@phdthesis{Shityakov2011,
  author    = {Shityakov, Sergey},
  title     = {Molecular modelling and simulation of retroviral proteins and nanobiocomposites},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-56960},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Molecular modelling and simulation are powerful methods in providing important in-formation on different biological systems to elucidate their structural and functional proper-ties, which cannot be determined in experiment. These methods are applied to analyse versa-tile biological systems: lipid membrane bilayers stabilized by an intercalated single wall carbon nanotube and retroviral proteins such as HIV protease and integrase. HIV-1 integrase has nuclear localization signals (NLS) which play a crucial role in nuclear import of viral preintegration complex (PIC). However, the detailed mechanisms of PIC formation and its nuclear transport are not known. Previously it was shown that NLSs bind to the cell transport machinery e.g. proteins of nuclear pore complex such as transportins. I investigated the interaction of this viral protein HIV-1 integrase with proteins of the nuclear pore complex such as transportin-SR2 (Shityakov et al., 2010). I showed that the transportin-SR2 in nuclear import is required due to its interaction with the HIV-1 integrase. I analyzed key domain interaction, and hydrogen bond formation in transportin-SR2. These results were discussed in comparison to other retroviral species such as foamy viruses to better understand this specific and efficient retroviral trafficking route. The retroviral nuclear import was next analyzed in experiments regarding the retroviral ability to infect nondividing cells. To accomplish the gene transfer task successfully, ret-roviruses must efficiently transduce different cell cultures at different phases of cell cycle. However, promising and safe foamy viral vectors used for gene transfer are unable to effi-ciently infect quiescent cells. This drawback was due to their inability to create a preintegra-tion complex (PIC) for nuclear import of retroviral DNA. On the contrary, the lentiviral vec-tors are not dependant on cell cycle. In the course of reverse transcription the polypurine tract (PPT) is believed to be crucial for PIC formation. In this thesis, I compared the transduction frequencies of PPT modified FV vectors with lentiviral vectors in nondividing and dividing alveolar basal epithelial cells from human adenocarcinoma (A549) by using molecular cloning, transfection and transduction techniques and several other methods. In contrast to lentiviral vectors, FV vectors were not able to effi-ciently transduce nondividing cell (Shityakov and Rethwilm, unpublished data). Despite the findings, which support the use of FV vectors as a safe and efficient alternative to lentiviral vectors, major limitation in terms of foamy-based retroviral vector gene transfer in quiescent cells still remains. Many attempts have been made recently to search for the potential molecules as pos-sible drug candidates to treat HIV infection for over decades now. These molecules can be retrieved from chemical libraries or can be designed on a computer screen and then synthe-sized in a laboratory. Most notably, one could use the computerized structure as a reference to determine the types of molecules that might block the enzyme. Such structure-based drug design strategies have the potential to save off years and millions of dollars compared to a more traditional trial-and-error drug development process. After the crystal structure of the HIV-encoded protease enzyme had been elucidated, computer-aided drug design played a pivotal role in the development of new compounds that inhibit this enzyme which is responsible for HIV maturation and infectivity. Promising repre-sentatives of these compounds have recently found their way to patients. Protease inhibitors show a powerful sustained suppression of HIV-1 replication, especially when used in combi-nation therapy regimens. However, these drugs are becoming less effective to more resistant HIV strains due to multiple mutations in the retroviral proteases. In computational drug design I used molecular modelling methods such as lead ex-pansion algorithm (Tripos®) to create a virtual library of compounds with different binding affinities to protease binding site. In addition, I heavily applied computer assisted combinato-rial chemistry approaches to design and optimize virtual libraries of protease inhibitors and performed in silico screening and pharmacophore-similarity scoring of these drug candidates. Further computational analyses revealed one unique compound with different protease bind-ing ability from the initial hit and its role for possible new class of protease inhibitors is dis-cussed (Shityakov and Dandekar, 2009). A number of atomistic models were developed to elucidate the nanotube behaviour in lipid bilayers. However, none of them provided useful information for CNT effect upon the lipid membrane bilayer for implementing all-atom models that will allow us to calculate the deviations of lipid molecules from CNT with atomistic precision. Unfortunately, the direct experimental investigation of nanotube behaviour in lipid bilayer remains quite a tricky prob-lem opening the door before the molecular simulation techniques. In this regard, more de-tailed multi-scale simulations are needed to clearly understand the stabilization characteristics of CNTs in hydrophobic environment. The phenomenon of an intercalated single-wall carbon nanotube in the center of lipid membrane was extensively studied and analyzed. The root mean square deviation and root mean square fluctuation functions were calculated in order to measure stability of lipid mem-branes. The results indicated that an intercalated carbon nanotube restrains the conformational freedom of adjacent lipids and hence has an impact on the membrane stabilization dynamics (Shityakov and Dandekar, 2011). On the other hand, different lipid membranes may have dissimilarities due to the differing abilities to create a bridge formation between the adherent lipid molecules. The results derived from this thesis will help to develop stable nanobiocom-posites for construction of novel biomaterials and delivery of various biomolecules for medi-cine and biology.},
  subject      = {Kohlenstoff},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Schmitz2016,
  author    = {Schmitz, Tobias},
  title     = {Functional coatings by physical vapor deposition (PVD) for biomedical applications},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144825},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Metals are the most used materials for implant devices, especially in orthopedics, but despite their long history of application issues such as material failure through wear and corrosion remain unsolved leading to a certain number of revision surgeries. Apart from the problems associated with insufficient material properties, another serious issue is an implant associated infection due to the formation of a biofilm on the surface of the material after implantation. Thus, improvements in implant technology are demanded, especially since there is a projected rise of implants needed in the future. Surface modification methods such as physical vapour deposition (PVD), oxygen diffusion hardening and electrochemical anodization have shown to be efficient methods to improve the surfaces of metallic bulk materials regarding biomedical issues. This thesis was focused on the development of functional PVD coatings that are suitable for further treatment with surface modification techniques originally developed for bulk metals. The aim was to precisely adjust the surface properties of the implant according to the targeted application to prevent possible failure mechanisms such as coating delamination, wear or the occurrence of post-operative infections. Initially,  tantalum layers with approx 5 µm thickness were deposited at elevated substrate temperatures on cp Ti by RF magnetron sputtering. Due to the high affinity of tantalum to oxygen, these coatings are known to provide a self healing capacity since the rapid oxide formation is known to close surface cracks. Here, the work aimed to reduce the abrupt change of mechanical properties between the hard and brittle coating and the ductile substrate by creating an oxygen diffusion zone. It was found that the hardness and adhesion could be significantly increased when the coatings were treated afterwards by oxygen diffusion hardening in a two step process. Firstly, the surface was oxidized at a pressure of 6.7•10-3 mbar at 350 450 °C, followed by 1-2 h annealing in oxygen-free atmosphere at the same temperature leading to a diffusion of oxygen atoms into deeper parts of the substrate as proved by X-ray diffraction (XRD) analysis. The hereby caused mechanical stress in the crystal lattice led to an increase in Vickers hardness of the Ta layers from 570 HV to over 900 HV. Investigations into the adhesion of oxygen diffusion treated samples by Rockwell measurements demonstrated an increase of critical force for coating delamination from 12 N for untreated samples up to 25 N for diffusion treated samples. In a second approach, the development of modular targets aimed to produce functional coatings by metallic doping of titanium with biologically active agents. This was demonstrated by the fabrication of antimicrobial Ti(Ag) coatings using a single magnetron sputtering source equipped with a titanium target containing implemented silver modules under variation of bias voltage and substrate temperature. The deposition of both Ti and Ag was confirmed by X-ray diffraction and a clear correlation between the applied sputtering parameters and the silver content of the coatings was demonstrated by ICP-MS and EDX. Surface-sensitive XPS measurements revealed that higher substrate temperatures led to an accumulation of Ag in the near-surface region, while the application of a bias voltage had the opposite effect. SEM and AFM microscopy revealed that substrate heating during film deposition supported the formation of even and dense surface layers with small roughness values, which could even be enforced by applying a substrate bias voltage. Additional elution measurements using ICP-MS showed that the release kinetics depended on the amount of silver located at the film surface and hence could be tailored by variation of the sputter parameters. In a final step, the applied Ti and Ti(Ag) coatings deposited on cp Ti, stainless steel (316L) and glass substrates were subsequently nanostructured using a self-ordering process induced by electrochemical anodization in aqueous fluoride containing electrolytes. SEM analysis showed that nanotube arrays could be grown from the Ti and Ti(Ag) coatings deposited at elevated temperatures on any substrate, whereby no influence of the substrate on nanotube morphology could be observed. EDX measurements indicated that the anodization process led to the selective etching of Ti from Ti(Ag) coating. Further experiments on coatings deposited on glass surfaces revealed that moderate substrate temperatures during deposition resulting in smooth Ti layers as determined by AFM measurements, are favorable for the generation of highly ordered nanotube arrays. Such arrays exhibited superhydrophilic behavior as proved by contact angle measurements. XRD analysis revealed that the nanostructured coatings were amorphous after anodization but could be crystallized to anatase structure by thermal treatment at temperatures of 450°C.},
  subject      = {PVD-Verfahren},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Kraus2014,
  author    = {Kraus, Hannes},
  title     = {Optically Detected Magnetic Resonance on Organic and Inorganic Carbon-Based Semiconductors},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-106308},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In dieser Arbeit werden drei verschiedene kohlenstoffbasierte Materialsysteme behandelt: (i) Organische Halbleiter und kleine Molek{\"u}le, in Kombination mit Fullerenen f{\"u}r Anwendungen in der organischen Photovoltaik (OPV), (ii) Halbleitende Einzelwand-Kohlenstoffnanor{\"o}hren und (iii) Siliziumkarbid (SiC), dessen Defekte erst seit kurzem als Kandidaten f{\"u}r Quantenapplikationen gehandelt werden. Alle Systeme wurden mit optisch detektierter Magnetresonanzspektroskopie (ODMR) untersucht. Im OPV-Kapitel, die intrinsischen Parameter und Orientierungen von Exzitonen mit hohem Spin wurden f{\"u}r die Materialsysteme P3HT, PTB7 und DIP untersucht. Speziell der Einfluss von Ordnung diesen organischen Systemen wurde diskutiert. Der zweite Teil des Kapitels besch{\"a}ftigt sich mit Triplettgeneration mittels Elektronenr{\"u}cktransfer im leistungsf{\"a}higen Materialsystem PTB7:PC71BM. Das Kohlenstoffnanor{\"o}hren-Kapitel zeigt zuert den ersten zweifelsfreien Nachweis von Triplettexzitonen in halbleitenden (6,5) Einzelwandkohlenstoffnanor{\"o}hren (SWNT), mittels ODMR-Spektroskopie. Ein Modell f{\"u}r die Anregungskinetik, die intrinsischen Parameter des Exzitons und Abh{\"a}ngigkeit von der Orientierung der R{\"o}hren wurden diskutiert. Der letzte Teil der Arbeit gilt Spinzentren in Siliziumkarbid. Nach einer kurzen Einf{\"u}hrung in das Materialsystem wird die Spinmultiplizit{\"a}t f{\"u}r die V2 und V3 Siliziumfehlstellen, sowie eines Frenkelpaars und eines noch nicht zugeordneten Defekts (UD) in 6H SiC, weiterhin f{\"u}r die V2 Fehlstelle und das Frenkelpaar in 4H SiC, durchg{\"a}ngig zu S=3/2 festgestellt. Das spinpolarisierte Bef{\"u}llen der 3/2-Zust{\"a}nde des Grundzustands der Siliziumfehlstellen erlaubt stimulierte Mikrowellenemission. Ausserdem wurde f{\"u}r UD und Frenkelpaar in 6H SiC eine große Temperaturabh{\"a}ngigkeit der Nullfeldparameter festgestellt, w{\"a}hrend die Siliziumfehlstellen temperaturunabh{\"a}ngig sind. Anwendung des UD und Frenkelpaars als Temperatursensor, und der Vakanzen als Vektormagnetometer wurden diskutiert.},
  subject      = {ODMR-Spektroskopie},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Hefner2014,
  author    = {Hefner, Timo},
  title     = {Einfluss von Dispergierungsmethode und Rohmaterialaufreinigung auf die Beschaffenheit einwandiger Kohlenstoffnanorohrsuspensionen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105839},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2014},
  abstract  = {In der vorliegenden Dissertation wurden Dispergierungseffizienz, Entb{\"u}ndelungseffizienz und R{\"o}hrenqualit{\"a}t von SWNT-Suspensionen untersucht. Die R{\"o}hrenqualit{\"a}t wurde durch Messung von Quantenausbeuten bewertet. Außerdem wurden Suspensionen von den drei verschiedenen Rohmaterialien CoMoCAT, Black Sand und HiPCO, hergestellt durch die Behandlung mit Ultraschall und Schermischen, verglichen. Beim Beschallen zeigte sich wie erwartet eine h{\"o}here Dispergierungseffizienz im Vergleich zum Schermischen. Diese war jeweils bei Black Sand am gr{\"o}ßten, gefolgt von CoMoCAT und HiPCO. Ein Vergleich zwischen zwei HiPCO-Materialien best{\"a}tigte die deutlichen Effizienzvorteile nicht aufgereinigter Materialien. Trotz der viel geringeren Dichte des aufgereinigten HiPCO-Materials, ließ sich dieses durch das Schermischen wesentlich schlechter dispergieren. Der Effizienzunterschied war jedoch geringer als bei Black Sand und CoMoCAT, was vermutlich auf den geringeren Unterschied der Kohlenstoffanteile zur{\"u}ckzuf{\"u}hren ist. Dieser wiederum h{\"a}ngt von den jeweiligen Herstellungs- und Aufreinigungsverfahren ab. Die Dispergierungsgeschwindigkeit war f{\"u}r gescherte Black Sand- und CoMoCAT-Proben zu Beginn der Dispergierung h{\"o}her als f{\"u}r die jeweils beschallten Proben, weshalb durch Kombination der beiden Methoden m{\"o}glicherweise eine Verbesserung der pr{\"a}parierten Suspensionen bez{\"u}glich der drei untersuchten Parameter erreicht werden kann. Der Vergleich der Entb{\"u}ndelungseffizienzen ergab erneut Vorteile beim Ultraschall gegen{\"u}ber dem Schermischen. Die beschallten Black Sand- und HiPCO-Proben zeigten hierbei noch eine deutlich effizientere Auftrennung als die Proben des aufgereinigten CoMoCAT-Materials. Dieses enth{\"a}lt zu jedem Zeitpunkt der Beschallung noch einen entsprechend gr{\"o}ßeren Anteil an aggregierten R{\"o}hren. Beim Schermischen funktionierte die Entb{\"u}ndelung von Black Sand im Vergleich zu CoMoCAT und HiPCO mit Abstand am besten, was sich auch in den ODVerh{\"a}ltnissen beschallter und gescherter Proben widerspiegelte. Die beobachtete Quantenausbeute war bei den durch Schermischen dispergierten DGUEinzelrohrproben um bis zu 50 \% h{\"o}her als bei den beschallten Proben, was auf eine deutlich niedrigere R{\"o}hrenbesch{\"a}digung und somit auch auf eine h{\"o}here R{\"o}hrenqualit{\"a}t hindeutete. Dies wurde auch durch Vergleichsmessungen an Einzelr{\"o}hren best{\"a}tigt. Außerdem dringt bei durch Ultraschall geschnittenen R{\"o}hren Wasser ins R{\"o}hreninnere ein, was beim Schermischen nicht der Fall ist. Das erm{\"o}glicht durch Schermischen vielleicht die Herstellung von Proben mit ver{\"a}nderten Eigenschaften. Beim Vergleich der Materialien zeigte HiPCO die h{\"o}chste Quantenausbeute. Dieses Herstellungsverfahren liefert also im Vergleich zum CoMoCAT-Verfahren eine bessere R{\"o}hrenqualit{\"a}t. Die um 70 \% h{\"o}heren Quantenausbeuten der Black Sand-Proben im Vergleich zu den CoMoCAT-Proben machten die R{\"o}hrenbesch{\"a}digungen bei der Aufreinigung des Rohmaterials deutlich. Werden zudem Besch{\"a}digungen durch Ultraschall ber{\"u}cksichtigt, betr{\"a}gt der Unterschied sogar 250 \%. Die beschallten HiPCO- und Black Sand-Proben der zeitabh{\"a}ngigen Messungen zeigten aufgrund der effizienten Entb{\"u}ndelung den schnellsten Anstieg der uantenausbeuten, welche aufgrund von Besch{\"a}digungen durch den Ultraschall, beeinflusst durch die Entb{\"u}ndelungsund Dispergierungseffizienzen der Materialien, nach 10-20 min wieder abfielen. Die Quantenausbeuten der gescherten Proben stiegen entsprechend langsamer {\"u}ber die gesamte Messzeit von sechs Stunden an. Die Dispergierung mittels Schermischer bei erh{\"o}hter Viskosit{\"a}t f{\"u}hrte bei einem Iodixanolanteil von 45 \% zu einer fast sechsfach h{\"o}heren Dispergierungseffizienz im Vergleich zu Wasser. Auch Lufteinschl{\"u}sse scheinen einen Einfluss zu haben, weshalb ein Probenvolumen zwischen 13-14 mL mit dem verwendeten Aufbau am sinnvollsten erscheint. Ob Viskosit{\"a}t und Lufteinschl{\"u}sse auch Entb{\"u}ndelungseffizienz und R{\"o}hrenqualit{\"a}t beeinflussen, muss noch untersucht werden. In Kapitel 5 wurde die Dispergierung von Nanor{\"o}hren mit kationischem Perylenbisimid untersucht. Nach dem Zusammengeben von PBI-L{\"o}sung und SDS-Nanorohrsuspension wurden Flokkulationseffekte beobachtet, welche durch hohe Nanorohr- oder SDS-Konzentrationen verz{\"o}gert wurden. Das erm{\"o}glichte die Herstellung von PBI-Nanorohrfilmen mit Streifenmuster durch Nutzung des Kaffeering-Effektes. Es wurde gezeigt, dass die Nanor{\"o}hren in das PBI eingebettet werden k{\"o}nnen. Allerdings waren die Streifen noch sehr unregelm{\"a}ßig und die R{\"o}hren in den Streifen nicht ausgerichtet. Die Stabilit{\"a}t der PBI-Nanorohrsuspensionen konnte durch einen Tensidaustausch vom anionischen SDS zum kationischen CTAB verbessert werden. Es konnte gezeigt werden, dass f{\"u}r die Vermeidung von Aggregationen w{\"a}hrend den daf{\"u}r n{\"o}tigen Dialysen unter anderem die m{\"o}glichst geringe Bewegung der Probe entscheidend ist. Außerdem musste die CTABKrafft-Temperatur von 25 °C ber{\"u}cksichtigt werden. Unterhalb dieser Temperatur bildet das Tensid keine Mizellen mehr, was die Suspensionen destabilisiert. Mischexperimente von CTAB-Nanorohrsuspensionen mit L{\"o}sungen aus verschiedenen CTAB:PBI-Verh{\"a}ltnissen lieferten Hinweise darauf, dass CTAB alleine die R{\"o}hren nicht stabilisiern kann. Ein Grund daf{\"u}r k{\"o}nnte eine zu geringe Anzahl an positiven Ladungen auf den R{\"o}hren sein. Demzufolge w{\"a}re immer ein gewisser Anteil an Tensid zur Stabilisierung notwendig. Trotz geringer Tensidbeimischung k{\"o}nnten aber Filme mit in PBI eingebetteten R{\"o}hren hergestellt werden. Unter Umst{\"a}nden k{\"o}nnten die R{\"o}hren auch in die fl{\"u}ssigkristalline Phase des PBIs eingebettet werden. Ein anderer Grund f{\"u}r die nicht ausreichende Stabilisierung k{\"o}nnte sein, dass die PBI-Aggregate nur sehr schlecht aufgetrennt werden. Dann k{\"o}nnte das PBI-Adsorptionsverhalten durch eine Verbesserung der Aggregatauftrennung beeinflusst werden. Zuletzt wurde in der vorliegenden Dissertation die Herstellung von Nanorohrgelfilmen beschrieben. Neben Homogenit{\"a}t durch Nutzung von Gelatine und Stabilit{\"a}t durch Entfernung von Iodixanol sorgte eine Silikonform f{\"u}r eine einheitliche Dicke und Gr{\"o}ße der pr{\"a}parierten (6,5)-Gelfilme. R{\"o}hrenaggregationen w{\"a}hrend der Iodixanolentfernung durch Zentrifugenfiltration konnten auf die Alterung der verwendeten Suspensionen zur{\"u}ckgef{\"u}hrt werden. Die optischen Dichten der so hergestellten Gelfilme standen immer in {\"a}hnlichen Verh{\"a}ltnissen zu denen der Ausgangssuspensionen, sodass die f{\"u}r die Gelfilme ben{\"o}tigten R{\"o}hrenkonzentrationen in den Ausgangssuspensionen relativ genau berechnet werden konnten. Um das Iodixanol f{\"u}r die Herstellung von (6,5)/(6,4)-Gelfilmen effektiv aus den Suspensionen zu entfernen, wurden drei verschiedene Dialysemembranen getestet. Dabei stellte sich die Membran mit einer Porengr{\"o}ße von 50 kD als bester Kompromiss aus effektiver Iodixanolentfernung und geringem R{\"o}hrenverlust heraus. Durch Einengung der (6,5)/(6,4)-Suspension konnten drei Gelfilme mit ausreichend hohen optischen Dichten hergestellt werden, wobei der dritte Film im Gegensatz zu den ersten beiden aufgrund des immer weiter abnehmenden Probenvolumens eine deutliche R{\"o}hrenaggregation zeigt. Dadurch eignen sie sich f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Experimente, wo mit Hilfe der Transienten-Absorptionsspektroskopie Untersuchungen zu Energie- und Ladungstransferprozessen zwischen CNTs verschiedener Chiralit{\"a}ten durchgef{\"u}hrt werden k{\"o}nnten.},
  subject      = {Nanor{\"o}hre},
  language  = {de}
}