title: Solid-supported lipid membranes and their response to varied environmental conditions
creator: Kreuzer, Martin
subject: 540
subject: 540 Chemistry and allied sciences
description: Biologische Membranen sind ein Hauptbestandteil von lebenden Organismen. Sie trennen das Zellinnere von dessen Umgebung und wirken als selektiv permeable Barrieren. Solche Membranen können durch Selbstaggregation von Lipiden gebildet werden. Modell-Membranen dieses Typs können verwendet werden um grundlegende strukturelle Prinzipien im Nahbereich von Phasenübergängen zu verstehen und um biologische Phänomene wie die Gelenkschmierung zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden Lipidbeschichtungen an der Fest-Flüssig-Grenzfläche präpariert und vermessen. Dabei wurden die Reaktionen der Membranen auf unterschiedliche äußere Parameter und die Wechselwirkung mit organischen Molekülen in den Mittelpunkt der Untersuchungen gestellt. Die Rotationsbeschichtung (spin-coating) und die Luftdruckbeschichtung (air-brush) wurden als einfache und zuverlässige Herstellungsverfahren für Modellmembranen eingesetzt. Die Struktur der hergestellten Membranen wurde in Röntgen- (XR) und Neutronenreflektometrie (NR) Experimenten verifiziert. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde in der oberflächenempfindlichen, abgeschwächten Totalreflexions (ATR) Geometrie eingesetzt, um die Schwingungsmodi der untersuchten Systeme in Kontakt mit Flüssigkeiten zu charakterisieren. Die uneingeschränkte Vergleichbarkeit zwischen ATR-FTIR- und NR-Ergebnissen wurde durch gleichzeitige Messungen an derselben Probe gewährleistet. Dies erforderte die Konstruktion einer externen ATR-FTIR Strahlführung, welche am BioRef-Neutronenreflektometer der BER II Neutronenquelle am Helmholtz-Zentrum Berlin realisiert wurde. Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) wurde als eine ergänzende Methode angewandt, um das Verhalten von Membranen in Lösung am Phasenübergang zu untersuchen. Neben vielfältigen Umgebungsbedingungen wie Temperatur- und Druckänderungen, wurden die Beschichtungen in unterschiedlichen Lösungen inkubiert. Darüber hinaus wurde der Einfluss von äußerer Scherung auf die Modellmembranen getestet.  Die Stabilität der präparierten DMPC-Lipidbeschichtungen wurde zuerst in reinem Wasser (D2O) verifiziert: Die Beschichtungen sind stabil in der Rippel-Phase der Lipiddoppelschichten. Dies konnte für verschiedene Druck- und Temperaturbedingungen bis hin zu physiologisch relevanten Temperaturen und etwa 100 MPa gezeigt werden. Zudem reagierten die Beschichtungen stabil auf äußere Scherkräfte und hafteten sowohl auf reinen Silizium-Oberflächen als auch auf Oberflächen mit Titanbeschichtung.  In der flüssigen Phase der Lipide hingegen lösten sich die oligolamellaren Beschichtungen irreversibel vom Substrat. Der Einfluss des Hauptphasenübergangs auf die Struktur der Beschichtungen wurde mittels einer multilamellaren Lipidbeschichtung gemessen. In der Rippel-Phase sind die Lipidketten in all-trans Konformation, was zu einer erhöhten Schichtdicke der Lipidmembranen beiträgt. Im Vergleich dazu wurde in der flüssigen Phase mit geschmolzenen Lipidketten eine verminderte Schichtdicke gemessen. Darüber hinaus wurden strukturelle Veränderungen der Beschichtung mittels NR beobachtet, die nicht auf das Schmelzen der Lipidketten (gemessen durch ATR-FTIR) zurückgeführt werden können: ein anormales Quellverhalten der Lipiddoppelschichten bei Annäherung an den Hauptphasenübergang. Neben den Messungen in reinem Wasser wurden Lipidbeschichtungen auch in Lösungen aus Hyaluronsäure (HA) in Wasser (D2O) untersucht. Dieses System wurde als ein Modell für Säugetiergelenke verwendet. Es wurde festgestellt, dass HA tiefgreifende Veränderungen der Lipidmembranen  verursacht: Bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck entstand eine neue lamellare Phase, in der die Lipiddoppelschichten drastisch an Dicke zugenommen haben. Eine detaillierte Analyse der Streukurven ergab, dass sich HA-Moleküle außerhalb der einzelnen Lipidlamellen in der Nähe der Kopfgruppen anlagern. Das Überschreiten des Hauptphasenübergangs von der Ripple-Phase in die flüssige Phase der Lipidmoleküle führte nicht zum Ablösen der Lipidbeschichtung. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass die Lipiddoppelschichten mit Lipidketten in geschmolzenem Zustand (gemessen mit ATR-FTIR) an Dicke zunehmen (gemessen mit NR). Es konnte gezeigt werden, dass das Quellen der Lipidbeschichtung durch Zugabe von 1 M Kochsalz in die  HA-Wasser-Lösung unterdrückt werden kann. Hiermit verbunden ist die Abschirmung der elektrostatischen Wechselwirkungen im System. Der Einfluss von HA auf die Lipidmembranen wurde qualitativ auf der Basis der DLVO-Theorie unter Berücksichtigung zusätzlicher sterischer Wechselwirkungen diskutiert.
date: 2012
type: Dissertation
type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
type: NonPeerReviewed
format: application/pdf
identifier: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserverhttps://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/13109/1/2011_12_07_v2_Dissertation_Martin_Kreuzer.pdf
identifier: DOI:10.11588/heidok.00013109
identifier: urn:nbn:de:bsz:16-opus-131099
identifier:   Kreuzer, Martin  (2012) Solid-supported lipid membranes and their response to varied environmental conditions.  [Dissertation]     
relation: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/13109/
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language: eng