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Since the middle of the 20th century inorganic and polymer nanomaterials have been increasingly appearing in everyday life. Starting from the phenomenal discoveries of the Toyota Central Research team in the 1990s until today, nanomaterials are used as a reinforcement agent for polymer matrices improving their mechanical, thermal or chemical properties. Consequently, nanofillers led to the significant expansion of polymers applicability. However, it is of great importance to better understand the nature and mechanisms behind these phenomena. The aim of current thesis is focused on boehmite and boehmite-based materials with regard to its unique nature of intermolecular interactions. Unlike many other nanomaterials, boehmite particles are characterized by repelling each other. On the other hand, it shows high attraction with diverse materials including polymers. This provides good ground for the development of outstanding boehmite-based nanocomposites. In this work, the nature of interactions for boehmite-boehmite and boehmite-polymer was studied. A hypothesis in the thesis states that the size of the nanocrystallites, the distances between the γ-AlOOH layers in the boehmite, or/and its surface modification affect intermolecular interactions. To confirm this theory, a range of comprehensive techniques and methods has been applied. The first part of the research was focused on growth of boehmite nanocrystals large enough for targeted investigation. It is worth mentioning, that even though this material is nanocrystalline by structure, the synthesis of boehmite with the crystals larger than 50 nm is a tremendous challenge. Nevertheless, boehmite particles of about 200 nm in crystalline size (abbreviated ACNO) has been achieved in this work. To further characterize materials of focus Small- and Wide-angle X-ray Scattering (SAXS and WAXS) analysis, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Raman Spectroscopy have been used. The particular attention was given to the studies of intermolecular interactions. For this purpose, an advanced Atomic Force Microscopy (AFM) method has been applied, for which custom-made AFM probe was developed. Geological boehmite, ACNO and commercial boehmite (HP14) with various surface modifications of the last were compared. The Hamaker constant for these materials was successfully determined and the plasmonic behavior of the boehmite was studied. Further studies were focused on boehmite-polymer interactions. State-of-the-art 3D microfabrication technique, such as Multiphoton Lithography (MPL), was used to prepare polymer and nanocomposites, based on ACNO boehmite and SZ2080 photoresist. Meanwhile investigating pristine photoresist, an interesting phenomenon of strong but fading adhesion of the polymer microstructures to the AFM tip was discovered. For this purpose, ageing experiments of 3D microstructure sample was performed by means of AFM, XPS and SEM. As a result, time-dependent behavior of SZ2080 was described. This study provides important information for the material science community using MPL printing technique. Nanocomposites based on SZ2080 photoresist and 2 wt% of different types of boehmite as nanofiller prepared by MPL technique, were designed with regard to abovementioned results on long-time behavior. SEM, Intermodulation AFM (ImAFM) and Nanoscale Thermal Analysis (NanoTA) were performed to study the effect of the nanomaterial on the change of topography, Young’s modulus, glass transition temperature, stiffness and energy dissipation. The nanocomposite exhibited different mechanical properties compared to the pure polymer and the nanofiller. Moreover, the inhibition phenomenon of boehmite nanoparticles embedment on photoresist side polymerization, during storage was observed. However, this aspect needs further investigation. This thesis is devoted to a comprehensive thorough study of the interactions between nanoparticles that repel each other, meanwhile attract to other materials. The findings of this thesis bring many answers to currently unexplored questions like estimating Hamaker constant of repulsive materials and the complexity of its nature. Based on the outcome of this work many engineering guidelines for the use of nanocomposites and their design can be gathered., Seit Mitte des 20. Jahrhunderts tauchen anorganische und polymere Nanomaterialien immer häufiger im täglichen Leben auf. Seit den phänomenalen Entdeckungen des Toyota Central Research Teams in den 1990er Jahren bis heute werden Nanomaterialien als Verstärkungsmittel für Polymermatrices verwendet, um deren mechanische, thermische oder chemische Eigenschaften zu verbessern. Folglich haben Nanofüllstoffe zu einer erheblichen Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten von Polymeren geführt. Es ist jedoch von großer Bedeutung, die Natur und die Mechanismen hinter diesen Phänomenen besser zu verstehen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Böhmit und auf Böhmit basierenden Materialien im Hinblick auf die einzigartige Natur der intermolekularen Wechselwirkungen. Im Gegensatz zu vielen anderen Nanomaterialien zeichnen sich Böhmitpartikel dadurch aus, dass sie sich gegenseitig abstoßen. Auf der anderen Seite zeigt es eine hohe Anziehungskraft auf verschiedene Materialien, einschließlich Polymere. Dies bietet eine gute Grundlage für die Entwicklung hervorragender Nanokomposite auf Böhmitbasis. In dieser Arbeit wurde die Art der Wechselwirkungen von Böhmit-Böhmit und Böhmit-Polymer untersucht. Eine Hypothese in dieser Arbeit besagt, dass die Größe der Nanokristallite, die Abstände zwischen den γ-AlOOH-Schichten im Böhmit oder/und seine Oberflächenmodifikation die intermolekularen Wechselwirkungen beeinflussen. Um diese Theorie zu bestätigen, wurde eine Reihe umfassender Techniken und Methoden angewandt. Der erste Teil der Forschung konzentrierte sich auf das Wachstum von Böhmit-Nanokristallen, die groß genug für eine gezielte Untersuchung waren. Obwohl dieses Material von seiner Struktur her nanokristallin ist, stellt die Synthese von Böhmit mit Kristallen von mehr als 50 nm eine enorme Herausforderung dar. Dennoch wurden in dieser Arbeit Böhmitpartikel mit einer Kristallgröße von etwa 200 nm (abgekürzt ACNO) hergestellt. Zur weiteren Charakterisierung der Materialien wurden Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuungsanalysen (SAXS und WAXS), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Raman-Spektroskopie eingesetzt. Besonderes Augenmerk wurde auf die Untersuchung der intermolekularen Wechselwirkungen gelegt. Zu diesem Zweck wurde eine fortschrittliche Methode der Rasterkraftmikroskopie (AFM) angewandt, wobei eine maßgeschneiderte AFM-Sonde entwickelt wurde. Verglichen wurden geologischer Böhmit, ACNO und kommerzieller Böhmit (HP14) mit verschiedenen Oberflächenmodifikationen des letzteren. Die Hamaker-Konstante für diese Materialien wurde erfolgreich bestimmt und das plasmonische Verhalten des Böhmits wurde untersucht. Weitere Studien konzentrierten sich auf die Wechselwirkungen zwischen Böhmit und Polymer. Modernste 3D-Mikrofabrikationstechniken wie die Multiphotonenlithografie (MPL) wurden zur Herstellung von Polymer- und Nanokompositen auf der Grundlage von ACNO-Böhmit und SZ2080-Photoresist eingesetzt. Bei der Untersuchung von unbehandeltem Fotolack wurde das interessante Phänomen einer starken, aber nachlassenden Haftung der Polymermikrostrukturen an der AFM-Spitze entdeckt. Zu diesem Zweck wurden Alterungsexperimente an 3D-Mikrostrukturproben mit Hilfe von AFM, XPS und SEM durchgeführt. Als Ergebnis wurde das zeitabhängige Verhalten von SZ2080 beschrieben. Diese Studie liefert wichtige Informationen für die Materialwissenschaft, die die MPL-Drucktechnik einsetzt. Nanokomposite auf der Basis von SZ2080-Photoresist und 2 Gew.-% verschiedener Böhmit-Typen als Nano-Füllstoff, die mit der MPL-Technik hergestellt wurden, wurden im Hinblick auf die oben genannten Ergebnisse zum Langzeitverhalten entwickelt. SEM, Intermodulations-AFM (ImAFM) und thermische Analyse im Nanomaßstab (NanoTA) wurden durchgeführt, um die Auswirkungen des Nanomaterials auf die Veränderung der Topografie, des Elastizitätsmoduls, der Glasübergangstemperatur, der Steifigkeit und der Energiedissipation zu untersuchen. Das Nanokomposit wies im Vergleich zum reinen Polymer und zum Nanofüllstoff unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Außerdem wurde das Phänomen der Einbettung von Böhmit-Nanopartikeln in die Polymerisation auf der Fotolackseite während der Lagerung beobachtet. Dieser Aspekt muss jedoch weiter untersucht werden. Diese Arbeit widmet sich einer umfassenden Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln, die sich gegenseitig abstoßen, während sie sich zu anderen Materialien anziehen. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern viele Antworten auf bisher unerforschte Fragen wie die Abschätzung der Hamaker-Konstante von abstoßenden Materialien und die Komplexität ihrer Natur. Auf der Grundlage der Ergebnisse dieser Arbeit können viele technische Richtlinien für die Verwendung von Nanokompositen und deren Design erstellt werden.

Diese Arbeit verwendet ein kombiniertes STM-AFM, das bei extremniedrigen Temperaturen und unter UHV betrieben wird. Im ersten Teil dieser Arbeit habe ich die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Graphen auf SiC(0001) untersucht. Die Korrelation zwischen den gebundenen Grenzflächenzuständen und den STM-Bildern wurde untersucht. Im nächsten Teil wurden diese Grenzflächenzustände durch Li-Interkalation von Graphen auf SiC(0001) unterdrückt. Die Interkalation wird durch Quenchen der charakteristischen Überstruktur von Graphen und weiterer Elektronendotierung entdeckt. Dabei werden die Li-Adatome meist an der unteren Grenzfläche platziert: Pufferschicht-SiC. Im nächsten Teil dieser Studie wird eine weitere Li-Interkalation des Graphens durchgeführt, um beide darunter liegende Grenzflächen zu sättigen. Obwohl die vorhergesagte supraleitende Phase fehlte, konnten in den inelastischen Tunnelspektren interessante Merkmale festgestellt werden. In weitergehenden Untersuchungen wurden einzelne chemische Bindungen und elektrostatische Effekte in den Verbindungsstellen der vorherigen Proben bewertet. Zu diesem Zweck wird ein AFM verwendet, um auf kontrollierbare Weise eine Bindung zwischen dem Au-Atom, das die AFM-Spitze abschließt, und einem C-Atom von Graphen auf SiC(0001) zu bilden und zu brechen. Im letzten Teil dieser Dissertation habe ich das System Fe-Pb(111) mittels STM untersucht. Über ihre elektronischen und strukturellen Eigenschaften wurden hauptsächlich zwei unterschiedliche Materialklassen entdeckt. Die breite asymmetrische Lücke um die Fermi-Energie wird der stark verspannten zuerst abgeschiedenen Fe-Schicht zugeschrieben, die pseudomorph auf dem Pb(111)-Substrat wächst. Diese Materialklasse unterdrückt die Supraleitfähigkeit des Substrats. Im Gegensatz dazu zeigt die andere Materialgruppe das Metallische Eigenschaften mit den YSR-Bändern im Inneren der Inselregion., This study uses a combined STM-AFM operating at ultra-low temperature and under UHV. In the first part of this work, I studied the structural and electronic properties of graphene on SiC(0001). The correlation between the interfacial bound states and the STM images was explored. In the next part, these interfacial states were suppressed by Li intercalation of graphene on SiC(0001). The intercalation is discovered by quenching the characteristic superstructure of graphene and further electron doping. In this process, the Li adatoms are mostly placed at the bottom interface: buffer layer-SiC. In the next part of this study, further Li intercalation of the graphene is performed to saturate both underlying interfaces. Although the predicted superconducting phase was absent, inelastic tunneling became a prominent feature in this sample. The studies proceeded further by evaluating individual chemical bonds and electrostatic effects in the junctions of the previous samples. To this end, an AFM is used to form and break in a controllable manner a bond between the Au atom terminating the AFM tip and a C atom of graphene on SiC(0001). In the last part of this dissertation, I investigated the Fe-Pb(111) system by STM. Mainly two different classes of materials were discovered via their electronic and structural properties. The wide asymmetric gap around Fermi energy is attributed to the highly strained first deposited Fe layer, which pseudomorphically grows on the Pb(111) substrate. This class of material suppresses the superconductivity of the substrate. In contrast, the other group of materials shows the metallic feature with the YSR bands in the interior of the island region.

Ein zentraler Nachteil der meisten Koordinationspolymere ist, dass sie elektrische Isolatoren sind. In dieser Arbeit wurden konjugierte Koordinationspolymere auf ihre Leitfähigkeit untersucht, die eine Rhodium-Paddle-Wheel-Struktur besitzen. Die Beschichtung auf einer funktionalisierten Oberfläche im Vorfeld der C-AFM-Messung wurde mittels eines selbstgebauten Dip-Coaters realisiert. Koordinationspolymere, die das [Rh2(ac)4]-Paddle-Wheel enthalten, sind unabhängig von den untersuchten Linkern Isolatoren. Werden die Acetatliganden mit drei oder vier Acetamidatliganden ausgetauscht, so ist das entstandene Koordinationspolymer leitfähig. Temperaturabhängige C-AFM-Messungen ergeben eine für hohe Feldstärken konstante Aktivierungsenergie, die je nach Koordinationspolymer zwischen 0,3 eV und 0,7 eV beträgt. Anhand der Ergebnisse wurde gezeigt, dass der Ladungstransport durch einen Hopping Mechanismus dominiert wird. C-AFM ist eine aussagekräftige Methode zur Charakterisierung leitfähiger Koordinationspolymere auf der Oberfläche.

The transport of water, nucleic acids and other biomolecular cargo through natural membrane nanopores is a fundamental biological process that occurs in all living organisms. To recreate this biological transport system is scientifically very relevant in synthetic biology and biotechnology. In this current work, we’ve applied atomic force microscopy (AFM) based techniques to study facilitated cargo transport and determine the kinetic parameters of nanoscale transport of a 20 base pair cargo DNA via binding and recognition with complementary internal receptor DNA anchored within a DNA nanopore. The nanopore is a biomimetic version of a membrane pore that is able to recognize, bind and chaperone a specific cargo DNA molecule within its channel lumen. Transport of molecular cargo across confined lumina of DNA nanopores has been vastly demonstrated using single channel electrical recordings, fluorescence and optical readouts with cavity chips to obtain chemical rate constants. Here, we utilized AFM based single molecule force spectroscopy (SMFS) and simultaneous topography and recognition imaging (TREC) to replicate cargo – selective transport within the channel of DNA nanopores. Hence the fundamental scientific question was: Can we study molecular transport via binding and recognition? In line with this, we successfully generated the DNA nanoshell pore with dimensions of 22.5 nm x 32.5 nm and height of 20 nm based on the scaffold-and-staple strategy of Rothemund. The nanoshells consisted of interlinked DNA duplexes connected via crossovers and arranged in a 3x3 square lattice fashion creating a rigid channel lumen of 7.5 x 7.5 nm2. With recognition AFM, the channel lumen was probed with AFM tips covalently coupled to the cargo DNA through pegylation. The DNA nanoshells trapped in standing orientation on the substrate surface were captured onto 2D streptavidin crystals aided by terminal biotin groups. Using simultaneous topography and recognition imaging, the cargo DNA-modified tips oscillated over the receptor-tethered pores to induce binding and unbinding events. The unbinding events yielded maps of the topography and the corresponding recognition images of the binding sites with nanometer accuracy for all three DNA pore constructs. The lateral dimensions of the recognition spots expressed as mean radii of the recognition spots were 22.68 ± 2.34 nm, 21.23 ± 3.42 nm, 16.75 ± 3.19 nm for receptor depths of 0 nm, 3 nm, and 6 nm respectively in close agreement with the estimated lateral depth of recognition taken into account the cross-linker, spacers and cargo dimensions. With single molecule force spectroscopy, the unbinding events were detected as clear rupture signals in the force distance curves at the three internal receptor sites. The interaction force in this case was measured by following the tip deflection giving rise to the most probable rupture forces of 26 ± 6 pN, 22 ± 4 pN and 19 ± 8 pN respectively at a mid-range speed scanning regime (300 nms-1). This suggested that cargo-receptor interaction at the pore mouth was relatively most stable in contrast to the other sites respectively. A single population of unbinding forces was observed in the force distributions with cargo DNA suggesting the existence of a single binding site in the lumen with different interaction strengths at 0 nm, 3 nm and 6 nm. The dynamic force measurements were performed within an extensive range of pulling velocities analyzed in the framework of the Bell Evans single energy barrier model yielding estimates for the dissociation constant, koff ≈ 1.64 ± 0.73 x 10-1 s-1, 1.95 ± 0.97x 10-1 s-1, 5.10 ± 5.37x 10-1 s-1 not significantly different from each other (p>0.2) but however increased from 0 nm through 6 nm. From these values, we could surmise that the lifetime of the bond was smaller when the cargo was bound to the receptor inside the pore (least stable) than when this interaction was at the pore entrance (most stable) with respective bond lifetimes of 6.10 ± 2.71 s, 5.13 ± 2.55 s, 1.96 ± 2.06 s. Similarly, the values for the association rate constant, kon, determined by a least squares fit of monoexponential rise were 8.7 ± 2.2 x 104 M-1s-1, 5.4 ± 2.3 x 104 M-1s-1, 3.1 ± 2.0 x 104 M-1s-1 for pore constructs with receptors at 0 nm, 3 nm, and 6 nm respectively. This suggested that across all three pore constructs there was no change in the on-rate kinetics based on the order of magnitude but however, there was a significant difference (p

Die Mikro- und Nanomesstechnik wird vorangetrieben durch die stetigen Fortschritte der Fertigungstechnik. Die Messaufgaben für Mikro- und Nanomesssysteme sind geprägt von zunehmend sinkenden Strukturgrößen und Miniaturisierung der Merkmale bei zugleich zunehmender Dimensionalität. Hochauflösende Messinstrumente und Techniken zur Qualitätssicherung im Mikro- und Nanometerbereich erfordern sowohl quantitative, dimensionale Messungen mit Nanometergenauigkeit als auch Messungen über große Messbereiche, um die Nanotechnologie zu einer industriellen Nutzung zu führen. Weißlichtinterferometrie und Rasterkraftmikroskopie sind zwei wichtige Messverfahren der Mikro- und Nanomesstechnik. Allerdings sind ihre Messbereiche begrenzt. Es ist von großer Bedeutung, dass die Messbereiche bis zu mehreren Millimetern erweitert werden, um die heutigen metrologischen Herausforderungen zu erfüllen. Die vorliegende Arbeit zeigt das Vorgehen für die großflächige Topografiemessung mit hoher Strukturauflösung mittels Weißlichtinterferometrie und Rasterkraftmikroskopie. Ein Weißlichtinterferenzmikroskop wurde in die Nanopositionier- und Nanomessmaschine (NMM-1) zur großflächigen Topografiemessung auch ohne Überlappungsfelder integriert. Der Messaufbau, die Einmessstrategie, die Charakterisierung der metrologischen Eigenschaften, die Korrektur von Kippungen bzw. Drehung des Sensors um die lateralen Achsen und die vertikale Achse und eine experimentelle Untersuchung zur Verifizierung der Messstrategie werden aufgezeigt. Ein neues metrologisches Rasterkraftmikroskop für gleichzeitige Messung der Biegung, Torsion und Position des Cantilevers mit verbesserter Signalqualität, welches ebenfalls in die NMM-1 für großflächige Topografiemessungen integriert wurde, wird vorgestellt. Dabei werden der Messaufbau, die Einmessstrategie, die Charakterisierung, die Messunsicherheit und Applikationsmessungen wie Stufenhöhenmessung, Gitterabstandsbestimmung und großflächige Messungen gezeigt., Micro- and nano measuring technology is driven by the continuous advances in manufacturing technology. The measurement tasks for micro- and nanomeasuring systems are characterized by continually decreasing structure sizes and miniaturization of the features with simultaneously increasing dimensions. Measuring instruments and technologies with high-resolution for quality assurance in the micro- and nanometer range require both quantitative, dimensional measurements with nanometer accuracy and measurements over large measuring ranges for the application of the nanotechnology in industry. White light interferometry and atomic force microscopy are two important measuring methods in micro- and nano measuring technology. However, their measuring ranges are limited. It is very important that the measuring ranges are extended up to several millimeters in order to meet current metrological challenges. The present work shows the methods for large-area topography measurement with high structural resolution using white light interferometry and atomic force microscopy. A white light interferometric microscope was integrated into the nanopositioning and nanomeasuring machine (NMM-1) for large-area topography measurements even without overlapping fields. The measurement setup, the measuring strategy, the characterization of the metrological properties, the correction of sensor tilts or rotation about the lateral axes and the vertical axis and an experimental investigation to verify the measurement strategy are presented. A new metrological atomic force microscope for simultaneous measurement of bending, torsion and position of the cantilever with improved signal quality that was also integrated into the NMM-1 for large-area topography measurements is presented. The measurement setup, the measuring strategy, the characterization, the measurement uncertainty and applications of measurement such as step height measurement, pitch determination and large-area measurements are shown., FAU Studien aus dem Maschinenbau; 390

Neue Forschungsergebnisse über die vielfältigen Eigenschaften von Nanopillars auf Flügelmembranen von Zikaden beschreiben Superhydrophobie, Antireflexions- und Selbstreinigungseigenschaften. Weiters wurde sogar antibakterielle Wirkung entdeckt. Diese Beobachtungen eröffnen ein vielversprechendes Feld für weitere Untersuchungen. In der vorliegenden Arbeit werden die biologischen Vorlagen (Zikadenflügel) und daraus mittels einer an der TU Wien neu entwickelten Nano-Abdrucktechnik hergestellte Mikro- und Nanostrukturen mit oberflächenphysikalischen Mitteln hinsichtlich ihrer Topologie und Funktionalität untersucht. Dafür wurden die Nanostrukturen der Flügeloberflächen von drei verschiedenen Zikadenarten mit Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie miteinander verglichen. Zwei in Neuseeland endemische Zikadenarten (Kikihia scutellaris und Amphipsalta cingulata) wiesen im Vergleich zu einer amerikanischen Art (Magicicada septendecim) höhere Nanostrukturen auf. Trotz dieser Höhenunterschiede wurde festgestellt, dass alle drei Arten antibakterielle Wirkung aufweisen, sowohl gegen Gram-negative als auch gegen Gram-positive Bakterien (Escherichia coli und Staphylococcus aureus). Weiters wurde eine schnelle und kostengünstige Abformmethode entwickelt, mit der die Nanosäulchen von der biologischen Vorlage auf verschiedene Harze übertragen werden können, und zwar mit einer Genauigkeit auf der Nanoebene auf zentimetergroßen Flächen. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die derart hergestellten Replikate eine bakterizide Wirkung aufweisen. Die entwickelte Methode ist schnell und kosteneffizient und sie kann auf große Flächen übertragen werden. Dadurch wird ein weites Anwendungsgebiet eröffnet, von der bakteriziden Beschichtung von Krankenhausoberflächen, von Implantaten und auch von Smartphone-Displays. Dies könnte sich als erster Schritt zur erfolgreichen Bekämpfung der gefährlichen multiresistenten Bakterien erweisen., In recent years, various interesting properties have been reported for the pillar-like nanostructures found on the wing membrane of several cicada wings. Besides to superhydrophobicity, antireflection and self-cleaning, a bactericidal effect was discovered. This observation opened a promising field for further investigation. In this thesis, biological templates and related micro- and nanostructures produced via nanoimprint technologies from these templates are analyzed regarding their topology and functionality. The nanostructures of the wing membrane of three different cicada species were investigated with Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy and compared with each other. The two cicada species endemic to New Zealand (Kikihia scutellaris and Amphipsalta cingulata) were found to have higher nanopillars compared to the American Magicicada septendecim. Despite these height differences it was observed that all three species show an antibacterial effect against the Gram-negative Escherichia coli and the Gram-positive Staphylococcus aureus. Moreover, a fast and low-cost imprinting method was developed which is capable to transfer the nanopillars from the biological template to various resins with nanoscale accuracy on large (cm2) areas. In addition, it was shown that replicas produced in such a way show a bactericidal effect. As the method is straightforward it can be upscaled to large areas. This opens a vast field of applications from hospital surfaces over implants to smartphone displays and could be a big step to address the problem of multidrug resistance in bacteria.

The mulitstage preparation of densly packed thienylene-phenylene dendrimer 15 comprising 42 thiophene and 7 benzene units arranged in a hexagonal “snowflake” fashion is described. The desired three-dimensionality is induced through steric repulsion of the peripheral hexa(thienyl)benzene units. The molecular geometry of individual dendrimers was supported by quantum chemical calculations, whereby atomic force microscopy gave evidence for spontaneous ordering of the molecules on a graphite surface by the formation of stable nanosized edge-on oriented columns., publishedVersion

Das Materialsystem GaN auf Si verspricht die Verknüpfung der Vorteile eines Wide Bandgap Halbleiters mit den niedrigen Herstellungskosten von Si. So können High Electron Mobility Transistoren zum Beispiel auf Basis einer AlGaN/GaN-Heterostruktur als Ausgangspunkt kosteneffektiver und zugleich sehr energieeffizienter Leistungsschalter dienen. Die heteroepitaktische Herstellung bedingt jedoch hohe Materialdefektdichten, welche sich insbesondere in Form von Versetzungen und inversen Pyramidendefekten (V-pits) äußern. Der Einfluss dieser Defekte auf Bauelemente ist auf Grund der experimentell schwierigen Untersuchung jedoch nur sehr unzureichend bekannt und verstanden. In dieser Arbeit wurde eine strukturelle und elektrische Charakterisierungsmethodik von Versetzungen und V-pits in GaN auf Si entwickelt und systematisch auf unterschiedliche Proben angewendet. Der Fokus lag dabei auf der direkten Korrelation mikrostruktureller und elektrischer Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährung einer statistischen Relevanz der Ergebnisse. Dabei gelang es, charakteristische Versetzungsstrukturen und V-pits als Leckstrompfade durch das Material zu identifizieren und deren Auftreten mit Herstellungsparametern der Proben zu untersuchen. So stellte sich heraus, dass letztere eine essentielle Rolle hinsichtlich der elektrischen Aktivität von Versetzungen und des Auftretens von V-pits spielen. Zusätzlich wurden die gewonnenen Erkenntnisse bezüglich ihrer Relevanz für Bauelemente untersucht. Dabei konnte erstmalig der direkte Einfluss einzelner, elektrisch aktiver Versetzungen in GaN auf Si nachgewiesen werden. So bedingen sie eine Verschiebung der Einschaltspannung von Schottky-Dioden zu niedrigeren Werten, während V-pits eine starke Degradation der kritischen elektrischen Feldstärke des Materials nach sich ziehen. Die Arbeit leistet damit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Eigenschaften und Rolle dieser Defekte und damit zur technologischen Optimierung des Materialsystems., The GaN on Si material system promises to combine the advantages of a wide bandgap semiconductor with the low manufacturing costs of Si. High Electron mobility transistors based on an AlGaN/GaN heterostructure, for example, can serve as starting point for cost-effective and at the same time very energy-efficient power switches. However, heteroepitaxial fabrication induces high material defect densities, which manifest themselves in particular in the form of dislocations and inverse pyramid defects (V-pits). The influence of these defects on devices is, however, insufficiently known and understood due to the experimentally difficult investigation. In this work, a structural and electrical characterisation methodology of dislocations and V-pits in GaN on Si was developed and systematically applied to different samples. The focus was on the direct correlation of microstructural and electrical properties while ensuring a statistical relevance of the results. It was possible to identify characteristic dislocation structures and V-pits as leakage current paths through the material and to investigate their occurrence with manufacturing parameters of the samples. It turned out that the latter play an essential role with regard to the electrical activity of dislocations and the occurrence of V-pits. In addition, the findings were examined with regard to their relevance for devices. For the first time, the direct influence of individual, electrically active dislocations in GaN on Si could be revealed. They cause a shift of the turn-on voltage of Schottky diodes to lower values, while V-pits cause a strong degradation of the critical electric field strength of the material. The work thus makes an important contribution to the understanding of the properties and role of these defects and thus to the technological optimisation of the material system., FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik; 41

Das Rasterkraftmikroskop (AFM) ist ein leistungsf��higes Werkzeug f��r die Analyse von Oberfl��chentopografien und verschiedener Oberfl��cheneigenschaften wie z.B. Rauheit auf atomarer Ebene und bis zu Micrometer gro��en Strukturen. Es verwendet eine scharfe Spitze, die ��ber die untersuchte Oberfl��che gescannt wird, wobei die Kraft zwischen Spitze und Oberfl��che in der Regel in einer R��ckkopplungsschleife konstant gehalten wird. Die Bewegung der Spitze erfordert eine Genauigkeit im (Sub-)Nanometerbereich, und AFMs sind empfindlich gegen��ber Bodenvibrationen. AFMs werden daher in der Regel in vibrationsaremen Labors mit speziellen Ma��nahmen gegen Bodenvibrationen betrieben. Mit der wachsenden Nachfrage nach Produkten, die im Nanometerbereich hergestellt werden, entsteht die Notwendigkeit eines Inline-Messger��ts mit hoher Aufl��sung, und das AFM ist eines der vielseitigsten Messger��te im Nanometerbereich. F��r AFM-Messungen in harschen Umgebungen, wie z.B. in industriellen Produktionslinien, m��ssen aktive Vibrationskompensationsma��nahmen angewendet werden. Dar��ber hinaus ben��tigt der AFM-Messkopf eine kompakte Gr����e und einen langen vertikalen Hub, um Bodenvibrationen mit gro��en Amplituden (>10 um) mit hoher Bandbreite ausgleichen zu k��nnen. In diesem Projekt wird ein kompaktes AFM mit gro��er Reichweite und Vibrationssensoren auf 3 Achsen f��r Inline-Messungen entwickelt. Der Einfluss von Bodenvibrationen auf die AFM-Bildqualit��t wird analysiert. Basierend auf der Analyse wird ein geeigneter mechanischer Aufbau entworfen und simuliert. Um eine gro��fl��chige Analyse zu erm��glichen, wird ein Long-Range-Scanner entwickelt. Die Leistungsf��higkeit des entwickelten AFMs wird an Testproben, die Bodenvibrationen und Testvibrationsprofilen ausgesetzt sind evaluiert. Ein flexibles, kompaktes, auf piezoresistiver Cantilever basierendes AFM wird entworfen, simuliert und evaluiert. Das AFM ist nur 16 x 16 x 12 cm gro�� und wiegt 1.5 kg. Das AFM ist in der Lage, 220 x 220 um bei einer Linenscanrate von 1 Hz bzw. 340 x 340 um bei 0.5 Hz zu scannen, w��hrend der Scanner im offenen Regelkreis mit einem Linearit��tsfehler unter 0.5% betrieben wird. Das vorgestellte Konzept ist in der Lage, eine St��rung au��erhalb der Ebene bei 5 Hz und 500 nm Spitze-Spitze mit 40 dB zu unterdr��cken. Weiterhin wird gezeigt, dass es m��glich ist, AFM-Topographie-Bilder aufzunehmen, w��hrend die Probe Vibrationen ausgesetzt ist, die die Spitze, den Cantilever oder beide besch��digen w��rden. Vibrationen in der Ebene mit 1.5 um werden durch die vorgestellte Nachbearbeitung zur Korrektur von Trajektorienfehlern gut korrigiert. Beide Methoden funktionieren auch, wenn die Probe gleichzeitig in der Ebene und au��erhalb der Ebene schwingt., The Atomic force Microscope (AFM) is a powerful tool for the analysis of surface topography and various properties like roughness on atomic scales and up to micrometer structures. It uses a sharp tip, which is scanned over the investigated surface, while the tip-surface force is usually kept constant in a feedback loop. The tip motion requires (sub-)nanometer accuracy, and AFMs are sensitive to floor vibrations. AFMs are therefore typically operated in quiet laboratories with remedies against floor vibrations. With growing demand for products fabricated in the nanoscale the necessity of in-line measurement tools with high resolution arises and the AFM is one of the most versatile measuring tools at the nanoscale. For AFM measurements in harsh environmental conditions, such as industrial production lines, active vibration compensation measures have to be applied. Additionally, the AFM measurement head requires a compact size and a long vertical stroke to enable high bandwidth tracking of floor vibrations with large amplitudes (>10 um). In this project, a compact, long-range AFM with vibration sensors on 3 axes for in-line measurements is developed. The impact of floor vibrations on the AFM imaging performance is analyzed. Based on the analysis, a suitable mechanical setup is designed and simulated. In order to enable large area-analysis a long range scanner is designed. The performance of the developed AFM is evaluated on test samples subjected to floor vibrations and test vibration profiles. A flexible and compact AFM with piezoresistive deflection measurement is designed, simulated and evaluated. The AFM is just 16 x 16 x 12 cm and weighs 1.5kg. The AFM is capable of scanning 220 x 220 um at a line scan rate of 1 Hz, respectively 340 x 340 um at 0.5 Hz while the scanner is operated open loop with a linearty error below 0.5%. The presented concept is able to reject a out-of-plane disturbance with 5 Hz and 500 nm peak-peak with 40 dB. Further it is shown that it is possible to take AFM topography images while the sample is exposed to vibrations that would damage the tip, cantilever or both with out remedies against vibrations. In-plane vibrations up to 1.5 um are well corrected by the presented offline trajectory error correction method. Both methods still work if the sample is vibrating in-plane and out-of-plane simultaneously.

Battery-based energy storage systems - including the lithium ion battery in particular - represent a key technology for successfully mastering the energy transition. Modern lithium ion batteries are highly complex, particulate systems whose material design requires an in-depth understanding of the transport processes involed. Until now, there has been a lack of analytical methods to investigate transport processes with high spatial resolution in order to characterize individual, nanoscopically small components of a battery and thus accurately identify potential bottlenecks. In the present work, a contribution to fill this gap is demonstrated. Two novel methods for nanoscale analysis on battery materials are developed and presented. Both methods are based on the atomic force microscopy. The focus of the investigations is in particular on the spatially high-resolution quantification of ambipolar diffusion in battery electrode materials, which is a fundamentally important transport process in lithium ion batteries., Batteriebasierte Energiespeicher – darunter insbesondere die Lithiumionenbatterie – stellen eine Schlüsseltechnologie zur erfolgreichen Bewältigung der Energiewende dar. Moderne Lithiumionenbatterien sind hochkomplexe, partikulär aufgebaute Systeme, deren Materialdesign ein tiefgehendes Verständnis der involvierten Transportprozesse erfordert. Bisher mangelt es an Analytikmethoden zur Untersuchung dieser Transportprozessen mit räumlicher Hochauflösung, um einzelne, nanoskopisch kleine Bestandteile einer Batterie zu charakterisieren und somit mögliche Schwachstellen exakt identifizieren zu können. In der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur Schließung dieser Lücke aufgezeigt werden. Es werden zwei neuartige Methoden zur nanoskaligen Analytik an Batteriematerialien entwickelt und vorgestellt. Beide Methoden basieren auf dem Einsatz der Rasterkraftmikroskopie. Der Fokus der Untersuchungen liegt dabei insbesondere auf der räumlich hochaufgelösten Quantifizierung der ambipolaren Diffusion in Batterie-Elektrodenmaterialien, welche einen fundamental wichtigen Transportprozess in Lithiumionenbatterien darstellt.

Perowskitsolarzellen stellen einen vergleichsweise jungen Solarzellentyp dar, dessen Entwicklung und Optimierung jedoch innerhalb weniger Jahre in rasantem Tempo erfolgte und in aktuellen Wirkungsgraden von ��ber 25% resultiert. Als Ursache f��r diesen beispiellosen Aufstieg der Organik-Metallhalogenid-(OMH)-Perowskite gilt neben deren au��ergew��hnlich vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich des Ladungstr��gertransports eine fortlaufend verbesserte Mikrostruktur der polykristallinen Schichten. Trotz der bislang erzielten Fortschritte und intensiver Forschungsarbeiten ist das derzeitige Verst��ndnis solcher mikrostrukturellen Merkmale und deren Wirkung auf die Funktion der Solarzelle allerdings recht fragmentarisch. Das liegt zum einen an der Komplexit��t dieses kristallinen Materialsystems, zum anderen herrscht f��r manche der beobachteten Ph��nomene Uneinigkeit ��ber deren Entstehung und Einfluss auf den Ladungstr��gertransport. An dieser Forschungsl��cke setzt die vorliegende Arbeit an, in der mikrostrukturelle Eigenschaften von polykristallinen Methylammoniumbleiiodid-D��nnschichten (MAPbI3) analysiert werden, um einzelne, anhand komplement��rer Messtechniken ermittelte Merkmale miteinander in Bezugzu setzen und dadurch ihren Nachweis zu validieren. Es gelingt damit im Rahmen dieser Arbeit, mithilfe der Piezoantwort-Kraft-Mikroskopie (PFM) die in der Literatur diskutierten Dom��nenstrukturen nachzuweisen sowie diese auf Basis einer umfassenden Analyse auf ihren ferroelektrischen Ursprung zur��ckzuf��hren. So zeigt der ortsaufgel��ste Abgleich mit der Kristallorientierung die f��r perowskitische Ferroelektrika typische ��bereinstimmung der Ausrichtung der Polarisationsachse mit der Lage der Einheitszelle. Die f��r diesen Nachweis notwendige Kenntnis ��ber die lokal hochaufgel��ste Orientierung einzelner Kristalle geht auf die erstmals an MAPbI3 gelungene Implementierung von Elektronenr��ckstreubeugung zur��ck. Sie erm��glicht au��erdem, den Einfluss der Kornorientierung als wesentliches Element f��r die Auspr��gung spezifischer Oberfl��chenpotentiale zu identifizieren, wobei letztere - ganz im Zeichen von Ferroelektrika - in Abh��ngigkeit unterschiedlicher Polarisationskomponenten einer zus��tzlichen Modulation unterliegen k��nnen. Dar��ber hinaus wird im Rahmen der Arbeit die Dauer des in jeglichen Herstellungsprozessen angewandten Ausheizschrittes als wesentliche, die Mikrostruktur pr��gende Triebkraft entschl��sselt. In Abh��ngigkeit der Ausheizdauer gelingt es, die Auspr��gung unterschiedlicher Dom��nenformen und Polarisationsorientierungen zu steuern und dadurch die Entstehung von Dom��nen sowie deren Entwicklung zu energetisch stabilen Zust��nden nachzuverfolgen. Es zeigt sich, dass letztere innerhalb der kristallinen MAPbI3-D��nnschichten f��r lateral polarisierte Dom��nen erreicht sind, die - mit einer typischen Dom��nenbreite von D = 90nm - in Form lamellarer Zwillingsstrukturen mechanische Verspannungen sowie polarisationsinduzierte Aufladungen kompensieren. Gleichzeitig geht die Formierung derartiger Strukturen mit einer (110)-Textur der Probe einher. Da sich diese Zwillingsdom��nen aus Dom��nen mit dominanter vertikaler Polarisationskomponente entwickeln, stehen f��r die Analyse zur Auswirkung von Ferroelektrizit��t in Solarzellen somit erstmals zwei verschiedene mikrostrukturelle Zust��nde zur Verf��gung. Anhand des Verlaufs der Stromdichte-Spannungskurve best��tigen sich die aus einer Simulation prognostizierten Verbesserungen der Solarzellen, wenn in der MAPbI3-D��nnschicht lateral polarisierte, lamellare Dom��nen vorliegen. Diese k��nnen dann Rekombinationsverluste reduzieren und tragen im Vergleich zu vertikalen Dom��nen zu einem hohen F��llfaktor und effizienten Solarzellen bei. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnenen Erkenntnisse ��ber die mikrostrukturellen Eigenschaften der polykristallinen MAPbI3-D��nnschichten, der darauf beruhende Nachweis des ferroelektrischen Ursprungs von Dom��nenstrukturen sowie die Befunde zu deren Rolle in der Funktionsweise von Solarzellen liefern damit einen wichtigen Beitrag zu einem besseren Verst��ndnis der Wirkweise und m��glicher weiterer Optimierungspotentiale von Perowskitsolarzellen.

The main theme of the present work was the development of a novel nanocarrier system that can deliver two different therapeutics modalities to the cancer cells. Such a nanocarrier is superior to conventional drug delivery system as it combines two different approaches (i.e. chemotherapy and photodynamic therapy) within one carrier system to treat the cancer. In this work, we were interested in lipid enveloped biodegradable nanoparticles termed as lipoparticles in which two hydrophobic drugs could be encapsulated in separate compartments, a chemotherapeutic agent (Pirarubicin, THP) in the nanoparticle core and a photosensitizer (Temoporfin, mTHPC) in the lipid bilayer shell. Such a system not only increases the therapeutic efficacy, circulating time and bioavailability of the drugs but also reduce the drug leakage and side effects to the other body tissues. In the introduction part of the thesis deals with back ground of the basic principles and detailed mechanism of the photodynamic therapy. The ideal properties of the photosensitizers were discussed. This was followed by a brief insight into the nanocarriers including the liposomes, polymeric nanoparticles and lipid-polymer hybrid nanoparticles. Different methods to prepare the lipoparticles have also been discussed. The methodology section of the thesis deals with the preparation of mTHPC loaded liposomes, THP loaded nanoparticles and consequently the lipid enveloped polymeric nanoparticles. The formed nanoformulations were then evaluated in terms of physicochemical characterizations, in vitro, in ovo, in vivo as well as the biocompatibility studies. In results section, the encapsulation of mTHPC, a potent 2nd generation PS in the liposomes was discussed. For this purpose, a broad range of lipid combination was explored. The physicochemical characterizations including size distribution, zeta potential and encapsulation efficiency was performed. Surface morphological studies using the at atomic force microscopy and cryogenic transmission electron microscopy was conducted. The results obtained from these studies were found to be in accordance with the previous results obtained from the zeta sizer measurement. Further investigations including quantitative assessment of the reactive oxygen species and cellular photodynamic therapy at different wavelengths and different light doses have been discussed. In order to minimize the unethical use of the animals, chick chorioallantoic membrane model (in ovo) as an alternative in vivo model was elaborated for the vascular targeted photodynamic therapy. The intracellular uptake studies using confocal laser scanning microscopy was performed and an effective cellular uptake in the perinuclear region have been shown. 92 In the next chapter of the results, the encapsulation of THP loaded PLGA nanoparticles have been discussed. Two different size of nanoparticles (200nm and 400nm) were prepared in order to have a comparative evaluation of the nanoparticles size, polydispersity index as well as the cell viability using dynamic light scattering and MTT assay respectively. In vitro drug release in simulated conditions revealed a biphasic drug release pattern with initial burst release phase followed by the sustained released pattern for the following days. The THP nanoparticles with smaller size (200nm) showed a higher drug release as compared to 400nm THP NP which was attributed to the larger available surface area for drug diffusion in the earlier case. Further in the results section, the preparation of the lipoparticles have been discussed. Based on the preliminary studies, two best performing liposomes DPPC/mPEG-DPPE5000 and DPPC/DPPG were combined to form a single liposome i.e. DPPC/DPPG/mPEG-DPPE5000 and was coated over the 200nm THP nanoparticles. The formed lipoparticles were also subjected to physicochemical characterizations. An increase in the lipoparticles size of 4-5 nm as compared to uncoated nanoparticles was perceived which was also confirmed with the surface morphological studies using AFM and TEM. The determination higher therapeutic efficacy of the lipoparticles by in vitro cytotoxicity synergism and ROS assay has also been described. The lipoparticles did not show any genotoxicity has been elaborated using single cell gel electrophoresis (comet assay). The stability of the lipoparticles was established in simulated physiological conditions (60% serum & PBS 7.4) and small reduction in particles size owing to the presence of protein corona was demonstrated. Biocompatibility studies were also performed to validate the compatibility of the lipoparticles with the blood components. Hemolysis assay, activated partial thromboplastin time and erythrocyte aggregation assay confirmed the non-toxic and biocompatible nature of the lipoparticles. After the evidencing the biocompatibility of the lipoparticles, the acute in vivo toxicity assessment was performed using BALB/c mice. No significant changes in the body visceral index and serum biomarkers was observed. Also, no significant changes in the tissue histopathology was observed. On the basis of all of these finding, it can be concluded that development of such a novel nanocarrier system can be employed for simultaneous delivery of the multiple drugs to the cancer cells with minimum toxicity. Future pharmacokinetic profiling with in vivo biodistribution and in vivo tumor models with targeting ligands (e.g. antibodies, aptamer etc.) attached on the lipoparticles can serve as a critical link for the pre-clinical studies., Das Hauptthema der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung eines neuartigen Nanocarrier-systems, das zwei verschiedene Therapieansätze zur Krebsbehandlung vereint. Ein solcher Nanocarrier ist dem herkömmlichen Drug Delivery System überlegen, da er verschiedene Ansätze (z.B. Chemotherapie und photodynamische Therapie) innerhalb eines Trägersystems kombiniert. In dieser Arbeit lag der Fokus auf Lipid umhüllte, biologisch abbaubare Nanopartikel, die als „Lipopartikel“ bezeichnet werden. Hierbei ist es möglich, zwei hydrophobe Arzneistoffe in getrennten Bereichen des Trägersystems zu verkapseln: ein Chemotherapeutikum (Pirarubicin, THP) im Nanopartikelkern und ein photoaktiver Stoff (Temoporfin, mTHPC) in der Lipid-Doppelschicht. Ein solches System erhöht nicht nur die therapeutische Wirksamkeit, die Blutzirkulationszeit und die Bioverfügbarkeit der Arzneimittel, sondern reduziert auch den frühzeitigen Austritt des Arzneistoffes sowie Nebenwirkungen auf andere Gewebe. In der Einleitung der Arbeit werden die Grundprinzipien und der detaillierte Mechanismus der photodynamischen Therapie dargestellt. Das Eigenschaftenprofil wie auch deren Optimierung solcher photoaktiven Stoffe, der sogenannten „Photosensitizer“, standen hier im Vordergrund der Diskussion. Im Anschluss erfolgte eine systematische Präsentation nanoskaliger „drug delivery“ Systeme, einschließlich Liposomen, polymerer Nanopartikel und Lipid-Polymer-Hybrid-Nanopartikel. Verschiedene Methoden zur Herstellung der modernen Lipopartikel wurden ebenfalls dargestellt und diskutiert. Der experimentelle Teil der Dissertation umfasst die Herstellung mTHPC-beladener Liposomen, THP-beladener Nanopartikel und Lipid umhüllter Polymernanopartikel. Die Charakterisierung der hergestellten parenteralen Formulierungen erfolgte mit Hilfe von physikalisch-chemischen Methoden, in vitro, in ovo, in vivo sowie mit toxikologischen Biokompatibilitätsstudien. Der Ergebnisteil beschreibt ausführlich die verwendeten Methoden und Analyse der Verkapselung von mTHPC, dem verwendeten potenten Photosensitizer der 2. Generation, in Liposomen. Zu diesem Zweck wurde ein breites Spektrum an Lipidkombinationen getestet und mit physikalisch-chemischen Methoden einschließlich Größenverteilung, Zetapotenzial sowie deren Verkapselungseffizienz untersucht. Durch Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Gefrier-Transmissionselektronenmikroskopie konnte die Teilchengröße wie auch deren Oberflächenmorphologie analysiert werden. Die Ergebnisse dieser Studien bestätigten die Ergebnisse der PCS-Messungen. Weitere Untersuchungen wie die quantitative Bewertung der während der biologischen Untersuchungen entstandenen reaktiven Sauerstoffspezies sowie die Wirkung der in Zellkultur durchgeführten photodynamischen Therapie, bei verschiedenen Wellenlängen und Lichtstärken, wurden diskutiert. Um die unethische Nutzung von Versuchstieren zu minimieren, erfolgte die Untersuchung der gezielten antivaskulären (antiangiogenese Therapie) photodynamischen Therapie an dem chorioallantoischen Membranmodell (CAM, in ovo), das eine Alternative zum in vivo Modell darstellt. Die Aufnahme der Wirkstoffträger in die Zellen erfolgte mit Hilfe der konfokalen Laserscanning-Mikroskopie und verdeutlichte eine effektive zelluläre Aufnahme in den perinukleären Bereich. 94 Das folgende Kapitel des Ergebnisteils beschäftigt sich mit der Verkapselung von THP in PLGA-Nanopartikel. Zwei verschiedene Größen von Nanopartikeln (200nm und 400nm) wurden hergestellt, um eine vergleichende Bewertung der Größe der Nanopartikel und des Polydispersitätsindex auf das Zellüberleben zu erhalten. Diese Daten konnten mittels dynamischer Lichtstreuung bzw. MTT-Assay erhalten werden. Die in vitro Freisetzung des Arzneistoffes unter simulierten Bedingungen ergab ein zweiphasiges Freisetzungsprofiel, mit einer anfänglichen Burst-Freisetzungsphase, gefolgt von einer über die folgenden Tage anhaltenden kontinuierlichen Freisetzung. Die THP-Nanopartikel mit geringerer Größe (200 nm) zeigten dabei eine höhere Wirkstofffreisetzung pro Zeiteinheit im Vergleich zu 400 nm großen THP Nanopartikeln, was als eine Folge der größeren verfügbaren Oberfläche für die Wirkstoffdiffusion diskutiert werden kann. Basierend auf den Voruntersuchungen wurden im nächsten Kapitel die beiden leistungsstärksten Liposomen zu einem einzigen Liposom mit der Zusammensetzung DPPC/DPPG/mPEG-DPPE5000 kombiniert. Diese Liposomen sind anschließend zur Beschichtung der 200nm großen THP-Nanopartikel verwendet worden. Diese wurden eingehend physikalisch-chemisch charakterisiert. Die Lipopartikelgröße nimmt um etwa 4-5 nm im Vergleich zu unbeschichteten Nanopartikeln zu, was auch die oberflächenmorphologischen Studien mit AFM und TEM bestätigten. Die Bestimmung der höheren therapeutischen Wirksamkeit der Lipopartikel durch Zytotoxizitätsstudien wurde in vitro betätigt. Der Nachweis der erhöhten Produktion reaktiver Sauerstoffspezies erfolgte ebenfalls. Die Einzelzellgelelektrophorese (Comet-Assay) gab keinerlei Hinweise auf eine Genotoxizität der Lipopartikel. Die Untersuchung der Stabilität der Lipopartikel fand unter simulierten physiologischen Bedingungen (60% Serum, PBS 7,4) statt und zeigte eine geringe Vergrößerung des Partikeldurchmessers durch das Vorhandensein einer Proteinkorona. Durch Biokompatibilitätsstudien war es möglich, die Verträglichkeit der Lipopartikel mit Blutkomponenten zu validieren. Die Bestimmung der aktivierten Teilthromboplastinzeit und Erythrozytenaggregationstests bestätigten die Verträglichkeit und Biokompatibilität der Lipopartikel. Anschließend konnte die in vivo Toxizität der Lipidpartikel an BALB/c-Mäusen stattfinden. Es wurden keine signifikanten Veränderungen im viszeralen Index der Mäuse und in den Serum-Biomarkern beobachtet. Die Gewebehistopathologie zeigte ebenfalls keine signifikanten Veränderungen. Auf der Grundlage all dieser Ergebnisse kann der Schluss gezogen werden, dass es möglich ist, solche neuartigen Nanocarriersystems für die gleichzeitige Abgabe verschiedener Arzneistoffe an Krebszellen mit minimaler Toxizität prinzipiell einzusetzen. Die zukünftige Erstellung des pharmakokinetischen Profils einschließlich der in vivo Biodistribution und die Überprüfung der Effektivität der Lipopartikel an in vivo Tumormodellen können als kritisches Bindeglied für präklinische Studien dienen. Auch durch eine Kopplung von Liganden (z.B. Antikörpern, Aptameren etc.) kann eine weitere Steigerung der Effizienz erreicht werden.