This thesis ventures with the extracellular matrix protein (ECM) fibronectin (FN) as an interface protein in the interaction between cells and materials to design microenvironment for future use in tissue engineering. It is studied the FN adsorption and conformations, cell behaviour to different FN conformation, cell adhesion, reorganisation and remodelling of FN at the material interface, the role of growth factors (GF) and their interactions with components of the extracellular matrix (ECM), the immunology cell response, and the stem cell fate influenced by the extrinsic signals coming from the engineered microenvironments using ECM's proteins. To investigate the FN response, in terms of adsorbed amount and conformation to different chemical properties of the material, model surfaces were used. Self assembled monolayers (SAM) with different percentages of two different chemical groups were used: CH3 and OH. FN adsorption, initial cell adhesion and signalling (focal adhesions, integrin expression and phosphorylation of FAK) is related with the reorganisation and secretion of FN and matrix degradation. It is shown that matrix degradation at the cell material interface depends on surface chemistry in metalloproteinase-dependent way. A direct relationship between FN activity at the cell-material interface and metalloproteinase 9 (MMP9) expression was found, being the product of a sequence of events that include integrin expression, focal adhesion formation, matrix reorganisation and focal adhesion kinase (FAK) phosphorylation. Two different materials with subtle variations in their chemical composition were employed as a drastically different FN conformation: from a globular conformation on PMA (poly (methyl acrylate)) to the formation of a well-interconnected FN network (similar to the FN physiological fibrillar network) triggered by PEA (poly (ethyl acrylate)). The formation of focal adhesions (vinculin), FAK expression and phosphorylation, specific integrin binding, protein and gene expression for ¿5 and ¿v was studied, seeking to correlate cell adhesion with matrix degradation. It is demonstrated that the material-driven FN fibrillogenesis on PEA triggers proteolytic activity: MMP activity is higher as a compensatory mechanism to the inability of cells to reorganise this FN network. Looking into the role of protein-material interactions and stem cell fate, and with the knowledge on PEA, we engineer different synergistic microenvironments to direct cell and stem cell fate. FN has a growth factor (GF) binding domain on its molecule (FNIII12-14) and has been demonstrated to produce a synergistic response when occurs at the same time the recognition of the cell binding domain (FNIII9-10). It is demonstrated that this domain is available on the FN coated PEA, and exploiting these interactions between PEA, FN and GF, it is developed a microenvironment to control cell behaviour and tissue repair. It is studied the BMP2 binding and presentation, the effect of BMP2 presentation on MSC proliferation and differentiation. These systems allow not only enhanced activity of GF compared to soluble administration, but also reduce GF doses, improving safety and cost effectiveness. Finally, the immunological reaction of the microenvironment developed is studied using dendritic cells, beside the conformational structure of ECM protein importance in DC integrin-based activation it is studied, helping to establish the field of adhesion-based modulation of DC as a general mechanism that has previously not been defined. The microenvironment didn't induce any maturation in DC, while different FN conformation shows differences in DC morphology and citokine level production (IL-10 and IL-12). / En esta tesis se estudia la interacción de una proteina de la matriz extracelular, fibronectina (FN) como interfase en la interacción entre células y materiales, para diseñar microambientes con el propósito de ser usados en el futuro en ingeniería tisular. Se estudia la adsorción y conformación de FN y la relación con el diferente comportamiento celular: la adhesión celular, la reorganización y remodelado de la FN en la interfase célula-material, el papel que juegan los factores de crecimiento y sus interacciones con los componentes de la matriz extracelular, la respuesta immunológica y el destino celular de células madre influenciadas por las señales extrínsecas provenientes de microambientes elaborados a partir de proteínas de la matriz extracelular. Con el objetivo de investigar la respuesta a la FN en términos de conformación y cantidad absorbida a diferentes propiedades químicas del material, se usaron materiales modelo: monocapas autoensambladas (self-assembled monolayers, SAM). Las químicas estudiadas fueron CH3 and OH. La adsorption de FN, adhesion y señalización (adhesiones focales, expresión de interinas y fosforilación de quinasas de adhesiones focales (FAK)) se estudiaron en relación a la reorganización y secreción de FN y degradación de la matriz extracelular. Se demuestra que la degradación de la matriz extracelular en la interfase célula-material depende de la química de la superficie, a través de las metaloproteinasas. Se ha descubierto una relación directa entre la actividad de la FN que se encuentra en el material y la expresión de metaloproteinasa 9 (MMP9), a través de la expresión de integrinas, formación de adhesiones focales, reorganización de la matriz extracelular y fosforilación de FAK En el siguiente capítulo se emplean materiales poliméricos con una sutil diferencia en la composición química, provocando una diferencia drástica en la conformación de la FN: se pasa de una conformación globular en PMA (polimetil acrilato) a una conformación en forma de red interconectada en PEA (polietil acrilato). Con el propósito de relacionar la adhesión celular con la degradación de la matriz extracelular, se estudia la formación de adhesiones focales (vinculina), la expresión y fosforilación de FAK, la unión específica de integrinas y la expresión de las integrinas ¿5 and ¿v. Se demuestra que la formación de una red de FN sobre PEA induce la actividad proteolítica: la actividad de las MMPs es mayor, actuando como mecanismo compensatorio a la incapacidad de reorganización de la red de FN. Haciendo uso de la conformación de la FN sobre PEA, se estudiaron las interacciones entre la proteína-material y el destino celular de células madres. La FN posee un dominio de unión de factores de crecimiento (FNIII12-14) y se ha demostrado que se produce una respuesta sinérgica cuando el reconocimiento ocurre junto con el dominio de unión celular (FNIII9-10). En esta tesis se demuestra que el dominio de unión de factores de crecimiento está disponible en la conformación que adquiere sobre PEA y se diseñan microambientes para controlar el comportamiento celular y regeneración de tejido. Se estudia la unión y presentación de BMP2 y su efecto en la diferenciación de células madre mesenquimales. Los microambientes desarrollados, ademas de mejorar la actividad de los factores de crecimiento comparado con la administración soluble, también reduce la cantidad de factores de crecimiento que se tendría que administrar, mejorando la seguridad y efectividad. Finalmente se estudió la reacción inmunológica a los microambientes desarrollados usando células dendríticas, estudiando además la influencia de la estructura de la conformación de las proteínas en la activación de las células dendríticas a través de las integrinas. Los microambientes no indujeron ninguna maduración de células dendríticas, mientras que la conformación de la FN muestra control / En aquesta tesi s'estudia la interacció entre una proteïna de la matriu extracel.lular, fibronectina (FN) com interfase en la interaccio entre cèl·lules i materials, per a dissenyar microambients amb el propòsit d'utilitzar-se al futur en enginyeria tissular. S'estudia l'adsorció i conformació de la FN i la relació amb el diferent comportament cel·lular: l'adhesió cel·lular, la reorganització i remodelat de la FN a la interfase cèl·lula-material, el paper que juguen els factors de creixement i les seus interaccions amb els components de la matriu extracel·lular, la resposta immunològica i el destí cel·lular de cèl·lules mare influenciades pels senyals extrínseques provinents de microambients elaborats a partir de proteïnes de la matriu extracel·lular. Amb l'objectiu d'investigar la respostar a la FN en termes de conformació i quantitat absorbida a diferents propietats químiques del material, s'utilitzaren materials model: monocapes autoacoblades (self-assembled monolayers, SAM). Les químiques estudiades van ser CH3 and OH. L'absorció de FN, adhesió i senyalització (adhesions focals, expressió d'integrines i fosforilació de quinases d'adhesions focals (FAK)) es van estudiar en relació a al reorganització i secreció de la FN i degradació de la matriu extracel·lular. Es demostra que la degradació de la matriu extracelular en la interfase cèl·lula-material depèn de la química de la superficie, a través de les metal·loproteïnases. S'ha descobert una relació directa entra l'activitat de la FN que es troba en el material i l'expressió de metaloproteinasa 9, a través de l'expressió d'integrines, formació d'adhesions focals, reorganització de la matriu extracel·lular i fosforilació de FAK. Al següent capítol es fan servir materials polimèrics amb una subtil diferència en la composició química, provocant una diferència dràstica en la conformació de la FN: es passa d'una conformació globular en PMA (polimetil acrilat) a una conformació en forma de xarxa interconnectada en PEA (polietil acrilat). Amb el propòsit de relacionar l'adhesió cel·lular amb la degradació de la matriu extracel·lular, s'estudia la formació d'adhesions focals (vinculina), l'expressió i fosforilació de FAK, la unió específica d'integrines i l'expressió de les integrines ¿5 and ¿v. Es demostra que la formació d'una xarxa de FN sobre PEA indueix l'activitat proteolítica: l'activitat de les MMPs és més gran, actuant com a mecanisme compensatori a la incapacitat de reorganització de la xarxa de FN. Fent ús de la conformació de la FN sobre PEA, es van estudiar les interaccions entre la proteïna-material i el destí cel·lular de cèl·lules mares. La FN posseeix un domini d'unió de factors de creixement (FNIII12-14) i s'ha demostrat que es produeix una resposta sinèrgica quan el reconeixement ocurreix juntament amb el domini d'unió cel·lular (FNIII9- 10). En aquesta tesi es demostra que el domini d'unió de factors de creixement està disponible a la conformació que adquireix sobre PEA i es dissenyen microambients per controlar el comportament cel·lular i regeneració de teixit. S'estudia la unió i presentació de BMP2 i el seu efecte en la diferenciació de cèl·lules mare mesenquimals. Els microambientes desenvolupats, a més de millorar l'activitat dels factors de creixement comparat amb l'administració soluble, també redueix la quantitat de factors de creixement que s'hauria d'administrar, millorant la seguretat i efectivitat. Finalment es va estudiar la reacció immunològica als microambients desenvolupats usant cèl·lules dendrítiques, estudiant a més la influència de l'estructura de la conformació de les proteïnes en l'activació de les cèl·lules dendrítiques a través de les integrines. Els microambients no van induir cap maduració de cèl·lules dendrítiques, mentre que la conformació de la FN mostra controlar la morfologia de les cèl·lules dendrítiques i / Llopis Hernández, V. (2017). Material-driven fibronectin fibrillogenesis to engineer cell function [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90412

Carbon-based materials are poised to be an important class of 21st century materials, for bio-medical, bio-electronic, and bio-sensing applications. Diamond and polymers are two examples of carbon-based materials of high interest to the bio-materials community. Diamond, in its conductive form, can be used as an electrochemical bio-sensor, whilst its nanoparticle form is considered a non-inflammatory platform to deliver drugs or to grow neuronal cells. Polymers, especially when chemically modified, have been used extensively in biological environments, from anti-microbial use to drug delivery. The large-scale use of either material for biological use is limited by two factors: ease of chemical modification and the paucity of knowledge of their surface chemistry in aqueous media. This thesis addresses aspects of both these issues. The first study reported is an in situ study of the adsorption dynamics of an exemplar globular protein (bovine serum albumin, BSA) on nanodiamond using the relatively novel quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) technique. For the first time, QCM-D enabled the detailed study of protein dynamics (i.e. kinetics, viscoelastic properties, overlayer structure, etc.) onto nanodiamond thin films having various surface chemistry and roughness. The dynamics of protein adsorption is found to be sensitive to surface chemistry at all stages of adsorption, but it is only sensitive to surface roughness during initial adsorption phases. Our understanding of the nanodiamond-biology interface is enhanced by this study, and it suggests that QCM-D is useful for the study of the surface chemistry of nanoparticle forms of inorganic materials. A second study concerns a novel surface functionalization scheme, based on carbene and azo-coupling chemistry, which has been recently introduced as a practical, facile method for modifying the surfaces of polymers. Using modern surface characterization techniques, it is demonstrated that a chemical linker can be attached to polystyrene surfaces using carbene-based chemistry, and that further chemical functionality can be added to this chemical linker via an azo-coupling reaction. In situ studies of protein dynamics at these interfaces were conducted using QCM-D, thus enabling a link between specific protein behaviour and the polymer surface chemical termination chemistry to be made. A third area of study of investigates the use of diamond electrodes as a bio-sensor for dopamine under physiological conditions. For these conditions, ascorbic acid interferes with the dopamine oxidation signal, in ways that render the two signals irresolvable. Various modifications are used in attempts to reduce this interference, including: small and large cathodic treatments, grafting of electro-active polymers, addition of carbon nanotubes, and hydrogen plasma treatment. Those modifications leading to the hydrogen-termination of diamond are shown to work the best. Notably, hydrogen plasma treatment effects the complete electrochemical separation of dopamine and ascorbic acid at a diamond electrode. This is the first time this has been accomplished without adding non-diamond materials to the diamond electrode surface.

Protéines sont largement utilisés dans la formulation dans le domaine pharmaceutique et de jouer un rôle important dans les fonctions biologiques. Il est bien connu que l'adsorption de protéines sur la surface solide est toujours observé pour un stockage à long terme, ce qui entraînera une réduction de la dose de substance active ou une perte de l'activité biologique. Dans certains cas, une courte période de contact avec la surface est suffisante pour modifier fortement la conformation des protéines : par exemple, l'insuline pertes 52% de son activité biologique après 5 minutes de contact avec la surface de verre, ainsi qu'une perte de 30% d’activité biologique du cétrorélix est observé après 2 heures de contact. Parmi tous les paramètres, la dénaturation des protéines est fortement liée à sa stabilité des propriétés de surface. La compréhension de l'adsorption de protéines est devenue une question cruciale dans l'industrie pharmaceutique.Pour mieux comprendre le comportement des protéines à la surface, la quantification des protéines adsorbées et sa conformation devrait être étudiée. L'objectif de notre recherche sera de comprendre les comportements des protéines sur différents surfaces de seringue pré - remplie classique.Le principal objectif de ce projet est de comprendre le comportement de plusieurs modèles de protéines comme la sérum d’albumine bovine (BSA), le lysozyme (LSZ) et la myoglobine (MGB) en contact avec des surfaces de seringues pré-remplie comme le verre et l’élastomère. Nous proposons d'utiliser la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) pour la quantification de protéine adsorbée sur une surface plane en déterminant la déplétion des protéines en solution. La réflexion totale atténuée infrarouge à transformée de fourier (FTIR-ATR) spectroscopie est utilisée de suivre les changements structurels des protéines adsorbées sur des surfaces solides. [...] / Proteins are widely used in formulation in the pharmaceutical field and play a major role in biological functions. It is well known that protein adsorption on solid surface is always observed for a long-term storage, which will result in a reduced dose of active compound or a loss of biological activity. In some cases, only short time of contact are sufficient to drastically modify the protein conformation: for instance, insulin losses 52% of its biological activity after 5 minutes contacting with glass surface, as well as a loss of 30% of cetrorelix is observed after 2 hours. Among all parameters, the time frame of the denaturation process is strongly related to the protein stability and surface properties. The understanding of protein adsorption has therefore become a crucial issue in the pharmaceutical industry.To gain a better understanding of proteins’ behavior on the surface, adsorbed protein quantification and its conformation should be studied. The objective of our research in a first will be to understand proteins’ behaviors on various surfaces which composed a classical prefilled syringe.The main goal of this PhD project is to understand the behaviors of several model proteins like bovine serum albumin (BSA), lysozyme (LSZ) and myoglobin (MGB) in contact with the surfaces of prefilled syringes such as glass and elastomer. We propose to use the high performance liquid chromatography (HPLC) to quantify the amount of protein adsorbed on a flat surface by determining the depletion of the proteins in solution. Fourier transform infrared-attenuated total reflection (FTIR-ATR) spectroscopy was as well as employed to follow the structural changes of adsorbed BSA on solid surface. [...]

Here, we report on a new temperature responsive polymer brush system with a terminal “click” functionality. Bifunctionalized poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm) with distinct functional end groups was synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) and grafted to a modified silicon substrate. The presence of the active terminal alkyne functionality is validated using an azide-modified rhodamine B (N3-RhB) via copper(I) catalyzed alkyne–azide cycloaddition (CuAAC). The optical properties and swelling dynamics of an N3-RhB modified PNiPAAm brush are analyzed in dry state and in situ by VIS-spectroscopic ellipsometry (SE). The best-fit results are obtained using a Gaussian oscillator model and are confirmed by UV/VIS-spectroscopy. We observed evidence of interactions between the aromatic residues of the dye and the PNiPAAm amide groups, which significantly affect the swelling behavior of the modified polymer brush. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Ma thèse a porté sur des complexes de polyélectrolytes en solution et en films LbL pour la transfection de cellules et le contrôle des interactions cellule-surface. Il est possible de doser un agent de transfection et de l'ADN plasmidique dans des films LbL en ajustant le nombre de couches. Les efficacités de transfection avec différentes lignées cellulaires ont été au moins aussi bonnes que celles rapportées dans la littérature, mais sont restées globalement faibles. Différents nanobags ont également été systématiquement testés menant à un protocole de transfection très efficace avec une faible cytotoxicité pour des fibroblastes humains qui sont difficiles à transfecter. Nous avons pu identifier les architectures LbL qui permettent de contrôler l'adhésion cellulaire même en présence de sérum. Cela nous a permis d'introduire une nouvelle technique pour le suivi in situ de la transfection par QCM-D en suivant la mobilité du cytosquelette qui sera poursuivie dans un futur projet. / My PhD work was focused on polyelectrolyte complexes in bulk and in LbL-films for cell transfection and for controlling cell-surface interactions. It is possible to dose transfection agent and plasmid DNA in LbL-films by adjusting the number of layers. Transfection efficiencies with different cell lines were at least as good as reported in the literature, but remained overall weak. Different nanobags were also tested systematically leading to a highly efficient transfection protocol with low cytotoxicity for human fibroblasts which are difficult to transfect. We were able to identify multilayer architectures that allow to control cell adhesion even in the presence of serum. This allowed us also to introduce a new technique for the in-situ monitoring of transfection by QCM-D through monitoring cytoskeleton mobility which will be further pursued in a future research project.

Dans ce travail, l'adsorption de protéines globulaires sur des surfaces modifiées a été investiguée par ellipsométrie et par réflectivité de neutrons.<p><p>L'adsorption de myoglobine deutérée sur des monocouches hydrophobes d'OTS et de PS a été étudiée par réflectivité de neutrons pour des solutions de protéines de différentes concentrations (de 1 mg/ml à 0.01 mg/ml). A basse concentration, les protéines adsorbées se dénaturent et s'étalent sur le substrat hydrophobe et l'adsorption résulte en une fine couche dense en protéines. Sur le PS, les protéines s'étalent moins, ce qui est en accord avec la moindre hydrophobicité du PS. A haute concentration, une couche supplémentaire peu dénaturée est observée au-dessus de la première couche.<p><p>La cinétique d'adsorption primaire de HSA a été étudiée par ellipsométrie sur des brosses de PEG (Mw = 35700 Da) de différentes densités de greffage. Les résultats confirment que les brosses de PEG répriment l'adsorption de protéines. En outre, l'adsorption est très rapide sur le PS, tandis que sur les brosses, l'adsorption est plus lente. Le comportement à temps long de la quantité adsorbée Γ en fonction de la densité de greffage σ est en accord semi-quantitatif avec une théorie développée par Halperin et basée sur les différentes contributions à l'énergie libre d'une protéine adsorbée. Il a également été mis en évidence un régime pour lequel le taux d'adsorption dΓ/dt décroît exponentiellement avec la quantité de protéines adsorbées Γ.<p><p>L'adsorption de protéines (lysozyme, HSA et myoglobine) a ensuite été étudiée sur des brosses de PNIPAM en fonction des paramètres de la brosse et de la température. Les brosses ont été greffées par ATRP à partir d'une monocouche d'OEG (oligo éthylène glycol) silanisé contenant du brome comme initiateur. Il a été montré que l'adsorption primaire sur la surface de greffage est inférieure à 0.1 mg/m^2 et que l'adsorption ternaire dans la brosse, en dessous et au-dessus de la LCST, ne dépasse pas 1 mg/m^2 (~ 2% de fraction volumique en protéines). La résistance à l'adsorption a été associée à la présence d'une région hydrophile superficielle qui pourrait présenter une barrière cinétique à l'adsorption des protéines dans le cœur moins polaire de la brosse.<p><p>L'ensemble de ces résultats montre que les propriétés interfaciales du substrat jouent un rôle crucial dans les processus d'adsorption des protéines. <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Here, we report on a new temperature responsive polymer brush system with a terminal “click” functionality. Bifunctionalized poly(N-isopropylacrylamide) (PNiPAAm) with distinct functional end groups was synthesized by atom transfer radical polymerization (ATRP) and grafted to a modified silicon substrate. The presence of the active terminal alkyne functionality is validated using an azide-modified rhodamine B (N3-RhB) via copper(I) catalyzed alkyne–azide cycloaddition (CuAAC). The optical properties and swelling dynamics of an N3-RhB modified PNiPAAm brush are analyzed in dry state and in situ by VIS-spectroscopic ellipsometry (SE). The best-fit results are obtained using a Gaussian oscillator model and are confirmed by UV/VIS-spectroscopy. We observed evidence of interactions between the aromatic residues of the dye and the PNiPAAm amide groups, which significantly affect the swelling behavior of the modified polymer brush. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Es ist eine allgemein akzeptierte Tatsache, dass der Kontakt von Proteinen mit synthetischen Materialien üblicherweise zur Proteinadsorption an der Materialoberfläche führt. Über den stattfindenden Prozess, insbesondere das Zusammenspiel zwischen Protein-Oberflächen-Wechselwirkungen und konformellen Änderungen der adsorbierten Proteine ist jedoch bisher nur wenig bekannt. In dieser Arbeit wird die ortsgerichtete Spinmarkierungstechnik (SDSL) auf die Strukturuntersuchung adsorbierter Proteine ausgeweitet. Diese nutzt das spezifische Einbringen einer spinmarkierte Seitenkette an gewünschte Positionen der Primärstruktur zur Analyse der Struktur und Dynamik diamagnetischer Proteine mittels der Elektronenspinresonanz(ESR)-Spektroskopie. Das globuläre Protein T4 Lysozym (T4L) wurde auf planare Modelloberflächen adsorbiert und strukturelle Änderungen in Abhängigkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Oberfläche verfolgt. Die spezifische Anbindung von T4L auf quarzgestützten zwitterionische Lipiddoppelschichten führt nur zu geringfügigen strukturellen Veränderungen des Proteins. Allerdings bildet sich eine makroskopisch geordnete Proteinschicht aus. Die Vorzugsrichtung der Proteine auf der Oberfläche kann durch Analyse der winkelabhängigen ESR-Spektren bestimmt werden. Die Wechselwirkung negativ geladener Oberflächen mit dem positiv geladenen T4L führt zu drastischeren Störungen der Proteinstruktur. Hierbei wird die Reaktion des Proteins auf den Kontakt mit einer fluiden quarzgestützten Lipiddoppelschicht, die das negativ geladenen Lipid Phosphatidylserin enthält, mit derer bei Adsorption auf einer ebenfalls negativ geladenen, jedoch rigiden Quarzoberfläche verglichen. Dass der Adsorptionsprozess auch das Substrat selbst beeinflussen kann, wird durch die Beobachtung einer Phasentrennung bei Proteinadsorption des Lipidgemischs aufgezeigt, das negativ geladene Lipide enthält. / Although it is commonly accepted that the exposition of proteins to man-made materials typically results in protein adsorption on the material surface, little is known about the interplay between the protein-surface interactions involved and the resulting conformational changes of the adsorbing protein. In this study the site-directed spin labeling (SDSL) approach has been extended to the investigation of proteins adsorbed to planar surfaces. The method involves the selective introduction of an artificial spin-labeled side-chain to a predefined residue of the amino acid sequence and allows the determination of the structure and dynamics of proteins by analysis of the electron paramagnetic resonance (EPR) spectra. The globular protein T4 Lysozyme (T4L) has been adsorbed to planar model surfaces to study the correlation between conformational changes of the protein and the physical and chemical properties of the surfaces. Tethering T4L to a planar quartz-supported zwitterionic lipid bilayer shows only minor changes in the structure of the protein. Furthermore, a macroscopic order of the adsorbed protein layer is proven by angular-dependent EPR spectra which allow the determination of the protein orientation. Offering surfaces that are net negatively charged to the highly positively charged T4L leads to the observation of more drastic conformational changes. Here, the conformation of T4L adsorbing to a fluid quartz-supported lipid bilayer containing negatively charged lipids is compared to the structure of T4L adsorbed to the negatively charged but rigid quartz surface. The adsorption process may also influence the substrate itself. This can be shown by the phase separation of the negatively charged lipid bilayer upon protein adsorption.

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.