Kolloidale Organisation auf lithographisch hergestellten Silanschichten

Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, neue Möglichkeiten der Strukturbildung auf Oberflächen durch Selbstorganisation von kolloidalen Modellobjekten auf lateral vorstrukturierten Molekülschichten zu erforschen. Im ersten Schritt wurden hierfür verschiedene Alkoxy- und Chlorsilane auf Silicasubstraten abgeschieden, womit funktionelle Oberflächen mit hydrophoben, geladenen und reaktiven Gruppen hergestellt werden konnten. Die Schichten zeichnen sich durch hohe Qualität bezüglich des Bedeckungs- grades, der Rauhigkeit und Dicke aus. Die laterale Strukturierung dieser Silanschichten konnte hierbei durch Photolithographie realisiert werden. Dadurch wurden Träger mit chemisch unterscheidbaren Bereichen (hydrophob- hydrophil, ungeladen-geladen, inert-reaktiv) erhalten. In einem zweiten Schritt wurden für die Objektorganisation maßgeschneiderte Latexteilchen aus Polystyrol, Polyacrylaten und Polymethacrylaten mit unterschiedlichen Emulsions- polymerisationstechniken hergestellt. Dabei konnte die Teilchengröße (zwischen 50 und 600 nm), die Morphologie und die Oberflächenbelegungsdichte (bis zu 7 Ų für eine ladungstragende Gruppe) eingestellt werden. In einem dritten Schritt wurden durch gezielte Organisation dispergierte Modellkolloide auf lateral vorstrukturierten Silanschichten unter Ausnutzung hydrophober und elektrostatischer Wechselwirkungen angelagert. In Abhängigkeit der Assemblierungsbedingungen (verschiedene Oberflächenladung, pH, Trocknungsbedingungen) konnte eine Präferenz der Partikel für bestimmte Oberflächenregionen im Vergleich zu anderen gefunden werden.Darüber hinaus konnte eine neue Methode zur Oberflächen- modifikation von bereits assemblierten Latexteilchen durch niederenergetische Elektronenstrahlung gefunden werden. Abhängig von der Beschleunigungsspannung wurden elektronen- induzierte Vernetzungs- oder Verfilmungsprozesse beobachtet, welche durch Morphologieänderungen im Latexfilm deutlich wurden. Die Methode kann zur Feinstrukturierung von selektiv adsorbierten Latices verwendet werden, wodurch mehrere Hierarchiestufen der Strukturbildung auf Oberflächen an einem System aus relativ einfachen Modulen (Polymerkugeln und Substrate) zugänglich sind.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.