Biosensoren stellen technische Geräte dar, die im Zentrum ihres Wirkmechanismus ein Biomolekül, also ein Molekül mit einer biologischen Funktion, aufweisen. Eine Vielzahl von Biosensoren findet in der Wissenschaft bereits Verwendung. Viele dieser Sensoren werden an planen Grenzflächen mit hoher Steifigkeit angewandt, welche weit von der in vivo Situation entfernt sind. Hierdurch ist unklar, ob diese Vereinfachung von natürlichen Prozessen inkorrekte oder in der biologischen Funktionalität veränderte Ergebnisse liefert. Aus diesem Grund soll mit dieser Arbeit die Vielseitigkeit eines neuen Biosensorsystems aufgezeigt werden, mit dem physikalische Phänomene von biologischen Systemen mimetisch nachgestellt und untersucht werden können. Der auf Hydrogelmikropartikeln basierende Biosensor bewies hierbei seine Verwendbarkeit für die Quantifizierung von unspezifischen Adhäsionsvorgängen an Materialgrenzflächen, wie auch für spezifische Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen von lebenden Zellen. Weiterhin konnte mit zwei verschiedenen Nachweismethoden, einer auf Reflektionskontrastmikroskopie basierenden und einer kraftspektroskopischen Methode, die breitgefächerte Anwendung der Hydrogelmikropartikel für biophysikalische Fragestellungen aufgezeigt werden. Die multivalenten und biomimetischen Eigenschaften der Mikropartikel erlauben hierbei ein quantitatives Verständnis von Wechselwirkungsvorgängen von Biomolekülen mit Materialgrenzflächen und spezifischen Rezeptorstrukturen, wobei das Biosensorsystem selbst einfach und leicht zu kontrollieren bleibt.

Hydrogel micro- and nanoparticles (microgels and nanogels) are a promising class of drug delivery vehicles. Composed of hydrophilic polymers arranged into a cross-linked network structure, nanogels show several attractive features for the delivery of macromolecule therapeutics. For instance, the hydrated, porous internal cavity of the nanogel may serve as a high capacity compartment for loading macromolecules, whereas the periphery of the nanogel may be used as a scaffold for conjugating cell-specific targeting moieties. This dissertation presents recent investigations of nanogels as targeted delivery vehicles for oligonucleotides to cancer cells, while exploring new nanogel chemistries that enable future in vivo applications. For instance, synthetic efforts have produced particles capable of erosion into low molar mass constituents, providing a possible mechanism of particle clearance after repeated administration in vivo. In another example, the microgel network chemistry was tuned to promote the encapsulation of charged proteins. In parallel with those synthetic efforts, new light scattering methodologies were developed to accurately quantify the particle behaviors (e.g. loading, erosion). Using multiangle light scattering (MALS), changes in particle molar mass and radius were measured, providing a quantitative and direct approach for monitoring nanogel erosion and macromolecule encapsulation. The new particle chemistries demonstrated, together with enabling light scattering methods, will catalyze the development of improved delivery vehicles in the near future.