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Materialien aus Biopolymeren sind aufgrund ihrer mechanischen und biochemischen Eigenschaften in Kombination mit ihrer nachhaltigen Gewinnung extrem interessant. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich von Verpackungsmaterialien ��ber Verbundwerkstoffe f��r den Leichtbau hin zu biomedizinischen Anwendungen. Neben verbesserten mechanischen Eigenschaften sind Mikro- und Nanofasern durch ihre im Verh��ltnis zu ihrem Volumen und Masse vergr����erte Oberfl��che f��r technische und medizinische Anwendungen von gro��er Bedeutung. Durch Nassspinnen wurden Filamente aus Celluloseacetat hergestellt. Die Deacetylierung der Filamente und anschlie��ende Carbonisierung der entstandenen Cellulose-Filamente bei Temperaturen bis zu 2200 ���C, erm��glichte die Herstellung von Carbon-Mikrofasern mit Durchmessern unter 10 ��m und einer Zugfestigkeit von ��ber 0,9 GPa. F��r die Produktion von Nanofasern wurde die Eignung eines Hochdurchsatzverfahrens, welches Elektro- mit Zentrifugalspinnen vereint, untersucht. Ultrad��nne Nanofasern mit Durchmessern unter 100 nm konnten aus L��sungen von Polyethylenoxid, Polymilchs��ure und biotechnologisch hergestellter Spinnenseide hergestellt werden. Die Produktivit��t des vorgestellten Zentrifugalelektrospinnverfahrens hinsichtlich Nanofaser-Vliesen aus w��ssriger und organischer L��sung war im Vergleich zu den traditionellen Herstellungsverfahren um Gr����enordnungen h��her. Die Entwicklung einer Roll-to-Roll-Produktion erm��glichte die kontinuierliche Herstellung von Filterflachware mit Feinfiltrationsschicht aus artifizieller Spinnenseide. Die hergestellten Filtermaterialien zeichneten sich durch sehr hohe Filtereffizienz f��r Feinstaub mit Partikelgr����en unter 2,5 ��m sowie extrem geringen Str��mungswiderstand aus, sodass sehr gute Filterqualit��ten erzielt wurden. Es konnten Filter hergestellt werden, die Partikel mit Durchmessern von 200 nm mit einer Effizienz von 99,3 % bei einer Luftpermeabilit��t von 517 l/m2 filtern konnten, sodass ein Qualit��tsfaktor von 25 mPa-1 erzielt wurde

Obwohl Biomaterialien schon seit langer Zeit genutzt werden, ist die systematische Biomaterialwissenschaft ein noch recht junger Wissenschaftsbereich mit einer 60- bis 70jährigen Geschichte. Seide wird seit Jahrtausenden für Textilien verwendet und insbesondere Spinnenseide wurde schon vor Jahrhunderten von Polynesiern bei der Fischerei sowie in der Antike als Wundauflage und als Nahtmaterial verwendet. Aus heutiger Sicht ist die Biomaterialwissenschaft ein Zusammenwirken verschiedener Fachbereiche und das Verständnis der physikalischen und chemischen Wechselwirkungen zwischen komplexen biologischen Systemen und synthetischen oder modifizierten natürlichen Materialien nimmt einen hohen Stellenwert ein. Die Biokompatibilität spielt hierbei eine große Rolle. Doch es bedarf einer genauen Betrachtung, die abhängig vom jeweiligen Anwendungsgebiet (z.B. Hartgewebe, Weichgewebe, Herz-Kreislauf-System) des Biomaterials ist. Biokompatibilität kann in zwei Bereiche – die Strukturkompatibilität und die Oberflächenkompatibilität – gegliedert werden. Bei der Strukturkompatibilität wird z.B. die Struktur, Form und Mechanik eines Implantats an das Verhalten des Gewebes im Wirtsorganismus betrachtet. Werden die chemischen, physikalischen, biologischen und morphologischen Oberflächeneigenschaften eines Materials an das Wirtsgewebe angepasst, spricht man von Oberflächenkompatibilität. Die Oberflächeneigenschaften eines Biomaterials sind somit entscheidend für seine Biokompatibilität und Wechselwirkung mit dem Wirtssystem. Durch seine gute Verfügbarkeit und gute Biokompatibilität ist das rekombinante Spinnenseidenprotein eADF4(C16) ein interessantes Material zur Steuerung und Modifizierung der Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien. Spinnenseide ist nicht hämolytisch oder zytotoxisch und auch die beim Abbau der Seidenproteine entstehenden Produkte (Peptide und Aminosäuren) sind nicht toxisch und können vom Körper resorbiert werden. Es tritt keine Immunantwort auf und Zellen zeigen nur eine geringe Interaktion mit glatten eADF4(C16)-Filmen und ihren Oberflächen. eADF4(C16) ist daher gut als Beschichtungsmaterial für Implantate (z.B. Silikonbrustimplantate) oder auch Katheter geeignet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Prozess entwickelt, um glatte Polymeroberflächen, wie z.B. von Kathetern (aus Silikon, Polyurethan (PU) und Polytetrafluoroethylen (PTFE)), mit eADF4(C16) zu beschichten. Die Beschichtungen, die sich durch ihre Schichtdicke von < 100 nm von bisher untersuchten Silikonimplantatbeschichtungen aus Spinnenseide mit einer Schichtdicke im Mikrometerbereich unterscheiden, wurden hinsichtlich ihrer Stabilität, Biokompatibilität und ihrer Zelladhäsionseigenschaften untersucht. Die in dieser Arbeit verwendeten polymeren Biomaterialien (PTFE, PU und Silikon) haben hydrophobe Oberflächen und wurden vor dem Tauchbeschichtungsprozess im Sauerstoffplasma hydrophilisiert. Um die Haftung der eADF4(C16)-Beschichtung auf der plasmabehandelten Oberfläche zur erhöhen, wurde eine Vermittlerschicht aus dem polykationischen Polymer Polyethylenimin (PEI) bzw. dem positiv geladenen rekombinanten Spinnenseidenprotein eADF4(k16) auf die hydrophilisierte Polymeroberflächen aufgebracht. Die Beschichtungen zeigen keine Delamination bei Biegebelastung und die Oberflächenkontaktwinkel liegen für diese Beschichtungen deutlich unter dem für gegossene eADF4(C16)-Filme mit einer Dicke von 1 bis 2 µm. Sinkt die Schichtdicke eines Films oder einer Beschichtung, so steigt auch die spezifische Oberfläche je Volumen. Erreicht ein Material Abmessungen von < 100 nm in mindestens einer Dimension, so spricht man von Nanomaterialien, die im Vergleich zum bulkMaterial verschiedene Eigenschaften aufweisen. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Oberflächeneigenschaften (hier: Oberflächenkontaktwinkel) abhängig von der Schichtdicke ändern. Zusätzlich wurden die strukturellen Eigenschaften (beta-Faltblattanteil) schichtdickenabhängig untersucht. Betrachtet man die Aminosäuresequenz von eADF4(C16), so lässt sich das Protein als eine sich wiederholende Abfolge eines alaninreichen hydrophoben und eines glycinreichen hydrophilen Blockes beschreiben und kann aus polymerwissenschaftlicher Sicht als AB-Multiblockcopolymer beschrieben werden. Auf Basis der gesammelten Daten über die Schichtdickenabhängigkeit des beta-Faltblattanteils und der Oberflächeneigenschaften zusammen mit den bereits beschriebenen Multiblockcopolymereigenschaften des Proteins wurde ein schichtdickenabhängiges Assemblierungs- und Phasenseparationsmodell von der nur einige Nanometer dicken Proteinlage bis zum bulkMaterial vorgeschlagen. Zusätzlich wurde die Bioabbaubarkeit dünner eADF4(C16)-Beschichtungen untersucht. Die eADF4(k16)/eADF4(C16)-Beschichtungen auf Silikonkathetern zeigten eine sehr gute Stabilität in Puffer und wiesen in Wundheilungsumgebung eine langsame Bioabbaubarkeit sowie eine gute Stabilität der Beschichtungen gegenüber mechanischer Belastung auf. Neben der Beschichtungsstabilität spielt auch die Zellinteraktion mit den Beschichtungsoberflächen eine bedeutende Rolle für die Biokompatibilität des Materials und seine spezifische Anwendung. Auf mit eADF4(C16) beschichteten Katheteroberflächen war eine geringe Zelladhäsion von BALB/3T3 Fibroblasten, B50 neuronalen Zellen, HaCaT Keratinocyten sowie C2C12 Myoblasten zu beobachten. Dünne eADF4(C16) Beschichtungen bieten somit für biomedizinische Anwendungen, in denen keine Wirtsreaktion auftreten soll und Zellen nicht mit der Oberfläche interagieren sollen, eine gute Möglichkeit zur Einstellung der Oberflächeneigenschaften bei gleichzeitig geringem Materialeinsatz. Zusätzlich wurden mit eADF4(C2) funktionalisierte bakterielle Nanopartikeln (MamC-C2 Magnetosomen) untersucht. Magnetosomen werden von magnetotaktischen Bakterien zur Orientierung entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes gebildet. Im Modellorganismus Magnetospirillum gryphiswaldense bestehen sie aus einem Magnetitkern und einer Phospholipid-Doppelschicht (Magnetosomen-Membran). Im Fall von MamC-C2 Magnetosomen ist eine zweifache Wiederholung des C-Moduls des Spinnenseidenproteins eADF4(C16) über das Ankerprotein MamC in der Biomembran verankert und bildet mit dieser zusammen eine den Partikel kolloidal stabilisierende Hülle. QCM-D Experimente haben gezeigt, dass eine intermolekulare Wechselwirkung zwischen MamC-C2 Magnetosomen und eADF4(C16) besteht und MamC-C2 Magnetosomen als Nukleationskeime für die Assemblierung von eADF4(C16)-Fibrillen dienen können.

Micro‐computed tomography (μCT) has become standard in the biological sciences to reconstruct, display and analyse 3D models of all kinds of organisms. However, it is often impossible to capture fine details of the surface and the internal anatomy at the same time with sufficient contrast. Here we introduce a new approach for the selective contrast‐enhancement of integumentary surface structures. The method relies on conventional and readily available sputter coaters to cover the entire sample with a thin layer of gold atoms. This approach proved successful on a diverse array of plants and animals. On average, we achieved a 14.48‐fold gain of surface contrast (ranging from 2.42‐fold to 86.93‐fold) compared with untreated specimens. Even X‐ray‐transparent samples such as spider silk became accessible via μCT. This selective contrast‐enhancement, makes it possible to digitally reconstruct fine surface structures with low absorbance while the tissue‐dependent grey value resolution of the inner anatomy is maintained and remains fully visualisable. The methodology is suited for a broad scientific application across biology and other sciences employing (μ)CT, as well as educative and public outreach purposes.

The present PhD thesis deals with the stabilization of aqueous protein solution of biotechnologically manufactured proteins R16 and R16-Arg8 similar to spider silk proteins, in a form of aqueous dispersions, their electrospinability, degradability and investigation of arginine release in terms of future applications as wound dressing. The proteins investigated in the present work are biotechnologically produced using bacteria E.coli.In the course of the dissertation numerous protein stabilization methods have been developed. The developed stabilization methods are based on application of different compounds and could be classified according to the mechanism of action as “biological stabilization”, “chemical stabilization” and “physical stabilization”. All these above mentioned methods have its advantages and disadvantages.The obtained dispersions made it possible to electrospin spider silk similar proteins. The protein dispersions were successfully electrospun with an addition of the polyethylene oxide from 1.5% to 2.0% as a viscosity reducing agent.In the course of the present work the spider silk like protein solution stabilization methods were developed. The stabilized protein solutions were successfully electrospun producing nonwoven nanofiber webs. Both the final nanofibrous nonwoven materials and initial stabilized protein solutions were investigated using different analytical methods. The protein micelles presence was detected in the investigated stabilized protein solutions. All produced protein/polymer nonwoven nanofibrous materials showed alpha- i.e. disordered secondary protein structure, which was successfully changed in beta-structure upon treatment with 100% methanol. The degradation of elaborated protein nonwoven nanofibrous materials in the presence of natural wound effluent was proved by numerous experiments. An ex vivo skin stamping model demonstrated a faster re-epithelisation of the wound using R16 protein and particularly R16-Arg8. All these results suggest the application of the spider silk like proteins in a form of nanofiber webs as wound dressing materials.

In peripheral nerve surgery autologous donor material is limited and inevitably associated with a loss of sensibility at the donor site. We combined spider silk fibres and acellularized veins to an artificial nerve conduit and tested it in different combinations with or without Schwann cell and Matrigel in a 20 mm sciatic nerve defect model in rats. Control animals were transplanted with veins and Matrigel. Nerve regeneration was achieved in all experimental groups except in the control group. Axonal regeneration and myelin sheaths could be observed in specific immunofluorecent stainings and in electron microscopy. We conclude that spider silk fibres in acellularized veins can successfully support nerve regeneration.

Spinnenseide ist ein faszinierendes Material, das hervorragende mechanische Eigenschaften aufweist. Die für die Zugfestigkeit und Elastizität der Seidenfäden verantwortlichen Strukturen sind inzwischen teilweise aufgeklärt. Dagegen ist bisher wenig über den molekularen Mechanismus bekannt, der zur Konvertierung von hoch löslichen Proteinen in der Spinnlösung zu einem unlöslichen Seidenfaden führt. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei Systeme etabliert, die die Synthese rekombinanter Seidenproteine erlauben. Durch die Charakterisierung unterschiedlicher Proteinvarianten konnten Erkenntnisse über Eigenschaften und Funktionen verschiedener Seidenproteinelemente gewonnen werden, die zum grundlegenden Verständnis der Seidenassemblierung beitragen. Spider silk is a fascinating material displaying excellent mechanical properties. While the structure providing strength and elasticity to the silk thread partially has been resolved, little is known about the molecular mechanism that leads to the conversion of highly soluble proteins in the spinning solution into the insoluble thread. The presented work comprises the establishment of two expression systems allowing the generation of recombinant spider silk proteins. Characterization of different protein variants provided insights into properties and functions of different silk elements leading to a better understanding of fundamental processes in spider silk assembly.