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Similar to how CRISPR has revolutionized the field of molecular biology, machine learning may drastically boost research in the area of materials science. Machine learning is a fastevolving method that allows for analyzing big data and unveiling correlations that otherwise would remain undiscovered. It may hold invaluable potential to engineer novel functional materials with desired properties, a field, which is currently limited by timeconsuming trial and error approaches and our limited understanding of how different material properties depend on each other. Here, we apply machine learning algorithms to classify complex biological materials based on their microtopography. With this approach, the surfaces of different variants of biofilms and plant leaves can not only be distinguished but also correctly classified according to their wettability. Furthermore, an importance ranking provided by one of the algorithms allows us to identify those surface features that are critical for a successful sample classification. Our study exemplifies how machine learning can contribute to the analysis and categorization of complex surfaces, a tool, which can be highly useful for other areas of materials science, such as damage assessment as well as adhesion or friction studies.

The erosion resistance of bacterial biofilms can be a double-edged sword: it hampers the removal of undesired biofilms in biomedical settings, but it is necessary for beneficial biofilms to be used in aqueous environments for biotechnological applications. Whether or not a bacterial biofilm exhibits this material property depends on the bacterial species and the detailed composition of the biofilm matrix. Here, we demonstrate how the erosion resistance of B. subtilis NCIB 3610 biofilms can be enhanced by integrating foreign (bio)polymers into the matrix during biofilm growth. As a result of this artificial macromolecule addition, the engineered biofilm colonies show changes in their surface topography which, in turn, cause an alteration in the mode of surface superhydrophobicity. Surprisingly, the viscoelastic properties and permeability of the biofilms towards antibiotics remain unaffected. The method introduced here may present a promising strategy for engineering beneficial biofilms such, that they become more stable towards shear forces caused by flowing water but, at the same time, remain permeable to nutrients or other molecules.

In the version of this Article originally published, author Carolina Falcón Garcia’s name was coded wrongly, resulting in it being incorrect when exported to citation databases. This has now been corrected, though no visible changes will be apparent.

It was a physicist, Wolfgang Pauli, who recognized a century ago that ?God made the bulk;the surface was invented by the devil ? And indeed, adjusting the surface properties of materials has kept engineers and chemists busy since?and it still does In the context of biomedical engineering, the key challenge is ensuring the functionality of an artificial object, which is inserted into the human body?an environment that passively and actively rejects foreign materials Here, recent advances in this area while focusing on those approaches that employ surface coating strategies with biopolymers are summarized

Since humans are travelling into the outer atmospheres of our planet and beyond, a new environmental habitat was established. Knowing that life - possibly since its first appearance on Earth is adapted to terrestrial gravity, the impact of microgravity on prokaryotes and humans remains mostly unclear. Investigating the influence of extreme conditions like those in space, Bacillus subtilis was chosen as model organism. Non-domesticated strains, such as NCIB 3610 have the ability to form biofilms as well as highly resistant endospores. Since it is known that planktonic life is the exception, biofilms are considered as predominant way of living (Moons et al., 2009). Building a biofilm protects the individual cell against shear forces, chemicals (e.g. antibiotics or disinfectants), temperature changes and water as well as nutrient depletion (Vlamakis et al., 2013, Cairns et al., 2014). The intrinsic resistance of biofilms is a problem, not only in industry and medicine, but it can be problematic during spaceflight conditions, especially for the crew as well as for the spacecraft. In particular, long term missions with complex cooling systems, water supply and heat pipes may be vulnerable to biofilm colonisation. In our work, we used a rotating 2D-clinostat to determine the effect of simulated microgravity (sim.-μg) and terrestrial gravity (1g) on B. subtilis biofilms and spores by using different microscopic techniques. White light profilometry, scanning and transmission electron microscopy (SEM, TEM) and confocal laser scanning microscopy (CLSM) were used to analyse biofilms regarding their topology and inner structure, respectively. First results show qualitative architectural differences between simulated microgravity and 1g in cross-sections, but no significant qualitative variations in biofilm surface topography. In order to test the resistance of spores grown under simulated gravity, germination assays, as well as survival assays were used. First results revealed that spores grown under the influence of sim.-μg had an increased spontaneous germination rate compared to spores grown at 1g.

Bakterielle Additive für zementhaltige Baustoffe haben sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen Forschungstrend entwickelt. In dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse über die hydrophobierende Wirkung bakterieller Additive auf zementöse Baustoffe gewonnen. Zudem wurde eine Formulierung, die den vielversprechendsten der getesteten bakteriellen Zusätze (gefriergetrockneten, bakteriellen Biofilm) enthält, weiterentwickelt und auf ihre Dauerhaftigkeit unter Umwelteinflüssen getestet. Cementitious building materials supplemented with bacterial substances emerged as an important research trend in recent years. In this thesis, the hydrophobizing effect of bacterial additives on cementitious materials was investigated and a formulation containing the most promising additive (freeze-dried bacterial biofilm) was further developed. In addition, the durability of this hybrid mortar material could successfully be tested, proving its functionality under environmental conditions.

In dieser Dissertation wird ein breites Spektrum von Anwendungen von natürlichen und modifizierten bakteriellen Biofilmen und interessante Strategien zur Modifikation von Biofilmmatrix dargestellt. Die hier vorgestellten Erkenntnisse können dazu beitragen, neue Strategien zur Herstellung robusterer Biofilme für biotechnologische Anwendungen zu entwickeln und einen Einblick in die Beziehung zwischen der Oberflächentopographie und dem Benetzungsverhalten komplexer Oberflächen zu erhalten. In this dissertation, a broad range of applications of normal and modified biofilms and interesting strategies to modify the biofilm matrix are presented. The findings presented here may help to develop novel strategies to produce more robust biofilms for biotechnological applications and provide an insight into the relation between the surface topography and the wetting behavior of complex surfaces.

The viscoelasticity, wetting behavior and adhesion of bacterial biofilms are investigated and analyzed. These findings contribute to a better understanding of the possibilities to remove or cultivate bacterial biofilms. Furthermore, bioinspired synthetic hydrogels based on Fmoc-peptides are investigated. These self-assembling dynamic hydrogels offer possibilities to tune their stiffness, lifetime and yield point and have the potential to be used as temporal and programmable sealings. Die Viskoelastizität, das Benetzungsverhalten und die Adhäsion von bakteriellen Biofilmen werden untersucht und analysiert. Diese Resultate tragen zu einem besseren Verständnis bei, bakterielle Biofilme bekämpfen oder kultivieren zu können. Darüber hinaus werden bioinspirierte synthetische Hydrogele auf der Basis von Fmoc-Peptiden untersucht. Diese selbstassemblierenden dynamischen Hydrogele ermöglichen die Einstellung ihrer Steifigkeit, Lebensdauer und Dehngrenze. Außerdem haben diese Hydrogele das Potential als temporäre und programmierbare Abdichtungen verwendet zu werden.

Physiologically, mucosal systems occur in three different states – as membrane-tethered surface layers, solutions, and hydrogels. In this thesis, models for these mucosal systems were generated from purified mucin glycoproteins, the functional key component of mucus. With these model systems, a structure-function analysis was performed to identify the structural motifs and mechanistic principles, which govern the diverse functionalities mucins fulfill in the human body. Mucus kommt im menschlichen Körper in drei verschiedenen Formen vor – als membranverankerte Oberflächenlagen, Lösungen und Hydrogele. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Modellsysteme aus gereinigten Mucinen, der funktionellen Komponente von Mucus, etabliert. Mit Hilfe dieser Modellsysteme wurde eine Struktur-Funktions-Analyse durchgeführt, um die strukturellen Motive und mechanistischen Prinzipien zu identifizieren, die für die zahlreichen physiologischen Funktionen von Mucinen verantwortlich sind.

The first part of this thesis pinpointed the outstanding properties of macromolecular lubricants in different scenarios. In the framework of those experiments, a custom-made oscillatory tribology setup was developed, that complements a commercial rotational measuring unit. Example studies in the fields of food engineering and cartilage tribology were conducted and the abilities of macromolecular lubricants to reduce both, friction and wear formation were highlighted. As one particular example, the possibilities and limitations of mucin solutions were further investigated in detail to gain a deeper understanding of the mechanisms that underlie macromolecular lubrication. In the second part, macromolecules were immobilized onto technical polymer surfaces in the form of polymer-brush coatings. In this context, a multi-step coating process was developed that allows to covalently bind mucin glycoproteins onto a variety of medically relevant polymer materials. It was shown, that this coating strategy is capable of creating mechanically stable mucin layers, which can further resist a broad range of physiologically relevant environmental conditions. Moreover, this thesis demonstrated that surface-bound macromolecules can interact with other solubilized macromolecules and that these interactions are mostly of steric nature, i.e. entanglement, and less governed by electrostatic effects. The third part of this thesis continued in the field of macromolecular coatings; however, the viewpoint was shifted from lubrication to creating coatings, that interact directly with their environment. To underline the tuneability of macromolecular coatings, a platform was presented that allows for investigating the selective binding properties of macromolecules in a porous PDMS sponge. Furthermore, it was shown that the mucin coating presented before also exhibits intrinsic anti-biofouling properties, i.e. it reduces the undesirable deposition of proteins, bacteria and fibroblasts. Finally, a strategy is presented, how polymer-brush coatings can be loaded with antibiotic drugs and that the drugs remain entrapped inside the polymer layer until the layer is exposed to a physiological salt concentration. By applying a multilayer approach this strategy was complemented with a second antibiotic reservoir, which liberates antibiotics only as a response to reoccurring inflammations. Combined, the three aspects of this approach, i.e. reduction of friction-induced inflammations, intrinsic anti-fouling properties, and the controlled release of anti-inflammatory or antibacterial drugs build a strong foundation for controlling device and implant-associated health care-associated infections (HCAIs). Moreover, this approach is extremely versatile as all strategies presented here can also be applied using different macromolecules on different substrates or different drugs. Das Erste von insgesamt drei Kapiteln dieser Dissertation befasst sich mit den herausragenden Eigenschaften makromolekularer Schmiermittel in verschiedenen Szenarien. Zunächst wurde dafür ein tribologischer Messaufbau entwickelt, der es erlaubt, oszillatorische Reibmessungen an einem kommerziellen Scher-Rheometer durchzuführen. Anhand verschiedener Beispiele wurde gezeigt, dass solch makromolekulare Schmiermittel in der Lage sind sowohl Reibung als auch Abrieb auf verschiedenen Oberflächen drastisch zu reduzieren. Dabei wurde ein spezieller Fokus auf das Glykoprotein Mucin gelegt. Verschiedene Versuchsreihen wurden durchgeführt, die einen neuen, tieferen Einblick in das Verständnis makomolekularer Schmierung geben. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Makromoleküle, welche zuvor als Additive für wasserbasierte Schmiermittel eingesetzt wurden nun in Form von bürstenartigen Beschichtungen auf technische Kunststoffoberflächen aufgetragen. In diesem Zusammenhang wurde ein mehrstufiger Beschichtungsprozess entwickelt, der es erstmals erlaubt, Mucinmoleküle kovalent auf eine Vielzahl medizinischer Kunststoffe zu koppeln. Es wurde gezeigt, dass diese Strategie mechanisch stabile Beschichtungen erzeugen kann, die außerdem in der Lage sind, verschiedensten physiologischen Bedingungen zu widerstehen. Des Weiteren wurde gezeigt, dass oberflächengebundene Makromoleküle mit anderen Molekülen in der Umgebung interagieren können und dass diese Synergien überwiegend durch sterische Effekte und weniger durch Ladung der Moleküle beeinflusst werden. Auch der dritte und letzte Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit molekularen Beschichtungen, diesmal jedoch nicht zur Reduzierung von Reibung. Stattdessen sollen Beschichtungen nun so gestaltet werden, dass sie aktiv mit der Umgebung interagieren. Um die Vielfältigkeit solch makromolekularer Beschichtungen hervorzuheben wurde zunächst eine Plattform präsentiert, die es ermöglicht das selektive Bindungsverhalten dieser Makomoleküle zu untersuchen. Weiterhin wurde gezeigt, dass Mucinbeschichtungen, wie sie zuvor eingeführt wurden, auch dazu in der Lage sind die ungewollte Ablagerung von Proteinen, Bakterien und Bindegewebszellen zu reduzieren. Abschließend wurde eine Strategie präsentiert, die es erlaubt solche makromolekularen Beschichtungen mit Wirkstoffmolekülen zu beladen und diese Moleküle solange in der Beschichtung zu speichern, bis sie einer physiologischen Umgebung ausgesetzt werden. Durch die Weiterentwicklung dieses Systems zu einer mehrlagigen Beschichtung konnte ein zweites Wirkstoffreservoir generiert werden, welches die Freisetzung des Wirkstoffs bis zum Auftreten einer Temperaturerhöhung der Umgebung – was zum Beispiel im Falle einer wiederkehrenden Entzündung in einer Implantatregion auftreten kann – verzögert. Zusammen bilden die drei Facetten dieser Studie – Reduzierung von reibungsinduzierten Entzündungsreaktionen, Anti-Biofouling Eigenschaften und die kontrollierte Freisetzung von entzündungshemmenden und antibakteriellen Wirkstoffen – ein starkes Fundament zur Kontrolle von therapiebedingten (Krankenhaus) Infektionen. Es ist hervorzuheben, dass sich alle hier präsentierten Ansätze als extrem vielseitig erwiesen und die Verwendung verschiedener Makromoleküle auf verschiedenen Oberflächen und unterschiedlichen Wirkstoffen erlauben.

Biofilms are the most common form of life for bacteria as, in this form, they are protected from environmental attacks. In fact, biofilm bacteria are increasingly resistant to antibiotics than their planktonic counterparts. Part of this resistance is a physical one: certain bacteria produce biofilms with superhydrophobic surfaces. Here, such biofilm property is described as a result of chemical and physical contributions provided by the matrix biomolecules, which in turn, give rise to topographical features that grant these bio-surfaces with different wetting behaviors. Biofilme sind die häufigste Lebensform von Bakterien, da sie in dieser Gestalt gegen externe Angriffe geschützt sind. Tatsächlich sind Biofilme deutlich resistenter gegen Antibiotika als ihre planktonischen Gegenstücke. Ein Teil dieser Resistenz ist physikalisch bedingt: bestimmte Bakterien produzieren Biofilme mit superhydrophoben Oberflächen. Diese Eigenschaft von Biofilmen wurde hier als Resultat chemischer und physikalischer Beiträge beschrieben, die durch die Biomoleküle der Matrix hervorgerufen werden.

Inspired by nature, dissipative supramolecular self-assembly has been an interesting approach for the development of new materials. In this thesis, a known reaction network, based on acid-anhydride chemistry was used to design novel structures. Vesicles, colloids and emulsions were created using different building blocks. Especially interesting were the emulsions since they showed a unique zero-order decay and were able to encapsulate hydrophobic drugs. Further development led to a drug delivery platform with controlled zero-order release. Inspiriert von der Natur, war das Konzept der dissipativen supramolekularen Selbstassemblierung ein interessanter Ansatz zur Entwicklung neuer Materialien. In dieser Arbeit wurde ein bekanntes Reaktionsnetzwerk basierend auf Säure-Anhydrid-Chemie benutzt, um neuartige Strukturen zu gestalten. Mit verschiedenen Bausteinen konnten Vesikel, Kolloide und Emulsionen hergestellt werden. Besonders interessant waren die Emulsionen, da sie einen einzigartigen Zerfall nullter Ordnung zeigten und hydrophobe Medikamente einschließten. Durch weitere Entwicklungen resultierte dies in einer Plattform mit kontrollierter und konstanter Wirkstoffabgabe.

This thesis characterizes selected structure-function relations of biological hydrogel macromolecules. Molecular mechanisms are investigated that govern important hydrogel tasks such as providing lubrication or establishing a selective barrier towards pathogens or pharmaceuticals. Furthermore, macromolecular key players involved in those molecular processes are identified. Finally, the insights gained from those experiments are used to engineer artificial macromolecules which mimic the lubricating properties of biological hydrogel components and to enable the development of efficient drug delivery systems. In dieser Dissertation wird der Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion von Makromolekülen aus biologischen Hydrogelen analysiert. Es werden die molekularen Mechanismen untersucht, welche an der Ausführung der verschiedenen Aufgaben biologischer Hydrogele im menschlichen Körper beteiligt sind. Dazu zählt die Analyse der Schmierwirkung von Hydrogelen sowie deren Eigenschaft, selektive Permeabilitätsbarrieren für Pathogene oder pharmazeutische Wirkstoffe aufzubauen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden für die Entwicklung artifizieller Makromoleküle genutzt, welche die Schmiereigenschaften biologischer Hydrogele nachahmen. Weiterhin ermöglichen diese Erkenntnisse die Entwicklung von effektiveren Methoden für den Transport von medizinischen Wirkstoffen sowie deren Freisetzung im menschlichen Körper.

In dieser Arbeit wurde zunächst die Parkinsonbehandlung durch Tiefenhirnstimulation und das Vorgehen der Implantierung, sowie der damit verbundenen Symptomschwerebestimmung beschrieben. Hierauf aufbauend wurde die Notwendigkeit eines intraoperativen Parkinsonsymptommesssystems abgeleitet und ein Konzept für ein solches System vorgestellt. Dieses Konzept sieht eine quantitative Messung der Kräfte und Bewegungen vor, die zurzeit bei der etablierten Symptombewertung vom Arzt subjektiv beurteilt werden. Das System verarbeitet diese zu Kennwerten. Diese Kennwerte wurden teilweise aus der Literatur übernommen und in ambulanten Vorversuchen ermittelt. Das vorgestellte System besteht aus einer Manschette, die vom Patienten am Handgelenk getragen wird. Diese Manschette enthält zwei Kraftsensoren, die parallel zueinander an der Innen- und der Außenseite des Handgelenks angebracht sind, und einen Inertialsensor, der Winkelgeschwindigkeiten und Beschleunigungen messen kann. Mit diesen Sensoren können die Beschleunigungen des Tremors, die Öffnungswinkel und Frequenzen von Supinations-/Pronationsbewegungen des Unterarms, sowie der Widerstand des Ellenbogens gegen eine Beugung gemessen werden. Aus diesen Sensordaten wurden Kennwerte abgeleitet, die eine Aussage über die Schwere der Parkinsonsymptome erlauben. Bereits aus der Literatur bekannte Algorithmen wurden auf das Messsystem übertragen, eine Korrelation der Symptomschwere zu den Kennwerten konnte jedoch mit diesem System nicht nachgewiesen werden. Daher mussten neue Algorithmen entwickelt werden, die auf der Unterteilung der Messdaten in Wiederholungen, die Ableitung von Kennwerten aus diesen Wiederholungen und einer Untersuchung dieser Kennwerte und manuell ermittelter Parkinson-Schwere-Daten mit multivariater Analysemethoden basieren. Für die Symptome Akinese und Rigor konnten neue Algorithmen gefunden werden, für die Ableitung von Tremor-Analysealgorithmen lagen nicht genügend Messungen vor. Im Rahmen dieser Arbeit wurde unter Berücksichtigung der Vorgaben für Medizinprodukte ein System zur Messung von Parkinsonsymptomen entwickelt und dokumentiert, sodass es möglich war, die Prototypen als technisch unbedenklich zu erklären. Mit dieser Erklärung war es möglich, das System intraoperativ einzusetzen und somit eine reale Aussage über die Vor- und Nachteile treffen zu können. Zum Abschluss dieser Arbeit wurde das System bereits einmal von den klinischen Partnern in einer Operation eingesetzt. Diese Ergebnisse bestätigten die Ergonomie des Systems. Die Operation konnte ohne Einschränkungen durchgeführt werden. Die aufgezeichneten Werte und deren Analyse erlauben ebenfalls ein positives Fazit. Die eine von zwei implantierten Positionen konnte postoperativ anhand der Messdaten erneut ausgewählt werden. Wäre die Information schon intraoperativ dargestellt worden, worauf aus Sicherheitsgründen vor einer endgültigen Validierung des Systems abgesehen wurde, hätte sie den Arzt korrekt unterstützt. Die quantitative Messung von Parkinsonsymptomen während der Implantation von Tiefenhirnstimulationselektroden ist vielversprechend. Das vorgestellte System ist hierzu in der Lage und eine sichere Anwendung ist ebenfalls gegeben. Die Auswertung mit Kennwerten ist derzeit nur ausreichend, da der Arzt aufgrund einer bisher unzureichenden Datenlage nur eine ungesicherte Aussage basierend auf den Kennwerten alleine treffen kann. In this publication the possibility of intraoperative quantification of Parkinson's symptoms during the implantation of deep brain stimulation electrodes is beeing discussed. One established treatment of advanced Parkinson's disease is the implantation of deep brain stimulation electrodes. Stimulating the nucleus subthalamicus (a nerve centre in the basal ganglia) lessens the symptoms, especially the motor symptoms such as tremor (involuntary movement), rigidity (involuntary muscle resistance) and akinesia (inability to introduce movement). One challenge during the implantation is finding the exact position of the electrodes tip. Nowadays the physician inserts up to five test electrodes parallel into the brain, records the cell activity and test stimulates the patient in various depth. During the test stimulation the patient, who is awake during the procedure, is asked to perform tests such as turning his palm or relaxing his elbow while the physician is bending it. The physician evaluates the remaining symptoms and decides which electrode at which depth shows the best symptom reduction. All the test results are manually recorded and evaluated. The goal of this thesis is to determine whether a technical measurement, automated analysis and digital presentation of these tasks can help the physician in deciding on the perfect electrode point. In order to test the hypothesis a prototype with an inertial sensor (acceleration and angular velocity) and a force sensor to measure the force needed to bend the elbow, was developed and tested. The whole development was according to the required standards to meet the laws of medical devices in the European Union. A fully tested prototype was used by a clinical partner to record ambulant data and to test the feasibility of the concept. In order to support the physician the measured data need to be analysed and compressed. Based on the recorded ambulant data algorithms were derived and verified. The system was tested during one implantation. After the surgery the data were analysed and the physician choose the same implantation site as during the surgery. This can be seen as a proof of concept. Further clinical testing is necessary in order to evaluate the expected advantage and in order to gain a approval as a medical device. Those further tests can be done with this prototype.

In this thesis, commercially available basal lamina hydrogels are analyzed to study the effect of the biochemical composition of these gels on their biophysical properties. In addition, a thermoresponsive methylcellulose/mucin hybrid wound gel is developed where the methylcellulose compensates for the mechanical limitation of the anti-microbial mucins. Finally, to achieve orchestrated drug release from a hydrogel two molecular mechanisms are combined: i.e. a build-up of osmotic pressure by the depletion of a control molecule and triggered disaggregation of nanoparticle clusters by synthetic DNA sequences. In dieser Arbeit wird der Effekt der biochemischen Zusammensetzung von kommerziell erhältlichen Basallamina-Hydrogelen auf ihre biophysikalischen Eigenschaften untersucht. Zudem wird ein thermoresposives Methylzellulose/Mucin Hybridwundgel entwickelt, bei dem die Methylzellulose die unzureichenden mechanischen Eigenschaften des antimikrobiellen Mucins kompensiert. Im letzten Teil werden zwei molekulare Mechanismen kombiniert um abgestimmte Medikamentenfreisetzung aus einem Hydrogel zu erreichen, zum einen Aufbau osmotischen Drucks durch die Verarmung eines Kontrollmoleküls zum anderen die initiierte Disaggregation von Nanopartikel-Clustern durch synthetische DNA-Sequenzen.

Biofilms constitute major problems in health care and industry where they can colonize catheters or plug pipes. In this thesis, various material properties of biofilms formed by two Bacillus subtilis strains were compared. It was shown that the material properties of biofilms can be altered by different chemicals, and specific biofilm matrix components were found to be responsible for this alteration. Furthermore, a customized stretching-setup was constructed to investigate the tensile strength of in situ grown biofilms. Finally, a biofilm/mortar hybrid material with increased wetting resistance and delayed capillary water uptake was developed and characterized. Biofilme bereiten große Probleme im Gesundheitswesen und in der Industrie, da sie sich z.B. in Kathetern festsetzen und Rohre verstopfen können. In dieser Arbeit wurden verschiedene Materialeigenschaften von Biofilmen zweier Stämme des Bakteriums Bacillus subtilis untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Materialeigenschaften der Biofilme durch Chemikalien drastisch verändern können. Diese Veränderung konnte auf einzelne Biofilmmatrixkomponenten zurückgeführt werden. Des Weiteren wurde eine Zugprüfmaschine entwickelt, um die Zugfestigkeit von in situ gewachsenen Biofilmen zu ermitteln. Ferner wurde Biofilm/Mörtel Hybridmaterial entwickelt, das hydrophobe Eigenschaften und zudem eine verzögerte Wasseraufnahme durch Kappilarkräfte aufweist.

Articular cartilage exhibits outstanding material properties and lasts for a human lifetime even without the ability to regenerate. The new insights described in this thesis on how biopolymers mediate the biomechanical and biotribological properties of cartilage could guide the path towards the design of new biomimetic materials: Mucins are able to reduce friction on various materials through hydration lubrication and minimize wear formation on cartilage surfaces. Moreover, the reported resilience of cartilage, examined through the de- and rehydration of the tissue, should be considered in the development of cartilage substitute materials. Hyaliner Gelenkknorpel zeichnet sich durch seine besonderen biomechanischen und tribologischen Eigenschaften aus. In dieser Dissertation konnten neue Erkenntnisse zum Einfluss von Biopolymeren auf die Materialeigenschaften von Knorpel gewonnen werden. Die hier gezeigten Daten zur Reibungsverminderung auf diversen Materialien und zur Reduzierung des Abriebs auf Knorpeloberflächen durch die Schmierung mit Mucinlösungen bieten erste Anhaltspunkte für die Entwicklung von künstlichen Schmiermitteln. Insbesondere die Widerstandsfähigkeit von Knorpel, die mittels De- und Rehydratation des Gewebes untersucht wurde, sollte bei der Entwicklung von Knorpelersatzmaterialien berücksichtigt werden.

The basal lamina acts as a highly selective filter for compounds passing from the blood stream into the connective tissue and vice versa. Despite the important regulatory function of the basal lamina, the detailed physical mechanisms responsible for this selectivity are still not fully understood. In this thesis, diffusion studies of tracer particles were conducted to probe the permeability properties and the physical interactions responsible for the selectivity of a basal lamina model system. Furthermore, a microfluidic chip was designed to test the diffusive transport of test molecules across a basal lamina/buffer interface. With this setup key results from in vivo experiments conducted in living mice were reproduced. Die Basallamina stellt einen hochselektiven Filter dar, der den bidirektionalen Übertritt von Stoffen zwischen dem Blutstrom und dem Bindegewebe reguliert. Trotz ihrer wichtigen Funktion sind die genauen physikalischen Wechselwirkungen, die der Selektivität der Basallamina zu Grunde liegen, nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden Diffusionsstudien mit Testpartikeln an einem Basallamina-Modellsystem durchgeführt, um die Permeabilitätseigenschaften und die hierfür verantwortlichen physikalischen Wechselwirkungen zu erforschen. Zusätzlich wurde ein Mikrofluidikchip entwickelt, um den diffusiven Übertritt von Testmolekülen durch eine Basallamina/Puffer-Grenzfläche zu untersuchen. Mit diesem Aufbau ist es möglich Kernergebnisse aus in vivo Experimenten an lebenden Mäusen zu reproduzieren.

Mucus is a porous biopolymer matrix that coats all wet epithelia in the human body and serves as the first line of defense against many pathogenic bacteria and viruses. However, under certain conditions viruses are able to penetrate this infection barrier, which compromises the protective function of native mucus. Here, we find that isolated porcine gastric mucin polymers, key structural components of native mucus, can protect an underlying cell layer from infection by small viruses such as human papillomavirus (HPV), Merkel cell polyomavirus (MCV), or a strain of influenza A virus. Single particle analysis of virus mobility inside the mucin barrier reveals that this shielding effect is in part based on a retardation of virus diffusion inside the biopolymer matrix. Our findings suggest that purified mucins may be used as a broad-range antiviral supplement to personal hygiene products, baby formula or lubricants to support our immune system., National Institutes of Health (U.S.) (grant P30-ES002109), National Institutes of Health (U.S.) (grant P50-GM068763), German Academic Exchange Service (Postdoctoral fellowship)

Biopolymer-based hydrogels such as mucus and the basal lamina play a key role in biology, where they control the exchange of material between different compartments. They also pose a barrier that needs to be overcome for successful drug delivery. Characterizing the permeability properties of such hydrogels is mandatory for the development of suitable drug delivery vectors and pharmaceutics. Here, we present an experimental method to measure bulk particle transport through hydrogels. We validate our assay by applying it to mucin hydrogels and show that the permeability properties of these mucin hydrogels can be modulated by polymer density and pH, in agreement with previous results obtained from single particle tracking. The method we present here is easy to handle, inexpensive, and high-throughput compatible. It is also a suitable platform for the design and screening of drugs that aim at modifying the barrier properties of hydrogels. This system can also aid in the characterization and development of synthetic gels for a range of biomedical applications., National Institutes of Health (U.S.) (Grant P50-GM068763), National Institutes of Health (U.S.) (Grant P30-ES002109)

Biofilms grow on various surfaces and in many different environments, a phenomenon that constitutes major problems in industry and medicine. Despite their importance little is known about the viscoelastic properties of biofilms and how these depend on the chemical microenvironment. Here, we find that the mechanical properties of Pseudomonas aeruginosa (P.a.) biofilms are highly robust towards chemical perturbations. Specifically, we observe that P.a. biofilms are able to fully regain their initial stiffness after yielding is enforced, even in the presence of chemicals. Moreover, only trivalent ions and citric acid significantly affect the biofilm elasticity, the first of which also alters the texture of the material. Finally, our results indicate that biofilm mechanics and bacteria viability inside the biofilm are not necessarily linked which suggests that targeting bacteria alone might not be sufficient for biofilm removal strategies., National Institute of Mental Health (U.S.) (P50-GM068763), National Institute of Mental Health (U.S.) (P30-ES002109), German Academic Exchange Service (DAAD)