Nanofibrous mats are interesting scaffold materials for biomedical applications like tissue engineering due to their interconnectivity and their size dimension which mimics the native cell environment. Electrospinning provides a simple route to access such fiber meshes. This thesis addresses the structural and functional control of electrospun fiber mats. In the first section, it is shown that fiber meshes with bimodal size distribution could be obtained in a single-step process by electrospinning. A standard single syringe set-up was used to spin concentrated poly(ε-caprolactone) (PCL) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) solutions in chloroform and meshes with bimodal-sized fiber distribution could be directly obtained by reducing the spinning rate at elevated humidity. Scanning electron microscopy (SEM) and mercury porosity of the meshes suggested a suitable pore size distribution for effective cell infiltration. The bimodal fiber meshes together with unimodal fiber meshes were evaluated for cellular infiltration. While the micrometer fibers in the mixed meshes generate an open pore structure, the submicrometer fibers support cell adhesion and facilitate cell bridging on the large pores. This was revealed by initial cell penetration studies, showing superior ingrowth of epithelial cells into the bimodal meshes compared to a mesh composed of unimodal 1.5 μm fibers. The bimodal fiber meshes together with electrospun nano- and microfiber meshes were further used for the inorganic/organic hybrid fabrication of PCL with calcium carbonate or calcium phosphate, two biorelevant minerals. Such composite structures are attractive for the potential improvement of properties such as stiffness or bioactivity. It was possible to encapsulate nano and mixed sized plasma-treated PCL meshes to areas > 1 mm2 with calcium carbonate using three different mineralization methods including the use of poly(acrylic acid). The additive seemed to be useful in stabilizing amorphous calcium carbonate to effectively fill the space between the electrospun fibers resulting in composite structures. Micro-, nano- and mixed sized fiber meshes were successfully coated within hours by fiber directed crystallization of calcium phosphate using a ten-times concentrated simulated body fluid. It was shown that nanofibers accelerated the calcium phosphate crystallization, as compared to microfibers. In addition, crystallizations performed at static conditions led to hydroxyapatite formations whereas in dynamic conditions brushite coexisted. In the second section, nanofiber functionalization strategies are investigated. First, a one-step process was introduced where a peptide-polymer-conjugate (PLLA-b-CGGRGDS) was co-spun with PLGA in such a way that the peptide is enriched on the surface. It was shown that by adding methanol to the chloroform/blend solution, a dramatic increase of the peptide concentration at the fiber surface could be achieved as determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Peptide accessibility was demonstrated via a contact angle comparison of pure PLGA and RGD-functionalized fiber meshes. In addition, the electrostatic attraction between a RGD-functionalized fiber and a silica bead at pH ~ 4 confirmed the accessibility of the peptide. The bioactivity of these RGD-functionalized fiber meshes was demonstrated using blends containing 18 wt% bioconjugate. These meshes promoted adhesion behavior of fibroblast compared to pure PLGA meshes. In a second functionalization approach, a modular strategy was investigated. In a single step, reactive fiber meshes were fabricated and then functionalized with bioactive molecules. While the electrospinning of the pure reactive polymer poly(pentafluorophenyl methacrylate) (PPFPMA) was feasible, the inherent brittleness of PPFPMA required to spin a PCL blend. Blends and pure PPFPMA showed a two-step functionalization kinetics. An initial fast reaction of the pentafluorophenyl esters with aminoethanol as a model substance was followed by a slow conversion upon further hydrophilization. This was analysed by UV/Vis-spectroscopy of the pentaflurorophenol release upon nucleophilic substitution with the amines. The conversion was confirmed by increased hydrophilicity of the resulting meshes. The PCL/PPFPMA fiber meshes were then used for functionalization with more complex molecules such as saccharides. Aminofunctionalized D-Mannose or D-Galactose was reacted with the active pentafluorophenyl esters as followed by UV/Vis spectroscopy and XPS. The functionality was shown to be bioactive using macrophage cell culture. The meshes functionalized with D-Mannose specifically stimulated the cytokine production of macrophages when lipopolysaccharides were added. This was in contrast to D-Galactose- or aminoethanol-functionalized and unfunctionalized PCL/PPFPMA fiber mats. / Biofunktionale Materialien gewinnen immer größere Bedeutung in biomedizinischen Anwendungen wie dem künstlichen Ersatz von Knochen oder Blutgefässe. Weiterhin können diese Stoffe nützlich sein, um die Wechselwirkung zwischen Biomaterialien und biologischen Systemen wie Zellen oder Organismen weiter zu erforschen. In diversen Studien konnten Größen wie dreidimensionaler Strukturaufbau, Oberflächentopographie, Mechanik und die Funktionalisierung mit bioaktiven Substanzen als Einflussfaktoren identifiziert werden, welche auf verschiedenen Größenskalen von makroskopisch bis nanoskopisch untersucht wurden und gegenwärtig erforscht werden. Bioinspiriert von Kollagenfasern, die als Strukturmotiv an verschieden Orten im menschlichen Körper vorkommen (z.B. extrazelluläre Matrix) konnte gezeigt werden, dass Fasermatten, die eine ähnliche Größendimensionen wie die vorher erwähnten Kollagenfasern (Ø ~ 500 nm) aufweisen, eine aussichtsreiche Gerüstmatrix darstellen. Eine einfache Methode Fasermatten in diesen Dimensionen herzustellen ist Elektrospinning, wobei typischerweise eine viskose Polymerlösung durch anlegen eines Hochspannungsfeldes verstreckt wird. Obwohl auf diese Weise hergestellte Fasermatten für gewisse Zelllinien eine ideale Zellwechselwirkung aufweisen, ist die Zellbesiedelung solcher Netzwerke, bedingt auch durch die kleinen Porendurchmesser, problematisch und bedarf meistens weiterer Prozessierungsschritte. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der einfachen Herstellung von strukturel und funktional kontrollierten Fasersystem mittels Elektrospinning. Der erste Teil behandelt ein Einschrittverfahren zum Elektrospinnen von bimodalen Fasermatten bestehend aus Nano- und Mikrofasern. In Zellstudien mit Epithelzellen konnte gezeigt werden, dass solche Netzwerke tiefer besiedelt werden als Matten bestehend aus unimodalen 1.5 μm dicken Fasern. Des Weiteren wurden diese Fasermatten für fasergerichtete Kristallisation von Kalziumcarbonat und – phosphat benutzt. In einem zweiten Teil wurden 2 Strategien für die Faserfunktionalisierung mit Peptiden und Zuckermolekülen entwickelt. Zum einen wurde gezeigt, dass funktionale Peptidfasern durch Verspinnung einer Mischung von einem Peptid-Polymer-Konjugat mit einem kommerziellen Polymer hergestellt werden konnten. Zusätzlich wurde ein modularer Ansatz für die Herstellung von reaktiven Fasern ausgearbeitet, die anschließend mit Peptiden oder Zuckern funktionalisiert wurden. Die Bioaktivität der Zucker funktionalisierten Fasern konnte durch Zellversuche erfolgreich bestätigt werden.

Poröse Materialien sind für eine Vielzahl industrieller, aber auch alltäglicher Prozesse essentiell und daraus nicht mehr wegzudenken. So erstrecken sich die Anwendungen von einfachen, auf Aktivkohle basierenden Wasserfiltern in Heimaquarien, über Zeolithe in selbstkühlenden Bierfässern bis hin zu weltweit genutzten, großtechnischen Verfahren in der Abtrennung von Schadstoffen aus Luft und Wasser. Außerdem werden poröse Materialien als Katalysatoren in Prozessen eingesetzt, die eine Grundlage der Konsumgüterproduktion der heutigen Gesellschaft bilden. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl neuer hochporöser Verbindungen entwickelt, wobei besonders in den letzten Jahren polymerbasierten Adsorbentien ein gesteigertes Interesse galt. Diese organischen Gerüstverbindungen zeichnen sich durch eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt aus, die auf den modularen Aufbau aus multifunktionellen organischen Einheiten (Linker) und verknüpfenden Gruppen (Knoten, Konnektoren) zurückzuführen ist. Neben ihrer homogenen Oberflächenchemie weisen diese Materialien signifikant hydrophobere Oberflächen als herkömmliche Adsorbentien, wie z.B. Aktivkohlen, auf. Dadurch sind die organischen Gerüstverbindungen bestens geeignet, um unpolare organische Komponenten aufgrund attraktiver Wechselwirkung adsorptiv zu binden. Entsprechende Verfahren gewinnen immer stärker an Bedeutung, um z.B. hochtoxische flüchtige organische Verbindungen (VOCs – volatile organic compounds) aus Luft und Wasser durch entsprechende Filter zu entfernen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um neuartige organische Gerüstverbindungen herzustellen, die sich durch o.g. unpolare innere Oberflächen auszeichnen (Abbildung 1). Dazu fanden verschiedene synthetische Konzepte Anwendung. Zum einen wurden multifunktionelle organische Linker durch Lithiierung zu starken Nukleophilen umgesetzt, die anschließend über alkylsubstituierte Konnektoren auf Silanbasis vernetzt werden konnten. Durch diese aliphatische Funktionalisierung der Materialien EOF-10 bis -14 (EOF – element organic framework) konnte die Oberflächenpolarität gegenüber vergleichbaren Gerüstverbindungen signifikant gesenkt werden, was wiederum die Wechselwirkungen mit unpolaren Substanzen erhöht. Weiterhin stand die Herstellung und Charakterisierung poröser Polymere über die palladiumkatalysierte Suzuki-Kupplung im Vordergrund, bei der die Linker über die C-C-Verknüpfungsreaktion direkt gebildet und dadurch polare Gruppen an den Konnektoren vermieden werden konnten (EOF-6 bis -9). Diese Verbindungen erreichen spezifische Oberflächen von bis zu 1380 m2g-1 und adsorbieren signifikant größere Mengen des unpolaren Gases n-Butan als weniger polare Aktivkohlen mit vergleichbar großer Oberfläche. Ein dritter Ansatz zur Synthese unpolarer Adsorbentien war die Herstellung von Polyphenylenen über die Cyclotrimerisierung multifunktioneller Acetylverbindungen. Die resultierenden porösen, stark unpolaren Polymere OFC-1 bis -4 (OFC – organic framework by cyclotrimerization), die jeweils über zwei verschiedene Syntheserouten in Lösung bzw. in einer lösungsmittelfreien Schmelze hergestellt werden konnten, wurden durch postsynthetische Funktionalisierung anwendungsspezifisch modifiziert. Außerdem wurden verschiedene Verarbeitungsmöglichkeiten zu monolithischen und textilen Adsorbern über die Syntheseroute aus der Schmelze untersucht. Neben der Herstellung hydrophober Adsorbentien ermöglicht der modulare Aufbau organischer Gerüstverbindungen die Immobilisierung katalytisch aktiver molekularer Spezies. Über die zwei erstgenannten Syntheserouten konnten poröse Netzwerke hergestellt werden, die großes Potential für Anwendungen als heterogene Katalysatoren in bisher überwiegend homogen geführten Prozessen aufweisen (Abbildung 1). So wurde ein hochvernetztes, poröses zinnorganisches Polymer (EOF-3) synthetisiert, dessen katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd gezeigt wurde. Dieses Material ist besonders für Ver- und Umesterungsreaktionen in der Oleochemie von Interesse, da derartige Reaktionen überwiegend homogen katalysiert werden. Des Weiteren ermöglichte die Suzuki-Kupplung als Verknüpfungsreaktion den Einbau eines bifunktionellen Imidazoliumlinkers in offenporige, hochvernetzte Polymere (EOF-15/-16). Durch Deprotonierung der Imidazoliumeinheiten wurden N-heterocyclische Carbene (NHC) erzeugt, deren katalytische Aktivität in der Organokatalyse in Kombination mit einer heterogenen Reaktionsführung gezeigt werden konnte. Neben der Entwicklung neuartiger organischer Gerüstverbindungen für Anwendungen als hydrophobe Adsorber und heterogene Katalysatoren behandelte die Dissertation die Verarbeitung poröser Materialien (Abbildung 1). Diese fallen in den meisten Fällen in Form feiner Pulver an, was in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes zu Problemen führen kann. Speziell für Filteranwendungen ist eine gute Zugänglichkeit des Porensystems durch eine feine Verteilung der adsorptiven Komponente notwendig. Dafür eignen sich Kompositmaterialien aus porösen Pulvern und Fasern. Eine Alternative stellt die Herstellung von Fasermaterialien mit intrinsischer Porosität dar. Beide Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgegriffen. Über die Methode des elektrostatischen Spinnens können Vliese extrem feiner Fasern nahezu aller Polymere hergestellt werden. Auch die Produktion von Kompositfasern ist bekannt. Bislang gibt es allerdings sehr wenige Arbeiten zur Herstellung poröser Fasermaterialien über diese Methode. Die Verarbeitung metallorganischer Gerüstverbindungen als Modellsubstanzen über Elektrospinnen zu porösen Kompositfasern wurde untersucht. Es konnten Beladungen von bis zu 80 Gew.-% der porösen Materialien in den Kompositfasern erreicht werden, ohne dass die Porensysteme durch den polymeren Binder blockiert wurden. Weiterhin erfolgte die Verarbeitung von Polycarbosilan, einem polymeren Precursor für keramische Materialien, über Elektrospinnen zu feinen Fasern. Diese wurden durch Pyrolyse zu SiC-Fasern und durch anschließende extraktive Entfernung der Siliziumatome durch Chlorierung zu porösen CDC-Fasern (CDC – carbide-derived carbon) mit außerordentlichen Adsorptionseigenschaften umgesetzt.

Poröse Materialien sind für eine Vielzahl industrieller, aber auch alltäglicher Prozesse essentiell und daraus nicht mehr wegzudenken. So erstrecken sich die Anwendungen von einfachen, auf Aktivkohle basierenden Wasserfiltern in Heimaquarien, über Zeolithe in selbstkühlenden Bierfässern bis hin zu weltweit genutzten, großtechnischen Verfahren in der Abtrennung von Schadstoffen aus Luft und Wasser. Außerdem werden poröse Materialien als Katalysatoren in Prozessen eingesetzt, die eine Grundlage der Konsumgüterproduktion der heutigen Gesellschaft bilden. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl neuer hochporöser Verbindungen entwickelt, wobei besonders in den letzten Jahren polymerbasierten Adsorbentien ein gesteigertes Interesse galt. Diese organischen Gerüstverbindungen zeichnen sich durch eine große strukturelle und funktionelle Vielfalt aus, die auf den modularen Aufbau aus multifunktionellen organischen Einheiten (Linker) und verknüpfenden Gruppen (Knoten, Konnektoren) zurückzuführen ist. Neben ihrer homogenen Oberflächenchemie weisen diese Materialien signifikant hydrophobere Oberflächen als herkömmliche Adsorbentien, wie z.B. Aktivkohlen, auf. Dadurch sind die organischen Gerüstverbindungen bestens geeignet, um unpolare organische Komponenten aufgrund attraktiver Wechselwirkung adsorptiv zu binden. Entsprechende Verfahren gewinnen immer stärker an Bedeutung, um z.B. hochtoxische flüchtige organische Verbindungen (VOCs – volatile organic compounds) aus Luft und Wasser durch entsprechende Filter zu entfernen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze verfolgt, um neuartige organische Gerüstverbindungen herzustellen, die sich durch o.g. unpolare innere Oberflächen auszeichnen (Abbildung 1). Dazu fanden verschiedene synthetische Konzepte Anwendung. Zum einen wurden multifunktionelle organische Linker durch Lithiierung zu starken Nukleophilen umgesetzt, die anschließend über alkylsubstituierte Konnektoren auf Silanbasis vernetzt werden konnten. Durch diese aliphatische Funktionalisierung der Materialien EOF-10 bis -14 (EOF – element organic framework) konnte die Oberflächenpolarität gegenüber vergleichbaren Gerüstverbindungen signifikant gesenkt werden, was wiederum die Wechselwirkungen mit unpolaren Substanzen erhöht. Weiterhin stand die Herstellung und Charakterisierung poröser Polymere über die palladiumkatalysierte Suzuki-Kupplung im Vordergrund, bei der die Linker über die C-C-Verknüpfungsreaktion direkt gebildet und dadurch polare Gruppen an den Konnektoren vermieden werden konnten (EOF-6 bis -9). Diese Verbindungen erreichen spezifische Oberflächen von bis zu 1380 m2g-1 und adsorbieren signifikant größere Mengen des unpolaren Gases n-Butan als weniger polare Aktivkohlen mit vergleichbar großer Oberfläche. Ein dritter Ansatz zur Synthese unpolarer Adsorbentien war die Herstellung von Polyphenylenen über die Cyclotrimerisierung multifunktioneller Acetylverbindungen. Die resultierenden porösen, stark unpolaren Polymere OFC-1 bis -4 (OFC – organic framework by cyclotrimerization), die jeweils über zwei verschiedene Syntheserouten in Lösung bzw. in einer lösungsmittelfreien Schmelze hergestellt werden konnten, wurden durch postsynthetische Funktionalisierung anwendungsspezifisch modifiziert. Außerdem wurden verschiedene Verarbeitungsmöglichkeiten zu monolithischen und textilen Adsorbern über die Syntheseroute aus der Schmelze untersucht. Neben der Herstellung hydrophober Adsorbentien ermöglicht der modulare Aufbau organischer Gerüstverbindungen die Immobilisierung katalytisch aktiver molekularer Spezies. Über die zwei erstgenannten Syntheserouten konnten poröse Netzwerke hergestellt werden, die großes Potential für Anwendungen als heterogene Katalysatoren in bisher überwiegend homogen geführten Prozessen aufweisen (Abbildung 1). So wurde ein hochvernetztes, poröses zinnorganisches Polymer (EOF-3) synthetisiert, dessen katalytische Aktivität in der Cyanosilylierung von Benzaldehyd gezeigt wurde. Dieses Material ist besonders für Ver- und Umesterungsreaktionen in der Oleochemie von Interesse, da derartige Reaktionen überwiegend homogen katalysiert werden. Des Weiteren ermöglichte die Suzuki-Kupplung als Verknüpfungsreaktion den Einbau eines bifunktionellen Imidazoliumlinkers in offenporige, hochvernetzte Polymere (EOF-15/-16). Durch Deprotonierung der Imidazoliumeinheiten wurden N-heterocyclische Carbene (NHC) erzeugt, deren katalytische Aktivität in der Organokatalyse in Kombination mit einer heterogenen Reaktionsführung gezeigt werden konnte. Neben der Entwicklung neuartiger organischer Gerüstverbindungen für Anwendungen als hydrophobe Adsorber und heterogene Katalysatoren behandelte die Dissertation die Verarbeitung poröser Materialien (Abbildung 1). Diese fallen in den meisten Fällen in Form feiner Pulver an, was in Abhängigkeit des Anwendungsgebietes zu Problemen führen kann. Speziell für Filteranwendungen ist eine gute Zugänglichkeit des Porensystems durch eine feine Verteilung der adsorptiven Komponente notwendig. Dafür eignen sich Kompositmaterialien aus porösen Pulvern und Fasern. Eine Alternative stellt die Herstellung von Fasermaterialien mit intrinsischer Porosität dar. Beide Ansätze wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgegriffen. Über die Methode des elektrostatischen Spinnens können Vliese extrem feiner Fasern nahezu aller Polymere hergestellt werden. Auch die Produktion von Kompositfasern ist bekannt. Bislang gibt es allerdings sehr wenige Arbeiten zur Herstellung poröser Fasermaterialien über diese Methode. Die Verarbeitung metallorganischer Gerüstverbindungen als Modellsubstanzen über Elektrospinnen zu porösen Kompositfasern wurde untersucht. Es konnten Beladungen von bis zu 80 Gew.-% der porösen Materialien in den Kompositfasern erreicht werden, ohne dass die Porensysteme durch den polymeren Binder blockiert wurden. Weiterhin erfolgte die Verarbeitung von Polycarbosilan, einem polymeren Precursor für keramische Materialien, über Elektrospinnen zu feinen Fasern. Diese wurden durch Pyrolyse zu SiC-Fasern und durch anschließende extraktive Entfernung der Siliziumatome durch Chlorierung zu porösen CDC-Fasern (CDC – carbide-derived carbon) mit außerordentlichen Adsorptionseigenschaften umgesetzt.

In order to improve the purity of steel castings, the use of special reactive coatings on carbon-bonded ceramic foam filters was explored. Carbon nanotubes were dispersed in water by means of ultrasonic treatment, using xanthan gum to stabilize the nanotubes in suspension and control the rheological behavior. The coatings were applied by cold spraying and binding was achieved during heat treatment in reducing atmosphere, thanks to an artificial pitch added to the slurry. The coated filters were successfully immersed in molten steel for different times. The thickness of the first alumina layer generated at the interface was independent of the immersion time: concentration gradients through its thickness suggested that the formation of this structure is limited by diffusion. Investigation of the steel after solidification by means of ASPEX showed that the presence of the coating influenced the size as well as the chemical composition of the remaining inclusions. Nano-coated filters had the best filtration efficiency (up to 95% for alumina inclusions after 10 s), but longer tests resulted in worse performance. In addition, coatings based on calcium aluminates in combination with carbon showed an efficiency greater than 97% for steel samples taken directly from the melt.

In order to improve the purity of steel castings, the use of special reactive coatings on carbon-bonded ceramic foam filters was explored. Carbon nanotubes were dispersed in water by means of ultrasonic treatment, using xanthan gum to stabilize the nanotubes in suspension and control the rheological behavior. The coatings were applied by cold spraying and binding was achieved during heat treatment in reducing atmosphere, thanks to an artificial pitch added to the slurry. The coated filters were successfully immersed in molten steel for different times. The thickness of the first alumina layer generated at the interface was independent of the immersion time: concentration gradients through its thickness suggested that the formation of this structure is limited by diffusion. Investigation of the steel after solidification by means of ASPEX showed that the presence of the coating influenced the size as well as the chemical composition of the remaining inclusions. Nano-coated filters had the best filtration efficiency (up to 95% for alumina inclusions after 10 s), but longer tests resulted in worse performance. In addition, coatings based on calcium aluminates in combination with carbon showed an efficiency greater than 97% for steel samples taken directly from the melt.