Polyketides are natural products with complex chemical structures and immense pharmaceutical potential that are synthesized via secondary metabolic pathways. The in-vitro synthesis of these molecules requires high supply of building blocks such as acetyl Co-enzyme A, and cofactors (adenosine triphosphate (ATP). These precursor and cofactor are synthesized from respective soluble enzymes. Owing to the expensive nature of the enzymes, it is important to immobilize enzymes to improve the process economics by enabling multiple uses of catalyst and improving overall productivity and robustness. The polymer-based particles of nano and submicron size have become attractive material for their role in the life sciences. With the advances in synthetic protocols of the microgels and commercial availability of many of the monomers, it is feasible to tune the properties of the particles as per the process requirement. The core shell microgel with functional shell allows high loading of ligands onto the microgel particles due to increased availability of functional group on the outer surface. The aim of the thesis thus was to study biochemical reactions on the smart microgels support using single (acetyl CoA synthetase (Acs)) and dual (pyruvate kinase (Pk) and L-lactic dehydrogenase (Ldh)) enzyme/s systems. The study indicated that the enzyme immobilization significantly depends on the enzyme, conjugation strategy and the support. The covalent immobilization provides rigidity to the enzyme structure as in case of Acs immobilized on PNIPAm-AEMA microgels but at the same time leads to loss in enzyme activity. Whereas, in the case of covalent immobilization of Ldh on microgel showed improved in enzyme activity. On the other hand adsorption of the enzyme via ionic interaction provide better kinetic profile of enzymes hence the membrane reactor was prepared using PNIPAm-PEI conjugates for acetyl CoA synthesis. The better outcome of work with PNIPAm-PEI resulted in its further evaluation for dual enzyme system. This work is unique in the view that the immobilization strategies were well adapted to immobilize single and dual enzymes to achieve stable bioconjugates for their respective applications in precursor biosynthesis (Acetyl Co enzyme A) and co-factor dependent processes (ACoA and ATP). The positive end results of microgels as the support (particles in solution and as the thin film (membrane)) opens further prospective to explore these systems for other precursor biomolecule production.

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Die Immobilisierung homogener Katalysatoren ist eine wichtige Methode zur Realisierung der Abtrennbarkeit und Wiederverwendbarkeit aktiver Spezies. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch die Komplexierung von Palladium mit 1,4-Bis-(4′-pyrazolyl)benzen ein neues mikroporöses Koordinationspolymer generiert und dieses als heterogener Katalysator in der Suzuki-Miyaura-Kreuzkupplungsreaktion erfolgreich eingesetzt. Dabei konnten vollständige Umsätze und hohe Selektivitäten erzielt werden, die vergleichbar zu bereits kommerziell erhältlichen homogenen Katalysatoren sind. Die Besonderheit des Katalysators ist, neben dessen außergewöhnlich hohen chemischen Stabilität, die Variation seiner Struktureigenschaften durch die Wahl der Synthesebedingungen und die damit verbundene Steuerung seiner katalytischen Aktivität.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Studien zur Modifizierung und Immobilisierung mono- und bidentater Ferrocenylphosphane an Carbosilan-Trägermolekülen durchgeführt. Erstere wurden in die entsprechenden (p-Cymen)RuCl2-Komplexe überführt und als (Prä)Katalysatoren für die Oxopropylester-Synthese eingesetzt. Dabei wurden sowohl der Einfluss unterschiedlicher Ferrocenylphosphan-Liganden als auch der Effekt der Immobilisierung auf die katalytische Umsetzung herausgearbeitet. Im Weiteren konnte eine neuartige Klasse funktionalisierter zweizähniger Diphosphane des dppf-Typs erschlossen und ihre Identität eindeutig belegt werden. Geeignete Vertreter dieser Verbindungsklasse wurden wie die entsprechenden monodentaten Ferrocenylphosphane an Carbosilan-Grundgerüste angebunden und, nach Überführung in die entsprechenden PdCl2-Komplexe, als (Prä)Katalysatoren für Heck-Kreuzkupplungsreaktionen verwendet. Auch hier konnte der Effekt der Immobilisierung sowie der Einfluss der unterschiedlichen Phosphanliganden auf die katalytische Reaktion ermittelt werden. Abschließend wurden Untersuchungen zur Verwendung monomerer Mesitylphosphan-substituierter Ferrocenyldiphosphane als Liganden in der Heck-Reaktion unterschiedlicher Arylhalogenide mit Acrylaten zu den entsprechenden Zimtsäureestern durchgeführt. Zur Bestimmung der katalytischen Leistungsfähigkeit wurde neben Reaktionstemperaturen und Katalysatorkonzentrationen insbesondere die verwendete Halogenkomponente variiert.

Für die Herstellung pharmazeutisch interessanter α-Hydroxyketone ist die dynamsich kinetische Racematspaltung (DKR) der korrespondierenden Racemate eine interessante und leistungsfähige Methode. Die dafür benötigten Lipasen zeichnen sich insbesondere durch ihre Aktivität und Stabilität in rein organischen Lösungsmitteln aus. Der Verzicht von Cofaktoren macht diese Enzymklasse für einen industriellen Einsatz besonders attraktiv. Für α-Hydroxyketone mit großen Seitenketten hat sich die Lipase TL aus Pseudomonas stutzeri als Biokatalysator als am geeignetsten gezeigt. In vorherigen Studien wurde die Lipase TL erfolgreich mit dem homogenen Shvo-Katalysator für eine effektive DKR von Benzoin und Benzoinderivaten kombiniert und eine strikte (S)-Selektivität der Lipase TL festgestellt. In einer weiteren Studie wurde eine komplett heterogene DKR etabliert. Hierbei wurde die Lipase TL adsorptiv auf dem Polypropylenträger Accurel MP1001 immobilisiert und der Shvo-Katalysator durch verschiedene Metallkatalysatoren ersetzt. Als Modellsubstrat wurde Benzoin verwendet. Das beste Ergebnis der DKR von Benzoin wurde mit den Katalysator Zr-TUD-1 (25) im Lösungsmittel Toluol erreicht. Hauptziel dieser Arbeit war die Übertragung der heterogenen DKR von Benzoin auf weitere pharmazeutisch relevante α-Hydroxyketone. Dafür wurde zunächst eine generelle Optimierung der Immobilisierung der Lipase TL durch Verwendung verschiedener trägerbasierter und trägerloser Methoden und die Charakterisierung der Wasseraktivitätsabhängigkeit der KR und der Racemisierung durchgeführt. Zur Verbesserung der Umweltfreundlichkeit der Reaktion wurden außerdem alternative Lösungsmittel als Reaktionsmedium untersucht. Das optimierte Reaktionssystem wurde auf ausgewählte symmetrische und asymmetrische α-Hydroxyketone übertragen und die Eignung der Lipase TL sowie der CALB als Biokatalysatoren überprüft. Nach der Wahl der passenden Lipase wurde die DKR der ausgewählten α-Hydroxyketone untersucht und optimiert.

Im Zuge der voranschreitenden Entwicklung neuartiger polymerer und molekularer Halbleiter besteht ein großer Bedarf an starken p-Dotierungsmitteln, welche in der Lage sind, organische Halbleiter mit hoher Austrittsarbeit bzw. Elektronenaffinität zu oxidieren. Bekannte und etablierte p-Dotierungsmittel wie CN6-CP bringen jedoch für lösungsbasierte Methoden zur Schichtbildung aufgrund ihrer niedrigen Löslichkeit viele Probleme mit sich. Weiterhin stellen Diffusion und Migration von Dotierungsmitteln durch die polymeren Halbleiter ein Problem dar, welches zum einen die Ausbildung von scharfen p-n-Übergängen erschwert, zum anderen die Lebensdauer von organischen elektrischen Bauteilen stark einschränkt. Eine Möglichkeit, diese Hürden zu überwinden, wäre die kovalente Anbindung des Dotierungsmittels an den polymeren Halbleiter, jedoch gibt es bisher kaum Forschungsergebnisse zu diesem Thema. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Struktur des Dotierungsmittels CN6-CP modifiziert, wodurch dessen Löslichkeit in organischen Lösemitteln signifikant verbessert und gleichzeitig die elektronischen Eigenschaften der Substanz nur geringfügig verändert wurden. Es wurde eine allgemeingültige Methode zur Synthese asymmetrisch substituierter Radialene etabliert und angewendet. Weiterhin wurden erstmals funktionelle Gruppen in die Struktur eines Dotierungsmittels eingebaut, welche eine kovalente Anbindung via Click-Chemie an polymere Halbleiter erlauben. Dies ermöglicht die Immobilisierung des Dotierungsmittels. Durch den Austausch von Gegenionen konnten die für die hergestellten Dotierungsmittel geeigneten Lösemittel gezielt eingestellt werden. Eine vollständige chemische Analyse und Charakterisierung der hergestellten Substanzen wurde durchgeführt. Im zweiten Teil wurde die Synthese des literaturbekannten polymeren Halbleiters PPPC (Polypropargyloxyphenylcarbazol) durchgeführt und optimiert sowie die hergestellten Batches charakterisiert. Über mehrere Modellversuche wurden Methoden entwickelt, um die hergestellten immobilisierbaren Dotierungsmittel an PPPC kovalent zu binden. Eine Reihe von Polymeren mit unterschiedlich hohem Anteil des Dotierungsmittels wurde synthetisiert und diese auf ihre Löslichkeit hin untersucht. Nach der Optimierung einer für alle diese PPPC-Derivate gültigen Methode zur Bildung dünner Polymerfilme und zur photochemischen Vernetzung wurden diese auf ihre elektrische Leitfähigkeit hin untersucht. Nach Oxidation mit NOSbF6 wurde die Stabilität der oxidierten Schichten gegenüber äußeren Einflüssen untersucht und deren elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Anteils des Dotierungsmittels charakterisiert.:I INHALTSVERZEICHNIS ........................................................................... 1 II THEORETISCHER TEIL ......................................................................... 5 1 Motivation und Zielstellung .................................................................... 7 2 Theoretische Grundlagen ................................................................... 10 2.1 Organische Halbleiter ....................................................................... 10 2.1.1 Elektrische Leitfähigkeit ................................................................. 11 2.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Polymeren ........................................... 13 2.1.3 Konjugierte Polymere .................................................................... 17 2.1.4 Synthese von polymeren Halbleitern ............................................. 21 2.2 Dotieren ........................................................................................... 23 2.2.1 Molekulares Dotieren .................................................................... 24 2.2.2 Dotierungsmechanismen .............................................................. 25 2.2.3 Effizienz von Dotierungen.............................................................. 29 2.2.4 Moderne Dotierungsmittel ............................................................. 30 2.3 CN6-CP ............................................................................................ 32 2.3.1 Allgemeines ................................................................................... 32 2.3.2 Mechanismus der Synthese .......................................................... 34 2.3.3 Modifizierung ................................................................................. 35 2.4 Vernetzungsreaktionen ..................................................................... 37 2.4.1 Huisgen-Cycloaddition und CuAAC ............................................... 38 2.4.2 Photochemische Vernetzung ......................................................... 40 3 Analysemethoden ................................................................................ 41 3.1 Gelpermeationschromatographie (GPC) ........................................... 41 3.2 Leitfähigkeitsmessungen .................................................................. 42 3.3 Cyclovoltammetrie ............................................................................. 47 3.4 UV-Vis-Spektroskopie ........................................................................ 50 III RESULTATE UND DISKUSSION ............................................................ 53 1 Synthese von Dotierungsmitteln ........................................................... 55 1.1 CN4-CP-NEt3 .................................................................................... 56 1.1.1 Synthese ........................................................................................ 56 1.1.2 Analytik ........................................................................................... 58 1.2 CN5Et-CP .......................................................................................... 63 1.2.1 Dianionen ....................................................................................... 64 1.2.1.1 Synthese CN5Et-CP-2Na ............................................................. 64 1.2.1.2 Synthese CN5Et-CP-2TBA .......................................................... 66 1.2.1.3 Analytik ....................................................................................... 67 1.2.2 Radikal-Anion CN5Et-CP-K ............................................................ 75 1.2.3 Neutralform .................................................................................... 79 1.3 CN5HexN3-CP ................................................................................... 84 1.3.1 Zweitstufige Synthese von HexN3OAcCN ....................................... 85 1.3.2 Dianionen ...................................................................................... 89 1.3.2.1 Synthese CN5HexN3-CP-2Na ..................................................... 89 1.3.2.2 Synthese CN5HexN3-CP-2TBA ................................................... 90 1.3.2.3 Analytik ....................................................................................... 91 1.3.3 Radikal-Anion CN5HexN3-CP-K ..................................................... 96 1.4 Zusammenfassung ............................................................................ 99 2 Selbstkompensierende Polymere ....................................................... 102 2.1 Synthese von PPPC .........................................................................102 2.1.1 Synthese der Monomere .............................................................. 103 2.1.2 Suzuki-Polykondensation .............................................................. 106 2.1.3 Entschützung ................................................................................ 110 2.1.4 Propargylierung zu PPPC ............................................................. 111 2.2 Modell-Versuche .............................................................................. 124 2.2.1 Huisgen-Cycloaddition .................................................................. 124 2.2.2 CuAAC .......................................................................................... 130 2.3 Modifizierung des Polymers ............................................................. 133 2.4 Oxidation und Dotierung .................................................................. 143 2.4.1 Voruntersuchungen ...................................................................... 143 2.4.2 Optimierung der Polymerfilmpräparation ...................................... 149 2.4.3 Leitfähigkeitsmessungen .............................................................. 160 3 Zusammenfassung ............................................................................. 167 4 Ausblick .............................................................................................. 171 IV EXPERIMENTALTEIL ......................................................................... 173 1 Allgemeine Angaben .......................................................................... 175 1.1 Analytische Methoden ..................................................................... 175 1.2 Chemikalien und Lösungsmittel ....................................................... 178 1.3 Sonstiges ........................................................................................ 180 2 Synthesen .......................................................................................... 182 2.1 Derivate von CN6-CP ...................................................................... 182 2.1.1 Synthese von CN4-CP-NEt3 ......................................................... 182 2.1.2 Synthese von CN5Et-CP-2Na ....................................................... 184 2.1.3 Synthese von CN5Et-CP-2TBA .................................................... 185 2.1.4 Synthese von CN5Et-CP-K .......................................................... 187 2.1.5 Synthese von HexBrOAcCN ......................................................... 188 2.1.6 Synthese von HexN3OAcCN ........................................................ 189 2.1.7 Synthese von CN5HexN3-CP-2Na ............................................... 190 2.1.8 Synthese von CN5HexN3-CP-2TBA ............................................. 191 2.1.9 Synthese von CN5HexN3-CP-K .................................................... 192 2.2 Polymersynthese ............................................................................. 193 2.2.1 Synthese von THP-DBP ............................................................... 193 2.2.2 Synthese von EH-DBC ................................................................. 194 2.2.3 Synthese von Bor-EH-C ............................................................... 195 2.2.4 Synthese von Pd/PtBu3 ............................................................... 196 2.2.5 Suzuki-Polykondensation zu P-THP-PC ....................................... 197 2.2.6 THP-Entschützung zu P-OH-PC ................................................... 198 2.2.7 Propargylierung zu PPPC ............................................................. 199 2.3 1,3-Dipolare Cycloadditionen .......................................................... 200 2.3.1 Synthese 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzol (TAMB) .......................... 200 2.3.2 Thermische Huisgen-Cycloaddition .............................................. 201 2.3.3 Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition ................................ 202 2.3.4 Filmpräparation ............................................................................ 203 V ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................................................. 204 VI LITERATURVERZEICHNIS ................................................................. 207 VII ABBILDUNGSVERZEICHNIS ..............................................................222 VIII TABELLENVERZEICHNIS ................................................................. 234 IX PUBLIKATIONSVERZEICHNIS ............................................................ 236 X ANHANG ............................................................................................. 237

Protein-Arrays sind das Mittel der Wahl, um eine Vielzahl von Proteinen parallel zu untersuchen. Ziele dieser Untersuchungen sind meistens Proteininteraktionsnetzwerke zu entdecken oder besser verstehen zu können. Bisher wurden die benötigten Proteine fast ausschließlich mit biologischen Methoden gewonnen. Diese bieten allerdings keinen generellen Zugang zu posttranslational-modi-fizierten (PTM)-Proteinen. Somit war es bisher nicht möglich den Einfluss von PTMs auf Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) im Arrayformat zu untersuchen. Die chemische Synthese kann dagegen Proteine mit ortsspezifischen PTMs liefern. Daher ist es verwunderlich, dass bislang noch keine Berichte über chemisch hergestellte PTM-Protein-Arrays existieren, besonders da PTMs meist entscheidend für proteomische Interaktionsnetzwerke sind. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik beschrieben, die es ermöglicht PTM-modifizierte Protein-Domänen-Arrays auf der Oberfläche zu synthetisieren und zu analysieren. Mit der Methodik wurden 20 SH3-Domänen synthetisiert und 64 PPIs gemessen. Neben vier Hefe-SH3-Domänen wurden je acht humane (Phospho)SH3-Domänen der Abl- und Arg(Abl2)-Tyrosinkinase synthetisiert und funktionell untersucht. Es wurde gefunden, dass die Ligandenspezifität von Abl-SH3-Domänen durch Phosphorylierung feinreguliert wird. Je nach Phosphorylierungsmustern wurde die Affinität für spezifische Liganden erhöht oder erniedrigt. Der Ursprung dieser Phosphoregulierung wurde für die Abl-SH3-Domäne mit Hilfe der NMR-Spektroskopie und durch Zellexperimente versucht zu entschlüsseln und weiter validiert. / Protein-arrays are the method of choice to investigate a variety of proteins in a parallel fashion. Objectives of these studies are mostly to discover or to investigate protein interaction networks. So far, the necessary proteins were almost exclusively gained by biological methods. Unfortunately, generic access to proteins bearing post-translational modifications (PTM) is not provided by these techniques. Therefore, it was not possible to investigate the impact of PTMs on protein-protein-interactions (PPIs) on arrays so far. Chemical synthesis in contrast offers proteins with site-specific PTM incorporation. In this context, it is surprising, that chemical methods of PTM-protein array synthesis remained virtually unexplored, especially since these modifications are usually crucial for proteomic interaction networks. In this thesis, a methodology is described, that allows to synthesize and functional analyse post-translationally modified protein domain arrays on the surface. By using this methodology, 20 SH3 domains were synthesized and 64 protein-pep-tide interactions were measured. In addition to 4 yeast SH3 domains, 8 human (phospho) SH3 domains of the Abl and Arg(Abl2) tyrosine kinase were synthesized and functionally investigated. The experiments revealed that phosphorylation might serve as a means to fine tune the ligand recognition. Depending on the phosphorylation pattern the affinity to specific interaction partners were enhanced or reduced. The origin of this phosphoregulation was further investigated for the Abl SH3 domain by means of NMR spectroscopy and cellular experiments.

Biocere verkörpern eine neue Klasse von keramischen Funktionswerkstoffen, deren Eigenschaften entscheidend von den konkreten Herstellungsbedingungen beeinflusst werden. Am Beispiel ausgewählter Biocere mit immobilisierten vegetativen Zellen und Sporen von Bacillus sphaericus JG-A12 wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit Zusammenhänge zwischen Gefügeausbildung und Funktionalität, besonders unter dem Gesichtspunkt metallbindender Eigenschaften, untersucht. Mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen konnte die räumliche Verteilung der Biokomponente in der Matrix, die Überlebensfähigkeit der immobilisierten vegetativen Zellen und das Verhalten von Bakteriensuspensionen in Gegenwart von verschiedenen Metallionen untersucht werden. Mit ionensensitiven Fluoreszenzfarbstoffen wurde die Aufnahme von Kupfer(II) und Nickel(II) in lebende Bakterien unter Kontrolle des physiologischen Status der Zellen verfolgt. Es wurde nachgewiesen, dass die Aufnahme von Metallionen von der Erhöhung des intrazellulären Ca2+-Spiegels begleitet und die Aufnahmeraten sowie die Ca2+-abhängige Zellantwort stammspezifisch und von der Konzentration der Metallsalzlösung abhängig sind. Durch Immobilisierung bakterieller Sporen in dünnen Sol-Gel-Schichten konnten langzeitlagerfähige Biokeramiken erzeugt werden, die sich durch die Aktivierung mit einem 1:1 Komplex aus Ca2+ und Dipicolinsäure gezielt aus Ruhephasen in biologisch aktive Zustände schalten ließen. Im Durchschnitt führt die vorherige Aktivierung der Sporen mit Ca2+-DPA zu einer fünf- bis achtfach erhöhten Keimungsrate. Mit Hilfe einer kapazitiven Messanordnung wurden darüber hinaus an diesen Schichten während der Keimung auftretende mechanische Spannungszustände nachgewiesen und quantifiziert. Biocere unterliegen während ihrer Nutzung als Filtermaterialien überwiegend durch mikrobielle Einflüsse hervorgerufenen Materialveränderungen, die mit licht- und rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen nachgewiesen wurden. Diese Untersuchungen sind als Teil eines Monitoring-Systems zur kontinuierlichen Überwachung von Filtersystemen denkbar. / Biocers embody a new class of ceramic functional materials in which the properties are mainly determined by the specific production conditions. The interplay between structure formation and functionality of selected biocers containing immobilised vegetative cells and spores of Bacillus sphaericus JG-A12 was investigated under special consideration of metal binding properties. Spatial distribution of the bio-component inside the matrix, the viability of the immobilised vegetative cells, as well as the behaviour of cell suspensions in the presence of different metal ions were examined using fluorescence dyes. The uptake of copper(II) and nickel(II) ions into the living cells while monitoring of their physiological state were detected using different ion-sensitive fluorescence dyes. As expected, the uptake of metal ions was thereby accompanied by an increase of the intracellular Ca2+ level. Further, the uptake rate of metal ions and the Ca2+ dependent cellular reaction are strain-specific and depend on the metal ion concentration. Bioceramics suitable for long-term storage were produced through immobilisation of bacterial spores in thin sol-gel layers. The switch from the metabolic inactive to the active state of the bio-component was achieved by the activation with a 1:1 ratio of the chelate of Ca2+ and dipicolinic acid. The average germination rate after activation with Ca2+-DPA was increased by five- to eightfold. The mechanical stress conditions during the germination of spores inside these silica layers were measured and quantified using a capacitive deflection measurement. As filter materials, biocers are affected by microbial determined degrading impacts. Material alterations could be detected by light and scanning electron microscopic methods. Such investigations should be considered part and parcel of monitoring systems required for continuous checks of filter systems.

Ein Schlüsselfeld der gegenwärtigen Biomaterialforschung ist die Modifizierung von Oberflächen mit Bestandteilen der extrazellulären Matrix (EZM) oder Molekülen, die bestimmte Funktionen nachahmen. Trotz einer Reihe positiver Ergebnisse in vitro und in vivo ist es mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Immobilisierungsmethoden nicht möglich, unterschiedliche Komponenten in einem Prozessschritt zu immobilisieren, definierte Freisetzungscharakteristika für gleiche und/oder unterschiedliche Moleküle zu realisieren und die Beschichtung der Oberflächen nach Sterilisation der Implantate vorzunehmen, um empfindliche bioaktive Substanzen, wie Proteine, vor Schädigung zu bewahren. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel an, ein nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem für Titanwerkstoffe zu entwickeln. Es wird zunächst am Beispiel eines Peptids mit der Aminosäuresequenz Arginin–Glyzin–Asparaginsäure (RGD) nachgewiesen, dass an der Grenzfläche Passivschicht/Elektrolyt von Titanwerkstoffen vorliegende Moleküle in durch anodische Polarisation verdickte Oxidschichten partiell eingebaut werden können und dabei ihre Funktionalität erhalten bleibt. Diese Immobilisierungsmethode wird zum Immobilisierungssystem erweitert, indem Nukleinsäureeinzelstränge mit der beschriebenen Methode als Ankerstränge (AS) in anodisch formierte Oxidschichten fixiert und in einem zweiten Prozessschritt mit komplementären Gegensträngen (GS) hybridisiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Peptid in einem weiten Parameterbereich der elektrochemischen Bedingungen immobilisiert werden kann. Demgegenüber führen im Falle des nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystems die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Photoaktivität der Oxidschicht sowie mehrfache Trocknungen und Wiederbenetzungen zu einer Schädigung gebundener AS bis hin zu einem vollständigen Verlust der Hybridisierbarkeit. Durch Zugabe von Ethanol in hoher Konzentration während des Immobilisierungsschritts, Arbeit unter Lichtausschluss sowie Vermeidung mehrerer Trocknungen und Wiederbenetzungen können die Nebenwirkungen soweit eingeschränkt werden, dass alle immobilisierten AS hybridisierbar sind. Nach dessen Etablierung im Rahmen dieser Arbeit ist es in nachfolgenden Projekten möglich, das nukleinsäurebasierte Immboilisierungssystem zu einem modularen, nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystem zu erweitern, um die eingangs beschriebenen Grenzen etablierter Methoden zu umgehen. Dazu müssen im zweiten Prozessschritt Konjugate aus GS und bioaktiven Molekülen, wie z. B. Peptide oder Wachstumsfaktoren, eingesetzt werden. Weiterhin können durch die Nutzung verschiedener Längen und Basensequenzen die Hybridstabilität und damit die Freisetzungskinetik beeinflusst werden. / Surface functionalization with bioactive molecules is a main field in current biomaterial research. However, in vitro and in vivo results are heterogeneous. This may be at least partially attributed to the limits of the applied immobilization methods. With established immobilization methods possibilities are limited to immobilize different molecules in one step, to implement defined release kinetics for similar and/or different substances, or to carry out the immobilization after sterilization of the implant to save sensitive molecules from damage. Therefore in this thesis a nucleic acid based immobilization system for bioactive molecules is developed for titanium based materials. Using a peptide with the amino acid sequence arginine–glycine–aspartic acid (RGD) it is demonstrated at first, that small molecules, being present at the interface electrolyte/passive layer, can be immobilized by their partial incorporation in anodically formed oxide layers. The immobilization can be carried out in a wide range of electrochemical parameters and the peptide preserves its biological function under all conditions. This immobilization method is enhanced by utilizing single-stranded nucleic acids as anchor strands (AS), which can be hybridized by complementary strands (CS) in a second step. Contrary to the peptide, bound AS are damaged by the formation of reactive oxygen species during anodic polarization of the substrate, the photoyctivity of the titanium oxide layer and multiple drying and wetting cycles. These side effects must be constrained by adding ethanol in a high concentration to the electrolyte during the immobilization procedure, excluding light during preparation and avoiding multiple drying and wetting cycles. Applying these conutermeasures, a 100% hybridization of immobilized AS can be achieved. After establishing the nucleic acid based immobilization system it can be developed further to a modular, nucleic acid based immobilization system to overcome limitations of established immobilization methods. At first, conjugates of CS and bioactive molecules, such as peptides or growth factors, should be used in the hybridization step for a true functionalization of the surface. Furthermore, hybrid stability and thus release kinetics can be adjusted by using CS of different length and base sequences.

The demand for multifunctional nanocontainers possessing both recognition ability and responsive nature is increasing greatly because of their high potential in various biomedical applications. The engineering of such smart nanovesicles is useful to enhance the efficiency of many therapeutic and diagnostic tools that have the applicability in targeted drug delivery systems as well as designing sensing devices or conducting selective reactions as nanoreactors in the scope of nanobiotechnology. For this purpose, this study demonstrates the formation of multifunctional and stimuli-responsive polymersomes comprising various abilities including pH and light sensitivity as well as many reactive groups with sufficient accessibility to be used as smart and recognitive nanocontainers. The fabrication included several steps starting from the synthesis of azide and adamantane terminated block copolymers, which were then self-assembled to prepare the polymersomes with the corresponding functional groups for the subsequent post-conjugations at the vesicle periphery. The accessible and sufficiently reactive groups were quantitatively proven when UV and IR cleavable NVOC protected amino groups as well as β-cyclodextrin molecules were conjugated to the pre-formed polymersomes through click chemistry and strong host-guest complexations. The gained light responsivity with the aid of successful NVOC attachment enabled further selective photochemical reactions triggered either by UV or NIR light leading to liberated amine groups on the polymersome surface. Therein, these released amino groups were further conjugated with a model fluorescent compound as mimicking the attachment of biorecognition elements to see the direct picture of the applicability. To realize this concept in a more localized and selective way as well as to avoid the possible side effects of UV light, the NIR-light induced photochemical reactions and further dye coupling were performed when polymersomes were immobilized onto solid substrates. This fixation was achieved by adapting the host-guest chemistry into this part and conjugating the adamantane decorated polymersomes onto β-cyclodextrin coated substrates. Several investigations including adhesion behavior, pH sensitivity and mechanical properties of the established multifunctional polymersomes under liquid phase have been performed. It has been found that the polymersome shape is highly dependent on the attractive forces of the substrate and needs to be optimized to avoid the flattening of the vesicles. For these optimization steps, different conditions were investigated including the decrease of cyclodextrin amount and additional surface passivation with PEG molecules on the solid substrates. Besides, the calculated Young’s and bending modulus of the polymersome membrane from AFM measurements showed a robust but still flexible “breathable” membrane which is an important criterion for the applicability of these smart and stable vesicles. In addition, the hosting ability as well as diffusion limits and sufficient membrane permeability of the polymersomes were observed by encapsulating gold nanoparticles as a smart cargo and doxorubicin molecules as an anticancer drug. In conclusion, the established multifunctional polymersomes are highly versatile and thus present new opportunities in the design of targeted and selective recognition systems which is highly interesting for various applications including development of microsystem devices, design of chemo/biosensors, and also for conducting enhanced, combined therapy in the field of drug delivery.