This diploma thesis was focused on study of barrier and transport properties of selected polyelectrolytes in hydrogel matrices by using diffusion techniques. The study of these properties was performed in horizontal diffusion cells where is observed the change in diffusion probe concentration over time. Diffusion experiments were performed on an agarose hydrogel with the addition of alginate, hyaluronic acid, polystyrene sulfonate, humic acids and as a model probe rhodamine 6G was used. Important parts of this thesis are also the methods which characterize the substances and hydrogel matrices such as rheology and potentiometric titration. The main aim of this diploma thesis was to investigate the effect of interactions between passing model dye (rhodamine 6G) and the appropriate gel (agarose + polyelectrolyte) on the fundamental diffusion parameters (effective diffusion coefficient, lag time, etc.).

Die Funktionalisierung von tetra-PEG Makromolekülen mit fotoreaktiven Gruppen und die anschließende Umsetzung zu Hydrogelen durch fotochemische Vernetzung werden beschrieben. Die Funktionalisierung der Makromoleküle wird mittels UV-Vis- und NMR-Spektroskopie nachgewiesen, während der Verlauf der Vernetzung über die dynamische Lichtstreuung und IR-Spektroskopie betrachtet wird. Die hergestellten Hydrogele werden hinsichtlich des Sol-Anteils und der Quelleigenschaften untersucht. Über den Umsatz wird die Konzentration der Netzketten theoretisch berechnet. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Charakterisierung der Hydrogele hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften. Über den Speichermodul wird die Konzentration der Netzketten experimentell bestimmt. Mittels dynamischer Lichtstreuung werden die kooperativen Diffusionskoeffizienten und Maschenweiten der Hydrogele bestimmt.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, ein verbessertes Verfahren zur Ausbildung einer Polyurethanschicht mit poröser Kapillarstruktur zu erarbeiten. Die Fällung (Koagulation) einer Polyurethanlösung erfolgt durch kontrollierte Freisetzung von Fällmittel aus einem zugesetzten, thermisch sensiblen und porös umhüllten Hydrogel. Bei Erwärmung auf eine stoffspezifische Temperatur setzt das Hydrogel Wasser frei, das die Fällung initiiert. Gegenüber der Fällung in einem Fällbad erzielt diese Verfahrensweise deutliche Verbesserungen. Die umhüllten Gele wurden mit Hilfe rheologischer, thermoanalytischer und weiterer Untersuchungsmethoden umfassend charakterisiert. Dadurch gelang es, eine Hüllenstruktur auszuwählen, die den spontanen Austausch von Löse- und Fällmittel verhindert und gleichzeitig die Wasserfreisetzung gewährleistet.

In vorangegangenen Arbeiten im eigenen Arbeitskreis wurden sensitive Hydrogelpartikel im mm- und μm-Bereich synthetisiert. Die Reaktion dieser Gele auf Änderung des einwirkenden Stimulus war jedoch nicht schnell genug für die gewünschten Anwendungen in Mikroventilen. Die verwendeten Polymere waren statistische Copolymere aus einem Chromophor (DMIAAm) und einem sensitiven Monomer (NIPAAm) und wiesen daher sehr breite Molmassenverteilungen auf. Mit Hilfe des Chromophores wurde es möglich, Hydrogele im Submikrometerbereich zu synthetisieren. Bei der Vernetzung dieser Polymere mit UVBestrahlung musste immer ein Tensid (SDS) zugesetzt werden, um die Bildung kleiner Aggregate zu unterstützen und gleichzeitig die Bildung großer zu unterdrücken. Ein solches Tensid kann die Anwendung dieser Hydrogele in bestimmten Bereichen, wie in der Medizin, verhindern. Es sollen daher tensidfrei Hydrogele synthetisiert werden. Für die Vernetzung sollte auf die photochemische Variante mit DMIAAm als Chromophor zurückgegriffen werden. Als Ausgangspolymere wären Di- bzw. Triblockcopolymere denkbar, die in wässriger Lösung zu einer Mizellbildung neigen. Aus den oben genannten Problemen ergab sich die folgende Zielstellung für die Arbeit. Es sollten sensitive Hydrogelpartikel erzeugt werden, die in der Lage sind, schnell auf eine Änderung der Temperatur zu reagieren. Eine kurze Reaktionszeit ist nur von Gelpartikeln mit kleinen Dimensionen im nm-Bereich zu erwarten. Weiterhin sollen diese Partikel mit einer Hülle umgeben werden, die für eine Stabilisierung sorgt und die Bildung größerer Aggregate unterbindet. Die Hülle muss so beschaffen sein, dass die Volumenänderung des sensitiven Blocks nicht beeinflusst wird. In dieser Dissertation wurde die kontrollierte radikalische Polymerisation von Acrylaten und Acrylamiden untersucht. Als Methode kam die Reversible-Addition-Fragmentation-chain-Transfer (RAFT) Polymerisation zum Einsatz. Die RAFT wurde gewählt, weil diese im Gegensatz zur ATRP metallionenfrei verläuft und die NMRP nicht für Acrylate geeignet ist. Bei den RAFT-Polymerisationen der verschiedenen Monomere wurden vier unterschiedliche Kettenüberträger verwendet (Schema 33) und folgende Ergebnisse erhalten. Als Lösungsmittel kam 1,4-Dioxan in den Polymerisationen zum Einsatz.

Glyphosat ist eines der weltweit am häufigsten eingesetzten Herbizide. Sein Einsatz wird u.a. auf Grund einer möglichen karzinogenen Wirkung und eines möglichen negativen Einflusses auf die Biodiversität kritisch diskutiert. Um Aussagen über die Verbreitung von Glyphosat in der Umwelt treffen zu können, werden verlässliche Nachweissysteme benötigt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, ein einfaches optisches System zum schnellen Nachweis von Glyphosat in wässrigen Proben, basierend auf einer Hydrophobin-funktionalisierten Oberfläche, die das Glyphosat Zielprotein präsentiert, zu entwickeln. Hierfür wurden verschiedene Fusionsproteine aus dem Glyphosat Zielprotein, der 5-Enolpyruvylshikimat-3-phosphatsynthase (EPSPS, hier aus dem Bakterium Escherichia coli (EcEPSPS)) und dem zur Selbstassemblierung an hydrophilen/hydrophoben Grenzflächen befähigten Hydrophobin Ccg2 aus Neurospora crassa erzeugt, welche für die Oberflächenfunktionalisierung eingesetzt wurden. Die Expression und Reinigung der Fusionsproteine und von Ccg2 in E. coli verlief erfolgreich. Nach initialen Kontaktwinkelmessungen zur Untersuchung der Funktionalität des Hydrophobins und Enzymaktivitätsmessungen für die Fusionsproteine, konnte deren Aktivität auch nach der Reinigung nachgewiesen werden. Dabei erwies sich das Fusionsprotein Ccg2_GS_EcEPSPS, aufgrund einer hohen enzymatischen Aktivität nach Immobilisierung, als am besten geeignet. Es wurden verschiedene Belegverhältnisse zwischen Hydrophobin und Fusionsprotein untersucht, um etwaige sterische Behinderungen zu minimieren. Hierbei erwies sich ein Belegverhältnis von 1 µM Ccg2_GS_EcEPSPS und 5 µM Ccg2 für die künftigen Messungen als gut geeignet. Auf Basis der so funktionalisierten Oberfläche wurden zwei Verfahren zum optischen Nachweis von Glyphosat entwickelt. Eines der Verfahren, der Malachitgrün-Assay, weist die enzymatische Aktivität der EPSPS auf der Oberfläche nach, genauer das entstehende anorganische Phosphat (Pi). Durch Glyphosathemmung entsteht weniger Pi, dies kann mittels Malachitgrün-Assay nachgewiesen werden. Unter Laborbedingungen konnte ein Detektionslimit von 50 nM erreicht werden. Des Weiteren zeigte der Assay keine nennenswerte Querempfindlichkeit und erwies sich damit als sehr spezifisch. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Temperaturen und pH-Werte untersucht. Es zeigte sich, dass Schwankungen dieser Parameter den Assay beeinflussen. Auch ein Einfluss der Ionenstärke konnte festgestellt werden. Deshalb sind entsprechende Kontrollen unerlässlich. Der Einfluss nicht-reaktionsbedingten Phosphates konnte durch Vorinkubation der Oberfläche mit der Glyphosat-haltigen Analyselösung mit anschließender Entfernung der Selbigen und Durchführung des Malachitgrün-Assays minimiert werden. Das zweite Verfahren, der Hydrogelsonden (HGS)-Assay, weist direkt die Interaktion von Glyphosat und der immobilisierten EcEPSPS nach. Hierfür wurden verformbare, Glyphosat-dekorierte HGS aus Polyethylenglykol benötigt. Bei Abwesenheit von freiem Glyphosat liegen die Bindestellen der immobilisierten EPSPS frei vor, sodass sie für die Bindung des immobilisierten Glyphosats an den HGS zur Verfügung stehen. Zwischen den HGS und der Oberfläche entsteht auf diese Weise eine große Kontaktfläche, welche mittels Reflektionsinterferenzkontrastmikroksopie messbar ist. Freies Glyphosat in der Analyselösung reduziert die verfügbaren Bindestellen an der Oberfläche. Dies resultiert in einer kleineren Kontaktfläche. Auf diese Weise kann durch Ermittlung der Größe der Kontaktfläche zwischen HGS und funktionalisierter Oberfläche und der daraus berechneten Adhäsionsenergie, auf das Vorhandensein von Glyphosat in der Analyselösung geschlossen werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte nach Optimierung der Oberflächenbeschichtung, ein positiver Machbarkeitsbeweis für dieses Verfahren erbracht werden.

Ionic hydrogels belong to the class of polyelectrolyte gels or ionic gels. Their ability to swell or shrink under different environmental conditions such as change of pH, ion concentration or temperature make them promising materials, e.g. for microsensoric or microactuatoric devices. The hydrogel swelling exhibits nonlinear effects due to the occurrence of different interacting transport phenomena. Numerical simulations are an essential part in the ongoing development of microsensors and microactuators. In order to determine transport effects due to diffusion, migration and convection a multiphase mesoscale model based on the Theory of Porous Media is applied. The governing field equations are solved in the transient regime by applying the Finite Element Method. By means of the derived numerical framework a detailed investigation of the different transport phenomena is carried out. Numerical experiments are performed to characterize the dominating transfer phenomena for ionic gels under chemical stimulation.

Ohne zuverlässige Chemo- und Biosensoren wären beispielsweise die Überwachung von Prozessparametern in der chemischen und biotechnologischen Industrie, die Detektion von geringsten Analytkonzentrationen in der biomedizinischen Analytik oder die Spurenanalyse von Schadstoffen undenkbar. Neue Sensormaterialien wie stimuliresponsive Hydrogele spielen bei der Entwicklung neuer chemischer und biochemischer Sensoren eine immer größere Rolle. Hydrogele sind „intelligente“ hydrophile Polymernetzwerke, die in Abhängigkeit von spezifischen Stimuli quellen und entquellen können. In Kombination mit piezoresistiven Drucksensoren wird dann der resultierende Quelldruck in eine messbare Ausgangsspannung umgewandelt. In dieser Arbeit werden sowohl neuartige stimuliresponsive Hydrogele für die Detektion von Ethanol in alkoholischen Getränken als auch zum Nachweis von gelöstem Ammoniak und Harnstoff für biotechnologische Prozesse vorgestellt. Nach der gezielten Synthese und Funktionalisierung der Gele werden zunächst die Quelleigenschaften in freier Quellung untersucht. Im Mittelpunkt der Charakterisierung stehen dabei sensorisch relevante Eigenschaften wie beispielsweise das Quellverhalten in Abhängigkeit vom jeweiligen Stimulus. Im nächsten Schritt werden piezoresistive Hydrogelsensoren aufgebaut und vermessen. Dabei werden wichtige Sensoreigenschaften wie der sensitive Messbereich, Nachweisgrenzen oder Querempfindlichkeiten detailliert untersucht und die Sensorkonzepte hinsichtlich ihres Anwendungspotenzials bewertet.

Injury to bone is one of the most prevalent and costly medical conditions. Clinical treatment of volumetric bone loss or hard-to-heal bony lesions often requires the use of proper bone grafting materials, with or without adjuvant anabolic therapeutics. Despite significant problems associated with autografting (donor site morbidity, limited supplies) and allografting (disease transmissions, high graft failure rates) procedures, synthetic bone grafts remain the least utilized clinically. Existing synthetic orthopaedic biomaterials rarely possess a combination of bone-like structural and biochemical properties required for robust osteointegration, scalable and user-friendly characteristics indispensable for successful clinical translations. This thesis tests the hypothesis that by recapitulating key structural elements and biochemical components of bone in 3- and 2-dimensional biomaterials, scalable synthetic bone grafts can be designed to enable expedited healing of hard-to-heal volumetric bone loss. Specifically, FlexBone, a 3-dimensional hydrogel scaffold encapsulating 50 wt% of structurally well integrated nanocrylstalline hydroxyapatite, the main inorganic component of bone, was developed. The large surface area of nanocrystalline hydroxyapatite combined with its intrinsic affinity to proteins and its excellent structural integration with the hydrogel matrix enabled FlexBone to both sequester endogenous protein signals upon press-fitting into an area of skeletal defect and to deliver exogenous protein therapeutics in a localized and sustained manner. We demonstrated that FlexBone enabled the functional healing of critical-size long bone defects in rats in 8 – 12 weeks with the addition of a very low dose of osteogenic growth factor BMP-2/7. This promising synthetic bone graft is now being explored for the delivery of multiple growth factors to expedite the healing of diabetic bony lesions. In addition, a 2-dimensional electrospun cellulose fibrous mesh was chemically modified with sulfate residues to mimic sulfated polysaccharide ECM components of skeletal tissues to enabled progenitor cell attachment and differentiation as well as controlled retention and localized/sustained delivery of protein therapeutics. This sulfated fibrous mesh is currently explored as synthetic periosteum to augment the osteointegration of devitalized structural allografts. Finally, a rat subcutaneous implantation model developed to examine the biocompatibility of newly developed biodegradable shape memory polymer bone substitutes is also presented.

Cette thèse porte sur la conception d'hydrogels injectables pouvant être utilisés en chirurgie mini-invasive, par exemple en dissection endoscopique sous-muqueuse (ESD) ou en réparation de hernie.Les polyamidoamines (PAAm) constituent une classe d'hydrogel intéressante à ces fins. Après avoir étudié les différents facteurs qui affectent leurs propriétés, nous montrons qu'il est également possible d'obtenir des microgels à base de PAAm pour la délivrance de médicaments ou l'encapsulation de cellules. Il est possible de synthétiser des PAAm dégradables qui peuvent être injectés dans la sous-muqueuse de l'estomac pour la ESD.Nous avons montré que les hydrogels hybrides alginate / PAAm peuvent être utilisés pour le traitement percutané de la hernie inguinale directe et des crèmes à base d'hydrogel ont été préparées pour être utilisées pour le colmatage des fistules. Le dernier chapitre de la thèse est consacré à la réticulation de l'acide hyaluronique pour la chirurgie esthétique. / This thesis deals with the design of injectable hydrogels that can be used in minimally invasive surgery, such as endoscopic submucosal dissection (ESD), percutaneous hernia repair or fistulas closure.Polyamidoamines (PAAm) constitute a class of hydrogel of special interest for these purposes. After studying the different factors that affect their properties, we show that it is also possible to obtain PAAM-based microgels for applications in drug delivery or cell encapsulation.It is possible to synthesize redox-responsive nanocomposite degradable PAAm that can be injected into the submucosa of the stomach to facilitate the ESD.We show that hybrid alginate/PAAm hydrogels can be used for the percutaneous treatment of direct inguinal hernia and hydrogel-based creams have been prepared for use in fistulas closure. The last chapter of the thesis is devoted to the development of a new crosslinking strategy for hyaluronic acid in cosmetic surgery.

Skeletal muscle injuries and muscle degenerative diseases pose significant challenges to the healthcare. Surgical interventions are restricted due to tissue availability, donor site morbidity and alterations to tissue biomechanics. Current cell-based therapies are hindered by low survival and long-term engraftment for the transplanted cells due to the lack of appropriate supportive microenvironment (cell niche) in the injured muscle. Therefore, there is a critical need for developing strategies that provide cellular and structural support in the regeneration of functional muscle. In the present work, a bioengineered cell niche mimicking the native skeletal muscle microenvironment has been developed for skeletal muscle regenerative engineering. It is hypothesized that the bioengineered scaffolds with appropriate structural and cell instructive properties will support myoblast alignment and function, as well as promote the myogenic responses in clinically relevant skeletal muscle injuries. The current work utilized a three-pronged approach to design biomaterial scaffolds to aid in skeletal muscle regeneration. In the first part, aligned poly(lactide-co-glycolide) (PLGA) fiber scaffolds mimicking the oriented muscle fiber microenvironment with fiber diameters of 335±154 nm (nanoscale), 1352±225 nm (microscale) and 3013±531 nm (microscale) were fabricated and characterized. Myoblasts were found to respond to fiber diameter as observed from the differences in cell alignment, cell elongation, cell spreading area, proliferation and differentiation. <i>In vivo</i> study demonstrated the potential of using microscale fiber scaffolds to improve myogenic potential in the <i>mdx</i> mouse model. In the second part, we designed, synthesized, and characterized an implantable glycosaminoglycan-based composite hydrogel consisting of hyaluronic acid, chondroitin sulfate and polyethylene glycol (HA-CS) with tailored structural and mechanical properties for skeletal muscle regeneration applications. We demonstrated that HA-CS hydrogels provided a suitable microenvironment for <i>in vitro</i> myoblast proliferation and differentiation. Furthermore, <i>in vivo</i> studies using a volumetric muscle loss model in the mouse quadriceps showed that HA-CS hydrogels integrated with the surrounding host tissue and facilitated <i>de novo</i> myofiber generation, angiogenesis, nerve innervation and minimized scar tissue formation. In the third part, we investigated the effects of PC12 secreted signaling factors in modulating C2C12 myoblast behavior. We showed that PC12 conditioned media modulated myoblast proliferation and differentiation in both 2D culture and 3D aligned electrospun fiber scaffold system in a dose dependent manner. We also demonstrated the biomimetic HA-CS hydrogel system enabled 3D encapsulation of PC12 cells secreting signaling factors and promoted survival and proliferation of myoblasts in co-culture. Further proteomics analysis identified a total of 2088 protein/peptides from the secretome of the encapsulated PC12 cells and revealed the biological role and overlapping functions of nerve secreted proteins for skeletal muscle regeneration, potentially through regulating myoblast behavior, nerve function, and angiogenesis. These set of experiments not only provide critical insight on exploiting the interactions between muscle cells and their microenvironment, but they also open new avenues for developing advanced bioengineered scaffolds for regenerative engineering of skeletal muscle tissues.<br>