Syam, AswathiAswathiSyam2026-02-062026-02-062025https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/8772Early-stage wound infections are challenging to detect; however, a timely diagnosis significantly improves healing outcomes and reduces the risk of scarring or systemic complications. Healthy skin is mildly acidic (average pH ~4.7), while chronic or infected wounds remain alkaline (7.15–8.9) and gradually return to acidic during healing. Real-time monitoring of wound pH has emerged as a valuable tool for tracking the progression of healing, providing an early warning of potential bacterial infection, and reducing unnecessary antibiotic therapy. pH-sensitive dyes that undergo visible color changes within carrier materials present a simpler and cost-effective approach for wound pH monitoring. Current pH indicators, however, suffer from low photostability and dye leaching, limiting their practical use. This work presents the design, synthesis, and functional evaluation of carborhodol dyes, developed as photostable alternatives to conventional pH indicators, optimized for the physiological pH range. Nine novel carborhodols were synthesized from their respective carbopyronine precursors through hydrolytic deamination, with structural modifications designed to enhance photostability, solubility, and bioconjugation potential. The dyes exhibit distinct pH-dependent optical properties, with pKa values in the physiologically relevant range (5–7). Deprotonation leads to increases in absorption, quantum yield, and fluorescence lifetime, enabling sensitive detection of pH changes by both colorimetric and fluorogenic modes. Compared to the standard indicator fluorescein and the common biological label Cy5, carborhodols display superior photostability, addressing a key limitation of existing probes. Additionally, the basic forms exhibit pronounced positive solvatochromism, indicating their utility as polarity-sensitive probes. To demonstrate practical applications, the dyes were incorporated into polymer-based systems. Encapsulation in PEG-b-PLA vesicles resulted in an increase in fluorescence intensity with rising pH levels, whereas covalent grafting to chitosan films yielded hydrogel dressings capable of reversible, real-time pH monitoring within the wound-relevant range. These hybrid materials combine high stability and biocompatibility, with pH-dependent color changes visible to the naked eye under ambient light, and fluorescence turn-on readily detectable by the eye under UV illumination, showing the successful translation of molecular dye properties into functional biomedical platforms, and highlighting their promise for smart wound dressings and related diagnostic devices.Wundinfektionen im Frühstadium sind schwer zu erkennen. Eine rechtzeitige Diagnose verbessert jedoch die Heilungsergebnisse erheblich und verringert das Risiko von Narbenbildung oder systemischen Komplikationen. Gesunde Haut ist leicht sauer (durchschnittlicher pH-Wert ~4,7), während chronische oder infizierte Wunden alkalisch bleiben (7,15–8,9) und während der Heilung allmählich wieder sauer werden. Die Echtzeitüberwachung des pH-Werts von Wunden hat sich als wertvolles Instrument zur Verfolgung des Heilungsfortschritts, zur Frühwarnung vor möglichen bakteriellen Infektionen und zur Reduzierung unnötiger Antibiotikatherapien erwiesen. pH-empfindliche Farbstoffe, die innerhalb von Trägermaterialien sichtbare Farbveränderungen durchlaufen, stellen einen einfacheren und kostengünstigeren Ansatz für die Überwachung des pH-Werts von Wunden dar. Aktuelle pH-Indikatoren leiden jedoch unter geringer Lichtbeständigkeit und Farbstoffauswaschung, was ihre praktische Anwendung einschränkt. Diese Arbeit präsentiert die Konzeption, die Synthese und die funktionelle Bewertung von Carborhodol-Farbstoffen, die als lichtbeständige Alternativen zu herkömmlichen pH-Indikatoren entwickelt und für den physiologischen pH-Bereich optimiert wurden. Neun neue Carborhodole wurden aus ihren jeweiligen Carbopyronin-Vorläufern durch hydrolytische Desaminierung synthetisiert, wobei strukturelle Modifikationen vorgenommen wurden, um die Photostabilität, Löslichkeit und das Biokonjugationspotenzial zu verbessern. Die Farbstoffe weisen unterschiedliche pH-abhängige optische Eigenschaften auf, mit pKa-Werten im physiologisch relevanten Bereich (5–7). Die Deprotonierung führt zu einer Erhöhung der Absorption, der Quantenausbeute und der Fluoreszenzlebensdauer, was eine empfindliche Detektion von pH-Änderungen sowohl im kolorimetrischen als auch im fluorogenen Modus ermöglicht. Im Vergleich zum Standardindikator Fluorescein und dem gängigen biologischen Marker Cy5 weisen Carborhodole eine überlegene Photostabilität auf und beseitigen damit eine wesentliche Einschränkung bestehender Sonden. Darüber hinaus zeigen die basischen Formen einen ausgeprägten positiven Solvatochromismus, was auf ihre Eignung als polaritätsempfindliche Sonden hinweist. Um praktische Anwendungen zu demonstrieren, wurden die Farbstoffe in polymerbasierte Systeme eingebaut. Die Einkapselung in PEG-b-PLA-Vesikel führte zu einer Zunahme der Fluoreszenzintensität bei steigendem pH-Wert, während die kovalente Aufbringung auf Chitosan-Filme zu Hydrogel-Verbänden führte, die eine reversible Echtzeit-pH-Überwachung innerhalb des für Wunden relevanten Bereichs ermöglichten. Diese Hybridmaterialien verbinden hohe Stabilität und Biokompatibilität mit pH-abhängigen Farbänderungen, die mit bloßem Auge unter Umgebungslicht sichtbar sind, und einer unter UV-Beleuchtung mit dem Auge leicht erkennbaren Fluoreszenzaktivierung. Damit zeigen sie die erfolgreiche Übertragung der Eigenschaften molekularer Farbstoffe auf funktionelle biomedizinische Plattformen und unterstreichen ihr Potenzial für intelligente Wundverbände und verwandte Diagnosegeräte.enAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/540 ChemieWound infectionWundinfektionpH-sensitive dyesCarborhodolChitosanpH-empfindliche FarbstoffeDoctoral ThesisHolger Schönherrurn:nbn:de:hbz:467-87721