Unter Nutzung des Sol-Gel-Prozess von Siliciumalkoxiden wurden dünne Schichten präpariert. Um eine Funktionalisierung derartiger SiO2-Schichten zu erhalten, wurden einem auf Tetraethoxysilan basierenden Sol Aldehyde, Hydroxycarbonsäuren bzw. Amino-carbonsäuren zugesetzt. Alternativ zu Additiven wurden Alkyltriethoxysilane eingesetzt. Neue azomethinhaltige Siliciumprecursoren wurden synthetisiert und direkt oder im Gemisch mit Tetraethoxysilan hydrolisiert und auf ihre Eignung hinsichtlich der Schichtpräparation getestet. Der Einfluss der Modellsubstanzen auf die Kinetik des Sol-Gel-Prozesses, die Schichtzusammensetzung und die Schichteigenschaften, wird durch die Kombination spektroskopischer und oberflächen-analytischer Methoden aufgeklärt. Für eine Prüfung der erzielten Funktionalisierung wurden die verschieden modifizierten Solsysteme zur Immobilisierung des Enzyms Glucose-Oxidase eingesetzt und die erzielten Enzymaktivitäten systematisch verglichen.

Unter Nutzung des Sol-Gel-Prozess von Siliciumalkoxiden wurden dünne Schichten präpariert. Um eine Funktionalisierung derartiger SiO2-Schichten zu erhalten, wurden einem auf Tetraethoxysilan basierenden Sol Aldehyde, Hydroxycarbonsäuren bzw. Amino-carbonsäuren zugesetzt. Alternativ zu Additiven wurden Alkyltriethoxysilane eingesetzt. Neue azomethinhaltige Siliciumprecursoren wurden synthetisiert und direkt oder im Gemisch mit Tetraethoxysilan hydrolisiert und auf ihre Eignung hinsichtlich der Schichtpräparation getestet. Der Einfluss der Modellsubstanzen auf die Kinetik des Sol-Gel-Prozesses, die Schichtzusammensetzung und die Schichteigenschaften, wird durch die Kombination spektroskopischer und oberflächen-analytischer Methoden aufgeklärt. Für eine Prüfung der erzielten Funktionalisierung wurden die verschieden modifizierten Solsysteme zur Immobilisierung des Enzyms Glucose-Oxidase eingesetzt und die erzielten Enzymaktivitäten systematisch verglichen.

The colonization of immersed surfaces by a myriad of marine organisms is a complex, multi-stage, species-specific process giving rise to economic and environmental costs. This unwanted accumulation of organisms in the marine environment, called biofouling, has been attacked from different fronts, going from the ‘problem-elimination-as-problem-solving’ strategy (essentially through the use of biocides) to more elaborated and environmentally-friendly options based on the principle of ‘non-stick’ or ‘easy foul-release’ surfaces, which do not jeopardize marine life viability. Several marine organisms rely on proteinaceous adhesives to secure a holdfast to surfaces. Proteolytic enzymes have been demonstrated to be effective agents against settlement and settlement consolidation onto surfaces of marine bacteria, algae, and invertebrates, their proposed mode-of-action being the enzymatic degradation of the proteinaceous components of the adhesives. So far, however, the evidence remains inconclusive since most of the published investigations refer to commercial preparations where the enzyme is mixed with other components, like additives, which obviously act as additional experimental variables. This work aims at providing clear, conclusive evidence about the potential of serine proteases to target the adhesives produced by a group of model marine biofoulers. The strategy towards the goal consisted in the preparation and characterization of maleic anhydride copolymer nanocoatings modified by a surface-bound enzyme, Subtilisin A, the active constituent of the commercial preparations reported as effective against biofouling. The enzyme-containing maleic anhydride copolymer films were characterized (enzyme surface concentration, activity, stability, roughness and wettability) and thereafter tested in biological assays with three major biofoulers: spores of the green alga Ulva linza, cells of the pennate diatom Navicula perminuta, and cyprid larvae of the barnacle Balanus amphitrite. The purpose of the biological assays was to elucidate the efficacy of the immobilized catalyst to discourage settlement and/or to facilitate removal of these organisms from the bioactive layers. Results confirmed the initial hypotheses related to the enzymatic degradation of the biological adhesives: the immobilized protease was effective at reducing the adhesion strength of Ulva spores and Navicula diatoms in a manner that correlated with the enzyme activity and surface concentration, and deterred settlement of Balanus amphitrite barnacle cyprids even at the lowest surface activity tested. By facilitating the removal of biofilm-forming diatoms and of spores of the troublesome alga Ulva linza, as well as by interfering with the consolidation of adhesion of the calcareous Balanus amphitrite macrofouler, the enzyme-containing coatings here disclosed are considered to constitute an appealing and promising alternative to control marine biofouling without jeopardizing marine life.

Die Übertragung der amphiphilen Grundbausteine der Liposome in die Welt der Polymere führte zu Blockcopolymeren, welche sogenannte Polymersome bilden können. Die synthetische Herkunft der Polymere ermöglicht es, eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Funktionalitäten einzubringen. Anwendungen von Polymersomen werden vor allem als Wirkstoffträgersystem oder im Bereich der synthetischen Biologie als Nanoreaktoren oder künstliche Zellorganellen ausgemacht. In vielen Fällen wird dabei eine Schaltbarkeit oder Responsivität der Vesikel gegenüber äußerer Stimuli benötigt. Als nächste Stufe der Komplexizität können die responsiven, »smarten« Polymersome innerhalb ihrer Membran quervernetzt werden, wodurch es möglich wird, den Durchmesser und die Membranpermeabilität der Vesikel reversibel hin- und herzuschalten. Diese Arbeit baut dabei auf pH-responsiven Polymersomen auf, welche durch photochemische Reaktionen vernetzt werden. Dabei soll zunächst der Frage nachgegangen werden, an welchem pH Wert genau der Übergang von kollabierten zu gequollenen Vesikeln erfolgt und wie sich dieser »kritischer pH« (pH*) verändern und einstellen lässt. Neben der Herstellung von maßgeschneiderten Polymersomen ist aber auch die detaillierte Charakterisierung ihrer Membraneigenschaften unabdingbar, wofür die Titration mit Fluoreszenz-Sonden eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurden Enzyme in die Vesikel eingekapselt wobei die neuartige Methode der post-Verkapselung untersucht wurde.

Die Übertragung der amphiphilen Grundbausteine der Liposome in die Welt der Polymere führte zu Blockcopolymeren, welche sogenannte Polymersome bilden können. Die synthetische Herkunft der Polymere ermöglicht es, eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Funktionalitäten einzubringen. Anwendungen von Polymersomen werden vor allem als Wirkstoffträgersystem oder im Bereich der synthetischen Biologie als Nanoreaktoren oder künstliche Zellorganellen ausgemacht. In vielen Fällen wird dabei eine Schaltbarkeit oder Responsivität der Vesikel gegenüber äußerer Stimuli benötigt. Als nächste Stufe der Komplexizität können die responsiven, »smarten« Polymersome innerhalb ihrer Membran quervernetzt werden, wodurch es möglich wird, den Durchmesser und die Membranpermeabilität der Vesikel reversibel hin- und herzuschalten. Diese Arbeit baut dabei auf pH-responsiven Polymersomen auf, welche durch photochemische Reaktionen vernetzt werden. Dabei soll zunächst der Frage nachgegangen werden, an welchem pH Wert genau der Übergang von kollabierten zu gequollenen Vesikeln erfolgt und wie sich dieser »kritischer pH« (pH*) verändern und einstellen lässt. Neben der Herstellung von maßgeschneiderten Polymersomen ist aber auch die detaillierte Charakterisierung ihrer Membraneigenschaften unabdingbar, wofür die Titration mit Fluoreszenz-Sonden eingesetzt wurde. Darüber hinaus wurden Enzyme in die Vesikel eingekapselt wobei die neuartige Methode der post-Verkapselung untersucht wurde.

The colonization of immersed surfaces by a myriad of marine organisms is a complex, multi-stage, species-specific process giving rise to economic and environmental costs. This unwanted accumulation of organisms in the marine environment, called biofouling, has been attacked from different fronts, going from the ‘problem-elimination-as-problem-solving’ strategy (essentially through the use of biocides) to more elaborated and environmentally-friendly options based on the principle of ‘non-stick’ or ‘easy foul-release’ surfaces, which do not jeopardize marine life viability. Several marine organisms rely on proteinaceous adhesives to secure a holdfast to surfaces. Proteolytic enzymes have been demonstrated to be effective agents against settlement and settlement consolidation onto surfaces of marine bacteria, algae, and invertebrates, their proposed mode-of-action being the enzymatic degradation of the proteinaceous components of the adhesives. So far, however, the evidence remains inconclusive since most of the published investigations refer to commercial preparations where the enzyme is mixed with other components, like additives, which obviously act as additional experimental variables. This work aims at providing clear, conclusive evidence about the potential of serine proteases to target the adhesives produced by a group of model marine biofoulers. The strategy towards the goal consisted in the preparation and characterization of maleic anhydride copolymer nanocoatings modified by a surface-bound enzyme, Subtilisin A, the active constituent of the commercial preparations reported as effective against biofouling. The enzyme-containing maleic anhydride copolymer films were characterized (enzyme surface concentration, activity, stability, roughness and wettability) and thereafter tested in biological assays with three major biofoulers: spores of the green alga Ulva linza, cells of the pennate diatom Navicula perminuta, and cyprid larvae of the barnacle Balanus amphitrite. The purpose of the biological assays was to elucidate the efficacy of the immobilized catalyst to discourage settlement and/or to facilitate removal of these organisms from the bioactive layers. Results confirmed the initial hypotheses related to the enzymatic degradation of the biological adhesives: the immobilized protease was effective at reducing the adhesion strength of Ulva spores and Navicula diatoms in a manner that correlated with the enzyme activity and surface concentration, and deterred settlement of Balanus amphitrite barnacle cyprids even at the lowest surface activity tested. By facilitating the removal of biofilm-forming diatoms and of spores of the troublesome alga Ulva linza, as well as by interfering with the consolidation of adhesion of the calcareous Balanus amphitrite macrofouler, the enzyme-containing coatings here disclosed are considered to constitute an appealing and promising alternative to control marine biofouling without jeopardizing marine life.