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Surface modifications of (mainly) synthetic polymeric materials by biopolymers are assessed by evaluating the interactions inside of such compounded materials and with their environment. The interface related mechanisms enabling the interactions and the effects of the functionalizations on the adhesive behavior of the materials are discussed. This can help broaden the knowledge about polymer-polymer interactions and support the development of polymeric materials with specific functionalities., Oberflächenmodifikationen von (hauptsächlich) synthetischen Polymermaterialien durch Biopolymere und die Wechselwirkungen innerhalb solcher Verbundmaterialien und mit ihrer Umgebung werden untersucht. Die beteiligten Grenzflächenmechanismen und die Auswirkungen der Funktionalisierungen auf das Adhäsionsverhalten der Materialien werden diskutiert. Dies kann das Wissen über Polymer-Polymer-Wechselwirkungen sowie die Entwicklung von Polymermaterialien mit spezifischen Funktionalitäten unterstützen.

Medication-oriented treatment constitutes a major part of medical interventions; yet, most strategies fail due to insufficient delivery. In this thesis, smart delivery systems were developed to generate a tunable interface between target and therapeutics. Those approaches include materials adapted to the characteristics of the delivery point, platforms leveraging pathophysiological conditions to release drugs as well as autonomous systems initiated by specific molecular signature conditions., Wirkstoffbasierte Ansätze bilden die Grundlage vieler medizinischer Therapien, viele davon scheitern jedoch an mangelndem Wirkstofftransport. In dieser Arbeit wurden intelligente Transport-Systeme als einstellbare Schnittstelle zwischen Zielgewebe und Wirkstoff entwickelt; Materialien, die an die Eigenschaften des Einsatzortes angepasst sind; Freisetzungsstrategien, die durch die pathophysiologischen Bedingungen ausgelöst werden, sowie Systeme, die molekulare Bedingungen als Auslöser verwenden.

Medical devices are vital in modern healthcare, but they can also pose risks for life-threatening complications. In this thesis, multifunctional mucin glycoproteins are used as building blocks for biomedical devices to improve how well those devices integrate into physiological environments without damaging surrounding tissue. To meet medical standards, strategies to achieve sufficient sterility of mucin-containing products are evaluated. Furthermore, the application of Machine Learning models to support the analysis of complex biological surfaces is explored., Medizingeräte sind von großer Bedeutung für die Gesundheitsversorgung, können aber lebensbedrohliche Komplikationen verursachen. In dieser Dissertation werden multifunktionale Muzin-Glykoproteine zur Modifizierung medizinischer Produkte verwendet, um deren Integration in physiologische Umgebungen zu verbessern und Schäden des umgebenden Gewebes zu vermeiden. Außerdem werden Strategien zur Sterilisation Muzin-haltiger Produkte bewertet und die Anwendung von Machine Learning-Algorithmen zur Unterstützung der Analyse komplexer biologischer Oberflächen untersucht.

The different functionalizations of the naturally occurring mucin glycoproteins shown in this thesis aim at creating modified biomacromolecules for novel applications in medicine. Owing to their excellent biocompatibility, biodegradability and mechanical stability, mucins are attractive candidates for coatings or as carriers for pharmaceuticals., Die in dieser Arbeit gezeigten unterschiedlichen Funktionalisierungen der natürlich vorkommenden Muzin-Glykoproteine zielen darauf ab, modifizierte Biomakromoleküle für neue Anwendungen in der Medizin zu schaffen. Aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität, biologischen Abbaubarkeit und mechanischen Stabilität sind Muzine attraktive Kandidaten für Beschichtungen oder als Träger für Arzneimittel.

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.

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 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.