Methoden und Strukturen zur Untersuchung der Zell-Material-Wechselwirkung

Abstract

Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wurden Methoden zur Untersuchung der Zell-Material-Wechselwirkung erarbeitet. Der Fokus wurde dabei auf die Aspekte der Wechselwirkung von Mikroben mit gezielt mikrostrukturierten Oberflächen gelegt. Innerhalb dieses Themengebiets wurden explizit drei Fragestellungen behandelt. Zum Einen wurden geeignete Elastomerstrukturen zur Quantifizierung mikrobieller Adhäsionskräfte konzipiert und hergestellt, sowie mithilfe einer eigens ausgearbeiteten Messmethode unter Verwendung der Rasterelektronenmikroskopie entsprechende Messungen an einem mikrobiellen Modellorganismus, dem Bakterium Staphylococcus aureus, durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurde zudem eine Methodik erarbeitet, die es erlaubt, die elastischen Eigenschaften der mikrometergroßen Elastomerstrukturen zu untersuchen. Hierdurch wurde ein experimenteller Vergleich mit den bisher hauptsächlich theoretisch motivierten Berechnungen bestehender Arbeiten ermöglicht. Des Weiteren wurde untersucht, inwieweit sich mikrostrukturierte Substrate zur Beeinflussung der Zellausrichtung eignen. Nach der Konzeption geeigneter Zellsubstrate, sowie einer geeigneten Auswertemethodik wurden entsprechende Experimente an dem Bakterienstamm BoFeN1 durchgeführt. Schließlich wurden Experimente zur Bedeutung des Benetzungsverhaltens von Zellsubstraten für die Zell-Material-Wechselwirkung unternommen. Basierend auf der Möglichkeit, das Benetzungsverhalten einer Oberfläche durch geeignete Mikrostrukturierung zu beeinflussen, wurden Zellsubstrate mit einer gezielten, lokalen Variation des Benetzungsverhaltens hergestellt und in Wachstumsexperimenten mit dem Bakterienstamm Staphylococcus aureus eingesetzt. Unter Verwendung einer neu entwickelten Messmethodik auf Basis einer fluoreszenzgestützten Ermittlung der Zelldiffusion war es hier möglich, die Auswirkungen des lokal variierten Benetzungsverhaltens an den lebenden Bakterien zu untersuchen.

In this thesis, methods were established that aim at studying the interplay between cells and cell substrate materials and their respective topography. The investigations that were carried out have focused mainly on the mechanisms of interaction between microbes and microstructured surfaces. In this respect, three main topics were investigated: In order to quantify microbial adhesion forces, cell substrates have been designed and fabricated that consist of elastomeric microstructures as the force sensing apparatus. An experimental calibration procedure has been developed to determine the elastic properties of these sub-micrometer-sized elastomeric structures and a novel method has been demonstrated that enables quantitative force measurements on such cell substrates by means of Scanning Electron Microscopy. Using this approach, the adhesion forces of a microbial model organism, namely Staphylococcus aureus, were determined experimentally. Furthermore, investigations were carried out to address the influence of micro-structured substrates on the orientation of bacteria. Following the design and fabrication of cell substrates with suitable microstructures as well as the development of an appropriate measurement method, cell studies were carried out, using the microbial strain BoFeN1. Finally, an experimental approach has been conceived to investigate the influence of wettability on cell-material interactions. Based on the possibility to tailor the wettability of surfaces by introducing defined microstructures, cell substrates were developed that include areas with locally varying wettability. These substrates were used in cell growth experiments with Staphylococcus aureus. Applying a fluorescence-based method for the observation of cell diffusion, it was possible to study the impact of these local variations in wettability on the microbes in vitro.