Strukturierte Oberflächen zur Wechselwirkung mit biologischen Systemen

Titan-Biotemplate

Bekanntermaßen wird das Verhalten von Zellen, wie z.B. Haftung, Migration und Wachstum, von der Topografie der entsprechenden Substratoberfläche beeinflusst. Um den Einfluss von mikro- und nanostruktrierten Materialoberflächen auf angrenzende Biosysteme zu verstehen, benötigt man eine breit angelegte Untersuchung von zellulären Reaktionen und unterschiedlichen Oberflächen. Titan ist aufgrund seiner hohen Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit das am häufigsten verwendete Implantat-Material. Daher bietet es sich an, wohldefinierte Titanoberflächen zu untersuchen.
Zu diesem Zweck wurde in einem ersten einfachen Ansatz strukturierter Photolack auf Si oder Glas mit einer dünnen Titanschicht bedeckt. Sehr viel stabilere Proben, die sich auch für Adhäsionsexperimente eignen, können durch Titan-beschichtete Si oder SiO₂-Strukturen erzielt werden. Dazuhin verfolgen wir den Ansatz, die Oberfläche von Titan-Vollmaterial mit Hilfe von reaktivem Ionenätzen (RIE) regelmäßig zu strukturieren.

Regelmäßig mikrostrukturierte Oberflächen zur Untersuchung der Wechselwirkung von Zellen mit Grenzflächen

Strukturen und Methoden zur Untersuchung der Zelladhäsion

Das Verhalten biologischer Zellen wird entscheidend durch die Wechselwirkung der Zellen mit ihrer Umgebung beeinflusst. Neben rein chemisch moderierten Signalprozessen spielt insbesondere der physikalische Kontakt einer Zelle mit ihrer Umgebung, d.h. die Zelladhäsion, eine große Rolle für die Regulierung zellulärer Prozesse. So lassen sich rein durch eine geeignete Wahl der physikalischen Substrateigenschaften, wie z.B. der Oberflächenstruktur oder der Materialeigenschaften, zelluläre Vorgänge wie die Zellmobilität oder sogar die Zelldifferenzierung beeinflussen.
Ziel unserer Forschungen ist es, mittels Mikro- und Nanostrukturierungsmethoden Substrate zu schaffen, an denen sich die wesentlichen Aspekte der Zelladhäsion gezielt untersuchen lassen. Ein Ansatz ist hierbei die Verwendung von mikrostrukturierten, elastischen Materialien, wie z.B. Poly(dimethyl)siloxan (PDMS). Derartige Substrate erlauben eine Bestimmung von Adhäsionskräften mit Empfindlichkeiten von bis zu wenigen nanoNewton.

a)Typisches Layout eines elastischen Substrats zur Messung der Kräfte bei Zelladhäsion.
b)Bakterienzellen, kultiviert auf einem solchen Substrat. Die Pfeile repräsentieren die Vektoren der Adhäsionskräfte.

Nanostrukturierung mit Diblock-Copolymeren

Herkömmliche Methoden zur Herstellung von Strukturen mit Dimensionen von wenigen zehn Nanometern, wie beispielsweise die Elektronenstrahllithographie, eignen sich aufgrund ihrer prinzipbedingt geringen Prozessgeschwindigkeiten nur bedingt als Alternative zur bisher großtechnisch eingesetzten optischen Lithographie. Neuartige Strukturierungskonzepte müssen daher gefunden werden. Eines dieser Konzepte stellt der Einsatz von Diblock-Copolymeren dar.
Diblock-Copolymere bestehen im Allgemeinen aus zwei unterschiedlichen Polymersorten, die kovalent aneinander gebunden sind. Für unsere Untersuchungen verwenden wir Diblock-Copolymere, die zu einem Teil aus einem hydrophilen Polymer, und zum anderen Teil aus einem hydrophoben Polymer bestehen. Diese bilden in einem Lösungsmittel, welches nur einen Teil des Copolymers löst, Micellen aus. Diese Micellen können als dünne Schicht auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Durch Selbstorganisation ordnen sich die Micellen regelmäßig an. Mit einer gezielten Beimischung von Metallsalzen können auf diese Weise auch geordnete Strukturen von Metallclustern erzeugt werden. So lässt sich mit verhältnismäßig wenig Aufwand eine großflächige Strukturierung mit typischen Strukturgrößen im Nanometerbereich realisieren. Da Diblock-Copolymere zudem meist ähnliche chemische Eigenschaften wie die in der herkömmlichen Lithographie eingesetzten Lacke aufweisen, lassen sie sich gut mit den etablierten Methoden der Nanostrukturierung kombinieren.
Ziel der Arbeit ist es, Parameter zu finden, mit denen regelmäßige Strukturen mit möglichst langreichweitiger Ordnung zuverlässig hergestellt werden können.

Polystyrol-block-Polyvinylpyridin auf Silizium mit natürlicher Oxidschicht mit kurzreichweitiger Ordnung.
Die Größe der Micellen beträgt ca. 50-60 nm.