In this thesis we have investigated the correlated ground state properties of polymers by applying wave-function-based ab-initio quantum-chemical methods such as the Hartree-Fock approach, the full configuration interaction method (FCI), coupled-cluster (CC) and Moller-Plesset second-order perturbation (MP2) theory. The polymers we have studied are the boron-nitrogen polymers, i.e., polyiminoborane (PIB) and polyaminoborane (PAB), the lithium hydride chain and the beryllium hydride polymer as well as the polymethineimine (PMI). The optimized structural parameters, cohesive energies, polymerization ernergies, relative stabilities of isomeric forms and some band structure results are presented. The results demonstrated that quantum chemical ab initio methods can be applied successfully to infinite systems like polymers, although such calculations are still far from being routine.

Techn. Universiẗat, Diss., 2000--Darmstadt.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der theoretischen Beschreibung der komplexen physikalischen Eigenschaften von Netzwerken semiflexibler Polymere. Ausgehend vom mathematischen Modell eines semiflexiblen Polymers, der \"wurmartigen Kette\" (wormlike chain), werden zwei wesentlich neue Konzepte zur Beschreibung dieses ungeordneten Materialzustands eingeführt. Einerseits wird das experimentell beobachtete, glasähnliche Fließen solcher Materialien durch das phänomenologische Modell eines semiflexiblen Polymers mit verallgemeinerter Reibung beschrieben, welche den Gesamteffekt der physikalischen oder auch chemischen Wechselwirkungen der Polymere untereinander widerspiegelt. Andererseits wird das bestehende Konzept der durch seine Nachbarfilamente erzeugten röhrenförmigen Einsperrung eines Filaments erweitert und die experimentell nachgewiesene, räumlich veränderliche Struktur der Röhre erklärt. Die erzielten Ergebnisse werden durch Rechnersimulationen sowie durch experimentelle Daten gestützt.

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen an Rückständen von thermisch abgebauten, flammgeschützten Polymeren vorgenommen, mit dem Ziel, die Struktur und den Phasenbestand der eingebauten Flammschutzmittel und der Polymere sowie deren Wechselwirkungen als Funktion der Temperatur und umgebenden Atmosphäre (N2 und Luft) zu charakterisieren. Ein wichtiges Werkzeug, das Informationen über den amorphen Zustand der Abbauprodukte und deren thermisch bedingte Phasenumwandlungen in andere amorphe oder kristalline Strukturen sowie Aussagen über die Nahordnungen der betrachteten Kernspinsorte liefert, stellt in dieser Arbeit der Einsatz der Festkörper-NMR-Spektroskopie dar. Hierbei sind neben Einzelimpuls- (SP), rotor-synchronisierte Spin-Echo- (RSE) und Kreuzpolarisationstechniken (CP) auch REDOR- (Rotational echo double resonance) und TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) Messungen zur Anwendung gekommen. Zusätzlich konnten aus den 11B- und 31P-NMR-Experimenten quantitative Aussagen über den relativen Borat- und Phosphor bzw. Phosphat-Anteil im festen Rückstand getroffen werden, wobei insbesondere für die 31P-Kerne eine quantitative Erfassung der kristallinen und amorphen Phosphatphasen durchgeführt wurde. Im ersten System wurden die Flammschutzmittel roter Phosphor (Prot) und Mg(OH)2 in HIPS kombiniert. Aus den Ergebnissen umfangreicher NMR-Experimente konnte abgeleitet werden, dass der größte Teil des eingesetzten Prot hauptsächlich in amorphen (Mg-Ortho-, -Di-, -Ketten- und Ringphosphaten) und weniger in kristallinen Phosphatphasen verbleibt. Zudem konnte für den Parameter der Temperatur und aus der Verfügbarkeit von Sauerstoff (N2-Atmosphäre/Luft) einen deutlicher Einfluss auf den Abbauprozess und die Bildung der Phosphatphasen (kristallin/amorph) nachgewiesen werden. Aus dem Vergleich der Ergebnisse der Temperversuche mit den Ergebnissen der Verbrennungsversuche im Cone Calorimeter konnte ein anaerober Abbauweg bestätigt werden. In einem zweiten System wurden die thermischen Reaktionen zwischen den Flammschutzadditiven BDP und Zinkborat sowie ihren Einfluss auf den thermischen Abbau eines PC/ABS-Blends untersucht. Der thermisch belastete Rückstand wird unabhängig von der Atmosphäre von amorphen Phosphatgruppen dominiert. Dabei konnten die während der Temperprozesse gebildeten Verbindungen α Zn3(PO4)2 und BPO4 als Folge einer Festphasenreaktion zwischen den eingesetzten Flammschutzadditiven identifiziert werden, wobei das α Zn3(PO4)2/BPO4 Verhältnis als Indikator für einen aeroben bzw. anaeroben Abbauprozess dient, der für die Feuerrückstände eindeutig einen anaeroben Abbau liefert. / This study aims at the structural characterisation of embedded flame retardants and polymers. Analysis includes determination of the phase contents as well as description of their mutual interactions as a function of their thermal history in different atmospheres (air and nitrogen). Solid-state NMR spectroscopy is the most important tool applied in this thesis. This technique enables structural information about the amorphous state of the decomposed products, determination of the thermal and thermo-oxidative conversion in different amorphous and crystalline structures, and predictions about the short-range order of the observed nuclei. In this context measurements of single pulse (SP), rotor-synchronised spin echo (RSE) and cross polarisation (CP) experiments, as well as REDOR (Rotational echo double resonance) and TRAPDOR- (Transfer of population in double resonance) have been conducted. Additionally, 11B SP and 31P RSE experiments have been used to study quantitatively the borate and both phosphorus and phosphate contents in the solid residues. Particular emphasis was put on quantifying crystalline and non-crystalline phosphate phases. The first system consists of a combination of the flame retardants red phosphorus (Pred) and Mg(OH)2 in HIPS. From the results of extensive NMR experiments it was deduced that most of inserted red phosphorus remains in amorphous phosphates phases (ortho, pyro, and chain/ring phosphates) besides some crystalline phosphate phases. Decomposition characteristics such as temperature and the availability of oxygen (N2 atmosphere/air) show a significant influence on the decomposition process and the formation of phosphate phases (crystalline/amorphous). By comparing the results of the annealing processes to the results of the cone calorimeter measurements an anaerobic decomposition way was confirmed. In a second system, thermal reactions between the two flame retardants BDP and zinc borate as well their influence on the thermal decomposition of a PC/ABS blend were investigated. The thermally residues are independently of the atmosphere dominated by amorphous phosphate units. During the thermal decomposition the formation of α-Zn3(PO4)2 and BPO4 could be identified as solid reaction products of the inserted flame retardants. In addition, the α Zn3(PO4)2/BPO4 ratio served as an indicator of aerobic or anaerobic decomposition processes, proving an anaerobic decomposition mechanism for the fire residues.

The aim of this work was to test and tailor new sol gel derived hybrid polymer coatings for the incorporation of photochromic spirooxazines and chromenes. The development and optimisation of work was performed via two different routes (dye and matrix ones), that led to photochromic multi-layer coating systems with coloration depth and photostabilities comparable to commercially available products. Hybrid sol-gel derived polymers were found to be suitable host materials for photochromic dyes. Matrix properties and the type of entrapment heavily influence the photochromic activity, as well as the degradation rate and the kinetics of incorporated dyes. Dyes incorporated within more polar and rigid matrices were found to show slower kinetics and higher coloration but associated with faster photodegradation. On the other hand, hosts with less polar sites, low residual water concentration and low rigidity are preferable in terms of photostability. Significant differences were found for physically incorporated and covalently grafted chromophores. Using silylated dyes that can participate in the sol-gel process, the photodegradation rate of the whole system can be decreased as compared to the physically entrapped systems. The higher photostability and slower kinetics for covalently bonded photochromes is probably due to sterical hindrance. Addition of proper stabilisers increases the photostability: The employment of UV light stabilisers, excited state quenchers and HALS was found to be beneficial but not sufficient. Besides the presence of stabilisers, also the reduction of oxygen migration into the coating (by a hard top coat and an inorganic anti reflective coating) strongly increases stability of photochromes. Finally, it was found that the separation of photochromes within two (or more) different layers leads to a further improvement of the coloration and fatigue behaviour of the whole coating stack, presumably by preventing the contact of dye molecules with excited states of other molecules or their degradation products. These latter findings are considered to pave the way for stable photochromic coatings based on hybrid polymers. Future development should be directed towards more photostable yellow and red switching dyes. The results of the present investigations should help to choose the most suitable molecular environments for the tested photochromes in terms of photostability, kinetics and activity, which is considered relevant with respect to potential applications, in particular in the ophthalmic sector. Furthermore, the interesting combination of properties of this type of materials offers a large potential with regard to many applications, such as coatings for sunglasses, radiation protectors, filters, sunroofs, reversible markings, printing applications and smart textiles. / Das Ziel dieser Arbeit war es, neue, über das Sol Gel Verfahren hergestellte Beschichtungsmaterialien zu entwickeln, die als Matrices für photochrome Spirooxazine und Chromene geeignet sind. Die Entwicklungs- und Optimierungsarbeit erfolgte über zwei Routen (Farbstoff- und Matrix-Rout) und führte zu komplexen photochromen Mehrschichtaufbauten, deren Einfärbungs und Photostabilitätseigenschaften mit kommerziell erhältlichen Produkten vergleichbar sind. Über das Sol-Gel Verfahren hergestellte hybride Polymere stellen geeignete Wirtsmaterialien für photochrome Farbstoffen dar. Die Eigenschaften der Matrix und die Einbauweise beeinflussen sowohl die photochrome Aktivität, als auch die Degradationsgeschwindigkeit und Kinetik der eingebauten Farbstoffe. Farbstoffe integriert in rigide Matrices höherer Polarität zeigen geringere Schaltgeschwindigkeit und stärkere Einfärbung, jedoch verknüpft mit höherer Degradationsgeschwindigkeit. Andererseits Matrixmaterialien mit eher unpolarem Charakter, niedriger Konzentration an Restwasser, und niedriger Rigidität sind zu bevorzugen, wenn gute Photostabilität erreicht werden soll. Wesentliche Unterschiede bestehen zwischen chemisch angebundenen und physikalisch eingebauten Farbstoffen. Durch den Einsatz von silylierten Farbstoffen, die am Sol Gel-Prozess partizipieren können, kann eine Verringerung der Photodegradationsgeschwindigkeit im Vergleich zu physikalisch eingebauten Farbstoffen erreicht werden. Höhere Photostabilität und langsamere Schaltkinetikt sind vermutlich auf sterische Hinderung zurückzuführen. Der Zusatz geeigneter Stabilisatoren erhöht die Photostabilität: Der Einsatz von UV Stabilisatoren, Excited State Quenchern und HALS ist vorteilhaft aber nicht ausreichend. Neben der Präsenz von Stabilisatoren, führt auch die Verringerung der Sauerstoffpermeation (durch eine harte Deckschicht und eine reflexionsmindernde PVD Beschichtung) zu einer Stabilitätserhöhung. Schließlich wurde gefunden, dass die räumliche Trennung der Farbstoffe in zwei (oder mehr) unabhängigen Schichten ebenfalls die Färbetiefe und Photoresistenz der Beschichtungen erhöhte, vermutlich dadurch, dass der Kontakt von Farbstoffmolekülen mit angeregten Zuständen anderer Moleküle oder ihren Degradationsprodukten verhindert oder zumindest eingeschränkt wird. Diese Befunde können den Weg für stabile photochrome Beschichtungen auf de Basis von Hybridpolymeren ebnen. Weiterer Optimierungsbedarf wird in den bisher erzielbaren Farbtönen gesehen. Zukünftige Entwicklungen sollten sich auf photostabilere gelb und rot schaltende Farbstoffe konzentrieren. Die Ergebnisse der vorgelegten Untersuchungen können bei der Auswahl der am besten geeigneten, molekularen Umgebung für erprobte Photochrome in Bezug auf Photostabilität, Kinetik und Aktivität helfen. Dies ist von großer Bedeutung im Hinblick auf mögliche Anwendung vor allem im ophthalmischen Bereich. Darüber hinaus bergen die interessante Eigenschaftskombinationen dieser Art von Materialien großes Potential für ein weites Feld möglicher Anwendungen (Sonnenbrillen, Strahlungsschutz, Filter, Sonnendächer, schaltbare Markierungen, Druck, Textilien).

Quellfähige natürliche Schichtsilicate können nach vorheriger Modifizierung als nanoskalige Barrierefüllstoffe für hybridpolymere Beschichtungen eingesetzt werden. Durch Ionenaustausch nach der „Onium-Methode“ wurden aus natürlichem Montmorillonit unterschiedlich modifizierte organophile Schichtsilicate hergestellt, die mit thermisch oder strahlenhärtenden Barrierelacken verträglich sind. Als Modifizierungsreagenzien kamen neben aliphatischen auch olefinische und alkoxysilylfunktionelle Ammonium-Verbindungen zum Einsatz. Beschichtungen aus den modifizierten Barrierelacken zeigten teilweise deutlich verbesserte Sauerstoffbarriereeigenschaften. Ein signifikanter Einfluß auf die Wasserdampfbarriere war bei diesem Füllstoffanteil nicht festellbar. Die optische Transparenz der hybridpolymeren Barriereschichten wird auch durch Anteile von bis zu 5 Gew. % an Schichtsilicat nicht nennenswert beeinflusst. Dies belegen UV-VIS-Spektren.Aufgrund der deutlichen Steigerung der Sauerstoffbarrierewirkung unter Beibehaltung der optischen Transparenz der Beschichtung stellt die Kombination von modifizierten Schichtsilicaten mit hybridpolymeren Barrierelacken daher eine interessante Alternative zu den bisher eingesetzten Barrieresystemen ohne Füllstoff dar. Der Einfluss von Lacklagerung, Lackkomponenten und Härtungsbedingungen im Hinblick auf die Struktur und Sperrwirkung von Hybridpolymerschichten wurde im zweiten Teil dieser Arbeit untersucht. Dabei wurden die Ergebnisse struktureller Untersuchungen durch 29Si, 13C- und 27Al-NMR-Spektroskopie mit Barrieremessungen korreliert. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Optimierung von Migrationsschutzschichten. Hybridpolymere bieten neben einer Barrierewirkung gegenüber Gasen und Dämpfen auch einen wirksamen Schutz gegen die Migration weiterer chemischer Substanzen, wie z.B. Weichmachern. Am Beispiel eines strahlenhärtenden hybridpolymeren Lackes wurde über die Formulierung des Lackes eine Korrelation zwischen Migrations- und Sauerstoffbarrierewirkung hergestellt. / Hydrophilic swelling layered silicate clay minerals such as Montmorillonite have to be modified first in order to integrate them on nanoscale into inorganic-organic barrier coatings. Using an ionic-exchange technique, natural Montmorillonite was converted into organophilic clay, which is compatible with several types of inorganic-organic barrier lacquers. As modifying agents different types of aliphatic as well as olefinic and alkoxysilane ammonia compounds were used. Coatings of clay modified inorganic-organic polymers showed improved gas barrier properties while keeping the water vapor transmission rate at a constant low level. Although barriere coatings with up to 5 percent on weight of modified clay were made, the coatings maintained their full optical transparency which was proven by UV-VIS-Spectroscopy.Due to the high improvement in the oxygen barrier properties while not affecting optical properties, modified clay minerals are well suited fillers for inorganic-organic barrier coatings. The influence of lacquer storage, lacquer compounds and curing conditions on the structure and barrier properties of inorganic-organic coatings was investigated in the second part of this thesis. A correlation was done between barrier properties and structural datas determined by 29Si-, 13C- und 27Al-NMR-spectroscopic investigations. The last part of the thesis deals with the optimization of migration barrier coatings. In addition to the barrier properties against water vapor and oxygen, inorganic-organic polymers can also function as protection layers against unwanted migration of chemical substances like softeners. Based on modifications on a photocurable lacquer a correlation between migration and oxygen barrier properties was made.

This thesis concerned the design and examination of a scaffold for tissue engineering applications. The template for the presented scaffold came from nature itself: the intercellular space in tissues that provides structure and support to the cells of the respective tissue, known as extracellular matrix (ECM). Fibres are a predominant characteristic feature of ECM, providing adhesion sites for cell-matrix interactions. In this dissertation a fibrous mesh was generated using the electrospinning technique to mimic the fibrous structure of the ECM. Two base polymers were explored: a biodegradable polyester, poly(D,L-lactide-co-glycolide); and a functional PEG-based star polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). This topic was described in three major parts: the first part was materials based, concerning the chemical design and characterisation of the polymer scaffolds; the focus was then shifted to the cellular response to this fibrous scaffold; and finally the in vivo performance of the material was preliminarily assessed. The first steps towards an electrospun mesh started with adjusting the spinning parameters for the generation of homogeneous fibres. As reported in Chapter 3 a suitable setup configuration was on the one hand comprised of a spinning solution that consisted of 28.5 w/v% PLGA RG 504 and 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL acetone, 50 µL DMSO and 10 µL of an aqueous trifluoroacetic acid solution. On the other hand an ideal spinning behaviour was achieved at process parameters such as a flow rate of 0.5 mL/h, spinneret to collector distance of 12-16 cm and a voltage of 13 kV. The NCO-sP(EO-stat-PO) containing fibres proved to be highly hydrophilic as the functional additive was present on the fibre surface. Furthermore, the fibres featured a bulk degradation pattern as a consequence of the proportion of PLGA. Besides the morphologic similarity to ECM fibres, the functionality of the electrospun fibres is also decisive for a successful ECM mimicry. In Chapter 4, the passive as well as active functionality of the fibres was investigated. The fibres were required to be protein repellent to prevent an unspecific cell adhesion. This was proven as even 6.5 % sP(EO-stat-PO) in the PLGA fibres reduced any unspecific protein adsorption of bovine serum albumin and foetal calf serum to less than 1 %. However, avidin based proteins attached to the fibres. This adhesion process was avoided by an additional fibre surface treatment with glycidol. The active functionalisation of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres was investigated with two fluorescent dyes and biocytin. A threefold, chemically orthogonal, fibre modification was achieved with these dyes. The chapters about the chemical and mechanical properties laid the basis for the in vitro chapters where a specific fibre functionalisation with peptides was conducted to analyse the cell adhesion and biochemical expressions. Beginning with fibroblasts in Chapter 5 the focus was on the specific cell adhesion on the electrospun fibres. While NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres without peptides did not allow any adhesion of fibroblasts, a fibre modification with GRGDS (an adhesion mediating peptide sequence) induced the adhesion and spreading of human dermal fibroblasts on the fibrous scaffolds. The control sequence GRGES that has no adhesion mediating qualities did not lead to any cell adhesion as observed on fibres without modifications. While the experiments of Chapter 5 were a proof-of-concept, in Chapter 6 a possible application in cartilage tissue engineering was examined. Therefore, primary human chondrocytes were seeded on fibrous scaffolds with various peptide sequences. Though the chondrocytes exhibited high viability on all scaffolds, an active interaction of cells and fibres was only found for the decorin derived sequence CGKLER. Live-cell-imaging revealed both cell attachment and migration within CGKLER-modified meshes. As chondrocytes undergo a de-differentiation towards a fibroblast-like phenotype, the chondrogenic re-differentiation on these scaffolds was investigated in a long term cell culture experiment of 28 days. Therefore, the glycosaminoglycan production was analysed as well as the mRNA expression of genes coding for collagen I and II, aggrecan and proteoglycan 4. In general only low amounts of the chondrogenic markers were measured, suggesting no chondrogenic differentiation. For conclusive evidence follow-up experiments are required that support or reject the findings. The success of an implant for tissue engineering relies not only on the response of the targeted cell type but also on the immune reaction caused by leukocytes. Hence, Chapter 7 dealt with primary human macrophages and their behaviour and phenotype on two-dimensional (2D) surfaces compared to three-dimensional (3D) fibrous substrates. It was found that the general non-adhesiveness of NCO-sP(EO-stat-PO) surfaces and fibres does not apply to macrophages. The cells aligned along the fibres on surfaces or resided in the pores of the meshes. On flat surfaces without 3D structure the macrophages showed a retarded adhesion kinetic accompanied with a high migratory activity indicating their search for a topographical feature to adhere to. Moreover, a detailed investigation of cell surface markers and chemokine signalling revealed that macrophages on 2D surfaces exhibited surface markers indicating a healing phenotype while the chemokine release suggested a pro-inflammatory phenotype. Interestingly, the opposite situation was found on 3D fibrous substrates with pro-inflammatory surface markers and pro-angiogenic cytokine release. As the immune response largely depends on cellular communication, it was concluded that the NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres induce an adequate immune response with promising prospects to be used in a scaffold for tissue engineering. The final chapter of this thesis reports on a first in vivo study conducted with the presented electrospun fibres. Here, the fibres were combined with a polypropylene mesh for the treatment of diaphragmatic hernias in a rabbit model. Two scaffold series were described that differed in the overall surface morphology: while the fibres of Series A were incorporated into a thick gel of NCO-sP(EO-stat-PO), the scaffolds of Series B featured only a thin hydrogel layer so that the overall fibrous structure could be retained. After four months in vivo the treated defects of the diaphragm were significantly smaller and filled mainly with scar tissue. Thick granulomas occurred on scaffolds of Series A while the implants of Series B did not induce any granuloma formation. As a consequence of the generally positive outcome of this study, the constructs were enhanced with a drug release system in a follow-up project. The incorporated drug was the MMP-inhibitor Ilomastat which is intended to reduce the formation of scar tissue. In conclusion, the simple and straight forward fabrication, the threefold functionalisation possibility and general versatile applicability makes the meshes of NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA fibres a promising candidate to be applied in tissue engineering scaffolds in the future. / Diese Dissertation beschäftigte sich mit der Entwicklung und Untersuchung eines Gerüsts zur Geweberegeneration. Der interzelluläre Raum, der in Geweben für die Gewebestruktur verantwortlich ist, wurde als Vorbild aus der Natur für das entwickelte Gerüst verwendet. Fasern sind in dieser extrazellulären Matrix (EZM) ein charakteristischer Bestandteil, die Adhäsionssequenzen für Zell-Matrix-Interaktionen enthalten und zur strukturellen Organisation der Gewebe beitragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Faservliese mit Hilfe des elektrostatischen Verspinnens hergestellt, um die natürlichen Fasern der EZM zu imitieren. Zwei Polymere bildeten die chemische Grundlage für diese Fasern: Ein bioabbaubarer Polyester, Poly(D,L-Laktid-co-Glykolid) (PLGA) und ein funktionales auf Polyethylenglykol basierendes, sternförmiges Polymer, NCO-sP(EO-stat-PO). Der erste Teil des in drei Hauptteile untergliederten Themas beschäftigte sich mit dem chemischen Design und der Fasercharakterisierung im Sinne der Materialeigenschaften. Der zweite Teil betrachtet die Auswirkungen der Fasern auf zellulärer Ebene, während der dritte Teil einen ersten Eindruck über die in vivo Reaktion auf die Materialien vermittelt. Die ersten Schritte in Richtung eines elektrostatisch gesponnenen Vlieses begannen mit der Erforschung geeigneter Einstellungen für eine homogene Faserproduktion. Kapitel 3 thematisiert geeignete Spinnparameter, zu denen auf der einen Seite eine spinnfähige Lösung gehörte, die aus 28.5 w/v% PLGA RG 504 und 6 w/v% NCO-sP(EO-stat-PO) in 450 µL Aceton, 50 µL DMSO und 10 µL trifluoressigsaurer wässriger Lösung besteht. Auf der anderen Seite wurden Prozessparameter gefunden, wie zum Beispiel eine Flussrate von 0.5 mL/h und ein Kollektor-Abstand von 12-16 cm, die bei einer Potentialdifferenz von 13 kV ein stabiles Spinnverhalten garantierten. Fasern mit dem Additiv NCO-sP(EO-stat-PO) zeigten eine äußerst starke Hydrophilie, da das Additiv während des Spinnprozesses an die Faseroberfläche segregierte. Des Weiteren sind die Fasern dank des PLGA-Anteils nach einem Volumenabbaumechanismus unter physiologischen Bedingungen degradierbar. Neben der morphologischen Ähnlichkeit zwischen natürlichen Fasern der EZM und elektrogesponnenen Fasern ist die Funktionalität der synthetischen Fasern entscheidend für eine erfolgreiche Imitation der EZM. Kapitel 4 betrachtet deswegen sowohl die passive als auch aktive Funktionalität der Fasern. Unter passive Funktionalität fällt das proteinabweisende Verhalten, welches eine unspezifische Zelladhäsion verhindert. Es wurde gezeigt, dass ein Anteil von 6.5 % sP(EO-stat-PO) in den PLGA-Fasern ausreicht, um die unspezifische Adhäsion von Albumin aus Rinderserum und fötalem Kälberserum auf weniger als 1 % zu senken. Dennoch adhärierten avidinbasierte Proteine auf den Fasern, was jedoch durch eine Behandlung mit Glycidol unterbunden werden konnte. Die aktive Funktionalisierung wurde exemplarisch mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen und Biocytin untersucht. Mit diesen Modellmolekülen wurde eine dreifache, chemisch orthogonale Fasermodifizierung erreicht. Die Kapitel über die chemischen und mechanischen Eigenschaften haben die Grundlage für in vitro Zellversuche gelegt, bei denen eine Faserfunktionalisierung mit Peptidsequenzen durchgeführt wurde, um eine spezifische Zelladhäsion zu erreichen und die biochemische Reaktion der Zellen zu untersuchen. In Kapitel 5 lag der Fokus auf der spezifischen Adhäsion von humanen dermalen Fibroblasten an den elektrogesponnenen Fasern. Während NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern ohne Peptide keine Zelladhäsion zuließen, induzierte eine Fasermodifikation mit GRGDS, einer adhäsionsvermittelnden Peptidsequenz, sowohl die Adhäsion als auch Ausbreitung der Fibroblasten auf den Fasern. Eine Kontrollsequenz ohne adhäsionsvermittelnde Eigenschaften (GRGES), führte, wie auch Fasern ohne Peptide, zu keiner Zelladhäsion. Die Experimente von Kapitel 6 gingen über das reine Machbarkeitskonzept von Kapitel 5 hinaus, indem eine mögliche Anwendung im Bereich der Knorpelregeneration untersucht wurde. Daher wurden primäre humane Chondrozyten auf Faservliesen ausgesät, die mit unterschiedlichen Peptiden modifiziert wurden. Trotz einer allgemein sehr guten Vitalität der Zellen auf allen Fasertypen, zeigten die Chondrozyten nur auf Vliesen mit der aus Decorin abgeleiteten CGKLER-Sequenz eine aktive Interaktion. Diese konnte mit dem Live-Cell-Imaging-Verfahren anhand der Zelladhäsion und Zellmigration beobachtet werden. Da Chondrozyten in der 2D-Expansionszellkultur einer Dedifferenzierung in Richtung eines Fibroblasten ähnlichen Zelltypen unterliegen, wurde eine 28-tägige Studie durchgeführt, um das Redifferenzierungsverhalten auf den Fasergerüsten zu untersuchen. Dazu wurde sowohl die Glykosaminoglykanproduktion analysiert als auch die mRNA Expression der Gene, die die Kollagen I und II, Aggrecan und Proteoglykan 4 Produktion regulieren. Die chondrogenen Marker wurden in diesen Versuchen nur geringfügig ausgeschüttet, was in Anbetracht der großen Varianzen in den Messwerten auf keine Redifferenzierung schließen lässt. Für eine abschließende Beurteilung werden Folgeexperimente empfohlen, die die gemachten Beobachtungen bestärken oder widerlegen. Der Erfolg eines Implantats zur Geweberegeneration beruht nicht nur auf der gewünschten Reaktion des Zielzelltyps, sondern auch auf der Immunreaktion des Organismus, welche durch Leukozyten gesteuert wird. Folglich beschäftigte sich Kapitel 7 mit dem Verhalten und den Phänotypen primärer humaner Makrophagen auf dreidimensionalen Fasergerüsten und zweidimensionalen Oberflächen im Vergleich zueinander. Bei den Versuchen zeigte sich, dass die generelle Nicht-Adhäsivität von NCO-sP(EO-stat-PO) Oberflächen für Makrophagen nicht zutrifft. Die Zellen richteten sich an den Fasern auf den Oberflächen aus oder saßen in den Poren der Vliese. Auf flachen Oberflächen ohne dreidimensionale Struktur wiesen die Makrophagen ein verzögertes Adhäsionsverhalten auf und migrierten stark über die Oberfläche auf der Suche nach topographischen Unebenheiten, um dort adhärent zu werden. Des Weiteren zeigte eine detaillierte Untersuchung der Oberflächenmarker und der Zytokinausschüttung, dass Makrophagen auf 2D-Oberflächen gemäß der Oberflächenmarker einen entzündungs-hemmenden Phänotypen aufwiesen, während die Zytokinausschüttung einen entzündungs-fördernden Phänotypen suggerierte. Interessanterweise bot sich das entgegengesetzte Bild auf 3D-Faseroberflächen. Hier wurde die Erkenntnis gewonnen, dass die Morphologie einen größeren Einfluss auf die Zellreaktion hat als die Oberflächenchemie. Da die Immunantwort eines Organismus auf ein Implantat stark von der interzellularen Kommunikation abhängt, wurde gefolgert, dass die NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA Fasern eine adäquate Immunantwort hervorrufen mit vielversprechenden Aussichten, die Fasergerüste im Bereich der Geweberegeneration einzusetzen. Das letzte Kapitel der Dissertation berichtet über eine erste in vivo Studie der hier vorgestellten Fasern. Mit den Fasern wurde ein bestehendes Behandlungskonzept für Hernien des Zwerchfells erweitert und die Leistungsfähigkeit in einem Kaninchenmodell überprüft. Zwei Gerüsttypen wurden untersucht, die sich in der Oberflächenmorphologie maßgeblich unterschieden: In Serie A wurden die elektrogesponnenen Fasern in ein Gel aus NCO-sP(EO-stat-PO) gebettet, während die Fasern in Serie B nur mit einer dünnen Gelschicht bedeckt wurden, so dass die topografische Faserstruktur erhalten blieb. Nach 4 Monaten in vivo waren die behandelten Zwerchfelldefekte signifikant kleiner und überwiegend mit Narbengewebe gefüllt. Die ausgeprägte Granulombildung bei Fasergerüsten der Serie A konnte in der darauffolgenden Studie (Serie B) minimiert werden. Das gute Abschneiden dieser Studien wurde zum Anlass genommen, die Vliese weiterzuentwickeln und eine Medikamentenfreisetzung (Ilomastat) zu integrieren, um die Narbenbildung zu minimieren. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation einen einfachen und direkten Weg, Fasern für eine gezielte Geweberegeneration zu erzeugen, die dreifach funktionalisierbar und vielseitig anwendbar sind. Dies macht Fasergerüste auf der Basis von NCO-sP(EO-stat-PO)/PLGA zu einem vielversprechenden Kandidaten um in der Geweberegeneration eingesetzt zu werden.

Intraperitoneal adhesions are fibrous bands that connect tissues in the peritoneal cavity that are usually separated. These adhesions form as a consequence of trauma, inflammation or surgical interventions and often result in severe consequences such as chronic pain, small bowel obstructions or female infertility. The aim of this thesis was to develop a synthetic barrier device for adhesion prevention made of modified poly(lactide) [PLA]. Solid PLA films (SurgiWrap®) are already successfully in clinical use due to the good biocompatibility and the biodegradability of the material resulting in non-toxic degradation products since lactic acid is naturally part of the metabolic circles of the human body. Considering the brittleness and stiffness of the films, the long degradation time of several months as well as the need for suturing, there is potential for optimization. Through a copolymerization with the hydrophilic poly(ethylene glycol) [PEG], a reduction of the degradation time was intendend. Moreover, the copolymerization should also lead to an improvement of the mechanical properties of the films since PEG acts as plasticizer for PLA. Linear PLA-PEG-PLA triblock copolymers as well as star-shaped PEG-PLA copolymers were synthesized via standard ring opening polymerization to tailor the barrier properties. Besides solid films, solution electrospun meshes from PLA and the synthesized PEG-PLA copolymers were investigated for a potential application as well. Since suturing of a barrier additionally induces adhesion formation, alginate coated membranes were prepared in order to achieve self-adhesiveness. With the intention to reduce infections and consequently inflammation, electrospun meshes and solvent cast films were loaded with the antibacterial drug triclosan and drug release as well as antibacterial efficacy was investigated. Mechanical tests confirmed that through the variation of the PEG content and branching the mechanical properties can be tailored and are in good accordance with the glass transition temperatures [Tg] of the polymers. Consequently, potentially adequate mechanical properties for surgical handling as well as for the performance within the patient’s body were successfully achieved. Degradation studies revealed that the degradation time was significantly shorter for PEG-PLA membranes than for PLA films and with an appropriate PEG content could be adjusted to the intended time frame. Cell adhesion and viability tests confirmed the non-toxicity of the clinically used PLA films as well as of PEG-PLA films and meshes. With a bioadhesion test the benefit of an alginate coated side towards the pure PLA film concerning self-adhesiveness was successfully demonstrated. Moreover, optical evaluations and a T-peel test of different alginate coated PLA films showed that the cohesion between the chemically different layers was distinctly enhanced by the use of an appropriate PEG-PLA mesh as intermediate cohesion promoting layer. In in vitro release studies with triclosan loaded films a higher release was determined for PEG-PLA than for PLA films. In agar diffusion tests a higher and longer inhibition of staphylococcus aureus growth was observed confirming the release results. Moreover, drug loaded meshes (especially drug loaded after electrospinning) showed enhanced and elongated bacterial inhibition in comparison to films. / Intraperitoneale Adhäsionen sind fibröse Bänder, die Gewebe in der Peritonealhöhle miteinander verbinden, die normalerweise voneinander getrennt sind. Diese Adhäsionen entstehen als Folge von Trauma, Entzündung oder chirurgischen Eingriffen und bringen oft schwerwiegende Folgen mit sich wie chronische Schmerzen, Dünndarmobstruktionen oder Unfruchtbarkeit bei Frauen. Ziel dieser Arbeit war es, synthetische Barrieren aus modifiziertem Poly(laktid) [PLA] für die Adhäsionsprävention zu entwickeln. PLA-Filme (SurgiWrap®) werden bereits erfolgreich klinisch eingesetzt aufgrund der guten Biokompatibilität und der Bioabbaubarkeit des Materials mit seinen ungiftigen Abbauprodukten, da Milchsäure natürlicher Bestandteil der metabolischen Zyklen im menschlichen Körper ist. Betrachtet man jedoch die Sprödigkeit und Steifigkeit der Filme, die lange Abbauzeit von mehreren Monaten sowie die Notwendigkeit des Annähens, erkennt man noch Verbesserungspotential. Durch eine Copolymerisation mit hydrophilem Poly(ethylen glykol) [PEG] wurde eine Reduktion der Abbauzeit angestrebt. Zusätzlich sollte die Copolymerisation zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Filme führen, da PEG als Weichmacher von PLA dient. Lineare PLA-PEG-PLA-Triblock-Copolymere sowie sternförmige PEG-PLA-Copolymere wurden über eine Standard-Ringöffnungspolymerisation synthetisiert um die Barriereeigenschaften maßzuschneidern. Neben massiven Filmen wurden aus der Lösung elektrogesponnene Vliese aus PLA und den synthetisierten PEG-PLA-Copolymeren für eine potentielle Anwendung untersucht. Da das Annähen einer Barriere zusätzlich Adhäsionsbildung hervorruft, wurden mit Alginat beschichtete Membranen hergestellt um eine Selbsthaftung zu erreichen. Mit der Intention, Infektionen und damit Entzündungen zu reduzieren, wurden elektrogesponnene Vliese und aus der Lösung gegossene Filme mit dem antibakteriellen Arzneistoff Triclosan beladen und die Freisetzung sowie die antibakterielle Wirksamkeit untersucht. Mechanische Tests bestätigten, dass mit der Variation von PEG-Gehalt und Verzweigung die mechanischen Eigenschaften zugeschnitten werden können und gut mit den Glasübergangstemperaturen der Polymere in Einklang stehen. Folglich konnten potentiell passende mechanische Eigenschaften für die chirurgische Handhabung sowie für das Verhalten im Körper des Patienten erfolgreich erreicht werden. Abbaustudien zeigten, dass die Abbauzeit von PEG-PLA-Membranen signifikant kürzer war als von PLA-Filmen und mit geeignetem PEG-Gehalt erfolgreich auf den erzielten Zeitraum hin angepasst werden konnte. Zelladhäsion und Zellviabilitätstests bestätigten die Ungiftigkeit der klinisch eingesetzten PLA-Filme sowie der PEG-PLA-Filme und –Vliese. Mit einem Bioadhäsionstest konnte der Nutzen einer Alginatbeschichtung gegenüber einem reinen PLA-Film bezüglich einer Selbsthaftung erfolgreich gezeigt werden. Außerdem ergaben visuelle Begutachtungen und ein T-Peeltest von verschiedenen mit Alginat beschichteten PLA-Filmen, dass die Kohäsion zwischen den chemisch unterschiedlichen Schichten durch den Einsatz eines geeigneten PEG-PLA-Vlieses als kohäsionsfördernde Zwischenschicht deutlich verstärkt wurde. In in vitro Freisetzungsstudien mit Triclosan-beladenen Filmen wurde eine höhere Freisetzung für PEG-PLA- als für PLA-Filme bestimmt. In Agardiffusionstests wurde eine höhere und längere Wachstumshemmung von Staphylococcus aureus beobachtet, was die Freisetzungsergebnisse bestätigt. Weiterhin zeigten Arzneistoff-beladene Vliese (insbesondere mit Arzneistoffbeladung nach dem Elektrospinning) eine verstärkte und verlängerte bakterielle Inhibition im Vergleich zu Filmen.

Die Arbeit hatte das Ziel, Beiträge zur Synthese photorefraktiver Nanokomposite durch die geschickte Kombination spezieller organischer Farbstoffe mit elektronenleitenden, anorganischen Nanopartikeln oder mit lochleitenden Carbazol-Derivaten in hybriden Polymeren zu leisten. Dabei wurden grundlegende Erkenntnisse auf folgenden Gebieten erzielt: > TiO2-Nanopartikel als anorganische Elektronenleiter > Carbazol-Derivate als organische Lochleiter > Metallkomplex-Farbstoffe als Photosensibilisatoren > Optisch nichtlineare Chromophore > Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in hybriden Materialien > Photoleitung > Optische Nichtlinearität / Aim of the thesis was to achieve fundamental knowledge on following fields. This could be approched by smart combination of organic dyes with electron conducting inorganic nanoparticles or with hole conducting Carbazole derivates incorporated in hybrid polymers. > TiO2 Nanoparticles as inorganic semiconductors by electron transfer > Carbazole derivates as organic photoconductors operating through hole mobility > Metal complex chromophores as photosensitizers > Second-order nonlinear optical chromophores > Relation between structure and characteristics of hybrid materials > Photoconductivity > Optical nonlinearity

<p>Polymeric and particulate organic carbon (POM) are fundamental compounds in the global cycling of carbon, and constitute significant amounts of BOD in municipal wastewater.</p><p>The main objective of this work is to study molecular size effects on degradation dynamics in biofilm systems. Specifically, the effect of substrate molecular weight on degradation kinetics and transport dynamics, location of depolymerisation enzyme activity and depolymerisation intermediate formation dynamics are assessed. A mathematical model for biofilm degradation dynamics is presented, and used for data interpretation and simulations.</p><p>Dextran, an -1,6 Glucan, was used as model substrate during batch degradation in a Rototorque biofilm reactor, in addition to batch tests on biofilm sub samples retrieved from the Rototorque, and during pure endo- and exo-Dextranase studies. Oxygen utilisation rate (OUR) estimates and bulk phase TOC mass balances were used to evaluate the effect of variable initial molecular weight on the observed half order removal coefficient (Harremoës, 1978; Rittmann and McCarty, 1980). Size exclusion-HPLC analysis for determination of bulk phase depolymerisation intermediates, and specific enzyme assays were used to evaluate transport dynamics of polymers and location of enzyme activity in the enhanced mixed population biofilm system.</p><p>Dextran removal rate decrease with increasing Dextran molecular weight. The observed areal half order removal rate coefficient, k1/2,A, demonstrate an approximate 10-fold decrease in the 1-500 kDa range, showing negative logarithmic correlation to the initial MW of Dextran. A less distinct correlation is observed above this transition limit (1-10 MDa). Evaluation of the Thiele moduli, from one step depolymerisation modelling, suggests that the logarithmic reduction in observed removal rate is caused by combined reaction rate and transport limitations. Transport limitations dominates as the polymeric substrate size increase and hinders biofilm matrix diffusion, and the removal rate becomes a surface limited process. Removal of Dextran is biomass dependent in what appears to be a non-linear dependency on biofilm thickness. Expressed as biomass areal density (g/m2), no depolymerisation is observed for thin biofilms (0.7 g/m2), slow for medium (3.7 g/m2) and high for thicker biofilms (5.2 g/m2).</p><p>Depolymerisation intermediates accumulated in the bulk phase over the entire Dextran size range during pure Dexranase studies, with even size distributions. Final products were oligo-isomaltoses (DP 2-6). Dextran was not depolymerised by -Glucosidase nor Oligo-1,6 Glucosidase. During biofilm reactor and slide sub-sample tests, low MW Dextran intermediates (1-10 kDa) accumulated in the bulk during depolymerisation of 160 kDa Dextran at 250 and 200 mg/l initial concentrations, but were not detected during experiments with 100 mg/l initial concentrations. Intermediate range Dextran (10-100 kDa) did not accumulate in either case. At the same conditions, some assimilable range Dextran (0.2-0.9 kDa) accumulated in the bulk liquid during initial 250 and 200 mg/l batches, but was not detected during 100 mg/l initial Dextran concentrations. The extent of bulk phase accumulation seems to depend on the biofilm growth rate, where more bulk phase accumulation is observed during experiments with starved compared to more actively growing biofilms. More intermediates accumulate during low MW initial standards, compared to higher. These observations indicate that the extent of bulk phase intermediate accumulation is balanced by the rate of depolymerisation, and the substrate uptake rate (growth). Accumulation of intermediate hydrolysis products in biofilm systems is therefore dependent on the slowly biodegradable organic (SBCOD) loading rate. </p><p>Dextranase was detected in the cellular fraction of the biofilms. The enzyme activity was not detected in any other biofilm sub compartments, implying that the exogenous enzyme remains attached to the cells while working on polymers. These findings support the conceptual model of Confer and Logan (1998), implying that bulk phase intermediate accumulation observed in this study and by others, is not a result of enzymatic activity in the bulk phase, but transport of intermediates from the biofilm matrix.</p>