It is the surface which in many cases determines the appearance and application-relevant properties of a material. Thin films of polymer brushes just a few nanometres in thickness can change the surface properties significantly and may provide even switching capabilities, where the thin film will for instance take up or repel water. Polymer brushes of two largely different polymer materials must in this case be tightly attached at one end to a solid substrate and will then occupy alternatively the upper or lower surface layer, depending on external conditions. In this way, either one or the other polymer material will be exposed and influence the surface properties. This purely physical switching process can be controlled by external triggers (selective or non-selective solvents, pH value, temperature, etc.). The physico- chemical surface properties (wettability, functionality etc.) switch between values established by the properties of the polymer materials involved. / Oberflächen bestimmen in vielen Fällen das Erscheinungsbild und wichtige Gebrauchseigenschaften von Materialen. Bereits wenige Nanometer dünne Polymerfilme können diese Eigenschaften signifikant verändern und erlauben es, diese Eigenschaften sogar zu schalten, sodass ein Film beispielsweise Wasser abweisen oder aufnehmen kann. Hierzu werden Polymerbürsten aus zwei sehr verschiedenen Polymeren mit dem einen Ende fest an ein Substrat gebunden. In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen können sie sich dann wechselseitig an der Oberfläche anreichern, sodass die Oberflächeneigenschaften jeweils durch das eine oder andere Polymer bestimmt werden. Dieser rein physikalische Schaltprozess kann durch externe Stimuli (selektive oder nichtselektive Lösungsmittel, pH-Wert, Temperatur etc.) initiiert werden, wobei die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Funktionalität etc.) zwischen den durch die Eigenschaften der verwendeten Polymere bestimmten Extremwerten hin und her schalten können.

It is the surface which in many cases determines the appearance and application-relevant properties of a material. Thin films of polymer brushes just a few nanometres in thickness can change the surface properties significantly and may provide even switching capabilities, where the thin film will for instance take up or repel water. Polymer brushes of two largely different polymer materials must in this case be tightly attached at one end to a solid substrate and will then occupy alternatively the upper or lower surface layer, depending on external conditions. In this way, either one or the other polymer material will be exposed and influence the surface properties. This purely physical switching process can be controlled by external triggers (selective or non-selective solvents, pH value, temperature, etc.). The physico- chemical surface properties (wettability, functionality etc.) switch between values established by the properties of the polymer materials involved. / Oberflächen bestimmen in vielen Fällen das Erscheinungsbild und wichtige Gebrauchseigenschaften von Materialen. Bereits wenige Nanometer dünne Polymerfilme können diese Eigenschaften signifikant verändern und erlauben es, diese Eigenschaften sogar zu schalten, sodass ein Film beispielsweise Wasser abweisen oder aufnehmen kann. Hierzu werden Polymerbürsten aus zwei sehr verschiedenen Polymeren mit dem einen Ende fest an ein Substrat gebunden. In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen können sie sich dann wechselseitig an der Oberfläche anreichern, sodass die Oberflächeneigenschaften jeweils durch das eine oder andere Polymer bestimmt werden. Dieser rein physikalische Schaltprozess kann durch externe Stimuli (selektive oder nichtselektive Lösungsmittel, pH-Wert, Temperatur etc.) initiiert werden, wobei die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Funktionalität etc.) zwischen den durch die Eigenschaften der verwendeten Polymere bestimmten Extremwerten hin und her schalten können.

Drei ausgewählt makromolekulare Systeme: DNA, amphiphile Block-Bürstenpolymere, und amphiphile, hyperverzweigte Polyglycerine wurden untersucht, um die Zusammenhang zwischen Struktur, Eigenschaften, und potentiellen Anwendung auf der Ebene einzelner Moleküle zu widmen. Unterschiedliche DNA Konformationen: (i) supercoiled DNA, (ii) gestreckte doppelsträngige DNA, die teilweise in zwei Einzelstränge aufgeschmolzen ist, (iii) DNA mit einem überdehnten Rückgrat, (iv) entspannter, ungedehnter Ring und (v) kompaktes Knäuel wurden untersucht, um direkt DNA Konformationen mit mechanischen Eigenschaften, wie der Kopplung von Streckung und Verdrillung zu korrelieren. Mit Hilfe eines Kraftmikroskops, mit dem man eine Kraft parallel zur Oberfläche anlegen kann, wurden die plasmidischen DNA Moleküle auf bis zum 2.1-fachen der ursprünglichen B-Form Länge gestreckt und dann gerissen. Die Strukturen einzelner Amphiphilen Block-Bürstenpolymere auf unterschiedlichen Oberflächen wurden investigiert. Aus Chloroform-Lösung auf Glimmer abgeschiedene Polymere wiesen wurmartige Konformationen auf. Wegen der unterschiedlichen Oberflächenaffinitäten der Seitenketten sind diese zu einem Teil kollabiert, während sich ein anderer Teil ausstreckt. Das an Kaulquappen erinnernde Ergebnis ist eine Struktur mit rückgefalteten Kettenteilen. Aus wässriger Lösung abgeschieden bilden diese amphiphilen Block-Bürstenpolymere supramolekulare Aggregate auf der Oberfläche. Die amphiphile Kern-Schale-Strukturen der hyperverzweigten Polyglycerinen und ihre Verkapselungs- und Transportkapazität für typische Gastmoleküle wie Nil Rot und Pyren wurden mit Hilfe von SFM, Lichtstreu-, und Spektroskopie-Methoden examiniert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Polymere verschiedene Gastmoleküle sowohl in unimolekulan Mizellen wie auch in polymeren Mizellen verkapseln und transportieren. Das Polymer ist ein vielversprechender Kandidat für die gleichzeitige Bereitstellung von zwei hydrophoben Pharmaka. / Three macromolecular systems: DNA, amphiphilic cylindrical polymer brushes, and amphiphilic core-shell structured hyperbranched polyglycerol (hPG) were investigated in order to investigate correlations between structure, properties and potential applications at the single molecule level. Different single DNA conformations: (i) supercoiled DNA, (ii) stretched DNA, partially melted into two single strands, (iii) DNA with an overstretched backbone, (iv) relaxed circles without stretching, and (v) compact coils were studied on the surface to directly correlate DNA conformations to mechanical properties such as twist-stretch coupling. The plasmid DNA molecules were stretched further, up to 2.1 times their original length and ruptured with a Scanning Force Microscope (SFM), exerting a force parallel to the surface. The structures of single cylindrical polymer brushes adsorbed on different surfaces were explored. The brush polymers reveal worm-like chain conformations on mica, after being deposited from a chloroform solution. Due to different affinities of the side chains to the surface, parts of the side chains collapsed, while others fully extended on the surface, resulting in a “tadpole like” or a back-folding structure. Deposited from an aqueous solution, the dual cylindrical polymer brushes form supramolecular aggregates on the surface. The supramolecular structure of hyperbranded polyglycerol and its encapsulation and transportation capacities for typical guest molecules, such as nile red and pyrene were examined by SFM, light scattering and spectroscopy methods. The polymer showed bi-functional carrier properties: it encapsulates and transports guest molecules in both, a “unimolecular micelle” and polymeric micelle type mechanism. The capacity of co-loading of two drugs and controlled release makes it a promising candidate for simultaneous delivery of two hydrophobic drugs in cancer combination therapy.