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Autoclaved aerated concrete (AAC) is a building material that combines heat insulation properties with sufficient mechanical strength for masonry construction. Compared to ordinary concrete, the matrix is highly porous (>50%) and hardened by a hydrothermal curing process at 150°C - 200°C. During this process, quartz sand and portlandite react to form first calcium silicate hydrates (C-(A)-S-H) with Ca/Si ratios <1.3 and then tobermorite. Especially tobermorite, which has a much larger crystallite size than C-(A)-S-H, provides improved mechanical strength. This reaction sequence is influenced by many parameters and additives of which calcium sulfate is probably the most important. Despite several attempts to investigate these hydrothermal reactions, the actual reaction mechanism involved when adding sulfate ions is not fully understood. It has been suggested that the addition of ca. 1.5 wt% significantly improves the mechanical properties due to the enhanced formation and arrangement of tobermorite in the porous matrix. Since the sulfate content in AAC waste is exceeding regulatory threshold for low-quality reuse in some countries, the aim of this study was to investigate in detail the reaction mechanisms involving sulfate addition. Such knowledge may open up the possibility to improve AAC production and to avoid the need for sulfate addition. To achieve this goal, this research work focused on investigating the hydrothermal curing process to determine the sequence of hydrothermal reactions and the spatial distribution of the phases formed. For this purpose, a new setup for in situ X-ray diffraction was specifically designed to study hydrothermal reactions and to conduct time intensive experiments on a normal laboratory diffractometer. In order to quantitatively evaluate the in situ measurements by Rietveld analysis using TOPAS, it was also necessary to develop atomistic structure models for C-(A)-S-H phases. This was made possible by adopting a supercell approach that was previously used to describe turbostratically stacked clay minerals. The structure models, derived from tobermorite, are placed in an otherwise empty supercell to simulate the C-(A)-S-H nanostructure. Adopting these methodological advances, it was possible to obtain absolute phase quantities from in situ data and to track the reaction kinetics of the hydrothermal curing process. These results were then combined with ex situ X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Confirming previous studies, the major effect of sulfate ions was the formation and decomposition of hydroxylellestadite. It was further revealed that C-(A)-S-H formation was delayed during hydroxylellestadite formation, which is supposed to support the silicate ion diffusion and hence the tobermorite formation at a stage critical for improved hardening of AAC. This can be linked to the formation of lower amounts of capillary pores in the range of 1-5 µm, as observed by scanning electron microscopy, and therefore a lower concentration of inherent defects that resulted in the improved mechanical properties. This research work highlights how important the spatial distribution of crystallites is for the properties of a building material and how this distribution can be influenced by small alterations in reaction chemistry.

Biorelevante In-vitro-Freisetzungsmodelle werden u. a. für das Screening neuartiger Formulierungen, zur Etablierung von In-vitro-/In-vivo-Korrelationen und zur Vorhersage des In-vivo-Verhaltens einer applizierten Darreichungsform angewendet. Die Entwicklung von In-vitro-Freisetzungsmodellen für peroral verabreichte Arzneiformen fokussierte bisher vorwiegend auf die Abbildung der gastrointestinalen Physiologie eines gesunden, „durchschnittlichen“ Erwachsenen. Patientenspezifische Faktoren, wie z. B. das Alter, Erkrankungen oder Geschlecht sowie individuelle Unterschiede, die die gastrointestinalen Verhältnisse und folglich auch das Freisetzungsverhalten einer peroral applizierten Arzneiform beeinflussen können, wurden bisher kaum berücksichtigt. Der Fokus dieser Arbeit lag auf der Entwicklung und Etablierung von patientenspezifischen, bioprädiktiven In-vitro-Freisetzungsmodellen für perorale Darreichungs-formen unter Berücksichtigung der gastrointestinalen Gegebenheiten zweier unterschiedlicher Patientenpopulationen: pädiatrische Patienten und Parkinson-Patienten. Eine wichtige Voraussetzung für eine sichere und wirksame perorale Arzneimitteltherapie bei pädiatrischen Patienten sind altersgerechte Darreichungsformen sowie eine geeignete Einnahmepraxis. Peroral applizierte Arzneimittel werden pädiatrischen Patienten häufig zusammen mit Applikationsvehikeln verabreicht, um die Einnahme der Arzneimittel zu erleichtern. Es muss jedoch bei einer solchen Anwendungspraxis sichergestellt werden, dass die eingenommene Arzneiform mit dem jeweiligen Applikationsvehikel kompatibel ist. Die Beurteilung der Kompatibilität ist anhand klinischer In-vivo-Studien an gesunden Kindern jedoch aufgrund ethischer Bedenken kaum möglich. Zur Evaluierung der Kompatibilität könnten In-vitro-Freisetzungsmethoden als eine mögliche Alternative eingesetzt werden. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden pädiatrische In-vitro-Freisetzungsmodelle entwickelt, um zu evaluieren, ob die Stabilität und das In-vivo-Freisetzungsverhalten der neuartigen Alkindi®-Formulierung durch Co-Verabreichung mit alterstypischen Applikationsvehikeln beeinträchtigt werden. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden im Anschluss an eine intensive Literaturrecherche Physiologie-basierte In-vitro-Modelle auf Basis der Mini-Paddle-Apparatur entwickelt. In der ersten Studie wurde die In-vitro-Wirkstofffreisetzung nach simulierter Applikation der Alkindi®-Formulierung mit typischen Applikationsvehikeln für Kinder unter 6 Jahren, d. h. Muttermilch, Formulamilch und Vollmilch, untersucht. In der zweiten In-vitro-Studie wurde der Altersbereich der adressierten Patientenpopulation auf 2 - 16 Jahre verändert und eine Reihe weiterer flüssiger sowie halbfester Applikationsvehikel, wie z. B. Orangensaft und Joghurt, verwendet. In beiden Studien konnte deutlich gezeigt werden, dass die Alkindi®-Formulierung ein robustes Freisetzungsverhalten aufwies und kompatibel mit den untersuchten Matrices war. Auf Grundlage der Ergebnisse der In-vitro-Untersuchungen wurde geschlussfolgert, dass die In-vivo-Freisetzung und die Bioverfügbarkeit der untersuchten Arzneiform nicht durch die untersuchten Applikationsvehikel beeinflusst werden und folglich diese Vehikel zur gemeinsamen Einnahme mit der Alkindi®-Formulierung geeignet sind. Diese Beobachtungen wurden darüber hinaus durch publizierte Ergebnisse einer korrespondierenden In-vivo-Studie in Erwachsenen bestätigt. Der zweite Teil der Arbeit befasste sich mit der Entwicklung eines neuartigen, Parkinson-spezifischen und Physiologie-basierten In-vitro-Freisetzungsmodells. Für die Entwicklung von biorelevanten In-vitro-Modellen zur Simulation der luminalen Bedingungen im Gastrointestinal-trakt einer spezifischen Patientenpopulation sind umfangreiche Kenntnisse über die jeweiligen gastrointestinalen In-vivo-Bedingungen und deren Variabilität unerlässlich. Im Rahmen einer Literaturrecherche wurde der aktuelle Wissensstand zu den gastrointestinalen Gegebenheiten in Parkinson-Patienten recherchiert, ausgewertet und zusammengefasst. Die Ergebnisse der Literaturstudie machen deutlich, dass sich die gastrointestinalen Bedingungen von Parkinson-Patienten teilweise erheblich von gesunden Erwachsenen unterscheiden. Das bedeutendste gastrointestinale Merkmal von Parkinson-Patienten ist die beeinträchtigte Motilität des Gastrointestinaltrakts, was sich u. a. in einer Verlangsamung der Magenentleerung sowie der intestinalen Passage äußert. Demgegenüber steht jedoch ein großer Mangel an Daten für eine Reihe von gastrointestinalen Parametern. Dies betrifft z. B. die Zusammensetzung und physiko-chemischen Eigenschaften der luminalen Flüssigkeiten des Gastrointestinaltrakts. Als geeignete In-vitro-Testplattform wurde die USP-3-Apparatur – auch als Eintauchender Zylinder (Europäisches Arzneibuch, Ph. Eur.) und Reciprocating cylinder (Ph. Eur. und US-amerikanisches Arzneibuch, USP) bezeichnet – ausgewählt, da sich diese Testplattform insbesondere zur Untersuchung von Darreichungsformen mit modifizierter Wirkstofffreisetzung eignet und bereits in einer Vielzahl von analytischen Laboren etabliert ist. Die Nutzung der kompendialen USP-3-Apparatur ließ aufgrund der geringen Variationsmöglichkeiten keine Simulation typischer Motilitätsmuster im humanen Gastrointestinaltrakt zu und eignete sich noch weniger für die Entwicklung und Etablierung von individuellen, patientenspezifischen Motilitätsprofilen. Um diese technischen Limitationen zu überwinden, wurde für die Weiterentwicklung des arzneibuchkonformen Modells ein Lastenheft erstellt, welches detaillierte Anforderungen für die Entwicklung der neuen Testapparatur enthielt. Auf Grundlage des beschriebenen Übersichtsartikels und unter Anwendung einer auf Basis des Lastenheftes modifizierten USP-3-Apparatur wurden unter besonderer Berücksichtigung von Motilität, Passagezeiten und Flüssigkeitsvolumina Parkinson-spezifische In-vitro-Freisetzungsmodelle entwickelt. Für ausgewählte modifiziert freisetzende Levodopa-Fertigarzneimittel wurde anschließend eine vergleichende Serie von In-vitro-Freisetzungsuntersuchungen unter Anwendung von Parkinson-spezifischen- oder „standardmäßigen“ Testmodellen durchgeführt, wobei letztere die gastrointestinalen Gegebenheiten eines „durchschnittlichen“, gesunden Erwachsenen simulierten. Für eine Beurteilung der Aussagekraft der entwickelten Parkinson-spezifischen Testmodelle wurden die generierten In-vitro-Freisetzungsdaten aus den Parkinson-spezifischen- und den „standardmäßigen“ Freisetzungsuntersuchungen in ein In-silico-PBPK-Modell implementiert und die jeweiligen simulierten Plasmakonzentrations-Zeit-Profile von Levodopa anschließend mit klinischen, durchschnittlichen In-vivo-Daten korreliert. Für PBPK-Modelle mit integrierten Parkinson-spezifischen In-vitro-Freisetzungsdaten wurde eine höhere Prädiktivität des In-vivo-Verhaltens der untersuchten Levodopa-Darreichungsformen beobachtet. Es konnte gezeigt werden, dass die entwickelten Parkinson-spezifischen In-vitro-Modelle ein vielversprechendes und prädiktives Instrument zur Vorhersage der In-vivo-Wirkstofffreisetzung von modifiziert freisetzenden Levodopa-Darreichungsformen darstellen. Der diskutierte methodische Ansatz der vorliegenden Studie könnte zukünftig das Screening neuartiger Formulierungen deutlich optimieren und somit zu einer verbesserten Arzneimitteltherapie für Parkinson-Patienten, aber auch für andere spezifische Patientengruppen beitragen

In vitro assays play a crucial role in the biopharmaceutical assessment of drugs. During the past two decades, biorelevant media became an indispensable tool to forecast the in vivo solubility and dissolution of pharmaceutical drug candidates, and to assess absorption risks like low solubility or drug precipitation. Nevertheless, in vitro set-ups are still a simplification of the conditions in the human GI tract. This thesis aimed to shed light on some of the remaining open questions, aiming at providing a better understanding of the effects of biorelevant media on solubility, dissolution, and precipitation processes, and providing guidance for a more streamlined usage in the future. The results of this work can be outlined in brief as follows: First, a new design of experiment-based method development was introduced which increased the robustness and accuracy of derivative UV spectrophotometric methods for drug quantification in biorelevant precipitation assays. Second, based on this new approach, the impact of SIF powder aging on the supersaturation and precipitation behavior of the model drug ketoconazole was investigated. Recommendations on the use of biorelevant media for precipitation assays were developed to further improve the reproducibility of transfer experiments and to enhance data reliability. Third, it was investigated under which circumstances the physiological bicarbonate buffer should be applied to Fasted State Simulated Intestinal Fluid medium for in vitro solubility, dissolution, and precipitation testing to resemble the in vivo conditions.

The relevance of cold atmospheric plasmas (CAPs) in biomedicine has recently grown. The potential of CAPs has been discussed in multiple scientific works, highlighting its effectiveness in promoting wound healing, limiting cancer progression, and for sterilization of surfaces. Main bioactive molecules, such as reactive oxygen and nitrogen species (RONS), are proposed as key candidates in these processes. Indeed, the generation of cold plasma induces noble gas ionization which, reacting with atmospheric air molecules, generates species such as singlet oxygen, atomic oxygen radicals, nitric oxide radicals. Although molecular simulations have been conducted, the mechanism of action on biological molecules, as well as the possibility to tune plasmas to produce specific species cocktails (e.g., with different degree of oxidation power) has been not fully unleashed. In this dissertation, presented in form of 5 published scientific articles, focus has been placed on the interaction of plasmas with peptides and proteins, which are main biological effectors in cellular compartments. Precisely, through the development of liquid chromatography coupled mass spectrometry (LC-MS) methods, the effects of plasmas on peptides and proteins in form of oxidative post-translational modifications (oxPTMs) has been investigated. The characterization of these oxPTMs has been performed by treating peptide or protein aqueous solutions and on porcine skin tissues. It has been found that, introducing small amounts of different gases (oxygen, nitrogen, or both) or even water molecules, can made CAPs tunable tools to produce oxygen-species dominating effects versus nitrogen-species dominating effects. In addition to this, it was found that the amino acid position in a peptide or protein influences the quality and quantity of the resulting oxPTMs. Besides this, other important parameters like driven gases, admixture gases or treatment duration were identified as relevant factors for the modification of amino acids in the peptide structure. By comparing the effects between peptide solutions and complex matrices such as porcine skin, water has been identified as a valid vehicle to transport and amplify the plasma chemistry. In an experimental study, the inactivation of a protein (PLA2) was observed after CAP treatment and together with simulation studies, the specific dioxidation of tryptophane W128 was detected as a potential explanation for this inactivation, indicating the strong impact of plasma on biological targets. In summary, oxidative modifications found in peptide solutions were observed also in complex protein structures and sample matrices. In conclusion, this work provides a starting point for future studies of oxidative modifications in complex models and may thus be helpful for further investigations in the fields of plasma medicine and redox chemistry.

Ziel der Arbeit war es, Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexe zu synthetisieren, die als Katalysatoren in Oxidationsreaktion von prochiralen Sulfiden zu chiralen Sulfoxiden getestet werden sollten. Es konnten verschiedene Ansätze entwickelt werden, die vielversprechend waren, um durch weitere Forschung Mono-Dithiolen-Vanadiumkomplexen erhalten zu können. Insbesondere konnte eine universell anwendbare Syntheseroute für die Verwendung von aliphatischen Dithiolenen in der Komplexsynthese erfolgreich gezeigt werden. Außerdem wurden neue Kristallstrukturen verschiedener Dithiolen-Vanadiumkomplexe erhalten.