Kontaktmechanik und Strukturierung von festkörperunterstützen Lipidmembranen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt unter anderem die Realisierung eines Assays aus mikrostrukturierten und selektiv funktionalisierten künstlichen Membransegmenten auf einem Chip. Die Strukturierungsmethode kombiniert die softlithographische Technik des Mikroformens in Kapillaren mit der Vesikelspreittechnik und bietet ein elegantes Verfahren, einzeln adressierbare Lipidsegmente im Mikrometer Regime zu erzeugen. Unter Berücksichtigung des hydrodynamischen Fließverhaltens und der Stabilitätskriterien für PDMS-Elastomere wurden außerdem neue Strukturen entwi-ckelt, die für den kombinierten Einsatz von Rasterkraftmikroskopie und Fluoreszenz-mikroskopie optimiert sind. Die Anwendbarkeit des Lab-On-A-Chip-Devices als Bio-sensor wurde durch zwei prominente Protein-Rezeptor-Bindungsstudien fluores-zenzmikroskopisch und rasterkraftmikroskopisch belegt. Im zweiten Teil der Arbeit sind die mechanischen und adhäsiven Eigenschaften aus-gewählter Lipidsysteme mit einer neuen Charakterisierungstechnik untersucht wor-den, die die Kontaktmechanik von Rastersonden und Lipidmembranen auf Basis der Digitalisierung von Hochgeschwindigkeitskraftkurven und einer automatisierten Multi-parameteranalyse quantitativ erfasst. Dabei konnte die Korrelation zwischen der Ad-häsion und den materialspezifischen Durchbruchlängen und Durchbruchkräften, die charakteristische Stabilitätsparameter der Lipidmembran darstellen, auf Systemen mit variierenden Kopfgruppen und Kettenlängen analysiert werden. Das Verfahren erlaubte zudem die simultane Quantifizierung der elastischen Eigenschaften der Li-piddoppelschichten. Zu den Kraftkurven wurden Simulationen der Systemantwort durchgeführt, die ein tieferes Verständnis der Kontrastentstehung ermöglichen.

A new procedure for generating arrays of selectively functionalized compartments of solid supported lipid bilayers in the micrometer regime is presented in this thesis which is particularly suitable for optical and scanning force microscopy (SFM) investi-gations of ligand-receptor-interactions. The method is based on a combination of mi-cromolding in capillaries provided by soft lithography and the technique of vesicle spreading on a solid support. Based on hydrodynamic calculations for different fluids, capillary sizes and surface energies I designed new master structures for the structuring of lipid membranes tak-ing into account stability criteria of the PDMS stamp.The suitability of this lab-on a-chip-device for biosensor applications is demonstrated by two prominent examples of protein-ligand-interactions.In the second part of the thesis material contrast investigations like mechanical and adhesive properties of selected lipid systems are studied using a novel technique based on contact mechanics. The study of breakthrough force, breakthrough distance, adhesion and stiffness si-multaneously with the topography of lipid membranes presented here give insight into the function of its components which are systematically examinated by varying chain length, lipid headgroup and lamellarity. Both simulations of the operating mode in liquid environment as well as a novel unbiased analysis method are presented.