Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4404
Main Title: Controlled migration of cells on mechanically, physically and chemically patterned biomaterials
Translated Title: Kontrollierte Zellwanderung auf mechanisch, physisch und chemisch gemusterten Biomaterialien
Author(s): Vicente Lucas, Gonzalo de
Advisor(s): Lensen, Marga C.
Referee(s): Stark, Holger
Lensen, Marga C.
Eisenbarth, Eva M.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Das Hauptziel dieser Promotionsarbeit ist die Kontrolle des Wanderungsverhaltens von Fibroblasten durch die Modifizierung der Musterabmaße von einzelnen externen Auslösern. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Zellwanderung auf drei verschiedenen Substraten untersucht: Topographisch, elastisch und chemisch gemusterte Hydrogele. Um die Zellwanderungsspuren zu untersuchen, wurde ein eigenes analytisches Werkzeug entwickeln (CellMAT). CellMAT enthält die wichtigsten Zellwanderungsparameter und kann große Datenmengen verarbeiten, Zeit einsparen und vereinfacht die Auswertung der Wanderungsspuren. Wanderungsuntersuchungen von Fibroblasten auf topographischen, elastischen und chemische Mustern zeigten, dass die Zellen parallel zum Muster auf engen Linien (< 20 μm) wanderten, während die Orientierungslosigkeit mit der Breite der Linien anstieg, als ob sie auf einer flachen Oberfläche wären. Elastische Muster wurden mit der Fill-Molding-In-Capillaries (FIMIC) Methode vorbereitet. Diese Soft-lithographische Methode ermöglicht die Herstellung von eindeutig definierten binären elastischen Mustern, dank der Füllung von einem polymerische Mold durch ein anderes Polymer (Filler) mit verschiedenem Vernetzungsgrad. Die rasterkraftmikroskopische (AFM) Analyse der Oberflächeneigenschaften zeigte, dass konkaven/konvexen Topographien grundlegende elastische Signale maskieren können. Um eine ganz flache Oberfläche herzustellen, wurden drei Methoden untersucht: Spin-coating, Razor-blading und Sandwich Methode. Die Sandwich Methode stellte erfolgreiche Substrate mit eingebettetem elastischem Muster her (durch AFM bestätigt). Die adhäsiven Eigenschaften und die Zytotoxizität von Hydrogel Komposite aus Goldnanopartikeln und PEG (PEG-AuNP) wurden getestet. Mehrere Methoden wurden getestet, um wohldefinierte Linien aus Goldnanopartikeln auf PEG Hintergründen zu untersuchen: Anwendung der FIMIC-Methode mit Komposite PEG-AuNP als Filler, FIMIC-transferring und Pattern-transferring. Von diesen Ansätzen war der letzte der Vielversprechendste. Komposite Materialen aus Mikrokapseln und PEG (PEG-μCap) wurden auch als Filler für die FIMIC Methode benutzt. Konfokal Mikroskopie zeigte, dass die Kapseln innerhalb des Volumens der gefüllten Kanäle verteilt wurden. AFM Analyse zeigte, dass die Oberflächeneigenschaften durch nah zur Oberfläche liegende Kapseln tatsächlich modifiziert werden können. Unerwarteter Weise waren nur wenige Kapseln nah genug an der Oberfläche, um die Zelladhäsion zu beeinflussen.
The main goal of this thesis is the control of the migratory behavior of fibroblasts by modifying the pattern dimensions of single external triggers. To accomplish this goal, migration on three types of substrates was investigated; topographically, elastically and chemically patterned hydrogels. In order to analyze cell migration tracks, our own processing tool (CellMAT) was programmed. CellMAT incorporated the main parameters used to describe cell migration and was able to process large amounts of data, saving calculation time and simplifying the interpretation of the migration tracks. Fibroblast migration investigated on topographically, elastically and chemically substrates showed that cells migrated parallel to the pattern on narrow grooves/stripes (< 20 µm) while the degree of randomness increased with the width of the lines, as if they were on a flat surface. Mechanical patterns were prepared using the Fill Molding In Capillaries (FIMIC) method. This soft lithographic technique permits well defined binary patterns of elasticity to be created by filling a polymeric mold with a filler polymer with a different degree of cross linking. Atomic force microscopy (AFM) analysis of the surface revealed that concave/convex topographies can overrule underlying mechanical signals. In an attempt to generate substrates completely free of topographic features, but with a mechanical pattern, three approaches were investigated: spin coating, razor blading and sandwich method. The sandwich method successfully generated substrates with an embedded pattern of elasticity (seen via AFM). The adhesive properties and cytotoxicity of composite materials prepared with gold nanoparticles immobilized on PEG hydrogels (PEG AuNP) were tested. Several methods for patterning well defined lines of gold nanoparticles on a PEG background were investigated: FIMIC method using the composite PEG AuNP as filler, FIMIC transferring and Pattern transferring. Of these approaches, the last was the most promising. A composite of microcapsules and PEG (PEG µCap) was also used as filler for the FIMIC method. Confocal fluorescence imaging showed that the capsules were distributed inside the volume of the filled channels. AFM analysis showed that the properties of the surface can be effectively modified by the presence of capsules close to the surface. Unexpectedly, only a low fraction of the capsules were located close to the surface for interaction with cells.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-64976
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4701
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4404
Exam Date: 26-Mar-2015
Issue Date: 16-Apr-2015
Date Available: 16-Apr-2015
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Zellwanderung
Elasticität
Topographie
Cell migration
elasticity
topography
micro patterning
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