@phdthesis{Marx2014,
  author    = {Armin Ottmar Marx},
  title     = {Experimentelle Untersuchungen zur Adh{\"a}sion von Biomolek{\"u}len auf biokompatiblen Metalloxiden unter Ber{\"u}cksichtigung von Kontaminationen},
  journal    = {Experimental study of the adhesion of biomolecules on biocompatible metal oxides in consideration of contaminations},
  url       = {https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-001998-4},
  year      = {2014},
  abstract  = {Das Material Titan wird Aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften f{\"u}r orthop{\"a}dische und dentale Implantate eingesetzt. Neben der erfolgreichen Implantation kommt es jedoch in manchen F{\"a}llen zu Komplikationen. Ein Grund f{\"u}r die Komplikationen k{\"o}nnen Kohlenwasserstoff-Kontaminationen auf der Titanoxid-Oberfl{\"a}che sein. Diese aus der Luft stammenden Kontaminationen wurden im Rahmen dieser Arbeit analysiert und deren Einfluss auf die Adsorption von Aminos{\"a}uren studiert. Als Modellsystem wurden Alkohole gew{\"a}hlt, da deren Konzentration in der Krankenhausluft stark erh{\"o}ht ist. Zur Analyse der Adsorption auf Titanoxid wurden Isothermen im Druckbereich von 10^-6 bis 10^4 Pa mit Alkoholen und Wasser gemessen. Hierbei konnte beobachtet werden, dass die Adsorption der Alkohole bei geringerem Druck (10^-6 Pa) beginnt als die des Wassers (10^-4 Pa). Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass sowohl das Wasser als auch die Alkohole schon bei Dr{\"u}cken adsorbieren, die unterhalb der Partialdr{\"u}cke der jeweiligen Substanz in der Atmosph{\"a}re liegen. Zur Ermittlung der zugeh{\"o}rigen Adsorptionsenergien wurden die Daten an die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Brunauer-Emmet-Teller-Freundlich-Isotherme (BFI) angepasst. Die BFI unterscheidet sich von der klassischen Freundlichisotherme in der Beschreibung der lokalen Isothermen der heterogenen Oberfl{\"a}che. So ist die klassische Freundlich-Isotherme durch eine Summe von Langmuir-Isothermen gegeben, wobei die BFI durch die Summation von lokalen BET-Isothermen entsteht. Aus der Anpassung der Rohdaten folgt, dass die Adsorptionsenergie der ersten Monolage f{\"u}r die Alkohole 95 kJ/mol ist und die Adsorptionsenergie des Wassers im Intervall zwischen 70 und 95 kJ/mol liegt. Sowohl der geringe Druck, bei dem Adsorption statt findet, als auch die Adsorptionsenergien zeigen, dass die Adsorption von Alkoholen aus der Luft an Titanoxid-Oberfl{\"a}chen thermodynamisch g{\"u}nstig ist. Zur Analyse der Haftst{\"a}rke wurden die Alkohole des Modellsystems von der feuchten Titanoxid-Oberfl{\"a}che desorbiert. Hierzu wurde die Technik der Thermischen Desorptions Spektrometrie (TDS) angewendet. Dabei wird die TiO2- Oberfl{\"a}ch konstant erhitzt und zu jeder Temperatur ein Massenspektrum der Desorbatgasphase gemessen. Damit im Spektrum zwischen der Oberfl{\"a}chenfeuchtigkeit und den Hydroxylfunktionen aus dem Alkohol unterschieden werden konnte, wurde zuerst D-Wasser und danach der Analyt-Alkohol an die Oberfl{\"a}che adsorbiert. Aus den Daten der TDS wurden dann die Hauptreaktionen ermittelt und festgestellt, dass die kleinen Molek{\"u}le D2O, Methanol und Ethanol signifikant molekular desorbieren wohingegen Propanol und Butanol verst{\"a}rkt zur Fragment-Desorption neigen. Beim Vergleich der Desorption der Alkohole mit Wasser wurde ermittelt, dass die Oberfl{\"a}chenfeuchtigkeit bei geringerer Temperatur beginnt zu desorbieren als die Alkohole. Bei erh{\"o}hter Temperatur {\"u}ber 600 K wurden die Desorptionsreaktionen durch den Zerfall der Desorbate {\"u}berlagert. Um diese Ergebnisse quantifizieren zu k{\"o}nnen, wurden die Daten mit dem neu entwickelten RED1-Modell (Desroption mit {\"u}berlagerter Reaktion) angepasst. Die Ergebnisse der Anpassung sind die Desorptionsenergien f{\"u}r die Alkohole (~162 kJ/mol) und f{\"u}r die Oberfl{\"a}chenfeuchtigkeit (~138 kJ/mol). Aus den Desorptionsenergien geht klar hervor, dass der Alkohol st{\"a}rker an der TiO2-Oberfl{\"a}che haftet als das Wasser und somit die Desorption unter physiologischen Bedingungen nicht zu erwarten ist. Au{\"s}er den Desorptions-Energien wurden die Arrhenius-Parameter der Zerfallsreaktion ermittel. Diese liegen f{\"u}r die Alkohole und das Wasser in der gleichen Gr{\"o}{\"s}enordnung (k0,rkt=0.07-7.22 s-1 und Erkt=26.91-43.33 kJ/mol). Zum Ende der Arbeit wurde der Einfluss der Kohlenwasserstoffschicht auf die Adsorption von Aminos{\"a}uren untersucht. Hierzu wurden die Oberfl{\"a}chen mit verschiedenen Methoden gereinigt, so dass die Adsorption auf der mit Kohlenwasserstoffen kontaminierten Oberfl{\"a}che mit der Adsorption auf Oberfl{\"a}chen mit reduziertem Kohlenwasserstoffanteil verglichen werden konnte. Die Messungen zeigen, dass die {\"A}nderungen der Bedeckungen bei Adsorption auf kontaminierten Oberfl{\"a}chen kleiner sind als auf Oberfl{\"a}chen mit reduziertem Kohlenwasserstoff-Anteil. Dieser Effekt scheint in der Seitenkette der Aminos{\"a}ure begr{\"u}ndet zu sein. Die Kontamination scheint somit die Adsorption von Biomolek{\"u}len zu behindern. Unabh{\"a}ngig von dieser Arbeit konnten G. M{\"u}ller et. al. zeigen51, dass mehr Zellen des Modellstamms f{\"u}r humane Osteoblasten MG63 auf der Oberfl{\"a}che einer Titanlegierung gebunden werden, wenn der Kohlenwasserstoff-Anteil auf der Oberfl{\"a}che reduziert ist. Da beide Arbeiten unabh{\"a}ngig und mit unterschiedlichen Methoden ein vergleichbares Ergebnis liefern, kann davon ausgegangen werden, dass die Luft im Operationssaal einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg der Implantation hat.},
  language  = {de}
}