Mikromechanische Eigenschaften dünner Polymerfilme und lebender Zellen

In der Zellbiologie leisten Elastizitatsmessungen auf der Submikrometerskala an lebenden Zellen wichtige Beitrage zur Aufklarung von Fragen der Zellmechanik. Vor diesem Hintergrund wurde in dieser Arbeit die Methode der Elastizitatsmessung mit dem Rasterkraftmikroskop (AFM) erweitert, um quantitative Elastizitatsuntersuchungen auch an auserst weichen dunnen Proben durchfuhren zu konnen. Die diskutierten Proben sind dabei mit einem Elastizitatsmodul von einigen Kilopascal extrem weich und haben gleichzeitig eine Dicke von lediglich einigen 100 Nanometern. Bisherige Analysemethoden der Elastizitatsmessungen basierten meist auf dem sogenannten Hertzmodell: einem theoretischen Modell, das zum einen nur die Eindruckung in auserst dicke Proben beschreibt und zum anderen lediglich von der AFM-Spitze abweichende Stempelgeometrien beinhaltet. Mit dem Hertzmodell berechnete Elastizitatswerte musten daher stets als Naherung verstanden werden. Fur die Analyse elastischer Eigenschaften mit dem AFM ist die genaue Kenntnis der mechanischen Wechselwirkung zwischen AFM-Spitze und Probe von zentraler Bedeutung. Diese wurde mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht, indem die vollkommen elastische Eindruckung der AFM-Spitze in gummielastische Proben simuliert wurde. Hierbei wurde insbesondere der Einflus der Probendicke und der Geometrie des eindruckenden Stempels auf das Kraft-Eindruckungsverhalten charakterisiert. Mit Hilfe der FEM konnte gezeigt werden, das im Falle dunner Proben zwei unterschiedliche Ursachen bei der Analyse der Elastizitatsmessungen durch das Hertzmodell, zu einem systematischen Uberschatzen des berechneten Elastizitatsmoduls fuhren: Einerseits die vom Hertzmodell abweichende Geometrie der AFM-Spitze und andererseits die geringe Probendicke. Letzteres fuhrt zur Detektion des harten Substrates im Kraft-Eindruckungsprozes. Erst bei einer Probendicke von uber 1,5 µm fuhrt das Hertzmodell bei den untersuchten weichen Proben und Auflagekraften von unter 1 nN nur noch zu geringen Abweichungen in der Elastizitatsanalyse. Dagegen ist mit dem Hertzmodell eine exakte Bestimmung der Topographie selbst extrem weicher Proben mit geringer Dicke moglich. Dazu wird der Kontaktpunkt im Kraft- Eindruckungsprozes mittels Hertzmodell berechnet. Die Hohe der Probe wird dabei geringfugig unterschatzt, die Abweichung bewegt sich in der Grosenordnung des Radius der AFM-Spitze. Zur Verbesserung der Elastizitatsanalyse wurde mit Hilfe simulierter Kraft-Eindruckungskurven eine parametrische Erweiterung des Hertzmodells entwickelt, welche sowohl die Geometrie der AFM-Spitze als auch die Dicke der Proben berucksichtigt. Das Parametrische Modell wurde fur Probendicken unter 1 µm optimiert. Es ermoglicht nun die Bestimmung des Elastizitatsmoduls unabhangig von der Dicke der Probe, wodurch die Methode der Elastizitatsmessung mittels AFM deutlich verbessert werden konnte. Im Falle von homogenen Materialien ermoglicht das Parametrische Modell eine exakte Bestimmung der Dicke und des Elastizitatsmoduls der Probe. Auserdem sind mit Hilfe des Parametrischen Modells feinste Inhomogenitaten der Probe detektierbar. So ist es gelungen in Gelatinekeilen von lediglich einigen 100 nm Dicke noch tiefenabhangige Elastizitatsveranderungen aufzuspuren. Die parallele Anwendung des Hertzmodells und des Parametrischen Modells erlaubt nun auch bei inhomogenen Materialien sowohl eine exakte Bestimmung von Topographie als auch der Elastizitat weicher Oberflachenschichten. Als Anwendungsbeispiel von Zellelastizitatsmessungen wurde das Adhasionsverhaltens von Osteoblasten auf verschiedenen Substratmaterialien charakterisiert. Das Adhasionsverhalten einzelner Zellen auf den verschiedenen Substraten wurde dabei aus den resultierenden Unterschieden in Elastizitat und Morphologie der Zellen beurteilt. Diese Methode ermoglicht einen neuen Zugang zur Untersuchung der Biokompatibilitat der Substratmaterialien auf zellularer Ebene in vitro. An aktiven Herzmuskelzellen wurde das AFM zur Detektion der mechanischen Kontraktion der Zellen verwendet. In einem konfluenten Rasen synchronisiert pulsierender Zellen konnte die Veranderung der Pulsamplitude mit der lateralen Verschiebung von Kontraktionszentren korreliert werden. In den Kontraktionszentren erfolgt dabei ein Anheben (positive Amplitude) in den passiven Zwischenbereichen dagegen ein Absenken der Zelloberflache (negative Amplitude). An aktiven Einzelzellen ist es erstmalig gelungen die Kontraktion als Funktion des Ortes zu messen. Als Parameter mit der geringsten Schwankung und damit moglicherweise als charakteristisch fur die individuelle Zelle haben sich die Halbwertsbreite und Anstiegszeit der Pulse erwiesen. Durch Variationen der Auflagekraft konnten Einzelzellen gezielt belastet und deren Leistungsvermogen abgeschatzt werden. Die Zellen konnten dabei Krafte bis zu 300 nN anheben und erreichten eine Mindestleistung von bis zu 0,5 pW.