Mechanoresponsive Systeme antworten auf mechanische Reize mit einer Eigenschaftsänderung. Diese Dissertation umfasst die Arbeiten mit zwei mechanoresponsiven Systemen, die optisch auf mechanische Reize antworten. Sie basieren auf polymeren Strukturen, einer Polymerbürste und einem Hydrogelnetzwerk. Ihr optischer Antwortmechanismus ermöglicht die Beobachtung wirkender Kräfte als ein Ansatz zur in situ-Kraftmessung. Im ersten Teil wird ein existierendes, mechanoresponsives System zur Anwendung gebracht, das auf einer mit Fluoreszenzfarbstoff markierten Polyelektrolytbürste basiert. Die Ladungen des Polyelektrolyts können die Fluoreszenz des Farbstoffs unterdrücken, sodass lokale Kompression und Zugspannung über die Fluoreszenzintensität unterschieden werden können. Die mechanoresponsive Polymerbürste wurde als mechanosensitive Oberflächenbeschichtung angewandt, um Unterschiede in der Kontaktspannungsverteilung von Gecko-inspirierten adhäsiven Mikrostempelstrukturen aufzuklären. Die erarbeiteten Ergebnisse und daraus abgeleiteten Ablösemechanismen der Mikrostempeltypen deckten sich qualitativ mit Vorhersagen aus theoretischen Ansätzen. Aufgrund geometrischer Einschränkungen einer planaren Oberflächenbeschichtung zielt der zweite Teil darauf ab, dieses mechanoresponsive Prinzip in ein dreidimensionales Netzwerk zu überführen und ein mechanoresponsives Hydrogelnetzwerk als Plattform zur Kraftmessung zu entwickeln. Konzeptionell besitzt ein homogenes Netzwerk vorhersagbare mechanische Eigenschaften, sodass lokale optische Antworten auf mechanische Kräfte ermöglichen könnten, die wirkenden Kräfte zu lokalisieren und quantifizieren. Basierend auf einer Gestaltung nach der Flory-Rehner-Theorie wurden Präkursoren mit vordefinierter Größe und Architektur für die Hydrogelherstellung eingesetzt, um auf ein homogenes Netzwerk abzuzielen. Zu diesem Zweck wurde das Mischungsvolumen durch Tropfenmikrofluidik reduziert. Für den optischen Antwortmechanismus wurden die Hydrogelnetzwerk-Präkursoren mit zwei verschiedenen Fluorophoren markiert, die sich durch abstandsabhängige Emission über Förster-Resonanzenergietransfer auszeichnen. Die Funktionalität des optischen Antwortmechanismus wurde auf globaler Ebene durch Kollabieren und kontrolliertes Quellen des Netzwerks, dann auf lokalisierter Ebene durch definierte mechanische Belastung mit Rasterkraftmikroskopie gezeigt. Durch ihre Anpassbarkeit könnte die Hydrogelplattform zukünftig verschiedenste Anwendungen im Bereich intrisischer Kraftmessung weicher Materie bedienen. / Mechanoresponsive systems respond to mechanical triggers by changes in a certain property. This thesis covers the work conducted with two mechanoresponsive systems that respond optically to mechanical triggers. These two systems are based on polymer structures, a polymer brush and a hydrogel network. Thus, the optical response mechanism allows observing acting forces as an approach to force sensing in situ. In the first part, an existing mechanoresponsive system based on a polyelectrolyte brush labeled with a fluorescent dye is engaged in application. The charges of the polyelectrolyte are able to quench the fluorescence of the dye so that local compression or tension can be distinguished from the local fluorescence intensity. The mechanoresponsive polymer brush was applied as mechanosensitive surface coating to elucidate differences in the contact stress distributions of gecko-inspired adhesive micropillar structures. The determined results and the derived detachment mechanisms of the micropillar types were in qualitative accordance with predictions from theoretical approaches. Overcoming the geometrical limitations of a planar surface coating, the second part aims at translating the mechanoresponse principle to a three-dimensional network and developing a mechanoresponsive hydrogel as a platform for force sensing. Conceptually, a homogeneous network allows to predict mechanical properties so that localized optical mechanoresponses could enable locating and quantifying acting forces. Based on network design principles from the Flory-Rehner theory, precursors with predefined size and architecture were utilized in hydrogel preparation, aiming for a homogeneous network. Further in this regard, the mixing volume was reduced by employing droplet microfluidics. As optical response mechanism, the hydrogel network precursors were labeled with two kinds of fluorophore, featuring distance-dependent emission from Förster Resonance Energy Transfer. The functionality of the optical response mechanism was demonstrated on global level by collapsing and controlled swelling of the network, and on a localized level by defined mechanical stress, applied with Atomic Force Microscopy. Owing to its adjustability, the hydrogel platform might be employed in various applications that require intrinsic force sensing of soft matter in future.

L’auto-assemblage de macromolécules amphiphiles dans des solutions aqueuses est un mécanisme important sous-jacent à de nombreux processus présents dans les organismes vivants. La formation spontanée de structures auto-organisées de phospholipides et de biomacromolécules se produit en raison d'un équilibre délicat entre les forces d'attraction et de répulsion. Ces forces comprennent l'attraction hydrophobe, la liaison hydrogène, les forces de coordination des métaux et la répulsion stérique ou électrostatique. En outre, l'auto-assemblage de molécules amphiphiles synthétiques est largement utilisé dans divers domaines technologiques. Un exemple frappant est celui des surfactants de faible poids moléculaire qui peuvent modifier de manière significative les propriétés des systèmes. Les autres domaines importants dans lesquels les tensioactifs et les macromolécules amphiphiles sont activement utilisés sont la cosmétologie et l'hygiène. Cependant, l'utilisation de structures auto-organisatrices de macromolécules amphiphiles nécessite une étude approfondie et soulève quelques questions pour les chercheurs concernant leur structure, leur comportement sous l'influence de facteurs externes et leur stabilité. L'objectif principal de la thèse était de développer une théorie de champ analytique auto-cohérente de l'auto-organisation dans des solutions de copolymères de déblocage non ioniques linéaires dendritiques et dendritiques doubles dans des solvants sélectifs. Cette théorie nous permet de prédire comment la dendronisation d'un ou des deux blocs affecte les propriétés structurelles et thermodynamiques d'assemblages auto-organisés formés par des copolymères. Il a été démontré que la dendronisation des corona bloc permet d’obtenir les micelles stables de taille relativement petite, mais avec de nombreux groupes terminaux. Cette dernière caractéristique est particulièrement intéressante dans le contexte de la liberation contrôlée, puisque les groupes terminaux exposés à l'environnement peuvent être facilement fonctionnalisés par des groupes de ligands pouvant être ciblés. Ces deux caractéristiques peuvent être obtenues simultanément car la dendronisation des corona bloc réduit le nombre d'agrégation à l'équilibre et les dimensions globales des micelles par rapport aux micelles formées par des molécules de copolymères diblocs linéaires homologues tout en conservant un grand nombre de groupes terminaux par micelle. La dendronisation du bloc insoluble peut être utilisée pour augmenter le nombre d'unités monomères terminales dans le core. Nous avons également démontré que la dendronisation des blocs solubles favorise la formation de micelles sphériques, alors que les gammes de stabilité thermodynamique des micelles cylindriques et des dendrimersomes sont déplacées vers un degré plus élevé de polymérisation des séquences insolubles. Au contraire, la dendronisation du bloc insoluble a l'effet inverse et conduit à un élargissement des gammes de stabilité des polymeres et des micelles cylindriques.Nous avons étudié les effets de l'extensibilité finie dans les brosses polyélectrolytes à chaîne linéaire et à dendron contenant des groupes ioniques. Nous avons développé la théorie analytique des brosses polyélectrolytiques dans l'approximation de Poisson-Boltzmann qui explique explicitement l'extensibilité finie des chaînes de polyélectrolytes formant des brosses. Il a été montré que pour la même série de paramètres de la brosse, la théorie basée sur l’élasticité non linéaire des polyions prédit une épaisseur de la brosse plus faible et une plus grande amplitude du saut de la densité du polymère au bord du pinceau. Les connaissances obtenues fourniront une base rationnelle pour la conception moléculaire de nouveaux copolymères à blocs complexes sur le plan architectural, y compris ceux destinés à des applications médicales. / An important mechanism underlying many processes occurring in living organisms is self-assembly of amphiphilic (macro)molecules in aqueous solutions. Spontaneous formation of self-organized structures of phospholipids and biomacromolecules occurs because of a delicate balance between attraction and repulsion forces. Such forces include hydrophobic attraction, hydrogen bonding, metal coordination forces and steric or electrostatic repulsion.In addition, self-assembly of synthetic amphiphilic molecules is widely used in various technical fields. A striking example are low molecular weight surfactants (small amphiphilic molecules) that can significantly change the properties of systems. Other important areas in which surfactants and amphiphilic macromolecules are actively used are cosmetology and hygiene. However, the use of self-organizing structures of amphiphilic macromolecules requires detailed study and raises a few questions for researchers regarding their structure, behavior under the influence of external factors and their stability.The main goal of the present work was development of the theory of self-assembly of diblock copolymers where one or both of blocks (soluble or/and insoluble) exhibit dendritic branching and established relations between degree of branching of the block(s) and structural properties (size, shape, aggregation number) of the self-assembled aggregates.The major focus of the thesis was on developing an analytical self-consistent field theory of self-organization in solutions of non-ionic linear-dendritic and double-dendritic deblock copolymers in selective solvents. This theory enables us to predict how dendronization of one or both blocks affects structural and thermodynamic properties of self-organized assemblies formed by copolymers. It was demonstrated that dendronisation of the corona blocks allows obtaining the stable micelles of relatively small size, but with many terminal groups.The latter feature is most attractive in the context of controlled delivery, since the exposed to the environment terminal groups can be readily functionalized by targetable ligand groups. Both these features can simultaneously be achieved because dendronization of the corona blocks reduces the equilibrium aggregation number and overall dimensions of micelles compared to micelles formed by homologous linear-linear diblock copolymer molecules while keeping large number of terminal groups per micelle. Dendronization of the insoluble block may be used for increasing of the number of terminal monomer units in the core. Such terminal groups can be further functionalized to be able to interact with active drugs, thereby increasing the loading capacity of the micelle.We have also demonstrated that dendronization of the soluble blocks favors formation of spherical micelles, whereas the ranges of thermodynamic stability of cylindrical wormlike micelles and dendrimersomes are shifted to larger degree of polymerisation of the insoluble blocks. On the contrary, dendronization of the insoluble block has the opposite effect and leads to widening of the stability ranges of polymersomes and cylindrical micelles.We investigated effects of finite extensibility (non-linear elasticity) in linear chain and dendron polyelectrolyte brushes containing ionic groups. We developed the analytical theory of polyelectrolyte brushes within the Poisson-Boltzmann approximation which explicitly accounts for finite extensibility of the brush-forming polyelectrolyte chains. It was shown that for the same set of the brush parameters the theory based on non-linear elasticity of the polyions predicts smaller thickness of the brush and larger magnitude of the jump in polymer density at the edge of the brush.The obtained knowledge will provide a rational background for molecular design of novel architecturally complex block copolymers, including those for medical applications.

Proteinadsorption ist in vielen biotechnologischen Anwendungen ubiquitär und ein zentrales Forschungsfeld in der Physik der weichen Materie. Das Verstehen der treibenden Kräfte hinter der Proteinadsorption würde zu einer besseren Kontrolle des Adsorptionsprozesses führen und die Entwicklung von Biosystemen mit beispielloser Funktionalität ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit wird die Proteinadsorption an weichen polymerartigen Biomaterialien sowie deren physikalische Wechselwirkungen unter Verwendung von zwei unterschiedlichen neu entwickelten Ansätzen theoretisch untersucht. Im ersten Teil wird ein neues mehrkomponentiges kooperatives Bindungsmodell entwickelt, um die Gleichgewichts-Adsorption von Proteinen auf Mikrogelen zu beschreiben. Es war somit möglich, die wahre treibende Kraft der Proteinadsorption zu identifizieren, die hauptsächlich elektrostatischen Ursprungs ist. Eine Errungenschaft des kooperativen Bindungsmodells ist die Vorhersage der kompetitiven Proteinadsorption und -desorption auf das Mikrogel, die auf thermodynamischen Parametern der Adsorption von Proteinen einzelner Sorten basiert. Vergleiche zwischen Experimenten mit binären Proteinmischungen und theoretischen Berechnungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen. Der zweite Teil fokussiert auf Protein-Wechselwirkungen mit Polyelektrolyten, um Adsorptionsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu erklären. Dafür wurden geladene fleckige Partikel konstruiert und als Proteinmodelle verwendet, während ein einfaches Kugel-Feder-Modell für das Polyelektrolyt und Polyelektrolytbürste benutzt wurde. Ein zentraler Aspekt war die Bestimmung der freien Energie, das Potential der mittleren Kraft (PMF), für die Komplexbildung der beiden Bestandteile mit Vergleichen zur Modellentwicklungen. Die Simulationsergebnisse legen ein komplexes Wechselspiel von elektrostatischen Kräften und Ionenfreisetzungsmechanismen dar, die für die starken attraktiven Wechselwirkungen in den PMFs verantwortlich sind. / Protein adsorption is ubiquitous in many biotechnological applications and has become a central research field in soft matter. Understanding the driving forces behind protein adsorption would allow a better control of the adsorption process and the development of biosystems with unprecedented functionality. In this thesis, protein adsorption onto soft polymeric biomaterials and their physical interactions is studied theoretically by using two different and newly developed approaches. In the first part, a novel multi-component cooperative binding model is developed to describe the equilibrium adsorption of proteins onto microgels. It was thus possible to correctly identify the true driving force behind the protein adsorption which was found to be mainly of electrostatic origin. A key achievement by the cooperative binding model is the prediction of competitive protein adsorption and desorption onto the microgel that is based on thermodynamic parameters related to single-type protein adsorption without any variable parameters. Comparisons between experimental data of binary protein mixtures and theoretical calculations have shown excellent agreements. The second part is focused on protein interactions with polyelectrolyte materials to elucidate adsorption processes on a microscopic level. For this purpose, charged patchy particles are constructed and used as protein models while a simple bead-spring model is employed for the polyelectrolyte and polyelectrolyte brush. A central aspect was the determination of the associated free energy, the potential of mean force (PMF), on the complex formation between the two constituents with comparisons to theoretical model developments. The simulation results evidenced a complex interplay of electrostatic forces and ion release mechanisms to be responsible for the strong attractive interactions observed in the PMFs.