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Die Struktur der organischen Bodensubstanz (OBS) ist ein seit Jahrzehnten unter Wissenschaftlern viel diskutiertes Thema. Die wichtigsten Modelle sind unter anderem das Polymer Modell und das Supramolekulare Modell. Während ersteres die OBS als Makromoleküle betrachtet, die amorphe und kristalline Bereiche enthält, erklärt letzteres die OBS als physikochemische Verbindung in der durch schwache hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen individuelle Moleküle primärer Struktur in einer Sekundärstruktur zusammengehalten werden. Die schwachen Wechselwirkungen innerhalb der Sekundärstruktur gewähren der OBS ihre charakteristische Mobilität. Eine wichtige Konsequenz dieses mehrdimensionalen Aufbaus ist es, dass abgesehen von der chemischen Zusammensetzung, die physikochemische Struktur der OBS eine entscheidende Rolle für ihre biogeochemischen Funktionen spielt. Aus diesem physikochemischen Verständnis der OBS Struktur heraus entstand das kürzlich eingeführte Konzept der durch Kationen und Wassermoleküle vermittelten Brücken zwischen OBS Segmenten (CaB und WaMB). Obwohl es in den letzten Jahren einige indirekte Anhaltspunkte für die Ausbildung von CaB und WaMB gab, gibt es bis heute kein klar umrissenes Verständnis di eser Prozesse. Experimentelle Probleme aufgrund sich überlagernder Effekte von wichtigen ebenfalls CaB beeinflussenden Parametern, wie pH und der Konzentration konkurrierender Kationen, erschweren die Untersuchung der CaB-bezogenen Einflüsse. Daher zielte diese Arbeit darauf ab, eine experimentelle Herangehensweise zu entwickeln um CaB innerhalb der OBS zu erzeugen und diese hinsichtlich verschiedener chemischer und physikochemischer Aspekte zu beurteilen. Dazu wurden zuerst die in den Proben schon vorhandenen Kationen entfernt und der pH Wert definiert eingestellt, bevor die Proben erneut mit bestimmten Kationen beladen wurden. So konnten pH- und Kationen-Effekte voneinander getrennt beobachtet werden.
Aus den Ergebnissen, die mit zwei unterschiedlichen Typen organischer Substanz erzielt worden sind, kann folgender Rückschluss gezogen werden: Unter der Voraussetzung, dass die Dichte der funktionellen Gruppen in der OBS hoch genug ist, so dass diese in ausreichender räumlicher Nähe zueinander arrangiert sind, können Kationen die OBS quervernetzen. Eine physikochemische strukturelle Umorientierung findet auch in Alterungsprozessen statt, die die Bildung von mehr und/oder stärkeren CaB und WaMB verursachen. Kationengröße und "ladung bestimmen sowohl die Erzeugung von CaB direkt bei der Kationenbehandlung, als auch die Effekte der Alterungsprozesse. Ein anfänglichrnstärker quervernetztes System ist weniger anfällig für strukturelle Änderungen und unterliegt weniger starken Alterungsprozessen als ein anfänglich schwächer quervernetztes. Verantwortlich für die strukturellen Veränderungen ist die der OBS innewohnende Mobilität innerhalb ihres physikochemischen Verbundes. Information über die strukturellen Voraussetzungen zur Bildung von CaB und deren Konsequenzen für die Matrixstabilität der OBS können helfen, Einblicke in die physikochemische Struktur der OBS zu erhalten. Außerdem zeigten die Qualität der OBS (bestimmt mithilfe thermischer Analytik) und deren Porenstruktur, die sich in einer Reihe von künstlich hergestellten Böden nach einigen Monaten der OBS Entwicklung gebildet hatten, dass die mineralischen Ausgangsmaterialien zwar eine Bedeutung für die chemische Natur der OBS Moleküle hatten, nicht jedoch für die physikalische Struktur der organisch-mineralischen Verbindungen.
In der vorliegenden Arbeit wurde außerdem erstmals die nanothermische Analyse mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM-nTA) für Boden eingesetzt, um thermische Eigenschaften und deren räumliche Verteilung im Nano- und Mikrometerbereich zu erfassen. Diese Methode ermöglichte es, physikochemische Prozesse, wie z.B. das Aufbrechen von WaMB in humusarmen Böden zu identifizieren, bei denen herkömmliche Methoden aufgrund zu niedriger Empfindlichkeit scheiterten. Weiterhin konnten durch eine verbesserte Anwendung der Methode und die Kombination mit anderen AFM-Parametern einige in Böden vorkommende Materialien in hoher räumlicher Auflösung unterschieden werden. Durch die Verwendung definierter Testmaterialien wurde versucht, diese Bodenmaterialien zu identifizieren. Das größte Potential dieser Methode liegt allerdings darin, die mikroskopische Heterogenität von Probenoberflächen zu quantifizieren, was z.B. dabei helfen kann, Prozess-relevante Hotspots aufzudecken.
Durch die Einbindung der AFM-nTA Technologie trägt die vorliegende Arbeit zum wissenschaftlichen Verständnis der Änderungen der physikochemischer Struktur der OBS durch Kationenquervernetzung bei. Die hier demonstrierte direkte Untersuchung der CaB kann möglicherweise zu einem großen Wissenssprung hinsichtlich dieser Wechselwirkungen verhelfen. Der beobachtete Alterungsprozess ergänzt gut das supramolekularen Verständnis der OBS. Die Einführung der nanothermischen Analyse in die Bodenkunde ermöglicht es, dem Problem der Heterogenität und der räumlichen Verteilung thermischer Eigenschaften zu begegnen. Ein anderer wichtiger Erfolg der AFM-nTA ist, dass sie genutzt werden kann um physikochemische Prozesse sehr geringer Intensität zu detektieren.
Die Wechselwirkungen zwischen Polysacchariden und Wasser am Beispiel der Modellsubstanz Hyaluronan
(2013)
Die Wasseraufnahme von Polysacchariden wird derzeit intensiv erforscht. Wechselwirkungen zwischen Wasser und herkömmlichen oder modifizierten Polysacchariden und Polysaccharid-basierten Biokonjugaten bestimmen maßgeblich deren Funktionalität. Trotz intensiver Forschung gibt es weiterhin eine Reihe offener Fragen darüber, wie Wasser die Struktur der Polysaccharide beeinflusst und welche Konsequenzen das für ihre industrielle und medizinische Anwendung hat. Die Wechselwirkungen zwischen Wasser und Polysacchariden werden oft durch übereinanderliegende "Schichten" von Wasser verbildlicht, dessen physikalische Eigenschaften sich in Abhängigkeit vom Abstand zur Polysaccharid-Moleküloberfläche verändern.
In der vorliegenden Arbeit wurden solche "Wasserschichten" in dem Modell"Polysaccharid Hyaluronan (HYA), einem Natriumsalzsalz bestehend aus ß -1,4-Verknüpfungen der ß -1,3-verknüpften D-Glucuronsäure und des N-Acetyl-D-Glucosamins, untersucht. Mithilfe der Dynamischen Differenzkalorimetrie (engl.: Differential Scanning Calorimetry, DSC) können diese Wasserschichten hinsichtlich ihres Gefrierverhaltens unterschieden werden. Bei HYA-Molekülgewichten von 100 bis 740kDa betrug die Menge "nicht gefrierbaren" Wassers, d.h. von Wasser in unmittelbarer Nähe der HYA Molekülketten, 0.74gH2O/gHYA und bei einem Molekülgewicht von 139kDa betrug sie 0.84gH2O/gHYA. Die Menge von "gefrierbar gebundenem" Wasser, also des Anteiles, der zwar noch vom HYA Molekül beeinflusst wird, aber trotzdem gefrierbar ist, betrug zwischen 0.74 und 2gH2O/gHYA. Oberhalb dieses Wassergehaltes liegt nur "nicht gefrierbares" und "freies" Wasser vor, da die Schmelzenthalpie bei höheren Wassergehalten der von reinem Wasser entspricht. Die Charakterisierung der Wasserbindung durch die Bestimmung von Schmelzenthalpien unterliegt experimentellen Einschränkungen. Daher wurde ein neuer Ansatz basierend auf der Bestimmung von Verdampfungsenthalpien vorgeschlagen. Verdampfungsenthalpien von HYA unterhalb eines Wassergehaltes von 0.34gH2O/gHYA wiesen auf einen zusätzlichen möglicherweise exothermen Prozess hin, der auch in der protonierten Form des HYA beobachtet werden konnte.
Dieser Prozess wurde durch die Kissinger-Akahira-Sunose Methode bestätigt, die Bestimmung der tatsächlichen Verdampfungs und Desorptionsenthalpien des Wassers in allen Stadien des Verdampfungsprozesses erlaubt. Tatsächlich nahm die scheinbare Verdampfungsenthalpie bis zu einem Wassergehalt von 0.34gH2O/gHYA zu und sank dann wieder zu niedrigeren Werten ab, die allerdings immer noch deutlich über der Verdampfungsenthalpie von reinem Wasser lagen. Mithilfe von zeitlich aufgelöster Kernspinresonanz Technik (engl.: Time Domain Nuclear Magnetic Resonance, TD-NMR) wurde gezeigt, dass es sich bei besagtem Prozess um die Plastifizierung von HYA handelt.
Außerdem konnte das mithilfe der DSC bestimmte "nicht gefrierbare" Wasser in zwei weitere Fraktionen unterteilt werden. Ein Anteil von 15% dieses Wassers tritt direkt in Wechselwirkung mit den polaren funktionellen Gruppen und wird als "strukturell integriertes" Wasser bezeichnet und ein Anteil von 85% ist zwischen HYA Molekülketten eingebettet und wird als "strukturell eingeschränktes" Wasser bezeichnet. Da der Erweichungspunkt in der Nähe des Gleichgewichtswassergehalts liegt, bietet die er die Möglichkeit, die physikalische Struktur von HYA durch Trocknung zu beeinflussen. Dafür wurden drei Proben des ursprünglichen HYA unter unterschiedlichen Bedingungen getrocknet und ihre physikalischen Eigenschaften untersucht. Die Proben unterschieden sich in der Kinetik der erneuten Wasseraufnahme, im Glasübergangsverhalten und in ihrer Morphologie. Die Eigenschaften der Wasserfraktionen wurden in Lösungen mit 10"25 mg HYA/mL bestimmt. Feldzyklus-NMR (eng.: Fast-field-cycling FFC-NMR) Messungen zeigten drei Wasserfraktionen die mit dem Abstand zur HYA Moleküloberfläche abnehmende Korrelationszeiten zwischen 10"6 bis 10"10 s aufwiesen.
Außerdem wurde die Bildung schwacher relativ kurzlebiger Wasserbrücken zwischen den HYA Molekülketten beobachtet. Anders als für anorganische Elektrolyte, ist die Wasseraufnahme durch organische Polyelektrolyte ein dynamischer Prozess, der nicht nur die Analysetechnik und die experimentellen Bedingungen sondern auch die Konformation der Polyelektrolyte und deren thermische und Wassergehalts-Vorgeschichte widerspiegelt. Dadurch können einige Polysaccharidstrukturen nur durch Veränderung der Probenvorbereitung und ohne chemische Modifikationen verändert und Produkte mit spezifischen physiko-chemischen Eigenschaften gewonnen werden.
Die Wirbelsäule als tragende Säule des menschlichen Körpers ist bei vielen Bewegungsabläufen hohen Belastungen ausgesetzt. Fehl- und Überbelastungen rufen dabei oft dauerhafte Schädigungen hervor. Daher ist es von Interesse, die innerhalb der Wirbelsäule auftretenden Belastungen zu bestimmen. Eine moderne und zuverlässige Methode zur Belastungsbestimmung ist der Aufbau eines Berechnungsmodells.
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mehr-Körper-System (MKS) Modell der Lendenwirbelsäule erstellt. Mit Hilfe des Modells können sowohl die übertragenen Kräfte und Momente in allen inneren Strukturen berechnet als auch die Kinematik des Bewegungsablaufs simuliert werden. Die Grundstruktur des Modells bilden die als Starrkörper angenommenen knöchernen Strukturen der fünf Lendenwirbel L1 bis L5, des Os Sacrums und des Os iliums, die über die Segmentierung eines CT-Datensatzes des Abgusses der Wirbeloberflächen eines durchschnittlich großen Europäers gewonnen wurden. Die elastischen Elemente der Wirbelsäule wurden unter Berücksichtigung ihrer physikalischen Eigenschaften in das Modell implementiert. Grundlage für die Modellierung der Zwischenwirbelscheiben waren dabei eigens durchgeführte experimentelle Messungen. Das charakteristische Kraft-Deformations-Verhalten der Ligamente wurde der Literatur entnommen.
Die Umsetzung im Computermodell berücksichtigt neben dem physikalischen Verhalten eines einzelnen Ligamentes zusätzlich durch einen Gewichtungsfaktor das Zusammenspiel aller Ligamente im komplex aufgebauten Ligamentapparat. Die Facettengelenke wurden durch Kontaktmodellierung in den Knorpelschichten realisiert. Daneben wurde ein Modell eines Implantatsystems entwickelt, das zur dynamischen Stabilisierung der Lendenwirbelsäule genutzt wird. Die Validierung der erstellten Modelle erfolgte über den Vergleich mit In-Vitro erhobenen Daten. Betrachtet wurden neben der intakten Wirbelsäule zudem degenerative Schädigungen der Zwischenwirbelscheibe und deren operative Versorgung durch Nukleotomie und dynamische Stabilisierung. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen dabei eine sehr gute Näherung an die experimentell ermittelten Messwerte. Durch Anwendung der Computermodelle konnten die Auswirkungen verschiedener operativer Eingriffe, wie Interlaminotomie, Hemilaminektomie und Laminektomie auf die unterschiedlichen Strukturen der Lendenwirbelsäule berechnet werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet lag in der Untersuchung des momentanen Drehzentrums. Neben der Bestimmung der Drehpunktbahn bei intakter Wirbelsäule konnten die Effekte einer degenerativ geschädigten und operativ versorgten Zwischenwirbelscheibe auf den Verlauf des momentanen Drehzentrums berechnet und simuliert werden.