Studienabschlussarbeiten am Institut

Für die Tumorentstehung und Progression ist neben der genetischen Veränderung die Wechselwirkung mit der Mikroumgebung entscheidend. Aus diesem Grund ergeben sich für die Etablierung eines organotypischen 3D-Tumormodells zwei wesentliche Anforderungen. Für eine biomechanische Optimierung muss die Mechanik des nativen Tumors und des gesunden Gewebes bekannt sein (materialseitiger Anspruch). Außerdem müssen die zellulären Zusammenhänge und Wechselwirkungen zwischen entarteten und nicht entarteten Zellen aufgeklärt werden (biologischer Anspruch). In der Arbeit wurden mechanische und histologische Untersuchungen auf zelluläre und suprazelluläre Ebene durchgeführt. Für die mechanische Untersuchung an entarteten und nicht entarteten Einzelzellen des Brustepithels wurde die kolloidale Kraftspektroskopie mit dem AFM angewandt und die Histologie durch Färbung des Aktinskeletts beurteilt. Für die Untersuchung von Brusttumorgewebe und gesundem Brustgewebe der Maus, wurde die Kraftspektroskopie mit einem mikromechanischen Testsystem und für die Histologie eine HE-Färbung und Kollagen-Färbung durchgeführt. Die Tumorzelllinie MDA-MB-231 (0,8 - 15,4 kPa) war signifikant weicher als die gesunde Zelllinie MCF-12A (2,6 - 19,3 kPa). Zurückzuführen ist dies auf eine geringere Aktinpolymerisation in Folge der EMT. Das Brusttumorgewebe war mit einem E-Modul-Bereich von 12,4 - 271 kPa signifikant steifer als das gesunde Gewebe (0,8 - 10,3 kPa). Außerdem besaß das Tumorgewebe eine größere mechanische Inhomogenität. Die Gewebeversteifung entsteht durch eine gestiegene Kollagenablagerung in der ECM (Desmoplasie). Die erhöhte Kollagenablagerung sorgt für die Bildung von Integrin-Clustern. Durch das Mechanosensing der Zellen wird über das Zytoskelett, durch die Cluster, die Genexpression verändert und bewirkt eine weitere Versteifung der ECM durch Produktion von ECM-Komponenten durch Tumorzellen und Stromazellen. Damit existiert eine direkte Verbindung der genetischen Faktoren und Umgebungs-Faktoren für eine Tumorentwicklung. Mit der LCM-Plattform kann ein Scaffold-basiertes 3D Modell im Bereich der Tumorsteifigkeit erstellt werden. Für die Untersuchung der mechanischen Auswirkung der Mikroumgebung auf Tumorzellen ist eine Monokultur möglich. Jedoch sollte für Untersuchung neuer Therapeutika die Wechselwirkung zwischen Tumorzellen und Stromazellen berücksichtig werden. Dazu eignet sich eine Cokultur, für eine bessere in vivo Annäherung.

Mikroorganismen treten in der Natur fast immer in Form von Biofilmen auf verschiedensten Oberflächen auf. Aber auch auf medizinischen Geräten und auf Implantaten können sich Biofilme bilden, was im menschlichen Körper zu Infektionen und Entzündungen, oder zum Funktionsverlust von Implantaten führen kann. Aus diesem Grund gewinnt die Entwicklung von Antifouling-Strategien zunehmend an Bedeutung. Da die Bildung eines Biofilmes durch die Adhäsion von Bakterien an die Oberfläche initiiert wird, beruhen die Strategien immer häufiger auf der Unterbindung der Adhäsion. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von physikochemischen Oberflächeneigenschaften von Biomaterialien auf die bakterielle Adhäsion untersucht. Dazu wurden dynamische Adhäsionskinetiken, durch welche sich realitätsnahe Bedingungen schaffen ließen, mit vier verschiedenen Konzentrationen einer Mischkultur aus Staphylococcus aureus und Staphylococcus epidermidis durchgeführt. Als Modelloberflächen dienten mit TEGO®Phobe beschichtete Objektträger, welche im Sauerstoffplasma funktionalisiert wurden, um eine abgestufte Benetzbarkeit und Ladung der Oberfläche einzustellen. Durch die Ermittlung von zeit-und konzentrationsunabhängigen Parametern sollte schließlich eine materialspezifische Bewertung der Modelloberflächen ermöglicht werden. Die Untersuchungen ergaben, dass die bakterielle Adhäsion abhängig von der Zeit, von der Bakterienkonzentration und von den physikochemischen Eigenschaften der Biomaterialoberfläche ist. So wurde durch Extrapolation der Oberflächenbesiedlung bei sehr niedrigen und bei unendlich hohen Bakterienkonzentrationen festgestellt, dass der physikochemische Einfluss der Materialoberfläche mit steigender Bakterienkonzentration abnimmt. Bei sehr geringen bis moderaten Konzentrationen ist nachweislich die Affinität der Mischkultur zu sehr hydrophilen Oberflächen deutlich geringer als zu hydrophoberen Oberflächen. Dieser Effekt beruht vermutlich auf unterschiedlichen Wasserstrukturen, welche sich abhängig von der Benetzbarkeit der Oberfläche ausbilden. Für die Entwicklung neuer Antifouling-Konzepte ist es demnach empfehlenswert, den Einfluss der Hydrophilie von Biomaterialien zu berücksichtigen. Jedoch muss beachtet werden, dass die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse nur für die eingesetzten Infektionserreger und die gewählten Systembedingungen gültig sind.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine langzeitstabile, hydrophobe Beschichtung für den segmentierten Fluss in Polykarbonat-Chipsystemen zu erzeugen. Hierfür wird in einem Niederdruckplasma aus dem Präkursorgas Oktafluorocyclobutan ein transparentes Plasmapolymer mit PTFE-ähnlichen Eigenschaften generiert. Der Einfluss verschiedener Parameter bei der Polymerisation auf die entstehende Beschichtung wird untersucht und die Beschichtungen charakterisiert. Anhand festgelegter Mindestanforderungen wird die Funktion der Beschichtung nachgewiesen und ihre Vorteile sowie ihre Schwachpunkte herausgearbeitet.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung von mehrlagigen folienbasierten Strukturen basierend auf Cell-Sheet-Layer-Systemen, die anhand eines abstrahierten Leber-Sinusoids demonstriert werden. Es werden verschiedene Technologien zur Herstellung mehrlagiger Cell-Sheet-Layer vorgestellt. Die Form- und Beschichtungsstrategien dieser Substrate kann Einfluss auf das Wachstum der Zellen nehmen. Als Ausgangsbasis der Trägersubstanz dient Polycarbonat-Folie mit einer Dicke von 50 [my]m, die durch den Mikrothermoformprozess die gewünschte Mikro-Topografie erhält. Es ist ein transparentes und biokompatibles Material, welches durch lokal begrenzte Oberflächenfunktionalisierungen während oder nach der topografischen Modellierung die Zelladhäsion auf den Trägern ermöglicht. Zunächst werden die vorhandene Technologie und das Werkzeug für die Mikro-Topografie optimiert, um so die gezielte Zellkultivierung zu ermöglichen. Die Polycarbonat-Folien werden nach dem Mikrothermoformprozess auf verschiedene Strategien der Zellbesiedlung untersucht. Das Cell-Sheet-Layer-System soll ein abstrahiertes Leber-Sinusoid beschreiben. Daher werden für die Außenseite des Substrates die humanen Hepatozyten Zelllinien HepG2 und für die Innenseite des Cell-Sheet-Layers die Maus-Fibroblasten Zelllinie L929 bzw. die Endothelzellen der EA.hy926-Zelllinie zur Zellbesiedlung gewählt. Im Verlauf der Zelluntersuchungen zeigte sich, dass die chemische Oberflächenmodifizierung während des Mikrothermoformprozesses Einflüsse auf die kultivierten Zelllinien ausübt. Aus diesem Grund werden alternative Methoden zur Funktionalisierung der Polycarbonat-Folie entwickelt. In diesem Verfahren wird das Substrat erst nach dem Mikrothermoformprozess funktionalisiert, um eventuelle Änderungen der Beschichtungsstoffen beim Erhitzen zu umgehen. Mit dieser Methode werden die besten Zellkultivierungsergebnisse erreicht. Um die Zellkultivierung auf einem Cell-Sheet-Layer-System in einer angepassten Mikro-Umgebung zu ermöglichen, wird ein Zellkultivierungssystem entwickelt, welches die fluidische Umgebung der Zellen berücksichtigt. In diesem System wird eine Trägersubstanz mit humanen Hepatozyten Zellen erfolgreich kultiviert. Insgesamt konnten Cell-Sheet-Layer aus Polycarbonat mit verschiedenen Zelllinien als einfache Zellkultur und als Ko-Kultur kultiviert werden. Diese Methode kann weiterentwickelt werden, um in weiteren Versuchen durch Stapeln der Folien eine dreidimensionale Struktur zu bilden.

Goldnanopartikel weisen einzigartige Eigenschaften auf, welche sie für ein großes Spektrum möglicher Anwendungen prädestinierten. Sie finden beispielsweise bereits als funktionelle Bestandteile in Sensoren, elektronischen Schaltungen oder in der heterogenen Katalyse Anwendung in verschiedenen Gebieten der Nanotechnologie. In dieser Arbeit wird ein segmentbasiertes Mikrodurchflussverfahren zur Herstellung einkristalliner Goldnanokuben als vorteilhafte Methode zur Syntheseführung, verglichen mit konventionellen Batch-Ansätzen, vorgestellt. Das Herstellungsverfahren basiert auf der nass-chemischen Reduktion von Au3+-Ionen aus Tetrachlorogoldsäure in Gegenwart des Ligands CTAC (Cetyltrimethylammoniumchlorid) und erfordert drei Syntheseschritte. Zunächst werden in einem Mikrodurchflussprozess seed-Partikel synthetisiert. Im Folgenden werden diese seed-Partikel in einem ersten Wachstumsschritt, welcher ebenfalls im segmentbasierten Mikrodurchflussverfahren ausgeführt wird, vergrößert. Das abschließende Wachstum im dritten Syntheseschritt erfolgt im klassischen Laborgefäß. Die kolloidalen Lösungen der Au-seed-Nanopartikel und der Au-Nanokuben wurden mithilfe differentieller zentrifugaler Sedimentationsspektroskopie (DCS), UV-Vis-Spektralphotometrie und Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Die aus den Experimenten erhaltenen Nanopartikel zeigten homogene Ensembleeigenschaften ohne Hinweise auf mögliche Aggregation. Die mikrofluidisch hergestellten Gold-seed-Nanopartikel hatten einen mittleren Teilchendurchmesser von 2,6 nm mit einer Halbwertsbreite der Größenverteilung von 1,5 nm. Aus diesen seed-Nanopartikeln konnten Goldnanokuben mit, im Bereich zwischen 50 und 80 nm, einstellbaren Kantenlängen, bei jeweils schmalen Teilchengrößenverteilungen und hoher Ausbeute an gewünschter Form, hergestellt werden. Es wurde weiterhin gefunden, dass die Wachstumszeit der Partikel im letzten Syntheseschritt einen großen Einfluss auf die Partikelform hat. Ein Zeitintervall von 8 Minuten war ausreichend zur Ausbildung der gewünschten kubischen Form. Mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik gelang die reproduzierbare Herstellung homogener Nanopartikel mit schmalen Teilchengrößenverteilungen. Entsprechend der Analysedaten kann geschlussfolgert werden, dass die Synthesemethode unter Anwendung des Prinzips des mikrosegmentierten Flusses dazu verhalf, die Produktqualität aufgrund vorteilhafter Mischbedingungen durch die segmentinterne Konvektion und damit einhergehenden kürzeren Nukleationsintervallen, zu verbessern.