Herstellung und Charakterisierung ultraweicher Elastomere für die Lebend-Zellanalyse

Abstract

Biomimetische Materialien werden in zellmechanischen Analysen verwendet, um die natürliche Umgebung einer Zelle so getreu wie möglich nachahmen zu können. Die mechanischen Eigenschaften wie die Viskoelastizität dieser Materialien ist für die biologische Prozesse von enormer Wichtigkeit, so dass diese genauestens für die Materialien ermittelt werden müssen.<br /> In Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Polydimethylsiloxan-basiertes elastisches biomimetisches Material für Lebend-Zellanalyse entwickelt. Solche Polydimethylsiloxan-Materialien werden aus linearen Polymeren durch eine Quervernetzung zu Elastomeren umgesetzt, dessen viskoelastische Eigenschaften variabel eingestellt werden können. Besonders schwierig ist die Herstellung von ultraweichen Elastomeren, deren Elastizität um 1 kPa die weichen Gewebearten, wie Gehirn- oder Brustgewebe, nachahmen können.<br /> Da bis heute noch kein definiertes Polydimethylsiloxan-System existiert, das gut charakterisiert wurde und durch welches voraussagbare mechanische Eigenschaften für die Elastomere eingestellt werden können, wurden in dieser Arbeit von Anfang an definierte Polymere zur Herstellung der Elastomere verwendet. Besondere Herausforderung war nicht nur die Entwicklung eines maßgeschneiderten PDMS-Elastomers mit wohldefinierter Elastizität, sondern dass diese Elastizität auch über einen großen Bereich - entsprechend dem biologischen Gewebe - einstellbar ist, bis in den Bereich der ultraweichen Gewebearten um 1 kPa.<br /> Durch bekannte Modelle aus der Polymernetzwerktheorie konnten Voraussagen bezüglich der elastischen Eigenschaften für die Elastomere gemacht werden, um diese in der Praxis gezielt umzusetzen. Mit Hilfe oszillatorischer Rheologie wurden die Elastomere auf dessen elastisches und viskoelastisches Verhalten in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz untersucht und auf dieser Grundlage ein maßgeschneidertes elastisches Modellsystem mit voraussagbaren Elastizitäten entwickelt.<br /> Das neue Elastomer ist das erste auf Polydimethylsiloxan basierende biomimetische Ma-terial, dessen Elastizität bis zu 1 kPa gezielt hergestellt werden kann und das trotzdem elastisch bleibt. Bei diesen ultraweichen Elastomeren konnte mittels rheologischer Untersuchungen der viskoelastische Bereich ermittelt und durch Gesetzmäßigkeiten an das Polydimethylsiloxan-System angepasst werden.<br /> Da Polydimethylsiloxan ein chemisch inertes Material ist, werden seit Jahren schonende Methoden gesucht, um die Elastomere chemisch zu aktivieren, ohne deren Elastizität zu beeinflussen. Solche Methoden wurden bis jetzt nur für recht harte quervernetzte Polydimethylsiloxan-Substrate um 1 MPa erfolgreich durchgeführt, jedoch fehlt bis heute eine zuverlässige Variante für die weichen Elastomere. Deswegen wurden in dieser Arbeit weiterhin die Polymernetzwerke modifiziert und gezielt chemisch aktive Gruppen eingeführt. Durch rheologische Untersuchungen und den qualitativen Nachweis mit der Infrarot-Spektroskopie konnte die kovalente Bindung der chemisch aktiven Gruppen an das Netzwerk nachgewiesen werden. Anschließend wurde Polyethylenglycol als erste Funktionalität an die aktivierte Oberfläche des Elastomers erfolgreich gebunden. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein neues elastisches Polydimethylsiloxan-System mit einstellbaren ultraweichen Eigenschaften und chemisch aktivierter Oberfläche entwickelt.