Infektionen medizinscher Titanoberflächen stellen ein aktuelles Problem in der rekonstruktiven Medizin dar. Dabei wird oft versucht, diesem Problem mit systemischer Antibiotikaanwendung zu begegnen, die jedoch Resistenzentstehung begünstigt und am Ort der Infektion nur einen oft unzureichenden Wirkspiegel ermöglicht. Eine mögliche Verbesserung wir hierbei in lokaler Wirkstofffreisetzung gesehen. Gegenstand dieser Arbeit war die Modifikation medizinischer Titanoberflächen mittels Anodisierung in fluoridhaltigen Elektrolyten und die Abschätzung ihres Potentials hinsichtlich der Einlagerung und der Freisetzung ausgewählter antibakteriell wirksamer Substanzen. Durch die Anodisierung der Titanoberflächen konnten Titannanotubes aus Titanoxiden mit Röhrenlängen von bis zu 6,54 m und Röhrendurchmessern von bis zu 160 nm erzeugt werden. Als Modellwirkstoffe wurden das noch heute als Reserveantibiotikum gegen manche Problemkeime geltende Chemotherapeutikum Vancomycin, sowie Silber als Element mit breiter antibakterieller Wirkung, verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Oberflächenvergrößerung, die sich aus der Entstehung von nanotubeförmigem Titanoxid ergab, im Vergleich zu nicht anodisierten Referenzproben um bis zu 447 % mehr Wirkstoff eingelagert werden konnte. In der Freisetzungskinetik von Vancomycin zeigten sich oberflächenabhängig deutliche Unterschiede. Dabei setzten Titanoberflächen, die in einem Elektrolyten auf Wasserbasis anodisiert worden waren, den adsorbierten Wirkstoff schneller frei als die Referenzproben, während das Vancomycin auf Oberflächen, die in einem Elektrolyten auf Ethylenglycolbasis modifiziert worden waren, deutlich retardiert über einen Zeitraum von circa 305 Tagen freigesetzt wurde. Des weiteren wurde Silber in Proben eingelagert, die in einem Elektrolyten auf Wasserbasis anodisiert worden waren. Auch für Silber resultierte eine deutliche Steigerung der Gesamtmenge des adsorbierten Wirkstoffs um bis zu 229 %. Dabei war seine Freisetzung, verglichen mit der Referenzprobe, deutlich verzögert. Durch die Anodisierung der Titanproben in fluoridhaltigen Elektrolyten konnten Oberflächen erzeugt werden, die entsprechend ihrer Morphologie verschiedene Wirkstoffbeladungen und Freisetzungskinetiken ermöglichen. Hinsichtlich der unterschiedlichen Anforderungen in der klinischen Medizin nach Abgabemenge und Abgabekinetik antibakteriell wirksamer Substanzen zur postoperativen Infektionsprävention offerieren diese Oberflächenmodifikationen ein hohes Potential für die Erzeugung schnell verfügbarer und kostengünstiger Drug-Release-Systeme. / Infection of medical titanium surfaces is one important problem in modern medicine, especially orthepedics and dentistry. In the present work titanium surfaces were modified by anodisation. Titanium nanotube formations of different shape were obtained. These surfaces were modified with example drugs (vancomycin and silver ions) for drug-release. Drug-release was measured and compered.

Die Immobilisierung von Oligo(ethylenglykol)-derivaten an Oberflächen von Metallen ist ein viel versprechender Ansatz, um unspezifische Adsorptionen von Proteinen, Bakterien und Zellen zu minimieren bzw. zu verhindern. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Entwicklung, Darstellung, Charakterisierung sowie Applikation maßgeschneiderter, self-assembly-fähiger Moleküle, die gezielt auf TiO2- und nicht auf SiO2-Oberflächen anbinden. Die resultierenden Monoschichten (SAMs) wiesen eine Biokompatibilität sowie Biofunktionalität auf. Dazu wurden neue bisher noch nicht beschriebene Moleküle entwickelt, die auf einer Kombination von funktionalisierten Oligo(ethylenglykol)-Einheiten mit Monoalkylphosphorsäure- und Alkylphosphonsäurederivaten basieren. Diese Verbindungen konnten durch die Anwendung der Self-Assembly-Technik erfolgreich aus wässriger Lösung auf TiO2-Substrate adsorbiert werden. Die hergestellten, ultradünnen monomolekularen Schichten wurden mit verschiedenen analytischen Methoden, wie Spektroskopische Ellipsometrie, winkelabhängiger XPS und SPR-Spektroskopie charakterisiert. Durch eine gezielte Anbindung an TiO2-Oberflächen und einer stabilen Ausbildung von SAMs konnten sowohl die unspezifische Proteinadsorption zurückgedrängt bzw. verhindert, als auch eine spezifische Anbindung von ausgewählten Proteinen realisiert werden. / The surface immobilization of oligo (ethylene glycol) on metals is a promising approach to minimize or prevent non-specific adsorption of proteins, bacteria and cells. The aim of this work was the design, preparation, characterization and application of tailor-made, self-assembly molecules, which are able to adsorbed selectively on TiO2 surfaces but not on SiO2. The resulting self-assembled monolayers (SAMs) had a biocompatibility and bio functionality. For this purpose new molecules have been developed, which are not described in the literature. These compounds are derivatives of monoalkyl phosphoric acids or alkyl phosphonic acids and contain a terminal functional oligo (ethylene glycol) unit. The compounds were assembled on the TiO2-surface by self-assembly technique from aqueous solution. The adsorbed layers were characterized by different analytical tools, like angle resolved XPS, spectroscopic ellipsometry and SPR-spectroscopy. The selective adsorption of SAMs on TiO2-surfaces and the formation of stable SAMs make it possible to prevent or minimize non specific protein adsorption and also to bind selected proteins via specific surface reactions.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie. / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Oberflächenmodifikation von Nanodiamanten (ND) aus der Detonationssynthese und die anschließende Konjugation von einzel- bzw. doppelsträngiger DNA an die zuvor eingeführten funktionellen Gruppen. Als Ausgangsmaterialien wurden zwei Nanodiamantpulver mit unbekannter Oberflächenbelegung eingesetzt, deren Charakterisierung durch elektronenmikroskopische Methoden erfolgte. Weiterhin wurden kommerziell modifizierte ND mit definierter Oberflächenbelegung (Amino- und Hydroxylgruppen) verwendet. Für potenzielle Anwendungen von ND wird eine monofunktionale Oberfläche angestrebt, die u. a. über Oxidation oder Reduktion der durch den Herstellungsprozess eingeführten primären funktionellen Gruppen realisiert werden kann. Die dadurch erzeugten sekundären Funktionen ermöglichen die kovalente bzw. nichtkovalente Anbindung weiterer Substanzen, z. B. von Biomolekülen, an die Oberflächen der ND-Partikel. Die hier beschriebene Konjugation von DNA, an die mit Carboxyl-, Hydroxyl- oder Aminogruppen modifizierten Partikeloberflächen, erfolgte durch die Generierung von Amid-, Phosphodiester- und Isoharnstoffbindungen. Der Erfolg der Konjugationen wurde mit Hilfe von Infrarotspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie untersucht. Die Fluoreszenz der Konjugate beruhte dabei auf Fluoreszenzfarbstoffen, die an die DNA-Moleküle gebunden waren. Darüber hinaus wird die Herstellung einer kolloidalen ND-Suspension beschrieben, von der die Partikelgrößen und das Zeta-Potenzial bestimmt wurden. Kolloidale Suspensionen ermöglichen aufgrund der geringen Partikelgrößen diverse biologische und medizinische Anwendungen von ND. Mit den hier präsentierten Ergebnissen erweitert sich der Kenntnisstand zur Konjugation von DNA an ND aus der Detonationssynthese. Die angewandte Methodik kann ebenso auf andere Substanzen wie Proteine oder Chemotherapeutika übertragen werden. Derart funktionalisierte Partikel besitzen ein großes Potenzial für die weitere Anwendung in der Biomedizin und Nanotechnologie.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung / The present study deals with the surface modification of nanodiamonds (ND) from detonation synthesis and the subsequent conjugation of both single and double stranded DNA to previously introduced functional groups. As starting materials two kinds of nanodiamond powders with unknown surface configuration were used. Both types of ND were characterized by electron-microscopic methods. Furthermore, commercially modified ND with defined surface configuration (amino and hydroxyl groups) were applied. Potential applications of ND require a mono-functional surface, that can be realized e. g. via oxidation or reduction of the primary functional groups introduced during the production process. The thereby generated secondary functions permit the covalent or non-covalent linking of further substances onto the surfaces of ND particles. Conjugation of DNA, as described here, onto the carboxyl-, hydroxyl- or aminomodified particle surfaces was accomplished by generating of amino, phosphodiester and isourea bonds. The success of conjugations has been examined by infrared spectroscopy and fluorescence microscopy. The fluorescence of conjugates based on fluorescent dyes bound to the DNA molecules. Furthermore, the fabrication of a colloidal ND suspension is described, of which the particle sizes and the Zeta potential have been determined. Colloidal suspensions facilitate various biological and medical applications of ND on the basis of low particle sizes. The presented results enlarge the state of knowledge about the conjugation of DNA on ND from detonation synthesis. The applied methodology may also be transferred to other substances like proteins or chemotherapeutics. In this way, functionalized particles have a big potential for further application in biomedicine and nanotechnology.:1 Einleitung 1 2 Theoretische Grundlagen 6 2.1 Nanodiamant 7 2.1.1 Historische Betrachtungen zur Detonationssynthese 7 2.1.2 Herstellung von Diamant 8 2.1.3 Aufbereitung von Nanodiamanten aus der Detonationssynthese 11 2.1.4 Struktur und Eigenschaften von Diamant 12 2.1.5 Homogenisierung der Oberflächenbelegung 16 2.1.6 Aggregation und Deaggregation von Nanodiamant-Partikeln 20 2.1.7 Anwendungen von Nanodiamant-Partikeln 21 2.2 Aptamere 26 2.2.1 Strukturbildung und Bindungsmechanismen 26 2.2.2 Zielsubstanzen 28 2.2.3 Vergleich von Aptameren und Antikörpern 29 2.2.4 Herstellung von Aptameren – Der SELEX-Prozess 32 2.2.5 Anwendungsfelder für Aptamere 34 2.3 Konjugation von Nanopartikeln mit Biomolekülen 38 2.4 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 46 2.4.2 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung durch dynamische Lichtstreuung (DLS) 47 2.4.3 Bestimmung des Zeta-Potenzials durch elektrophoretische Licht-streuung (ELS) 48 2.5 Methoden zur Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 52 2.5.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 52 2.5.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 53 2.5.3 Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) 54 2.6 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 56 2.6.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 56 2.6.2 Fluoreszenzmikroskopie 60 3 Material und Methoden 62 3.1 Herstellung und Charakterisierung von kolloidalen Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.1 Herstellung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 62 3.1.2 Bestimmung von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Zeta-Potenzial 63 3.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulver 64 3.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 64 3.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 65 3.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 65 3.3 Chemische Modifikation von Nanodiamanten 66 3.3.1 Verwendete Materialien und Geräte 67 3.3.2 Einführung von Carboxylgruppen 68 3.3.3 Einführung von Hydroxylgruppen 69 3.3.4 Einführung von Aminogruppen 70 3.4 Herstellung von Nanodiamant-Aptamer-Konjugaten 73 3.4.1 Verwendete Materialien und Geräte 73 3.4.2 Konjugation über Amidbindungen 77 3.4.3 Konjugation über Ester- und Phosphodiesterbindungen 81 3.4.4 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 85 3.5 Nachweismethoden für Modifikation und Konjugatbildung 88 3.5.1 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 88 3.5.2 Fluoreszenzmikroskopie 89 4 Ergebnisse und Diskussion 92 4.1 Charakterisierung kolloidaler Nanodiamantsuspensionen 92 4.1.1 Bestimmung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung 92 4.1.2 Bestimmung des Zeta-Potenzials 93 4.2 Materialcharakterisierung von Nanodiamantpulvern 98 4.2.1 Rasterelektronenmikroskopie (REM) 98 4.2.2 Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) 101 4.2.3 Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) 107 4.3 Fourier-Transform-Infrarot- (FT-IR-) Spektroskopie 117 4.3.1 Nanodiamanten: Originalmaterial und modifizierte Nanodiamanten 118 4.3.1.1 Nanodiamanten – Originalmaterial 118 4.3.1.2 Modifikation mit Carboxylgruppen (ND-COOH) 122 4.3.1.3 Modifikation mit Hydroxylgruppen (ND-OH) 123 4.3.1.4 Modifikation mit Aminogruppen (ND-NH2) 128 4.3.2 Nanodiamant-DNA-Konjugate 138 4.3.2.1 Konjugation über Amidbindungen 140 4.3.2.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 144 4.3.2.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 150 4.4 Fluoreszenzmikroskopie an Nanodiamant-DNA-Konjugaten 154 4.4.1 Konjugation über Amidbindungen 154 4.4.2 Konjugation über Phosphodiesterbindungen 157 4.4.3 Konjugation über Isoharnstoffbindungen 161 5 Zusammenfassung und Ausblick 165 6 Literaturverzeichnis 170 Anhang I A-1 Parameter der Partikelgrößen- und Zeta-Potenzial-Messungen I A-2 Nukleotidsequenz von EF1a III A-3 GFP-Filter-Spektrum IV A-4 FT-IR-Spektren von Nanodiamanten V A-5 FT-IR-Spektren von Nanodiamant-DNA-Konjugaten X Verzeichnis der Formelzeichen XIV Abkürzungsverzeichnis XV Eigene wissenschaftliche Beiträge XVIII Danksagung Erklärung

Die Immobilisierung von Oligo(ethylenglykol)-derivaten an Oberflächen von Metallen ist ein viel versprechender Ansatz, um unspezifische Adsorptionen von Proteinen, Bakterien und Zellen zu minimieren bzw. zu verhindern. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Entwicklung, Darstellung, Charakterisierung sowie Applikation maßgeschneiderter, self-assembly-fähiger Moleküle, die gezielt auf TiO2- und nicht auf SiO2-Oberflächen anbinden. Die resultierenden Monoschichten (SAMs) wiesen eine Biokompatibilität sowie Biofunktionalität auf. Dazu wurden neue bisher noch nicht beschriebene Moleküle entwickelt, die auf einer Kombination von funktionalisierten Oligo(ethylenglykol)-Einheiten mit Monoalkylphosphorsäure- und Alkylphosphonsäurederivaten basieren. Diese Verbindungen konnten durch die Anwendung der Self-Assembly-Technik erfolgreich aus wässriger Lösung auf TiO2-Substrate adsorbiert werden. Die hergestellten, ultradünnen monomolekularen Schichten wurden mit verschiedenen analytischen Methoden, wie Spektroskopische Ellipsometrie, winkelabhängiger XPS und SPR-Spektroskopie charakterisiert. Durch eine gezielte Anbindung an TiO2-Oberflächen und einer stabilen Ausbildung von SAMs konnten sowohl die unspezifische Proteinadsorption zurückgedrängt bzw. verhindert, als auch eine spezifische Anbindung von ausgewählten Proteinen realisiert werden. / The surface immobilization of oligo (ethylene glycol) on metals is a promising approach to minimize or prevent non-specific adsorption of proteins, bacteria and cells. The aim of this work was the design, preparation, characterization and application of tailor-made, self-assembly molecules, which are able to adsorbed selectively on TiO2 surfaces but not on SiO2. The resulting self-assembled monolayers (SAMs) had a biocompatibility and bio functionality. For this purpose new molecules have been developed, which are not described in the literature. These compounds are derivatives of monoalkyl phosphoric acids or alkyl phosphonic acids and contain a terminal functional oligo (ethylene glycol) unit. The compounds were assembled on the TiO2-surface by self-assembly technique from aqueous solution. The adsorbed layers were characterized by different analytical tools, like angle resolved XPS, spectroscopic ellipsometry and SPR-spectroscopy. The selective adsorption of SAMs on TiO2-surfaces and the formation of stable SAMs make it possible to prevent or minimize non specific protein adsorption and also to bind selected proteins via specific surface reactions.

The main objective of this work was to manufacture and to characterize detonation nanodiamond (ND) coatings with high biocompatibility and high drug loading capability. This was achieved via the integration of functionalized NDs into standard coating systems. The examination of cell proliferation and cell differentiation supported the biological assessment of the ND-enhanced coatings. As a first step, an osteogenic peptide was covalently grafted onto oxidized NDs. Accordingly, carboxylic acid derivativ is were generated on the as-received ND surface via an optimized heat treatment. The osteogenic peptide was tethered to the oxidized ND surface using a carbodiimide crosslinking method. The multifaceted ND preparation and disaggregation facilitated the powder handling during the conjugation process. Moreover, antibiotics were physisorbed onto as-received NDs to add antimicrobial properties. The correlated surface loading of NDs was determined using various absorption spectroscopy methods such as fluorescence and ultraviolet-visible spectroscopy. Peptide-conjugated NDs and NDs with untreated surface chemistry have been immobilized on different biomaterials using liquid phase deposition techniques. Herein, polyelectrolyte multilayers (PEMs) were utilized, among others, due to their self-organization and universal applicability for numerous substrates. In order to assess the cell-material interactions, human fetal osteoblasts (hFOBs) were cultured. The hFOBs exhibited a high cell proliferation, high cell density, and sound cellular adhesion, which proves the high biocompatibility of PEMs containing NDs. The present study represents a novel and reliable strategy towards a public approved composite coating. The potential of NDs as a biocompatible delivery platform and as a coating material for biomaterials has been demonstrated. This technology will be useful for the development and optimization of next-generation drug delivery vehicles, e.g. drug-eluting coatings, as well as for biomaterials in general.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113 / Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Herstellung sowie der Charakterisierung von Beschichtungen aus Detonationsnanodiamanten (ND), welche eine hohe Biokompatibilität und eine hoheWirkstoffbeladbarkeit aufweisen sollten. Dieses Ziel wurde durch die Integration funktionalisierter ND in herkömmliche Beschichtungssysteme erreicht. Die biologische Beurteilung von den ND-verstärkten Beschichtungen wurde durch Untersuchungen der Zellproliferation und der Zelldifferenzierung untermauert. Im ersten Schritt wurde ein Peptid mit knochenbildenden Eigenschaften kovalent an oxidierte ND angebunden. Mittels einer optimierten Wärmebehandlung wurden Carbonsäurederivate auf der ND-Oberfläche erzeugt. Anschließend wurde das Peptid unter Verwendung eines Carbodiimid-Vernetzungsmittels an die oxidierte ND-Oberfläche angebunden. Während des Konjugationsprozesses erleichterte die facettenreiche ND-aufbereitung und -disaggregation die Pulverhandhabung. Außerdem wurden Antibiotika auf den ND adsorbiert, um antimikrobielle Eigenschaften zu erzeugen. Die entsprechende Oberflächenbeladung der ND wurde unter Verwendung verschiedener absorptionsspektroskopischer Ansätze wie Fluoreszenz- und UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Biofunktionale und unbehandelte ND wurden über Flüssigphasenabscheidung auf verschiedene Biomaterialien aufgebracht. Hierbei wurden unter anderem Polyelektrolyt-Mehrschichtsysteme aufgrund ihrer Selbstorganisation und universellen Anwendbarkeit auf zahlreiche Substrate eingesetzt. Um die Zellantwort auf die mehrschichtigen ND zu bewerten, wurden humane Osteoblasten (hFOB) kultiviert. Die hFOB zeigten eine hohe Zellproliferation, eine hohe Zelldichte und eine hohe Zelladhäsion, was die hohe Biokompatibilität von mehrschichtigen ND belegt. Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige und zuverlässige Strategie für eine allgemein anerkannte Verbundbeschichtung dar. Das Potenzial von ND als biokompatible Medikamententräger und als Beschichtungsmaterial für Biomaterialien konnte aufgezeigt werden. Die dargestellte Technologie kann für die Entwicklung und Optimierung von Medikamententrägern der nächsten Generation, z. B. in arzneimittelfreisetzenden Beschichtungen, sowie für Biomaterialien im Allgemeinen verwendet werden.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113

Surface-modification of phthalocyanine-based two-dimensional conjugated metal-organic framework (2D c-MOF) films by grafting aliphatic alkyl chains is developed for achieving high-performance polarity-selective chemiresistive sensing toward humidity and polar alcohols. 2D conjugated metal–organic frameworks (2D c-MOFs) are emerging as electroactive materials for chemiresistive sensors, but selective sensing with fast response/recovery is a challenge. Phthalocyanine-based Ni2[MPc(NH)8] 2D c-MOF films are presented as active layers for polarity-selective chemiresisitors toward water and volatile organic compounds (VOCs). Surface-hydrophobic modification by grafting aliphatic alkyl chains on 2D c-MOF films decreases diffused analytes into the MOF backbone, resulting in a considerably accelerated recovery progress (from ca. 50 to ca. 10 s) during humidity sensing. Toward VOCs, the sensors deliver a polarity-selective response among alcohols but no signal for low-polarity aprotic hydrocarbons. The octadecyltrimethoxysilane-modified Ni2[MPc(NH)8] based sensor displays high-performance methanol sensing with fast response (36 s)/recovery (13 s) and a detection limit as low as 10 ppm, surpassing reported room-temperature chemiresistors.

This corrigendum corrects an omission from the Acknowledgement section. The research leading to the results published in this manuscript was also supported by the project CALIPSOplus under Grant Agreement 730872 from the EU Framework Programme for Research and Innovation HORIZON 2020.

A straightforward, rapid method to create colloidally stable and brightly luminescent core/shell CdSe-based nanoplatelets (NPLs) with fluorescence quantum yields (QYs) up to 50% is demonstrated. A layer-by-layer deposition technique based on a two-phase mixture ‒ consisting of a nonpolar phase which includes the NPLs, and a saturated ionic polar phase ‒ to separate the reagents and hinder the nucleation of the shell material is used. The deposition of the first sulfur layer leads to a significant red-shift (by more than 100 nm) of the optical absorption and emission of the NPLs. Hence, by varying either the sulfur precursor content or the reaction time one can precisely and continuously tune the absorption and emission maxima from 520 to 630 nm. This evolution of the absorption onset during the shell growth is explained quantitatively using density-functional theory and atomistic statistical simulations. The emission can be further enhanced by exposure of the NPL solution to ambient sunlight. Finally, it is demonstrated that the core/shell NPLs can be transferred from the organic solution to aqueous media with no reduction of their QY that opens the door to a broad range of practical applications.

For fiber-reinforced plastic composites, fiber-matrix adhesion is a significant aspect of composite properties. While conventional lightweight structures are always aiming for high fiber-matrix adhesion, innovative and unconventional functional constructions require different concepts. The research work treating adaptive fiber-reinforced plastic composites with shape memory alloy wires presented here uses the approach of actuators freely movable within the composite. This is supposed to prevent mechanical tensions in the interfaces of actuator and composite structure, which would otherwise cause damages of the composite. This work examines hybrid yarns based on friction spinning technology, with shape memory alloy wires as their core component as well as glass fibers, and partly polypropylene, as their sheath component. Additionally, the surface properties of the shape memory alloy wires being used are modified by sanding and coating. The results of a characterization by pull-out testing clearly show that a coating of the shape memory alloy wires with an abherent causes considerable decrease in adhesion and friction in the interface and leads to the mobility of the shape memory alloy wires in the later composite. An even greater effect is attained by sheathing the hybrid yarns in an additional layer of polypropylene, compacting the yarn cross-section. Thus, the pull-out force could be reduced to 35–40% of the reference structure.