Impaired wound healing and the resulting chronic wounds may cause significant morbidity and mortality. In these pathogenic wound environments, the ratio of inflammatory and anti-inflammatory cytokines is highly biased to the pro-inflammatory side. While the inflammatory process is an essential step in healthy wound healing, chronic wounds remain in a constant self-sustaining state of inflammation. Thus, decreased cell proliferation, reduced matrix deposition and delayed wound closure are the results. Although various cytokine-based therapies have shown promising results on skin regeneration in preliminary studies, their overall clinical use has been considerably limited by the short half-life time of the signaling molecules due to rapid dilution and degradation in the protease-rich chronic wound environment. In this work, we explored the ability of starPoly(ethylene glycol)-GAG hydrogels to modulate the hallmarks of chronic wound development, such as the prolonged inflammation, increased cell influx and delayed proliferative phase. Therefore, different strategies were developed to shape the cytokine levels in the wound towards a more pro-regenerative direction, finally promoting the natural repair process in chronic skin wounds. By biomimetically utilizing the interactions between cytokines and the tissue ECM in a GAG-based biohybrid hydrogel, we could engineer the concentrations of various signaling factors involved in the regulation of the repair process. More in detail, we utilized customized functionalized starPEG-GAG hydrogels to (1) reduce the extensive levels of inflammatory chemokines by scavenging them via GAG component of the hydrogel and thus diminish immune cell influx in a mouse wound model; (2) locally deliver the immunomodulatory IL-4 and IL-10 to shift the signaling balance into the pro-regenerative direction and thus resolve inflammation and (3) administer pre-conjugated TGF-β to enhance myofibroblast differentiation and extracellular matrix deposition. We believe that the presented hydrogel platform may become a promising tool in the management of cytokines in regenerative applications, which can be translated towards the clinical use for the treatment of chronic wounds and other diseases characterized by uncontrolled inflammation.:1 introduction 1.1 Motivation 1.2 Current state of biomaterial-based concepts in dermal wound healing 1.3 Objective 2 fundamentals 2.1 The physiological process of wound healing 2.1.1 The role of macrophages in wound healing 2.1.2 The role of fibroblasts in wound healing 2.1.3 The role of cytokines and their interaction with the ECM 2.2 The pathophysiology of chronic wounds 2.3 Strategies for treatment of chronic wounds 2.4 Biomaterials in medicine 2.4.1 Polymers in medicine 2.4.2 Mechanical properties 2.4.3 Cellular adhesion 2.4.4 Interaction with cytokines 2.4.5 Scaffold degradability 2.4.6 StarPEG-GAG hydrogels as potential material in wound healing 3 materials & methods 3.1 Preparation of hydrogels 3.1.1 Functionalization of glass surfaces 3.1.2 Hydrogel formation with EDC - NHS chemistry 3.1.3 Hydrogel formation with thiol - maleimide chemistry 3.1.4 Rheometric measurement of hydrogel discs 3.1.5 Characterization of cytokine uptake and release 3.2 Culture of human & murine cells 3.2.1 Isolation and differentiation of murine dermal fibroblasts 3.2.2 Isolation & differentiation of murine macrophages 3.2.3 Culture of human & murine cell lines 3.3 In vitro methods 3.3.1 Enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) 3.3.2 Bead-based multiplex immunoassay 3.3.3 Live/Dead Staining 3.3.4 Crystal violet staining 3.3.5 Cell proliferation assay 3.3.6 RNA extraction & analysis 3.3.7 cDNA synthesis 3.3.8 Quantitative real time rt-PCR 3.4 Statistical analysis 3.5 Software use 4 scavenging inflammatory chemokines to control immune cell influx in the wound 4.1 Results 4.1.1 Engineering heparin-based hydrogels to scavenge chemokines 4.1.2 Heparin-based hydrogels reduce migration of immune cells 4.1.3 Heparin-based hydrogels decrease wound immune cell influx and inflammatory signaling 4.2 Discussion 5 promotion of regenerative macrophage polarizationin inflammatory environments 5.1 Results 5.1.1 Reversible complexation of IL-4 & IL-10 to starPEG-heparin gels 5.1.2 Stabilizing effects of starPEG-heparin gels on IL-4 5.1.3 IL-4 & IL-10-laden starPEG-heparin hydrogels modulate macrophage polarization 5.1.4 IL-4-laden starPEG-heparin induce collagen deposition in dermal fibroblasts 5.2 Discussion 6 modulation of human dermal fibroblast proliferation and differentiation 6.1 Results 6.1.1 Reversible complexation of TGF-b to starPEG heparin gels 6.1.2 Cell attachment, spreading and proliferation 6.1.3 Matrix deposition by fibroblasts grown on starPEG-heparin hydrogels 6.1.4 Degradation of starPEG-heparin hydrogels 6.1.5 TGF-b-laden starPEG-heparin that efficiently induces myofibroblast differentiation 6.2 Discussion 7 general discussion 7.1 Summary and conclusion 7.2 Future perspective Appendix 8 supplementary materials & methods 9 declaration of authorship 10 publications and conference contributions bibliography list of figures list of tables nomenclature selbstständigkeitserklärung

Cardiovascular disease (CVD) is ranked the second leading cause of death in Canada, with 53,704 heart disease-related deaths documented in 2020 alone. After a patient sustains cardiac injury, such as a myocardial infarction (MI), the heart is often unable to undergo sufficient self-recovery for healthy cardiac regeneration and repair; this is largely attributed to fibrotic tissue development at the injury site and subsequent pathological ventricular remodeling. The prevalence of MI events has created a considerable demand to develop novel strategies for effective and safe post-MI therapies. Research has indicated that post-MI modifications interfere with endogenous cardiac repair mechanisms, resulting in a pathological state. After an infarction, there is an accumulation of methylglyoxal (MG) at the site of injury. It has been suggested that MG contributes to ventricular fibrotic development, however its underlying mechanism remains unclear. Additionally, the effects that the post-MI cardiac environment, specifically MG accumulation, has on post-MI therapies and biomaterials has not been sufficiently established. Accordingly, the primary focus of this research project is to elucidate the effects of MG on the collagen-rich extracellular matrix (ECM) of the heart and key cardiac cells involved in the repair process. Further, the interaction between MG and a promising collagen-based hydrogel therapy is investigated, exploring the effects of MG on the hydrogel’s degradative process. It was found that the MG modification of hydrogels did not alter the degradation rate. Additionally, the degradation products of hydrogels, and MG-modified substrates did not affect the properties and formation of myofibroblasts.

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I ett samhälle som stävar alltmer mot hållbarhet och minskade utsläpp så är det viktigt att arbeta med nya material som bidrar till detta. Denna studie undersöker om den träfiberbaserade termoplasten Prime från Woodcomposites kan vara ett potentiellt ersättningsmaterial till toppkåpan på Husqvarnas Automower. Prime är en termoplast som innehåller 20% träfiber. Komponenten är idag tillverkad i ASA, vilket är en petroleumbaserad termoplast och nära släkting till ABS. På grund av den ökade tillgängligheten till materialdata för ABS jämfört med ASA och plasternas synnerligen liknande egenskaper så kommer samtliga tester i rapporten att utföras med ABS. Rapporten kommer att ta reda på om det går att minska koldioxidutsläppen vid tillverkning av kåpan, samt om Prime klarar av Husqvarnas hållfasthetskrav och att användas i utomhusmiljö. Förutom att de mekaniska egenskaperna är viktiga så spelar även ett materials utseende stor roll i hur attraktiv en produkt blir. Därför presenterar rapporten två designkoncept som syftar till att ge förslag på hur man kan integrera materialet i Husqvarnas design. Resultaten visar att det går att göra en minskning i CO2-utsläpp vid tillverkning på 34,7% om man byter ut ABS mot Prime. Dessutom, i kontrast till hypotesen så absorberar Prime endast marginellt mer fukt. Det handlar om tiondels procentenheter. Utöver detta så är det mer styvt än ABS och har ett liknande inköpspris vilket tyder på goda möjligheter att kunna använda Prime som alternativ till ASA i denna applikation. / In a society where sustainability and reduced carbon emissions is an increasingly important topic, it’s important to work with materials that contributes to this. This study is investigating if the wood-fibre based thermoplastic Prime from Woodcomposites has the potential to replace the material of the top cover for Husqvarna’s Automower. Prime is a thermoplastic containing 20% wood-fibres. Today the component is made from ASA, which is a petroleum-based thermoplastic that is closely related to ABS. Due to the increased availability of material data for ABS compared to ASA and the fact that they have very similar physical properties, all of the tests in this report will be performed with ABS. The study will find out if it’s possible to reduce the carbon emissions from manufacturing of the cover, but also if Prime is up to the material standards of Husqvarna and is fit to be used in an outdoor environment. Besides the importance of the mechanical properties, the look of the material also plays a big role in determining if it’s applicable to the product. It has to match the current design language and brand image of the company. Therefore, there are two design concepts presented in the report to give an idea of how the material can be implemented in Husqvarna’s design. The results show that it’s possible to reduce the carbon emissions from manufacturing by 34,7% if you change the material from ASA to Prime. Furthermore, in contrast to the hypothesis the absorption of moisture in Prime is only a fraction of a percent larger than ABS. Prime is also stiffer and has a similar price which speaks for the possibility to use it as an alternative to ASA in this application.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Beim Tissue Engineering ist die Vaskularisierung von größeren Zell-Matrix-Konstrukten nach Implantation bis heute ein großes Problem. Durch das initiale Fehlen eines mikrovaskulären Netzwerkes kommt es zu einem raschen Zellsterben im Scaffold. Aufgrund dessen war das Ziel dieser Arbeit, im Sinne des in situ-Tissue Engineering ein Scaffold auf Basis von mineralisiertem Kollagen zu entwickeln, welches mit dem angiogenen Wachstumsfaktor VEGF funktionalisiert wird, um den Prozess der Vaskularisierung – die Einsprossung von Blutgefäßen – zu fördern und gleichzeitig durch Chemoattraktion in vivo Zellen aus dem umliegenden Knochengewebe in das Innere des Scaffolds migrieren zu lassen, so dass eine beschleunigte Defektheilung erzielt wird. Poröse Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen wurden durch zwei unterschiedliche Strategien funktionalisiert und durch in vitro-Testungen charakterisiert. Die erste Strategie umfasste die Heparin-Modifizierung der gesamten Scaffolds, während die zweite Strategie die Injizierung eines zentralen VEGF-haltiges Depots in das Scaffoldinnere darstellte. Neben der Charakterisierung der Scaffolds wurde die Freisetzungskinetik des Modellwachstumsfaktors VEGF aus den modifizierten Scaffolds untersucht und die biologische Aktivität des freigesetzten Faktors auf Endothelzellen getestet. Zusätzlich wurde bei der 2. Strategie, der Injizierung eines Wirkstoffdepots, die Ausbildung eines Wirkstoffgradienten und die zielgerichtete Migration von Endothelzellen in Richtung des Wirkstoffdepots analysiert.

Beim Tissue Engineering ist die Vaskularisierung von größeren Zell-Matrix-Konstrukten nach Implantation bis heute ein großes Problem. Durch das initiale Fehlen eines mikrovaskulären Netzwerkes kommt es zu einem raschen Zellsterben im Scaffold. Aufgrund dessen war das Ziel dieser Arbeit, im Sinne des in situ-Tissue Engineering ein Scaffold auf Basis von mineralisiertem Kollagen zu entwickeln, welches mit dem angiogenen Wachstumsfaktor VEGF funktionalisiert wird, um den Prozess der Vaskularisierung – die Einsprossung von Blutgefäßen – zu fördern und gleichzeitig durch Chemoattraktion in vivo Zellen aus dem umliegenden Knochengewebe in das Innere des Scaffolds migrieren zu lassen, so dass eine beschleunigte Defektheilung erzielt wird. Poröse Scaffolds aus mineralisiertem Kollagen wurden durch zwei unterschiedliche Strategien funktionalisiert und durch in vitro-Testungen charakterisiert. Die erste Strategie umfasste die Heparin-Modifizierung der gesamten Scaffolds, während die zweite Strategie die Injizierung eines zentralen VEGF-haltiges Depots in das Scaffoldinnere darstellte. Neben der Charakterisierung der Scaffolds wurde die Freisetzungskinetik des Modellwachstumsfaktors VEGF aus den modifizierten Scaffolds untersucht und die biologische Aktivität des freigesetzten Faktors auf Endothelzellen getestet. Zusätzlich wurde bei der 2. Strategie, der Injizierung eines Wirkstoffdepots, die Ausbildung eines Wirkstoffgradienten und die zielgerichtete Migration von Endothelzellen in Richtung des Wirkstoffdepots analysiert.

Wenn erworbene oder angeborene Knochendefekte aufgrund überkritischer Größe oder krankhafter Störungen nicht durch natürliche Regenerationsprozesse geheilt werden können, ist der Einsatz von Knochenersatzmaterialien notwendig. In der vorliegenden Arbeit ist es gelungen ein neuartiges Knochenersatzmaterial zu entwickeln und eingehend zu charakterisieren. Dazu wurden die Phasen Silikat und Kollagen in einem biomimetisch inspirierten Prozess zu einem Anorganik/Organik-Komposit verbunden. Calciumphosphatphasen konnten darüber hinaus als dritte Komponente hinzugefügt werden. Dafür wurden Herstellungsstrategien entwickelt, die Silikat in Form von Kieselsäure, Kollagen als hochkonzentrierte Suspension und gegebenenfalls Calciumphosphat als Pulver zu homogenen Mischungen vereinten. Als Zwischenprodukte wurden Komposithydrogele erhalten, deren Überführung in Xerogele in der Literatur als kritischer Schritt gilt, weil die dabei auftretenden Kapillarspannungen die Gelstruktur in der Regel irreversibel zerstören, wodurch das Material als Pulver oder Fragmente erhalten wird. Im vorliegenden Fall aber konnte die Gelfestigkeit in einem definierten Zusammensetzungsbereich durch die Kompositbildung und die kontrollierte Trocknung der Hydrogele so gesteigert werden, dass monolithische Proben von bis zu mehreren Kubikzentimetern Größe erhalten wurden. Diese konnten ohne weitere Verarbeitungsschritte einer Reihe von Untersuchungen zu mechanischen Eigenschaften, Bioaktivität, Degradabilität und Biokompatibilität unterzogen werden.

Ein Schlüsselfeld der gegenwärtigen Biomaterialforschung ist die Modifizierung von Oberflächen mit Bestandteilen der extrazellulären Matrix (EZM) oder Molekülen, die bestimmte Funktionen nachahmen. Trotz einer Reihe positiver Ergebnisse in vitro und in vivo ist es mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Immobilisierungsmethoden nicht möglich, unterschiedliche Komponenten in einem Prozessschritt zu immobilisieren, definierte Freisetzungscharakteristika für gleiche und/oder unterschiedliche Moleküle zu realisieren und die Beschichtung der Oberflächen nach Sterilisation der Implantate vorzunehmen, um empfindliche bioaktive Substanzen, wie Proteine, vor Schädigung zu bewahren. An diesem Punkt setzt die vorliegende Arbeit mit dem Ziel an, ein nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem für Titanwerkstoffe zu entwickeln. Es wird zunächst am Beispiel eines Peptids mit der Aminosäuresequenz Arginin–Glyzin–Asparaginsäure (RGD) nachgewiesen, dass an der Grenzfläche Passivschicht/Elektrolyt von Titanwerkstoffen vorliegende Moleküle in durch anodische Polarisation verdickte Oxidschichten partiell eingebaut werden können und dabei ihre Funktionalität erhalten bleibt. Diese Immobilisierungsmethode wird zum Immobilisierungssystem erweitert, indem Nukleinsäureeinzelstränge mit der beschriebenen Methode als Ankerstränge (AS) in anodisch formierte Oxidschichten fixiert und in einem zweiten Prozessschritt mit komplementären Gegensträngen (GS) hybridisiert werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass das Peptid in einem weiten Parameterbereich der elektrochemischen Bedingungen immobilisiert werden kann. Demgegenüber führen im Falle des nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystems die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die Photoaktivität der Oxidschicht sowie mehrfache Trocknungen und Wiederbenetzungen zu einer Schädigung gebundener AS bis hin zu einem vollständigen Verlust der Hybridisierbarkeit. Durch Zugabe von Ethanol in hoher Konzentration während des Immobilisierungsschritts, Arbeit unter Lichtausschluss sowie Vermeidung mehrerer Trocknungen und Wiederbenetzungen können die Nebenwirkungen soweit eingeschränkt werden, dass alle immobilisierten AS hybridisierbar sind. Nach dessen Etablierung im Rahmen dieser Arbeit ist es in nachfolgenden Projekten möglich, das nukleinsäurebasierte Immboilisierungssystem zu einem modularen, nukleinsäurebasierten Immobilisierungssystem zu erweitern, um die eingangs beschriebenen Grenzen etablierter Methoden zu umgehen. Dazu müssen im zweiten Prozessschritt Konjugate aus GS und bioaktiven Molekülen, wie z. B. Peptide oder Wachstumsfaktoren, eingesetzt werden. Weiterhin können durch die Nutzung verschiedener Längen und Basensequenzen die Hybridstabilität und damit die Freisetzungskinetik beeinflusst werden.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221 / Surface functionalization with bioactive molecules is a main field in current biomaterial research. However, in vitro and in vivo results are heterogeneous. This may be at least partially attributed to the limits of the applied immobilization methods. With established immobilization methods possibilities are limited to immobilize different molecules in one step, to implement defined release kinetics for similar and/or different substances, or to carry out the immobilization after sterilization of the implant to save sensitive molecules from damage. Therefore in this thesis a nucleic acid based immobilization system for bioactive molecules is developed for titanium based materials. Using a peptide with the amino acid sequence arginine–glycine–aspartic acid (RGD) it is demonstrated at first, that small molecules, being present at the interface electrolyte/passive layer, can be immobilized by their partial incorporation in anodically formed oxide layers. The immobilization can be carried out in a wide range of electrochemical parameters and the peptide preserves its biological function under all conditions. This immobilization method is enhanced by utilizing single-stranded nucleic acids as anchor strands (AS), which can be hybridized by complementary strands (CS) in a second step. Contrary to the peptide, bound AS are damaged by the formation of reactive oxygen species during anodic polarization of the substrate, the photoyctivity of the titanium oxide layer and multiple drying and wetting cycles. These side effects must be constrained by adding ethanol in a high concentration to the electrolyte during the immobilization procedure, excluding light during preparation and avoiding multiple drying and wetting cycles. Applying these conutermeasures, a 100% hybridization of immobilized AS can be achieved. After establishing the nucleic acid based immobilization system it can be developed further to a modular, nucleic acid based immobilization system to overcome limitations of established immobilization methods. At first, conjugates of CS and bioactive molecules, such as peptides or growth factors, should be used in the hybridization step for a true functionalization of the surface. Furthermore, hybrid stability and thus release kinetics can be adjusted by using CS of different length and base sequences.:1 Einleitung 1 2 Grundlagen 7 2.1 Titanbasislegierungen als Implantatwerkstoff 7 2.2 Biochemische Modifizierung von Titanoberflächen 22 2.3 Modulares Immobilisierungssystem 38 3 Materialien und Methoden 45 3.1 Werkstoffe 45 3.2 Biologisch aktive Moleküle 46 3.3 Elektrochemische Versuchsanordnung 51 3.4 Untersuchungsmethoden 52 4 Experimentelle Ergebnisse 69 4.1 Immobilisierung des RGD-Peptids 69 4.2 Nukleinsäurebasiertes Immobilisierungssystem 118 5 Diskussion der Ergebnisse 143 5.1 Wechselwirkung zwischen Molekülen und Oberfläche 143 5.2 Fixierung adsorbierter Moleküle 155 6 Zusammenfassung und Ausblick 169 Literaturverzeichnis 175 Anhänge A Kodierung der Aminosäuren 209 B XPS-elementspektren ausgewählter Zustände 211 c Allgemeine Arbeitsvorschriften 215 D Geräte 221

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.