Ein Bio-PE und ein PLA werden mit einem für Gleitanwendungen üblichen PE-UHMW tribologisch verglichen. Den beiden Werkstoffen werden zusätzlich die Naturstoffe Haferspelzen, Hanfschäbengranulat und Buchefasern mit einem Füllstoffgehalt von 30 Gew.% zugesetzt. Diese Naturstoffe sind teilweise Reststoffe aus der verarbeitenden Industrie und können bei guten Ergebnissen nachhaltig wiederverwendet werden. Durch tribologische Untersuchungen dieser Compounds soll ein zweckmäßiger und nutzbringender Einsatz der Naturstoffe aufgezeigt werden.

The desire for repair of tissue defects and injury is the major need prompting research into tissue engineering. Engineering of anisotropic tissues requires production of ordered substrates that orient cells preferentially and support cell viability and differentiation. Towards this goal, this thesis investigated methodologies to align extracellular matrix structures in vitro to guide stem/progenitor cell behaviour for tissue regeneration. Aligned collagen fibrils were deposited on planar substrates from collagen solutions streaming through a microfluidic channel system. Collagen solution concentration, degree of gelation, shear rate and pre-coating of the substrate were demonstrated to determine the orientation and density of the immobilized fibrils. The degree of collagen fibril orientation increased with increasing flow rates of the solution while the matrix density increased at higher collagen solution concentrations and on hydrophobic polymer pre-coatings. Additionally, the length of the immobilized collagen fibrils increased with increasing solution concentration and gelation time. Aligned collagen matrices were refined by incorporating the glycosaminoglycan heparin to study multiple extracellular matrix components in a single system. Multilineage (osteogenic/adipogenic/chondrogenic) differentiation of mesenchymal stem and progenitor cells was maintained by the aligned structures. Most noticeable was the observation that during osteogenesis, aligned collagen substrates choreographed ordered matrix mineralization. Likewise, myotube assembly of C2C12 cells was profoundly influenced by aligned topographic features resulting in enhanced myotube organization and length. Neurites from neural stem cells were highly oriented in the direction of the underlying fibrils. Neurite outgrowth was enhanced on aligned collagen compared to non-aligned collagen or poly-D-lysine substrates, while neural differentiation and cell survival were not influenced by the type of substrate. Using the new method to align collagen type I, the interior walls of cellulose hollow fiber membranes were coated with longitudinally aligned collagen fibrils to fabricate an advanced guidance conduit for nerve regeneration. First cell culture experiments showed that the tubes coated with aligned collagen supported viability and adherence of spinal cord-derived neurospheres. Together, these results demonstrate the feasibility of aligned collagen matrices as a versatile platform to control cell behaviour towards tissue regeneration. Ultimately, the new method to align collagen fibrils and to coat hollow membranes may become an integral component of tissue engineering, working synergistically with other emerging techniques to promote functional tissue replacements.

Anders als menschengemachte Maschinen verfügen Zellen über keinen festgeschriebenen Bauplan und die Positionen einzelner Elemente sind häufig nicht genau festgelegt, da die Moleküle diffusiven Zufallsbewegungen unterworfen sind. Darüber hinaus sind einzelne Bauteile auch nicht auf eine einzelne Funktion festgelegt, sondern können parallel in verschiedene Prozesse einbezogen sein. Basierend auf Selbstorganisation und Selbstassemblierung muß die Organisation von Anordnung und Funktion einer lebenden Zelle also bereits in ihren einzelnen Komponenten inhärent enthalten sein. Die intrazelluläre Organisation wird zum großen Teil durch ein internes Biopolymergerüst reguliert, das Zytoskelett. Biopolymer-Netzwerke und –Fasern durchdringen die gesamte Zelle und sind verantworlich für mechanische Integrität und die funktionale Architektur. Unzählige essentielle biologische Prozesse hängen direkt von einem funktionierenden Zytoskelett ab. Die vorliegende Arbeit zielt auf ein besser Verständnis und den Nachbau zweier verschiedener funktionaler Module lebender Zellen anhand stark reduzierter Modellsysteme. Als zentrales Element wurde Aktin gewählt, da dieses Biopolymer eine herausragende Rolle in nahezu allen eukaryotischen Zellen spielt. Mit dem ersten Modellsystem wird der bewegliche Aktin-Polymerfilm an der Vorderkante migrierender Zellen betrachtet. Die wichtigsten Elemente dieser hochdynamischen Netzwerke sind bereits bekannt und wurden in dieser Arbeit benutzt um ein experimentelles Modellsystem zu etablieren. Vor allem aber lieferten detailierte Computersimulationen und ein mathematisches Modell neue Erkenntnisse über grundlegende Organisationsprinzipien dieser Aktinnetzwerke. Damit war es nicht nur möglich, experimentelle Daten erfolgreich zu reproduzieren, sondern das Entstehen von Substrukturen und deren Charakteristika auf proteinunabhängige, generelle Mechanismen zurückzuführen. Das zweite studierte System betrachtet die Selbstassemblierung von Aktinnetzwerken durch entropische Kräfte. Aktinfilamente aggregieren hierbei durch Kondensation multivalenter Ionen oder durch Volumenausschluss hochkonzentrierter inerter Polymere. Ein neu entwickelter Experimentalaufbau bietet die Möglichkeit in gut definierten zellähnlichen Volumina, Konvektionseinflüsse zu umgehen und Aggregationseffekte gezielt einzuschalten. Hierbei wurden neuartige, regelmäßige Netzwerkstrukturen entdeckt, die bislang nur im Zusammenhang mit molekularen Motoren bekannt waren. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die Physik der Flüssigkristalle entscheidend zu weiteren Variationen dieser Netzwerke beiträgt. Dabei wird ersichtlich, dass entstehende Netzwerke in ihrer Architektur direkt die zuvor herrschenden Anisotropien der Filamentlösung widerspiegeln.:1 Introduction 1 2 General background 7 2.1 General concepts 7 2.1.1 Coarse-graining as hierarchical reduction 8 2.1.2 Functional modules and redundancies 10 2.1.3 Emergence 11 2.1.4 Self-organization and self-assembly 13 2.1.5 Bottom-up and top-down 13 2.2 The cytoskeleton 15 2.2.1 From actin monomers to filaments 16 2.2.2 Accessory proteins and actin networks 21 2.3 Biopolymer pattern formation 25 2.3.1 Random networks and nematic phases 25 2.3.2 Linker and motor induced networks 28 3 Lamellipodial actin network formation 33 3.1 Background: crawling cell migration 33 3.1.1 Leading edge actin structures 35 3.1.2 Lamellipodial self-organization into oriented branches? 40 3.1.3 Lamellipodial modeling 41 3.1.4 Beyond the lamellipodium: adhesion and network contraction 42 3.2 Methods: lamellar treadmilling model 45 3.2.1 Assumptions 45 3.2.2 Choice of model parameters 51 3.2.3 Computer simulation (implementation) 52 3.2.4 Mathematical modeling 56 3.3 Modeling results 63 3.3.1 Reproduction of motile cell characteristics 64 3.3.2 Self-organization into lamellipodium and lamellum 65 3.3.3 Filament severing and annealing influence network properties 70 3.3.4 Unconfined network growth 74 3.4 Feasible model extensions 76 3.4.1 Alternative nucleation mechanisms 77 3.4.2 Convergence zone through myosin-driven network contraction 80 3.5 Experimental bottom-up approach 82 3.6 Discussion: Arp2/3 induced actin networks 87 4 Actin network patterns in confined systems 91 4.1 Background: counterion condensation and depletion forces 91 4.1.1 Actin, a polyelectrolyte: counterion condensation 92 4.1.2 Actin and molecular crowding: depletion forces 95 4.2 Methods: Experimental design and data analysis 97 4.2.1 Protein purification and handling 98 4.2.2 Droplet formation 98 4.2.3 Volume monitoring and pattern analysis 100 4.3 Actin pattern formation 105 4.3.1 Counterion-induced network formation 105 4.3.2 Depletion force induced network formation 111 4.4 First modeling attempts: bundling simulation 116 4.4.1 Model concept and assumptions 116 4.5 Discussion: Counterion and depletion-based network assembly 119 5 Discussion & Outlook 125 Appendix 129 A. Variation of filament orientation 129 B. Analytical solution of the mathematical model 131 C. Pre-alignment of filaments 132 D. Protocols 134 d1. Acetone Powder Prep 134 d2. Actin prep 135 d3. Actin labling with rhodamine dye 137 Bibliography 141 Acknowledgements 157

Thema der vorgelegten Dissertation ist der Mechanismus der Keimbildung und des Wachstums von Platinclustern in Lösung und auf Biopolymeren nach der Reduktion von Platin-Salzen. Die Untersuchung wird auf atomarer Skala durch ab-initio Molekulardynamik mit der Methode von Car und Parrinello durchgeführt. In einem klassischen, generell akzeptierten Mechanismus erfolgt die Aggregation von Pt-Atomen nur nach kompletter Reduktion der Pt(II)-Komplexen zum metallischen Pt(0)-Zustand. Im Gegensatz dazu, in der hier beobachteten Reaktionsablauf entstehen stabile Pt-Pt-Bindungen schon nach einem einzigen Reduktionsschritt. Darüber hinaus wird es gefunden, dass kleine Pt-Cluster durch Addition von unreduzierten PtCl2(H2O)2-Komplexen wachsen können. Das stimmt mit einem experimentell beocbachteten autokatalytischen Clusterwachstumsmechanismus überein. Es wird weiterhin gefunden, dass Pt(II)-Komplexe, die kovalent an DNA oder an Proteine gebunden sind, als sehr effiziente Nukleationszentren für das weitere Metallclusterwachstum wirken können. Das ist eine Konsequenz des starken Donor-Charakters der organischen Liganden, in derer Anwesenheit stärkere Metall-Metall-Bindungen als frei in der Lösung gebildet werden können. In der Tat, in Metallisierungsexperimenten können 5 Nanometer dünne, mehrere Mikrometer lange, regelmässige Clusterkette erzeugt werden, die rein heterogen auf das Biomolekulare Templat gewachsen sind. / In this thesis we investigate the molecular mechanisms of platinum cluster nucleation and growth in solution and on biopolymers by means of first-principles molecular dynamics. In contrast with a classical picture where clusters nucleate by aggregation of metallic Pt(0) atoms, we find that Pt--Pt bonds can form between dissolved Pt(II) complexes already after a single reduction step. Furthermore, we observe that small clusters grow by addition of unreduced PtCl2(H2O)2 complexes, consistently with an autocatalytic growth mechanism. Moreover Pt(II) ions covalently bound to biopolymers are found to act as preferred nucleation sites for the formation of clusters. This is a consequence of the strong donor character of the organic ligands which induce the formation of stronger metal-metal bonds than those obtained in solution. In fact, in metallization experiments we obtain a clean and purely heterogeneous metallization of single DNA molecules leading to thin and uniform Pt cluster chains extended over several microns.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung von Haftvermittlersystemen für eine verbesserte Faser-Matrix-Adhäsion in Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen. Dabei wird zunächst die Charakterisierung der zu modifizierenden Rotbuchenfurnieroberfläche sowie die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen ohne Haftvermittler vorgestellt. Um die Kompatibilität der beiden Werkstoff zu erhöhen, wurden verschiedene Konzepte zur Haftförderung entwickelt und appliziert. Der Beschichtungsprozess von unterschiedlichen Formulierung wie Poly(N-vinylformamid-co-vinylamin) und strukturell verschiedenen Maleinsäureanhydridcopolymeren auf dem Holzfurnier wurde systematisch untersucht. Die Charakterisierung der beschichteten Rotbuchenfurnieroberfläche erfolgte unter anderen mit Hilfe von Kontaktwinkelmessungen, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und elektronen-mikroskopischen Aufnahmen. Die Anwendung der haftvermittelnden Polymere auf dem Holzwerkstoff ermöglicht die Herstellung von Holzfurnier/Biopolyethylen-Verbundwerkstoffen mit erhöhten mechanischen Kennwerten wie beispielsweise dem E-Modul und der Zugfestigkeit. Das Konzept der simultanen Zwillingspolymerisation wurde ebenfalls zur Haftförderung zwischen den Ausgangsmaterialien eingesetzt. Dafür wurden verschiedene neue, funktionale Zwillingsmonomere synthetisiert und anschließend deren Polymerisationsverhalten und die resultierenden Hybridmaterialien charakterisiert. Durch Applikation von verschiedenen Zwillingsmonomermischungen auf der Holzfurnieroberflächen konnten in Kombination mit Biopolyethylen kompatible und stabile Verbundwerkstoffe mit erhöhten mechanischen Eigenschaften erzielt werden.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die Durchführung sowie die Untersuchung ausgewählter Verfahrenswege zur chemischen und thermischen Vernetzung von Polysacchariden und Proteinen aus nachwachsenden Rohstoffen. Darüber hinaus wurden Hypothesen zu den Anwendungsmöglichkeiten der untersuchten vernetzten Polymere erstellt. Hierfür wurden mit analytischen Methoden die physiko-chemischen sowie die technofunktionellen Eigenschaften der Rohstoffe und der vernetzten Biopolymeren untersucht. Verglichen wurden z.B. die IR-Spektren der Ausgangsmaterialien mit denen des vernetzten Biopolymers. Mittels Reaktivextrusion wurden Formkörper hergestellt, deren Eigenschaften durch den Einsatz von geeigneten Weichmachern beeinflusst werden können. Die Temperatur des Extruders sollte möglichst niedrig gehalten werden, d.h. geringer als 90 °C, um unerwünschte Bräunungsreaktionen zu vermeiden. Bei den chemischen Vernetzungen wurden fünf verschiedene Vernetzungsmittel eingesetzt: Glutaraldehyd, Maleinsäureanhydrid, Maleinsäurediethylester, Bernsteinsäureanhydrid und Methylendiphenyldiisocyanat. Die Proben aus der Vernetzung mit Glutaraldehyd weisen einen wasserbindenden Charakter auf und können beispielsweise Einsatz als Hydrogele finden. Die mit Diisocyanaten vernetzten Proben härten im Wasser und können als Füllmaterial Einsatz in der Bauindustrie finden. Aufgrund der starken Vernetzung sind die Proben unlöslich und für die meisten erfolgt der Zersetzungsprozess ab 200 °C. Im Sinne einer Werkstoffbeschreibung wurden alle Proben als Duroplaste eingestuft, da sie keine thermoplastische Eigenschaft aufweisen. Mit dieser Arbeit werden Grundlagen für die Erforschung von Verfahrenswegen für die chemische sowie für die thermische Vernetzung von Polysacchariden und Proteinen gelegt. Die gewonnenen Erkenntnisse können für weitere Arbeiten genutzt werden. / In the present work, the possibilities of conjugation or interactions between polysaccharides, especially hemicelluloses and proteins from different sources of renewable raw materials have been investigated. Sources of polysaccharides are oat spelts xylan and maize spindles. Proteins like acid casein from cow milk and cruciferin, a rapeseed protein isolate, from the canola plant have been used. For the chemical crosslinking, homo-bifunctional reagents (crosslinkers) like glutaraldehyde, maleic anhydride, maleic acid diethyl ester, succinic anhydride, and methylene diphenyl diisocyanate were used. These reagents can react with functional groups of the biopolymers- the hydroxyl groups in the hemicelluloses and amino groups in the proteins. For a thermolinked conjugation of the biopolymers, the reactive extrusion was used as mechanical technique. Both types of biopolymers were successfully blended in a mini-Extruder to form sticks. The plastics characteristics of the sticks could be influenced by the addition of suitable softeners. The extrusion temperature must be kept as low as possible, to avoid the appearance of unwanted brown reactions. To investigate the conjugation of the polysaccharides with casein or cruciferin, the IR spectra of the raw materials with those of the crosslinked biopolymers were compared. Application possibilities of the resulted crosslinked biopolymers have been proposed. Most of the samples are insoluble due to the strong networking after the crosslinking reactions. Their thermal decomposition starts at temperatures around 200 °C. All the samples have been classified as duroplasts since they do not exhibit a thermoplastic characteristic. The work complements basic research about chemical and thermal conjugation between polysaccharides and proteins from renewable raw materials.