TY  - THES
A1  - Zimmermann, Franz-Zeno
T1  - Genotoxizität in Miniorgankulturen humaner nasaler Mukosa nach repetitiver Exposition mit Zinkoxid Nanopartikeln
T1  - Genotoxicity in mini organ cultures of human nasal mucosa after repetetive exposition with zinc oxide nanoparticles
N2  - Diese Studie beschäftigt sich mit den toxischen Effekten von Zinkoxid Nanopartikeln (ZnO NP) auf humane Nasenschleimhautzellen. Speziell wurde eine mögliche Kumulation von DNS-Schäden und deren Reparatur analysiert. Zu diesem Zweck wurde ein dreidimensionales Kultursystem, sogenannte Miniorgankulturen, aus humaner nasaler Mukosa verwendet. Eine Charakterisierung der verwendeten Zinkoxid Nanopartikel erfolgte unter dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM), mittels dynamischer Lichtstreuung (DLS) und durch eine Zetapotentialmessung. Nach einer Woche Kultivierung fand eine Exposition der MOK mit einer Zinkoxid Nanopartikel Suspension in einer Konzentration von 0,1 µg/ml und 5 µg/ml statt. Als Positivkontrolle wurde in diesem Versuch 200µM Methymethansulfonat (MMS) zugesetzt. Es erfolgten drei jeweils einstündige Inkubationsphasen, wobei nach jeder Stunde ein Teil der MOKs für den Cometassay entnommen wurde. Nach dreimaliger Exposition wurden die verbliebenen MOKs für 24 Stunden zur Regeneration in unversetztem Nährmedium belassen und dann dem Cometassay zugeführt. Ergänzend wurde ein Sandwich ELISA zur Detektion von Caspase 3 durchgeführt. Zn2+ Ionen wurden im Zellkulturmedium analysiert. Der Nachweis von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erfolgte fluoreszenzmikroskopisch. Die DLS konnte eine durchschnittliche Partikelaggregatgröße von 354 nm nachweisen und das Zetapotential betrug -11,2 mV. Die im Cometassay festgestellten DNS-Schäden zeigten bei einer Zinkoxid Nanopartikel Konzentration von 0,1 µg/ml erst nach der Regenerationsphase von 24 Stunden einen signifikanten Anstieg, während 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikel zu jedem Zeitpunkt einen signifikanten Anstieg der DNS Fragmentation bewirkten. Das Ausmaß an Strangbrüchen nach 24 Stunden stieg auch hier nach 24stündiger Regenerationsphase nochmals an. 200 µM MMS induzierten ebenfalls einen signifikanten Anstieg der OTM-Werte bei einer, zwei und drei Stunden. Im Laufe der Regenerationsphase führten Reparaturmechanismen zu einem Absinken der OTM-Werte. Der Sandwich ELISA zeigte keinen signifikanten Anstieg der Caspase 3 Werte. Im Nährmedium konnte eine Zn2+ Ionenkonzentration von 2,8 µmol/ml nach einer Inkubation mit 0,1 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln festgestellt werden. Bei einer Inkubation mit 5 µg/ml Zinkoxid Nanopartikeln zeigte sich eine Ionenkonzentration von 52,7 µmol/ml. Intrazelluläre ROS konnte nur bei einer Exposition mit 5 µmol/ml Zinkoxid Nanopartikeln nachgewiesen werden. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass Zinkoxid Nanopartikel in den verwendeten Konzentrationen genotoxisch wirken, aber keine zytotoxische Wirkung entfalten. Die Schädigung kumuliert und schreitet während der Regenerationsphase noch fort. Eine multifaktorielle Schädigung der DNS, sowohl durch direkte Interaktion der Partikel mit dem Erbgut, als auch über entstandene ROS und Zn2+ Ionen, ist anzunehmen.
N2  - This study examines the toxic effects of zincoxide nanoparticles (ZnO NPs) in nasal mucosa cells. Especially the possible accumulation of DNA damages und their reparation was analysed. For this purpose we used mini organ cultures (MOCs) out of human nasal mucosa. The zinc oxide nanoparticles were characterized under a transmission electron microscope and by zeta potential measurement. After one week of cultivation, the MOCs were exposed to a ZnO NP suspension. The concentrations were 0,1 µg/ml and 5 µg/ml. 200µM methylmethane sulfonate (MMS) was used as positive control. The MOCs were incubated three times for one hour. After each hour some of the MOCs were analysed with the Cometassay. The last MOCs stayed for 24 hours in the cell culture medium for regeneration. A sandwiche ELISA was performed to detect Caspase 3. Zn2+ ions were analysed in the cell culture medium. To detect reactive oxygen species (ROS), the cells were analysed under a fluorescence microscope. The average particle size was 345 nm. The zeta potential was –11,mV. DNA damage was detected to ZnO-NPs at 0.1 μg/ml ZnO-NPs after a 24h lasting regeneration time. 5 µg/ml ZnO NPs damaged the DNA at every point of time. The sandwich ELISA showed no significant increase of Caspase 3 in the medium. 0,1 µg/ml ZnO NPs resulted in a Zn2+ ion concentration of 2,8 µmol/ml and 5 µg/ml in a concentration of 52,7 µmol/ml. ROS could only be detected after an incubation with 5 µg/ml ZnO NPs. Thus the results suggest that ZnO NP in these concentrations are genotoxic but not zytotoxic. The damage cumulates and is increasing throughout the regeneration time. A multifactorial damage of the DNA, through direct interaction of the particles and also through ROS and zinc ions, is to suppose.
KW  - Nasenschleimhaut
KW  - Nanopartikel
KW  - Zinkoxid
KW  - Miniorgankultur
KW  - nanoparticle
KW  - nasal mucosa
KW  - zinc oxide
KW  - mini organ culture
Y1  - 2012
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72641
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scherdel, Christian
T1  - Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie - Entwicklung neuartiger Syntheserouten
T1  - Carbon material featuring nanoscale morphology - Development of novel synthesis routes
N2  - Hochporöse Kohlenstoffaerogele, die über den Sol-Gel-Prozeß auf der Basis von Resorzin und Formaldehyd hergestellt werden, sind Werkstoffe mit beeindruckenden physikalischen Eigenschaften. Leider werden bisher nur geringe Mengen an Kohlenstoffaerogelen produziert und aus Kostengründen auf günstigere Materialien mit vergleichsweise schlechteren Eigenschaften zurückgegriffen. Um diesen Nachteil zu nivellieren lag die Motivation der vorliegenden Arbeit in der Entwicklung neuer Syntheserouten für Kohlenstoffmaterialien mit nanoskaliger Morphologie, wobei insbesondere auf kostengünstige Edukte und/oder einfache Prozessierung zurückgegriffen werden sollte. Als in Frage kommende Eduktsysteme wurden Zucker, sowie Hydroxybenzol-Formaldehyd-Derivate ausgewählt. Die hergestellten Kohlenstoffe wurden hauptsächlich mit Elektronenmikroskopie, Gassorption und Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS) charakterisiert. Um Fehlinterpretationen der experimentellen Daten für das neue Materialsystem zu vermeiden, war ein umfangreiches Wissen zu den Charakterisierungsmethoden und den diesen zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien notwendig. Kohlenstoffpulver basierend auf sphärischen Resorzin-Formaldehyd Suspensionen und Sedimenten bilden eine völlig neue Möglichkeit zur Erzeugung von Kohlenstoffnanokugeln. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb systematisch der Bereich der Syntheseparameter im RF-System zu den nicht-monolithischen Parametersätzen hin vervollständigt. Anhand der bestimmten Daten konnte diese Stoffklasse umfassend und detailliert charakterisiert und interpretiert werden. Die Partikelgröße hängt im Wesentlichen von der Katalysatorkonzentration und in geringerem Maße von der Eduktmenge in der Startlösung ab. Die ermittelte untere Grenze der Partikelgröße aus stabilen kolloidalen Dispersionen beträgt ca. 30 nm. Größere Partikel als 5 µm konnten trotz Modifikation der Syntheseroute nicht erzeugt werden. Eine Abschätzung über den Aggregationsgrad der Kohlenstoffpulver wurde durchgeführt. Eine Beimischung von Phenol verringert in diesem System zum einen die Partikelgröße und erzeugt zunehmend nicht-sphärische Strukturen. Die aus Gassorption, SAXS und dynamischer Lichtstreuung (DLS) ermittelten Partikelgrößen stimmen gut überein. Bei der Pyrolyse schrumpfen die Partikel auf 84% des Ausgangswerts (Partikeldurchmesser). Ein Fokus dieser Arbeit lag in der Herstellung poröser Kohlenstoffe mit Phenol und Formaldehyd (PF) als Eduktbasis und unterkritischer Trocknung (Kohlenstoffxerogele). Um die Bandbreite der Eigenschaften der resultierenden Kohlenstoffxerogele zu erweitern, wurden zahlreiche Modifikationen der Syntheseparameter und im Herstellungsprozeß durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, daß im Eduktsystem Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung mit Na2CO3 als basischem Katalysator prinzipiell poröse Xerogele herstellbar sind; allerdings verhindert eine ungewöhnliche Gelierkinetik (Flockenbildung statt Sol-Gel-Übergang) eine umfassende Interpretation des Systems, da die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse nicht gewährleistet ist. Bei Phenol-Formaldehyd in wäßriger Lösung und NaOH als Katalysator kommt es meist zu einem Kollabieren des Gelnetzwerks während der Trocknung. Lediglich bei hohem Formaldehydüberschuß zeigt sich ein enger Bereich, in dem Xerogele mit geringer Dichte (rhomin = 0,22 g/cm3) und relevantem Mesoporenvolumen von bis zu 0,59 cm3/g synthetisierbar sind. Die interessanteste Kombination im PF-System ergibt sich mit HCl als Katalysator und n-Propanol als Lösungsmittel. Hier sind hochporöse Kohlenstoffxerogele mit geringen Dichten (rhomin = 0,23 g/cm3) und für Xerogele sehr hoher Mesoporosität von bis zu Vmeso = 0,85 cm3/g möglich. Damit ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen über konvektive Trocknung homogene hochporöse Xerogel-Formkörper auf PF-Basis zu synthetisieren. Aus der Überwachung des Sol-Gel-Prozesses mit Detektion der Soltemperatur konnten wichtige Erkenntnisse über exo- und endotherme Vorgänge gewonnen werden. Zudem zeigt die Zeitabhängigkeit der Soltemperatur Gemeinsamkeiten für alle untersuchten Hydroxybenzol-Formaldehyd-Systeme. So kann der Gelpunkt der Ansätze zuverlässig und auch reproduzierbar anhand eines zweiten lokalen Temperaturmaximums ermittelt werden, welches mit einer Gelpunktsenthalpie korreliert wird. Damit ist auch eine Prozeßkontrolle, z.B. für die Kombination mit Partikeltechnologien, möglich. Die zugrundeliegenden Strukturbildungsmechanismen, Sol-Gel-Prozeß einerseits und Trocknung andererseits, wurden in-situ mittels SAXS beobachtet und anhand der gewonnenen Daten diskutiert und bewertet. Eine vollständige Adaption des etablierten und akzeptierten Bildungsmechanismus von RF basierten Aerogelen (Partikelbildung aus Kondensationskeimen und Partikelwachstum) für das PF-System wird ausgeschlossen. Vielmehr scheint bei den untersuchten PF-Systemen auch eine Mikrophasenseparation als konkurrierender Prozeß zur Partikelbildung von Relevanz zu sein.
N2  - Highly porous carbon aerogels derived via the sol-gel-process based on the precursors resorcinol and formaldehyde are materials with impressive physical properties. In principle, they are suited for many applications (e.g. thermal insulations, components in electrochemical devices). Unfortunately, up to now, there are only small amounts of carbon aerogels available. Due to cost efficiency, cheaper materials with less favourable properties compared to carbon aerogels are used. To compensate for this disadvantage, the motivation for this work was the development of new synthesis routes for carbon materials with nanostructured morphology, applying in particular cheap precursors and/or simple processing. As precursor systems, sugar as well as hydroxybenzene-formaldehyde-derivatives were chosen. The produced carbons were characterised in particular by electron microscopy, gas sorption and small-angle X-ray scattering (SAXS). To avoid misinterpretation of the experimental data of the new materials system, extensive knowledge concerning the characterization methods and their underlying physical principles are essential. Carbon powders based on spherical particles derived from suspensions and sediments of resorcinol-formaldehyde (RF) solutions establish a completely new possibility to generate carbon nanospheres. Within the framework of this thesis the range of the synthesis parameters of the RF-system towards the non-monolithic parameter sets was therefore systematically completed. These materials were characterized and interpreted extensively and in detail by using the derived experimental data. The particle size depends essentially on the catalyst concentration rather than on the amount of precursors in the initial solution. The lower limit particle size derived from stable colloidal suspensions is about 30 nm. Larger particles than 5 µm could not be synthesized, even when modifying the synthesis route. An estimate for the level of aggregation of the carbon powders was determined. Admixing of phenol decreases the particle size in this system and generates increasingly non-spherical structures. The evaluated particle sizes derived from gas sorption, SAXS and dynamic light scattering (DLS) are in good agreement with each other. During pyrolysis, the particles shrink to 84% of the initial value (particle size). One goal of this work was the synthesis of porous carbons with phenol and formaldehyde (PF) as precursors and subcritical drying (carbon xerogels). To extend the possible properties of the resulting carbon xerogels, several modifications of the synthesis parameters as well as in the production process were conducted. The results show, that with the precursors phenol-formaldehyde in aqueous solution using Na2CO3 as catalyst, porous xerogels can in principle be synthesized. However, the unusual gelation kinetics (flake forming instead of sol-gel-transition) prevents a detailed interpretation of this system, because the reproducibility of the results can not be ensured. With the system phenol and formaldehyde in aqueous solution using NaOH as catalyst, the gel network mostly collapses during drying. Only with excess formaldehyde a range in the synthesis parameters exists, where xerogels with low density (rhomin = 0,22 g/cm3) and relevant mesopore volume of up to 0,59 cm3/g can be synthesized. The most interesting combination of PF is with HCl as catalyst and n-propanol as solvent. With this system, highly porous carbon xerogels with low densities (rhomin = 0,23 g/cm3) and for xerogels high mesoporosity of up to Vmeso = 0,85 cm3/g can be synthesized. Hence, within the framework of this thesis highly porous monolithic xerogels based on PF as precursors in combination with subcritical drying have been successfully synthesiszed for the first time. Monitoring of the sol-gel-process by detection of the sol temperature provided important information about exo- and endothermal reactions. Moreover, the temperature dependence of the sol shows similarities for all investigated hydroxybenzene-formaldehyde combinations. The gelling point of the precursor systems can be reproduced reliably by determining a second local maximum of the sol temperature, which can be correlated with an enthalpy of gelation (second order process). By this way, a process control is possible, e.g. for the combination with particle technologies. The basic mechanisms of structure formation, i.e. the sol-gel-process on the one hand and the subcritical drying on the other hand were monitored in-situ by SAXS and discussed on the base of the obtained data. A complete adaptation of the established and accepted structure formation mechanism of RF based aerogels (forming and growing of particles by) can be ruled out for the PF-system. Moreover, microphase separation seems to be a relevant competing process for the particle forming in the PF-system.
KW  - Sol-Gel-Verfahren
KW  - Kohlenstoff
KW  - Aerogel
KW  - Xerogel
KW  - Phenol-Formaldehyd-Kondensationsprodukt
KW  - Nanopartikel
KW  - Adsorption
KW  - Röntgen-Kleinwinkelstreuung
KW  - sol-gel-technology
KW  - xerogel
KW  - phenolic resin
KW  - carbon
KW  - nanoparticle
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-45325
ER  - 
TY  - THES
A1  - Wagner, Martin
T1  - Zyto- und Gentoxizität von Zinkoxid-Nanopartikeln in humanen mesenchymalen Stammzellen nach repetitiver Exposition und im Langzeitversuch
T1  - Time-Dependent Toxic and Genotoxic Effects of Zinc Oxide Nanoparticles after Long-Term and Repetitive Exposure to Human Mesenchymal Stem Cells
N2  - Zinkoxid-Nanopartikel (ZnO-NP) finden in vielen Produkten des täglichen Verbrauchs Verwendung. Daten über die toxikologischen Eigenschaften von ZnO-NP werden kontrovers diskutiert. Die menschliche Haut ist in Bezug auf die ZnO-NP Exposition das wichtigste Kontakt-Organ. Intakte Haut stellt eine suffiziente Barriere gegenüber NP dar. Bei defekter Haut ist ein Kontakt zu den proliferierenden Stammzellen möglich, sodass diese als wichtiges toxikologische Ziel für NP darstellen. Das Ziel dieser Dissertation war die Bewertung der genotoxischen und zytotoxischen Effekte an humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) durch niedrig dosierte ZnO-NP nach 24 stündiger Exposition, repetitiven Expositionen und im Langzeitversuch bis zu 6 Wochen. Zytotoxische Wirkungen von ZnO-NP wurden mit 3-(4,5-Dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazoliumbromid-Test (MTT)  gemessen. Darüber hinaus wurde die Genotoxizität durch den Comet-Assay bewertet. Zur Langzeitbeobachtung bis zu 6 Wochen wurde die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet. Zytotoxizität nach 24-stündiger ZnO-NP-Exposition war ab einer Konzentration von 50 µg/ml nachweisbar. Genotoxizität konnten bereits bei Konzentrationen von 1 und 10 µg/ml ZnO-NP beschrieben werden. Wiederholte Exposition verstärkte die Zyto-, aber nicht die Genotoxizität. Eine intrazelluläre NP-Akkumulation mit Penetration der Zellorganelle wurde bei einer Exposition bis zu 6 Wochen beobachtet. Die Ergebnisse deuten auf zytotoxische und genotoxisches Effekte von ZnO-NP hin. Bereits geringe Dosen von ZnO-NP können bei wiederholter Exposition toxische Wirkungen hervorrufen sowie eine langfristige Zellakkumulation. Diese Daten sollten bei der Verwendung von ZnO-NP an geschädigter Haut berücksichtigt werden.
N2  - Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NP) are widely used in many products of daily consumption. Data on the toxicological properties of the ZnO-NP used are discussed controversially. Human skin is the most important organ in terms of ZnO-NP exposure. Intact skin has been shown to provide an adequate barrier against NPs, while defective skin allows NP contact with proliferating cells. Among proliferating cells, stem cells are the main toxicological target for NPs. Therefore, the aim of this dissertation was to evaluate the genotoxic and cytotoxic effects of human mesenchymal stem cells (hMSC) by low-dose ZnO-NP after 24 hours of exposure, repetitive exposures and in long-term experiments up to 6 weeks. Cytotoxic effects of ZnO-NP were measured with 3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide test (MTT). In addition, genotoxicity was assessed by the comet assay. Transmission electron microscopy (TEM) was used for long-term observation after 6 exposure periods. The results of the study show that ZnO-NP has a cytotoxic effect starting at high concentrations of 50 µg/mL and could demonstrate genotoxic effects in hMSC exposed to 1 and 10 µg/ml ZnO-NP. Repeated exposure enhanced cytotoxicity but not genotoxicity. Intracellular NP accumulation with penetration of the cell organelles was observed at exposure up to 6 weeks. The results indicate the cytotoxic and genotoxic potential of ZnO-NP. Even small doses of ZnO-NP can cause toxic effects with repeated exposure and long-term cell accumulation. These data should be considered when using ZnO-NP on damaged skin.
KW  - nanoparticle
KW  - zinc oxid
KW  - stem cells
KW  - nanotoxicology
KW  - human skin
KW  - Nanopartikel
KW  - humane mesenchymale Stammzellen
KW  - Genotoxizität
KW  - Zytotoxizität
KW  - Repetitive Exposition
KW  - Elektronenmikroskopie
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-275726
ER  -