Novel Approaches For Direct Force Measurements : From Single Molecules to Giant Hydrogel Beads

Titelangaben

Helfricht, Nicolas:
Novel Approaches For Direct Force Measurements : From Single Molecules to Giant Hydrogel Beads.
Bayreuth , 2017 . - VIII, 340 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Atomic force microscopy (AFM) allows to determine interaction forces between surfaces with superior resolution. Thereby, the probe at the end of an AFM cantilever plays an important role. Using special preparation techniques, it is possible to measure the interaction forces between different building blocks of mesoscopic systems. The objective of the thesis was the development of novel AFM probes in order to broaden the spectrum of both available materials and underlying length scales. Previously established, therefore ’classical’ AFM methods were used in the first part of the thesis. Firstly, the adhesion behaviour of synthesized mussel-foot-peptides to inorganic oxide surfaces was studied by means of single molecule force spectroscopy. These measurements confirmed that the amino acid L-dopa is responsible for the outstanding adhesive properties of the selected peptides, as for natural marine mussels. Secondly, colloidal probes from silica particles were prepared to characterize spider silk protein particles. By combining direct force measurements in the sphere-sphere-geometry with electrokinetic measurements enabled the determination of a soft and porous interface of the particles. In the second part, a combination of AFM with controlled nanofluidics, often referred to as FluidFM-technology has been utilized. The pivotal elements of this method are special hollow AFM-cantilevers with an aperture allowing for a reversible immobilization of the colloidal particle by means of an applied underpressure, and thus enabling a fast exchange of the probe. Silica particles were temporarily immobilized in order to investigate oppositely charged spider silk protein particles in the sphere-sphere-geometry. These experiments were again combined with electrokinetic measurements and theoretical modelling for soft and permeable particles allowing for the improvement of the presented model. The availability of sub-μm-sized apertures allows for the first time for a controlled measurement of interaction forces with nanoparticles. In this case, silica particles have been used as a model system. The measurements were compared to μm-sized silica colloidal probes in both the sphere-sphere-geometry and the sphere-plane-geometry, respectively. Beside these force measurements, the FluidFM could be additionally used to structure soft hydrogel films. The reversible formation of electrogelated hydrogels is pH-dependent, whereby the injection of a basic solution leads to the local dissolution, representing a novel approach to structure hydrogel films. In the last part, novel types of colloidal probes were used in special interaction geometries. The colloidal probe technique is not limited to spherical particles, hence also fiber segments of various electromeltspun cyclohexanetrisamides have been immobilized onto AFM cantilevers in order to determine their surface potentials in the crossed-cylinder-geometry. Moreover, a novel method for the in situ preparation for soft hydrogel probes has been developed, which is based on techniques used in microbiology and allows for the complete manipulation in liquid. Direct force measurements revealed that the adhesion behaviour of hydrogels is quite different from the one observed for solid particles.

Abstract in weiterer Sprache

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) erlaubt das Messen von Wechselwirkungskräften zwischen Oberflächen mit hoher Auflösung. Hierbei stellt die Sonde, die sich am Ende des sogenannten Cantilevers befindet, den wichtigsten Bestandteil dar. Die Möglichkeit der individuellen Herstellung erlaubt direkt Wechselwirkungen zwischen molekularen und kolloidalen Bausteinen übergeordneter, mesoskopischer Strukturen zu messen. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuartiger kolloidaler AFM Sonden. Hierbei sollte das Spektrum an kolloidalen Sonden bezüglich verwendbarer Materialien sowie der zugrunde liegenden Längenskalen signifikant erweitert werden. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden bereits etablierte und damit ’klassische’ AFM Sonden zur direkten Kraftmessung verwendet. Zunächst wurde das Adhäsionsverhalten von synthetischen Muschel-Fuß-Peptiden auf anorganischen Oxidoberflächen mittels Einzelmolekülkraftspektroskopie untersucht. Diese Messungen bestätigten, dass die Aminosäure L-Dopa maßgeblich für die bemerkenswerten Adhäsionseigenschaften von Muschel-Fuß-Proteinen verantwortlich ist. Darüber hinaus wurden kolloidale Sonden aus Silika-Partikeln hergestellt, um die Oberflächeneigenschaften von Spinnenseidenproteinpartikeln zu charakterisieren. Eine Kombination aus direkten Kraftmessungen in der Kugel-Kugel-Geometrie mit elektrokinetischen Untersuchungen zeigte, dass die Partikeloberfläche weich und permeabel ist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Kombination aus AFM mit kontrollierter Nanofluidik, der sogenannten FluidFM-Technologie verwendet. Das zentrale Element dieser Methode sind spezielle, hohle AFM-Cantilever mit einer Öffnung. Durch Anlegen eines Unterdrucks an diesen Mikrokanal können kolloidale Partikel reversibel immobilisiert und somit schnell ausgetauscht werden. Mit Hilfe dieser Methode wurden Silika-Partikel aspiriert, um verschieden geladene Spinnenseidenproteinpartikel zu charakterisieren. Diese Kraftmessungen wurden mit elektrokinetischen Messungen sowie theoretischen Modellierungen für weiche und permeable Partikel begleitet, um das zuvor eingeführte Model zu verbessern. Cantileveröffnungen im sub-μm Bereich ermöglichen zum ersten Mal das Messen von kolloidalen Wechselwirkungen von Nanopartikeln. Hierzu wurden Silika-Partikel als Model-System gewählt. Diese Messungen wurden mit klassischen μm-großen kolloidalen Sonden sowohl in der Kugel-Kugel- als auch in der Kugel-Platten-Geometrie verglichen. Des Weiteren wurde die FluidFM-Technologie zur Strukturierung von weichen Hydrogelfilmen verwendet. Hierbei konnten elektrogelierte Filme des pH-responsiven Hydrogels durch Injektion einer basischen Lösung lokal aufgelöst werden. Somit konnte eine neuartige Methode zur subtraktiven Strukturierung von Hydrogelfilmen entwickelt werden. Im letzten Teil wurden neuartige kolloidale Sonden hergestellt, um Kräfte in speziellen Wechselwirkungsgeometrien zu messen. Neben sphärischen Partikeln konnten auch Fasersegmente von elektroschmelzgesponnenen Cyclohexantrisamiden am Cantilever immobilisiert werden, um deren Oberflächenladung in gekreuzter Zylinder-Geometrie zu ermitteln. Des Weiteren wurde eine neue Methode zur in-situ-Herstellung von kolloidalen Hydrogel-Sonden entwickelt. Diese Methode basiert auf mikrobiologischen Techniken und ermöglicht eine vollständige Herstellung der Sonden in Flüssigkeit. Direkte Kraftmessungen zeigten, dass sich das Adhäsionsverhalten signifikant von dem klassischer, harter Partikel unterscheidet.