Die Arbeit beschäftigte sich mit Untersuchungen zu photovernetzbaren und –strukturierbaren (Hybrid-)Polymeren, um Grundlagen für die Herstellung von Trägergerüststrukturen (Scaffolds) auf Basis photovernetzbarer (Hybrid-)Polymere zu legen und damit in der Zukunft patientenindividuelle medizinische Werkstücke, die beliebig durch Zwei-Photonen-Absorptionsprozesse in drei Dimensionen strukturierbar sind, für die Regenerative Medizin zu ermöglichen. Dafür wurden zunächst die zum Teil in der Literatur unbekannten unterschiedlichen Monomere Acr-1, MAcr-2, Acr-3, MAcr-4 und DiMAcr-5 synthetisiert. Dabei handelt es sich um einfache und gut vergleichbare organische (Meth-)Acrylat-Monomere, die mono- bzw. difunktional in ihren photochemisch reaktiven Gruppen sind. Die synthetisierten organischen Monomere Acr-3, MAcr-4 und DiMAcr-5 wurden in verschiedenen Verhältnissen mit dem anorganisch-organischen Methacrylat-basierten Hybridpolymers ORMOCER® I kombiniert. Die (Co-)Polymerisation der unterschiedlichen Formulierungen wurde in situ mittels UV-DSC-Untersuchung verfolgt. Dabei wurden bei diesen Untersuchungen zum Teil deutliche Unterschiede im Reaktionsverlauf der einzelnen Materialformulierungen festgestellt. So konnten zum Beispiel bei Monomermischungen ein schnellerer Polymerisationsverlauf sowie eine höhere maximale Polymerisationsrate als bei den jeweiligen Einzelkomponenten beobachtet werden (Synergieeffekt). Diese Beobachtungen wurden anhand der Monomerstruktur (unterschiedliche Diffusionsfähigkeiten im vergelten, aber noch nicht erstarrten System durch Mono- bzw. Difunktionalität) und der Art der funktionellen Gruppe (Acrylat- bzw. Methacrylatgruppe) erklärt. Weiterhin wurden der Einfluss des verwendeten Photoinitiators und dessen eingesetzte Konzentration auf die photochemisch-induzierte Copolymerisation eines ausgewählten Systems beleuchtet. Dazu wurden verschiedene Einflussfaktoren der Initiation betrachtet. Neben der eingesetzten Initiatorkonzentration spielen auch die Absorptionseigenschaften, die umgebende Matrix und die Initiatoreffizienz eine große Rolle für den Reaktionsverlauf der photochemischen Vernetzung. Weiterhin wurden die Photoinitiatoren in unterschiedlichen Konzentrationen eingesetzt, um die dadurch induzierte Veränderung des Reaktionsverlaufs zu betrachten. Aus den Einflüssen auf die Reaktionsverläufe konnte geschlossen werden, dass diese sowie auch die maximale Polymerisationsrate RP,max und damit die Reaktionskinetik nicht in jedem Fall linear mit der Initiatorkonzentration zunehmen muss. Erste generelle 2PP-Strukturierungen wurden zudem an ausgewählten Material-formulierungen durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass alle Formulierungen bei bestimmten Parameterkombinationen aus Laserleistung und Schreibgeschwindigkeit mittels 2PP strukturiert werden konnten. Außerdem wurden bei den verschiedenen Formulierungen bei gleicher Parameterkombination unterschiedliche Strukturbreiten und damit erstmalig unterschiedliche Strukturvolumina beobachtet. Diese unterschiedlichen Volumina konnten erstmalig mit den unterschiedlichen Reaktionsverläufen der Materialformulierungen korreliert werden. Dabei zeigte sich, dass das chemische Wechselwirkungsvolumen von der Funktionalität der eingesetzten Materialkomponenten abhängig ist, da davon der Grad an Quervernetzung abhängt, der bestimmt, ob ausreichend vernetzte Voxel und Strukturen entstehen, die durch einen Entwicklungsschritt nicht mehr entfernt werden. Im zweiten Teil der Arbeit wurde ein biokompatibles und photostrukturierbares Hybridpolymer (RENACER® MB-I) entwickelt, welches mittels 2PP strukturiert werden konnte, was anhand kleiner wie auch großer Scaffolds mit dem Material demonstriert wurde. Dazu wurde das kommerziell erhältliche Alkoxysilan-Molekül O-(Methacryloxyethyl)-N-(triethoxysilylpropyl)urethan als Precursor verwendet. Durch eine bewusst unvollständige Hydrolyse- und Kondensationsreaktion konnte aus dem Precursorsilan ein Hybridpolymerharz hergestellt werden, welches anorganisch vorverknüpft war. Weiterhin wies es sowohl als Volumenpolymer, als auch in Form von Scaffold-Strukturen eine sehr gute Biokompatibilität auf. Um zu untersuchen, ob die im Hybridpolymer enthaltenen prinzipiell degradierbaren Gruppen unter physiologischen Bedingungen tatsächlich degradieren und Teile aus dem Polymerverband herausgelöst werden können, wurde ein selbstentwickeltes Verfahren für stationäre Degradations-untersuchungen in phosphat-gepufferter Saline (PBS, pH = 7,4) verwendet. Die durch die photochemische Polymerisation neu entstandenen Ketten besaßen ihrer Natur gemäß keine hydrolysierbaren Einheiten, weshalb das Hybridpolymer nicht vollständig degradieren kann. Es konnte jedoch ein prinzipieller Zugang zu Gerüstträgerstrukturen auf Basis photovernetzbarer Polymere für die Regenerative Medizin geschaffen werden. / The objective was the investigation of photo-curable and patternable (hybrid) polymers for applications in regenerative medicine, in order to explore basic principles for scaffold fabrication by two-photon polymerization. This would enable patient-individual medical implants. As model systems for subsequent investigations, the monomers Acr-1, MAcr-2, Acr-3, MAcr-4, and DiMAcr-5 were synthesized. These compounds are well comparable organic (meth)acrylate monomers with a functionality of one and two, respectively. The monomers Acr-3, MAcr-4, and DiMAcr-5 were combined with a well-known methacrylate-based inorganic-organic hybrid polymer ORMOCER® I in different molar ratios. After preparation of the monomers and their formulations with ORMOCER® I introducing defined amounts of photoinitiator Irgacure® 369 into the material systems, the materials’ reaction was monitored in situ by photo-DSC investigations. In particular, the effect of the different monomer ratios on the copolymerization behavior was studied in more detail. A higher maximum polymerization rate and, therewith, a higher reaction speed was found for all formulations of monomer mixtures in contrast to the corresponding individual monomers (synergy effect). Moreover, by comparing the various organic monomers, considerable differences could be identified in between acrylates and methacrylates as well as for the mono- and difunctional species. These effects were explained by means of the type of their photochemically organically cross-linkable functional groups and thus their resulting reactivity as well as by the monomer structure and functionality itself, resulting in different diffusion abilities of mono-, oligo- and polymeric species within gelled systems. Furthermore, the influence of several photoinitiators and the initiator concentration on the photochemically induced copolymerization was investigated. Besides the initiator concentration, also the initiators’ absorption properties, the resin matrix and the initiators’ efficiency play an important role for the reaction profile of the photochemical cross-linking. All different photoinitiators were introduced into the model system in three different concentrations to explore the induced alterations on the reaction profile. For some of the investigated initiators, the maximum polymerization rate RP,max and, therewith, the overall reaction kinetics increased with increasing photoinitiator concentration, but for other initiators, the maximum polymerization rate RP,max was lowered at increased initiator concentrations. Thus, a general relationship between the photoinitiator concentration and the maximum polymerization rate RP,max could not be identified. First structures were generated out of selected mixtures by two-photon polymerization in order to demonstrate the novel materials’ ability of being patterned in three dimensions. Three dimensional structures were generated with specific parameter combinations of laser power and writing speed, whereas each parameter set corresponds to an individual exposure dose deposited in the materials’ volume. In particular, different structure widths were observed for different material formulations fabricated with the same parameter sets. Thus, it was possible for the first time to experimentally observe different chemical interaction volumes. These interaction volumes were correlated to the different reaction profiles of the material formulations, which were received via 1PP photo-DSC measurements. It was shown that the structure volume depends on the functionality of the employed monomers, because their degree of cross-linking depends on their functionality. The degree of cross-linking which results upon polymerization determines, whether a structure maintains stable during the subsequent development process. In the second part of this work, a biocompatible and photo-patternable hybrid material was developed. Commercially available O-(methacryloxyethyl)-N-(triethoxysilylpropyl)-urethane was chosen for an intentional incomplete hydrolysis and condensation reaction in order to receive a RENACER® resin, which includes functional groups for subsequent organic cross-linking. This material showed a very good patterning performance, which was demonstrated by a series of structures and scaffolds. The material yields a good biocompatibility. In order to investigate, whether the hydrolysable functional groups within the hybrid polymer actually degrade under physiological conditions, a procedure routine for stationary degradation studies in phosphate-buffered saline (PBS) was developed. The carbon chain generated through photochemical cross-linking, has no hydrolyzable groups and naturally cannot be degraded, resulting in a hybrid polymer which is not completely degradable. However, a principal access to scaffolds for regenerative medicine on the basis of photo-curable polymers was accomplished which was the purpose of this work.

The progress of miniaturisation towards the nanoscopic scale in science and technology has also influenced the biosciences. This is particularly important, since proteins, as the smallest functional units of life, exhibit a spectacular wealth of functionalities, enabling them to fulfil complex tasks in cells and organisms. For this reason, they are often termed molecular or cellular “machines”. To be able to investigate and better understand these fascinating molecules in their native environment, new analytical methods must be developed, with appropriately high sensitivity and spatial and temporal resolution. We describe one very promising technique based on fluorescence spectroscopy, which allows a quantitative analysis of protein- protein interactions in the live cell. / Die zunehmende Miniaturisierung bis hin zum nanoskopischen Maßstab in vielen technischen Disziplinen hat auch die Lebenswissenschaften ergriffen. Dies ist insofern von großer Bedeutung, als die Proteine als kleinste funktionale Einheiten des Lebens trotz ihrer winzigen Abmessungen eine faszinierende Komplexität aufweisen, die es ihnen erlauben, hoch differenzierte und spezialisierte Aufgaben in der Zelle und im Organismus zu übernehmen. Aus diesem Grund werden sie in der modernen Biologie auch als molekulare oder zelluläre „Maschinen“ bezeichnet. Um diese kleinen Wunderwerke zu studieren und ihre Funktionsweise in ihrer natürlichen Umgebung zu analysieren, bedarf es innovativer Technologien, die es erlauben, mit maximaler räumlicher und zeitlicher Auflösung auch einzelne Moleküle in der lebenden Zelle sichtbar zu machen und zu verfolgen. Im Folgenden wird eine von uns entwickelte fluoreszenzspektroskopische Methode vorgestellt, mit deren Hilfe die komplizierten Interaktionen zwischen Proteinen in der lebenden Zelle aufgeklärt werden können.

Mit dem Ziel stabile und photomodulierbare Fluorophore für ihre direkte Anwendung in der hochaufgelösten Mikroskopie, wurde die Synthese und Charakterisierung von neuen fern Rot emittierender photoschaltbarer Fluorophore erreicht. Hierbei wurde die elektronische Kopplung zwischen den Komponenten tiefgreifend untersucht, und die Struktur Eigenschafts Beziehung etabliert. Durch die Wechselwirkung der photochromen Einheit mit dem Fluorophor, konnte die Fluoreszenzemission ein- und ausgeschaltet werden. Zusätzlich wurden Einkapselungs Experimente in Micellen durchgeführt, um die Wasserlöslichkeit der synthetisierten Verbindungen zu untersuchen. Letzlich, wurden mögliche Anwendungen mittels Fluoreszenzmikroskopie geprüft. Mit dem Ziel hochaufgelöste Bilder unter biologischen Bedingungen zu erhalten, wurde die Verkapselung der Dyaden in riesige unilamellare Vesikel erprobt. Unter Ausnutzung der Vorteile nichtlinearer Prozesse wurde die Synthese und Charakterisierung von photochromen Verbindungen, die in der Lage indirekt durch einen anfänglichen sensibilisierten Prozess geschaltet werden, untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein Triarylamin Chromophor als Zwei-Photonenabsorber kovalent an einen Azobenzol verbunden. Die Charakterisierung der angeregten Zustandsdynamik wurde ausgeführt und die zwei Photonen induzierte Isomerisierung der Dyade bestätigt. Eine detaillierte Untersuchung der elektrochemischen Eigenschaften wurde durchgeführt und Richtlinien zur Verbesserung des Systems wurden kurz genannt. / With the purpose of designing stable and photomodulable fluorophores for their direct application in subdiffraction microscopy techniques, the synthesis and characterization of new far-red emitting photoswitchable fluorophores was accomplished. Fluorescence emission was efficiently modulated or switched On and Off by the interaction of the photochromic unit with the fluorescent-unit. Additionally, encapsulation experiments in micelles were performed to investigate the water solubility of the synthesized compounds. Finally, potential applications were examined with fluorescence microscopy, encapsulating the dyads in giant uni-lamellar vesicles under biological conditions to explore the feasibility to obtain highly resolved subdiffraction images. Exploiting the advantages of nonlinear processes, the synthesis and characterization of photochromes which are able to be switched indirectly through an initial sensitized event were studied. With this determination a two-photon absorbing triarylamine chromophore was covalently linked to an electron poor azobenzene. In-depth characterization of the excited state dynamics was performed and two photon induced isomerization of the dyad was confirmed. A detailed study of the electrochemical properties was set and guidelines towards the improvement of the system were succinctly mentioned.

Diese Arbeit beschreibt die Messung von Ereignissen mit einem oder mehreren Photonen und fehlender Energie im Endzustand wie sie in Elektron-Positron-Wechselwirkungen entstehen. Mit den Ergebnissen wurde der Wirkungsquerschnitt der Neutrinopaarproduktion gemessen und die Anzahl leichter Neutrinosorten bestimmt. Es wurde nach verschiedenen Prozessen "Neuer Physik" gesucht, bei denen Photonen und fehlende Energie im Endzustand auftreten. Diese Prozesse beinhalten die Erzeugung supersymmetrischer Teilchen, fermiophobischer Higgsbosonen und massiver Gravitonen. Die Analyse wurde mit einem Datensatz durchgefuehrt, der mit dem L3-Detektor am LEP-Beschleuniger bei Schwerpunktsenergien zwischen 130 GeV und 190 GeV aufgezeichnet wurde und der einer Luminositaet von 265 1/pb entspricht. Der Wirkungsquerschnitt der Reaktion Elektron Positron geht nach Neutrino Antineutrino Photon (Photon) mit einer Photonenenergie groesser als 5 GeV und einem Photonstreuwinkel relativ zur Strahlachse groesser als 14 Grad bei einer Schwerpunktsenergie von 189 GeV wurde zu (5.25 +- 0.22 +- 0.07) pb bestimmt. Hieraus wurde der totale Wirkungsquerschnitt fuer Neutrinopaarproduktion extrapoliert mit einem Ergebnis von (58.3 +- 2.7) pb. Die Energiespektren der Photonen wurden benutzt um die Anzahl leichter Neutrinogenerationen zu berechnen. Das Ergebnis lautet 3.05 +- 0.11 +- 0.04, welches sich in guter Uebereinstimmung mit der Hypothese von drei leichten Neutrinoarten befindet und das Standardmodell mit seinen drei Teilchenfamilien untermauert.Da kein Anzeichen neuer Physik festgestellt wurde, konnten obere Grenzen auf Produktionswirkungsquerschnitte neuer Teilchen abgeleitet und die erlaubten Massenbereiche solcher Teilchen unter der Annahme von drei Neutrinosorten eingeschraenkt werden. Falls das Gravitino das leichteste supersymmetrische Teilchen ist und sich die Massen aller anderen SUSY-Teilchen ueber der Produktionsschwelle befinden, koennte Gravitinopaarproduktion der einzige SUSY-Teilchen beinhaltende Prozess bei LEP sein. Aus einer Analyse der Reaktion Elektron Positron geht nach Gravitino Gravitino Photon konnte ein unteres Limit auf die Gravitinomasse von 8.9 mal 10 hoch -6 eV mit 95% Konfidenzniveau auf die Gravitinomasse bestimmt werden. Es wurden sowohl fuer die Produktion von Neutralino Gravitino und Neutralino Neutralino und nachfolgenden Zerfall Neutralino geht nach Gravitino Photon, als auch fuer die Produktion von leichtestem und zweitleichtestem Neutralino bzw. Paarproduktion von zweitleichtestem Neutralino und Zerfall desgleichen nach leichtestem Neutralino und Photon obere Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt in Abhaengigkeit der Masse der beteiligten Teilchen gesetzt. Innerhalb von Modellen der durch Eichbosonen vermittelten Supersymmetriebrechung wurde unter der Annahme, dass das leichteste Neutralino das zweitleichteste supersymmetrische Teilchen ist, eine untere Grenze auf die Neutralinomasse von 88.2 GeV mit 95% Konfidenzniveau abgeleitet.Zur Suche nach fermiophobischen Higgsbosonen wurde der Prozess Elektron Positron geht nach Higgs Z geht nach Photon Photon Neutrino Antineutrino analysiert. Es wurden Grenzen auf den Wirkungsquerschnitt und auf das Verzweigungsverhaeltnis des Higgs nach Photonpaaren bestimmt. Eine untere Grenze auf die Higgsmasse von 89.9 GeV mit 95% Konfidenzniveau wurde fuer ein solches Higgsboson ermittelt. Die Suche nach der Erzeugung massiver Gravitonen in Quantengravitationsmodellen mit zusaetzlichen raeumlichen Dimensionen wurde anhand der Reaktion Elektron Positron geht nach Photon Graviton durchgefuehrt. Untere Grenzen auf die Energieskala zwischen 1018 GeV und 349 GeV fuer zwei bis zehn zusaetzliche Dimensionen wurden bestimmt. Deren Groesse wurde auf hoechstens 0.46 mm fuer zwei und auf maximal 8.3 mal 10 hoch -13 mm fuer zehn zusaetzliche Dimensionen begrenzt. / This thesis describes a measurement of single and multi-photon events with missing energy in electron-positron interactions. The results have been used to measure the neutrino pair-production cross section and to determine the number of light neutrino species. A search for various kinds of new physics processes involving photons and missing energy in the final state like the production of supersymmetric particles, a fermiophobic Higgs boson and massive gravitons has been carried out.The analysis has been performed using data collected with the L3 detector at LEP at centre-of-mass energies between 130 GeV and 190 GeV corresponding to a total luminosity of 265 1/pb. The cross section of the process electron positron to neutrino anti-neutrino photon (photon) for a photon energy larger than 5 GeV and a photon scattering angle with respect to the beam axis larger than 14 degrees at a centre-of-mass energy of 189 GeV has been measured to be (5.25+- 0.22 +- 0.07) pb and has been extrapolated to a total cross section for neutrino pair-production yielding (58.3 +- 2.7) pb. The measured photon energy spectra have been used to derive the number of light neutrino species. The combined value determined from all data analysed in this thesis is 3.05 +- 0.11 +- 0.04, which is in good agreement with the hypothesis of three light neutrino types and supports the Standard Model with its three generations of particles.Since no indication for the appearance of new physics processes has been found, upper limits on cross sections of new particle production have been set and lower limits on particle masses have been derived assuming three neutrino generations. If the gravitino is the lightest supersymmetric particle and all other SUSY particles are too heavy to be created at LEP energies, gravitino pair-production could be the only process involving SUSY particles accessible at LEP. From an analysis of the process electron positron to gravitino gravitino photon, a lower limit of 8.9 times 10 to the power -6 eV has been determined at the 95% confidence level. Cross section limits have been set depending on the masses of the particles involved in neutralino gravitino production and neutralino pair-production and neutralino decay to gravitino and photon, and for the production of the lightest and second lightest neutralino and pair-production of the second lightest neutralino and its decay to lightest neutralino and photon. Within the framework of gauge-mediated supersymmetry breaking a lower limit on the neutralino mass of 88.2 GeV at the 95% confidence level has been derived under the assumption that the lightest neutralino is the second lightest supersymmetric particle. Fermiophobic Higgs bosons have been searched for investigating the process electron positron to Higgs Z to photon photon neutrino anti-neutrino. Cross section bounds on this process have been determined depending on the Higgs mass and limits on the branching ratio of the Higgs decaying into photons have been derived. A lower mass limit for such a fermiophobic Higgs boson is set to 89.9 GeV at the 95% confidence level.A search for the production of massive gravitons in quantum gravity models with extra spatial dimensions has been performed investigating the process electron positron to graviton photon. Lower limits on the energy scale ranging from 1018 GeV to 349 GeV have been derived at the 95% confidence level for two to ten extra dimensions. Their size has been limited to at most 0.46 mm and to at most 8.3 times 10 to the power -13 mm for two and ten extra dimensions, respectively.

The progress of miniaturisation towards the nanoscopic scale in science and technology has also influenced the biosciences. This is particularly important, since proteins, as the smallest functional units of life, exhibit a spectacular wealth of functionalities, enabling them to fulfil complex tasks in cells and organisms. For this reason, they are often termed molecular or cellular “machines”. To be able to investigate and better understand these fascinating molecules in their native environment, new analytical methods must be developed, with appropriately high sensitivity and spatial and temporal resolution. We describe one very promising technique based on fluorescence spectroscopy, which allows a quantitative analysis of protein- protein interactions in the live cell. / Die zunehmende Miniaturisierung bis hin zum nanoskopischen Maßstab in vielen technischen Disziplinen hat auch die Lebenswissenschaften ergriffen. Dies ist insofern von großer Bedeutung, als die Proteine als kleinste funktionale Einheiten des Lebens trotz ihrer winzigen Abmessungen eine faszinierende Komplexität aufweisen, die es ihnen erlauben, hoch differenzierte und spezialisierte Aufgaben in der Zelle und im Organismus zu übernehmen. Aus diesem Grund werden sie in der modernen Biologie auch als molekulare oder zelluläre „Maschinen“ bezeichnet. Um diese kleinen Wunderwerke zu studieren und ihre Funktionsweise in ihrer natürlichen Umgebung zu analysieren, bedarf es innovativer Technologien, die es erlauben, mit maximaler räumlicher und zeitlicher Auflösung auch einzelne Moleküle in der lebenden Zelle sichtbar zu machen und zu verfolgen. Im Folgenden wird eine von uns entwickelte fluoreszenzspektroskopische Methode vorgestellt, mit deren Hilfe die komplizierten Interaktionen zwischen Proteinen in der lebenden Zelle aufgeklärt werden können.

We characterize the impact of high-energy, 172 nm vacuum ultraviolet photons on the molecular weight and the glass transition temperature of poly(methyl methacrylate). We found that the molecular weight is reduced strongly on the surface of the exposed samples with a continuous transition towards the unexposed bulk material being located below the modified region. The glass transition temperature was found to be significantly lowered in the exposed region to well below 50°C compared to that of the 122°C of the bulk region. We could use this material contrast to selectively reflow the top surface of the exposed samples only. This allowed us to create ultra-smooth micro-optical structures by postprocessing without influencing the overall geometry that is required for the optical functionality.

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.

The clinical introduction of proton therapy requires an extensive analysis of its benefits compared to conventional radiotherapy and a detailed analysis of possible uncertainties which might have serious consequences for patient treatment. In the first part of the presented thesis, the expected toxicities were evaluated for a treatment of head and neck cancer patients using a biologically adapted dose escalation schedule with photon and proton therapy. The feasibility of the dose escalation schedule could be demonstrated for both photon and proton therapy, since only a small increase in toxicity risk occurred for most toxicities. However, the expected toxicity risks were in most cases smaller with proton therapy. Furthermore, a higher benefit was found for patients with primary tumour locations in the upper head and neck area, who thus might be preferably referred to proton therapy. In the second part of this thesis, an extensive analysis of the impact of tumour motion in lung cancer treatment with active-scanning proton therapy was conducted. It could be shown, that dose degradations were small for tumour motion amplitudes below 5 mm. Parameters like the target volume concept, the optimisation approach, changes in the motion pattern and application sequence times had additional impact on the dose degradation. However, their magnitude was patient specific. Since not all parameters can be assessed before treatment, e.g. the motion pattern during treatment, prospective estimations should be supplemented by retrospective analyses. / Die Einführung der Protonentherapie in die klinische Praxis erfordert umfassende Analysen ihrer Vor- und Nachteile im Vergleich zur konventionellen Photonentherapie sowie detaillierte Untersuchungen der Auswirkungen von Unsicherheiten in der Therapieapplikation. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden die zu erwartenden Nebenwirkungen bei der Behandlung von Patienten mit Kopf-Hals-Tumoren mit einem biologisch-adaptierten Fraktionierungsschema inklusive Dosiseskalation mit Photonen- und Protonentherapie evaluiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Dosiseskalation sowohl mit Photonen- als auch Protonentherapie angewandt werden kann, da die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenwirkungen in den meisten Fällen kaum erhöht wurde. Weiterhin wurden die Nebenwirkungswahrscheinlichkeiten mit der Protonentherapie im Vergleich zur Photonentherapie reduziert. Dies war vor allem für Patienten mit Tumoren im oberen Kopf-Hals-Bereich der Fall. Diese könnten daher bevorzugt zur Protonentherapie überwiesen werden. Darüber hinaus wurde im zweiten Teil der Arbeit eine umfassende Analyse des Einflusses der Tumorbewegung auf die Dosisverteilung bei Behandlung von Lungentumoren mit aktiver Protonenstrahlformierung durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass Dosisdegradierungen bei Bewegungsamplituden unter 5mm gering sind. Parameter wie das Zielvolumenkonzept, Veränderungen des Bewegungsmusters oder der Applikationszeiten nehmen zusätzlich Einfluss auf die Dosisdegradierung, allerdings in unterschiedlichem Maß für individuelle Patienten. Da nicht alle Parameter vor Behandlung bekannt sein können, sollten prospektive Dosisabschätzungen durch retrospektive Analysen ergänzt werden.

The development of therapies promoting recovery after spinal cord injury is a challenge. Alginate hydrogels offer the possibility to develop biocompatible implants with mechanical properties tailored to the nervous tissue, which could provide a permissive environment for tissue repair. Here, the effects of non-functionalized soft calcium alginate hydrogel were investigated in a rat model of thoracic spinal cord hemisection and compared to lesioned untreated controls. Open field locomotion tests were employed to evaluate functional recovery. Tissue analysis was performed with label-free multiphoton microscopy using a multimodal approach that combines coherent anti-Stokes Raman scattering to visualize axonal structures, two-photon fluorescence to visualize inflammation, second harmonic generation to visualize collagenous scarring. Treated animals recovered hindlimb function significantly better than controls. Multiphoton microscopy revealed that the implant influenced the injury-induced tissue response, leading to decreased inflammation, reduced scarring with different morphology and increased presence of axons. Demyelination of contralateral white matter near the lesion was prevented. Reduced chronic inflammation and increased amount of axons in the lesion correlated with improved hindlimb functions, being thus relevant for locomotion recovery. In conclusion, non-functionalized hydrogel improved functional outcome after spinal cord injury in rats. Furthermore, label-free multiphoton microscopy qualified as suitable technique for regeneration studies.

In the last decades, additive manufacturing (AM), also called three-dimensional (3D) printing, has advanced micro/nano-fabrication technologies, especially in applications like lightweight engineering, optics, energy, and biomedicine. Among these 3D printing technologies, two-photon polymerization (TPP) offers the highest resolution (even at the nanometric scale), reproducibility and the possibility to create monolithically 3D complex structures with a variety of materials (e.g. organic and inorganic, passive and active). Such active materials change their shape upon an applied stimulus or degrade over time at certain conditions making them dynamic and reconfigurable (also called 4D printing). This is particularly interesting in the field of medical microrobotics as complex functions such as gentle interactions with biological samples, adaptability when moving in small capillaries, controlled cargo-release profiles, and protection of the encapsulated cargoes, are required. Here we review the physics, chemistry and engineering principles of TPP, with some innovations that include the use of micromolding and microfluidics, and explain how this fabrication schemes provide the microrobots with additional features and application opportunities. The possibility to create microrobots using smart materials, nano- and biomaterials, for in situ chemical reactions, biofunctionalization, or imaging is also put into perspective. We categorize the microrobots based on their motility mechanisms, function, and architecture, and finally discuss the future directions of this field of research.