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.     «

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, t...     »

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.     «

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 drast...     »