Throughout history, inspirations drawn from the way nature functions advanced technology with innovations in various fields. Deepened understanding of living organisms, which possess multilevel micro- and nano-architectures, allowed utilizing a biomimetic material design with versatile and enhanced functionalities. The tissue engineering field comprises not only the developments of materials, which are mimicking the extra cellular matrix (ECM) in terms of mechanical, physical or chemical properties, but also the choice of relevant cell types and biologically active molecules. To structurally mimic the ECM, fibrillar scaffolds with high surface to volume ratio are favored. Since electrospun fibers satisfy this pre-requisite, electrospinning became one of the most recognized fabrication techniques in tissue engineering. Furthermore, electrospun fibers as artificial ECM facilitate tissue regeneration owing to its versatility in terms of material choice, overall scaffold porosity, architecture through random or aligned fiber deposition, tunable fiber chemical or physical surface properties and inductive or conductive regeneration properties by encapsulation of drugs.

As drug delivery systems, electrospun fibers are appealing due to high drug loading capacity and encapsulation efficiency in addition to the possibility of adjusting the release rate. When an active agent is encapsulated in the fibers, it is crucial to match its release rate to the therapeutic dose and the drug release rate is influenced by the fiber surface properties. Additionally, electrospun fiber surface topographies steer the cell-material interaction. Therefore, this thesis aims to understand the factors inducing changes in electrospun fibers’ surfaces to then be able to control the final fiber product and consequently to tune its functionality.

In the first part of this thesis, water-in-oil emulsion electrospinning was implemented to incorporate organic solvent-sensitive biologically active agents into electrospun fibers. It was demonstrated that not only control over the fiber morphology and surface or inner structure but also alterations in the chemical composition play a pivotal role to tailor the release rate of active compounds. It was shown that these fiber properties can be modulated by the compositions of emulsions used for electrospinning, especially the amount of surfactant, and by the ambient relative humidity (RH) conditions.

As surface properties are determinant for the function and application of the fibers, in the following part of the thesis, the focus was to unravel the underlying mechanisms generating electrospun fiber surface structures. In order to bring a systematic understanding both for hydrophobic and hydrophilic biodegradable polymers, electrospinning of polycaprolactone, polylactic acid and poly vinylpyrrolidone at three different RH conditions were investigated. Their initial solubility in different solvent systems was evaluated both experimentally and by utilizing Hansen solubility parameters (HSP). It was revealed that the final fiber surface structure was shaped synergistically from changes in i) polymer solubility and ii) polymer jet surface temperature induced by solvent evaporation as well as iii) water condensation emanating from relative humidity and jet surface temperature.

It is known that cells respond to surface properties such as chemistry, wettability, stiffness and topography. In the last part of this thesis, surface topography of electrospun fibers was exploited to tune the endothelial cell and platelet behavior for small diameter vascular graft applications. Thus, findings of the previous section were employed to choose the right solvent systems by use of HSP for fabrication of PCL electrospun membranes composed of fibers with same diameters but different surface structures. Human umbilical vein endothelial cells showed surface structure insensitive adhesion and proliferation while platelet activation and fibrin network formation were reduced on fibers with structured surfaces.

All in all, the findings of this thesis provide a fundamental understanding on fiber surface structures yielded by emulsion and solution electrospinning. Electrospun fibers hold great promise as scaffolds for drug delivery and tissue regeneration. The ability of tailoring fibers specific surface area was demonstrated to serve three main functions:​ the tunable drug release of the encapsulated drug, the development of a tool-box for solvent system prediction based on HSP and ambient conditions, the reduced thrombogenicity of scaffolds fabricated for vascular tissue engineering applications.

Viele Erfindungen in der Geschichte des Menschen ergaben sich aus genauen Beobachtungen der Natur. So erlaubt das Studium der Architektur lebender Organismen die Entwicklung biomimetischer Materialien mit vielfältiger Funktion beispielsweise für Anwendungen auf dem Gebiet der Rekonstruktionsmedizin. Um biomimetische Analogon extracellulärer Matrix (ECM) herzustellen, reicht es jedoch nicht nur deren mechanische, physikalische oder chemische Eigenschaften zu replizieren, sondern die Materialien müssen auch bezüglich verwendeter Zelltypen sowie biologisch aktiver Moleküle identisch sein um eine analoge Wirksamkeit zu erzielen.

Elektrogesponnene Materialien bilden mit ihrer Faserstruktur und dem hohen Oberflächen-Volumen Verhältnis eine perfekte strukturelle Nachahmung von ECM. Weiter erlaubt Elektrospinnen die Verwendung einer Vielzahl von verschiedenen Polymeren, die Generierung massgeschneiderter Membranporosität, die Einkapselung von Wirkstoffen, die Herstellung von Fasern mit zufälliger Anordnung oder einer Vorzugsorientierung sowie eine gezielte Modifikation der chemischen oder physikalischen Oberflächeneigenschaften der resultierenden Fasern. Dies macht elektrogesponnene Vliese zu einem vielversprechenden Material für Anwendungen als künstliche ECM zur Unterstützung von Geweberekonstruktion

Dank hoher Ladekapazität, effizienter Einkapselung und der Möglichkeit massgeschneiderter Abgabeprofile, eignen sich elektrogesponnene Membranen hervorragend als Plattformen für die Darreichung von pharmazeutischen Wirkstoffen. Das Abgabeprofil dieser Wirkstoffe wird dabei durch die Oberflächenbeschaffenheit der einkapselnden Fasern bestimmt. Die Wirkstoffabgabe soll dabei kontrolliert erfolgen, so dass die abgegebene Menge des abgegebenen Wirkstoffs der therapeutisch wirksamen Dosis entspricht. Für die Interaktion zwischen gesponnenen Fasern und Zellen ist zudem die Fasertopographie von entscheidender Bedeutung. Ziel der Thesis ist daher ein grundlegendes Verständnis zu erhalten über die Einflussfaktoren der Oberflächenbeschaffenheit elektrogesponnener Fasern und dieses Wissen anschliessend für Produktion massgeschneiderter Fasern zu nutzen.

Im ersten Teil der Arbeit wurden das Elektrospinnen von Wasser-in-Öl Emulsionen implementiert, um biologisch aktive Wirkstoffe, welche empfindliche gegenüber organischen Lösungsmitteln reagieren, in Fasern einzukapseln. Dabei konnte aufgezeigt werden, dass nicht nur die Kontrolle über Oberflächenbeschaffenheit und innere Struktur der Fasern, sondern auch über Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung von entscheidender Bedeutung sind, wenn Fasern mit massgeschneidertem Abgabeprofil produziert werden sollen. Fasereigenschaften konnten über die Zusammensetzung der Emulsion modifiziert werden, wobei speziell die Menge von verwendeten Tensiden, sowie die vorherrschende relative Luftfeuchtigkeit unter der die Fasern produziert werden eine entscheidende Rolle spielten.

Oberflächeneigenschaften sind entscheidend für die Funktion und Anwendung von Fasern. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich daher mit der Erforschung der Mechanismen welche der Entstehung von Oberflächenstrukturen von elektrogesponnen Fasern zugrunde liegen. In einer systematischen Studie wurde das Verhalten von hydrophoben und hydrophilen biologisch abbaubaren Polymeren bei drei unterschiedlichen relativen Luftfeuchtigkeiten untersucht. Dazu wurden die Polymere Polycaprolacton, Polymilchsäuren und Polyvinylpyrrolidon sowohl experimentell als auch unter Anwendung der Hansen-Löslichkeitsparameter (HSP) auf ihre Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmittelsystemen evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass die Oberflächenstrukturen der resultierenden Fasern abhängig sind von i) der Löslichkeit des verwendeten Polymers, ii) der Oberflächentemperatur des Polymerstrahls beeinflusst durch die Verdampfung des Lösungsmittels, sowie iii) der Wasserkondensation welche sich aus der relativen Luftfeuchte und der Oberflächentemperatur des Polymerstrahls ergibt.

Es ist bekannt, dass Zellen auf Oberflächeneigenschaften wie chemische Beschaffenheit, Benetzbarkeit, Steifheit oder Topographie reagieren. Der letzte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich daher mit der Nutzung der Oberflächentopographie gesponnener Fasern zur gezielten Beeinflussung des Verhaltens von Endothelzellen und Blutplättchen für Anwendungen zur Rekonstruktion kleiner Blutgefässe. Die Erkenntnisse aus den vorangegangenen Kapiteln flossen dabei in die Auswahl des geeigneten Lösungsmittelsystems mittels HSP ein. Die produzierten PCL Membranen wiesen unterschiedlich strukturierten Faseroberflächen bei gleichzeitig identischen Faserdurchmessern auf, was es erlaubte den Effekt der Oberflächenstruktur auf Zelladhäsion sowie Blutgerinnung zu untersuchen. Während die unterschiedliche Oberflächenstruktur der Fasern keinen Einfluss auf die Adhäsion von humanen umbilikalen venösen Endothelzellen hatte, zeigte sich eine deutliche Reduktion in der Aktivität von Blutplättchen und der Ausbildung von Fibrinnetzwerken auf Membranen mit strukturierter Faseroberfläche.

usammenfassend liefert diese Thesis grundlegende Erkenntnisse zur Oberflächenstruktur von elektrogesponnenen Fasern aus Emulsionen und Lösungen. Die daraus resultierenden Fasern haben grosses Potential sowohl für Anwendungen in der Pharmakotherapie, als auch im Bereich der regenerativen Medizin. Die vorliegende Arbeit demonstriert die Möglichkeiten welche sich aus einer gezielten Produktion von Fasern mit definierter spezifischer Oberfläche ergeben anhand dreier Beispiele:​ i) Der gesteuerten Abgabe eines pharmazeutischen Wirkstoffs, ii) der Entwicklung einer `Toolbox` zur Vorhersage von Lösungsmittelsystemen basierend auf HSP und Umgebungsbedingungen, sowie anhand iii) der Produktion von anti-thrombogenen Gerüsten für die Konstruktion von Blutgefässen.