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Stabilität und laterale Mobilität von porenüberspannenden Membranen auf porösen Siliziumsubstraten

dc.contributor.advisorSchmidt, Christoph F. Prof. Dr.de
dc.contributor.authorWeiskopf, Danielade
dc.date.accessioned2010-04-19T15:31:19Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:30:16Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:56Zde
dc.date.issued2010-04-19de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B4BB-6de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2627
dc.description.abstractDas Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Langzeitstabilität und lateralen Beweglichkeit von mikro-BLMs (black lipid membranes) mit Hilfe der Impedanzspektroskopie und Fluoreszenzmikroskopie. Mikro-BLMs sind ein neuartiges Hybridsystem auf Basis von porösem Silizium, das die Vorteile von festkörperunterstützten und freistehenden Lipiddoppelschichten vereint. Es konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass mikro-BLMs unabhängig voneinander reißen, was sich in einem diskreten Abfall des Membranwiderstandes in der Impedanzspektroskopie äußert. Zur Bestimmung der lateralen Mobilität der Lipide in den porenüberspannenden Membranen wurden fluorescence recovery after photobleaching (FRAP)-Messungen durchgeführt. Es zeigte sich, dass Lösungsmittelreste in den porenüberspannenden Membranen, die über die Painting-Technik hergestellt wurden, einen großen Beitrag zur Fluidität des Systems leisten. Der Diffusionskoeffizient von lösungsmittelhaltigen mikro-BLMs aus 1,2-Diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DPhPC) kann mit (9 ± 5) µm2 s-1 und mit einem immobilen Anteil von (24 ± 5) % angegeben werden. Im Gegensatz dazu weisen mikro-BLMs, die über das Spreiten von giant unilamellar vesicles (GUV) hergestellt wurden, einen um den Faktor 2 kleineren Diffusionskoeffizient bei gleicher Porengröße des Siliziumsubstrats und gleicher Funktionalisierung der Stegbereiche mit 1,2-Dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol (DPPTE) auf. Diffusionsmessungen der oberen Lipidmonoschicht ergaben, dass nur die obere Monoschicht zum gemessenen Diffusionskoeffizienten beiträgt. Zusätzlich ergaben Finite-Elemente-Simulationen, dass der gemessene Diffusionskoeffizient sich aus zwei Anteilen zusammensetzt, zum einen die freie Diffusion der Lipide in den porenüberspannenden Bereichen und zum anderen die langsamere Diffusion der Phospholipide auf den Stegen. Bei den lösungsmittelfreien porenüberspannenden Membranen wurde ein Vergleich zwischen dem Thiolipid DPPTE und dem Spacerlipid Cholesterylpolyethylenoxythiol (CPEO3) durchgeführt. Der Diffusionskoeffizient dieser mikro-BLMs war im Vergleich zu den lösungsmittelfreien auf DPPTE funktionalisierten Substraten um einen Faktor 1,8 größer und der immobile Anteil war um den Faktor 2 bei den CPEO3 funktionalisierten Substraten geringer. Dies lässt sich auf die geringere Oberflächenbedeckung des CPEO3 zurückführen, die im Gegensatz zur DPPTE-Funktionalisierung genügend Zwischenräume für die Bildung einer beweglichen unteren Lipidmonoschicht bietet, so dass die Mobilität des Membransystems erhöht wird. Durch das Einbringen von Diacetylenlipiden (23:2 PC Diyen) in die Membran und deren Polymerisation durch Bestrahlung mit UV-Licht konnte gezeigt werden, dass die laterale Mobilität der Membranlipide verringert wird. Insgesamt zeigen die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, den Einfluss der Randbedingungen (Porengröße, Oberflächenfunktionalisierung) auf die laterale Mobilität und die Langzeitstabilität der porenüberspannenden Membranmatrix. Es konnte gezeigt werden, dass die mikro-BLMs ein geeignetes Modellsystem für biologische Membranen darstellen.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleStabilität und laterale Mobilität von porenüberspannenden Membranen auf porösen Siliziumsubstratende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedStability and lateral mobility of pore-suspending membranes on porous silicon substratesde
dc.contributor.refereeSteinem, Claudia Prof. Dr.de
dc.date.examination2009-04-30de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengThe aim of this study was to investigate the long term stability and lateral mobility of micro-BLMs (black lipid membrane) by means of impedance spectroscopy and fluorescence microscopy. Micro-BLMs are a novel hybrid system based on porous silicon that combines the advantages of solid supported membranes and freestanding lipid bilayers. By means of fluorescence microscopy and impedance spectroscopy, it was shown that micro-BLMs rupture independently from each other, resulting in a continuous decrease in membrane resistance. To determine the lateral mobility of the lipids in micro-BLMs, fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) was used. The diffusion coefficient of micro-BLMs, composed of a submonolayer of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol (DPPTE), on which 1,2-diphytanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPhPC) was painted, was determined to be (9 ± 5) µm2 s-1 with an immobile fraction of (24 ± 5) %. Small amounts of solvent remain in the micro-BLMs, which contributes to the fluidity of the membrane system. This was deduced from the fact that pore suspending membranes prepared by spreading of giant unilamellar vesicles on porous silicon with the same pore diameter and also functionalized with DPPTE exhibit a diffusion coefficient that is by a factor of two smaller compared to the solvent-containing micro-BLMs. Diffusion measurements of the upper lipid monolayer demonstrated that only this monolayer contributes significantly to the lateral mobility. Finite-element-simualtions elucidated that the measured diffusion coefficient is the sum of two individual diffusion constants, one that can be attribed to the free diffusion of the lipids in the pore suspending membrane area, while the other one is due to diffusion of the phospholipids on the pore rims. The lateral diffusion of lipids in solvent free micro-BLMs prepared on the one hand on DPPTE and on the other hand on the spacer lipid (cholesterylpolyethylenoxy)thiol (CPEO3) was compared. Compared to solvent-free micro-BLMs prepared on DPPTE functionalized substrates, the diffusion coefficient on CPEO3 functionalized substrates was by a factor of 1.8 larger, while the immobile fraction was by a factor 2 lower. This is caused by a lower surface coverage of CPEO3, which provides free space for the formation of mobile non immobilized lipid areas in the bottom lipid monolayer leading to an increased mobility of the lipids. The insertion of diacetylene lipids (23:2 PC diyene) in the membrane and its polymerization by irradiation with UV-light resulted in a reduction of the lateral mobility of the membrane lipids. In summary, the results demonstrate the strong influence of the boundary conditions (pore size, surface functionalization) on the lateral mobility of the lipids and the long term stability of the pore suspending membrane. It has been proven that micro-BLMs can serve as an adequate model system for biological membranes.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerLipidmembranende
dc.subject.gerporöse Substratede
dc.subject.gerGUVde
dc.subject.gerartifizielle Membranende
dc.subject.gerDiffusionde
dc.subject.gerStabilität von porenüberspannenden Membranende
dc.subject.gerFRAPde
dc.subject.gerFluoreszenzmikroskopiede
dc.subject.gerImpedanzspektrokopiede
dc.subject.gerPhotopolymerizationde
dc.subject.englipid bilayersde
dc.subject.engporous substratesde
dc.subject.engGUVde
dc.subject.engartificial membranesde
dc.subject.engdiffusionde
dc.subject.engstability of pore-suspending membranesde
dc.subject.engFRAPde
dc.subject.engfluoresence microscopyde
dc.subject.engimpedance spectroscopyde
dc.subject.engphotopolymerizationde
dc.subject.bk42.12de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2433-9de
dc.identifier.purlwebdoc-2433de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullSLA 500: Physik und Chemie dünner Schichtende
dc.identifier.ppn627601162de


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