Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modulares Nukleinsäure-basiertes System zur Immobilisierung von verschiedenen bioaktiven Molekülen untersucht. Zur Verankerung nutzt das System komplementäre Nukleinsäurestränge. Einer der beiden Stränge wird durch anodische Polarisation partiell in die anodische Oxidschicht eingebaut, an den komplementären Strang wird das biologische Molekül konjugiert. Der Vorteil des hier weiter entwickelten Immobilisierungssystems bildet dessen Vielseitigkeit. Es kann auf alle titanbasierenden Implantate übertragen werden und dadurch, dass ein universelles Verankerungssystem verfügbar ist, können verschiedene bioaktive Moleküle aufgebracht werden. Für die Übertragung des Nukleinsäure-basierten Immobilisierungssystems auf reale Implantatoberflächenzustände konnten optimale Prozessbedingungen festgelegt werden. Weiterhin konnten verschiedene Ankerstrangsequenzen hinsichtlich ihres Einflusses auf Adsorption und Hybridisierungseffizienz beurteilt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte eine Methode entwickelt werden, die es ermöglicht, das Immobilisierungssystem mit 25 kGy Standarddosis Gammastrahlung zu sterilisieren. Hierbei wurden verschiedene Strategien (Trocknung, Schutzgas, Opferstränge) untersucht und hinsichtlich ihrer Ankerstrangschutzfähigkeit bewertet. In Zell- und Tierversuchen konnte die biologische Aktivität der über das Immobilisierungssystem aufgebrachten Wachstumsfaktoren VEGF und BMP-2 gezeigt werden. Zusammenfassend konnte mit der vorliegenden Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung eines Nukleinsäure-basierten Immobilisierungssystems im Hinblick auf eine klinische Anwendung geleistet werden.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Für das Tissue Engineering von Knochen werden poröse dreidimensionale Substrate (Scaffolds) als Zellträger benötigt, die in der vorliegenden Arbeit über keramische Technologie hergestellt wurden. Neben dem strukturierten und getrockneten Verbundwerkstoff (Grünkörper) und der Sinterkeramik wurde auch der Zwischenzustand nach Ausheizen der organischen Phase (Braunkörper) evaluiert. Bei der Herstellung blieb die Architektur der parallel orientierten Kanalporen, die über den Sol-Gel-Prozess der gerichteten ionotropen Gelbildung des Alginates erzeugt wurde, in allen Materialzuständen erhalten. Die Herstellungstechnologie wurde derart optimiert, dass die neuartigen anisotropen Scaffolds allen prinzipiell gestellten Forderungen für das Tissue Engineering entsprachen – sie waren porös mit weithin einstellbarer Porengröße, sterilisierbar, gut handhabbar unter Zellkulturbedingungen, biokompatibel und degradabel. Der unerwartete Favorit der Biomaterialentwicklung, der Braunkörper – eine nanokristalline, poröse Hydroxylapatit-Biokeramik – lag in einer ersten in vivo-Studie nach 4 Wochen integriert im Knochen vor. Die beobachtete Knochenneubildung deutete auf eine osteokonduktive Wirkung des Materials hin. Die in der vorliegenden Arbeit untersuchten Technologien und Biomaterialien bieten eine Basis für weitere Forschung und motivieren zur Weiterentwicklung und Nutzung als Scaffold für das Tissue Engineering oder Knochenersatzmaterial unter Verwendung der interessanten Architektur.

Reproductive containment in farmed fish is highly desired for sustainable aquaculture to prevent genetic introgression with wild conspecifics and enhance productivity by suppressing sexual maturation. A number of strategies have already been implemented or have been tested in commercially important fish (e.g. triploidy, monosexing, hormonal therapies); however, they either do not result in 100% containment, or they cannot be applied to all species. One promising new approach consists in disrupting primordial germ cells (PGCs), at the origin of germline cells, to induce sterility. The work carried out in this doctoral thesis aimed to investigate the genes involved in the survival of germ cells and subsequently conduct a functional analysis of candidate genes using CRISPR/Cas9 gene editing system to ultimately provide the basis for the development of a novel sterilisation technique. Nile tilapia was chosen as the experimental animal as it is a major aquaculture species worldwide and the control of reproduction plays a critical role in the farming productivity in this species. In addition, the species has clear advantages as its whole genome sequence is accessible, the generation time is relatively short and zygotes can be available all year round. Initially, a panel of 11 candidate genes with reported roles in survival of PGCs was investigated during the ontogenic development which led to the selection of piwi-like (piwil) gene as a target for genome editing. Then, high temperature was tested as a means to induce germ cell loss to better understand the mechanism underlying germ cell survival and apoptosis, and this study confirmed the functional importance of piwil genes in relation to germ cell loss and proliferation. In addition, the study suggested potential subfunctionalisation within the Bcl-2 gene family which requires further investigation. The next step aimed to optimise the CRISPR/Cas9 gene editing method by improving the microinjection system and testing different concentrations of sgRNAs. Over 95% of injected embryos showed on-target mutation in piwil2 via zygote injection of CRISPR/Cas9 reagents and complete KO larvae were shown in half of the mutants, producing putative sterile fish. However, there was no clear association between the phenotypes in PGCs and the mutation rate. Further comparative studies of mutant screening methods including T7E1, RGEN, HRMA, fragment analysis and NGS revealed that the genotypes of F0 are highly mosaic, suggesting that deep sequencing is recommended for accurate and high throughput F0 screening and further improvement for predictable genome editing is required for a reliable gene functional analysis in F0. In summary, the current thesis provided new scientific knowledge and supporting evidence for the use of the CRISPR/Cas9 gene editing platform to study gene function associated with sterility, with the ultimate goal to develop an alternative sterilisation method in fish.

At the Forschungszentrum Rossendorf the build-up of the superconducting 1.3 GHz accelerator ELBE is still in progress. Furthermore a new sc photo injector (SRF gun) is under development, which should accelerate electrons up to 10 MeV at 1.3 GHz frequency. The use of electron accelerators is also more and more interesting for applications where the destructive potential of the electrons are used like sterilization of medical waste and medical products, food irradiation or decontamination of sewage. For these processes a high power is required to achieve a high product throughput in a plant. The aim is therefore to use beam powers of around 100 kW or more. Since the applications of electron accelerators in industrial environments are steadily increasing one can speculate about transferring the above named state of the arte technology to industrial electron accelerators. At the FZR a feasibility study of such a table top electron accelerator (TTE) has been performed to investigate its technical limits and marketabilitys.

At the Forschungszentrum Rossendorf the build-up of the superconducting 1.3 GHz accelerator ELBE is still in progress. Furthermore a new sc photo injector (SRF gun) is under development, which should accelerate electrons up to 10 MeV at 1.3 GHz frequency. The use of electron accelerators is also more and more interesting for applications where the destructive potential of the electrons are used like sterilization of medical waste and medical products, food irradiation or decontamination of sewage. For these processes a high power is required to achieve a high product throughput in a plant. The aim is therefore to use beam powers of around 100 kW or more. Since the applications of electron accelerators in industrial environments are steadily increasing one can speculate about transferring the above named state of the arte technology to industrial electron accelerators. At the FZR a feasibility study of such a table top electron accelerator (TTE) has been performed to investigate its technical limits and marketabilitys.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein modulares Nukleinsäure-basiertes System zur Immobilisierung von verschiedenen bioaktiven Molekülen untersucht. Zur Verankerung nutzt das System komplementäre Nukleinsäurestränge. Einer der beiden Stränge wird durch anodische Polarisation partiell in die anodische Oxidschicht eingebaut, an den komplementären Strang wird das biologische Molekül konjugiert. Der Vorteil des hier weiter entwickelten Immobilisierungssystems bildet dessen Vielseitigkeit. Es kann auf alle titanbasierenden Implantate übertragen werden und dadurch, dass ein universelles Verankerungssystem verfügbar ist, können verschiedene bioaktive Moleküle aufgebracht werden. Für die Übertragung des Nukleinsäure-basierten Immobilisierungssystems auf reale Implantatoberflächenzustände konnten optimale Prozessbedingungen festgelegt werden. Weiterhin konnten verschiedene Ankerstrangsequenzen hinsichtlich ihres Einflusses auf Adsorption und Hybridisierungseffizienz beurteilt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte eine Methode entwickelt werden, die es ermöglicht, das Immobilisierungssystem mit 25 kGy Standarddosis Gammastrahlung zu sterilisieren. Hierbei wurden verschiedene Strategien (Trocknung, Schutzgas, Opferstränge) untersucht und hinsichtlich ihrer Ankerstrangschutzfähigkeit bewertet. In Zell- und Tierversuchen konnte die biologische Aktivität der über das Immobilisierungssystem aufgebrachten Wachstumsfaktoren VEGF und BMP-2 gezeigt werden. Zusammenfassend konnte mit der vorliegenden Arbeit ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung eines Nukleinsäure-basierten Immobilisierungssystems im Hinblick auf eine klinische Anwendung geleistet werden.