Effective vascularization is crucial for almost any therapeutic tissue engineering concept. In this context, therapeutic angiogenesis attempts to enforce the natural process of blood vessel formation by provision of bioactive effectors. Along these lines, the aim of this work was to evaluate the potential of a modular hydrogel composed of the synthetic star-shaped poly(ethylene glycol) (starPEG) and the naturally occurring biopolymer heparin for the defined and orchestrated delivery of two major angiogenic growth factors, fibroblast growth factor-2 (FGF-2) and vascular endothelial growth factor (VEGF). While starPEG determines the structural properties of the gel materials, effective administration of both cytokines is based on their natural affinity to heparin, the highly charged polysaccharidic building block capable of reversibly binding various growth factors upon geometrically matching electrostatic interactions. Varying the molar ratio of starPEG to heparin upon network formation, different hydrogel types with distinct mechanical characteristics but constant heparin content could be produced. As heparin represents the basis for the growth factor interaction with the scaffolds, the matrices were found to bind and release FGF-2 or VEGF independently of the particular network stiffness and structural properties of the different gel types. Moreover, the material could be utilized for a modular delivery of growth factor combinations over a broad range of concentrations. To evaluate the general suitability for pro-angiogenic stimulation, the provision of FGF-2 and VEGF from starPEG-heparin hydrogels differing in their mechanical characteristics and biofunctionalization with adhesive peptides was studied using human endothelial cells, the cell type that forms the inner layer of any blood vessel. Results showed that the presence of the adhesion ligand was an essential requirement to mediate cell attachment and subsequent growth on the scaffolds. Apart from that, hydrogels with an intermediate stiffness showed beneficial effects on endothelial cell proliferation/survival while in parallel also the differentiation into elongated, pro-tubular structures could be promoted. While the delivery of FGF-2 was able to enhance cell growth, VEGF mainly initiated endothelial cell shape elongation. However, with a parallel administration of both growth factors, their beneficial effects could be combined to obtain high numbers of endothelial cells undergoing differentiation. Furthermore, besides the possibility of growing endothelial cells on top of the biofunctionalized hydrogels, the release of growth factors by starPEG-heparin matrices could be applied as a stimulus to attract the cells to migrate into the direction of the scaffolds. While FGF-2 and VEGF supported cell motility to a similar extent, their combined action was found to exert the strongest effect on endothelial cell migration. Based on the results of these in vitro experiments, matrices most effectively stimulating pro-angiogenic cellular responses were selected for in vivo studies applying the functionalized materials to the chorioallantoic membrane (CAM) of fertilized chicken eggs, an assay commonly used to evaluate the vascularization potential of biomaterials. In this assay, the delivery of FGF-2 and/or VEGF by starPEG-heparin hydrogels induced a substantial angiogenic response within the CAM system, while the combination of both growth factors tends to increase vascularization most effectively. In order to adjust the starPEG-heparin hydrogel system to the complex requirements of therapeutic angiogenesis, further options to specifically modulate the FGF-2 or VEGF release were explored. With the incorporation of enzymatically cleavable peptide linkers, not only the possibility for a cellular remodeling of the gel matrix could be permitted, but also the growth factor release was substantially enhanced upon network degradation. Moreover, with the gradual removal of FGF-2 and VEGF interaction sites from heparin upon selective desulfation, the binding of both growth factors to hydrogels composed out of starPEG and desulfated heparin was significantly reduced depending on the remaining sulfate content. Irrespective of the lower immobilized amounts of FGF-2 or VEGF, higher absolute quantities of both growth factors could be released and retained in the medium due to their decreased affinity to heparin, thereby enhancing the delivery efficiency of the scaffolds. Going beyond common concepts for triggered cytokine release, hydrogel-bound FGF-2 or VEGF could be effectively displaced from their heparin binding sites by an application of the competitive, highly-heparin affine molecule chitosan. As chitosan could be introduced at different time points, not only the amounts of delivered growth factor were enhanced, but also the FGF-2 or VEGF release kinetics could be specifically modulated. Taken together, starPEG-heparin hydrogels with independently adaptable physical and biomolecular composition were demonstrated to provide time-resolved multi-factor delivery of pro-angiogenic growth factors resulting in valuable new options for therapeutic angiogenesis.

Exploitation of well defined responsive polymer brushes for direct and controlled immobilization of metal/semiconductor nanoparticles on macroscopic surfaces has been demonstrated. The employed approach offers the possibility of the organization of a variety of inorganic nanoparticles by irreversible bonding and homogenous distribution on an underlying substrate. The immobilization process has been realized by chemical grafting of a variety of polymer brushes on a suitable substrate followed by the attachment of pre-/in-situ formed nanoparticles exploiting the chemical/physical interactions between surface functionalities of nanoparticles and polymer chain segments. A number of polymer brushes including poly (acrylic acid), polystyrene, poly (2-vinyl pyridine) and poly (N-isopropyl acrylamide) brushes have been prepared on silicon substrate by the “grafting to” approach. A variety of inorganic nanoparticles such as quantum dots (CdTe) noble metals (gold and silver) and magnetic (Fe3O4) were immobilized on macroscopic surfaces to impart them photo luminescent, catalytic or magnetic properties. In addition, responsiveness of grafted polymer brushes in terms of variation in thickness (due to changes in chain conformation) as a function of external stimuli such as solvent and pH allowed to use the resulting polymer brush-nanoparticles nanoassemblies in the fabrication of nanosensors. The design of fabricated nanosensors is based on the modulation in the interparticle distance of immobilized nanoparticles due to swelling/deswelling of underlined polymer brushes in response to some external trigger.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zugl.: Bayreuth, Universiẗat, Diss., 2009.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Universiẗat, Diss. 2004--Dortmund. / Erscheinungsjahr an der Haupttitelstelle: 2003.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Berlin.

Ehemalige Urangruben tragen durch das anfallende Flutungswasser maßgeblich zur Ausbreitung von Schadstoffen wie Uran und Arsen in teils dicht besiedelte Gebiete bei. Um die Prozesse in den unterirdischen Gruben besser zu verstehen und alternative Strategien zur konventionellen, kostenintensiven Wasserbehandlung entwickeln zu können, war das Ziel der Arbeit, mikrobielle Gemeinschaften aus drei gefluteten Uranerzbergwerken in Sachsen, namens Pöhla, Schlema und Zobes, die unterschiedliche Flutungsstadien repräsentierten, zu charakterisieren und den mikrobiellen Einfluss auf die Mobilität von Uran und Arsen zu untersuchen. Um herauszufinden, welche Mikroorganismen die hydrochemischen Vorgänge im Untergrund der Uranerzbergwerke beeinflussen könnten, wurde die Diversität und Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften mittels Pyrosequenzierung eines Fragments des 16S rRNA Gens (16S rDNA) und CARD-FISH ermittelt. Wenngleich Clusteranalysen zeigten, dass sich die planktonischen Gemeinschaften hinsichtlich ihrer bakteriellen Zusammensetzung zwischen den drei Uranerzbergwerken unterschieden, wurden alle von chemolithotrophen Schwefeloxidierern der Beta- und Epsilonproteobacteria dominiert, die mit den Gattungen Thiobacillus und Sulfuritalea bzw. Sulfuricurvum und Sulfurimonas vertreten waren. Im Unterschied zu den planktonischen Gemeinschaften bestanden in situ Biofilme, die auf BACTRAPs während einer 3-monatigen Exposition im Flutungswasser anwuchsen, laut Pyrosequenzierung zu einem wesentlichen, mitunter dominanten Anteil aus metall- bzw. sulfatreduzierenden Deltaproteobacteria. In Biofilmgemeinschaften aus Zobes wurden hauptsächlich Geobacter sp. detektiert, die als Fe(III)- und U(VI)-Reduzierer bekannt sind. Obwohl Archaea basierend auf den Ergebnissen der CARD-FISH-Analyse nur einen sehr geringen Anteil der planktonischen Gemeinschaften ausmachten, wurden mittels Pyrosequenzierung planktonische Euryarchaeota der Thermoprotei in allen Gruben detektiert. In planktonischen Gemeinschaften und 3-monatigen Biofilmen aus Pöhla und Zobes wurden zudem methanogene Crenarchaeota, vor allem Methanobacteria und teilweise Methanomicrobia, ermittelt. Die 16S rRNA-Analyse, die ergänzend zum DNA-basierten Ansatz durchgeführt wurde, lieferte Hinweise darauf, dass die detektierten, dominanten Mikroorganismen, Bacteria sowie Archaea, in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema und den Biofilmgemeinschaften stoffwechselaktiv waren. In der planktonischen Gemeinschaft aus Zobes wurden im Vergleich zur DNA-basierten Analyse höhere Abundanzen für Verrucomicrobia, Acidobacteria und Alphaproteobacteria ermittelt, deren Bedeutung offen bleibt. Untersuchungen zum mikrobiellen Stoffwechselpotential planktonischer Gemeinschaften mittels CFU- und MPN-Analysen ergaben, dass Mikroorganismen aus allen Urangruben ein breites Spektrum anaerober Reaktionen (Nitrat-, Eisen-, Mangan-, Arsenat- und Sulfatreduktion und Acetogenese) unter Laborbedingungen abdeckten. In guter Übereinstimmung mit den Sequenzierungsergebnissen konnten methanogene Mikroorganismen nur im Flutungswasser aus Pöhla und Zobes detektiert werden. Die Metaproteomanalyse ergab, dass 61,6% der Peptide in der planktonischen Gemeinschaft aus Schlema von den dominanten Epsilonproteobacteria stammten. Dagegen wurden für Zobes detektierte Peptide mehrheitlich methylotrophen und eisenoxidierenden Betaproteobacteria der Familien Methylophilaceae bzw. Gallionellaceae sowie methylotrophen Gammaproteobacteria der Methylococcaceae zugewiesen. Obwohl die Mehrheit der Proteine an der Translation beteiligt war, konnten insgesamt 49 Proteingruppen ermittelt werden, deren Vertreter für den mikrobiellen Energiestoffwechsel relevant waren. Insbesondere planktonische Gammaproteobacteria aus Zobes konnten so mit dem Kohlenstoff- und Schwefelkreislauf in Zusammenhang gebracht werden. Mithilfe von Labormikrokosmen wurde der potentielle Einfluss mikrobieller Gemeinschaften aus Schlema auf die Mobilität von Arsen und Uran im Flutungswasser mit Acetat als Elektronendonor unter anaeroben Bedingungen über einen Zeitraum von 98 Tagen untersucht. Im Vergleich zu den Kontrollen konnten sowohl die stimulierte, planktonische Gemeinschaft als auch Biofilme natürliches Arsen aus der wässrigen Phase fast vollständig entfernen. Allerdings wies der spätere Anstieg des gelösten Arsens daraufhin, dass der immobilisierte Zustand langfristig nicht stabil blieb. In stimulierten Biofilm-Ansätzen wurde Uran mit bis zu 39 ± 9% (in Anwesenheit von 7 µM natürlichem Uran) bzw. 34 ± 8% (bei Zugabe von 50 µM U(VI)) aus der wässrigen Phase langfristig (98 Tage) immobilisiert. Laserfluoreszenzspektroskopische Untersuchungen zeigten, dass Uran im Biofilm reduziert wurde.

Teil A: Es wurde gezeigt, dass das Transportverhalten von Uran in der Umwelt und an den ehemaligen Uranabbaustätten stark von der Anwesenheit und Aktivität natürlich vorkommender Mikroorganismen abhängt. Die Untersuchungen zeigten, dass die Isolate eine hohe Toleranz gegenüber Uran aufweisen und in der Lage sind, relativ hohe Mengen an Uran zu immobilisieren und aus der umgebenden Lösung zu entfernen. Durch anaerobe Versuche konnte gezeigt werden, dass die mikrobielle Reduktion von Uran(VI) allein durch die Zugabe von 10 mM Glycerin bei zukünftigen Anwendungen als in situ Biosanierungsapplikationen genutzt werden könnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit konnten die Wechselwirkungsmechanismen zwischen natürlich vorkommenden Mikroorganismen und Uran im Detail beschreiben und neue Zusammenhänge zwischen aktivem und inaktivem Stoffwechsel der Mikroorganismen zeigen. Zusammenfassend können diese einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung von Biosanierungsansätzen für die Behandlung von Radionuklid-kontaminierten Standorten aus der ehemaligen Bergbauindustrie leisten. Teil B: Im Speichel dominiert neben einem kleinen Bindungsanteil an dem Enzym alpha-Amylase die Komplexierung mit anorganischen Liganden, im Magen dominiert aufgrund des sauren pH-Wertes das Eu- bzw. Cm-Aquo-Ion, und im Darm dominiert neben anorganischen Komplexen die Bindung der Metallionen an das Glycoprotein Mucin. Die starke Komplexfähigkeit von Mucin gegenüber dreiwertigen f-Elementen könnte die Absorption dieser im menschlichen Körper unterdrücken und deren Exkretion fördern. Die Ergebnisse dieser Arbeit geben neue Einblicke in das biochemische Verhalten dreiwertiger f-Elemente und können zudem zur Einschätzung von Gesundheitsrisiken nach der Inkorporation von Radionukliden und der Entwicklung von Dekontaminationstherapien beitragen.

Exploitation of well defined responsive polymer brushes for direct and controlled immobilization of metal/semiconductor nanoparticles on macroscopic surfaces has been demonstrated. The employed approach offers the possibility of the organization of a variety of inorganic nanoparticles by irreversible bonding and homogenous distribution on an underlying substrate. The immobilization process has been realized by chemical grafting of a variety of polymer brushes on a suitable substrate followed by the attachment of pre-/in-situ formed nanoparticles exploiting the chemical/physical interactions between surface functionalities of nanoparticles and polymer chain segments. A number of polymer brushes including poly (acrylic acid), polystyrene, poly (2-vinyl pyridine) and poly (N-isopropyl acrylamide) brushes have been prepared on silicon substrate by the “grafting to” approach. A variety of inorganic nanoparticles such as quantum dots (CdTe) noble metals (gold and silver) and magnetic (Fe3O4) were immobilized on macroscopic surfaces to impart them photo luminescent, catalytic or magnetic properties. In addition, responsiveness of grafted polymer brushes in terms of variation in thickness (due to changes in chain conformation) as a function of external stimuli such as solvent and pH allowed to use the resulting polymer brush-nanoparticles nanoassemblies in the fabrication of nanosensors. The design of fabricated nanosensors is based on the modulation in the interparticle distance of immobilized nanoparticles due to swelling/deswelling of underlined polymer brushes in response to some external trigger.