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Biological Adhesion on Nanopatterned Substrates Studied with Force Spectroscopy and Microinterferometry

Selhuber, Christine

German Title: Untersuchung biologischer Adhäsionsprozesse auf nanostrukturierten Substraten mittels Kraftspektroskopie und Mikro-Interferometrie

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Abstract

For a physical understanding of adhesion, surfaces of defined adhesion properties are required. In this work, biofunctional nanopatterns were employed, which allow molecules to be positioned in a quasi-hexagonal lattice. For such an arrangement of streptavidin molecules the surface energy was analysed microinterferometrically. Furthermore, nanopatterns were used to investigate integrin-mediated cell adhesion, which is a highly complex biological process and essential for numerous cell functions. With nanopatterns the distance between adjacent single integrin binding sites is precisely defined. Recent cell culture experiments have revealed that this distance strongly affects cell adhesion, especially the formation of adhesion clusters, known as focal contacts. To quantify the adhesion cluster formation for different integrin binding site spacings, cell adhesion was studied at different timescales using magnetic tweezers and atomic force microscopy (AFM). The experiments demonstrated that an integrin binding site spacing of 70 nm and more prevents the cooperative formation of early adhesion clusters in initial adhesion. In long-term adhesion studies, after several hours of cell adhesion, it turned out that focal contact formation cooperatively increases the local adhesion strength. The obtained results could be related to theoretical models and make an important contribution to the physical understanding of cell adhesion.

Translation of abstract (German)

Für ein physikalisches Verständnis von Adhäsionsprozessen sind Oberflächenstrukturen mit definierten Adhäsionseigenschaften vonnöten. In dieser Arbeit wurden biofunktionalisierte Nanostrukturen verwendet, welche eine quasi-hexagonale Anordnung von Molekülen ermöglichen. Die Oberflächenenergie einer solchen Anordnung von Streptavidinmolekülen wurde interferometrisch analysiert. Desweiteren wurden Nanostrukturen verwendet, um die integrinvermittelte Adhäsion von Zellen zu untersuchen. Diese Art der Adhäsion stellt einen hochkomplexen biologischen Prozess dar und ist essenziell für zahlreiche Zellfunktionen. Mit Hilfe von Nanostrukturen lässt sich der Abstand einzelner Integrinbindungsstellen präzise definieren. In Zellkulturexperimenten zeigte sich, dass dieser Abstand die Zelladhäsion nachhaltig beeinflusst, insbesondere die Bildung von Adhäsionsclustern, den sogenannten Fokalkontakten. Um die Adhäsionsclusterbildung bei verschiedenen Abständen von Integrinbindungsstellen zu erfassen, wurde im Rahmen dieser Arbeit die Zelladhäsion kraftspektroskopisch mit Hilfe einer magnetischen Pinzette und eines Rasterkraftmikroskops (AFM) für verschiedene Adhäsionszeiträume untersucht. Die Experimente zeigten, dass ein Abstand der Integrinbindungsstellen von 70 nm und mehr die kooperative Ausbildung von Adhäsionsclustern bereits in Kurzzeitadhäsionsprozessen erheblich einschränkt. In Langzeitadhäsionsstudien nach mehrstündiger Zelladhäsion stellte sich heraus, dass die Fokalkontaktbildung zu einer kooperativen Verstärkung der lokalen Adhäsionsstärke führt. Die gewonnen Resultate wurden mit theoretischen Modellen in Beziehung gesetzt und leisten einen wesentlichen Beitrag zum physikalischen Verständnis der Zelladhäsion.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Spatz, Prof. Dr. Joachim
Date of thesis defense: 4 December 2006
Date Deposited: 13 Dec 2006 14:31
Date: 2006
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institute of Physical Chemistry
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Adhäsion, Zelladhäsion, Nanostruktur, Interferenzmikroskopie, Kraftmikroskopie, Kooperativität
Uncontrolled Keywords: adhesion , nanostructure , interference microscopy , force microscopy , cooperativity
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