Within this work, an additive and a subtractive QM/MM interface were implemented into CAST. The interactions between QM and MM system are described via electrostatic embedding. Link atoms are used to saturate dangling bonds originating from the separation of QM and MM system. Available energy evaluation methods to be combined include force fields (OPLSAA and AMBER), semi-empirical programs (Mopac and DFTB+), and quantum-chemical methods (from Gaussian, Orca, and Psi4). Both the additive and the subtractive interface can deal with periodic boundary conditions. The subtractive scheme was extended to enable QM/QM, three-layer, and multi-center calculations. Another feature only available within the subtractive interface is the microiteration procedure for local optimizations. The novel QM/MM methods were applied to the investigation of the reaction path for the complex formation between rhodesain and K11777. Benchmark calculations show a very good agreement with results from Gaussian-ONIOM. When comparing the relative energies obtained with different options to a computation where the whole system was treated with the “QM method” DFTB3, the electrostatic embedding scheme with option “delM3” gives the best results. “delM3” means that atoms with up to three bonds distance to the QM region are ignored when creating the external charges. This is done in order to avoid a double counting of Coulomb interactions between QM and MM system. The embedding scheme for the inner system in a three-layer calculation, however, does not have a significant influence on the energies. The same is true for the choice of the coupling scheme: Whether the additive or the subtractive QM/MM interface is applied does not alter the results significantly. The choice of the QM region, though, proved to be an important factor. As can be seen from the comparison of two QM systems of different size, bigger is not always better here. Instead, one has to make sure not to separate important (polar) interactions by the QM/MM border. After this benchmark study with singlepoint calculations, the various possibilities of CAST were used to approximate the solution of a remaining problem: The predicted reaction energy for the formation of the rhodesain-K11777 complex differs significantly depending on the starting point of the reaction path. The reason for this is assumed to be an inadequate adjustment of the environment during the scans, which leads to a better stabilization of the starting structure in comparison to the final structure. The first approach to improve this adjustment was performing the relaxed scan with a bigger QM region instead of the minimal QM system used before. While the paths starting from the covalent complex do not change significantly, those starting from the non-covalent complex become more exothermic, leading to a higher similarity of the two paths. Nevertheless, the difference of the reaction energy is still around 15 kcal/mol, which is far from a perfect agreement. For this reason, Umbrella Samplings were run. Here, the adjustment of the environment is not done by local optimizations like in the scans, but by MD simulations. This has the advantage that the system can cross barriers and reach different local minima. The relative free energies obtained by Umbrella Samplings with suitable QM regions are nearly identical, independently of the starting point of the calculation. Thus, \(\Delta A\) evaluated by these computations can be assumed to reproduce the real energy change best. An MD simulation that was started from the transition state in order to mimic a “real-time” reaction indicates a very fast adjustment of the environment during the formation of the complex. This confirms that Umbrella Sampling is probably better suitable to describe the reaction path than a scan, where the environment can never move strong enough to leave the current local minimum. / In dieser Arbeit wurden ein additives und ein subtraktives QM/MM-Interface in CAST implementiert. Die Wechselwirkungen zwischen QM- und MM-System werden durch elektrostatische Einbettung beschrieben. Link-Atome dienen dazu, lose Bindungen abzusättigen, die durch die Trennung von QM- und MM-System entstehen. Als Methoden zur Energieberechnung, die kombiniert werden können, stehen Kraftfelder (OPLSAA und AM- BER), semiempirische Programme (Mopac und DFTB+) und quantenchemische Verfahren (aus Gaussian, Orca und Psi4) zur Verfügung. Sowohl das additive als auch das subtraktive Interface können mit periodischen Randbedingungen verwendet werden. Erweiterungen des subtraktiven Schemas ermöglichen Berechnungen mit QM/QM, drei Schichten o der mehreren QM-Zentren. Ebenfalls nur im subtraktiven Interface verfügbar ist die lokale Optimierung mittels Mikroiterationsschema. ...

After examining suitable parameters for a newly designed system, dynamic SIPGP could be developed. For the first time, SIPGP was performed while applying a constant flow of monomer solution through the reaction system. This added a new parameter: the flow rate (rfl). Accordingly, this parameter was examined, comparing dynamic to static SIPGP. It could be shown, that by applying higher rfl to the system, the contact angle increases, which indicates a slower coating. The flow patterns inside the reactor were then modelled and calculated. These calculations indicated, that, due to higher flow velocities, the contact angle on the coated samples would be lower on the sides of the sample and higher in the middle. This finding was verified by contact angle measurements. The influence of dynamic SIPGP on the temperature inside the reaction chamber during the reaction was examined by temperature sensors inside the reactor. This showed, that the constant flow of monomer solution can be utilized to decrease the warming of the reaction solution during the reaction. Finally it was shown, that dynamic SIPGP can decrease the formation of bulk polymer on the sample, which is forming during the reaction. This enables SIPGP to fabricate more homogeneous coatings by applying a constant monomer flow. / Nachdem für ein neu entworfenes System geeignete Parameter untersucht wurden, konnte das dynamische SIPGP entwickelt werden. Zum ersten Mal wurde SIPGP durchgeführt, während ein konstanter Fluss von Monomerlösung durch das System geleitet wurde. Das fügte einen neuen Parameter hinzu: die Flussrate (rfl). Diese wurde untersucht, indem dynamisches und statisches SIPGP verglichen wurden. Es konnte gezeigt werden, dass mit höheren rfl der Kontaktwinkel anstieg, was auf eine langsamere Beschichtung hindeutet. Daraufhin wurden die Flussmuster innerhalb des Reaktors modelliert und berechnet. Diese Berechnungen deuteten darauf hin, dass der Kontaktwinkel an den Seiten der beschichteten Probe, durch erhöhte Fließgeschwindigkeiten, höher sind als in der Mitte. Dies wurde dann auch durch Kontaktwinkel-Messungen bestätigt. Der Einfluss von dynamischem SIPGP auf die Temperatur innerhalb der Reaktionskammer während der Reaktion wurde mit Temperatursensoren innerhalb des Reaktors untersucht. Dies zeigte, dass der konstante Fluss von Monomerlösung dazu genutzt werden kann, die Erwärmung der Reaktionslösung während der Reaktion zu verringern. Abschließend wurde gezeigt, dass dynamisches SIPGP die Entstehung von bulk-Polymer auf der Probe, welches während der Reaktion entsteht, reduzieren kann. Dadurch ist es möglich durch SIPGP gleichmäßigere Beschichtungen zu erzeugen, indem ein konstanter Monomerfluss hinzugefügt wird.

In this work, the influence of aromatic structures on drug encapsulation, self-assembly and hydrogel formation was investigated. The physically crosslinked gelling systems were characterized and optimized for the use in biofabrication and applied in initial (bio)printing experiments. Chapter I: The cytocompatible (first in vitro and in vivo studies) amphiphile PMeOx-b-PBzOx-b- PMeOx (A-PBzOx-A) was used for the solubilization of PTX, schizandrin A (SchA), curcumin (CUR), niraparib and HS-173. Chapter II: Compared to the polymers A-PPheOx-A, A-PBzOx-A and A-PBzOzi-A, only the polymer A-PPheOzi-A showed a reversible temperature- and concentration-dependent inverse thermogelation, which is accompanied by a morphology change from long wormlike micelles in the gel to small spherical micelles in solution. The worm formation results from novel interactions between the hydrophilic and hydrophobic aromatic polymer blocks. Changes in the hydrophilic block significantly alter the gel system. Rheological properties can be optimized by concentration and temperature, which is why the hydrogel was used to significantly improve the printability and stability of Alg in a blend system. Chapter III: By extending the side chain of the aromatic hydrophobic block, the inverse thermogelling polymer A-poly(2-phenethyl-2-oxazoline)-A (A-PPhenEtOx-A) is obtained. Rapid gelation upon cooling is achieved by inter-correlating spherical micelles. Based on ideal rheological properties, first cytocompatible bioprinting experiments were performed in combination with Alg. The polymers A- poly(2-benzhydryl-2-oxazoline)-A (A-PBhOx-A) and A-poly(2-benzhydryl-2-oxazine) (A-PBhOzi-A) are characterized by two aromatic benzyl units per hydrophobic repeating unit. Only the polymer A- PBhOzi-A exhibited inverse thermogelling behavior. Merging micelles could be observed by electron microscopy. The system was rheologically characterized and discussed with respect to an application in 3D printing. Chapter IV: The thermogelling POx/POzi system, in particular the block copolymer PMeOx-b- PnPrOzi, was used in different applications in the field of biofabrication. The introduction of maleimide and furan units along the hydrophilic polymer part ensured additional stabilization by Diels-Alder crosslinking after the printing process. / In dieser Arbeit wurde der Einfluss von aromatischen Strukturen auf die Wirkstoffeinkapselung, der Selbstassemblierung und die Hydrogelbildung untersucht. Die physikalisch vernetzten Gele wurden für den Einsatz in der Biofabrikation charakterisiert und optimiert und fanden ersten (Bio)druckversuchen Anwendung. Kapitel I: Das zytokompatible (erste in vitro und in vivo Studien) Amphiphil PMeOx-b-PBzOx-b- PMeOx (A-PBzOx-A) eignet sich hervorragend für die Solubilisierung von PTX, Schizandrin A (SchA), Curcumin (CUR), Niraparib und HS-173. Kapitel II: Ausschließlich das Polymer A-PPheOzi-A zeigt im Vergleich zu den Polymeren A-PPheOx- A, A-PBzOx-A und A-PBzOzi-A eine reversible temperatur- und konzentrationsabhängige inverse Thermogelierung, welche durch eine Morphologie-Änderung von langen wurmartigen Mizellen im Gel zu kleinen sphärischen Mizellen in Lösung begleitet wird. Die Wurmbildung entsteht durch neuartige Wechselwirkungen zwischen den hydrophilen Polymerblöcken und den hydrophoben aromatischen Polymerblöcken. Veränderungen der hydrophilen Blöcke verändert signifikant das Gelsystem. Die rheologischen Eigenschaften können durch Konzentration und Temperatur optimiert werden, weshalb in einem Blendsystem die Druckbarkeit und Stabilität von Alginat signifikant verbessert wurde. Kapitel III: Durch Verlängerung der Seitenkette des aromatischen hydrophoben Blocks erhält man das inverse thermogelierende Polymer A-Poly(2-phenethyl-2-oxazolin)-A (A-PPhenEtOx-A). Die schnelle Gelierung bei Abkühlung wird durch miteinander korrelierende sphärische Mizellen erzielt. Auf Grundlage idealer rheologischer Eigenschaften, konnten erste zytokompatible Biodruckversuche in Kombination mit Alginat durchgeführt werden. Die Polymere A-Poly(2-benzhydryl-2-oxazolin)-A (A- PBhOx-A) und A-Poly(2-benzhydryl-2-oxazine) (A-PBhOzi-A) sind durch zwei aromatische Benzyl- Einheiten pro hydrophober Wiederholungseinheit charakterisiert. Nur das Polymer A-PBhOzi-A zeigt inverses thermogelierendes Verhalten. Durch Elektronenmikroskopie konnten verschmelzende Mizellen beobachtet werden. Das System wurde hinsichtlich einer Anwendung im Bereich des 3D- Drucks rheologisch charakterisiert und diskutiert. Kapitel IV: Das thermogelliernde POx/POzi System, insbesondere das Blockcopolymer PMeOx-b- PnPrOzi, wurde in weiterführenden Studien im Bereich der Biofabrikation genutzt. Durch die Einführung von Maleimide- und Furan-Einheiten entlang des hydrophilen Polymerteil konnte eine zusätzliche Stabilisierung durch Diels-Alder-Vernetzung nach dem Druckprozess realisiert werden.

Motivated by the great potential offered by the combination of additive manufacturing technology and hydrogels, especially in the field of tissue engineering and regenerative medicine, a series of novel hybrid hydrogel inks were developed based on the recently described thermogelling poly(2-oxazoline)s-block-poly(2-oxazine)s diblock copolymers, which may help to expand the platform of available hydrogel inks for this transformative 3D printing technology (Fig. 5.1). In the present thesis, the first reported thermogelling polymer solely consisting of POx and POzi, i.e., the diblock copolymer PMeOx-b-PnPrOzi comprising a hydrophilic block (PMeOx) and a thermoresponsive block (PnPrOzi), was selected and used as a proof-of-concept for the preparation of three novel hybrid hydrogels. Therefore, three batches of the diblock copolymers with a DP of 100 were synthesized for the study of three different hybrid hydrogels with a special focus on their suitability as (bio)inks for extrusion-based 3D printing. The PMeOx-b-PnPrOzi diblock copolymer solution shows a temperature induced reversible gelation behavior above a critical polymer concentration of 20 wt%, as described for the Pluronic F127 solution but with a unique gelation mechanism, working through the formation of a bicontinuous sponge-like structure from the physically crosslinked vesicles. Specially, its intrinsic shear thinning behavior and excellent recovery property with a certain yield point make it a promising ink candidate for extrusion-based printing technology. Increasing the polymer concentration is the most traditional approach to improve the printability of an ink material, and serve as the major strategy available to improve the printability of PMeOx-b-PnPrOzi systems prior to this work. From the analysis of rheological properties related to printability, it came a conclusion that increasing the copolymer concentration does improve the hydrogel strength and thus the printability. However, such improvement is very limited and usually leads to other problems such as more viscous systems and stringent requirements on the printers, which are not ideal for the printing process and applications especially in the cell-embedded biofabrication field. POx-b-POzi/clay Hybrid Hydrogel An alternative method proposed to improve the printability of this thermoresponsive hydrogel ink is through nanoclay (Laponite XLG) addition, i.e., the first hybrid hydrogel system of PMeOx-b-PnPrOzi/clay (also named shortly as POx-b-POzi/clay) in this thesis. To optimize the viscoelastic properties of the ink material, Laponite XLG acted as a reinforcement additive and a physically crosslinker was blended with the copolymers. Compared with the pristine copolymer solution of PMeOx-b-PnPrOzi, the hybrid PMeOx-b-PnPrOzi/clay solution well retained the temperature induced gelation performance of the copolymers. The obtained hybrid hydrogels exhibited a rapid in situ reversible thermogelation at a physiological relevant Tgel of around 15 ℃ and a rapid recovery of viscoelastic properties within a few seconds. More importantly, with the addition of only a small amount of 1.2 wt% clay, it exhibited obviously enhanced shear thinning character (n = 0.02), yield stress (240 Pa) and mechanical strength (storage modulus over 5 kPa). With this novel hybrid hydrogel, real three-dimensional constructs with multiple layers and various geometries are generation with greatly enhanced shape fidelity and resolution. In this context, the thermogelling properties of the hybrid hydrogels over a copolymer concentration range of 10-20 wt% and a clay concentration of 0-4 wt% were systematically investigated, and from which a printable window was obtained from the laboratory as a reference. In fact, the printing performance of an ink is not only determined by the intrinsic physicochemical properties of the material, but is also influenced by the external printing environments as well as the printer parameter settings. All the printing experiments in this study were conducted under a relatively optimized conditions obtained from preliminary experiments. In future work, the relationship between material rheology properties, printer parameters and printing performance could be systematically explored. Such a fundamental study will help to develop models that allows the prediction and comparison of printing results from different researches based on the parameters available through rheology, which is very beneficial for further development of more advanced ink systems. Although the printability has been significantly improved by the addition of nanoclay Laponite XLG, the hybrid hydrogels and their printed constructs still suffer from some major limitations. For example, these materials are still thermoresponsive, which will cause the printed constructs to collapse when the environment temperature changes below their Tgel. In addition, the formed hydrogel constructs are mechanical too weak for load-bearing applications, and the allowed incubation time is very limited during media exchange/addition as it will lead to dissolution of the hydrogels due to dilution effects. Therefore, it is essential to establish a second (chemical or physical) crosslinking mechanism that allows further solidification of the gels after printing. It should be kept in mind that the second crosslinking step will eliminate the thermoresponsive behavior of the gels and thus the possibility of cell recovery. In this case, besides through the traditional approach of copolymer modification to realize further crosslinking, like one of the well-known post-polymerization modification approach Diels-Alder reaction,[430] designing of interpenetrating networks (IPN) hydrogels serves as one of the major strategy for advanced (bio)ink preparation.[311] Therefore, the second hybrid hydrogel system of PMeOx-b-PnPrOzi/PDMAA/clay (also named shortly as POx-b-POzi/PDMAA/clay) was developed in this thesis, which is a 3D printable and highly stretchable ternary organic-inorganic IPN hydrogel. POx-b-POzi/PDMAA/clay Hybrid Hydrogel The nanocomposite IPN hydrogel combines a thermoresponsive hydrogel with clay described above and in situ polymerized poly(N, N-dimethylacrylamide). Before in situ polymerization, the thermoresponsive hydrogel precursors exhibited thermogelling behavior (Tgel ~ 25 ℃, G' ~ 6 kPa) and shear thinning properties, making the system well-suited for extrusion-based 3D printing. After chemical curing of the 3D-printed constructs by free radical polymerization, the resulting IPN hydrogels show excellent mechanical strength with a high stretchability to a tensile strain at break exceeding 550%. The hybrid hydrogel can sustain a high stretching deformation and recover quickly due to the energy dissipation from the non-covalent interactions. With this hybrid hydrogel, integrating with the advanced 3D-printing technique, various 3D constructs can be printed and cured successfully with high shape fidelity and geometric accuracy. In this context, we also investigated the possibility of acrylic acid (AA) and 2-hydroxyethylmethacrylate (HEMA) as alternative hydrogel precursors. However, the addition of these two monomers affected the thermogelation of POx-b-POzi in an unfavorable manner, as these monomers competed more effectively with water molecules, preventing the hydration of nPrOzi block at lower temperatures and therefore, the liquefaction of the gels. Furthermore, the influence of the printing process and direction on the mechanical properties of the hydrogel was investigated and compared with the corresponding bulk materials obtained from a mold. No significant effects from the additive manufacturing process were observed due to a homogeneously adhesion and merging between sequentially deposited layers. In the future, further studies on the specific performance differences among hydrogels fabricated at different printing directions/speeds would be of great interest to the community, as this allows for a more accurately control and better predict of the printed structures. This newly developed hybrid IPN hydrogel is expected to expand the material toolbox available for hydrogel-based 3D printing, and may be interesting for a wide range of applications including tissue engineering, drug delivery, soft robotics, and additive manufacturing in general. However, in this case, the low toxicity from the monomer DMAA and other small molecules residuals in the polymerized hydrogels made this hybrid hydrogel not ideal for bioprinting in the field of biofabrication. For this problem, cyto-/biocompatible monomers such as polyethylene glycol diacrylate (PEGDA) can be used as an alternative, while the overall properties of the hydrogels including mechanical properties should be re-evaluated accordingly. Moreover, the swelling behavior of the hydrogels should also be taken into account, as it may most likely affect the mechanical strength and geometry size of the printed scaffold, but is often be overlooked after printing. For example, regarding the specific hybrid hydrogel POx-b-POzi/PDMAA/clay in this work, an equilibrium swelling ratio of 1100% was determined. The printed hydrogel cuboid experienced a volume increasing over 6-fold after equilibrium swelling in water, and became mechanical fragile due to the formation of a swollen hydrogel network absorbing large amount of water. POx-b-POzi/Alg/clay Hybrid Hydrogel In the final part of this dissertation, to enable the cell-loaded bioprinting and long-term cell culture, the third hybrid hydrogel system POx-b-POzi/Alg/clay was introduced by replacing the monomer DMAA to the natural polysaccharides alginate. Initially, detailed rheological characterization and mechanical tests were performed to evaluate their printability and mechanically properties. Subsequently, some simple patterns were printed with the optimized hydrogel precursor solutions for the preliminary filament fusion and collapse test before proceeding to more complex printings. The fibers showed a sufficient stability which allows the creation of large structures with a height of a few centimeters and a suspended filament up to centimeter. Accordingly, various 3D constructs including suspended filaments were printed successfully with high stackability and shape fidelity. The structure after extrusion was physical crosslinked easily by soaking in CaCl2 solution and, thereafter exhibited a good mechanical flexibility and long-term stability. Interestingly, the mechanical strength and geometry size of the generated scaffolds were well maintained over a culture period of weeks in water, which is of great importance for clinical applications. In addition, the post-printing ionic crosslinking of alginate could also be realized by other di/trivalent cations such as Fe3+ and Tb3+. Subsequently, the cell-laden printing with this hybrid hydrogel and post-printing crosslinking by Ca2+ ions highlighting its feasibility for 3D bioprinting. WST-1 assay of fibroblast suggested no-dose dependent cytocompatibility of the hydrogel precursor solution. The cell distribution was uniform throughout the printed construct, and proliferated with high cell viability during the 21 days culture. The presented hybrid approach, utilizing the beneficial properties of the POx-b-POzi base material, could be interesting for a wide range of bioprinting applications and potentially enabling also other biological bioinks such as collagen, hyaluronic acid, decellularized extracellular matrix or cellulose based bioinks. Although the results look promising and the developed hydrogel is an important bioink candidate, the long-term in vitro cell studies with different cell lines and clinical model establishment are still under investigation, which remains a long road but is of great importance before realizing real clinical application. Last but not least, the improvement to the printability of thermogelling POx/POzi-based copolymers by the clay Laponite XLG was also demonstrated in another thermogelling copolymer PEtOx-b-PnPrOzi. This suggests that the addition of clay may be a general strategy to improve the printability of such polymers. Despite these advances in this work which significantly extended the (bio)material platform of additive manufacturing technology, the competition is still fierce and more work should be done in the further to reveal the potential and limitations of this kind of new and promising candidate (bio)ink materials. It is also highly expected for further creative works based on the thermogelling POx/POzi polymers, such as crosslinking in Ca2+ solution containing monomer acrylamide to prepare printable and mechanically tough hydrogels, research on POx-based support bath material, and print of clinically more relevant sophisticated structures such as 3D microvascular networks omnidirectionally. / Motiviert durch das große Potenzial, das die Kombination von additiver Fertigungstechnologie und Hydrogelen insbesondere im Bereich des Tissue Engineering und der regenerativen Medizin bietet, wurde eine Reihe neuartiger Hybrid-Hydrogeltinten auf der Grundlage der kürzlich beschriebenen thermogelierenden Poly(2-oxazolin)s-block-Poly(2-oxazin)s-diblock-copolymere entwickelt, die dazu beitragen können, die Plattform der verfügbaren Hydrogeltinten für diese transformative 3D-Drucktechnologie zu erweitern (Abb. 6.1). In der vorliegenden Arbeit wurde das erste bekannte thermogelierende Polymer, das ausschließlich aus POx und POzi besteht, d.h. das Diblock-Copolymer PMeOx-b-PnPrOzi, das einen hydrophilen Block (PMeOx) und einen thermoresponsiven Block (PnPrOzi) umfasst, ausgewählt und als Proof-of-Concept für die Herstellung von drei neuartigen Hybridhydrogelen verwendet. Daher wurden drei Chargen der Diblock-Copolymere mit einem DP von 100 für die Untersuchung von drei verschiedenen Hybrid-Hydrogelen synthetisiert, wobei der Schwerpunkt auf ihrer Eignung als (Bio-)Tinten für den extrusionsbasierten 3D-Druck lag. Die PMeOx-b-PnPrOzi Diblock-Copolymer-Lösung zeigt ein temperaturinduziertes reversibles Gelierverhalten oberhalb einer kritischen Polymerkonzentration von 20 Gew.-%, wie für die Pluronic F127-Lösung beschrieben, jedoch mit einem einzigartigen Geliermechanismus, der durch die Bildung einer bikontinuierlichen, schwammartigen Struktur aus den physikalisch vernetzten Vesikeln zustande kommt. Insbesondere das intrinsische Scherverdünnungsverhalten und die hervorragende Rückstelleigenschaft mit einer bestimmten Fließgrenze machen sie zu einem vielversprechenden Tintenkandidaten für die extrusionsbasierte Drucktechnologie. Die Erhöhung der Polymerkonzentration ist der traditionellste Ansatz zur Verbesserung der Bedruckbarkeit eines Druckfarbenmaterials und diente vor dieser Arbeit als Hauptstrategie zur Verbesserung der Bedruckbarkeit von PMeOx-b-PnPrOzi-Systemen. Die Analyse der rheologischen Eigenschaften, die mit der Druckfähigkeit zusammenhängen, ergab, dass eine Erhöhung der Copolymerkonzentration die Festigkeit des Hydrogels und damit die Druckfähigkeit verbessert. Diese Verbesserung ist jedoch sehr begrenzt und führt in der Regel zu anderen Problemen wie zähflüssigeren Systemen und strengen Anforderungen an die Drucker, was für den Druckprozess und die Anwendungen insbesondere im Bereich der zelleingebetteten Biofabrikation nicht ideal ist. POx-b-POzi/clay Hybrid Hydrogel Eine alternative Methode zur Verbesserung der Druckbarkeit dieser thermoresponsiven Hydrogeltinte ist die Zugabe von Nanoclay (Laponite XLG), d. h. das erste hybride Hydrogelsystem aus PMeOx-b-PnPrOzi/clay (in dieser Arbeit auch kurz als POx-b-POzi/clay bezeichnet). Um die viskoelastischen Eigenschaften der Tinte zu optimieren, wurde Laponite XLG als Verstärkungsadditiv eingesetzt und ein physikalischer Vernetzer mit den Copolymeren gemischt. Im Vergleich zur ursprünglichen Copolymerlösung von PMeOx-b-PnPrOzi behielt die hybride PMeOx-b-PnPrOzi/clay-Lösung die temperaturinduzierte Gelierleistung der Copolymere gut bei. Die erhaltenen Hybrid-Hydrogele zeigten eine schnelle reversible Thermogelierung in situ bei einer physiologisch relevanten Tgel von etwa 15 ℃ und eine rasche Erholung der viskoelastischen Eigenschaften innerhalb weniger Sekunden. Noch wichtiger ist, dass die Zugabe einer geringen Menge von 1.2 Gew.-% clay zu einer deutlichen Verbesserung der Scherverdünnung (n = 0.02), der Fließspannung (240 Pa) und der mechanischen Festigkeit (Speichermodul über 5 kPa) führte. Mit diesem neuartigen Hybrid-Hydrogel lassen sich echte dreidimensionale Konstrukte mit mehreren Schichten und verschiedenen Geometrien mit deutlich verbesserter Formtreue und Auflösung erzeugen. In diesem Zusammenhang wurden die Thermogel-Eigenschaften der Hybrid-Hydrogele über einen Copolymer-Konzentrationsbereich von 10-20 Gew.-% und einer clay-Konzentration von 0-4 Gew.-% systematisch untersucht, wobei ein druckbares Fenster als Referenz aus dem Labor gewonnen wurde. Die Druckleistung einer Tinte wird nicht nur durch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Materials bestimmt, sondern auch durch die äußeren Druckbedingungen und die Einstellungen der Druckerparameter beeinflusst. Alle Druckexperimente in dieser Studie wurden unter relativ optimierten Bedingungen durchgeführt, die durch Vorversuche ermittelt wurden. In zukünftigen Arbeiten könnte die Beziehung zwischen den rheologischen Eigenschaften des Materials, den Druckerparametern und der Druckleistung systematisch erforscht werden. Eine solche grundlegende Studie wird dazu beitragen, Modelle zu entwickeln, die die Vorhersage und den Vergleich von Druckergebnissen aus verschiedenen Untersuchungen auf der Grundlage der über die Rheologie verfügbaren Parameter ermöglichen, was für die weitere Entwicklung fortschrittlicherer Tintensysteme sehr nützlich ist. Obwohl die Druckbarkeit durch die Zugabe von Nanoclay Laponite XLG erheblich verbessert wurde, weisen die hybriden Hydrogele und ihre gedruckten Konstrukte immer noch einige wesentliche Einschränkungen auf. Zum Beispiel sind diese Materialien immer noch thermoresponsiv, was dazu führt, dass die gedruckten Konstrukte kollabieren, wenn die Umgebungstemperatur unter ihre Tgel-Temperatur fällt. Außerdem sind die gebildeten Hydrogelkonstrukte mechanisch zu schwach für lasttragende Anwendungen, und die zulässige Inkubationszeit ist während des Medienaustauschs/der Medienzugabe sehr begrenzt, da sie aufgrund von Verdünnungseffekten zur Auflösung der Hydrogele führt. Daher ist es wichtig, einen zweiten (chemischen oder physikalischen) Vernetzungsmechanismus zu schaffen, der eine weitere Verfestigung der Gele nach dem Druck ermöglicht. Dabei ist zu bedenken, dass der zweite Vernetzungsschritt das thermoresponsive Verhalten der Gele und damit die Möglichkeit der Rückgewinnung von Zellen. In diesem Fall ist neben dem traditionellen Ansatz der Copolymermodifikation zur weiteren Vernetzung, wie z. B. der bekannten Diels-Alder-Reaktion,[430] die Entwicklung von Hydrogelen mit interpenetrierenden Netzwerken (IPN) eine der wichtigsten Strategien für die Herstellung fortschrittlicher (Bio-)Tinten.[311] Daher wurde in dieser Arbeit das zweite hybride Hydrogelsystem PMeOx-b-PnPrOzi/PDMAA/clay (auch kurz als POx-b-POzi/PDMAA/clay bezeichnet) entwickelt, das ein 3D-druckbares und hoch dehnbares ternäres organisch-anorganisches IPN-Hydrogel ist. POx-b-POzi/PDMAA/clay Hybrid Hydrogel Das Nanokomposit-IPN-Hydrogel kombiniert ein thermoresponsives Hydrogel mit dem oben beschriebenen clay Laponite XLG und in situ polymerisiertem Poly(N,N-dimethylacrylamid). Vor der In-situ-Polymerisation zeigten die thermoresponsiven Hydrogelvorläufer ein Thermogelling-Verhalten (Tgel ~ 25 ℃, G' ~ 6 kPa) und scherverdünnende Eigenschaften, wodurch sich das System gut für den extrusionsbasierten 3D-Druck eignet. Nach der chemischen Aushärtung der 3D-gedruckten Konstrukte durch radikalische Polymerisation zeigen die resultierenden IPN-Hydrogele eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit mit einer hohen Dehnbarkeit bis zu einer Bruchdehnung von über 550 %. Das Hybridhydrogel kann eine hohe Dehnungsverformung aushalten und sich aufgrund der Energiedissipation durch die nicht-kovalenten Wechselwirkungen schnell erholen. Mit diesem Hybrid-Hydrogel können in Verbindung mit der fortschrittlichen 3D-Drucktechnik verschiedene 3D-Konstrukte mit hoher Formtreue und geometrischer Genauigkeit gedruckt und ausgehärtet werden. In diesem Zusammenhang untersuchten wir auch die Möglichkeit von Acrylsäure (AA) und 2-Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) als alternative Hydrogelvorläufer. Die Zugabe dieser beiden Monomere wirkte sich jedoch ungünstig auf die Thermogelierung von POx-b-POzi aus, da diese Monomere effektiver mit Wassermolekülen konkurrierten und die Hydratation des nPrOzi-Blocks bei niedrigeren Temperaturen und damit die Verflüssigung der Gele verhinderten. Darüber hinaus wurde der Einfluss des Druckverfahrens und der Druckrichtung auf die mechanischen Eigenschaften des Hydrogels untersucht und mit den entsprechenden aus einer Form gewonnenen Massenmaterialien verglichen. Es wurden keine signifikanten Auswirkungen des additiven Herstellungsverfahrens beobachtet, da die nacheinander aufgebrachten Schichten homogen aneinander haften und miteinander verschmelzen. In Zukunft wären weitere Studien zu den spezifischen Leistungsunterschieden zwischen Hydrogelen, die mit unterschiedlichen Druckrichtungen und -geschwindigkeiten hergestellt wurden, von großem Interesse für die Fachwelt, da dies eine genauere Kontrolle und bessere Vorhersage der gedruckten Strukturen ermöglicht. Dieses neu entwickelte hybride IPN-Hydrogel wird voraussichtlich die Materialpalette für den hydrogelbasierten 3D-Druck erweitern und könnte für eine Vielzahl von Anwendungen interessant sein, darunter Tissue Engineering, Medikamentenverabreichung, Soft Robotics und additive Fertigung im Allgemeinen. In diesem Fall war das Hybrid-Hydrogel jedoch aufgrund der geringen Toxizität des Monomers DMAA und anderer kleiner Moleküle, die in den polymerisierten Hydrogelen zurückblieben, nicht ideal für das Bioprinting im Bereich der Biofabrikation. Für dieses Problem können zyto-/biokompatible Monomere wie Polyethylenglykoldiacrylat (PEGDA) als Alternative verwendet werden, wobei die Gesamteigenschaften der Hydrogele einschließlich der mechanischen Eigenschaften entsprechend neu bewertet werden sollten. Darüber hinaus sollte auch das Quellverhalten der Hydrogele berücksichtigt werden, da es sich höchstwahrscheinlich auf die mechanische Festigkeit und die Geometriegröße des gedruckten Gerüsts auswirkt, aber nach dem Druck oft übersehen wird. Für das in dieser Arbeit verwendete Hybrid-Hydrogel POx-b-POzi/PDMAA/clay wurde zum Beispiel ein Gleichgewichtsquellverhältnis von 1100 % ermittelt. Der gedruckte Hydrogelquader erfuhr nach der Gleichgewichtsquellung in Wasser eine Volumenzunahme um das 6-fache und wurde aufgrund der Bildung eines gequollenen Hydrogelnetzwerks, das eine große Menge Wasser absorbiert, mechanisch brüchig. POx-b-POzi/Alg/clay Hybrid Hydrogel Im letzten Teil dieser Dissertation wurde das dritte hybride Hydrogelsystem POx-b-POzi/Alg/clay eingeführt, um das zellbeladene Bioprinting und die langfristige Zellkultur zu ermöglichen, indem das Monomer DMAA durch das natürliche Polysaccharid Alginat ersetzt wurde. Zunächst wurden eine detaillierte rheologische Charakterisierung und mechanische Tests durchgeführt, um die Druckbarkeit und die mechanischen Eigenschaften zu bewerten. Anschließend wurden einige einfache Muster mit den optimierten Hydrogel-Vorläuferlösungen gedruckt, um die Fusion und das Koaleszieren der Stränge zu testen, bevor komplexere Drucke durchgeführt wurden. Die Stränge wiesen eine ausreichende Stabilität auf, die die Herstellung großer Strukturen mit einer Höhe von einigen Zentimetern und einem hängenden Filament von bis zu einem Zentimeter ermöglicht. Dementsprechend wurden verschiedene 3D-Konstruktionen, einschließlich hängender Filamente, erfolgreich mit hoher Stapelbarkeit und Formtreue gedruckt. Die Struktur wurde nach der Extrusion durch Eintauchen in CaCl2-Lösung leicht physikalisch vernetzt und wies danach eine gute mechanische Flexibilität und Langzeitstabilität auf. Interessanterweise blieben die mechanische Festigkeit und die geometrische Größe der erzeugten Gerüste über einen Kulturzeitraum von mehreren Wochen in Wasser erhalten, was für klinische Anwendungen von großer Bedeutung ist. Darüber hinaus könnte die ionische Vernetzung von Alginat nach dem Druck auch mit anderen zwei- oder dreiwertigen Kationen wie Fe3+ und Tb3+ erfolgen. Anschließend wurde das Hybrid-Hydrogel mit Zellen verdruckt und nach dem Druck durch Ca2+-Ionen vernetzt, was seine Eignung für das 3D-Bioprinting unterstreicht. Der WST-1-Test an Fibroblasten zeigte, dass die Hydrogelvorläuferlösung dosisunabhängig zytokompatibel ist. Die Zellen verteilten sich gleichmäßig über das gesamte gedruckte Konstrukt und vermehrten sich während der 21-tägigen Kultur mit hoher Zelllebensfähigkeit. Der vorgestellte hybride Ansatz, der die vorteilhaften Eigenschaften des POx-b-POzi-Basismaterials nutzt, könnte für ein breites Spektrum von Bioprinting-Anwendungen interessant sein und möglicherweise auch andere biologische Biotinten wie Kollagen, Hyaluronsäure, dezellularisierte extrazelluläre Matrix oder auf Zellulose basierende Biotinten ermöglichen. Obwohl die Ergebnisse vielversprechend aussehen und das entwickelte Hydrogel ein wichtiger Biotinten-Kandidat ist, sind die langfristigen In-vitro-Zellstudien mit verschiedenen Zelllinien und die Etablierung eines klinischen Modells noch in der Forschung, was ein langer Weg ist, aber von großer Bedeutung, bevor eine echte klinische Anwendung realisiert werden kann. Nicht zuletzt wurde die Verbesserung der Druckfähigkeit von thermogelierenden POx/POzi-Copolymeren durch den clay Laponite XLG auch bei einem anderen thermogelierenden Copolymer PEtOx-b-PnPrOzi nachgewiesen. Dies deutet darauf hin, dass die Zugabe von Ton eine allgemeine Strategie zur Verbesserung der Druckfähigkeit solcher Polymere sein könnte. Trotz dieser Fortschritte in dieser Arbeit, die die (Bio-)Materialplattform der additiven Fertigungstechnologie erheblich erweitert hat, ist der Wettbewerb immer noch hart, und es sollte weiter daran gearbeitet werden, das Potenzial und die Grenzen dieser Art von neuen und vielversprechenden Kandidaten für (Bio-)Tintenmaterialien aufzuzeigen. Weitere kreative Arbeiten auf der Grundlage der thermogelierenden POx/POzi-Polymere erwartet, z. B. die Vernetzung in einer Ca2+-haltigen Lösung, die das Monomer Acrylamid enthält, um druckbare und mechanisch widerstandsfähige Hydrogele herzustellen, die Erforschung von POx-basiertem Badematerial und der Druck klinisch relevanterer komplexer Strukturen wie mikrovaskulärer 3D-Netzwerke in allen Richtungen.

Für die Fügung der Interkonnektoren einer Hochtemperaturbrennstoffzelle wurden in der hier vorliegenden Arbeit glaskeramische Lote entwickelt und untersucht. Es konnte ein hochviskoses Glas gefunden werden, das trotz fehlendem Erweichen bei der Fügung eine stabile, gasdichte und elektrisch isolierende glaskeramische Fügung ausbildet. Auch während des Betriebs kommt es zu keinem Erweichen der Fügung. Weiter treten keine feststellbaren Reaktionen mit den potentiellen Reaktionspartnern, den Stahlelementen, auf. Es konnte eine Korrelation dieses Reaktionsverhaltens mit dem Kristallisationsverhalten der Glaskeramik gefunden werden. Das Verhalten des Glaslotes wurde über mehrere tausend Stunden unter Betriebsbedingungen beziehungsweise betriebsimulierenden Bedingungen untersucht. Dabei konnte die Kristallisationsentwicklung beschrieben werden. Ein weiterer Aspekt der Arbeit war die Untersuchung des Einflusses der einzelnen Faktoren, denen ein Glaslot während seines Einsatzes von der Fügung bis zum Betrieb ausgesetzt ist, wie die Fügetemperatur, die Viskosität der eingesetzten glasbildenden Schmelze oder die Dualgasatmosphäre im Betrieb, auf das Gefüge und die Diffusion. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die Fügetemperatur mit Abstand den größten Einfluss auf die Stabilität der Glaslotschicht hat. Diese bedingt nicht nur die Kinetik des Fließens und die Benetzung des Stahls durch das Glas, sondern vor allem, welche Kristallphasen gebildet werden und wie das finale Gefüge im Hinblick auf Kristallitgröße und –verteilung aussieht. So kommt es bei höheren Temperaturen zu einem größeren Restglasphasenanteil und einem geringeren Kristallitanteil, was wiederum die Diffusion der Stahlelemente in die Glaslotschicht begünstigt. / This work describes the development and analysis of new glass ceramic sealants for the use in solid oxide fuel cells. The sealant is applied to the sealing area of metallic interconnectors. The developed sealant has a high viscosity in such a way as to keep its geometric form stable during the sealing process and during the operation of a solid oxide fuel cell. This sealant enables a stable, gastight and electrically insulating sealing. There are no reactions with the contacting materials, the elements of the steel, even after extended time under operation or operation-like conditions. This stability can be explained by the crystallization behaviour of the glass ceramic which forms an interface layer. This behaviour was monitored over a few thousand hours. Furthermore, the parameters, which have a potential influence on the glass ceramic during the whole life cycle, the sealing and the operation, were examined. The parameters which were investigated were in particular the sealing temperature, the viscosity of the glass, the operation time and the dual gas atmosphere. The sealing temperature has the most significant effect on the formation of the glass ceramic. It defines the formation of the crystallites, the type as well as the size and allocation of the crystallites. At a higher sealing temperature, for example, less crystallites and a larger glassy phase is formed. This effect can lead to an increase of the diffusion processes. Another relevant parameter is the viscosity of the glass, as a low viscosity increases the diffusion. After extended operation time, a growth of the crystallites and a decrease of the amount of the glassy phase was observed. This was indifferent to the other occuring factors like the applied voltage or the dual gas atmosphere. In conclusion, the newly developed glass ceramic sealant paves a way for the use of SOFC, in particular for mobile applications, where the external mechanical stresses cause higher requirements on the sealant.

In the field of biofabrication, biopolymer-based hydrogels are often used as bulk materials with defined structures or as bioinks. Despite their excellent biocompatibility, biopolymers need chemical modification to fulfill mechanical stability. In this thesis, the primary alcohol of hyaluronic acid was oxidized using TEMPO/TCC oxidation to generate aldehyde groups without ring-opening mechanism of glycol cleavage using sodium periodate. For crosslinking reaction of the aldehyde groups, adipic acid dihydrazide was used as bivalent crosslinker for Schiff Base chemistry. This hydrogel system with fast and reversible crosslinking mechanism was used successfully as bulk hydrogel for chondrogenic differentiation with human mesenchymal stem cells (hMSC). Gelatin was modified with pentenoic acid for crosslinking reaction via light controllable thiol-ene reaction, using thiolated 4-arm sPEG as multivalent crosslinker. Due to preservation of the thermo responsive property of gelatin by avoiding chain degradation during modification reaction, this gelatin-based hydrogel system was successfully processed via 3D printing with low polymer concentration. Good cell viability was achieved using hMSC in various concentrations after 3D bioprinting and chondrogenic differentiation showed promising results. / Im Bereich der Biofabrikation werden Hydrogele auf Biopolymerbasis häufig als Bulkmaterial mit definierten Strukturen oder als Biotinten verwendet. Obwohl Biopolymere eine hervorragende Biokompatibilität aufweisen, müssen sie jedoch chemisch modifiziert werden, um gewisse mechanische Stabilität für den Einsatz in der Biofabrikation zu erreichen. In dieser Arbeit wurde der primäre Alkohol der Hyaluronsäure mit Hilfe der TEMPO/TCC-Oxidation oxidiert, um Aldehydgruppen zu generieren. Dabei findet kein Ringöffnungsmechanismus statt, wie er bei der Glykolspaltung mit Natriumperiodat vorkommt. Für die Vernetzungsreaktion der Aldehydgruppen wurde Adipinsäuredihydrazid als bivalenter Vernetzer für die Bildung der Schiffschen Base verwendet. Dieses Hydrogelsystem mit schnellem und reversiblem Vernetzungsmechanismus wurde erfolgreich als Bulkhydrogel für die chondrogene Differenzierung mit humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) erfolgreich eingesetzt. Als Mikrogele könnte das System in künftigen Forschungsarbeiten auf seine Verdruckbarkeit getestet werden. Gelatine wurde mit Pentensäure modifiziert, um die Vernetzungsreaktion über eine lichtkontrollierbare Thiol-En-Reaktion durchzuführen, bei der thioliertes 4-armiges sPEG als multivalenter Vernetzer verwendet wurde. Da die thermoresponsive Eigenschaft der Gelatine erhalten blieb, indem der Kettenabbau während der Modifizierungsreaktion vermieden wurde, konnte dieses Hydrogelsystem auf Gelatinebasis erfolgreich im 3D-Druck mit niedriger Polymerkonzentration verarbeitet werden. Mit hMSC in verschiedenen Konzentrationen wurde nach dem 3D-Biodruck eine gute Zellviabilität erreicht und die chondrogene Differenzierung zeigte vielversprechende Ergebnisse.

Dietary fatty acids serve as objective biomarkers for the estimation of habitual diet mainly because biomarkers are free of memory bias or inaccuracies of food databases. The aim of the present work encompassed the implementation of a gas chromatographical method coupled with a mass spectrometrical and flame-ionization detector for analysis of fatty acid biomarkers in human biospecimens, their analytical determination and statistical evaluation in two different study populations and different biospecimens as well as the elaboration of adverse reactions to food ingredients with special focus on food allergies and food intolerances in the context of a possible implementation into an application for consumer health. The first aim was the identification of potential influence of fatty acid biomarkers on desaturase and elongase indexes (Δ9DI, Δ6DI, Δ5DI and ELOVLI5), which are factors in type 2 diabetes risk, in breast adipose tissue from healthy women. Influence of further variables on respective indexes was also investigated. 40 samples were investigated and potential variables were either collected by questionnaire or determined. Principle component analysis was applied for fatty acid biomarkers (PCdiet1, PCdiet2 and PCdiet3 representative for the dietary intake of vegetable oils/nuts, fish and partially hydrogenated vegetable oils), endogenous estrogens (PCE1) and oxysterols (PCOxy1). Multiple linear regression models were applied. Δ9DI and Δ6DI were influenced non-significantly and significantly negatively by PCdiet2 supporting a putative beneficial effect of vegetable oils and nuts on type 2 diabetes risk factors. ELOVLI5 and Δ5DI were influenced significantly and non-significantly positively by PCdiet1 supporting a putative beneficial effect of fish consumption on type 2 diabetes risk factors. On the other hand, PCdiet1 also significantly and non-significantly positively influenced Δ9DI and Δ6DI supporting a putative adverse effect of fish biomarkers on type 2 diabetes risk factors. The opposing influences of PCdiet1 suggesting an ambivalent role of dietary intake of fish on investigated indexes. Δ6DI was significantly positively influenced by PCdiet3 and number of pregnancies supporting a putative adverse effect of partially hydrogenated vegetable oils and pregnancies on type 2 diabetes risk factors. Lifestyle factors like smoking significantly and non-significantly influenced Δ9DI and Δ6DI putatively adversely. Δ5DI was influenced significantly positively by estrogen active drugs suggesting a putative beneficial effect on type 2 diabetes risk factors. It must be considered that a variation coefficient of up to 0.44 only explained 44% of variance of the respective indexes, suggesting other influencing factors might play a role. The second aim was the implementation of a gas chromatographical method coupled with a mass spectrometrical and flame-ionization detector for analysis of fatty acid biomarkers in human biospecimens. The method was optimized for separation and detection of 40 fatty acids. Mean recovery for tridecanoic acid was x(tridecanoic acid) = 90.51% and for nonadecanoic acid x(nonadecanoic acid) = 96.21%. Thus, there was no significant loss of fatty acids with shorter and longer carbon chains over the extraction process to be expected. Limit of detections were calculated in adipose tissue samples and ranged from 0.007 to 0.077% of the proportion of the respective fatty acid to total fatty acids. The third aim was the investigation if differentiation between breast glandular and adipose tissue had a relevant impact on the analysis of dietary fatty acid biomarkers or if contamination of breast glandular with breast adipose tissue and vice versa was neglectable for the analysis of dietary fatty acid biomarkers. No statistical significant differences were observed for all investigated fatty acid biomarkers (pentadecanoic-, heptadecanoic-, trans palmitoleic-, eicosapentaenoic-, docosahexaenoic-, linoleic and α-linolenic acid) between breast glandular and adipose tissue. Thus, differentiation between breast glandular and adipose tissue seems not to be necessary for the analysis of fatty acids serving as biomarkers for the intake of specific food groups. Potential influence of mixed breast tissue on fatty acid biomarkers analysis seems to be neglectable. The fourth aim was the determination of fatty acid biomarkers in adipose tissue in another study population from healthy participants. 27 adipose tissue samples were analyzed. Milk and ruminant fat biomarkers exhibited proportions of 0.47% for pentadecanoic acid, 0.34% for heptadecanoic acid and 0.25% for trans palmitoleic acid. Fish fatty acid biomarkers revealed proportions of 0.034% for eicosapentaenoic acid and 0.061% for docosahexaenoic acid. The mean proportion of vegetable oils and nuts biomarkers were 9.58% for linoleic acid and 0.48% for α-linolenic acid in all adipose tissues. Principle component analysis was applied for the fatty acid biomarkers to provide objective markers of habitual diet for this study population. PCdiet1 was mainly characterized by pentadecanoic acid, heptadecanoic acid and trans palmitoleic acid and therefore served as a principle component for the dietary intake of milk and ruminant fat. PCdiet2 and PCdiet3 only exhibited pattern for ω3 and ω6 fatty acids but not for dietary intake of specific food groups and could therefore not used as objective marker. PCdiet1, 2 and 3 explained 82.76% of variance. The last aim of this thesis was the elaboration of adverse reactions to food ingredients with special focus on food allergies and food intolerances in the context of a possible implementation into an application for consumer health. Scientific information on adverse reactions to food ingredients and trigger substances was provided in this thesis and possible implementation strategies were evaluated. For food allergens, which have regulatory requirements in the context of labelling, a strategy was elaborated, where it is necessary to provide information on the list of ingredients, the nexus ’contain’ and the respective food allergen as well as information on the name of the product. For food intolerances, which do not have regulatory requirements, limits were shown in the context of the application. If the elaborated food intolerances shall be implemented into the application, a professional dietary concept has to be developed for every food intolerance because of the complexity of the implementation. / Die vorliegende Arbeit umfasste die Implementierung einer analytischen Methode zur Bestimmung von Fettsäurebiomarkern in unterschiedlichen Bioproben, die analytische Bestimmung und statistische Evaluation von Fettsäurebiomarkern in zwei Studienpopulationen und unterschiedlichen Bioproben sowie die Ausarbeitung und Bereitstellung wissenschaftlicher Information zu adversen Reaktionen von Lebensmittelzutaten mit besonderem Fokus auf Nahrungsmittelallergien sowie Nahrungsmittelunverträglichkeiten im Kontext einer strategischen Implementierung dieser adversen Reaktionen in eine Applikation im Sinne des Verbraucherschutzes. Das erste Ziel war die Identifizierung von potentiellen Einflüssen durch Fettsäurebiomarker der Ernährung auf Desaturase- und Elongase-Indices (Δ9DI, Δ6DI, Δ5DI, ELOVLI5), welche Einflussfaktoren auf das Typ 2 Diabetes Risiko darstellen, in Brustfettgewebe von gesunden Frauen. Der potentielle Einfluss von weiteren Variablen auf Desaturase- und Elongase-Indices wurde ebenfalls untersucht. 40 Proben wurden untersucht und potentielle Variablen sowohl mithilfe eines Fragebogens erhoben als auch analytisch ermittelt. Hauptkomponentenanalysen wurden für Fettsäurebiomarker (PCdiet1, PCdiet2 und PCdiet3 repräsentativ für eine Ernährung reich an pflanzlichen Ölen/Nüssen, Fisch und gehärteten Ölen), endogene Estrogene (PCE1) und Oxysterole (PCOxy1) angewendet. Potentielle Einflussfaktoren wurden mittels multiple linearer Regressionsanalyse ermittelt. Δ9DI und Δ6DI wurden nicht-signifikant und signifikant durch PCdiet2 beeinflusst. Dies unterstützt einen möglicherweise vorteilhaften Effekt von Fettsäurebiomarkern repräsentativ für die Aufnahme von pflanzlichen Ölen und Nüssen auf Typ 2 Diabetes Risikofaktoren. PCdiet1 hatte einen möglicherweise vorteilhaften signifikanten und nicht-signifikanten Einfluss auf ELOVLI5 und Δ5DI. Auf der anderen Seite hatte PCdiet1 einen möglicherweise adversen signifikanten Einfluss auf Δ9DI und Δ6DI, was auf eine ambivalente Rolle von Fettsäurebiomarkern des Fischkonsums hindeutet. Möglicherweise adverse signifikante Einflüsse auf Δ6DI hatten PCdiet3 sowie die Anzahl an Schwangerschaften. Rauchen hatte einen signifikanten und nicht-signifikanten möglicherweise adversen Einfluss auf Δ9DI und Δ6DI. Einen möglicherweise vorteilhaften Einfluss auf ELOVLI5 wurde mit der Einnahme von estrogenaktiven Substanzen beobachtet. Berücksichtigt werden muss allerdings, dass mit einem Variationskoeffizienten von bis zu 0.44 nur 44% der Varianz der entsprechenden Indices erklärt werden konnte und somit weitere Einflussfaktoren eine Rolle spielen könnten. Das zweite Ziel war die Implementierung einer gaschromatographischen Methode für die Trennung und Detektion von 40 Fettsäuren. Die Chromatographie war simultan an einen Massenspektrometer und einen Flammenionisationsdetektor gekoppelt. Recovery Versuche zeigten für die Internen Standards Tridecansäure und Nonadecansäure Wiederfindungs raten von x(Tridecansäure) = 90.51% und x(Nonadecansäure) = 96.21%. Die Nachweisgrenzen der Fettsäuren wurden mit Fettgewebsproben bestimmt und reichten von 0.007 bis 0.077% Anteil der jeweiligen Fettsäuren an der Gesamtfettsäureverteilung. Die Untersuchung der Fragestellung ob die Differenzierung zwischen Brustdrüsen- und Brustfettgewebe einen relevanten Einfluss auf die Analyse von Fettsäurebiomarkern repräsentativ für eine Ernährung reich an Milch, Fisch und pflanzlichen Ölen/Nüssen hat war das dritte Ziel der vorliegenden Arbeit. Es wurde kein statistisch signifikanter Unterschied zwischen den prozentualen Anteilen der Fettsäurebiomarkern (Pentadecan-, Heptadecan-, trans Palmitolein-, Eicosapentaen-, Docosahexaen-, Linol- und α-Linolensäure) in Brustdrüsen und Brustfettgewebe entdeckt. Eine Differenzierung zwischen Brustdrüsen- und Brustfettgewebe scheint daher in Bezug auf die Analyse von Fettsäurebiomarker der Ernährung nicht notwendig zu sein. Der potentielle Einfluss von, mit Brustdrüsen- und Brustfettgewebe, gemischtem Gewebe scheint damit in Bezug auf die Analyse von Fettsäurebiomarkern vernachlässigbar zu sein. Das vierte Ziel der vorliegenden Arbeit war die Bestimmung der Fettsäureverteilung mit besonderem Fokus auf Fettsäurebiomarker für die Ernährung in Fettgewebe in einer anderen Studienpopulation von gesunden Teilnehmerinnen und Teilnehmern. 27 Fettgewebsproben wurde untersucht. Der Anteil an Fettsäurebiomarker für den Konsum von Milch- und Wiederkäuerfette betrug 0.47% für Pentadecansäure, 0.34% für Heptadecansäure und 0.25% für trans Palmitoleinsäure. Fettsäurebiomarker repräsentativ für Fischkonsum hatten Anteile von 0.034% für Eicosapentaensäure und 0.061% für Docosahexaensäure. Für Fettsäurebiomarker repräsentativ für den Konsum von pflanzlichen Fetten und Nüssen wurden Anteile von 9.58% für Linolsäure und 0.48% für α-Linolensäure gefunden. Anschließend wurde eine Hauptkomponentenanalyse der Fettsäurebiomarker für die Ernährung durchgeführt. PCdiet1 wurde hauptsächlich durch Pentadecansäure, Heptadecansäure und trans Palmitoleinsäure charakterisiert. PCdiet1 wurde folglich als Hauptkomponente für den Konsum von Milch- und Wiederkäuerfetten interpretiert. PCdiet2 und PCdiet3 wurden ausschließlich von ω3 und ω6 Fettsäuren charakterisiert. Eine eindeutige Zuordnung zu speziellen Lebensmittelgruppen war nicht möglich. Die Biomarker für den Konsum von Fisch und pflanzlichen Fetten sowie Nüssen können daher nicht durch PCdiet2 und PCdiet3 zusammengefasst werden. PCdiet1, 2 und 3 erklärten 82.76% der Varianz. Das letzte Ziel der vorliegenden Arbeit war die Ausarbeitung von adversen Reaktionen gegenüber Lebensmittelinhaltsstoffen mit speziellem Fokus auf Nahrungsmittelallergien und Nahrungsmittelunverträglichkeiten im Kontext einer möglichen Implementierung in eine Applikation im Sinne des Verbraucherschutzes. Hierfür wurden wissenschaftliche Informationen zu adversen Reaktionen gegenüber Lebensmittelinhaltsstoffen und potentiellen Triggersubstanzen zusammengetragen und mögliche Implementierungsstrategien evaluiert. Für Nahrungsmittelallergene, welche spezielle regulatorische Voraussetzungen im Sinne von Beschriftung und Deklaration besitzen, wurde eine Strategie ausgearbeitet, welche die Notwendigkeit der Informationen von Zutatenliste, der Verknüpfung der Signalwörter ’enthält’ und dem entsprechenden Allergen wie auch den Namen des Produktes beinhaltet. Zutaten und Inhaltsstoffe, die Nahrungsmittelunverträglichkeiten hervorrufen können, haben keine speziellen regulatorischen Voraussetzungen. Limitierungen einer möglichen Implementierung von Nahrungsmittelunverträglichkeiten in die Applikation wurden im Rahmen dieser Arbeit aufgezeigt. Aufgrund der Komplexizität der Implementierung einer jeder einzelnen Nahrungsmittelunverträglichkeit in die Applikation sollte für jede einzelne ausgewählte Unverträglichkeit ein individuelles Konzept entwickelt werden.

RNA helicases are key players in the regulation of gene expression. They act by remodeling local RNA secondary structures as well as RNA-protein interactions to enable the dynamic association of RNA binding proteins to their targets. The putative RNA helicase DHX30 is a member of the family of DEAH-box helicases with a putative role in the ATP-dependent unwinding of RNA secondary structures. Mutations in the DHX30 gene causes the autosomal dominant neuronal disease “Neurodevelopmental Disorder with severe Motor Impairment and Absent Language” (NEDMIAL;OMIM#617804). In this thesis, a strategy was established that enabled the large-scale purification of enzymatically active DHX30. Through enzymatic studies performed in vitro, DHX30 was shown to act as an ATP-dependent 3’ → 5’ RNA helicase that catalyzes the unwinding of RNA:RNA and RNA:DNA substrates. Using recombinant DHX30, it could be shown that disease-causing missense mutations in the conserved helicase core caused the disruption of its ATPase and helicase activity. The protein interactome of DHX30 however, was unchanged indicating that the pathogenic missense-mutations do not cause misfolding of DHX30, but rather specifically affect its catalytic activity. DHX30 localizes predominantly in the cytoplasm where it forms a complex with ribosomes and polysomes. Using a cross-linking mass spectrometry approach, a direct interaction of the N-terminal double strand RNA binding domain of DHX30 with sites next to the ribosome’s mRNA entry channel and the subunit interface was uncovered. RNA sequencing of DHX30 knockout cells revealed a strong de-regulation of mRNAs involved in neurogenesis and nervous system development, which is in line with the NEDMIAL disease phenotype. The knockdown of DHX30 results in a decreased 80S peak in polysome gradients, indicating that DHX30 has an effect on the translation machinery. Sequencing of the pool of active translating mRNAs revealed that upon DHX30 knockout mainly 5’TOP mRNAs are downregulated. These mRNAs are coding for proteins of the translational machinery and translation initiation factors. This study identified DHX30 as a factor of the translation machinery that selectively impacts the expression of a subset of proteins and provides insight on the etiology of NEDMIAL. / RNA-Helikasen sind Schlüsselfaktoren bei der Regulierung der Genexpression. Sie remodellieren RNA-Sekundärstrukturen und RNA-Protein Interaktionen und dadurch die dynamische Interaktion von RNA-bindenden Proteinen mit deren Substraten. Die putative RNA-Helikase DHX30 ist Mitglied der DEAH-box Helikasen, welche in Abhängigkeit von ATP in der Lage sind, RNA-Sekundärstrukturen aufzulösen. Mutationen im DHX30 Gen verursachen die autosomal-dominante neuronale Krankheit “Neurodevelopmental Disorder with Severe Motor Impairment and Absent Language” (NEDMIAL; OMIM#617804). In dieser Arbeit wurde eine Aufreinigungs-Strategie etabliert, um im präparativen Maßstab enzymatisch-aktives DHX30 Protein zu gewinnen. Mit dem aufgereinigten Protein wurden enzymatische Experimente durchgeführt, wodurch DHX30 als ATP abhängige RNA-Helikase charakterisiert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass es in der Lage ist RNA:RNA sowie RNA:DNA Substrate in einer 3’ → 5’ Richtung zu entwinden. Mithilfe des rekombinanten Proteins konnte weiter gezeigt werden, dass krankheitsverursachende Mutationen im hoch-konservierten Helikase-Kern von DHX30 zur Beeinträchtigung der ATPase und Helikase-Aktivität des Proteins führen. Des Weiteren ergab sich, dass das Protein-Interaktom der DHX30 Mutanten sich im Vergleich zum Wildtyp nicht verändert, was impliziert, dass die Mutationen nicht zu einer Missfaltung des Proteins, sondern dessen katalytische Aktivität inhibieren. DHX30 lokalisiert hauptsächlich im Cytoplasma und bildet dort einen Proteinkomplex mit Ribosomen und Polysomen. Mittels eines cross-linking mass spectrometry-Experiments konnte eine direkte Interaktion von DHX30 mit Stellen der ribosomalen mRNA Eintrittsstelle und dem Interface der ribosomalen Untereinheiten identifiziert werden. Die RNA Sequenzierung von DHX30-deletieren Zellen zeigte eine starke Deregulierung von mRNAs welche für die Entwicklung des Nervensystems und in der Neurogenese eine Rolle spielen, was mit dem Krankheits-Phänotyp von NEDMIAL korreliert. Weiter konnte gezeigt werden, dass es in DHX30-deletierten Zellen zur Abnahme von 80S Ribosomen in Polysomen-Gradienten kommt, was auf eine Funktion von DHX30 während der Translation schließen lässt. Durch das Sequenzieren aktiv translatierender mRNAs zeigte sich, dass der KO von DHX30 zur Abnahme von 5‘TOP mRNAs führt. Diese mRNAs kodieren für Proteine der Translations-Maschinerie und für Translations-Initiations Faktoren. Diese Studie identifiziert DHX30 als Faktor der Translations-Maschinerie, der selektiv die Expression einer mRNA-Untergruppe beeinflusst und Einblicke in die Ätiologie von NEDMIAL liefert.

In all the projects presented, it is evident that the selection of suitable separation conditions is only one side of the coin. Equally crucial in the development of methods for the quality assessment of APIs/drugs is the right detection system. The application of CAD as an alternative to UV detection at low wavelength of the two weak chromophore main degradation products of the very polar, zwitterionic API carbocisteine requires the volatility of the mobile phase. Therefore, as a substitute for the non-volatile ion pairing reagent tetrabutylammonium hydroxide (TBAOH), six different volatile alkylamines as well as a RP/SAX mixed-mode column were evaluated. The best selectivity and separation performance comparable to TBAOH was achieved with the RP/SAX column and a mixture of formic acid and trifluoroacetic acid. For the simultaneous optimisation of the evaporation temperature of the CAD as a function of two chromatographic parameters, a central composite design was chosen and the “desirability function” was subsequently applied for modelling. In addition, column bleeding was investigated with a second RP/SAX column (different batch) with the result that the acetonitrile percentage had to be adjusted and preconditioning by injection of concentrated samples is essential. The final mixed-mode method was finally validated with both columns according to the ICH Q2 (R1) guideline. Based on this, an MS-compatible method was developed with little effort using an identical RP/SAX column in UPLC dimension for the untargeted analysis by HRMS of two carbocisteine-containing prototype syrup formulations. For a comprehensive characterisation, HRMS and MS/HRMS data were recorded simultaneously by information dependent acquisition mode. Based on the exact masses, isotope patterns and an in silico plausibility check of the fragment spectra, the prediction of the structures of the unknown impurities was possible. In both syrup samples, which had been stored for nine months at 40 °C and 75 % r.h., two additional impurities of carbocisteine (i.e. lactam of the sulfoxides and disulphide between cysteine and thioglycolic acid) were identified by comparison with the corresponding prototype placebo samples using general unknown comparative screening. In addition, the formation of Maillard products by binary mixtures with 13C-labelled sugars was revealed in the sucrose-containing formulation. For the promising hyphenation of the UV detector with the CAD for the simultaneous detection of all UV-active impurities of the cholesterol-lowering drug simvastatin and the only weak chromophore dihydrosimvastatin, the Ph. Eur. method had to be adapted. Besides replacing phosphoric acid with trifluoroacetic acid, the gradient also had to be adjusted and a third critical peak pair was observed. Based on validation experiments (according to the ICH Q2 (R1) guideline), the suitability of the CAD for sensitive detection (LOQ = 0.0175 % m/m) was proven.  To further investigate the robustness of the adapted method and CAD, a Plackett-Burman design was chosen. None of the factors had a statistically significant effect on the S/N of the CAD in the ranges tested. Regarding the three critical peak pairs, on the other hand, the factors to be controlled were statistically established, so that a targeted correction is possible if the system suitability test is not passed. The idea of employing a hyphenated UV-CAD system was finally applied to the structurally closely related lovastatin and its specified impurity dihydrolovastatin. Here, the CAD showed a significantly better S/N compared to the compendial UV detection at 200 nm. The suitability of CAD for the analysis of non-volatile fatty acids in polysorbate 80 (PS80) as favourable alternative to the Ph. Eur. GC method (no time-consuming, error-prone and toxic derivatisation) has already been demonstrated. The aim of this project was therefore to develop a robust method with a focus on the AQbD principles, which can be used for the analysis of other excipients with similar fatty acid composition. After the definition of the analytical target profile and a risk assessment by means of an Ishikawa diagram, a suitable C18 column and the chromatographic framework conditions (formic acid concentration and initial/final gradient conditions) were selected after only few preliminary runs. The remaining critical method parameters were then investigated with the help of DoE and RSM. Using the obtained model equations, Monte Carlo simulations were performed to create the method operable design region as a region of theoretical robustness. After validation according to ICH Q2 (R1), the fatty acid composition of a magnesium stearate batch was successfully analysed as a further application example in addition to PS80. The CAD was able to prove its potential in all the issues investigated in the context of this doctoral thesis. As a cost-effective alternative compared to MS instruments, it thus closes a gap in the quality assessment of APIs or excipients without a suitable chromophore. The easy method transfer to (HR)MS instruments also allows for a unique degree of sample characterisation through untargeted approaches in case of new impurities. For resource- and time-efficient work, the possibilities and limitations of software tools for method development and data evaluation as well as the application of risk-based approaches such as AQbD should also be considered. / In allen vorgestellten Projekten wird deutlich, dass die Auswahl geeigneter Trennbedingungen nur eine Seite der Medaille darstellen. Ebenso entscheiden bei der Entwicklung von Methoden zur Qualitätsbeurteilung von Wirkstoffen und Arzneimitteln ist das richtige Detektionssystem. Die Verwendung des CAD als Alternative zur UV-Detektion bei niedriger Wellenlänge der beiden schwach chromophoren Hauptabbauprodukte des sehr polaren, zwitterionischen Wirkstoffs Carbocystein erfordert die Flüchtigkeit der mobilen Phase. Daher wurden als Ersatz für das nichtflüchtige Ionenpaarreagenz Tetrabutylammoniumhydroxid (TBAOH) sechs verschiedene flüchtige Alkylamine sowie eine RP/SAX Mixed-Mode-Säule untersucht. Die Beste mit TBAOH vergleichbare Selektivität und Trennleistung wurde mit der RP/SAX-Säule und einer Mischung aus Ameisensäure und Trifluoressigsäure erreicht. Für die gleichzeitige Optimierung der Verdampfungstemperatur des CAD in Abhängigkeit von zwei chromatographischen Parametern wurde ein zentral zusammengesetztes Versuchsdesign gewählt und anschließend die desirability function zur Modellierung eingesetzt. Darüber hinaus wurde das Säulenbluten mit einer zweiten RP/SAX-Säule (einer anderen Charge) untersucht, mit dem Ergebnis, dass der Acetonitrilanteil angepasst werden musste und eine Vorkonditionierung durch Injektion konzentrierter Proben unerlässlich ist. Die endgültige Mixed-Mode-Methode wurde schließlich mit beiden Säulen gemäß der ICH-Richtlinie Q2 (R1) validiert. Darauf aufbauend konnte mit geringem Aufwand ein MS-kompatibles Methode mit einer identischen RP/SAX-Säule in UPLC-Dimension für die ungezielte HRMS-Analyse von zwei Carbocystein-haltigen Sirup-Prototypformulierungen entwickelt werden. Für eine umfassende Charakterisierung wurden HRMS- und MS/HRMS-Daten gleichzeitig im information dependent analysis-Modus aufgenommen. Anhand der exakten Massen, Isotopenmuster und In-silico-Plausibilitätsprüfung der Fragmentspektren war die Vorhersage der Strukturen der unbekannten Verunreinigungen möglich. In den beiden Sirupproben, die neun Monate lang bei 40 °C und 75 % r.F. gelagert worden waren, wurden zwei zusätzliche Verunreinigungen von Carbocystein (sprich das Lactam der Sulfoxide und das Disulfid zwischen Cystein und Thioglykolsäure) durch Vergleich mit den entsprechenden Prototyp-Placeboproben mittels general unknown comparative screening identifiziert. Darüber hinaus wurde die Bildung von Maillard-Produkten durch binäre Mischungen mit 13C-markierten Zuckern in der Saccharose-haltigen Formulierung bestätigt. Für die vielversprechende Kopplung des UV-Detektors mit dem CAD zum gleichzeitigen Nachweis aller UV-aktiven Verunreinigungen des Cholesterinsenkers Simvastatin und des nur schwach chromophoren Dihydrosimvastatins musste die Ph. Eur.-Methode angepasst werden.  Neben dem Austausch von Phosphorsäure durch Trifluoressigsäure musste auch der Gradient geändert werden, und es wurde ein drittes kritisches Peakpaar beobachtet. Anhand von Validierungsexperimenten (gemäß der ICH Q2 (R1) Richtlinie) wurde die Eignung des CAD für einen empfindlichen Nachweis (LOQ = 0.0175 % m/m) bewiesen. Um die Robustheit der angepassten Methode und des CAD näher zu untersuchen, wurde ein Plackett-Burman-Design gewählt. Keiner der Faktoren hatte einen statistisch signifikanten Einfluss auf das S/N des CAD in den getesteten Bereichen. Für die drei kritischen Peakpaare hingegen wurden die zu kontrollierenden Faktoren statistisch ermittelt, sodass eine gezielte Korrektur möglich ist, wenn der Systemeignungstest nicht bestanden wird. Die Idee der Verwendung eines kombinierten UV-CAD-Systems wurde schließlich auf das strukturell eng verwandte Lovastatin und dessen spezifizierte Verunreinigung Dihydrolovastatin angewendet. Hier zeigte der CAD ein deutlich besseres S/N im Vergleich zur kompendialen UV-Detektion bei 200 nm. Die Eignung von CAD für die Analyse von nichtflüchtigen Fettsäuren in Polysorbat 80 (PS80) als vorteilhafte Alternative zur GC-Methode im Ph. Eur. (keine zeitaufwändige, fehleranfällige und toxische Derivatisierung) wurde bereits gezeigt. Ziel dieses Projekts war es daher, eine robuste Methode zu entwickeln, die sich an den Prinzipien des AQbD orientiert und auch für die Analyse weiterer Hilfsstoffe mit ähnlicher Fettsäurezusammensetzung eingesetzt werden kann. Nach der Definition des analytical target profiles und einer Risikobewertung mit einem Ishikawa-Diagramms wurden nach nur wenigen Vorversuchen eine geeignete C18-Säule und die chromatographischen Rahmenbedingungen (Ameisensäurekonzentration und Anfangs-/Endbedingungen des Gradienten) ausgewählt. Die übrigen kritischen Methodenparameter wurden dann mit Hilfe von DoE und RSM untersucht. Unter Verwendung der erhaltenen Modellgleichungen wurden Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt, um die Method Operable Design Region als Zone der theoretischen Robustheit zu erstellen. Nach der Validierung gemäß ICH Q2 (R1) wurde als weiteres Anwendungsbeispiel neben PS80 auch die Fettsäurezusammensetzung einer Magnesiumstearat-Charge erfolgreich analysiert. Das CAD konnte sein Potential in allen im Rahmen dieser Dissertation untersuchten Fragestellungen unter Beweis stellen. Als kostengünstige Alternative zu MS-Geräten schließt es damit eine Lücke bei der Qualitätsbewertung von Wirk- oder Hilfsstoffen ohne geeignetes Chromophor. Der einfache Methodentransfer auf (HR)MS-Instrumente ermöglicht zudem einen einzigartigen Grad der Probencharakterisierung durch ungezielte Ansätze im Falle neuer Verunreinigungen. Für ein ressourcen- und zeiteffizientes Arbeiten sollten zudem die Möglichkeiten und Grenzen von Softwaretools für die Methodenentwicklung und Datenauswertung sowie die Anwendung risikobasierter Ansätze wie AQbD bedacht werden.

Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von funktionalisierbaren Hydrogel Beschichtungen für Schmelz-elektrogeschriebene PCL Gerüste und von Bio-druckbaren Hydrogelen für die Biofabrikation. Hydrogel Beschichtungen von Schmelz-elektrogeschriebenen Konstrukten ermöglichten die Kontrolle der Oberflächen-Hydrophilie und damit Zell-Material Interaktionsstudien in minimal Protein-adhäsiven Umgebungen. Zu diesem Zweck wurde ein hydrophiles sternförmiges vernetzbares Polymer verwendet und eine Optimierung der Beschichtungsbedingungen durchgeführt. Außerdem boten neu entwickelte photosensitive Konstrukte eine Zeit- und pH-unabhängige Biofunktionalisierung. Bio-druckbare Hydrogele für die Biofabrikation basierten auf der Allyl-Funktionalisierung von Gelatine (GelAGE) und modifizierten Hyaluronsäure-Produkten, die das Hydrogel-Vernetzen mittels Thiol-En Click Chemie ermöglichen. Die Optimierung der GelAGE Hydrogel-Eigenschaften wurde durch eine detaillierte Analyse der Syntheseparameter, variierender En:SH Verhältnisse, unterschiedlicher Vernetzungsmoleküle und Photoinitiatoren erreicht. Die Homogenität der Thiol-En Netzwerke wurde mit denen der freien radikalischen Polymerisation verglichen und die Verwendbarkeit von GelAGE als Bio-Tinte für den Extrusions-basierten Bio-Druck wurde untersucht. Es wurde angenommen, dass reine Hyaluronsäure-basierte Bio-Tinten eine Beibehaltung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften, der Zellviabilität und der Prozessierbarkeit ermöglichen trotz geringerem Polymer- und Thiol-Anteil der Hydrogele. Hydrogel-Beschichtungen: Hoch definierte PCL Gerüste wurden mittels MEW hergestellt und anschließend mit sechs armigen sternförmigen vernetzbaren Polymeren (sP(EO-stat-PO)) beschichtet. Die Vernetzung wird durch die wässrig-induzierte Hydrolyse reaktiver Isocyanatgruppen (NCO) von sP(EO-stat-PO) bedingt. Diese Beschichtung erhöhte die Oberflächen-Hydrophilie und stellte eine Plattform für weitere Biofunktionalisierungen, in minimal Protein-adhäsiven Umgebungen, dar. Nicht nur das Beschichtungsprotokoll wurde hinsichtlich der sP(EO-stat-PO) Konzentrationen und der Beschichtungsdauern optimiert, sondern auch Vorbehandlungen der Gerüste wurden entwickelt. Diese waren essentiell um die finale Hydrophilie von sP(EO-stat-PO) beschichteten Gerüste so zu erhöhen, dass unspezifische Protein-Adhäsionen vollständig unterbunden wurden. Die sP(EO-stat-PO) Schichtdicke, von ungefähr 100 nm, ermöglicht generell in vitro Studien nicht nur in Abhängigkeit der Gerüst-Biofunktionalisierung, sondern auch in Abhängigkeit der Gerüst-Architektur durchzuführen. Das Ausmaß der Hydrogel-Beschichtung wurde mittels einer indirekten Quantifizierung der NCO-Hydrolyse-Produkte ermittelt. Kenntnis über die NCO-Hydrolyse-Kinetik ermöglichte ein Gleichgewicht zwischen ausreichend beschichteten Gerüsten und der Präsenz der NCO-Gruppen herzustellen, welche für die anschließenden Biofunktionalisierungen genutzt wurden. Diese Zeit- und pH-abhängige Biofunktionalisierung war jedoch nur für kleine Biomoleküle möglich. Um diese Beschränkung zu umgehen und auch hochmolekulare Biomoleküle kovalent anzubinden, wurde ein anderer Reaktionsweg entwickelt. Dieser basierte auf der Photolyse von Diazirin-Gruppen und ermöglichte eine Zeit- und pH-unabhängige Biofunktionalisierung der Gerüste mit Streptavidin und Kollagen Typ I. Die Fibrillen bildende Eigenschaft von Kollagen wurde genutzt um auf den Gerüsten verschiedene Kollagen-Konformationen zu erhalten und eine erste in vitro Studie bestätigte die Anwendbarkeit für Zell-Material Interaktionsstudien. Die hier entwickelten Gerüste könnten verwendet werden um tiefere Einblicke in die Grundlagen der zellulären Wahrnehmung zu erhalten. Insbesondere die Komplexität mit der Zellen z.B. Kollagen wahrnehmen bleibt weiterhin klärungsbedürftig. Hierfür könnten diverse Hierarchien von Kollagen-ähnlichen Konformationen an die Gerüste gebunden werden, z.B. Gelatine oder Kollagen-abgeleitete Peptidsequenzen. Dann könnte die Aktivierung der DDR-Rezeptoren in Abhängigkeit der Komplexität der angebundenen Substanzen bestimmt werden. Aufgrund der starken Streptavidin-Biotin Bindung könnten Streptavidin funktionalisierte Gerüste eine vielseitige Plattform für die Immobilisierung von jeglichen biotinylierten Molekülen darstellen. Gelatine-basierte Bio-Tinten: Zuerst wurden die GelAGE-Produkte hinsichtlich der Molekulargewichts-Verteilung und der Integrität der Aminosäuren-Zusammensetzung synthetisiert. Eine detailliert Studie, mit variierenden molaren Edukt-Verhältnissen und Synthese-Zeitspannen, wurde durchgeführt und implizierte, dass der Gelatine Abbau am deutlichsten für stark alkalische Synthesebedingungen mit langen Reaktionszeiten war. Gelatine beinhaltet mehrere funktionalisierbare Gruppen und anhand diverser Model-Substanzen und Analysen wurde die vorrangige Amingruppen-Funktionalisierung ermittelt. Die Homogenität des GelAGE-Polymernetzwerkes, im Vergleich zu frei radikalisch polymerisierten GelMA-Hydrogelen, wurde bestätigt. Eine ausführliche Analyse der Hydrogel-Zusammensetzungen mit variierenden funktionellen Gruppen Verhältnissen und UV- oder Vis-Licht induzierbaren Photoinitiatoren wurde durchgeführt. Die UV-Initiator Konzentration ist aufgrund der Zell-Toxizität und der potenziellen zellulären DNA-Beschädigung durch UV-Bestrahlung eingeschränkt. Das Zell-kompatiblere Vis-Initiator System hingegen ermöglichte, durch die kontrollierte Photoinitiator-Konzentration bei konstanten En:SH Verhältnissen und Polymeranteilen, die Einstellung der mechanischen Eigenschaften über eine große Spanne hinweg. Die Flexibilität der GelAGE Bio-Tinte für unterschiedliche additive Fertigungstechniken konnte, durch Ausnutzung des temperaturabhängigen Gelierungsverhaltens unterschiedlich stark degradierter GelAGE Produkte, für Stereolithographie und Extrusions-basiertem Druck bewiesen werden. Außerdem wurde die Viabilität zellbeladener GelAGE Konstrukte bewiesen, die mittels Extrusions-basiertem Bio-Druck erhalten wurden. Die Verwendung diverser multifunktioneller und makromolekularer Thiol-Vernetzungsmoleküle ermöglichte eine Verbesserung der mechanischen und rheologischen Eigenschaften und ebenso der Prozessierbarkeit. Verglichen mit dem kleinen bis-Thiol-funktionellen Vernetzungsmolekül waren geringere Thiol-Vernetzer-Konzentrationen notwendig um bessere mechanische Festigkeiten und physikochemische Eigenschaften der Hydrogele zu erhalten. Der Extrusions-basierte Bio-Druck unterschiedlicher eingekapselter Zellen verdeutlichte die Notwendigkeit der individuellen Optimierung von Zell-beladenen Hydrogel-Formulierungen. Nicht nur die Zellviabilität von eingekapselten Zellen in Extrusions-basierten biogedruckten Konstrukten sollte bewertet werden, sondern auch andere Parameter wie die Zellmorphologie oder die Kollagen- oder Glykosaminoglykan-Produktion, da diese einige der essentiellen Voraussetzungen für die Verwendung in Knorpel Tissue Engineering Konzepten darstellen. Außerdem sollten diese Studien auf die stereolithographischen Ansätze erweitert werden und letztlich wäre die Flexibilität und Zellkompatibilität der Formulierungen mit makromolekularen Vernetzern von Interesse. Makromolekulare Vernetzer ermöglichten die Reduktion des Polymeranteils und des Thiol-Gehalts und können, insbesondere in Kombination mit dem Zell-kompatibleren Vis-Initiator-System, voraussichtlich zu einer gesteigerten Zellkompatibilität beitragen, was zu klären bleibt. Hyaluronsäure-basierte Bio-Tinten: Unterschiedliche Hyaluronsäure-Produkte (HA) wurden synthetisiert, sodass diese En- (HAPA) oder Thiol-Funktionalitäten (LHASH) beinhalteten, um reine HA Thiol-En vernetzte Hydrogele zu erhalten. In Abhängigkeit des Molekulargewichts der HA-Produkte, der Polymeranteile und des En:SH Verhältnisses, konnte eine große Spanne an mechanischen Festigkeiten abgedeckt werden. Aufgrund der hohen Viskosität war allerdings im Falle von hochmolekularen HA (HHAPA) Produkt-Lösungen (HHAPA + LHASH) die Handhabbarkeit auf 5.0 wt.-% beschränkt. Die Verwendung der gleichen HA Thiol-Komponenten (LHASH) ermöglichte Hybrid-Hydrogele, mit HA und GelAGE, mit reinen HA-Hydrogelen zu vergleichen. Obwohl der Polymeranteil von HHAPA + LHASH Hydrogelen signifikant geringer war, als im Vergleich zu Hybrid-Hydrogelen (GelAGE + LHASH), wurden für gleiche En:SH Verhältnisse ähnliche mechanische und physikochemische Eigenschaften reiner HA-Hydrogele bestimmt. Aufgrund der geringen Viskosität niedermolekularer HA Lösungen (LHAPA + LHASH) konnten diese nicht für den Extrusions-basierten Druck verwendet werden. Das nicht temperaturabhängige HHAPA + LHASH System hingegen konnte mit nur einem Viertel des Polymeranteils der Hybrid Formulierungen gedruckt werden. Im Vergleich zu der Hybrid Bio-Tinte wurde angenommen, dass das hoch viskose Verhalten von HHAPA + LHASH Lösungen, der geringere Polymeranteil, der geringere Druck für das Drucken und eine demzufolge geringere Scherspannung, maßgeblich zu der hohen Zellviabilität in Extrusions-basiert-biogedruckten Konstrukten beisteuerten. Die niedrigmolekulare HA Formulierung (LHAPA + LHASH) konnte zwar nicht für den Extrusions-basierten Druck verwendet werden, allerdings besitzt dieses System Potential für andere additive Fertigungstechniken wie z.B. der Stereolithographie. Um dieses System weiterzuentwickeln wäre, analog zu dem GelAGE System, eine detailliertere Studie zu den Funktionen eingekapselter Zellen hilfreich. Außerdem sollte die Initiierung dieses Systems mit dem Vis-Initiator untersucht werden. / Aim of this thesis was the development of functionalizable hydrogel coatings for melt electrowritten PCL scaffolds and of bioprintable hydrogels for biofabrication. Hydrogel coatings of melt electrowritten scaffolds enabled to control the surface hydrophilicity, thereby allowing cell-material interaction studies of biofunctionalized scaffolds in minimal protein adhesive environments. For this purpose, a hydrophilic star- shaped crosslinkable polymer was used and the coating conditions were optimized. Moreover, newly developed photosensitive scaffolds facilitated a time and pH independent biofunctionalization. Bioprintable hydrogels for biofabrication were based on the allyl-functionalization of gelatin (GelAGE) and modified hyaluronic acid-products, to enable hydrogel crosslinking by means of the thiol-ene click chemistry. Optimization of GelAGE hydrogel properties was achieved through an in-depth analysis of the synthesis parameters, varying Ene:SH ratios, different crosslinking molecules and photoinitiators. Homogeneity of thiol-ene crosslinked networks was compared to free radical polymerized hydrogels and the applicability of GelAGE as bioink for extrusion-based bioprinting was investigated. Purely hyaluronic acid-based bioinks were hypothesized to maintain mechanical- and rheological properties, cell viabilities and the processability, upon further decreasing the overall hydrogel polymer and thiol content. Hydrogel coatings: Highly structured PCL scaffolds were fabricated with MEW and subjected to coatings with six-armed star-shaped crosslinkable polymers (sP(EO-stat-PO)). Crosslinking results from the aqueous induced hydrolysis of reactive isocyanate groups (NCO) of sP(EO-stat-PO) and increased the surface hydrophilicity and provided a platform for biofunctionalizations in minimal protein adhesive environments. Not only the coating procedure was optimized with respect to sP(EO-stat-PO) concentrations and coating durations, instead scaffold pre-treatments were developed, which were fundamental to enhance the final hydrophilicity to completely avoid unspecific protein adsorption on sP(EO-stat-PO) coated scaffolds. The sP(EO-stat-PO) layer thickness of around 100 nm generally allows in vitro studies not only in dependence on the scaffold biofunctionalization but also on the scaffold architecture. The hydrogel coating extent was assessed via an indirect quantification of the NCO-hydrolysis products. Knowledge of NCO-hydrolysis kinetics enabled to achieve a balance of sufficiently coated scaffolds while maintaining the presence of NCO-groups that were exploited for subsequent biofunctionalizations. However, this time and pH dependent biofunctionalization was restricted to small biomolecules. In order to overcome this limitation and to couple high molecular weight biomolecules another reaction route was developed. This route was based on the photolysis of diazirine moieties and enabled a time and pH independent scaffold biofunctionalization with streptavidin and collagen type I. The fibril formation ability of collagen was used to obtain different collagen conformations on the scaffolds and a preliminary in vitro study demonstrated the applicability to investigate cell-material interactions. The herein developed scaffolds could be applied to gain deeper insights into the fundamentals of cellular sensing. Especially the complexity by which cells sense e.g. collagen remain to be further elucidated. Therefore, different hierarchies of collagen-like conformations could be coupled to the scaffolds, e.g. gelatin or collagen-derived peptide sequences, and the activation of DDR receptors in dependence on the complexity of the coupled substances could be determined. Due to the strong streptavidin-biotin bond, streptavidin functionalized scaffolds could be applied as a versatile platform to allow immobilization of any biotinylated molecules. Gelatin-based bioinks: First the GelAGE products were synthesized with respect to molecular weight distributions and amino acid composition integrity. A detailed study was conducted with varying molar ratios of reactants and synthesis durations and implied that gelatin degradation was most dominant for high alkaline synthesis conditions with long reaction times. Gelatin possesses multiple functionalizable groups and the predominant functionalization of amine groups was confirmed via different model substances and analyses. Polymer network homogeneity was proven for the GelAGE system compared to free radical polymerized hydrogels with GelMA. A detailed analysis of hydrogel compositions with varying functional group ratios and UV- or Vis-light photoinitiators was executed. The UV-initiator concentration is restricted due to cytotoxicity and potential cellular DNA damages upon UV-irradiation, whereas the more cytocompatible Vis- initiator system enabled mechanical stiffness tuning over a wide range by controlling the photoinitiator concentration at constant Ene:SH ratios and polymer weight percentages. Versatility of the GelAGE bioink for different AM techniques was proved by exploiting the thermo-gelling behavior of differently degraded GelAGE products for stereolithography and extrusion-based printing. Moreover, the viability of cell-laden GelAGE constructs was demonstrated for extrusion-based bioprinting. By applying different multifunctional thiol-macromolecular crosslinkers the mechanical and rheological properties improved concurrently to the processability. Importantly, lower thiol-crosslinker concentrations were required to yield superior mechanical strengths and physico-chemical properties of the hydrogels as compared to the small bis-thiol-crosslinker. Extrusion-based bioprinting with distinct encapsulated cells underlined the need for individual optimization of cell-laden hydrogel formulations. Not only the viability of encapsulated cells in extrusion-based bioprinted constructs should be assessed, instead other parameters such as cell morphology or production of collagen or glycosaminoglycans should be considered as these represent some of the crucial prerequisites for cartilage Tissue Engineering applications. Moreover, these studies should be expanded to the stereolithographic approach and ultimately the versatility and cytocompatibility of formulations with macromolecular crosslinkers would be of interest. Macromolecular crosslinkers allowed reducing polymer weight percentages and amounts of thiol groups and are thus expected to contribute to increased cytocompatibility, especially in combination with the more cytocompatible Vis-initiator system, which remains to be elucidated. Hyaluronic acid-based bioinks: Different molecular weight hyaluronic acid (HA) products were synthesized to bear ene- (HAPA) or thiol-functionalities (LHASH) to enable pure HA thiol-ene crosslinked hydrogels. Depending on the molecular weight of modified HA products, polymer weight percentages and Ene:SH ratios, a wide range of mechanical stiffness was covered. However, the manageability of high molecular weight HA (HHAPA) product solutions (HHAPA + LHASH) was restricted to 5.0 wt.-% as a consequence of the high viscosity. Based on the same HA thiol component (LHASH), hybrid hydrogels of HA with GelAGE were compared to pure HA hydrogels. Although the overall polymer weight percentage of HHAPA + LHASH hydrogels was significantly lowered compared to hybrid hydrogels (GelAGE + LHASH), similar mechanical and physico-chemical properties of pure HA hydrogels were determined with maintained Ene:SH ratios. Low viscous low molecular weight HA precursor solutions (LHAPA + LHASH) prevented the applicability for extrusion-based bioprinting, whereas the non-thermoresponsive HHAPA + LHASH system could be bioprinted with only one-fourth of the polymer content of hybrid formulations. The high viscous behavior of HHAPA + LHASH solutions, lower polymer weight percentages, decreased printing pressures and consequently declined shear stress during printing, were hypothesized to contribute to high cell viabilities in extrusion-based bioprinted constructs compared to the hybrid bioink. The low molecular weight HA precursor formulation (LHAPA + LHASH) was not applicable for extrusion-based printing, but this system has potential for other AM techniques such as stereolithography. Similar to the GelAGE system a more detailed study on the functions of encapsulated cells would be useful to further develop this system. Moreover, the initiation with the Vis-initiator should be conducted.