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Zusammenfassung Ziel: Oberflächeneigenschaften im Mikro- und Nanometerbereich, die Löslichkeit, Effekte der Abbauprodukte und die sich verändernde Oberflächenmorphologie, spielen eine bedeutende Rolle in der Einheilung von Implantaten in den Knochen. So beeinflussen diese Oberflächeneigenschaften maßgeblich die Zellzahlen, das Überleben, die Verbreitung und Morphologie von Vorläuferzellen. Es war Ziel dieser Studie, das Wachstumsverhalten von Vorläuferzellen auf verschiedenen Oberflächendekorationen, wie sie auf dentalen Implantaten zum Einsatz kommen, zu untersuchen. Es sollte anhand verschiedener Parameter bestimmt werden, wie das Zellwachstum von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt. Die so gewonnenen Ergebnisse können eine Aussage über die Biokompatibilität der getesteten Oberflächendekorationen liefern. Material und Methoden: Es wurden DUOTex-Oberflächen, Bonit- und Kalziumsilikat (CaSi) Oberflächendekorationen, sowie abgebaute Bonit-Oberflächendekorationen genutzt. Darauf wurden vor- und nicht vordifferenzierte ((+) DAG USSCs und (-) DAG USSCs) humane Nabelschnurblutstammzellen (USSC) kultiviert. Zur Bestimmung der Oberflächentopographien im Nanometerbereich, sowie der Ra Werte, wurde mit dem AFM (Atomic-Force-Microscope) und dem REM (Rasterelektronenmikroskop) gearbeitet. Durch Messungen der Fluoreszenzfarbstoffbindung an die Nukleinsäure, sind die Zellzahlen nach 24 h, sowie 7, 14 und 28 Tagen bestimmt worden. Die Werte für abgegebenes Ca2+ der Oberflächen, wurden mittels einer Farbkomplexbildung und der Messung ihrer Intensität erhoben. Mit dem REM wurden die Morphologie und die Verbreitung der USSCs untersucht. Ergebnisse: Die Ra Werte betrugen: DUOTex = 0,537 µm, CaSi = 0,669 µm, Bonit abgebaut = 0,865 µm, Bonit = 1,234 µm. Die lateralen Abstände der Oberflächen im Nanometerbereich betrugen: DUOTex = 41-57 nm, CaSi 113-158 nm, Bonit > = 160 nm. Zwischen den Tagen 1, 7, 14 und 28 wurden unterschiedlich starke Erhöhungen (p<0,05) der mittleren Zellzahlen für die (+) DAG USSCs oder (-) DAG USSCs auf den verschiedenen Oberflächen beobachtet. Die höchsten mittleren Zellzahlen für (+) DAG USSCs und (-) DAG USSCs an den Tagen 1, 7, 14 und 28 wurden auf den DUOTex Oberflächen, sowie CaSi Oberflächendekorationen gefunden. Es konnten Unterschiede (p<0,05) in den mittleren Zellzahlen, vergleichend zwischen (+) DAG USSCs und (-) DAG USSCs auf der jeweiligen Oberflächenart an den Tagen 1, 7, 14 und 28 beobachtet werden. Für eine Kultivierungszeit von 24 h war der Zusammenhang zwischen der Zellzahl und Ra für die (-) DAG USSCs statistisch signifikant (p<0,001) und wurde durch folgende Funktion beschrieben: Zellzahl = 2285,6 • Ra-2+4506,6. Nach sieben Tagen, in der Proliferationsphase, war der Zusammenhang zwischen der Zellzahl der (-) DAG USSCs und Ra ebenfalls statistisch signifikant (p<0,001) und wurde durch die Funktion: Zellzahl = 8817,0 • Ra-2+ 13035,3 beschrieben. Nach dem Abbau der Bonit-Oberflächendekoration wurden gegenüber nicht vorbehandelten Bonit-Oberflächendekorationen nach 24 h und 7 Tagen höhere mittlere Zellzahlen bei (+) DAG USSCs beobachtet (p<0,05). Zusätzlich konnte ein signifikanter Anstieg der Zellzahlen (p<0,05), verglichen von Tag 1 zu Tag 7, für (+) DAG USSCs und (-) DAG USSCs nachgewiesen werden. Die Messung der Ca2+ Ionen ergab, dass die Bonit- und CaSi Oberflächendekorationen Ca2+ in das Nährmedium abgaben. Die CaSi Oberflächendekoration näherte sich einem Ca2+ Level, vergleichbar der DUOTex Oberfläche. Für die Bonit-Oberflächendekoration konnte ein Rückgang des Ca2+ im Nährmedium beobachtet werden. Die Ausbreitung, sowie Form der (+) DAG USSCs und (-) DAG USSCs waren ähnlich, wurden aber abhängig von der Wachstumsunterlage unterschiedlich schnell erreicht. Schlussfolgerung: Es konnte gezeigt werden, dass die USSCs sensitiv auf Beschaffenheit im Mikro- und Nanometerbereich, sowie die Degradation von Oberflächen reagieren. Oberflächen mit geringen Ra Werten, sowie kleinen lateralen Abständen im Nanometerbereich, haben sich günstig auf die Zellzahlen der USSCs ausgewirkt. Durch Veränderungen von abbaubaren Oberflächen wurden ebenfalls die Zellzahlen der USSCs deutlich erhöht. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die Vordifferenzierung der USSCs Einfluss auf das Wachstumsverhalten hatte.
The concept of the electron surface layer introduced in this thesis provides a framework for the description of the microphysics of the surplus electrons immediately at the wall and thereby complements the modelling of the plasma sheath. In this work we have considered from a surface physics perspective the distribution and build-up of an electron adsorbate on the wall as well as the effect of the negative charge on the scattering of light by a spherical particle immersed in a plasma. In our electron surface layer model we treat the wall-bound electrons as a wall-thermalised electron distribution minimising the grand canonical potential and satisfying Poissons equation. The boundary between the electron surface layer and the plasma sheath is determined by a force balance between the attractive image potential and the repulsive sheath potential and lies in front of the crystallographic interface. Depending on the electron affinity x, that is the offset of the conduction band minimum to the potential in front of the surface, two scenarios for the wall-bound electrons are realised. For x<0 electrons do not penetrate into the solid but are trapped in the image states in front of the surface where they form a quasi two-dimensional electron gas. For x>0 electrons penetrate into the conduction band where they form an extended space charge. These different scenarios are also reflected in the electron kinetics at the wall which control the sticking coefficient and the desorption time. If x<0 electrons from the plasma cannot penetrate into the solid. They are trapped in the image states in front of the surface. The transitions between unbound and bound states are due to surface vibrations. Trapping of electrons is mediated by one-phonon transitions and takes place in the upper bound states. Owing to the large binding energy of the lowest bound state transitions from the upper bound states to the lowest bound state are due to multi-phonon processes. For low surface temperatures relaxation to the lowest bound state takes place while for higher temperature a relaxation bottleneck emerges. Desorption occurs in cascades for systems without relaxation bottleneck and as a one-way process in systems with a relaxation bottleneck. From the perspective of plasma physics the most important result is that the sticking coefficient for electrons is relatively small, typically on the order of 0.001. For x>0 electron physisorption takes place in the conduction band. For this case sticking coefficients and desorption times have not been calculated yet but in view of the more efficient scattering with bulk phonons, responsible for electron energy relaxation in this case, we expect them to be larger than for the case of x<0. Finally, we have studied the effects of surplus electrons on the scattering of light by a spherical particle. For x<0 the electrons form a spherical electron gas around the particle and their electrical conductivity modifies the boundary condition for the magnetic field. For x>0 the electrons in the bulk of the particle modify the refractive index through their bulk electrical conductivity. In both cases the conductivity is limited by scattering with surface or bulk phonons. Surplus electrons lead to an increase of absorption at low frequencies and, most notably, to a blue-shift of an extinction resonance in the infrared. This shift is proportional to the charge and is strongest for submicron-sized particles. The particle charge is also revealed in a blue-shift of the rapid variation of one of the two polarisation angles of the reflected light. From our work we conclude that the electron affinity is an important parameter of the surface which should affect the charge distribution as well as the charge-up. Therefore, we encourage experimentalists to study the charging of surfaces or dust particles as a function of x. Interesting in this respect is also if or under what conditions the electron affinity of a surface exposed to a plasma remains stable. Moreover, we suggest to use the charge signatures in Mie scattering to measure the particle charge optically. This would allow a charge measurement independent of the plasma parameters and could be applied to nano-dust where conventional methods cannot be applied.