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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:291-scidok-16784
URL: http://scidok.sulb.uni-saarland.de/volltexte/2008/1678/


Analyse von Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen auf neuartigen, magnetisch strukturierten Substraten

Analysis of cell-surface interactions on novel magnetically structured substrates

Loichen, Juliane

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SWD-Schlagwörter: Nanopartikel , Stammzelle , Zellkultur , Magnetismus
Freie Schlagwörter (Deutsch): Biokompatibles Substrat
Freie Schlagwörter (Englisch): nanoparticle , stem cell research
Institut: Fachrichtung 7.2 - Experimentalphysik
Fakultät: Fakultät 7 - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät II
DDC-Sachgruppe: Naturwissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hartmann, Uwe (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.07.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 04.09.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein System zu entwickeln, mittels dessen Zellen in kontrollierbarer Weise über Wechselwirkungen mit strukturierten Oberflächen beeinflussbar sind. Das neu entwickelte System beinhaltet den Vorteil der in-vitro-Strukturveränderung durch den Einsatz extern erzeugter Magnetfelder.

Die Vorgehensweise besteht darin, biokompatible Magnetitpartikel der Größenordnung 200nm biologisch zu funktionalisieren und über externe Magnetfelder in Strukturen auf Substraten anzuordnen. Bei Versuchen die Anordnung der Teilchen auf Oberflächen durch rein externe Magnetfelder zu kontrollieren, trat das Problem der Endozytose auf, so dass eine festere Anbindung der Teilchen an das Substrat nötig war.

Yttrium-Eisen-Granatfilme konnten wegen ihrer spezifischen, mittels externer Felder variabler Domänenstruktur als geeignetes Substrat zur Partikelimmobilisierung eingesetzt werden. Die Tatsache, dass die Partikel Änderungen der Domänenkonfiguration folgen, ermöglicht die in-vitro-Strukturveränderung des Substrats. Die Partikel-Oberflächen-Wechselwirkung wurde im Rahmen der Magnetostatik theoretisch behandelt.

Zusätzlich konnten Methoden entwickelt werden, die eine örtlich kontrollierte Deposition der Partikel unterschiedlicher Geometrie im Bereich von 10µm-50µm erlauben. Die Entwicklung einer computergesteuerten Klimakammer mit einer Spulenvorrichtung zur Erzeugung magnetischer Felder erlaubt zudem das dynamische Studieren der Zellen über mehrere Tage hinweg. Unter bestimmten Struktureinflüssen zeigen die Zellen anisotropes Wachstum. Zur Untersuchung dieses speziellen Verhaltens auf unterschiedlichen Strukturen, sowohl auf statischen als auch auf dynamischen, wurden Experimente durchgeführt und im Hinblick auf gezielte Zellkontaktierung ausgewertet. Verschiedene Aspekte der Zelladhäsion werden diskutiert, um das Zellverhalten theoretisch erklären zu können, so dass letztlich Aussagen über Zell-Oberflächen-Wechselwirkungen, die durch die Substratstruktur bestimmt werden, getroffen werden.
Kurzfassung auf Englisch: The main goal of the present work was the development of a setup which allows for controled influencing of cells via surface-cell-interaction. The major advantage of the developed system is that structural changes by means of external magnetic fields are possible in vitro.

The principle consists in the biofunctionalization of biocompatible magnetite nanoparticles of a diameter of 200nm and their specific arrangement on substrates under the influence of external fields. The problem of endocytosis occurred in experiments, where the particle arrangement on the substrate was solely controled by an external magnetic field. Thus a stronger immobilization of the particles on the substrate is needed.

The specific and in external magnetic fields highly variable domain structure of magnetic yttrium-iron garnet films allows for appropriate particle immobilization. The immobilized particles follow the changing domains because of their magnetic interaction with the field gradients at the domain walls. This opens the possibility of in vitro structural modifications of the substrate. The particle-surface interaction is treated on a magnetostatic level theoretically.

Additional methods which enable a spatially controlable particle deposition in areas of different geometries in the range of 10µm-50µm which is comparable to the size of cells, were developed. The construction of a computer-controled climate chamber with a coil system for a magnetic environment and a video setup permits insight into the cell behavior over several days. Depending on specific structural influences, the cells show anisotropic growth. Investigations on this particular cell behavior on static as well as on dynamic substrates have been performed and analyzed with respect to controled contacting of cells. Different aspects of cell adhesion are explored for theoretically explaining the cell behavior on diverse substrate structures. Conclusions about cell-surface-interactions caused by the substrate structures are drawn.
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