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© 2017 American Chemical Society.The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic.

The design and use of materials in the nanoscale size range for addressing medical and health-related issues continues to receive increasing interest. Research in nanomedicine spans a multitude of areas, including drug delivery, vaccine development, antibacterial, diagnosis and imaging tools, wearable devices, implants, high-throughput screening platforms, etc. using biological, nonbiological, biomimetic, or hybrid materials. Many of these developments are starting to be translated into viable clinical products. Here, we provide an overview of recent developments in nanomedicine and highlight the current challenges and upcoming opportunities for the field and translation to the clinic.

A homologous nanoparticle library was synthesized in which gold nanoparticles were coated with polyethylene glycol, whereby the diameter of the gold cores, as well as the thickness of the shell of polyethylene glycol, was varied. Basic physicochemical parameters of this two-dimensional nanoparticle library, such as size, ?-potential, hydrophilicity, elasticity, and catalytic activity,were determined. Cell uptake of selected nanoparticles with equal size yet varying thickness of the polymer shell and their effect on basic structural and functional cell parameters was determined. Data indicates that thinner, more hydrophilic coatings, combined with the partial functionalization with quaternary ammonium cations, result in a more efficient uptake, which relates to significant effects on structural and functional cell parameters. © 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Katarakt (Grauer Star) ist eine Erkrankung, die durch eine Dysfunktion des Metabolismus im Auge hervorgerufen wird und in Folge dessen zu einer Trübung der Linse führt [1, 2]. Über 20 Millionen Menschen haben durch diese Erkrankung ihre Sehkraft verloren [3, 4]. Die wesentlichste Behandlungsmethode umfasst die operative Entfernung der natürlichen Linse, die so genannte Extrakapsuläre Katarakt Extraktion (ECCE) und die darauffolgende Implantation einer polymeren Intraokularlinse (IOL) [5, 6]. Die am häufigsten vorkommende Komplikation, die in den ersten 3 bis 5 Jahren auftritt und bei 50 % der Patienten beobachtet wird, ist das erneute Eintrüben der IOL, welches als sekundärer Katarakt (Nachstar, oder Posterior Capsule Opacification, PCO) bezeichnet wird [7–10]. Die einzige Behandlungsmethode ist die invasive chirurgische Laserkapsulotomie, bei der der Kapselsack thermisch irreversibel zerstört wird [11]. Die Pathogenese der PCO ist darauf zurückzuführen, dass bei der ECCE Linsenepithelzellen im hinteren Kapselsack verbleiben und durch den Eingriff stark proliferierendes Narbengewebe zurückbleibt [12, 13], was zu einer Eintrübung der polymeren Linse führen kann. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung polymer basierter Drug-Delivery-Systeme, die auf Basis eines photoinduzierten Stimulus aktiviert werden und infolge dessen den Wirkstoff freisetzen. Der verwendete Wirkstoff, ist bereits durch entsprechende Anwendung zur Behandlung der PCO etabliert [14–18], wobei innovativ das Drug-Delivery- System 5-Fluoruracil (5-FU) als zytotoxisch wirksames Agens enthält. Hierfür bildet 5-FU durch die [2+2]-Cycloadditionsreaktion nach Woodward-Hoffmann mit einen entsprechend Linker Kreuzdimere oder Homodimere, die an das Polymerrückgrat kovalent gebunden werden können. Dabei wird das Dimer durch photoinduzierte Bestrahlung über eine [2+2]-Cycloreversionsreaktion vom Linker gespalten und durch Diffusion aus der polymeren Matrix freigesetzt. Die [2+2]-Cycloreversionsreaktion kann entweder durch einen Ein-Photon- Absorptionsprozess (SPA) unterhalb von 300 nm, oder durch einen Zwei-Photonen- Prozess (TPA) oberhalb von 300 nm induziert werden. In dieser Arbeit werden Lichtquellen verwendet, die bei 266 nm (SPA) und Licht im Bereich von 532 nm (TPA) emittieren. In früheren Arbeiten wurde Coumarin als Linker-Molekül verwendet [13, 19]. Dieses besitzt hervorragende photochemische Eigenschaften, ist aber gegenüber Hydrolysereaktionen instabil, was wiederum die Reinigung der Kreuzdimere erschwert [20]. Aufgrund dessen wurden als alternative Linker-Strukturen Chalkon, H5FU (Heptanoyl- 5-Fluoruracil), BCA (4-methyl-2-oxo-2H-Benzo[h]chromen-8-yl acetat) verwendet. Sechs wesentliche Aspekte bezüglich der Drug-Delivery-Systeme werden in dieser Arbeit untersucht und vorgestellt: 1. Die Etablierung der Synthese der Kreuz- und Homodimere. 2. Charakterisierung der SPA- und TPA-induzierten Spaltungsreaktionen. 3. Etablierung eines polymeren Systems, welches mit einem Kreuz- oder Homodimer funktionalisiert wird und zusätzlich nach DIN ISO Norm mit einem UV-Absorber copolymerisiert wird. 4. Charakterisierung der Freisetzungskinetik des Wirkstoffs aus dem Polymer. 5. Untersuchung der Licht- und thermischen Stabilität der Polymere. 6. Validierung der Reproduzierbarkeit der photoinduzierten Wirkstofffreisetzung aus dem Polymer. Die Entwicklung von fluoreszierenden Arzneiformen wird schon seit Längerem erfolgreich angewendet, um es z.B. für bildgebende Methoden zu nutzen oder Freisetzungsprofile aus einem Drug-Release-System besser darzustellen, bzw. mögliche physiologische Diffusionsprozesse oder Erkrankungen besser untersuchen zu können [21, 22]. In dieser Arbeit wird ein fluoreszierendes Polymersystem vorgestellt, welches basierend auf der Vorschrift der Synthese des Chalkon-H5FU (CFKD)-Polymers erzeugt wurde [23]. Als Linker wurde Chalkon und BCA (8-acetoxy-4- methyl-2H-Benzo[h]chromen- 2-on) als fluoreszierender Farbstoff verwendet. Wie bei dem CFKD-Polymer wurde die Freisetzung des Fluoreszenzfarbstoffs durch Ein- Photon-Absorptions- oder Zwei-Photonen-Absorptions-Prozesse induziert. Um ein Profil von dem Diffusionsprozess zu erhalten, wurde die Wirkstoffdiffusion aus dem Polymer nach einer Laser-getriggerten Aktivierung in situ visuell festgehalten. Neben der [2+2]-Cycloaddition nach Woodward-Hoffmann entstehen bei der photochemisch induzierten Synthese mit dem Rayonet-Reaktor Oxetane zwischen 5-FU und dem Photosensibilisator Benzophenon durch eine [2+2]-Cycloaddition nach Paternò-Büchi. Diese wurden eingehend untersucht und die SPA-induzierte Spaltungsreaktion analysiert. Da 5-FU ein zytotoxisch wirkendes Agens ist [24], wurde ein Wirkstoff gewählt, der aufgrund seines Molekülgerüsts durch photoinduzierte [2+2]-Cycloaddition einen Cyclobutanring mit einem Linker ausbildet und zum anderen bereits bei der Behandlung der PCO erprobt wurde. Hierfür wurde Tranilast verwendet und erfolgreich ein Kreuzdimer mit dem Linker-Molekül Coumarin via Cycloadditionsreaktion erzeugt.

To treat cataract, the major cause for blindness, the original eye lenses are removed and artificial lenses are implanted. With this procedure, the side effect of secondary cataract has become of interest to research. The treatment thereof calls for the development of a molecular integrated and covalently bound photolinker system for the controlled release of cytostatica. To load the polymeric intraocular lens, crossdimers of the photolinker coumarin together with the antimetabolite 5-fluorouracil are synthesized. After incorporation in the lens, the specific release via cycloreversion then is best realized with a two photon process which offers high spatial resolution, and which uses visual light to pass the cornea. The backbone of this work is the light driven, intermolecular and coumarin based crossdimerization and its reversion. To achieve this goal, the options given for photoreactions, like set up, substrates, and excitation are considered and their variables are evaluated. The choice of photolinker is narrowed down and a comparison between these absorbing substrates provided by kinetic measurements. A list of possible molecule types of the non-absorbing reaction partner for the crossdimerization is given, by which a huge variety of crossdimers can be build up. The commonly used lamp based light sources such as a Rayonet reactor are compared to the novel favored laser system. The sun is also utilized to project a large scale, energetically economic process. The laser, as a new tool for molecule synthesis, exhibits improvements to cycloaddition reactions in a number of experiments. Additives like sensitizers and triplet promoters are shown to be unnecessary with this high energy illumination. The laser fueled set up is analyzed and the photon distribution, together with the photon flux, is determined to be crucial. With parameters attuned to the lifetime of the excited state, the diffusion controlled dimerization reaction can be controlled and steered towards the principal generation of crossdimer. The reversibility of the dimerization reaction caused both by heat and light is demonstrated. Thermal cleavage is used in addition to laser synthesis in the specialization towards exclusive crossdimer synthesis. Light is primarily used in the customary laser based two photon absorption for specific single and two bond cleavage. Hereby the ever more popular two photon cycloreversion is measured of individual stereoisomers. All methods, developed for the dimer generation, belong to the general concept for the extended application of photoreaction in synthesis. Additional examples in form of a sequential photoreaction and photoremovable protective groups are presented accordingly., Um Katarakt, was die häufigste Ursache für Blindheit darstellt, zu behandeln werden die ursprünglichen Augenlinsen entfernt und durch künstliche ersetzt. Wegen dieser Behandlung wurde der Nebeneffekte des sekundären Katarakts von Interesse für die Forschung. Die diesbezügliche Behandlung benötigt die Entwicklung eines kovalent gebundenen, auf molekularer Ebene integrierten und licht-gesteuerten Freisetzungssystems für Zytostatika. Für die Beladung der polymeren, interokularen Linsen werden dazu Kreuzdimere des fotoaktiven Kumarins mit dem Antimetaboliten 5-Fluoruracil synthetisiert. Nach dem Einbringen in die Linse, wird die dosierbare Freisetzung mittels Zykloreversion am besten gesteuert durch einen örtlich hochaufgelösten Zweiphotonenprozess, welcher sichtbares Licht verwendet um die Kornea zu passieren. Rückgrat dieser Dissertation ist die lichtgetriebene, intermolekulare, auf Kumarin basierende Kreuzdimerisierung und dessen Reversion. Um dieses Ziel zu erlangen wurden die Möglichkeiten an Aufbauten, Substraten und Anregungen verglichen und deren Variablen evaluiert. Die Auswahl an absorbierenden Linkern wird eingeengt und eine Vergleichbarkeit über kinetische Messungen gegeben. Eine Liste an möglichen Molekültypen, so wie der nicht absorbierenden Reaktionspartner, für die Kreuzdimerisierung wird angeführt, mit derer sich eine große Menge möglicher Kreuzdimere herstellen lässt. Die herkömmlichen lampenbasierenden Lichtquellen, wie der Rondellreaktor, werden mit dem neuen Lasersystem verglichen. Sonnenlicht wird außerdem verwendet um einen energieökonomischen Großmaßstabsansatz zu veranschaulichen. Der Laser, als ein neues Instrument für die Molekülsynthese, zeigt in einer Reihe an Experimenten Verbesserungen. Zusätze, wie Sensibilisatoren und Triplettpromotoren, zeigen sich als unnötig für solch eine hochenergetische Bestrahlung. Der lasergetriebene Aufbau wird untersucht wobei sich der Photonenfluss und Photonenverteilung als Kernpunkte heraus stellen. Mit den richtigen Parametern kann diese diffusionsabhängige Reaktion, welche zusätzlich abhängig von der Lebensdauer des angeregten Zustandes ist, kontrolliert und gesteuert werden, um vornehmlich Kreuzdimer zu produzieren. Die Umkehrbarkeit dieser Dimerisierungsreaktion wird sowohl mit Licht als auch mit Hitze demonstriert. Thermische Zersetzung wird dabei, zusätzlich zur Lasersynthese, für die Spezialisierung hingehend zur ausschließlichen Kreuzdimerisierung verwendet. Licht hingegen wird hauptsächlich in der bekannten Zweiphotonenabsorption für den selektive ein- und zweifach Bindungsbruch eingesetzt. Dabei wird die, immer beliebtere, Zweiphotonen-zykloreversion für individuelle Stereoisomere gemessen. Alle Methoden, welche für die Dimererzeugung entwickelt wurden, gehören zu dem übergeordneten Konzept zur erweiterten Anwendung lichtgetriebener Reaktionen in der Synthese. Zusätzliche Beispiele in der Form von aneinandergereihten Lichtreaktionen und lichtentfernbaren Schutzgruppen sind diesbezüglich angeführt.

Durch die enormen Fortschritte in der Medizin steigt die durchschnittliche Lebenserwartung der Menschen kontinuierlich. Das Durchschnittsalter eines Mannes beträgt heute bereits über 75 Jahre, das einer Frau über 80 Jahre. Mit zunehmendem Alter der Bevölkerung steigt die Bedeutung von Alterskrankheiten rapide. Die Katarakt (cataracta senilis) oder der „Graue Star“ ist eine Alterskrankheit von der viele Menschen betroffen sind. Im Verlauf der Krankheit trübt sich die ansonsten klare Augenlinse. Diese Trübung steigert sich bis zum vollständigen Verlust der Sehkraft. Katarakt ist mittlerweile weltweit die häufigste Ursache für Blindheit. Die Ursachen der Entstehung von Katarakt sind nicht bis ins letzte Detail geklärt, aber es gibt Faktoren, wie z.B. hohe UV Exposition, die die Progression der Krankheit fördern. Eine medikamentöse Behandlung der Katarakt ist trotz der fortschrittlichen Medizin bis jetzt nicht realisiert. Die einzige Möglichkeit den Grauen Star zu therapieren, ist die getrübte Linse durch einen chirurgischen Eingriff zu explantieren und eine künstliche Linse zu implantieren. Diese künstlichen Linsen, sogenannte Intraokularlinsen (IOL) werden seit über 60 Jahren implantiert. Die Katarakt-Operation ist heute eine der am Menschen häufigsten durchgeführten Operationen. Es gab bis zu diesem Zeitpunkt zahlreiche Innovationen auf dem Gebiet der IOL-Herstellung, jedoch ist ein Hauptproblem der Katarakt-Chirurgie nachwievor die suboptimale Sehkraft nach der IOL-Implantation. Dieses Problem ist individuellen postoperativen Effekten geschuldet und in der Regel nicht vorhersehbar. Über 80% aller Patienten haben nach der IOL-Implantation eine Sehschärfeverlust im Bereich von ± 2 Dioptrien. Ein Hauptziel dieser Arbeit ist es, moderne Materialien für die IOL-Herstellung zu synthetisieren, mit denen es möglich ist, postoperativ und non-invasiv die Brechkraft der IOL zu ändern. Erreicht werden soll dieses Ziel durch Verwendung von photochemisch aktiven Gruppen wie Cumarinen, Stilbenen und Chalkonen. Diese Substanzklassen reagieren auf bestimmte Wellenlängen indem sie in einer [2π+2π]-Cycloaddition dimerisieren. Durch die Dimerisierung wird das konjugierte π-Elektronensystem verkürzt, dadurch wiederum ändert sich die Polarisierbarkeit des Moleküls. Weiterführende theoretische Betrachtungen zeigen, dass der Brechungsindex eines Materials von der Polarisierbarkeit abhängt. Somit ist es möglich, durch photochemische Manipulation auf mikroskopischer Ebene, makroskopisch den Brechungsindex eines Materials zu ändern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Reihe von Polymeren erfolgreich synthetisiert und photochemisch charakterisiert, mit denen es möglich ist, die Brechkraft einer IOL photochemisch um über drei Dioptrien zu ändern. Aus ausgewählten Polymeren wurden zunächst Polymerplatten hergestellt und aus diesen wiederum wurden Linsenprototypen gefertigt. Dadurch konnte gezeigt werden, dass diese neuen Materialien mit industriellen Methoden bearbeitbar sind. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Erforschung von hochbrechenden Materialien, das heißt mit einem Brechungsindex größer als n = 1,60, für den Einsatz als Material für phake Intraokularlinsen. Phake Intraokularlinsen (PIOL) sind sehr dünne Linsen, im Fachjargon auch als Kontaktlinse für „in das Auge“ bekannt. Da diese Linsen sehr dünn sind, ist ein hoher Brechungsindex essentiell, da sonst keine optische Wirkung erreicht werden würde. Zudem sollten Materialien im Rahmen dieser Forschung als Besonderheit gleichzeitig UV absorbierend sein, ohne einen zusätzlichen UV-Absorber zu verwenden. Es wurden zwei Derivate des Cumarins synthetisiert, aus denen methacrylat-basierte Polymere mit einem Brechungsindex von n = 1,61 hergestellt wurden. UV/Vis spektroskopische Messungen zeigten, dass diese Cumarinderivate im Bereich eines typischen UV-Absorbers absorbieren. Photochemische Untersuchungen zeigten, dass diese Cumarinderivate im Gegensatz zu den in Arbeitspaket eins synthetisierten Cumarinderivaten nicht photochemisch dimerisieren und somit der Brechungsindex nicht variiert werden kann., Over the past decades medicine evolved continuously, which can clearly be seen in the rising average of life expectancy. But as the population gets older and older the number of old-age diseases increases. Cataract (cataracta senilis) is such an old-age disease and worldwide the number one reason for blindness. Cataract is a tanning of the natural lens severely affecting vision. Up to date explanation of the natural eye lens and its replacement by a polymeric intraocular lens (IOL) is the only way to treat cataract. After implantation of an IOL most of the patients do not achieve optimum vision. Reasons for this suboptimal result are individual effects e.g. wound healing. These effects are not fully predictable. Most of the patients have to wear viewing aids. Approximately 80% of all patients are in a range of ± 1 diopter around the optimum vision. Our aim is to supply polymers which enable post-operative tuning of the refractive properties of the implanted IOL made of these new polymers in order to compensate for all remaining imperfections. These polymers are based on a poly methacrylate backbone and incorporate coumarin, stilbene and chalcone derivatives as side groups which can undergo a [2π+2π] - dimerization reaction. Through dimerization the conjugated π-electron system is decreased. As a direct consequence the molecules polarizability and relative permittivity are also affected. A closer look at the theory of velocity of light shows the direct relation of the refractive index n and the molecules relative permittivity. In the presented work various polymers containing coumarins, stilbenes and chalcones were successfully synthesized and photo chemically characterized. These polymers show significant changes in refractive index upon irradiation of up to 3 diopters. Selected polymers were used to manufacture polymeric plates which were processed to prototypes. These prototypes could be machined by standard operating procedures used in the industry. The second working package was to investigate new polymeric materials for high refractive index materials used for phacic intraocular lenses (PIOL). PIOL´s are used as an additional support in ophthalmic surgery. PIOL´s are very thin (0.1 mm in thickness) and have to be highly refractive. The desired refractive index should be bigger than n = 1.60. As a specialty the polymer should simultaneously absorb in the UV region and act as an UV absorber without adding one. Two coumarin derivatives were therefore successfully synthesized. Methacrylate based polymers with these new coumarin derivatives showed refractive indices of n = 1.61. Furthermore these molecules absorb in the UV region enabling them to act as an UV absorber. In contradiction to previously synthesized polymers containing coumarin in the side chain of the polymer these molecules do not dimerize under irradiation.

Biological compounds display a rich variety of features which have implications for technical applications, such as catalysis and selective high affinity. The utility of biological compounds as building blocks for device fabrication, however, is severely hampered by two general restrictions: Firstly, biomolecules tend to lose their native biological integrity and function in other than near-physiological conditions, and they usually have poor long term stabilities. Secondly, many of the well estabished state-of-the-art techniques for building up nanostructured surfaces, such as methods used in silicon wafer based semiconductor fabrication, are not suited for the procession of biological building blocks. In order to tie in with these techniques new assembly strategies have to be implemented, such as bottom-up and templated self-assembly strategies. In this work, techniques to overcome these problems were elaborated in the context of two biological model substances: MrgA and purple membranes. Firstly, the dodecameric iron storage protein MrgA was used to develop methods for generating nanostructured surfaces. By a three-step procedure (adsorption from an incubation solution, rinsing to remove excess salt and protein, and drying), dry monolayers of MrgA on various solid substrates were constructed, and their morphologies were analyzed by means of AFM. Hexagonal, two-dimensional crystalline monolayers on hydrophilic surfaces were obtained upon adsorption under aqueous conditions at low supersaturation. It was found that the formation of such two-dimensional crystals is heavily dependent on the pH and the salinity of the incubation solution as well as on the surface properties. The correlation of surface coverage with substrate charge, ionic strength, and pH indicated the dominance of electrostatic effects in adsorption – due to the competing interactions of intermolecular repulsion and protein-substrate attraction. In this work, it is shown that adsorption of MrgA leading to the formation of two-dimensional crystals is favoured under conditions close to the isoelectric point of the biomolecule. These results were used to further develop techniques for the guided self-assembly of MrgA nanostructures. To this end, substrates which are nanostructured in regard of their affinities to the protein were generated on template-stripped gold by micro-contact printing of functionalized thiols. Taking advantage of the fine-tunable affinity and a phenomenon usually regarded as an undesired artifact in micro-contact printing, the edge-dominant ink transfer, the surface-templated self-assembly of MrgA in nanometer patterns was achieved. In addition, the protein-shell was removed by pyrolysis in a low pressure oxygen plasma. After this procedure, the metaloxide cores of the holo-protein were found to remain at the location where the proteins had originally been adsorbed on the surface. Therefore, the system developed in this work fulfils all requirements for being a useful tool for structured nanoparticle deposition. Both the discovered novel adsorption morphologies on non-structured substrates and the guided self-assembly of protein nanostructures, represent promising starting points for further scientific studies, such as solid-supported co-crystallization with DNA, and developments aiming at technological applications like the mesostructured deposition of MrgA-caged nanoparticles. Secondly, a method for improving the stability of biological compounds far beyond the limits of natural conditions was developed based on purple membrane as a model substance. Generally, embedding such targets in solid host material increases the stability and the range of possible applications. In medicine and biotechnology, there is a great interest in such composite hybrid materials in form of micro- or nanosized particles. In this work, a biomimetic approach for the encapsulation of biomolecules with silica is presented. It was inspired by the remarkable biomineralisation performed by some eucaryotic algae, the so-called diatoms. In the method elaborated here, two generic techniques were combined: In a first step, the surface of the biomolecule was modified via polyelectrolyte layer adsorption. It was shown that the polyamines used in the first step allow for the surface-templated mineralization of silicic acid and silica nano-particles on the modified surface in the second step of preparation. Both preparative steps were optimized towards mild conditions as required by many biomolecules. Application of this method to the model substance purple membrane resulted in a defined hybrid material with a nano-scale protective encapsulating silica shell. It was demonstrated that while the purple membrane retains its biological function, it is also shielded from otherwise detrimental solvents or molecules of low molecular weight. The method presented here not only allows for the production of significant amounts of encapsuled material, but it was furthermore shown to be adaptable to a variety of substances, such as single-walled carbon nanotubes and polymer microparticles – emphasizing the wide range of application for this method., Aufbau nanoskopischer Hybridstrukturen am Beispiel von MrgA und Purpurmembran.

In der Natur gibt es vielfältige hoch interessante Phänomene, die man sich nur durch die Kombination von biologischem und technischem Wissen erklären kann. Zum Beispiel der so genannte „Lotuseffekt“, wobei es durch die Nano-Strukturierung der Oberflächen der Pflanze zu einem Selbstreinigungsprozess derselben kommt. Der Mensch hat nun begonnen, dieses vorhandene Wissen zu studieren, zu ergründen und sich letztendlich nutzbar zu machen. Daraus resultiert eine neue wissenschaftliche Fachrichtung, „Bionik“ genannt. Eine Schlüsseltechnologie bei der Anwendung der Bionik für unser tägliches Leben ist die so genannte Nanotechnologie. Dabei werden auf verschiedenste Weisen (chemisch, physikalisch, biologisch) nanoskalige Strukturen hergestellt beziehungsweise geschaffen um im Sinne der Bionik in unserem Alltag Verwendung zu finden. Das Ziel der Nanotechnologie kann als die Möglichkeit beschrieben werden, aus Molekülen Objekte zu generieren und Objekte wiederum in Moleküle zu zerlegen. Die Natur wird hierbei als Vorbild verwendet, da der Aufbau biologischer Systeme durch nanoskalige Prozesse geleitet wird, die über Jahrmillionen evolutionär optimiert wurden. In diesem System hat die Nanobiotechnologie in den letzten Jahren maßgeblich dazu beigetragen, biologisch interessante Systeme grundlegend zu verstehen und nanoskalige funktionale Einheiten kontrolliert zu generieren. Um die Nanobiotechnologie im Speziellen besser überblicken zu können, wurde innerhalb der VDI eine Einteilung in Nano-to-Bio-Systeme und Bio-to-Nano-Systeme vorgenommen, die im Detail nachfolgend Verwendung findet und erklärt wird. „Nano-to-Bio“-Systeme beschreiben nanotechnologische Verfahren und Materialien, die zur Manipulation biologischer Systeme eingesetzt werden. Im Gegensatz dazu beschreiben „Bio-to-Nano“-Systeme Prinzipien der Biologie, die, in technische Systemen übertragen, jetzt nutzbar gemacht werden. Wie gesagt ist die Nanobiotechnologie die Kernwissenschaft, um die evolutionär optimierten natürlichen Systeme für technische Anwendungen nutzbar zu machen. Auch mit Hilfe der heutigen Gentechnik ist es möglich, biologische Materialien gezielt auf die beabsichtigte technische Anwendung hin zu modifizieren. Ein solches biologisch wie technisch interessantes System mit einem hohen Grad an Anwendungspotential, in zum Beispiel der Dokumentessicherung und der Druckfarbentechnik, ist das seit nunmehr 30 Jahren bekannte Transmembranprotein Bakteriorhodopsin, das für diese Art der Anwendungen quasi als Prototyp angesehen werden kann. Das Protein zeigt mit seiner natürlichen Funktion der Photosynthese, für nano(bio)technologische Anwendungen interessante Eigenschaften. Aufgrund seiner optischen und photochemischen Eigenschaften und der Stabilität gegen chemische und physikalische Einflüsse ist Bakteriorhodopsin für den Einsatz in der optischen Informationspeicherung und -verarbeitung, der Energieumwandlung und der Optoelektronik besonders geeignet. Auch in der Sicherheitstechnik konnte gezeigt werden, dass modifiziertes Bakteriorhodopsin als farbgebendes photochromes Pigment ein großes Anwendungspotential besitzt. Im Gegensatz zu dieser Verwendung des membranintegrierten Bakteriorhodopsins in nicht „Bio-to-Nano“-Systemen, beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Untersuchung der Anwendungsmöglichkeiten des membranintegrierten Bakteriorhodopsin in Bio-to-Nano-Systemen. Die thematische „Hauptausrichtung“ liegt dabei in der Vertiefung des Konzepts der gerichteten Stapelung von Purpurmembranfragmenten zum Aufbau von zum Beispiel elektrooptischen Schalteinheiten. Die Eigenschaft des Bakteriorhodopsins, eine Photospannung über die Membran hinweg erzeugen zu können, soll mittels gerichteter Stapelung mehrerer Purpurmembranen, so genutzt werden, dass sich die erzeugte Spannung additiv erhöht. Als Konzept wird versucht mittels zweier komplementärer ssOligonucleotid-Stränge, die Purpurmembranfragmente gerichtet zu stapeln. Ein weiteres interessantes „Bio-to-Nano“-System mit entsprechendem möglichen Wachstumspotential ist das sogenannte „nanowiring“. Dabei wird ein miniaturisierter, elektronisch funktionsfähiger Schaltkreis auf DNA-Basis durch einen Selbst-assemblierungsprozess generiert. Um die notwendige elektrische Funktionalität im Schaltkreis zu erreichen, kombiniert man die gute Leitfähigkeit des Goldes mit der natürlichen Affinität von komplementären ssDNAs zueinander. Damit ist es möglich über Selbstassemblierung hoch-komplexe Strukturen von Schaltkreisen zu generieren. Aufbauend auf die bereits etablierte Möglichkeit der Gold-Bindung an PM und der Dekoration von Gold-Nanoteilchen mit bis zu 7 verschiedenen ssDNA-Strängen, soll an dieser Stelle gezeigt werden, dass es möglich ist, ssOligo an PM zu binden, das mit Gold-Nanopartikeln aktiviert ist. Das angebundene ssOligo wird anschließend mit dem entsprechenden Komplementär hybridisiert., In nature there are various highly interesting phenomena, which one can explain oneself only by the combination of biological and technical knowledge. For example „the Lotuseffekt in such a way specified “, whereby it comes by the nano-structuring of the surfaces of the plant to a self purification process the same. Humans began now to study this existing knowledge to fathom and finally make themselves usable. From this a new scientific field results, „to bionics “mentioned. A key technology with the application of the bionics for our daily life is the nano-technology in such a way specified. To find manufactured in most diverse ways (chemically, physically, biologically) nanoskalige structures and/or production over in the sense of the bionics in our everyday life use. The goal of the nano-technology can be described as the possibility of generating from molecules of objects and of dividing objects again into molecules. Nature is used here as model, since the structure of biological systems is led by nanoskalige processes, which were evolutionary optimized over millions of years. In this system the nano-biotechnology contributed in the last years considerably to understand biologically interesting systems fundamentally and to generate nanoskalige functional units controlled. In order to be able to grasp the nano-biotechnology in the special one better, within the VDI an organization into nano-raving IO systems and bio ton nano-systems was made, which finds use in the following in the detail and one explains. „Nano-ton bio “- systems describe nano-technological procedures and materials, which are used for the manipulation of biological systems. In contrast to it „bio ton nano “- systems describe principles of biology, which transfer, into technical systems, now to be made usable. As the nano-biotechnology the core science is said, in order to make the evolutionary optimized natural systems for technical applications usable. Also with the help of the today's genetic engineering it is possible to modify biological materials purposefully at intended technical application. Such biologically like technically interesting system with a high degree at application potential, in for example the document safety device and the printing ink technology, is for now 30 years the well-known Transmembranprotein Bakteriorhodopsin, which can be regarded for this kind of applications quasi as prototype. The protein shows technological applications interesting characteristics with its natural function of photosynthesis, for nano (bio). Due to its optical and photochemical characteristics and stability against chemical and physical influences Bakteriorhodopsin for the employment is particularly suitable in the optical Informationspeicherung and - processing, the energy conversion and optoelectronics. Also in the safety engineering it could be shown that modified Bakteriorhodopsin possesses a large application potential as colorgiving photo chrome pigment. Contrary to this use of the diaphragm-integrated Bakteriorhodopsins in not „bio ton nano “- systems, the available work concerns itself with the investigation of the application possibilities of the diaphragm-integrated Bakteriorhodopsin in bio ton nano-systems. The topic tables „“is appropriate for main adjustment thereby in the recess of the concept of the arranged stacking of magenta diaphragm fragments for the setting up from for example electrooptical Schalteinheiten. The characteristic of the Bakteriorhodopsins to be able to produce a photoelectric voltage over the diaphragm away is to be thus used by means of arranged stacking of several magenta diaphragms, that the produced tension additive increases. As concept tried by means of two complementary ssOligonucleotid strands to stack the magenta diaphragm fragments arranged. A further interesting „bio ton nano “- system with appropriate possible growth potential is the so-called „nanowiring “. A miniaturized, electronically functional circuit on DNA basis is generated by a self assembly process. In order to achieve necessary electrical functionality in the circuit, one combines the good conductivity of the gold with the natural affinity of complementary to each other ssDNAs. Thus it is to be generated possible over self assembly high-complex structures from circuits to. Constructing on the possibility of the gold connection at PM and the decoration of gold nano-particles with up to 7 different ssDNA strands, already established, it is to be demonstrated here that it is possible to bind ssOligo at PM which is activated with gold nano-particles. The tied up ssOligo is hybridized afterwards with the appropriate complementary.