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Jürgen Neumann

• Für das Verständnis von biologischen Membranen ist die Entschlüsselung der physikalischen Interaktion zwischen Biomembran und Umgebung unerlässlich. Aus der komplexen Vielfalt dabei auftretender Fragestellungen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Fokus auf die Wechselwirkung zwischen Festkörpern und Phospholipid-Membranen gelegt. Diese selbstorganisierten Membranen bilden ein leicht zugängliches und adaptierbares biophysikalisches Modellsystem. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildeten Messungen an eigenen Aufbauten zur Sensorik und Aktorik mittels akustischen Oberflächenwellen (SAWs). Diese Methode zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit bezüglich Veränderungen der Grenzflächeneigenschaften, wie z.B. Änderungen der dielektrischen Größen aus. Die Membranbildung auf Festkörpern kann dabei über die Anlagerung und das Spreiten kleinster unilamellarer Vesikel erfolgen und zeitaufgelöst über mehrere Stunden verfolgt werden. An den so erzeugten Membranen war die exemplarischeFür das Verständnis von biologischen Membranen ist die Entschlüsselung der physikalischen Interaktion zwischen Biomembran und Umgebung unerlässlich. Aus der komplexen Vielfalt dabei auftretender Fragestellungen wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit der Fokus auf die Wechselwirkung zwischen Festkörpern und Phospholipid-Membranen gelegt. Diese selbstorganisierten Membranen bilden ein leicht zugängliches und adaptierbares biophysikalisches Modellsystem. Den Schwerpunkt der Untersuchungen bildeten Messungen an eigenen Aufbauten zur Sensorik und Aktorik mittels akustischen Oberflächenwellen (SAWs). Diese Methode zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit bezüglich Veränderungen der Grenzflächeneigenschaften, wie z.B. Änderungen der dielektrischen Größen aus. Die Membranbildung auf Festkörpern kann dabei über die Anlagerung und das Spreiten kleinster unilamellarer Vesikel erfolgen und zeitaufgelöst über mehrere Stunden verfolgt werden. An den so erzeugten Membranen war die exemplarische Untersuchung vom Membran - Nanopartikel Wechselwirkungen möglich. Die SAW-Sensorik erlaubt insbesondere die markerfreie Detektion von Veränderungen an der Substratoberfläche. Durch den experimentellen Vergleich ergibt sich die Möglichkeit Rückschlüsse darauf zu ziehen, welche Auswirkungen allein aus der Variation der Zusammensetzung, beispielsweise bei der Zugabe von Wirkstoffen oder Salzen resultieren. Kontrollexperimente wurden mittels differenzieller Kalorimetrie durchgeführt und bestätigten beispielsweise die Veränderungen der Eigenschaften durch den Einsatz von Tensiden. Phasenübergängen in biologischen Membranen wird eine Schlüsselrolle bezüglich dem Verständnis von Stoffwechselvorgängen und der Anpassung an geänderte Umgebungsbedingungen zugeschrieben. Mittels Oberflächenwellensensorik konnte der Phasenübergang der etwa 4 Nanometer dicken Lipidmembran aus DMPC auch am festkörpergestützten Membransystem gezeigt werden. Die Ergebnisse demonstrieren, dass die Einsatzmöglichkeiten des Sensorsystem weit über reine Anlagerungsmessungen hinausgehen. SAW-Sensoren sind in der Lage auch strukturelle Veränderungen der Substratoberfläche zu erfassen. Durch die Kombination von Scherwellen-Chipsubstraten und hochauflösender Fluoreszenzmikroskopie konnte erstmals gezeigt werden, dass die Wechselwirkung von stehenden Oberflächenwellen und Membran zu einer dynamischen Entmischung führt. Lipidgebundene Farbstoffmoleküle reichern sich in den energetisch vorteilhaften, streifenförmigen Bereichen an und signalisieren die Zustandsänderung der Membran. In Folgeexperimenten konnte dies gleichfalls zur Ansammlung und Ausrichtung membrangebundener Makromoleküle benutzt werden. Dies geht weit über die in der Literatur bekannten Anwendungen der reinen Flüssigkeitssensorik sowie der Aktorik zum Durchmischen, Sortieren und Fokussieren von in Flüssigkeit befindlichen Partikeln hinaus und kann vielmehr als neue Methode zur zeitlichen und räumlichen Manipulation weicher Nanofilme auf molekularer Ebene verstanden werden. Die Entstehung und der Zerfall quasi beliebig generierbarer Muster bieten einen neuen Einblick in das Membransystem und liefern Zugang zur Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen. Während im Bereich der Flüssigkeitssensorik vorwiegend Scherwellensubstrate zum Einsatz kommen, kann die starke Dämpfung, welche Rayleighwellen erfahren, anderweitig ausgenutzt werden: Rayleighwellen sind durch eine senkrecht zur Oberfläche wirkende Bewegungskomponente gekennzeichnet, und können zur effizienten Anregung mikrofluidischer Strömungen genutzt werden. Die Entwicklung einer auf diesem Prinzip beruhenden mikrofluidischen Kammer ermöglichte die Untersuchung des Adhäsionsverhaltens von funktionalisierten Mikropartikeln an Zelloberflächen. Experimente unter variablen Flussbedingungen zeigten, dass die auftretenden Scherraten signifikanten Einfluss auf das Adhäsionsverhalten der Partikel ausüben.…
• The understanding of biomembrane behaviour is based on the knowledge of the physical interaction between them and their surroundings, which is extraordinarily complex in all aspects. This work focuses on the interaction between solids and phospholipid membranes, where self-assembled membranes build an accessible and adaptable biophysical model. The main topics of this work are the measurements and characterizations of a Surface-Acoustic-Wave (SAW) setup, which can be both sensor and actuator at the same time. We show that SAWs are advantageous, because they show a high sensitivity for changes in surface properties, without a need for the use of markers, and can be utilized in many ways. The setup is able to detect the process of membrane assembly starting from Small Unilamellar Vesicles (SUVs), as well as distinguishing changes on an existing biomembrane. Examples are given by the measurement of the phase transition of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine bilayers and theThe understanding of biomembrane behaviour is based on the knowledge of the physical interaction between them and their surroundings, which is extraordinarily complex in all aspects. This work focuses on the interaction between solids and phospholipid membranes, where self-assembled membranes build an accessible and adaptable biophysical model. The main topics of this work are the measurements and characterizations of a Surface-Acoustic-Wave (SAW) setup, which can be both sensor and actuator at the same time. We show that SAWs are advantageous, because they show a high sensitivity for changes in surface properties, without a need for the use of markers, and can be utilized in many ways. The setup is able to detect the process of membrane assembly starting from Small Unilamellar Vesicles (SUVs), as well as distinguishing changes on an existing biomembrane. Examples are given by the measurement of the phase transition of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine bilayers and the interaction with functionalized nanoparticles. The combination of shear-SAW substrates and high-resolution fluorescence microscopy enabled us to study the interaction between the waves and the supported biofilms. For the first time, this work presents a dynamic demixing of biomembranes, pattern generation and alignment of membrane bound macromolecules. The method generates novel insights into membrane-solid interactions. By changing the substrates in which we generated the Rayleigh-SAWs, we were able to further show that these SAWs are capable of generating an appropriate fluid-flow for the examination of interactions between functionalized microparticles and cell-surfaces. With increasing fluid flow a significant reduction in adhered particles is observed. This leads to the conclusion that our setup presents a much more realistic model for various types of cell-adhesion experiments as compared with the more common static procedure.…