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Manuel Brugger

• Die Lebenswissenschaften entwickelten sich im 21. Jahrhundert zu einer der wichtigsten und innovativsten Disziplinen. Durch die Erweiterung des Verständnisses biologischer Vorgänge durch die Nutzung komplexer technologischer Verfahren konnten signifikante Fortschritte insbesondere in der Medizin erreicht werden. Praktiken der Zelldetektion, -manipulation sowie -stimulation bilden hierbei eine wichtige Expertise dieses interdisziplinären Forschungsgebietes. Diese Arbeit widmet sich diesen Kernkompetenzen und erweitert das Spektrum der Forschungsmethoden durch die Verwendung der akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAW). Gekennzeichnet durch eine oszillierende Auslenkung der Substratoberfläche, deren Amplitude in der Größenordnung Nanometer liegt, weisen SAW ein breites Anwendungspotential auf. Abhängig von der Form der Substratauslenkung können sowohl nicht-invasive sensorische Applikationen, aktorische Verfahren, als auch Zell-stimulierende AnwendungenDie Lebenswissenschaften entwickelten sich im 21. Jahrhundert zu einer der wichtigsten und innovativsten Disziplinen. Durch die Erweiterung des Verständnisses biologischer Vorgänge durch die Nutzung komplexer technologischer Verfahren konnten signifikante Fortschritte insbesondere in der Medizin erreicht werden. Praktiken der Zelldetektion, -manipulation sowie -stimulation bilden hierbei eine wichtige Expertise dieses interdisziplinären Forschungsgebietes. Diese Arbeit widmet sich diesen Kernkompetenzen und erweitert das Spektrum der Forschungsmethoden durch die Verwendung der akustischen Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, SAW). Gekennzeichnet durch eine oszillierende Auslenkung der Substratoberfläche, deren Amplitude in der Größenordnung Nanometer liegt, weisen SAW ein breites Anwendungspotential auf. Abhängig von der Form der Substratauslenkung können sowohl nicht-invasive sensorische Applikationen, aktorische Verfahren, als auch Zell-stimulierende Anwendungen realisiert werden. Für die Realisierung sensorischer Applikationen zur Überwachung des Zellwachstums ohne die Notwendigkeit optischer Systeme wird eine horizontal polarisierte SAW verwendet, da sich diese durch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Grenzflächeneigenschaften bei einer nahezu verlustfreien Propagation auszeichnet. Diese Scherwellen erlauben eine Charakterisierung des Zellwachstums und der Zellmigration in vitro. Die durch die Zellbelegung der sensorischen Oberfläche hervorgerufenen Veränderungen der viskoelastischen und dielektrischen Eigenschaften an der Grenzfläche verursachen eine messbare Phasenverschiebung der SAW, die mit der Flächenbelegungsrate der migrierenden Zellen exakt korreliert. Des Weiteren kann die Dynamik des Zellwachstums erfasst, Ablösungsprozesse quantifiziert, als auch die Kultivierungsbedingungen überwacht werden. Durch die Verwendung der Rayleigh-Welle, eine Wellenmode mit einer vertikalen Auslenkungskomponente, werden dynamische akustische Kraftfelder erzeugt, die eine aktive Kontrolle über vitale Zellen ermöglichen. Hierbei ist eine mikrometergenaue Positionierung und Manipulierung von in Suspension befindlicher Zellen durch in Ort und Zeit variable akustische Stehwellenfelder realisierbar. Eingehend wurden die physikalischen Eigenschaften des Systems der akustischen Pinzette elaboriert und deren Biokompatibilität verifiziert. Anhand von Mikropartikeln wurde die räumliche und zeitliche Dynamik des Kraftfeldes sowie die effektive Kraftfeldstärke bestimmt. Die Fluoreszenzmikroskopie ermöglichte anschließend eine Quantifizierung des SAW-bedingten Wärmeeintrags. Unter Berücksichtigung der optimalen Kultivierungsbedingungen nach der kontrollierten Zelladhäsion war eine anschließende Langzeitkultivierung von Neuroblastomzellen und deren Ausdifferenzierung zu neuronenähnlichen Zellen im experimentellen Aufbau möglich. Durch die Identifizierung der Einflüsse der SAW auf das Zellwachstum konnten die Grenzen des anwendbaren Leistungsbereichs der SAW festgelegt und eine Beeinflussung der Zellproliferation festgestellt werden. Diese Erkenntnisse ermöglichten es schließlich ein gerichtetes Wachstum neuronaler Fortsätze primärer Neuronen in der Potentiallandschaft zu erzielen und demonstrieren eindrucksvoll die Anwendbarkeit von SAW auf dem Weg hin zu künstlichen neuronalen Netzwerken, den sogenannten Brain-on-a-chip-Systemen. Anhand der durch die Zellaktorik hervorgerufenen Beeinflussung der Zellen wurde ein verändertes Verhalten dieser festgestellt. Zellen, welche sich im Schallpfad einer akustischen Oberflächenwelle befinden, werden durch diese in ihrem Wachstum stimuliert. Nach der erfolgreichen Demonstration des gesteigerten Zellwachstums von Osteosarcom-Zellen in vitro in einer künstlichen Wunde um bis zu 16% gegenüber nicht-stimulierten internen Referenzzellen, wurden die Schlüsselparameter der Oberflächenwelle eingegrenzt. Nach Untersuchung verschiedener Wellenmoden und –längen über ein breites Leistungsintervall hinweg, erwies sich die Anwendung der Rayleigh-Mode als optimaler Stimulus. Die SAW-Stimulation wurde zudem auf weitere Zelltypen angewandt, wobei bei den kollektiv migrierenden Epithelzellen eine signifikante Erhöhung der Zellmigration um bis zu 135% festgestellt wurde. Durch den Ausschluss von Artefakten und durch die Messung verschiedener intrazellulärer Parameter wie reaktive Sauerstoffspezies und Proliferation wurde die Vibration, also die mechanische Komponente der SAW, als Ursache der erhöhten Zellmigration identifiziert. Insbesondere im Hinblick auf die Schaffung künstlicher neuronaler Netzwerke auf einem Chip und die unterstütze Wundheilung in vivo liefern die in dieser Arbeit aufgeführten Ergebnisse und Erkenntnisse eindrucksvoll einen entscheidenden Beitrag für die zukünftige Forschung und Entwicklung künstlicher Gewebe und komplexer biologischer Strukturen in den Biowissenschaften.…