Biomimetische Grenzflächen mittels hierarchisch strukturierter Systeme zur molekularen Erkennung

Abstract

So genannte biomimetische Grenzflächen wurden mit Hilfe synthetischer und biologischer Materialien als hierarchisch strukturierte Multischichtsysteme aufgebaut, chemisch und strukturell analysiert und für molekulare Erkennungsreaktionen eingesetzt. Als funktionelle Schichten an der Festkörperoberfläche ahmen die synthetischen Konstrukte das biologisch zentrale Prinzip der molekularen Erkennung an der Fest/Flüssig-Grenzfläche nach. Über drei unterschiedliche Wege wurden biologische Makromoleküle mit spezifischen Bindestellen chemisch kontrolliert an ultradünn organisch beschichteten anorganischen oder polymeren Festkörperoberflächen verankert. Alternativ dazu wurden synthetische Bindestellen während der Synthese polymerer Festkörper durch molekulares Prägen induziert. Die so erzeugten Funktionsmaterialien wurden entweder unmittelbar in bioanalytischen Verfahren eingesetzt oder zunächst zu mesoskopischen Strukturen weiterverarbeitet und dann als bioanalytische Funktionselemente verwendet. Die zur Oberflächenfunktionalisierung eingesetzten Moleküle, der Verlauf der Oberflächenreaktionen sowie die molekülspezifischen Bindeereignisse an den Oberflächen wurden mit Hilfe von auf die jeweiligen Materialien spezifisch angepassten Untersuchungsmethoden charakterisiert. Zur Analyse der chemischen Zusammensetzung und Struktur der Einzelmoleküle sowie deren Eigenschaften wurden Experimente mit Hilfe von FT-IR-Spektroskopie, 1H- und 13C-NMR-Spektroskopie, Isotherme Titrationsmikrokalorimetrie (ITC), Verbrennungselementaranalyse (EA), MALDI-TOF-MS, Wilhelmy-Waage-Grenzflächenspannungsmessungen und der Langmuir-Blodgett-Filmwaage durchgeführt. Die Kolloide wurden mit Hilfe von Dynamischer Lichtstreuung (DLS), Zetapotenzialmessungen, ITC, Partikelladungstitrationsmessungen (PCD), Rasterkraftmikroskopie (AFM), Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie (REM/TEM), konfokaler Fluoreszenzmikroskopie, 1H- und 13C-NMR, EA und MALDI-TOF-MS untersucht. Zur Charakterisierung der planaren Oberflächen wurden Untersuchungen mittels Null-Ellipsometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Kontaktwinkelmessungen, Optische Wellenleiterspektroskopie sowie AFM, REM, Licht- und Fluoreszenzmikroskopie durchgeführt. Durch den Einsatz dieses reichen Methodenspektrums konnten weitreichende Einsichten in Entstehung, Struktur und biomimetische Funktion der beschriebenen hierarchisch aufgebauten Materialien gewonnen werden. Die Molekül-spezifisch bindenden Oberflächen wurden nach zwei grundsätzlich verschiedenen Prinzipien aufgebaut: Entweder wurden durch chemische Prozesse an der Oberfläche reaktive Gruppen kontrolliert verankert, die mit Hilfe einer weiteren Reaktion biologische Rezeptormoleküle unter Erhalt deren biologischer Aktivität an der Oberfläche immobilisieren. Oder es wurden während der Entstehung der Festkörperoberfläche synthetische Erkennungsstellen für biologische Ligandenmoleküle durch eine Templatpolymerisation dargestellt. Diese chemischen Reaktionen zur Ausstattung der Oberflächen für die molekulare Erkennung fanden an sphärischen Kolloiden oder makroskopisch ausgedehnten planaren Trägern statt. Weiterhin wurden die mit molekularer Erkennungsfunktion ausgestatteten Kolloide zu Schichten an planaren Trägern abgeschieden. Dabei wurden diese Schichten mikrostrukturiert, so dass lateral aufgelöste Mikrostrukturen mit multifunktionaler Oberfläche entstanden. Die Kolloid-Multischichtsysteme wurden als Funktionselemente in bioanalytischen Verfahren zur spezifischen Molekülbindung eingesetzt. Kompositmembranen mit molekular erkennenden Kolloiden als Selektoren wurden zur spezifischen Festphasenextraktion in Membranverfahren eingesetzt. Die hier präsentierte Forschung an den dargestellten neuartigen nanoskopisch strukturierten Systemen führt zu einem weitreichenden Erkenntnisgewinn über die Struktur-Funktionsbeziehungen chemischer Systeme mit molekularer Erkennungsfunktion. Die vorliegende Arbeit leistet damit einen wesentlichen Beitrag zum weitergehenden Verständnis chemischer Funktionsmaterialien und erlaubt eine Erweiterung der Methoden zur Oberflächen-gestützten Analyse von Proben biologischen Ursprungs.

So called Biomimetic Interfaces are built by hierarchically structured multilayer systems consisting of synthetic and biological building blocks. They are analysed in their chemistry and structure and used for molecular recognition reactions. Thus, synthetic constructs consisting of functional layers at solid surfaces mimick the central biological principle of molecular recognition at the solid-liquid interface.