The dynamic research fields of biofabrication and tissue engineering (TE) play a pivotal role in bridging the translational gap between research and clinical applications. The advent of 3D printing technologies have prompted great advancements in these two research fields by enabling the fabrication of analogs mimicking the complex hierarchical organization of human tissues and organs. Key to this progress is the development of innovative hydrogels as they can be ideal scaffolding material considering their similarity to the extracellular matrix (ECM), processability under mild conditions, and usually a straightforward and minimally invasive translation into the human body. Hydrogels can be formed by chemical crosslinking using external stimuli (e.g., light) in a quick and controlled manner. In recent years, radical-mediated thiol-ene polymerizations have experienced an awakening of attention in the field of biofabrication and TE. Indeed, this crosslinking strategy yields to hydrogels characterized by lower shrinkage stress, homogenous networks with a low amount of unreacted monomer, along with a high resistance to oxygen inhibition. In this dissertation the focus is centered on developing and optimizing photosensitive biomaterial-based hydrogels tailored for thiol-ene click chemistry strategies, and subsequently integrating these advanced materials with cutting-edge 3D printing techniques. An innovative example of this integration is represented by the development of a novel optical fiber-assisted printing (OFAP) technology which aims to provide a valuable alternative in the field of vat photopolymerization (VPP) and exploit the fast thiol-ene click chemistry crosslinking strategy for both the straightforward 2D photopatterning and the embedded 3D printing of gelatin-based photosensitive precursors. All in all, the continuous evolution of these fabrication technologies along with the development of advanced cell-instructive biomaterials hold promise for transformative breakthroughs in biofabrication and TE. The first chapter of this dissertation contains a comprehensive state of the art about hydrogels in the context of biofabrication and TE, with up-to-date definitions of bioinks and their distinction from biomaterial inks. Moving towards light-based printing techniques, an important definition and contextualization of photopolymer resins and bioresins is given. Furthermore, an in-depth discussion around the state of the art of photosensitive hydrogels and their applications along with the novel light-based 3D printing techniques is highlighted. Eventually, the main goal of the thesis and the contribution of each chapter to the overarching goal are presented. While designing a functionalized biomaterial for TE applications, the possibility to tune its molecular properties, such as average molecular weight and degree of functionalization, represents an important aspect for establishing it as flexible platform towards different cells and tissues. The second chapter of this thesis focuses on the design of functional gelatin-based hydrogels with tuned degree of modification for supporting long-term survival and functionality of primary human fibroblast and endothelial cells. Gelatin, a well-established biomaterial, is modified with allyl moieties (gelAGE) and crosslinked via thiol-ene click chemistry in the presence of a polyethylene glycol (PEG)-based thiolated crosslinker and a photoinitiator. In this work, two gelAGE products, G1MM and G2LH, with different molecular properties are developed. The G2LH-based biomaterial is characterized by longer and less functionalized gelatin chains compared to the G1MM-based analog. These properties are exploited to fabricate a hydrogel featuring a lower total polymer content, thus a lower crosslinking density. Indeed, the G2LH-based hydrogel is characterized by a softer polymer matrix with a homogeneous and open porosity. While the cell viability is comparable in both G1MM- and G2LH-based hydrogels, the latter demonstrates to better support F-acting organization and cell-cell interaction, leading to tubular-like structures in the co-culture samples. The supported cellular functionality from the G2LH-based hydrogel is eventually demonstrated by the secretion of ECM molecules as fibronectin and collagen. This study contributes to the thesis by establishing a tailored and functional biomaterial platform for TE, addressing the specific needs of human primary fibroblast and endothelial cells both in mono- and co-culture. Natural tissues often feature mechanical and functional gradients, thus mimicking these intricated structures with additive manufacturing (AM) approaches poses challenges that includes high spatiotemporal control and availability of versatile biomaterials inks. The third chapter introduces a novel composite biomaterial ink formulation for direct ink writing (DIW) specifically focusing on the fabrication of constructs featuring dual independent gradients. The hypothesis of this study is that the combination of multifunctional cellulose nanofibrils (CNFs), also featuring azido moieties, with a photosensitive gelAGE-based matrix would enable the introduction of independent mechanical and functional gradients. Initially, a precursor solution composed of succinylated nanocellulose (C6SA-CNF), gelAGE, linear di-thiolated PEG and a photoinitiator is used to create mechanical gradients. Two straightforward and alternative strategies, namely gradient and anisotropic printing, are used to achieve this goal. A key aspect for the introduction of functional gradients in the 3D printed analogs is the functionalization of C6SA-CNF with azido moieties (C6SA-CNF-N3). Indeed, these functional groups show the capability of undergoing spontaneous click chemistry with a water-soluble dye (DBCO-Cy5). Independent dual gradients are obtained by using a combination of gradient and anisotropic printing, and subsequently dipping the printed analog into a solution of DBCO-Cy5 to induce the spontaneous click reaction. This chapter explores the unique properties of multifunctional nanocellulose to fabricate independent dual gradients and further corroborate the versatility of gelAGE towards the design of composite biomaterial inks for DIW. The fourth chapter focuses on volumetric bioprinting (VBP), a fabrication technique which holds great potential due to its capability of generating complex cell-tissue constructs in tens of seconds with high-throughput, thus addressing one of the major limitations of established AM technologies. While VBP enables rapid fabrication of living tissue constructs, the challenge remains in developing compatible resins. Specifically, the need for soft hydrogels with suitable viscosity and optical transparency, aligning with the requirements of the technology, represents a significant research gap. The study further advances the technology by exploiting thiol-ene click chemistry to precisely control the hydrogel network architecture and match the fast-printing times of VBP, while maintaining exceptionally soft polymer matrices. This chapter significantly contributes to the thesis by modifying the gelAGE platform towards soft photoresins for VBP, enabling an environment suitable for adipose tissue engineering. In the fifth chapter of this dissertation, a novel and straightforward light-based 3D printing technology, OFAP, is presented as valuable alternative in the field of VPP. In this study, an innovative LED-coupled optical fiber is combined with an automated platform which control its spatiotemporal position for both 2D and 3D printing of photosensitive gelatin-based resins. OFAP demonstrates enhanced precision for 2D photopatterning through the on-the-fly adjustment of printing parameters as gap and light dosage, offering a versatile and reproducible platform for fabricating structures with progressive features and multi-material constructs, layer-by-layer. An optimized resin composition utilizing gelAGE with food dyes as light absorbers is introduced. Furthermore, a novel gelatin-based biomaterial featuring alkyne groups, exhibits absorption in near-visible light, aligning with OFAP requirements. Beyond 2D patterning, OFAP extends to embedded 3D printing within a resin bath, demonstrating potential towards the fabrication of biomimetic scaffolds and TE. The sixth chapter contains an exhaustive conclusive discussion about the findings of each chapter and their contribution to the final goal of the dissertation along with future perspectives. Overall, this dissertation contains innovative approaches to harness the great potential of advanced cell instructive biomaterials and cutting-edge 3D printing techniques to contribute on the fast-paced evolution of biofabrication and TE. Particularly, a tunable and flexible gelatin-based biomaterial is presented to not only fabricate hydrogels suitable for specific tissue and cells, but also as universal biomaterial ink and bioresin platform adaptable for cutting-edge 3D printing techniques as DIW, OFAP and VBP. / Die dynamischen Forschungsbereiche der Biofabrikation und des Tissue Engineering (TE) spielen eine entscheidende Rolle bei der Überbrückung der Kluft zwischen Forschung und klinischen Anwendungen. Das Aufkommen von 3D-Drucktechnologien hat zu großen Fortschritten in diesen beiden Forschungsbereichen geführt, da sie die Herstellung von Analoga ermöglichen, die die komplexe hierarchische Organisation von menschlichem Gewebe und Organen nachahmen. Der Schlüssel zu diesem Fortschritt ist die Entwicklung innovativer Hydrogele, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem extrakutanen Gewebe und den Organen ein ideales Gerüstmaterial sein können aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit der extrazellulären Matrix (ECM), ihrer Verarbeitbarkeit unter milden Bedingungen und ihrer in der Regel unkomplizierten und minimalinvasiven Anwendung im menschlichen Körper. Hydrogele können durch chemische Vernetzung unter Verwendung externer Reize (z. B. Licht) schnell und kontrolliert gebildet werden. In den letzten Jahren wurde die radikal-vermit- telte Thiol-En-Polymerisationen in den letzten Jahren auf dem Gebiet der Biofabrikation und der TE große Aufmerksamkeit erlangt. Diese Vernetzungsstrategie führt zu Hydrogelen, die sich durch eine geringere Schrumpfspannung, homogene Netzwerke mit einem geringen Anteil an nicht umgesetzten Monomeren und eine hohe Beständigkeit gegen Sauerstoffinhibition auszeichnen. In dieser Dissertation liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Optimierung lichtempfindlicher Hydrogele auf Biomaterialbasis, die für Thiol-En-Click-Chemie-Strategien maßgeschneidert sind, und der anschließenden Integration dieser fortschrittlichen Materialien in modernste 3D-Drucktechniken. Ein innovatives Beispiel für diese Integration ist die Entwicklung einer neuartigen faseroptischen Drucktechnologie (OFAP), die eine wertvolle Alternative im Bereich der Bottich- Photopolymerisation (VPP) darstellt und die schnelle Thiol-En-Click-Chemie-Ver- netzungsstrategie sowohl für die einfache 2D-Photostrukturierung als auch für den eingebetteten 3D-Druck von lichtempfindlichen Gelatine-basierten Vorläufern nutzt. Alles in allem verspricht die kontinuierliche Weiterentwicklung dieser Herstellungstechnologien zusammen mit der Entwicklung fortschrittlicher zellin- struktiver Biomaterialien transformative Durchbrüche in der Biofabrikation und TE. Das erste Kapitel dieser Dissertation enthält einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik bei Hydrogelen im Zusammenhang mit Biofabrikation und TE, mit aktuellen Definitionen von Biotinten und deren Unterscheidung von Bio- materialtinten. Im Hinblick auf lichtbasierte Drucktechniken wird eine wichtige Definition und Kontextualisierung von Photopolymerharzen und Bioresinen gegeben. Darüber hinaus wird der aktuelle Stand der Technik bei lichtempfindlichen Hydrogelen und ihren Anwendungen sowie den neuartigen lichtbasierten 3D-Drucktechniken eingehend erörtert. Schließlich werden das Hauptziel der Arbeit und der Beitrag der einzelnen Kapitel zu diesem übergeordneten Ziel vorgestellt. Bei der Entwicklung eines funktionalisierten Biomaterials für TE-Anwendungen ist die Möglichkeit, seine molekularen Eigenschaften, wie z. B. das durchschnittliche Molekulargewicht und den Grad der Funktionalisierung, einzustellen, ein wichtiger Aspekt, um es als flexible Plattform für verschiedene Zellen und Gewebe zu etablieren. Das zweite Kapitel dieser Arbeit befasst sich mit der Entwicklung funktioneller Hydrogele auf Gelatinebasis mit abgestimmtem Modifizierungsgrad zur Unterstütz- ung des langfristigen Überlebens und der Funktionalität primärer menschlicher Fibroblasten und Endothelzellen. Gelatine, ein bewährtes Biomaterial, wird mit Allylgruppen (gelAGE) modifiziert und über Thiol-En-Click-Chemie in Gegenwart eines thiolierten Vernetzers auf Polyethylenglykol Basis (PEG) und eines Photoinitiators vernetzt. In dieser Arbeit werden zwei gelAGE-Produkte, G1MM und G2LH, mit unterschiedlichen molekularen Eigenschaften entwickelt. Das auf G2LH basierende Biomaterial zeichnet sich durch längere und weniger funktionalisierte Gelatineketten im Vergleich zum G1MM-basierten Analogon aus. Diese Eigenschaften werden ausgenutzt um ein Hydrogel herzustellen, das einen geringeren Gesamtpolymer- gehalt und damit eine geringere Vernetzungsdichte aufweist. Das Hydrogel auf G2LH-Basis zeichnet sich durch eine weichere Polymermatrix mit einer homogenen und offenen Porosität aus. Während die Lebensfähigkeit der Zellen sowohl in den G1MM- als auch in den G2LH-basierten Hydrogelen vergleichbar ist, zeigt sich, dass letztere eine bessere F-Organisation und Zell-Zell-Interaktion unterstützen, was zu röhrenartigen Strukturen in den Co-Kulturproben führt. Die durch das G2LH-Hy- drogel unterstützte zelluläre Funktionalität Hydrogels wird schließlich durch die Sekretion von ECM-Molekülen wie Fibronektin und Kollagen nachgewiesen. Diese Studie leistet einen Beitrag zur Dissertation, indem sie eine maßgeschneiderte und funktionelle Biomaterialplattform für TE entwickelt, die den spezifischen Bedürfnissen von humanen primären Fibroblasten- und Endothelzellen sowohl in Mono- als auch in Co-Kultur gerecht wird. Natürliche Gewebe weisen häufig mechanische und funktionale Gradienten auf. Die Nachahmung dieser komplizierten Strukturen mit additiven Fertigungsverfahren (AM) stellt daher eine Herausforderung dar, zu der eine hohe räumliche und zeitliche Kontrolle und die Verfügbarkeit vielseitiger Biomaterialtinten gehören. Im dritten Kapitel wird eine neuartige Komposit-Biomaterialtintenformulierung für das Direct Ink Writing (DIW) vorgestellt, die speziell auf die Herstellung von Konstrukten mit zwei unabhängigen Gradienten ausgerichtet ist. Die Hypothese dieser Studie ist, dass die Kombination von multifunktionalen Cellulose-Nanofibrillen (CNFs), die auch Azidogruppen, mit einer lichtempfindlichen Matrix auf der Basis von gelAGE die Einführung unabhängiger mechanischer und funktioneller Gradienten ermöglichen würde. Zunächst wird eine Vorläuferlösung aus succinylierter Nanocellulose (C6SA-CNF), gelAGE, linearem di-thioliertem PEG und einem Photoinitiator verwendet, um mechanische Gradienten zu erzeugen. Zur Erreichung dieses Ziels werden zwei einfache und alternative Strategien, nämlich das Gradienten- und das anisotrope Drucken, eingesetzt. Ein Schlüsselaspekt für die Einführung funktioneller Gradienten in den 3D-gedruckten Analoga ist die Funktionalisierung von C6SA-CNF mit Azidogruppen (C6SA-CNF-N3). Diese funktionellen Gruppen sind in der Lage, eine spontane Klick-Chemie mit einem wasserlöslichen Farbstoff (DBCO-Cy5) einzugehen. Unabhängige duale Gradienten werden durch eine Kombination aus Gradienten- und anisotropem Druck und anschließendem Eintauchen des gedruckten Analogons in eine DBCO-Cy5-Lösung zur Auslösung der spontanen Click-Reaktion erzielt. In diesem Kapitel werden die einzigartigen Eigenschaften der multifunktiona- len Nanocellulose zur Herstellung unabhängiger dualer Gradienten erforscht und die Vielseitigkeit von gelAGE im Hinblick auf die Entwicklung von zusammengesetzten Biomaterialtinten für DIW weiter untermauert. Das vierte Kapitel befasst sich mit dem volumetrischen Bioprinting (VBP), einer Herstellungstechnik, die aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Zell-Gewebe-Konstrukte in wenigen Sekunden und mit hohem Durchsatz zu erzeugen, ein großes Potenzial birgt und damit eine der größten Einschränkungen etablierter AM-Technologien überwindet. Während VBP die schnelle Herstellung von lebenden Gewebekonstrukten ermöglicht, besteht die Herausforderung in der Entwicklung kompatibler Harze. Insbesondere der Bedarf an weichen Hydrogelen mit geeigneter Viskosität und optischer Transparenz, die mit den Anforderungen der Technologie übereins- timmen, stellt eine erhebliche Forschungslücke dar. Die Studie bringt die Technologie weiter voran, indem sie die Thiol-En-Click-Chemie nutzt, um die Architektur des Hydrogel-Netzwerks präzise zu steuern und die schnellen Druckzeiten von VBP zu erreichen, während gleichzeitig außergewöhnlich weiche Polymermatrizen erhalten bleiben. Dieses Kapitel leistet einen wichtigen Beitrag zur Dissertation, indem es die gelAGE-Plattform in Richtung weiches Photoresin für VBP modifiziert und damit eine Umgebung ermöglicht, die für das Adipose Tissue Engineering geeignet ist. Im fünften Kapitel dieser Dissertation wird eine neuartige und unkomplizierte lichtbasierte 3D-Drucktechnologie, OFAP, als wertvolle Alternative im Bereich des VPP vorgestellt. In dieser Studie wird eine innovative LED-gekoppelte optische Faser mit einer automatisierten Plattform kombiniert, die ihre räumlich-zeitliche Position sowohl für den 2D- als auch den 3D-Druck von lichtempfindlichen gelatinebasierten Harzen kontrolliert. OFAP zeigt eine verbesserte Präzision für das 2D-Photomustering durch die fliegende Anpassung von Druckparametern wie Spalt und Lichtdosierung und bietet eine vielseitige und reproduzierbare Plattform für die Herstellung von Strukturen mit progressiven Merkmalen und Multi- materialkonstruktionen, Schicht für Schicht. Eine optimierte Harzzusammensetzung unter Verwendung von gelAGE mit Lebensmittelfarbstoffen als Lichtabsorber wird vorgestellt. Darüber hinaus zeigt ein neuartiges Biomaterial auf Gelatine- basis mit Alkin-Gruppen eine Absorption im nahen sichtbaren Bereich, was den OFAP-Anforderungen entspricht. Über die 2D-Musterung hinaus ermöglicht OFAP auch den eingebetteten 3D-Druck in einem Harzbad und zeigt damit das Potenzial für die Herstellung biomimetischer Gerüste und TE. Das sechste Kapitel enthält eine ausführliche abschließende Diskussion über die Ergebnisse der einzelnen Kapitel und ihren Beitrag zum Endziel der Dissertation sowie Zukunftsperspektiven. Insgesamt enthält diese Dissertation innovative Ansätze zur Nutzung des großen Potenzials fortschrittlicher zellinstruktiver Biomaterialien und modernster 3D-Drucktechniken, um zur rasanten Entwicklung der Biofabrikation und TE beizutragen. Insbesondere wird ein abstimmbares und flexibles Biomaterial auf Gelatinebasis vorgestellt, mit dem nicht nur Hydrogele hergestellt werden können, die für bestimmte Gewebe und Zellen geeignet sind, sondern das auch als universelle Biomaterialtinte und Bioresin-Plattform für modernste 3D-Druckverfahren wie DIW, OFAP und VBP geeignet ist.

Die Kombination von Polymeren mit Peptiden vereint die Eigenschaften beider Stoffklassen miteinander. Dabei können die strukturbildenden Eigenschaften der Peptide genutzt werden, um Polymere zu organisieren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Polymer-Peptid-Konjugat verwendet, das sich in Wasser zu Bändern anordnet. Die treibende Kraft für diesen Prozess ist die Anordnung des Peptidteils zu β-Faltblattstrukturen. Das Polymer-Peptid-Aggregat besitzt einen Peptidkern mit funktionalen Oberflächen, der lateral von einer Polyethylenoxidschale umgeben ist. Durch Änderung der Peptidsequenz war es bisher möglich, die Eigenschaften dieser Fasern zu variieren. In der Arbeit wird ein modularer Ansatz zur vielfältigen Modifizierung einer Polymer-Peptid-Faser entwickelt. So ist es möglich, die Eigenschaften der Fasern einzustellen, ohne die strukturbildende β-Faltblattsequenz verändern zu müssen. Um weitere Funktionen an den Fasern anzubringen, wurde die 1,3-dipolaren Addition verwendet. Diese Reaktion beschreibt die konzertierte Umlagerung eines Azides mit einem Alkin. Sie ist in den meisten Lösungsmitteln unter hohen Ausbeuten durchführbar. Im Rahmen der Arbeit wird die Erzeugung von Aziden untersucht und auf die Polymer-Peptid-Fasern übertragen. Der Diazotransfer stellte dabei die Methode der Wahl dar, so können Azidgruppen aus Aminen gewonnen werden. Unter Verwendung der 1,3-dipolaren Addition konnten verschiedene alkinfunktionale Moleküle kovalent an die azidfunktionalisierten Polymer-Peptid-Fasern gebunden werden. So wurde ein Fluoreszenzfarbstoff an die Fasern gebunden, der eine Abbildung der Fasern mittels konfokaler Mikroskopie erlaubte. Weiterhin wurden die Eigenschaften der Fasern durch Addition dreier carboxylfunktionaler Moleküle modifiziert. Diese Fasern konnten weiter genutzt werden, um Kalzium zu binden. Dabei variierte die Anzahl der gebundenen Kalziumionen in Abhängigkeit der jeweiligen Fasermodifikation erheblich. Weitere Untersuchungen, die Morphologie von Kalziumcarbonatkristallen betreffend, werden aktuell durchgeführt. Die kovalente Anbringung eines reduzierenden Zuckers an die Polymer-Peptid-Fasern erlaubt die Abscheidung von Silber aus Tollens Reagenz. Durch eine Entwicklung analog zur Schwarz-Weiss-Photographie können in nachfolgenden Arbeiten so Silberdrähte in Nanogröße erzeugt werden. An die azidfunktionalen Fasern können weitere funktionale Moleküle angebracht werden, um die Eigenschaften und das Anwendungsspektrum der Polymer-Peptid-Fasern zu erweitern. / The combination of polymer with peptides combines the advantages of both substance classes. It is possible to use peptide structure-forming properties to assemble polymers. In my current research, a self assembling Polymer-Peptide-Conjugate was used, which forms ribbon-like structures in water. The peptide tendency to form β-sheets is the driving force for this process. The resulting Polymer-Peptide-Aggregate is build up of a core shell model, where the peptides are the core and the polymer (polyethylene oxide) is the lateral suited shell. A new peptide synthesis was necessary in order to change the functional groups in the peptide core. In my present work a modular strategy was developed to get access to various types of modified Polymer-Peptide-Fiber. This allows adjustiment to the fiber properties without changing the structure forming b‑sheet sequence. To apply these functions, 1,3‑dipolar addition was used. This reaction described the simultaneous reactions of alkynes and azides. The reaction occurs in most solvents under high yields. In the context of this work, the generation of azides was investigated and transferred to the Polymer-Peptide-Fibers. Diazotransfer was the chosen method to transfer primary amines into azidefunctions at the fiber surface. With the use of 1,3‑dipolar addition it was possible to bind alkyne functionalized molecules covalent to the azide functionalized fibers. A fluorescent dye was bound to the fibers to image these fibers with confocal microscopy. The properties of the azide fibers were further modified to incorporation three different carboxylic molecules. These fibers were used to estimate the calcium binding affinity. Thus, differing the number of bonded calcium is a function of the used fiber attachment. Investigations concerning the morphology of Calcium carbonate crystals can be done. The covalent attachment of reducing sugar to the Polymer-Peptide-Fibers should will allow the production of silver(0)clusters along the fibers with the use of Tollens´ reagent. With the help of a developer solution, similar to black and white photography, the possibility to archive silverrods in nanometer size can be obtained. The applied modifications on fibers is hence a promising first step in altering fibers in which by adjusting its properties, we broaden the applications of these Polymer-Peptide-Fibers.

Von der Natur geschaffene Polymere faszinieren Polymerforscher durch ihre spezielle auf eine bestimmte Aufgabe ausgerichtete Funktionalität. Diese ergibt sich aus ihrer Bausteinabfolge uber die Ausbildung von Uberstrukturen. Dazu zählen zum Beispiel Proteine (Eiweiße), aus deren Gestalt sich wichtige Eigenschaften ergeben. Diese Struktureigenschaftsbeziehung gilt ebenso für funktionelle synthetische Makromoleküle. Demzufolge kann die Kontrolle der Monomersequenz in Polymeren bedeutend für die resultierende Form des Polymermoleküls sein. Obwohl die Synthese von synthetischen Polymeren mit der Komplexität und der Größe von Proteinen in absehbarer Zeit wahrscheinlich nicht gelingen wird, können wir von der Natur lernen, um neuartige Polymermaterialien mit definierten Strukturen (Sequenzen) zu synthetisieren. Deshalb ist die Entwicklung neuer und besserer Techniken zur Strukturkontrolle von großem Interesse für die Synthese von Makromolekülen, die perfekt auf ihre Funktion zugeschnitten sind. Im Gegensatz zu der Anzahl fortgeschrittener Synthesestrategien zum Design aus- gefallener Polymerarchitekturen – wie zum Beispiel Sterne oder baumartige Polymere (Dendrimere) – gibt es vergleichsweise wenig Ansätze zur echten Sequenzkontrolle in synthetischen Polymeren. Diese Arbeit stellt zwei unterschiedliche Techniken vor, mit denen die Monomersequenz innerhalb eines Polymers kontrolliert werden kann. Gerade bei den großtechnisch bedeutsamen radikalischen Polymerisationen ist die Sequenzkontrolle schwierig, weil die chemischen Bausteine (Monomere) sehr reaktiv sind. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Eigenschaften zweier Monomere (Styrol und N-substituiertes Maleinimid) geschickt ausgenutzt, um in eine Styrolkette definierte und lokal scharf abgegrenzte Funktionssequenzen einzubauen. Uber eine kontrollierte radikalische Polymerisationsmethode (ATRP) wurden in einer Ein-Topf-Synthese über das N-substituierte Maleinimid chemische Funktionen an einer beliebigen Stelle der Polystyrolkette eingebaut. Es gelang ebenfalls, vier unterschiedliche Funktionen in einer vorgegebenen Sequenz in die Polymerkette einzubauen. Diese Technik wurde an zwanzig verschiedenen N-substituierten Maleinimiden getestet, die meisten konnten erfolgreich in die Polymerkette integriert werden. In dem zweiten in dieser Arbeit vorgestellten Ansatz zur Sequenzkontrolle, wurde der schrittweise Aufbau eines Oligomers aus hydrophoben und hydrophilen Segmenten (ω-Alkin-Carbonsäure bzw. α-Amin-ω-Azid-Oligoethylenglycol) an einem löslichen Polymerträger durchgeführt. Das Oligomer konnte durch die geschickte Auswahl der Verknüpfungsreaktionen ohne Schutzgruppenstrategie synthetisiert werden. Der lösliche Polymerträger aus Polystyrol wurde mittels ATRP selbst synthetisiert. Dazu wurde ein Startreagenz (Initiator) entwickelt, das in der Mitte einen säurelabilen Linker, auf der einen Seite die initiierende Einheit und auf der anderen die Ankergruppe für die Anbindung des ersten Segments trägt. Der lösliche Polymerträger ermöglichte einerseits die schrittweise Synthese in Lösung. Andererseits konnten überschüssige Reagenzien und Nebenprodukte zwischen den Reaktionsschritten durch Fällung in einem Nicht-Lösungsmittel einfach abgetrennt werden. Der Linker ermöglichte die Abtrennung des Oligomers aus jeweils drei hydrophoben und hydrophilen Einheiten nach der Synthese. / Polymer scientists are impressed by polymers created by nature. This is caused by their structure which is aimed to fulfill very special functions. The structure is primary built by sequential covalent linking of building units. Secondly, supramolecular aggregation leads to three-dimensional alignment. The sequence of the building blocks has a high influence on the higher molecular arrangement. Proteins are only one example for supramolecular structures which have special functions because of their supramolecular arrangement. This structure-property relationship is also possible for synthetic polymers. For this reason the control of monomer sequences in synthtic polymers is just as important for the resulting structure of a synthetic polymer molecule. Even though the synthesis of polymers with complex strucures and sizes as in nature is impossible in near future. But the development of new and better techniques for sequence control in synthetic polymers is of high importance to create well defined macromolecular structures which are tailor-made for their function. In contrast to a lot of advanced synthethis strategies for the design of complex polymer architechtures (e.g. brushes, stars, or dendrimers) their are less approaches for a monomer sequence control in synthetic polymers. This work presents two different techniques for controlling the monomer sequence inside a polymer. Especially in technologically significant radical polymerization it is difficult to control the monomer sequence because radical species are very reactive and the addition of a monomer to the radical function is not selective. The first approach makes use of the properties of two monomers (styrene and N-substituted maleimides) to add chemical funtions locally inside a polystyrene chain. By addition of N-functionalized maleimides during the polymerization of styrene chemical functions could be added at any desired position inside the polystyrene chain. This technique was tested on 20 different N-substituted maleimides. Most of them were incorporated successfully into the polymer chain. The second monomer sequence control approach is a stepwise synthesis of an oligomer made of short alternating hydrophobic and hydrophilic segments on a soluble polymer support. Two building blocks were used: ω-alkyne carboxylic acid (A-B) and α-amine-ω-azide oligoethylene glycol (C-D). The linking of the segments was done by applying two very efficient chemical reactions, namely 1,3-dipolar cycloaddition of terminal alkynes (A) and azides (D) and amidification of carboxylic acids (B) with primary amines (C). These two reactions proceed chemoselectively in an ABCD multifunctional mixture without a protection chemistry strategy. The polystyrene support was synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) in the presence of an azido-functionalized ATRP initiator containing a labile p-alkoxybenzyl ester linker. Depending on the choise of solvent, the soluble polymer support was used in solution during the coupling reactions or was precipitated for an easy removal of excessive reagents and by-products. The acid-labile linker could be cleaved by trifluoroacetic acid treatment to obtain a hydrophilic/hydrophobic block copolymer.

Taking advantage of ATRP and using functionalized initiators, different functionalities were introduced in both α and ω chain-ends of synthetic polymers. These functionalized polymers could then go through modular synthetic pathways such as click cycloaddition (copper-catalyzed or copper-free) or amidation to couple synthetic polymers to other synthetic polymers, biomolecules or silica monoliths. Using this general strategy and designing these co/polymers so that they are thermoresponsive, yet bioinert and biocompatible with adjustable cloud point values (as it is the case in the present thesis), the whole generated system becomes "smart" and potentially applicable in different branches. The applications which were considered in the present thesis were in polymer post-functionalization (in situ functionalization of micellar aggregates with low and high molecular weight molecules), hydrophilic/hydrophobic tuning, chromatography and bioconjugation (enzyme thermoprecipitation and recovery, improvement of enzyme activity). Different α-functionalized co/polymers containing cholesterol moiety, aldehyde, t-Boc protected amine, TMS-protected alkyne and NHS-activated ester were designed and synthesized in this work. / In dieser Arbeit wurden mittels der ATRP Methode sowie durch Benutzung funktioneller Initiatoren verschiedene Funktionalitäten an der α- und ω-Position der synthetischen Polymere (Kettenenden) eingeführt. Diese funktionalisierten Polymere können durch modulare synthetische Methoden wie z.B. die “Klick-Zykloaddition” (kupferkatalysiert oder auch kupferfreie Methoden möglich), Amidierung mit anderen synthetischen Polymeren oder Biomolekülen, oder auch mit Silikatmonolithen gekuppelt werden. Den beschriebenen Strategien folgend und unter Benutzung von thermoresponsiven, bioinerten und biokompartiblen (Co-) Polymeren mit einstellbaren Trübungspunkten können mittels Temperaturänderungen leicht steuerbare, „smarte“ Polymersysteme für verschiedene Anwendungen hergestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden speziell Anwendungen wie die Postfunktionalisierung (in situ Funktionalisierung mizellarer Aggregate mit Molekülen, die sowohl niedrige als auch höhere Molekulargewichte aufweisen), hydrophiles/hydrophobes Tuning von Polymeren, Chromatographie an Polymeren sowie Biokonjugation von Polymeren (Enzymthermoprezipitation und -Gewinnung, Enzymaktivitätsmodifizierung) genauer untersucht. Es wurden verschiedene α-funktionalisierte (Co-)Polymere, die Cholesterol, Aldehyde, t-Boc geschützte Amine, TMS-geschützte Alkine und NHS-aktivierte Ester entwickelt und hergestellt und mittels passender ATRP Initiatoren eingeführt.

Die Interleukin 1β (IL-1β) vermittelte Signaltransduktion ist für die akute Entzündung von entscheidender Bedeutung, muss aber gleichzeitig streng reguliert werden. Wie setzt das intrazelluläre IL-1β-Signalnetzwerk den extrazellulären Nachweis von IL-1β effizient in eine präzise und angemessene zelluläre Reaktion um? Welche Kontrollmechanismen kommen zum Einsatz, um eine angemessene Antwort zu gewährleisten und eine Hypo- oder Hyperantwort zu verhindern? Diese Arbeit charakterisiert die IL-1β-vermittelte Signalwegdynamik in EL4-Zellen mithilfe der Immunpräzipitations-Massenspektrometrie (IP-MS), konkret von MyD88, IRAK4 und IRAK1. Statistischer Analysen identifizierten das Interaktom dieser Proteine nach 15-, 30- und 60-minütiger IL-1β-Stimulation, sowie Proteine, die potenziell an der Runterregulierung des IL-1β-Signalwegs beteiligt sind. Um zu verstehen, wie das IL-1β-Signalwegnetzwerk die Translationsmaschinerie in EL4 Zellen beeinflusst, um eine angemessene Reaktion zu gewährleisten, untersuchte ich den IL-1β-abhängigen Proteinumsatz mittels gepulste stabile Isotopenmarkierung durch Aminosäuren in der Zellkultur (pSILAC) in Kombination mit Azidohomoalanin (AHA)- Klickchemie und MS nach IL-1β-Stimulation. Das Ergebnis aller Proteomik-Untersuchungen war die Identifizierung des TNFα-induzierten Proteins 3 (Tnfaip3) interagierendes Protein 1 (TNIP1) als potenziellen Kandidaten für die Herunterregulierung des IL-1β-Signalwegs. Nach IL-1β-Stimulation kolokalisiert TNIP1 mit allen Myddosomen-Proteinen sowie mit der Deubiquitinase Tnfaip3. Mittels CRISPR/Cas9 erzeugte ich eine TNIP1-KO-EL4 Zelllinie. Nach IL-1β Stimulation zeigten TNIP1-KO-Zellen vermehrt phosphoryliertes p65, aber verringertes phosphoryliertes JNK sowie eine langfristig verringerte IL-2-Sekretion. Daher ist TNIP1 nicht nur an der Herunterregulierung des NF-κB-Signalwegs beteiligt, sondern aktiviert auch den MAPK-Signalweg. / Interleukin 1β (IL-1β)-mediated signal transduction is crucial for acute inflammation, but at the same time needs tight regulation. The IL-1β-mediated signal transduction is encoded by the spatial and temporal dynamics of downstream signaling networks. How does the intracellular IL-1β signaling network efficiently convert the extracellular detection of IL-1β into a precise and proportionate cellular response? What control mechanisms apply in order to ensure a proportionate response and pre- vent a hypo- or hyper response? This study characterizes the IL-1β mediated signaling dynamics using immunoprecipitation purification mass spectrometry (IP-MS). specifically, of MyD88, IRAK4, and IRAK1. Statistical analyses identified the interactome of these proteins after 15-, 30-, and 60-minute of IL-1β stimulation, as well as proteins potentially involved in IL-1β signaling downregulation using pathway annotation analysis. Further, in order to understand how the IL-1β signaling network affects the translational machinery in EL4 cells to ensure a proportionate response, , I investigated IL-1β-dependent protein turnover in EL4 cells. Specifically, I applied pulsed stable isotope labeling by amino acids in the culture (pSILAC) combined with azidohomoalanine (AHA)-click chemistry and MS after 30-, 60-, 120- and 240-min of IL-1β stimulation. The result of these proteomics approaches was the identification of TNFα induced protein 3 (Tnfaip3) interacting protein 1 (TNIP1) as a potential candidate in IL-1β signal downregulation. TNIP1 co-localizes with all myddosome proteins and the deubiquitinase Tnfaip3 after IL-1β stimulation. I generated a TNIP1 KO EL4 cell line using CRISPR/Cas9. After IL-1β stimulation, TNIP1 KO cells show increased levels of phosphorylated p65, but decreased levels of phosphorylated JNK as well as decreased levels of long-term IL-2 secretion. Therefore, TNIP1 is not only involved in downregulatory NF-κB signaling but activates MAPK pathway.

Ein Ansatz der Darstellung von neuartigen funktionalen Materialien basiert auf der Synthese von Foldameren mit charakteristischen Eigenschaften, die eine Kontrolle über Formgebung und Gestaltung der Makromoleküle und derer Aggregate zulassen. Bislang sind gerade größere Foldamerstrukturen definierter Größe und Form meist schwer darstellbar und eine strukturelle Modifizierbarkeit nicht ohne weiteres möglich. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die hohe Effizienz der seit 2002 bekannten Kupfer(I)-katalysierten 1,3-dipolaren Azid-Alkin-Cycloaddition, kurz “Klick“-Reaktion genannt, verwendet werden kann, um neuartige heteroaromatische Gerüste für die Konstruktion von diversen (makromolekularen) Strukturen zu generieren. Hierbei wird der bei der Reaktion entstehende Triazol-Ring gezielt als funktionale und strukturgebende Einheit genutzt. Zunächst wurden auf einfache und hochmodulare Weise 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazol-4-yl)pyridine (BTPs) dargestellt, die in einer hufeisenförmigen, planaren Konformation vorliegen und sich daher als helikogene Einheiten für die Konstruktion von helikalen aromatischen Foldameren eignen. Zudem stellen die BTP-Strukturen eine neue Klasse von pyridinzentrierten, tridentaten Liganden dar. Sie koordinieren an eine Vielzahl von Übergangsmetallionen unter Ausbildung von Metallkomplexen, die über interessante magnetische und lumineszierende Eigenschaften verfügen. Durch die Koordination, aber auch bei Protonierung, lassen sich die BTP-Gerüste von der gebeugten anti-anti-Konformation in eine gestreckte syn-syn-Konformation schalten. Dies wurde in Lösung, im kristallinen Festkörper und an der Flüssig-Fest-Grenzfläche zu Graphit untersucht. Über Selbstorganisation großflächig ausgebildete hochgeordnete BTP-Monoschichten an der Graphitoberfläche lassen sich mit Hilfe der Rastertunnel-Mikroskopie visualisieren und durch oben genannte externe Stimuli umstrukturieren. Eine neue Klasse von (BTP-basierten) responsiven heteroaromatischen oligomeren und polymeren Foldameren wurde mit Hilfe der „Klick“-Reaktion generiert. Die Oligomeren, sogenannte ”Klickamere“, mit einer Länge von 17 aromatischen Ringen zeigen in polaren Lösungsmitteln ein ausgeprägtes helikales Faltungsverhalten. Ein aus 17 aromatischen Ringen bestehender Foldamerstrang ist gegenüber Chloridionen responsiv, wobei es durch die Wechselwirkung mit diesem achiralen Stimulus bemerkenswerter Weise zu einer Helixinversion kommt. Die entsprechenden responsiven Polymere falten in eine stabile helikale Konformation, die bei Zugabe von Metallionen aufbricht und zu der Bildung von koordinativ kreuzverlinkten, stark viskosen Gelen führt. / One approach to develop novel functional materials is based on the synthesis of macromolecules with characteristic properties, in particular foldamers. However, preparation and structural variation of macromolecules of controllable size and specific shape are often cumbersome and versatile synthetic routes are still needed. In this dissertation, the high efficiency of the so called “click”-reaction, i.e. the Cu(I)-catalyzed Huisgen-type 1,3-dipolar cycloaddition, has been used to design a novel class of heteroaromatic (macromolecular) scaffolds. In these structures the formed triazole moieties constitute an essential integral part rather than a mere connecting unit. In a first step, structurally varying 2,6-Bis(1-aryl-1,2,3-triazolyl-4-yl)pyridines (BTPs) have been generated in an easy and modular way. The BTP scaffold adopts a kinked conformation and therefore functions as helicogenic building block for the construction of helical foldamers. Additionally, the BTP framework is responsive towards protonation and transition metal ion complexation, thereby undergoing a significant structural change from the kinked anti-anti into the extended syn-syn conformation. The conformational switching has been investigated in solution and in the solid state but can also be visualized at the liquid-solid interface on graphite by STM imaging. The BTPs represent a novel class of pyridine-centered, tridentate ligands, which form complexes with interesting magnetic and luminescent properties by the coordination to numerous transition metal ions. Varying heteroaromatic oligomeric and polymeric foldamers with remarkable properties have been generated using the “click”-reaction as synthesis tool. The BTP building blocks, which have (partly) been integrated into the backbones, support the stability of the helical conformation and provide responsiveness towards external stimuli. Three oligomer series of different length have been synthesized and analyzed. Oligomers consisting of 17 aromatic rings, termed clickamers, fold into a helical conformation in polar solvents. One of the three clickamers shows an unexpected phenomenon of helix inversion upon interaction with chloride ions as an achiral stimulus. The corresponding polymeric strands fold into an even more stable helical conformation, which breaks up upon exposure to transition metal ions leading to coordinatively crosslinked, highly viscous gels.