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Faculty / Organisational entity
Liquid Composite Molding (LCM) processes, like Resin Transfer Molding (RTM) and Vacuum Assisted Resin Infusion (VARI), are gaining increasing interest for the cost-efficient production of fiber reinforced polymer matrix composites, e. g. Airbus A380 rear bulkhead. Meanwhile, purpose-built thermoset resin systems with adequately low processing viscosities are available. Although showing a better fatigue resistance composites from epoxy resins (EP) tend to be expensive while vinylester resin (VE) composites are more brittle and, hence, less fatigue resistant but attract due to their lower material costs. Following research on the toughness improvement of vinylester based resin systems, one subject of this thesis was the broad experimental characterization of the static and cyclic behavior of carbon fiber reinforced composites from resin systems which were toughened by either the generation of interpenetrating networks with aliphatic (Al-EP) and cyclo-aliphatic epoxy resins (Cal-EP) or by addition of a liquid, epoxy-terminated butadiene-nitrile rubber (ETBN). While quasi-static in-plane tension, compression and shear testing of [0°]8 and [±45°]3S laminates resulted in an unclear picture with regard to the mechanical performance of the investigated resin systems, R = -1 cyclic step loading provided a definite indication of the considerably higher cyclic fatigue strength of the modified carbon fiber reinforced vinylester-urethane (CF/VEUH:ETBN) composite which, consequently, was selected for detailed mechanical testing. To provide experimental input for subsequent fatigue life simulations applying the Critical Element Concept of Reifsnider et al. [76] the study included the determination of ultimate in-plane tension, compression and shear properties as well as the characterization of the cyclic fatigue behavior under constant amplitude loading. Different descriptions of S-N curves of the [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-laminates for R = +0.1, -1 and +10 were determined to derive constant fatigue life diagrams applying methods of Goodman or Harris et al. Furthermore the residual strength degradation model for the critical element (0° ply) and the residual stiffness degradation models for the sub-critical elements have been derived by experimental determination on [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-(CF/VEUH:ETBN)-laminates. Deficiencies in current fatigue life time prediction modeling for carbon fiber reinforced materials nowadays results in large factors of safety to be adopted. As a consequence composite structures are often overdesigned and expensive proto-type testing is required for life time prediction. Therefore, in this thesis standardized random-ordered miniTWIST (minimized transport wing standard) spectrum loading was used to understand improvements in fatigue life modeling so that fatigue life prediction results in a more efficient use of these materials. In particular the influence of constant amplitude cyclic fatigue modeling as well as constant fatigue life modeling itself on the results of the fatigue life analysis of random loading sequences have been investigated. Finally the bearing of residual strength or residual stiffness degradation modeling and the effect of filtering and counting methods on the fatigue life time prediction was determined in a sensitivity analysis. The fatigue life models were validated by experimental results using the random miniTWIST-loading on [0°]8-, [0°/90°]2S- and [+45°/0°/-45°/90°]S-(CF/VEUH:ETBN)-laminates.
Ein Beitrag zu Optimierung der Informationslogistik im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie
(2008)
Die Informationslogistik als die richtige Information zur richtigen Zeit am richtigen Ort ist heutzutage im Ersatzteilwesen der Automobilindustrie nicht ideal ausgeführt. Redundante Informationen wie auch historisch gewachsene, heute nicht mehr benötigte Informationen stehen fehlenden Informationen gegenüber. Medienbrüche führen zu Fehlern und hohem Aufwand. Auf der anderen Seite stellt das Ersatzteilwesen der Automobilindustrie aus Sicht der Information ein komplexes Umfeld dar. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Dissertation ein Vorgehensmodell entwickelt, mit dem strukturiert ein Grobkonzept für eine optimierte Informationslogistik erstellt werden kann. Die Arbeitsschritte sind an die Konstruktionsmethodik im Maschinenbau angelehnt. Das Vorgehensmodell ist dabei nicht auf spezielle Informationstechnologien wie beispielsweise die aktuell vielfach diskutierte Radiofrequenzidentifikation (RFID) festgelegt. Das Ergebnis des Vorgehensmodells ist ein Grobkonzept, welches den Informationen in ihrem Lebenszyklus optimiert Technologie und Speicherort in Bezug zu den Prozessen zuweist. Gleichzeitig werden wichtige Eigenschaften der Technologien wie z.B. die benötigte Speichergröße definiert. Das so erarbeitete Grobkonzept stellt eine fundierte Grundlage für die anschließende Feinplanung der Informationslogistik dar.
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung der Zwangsbeanspruchungen und mit den daraus resultierenden Verformungen auf geotechnische Bauwerke infolge Quellen von teilgesättigten, bindigen Böden. Zur Ermittlung eines Quellgesetzes zur Beschreibung dieses Volumenänderungsverhaltens wurden zwei spezielle Oedometergeräte entwickelt. Mittels eines modifizierten Oedometers können radiale und axiale Quelldrücke getrennt voneinander gemessen sowie axiale Dehnungen zugelassen werden. Die axialen Spannungen werden über eine Kraftmessdose ermittelt während die radialen über Dehnungsmessstreifen, die an der Außenfläche des Oedometerringes befestigt sind, bestimmt werden. Mit Hilfe dieser Dehnungsmessstreifen wird die Radialverformung des Ringes gemessen. Daraus wird die Ringkraft und somit der Radialdruck, der auf der Probe wirkt, ermittelt. Ein anderes Oedometergerät, welches bis auf den Oedometerring baugleich zu dem bereits erwähnten ist, wurde speziell für die vorliegende Problematik entwickelt. In der Innenseite des Oedometerringes ist eine Membran angebracht, über die kontrolliert Radialdrücke erzeugt und gemessen werden können. Der Raum zwischen dem Ring und der Membran ist mit einem Fluid gefüllt. Durch Regulierung des im Reservoir befindlichen Fluidvolumens kann die Radialdehnung gesteuert werden. Somit ist dieses modifizierte Oedometergerät mit einem triaxialen Apparat vergleichbar. Es wurden umfangreiche Untersuchungen in den o. g. Geräten an einem quellfähigen Boden durchgeführt. Dabei wurden der Anfangs- und der Endsättigungsgrad sowie die Porenzahl variiert. Aus den Versuchen ergab sich, dass das Quellverhalten als nichtlinear elastisch angesehen werden kann. Anhand dieser Ergebnisse sind Approximationen für das eindimensionale sowie das dreidimensionale Quellverhalten aufgestellt und in den FEM - Code ABAQUS mittels einer Subroutine implementiert worden. In der numerischen Simulation werden die elastischen Quelldeformationen mit den mechanischen Deformationen aus äußerer Belastung und Eigengewicht überlagert. Für die mechanische Beanspruchung ist eine linear elastische - ideal plastische Spannungsdehnungsbeziehung angenommen mit einer Grenzfunktion nach Drucker - Prager. Es ist bekannt, dass dieses Materialgesetz nur bedingt geeignet ist zur Beschreibung des Materialverhaltens teilgesättigter, bindiger Böden. Es ist jedoch relativ einfach zu handhaben und adäquat genug um zu demonstrieren, dass die implementierten Quellbeziehungen miteinem Großteil der existierenden mechanischen Spannungsdehnungsbeziehungen verwendet werden können. Zur Überprüfung der Güte der in ABAQUS eingegebenen und implementierten Beziehungen werden exemplarisch verschiedene experimentelle Ergebnisse nachgerechnet und mit den Simulationen verglichen. Die Rückrechnung der entwickelten Zusammenhänge zeigt, dass die Variation des Quellmoduls für alle variierten Parameterwerte zu einer sehr guten Übereinstimmung in den Ergebnissen führt. Abschließend wird anhand eines praxisorientierten Berechnungsbeispiels aus der Geotechnik bestehend aus einer Pfahl-Platten Einheit die Anwendungsmöglichkeit des aufgestellten und implementierten Quellmodells für die Praxis dargestellt.
Untersuchungen zur Beeinflussung humaner Topoisomerasen und der DNA-Integrität durch Beerenfrüchte
(2008)
Das Ziel dieser Arbeit war es zur Aufklärung der Beeinflussung von humanen Topoisomerasen und der DNA-Integrität durch polyphenolische Substanzen und polyphenolreiche Extrakte beizutragen. Die vorliegende Dissertation zeigt auf, dass auch die beschriebene DNA-schädigende Wirkung von Delphinidin, sowie das Ausbleiben einer antioxidativen Wirkung des Anthocyanidins unter Zellkulturbedinungen teilweise auf das gebildete H2O2 zurückzuführen ist. Insgesamt zeigen die Daten, dass alle in dieser Arbeit untersuchten Polyphenole oder polyphenolreichen Extrakte mit Ausnahme der Ellagsäure Wasserstoffperoxid im Zellkulturmedium generieren. Delphinidin moduliert die DNA-strangbrechende Wirkung der, in der Chemotherapie eingesetzten Topoisomerasegifte Camptothecin, Etoposid und Doxorubicin in HT29-Zellen. Basierend auf diesen Ergebnissen lässt sich für Delphinidin folgender Wirkmechanismus postulieren: Delphinidin wirkt als katalytischer Hemmstoff der Topoisomeraseaktivität, der die Enzyme inaktiviert bevor diese an die DNA binden und einen Strangbruch induzieren. Die in dieser Arbeit untersuchten anthocyanreichen Extrakte hemmen potent die Aktivität humaner Topoisomerasen. Des Weiteren stabilisieren sie nicht das kovalente Enzym-DNA-Intermediat in HT29-Zellen, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Extraktinhaltsstoffe als rein katalytische Topoisomerasehemmstoffe agieren. Eine Bindung an die DNA-Furchen wiesen die Extraktinhaltsstoffe nicht auf. Zudem induzieren die Extrakte keine DNA-Strangbrüche und bewirken keinen Zellzyklusarrest in der G2/M-Phase, so dass der Einfluss der polyphenolischen Extraktinhaltsstoffe auf die DNA-Integrität als gering einzustufen ist. Vergleichbar mit Delphinidin modulieren auch die Extrakte die DNA-strangbrechende Wirkung von Topoisomerasegiften. Weiterhin konnte im Rahmen diese Dissertation bestimmt werden, dass die getesteten Ellagtannine sowie die Ellagsäure die Aktivität humaner Topoisomerasen im zellfreien System hemmen. Dabei wirken nicht nur die Einzelsubstanzen als potente Topoisomerasehemmstoffe, sondern auch ein Eichenholzextrakt. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Ellagtannine keine Stabilisierung des Topoisomerase-DNA-Intermediats bewirken. Des Weiteren konnte für Castalagin eine Modulation der strangbrechenden Wirkung von Camptothecin bestimmt werden. Dieses Ergebnis legt nahe, dass Castalagin als katalytischer Hemmstoff die Topoisomerase hemmt bevor das Enzym an die DNA binden und einen Strangbruch im Zucker-Phosphat-Rückgrat induzieren kann.
Bromierte Flammschutzmittel (BFRs) werden zum Brandschutz in verschieden Kunststoffe eingearbeitet. Da sie auch in Alltagsgegenständen eingesetzt werden und in nahezu allen Kompartimenten der Umwelt, eingeschlossen der Nahrung, detektiert wurden, ist der Mensch täglich diesen Stoffen ausgesetzt. Die Flammschutzmittel Tetrabromobisphenol A (TBBPA), Hexabromocyclododecan (HBCD) und die aus polybromierten Biphenylethern (PBDEs) bestehenden, industriell hergestellten Gemische Pentamix und Decamix stehen aufgrund ihrer verbreiteten Anwendung oder Verteilung in der Umwelt und ihrem bioakkumulierendem Potential unter besonderem Fokus dieser Arbeit. In subakuten Studien wurden Wistar Ratten (WU-CBP) oral mit verschiedenen Dosen von TBBPA, HBCD, Pentamix oder Decamix über 28 Tage täglich behandelt. Während TBBPA mit Dosen bis zu 300 mg/kg KG/d im Futter vermengt wurde, wurden HBCD und der Pentamix mit jeweils bis zu 200 mg/kg KG/d und der Decamix mit bis zu 60 mg/kg KG/d in Maiskeimöl per Schlundsonde verabreicht. Untersucht wurden anschließend in allen vier Studien die fremdstoffmetabolisierenden Enzyme CYP1A, CYP2B und CYP3A in der Leber in der Real-Time-PCR, im Western-Blot und in Enzymaktivitätstests. Induktionseffekte in diesen Enzymfamilien wurden zusätzlich in Primärheptozyten der Ratte bei Behandlung mit HBCD und dem Pentamix ermittelt. Während für TBBPA in vivo bei keinem der drei Enzymfamilien Induktionseffekte weder bei Protein, noch RNA nachzuweisen waren, zeigte sich beim Decamix eine Erhöhung von CYP1A und CYP2B in der Leber von weiblichen und noch stärker von männlichen Ratten. Dies liess sich für RNA, sowie Protein nachweisen. Unabhängig von der Trendanalyse wurden schon signifikante Effekte ab der Dosis von 15 bzw 7,5 mg/kg KG/d für CYP1A bzw. CYP2B berechnet. Für CYP3A wurden weder in den weiblichen noch männlichen Tieren Induktionseffekte ausgemacht. Durch HBCD-Behandlung wurden in vitro CYP1A, CYP2B und CYP3A konzentrationsabhängig induziert, in vivo CYP2B und CYP3A ab Dosen von 10 mg/kg KG/d. HBCD zeigte für CYP1A in vivo keine Effekte. Der Pentamix induzierte, dosisabhängig die Enzyme CYP1A, CYP2B und CYP3A, wie auf RNA- und Protein- und teilweise auf Aktivitätsebene nachgewiesen werden konnte. Im Falle von CYP2B liegt statistisch signifikant der niedrigste Effektlevel bei 2,47 mg/kg KG/d. In vitro wurde CYP1A mit einer EC50 von etwa 1µM induziert, festgestellt in der RealTimePCR, im Western Blot-Verfahren und im EROD-Assay. Die bromierten Flammschutzmittel HBCD, Penta- und Decamix konnten somit in vivo und, teilweise in vitro, als Induktoren für fremdstoffmetabolisierende CYPs der Ratte ausgemacht werden. Implikationen davon sind vermutete endokrine Effekte durch Disbalance der über die CYPs metabolisierten Hormone, aber auch Einwirkungen auf Medikamentenwechselwirkungen. Andere Enzyme, die bei der Transkription über die gleichen Signalwege gesteuert werden wie die vorgestellten Markerenzyme, könnten ebenso durch BFRs induziert werden.
Untersuchungen zu Spincrossover und Valenztautomerie an an Eisen(II)- bzw. Kobalt(II)-Komplexen
(2008)
Mit den Komplexen [Fe(L-N4H2)(NCS)2]∙MeOH (1) und [Fe(L-N2S2)(NCS)2]∙0,5 DMF (2) konnten zwei neue Spincrossover-Verbindungen synthetisiert werden, die Thiocyanat-Anionen als Liganden beinhalten. Die magnetischen Untersuchungen für Komplex 1 wurden aufgrund der verwitterungsanfälligen Kristalle mit einer lösungsmittelfreien Probe ([Fe(L-N4H2)(NCS)2]) durchgeführt. Sowohl die SQUID-Magnetometrie als auch die Mößbauer-Spektroskopie zeigen hierbei einen unvollständigen Spinübergang, bei dem bei tiefen Temperaturen ein high-spin Restanteil von 30 % verbleibt. Die Übergangstemperatur beträgt T1/2 = 141 K, für Komplex 2 wird ein Wert von T1/2 = 232 K gefunden. Der Komplex [Fe(L-N4tBu2)(CN)2]•MeCN (3) ist das erste Beispiel einer eisen(II)-haltigen low-spin Verbindung, die den makrozyklischen Pyridinophanliganden L-N4tBu2 enthält. Durch die Verwendung von Coliganden mit geringerer Ligandenfeldstärke (verglichen zum Cyanid-Anion) gelang es in der vorliegenden Arbeit erstmals, Spincrossover-Komplexe mit dem Liganden L-N4tBu2 zu synthetisieren. Dabei handelt es sich um die Eisen(II)-Komplexe [Fe(L-N4tBu2)(bipy)](BPh4)2•MeCN•Et2O (4), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•Et2O (5a), [Fe(L-N4tBu2)(phen)](BPh4)2•MeCN (5b), [Fe(L-N4tBu2)(dppz)](BPh4)2 (6) sowie [Fe(L-N4tBu2)(bpym)](BPh4)2•MeCN (7), bei denen aromatische Diimine als Coliganden eingesetzt wurden. Die Röntgenstrukturanalysen zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Bindungslängenunterschiede, die jeweils auf einen Spincrossover schließen lassen. Die magnetischen Untersuchungen zeigen für die Komplexe 4 (T1/2 = 177 K), 5a (T1/2 = 179 K), 5b (T1/2 ≈ 347 K), 6 (T1/2 = 275 K) und 7 (T1/2 ≈ 335 K) Spinübergänge mit unterschiedlichen Verläufen und Übergangstemperaturen. Besonders hervorzuheben sind dabei die analogen Komplexe 5a und 5b, die sich zwar lediglich durch das im Kristallgitter eingebaute Lösungsmittelmolekül unterscheiden, jedoch völlig verschiedene magnetische Eigenschaften und Spinübergangsarten aufweisen. Neben den einkernigen low-spin Komplexen [Fe(L-N4Me2)(bpym)](ClO4)2 (8) und [Fe(L-N4Me2)(BiBzIm)]∙4 MeOH (9) konnten erstmals mit dem Pyridinophanliganden L-N4Me2 zweikernige Spincrossover-Komplexe hergestellt werden. Der zweikernige Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(BiBzIm)](ClO4)2∙2 EtCN (10) zeigt bei T = 175 K einen abrupten high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang. Nur eines der beiden Eisen(II)-Ionen geht beim Abkühlen vom high-spin in den low-spin Zustand über. In der Kristallstruktur können bei tiefen Temperaturen die beiden unterschiedlichen Eisen(II)-Zentren genau lokalisiert werden. Ein solcher high-spin/high-spin→high-spin/low-spin Übergang wird auch für [{Fe(L-N4Me2)}2(BzImCOO)](ClO4)2∙0.5 (CH3)2CO (11) beobachtet. Die Übergangstemperatur beträgt hier T = 210 K. Das high-spin und das low-spin Eisen(II)-Ion können in dieser Kristallstruktur bei tiefer Temperatur ebenfalls genau identifiziert werden. Bei dem Komplex [{Fe(L-N4Me2)}2(pndc)](ClO4)2∙H2O (12) handelt es sich ebenfalls um einen zweikernigen Spincrossover-Komplex, der einen vollständigen Spinübergang aufweist (T1/2 ≈ 260 K). Die Untersuchungen zur Valenztautomerie wurden an Kobalt-Komplexen mit dem redoxaktiven Liganden 3,5-Di-tert-butylcatecholat und den makrozyklischen Pyridinophan-liganden L-N4Me2 und L-N4tBu2 durchgeführt. Die Röntgenstrukturanalyse weist Verbindung [Co(L-N4Me2)(dbc)](BPh4) (13) als diamagnetische low-spin Kobalt(III)-Catecholat-Spezies aus. Die C-C-Bindungen und die C-O-Abstände belegen, dass der Dioxolenligand in der Catecholat-Form vorliegt. Außerdem sind die Co-N- und die Co-O-Bindungslängen sehr kurz, was auf das low-spin Kobalt(III)-Ion zurückzuführen ist. Bei Komplex [Co(L-N4tBu2)(dbsq)](B(C6H4Cl)4) (14) handelt es sich hingegen um eine paramagnetische Kobalt(II)-Semichinonat-Verbindung. In der Kristallstruktur ist im kompletten Temperaturbereich das typische Bindungsschema eines Semichinonatliganden zu erkennen. Dagegen unterscheiden sich die Co-N- und die Co-O-Abstände bei den verschiedenen Messtemperaturen deutlich voneinander. Während die kürzeren Bindungs-längen bei T = 100 K eindeutig auf ein low-spin Kobalt(II)-Ion schließen lassen, legen die bei T = 400 K deutlich elongierten Bindungslängen einen beginnenden Spinübergang in den high-spin Zustand nahe. Dieser Befund wird durch die SQUID-Messung unterstützt, bei der im Temperaturintervall von 50 K bis 200 K konstante Werte für χMT bzw. für µeff gefunden werden, während die Werte für T > 200 K deutlich ansteigen und somit auf einen Spincrossover hinweisen.
Das Zwei-Komponenten System CiaRH beeinflusst die genetische Kompetenz, das Lyseverhalten, die Virulenz und die Resistenz gegen Cefotaxim von S. pneumoniae. Der entscheidende Einfluss von CiaRH für S. pneumoniae zeigt sich auch darin, dass in mehreren Transkriptomstudien eine große Zahl von Genen identifiziert wurde, die in Abhängigkeit des Zwei-Komponenten Systems transkribiert werden. In dieser Arbeit konnten nun die Gene, deren Transkription direkt durch Bindung des Response Regulators CiaR in ihrem Promotorbereich reguliert wird, eindeutig definiert werden. Durch die Kombination von transkriptionellen Reportergenfusionen in dem neu konstruierten Promoter Probe Plasmid pPP2, Bandshiftassays und Mutageneseexperimenten wurde als Bindestelle von CiaR ein Direct Repeat mit der Sequenz TTTAAG-N5-TTTAAG identifiziert. Für 16 Promotoren mit dieser Bindestelle wurden eine Bindung von CiaR und eine CiaRH abhängige Expression nachgewiesen. Von den 16 Promotoren sind 15 positiv und nur einer negativ reguliert. Insgesamt besteht das CiaRH Regulon aus 30 Genen, wobei 19 Gene in 6 Operons organisiert sind. Zum CiaRH Regulon gehören ciaRH selbst, eine Vielzahl von Genen, die am Zellwandmetabolismus beteiligt sind (lic1 Operon, dlt Operon), die Gene von fünf kleinen nicht-kodierenden RNAs (ccnA-E), die Stressprotease HtrA, das Chromosomensegregationsprotein ParB, die Peptidyl-Prolyl Isomerase PpmA, die Maltoseverwertungsgene malMP, das Phosphotransferasesystem ManLMN und mehrere Gene mit unbekannter Funktion. Die eindeutige Identifizierung der Gene des Regulons des Zwei-Komponenten Systems CiaRH ermöglicht eine detaillierte Analyse der Zusammenhänge mit den cia-vermittelten Phänotypen. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurde darauf eingegangen, welche Rolle die Histidinkinase CiaH spielt und woher das Phosphat für die Phosphorylierung des Response Regulators CiaR stammt. Es wurde durch Einbringen der Mutation D51A in CiaR gezeigt, dass das Aspartat an dieser Stelle des Proteins entscheidend für die Aktivität von CiaR als transkriptionellen Regulator ist. CiaH ist hingegen während des exponentiellen Wachstums in C-Medium für die Aktivität von CiaR verzichtbar. Die Promotoren des CiaRH Regulons zeigten in Abwesenheit der Kinase während dieser Wachstumsphase keine veränderte Aktivität. Die Phosphorylierung von CiaR muss daher auch über einen anderen Weg, beispielsweise über Acetylphosphat, erfolgen können. Deshalb wurde auch der Einfluss der Inaktivierung von spxB, dem Gen für eine Pyruvatoxidase, welche die Synthese eines Großteils des zellulären Acetylphosphats in S. pneumoniae katalysiert, untersucht. Eine entscheidende Rolle wurde für CiaH bei Eintritt in die stationäre Wachstumsphase beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass zu diesem Zeitpunkt nur bei vorhandenem CiaH ein Anstieg der Aktivität der Promotoren des CiaRH Regulons stattfindet. Dies deutet darauf hin, dass die Histidinkinase beim Übergang in die stationäre Phase ein Signal erhält, das die Aktivierung des CiaRH Regulons stimuliert. Möglicherweise können daraus Ansätze zur Identifizierung des bisher unbekannten Signals von CiaH entwickelt werden.
Die Herstellung duroplastischer Werkstoffe verlangt nicht nur eine präzise Kenntnis
des Materialverhaltens in Abhängigkeit der Prozessführung, sondern auch den
Einsatz geeigneter Analysemethoden zur Charakterisierung und Beurteilung des
Werkstoffes. Eine wesentliche Herausforderung bei der Vernetzung von Polymeren
stellen innere Spannungen dar, die durch chemischen Reaktionsschwund und
thermische Ausdehnung verursacht werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Vernetzungsvorgang und die daraus resultierenden
Eigenschaften eines Epoxidharzes mit bestehenden materialwissenschaftlichen
Analyseverfahren zu charakterisieren und durch die Implementierung einer
neuartigen Dehnungsmesstechnik einen idealen thermischen Vernetzungsprozess
für einen spannungsminimierten Zustand zu definieren.
Den Untersuchungen liegt ein kommerzielles Epoxidharz (EP-Harz) auf der Basis
von anhydridgehärtetem Bisphenol A zugrunde. Es wurden sowohl das reine, d.h.
das ungefüllte Polymer, als auch ein mit Calciumsilikat und -carbonat gefülltes
System analysiert. Eine Materialcharakterisierung mit kalorimetrischen und
rheologischen Verfahren in Verbindung mit der Anpassung an reaktionskinetische
und chemorheologische Modelle liefert eine quantitative Beschreibung des
Vernetzungsvorganges sowohl des ungefüllten als auch des gefüllten EP-Harzes.
Die während der Vernetzung auftretenden Kräfte der beiden Harzsysteme wurden
mit Normalkraftmessungen erfasst und mathematisch erfolgreich modelliert. Das
Erweichungsverhalten sowie die (bruch)mechanischen Werte der Werkstoffe wurden
mit statischen und dynamischen mechanischen Analysen im unterschiedlich stark
vernetzten, festen Zustand geprüft. Maximale mechanische Eigenschaften werden
erst bei vollständiger Umsetzung erreicht.
Ein neuartiges Verfahren basierend auf einer faseroptischen Messsensorik wurde für
das gefüllte EP-Harz entwickelt und ermöglicht die Bestimmung reaktionsinduzierter
Dehnungen im vernetzenden Polymer. Fibre Bragg Grating (FBG)-Sensoren, die
direkt im Reaktionsharz eingebettet wurden, ermöglichen die Bestimmung von
charakteristischen Phasenübergängen während der chemischen Vernetzung, d.h.
Gelierung und Verglasung, ebenso wie die Erfassung des Ausdehnungsverhaltens
unter Temperatureinfluss. Die Ergebnisse zeigen exzellente Übereinstimmungen zu
den Daten aus etablierten Messverfahren wie Kalorimetrie, Rheologie, Volumendilatometrie
und thermisch-mechanischer Analyse. In umfangreichen Serien wurde
mithilfe der FBG-Technik der Einfluss verschiedener Phasen des thermischen Vernetzungsprozesses auf die reaktionsinduzierte Dehnungsentwicklung des EPHarzes
ermittelt.
Die erzielten Ergebnisse in Kombination mit ergänzenden Untersuchungen zum
Erweichungsverhalten sowie zur Eigenerwärmung durch exotherme Reaktion
erlauben die Definition eines idealisierten thermischen Prozesses mit dem Ziel einer
Minimierung innerer Spannungen im vernetzenden Werkstoff. Das ideal
spannungsoptimierte Härteprofil wird dadurch erzielt, dass bei zunächst moderater
Temperatur die Vernetzung in Gang gesetzt wird. Die anschließende Aufheizphase
auf Härtetemperatur startet noch im flüssigen Zustand und wird unter
Berücksichtigung von Exothermieeffekten so zügig durchgeführt, dass die Gelierung
des Materials bei möglichst hoher Temperatur stattfindet, idealerweise beim
maximalen Glasübergangspunkt Tg,∞. Erst nach einer vollständigen Vernetzung bei
entsprechend hoher Härtetemperatur tritt die Materialverglasung bei Unterschreitung
des Tg,∞ ein. Durch die gezielte Temperaturführung wird erreicht, dass die thermische
Ausdehnung gegenüber der chemischen Volumenreduktion dominiert und das
Auftreten von Zugkräften im vernetzenden Polymer unterbunden wird. Eine
frühzeitige Gelierung und besonders eine vorzeitige Verglasung während des
Vernetzungsprozesses hingegen verursachen bereits in einem niedrigen
Umsatzstadium Zugkräfte und Spannungen im Material, die sich in einem frühen
Materialversagen etwa in Form von Rissen äußern.
Die vorliegende Arbeit präsentiert durch die Implementierung des FBG-Verfahrens
nicht nur ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Polymerentwicklung, sondern bietet
auch durch die überzeugenden faseroptischen Messergebnisse in Kombination mit
gängigen Analyseverfahren eine höchst effektive Strategie zur Erreichung eines
idealen Härteprozesses zur spannungsarmen Vernetzung von Epoxidharzen.
Sandwichstrukturen mit einem Wabenkern und Faserverbund-Deckschichten finden
aufgrund ihres hohen Leichtbaupotenzials zunehmend Verwendung in zahlreichen
Konstruktionen, in denen eine Gewichtsersparnis angestrebt wird – allen voran im
Flugzeugbau. Im gleichen Zuge werden in der Produktentwicklung aus Effizienzgründen
verstärkt numerische Simulationsrechnungen auf Basis der Finite-Elemente-
Methode verwendet, um Bauteile für statische oder kurzzeitdynamische Belastungen
wie Crash- oder Impact-Belastungen auszulegen.
Die nichtlineare Materialmodellierung derartiger inhomogener Sandwichstrukturen
stellt aufgrund einer Vielzahl möglicher Versagensarten eine komplexe Aufgabe dar.
Da gerade auch im Fall von kurzzeitdynamischen Belastungen, bei denen Dehnrateneffekte
eine Rolle spielen können, wenig Kenntnis bezüglich des Materialverhaltens
besteht, setzt die vorliegende Arbeit an dieser Stelle an, um das Schädigungsverhalten
von Sandwichstrukturen im Flugzeugbau experimentell zu erfassen und
geeignete Modellierungsmethoden in der kommerziellen expliziten Berechnungssoftware
LS-DYNA zu entwickeln.
Neben den im Luftfahrtbereich etablierten Nomex®-Honigwaben wurden auch neuartige
Faltwaben untersucht, wobei zunächst das mechanische Verhalten beider Wabentypen
unter quasi-statischen und hochdynamischen Lastraten charakterisiert
wurde. Neben der experimentellen Bestimmung der Materialeigenschaften wurden
alternativ analytische und numerische Methoden angewendet. Insbesondere die virtuellen
Werkstoffprüfungen mittels dynamischer Simulationen und Mesomodellen
zeigten dabei das Potenzial, auf effiziente Weise und mit einer hohen Ergebnisgenauigkeit
das mechanische Verhalten von Wabenkernen vorherzusagen.
Den Schwerpunkt dieser Arbeit bildet die Untersuchung der in der Passagierkabine
verwendeten Sandwichstrukturen, welche aus Brandschutzgründen mit Deckschichten
aus glasfaserverstärkten Phenoplasten ausgeführt sind. In Versuchsreihen wurden
der Dehnrateneffekt des Deckschichtmaterials, die Festigkeit der Kern-
Deckschicht-Verklebung, der Einfluss des Herstellverfahrens auf die mechanischen
Eigenschaften sowie die Versagensarten unter ebener und transversaler Belastung
untersucht und in numerischen Modellen abgebildet. Da insbesondere Lasteinleitungs- und Verbindungsstellen potenzielle Versagensstellen
von Konstruktionen in Sandwichbauweise sein können, wurde das Schädigungsverhalten
von unterschiedlichen Kanten- und Insert-Verbindungen experimentell untersucht.
Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden Modellierungsmethoden entwickelt,
die eine Abbildung des Versagensverhaltens ermöglichen.
Im Rahmen der Versuchsreihen stellte sich ein transversales Kernschubversagen als
eine dominierende Schädigungsart heraus. Da unter Verwendung einer Schalenmodellierung
für die Sandwichstruktur in der Berechnungssoftware LS-DYNA kein Materialmodell
für den Wabenkern existiert, welches ein solches Versagen abbilden kann,
wurde hierfür ein benutzerdefiniertes orthotropes Werkstoffgesetz entwickelt. Neben
dem Transversalschubversagen wurden hierin auch die weiteren in dieser Arbeit ermittelten
Charakteristika von Wabenkernen wie ein nichtlineares Nachversagensverhalten
oder ein Dehnrateneffekt implementiert.
In dieser Arbeit wurden zahlreiche neue Erkenntnisse zum einen hinsichtlich des Materialverhaltens
der untersuchten Sandwichstrukturen und zum anderen hinsichtlich
der Modellierungsmethoden gewonnen. Diese Erkenntnisse lassen sich für eine Vielzahl
unterschiedlicher nichtlinearer Problemstellungen bei Sandwichstrukturen in der
Luftfahrt einsetzen und finden innerhalb dieser Arbeit in drei exemplarischen kurzzeitdynamischen
Lastfällen Anwendung: die Simulation von Kabinenkomponenten
bei einer harten Landung, die Impact-Belastung einer Faltwaben-Sandwichstruktur
sowie die Crashsimulation eines Rumpfsegments in Sandwichbauweise.
Im Rahmen dieser Dissertation wurde eine Laserverdampfungsquelle an einem neu installierten und anschließend umgebauten FT-ICR-Massenspektrometer in Betrieb genommen. Es konnten sowohl anionische als auch kationische Metallcluster erzeugt und in die ICR-Zelle überführt werden. Größenselektierte Übergangsmetallcluster (wie Niob, Vanadium, Kobalt und Tantal) wurden unter Einzelstoßbedingungen (8x10-10 - 1x10-8 mbar) auf ihre C-H-Aktivierung hin untersucht. Gemäß einer Kinetik pseudoerster Ordnung konnten relative Geschwindigkeitskonstanten für verschiedene Reaktionen bestimmt werden. Niobcluster wurden mit diversen Heteroaromaten (Pyrrol, Furan, Thiophen) und Kohlenstoffmonoxid umgesetzt. Ebenso wie bei der Reaktion von Tantalanionenclustern mit Kohlenstoffmonoxid wurde bei den Niobanionenclustern ein dunkler Reaktionskanal (vermutlich die Eliminierung eines e-) für bestimmte Clustergrößen beobachtet. Zusätzlich zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeitskonstanten wurde eine Ablöserate für ein e- in Abhängigkeit von der Niobclustergröße bestimmt. Vanadiumcluster Vn+ und VnO+/- wurden mit dem aromatischen System Benzol umgesetzt. Unabhängig von der Clustergröße zeigten sowohl die Cluster als auch die Oxide die vollständige Dehydrierung des Benzols als einzigen Reaktionskanal. Des Weiteren wurden die Reaktionen von Vn+, Con+/- und Tan+/- mit Acetonitril untersucht. Dabei wurden sehr komplexe Reaktionspfade beobachtet, als Hauptreaktionsweg konnte die paarweise Abspaltung von Wasserstoffatomen identifiziert werden. Tantalcluster Tan+/- wurden systematisch mit Methan, Benzol und Benzolderivaten untersucht. Der Haupttrend bei den Untersuchungen der Benzolderivate lag darin, dass je größer der Cluster wurde, desto größer wurde auch die Dehydrierung der untersuchten Systeme. Die zugeführte Energie reicht bei großen Tantalclustern aus, die Aktivierungsbarriere hin zur vollständigen Dehydrierung zu überwinden. Kleinere Cluster sind dazu nicht in der Lage. Des Weiteren werden IRMPD-Spektren an CLIO (Orsay/Paris) für protonierte und deprotonierte Adipinsäure und für das protonierte Dimer von Carnosin und für einen Carnosin-Zink-Komplex vorgestellt und mit vorhandenen theoretischen Rechnungen verglichen.
Faser-Kunststoff-Verbunde sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften und
Formgebungsmöglichkeiten der Trendwerkstoff im Rahmenbau von Hochleistungs-
Sportfahrrädern. Hierbei ermöglicht die zunehmende Berücksichtigung von Leichtbau-
Technologien eine Erhöhung der Leistungs-Gewichts-Relation, um den stetig
wachsenden Anforderungen an die Fahreigenschaften, die Haltbarkeit und das Gewicht
gerecht zu werden.
Ein geschichtlicher Rückblick über die letzten Jahrzehnte im Fahrradrahmenbau
zeigt eine deutliche Gewichtsreduktion bei steigender Funktionalität. Besonders der
Einsatz neuartiger Werkstoffe ermöglichte immer wieder eine wesentliche Erhöhung
der Leichtbaugüte. In den Anfängen begannen die Rahmenhersteller mit Gusseisen,
anschließend wurde Stahl verwendet und schließlich Leichtmetalle, wie Aluminium.
Die derzeit leichtesten Rahmen werden aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
gefertigt.
Die Anwendung von Faser-Kunststoff-Verbunden ist deutlich komplexer und fordert
eine integrierte Betrachtungsweise von den Werkstoffen über die Bauweise, der
Fertigungstechnologie sowie der Bauteilprüfung. Die erzielbare Leistungsfähigkeit
eines Hochleistungs-Rahmens wird hierbei wesentlich in der Konstruktions- und
Dimensionierungsphase vorgegeben. Eine Übersicht über derzeitige Bauweisen und
Fertigungstechnologien zeigt deren spezifische Eigenschaften.
Um in der Entwicklung eine möglichst gute Lösung innerhalb eines vorgegebenen
Zeitfensters zu erreichen, können praktikable und effiziente Simulationswerkzeuge
einen erheblichen Beitrag leisten. Hierzu wurde ein Werkzeug entwickelt, welches
mit Hilfe eines Gradientenverfahrens an parametrischen Geometrie FE-Modellen zur
Gestaltoptimierung und Optimierung der Laminatkonfiguration angewendet werden
kann. Dieses ist auf in Differentialbauweise gefertigte Rahmen ausgerichtet und
berücksichtigt in besonderem Maße die werkstoff- und fertigungsspezifischen Anforderungen
von Faser-Kunststoff-Verbunden.
Zur Verbesserung der Festigkeitsvorhersage dient ein Modell zur vollständigen
schichtenweisen Bruchanalyse, welches aus den Bausteinen Spannungsermittlung
mit Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten, Festigkeitskriterium mit Unterscheidung
der Bruchtypen Zwischenfaserbruch und Faserbruch sowie Steifigkeitsdegradation
der Einzelschicht nach Eintritt von unkritischen Matrixbrüchen besteht. Das Modell erlaubt die Vorhersage des gesamten Schädigungsprozesses unter quasistatischer
Belastung vom Erstschichtversagen bis hin zum Laminatversagen. Weiterhin
wurde das Modell in ein kommerzielles FE-Programm implementiert und erlaubt
die Analyse von komplex geformten Strukturen.
Unter Anwendung der Simulationswerkzeuge konnten drei Hochleistungs-Rahmen in
Differentialbauweise entwickelt werden, die weltweit zu den leichtesten und steifsten
gehören. Hierbei lieferte das Optimierungswerkzeug die Ausgangsgestalt sowie die
in den Rohren notwendige Laminatkonfiguration zur Erreichung höchstmöglicher
Steifigkeits-zu-Gewichtsverhältnisse. Aufbauend auf den Erkenntnissen erfolgte die
detaillierte Rahmenkonstruktion. Kritische Bereiche am Rahmen konnten durch die
abschließende Anwendung des Festigkeitsanalysewerkzeugs aufgedeckt und beseitigt
werden. Es konnte eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Festigkeitsanalysewerkzeugs
mit Prüfstandsversuchen gezeigt werden. Die erzielten herausragenden
Fahreigenschaften und die Haltbarkeit der entwickelten Rahmen konnten
sowohl auf Prüfständen als auch im Alltag bereits ausgiebig unter Beweis gestellt
werden.
Der Einfluss von transversalen Stoßeinwirkungen auf Fahrradrahmen wurde an
Sturzversuchen an kompletten Rennrädern sowie an repräsentativen Ober- und
Unterrohren aus Aluminium und kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff untersucht
und die auftretenden Schädigungen ermittelt. Hierbei zeigte sich, dass insbesondere
an Rahmen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff nicht sichtbare Schäden
bereits bei geringsten Stoßeinwirkungen auftreten, unabhängig vom verwendeten
Fasertyp. Durchgeführte zyklische Prüfungen an vorgeschädigten Rennradrahmen
unter geringer Stoßeinwirkung zeigten keinen messbaren Verlust an Steifigkeit oder
Haltbarkeit der untersuchten Rahmen. Untersuchungen zum Einfluss des Fasertyps
auf die Impakteigenschaften zeigten deutliche Unterschiede bei den aufgetretenen
visuell erkennbaren Schäden.
In dieser Arbeit konnte durch ein Assay-System, das ausgehend von publizierten Methoden für S. pneumoniae adaptiert wurde, eine inter- und intraspezies Inhibierung anderer Stämme nachgewiesen werden. Dies gilt für die zwei S. pneumoniae TIGR4 und R6 in denen Bacteriocingene beschrieben waren ebenso, wie für Vertreter gobal verbreiteter Isolate verschiedener Serotypen und unterschiedlicher klonaler Zugehörigkeit. Da bei den verschiedenen Stämmen Unterschiede in der Hemmstärke und im Wirkspektrum beobachtet wurden, wurde sowohl das die Bacteriocingene enthaltene pnc-Cluster, wie auch das spi-Regulationscluster einiger Stämme sequenziert und genauer analysiert. Einige der im pnc-Cluster von S. pneumoniae identifizierten ORFs ließen sich anhand der Merkmale ihrer Genprodukte zu Bacteriocinen der Klasse IIb zu ordnen. Sie besitzen alle gut konservierte Leader-Peptide, variieren jedoch in der AS-Sequenz und im pI ihrer Propeptide. Des Weiteren befinden sich Gene für Immunitätsproteine, Membranproteine, IS-Elemente, AAXProteasen und hypothetische Proteine in den untersuchten pnc-Clustern. Das spi-Cluster zeigte bereits in vorhergehenden Versuchen Einfluss auf die Regulation der stromabwärts gelegenen Gene des pnc-Clusters (de Saizieu et al., 2000; Reichmann & Hakenbeck, 2000). Es ließen sich z.T. Unterschiede in den AS-Sequenzen der Histidinkinase SpiH, dem ABCTransporter SpiABCD und dem Peptidpheromon SpiP zwischen den untersuchten Stämmen erkennen. Damit ließ sich die Selektivität des QS-Regulationsmechanismus, wie er bereits beschrieben wurde, erklären (de Saizieu et al., 2000; Reichmann & Hakenbeck, 2000). Die Bedeutung des spi-TCS, des SpiABCD-Transporter und der CAAX-Protease für Regulation, Produktion und Immunität der Bacteriocinproduktion konnte durch Mutationsanalyse am Beispiel von S. pneumoniae 2306 nachgewiesen werden. Offensichtlich existieren im Stamm S. pneumoniae 2306 jedoch noch andere Bacteriocingene außerhalb des pnc-Clusters, die u.a. auf Grund fehlender genomischer Information nicht identifiziert werden konnten. Die biologische Bedeutung der Bacteriocinproduktion ist vermutlich im Konkurrenzkampf um ökologische Nischen, bzw. Steigerung von möglichen DNA-Rekombinationsereignissen in natürlich kompetenten Streptokokkenspezies durch erhöhte Freisetzung von DNA verwandter Arten zu sehen. Als ein besonders starker Bacteriocinproduzent mit einem breiten Wirkspektrum stellte sich S. pneumonaie 632 heraus. Dies könnte auf einen Zusammenhang mit der globalen Verbreitung hindeuten und stellt somit einen interessanten Aspekt für weitere Forschungen dar.
Durch Modelle werden komplexe Zusammenhänge der Realität vereinfacht beschrieben. Die Frage, wie räumliche Objekte und Beziehungen vereinfacht werden, ist Gegenstand der Geomodellierung. Teil B der vorliegenden Arbeit gibt eine Ein-führung in Modelltypen und Methoden der Geomodellierung in den beiden Anwen-dungsdisziplinen Stadtplanung und Immobilienwirtschaft. Teil C fokussiert auf ein konkretes Anwendungsfeld der Geomodellierung: Behandelt wird die Modellierung von Angebot und Nachfrage sowie von Preisen und Leerständen auf Büroflächen-märkten. Teil D zeigt die Anwendung der Geomodellierung in der Büromarktanalyse anhand einer exemplarischen Geoinformationssystem-gestützten Fallstudie in Stuttgart. Geomodellierung greift dabei sowohl auf die Modellierung geometrischer Daten unter Rückgriff auf Städtebau, Geodäsie und Computergrafik zurück, als auch auf eine in der Tradition von Stadt- und Regionalökonomie stehende quantitative Mo-dellierung von (räumlichen) Ursache-Wirkungs-Beziehungen. Eine zentrale These der Arbeit besteht darin, dass diese beiden Modellierungsansätze sich zunehmend ineinander integrieren. Geoinformationssysteme bilden ein wichtiges Werkzeug zur parallelen Bearbeitung sowohl der graphischen als auch der alphanumerischen Datengrundlagen für Anwendungsfälle. Dabei müssen jedoch aktuelle technische Entwicklungen im geometrischen Bereich (3D-Stadtmodelle, nutzergenerierte Geodaten, Web-GIS), die umfangreiche wissenschaftliche Tradition der räumlichen-quantitativen Modelle von den systemdynamischen Modellen der sechziger Jahren bis zur Stadtsimulation von heute sowie neuere Erkenntnisse im Bereich der räumlichen Ökonometrie berücksichtigt werden. Die Bedeutung dieser Methoden und Werkzeuge der Geomodeliierung wird für verschiedene Anwendungsfelder in Stadtplanung und Immobilienwirtschaft diskutiert. Die Büromarktmodellierung als Anwendungsfeld der Geomodellierung kann sowohl auf planerisch-räumlich geprägte Ansätze zur Bedarfsprognose als auch auf öko-nometrische Ansätze zur dynamischen Modellierung von Büromarktzyklen zurückgreifen. Räumlich-ökonometrisch arbeitet das hedonische Preismodell zur regressionsanalytischen Bestimmung bspw. von Mieten, welches sich auch zur Abschätzung von Leerstandswahrscheinlichkeiten verwenden lässt. Es ist allerdings rein statisch. Um räumliche und dynamische Modelle auch in der Büromarktanalyse anwendbar zu machen, greift die Arbeit nach Darstellung der genannten Ansätze auf die Modelle der Stadtsimulation zurück und überträgt diese auf den Markt für Büroflächen. Die Anwendung der Modelle wird für private und öffentliche Akteure auf dem Büroflächenmarkt diskutiert. Die Anwendung der Modelle erfolgt exemplarisch in einer Fallstudie des Büroflächenmarktes der Stadt Stuttgart. Die Vorteile Stuttgarts liegen in der Verfügbarkeit umfangreicher Mikrodaten (Gebäudebestand, Umzugsdatensample). Zudem ist Stuttgart groß genug, um ein interessanter Büroflächenmarkt zu sein, aber wieder-um angesichts der Branchenstruktur repräsentativ genug, um auch als Vorbilduntersuchung für andere Städte gelten zu können. Als beschreibende Variable für die Schätzgleichungen werden durch den Einsatz des Geoinformationssystems Arc-View Bürogebäude und umziehende Nutzer durch Gebäude-, Lage- und Umfeld-eigenschaften beschrieben. Ein Mehrgleichungs-Marktzyklen-Modell, das hedonische Preismodell, die Übertragung des hedonischen Preismodells auf die Leer-standswahrscheinlichkeit sowie die Mikrosimulation werden abschließend für Stutt-gart ökonometrisch geschätzt und die Ergebnisse diskutiert.
For almost thirty years bast fibers such as flax, hemp, kenaf, sisal and jute have been
used as reinforcing material in the molding process of both thermoplastic and thermoset
matrices. The main application areas of these natural fiber reinforced composites
in Europe are limited almost exclusively to the passenger car range. Typical
components are door panels, rear parcel shelves, instrument boards and trunk linings.
Natural fiber reinforced composites have become prevalent due to their good
mechanical properties and their low production costs. The main advantage in applying
natural fibers as reinforcement in composite materials is the price. Nowadays this
argument becomes more and more important due to the scarcity of synthetic raw materials
and consequently, their rising prices. Additionally the low density (approx.
1.5 g/cm³) of natural fibers confers them a very good lightweight potential. Other advantageous
features of natural fiber composites include very good processing and
acoustic properties. Further benefits such as good life cycle assessment and easier
processability compared to glass fiber material should also be taken into account.
Disadvantages of natural fibers are unevenness of the fiber quality and varying fiber
characteristics due to differences in soil, climate and fiber separation and their low
heat resistance (at temperatures exceeding 220 °C, some fiber components start
thermal degradation). Another disadvantage of natural fiber reinforced materials is
that with some matrices (mostly thermoplastic polymers) a sufficient impregnation of
the fibers can only be achieved if the fiber content in the composite is kept low, usually
below 50 wt.-%. Under these conditions the best performance of the natural fiber
reinforcement can not be realized. Another disadvantage of non-impregnated thermoplastic
prepregs is the long processing cycle times, which result from heating up
the enclosed air in the prepreg during the process. Alternatively pure natural fiber
based non-woven fabrics are impregnated with thermoset systems. Due to the relatively
simple handling compared to alternative procedures, the thermoforming of thermoset
bonded prepregs is a very promising method for manufacturing natural fiber
reinforced components.
In this work, a novel general concept for natural fiber reinforced composites with a
natural fiber content of approx. 80 wt.-% and a thermoset matrix is developed. A suitable
material combination as well as an optimal process execution that help to meet the technical requirements for the natural fiber reinforced composites will be demonstrated.
Hemp and kenaf have been chosen as reinforcement fibers. In this work it is shown
that hemp and kenaf can be used as successful reinforcement alternatives to the
more established flax fibers in composite materials. Short flax fibers, which are commonly
used as reinforcement in composites (approx. 67 % for the German automotive
applications), are the “waste” of the long fiber production and their availability
and price strongly depend on the demand of the long fibers from the textile industry
and therefore their cost can strongly fluctuate, as it has been demonstrated in the
past few years. In contrast fiber plants such as hemp and kenaf are especifically cultivated
for technical applications and their availability and price is much more stable.
For their application a profound knowledge of the structural and mechanical properties
of the fibers is indispensable. In this work single filament tensile tests on these
two types of natural fibers are carried out. The cross-section area of both fibers, necessary
for the calculation of the tensile properties, was intensively studied using light
microscopy and Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis. Because the occurrence
of flaws within the fiber is random in nature, tensile strength data of these fibers
was statistically analyzed using the Weibull distribution. The strengths were estimated
by means of Weibull statistics and then were compared to experimentally
measured strengths.
For a better handling of the material, both kenaf and hemp fibers were manufactured
to needle punched fiber mats. For the impregnation of the natural fiber mats, a Foulard-
process with the thermoset matrix as an aqueous solution was employed. The
reproducibility of this impregnation process was examined. Different matrix systems
with different chemical compositions were applied on the needle punched fiber mats.
The impregnated prepregs were heated and consolidated to components in a onestep-
process. A big advantage of this procedure is the short cycle times, since no
additional pre-heating process is required, in contrast to thermoplastic bonded prepregs.
Additionally, a parameter study of the mechanical properties of the composites
was performed. The best matrix system satisfying the work conditions and properties
of the composites was chosen to carry out the next working step, namely optimization of the compression molding process for the thermoset bonded natural fiber prepregs.
Apart from the material composition of prepregs, general processing parameters
such as temperature, time and pressure play a decisive role for the quality of structures
made of natural fiber reinforced polymers. The impregnated prepregs were
consolidated in a one-step-process to components. A systematic parameter study of
the influence of the relevant process parameters on the characteristics of manufactured
components was performed. Mould temperatures over 200 °C lead to thermal
degradation of the fibers. This temperature should not be exceeded when working
with natural fibers. Furthermore, the composites clearly display a dependence on the
processing pressure. The flexural properties increase with increasing manufacturing
pressures between 15 and 60 bar, reaching a maximum at 60 bar. At higher pressures
(80 to 200 bar) a decrease of the flexural properties is demonstrated. SEM images
of the fracture surface of the composites show that the decrease of the mechanical
properties is related to structural damage of the fiber.
A new technology allowing pressing under vacuum conditions was developed and
tested. The press is equipped with a vacuum chamber and achieves very short cycle
processing times (up to less than one minute during the compression molding). The
aspiration connections of the vacuum chamber ensure that the residual moisture and
the condensation products of the matrix chemical reaction could be directly evacuated.
This type of press ensures also very safe processing and working conditions.
The properties of the components fulfill the technical specifications for natural fiber
reinforced polymers for use in the car interior. This versatile composite material is not
only limited to automotive applications, but may also be used for product manufacturing
in other industries. This work shows that the process parameters can be optimized
to fit a particular application.
Diese Abhandlung dokumentiert wesentliche Forschungsergebnisse der Untersuchung von transluzenten Sandwichstrukturen in ihrer Eignung und Verwendbarkeit als tragende Konstruktionselemente in baulichen Strukturen. Vor dem Hintergrund der Bestrebungen, materialsparende und energieeffiziente Produkte für ein zunehmend komplexes Anforderungsprofil zu entwickeln, steigt seit einigen Jahren der Anteil konstruktiver Bauteile in Sandwichbauweise in der Architektur und im Bauwesen stetig an. Dabei spielt der Leichtbaucharakter dieser Bauweise eine entscheidende Rolle. Sandwichstrukturen sind aufgrund ihres geschichteten flächigen Aufbaus in der Regel als Platten oder Paneele erhältlich. Sie lassen sich als biegebeanspruchte Platten, Wandscheiben oder auch als räumlich gekrümmte Flächen verwenden und kombinieren. Seit einigen Jahren werden auch mehrschichtige Plattenwerkstoffe auf dem Markt angeboten, die aus lichtdurchlässigen Kunststoffen wie Acrylglas, Polycarbonat oder Glasfaserverstärkten Kunststoffen bestehen. Sie werden in unterschiedlichsten Formen, Farben, Strukturen und Abmessungen hergestellt. Die Bandbreite der Produktpalette orientiert sich dabei vor allem an den Herstellungsmöglichkeiten und marktgängigen Fertigungstechniken der Kunststoffindustrie. Betrachtet man den überwiegenden Teil der praktischen Anwendungen dieser Plattenmaterialien, so wird deutlich, dass ein großer Anteil der Verwendung den Sandwicheffekt gar nicht oder nur eingeschränkt nutzt. In diesem Zusammenhang steht vorrangig die Frage, welche dieser Produkte den Strukturprinzipien eines Sandwichverbundes wirklich entsprechen und die statisch-konstruktiven Vorzüge des Sandwichverbundes effektiv nutzen können. Bisherige Anwendungsschwerpunkte sind Messe- und Innenausbauten sowie Fassaden bei Freizeit- und Industriebauten. Die statisch-konstruktiven Potentiale, die der mehrschichtige Aufbau der Produkte teilweise mit sich bringt, bleiben aber weitgehend ungenutzt. Die konstruktive Verwendung und Fügung unterscheidet sich bisher nicht wesentlich von der monolithischer Plattenmaterialien. Kapitel 1 beschreibt einführend die grundlegenden Prinzipien der Sandwichbauweise und dient zur Definition von Begriffen und Bezeichnungen. Bezug nehmend zu opaken Sandwichstrukturen werden wesentliche Merkmale und grundlegende Eigenschaften transluzenter Sandwichstrukturen aufgezeigt. Basierend auf einer umfangreichen Produktanalyse sowie ausgewählten Anwendungsbeispielen wird in Kapitel 2 eine strukturbasierende Typologie transluzenter Sandwichstrukturen aufgestellt. Dabei werden unterschiedliche bauliche Eigenschaften überprüft und tabellarisch gegenübergestellt. Ein spezieller Fokus liegt dabei auf der Untersuchung, in welcher Weise das jeweilige Herstellungsverfahren Einfluss auf das jeweilige Eigenschaftsprofil der Plattenprodukte besitzt. In ausgewählten Projektbeispielen werden Stärken und Schwächen des bisherigen Einsatzes mit Schwerpunkt in bau- und tragkonstruktiver Hinsicht aufgezeigt und bewertet. In Kapitel 3 erfolgt die Untersuchung der in Kapitel 2 vorgestellten transluzenten Sandwichstrukturen in Form von Versuchsreihen hinsichtlich ihrer statisch-konstruktiven Fähigkeiten. Die resultierenden Ergebnisse bilden die Grundlage zur Beurteilung der konstruktiven Eignung der untersuchten Sandwichverbunde für tragwerksrelevante Anwendungen. Basierend auf den Versuchsergebnissen aus Kapitel 3 wird in Kapitel 4 der Plattentyp mit dem größten statisch-konstruktiven Potential einer weiterführenden Optimierung unterzogen. Hierbei werden zwei Ansätze verfolgt: zum einen die Optimierung der Deckschichtlage in ihrer Materialbeschaffenheit und Verbundwirkung, zum anderen die Optimierung der Kernschichtlage in Bezug auf die geometrische Struktur. In Kapitel 5 wird neben der tragkonstruktiven Eignung des in Kapitel 4 optimierten transluzenten Sandwichverbundes die baupraktische Verwendbarkeit und Einsatzfähigkeit untersucht. Hierzu werden erweiterte Anwendungsspektren in der Architektur und dem Messebau aufgezeigt. Ziel ist dabei die Nutzung der Sandwichplatte als Konstruktionsraum für Fügetechnik. Den aufgezeigten Potentialen für selbsttragende Anwendungen wird versucht, fügetechnisch zu begegnen. Die konstruktive Fügung ist Thema praktischer Detailstudien und Modellversuche zu material- und anwendungsgerechten Methoden des Fügens, die in diesem Kapitel exemplarisch aufgezeigt und bewertet werden. Zusammenfassende Schlussfolgerungen bilden den Abschluss mit einem Ausblick auf weiterführende Anknüpfungspunkte der Forschung.
Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe verfügen über eine hervorragende Leichtbaugüte
und weisen unter zyklischer Beanspruchung ein gegenüber metallischen
Werkstoffen günstigeres Schwingermüdungsverhalten auf. Aus diesen Gründen
erlangen derartige Konstruktionswerkstoffe zunehmend an Bedeutung für maschinenbauliche
Anwendungen, bei denen die tragenden Strukturen zeitweise hohe
Beschleunigungen erfahren und über die Einsatzdauer oftmals durch sich wiederholende
Belastungsfolgen beansprucht werden. Innerhalb des Entwicklungsprozesses
solcher Strukturen reicht eine globale strukturmechanische Auslegung meist nicht
aus. Vielmehr müssen für das Erzielen einer optimierten und wirtschaftlichen Lösung
strukturelle Details, wie insbesondere lokale Lasteinleitungen, sorgfältig betrachtet
werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der voraussichtlichen Einsatzdauer (Lebensdauer)
der Struktur inklusive der Anbindungspunkte sowohl aus Kostensicht als
auch aus Sicherheitsaspekten erforderlich. Für den konstruierenden Ingenieur
müssen daher robuste und zuverlässige Lasteinleitungslösungen entwickelt und
aussagefähige Berechnungswerkzeuge zur Lebensdauervorhersage von Faser-
Kunststoff-Verbunden bereitgestellt werden.
Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden für Getriebekomponenten in Kohlenstofffaser-
Verbund-Bauweise anforderungsgerechte Lösungen zur Einleitung hoher
zyklischer Kräfte erarbeitet. Dabei wurden die Integration von Zylinderrollenlagern
durch mechanisches Einpressen und das Tragverhalten von direkt in den Verbund
eingeschraubten Gewindeeinsätzen untersucht. Zur Auslegung der Lagerfügung
wurde ein analytisches Modell entwickelt, anhand dessen die erforderlichen Passungstoleranzen
ermittelt und die daraus resultierende Fugenpressung abgeschätzt
werden konnte. Weiterhin konnte mit Hilfe von Lichtmikroskopieuntersuchungen ein
schädigungsfreies Fügen des Lagers nachgewiesen werden. Anhand quasistatischer
Auszugsversuche an repräsentativen Probekörpern mit eingeschraubten
Gewindeeinsätzen wurde das charakteristische Tragverhalten der gewählten Verschraubung
beschrieben. Durch Auszugversuche nach zyklischer Vorbelastung
konnte eine Resttragfähigkeit der Verbindung abgeschätzt werden, die im Betrag
deutlich über der im Betrieb einzuleitenden Anbindungskraft liegt. Der abschließende
Tragfähigkeitsnachweis der entwickelten Lasteinleitungslösungen erfolgte an Getriebekomponenten mit mechanisch gefügten Lagern und eingeschraubten Gewindeeinsätzen
in einem Technikumsprüfstand unter realen Betriebsbedingungen.
Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit stellte die Erweiterung der Methodik zur
rechnerischen Lebensdauervorhersage von Mehrschichtverbunden unter Schwingermüdungsbeanspruchung
durch die Berücksichtigung werkstofflicher Nichtlinearitäten
und Delaminationsschädigungen dar. Die Modellierung des nichtlinearen Werkstoffverhaltens
erfolgte dabei basierend auf einer experimentellen Charakterisierung
eines zähmodifizierten Vinylester-Urethan-Hybrid-Harzsystems mit Kohlenstofffaserverstärkung.
In der Modellierung wurde das nichtlineare Verhalten der für die Lebensdauerberechnung
relevanten Werkstoffkenngrößen erfasst. Darüber hinaus
wurde der Steifigkeitsabfall eines quasi-isotropen Laminats unter Einstufenbelastung
experimentell bestimmt und anhand einer geeigneten mathematischen Formulierung
beschrieben. Aufgrund von dabei beobachteten großflächigen und mitunter vollständigen
Schichttrennungen wurde ein Ansatz zur mechanischen Beschreibung von
Laminaten mit Delaminationsschädigungen auf Grundlage der Klassischen Laminattheorie
entwickelt. Ein vorhandenes Lebensdaueranalyseprogramm auf dem
Prinzip des „critical element“-Konzepts wurde um einen Berechnungskern zur
schichtenweisen Versagensanalyse ergänzt. Die genannten Erweiterungen umfassten
Module zur nichtlinearen Spannungsanalyse auf Basis der Sekanten-Modul-
Iterationstechnik, zur Vorhersage von Zwischenfaserbruch-Versagen nach dem
Wirkebenenkriterium von Puck und zur Degradation von Steifigkeitskomponenten
nach dem Auftreten von Zwischenfaserbrüchen.
Anhand einfacher Berechnungsbeispiele wurde nachfolgend der Einfluss der werkstofflichen
Nichtlinearitäten auf die rechnerische Lebensdauervorhersage untersucht.
Abschließend erfolgte die Nachrechnung von Versuchsergebnissen am quasiisotropen
Laminat unter quasi-stochastischer Belastung (miniTWIST), wobei im
Allgemeinen eine sehr gute Übereinstimmung der rechnerischen Vorhersage mit
Versuchsergebnissen festgestellt wurde.
Bei dem in dieser Arbeit untersuchten Antibiotikum Vancoresmycin handelt es sich um ein neuartiges Tetramsäurederivat, das aus der Fermentationsbrühe des Aktinomyceten Amycolatopsis vancoresmycina gewonnen wurde. Da der Wirkungsmechanismus und mögliche Resistenzmechanismen unbekannt sind, soll diese Arbeit zu deren Aufklärung beitragen. Dazu wurden verschiedene Determinanten für die Resistenz gegen Vancoresmycin in Streptococcus pneumoniae R6 analysiert. Zuerst wurden acht vancoresmycinresistente Labormutanten von Streptococcus pneumoniae R6 bei einer Konzentration von 0,5 µg/ml Vancoresmycin isoliert und phänotypisch charakterisiert. Es konnte eine bakteriolytische Wirkung von Vancoresmycin auf S. pneumoniae gezeigt werden. Zur Identifizierung genetischer Resistenzdeterminanten wurden verschiedene Strategien verfolgt. Zum einen wurden Genbanken von der Mutante aR6 erstellt und nach der resistenzvermittelnden DNA-Sequenz durch Transformation des sensitiven Rezipienten S. pneumoniae R6 gesucht. Zum anderen wurden die Transkriptome der Mutanten aR6, eR6, fR6 und gR6 mit dem des Referenzstammes R6 durch mikroarraybasierte Studien verglichen, um Transkriptmengenunterschiede zu detektieren. Durch das Screening der Genbanken konnten zwei Determinanten identifiziert werden, deren Funktionen durch Insertion des IS10-R-Elementes eingeschränkt waren. Dabei handelte es sich um das Gen rpsI, das für das kleine ribosomale Protein S9 codiert, und um das Gen dexS, das für eine Dextranglucosidase codiert. Der Stamm R6-rpsI::IS10-R zeichnete sich durch ein verlangsamtes Wachstum aus, was zu der beobachteten erhöhten Vancoresmycinresistenz beitragen könnte. Für das Gen dexS konnte eine direkte Beteiligung an der Resistenz gegenüber Vancoresmycin nicht nachgewiesen werden. Durch einen Transkriptomvergleich der Mutanten aR6, eR6 und fR6 mit dem Referenzstamm R6 wurde festgestellt, dass die Transkriptmengen des Genes copY, das für einen Transkriptionsrepressor codiert, und der Gene eines Cyl-Operons, deren Genprodukte vermutlich an der Bildung, Modifikation und Sezernierung eines Cytolysins beteiligt sind, in den Mutanten aR6, eR6 und fR6 erhöht waren. Mit Hilfe ausführlicher Analysen wurde nachgewiesen, dass sowohl das Gen copY als auch die Gene des Cyl-Operons nicht direkt an einer Resistenz gegenüber Vancoresmycin beteiligt sind. Im Transkriptom der Mutante gR6 fielen zwei Gene (spr0812 = abcA und spr0813 = abcB), die für einen ABC-Transporter codieren, durch erhöhte Transkriptmengen im Vergleich zu den entsprechenden Transkriptmengen des Referenzstammes R6 auf. Die Funktion dieses ABC-Transporters bei der Resistenz gegenüber Vancoresmycin wurde detailliert analysiert, da ein Aminosäureaustausch im C-terminalen Ende der Permeaseuntereinheit AbcB in der Mutante gR6 identifiziert wurde (Gln581 ® Stop). Durch Transformation des Rezipienten R6 mit der entsprechenden DNA-Sequenz konnte für die Transformanten (gTR) eine erhöhte Vancoresmycinresistenz gezeigt werden. Außerdem konnte durch Deletion des ABC-Transporter-Operons in der Mutante gR6 eine MHK-Erniedrigung auf das Ausgangsniveau des Referenzstammes R6 herbeigeführt werden. Die im Transkriptom der Mutante gR6 detektierten erhöhten Transkriptmengen der Gene abcA und abcB wurden durch quantitative Real-Time-PCR verifiziert. In der Transformante gTR wurden ebenfalls erhöhte Transkriptmengen der Gene abcA und abcB nachgewiesen. Sowohl in der Mutante gR6 als auch in der Transformante gTR waren die Transkriptmengen der Gene abcA und abcB etwa um das Sechsfache im Vergleich zu den jeweiligen Transkriptmengen des Referenzstammes R6 erhöht. Um die Ursache der erhöhten Transkriptmengen aufzuklären, wurde die Promotoraktivität des ABC-Transporter-Operons in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR mit Hilfe von lacZ- Reporterfusionskonstrukten analysiert. Die Promotoraktivitäten in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR unterschieden sich nicht von der des Referenzstammes R6. Dieses Resultat lässt vermuten, dass die erhöhten Transkriptmengen der Gene abcA und abcB nicht auf eine gesteigerte Promotoraktivität zurückgeführt werden können, sondern dass die Stabilität der Transkripte durch die Nonsensemutation in der Mutante gR6 und in der Transformante gTR erhöht war. In der Literatur werden homologe ABC-Transporter aus Bacillus subtilis bzw. S. mutans beschrieben, die in eine Resistenz gegenüber Bacitracin involviert sind (Ohki et al., 2003; Tsuda et al., 2002). Aufgrund dessen wurde eine Beteiligung des hier untersuchten ABC-Transporters an einer Bacitracinresistenz überprüft. Mit Hilfe einer MHK-Bestimmung für Bacitracin wurde ein fünffach erniedrigter MHK-Wert für die Mutante gR6 und für die Transformante gTR im Vergleich zum Referenzstamm R6 festgestellt. Das bedeutet, dass der mutierte ABC-Transporter der Mutante gR6 sowohl in eine erhöhte Resistenz gegenüber Vancoresmycin als auch in eine erhöhte Sensitivität gegenüber Bacitracin involviert ist.
Die in dieser Dissertation durchgeführten Reaktivitätstudien an Metallclustern (Cobalt, Rhodium, Nicken und Niob) dienten dazu, einen Einblick in Elementarschritte der C-H-Aktivierung zu geben. Hierfür wurde eine Laserverdampfungsquelle an einem FT-ICR-Massenspektrometer installiert. Cobaltcluster-Kationen zeigten bei der Umsetzung mit Ethan eine größenabhängige Reaktion. Nur spezielle Cluster im mittleren Größenbereich (Con+, n = 10-16) waren in der Lage unter Abspaltung von molekularem Wasserstoff mit Ethan zu reagieren. Es ist gezeigt worden, dass Cobaltcluster durch die Umsetzung mit Distickstoffmonoxid unter Abspaltung von molekularem Stickstoff oxidierbar sind. Rhodium-Cluster wurden systematisch mit den Alkoholen Methanol, Ethanol und Isopropanol umgesetzt. Als Produkte der Reaktion von Rhodiumcluster-Kationen mit Methanol traten das intakt adsorbierte, das partiell und das vollständig dehydrierte Methanol auf. Die Clustergrößenabhängigkeit zeigte, dass nur große Cluster (Rhn+ mit n > 7) Methanol intakt adsorbierten. Die vollständige Dehydrierung wurde im gesamten Clustergrößenbereich beobachtet. Dass große Cluster entweder unter intakter Anlagerung oder unter vollständiger Dehydrierung reagierten, deutet darauf hin, dass zwei unterschiedliche Reaktionsmechanismen vorliegen, was in einem hypothetischen Modell erklärt werden soll. Die Umsetzung von größeren Alkoholen wie Ethanol und Isopropanol mit Rhodiumclustern zeigte eine unspezifische Reaktionschemie. Diese ist in der höheren Flexibilität des Alkohols durch die vergrößerte Kettenlänge begründet. Ein allgemeiner Vergleich zeigte, dass die Anionen um fast zwei Größenordnungen unreaktiver sind als die Kationen. Sowohl für die Anionen als auch für die Kationen nahm die Reaktivität von Methanol zu Ethanol und Isopropanol zu. Kleine Rhodiumcluster-Anionen waren deutlich reaktiver als größere. Eine Besonderheit der Rhodiumcluster-Kationen in der Umsetzung mit Methanol war das Auftreten von zwei Reaktionsisomeren im Clustergrößenbereich n = 8, 10, 11, 13-18. Dies wurde durch die Reaktion mit Ethanol bestätigt. Kleine Nickelcluster-Kationen stellten das untersuchte Modellsystem zur katalytischen Oxidierung von Kohlenmonoxid mittels Distickstoffmonoxid dar. Niobcluster wurden vergleichend mit Aromaten (Benzol und Naphthalin) und Heteroaroaten (Furan, Thiophen und Pyrrol) untersucht. Abschließend werden IRMPD-Spektren, die am Freie-Elektronen-Laser (CLIO, Orsay/Paris) für protonierte und deprotonierte Adipinsäure und für das protonierte Dimer von Carnosin und für einen Carnosin-Zink-Komplex vorgestellt und mit vorhandenen theoretischen Rechnungen verglichen.
Im Rahmen der vorliegenden Dissertation konnten wichtige Ergebnisse zur Charakterisierung des neuartigen Nukleotidtransporters AtNTT3 gewonnen werden. Die vorgeschlagenen Spleißvarianten des AtNTT3 wurden erfolgreich in Gesamtblüten-, Pollen- und Wurzelgewebe nachgewiesen. Zusätzlich konnte in diesen Geweben die stärkste AtNTT3-Promotoraktivität gezeigt werden. Die subzelluläre Expression der AtNTT3-Proteine wurde mit Hilfe von GFP-Fusionskonstrukten untersucht und untermauert eine außergewöhnliche Lokalisierung von zwei der drei untersuchten Proteinvarianten (AtNTT3-2 und AtNTT3-3) in der pflanzlichen Plasmamembran. Für AtNTT3-1 kann ein anderer Insertionsort, wie beispielsweise die Membranen des ER, nicht ausgeschlossen werden. Insgesamt ist AtNTT3 damit der erste pflanzliche Nukleotidtransporter der NTTFamilie, der nicht in den Plastiden lokalisiert ist. Die Hauptfunktion des AtNTT3 und seinen Spleißvarianten besteht in dem Transport von Nukleotiden. ATP, ADP und auch dATP konnten als favorisierte Importsubstrate identifiziert werden. Obwohl die heterolog exprimierten AtNTT3-Varianten im Vergleich mit strukturell ähnlichen Nukleotidtransportern eine geringe Transportaktivität zeigten, konnte ein spezifischer Transport der Substrate ATP und ADP verifiziert werden. Weiterhin wurde eine homozygote AtNTT3-KO-Linie identifiziert und damit eine Vielzahl von Versuchen zur physiologischen Rolle des AtNTT3 durchgeführt. Bisher konnten keine Hinweise auf einen veränderten Stoffwechsel der KO-Mutanten erhalten werden. Zusätzlich wurden AtNTT3-Überexpressionsmutanten hergestellt, um eine weiterführende detaillierte Analyse vorzubereiten. Wenngleich die physiologische Funktion des untersuchten Membranproteins im Rahmen dieser Arbeit nicht vollständig geklärt werden konnte, zeigen die Ergebnisse jedoch deutlich, dass es sich bei AtNTT3-2 und AtNTT3-3 um plasmamembranständige Nukleotidtransporter handelt. Aufgrund des vorliegenden Expressionsmusters, der subzellulären Lokalisierung und der transportierten Substrate liegt eine Beteiligung der Spleißvarianten am extrazellulären Nukleotidstoffwechsel nahe. Transportstudien indizieren für AtNTT3-1 das gleiche Substratspektrum, die Expression auf Zellebene muss aber nochmals überprüft werden, bevor hier eine konkrete Aussage möglich ist.
Die sterischen Eigenschaften des makrozyklischen Liganden L-N4tBu2 verhindern in der Reaktion des Komplexes [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) mit molekularem Sauerstoff die Bildung einer µ-Oxo-verbrückten Dieisen(III)-Spezies. Stattdessen entsteht in der Reaktion mit Sauerstoff in wässrigen Lösungsmitteln zunächst der Eisen(III)-Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(OH)](BPh4) (3). Dieser Komplex reagiert ebenfalls mit Sauerstoff. Es bildet sich in Acetonitril eine intensiv violett gefärbte Spezies mit einer starken Absorptionsbande im UV/Vis-Spektrum bei 560 nm. Leider ist es nicht gelungen, diese chromophore Verbindung zu isolieren. Allerdings gibt es Hinweise darauf, dass es sich bei dieser Verbindung um einen Eisen(III)-Phenolat-Komplex handelt. Es konnte gezeigt werden, dass der Komplex 3 mit elektronenarmen Phenolen stabile Eisen(III)-Phenolat-Komplexe bildet. Für den Fall des unsubstituierten Phenols ist es gelungen den Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(OPh)](BPh4) (4) zu isolieren. Mit elektronenreichen Phenolen sind die sich bildenden Eisen(III)-Phenolat∙Komplexe nicht stabil. Es spalten sich Phenoxylradikale ab, die zu bekannten Kopplungsprodukten weiter reagieren. Am Eisenzentrum kommt es währenddessen zu einer Reduktion von Eisen(III) zu Eisen(II) und es entsteht ein Eisen(II)-Benzoat-Komplex. So konnte gezeigt werden, dass der Eisen(III)-Hydroxo-Komplex 3a die aktive Spezies in der katalytischen Umsetzung von elektronenreichen Phenolen mit dem Komplex [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) und Sauerstoff darstellt. Neben den Phenolen gelang es auch eine ganze Reihe von p-Hydrobenzochinonen erfolgreich zu oxidieren. Es ist zwar nicht gelungen durch die Verwendung von [Fe(L-N4tBu2)(O2CPh)(EtOH)](BPh4) (1) als Katalysator für Oxidation des 2-Hydroxy-5-tert.-butyl-p-hydrobenzochinon zum 2-Hydroxy-5-tert.-butyl-p-benzochinon eine Erhöhung der Ausbeute oder der Reaktionsgeschwindigkeit im Rahmen des von Klinman vorgestellten Modellsystem für die Reaktion von Topachinon- abhängigen Aminoxidasen zu erzielen, aber es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von 1 auch andere Chinone in der Lage sind Benzylamin zu Benzaldehyd zu oxidieren. Hier hilft der Komplex 1 die Regeneration des Chinons durch Sauerstoff zu beschleunigen. Somit stehen weitere Modellsysteme für die Chinon-abhängigen Aminoxidasen zur Verfügung. Mit der Synthese der beiden Komplexe [Fe(L-N4Me2)(BF)(MeOH)](BPh4) (8) und [Fe(L-N4tBu2)(BF)](BPh4) (5) gelang die Herstellung und Charakterisierung zweier Eisen(II)-α-Ketocarboxylat-Komplexe mit dem Makrozyklus L-N4R2. Die Reaktion der beiden Komplexe mit molekularem Sauerstoff hat gezeigt, dass das Einführen von sperrigeren Substituenten an den Aminstickstoffen des Makrozyklus dazuführt, das im Komplex 5 die Ausbildung einer µ-Oxo-verbrückten Spezies unterbleibt, wie sie für den Komplex 8 beobachtet wird. Ein weiterer Unterschied liegt darin, dass für den Komplex 8 nach der Bildung einer µ-Oxo-Brücke in den resultierenden Verbindungen 10a und 11a keine Decarboxylierung des Benzoylformiat-Liganden beobachtet werden kann. Im Gegensatz dazu können für den Komplex 5 zwei unterschiedliche Mechanismen einer oxidativen Decarboxylierung beobachtet werden. Einmal vermittelt durch einen Elektronentransfer zwischen zwei Eisen(III)-Zentren und zum anderen durch molekularen Sauerstoff vermittelt. Für den Komplex 5 konnte eine stöchiometrische wie auch katalytische Oxidation von Phenolen beobachtet werden. Allerdings war es nicht möglich den Mechanismus dieser Reaktion eindeutig zu bestimmen. Mit großer Wahrscheinlichkeit ist die aktive Spezies in Analogie zur Reaktionsweise des Komplexes 1 eine Eisen(III)-Hydroxo-Verbindung. Bedingt durch die beobachtete oxidative Decarboxylierung mit Hilfe von molekularem Sauerstoff kann allerdings auch der Weg über eine Eisen(IV)-Spezies nicht völlig ausgeschlossen werden.
Die fluoridkatalysierte Phosphor-Aryl-Kupplung – Ein neuer Zugang zu funktionalisierten Phosphanen
(2008)
In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuer Zugang zu Arylphosphanen entwickelt, über den eine Reihe neuartiger Ligandstrukturen möglich werden. Die neu gefundene fluoridkatalysierte Kupplung von Silylphosphanen und elektronenarmen Arylfluoriden stellt eine milde Alternative zur Phosphor-Aryl-Kupplung in superbasischen Medien dar. Damit ist es möglich auch Arylfluoride zu kuppeln, deren Substitutionsmuster keine stark basischen Bedingungen zuläßt. Durch Optimierung der Reaktionsbedingungen konnte sowohl die Menge des Katalysators als auch des Lösungsmittels minimiert werden, was die Kosten der Synthese stark reduziert und die Aufarbeitung der Reaktionsansätze vereinfacht. Im Gegensatz zur Kupplung im superbasischen Medium erfolgt bei dem neuen Verfahren keine Salzbildung sondern es entsteht flüchtiges Fluortrimethylsilan als Nebenprodukt, das aus dem Reaktionsgemisch entweicht. Alternativ zu verschiedenen Fluoridionenquellen können auch NaOH und NaOMe als Lewis-Basen in katalytischen Mengen verwendet werden. Versuche mit CsF ergaben, dass die Reaktivität des Katalysators stark von der Größe und Morphologie der Salzpartikel abhängt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der visuellen Kontrolle raumplanerischer Entwürfe. Grundlage der Überlegungen ist das gegenwärtige Verfahren, der Planungsprozess, das zur Erstellung der Entwürfe führt. Der Entscheidungsweg hin zum endgültigen Ergebnis erfolgt zurzeit noch ohne Rechnerunterstützung. Die in den Planungsprozess Involvierten stützen ihre Entscheidungen bspw. auf Pläne, eigene Erfahrungen und Statistiken und fertigen im Verlauf von Diskussionsrunden verschiedene Entwürfe an. Dieser Ablauf ist komplex, aufgrund der eingehenden Daten und der damit zusammenhängenden Diskussionen, und langwierig da erst nach einigen Iterationsschritten ein Ergebnis vorliegt. Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Akteure durch eine Rechnerunterstützung schneller und zielgerichtet zu einer Entscheidungsfindung zu führen. Meine Untersuchung des Anwendungsumfeldes hat ergeben, dass dies nur möglich ist, wenn zum Einen das entstehende System in der Lage ist, die großen, heterogenen Datenmengen zu verarbeiten und andererseits die Visualisierung der Ergebnisse in einer Form erfolgt, die den Akteuren vom bisherigen Planungsprozess her bekannt ist. Die Visualisierung darf dabei keine bewertende Aussage treffen, sondern muss die Informationen der Analyse neutral in einem dem Nutzer bekannten Format abbilden. Als Ansatzpunkt stellt sich der informelle Bereich der Entscheidungsfindung dar. Es werden zwei Lösungswege aus dem Bereich der Clusteringalgorithmen verfolgt, die die großen Datenmengen verarbeiten und analysieren. Als Ergebnis erhalten die Akteure durch das Voronoi-Diagramm direkt einen Entwurf, der die Einschätzungen aller Akteure widerspiegelt und durch ein Übereinanderlegen mit der Karte des Plangebietes dem klassischen Format im Rahmen des Planungsprozesses entspricht. Dadurch wird die Akzeptanz der Rechnerunterstützung bei den Beteiligten des Planungsprozesses gesteigert. Sollte dieser Entwurf noch keine direkte Zustimmung finden, kann über die entwickelte Informationsvisualisierung eine Anzeige und in der Folge eine Anpassung der Eingangsgrößen erfolgen und somit sehr schnell ein neuer Entwurf entwickelt werden. Die Visualisierung übernimmt dabei die Funktion der bisher in Papierform erstellten Pläne im Entscheidungsprozess und bietet damit auch fachfremden Beteiligten eine visuelle Kontrollmöglichkeit der Qualität des Entwurfes. Insgesamt werden mit dem Tool IKone die Akteure in Anlehnung an die standardmäßigen Abläufe und visuellen Darstellungen mittels eines rechnergestützten Systems unterstützt.
Die Resistenz solider Tumoren gegenüber der Behandlung mit Medikamenten oder Bestrahlung ist ein häufig auftretendes Phänomen. Insbesondere das Auftreten von Chemoresistenzen stellt ein großes Problem bei der Behandlung von Krebs dar. Aufgrund einer Unterversorgung des Gewebes kommt es in soliden Tumoren zur Bildung des so genannten ‚hypoxischen Kern’ (hypoxic core), welcher bei der Progression und Metastasierung des Tumors eine wichtige Rolle spielt. Es wird diskutiert, inwieweit Hypoxie an der Entstehung von Resistenzen gegenüber unterschiedlichen Therapieansätzen beteiligt ist. Das Ziel der Arbeit war es, die Fragestellung zu klären, ob Hypoxie vor Apoptose, ausgelöst durch Chemotherapeutika, schützt. Wenn sich diese Vermutung bestätigen sollte, sollten die zu Grunde liegenden Mechanismen dieser Chemoresistenz aufgeklärt werden. Es konnte festgestellt werden, dass es in A549 Zellen unter Hypoxie durch ein Zusammenspiel mehrerer unabhängiger Signalwege zum Schutz vor Etoposid-induzierter Apoptose kommt. Zum einen induziert Hypoxie die Stabilisierung und Aktivierung von HIF-1. Über einen intrazellulären Mechanismus, wahrscheinlich der Expression anti-apoptotischer Zielgene, kommt es zur Desensitivierung der Zellen gegenüber der Behandlung mit Etoposid. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass es unter Hypoxie unabhängig von HIF-1 zur Freisetzung von Schutzfaktoren kommt. Diese vermitteln über auto- oder parakrine Wege anti-apoptotische Signale. Hypoxie führte zu einer Akkumulation der Cyclooxygenase-2 (COX-2), welche maßgeblich an der Freisetzung des Schutzfaktors beteiligt ist. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die Stimulation mit PGE2 zu einer erhöhten Resistenz von A549 Zellen gegenüber Etoposid-induzierter Apoptose führte. Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die basale Aktivität der Sphingosin-Kinasen für die Vitalität von A549 Zellen essenziell ist. Unter Hypoxie wurde darüber hinaus eine Aktivierung der Sphingosin-Kinase 2 (SphK2) festgestellt, wodurch eine vermehrte Synthese und Freisetzung von Sphingosin-1-phosphat (S1P) induziert wurde. Es kommt unter Hypoxie über zwei unabhängige Signalwege zur Freisetzung von PGE2 und S1P, welche in Zielzellen einen chemoresistenten Phänotyp induzieren. Die Übertragung des anti-apoptotischen Signals erfolgte über die Aktivierung der ERK1/2-Signalkaskade. Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass Hypoxie über die Aktivierung von HIF-1, COX-2 und SphK2 in A549 Zellen die Resistenz gegenüber Chemotherapeutika induziert. Hierbei sind neben intrazellulären Signalen auch auto- und parakrin wirkende Mechanismen beteiligt. Als Übermittler des übertragbaren anti-apoptotischen Signals konnten S1P und PGE2 identifiziert werden, die über die Aktivierung von ERK1/2 vor Apoptose schützen.
Der stetige Fortschritt in der Fahrzeugakustik zeigt sich besonders in dem gewonnenen Komfort-eindruck, obwohl die Ausstattungsmöglichkeiten durch Nebenaggregate (Mechatroniksystemen) an Anzahl, Funktion und Leistung deutlich zugenommen haben. Besonders Fahrzeuge der Oberklasse weisen eine Vielzahl von „mechatronischen“ Systemen mit den unterschiedlichsten Aktuatoren auf. Als Beispiele seien hier genannt: die hydraulische Wankstabilsierung und Lenkhilfe, die pneumati-sche Niveauregulierung, das elektrohydraulische Bremsregelsystem, das Hochdruckeinspritzsystem der Kraftstoffanlage oder die Vielzahl der elektrischen Stellmotoren, z.B. im Fensterheberantrieb, in Lenksäulen- oder Sitzverstellungen, usw. Die Leistungs- und Medienversorgung durch Stromkabel, Luftkanäle, Kraftstoff-, Rohr- und Schlauchleitungen stellen durch deren Verbindungen der Aggregate zur Karosserie auch Körper-schallnebenwege dar. Hierbei werden neben dem Körperschalleintrag des Verbrennungsmotors auch die Funktionsgeräusche der Hilfsaggregate selbst in den Fahrzeuginnenraum übertragen. Auf-grund der Vielzahl der Mechatroniksysteme und damit verbundenen Schallnebenwege übersteigt der Geräuschbeitrag die klassischen Schallpfade, wie Motorlagerung und Antriebsstranglagerung. Die Reduktion der Geräuschemission von Nebenaggregaten besitzt heute die gleiche Bedeutung in der Fahrzeugentwicklung wie die klassischen Themen der Strukturdynamik, Antriebs- und Strö-mungsakustik. Eine besondere Bedeutung haben hierbei die Schlauchleitungen der hydraulischen Lenkung und Wankstabilisierung, der Kraftstoffversorgung und der Klimaanlage. Sie stellen durch ihre Verbin-dung von Motoraggregat (Pumpe, Kompressor) zu Karosserieaggregat (Lenkgetriebe, Ventilblock) eine Körperschallbrücke dar. Die konstruktive Gestaltung der Schlauchleitungen und die geometri-sche Verlegung im Fahrzeugbauraum haben einen gravierenden Einfluss auf die Geräuschübertra-gung. Eine kostengünstige und gewichtsreduzierte Konstruktion mit ausreichender Einfügedäm-mung ist nur durch präzise Konstruktionsabstimmung innerhalb der frühen Phase des Produktent-wicklungsprozesses möglich. In dieser Gestaltungsphase werden die Konstruktionskonzepte der einzelnen Baugruppen festgelegt. Dies geschieht überwiegend am „virtuellen“ Gesamtfahrzeugmo-dell. Die Absicherung der Konzeptstudien durch Messungen am Gesamtfahrzeug hinsichtlich der Grenzwerteinhaltung ist deshalb nicht möglich. Auch Erfahrungswerte sind zur Beantwortung spe-zifischer Fragestellungen bei Weitem nicht ausreichend, weshalb auf Komponentenversuche oder Simulationen zurückgegriffen werden muss. Die akustische Beurteilung bedingt hierbei allerdings eine Grenzwertableitung aus dem Gesamtfahrzeug zum Mechatroniksystem, bzw. sogar ein „Run-terbrechen“ auf die Ebene der Einzelkomponenten. Die Aufgabe dieser Arbeit war es, funktionale Abhängigkeiten der Körperschallübertragung von konstruktiven Auslegungen biegeschlaffer Schlauchleitungen nachzuweisen. Hierzu mussten für die Berechung die fehlenden dynamische Steifigkeiten der Schlauchwandung und des Systems Öl-Schlauchwand der im Fahrzeug verlegten Schlauchleitungen ermittelt werden. Die Vielzahl der Schlauchmaterialien wurde durch definierte Schlauchproben repräsentiert. Zur Bestimmung der kinematischen Kenngrößen wurden zunächst neue Prüfstandskonzepte entwickelt, welche Schlauchverlegungen unter den in Fahrzeugen herrschenden Randbedingungen zulassen. Nach mehreren Konzeptverbesserungen und Wirksamkeitsprüfungen wurde ein „Akustik-Schlauchprüfstand“ konstruiert und gebaut. Mit diesem „Akustik-Schlauchprüfstand“ können nun die Körperschallübertragungseigenschaften von viskoelastischen Schlauchmaterialien und elastischen Stahl- bzw. Wellrohren auch außerhalb des Gesamtfahrzeugaufbaues fahrzeugunabhängig ermittelt werden. Eine Berücksichtigung der Fahrzeugrandbedingungen erfolgt hierbei durch die äußeren Lasten in Form eines Betriebskennfel-des. Das Betriebskennfeld, gebildet durch die äußeren Lasten des Fluiddrucks und der Umgebungs-temperatur, wird durch den wesentlichen geometrischen Lastfall der Biegeverlegung in Abhängig-keit vom Biegeradius ergänzt. Das Verhalten der kinematischen Steifigkeiten im Betriebskennfeld gibt Aufschluss über die für den Konstrukteur wichtigen Beeinflussungsmöglichkeiten der akusti-schen Übertragungseigenschaften. Aufgrund der kinematischen Verhärtung von viskoelastischen Materialien müssen die System-kenngrößen ermittelt werden. Dies bedeutet z.B. für das Elastizitätsverhalten nicht, die Steife zu bestimmen, sondern deren akustische Wirkung als kinematische Steife im für die Fahrzeugakustik relevanten Frequenzbereich 100 Hz bis 1000 Hz. Aufgrund des meist vorherrschenden linearen Amplitudenverhaltens im Betriebspunkt kann zur Dämpfungsberücksichtigung auf das lineare Kel-vin-Voigt Modell zurückgegriffen werden. Eine Vereinfachung der mathematischen Formulierun-gen der System- und Materialeigenschaften bietet hierbei die zulässige Beschränkung auf reine harmonische Schwingungen und die Berücksichtigung der Dämpfung durch die Einführung der komplexen Steife bzw. des komplexen E-Moduls. Nach einem Überblick über vorangegangene Arbeiten (Kapitel 2) werden zunächst die akustischen Grundlagen zur Beschreibung der komplexen Kenngrößen, wie kinematische Steife und E-Modul der Schlauchproben, aufgezeigt. Das Phänomen der Kontinuumschwingungen des massebehafteten Schlauches und die Ausbildung der stehenden Körperschallwellen in ihrer modalen Ausprägung als Dehn-, Torsion und Biegewelle werden erläutert (Kapitel 3). Zur Verifizierung der Messergebnisse wurden versuchsbegleitend Berechnungsmodelle der Schlauchproben entwickelt. Basierend auf der Technik der akustischen „Mehrpolmatrizen“ lassen sich mit ausreichender Genauigkeit die Verteilung der Kraft- und des Körperschallschnellepegels längs der Schlauchprobe sowie deren modale Schwingformen beschreiben (Kapitel 4). Die Mög-lichkeit, einen druckbelasteten Hydraulikschlauch mit einem simulatorisch modifizierbaren Fluid im Betriebskennfeld abzubilden, ist besonders zum Verständnis des Masseverhaltens und der hyd-raulischen Steife von Ölen hilfreich. Inspiriert durch den Zweimassenschwingeraufbau als akustischem „Tonpilz“ wurde ein Prüfstand-konzept erarbeitet (Kapitel 5.1). Hierzu wurden Versuchseinrichtungen zum Aufprägen von Flu-iddruck und homogener Wärmebelastung bei einstellbarer Biegeverlegung der Schlauchproben in einer entsprechend konstruierten Wärmekammer entwickelt. Mit Hilfe einer Aufspannvorrichtung werden selektiv die Schwingmoden des Kontinuums der technisch wichtigen stehenden Dehn-, Torsion- und Biegewellen kraftangeregt. Die sich einstellenden Eigenresonanzlagen werden mess-technisch in allen Raumrichtungen zeitgleich erfasst. Speziell konstruierte Impedanzmessköpfe für die Erfassung der statischen und kinematischen Messwerte erreichen bis zur Grenzfrequenz von 2 kHz die für eine Wellenreflexion ausreichend hohe dynamische Masse am Probenanfang und -ende. Zentrales Thema der experimentellen Untersuchungen ist das Materialverhalten im Betriebskenn-feld (Kapitel 5.2). Mit Hilfe exakter Eigenfrequenz- und Eigenmodemessungen wird der komplexe kinematische E-Modul des Schlauchs als Systemgröße bestimmbar. Die Berücksichtigung eines anisotropen Elastizitätsverhaltens der Schlauchwandung gelingt durch hierfür abgeleitete Glei-chungen: Mittels Gleichsetzen der reduzierten Kompressionsmodule, beschrieben durch die Korte-weg-Gleichung und dem zu Grunde liegenden Schlauch-Öl Federmodell, ergibt sich die Dehnwel-lensteife der Schlauchwandung. Ergänzend zum Kinematikfaktor, welcher das Verhältnis der stati-schen zur kinematischen Materialsteife beschreibt, wird der „Isotropenfaktor“ zur Beschreibung der Richtungsabhängigkeit des E-Moduls eingeführt. Alle dominanten Einflüsse und akustischen Zusammenhänge der Materialeigenschaften und ihrer geometrischen Größen werden funktional beschrieben und die Auswirkungen auf die Körperschallübertragung diskutiert. Die Betrachtungs-weise der gebogenen Schlauchleitungen und die damit verbundene Veränderung der Wellenge-schwindigkeit relativ zu geraden Schlauchproben sowie die durch Biegeverlegung mögliche Kopp-lung von Dehn- und Biegewelle werden formal mit dem Biegeradius, der Schlauchlänge und der Anregekraft mathematisch verknüpft. Für die praktische Anwendung zur kinematischen Schlauchprobenbeschreibung erfolgt eine Ap-proximation an die akustischen Kenndaten in einem Standardversuch. Nach Linearisierung ihn den Hauptbetriebspunkten kann das Schlauchsystem kinematisch durch Kennzahlen beschrieben wer-den. Hierdurch ist eine Klassifizierung in Entwicklungslastenheften möglich. Aus den Versuchen ermittelte Faktoren und Exponenten bieten die Möglichkeit, durch Gleichungen die Abhängigkeit der Körperschallübertragung von Druckbelastung, Materialtemperatur und Schlauchbiegeradius zu berücksichtigen. Mit dem „Akustik-Schlauchprüfstand“ und den in dieser Arbeit beschrieben Berechnungsverfahren können nun fahrzeugunabhängig auf einem Komponentenprüfstand die Körperschallübertragungs-eigenschaften der viskoelastischen Schlauchmaterialien im Betriebskennfeld ermittelt werden. Es erschließt sich ein weiteres Potenzial der akustischen Verbesserung der Dämmungseigenschaften von Schläuchen aufgrund ermittelbarer kinematischer Kenngrößen. Eine akustischen Kriterien folgende Schlauchmaterialauswahl und die entsprechend definierte Biegeverlegung ist nun mög-lich. Weitere Untersuchungen sollten der Kopplung von Dehn- und Biegewelle, ergänzt durch eine Tor-sionswellenüberlagerung, gelten. Auch ist die Funktion der Eingangsimpedanzen des „halbunendli-chen“ Schlauches bei der Wellenformkopplung zu ergründen. Ein Ansatz könnte das Aufstellen einer „Wellenkopplungsfunktion“ in Abhängigkeit der Biegeverlegung und der entsprechenden Implementierung in eine „Mehrpolübertagungsmatrix“ sein.
Diese Arbeit beschäftigte sich mit der Modulation oxidativer Zellschäden bei Hämodialysepatienten durch Pro- und Antioxidantien. Im ersten Teil wurden die prooxidativen Auswirkungen der drei zur intravenösen Applikation bestimmten Eisenmedikamente Ferrlecit® (Glukonat) [ältestes Medikament], Venofer® (Saccharat), CosmoFer® (Dextran) in vitro sowie die Modulation des oxidativen Stress durch eine Ferrlecit®-Gabe bei HD-Patienten bestimmt. Die Bestimmungen der DNA-Schäden mittels Comet Assay und des LPO-Produkts Malondialdehyd mittels HPLC/Fluoreszenzdetektion zeigten in vitro bei U937-Zellen, isolierten humanen Lymphozyten und ex vivo bei humanem Vollblut ein im Vergleich zu Ferrlecit® und Venofer® deutlich geringeres Schädigungspotential von CosmoFer®. Der Dextran-Komplex (höchste Komplexstabilität) scheint gegenüber den Glukonat- und Saccharat-Komplexen verträglicher zu sein und sollte in Zukunft bevorzugt bei der Anämie-Behandlung eingesetzt werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen des oxidativen Stress bei mit Ferrlecit® behandelten HD-Patienten zeigen deutliche Anstiege bei den DNA-Schäden und der LPO zu allen Messzeitpunkten nach Ende der Eisengabe und somit auch die Relevanz der erhaltenen in vitro Daten für die Belastungssituation in vivo. Die Abstufungen im Schädigungspotential, die bei den in vitro Tests erhalten wurden, decken sich auch mit den Untersuchungen von Pai et al. bei HD-Patienten, bei denen sich für das Ausmaß der Schädigung die Rangfolge Fe-Glukonat > Fe-Saccharat > Fe-Dextran ergab [Pai et al., 2007]. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde das antioxidative Potenzial eines roten Mehrfruchtsaftes mit hohem Anthocyan-/Polyphenolanteil in einer humanen Interventionsstudie mit Biomarkern der oxidativen Zellschädigung, des oxidativen Status der Zelle und der Zellantwort charakterisiert. Ergänzend wurden Untersuchungen zur antioxidativen Kapazität vergleichbarer Fruchtsäfte durchgeführt. 21 HD-Patienten nahmen nach einer dreiwöchigen Run-in-Phase über vier Wochen täglich 200 mL eines anthocyanreichen Mischfruchtsaftes (TEAC 31,1 mmol/L Trolox) auf. Anschließend folgte eine dreiwöchige Wash-out-Phase ohne Saftaufnahme. Wöchentlich wurde Blut entnommen und zur Bestimmung der Biomarker (oxidative) DNA-Schädigung, Malondialdehyd (LPO-Produkt), Proteinoxidation (Carbonyle) Glutathionspiegel/-status, DNA-Bindungsaktivität des Transkriptionsfaktors Nuclear Factor kappa B und antioxidative Kapazität (TEAC) sowie zur Erfassung der Harnsäure-, Triglycerid- und Anthocyankonzentrationen verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine signifikante Abnahme der oxidativen DNA-Schäden (p< 0,0001), der MDA-Konzentration (p< 0,001) und des Carbonylgehaltes (p< 0,0001), eine Zunahme des tGSH-Spiegels und des Glutathionstatus (je p< 0,0001), ein Rückgang des GSSG-Spiegels (p< 0,0001) und der DNA-Bindungsaktivität von Nuclear Factor kappa B (p< 0,0001) während der 4-wöchigen Saftaufnahme im Vergleich zur 3-wöchigen Run-in-Phase. Ein leicht signifikanter Rückgang ergab sich für den Harnsäuregehalt (p< 0,05), der TEAC und die Triglyceridkonzentrationen dagegen wurde nicht beeinflusst. In der Wash-out-Phase zeigte sich, dass manche Messwerte direkt nach Ende der Saftaufnahme (GSSG, p< 0,0001; Proteincarbonyle, p< 0,0001) oder mit einer Woche Verspätung (DNA-Gesamtschäden, p< 0,0001) wieder anstiegen bzw. absanken (Glutathionspiegel/status, jeweils p< 0,0001), was für eine kurzzeitige Wirkung (< 1 Woche) spricht. Beim Malondialdehyd-Gehalt und der DNA-Bindungsaktivität von Nuclear Factor kappa B handelt es sich offensichtlich um eine längerfristig anhaltende protektive Wirkung, die Werte verändern sich im Vergleich zur Saftafnahme-Phase nur unwesentlich. Für die beobachteten protektiven Effekte scheinen die phenolischen Substanzen des Mehrfruchtsaftes verantwortlich zu sein, da in einer Studie mit fast polyphenolfreiem Vergleichssaft keine Reduktion von oxidativen Schäden nachgewiesen werden konnte [Weisel et al., 2006]. Zusammenfassend konnte in dieser Arbeit das antioxidative Potential eines flavonoid/polyphenolreichen roten Mischfruchtsafts zur Verringerung oxidativer Zellschädigung bei Hämodialysepatienten eindeutig nachgewiesen werden. Der Konsum von antioxidativ wirksamen Fruchtsäften ist ein vielversprechender Präventions- und Therapieansatz für Patienten, die an Niereninsuffizienz und ROS-assoziierten Krankheiten leiden. Die Aufnahme natürlicher Antioxidantien mit der Nahrung über solche Säfte scheint eine Alternative zur chronischen Anwendung von hochdosierten Supplementen zu sein.
Organische Moleküle lösen zunehmend anorganische Verbindungen wegen ihrer schnelleren bzw. kostengünstigeren Herstellung sowie der leichteren Modifikation ihrer Eigenschaften als Grundlage neuer hocheffizienter Materialien mit optischen und dielektrischen Anisotropien in der technischen Anwendung ab. Zusätzlich bieten Prozesse der supramolekularen Chemie zur Selbstorganisation niedermolekularer Bausteine nach dem Vorbild der Natur neue Möglichkeiten makroskopische Systeme mit maßgeschneiderter Funktionalität zu erzeugen. Diese supramolekularen Aggregate bilden sich auf Grund unspezifischer und spezifischer Wechselwirkungen ihrer Bausteine, die sich in Veränderungen der elektronischen Struktur sowie anderer molekularer Eigenschaften widerspiegelt. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessung (EOAM) können die Dipolmomente des Grund- und Anregungszustandes von Verbindungen in Lösung bestimmt sowie die Anisotropie der (Hyper-)Polarisierbarkeit abgeschätzt werden. Die EOA-Spektroskopie stellte die Methode der Wahl dar, organische Moleküle bzw. ihre supramolekularen Aggregate für Materialien mit gewünschter Funktionalität zu identifizieren Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein vollautomatisiertes Spektrometer zur Bestimmung der Elektrochromie von Molekülen in Lösung erfolgreich konstruiert, aufgebaut und in Betrieb genommen. Die computergestützte Automatisierung der Apparatur ermöglichte die schnellere und bessere Charakterisierung einer Vielzahl unterschiedlichster Verbindungen. Durch die höhere spektrale Auflösung konnten überlagerte Absorptionsbanden einer bzw. verschiedener Spezies in Lösung durch neu entwickelte bzw. verfeinerte Analyseverfahren identifiziert und erstmal quantitativ ausgewertet werden. Hierdurch konnte erfolgreich demonstriert werden, dass die EOA-Spektroskopie zahlreiche Beiträge zur Analyse vielfältiger Fragestellungen liefern kann, die mittels anderer Techniken unter den experimentellen Bedingungen nicht zugänglich sind. Neben der Charakterisierung zahlreicher Verbindungen für die Anwendung in organischen Solarzellen, bei der Frequenzverdopplung und für die holographische Speicherung lag der Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten im Nachweis und der Untersuchung der Interaktion von organischen Molekülen durch spezifische und unspezifische Wechselwirkungen. Dabei konnten Veränderungen der Konformation bei Rezeptoren durch die Komplexierung eines Gast-Moleküles nachgewiesen werden. Darüber hinaus gelang es erstmals mit Hilfe der EOA-Spektroskopie, Strukturparameter von Komplexen in flüssiger Lösung zu erhalten. Durch konkurrierende Wechselwirkung der Orientierung dipolarer Merocyanine konnten Komplexe mit sehr kleinen und den derzeit größten bekannten Dipolmomenten erzeugt werden. Die Variation der Feldstärken interner und externer elektrischer Felder bzw. die Konzepte der supramolekularen Chemie bieten in Zukunft neben den bestehenden Verfahren zur Modifikation organischer Moleküle neue Möglichkeiten, effiziente und funktionelle Materialien zu erzeugen.
In der vorliegenden Arbeit wurden das quasistatische und das Ermüdungsverhalten von wirrfaserverstärktem Thermoplast mit Endlosfasern (D-LFT) und von gewebeverstärktem Thermoplast untersucht. Hierbei wurden ortsaufgelöste Verfahren der Deformationsanalyse, schwerpunktsmäßig die Ortsaufgelöste Hysteresismessung und ergänzend die Thermoelastische Spannungsanalyse, eingesetzt. Zur genauen Erfassung des Zerrüttungsvorgangs war in einer vorangegangenen Arbeit die Messgenauigkeit der Hysteresismessung deutlich verbessert worden, und es konnte auf diese sehr wichtigen Vorleistungen zurückgegriffen werden. Zur Gefügeanalyse wurden Röntgengrobstrukturuntersuchungen, Ultraschall- und REM-Untersuchungen durchgeführt. Bei der Untersuchung der quasistatischen Eigenschaften von D-LFT gibt die ortsaufgelöste Dehnungsanalyse wichtige Hinweise zum Werkstoffverhalten. Das Versagen tritt an der Stelle mit dem geringsten E-Modul auf. Die Festigkeitswerte zeigen relativ starke Streuungen aufgrund der Inhomogenität des Gefüges. Bei lokal-dehnungsorientierter Betrachtung tritt eine wesentlich geringere Streuung der Kennwerte auf. Die Bruchdehnung liegt in Abhängigkeit von Fasergehalt und Entnahmerichtung im Mittel zwischen 2,2 und 2,8 %. Dieser Befund der geringen Streuung der lokalen Bruchdehnung ist trotz der deutlichen Unterschiede der Strukturparameter und unterschiedlichen Fasergehalte bemerkenswert. Dieses interessante Charakteristikum des Werkstoffs macht das robuste Verhalten bei mechanischer Belastung von D-LFT-Bauteilen verständlich. Die starken Schwankungen der Festigkeit wirken sich auch beim Ermüdungsverhalten aus. Nur durch geeignete Voruntersuchungen, die sich auf das dehnungsorientierte Materialverhalten stützten, konnte der Prüfaufwand in einem vertretbaren Rahmen gehalten werden. Die mechanisch-dynamischen Kennwerte zeigen bei Ermüdungsbelastung eine mäßige Dämpfungszunahme und eine geringe Steifigkeitsabnahme, verbunden mit einer starken Kriechneigung. Für die Analyse der beiden letzteren Effekte ist eine dehnungsorientierte Betrachtung hilfreich. Die Steifigkeitsabnahme wird durch die Kenngröße der Ausschlagsdehnung ersetzt und kann dann unmittelbar mit dem Kriechen, das durch die Mitteldehnung beschrieben wird, verglichen werden. Wie beim Zugversuch konnte auch beim Ermüdungsversuch eine dehnungsorientierte Analyse des Ermüdungsvorgangs durchgeführt werden. Diese führt zu einem Totaldehnungswöhlerdiagramm, in dem die Wöhlerlinien für Belastung senkrecht und quer zur Faserorientierung nahezu zusammenfallen. Es kann daher von einem maximalen Totaldehnungskriterium des Versagens ausgegangen werden. Der anisotrope, gewebeverstärkte Thermoplast wird statischen und dynamischen Zug- und Druckbelastungen unterworfen. Ergänzende Gefügeuntersuchungen ergeben leider keinen Zusammenhang zwischen der lokalen Kennwerteigenschaft und dem Gefügezustand, was auf den komplexen Aufbau (Wirrfasermittelschicht, beide Randschichten gewebeverstärkt) zurückzuführen ist. Die Werkstoffcharakterisierung an gewebeverstärktem Thermoplast wird bei zwei Chargen unter Zug-, und Druckschwellbelastung untersucht. Bei quasistatischer und dynamischer Belastung tritt das Versagen zumeist an der Stelle mit der geringsten lokalen Steifigkeit auf. Das mechanische Verhalten wird durch die anisotropen Eigenschaften stark bestimmt. Bei Zugschwellbelastung werden Kriechen und Steifigkeitsabnahme beobachtet, wobei bei senkrechter Belastung das Kriechen relativ stärker und die Steifigkeitsabnahme relativ schwächer ausfällt. Die Dämpfungszunahme bei der Ermüdungsbelastung ist z. T. intensiv. Insbesondere bei Charge 1 wird aufgrund von Haftungsschwächen bzw. Lunkern ein intensiver Dämpfungsanstieg mit der Lastspielzahl beobachtet. Bei Druckschwellbelastung sind Steifigkeitsabnahme und Kriechen geringer. Als Schadensphänomen wird vielfach ein spontanes Abscheren der Probe beobachtet. Ähnlich wie bei D-LFT führt eine totaldehnungsorientierte Betrachtung zu einem vergleichbaren Verlauf der Totaldehnungswöhlerdiagramme bei paralleler und senkrechter Belastung, während die Diagramme bei spannungsorientierter Betrachtung weit auseinander liegen. Das Verhalten von Ausschlags- und Mitteldehnung quantifiziert in Kenngrößen (mit gleichen physikalischen Einheiten) das Ermüdungsgeschehen hinsichtlich Steifigkeitsabnahme und Kriechen. Allerdings zeigt der Verlauf der Kenngrößen über der Lastspielzahl keine systematische Tendenz hinsichtlich des Einflusses der Spannungsamplitude, was auf Werkstoffinhomogenitäten zurückgeführt wird. Zur weiteren Auswertung wird daher eine Relativbetrachtung angestellt und hierfür der Wert von strain max / strain middle ermittelt. Durch diese Kennwertbildung wird die Streuung bezüglich des Spannungseinflusses deutlich reduziert, und es kann ein Tendenzverlauf der Messwerte in Abhängigkeit von der Spannungsamplitude angegeben werden.
Zur Entwicklung von technischen Benutzungsoberflächen in der Investitionsgüterindustrie ist ein systematischer und durchgängiger Prozess essentiell, der in den einzelnen Prozessphasen besonders eine Nutzerorientierung unterstützt. Dieser Prozess bereitete bisher die Grundlage, um generell nutzerorientierte Benutzungsoberflächen zu entwickeln. Aus diesem Prozess resultiert eine Benutzungsoberfläche, welches spezielle Aufgaben unterschiedlicher Nutzer berücksichtigt. Es entsteht eine Benutzungsoberfläche für viele Nutzer. Die Unterschiedlichkeit der Nutzer findet keine explizite Umsetzung durch persönliche Präferenzen. Durch die steigende Informationsflut werden Nutzer aber in Zukunft überfordert werden. Daher kann bei Berücksichtigung dieser Präferenzen eine höhere Nutzerorientierung, eine Steigerung der Usability und eine Erhöhung der Bedieneffizienz von Nutzern erzielt werden. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine umfassende Darstellung dieser Präferenzen notwendig. Sie unterteilen sich einerseits in Nutzereigenschaften, die zur Charakterisierung der Nutzer und Vereinfachung der nutzerspezifischen Datenerfassung dienen. Andererseits werden Präferenzen bezüglich der Entwicklung technischer Benutzungsoberflächen erhoben, um personalisierte Benutzungsoberflächen zu generieren. Diese allgemeine Darstellung muss in einzelnen Branchen konkretisiert werden. Diese Konkretisierung wird meist durch eine Untermenge der allgemeinen Darstellung umgesetzt. Für die Produktionsumgebung zeigt sich zum einen, dass sehr unterschiedliche Präferenzen hinsichtlich der Gestaltungsmerkmale existieren. Daher bestehen in dieser Branche nur vereinzelt Zusammenhänge zwischen Gestaltungsmerkmalen und weiteren Nutzereigenschaften. Zum anderen korrelieren die strukturellen Nutzerpräferenzen mit vielen verschiedenen Nutzereigenschaften. Auf Basis dieser Personalisierungsmerkmale entstehen Q-Personas nach [Coo99] für die Produktions-umgebung, die in sich homogene, aber untereinander heterogene Personalisierungsmerk-malsausprägungen aufweisen. Nutzer in der Produktionsumgebung können aufgrund der Beschreibungen der Q-Personas diesen zugeordnet werden. Eine Eigenschafts- und Präferenzmatrix dient dabei als Hilfsmittel zum Vergleich der Nutzercharakterisierung mit signifikanten Q-Personamerkmale. Die QPersonabeschreibungen bilden die Grundlage zur Entwicklung personalisierte Systeme. Diese Systeme dienen zum einen der Überprüfung der Auswirkungen der Personalisierung technischer Systeme auf die Benutzung. Zum anderen werden sie zur Überprüfung der Übertragbarkeit der entwickelten Q-Personas auf andere produktionstechnische Systeme als diejenigen, anhand derer die Q-Personas entwickelt wurden, verwendet. Die erste Untersuchung hierzu zeigt die Möglichkeit einer einfachen und schnellen Zuordnung von Nutzern zu Q-Personas. Die Ergebnisse beider Untersuchungen bestätigen deutliche Vorteile von personalisierten Systemen gegenüber neutralen, die hauptsächlich durch die Strukturierung erreicht werden. Diese zeigen sich in einer schnellen Aufgabenbearbeitung, weniger Fehlern, einer gesteigerten Zufriedenheit und einem erhöhten Wohlbefinden von Nutzern im Umgang mit ihrem personalisierten System. Die Gestaltung wirkt sich vergleichsweise gering auf die Bewertung aus. Die zweite Untersuchung berücksichtigt andere Systeminhalte. Dadurch zeigt sich die Übertragbarkeit der Personalisierung, indem eine problemlose Kompatibilität der entwickelten Q-Personas für dieses System möglich ist. Zur systematischen und effizienten Entwicklung von personalisierten technischen Benutzungsoberflächen ist eine Verbindung der Personalisierung mit dem Useware-Entwicklungsprozess unumgänglich. Alle Prozessphasen erfahren unterschiedliche Anpassungen, Erweiterungen und Änderungen. In der Analysephase ist eine Erweiterung des Anforderungskatalogs zur Erfassung der auftretenden Q-Personas notwendig. Die Auswertung in der Analysephase umfasst zusätzlich die Überprüfung, welche Q-Personas sich unter den Nutzern befinden. Als Ergebnis entstehen q-personabasierte Aufgabenmodelle. Die Strukturgestaltungsphase erfordert eine Erweiterung hinsichtlich der Attributierung der strukturierten Handlungen, Tätigkeiten und Operationen. Die generell gewünschte Strukturierungsart wird definiert. Verknüpfungen zwischen den einzelnen Objekten werden anhand der Aufgabenmodelle der Analysephase festgelegt. In der Gestaltungsphase werden aufgrund der in der Analysephase erhobenen Q-Personas unterschiedlich personalisierte Benutzungsoberflächen entwickelt, die die in der Strukturgestaltungs-phase entwickelte Struktur und ihre neue Attributierung umsetzen. Durch diese marginalen Erweiterung und Änderungen am Useware-Entwicklungsprozess entstehen auf effiziente Weise statt einer ursprünglichen nutzerorientierten Benutzungsoberfläche mehrere personalisierte Benutzungsoberflächen.
Dissertation beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von hetero-substituierten Diazapyridinophanliganden und deren Koordinationschemie. Liganden Im Rahmen dieser Arbeit ist es gelungen, eine Reihe von nicht trivialen Schlüsselverbindungen, in angemessener Ausbeute und Reinheit, für die Variation unterschiedlicher Aminsubstituenten am Diazapyridinophangrundkörper zu gewinnen. Als Ausgangsverbindungen für Zyklisierungsreaktionen dienten Alkyl-bis-(6-chlormethyl-2-pyridyl-methyl)amine BCA 12 und BCAd 37. Diese drei hieraus hergestellten hetero-substituierten Liganden (L-N4AdtBu 17, L-N4tBuTos 18 und L-N4tBuBz 16) dienten als Ausgangsstoffe für die saure Abspaltung der tert-Butylgruppe. So konnten L-N4AdH 41, L-N4BzH 42, L-N4HTos 19 isoliert werden. L-N4HMe 21,. Diese Substanzen ermöglichen weitere Derivatisierungsreaktionen, wie die Einführung von Alkyl- oder Arylgruppen, wie auch die Einführung weiterer funktioneller Gruppen. Hierbei konnten ein Vertreter mit sterisch anspruchsvollem Substituenten am Aminstickstoffatom (L-N4AdH 41) und einer mit wenig sterisch anspruchsvollen Methylgruppen am Aminstickstoffatom (L-N4HMe 21) hergestellt werden.Durch die Einführung eines Phenolarmes durch eine variierte Leuckart-Wallach-Reaktion können potentiell fünfzähnige Liganden synthetisiert werden. Als erster Vertreter für diese Schlüsselverbindungsgruppe (Abbildung 108) ist der Ligand H-L-N4(ttBzO)Me 45 zu sehen. Für die generelle Herstellung von arylsubstituierten Diazapyridinophanliganden nimmt der Ligand L-N4(PhNO2)2 48 eine Schlüsselposition ein, da sich aus ihm weitere arylsubstituierte Derivate hergestellt lassen. Die Makrozyklen wurden im Rahmen dieser Promotionsarbeit mit Massenspektrometrie, Kernresonanzspektroskopie und Infrarotspektroskopie charakterisiert. Des Weiteren konnten die Festkörperstrukturen der Liganden L-N4tBuTos 18, L-N4HTos 19, L-N4AdtBu 17, L-N4AdH 57 und L-N4AdMe 58 mit Hilfe der Röntgenstrukturanalyse bestimmt werden. Ein neuer Vertreter von Diazapyridinophanmolekülen konnte mit dem Liganden L-N4(PhNO2)2 52 realisiert werden. Die Synthese von arylsubstituierten Diazapyridinophan-Liganden verläuft zwar bislang mit geringen Ausbeuten, aber erlaubt einen Zugang zu weiteren arylsubstituierten Diazapyridinophanliganden (Abbildung 115). 4.1.2 Komplexe Mit den hetero-substituierten Liganden wurden Nickel-Komplexe hergestellt, um den strukturellen und elektronischen Einfluss der Substituenten auf die Komplexe zu untersuchen. Aus Reaktionen der entsprechenden Liganden mit Nickelchloridhexahydrat in Ethanol oder Methanol konnten folgende Komplexe synthetisiert werden: [Ni(L-N4BzH)Cl2] 59 (70 % Ausbeute), [Ni(L-N4AdtBu)Cl2] 55 (29 % Ausbeute), [Ni(L-N4AdH)Cl2] 57 (30 % Ausbeute), [Ni(L-N4HMe)Cl2] 54 (65 % Ausbeute). [Ni(L-N4BztBu)Cl2] 56 konnte nur in so geringer Ausbeute hergestellt werden, so dass lediglich eine Röntgenstruktur und ein Infrarotspektrum angefertigt werden konnten. Mit Hilfe von [NiBr2(PPh3)2] 52 und L-N4AdtBu 17 in Ethanol konnte [Ni(L-N4AdtBu)Br2] 60 (17 % Ausbeute) synthetisiert werden. In den Infrarotspektren lagen auch bei diesen Komplexen die charakteristischen Schwingungsbanden des Makrozyklengerüstes vor. Bei allen Komplexen dieses Ligandtyps ist der Ligand vierfach an das Nickel(II)-Ion gebunden und die Halogenidliganden sind cis-ständig angeordnet. Die Liganden koordinieren so, dass die Aminsubstituenten zu den Halogenidliganden maximalen Abstand einnehmen. Die Phenylgruppe der Benzyleinheit wird in den Komplexen [Ni(L-N4tBuBz)Cl2] • CHCl3 56 und [Ni(L-N4BzH)Cl2] 59 zur Minimierung der sterischen Hinderung von den Chloridliganden weg abgewinkelt. Aus dem gleichen Grund orientieren sich die 1-Adamantyl- beziehungsweise tert-Butylgruppen so, dass ein Methylen- bzw. Methylkohlenstoffatom oberhalb der Winkelhalbierenden des Cl-Ni-Cl-Bindungswinkels zum Liegen kommt. Bindungslängen sind den Komplexen der homo-substituierten Liganden sehr ähnlich. Die Bindungen zwischen den sekundären Aminstickstoffatomen und dem Nickel-Ion sind kürzer als die Bindungen zwischen den alkylsubstituierten Aminstickstoffatomen und dem Nickel-Ion. Die Abstände vom Nickel-Ion zu den Amin-Stickstoffatomen mit jeweilig gleichem Substituent sind in den unterschiedlichen Nickel-Komplexen der hetero-substituierten Diazapyridinophanliganden sehr ähnlich. Eine zunehmende Größe der Substituenten an den Aminstickstoffatomen bewirkt eine Zunahme der Ni-NAmin-Bindung und eine Verkleinerung des NAmin-Ni-NAmin-Bindungswinkels und des Cl-Ni-Cl- Bindungswinkels. In folgender Abbildung werden die Ergebnisse der Strukturaufklärung aufgezeigt.
Diese Arbeit befasste sich mit der Analyse genetischer Veränderungen in der Familie P006 von Piperacillin-resistenten Mutanten von S. pneumoniae R6. Jede der fünf Mutanten P106 bis P506 dieser Familie wurde aus dem jeweiligen Parentalstamm auf ansteigender Konzentration des lytischen ß-Lactams Piperacillin isoliert und zeichnete sich durch eine jeweils höhere minimale Hemmkonzentration (MHK) für Piperacillin aus (Laible et al., 1987). In Mutante P106 konnte mit CpoA bereits eine Resistenzdeterminante für Piperacillin identifiziert werden, welche nicht zu den klassischen Targets der ß-Lactamantibiotika, den Penicillin-Bindeproteinen (Pbp), zählt (Grebe et al., 1997). Die Mutanten P206 und P306 zeigten aufgrund von Mutationen in Pbp2b und Pbp2x eine höhere Resistenz gegen Piperacillin (Hakenbeck et al., 1994; Grebe & Hakenbeck, 1996). In dieser Arbeit standen die Identifizierung und Charakterisierung der bisher unbekannten Resistenzdeterminante für Piperacillin in Mutante P406 und die Charakterisierung der bisher nur unzulänglich untersuchten Nicht-Pbp-Resistenzdeterminante CpoA in Mutante P106 im Mittelpunkt der Analysen. Im Fall der bereits identifizierten Resistenzdeterminante in Mutante P106 handelt es sich um das für eine Glykosyltransferase kodierende Gen cpoA. Die Herstellung einer cpoA-Deletionsmutante, sowie deren Charakterisierung, sollten zur Aufklärung des zugrundeliegenden Resistenzmechanismus in P106 und der Funktion von CpoA beitragen. Durch die Herstellung der cpoA-Deletionsmutante und die Bestimmung der MHK für Piperacillin konnte gezeigt werden, daß ein Ausfall der durch CpoA katalysierten Reaktion einen Anstieg der MHK für Piperacillin in S. pneumoniae R6 bewirkt. Die eingehende phänotypische Charakterisierung zeigte, daß die cpoA-Deletionsmutante zudem eine reduzierte genetische Kompetenz, eine reduzierte Säuretoleranz, einen höheren Bedarf an zweiwertigen Mg-Ionen, eine längere Generationszeit und eine verlangsamte Autolyse im Vergleich zu S. pneumoniae R6 besitzt. Diese Beobachtungen, sowie die Ergebnisse einer Microarray-basierten, globalen Transkriptomanalyse lassen es unter Berücksichtigung der biochemischen Charakterisierung von CpoA (Edman et al., 2003) als wahrscheinlich erscheinen, daß CpoA an der Synthese von α-Galactosyl-Glucosyl-Diacylglycerin, einem der Hauptglycolipide der Cytoplasmamembran von S. pneumoniae beteiligt ist. Die Deletion von cpoA könnte demzufolge auch einen Effekt auf die Menge der Lipoteichonsäuren in der Zellwand von S. pneumoniae besitzen, da der Precursor von α-Galactosyl-Glucosyl-Diacylglycerin, das α-Monoglucosyl-Diacylglycerin vermutlich den Lipidanker der Lipoteichonsäuren darstellt. Basierend auf dieser Annahme konnte ein Modell zur Funktion von CpoA erstellt werden, welches eine Erklärung des Resistenzmechanismus für Piperacillin in Mutante P106, bzw. in der cpoA-Deletionsmutante ermöglichen würde. In Mutante P406 konnten weitere Veränderungen der Pbps bereits ausgeschlossen werden (Hakenbeck et al., 1994; Grebe & Hakenbeck, 1996). Durch eine Microarray-basierte, globale Transkriptomanalyse aller fünf Mutanten der Familie P006 konnten Gene identifiziert werden, deren Transkripte im Vergleich zu S. pneumoniae R6 nur in P406 signifikant veränderte Mengen aufwiesen: Unter diesen Genen befanden sich sechs Gene, welche aufgrund ihrer geclusterten Anordnung im Genom von S. pneumoniae als putative funktionelle Einheit (TCS11-Cluster) angesehen wurden. Diese Gene zeigten eine bis zu 22-fach erhöhte Transkriptmenge in Mutante P406. Zudem konnten nur in Mutante P406 von Genen des an der Teichonsäurebiosynthese beteiligten lic1-Operons eine bis zu 7,9-fach höhere Transkriptmenge beobachtet werden. Keines der Genprodukte des TCS11-Clusters wurde bisher charakterisiert. Aufgrund von Blast- und Domänen-Analysen konnten den Genprodukten putative Funktionen zugeschrieben werden. Die Gene smp11A und smp11B kodieren für zwei putative Membranproteine von 63 und 64 Aminosäuren. Die Gene nbp11 und msp11 kodieren für die ATPase- und die Permease-Komponente eines putativen ABC-Transporters. kin11 und reg11 kodieren für die Histidin-Kinase und den Response-Regulator des bisher uncharakterisierten Zweikomponentensystems 11 (TCS11) in S. pneumoniae. Die Gene sind in der Reihenfolge smp11A, smp11B, nbp11, msp11, kin11 und reg11 auf dem Minus-Strang im Genom von S. pneumoniae lokalisiert. Die Deletion der Gene kin11 und reg11 des TCS11 in P406 führte zum Abfall der MHK für Piperacillin auf die MHK des Parentalstamms P306. Somit konnte die Beteiligung des TCS11 in S. pneumoniae an einem unbekannten Resistenzmechanismus gegen Piperacillin nachgewiesen werden. Die Deletion von nbp11 in P406 führte ebenfalls zum Abfall der MHK für Piperacillin, womit einerseits auch für Nbp11 eine Beteiligung an dem unbekannten Resistenzmechanismus gegen Piperacillin gezeigt werden konnte und andererseits eine transkriptionelle Regulation der Gene smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 durch das TCS11 vermutet werden konnte. Durch eine konstitutive, gemeinsame Überexpression der Gene smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 in S. pneumoniae R6 wurde gezeigt, daß die Überexpression dieser Gene hinreichend für eine Erhöhung der Resistenz gegen Piperacillin ist. Durch 5´-RACE-Analysen konnten die beiden Transkriptionsstartpunkte P11.1 und P11.2 im Bereich des TCS11-Clusters kartiert werden. P11.1 befindet sich 20bp upstream von smp11A und P11.2 befindet sich 441bp upstream von kin11 innerhalb von msp11. Eine Northern-Analyse und die Durchführung von PCR auf cDNA zeigte, daß die Gene des TCS11-Clusters in zwei überlappenden Transkriptionseinheiten transkribiert werden. Die Gene kin11 und reg11 sind zusammen mit einer downstream von reg11 liegenden Kopie des repetetiven Elements rupA im 11-2-Operon organisiert und werden ausgehend von Promotor P11.2 inklusive des ungewöhnlich langen Leaders von 441bp transkribiert. smp11A, smp11B, nbp11 und msp11 sind im 11-1-Operon organisiert und werden ausgehend von Promotor P11.1 transkribiert. Die Zugehörigkeit von kin11 und reg11 zum 11-1-Operon konnte hingegegen bei den verwendeten Wachstumsbedingungen nicht gezeigt werden. Es konnte bereits gezeigt werden, daß phosphoryliertes Reg11 (Reg11-P) an die Promotor-Region von P11.1 bindet (Marciszewski, Diplomarbeit 2007). Die Bestimmung der Aktivität von P11.1 in S. pneumoniae R6, sowie in kin11-, reg11- und kin11reg11-Deletionsmutanten zeigte, daß P11.1 einer direkten, positiven Regulation durch das TCS11 unterliegt. Durch Sequenzvergleiche der Promotor-Region von P11.1 mit den DNA-Regionen putativer Promotoren von zum TCS11-Cluster ähnlich organisierten Clustern homologer Proteine in Genomen anderer Gram-positiver Bakterien konnten drei hoch konservierte Sequenzabschnitte identifiziert werden, von welchen gezeigt werden konnte, daß sie für die Bindung von Reg11-P in S. pneumoniae essentiell sind. Vermutlich stellt die Konsensus-Sequenz ATGACA(2)TGTCAT(8-9)GTGACA die DNA-Bindestelle von Reg11-P dar. Es konnten keine weiteren, zu 100 % konservierten Sequenzen dieser Art im Genom von S. pneumoniae gefunden werden. In EMSA-Assays mit weniger konservierten Sequenzen dieser Art konnte keine Bindung von Reg11-P beobachtet werden. Somit handelt es sich bei der Bindestelle an P11.1 vermutlich um die einzige Bindestelle von Reg11-P im Genom von S. pneumoniae. Von P11.2 konnte durch die Bestimmung der Promotor-Aktivität in Deletionsmutanten einzelner Gene des TCS11-Clusters gezeigt werden, daß auch dieser Promotor einer Regulation unterliegt, welche jedoch nicht durch die Bindung von Reg11-P, oder von unphosphoryliertem Reg11 vermittelt wird. Die Aktivität von P11.2 ist hierbei jedoch einerseits Abhängig von der Anwesenheit von Kin11 und andererseits entweder von der Funktion der Membranproteine Smp11A und Smp11B, oder von der durch Nbp11/Msp11 transportierten unbekannten Substanz. Die Bestimmung der Promotor-Aktivität von P11.2 in Deletionsmutanten einzelner Gene des TCS11-Clusters und die unterschiedlichen phänotypischen Effekte einer kin11-, reg11- und einer kin11reg11-Deletionsmutante zeigten, daß unphosphoryliertes Reg11 ebenfalls in der Lage sein muß, die Transkription von noch unbekannten Zielgenen durch Bindung an eine weitere, unbekannte DNA-Bindestelle zu regulieren. Sowohl durch die Deletion eines Großteils des 441nt langen Leaders des Transkripts des 11-2-Operons, als auch durch die Deletion zweier verschiedener Abschnitte des 3´-untranslatierten Bereichs dieses Transkripts konnte gezeigt werden, daß der 5´- und der 3´-untranslatierte Bereich an noch unbekannten regulatorischen Mechanismen beteiligt sind. Die Deletion einzelner Gene des TCS11-Clusters, sowie die gemeinsame Überexpression von Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11 bewirkten die gleichen phänotypischen Effekte wie die charakterisierte cpoA-Deletionsmutante. So konnte in Wachstumsexperimenten der gleiche Einfluß auf die Generationszeit, die maximale Zelldichte und die Autolyse, wie in der cpoA-Deletionsmutante, gezeigt werden. Die Microarray-basierte Transkriptomanalyse zweier Deletionsmutanten von Genen des TCS11-Clusters zeigte zudem, daß sich infolge dieser Deletionen größtenteils die Transkriptmengen solcher Gene ändern, welche auch auf eine Deletion von cpoA reagieren. Hierzu zählen neben zahlreichen Genen für Proteine unbekannter Funktion die Gene des Kompetenzregulons, des blp-Clusters, sowie des Cholinbindeproteins PcpA und der Subtilisin-artigen Proteinase PrtA. Die in Mutante P406 beobachteten höheren Transkriptmengen von an der Teichonsäurebiosynthese beteiligten Genen des lic1-Operons konnten durch die Deletion von kin11reg11 revidiert werden. Die konstitutive gemeinsame Überexpression von Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11, sowie die Bestimmung der Aktivität des Promotors P1spr1149 des lic1-Operons zeigte, daß die Transkription der Gene des lic1-Operons indirekt von der Menge an Smp11A, Smp11B, Nbp11 und Msp11 abhängt. Diese Ergebnisse führten zu der Hypothese, daß das TCS11-Cluster und die Glykosyltransferase CpoA an den gleichen, oder zumindest an sich beeinflussenden, Membran-assoziierten Vorgängen beteiligt sind. Folglich konnte durch die molekulargenetische Charakterisierung des in ähnlicher genetischer Organisation in Gram-positiven Bakterien weit verbreiteten TCS11-Clusters erstmals ein Hinweis auf die putative physiologische Funktion des TCS11-Clusters in S. pneumoniae erhalten werden.