Currently, the only treatment for end stage renal disease is dialysis or kidney transplantation. These methods contain obvious limitations such as the palliative nature of dialysis treatment and the lack of available organs for transplantation. As a result, there is a dire unmet need for alternative options. Regenerative therapies that focus on stimulating the regrowth of injured tissue can be a promising alternative. A critical step in the development of such therapeutic remedies is obtaining robust models that mimic the complex nature of the human kidney. The proximal tubules are a particular region of interest due to their important role in reabsorption and secretion of the glomerular filtrate and the blood, making them particularly susceptible to nephrotoxicity and renal pathologies. For this reason, the goal of this thesis was to engineer a 3D model of human proximal tubulogenesis that would allow for both developmental and regenerative studies. The ideal assay would mimic the human 3D structure and function of proximal tubules in a tunable, robust matrix that can be easily analyzed in throughput screenings for regenerative medicine and toxicity applications. In this thesis, we show the development, characterization, and application of an in vitro human renal tubulogenesis model using a modular and tunable biohybrid starPEG-heparin hydrogel platform. A range of hydrogel mechanics and compositions were systematically tested to determine the optimal conditions for renal tubulogenesis. The results revealed that only soft hydrogels based on heparin and matrix metalloproteinase (MMP) enzymatically cleavable crosslinkers led to the generation of polarized tubule structures. The generated tubules display polarization markers, extracellular matrix components, and organic anion transport functions which mimic the human renal proximal tubule. To the best of our knowledge, this is the first system where human renal tubulogenesis can be monitored ex vivo from single cells to physiologically sized tubule structures in a 3D tunable matrix. Moreover, it was found that heparin played a role in the polarization of proximal tubule cells in the hydrogel culture. The established starPEG-MMP-heparin based hydrogel model was then tested for its application as a renal tubulogenesis model by the addition of pro and anti-tubulogenic factors. It was found that the addition of growth factors and MMP inhibitors could promote and inhibit tubulogenesis, respectively. This model can be used to modulate tubulogenesis by adjusting the mechanical properties of the hydrogel, growth factor signaling, and the presence of insoluble cues (such as adhesion peptides), potentially providing new insights for regenerative therapy. To examine if the established hydrogel-based renal tubulogenesis model could be applied as a drug toxicity platform, the nephrotoxic, chemotherapeutic drug, cisplatin was incubated with the renal tubule model. The tubular structures showed a dose-dependent drug response resembling the human clinical renal pathology. The injured tubular structures also expressed the early in vivo proximal tubule injury biomarker, kidney injury molecule-1 (KIM-1). In conclusion, a hydrogel-based renal tubulogenesis model was successfully developed, characterized, and applied as a nephrotoxicity assay. Our findings suggest that the established hydrogel-based model can additionally be used for personalized medicine, where a patient’s predisposition to drug-induced renal injury or specific renal regenerative medicine treatments could be examined. This platform provides a novel approach to study human nephrotoxicity and renal regenerative medicine ex vivo, limiting the need for animal models, and potentially paving the way for more reliable preclinical trials.

Currently, the only treatment for end stage renal disease is dialysis or kidney transplantation. These methods contain obvious limitations such as the palliative nature of dialysis treatment and the lack of available organs for transplantation. As a result, there is a dire unmet need for alternative options. Regenerative therapies that focus on stimulating the regrowth of injured tissue can be a promising alternative. A critical step in the development of such therapeutic remedies is obtaining robust models that mimic the complex nature of the human kidney. The proximal tubules are a particular region of interest due to their important role in reabsorption and secretion of the glomerular filtrate and the blood, making them particularly susceptible to nephrotoxicity and renal pathologies. For this reason, the goal of this thesis was to engineer a 3D model of human proximal tubulogenesis that would allow for both developmental and regenerative studies. The ideal assay would mimic the human 3D structure and function of proximal tubules in a tunable, robust matrix that can be easily analyzed in throughput screenings for regenerative medicine and toxicity applications. In this thesis, we show the development, characterization, and application of an in vitro human renal tubulogenesis model using a modular and tunable biohybrid starPEG-heparin hydrogel platform. A range of hydrogel mechanics and compositions were systematically tested to determine the optimal conditions for renal tubulogenesis. The results revealed that only soft hydrogels based on heparin and matrix metalloproteinase (MMP) enzymatically cleavable crosslinkers led to the generation of polarized tubule structures. The generated tubules display polarization markers, extracellular matrix components, and organic anion transport functions which mimic the human renal proximal tubule. To the best of our knowledge, this is the first system where human renal tubulogenesis can be monitored ex vivo from single cells to physiologically sized tubule structures in a 3D tunable matrix. Moreover, it was found that heparin played a role in the polarization of proximal tubule cells in the hydrogel culture. The established starPEG-MMP-heparin based hydrogel model was then tested for its application as a renal tubulogenesis model by the addition of pro and anti-tubulogenic factors. It was found that the addition of growth factors and MMP inhibitors could promote and inhibit tubulogenesis, respectively. This model can be used to modulate tubulogenesis by adjusting the mechanical properties of the hydrogel, growth factor signaling, and the presence of insoluble cues (such as adhesion peptides), potentially providing new insights for regenerative therapy. To examine if the established hydrogel-based renal tubulogenesis model could be applied as a drug toxicity platform, the nephrotoxic, chemotherapeutic drug, cisplatin was incubated with the renal tubule model. The tubular structures showed a dose-dependent drug response resembling the human clinical renal pathology. The injured tubular structures also expressed the early in vivo proximal tubule injury biomarker, kidney injury molecule-1 (KIM-1). In conclusion, a hydrogel-based renal tubulogenesis model was successfully developed, characterized, and applied as a nephrotoxicity assay. Our findings suggest that the established hydrogel-based model can additionally be used for personalized medicine, where a patient’s predisposition to drug-induced renal injury or specific renal regenerative medicine treatments could be examined. This platform provides a novel approach to study human nephrotoxicity and renal regenerative medicine ex vivo, limiting the need for animal models, and potentially paving the way for more reliable preclinical trials.

Die vorliegende Arbeit verbindet die Thematik der magnetoaktiven Hybridmaterialien mit Hydrogelen. Hydrogele stellen eine breite Klasse an Materialien dar, die sich unter anderem durch ein Stimuli-sensitives Quellverhalten auszeichnen. In dieser Arbeit wurde ein magnetoaktives Hydrogel hergestellt und der auftretende magnetorheologische Effekt (MRE) und die Auswirkung von Quellgradänderungen auf diesen untersucht. Hierzu wurde zunächst eine geeignete Kombination von Matrix und Partikeln ausgewählt und das Material synthetisiert. Hierauf folgten eine rheologische und eine tomographische Untersuchung. Die verwendeten Methoden mussten für eine Anwendung auf Hydrogele angepasst werden. Die rheologischen Daten erlauben eine Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften des Materials und eine phänomenologische Beschreibung des magnetorheologischen Effektes durch eine empirisch ermittelte Formel. Durch Hinweise auf die mikroskopisch stattfindenden Prozesse aus den tomographischen Daten konnte eine äquivalente Formel aus theoretischen Überlegungen hergeleitet werden.

This work presents the development of entropy-elastic gelatin based networks in the form of films or scaffolds. The materials have good prospects for biomedical applications, especially in the context of bone regeneration. Entropy-elastic gelatin based hydrogel films with varying crosslinking densities were prepared with tailored mechanical properties. Gelatin was covalently crosslinked above its sol gel transition, which suppressed the gelatin chain helicity. Hexamethylene diisocyanate (HDI) or ethyl ester lysine diisocyanate (LDI) were applied as chemical crosslinkers, and the reaction was conducted either in dimethyl sulfoxide (DMSO) or water. Amorphous films were prepared as measured by Wide Angle X-ray Scattering (WAXS), with tailorable degrees of swelling (Q: 300-800 vol. %) and wet state Young’s modulus (E: 70 740 kPa). Model reactions showed that the crosslinking reaction resulted in a combination of direct crosslinks (3-13 mol.-%), grafting (5-40 mol.-%), and blending of oligoureas (16-67 mol.-%). The knowledge gained with this bulk material was transferred to the integrated process of foaming and crosslinking to obtain porous 3-D gelatin-based scaffolds. For this purpose, a gelatin solution was foamed in the presence of a surfactant, Saponin, and the resulting foam was fixed by chemical crosslinking with a diisocyanate. The amorphous crosslinked scaffolds were synthesized with varied gelatin and HDI concentrations, and analyzed in the dry state by micro computed tomography (µCT, porosity: 65±11–73±14 vol.-%), and scanning electron microscopy (SEM, pore size: 117±28–166±32 µm). Subsequently, the work focused on the characterization of the gelatin scaffolds in conditions relevant to biomedical applications. Scaffolds showed high water uptake (H: 630-1680 wt.-%) with minimal changes in outer dimension. Since a decreased scaffold pore size (115±47–130±49 µm) was revealed using confocal laser scanning microscopy (CLSM) upon wetting, the form stability could be explained. Shape recoverability was observed after removal of stress when compressing wet scaffolds, while dry scaffolds maintained the compressed shape. This was explained by a reduction of the glass transition temperature upon equilibration with water (dynamic mechanical analysis at varied temperature (DMTA)). The composition dependent compression moduli (Ec: 10 50 kPa) were comparable to the bulk micromechanical Young’s moduli, which were measured by atomic force microscopy (AFM). The hydrolytic degradation profile could be adjusted, and a controlled decrease of mechanical properties was observed. Partially-degraded scaffolds displayed an increase of pore size. This was likely due to the pore wall disintegration during degradation, which caused the pores to merge. The scaffold cytotoxicity and immunologic responses were analyzed. The porous scaffolds enabled proliferation of human dermal fibroblasts within the implants (up to 90 µm depth). Furthermore, indirect eluate tests were carried out with L929 cells to quantify the material cytotoxic response. Here, the effect of the sterilization method (Ethylene oxide sterilization), crosslinker, and surfactant were analyzed. Fully cytocompatible scaffolds were obtained by using LDI as crosslinker and PEO40 PPO20-PEO40 as surfactant. These investigations were accompanied by a study of the endotoxin material contamination. The formation of medical-grade materials was successfully obtained (<0.5 EU/mL) by using low-endotoxin gelatin and performing all synthetic steps in a laminar flow hood. / Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung Entropie-elastischer Gelatine-basierter Netzwerke als Filme und Scaffolds. Mögliche Anwendungen für die entwickelten Materialien liegen im biomedizinischen Bereich, insbesondere der Knochenregeneration. Im ersten Schritt der Arbeit wurden Entropie-elastische, Gelatine-basierte Hydrogel-Filme entwickelt, deren mechanische Eigenschaften durch die Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden konnten. Dazu wurde Gelatine in Lösung oberhalb der Gel-Sol-Übergangstemperatur kovalent quervernetzt, wodurch die Ausbildung helikaler Konformationen unterdrückt wurde. Als Quervernetzer wurden Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder Lysindiisocyanat ethylester (LDI) verwendet, und die Reaktionen wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Wasser durchgeführt. Weitwinkel Röntgenstreuungs Spektroskopie (WAXS) zeigte, dass die Netzwerke amorph waren. Der Quellungsgrad (Q: 300-800 vol. %) und der Elastizitätsmodul (E: 70 740 kPa) konnten dabei durch die systematische Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden. Die Analyse der Quervernetzungsreaktion durch Modellreaktionen zeigte, dass die Stabilisierung der Hydrogele sowohl auf kovalente Quervernetzungen (3-13 mol.-%) als auch auf Grafting von (5-40 mol.-%) und Verblendung mit Oligoharnstoffen (16-67 mol.-%) zurückgeführt werden kann. Die Erkenntnisse aus dem Umgang mit dem Bulk-Material wurden dann auf einen integrierten Prozess der Verschäumung und chemischen Quervernetzung transferiert, so dass poröse, dreidimensionale Scaffolds erhalten wurden. Dafür wurde eine wässrige Gelatinelösung in Gegenwart eines Tensids, Saponin, verschäumt, und durch chemische Quervernetzung mit einem Diisocyanat zu einem Scaffold fixiert. Die Scaffolds hergestellt mit unterschiedlichen Mengen HDI und Gelatine, wurden im trockenen Zustand mittels Mikro Computertomographie (µCT, Porosität: 65±11–73±14 vol.-%) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Porengröße: 117±28–166±32) charakterisiert. Anschließend wurden die Scaffolds unter Bedingungen charakterisiert, die für biomedizinische Anwendungen relevant sind. Die Scaffolds nahmen große Mengen Wasser auf (H: 630 1680 wt.-%) bei nur minimalen Änderungen der äußeren Dimensionen. Konfokale Laser Scanning Mikroskopie zeigte, dass die Wasseraufnahme zu einer verminderten Porengröße führte (115±47–130±49 µm), wodurch die Formstabilität erklärbar ist. Eine Formrückstellung der Scaffolds wurde beobachtet, wenn Scaffolds im nassen Zustand komprimiert wurden und dann entlastet wurden, während trockene Proben in der komprimierten Formen blieben (kalte Deformation). Dieses Entropie-elastische Verhalten der nassen Scaffolds konnte durch die Verminderung der Glasübergangstemperatur des Netzwerks nach Wasseraufnahme erklärt werden (DMTA). Die zusammensetzungsabhängigen Kompressionsmoduli (Ec: 10 50 kPa) waren mit den mikromechanischen Young’s moduli vergleichbar, die mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wurden. Das hydrolytische Degradationsprofil konnte variiert werden, und während des Abbaus kam es nur zu kontrolliert-graduellen Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Während der Degradation konnte ein Anstieg der mittleren Porengröße beobachtet werden, was durch das Verschmelzen von Poren durch den Abbau der Wände erklärt werden kann. Die Endotoxinbelastung und die Zytotoxizität der Scaffolds wurden untersucht. Humane Haut-Fibroblasten wuchsen auf und innerhalb der Scaffolds (bis zu einer Tiefe von 90 µm). Indirekte Eluat-Tests mit L929 Mausfibroblasten wurden genutzt, um die Zytotoxizität der Materialien, insbesondere den Einfluss des Quervernetzertyps und des Tensids, zu bestimmen. Vollständig biokompatible Materialien wurden erzielt, wenn LDI als Quervernetzer und PEO40 PPO20-PEO40 als Tensid verwendet wurden. Durch den Einsatz von Gelatine mit geringem Endotoxin-Gehalt, und die Synthese in einer Sterilarbeitsblank konnten Materialien für medizinische Anwendungen (Endotoxin-Gehalt < 0.5 EU/mL) hergestellt werden.

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.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Klasse von implantierbaren biochemischen Sensoren bezüglich ihrer Sensitivität im physiologisch relevanten pH- (pH 7,4) sowie Glukose-Konzentrationsbereich (2 - 20 mM) entwickelt und untersucht. Die Glukose-sensitiven Hydrogele basieren auf der Bindung von 5-fach-Zuckern an Boronsäuregruppen, die in einem Acrylamid-basierten Hydrogel mit N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) als Vernetzter (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%) verankert sind. Weiterhin konnten pH-sensitive Hydrogele auf Basis von 2-(Dimethylamino)ethyl Methacrylate (DMAEMA), Hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) sowie Tetraethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA) als Vernetzter in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Geometrien untersucht werden. Die verwendeten Hydrogele wurden hinsichtlich der Diffusionsprozesse sowie ihrer Quellkinetik charakterisiert, um deren Sensitivität, Selektivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit gegenüber den physiologischen Parametern (pH, pCO2, Glukose) zu verbessern. Die aufgebauten pCO2-Sensoren zeigten vielversprechende Ansprechzeiten von wenigen Minuten. Die Glukose und pH-Sensoren wiesen im physiologischen Medium (PBS) deutlich höhere Ansprechzeiten von mehreren Stunden auf. Die Kombination von piezoresistiven Drucksensoren mit Stimuli-sensitiven Hydrogelen bietet nicht nur eine große Vielfalt bezüglich der zu detektierenden Analyten, sondern ermöglicht auch miniaturisierte und implantierbare Sensoren für die kontinuierliche Erfassung von physiologischen Parametern. So war die Verkapselung zum Schutz und zugleich zur Gewährleistung der Biokompatibilität und ohne Beeinträchtigung der Funktionalität und Flexibilität der elektronischen Bauteile das Ziel. Dazu wurden die Sensoren mit dem Polymer Parylene C eingehaust, dass zusätzlich eine Polyethylenglykolschicht enthielt. Hierfür wurden Blockcopolymere mittels Ringöffnungspolymerisation synthetisiert, die Polyaminosäuren als Linkermoleküle und PEG zur gezielten Funktionalisierung enthalten. Nach kovalenter Anbindung an die inerte Parylene C-Oberfläche zeigten sich deutlich veränderte Oberflächeneigenschaften und eine verbesserte Zellkompatibilität und Hämokompatibilität. Zudem wurde der sogenannte Tarnkappeneffekt von PEG-Ketten, die sich in der Schicht nach außen ausrichten, festgestellt. Damit wurde Adsorption von Proteinen (Fibronektin, Fibrinogen), die in Entzündungsreaktionen, der Zelladhäsion sowie der Blutgerinnung maßgebend sind, deutlich verringert. / In this work a new class of implantable biochemical sensors with a high sensitivity at physiological pH (pH 7,4) and glucose (2 – 20 mM) ranges were developed and tested. The glucose sensitive hydrogel was made of acrylamide and N,N′-methylene-bis(acrylamide) as a crosslinker (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%). The swelling mechanism was based on the reversible interaction of sugar molecules and the boronic acid groups in the hydrogel. Also a pH sensitive hydrogel made of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA), hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) and the crosslinker tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) with different molar ratios and geometries was characterized. The swelling kinetics as well as the diffusion processes of different hydrogels were studied to advance sensitivity, selectivity, reproducibility and response time with respect to physiological parameters (pH, pCO2, glucose). pCO2 sensors showed promising short response times of about 4 min whereas glucose and pH sensors displayed longer response times of several hours in phosphate-buffered saline solution. The combination of piezoresistive pressure sensors and stimuli-sensitive hydrogels enables a great diversity of detecting analytes as well as miniaturized and implantable sensors for continuous measuring of physiological parameters. However, to implant the sensors an encapsulation strategy is needed that secures the electronics as well as ensures the biocompatibility without loss of functionality and flexibility. For this, the devices were coated with the polymer parylene C and an additional layer of blockcopolymers composed of polyaminoacid (PAA) and polyethyleneglycol (PEG) blocks synthesized via ring-opening polymerization. The functionalization units are carried out by the PEG blocks whereas the PAA blocks perform as linker molecules onto the activated parylene C surface. After covalent coupling of blockcopolymers to the inert polymer the surface characteristics changed and hence the cell and blood compatibility was improved. Furthermore the stealth effect of the outwards PEG chains was utilized to reduce the adsorption of proteins like fibronectin or fibrinogen. These proteins play a major role in inflammatory processes, cell adhesion and blood coagulation. The results gave proof that the encapsulation leads to decisively reduced physiological reactions.

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Klasse von implantierbaren biochemischen Sensoren bezüglich ihrer Sensitivität im physiologisch relevanten pH- (pH 7,4) sowie Glukose-Konzentrationsbereich (2 - 20 mM) entwickelt und untersucht. Die Glukose-sensitiven Hydrogele basieren auf der Bindung von 5-fach-Zuckern an Boronsäuregruppen, die in einem Acrylamid-basierten Hydrogel mit N,N′-Methylenbisacrylamid (BIS) als Vernetzter (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%) verankert sind. Weiterhin konnten pH-sensitive Hydrogele auf Basis von 2-(Dimethylamino)ethyl Methacrylate (DMAEMA), Hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) sowie Tetraethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA) als Vernetzter in unterschiedlichen Zusammensetzungen und Geometrien untersucht werden. Die verwendeten Hydrogele wurden hinsichtlich der Diffusionsprozesse sowie ihrer Quellkinetik charakterisiert, um deren Sensitivität, Selektivität, Reproduzierbarkeit und Ansprechzeit gegenüber den physiologischen Parametern (pH, pCO2, Glukose) zu verbessern. Die aufgebauten pCO2-Sensoren zeigten vielversprechende Ansprechzeiten von wenigen Minuten. Die Glukose und pH-Sensoren wiesen im physiologischen Medium (PBS) deutlich höhere Ansprechzeiten von mehreren Stunden auf. Die Kombination von piezoresistiven Drucksensoren mit Stimuli-sensitiven Hydrogelen bietet nicht nur eine große Vielfalt bezüglich der zu detektierenden Analyten, sondern ermöglicht auch miniaturisierte und implantierbare Sensoren für die kontinuierliche Erfassung von physiologischen Parametern. So war die Verkapselung zum Schutz und zugleich zur Gewährleistung der Biokompatibilität und ohne Beeinträchtigung der Funktionalität und Flexibilität der elektronischen Bauteile das Ziel. Dazu wurden die Sensoren mit dem Polymer Parylene C eingehaust, dass zusätzlich eine Polyethylenglykolschicht enthielt. Hierfür wurden Blockcopolymere mittels Ringöffnungspolymerisation synthetisiert, die Polyaminosäuren als Linkermoleküle und PEG zur gezielten Funktionalisierung enthalten. Nach kovalenter Anbindung an die inerte Parylene C-Oberfläche zeigten sich deutlich veränderte Oberflächeneigenschaften und eine verbesserte Zellkompatibilität und Hämokompatibilität. Zudem wurde der sogenannte Tarnkappeneffekt von PEG-Ketten, die sich in der Schicht nach außen ausrichten, festgestellt. Damit wurde Adsorption von Proteinen (Fibronektin, Fibrinogen), die in Entzündungsreaktionen, der Zelladhäsion sowie der Blutgerinnung maßgebend sind, deutlich verringert. / In this work a new class of implantable biochemical sensors with a high sensitivity at physiological pH (pH 7,4) and glucose (2 – 20 mM) ranges were developed and tested. The glucose sensitive hydrogel was made of acrylamide and N,N′-methylene-bis(acrylamide) as a crosslinker (AAm/APB/BIS, 80/20/0,75 mol%). The swelling mechanism was based on the reversible interaction of sugar molecules and the boronic acid groups in the hydrogel. Also a pH sensitive hydrogel made of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (DMAEMA), hydroxypropyl-methacrylat (HPMA) and the crosslinker tetraethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) with different molar ratios and geometries was characterized. The swelling kinetics as well as the diffusion processes of different hydrogels were studied to advance sensitivity, selectivity, reproducibility and response time with respect to physiological parameters (pH, pCO2, glucose). pCO2 sensors showed promising short response times of about 4 min whereas glucose and pH sensors displayed longer response times of several hours in phosphate-buffered saline solution. The combination of piezoresistive pressure sensors and stimuli-sensitive hydrogels enables a great diversity of detecting analytes as well as miniaturized and implantable sensors for continuous measuring of physiological parameters. However, to implant the sensors an encapsulation strategy is needed that secures the electronics as well as ensures the biocompatibility without loss of functionality and flexibility. For this, the devices were coated with the polymer parylene C and an additional layer of blockcopolymers composed of polyaminoacid (PAA) and polyethyleneglycol (PEG) blocks synthesized via ring-opening polymerization. The functionalization units are carried out by the PEG blocks whereas the PAA blocks perform as linker molecules onto the activated parylene C surface. After covalent coupling of blockcopolymers to the inert polymer the surface characteristics changed and hence the cell and blood compatibility was improved. Furthermore the stealth effect of the outwards PEG chains was utilized to reduce the adsorption of proteins like fibronectin or fibrinogen. These proteins play a major role in inflammatory processes, cell adhesion and blood coagulation. The results gave proof that the encapsulation leads to decisively reduced physiological reactions.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Verhalten polyelektrolytischer Gele und Hydrogelschichtsysteme auf Basis der Kontinuumsmechanik zu modellieren. Die Untersuchung des Materialverhaltens gegenüber externer Stimulation erfolgt anhand numerischer Simulationen, wodurch Einblicke in den komplexen Quellprozess und darin auftretende Phänomene gewährt werden. Die vorgenommene Modellierung und Simulation gestattet dabei eine Optimierung der Systemeigenschaften für den Anwendungsfall. Anwendungsfehler und die Anzahl nötiger Versionen zur Systemgestaltung können hierdurch effektiv verringert werden. Hydrogele stellen wichtige Vertreter aus der Klasse intelligenter Materialien dar, d.h. sie sind in der Lage auf Umwelteinflüsse durch eine reversible Änderung ihrer Materialeigenschaften zu reagieren. Sie bestehen aus einer mit Wasser gefüllten Polymermatrix, in welcher ionische Ladungsträger vorliegen. Dabei sind mobile Ladungsträger im Wasser enthalten. Die Materialeigenschaften von Hydrogelen beruhen auf ihrer chemischen Zusammensetzung und können jeweils spezifisch für ihren Anwendungsfall angepasst werden. So reagieren polyelektrolytische Hydrogele mit einem reversiblen Quell- bzw. Schrumpfungsprozess auf externe elektrische Felder und die Änderung der chemischen Zusammensetzung im umgebenden Lösungsmittelbad. Die reversible Volumenänderung gegenüber externer Stimuli eröffnet Hydrogelen ein breites Anwendungsfeld. Insbesondere sind sie für die Entwicklung neuer Messsysteme relevant, da über klassische Messgrößen hinaus auch sehr spezifische chemische Größen untersucht werden können. Auch eignen sich Hydrogele als aktive Komponenten mikrofluidischer Ventile, welche auf die Zusammensetzung des Fluides reagieren. Da sie keine externe Ansteuerung bzw. Energieversorgung benötigen, sind sie leichter miniaturisierbar als klassische Ventile. Aufgrund ihrer hohen Leistungsdichte sind Hydrogele prinzipiell auch für die Entwicklung leichter und energieeffizienter Aktoren geeignet. Hierbei stellt die von der Größe des Hydrogels abhängige Reaktionszeit bislang jedoch eine Hürde dar, wodurch ihr Einsatz in kleinskaligen Anwendungen wahrscheinlicher ist. Die Kombination mehrerer Schichten aus Hydrogelen ermöglicht hierbei die Anwendung als Biegeaktoren bzw. Messsysteme mit erhöhter Genauigkeit. Da ein fundiertes Wissen über die komplexen Vorgänge im Hydrogel eine große Rolle bei der Weiterentwicklung neuartiger Anwendungen spielt, wird in dieser Arbeit das komplexe Materialverhalten numerisch abgebildet. Hierbei wird insbesondere Wert auf die Interaktion der chemischen, elektrischen sowie der mechanischen Domäne gelegt. Dabei wird a priori angenommen, dass die komplizierte Mikrostruktur des porösen Hydrogels als Kontinuum darstellbar ist und die relevanten Phänomene über Feldgleichungen abgebildet werden können. Es wird eine Einführung über polyelektrolytische Hydrogele und Hydrogelschichtsysteme gegeben, wobei insbesondere auf deren mikrostrukturellen Aufbau und daraus ableitbare Einsatzgebiete eingegangen wird. Mittels eines Überblicks über Modellierungsansätze in der publizierten Literatur werden die hier verwendeten Modellierungsansätze motiviert und in das Umfeld bestehender Vorarbeiten eingeordnet. Nach der Einführung notwendiger Grundlagen der physikalischen Chemie wird die Modellbildung mit der gewählten Kinematik, den Bilanzgleichungen und den Materialgleichungen zur Beschreibung von Hydrogelen und Hydrogelschichtsystemen vorgestellt. Die Bilanzgleichungen umfassen hierbei die Massenerhaltung des Polymers und der ionischen Spezies, die Impuls- und Drehimpulsbilanz sowie die Maxwell-Gleichungen. Nach der Beschreibung geeigneter Materialgleichungen folgt eine Zusammenstellung des gekoppelten chemo-elektro-mechanischen Feldproblems. Zur Lösung des gekoppelten Feldproblems wird die Finite-Elemente-Methode (FEM) genutzt. Die Validierung des erstellten Modells wird anhand eines Quellexperiments von Frijns et al. durchgeführt. Durch den Vergleich mit einem auf der Theorie Poröser Medien (TPM) basierenden Modells kann das hier verwendete Modell abgeglichen werden, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen beider Modelle herrscht. Basierend auf den Vorarbeiten von Wallmersperger et al. und Attaran et al. wurde das hier genutzte Modell um einen zeitlichen Term in der Beschreibung der Referenzkonzentration erweitert. Hieraus resultiert eine qualitative Verbesserung in der Darstellung des zeitlichen Quellverlaufes bei chemischer Stimulation. In Anlehnung an vorhergehende Arbeiten auf dem Gebiet erfolgt die Kopplung von der mechanischen Domäne zur chemischen Domäne über eine vom Verzerrungszustand abhängige Konzentration gebundener Ladungsträger. Hier durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass diese Rückkopplung auch unter der Annahme kleiner Deformationen Relevanz besitzt und nicht vernachlässigt werden sollte. Anders als z.B. mit der TPM oder mit dem Flory-Rehner Modell ist es unter Verwendung des hier entwickelten Modells möglich, Grenzschichtphänomene zwischen Gel und Lösungsmittelbad aufzulösen. Durch die Untersuchung der Grenzschicht zeigt sich eine annähernd lineare Abhängigkeit der Grenzschichtdicke von der relativen Permittivität des Hydrogels. Auch lässt sich ein Zusammenhang zwischen der Konzentration gebundener Ladungsträger und der Grenzschichtdicke identifizieren. Um das Potential der gewählten Methode zu demonstrieren, wird anhand des Beispiels eines einfachen zweischichtigen Hydrogel-Biegebalkens eine Untersuchung über die inneren Vorgänge im Schichtsystem durchgeführt. Die Untersuchung gewährt hierbei Einblicke z.B. in den zeitlichen Verlauf des elektrischen Potentials, der Konzentration mobiler Ionen sowie der resultierenden Verzerrungen. In einem abschließenden numerischen Beispiel wird die Kontaktkraft sowie die auftretenden mechanischen Spannungen in einem Greifersystem, bestehend aus zwei hydrogelbasierten Biegeaktoren, ausgewertet. / Aim of this work is to model the behavior of polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems based on continuum mechanics. For this, numerical simulations are conducted to gain an insight into the complex phenomena occurring during the swelling process of hydrogels. The process of modeling and simulation is important to enhance the understanding of these systems and to improve the properties of hydrogel-based applications. Also, errors resulting from a lack of knowledge as well as from the number of required experimental works can be reduced significantly. Hydrogels belong to the class of smart materials. Therefore, they show a response to changes in their environment by a reversible change of material properties. Polyelectrolyte hydrogels consist of a polymer network with fixed ionic groups. Within the void of the polymer matrix, interstitial water containing mobile ions is present. The properties of hydrogels depend on their chemical composition and can be adjusted for the specified application. They exhibit a reversible swelling or deswelling process when subjected to electric fields or changes of the chemical composition of the surrounding solution bath. This reversible volume change opens a wide field of potential applications. The most promising field of application seems to be in the realms of measurement systems, since hydrogels can be used for the investigation of very specific chemical or biochemical measures. In addition, hydrogels can be used as active components in microfluidic devices, which open and close depending on the chemical composition of the bypassing fluid. Without a need for external control and energy supply, they are suitable for miniaturisation. As a consequence of their high energy density, hydrogels are also relevant candidates for the development of lightweight and energy efficient actuator systems. Due to their size-dependent reaction time, their use in small-scale actuatoric devices is the most promising in this field. the combination of multiple hydrogel layers can be used to increase the sensitivity of hydrogel-based measurement devices. Hydrogel-layer systems can also be used for actuatoric devices, such as gripper devices or microfluidic valves. In the presented model, the interaction between the electrical, chemical and the mechanical fields are respected. It is assumed, that the complex microstructure of hydrogels may be treated as a continuum and that the relevant phenomena can be described using field equations. A brief introduction on polyelectrolyte gels and hydrogel-layer systems is given. Here, their microstructure is described and relevant applications are summarized. By giving a brief literature review, the modeling approaches of this thesis are motivated and arranged within the field of existing models. After an introduction of relevant basics of physical chemistry, the model formulation is presented. Here, the chosen kinematics as well as the used balance equations and material laws are given. They include the conservation of mass for the polymer and the ionic species, the conservation of linear momentum and angular momentum as well as the Maxwell equations. After presenting suitable material laws, the field equations of the fully coupled chemo-electro-mechanical field problem are summarized. The numerical solution of the field problem is obtained by applying the Finite-Element-Method (FEM). The validation of the presented model is conducted by a comparison with experimental results of Frijns et al. After this, the used model is compared with the Theory of Porous Media (TPM), which results in a good agreement of both approaches. Since the used model represents an extension of the preliminary work of Wallmersperger et al. and Attaran et al., differences in the models are discussed. By extending the previous models by an additional temporal term in the description of the reference concentration, a qualitative improvement of the prediction of the time behavior under chemical stimulation is achieved. As done in preliminary works, the mechanical and the chemical domains are coupled by a strain dependent concentration of fixed charges. It can be shown, that this backcoupling is of significance also for small deformations. In contrast to the TPM and the Flory-Rehner model, phenomena occurring in the interface layer between adjacent domains can be investigated using the presented model. An almost linear dependence between the relative permittivity of the hydrogel and the thickness of the boundary layer is observed. It also depends on the concentration of fixed charges in the polymer network. To demonstrate the potential of the applied method, a numerical investigation of a two-layered hydrogel bending actuator is investigated. The results give an insight for example into the time-dependent distribution of the electric potential, the concentration of mobile ions as well as the resulting strains. In another numerical example, the contact force in a gripper consisting of two hydrogel-based bending actuators is evaluated.

Die Entwicklung neuartiger Hydrogel-basierter Sensorsysteme, die in der Lage sind den Quellgrad eines Hydrogels mittels eines Hall Sensors zu bestimmen, erfordert Gele, die über ein starkes magnetisches Feld verfügen. Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines Stimuli-responsiven Hydrogels, welches mit einer hohen Konzentration an magnetischen Nanopartikeln beladen ist. Dazu wird ein Temperatur-sensitives Gel basierend auf Poly(N-Isopropylacrylamid) mittels Laponite® XLS vernetzt. Ein solches Nanokomposit-Hydrogel zeigt höhere Quellgrade und bessere mechanische Eigenschaften als Gele, die N,N‘-Methylenbisacrylamid als chemischen Vernetzer nutzen. Reine Chrom(IV)-oxid-, Magnetit-, Cobaltferrit und Strontiumferrit-Partikel werden während der Synthese in das Gel eingebracht. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird mittels eines konstanten Argonstroms erhöht, so dass keine Sedimentation stattfindet. Auf diese Weise kann eine homogene Verteilung der Partikel erzielt werden. Die Oberfläche der Partikel wurde weiterhin mit 3 (Trimethoxysilyl)propylmethacrylat beschichtet, um sie in das Polymernetzwerk einzubinden. Der Einfluss unterschiedlicher Beladungen auf die Quellung und mechanischen Eigenschaften der Gele wird untersucht. Zusätzlich wurden Stärke- und Ölsäure-beschichtete Magnetit-Partikel in das Netzwerk eingebracht, um den Effekt stabilisierender Beschichtungen auf das Gel zu untersuchen. Die Hydrogel-Synthese wurde ebenfalls in einem magnetischen Feld durchgeführt, um die magnetischen Nanopartikel dauerhaft im Netzwerk auszurichten. Dies führte zur Bildung großer stabartiger Agglomerate, die sich über die gesamte Länge des Gels erstrecken. Der Einfluss dieser anisotropen Verteilung auf die mechanischen Eigenschaften wurde mittels Kompressionsmessungen untersucht. Weiterhin wurde ein neuartiges Doppelnetzwerk bestehend aus Poly(2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure) und Poly(N-Isopropylacrylamid) entwickelt. Das Gel zeigt eine hohe mechanische Festigkeit, die mit Poly(2-Acrylamido-2-methylpropansulfonsäure)/Polyacrylamid-DN-Gelen vergleichbar ist und zeigt Stimuli-induzierte Entquellung durch Erhöhung der Temperatur und Ionenkonzentration. Solche Gele wurden außerdem durch in-situ Präzipitation mit Magnetit-Partikeln modifiziert. Der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften wird anhand von Zugversuchen untersucht.:Danksagung I Kurzfassung II Abstract III Abkürzungen und Formelzeichen VI I. Theoretischer Teil 1 1. Einleitung 1 2. Problemstellung und Zielsetzung 2 3. Theorie 4 3.1. Hydrogele 4 3.1.1. Hydrogelsynthese 5 3.1.2. Quelleigenschaften von Hydrogelen 10 3.2. Stimuli-responsive Hydrogele 15 3.2.1. Temperatur- und lösungsmittel-sensitive Hydrogele 16 3.2.2. Ionen- und pH-sensitive Hydrogele 21 3.3. Nanokomposit-Hydrogele 22 3.3.1. Nanokomposit-Hydrogele basierend auf Schichtsilikaten 24 3.3.2. Doppelnetzwerk-Hydrogele 28 3.3.3. Ferrogele 30 II. Synthese und Methoden 34 4. Synthese 34 4.1. Nanosilkat-Hydrogele 35 4.2. Nanosilkat-Ferrogele 35 4.3. Beschichtung von magnetischen Nanopartikeln mit TMSPMA 36 4.4. Ferrogele im Magnetfeld 36 4.5. PAMPS/PAAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 36 4.6. PAMPS/PNIPAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 37 4.7. In-situ-Präzipitation von Magnetit in PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 37 5. Charakterisierungsmethoden 38 5.1. Quellungsmessung 38 5.2. Kompression 38 5.3. Zugversuch 38 5.4. Vibrating Sample Magnetometer 39 5.5. Trübungsmessungen 39 5.6. Thermogravimetrie 39 5.7. Infrarotspektroskopie 40 5.8. Dynamische Lichtstreuung 40 III. Ergebnisse und Diskussion 41 6. Ferrogelsynthese 41 6.1. Modifizierung von Nanosilikat-Gelen mit magnetischen Nanopartikeln 42 6.2. Modifizierung von Nanokomposit-Gelen mit Stärke-beschichteten Fe3O4-Partikeln 46 6.3. Oberflächenmodifizierung magnetischer Nanopartikel mittels TMSPMA 50 6.4. Modifizierung von Nanokomposit-Gelen mit beschichteten Nanopartikeln 52 6.5. Synthese von Ferrogelen im Magnetfeld 52 7. Charakterisierung von Ferrogelen 54 7.1. Quellgrad von Ferrogelen aus dem trockenen Zustand 54 7.2. LCST-Verhalten von Ferrogelen 58 7.3. Mechanische Eigenschaften 62 8. Doppelnetzwerk-Hydrogel-Synthese 69 8.1. PAMPS/PAAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 69 8.2. PAMPS/PNIPAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 70 8.3. Temperatur-responsive Eigenschaften von PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 75 8.4. Einfluss der Ionenstärke auf das Quellverhalten 77 8.5. In-situ Präzipitation von Magnetit in PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 79 IV. Zusammenfassung und Ausblick 82 V. Literaturverzeichnis 86 Lebenslauf 91 Veröffentlichungen 93 Selbstständigkeitserklärung 94 / Developing new hydrogel based sensor systems that can measure the degree of swelling of a gel through the Hall Effect requires hydrogels emitting strong magnetic fields. The PhD thesis presented here focuses on the development of a stimuli-responsive hydrogel containing high concentrations of magnetic nanoparticles. For this purpose, temperature sensitive gels consisting of poly(N isopropylacrylamide) cross-linked with Laponite® XLS are used for their improved mechanical properties and high degree of swelling compared to chemically cross-linked hydrogels using N,N‘ methylenebisacrylamide. Pure chromium(IV) oxide, magnetite, Cobalt ferrite and strontium ferrite particles are added during the synthesis and homogeneously distributed by accelerating the reaction through the use of a constant argon flow. These particles were coated with 3 (trimethoxysilyl)propyl methacrylate to connect them to the polymer network. The effects of various particle loads on the swelling behavior and mechanical properties are investigated. Furthermore magnetite particles coated with starch and oleic acid are introduced into the system to study the effects of stabilizing coatings on the network. The hydrogel synthesis was also performed in a magnetic field to permanently align the magnetic particles in the network. This resulted in large rod-like agglomerations that span the entire length of the hydrogel. Compression measurements were performed to study the effects of a purposefully introduced anisotropic particle distribution. Additionally a new type of double network hydrogel was developed consisting of poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) and poly(N-isopropylacrylamide). The gel exhibits tough mechanical properties similar to poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid)/polyacrylamide DN-gels while showing stimuli-induced deswelling through temperature and ion concentration. Such gels were further modified with magnetite nanoparticles obtained through in-situ precipitation inside the network. The effects of the nanoparticle load on the mechanical properties are studied via tensile testing.:Danksagung I Kurzfassung II Abstract III Abkürzungen und Formelzeichen VI I. Theoretischer Teil 1 1. Einleitung 1 2. Problemstellung und Zielsetzung 2 3. Theorie 4 3.1. Hydrogele 4 3.1.1. Hydrogelsynthese 5 3.1.2. Quelleigenschaften von Hydrogelen 10 3.2. Stimuli-responsive Hydrogele 15 3.2.1. Temperatur- und lösungsmittel-sensitive Hydrogele 16 3.2.2. Ionen- und pH-sensitive Hydrogele 21 3.3. Nanokomposit-Hydrogele 22 3.3.1. Nanokomposit-Hydrogele basierend auf Schichtsilikaten 24 3.3.2. Doppelnetzwerk-Hydrogele 28 3.3.3. Ferrogele 30 II. Synthese und Methoden 34 4. Synthese 34 4.1. Nanosilkat-Hydrogele 35 4.2. Nanosilkat-Ferrogele 35 4.3. Beschichtung von magnetischen Nanopartikeln mit TMSPMA 36 4.4. Ferrogele im Magnetfeld 36 4.5. PAMPS/PAAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 36 4.6. PAMPS/PNIPAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 37 4.7. In-situ-Präzipitation von Magnetit in PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 37 5. Charakterisierungsmethoden 38 5.1. Quellungsmessung 38 5.2. Kompression 38 5.3. Zugversuch 38 5.4. Vibrating Sample Magnetometer 39 5.5. Trübungsmessungen 39 5.6. Thermogravimetrie 39 5.7. Infrarotspektroskopie 40 5.8. Dynamische Lichtstreuung 40 III. Ergebnisse und Diskussion 41 6. Ferrogelsynthese 41 6.1. Modifizierung von Nanosilikat-Gelen mit magnetischen Nanopartikeln 42 6.2. Modifizierung von Nanokomposit-Gelen mit Stärke-beschichteten Fe3O4-Partikeln 46 6.3. Oberflächenmodifizierung magnetischer Nanopartikel mittels TMSPMA 50 6.4. Modifizierung von Nanokomposit-Gelen mit beschichteten Nanopartikeln 52 6.5. Synthese von Ferrogelen im Magnetfeld 52 7. Charakterisierung von Ferrogelen 54 7.1. Quellgrad von Ferrogelen aus dem trockenen Zustand 54 7.2. LCST-Verhalten von Ferrogelen 58 7.3. Mechanische Eigenschaften 62 8. Doppelnetzwerk-Hydrogel-Synthese 69 8.1. PAMPS/PAAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 69 8.2. PAMPS/PNIPAM-Doppelnetzwerk-Hydrogele 70 8.3. Temperatur-responsive Eigenschaften von PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 75 8.4. Einfluss der Ionenstärke auf das Quellverhalten 77 8.5. In-situ Präzipitation von Magnetit in PAMPS/PNIPAM-DN-Gelen 79 IV. Zusammenfassung und Ausblick 82 V. Literaturverzeichnis 86 Lebenslauf 91 Veröffentlichungen 93 Selbstständigkeitserklärung 94

Vor dem Hintergrund des weltweit wachsenden Bedarfes an Bodenverbesserungsmitteln, durch die Humus-, Nährstoff- und Wassermangel auf Problemstandorten kompensiert werden sollen, war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, Bodenwasser-speicher auf Basis der nachwachsenden Biopolymere Stärke und Lignin zu entwickeln. Durch Derivatisierung der Stärke wurde deren Hydrophilie deutlich gesteigert, was Voraussetzung für die Bildung von Hydrogelen war. Es konnte gezeigt werden, dass durch Vernetzung der wasserlöslichen Stärkederivate Carboxymethylstärke und Monostärkemonophosphat mit Di-/Tricarbonsäuren quellfähige Hydrogele erzeugt werden, deren Quellungsvermögen und rheologische Eigenschaften über die Wahl des Vernetzers und die Vernetzerstoffmenge gezielt eingestellt werden können. Die Modifizierung von Lignin wurde durch Oxidation mit Wasserstoffperoxid, z.T. in Kombination mit Fe(II)- bzw. Mn(II)-Chloriden realisiert. Dadurch wurde die Vernetzbarkeit von Lignin deutlich verbessert, was auf oxidativ bedingte Strukturänderungen des Lignins zurückzuführen war. Diese bestanden im Wesentlichen in der Spaltung und Oxidation der Lignin-Seitenkette sowie der Hydroxylierung der Seitenkette und aromatischer Strukturen. Die Vernetzung von Lignin mit Poly-(ethylenglycol)-diglycidylether ergab quellfähige Hydrogele, deren Wasseraufnahmevermögen und rheologische Materialfunktionen von der eingesetzten Vernetzerstoffmenge abhängig sind. Es konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz von Stärkephosphat- und Lignin-Hydrogelen das Wasserspeichervermögen erhöht und die Evaporationsraten eines entsprechend behandelten Sandbodens verringert werden. Im Wachstumsversuch wurden die Frischmasseerträge von Gelbsenf (Sinapis alba) durch Behandlung eines Sandbodens mit Hydrogelen gesteigert. / Soil degradation leading to a lack of humus, nutrients and water especially on exploited sites causes the worldwide need in soil amendments. Aim of the work was the development of hydrogels from renewable biopolymers starch and lignin improving water retention especially in degraded soils. A significant increase of hydrophilic properties of starch was obtained by chemical modification with the objective of forming starch based hydrogels. Swellable hydrogels were formed by cross-linking of water soluble starch derivatives like carboxymethyl starch and monostarch monophosphates with di- and tricarboxylic acids. Swelling capacity and rheological properties of the starch gels were selective adjusted by variation of cross linking agent and whose amounts. Modification of lignin was realized by oxidation with hydrogen peroxide partly in combination with ferrous and manganese chlorides, respectively. In consequence of oxidative structural changes which were cleavage and oxidation of side chain as well as aliphatic and aromatic hydroxylation, gelation of lignin was improved significant. Lignin hydrogels with different swelling capacities and rheological functions were formed by cross-linking lignin with different amounts of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether. Application of hydrogels based on starch and lignin causes increased water storing capacity/field capacity and decreased evaporation of a sandy soil as well as an increased biomass yield of yellow mustard (Sinapis alba).