous mixture of reaction products. It is also known as non-enzymatic browning, due to the brown macromolecular pigments formed in the final stage of the reaction. The chemistry underlying the Maillard reaction is complex. It encloses not only one reaction pathway, but a whole network of various transformations. As virtually all foods contain both proteins and carbohydrates, Maillard reaction products are present in the daily diet in considerable amounts. The endogenous formation of Maillard reaction products, especially related to ageing and diabetes, aroused intense discussions about the health consequences of the “glycation”, the term that describes the in vivo reaction corresponding to the Maillard reaction in foods. Melanoidins are the final brown products of the Maillard reaction. They are responsible for the color formed during the heat processing of foods like coffee, bread, malt, and beef. Melanoidins are high molecular weight polydisperse polymers containing nitrogen. Their structure is largely unknown. Coffee melanoidins, which are object of the present study, contain thermally transformed polysaccharides, proteins, and phenolic compounds. Since the mechanisms involved on the formation of these macromolecules, and the chemical transformations which take place during the heat treatment are not completely elucidated, key structural features were analyzed. Especially the incorporation of chlorogenic acids in the melanoidin skeleton was object of attention of the present work. Another major aim of this work was to investigate the influence of the Maillard reaction on the inhibitory potential of food components against zinc metalloproteases. The studied enzymes were three human matrix metalloproteases (MMP-1, -2 and -9), which are able to degrade matrix proteins and participate in many physiological processes, including tissue turnover and repair, but also constitute important targets in malignant and degenerative diseases. A microbial collagenase from Chlostridium histolyticum was chosen due to its subtract similarity to MMPs. Furthermore, Angiotensin Converting Enzyme (ACE), which plays a central role in cardiovascular pathologies such as hypertension and cardiac hypertrophy, was investigated. As a prototypical Maillard reaction product, coffee melanoidin was adopted. Due to the roast dependent inhibitory activity of the coffee melanoidin fractions against matrix metalloproteases, the functionalization caused by the non-enzymatic browning was closer investigated. Na-carboxyalkylated derivatives of a sequence of relevant peptides were synthesized, in a variation of the process-induced formation of Nε-carboxymethyllysine, a major advanced glycation end-product (AGE). The inhibitory activity against zinc metalloproteases of the sequence of selected peptides and their Na-carboxymethyl- (CM-) and Na-carboxyethyl- (CE-) derivates was investigated.:LIST OF CONTENTS I LIST OF TABLES IV LIST OF FIGURES V LIST OF ABBREVIATIONS VII 1 INTRODUCTION 1 2 BACKGROUND 3 2.1 Maillard reaction in food 3 2.1.1 Melanoidins 8 2.2 Coffee 11 2.2.1 General aspects 11 2.2.1.1 Coffee production 12 2.2.1.2 General chemical composition 14 2.2.1.3 Coffee and health 20 2.2.2 Coffee melanoidins 24 2.2.2.1 Chemistry of coffee melanoidins 24 2.2.2.2 Properties of coffee melanoidins 29 2.3 Zinc metallopeptidases 32 2.3.1 Matrix metalloproteinases (MMPs) 33 2.3.1.1 Functions of MMPs 35 2.3.1.2 Structure of MMPs 37 2.3.1.3 Inhibition of MMPs 39 2.3.2 Clostridium histolyticum collagenase (ChC) 43 2.3.2.1 Functions of ChC 43 2.3.2.2 Structure of ChC 43 2.3.2.3 Inhibition of ChC 44 2.3.3 Agiotensin converting enzyme (ACE) 45 2.3.3.1 Functions of ACE 45 2.3.3.2 Structure of ACE 46 2.3.3.3 Inhibition of ACE 48 3 EXPERIMENTAL SECTION 50 3.1 Chemicals, materials and equipment 50 3.1.1 Chemicals 50 3.1.2 Material 52 3.1.3 Equipment 52 3.1.4 Solutions 54 3.2 Synthesis of Nα-carboxyalkylated peptides 55 3.2.1 Nα-carboxyalkylation of GP, LL, IA, GA, GL, AP, IP and IPP by reductive alkylation 55 3.2.2 Nα-carboxyalkylation of IW using sodium cyanoborohydride 56 3.3 Purification 57 3.3.1 Ion Exchange Chromatographic purification 57 3.3.1.1 Spotting test 58 3.3.2 HPLC purification of CM-IW 58 3.3.3 Overview of the synthesis and elution conditions 59 3.4 Characterization of carboxyalkylated peptides 61 3.4.1 Mass spectrometry 61 3.4.2 Elemental Analysis 61 3.4.3 Analytical characteristics of carboxyalkylated peptides 62 3.5 Preparation of coffee fractions 65 3.5.1 Roasting conditions 65 3.5.2 Fractionation of coffee samples: Isolation of coffee melanoidins 67 3.6 Structural studies 69 3.6.1 Estimation of the molecular weight 69 3.6.2 C/N ratio 70 3.6.3 Amino acid analysis 70 3.6.3.1 Acid hydrolysis 70 3.6.3.2 General amino acid analysis 70 3.6.3.3 Lysinoalanine 71 3.6.3.4 Pentosidine 72 3.6.4 Total phenols 74 3.6.5 Raman spectroscopy 74 3.7 Study on inhibition of zinc metalloproteases 75 3.7.1 Inhibition of ACE 75 3.7.1.1 General enzymatic assay 75 3.7.1.2 Quantification 78 3.7.2 Inhibition of MMP-1, -2 and -9 79 3.7.2.1 General enzymatic assay 80 3.7.2.2 Effect of zinc addition on the inhibition of MMP-1 by melanoidins 81 3.7.3 Inhibition of ChC 82 3.7.3.1 General enzymatic assay 82 3.7.3.2 Quantification 84 3.7.4 Calculation of IC50 84 4 RESULTS AND DISCUSSION 86 4.1 Coffee melanoidins 86 4.1.1 Isolation of coffee fractions 86 4.2 Inhibition of zinc-dependent peptidases by coffee fractions 89 4.2.1 Inhibition of MMPs 89 4.2.2 Inhibition of other zinc metalloproteases 98 4.2.3 General considerations 99 4.3 Structural studies on coffee melanoidins 101 4.3.1 Gel permeation chromatography 102 4.3.2 Elemental analysis: C/N ratio 113 4.3.3 Amino acid analysis 116 4.3.4 Total phenolics 120 4.3.5 Correlation between total phenols content and C/N ratio in coffee melanoidins 123 4.3.6 Raman spectroscopy 124 4.4 Derivatization of peptides 129 4.4.1 Nα-carboxyalkylation of peptides by reductive alkylation 130 4.5 Preliminary investigations on the inhibitory potential of Nα-carboxyalkyl derivatives of peptides against metalloproteases 133 4.5.1 Inhibition against ACE 134 4.5.2 Inhibition against other zinc metalloproteases 138 5 SUMMARY 141 6 REFERENCES 145 LIST OF PUBLICATIONS AND CONFERENCE CONTRIBUTIONS 168 AKNOWLEDGMENTS 169 ERKLÄRUNG 170

In the past decade there has been a growing interest in one-dimensional (1D) nanostructures, such as nanowires, nanotubes and nanorods, owing to their size-dependent optical and electronic properties and their potential application as building blocks, interconnects and functional components for assembling nanodevices. One of the ways to obtain such architectures is a template-directed synthesis which is practically a straightforward route to 1D nanostructures. In this approach, the template simply serves as a scaffold, within (or around) which a different material is generated in situ and shaped into a nanostructure with its morphology complementary to that of the template. It is generally accepted that template-directed synthesis provides a simple, high-throughput, and cost-effective procedure that also allows the complex topology present on the surface of a template to be duplicated in a single step. In the current work, utilization of the molecular bottle brushes as templates is proposed for the fabrication of conductive nanorods. Their non-spherical macromolecular geometries and lengths up to a few hundred nanometers allow the application of these structures in nanowire synthesis. The variety of molecular bottle brush architectures and their composition enables the adjustment of appropriate conditions for the preparation of conductive materials. Moreover, the ability of the brushes to assemble on a surface under certain conditions provides their usage as building blocks for the preparation of complex conductive networks. Here, the preparation, characterization, and applications of molecular bottle brushes are discussed. Two main goals were pursued. First, to deepen the knowledge in the synthesis of molecular bottle brushes, and to investigate their behavior on the surface. Second, to explore the application of the brushes as templates or building blocks for the formation of conductive nanowires. For the purpose, new ways of molecular brush synthesis by using the “grafting to” approach had to be developed. It was found that the reaction of nucleophilic addition based on pentofluorophenol chemistry and a coupling “click chemistry” reaction can be used to fabricate molecular brushes. Both methods showed efficient results and demonstrated high reactivity of the backbone with the end groups of the side chains. The “click chemistry” approach, however, demonstrated better results considering higher thicknesses of the brushes and, therefore, higher grafting density of the side chains. The “grafting to” together with the “grafting from” methods are very powerful synthetic tools, which can be used in the fabrication of any desired molecular bottle brush architectures. Additionally, complexation of oppositely charged bottle polymer brushes at a single-molecule level using AFM and CryoTEM was experimentally investigated. It was found that polyelectrolyte complexes have “scrambled-egg” morphology, where oppositely charged polymer chains are not oriented parallel to each other but cross each other. Furthermore, molecular bottle brushes were used as templates for the preparation of conductive nanowires. Three approaches for their fabrication were tested. It was found that brushes could easily be covered with various conductive materials, for example conductive polymers or metals. It was showed that for very small, tiny objects as molecular bottle brushes, one can use FIB in order to build up electrodes at its ends. The electrodes could be sputtered with an accuracy of 500 nm and further be used in the determination of the conductivity. The molecular bottle brushes covered with palladium showed the resistance of 50 MΩ, which, regarding the size of the brush, corresponds to a conductivity of one single molecule being ~1 S*cm-1. The obtained conductivity data were in good correlation with the data found in literature. We believe that the molecular bottle brushes have high potential applicability for the building of complex conductive networks. Future refinement of the synthetic methods, combined with improvements in structuring and positioning of objects at the nanoscale, could lead to their implementation in the construction of high-performance electronic devices.

This work is focused on the visualization and thus in the aid in finding explanations for the behavior of polymer structures as they exist in solution. For this aim, preparation and imaging techniques based on cryo-TEM protocols were developed for a large variety of polymeric specimens using new commercially available devices and the results were compared with the findings of other means of structural investigations. The systems used in this work were chosen, as their investigations can be adapted to other polymer systems by slight adaptation of the preparation procedures.