22.03.2011

Gerüstbau für Zellen

Polymergerüste für kontrollierte drei-dimensionale Zellkulturen durch fotolithografisches Laserschreiben hergestellt.

Polymergerüst für kontrollierte drei-dimensionale Zellkulturen durch fotolithografisches Laserschreiben hergestellt.  

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es Forschern des DFG-Centrums für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) gelungen, Zellen auf dreidimensionalen Strukturen zu kultivieren. Den Zellen werden dabei Mikrometer kleine "Griffe" an einem Polymergerüst angeboten, an denen sie anhaften können - und zwar nur an diesen, am restlichen Gerüst finden sie keinen Halt. Dadurch wird die Zellhaftung und somit die Zellform in drei Dimensionen beeinflusst, was für den Bereich des Biomaterial-Engineerings von Bedeutung ist.

  

Das Gerüst, an dem die Zellen anheften, besteht aus einem flexiblen, proteinabweisenden Polymer mit kleinen quaderförmigen Griffen aus einem proteinbindenden Material. Hergestellt wurde das Gerüst mithilfe des am CFN von den Physikern Martin Wegener und Georg von Freymann entwickelten fotolithografischen Verfahrens des Direkten Laserschreibens (DLS). Im Mikroskop wird dabei Fotolack, der über einem computergesteuerten, piezogetriebenen Tisch in drei Ebenen bewegt wird, durch das Objektiv mit Femtosekunden-Pulsen eines fokussierten Laserstrahls belichtet. Dadurch verändert sich die Löslichkeit des Materials. Je nach Art des Fotolacks werden im Entwicklungsbad die belichteten oder die unbelichteten Regionen ausgewaschen. Dadurch lassen sich Strukturierungen von 150 Nanometer in Objekten mit einer seitlichen Ausdehnung von maximal 0,3 mm und einer Höhe von 0,08 mm realisieren.

Die mit diesem Verfahren hergestellte proteinabweisende Struktur besteht aus 25 µm hohen Pfosten, die in unterschiedlichen Höhen mit dünnen Sprossen verbunden sind. In einem zweiten Lithografie-Schritt wurden dann die Haftgriffe in der Mitte der Sprossen platziert. Mit Hilfe einer Lösung von Haftungsproteinen binden die Proteine nur an diesen kleinen Griffen. Einzelne Zellen besiedeln dann innerhalb von zwei Stunden das Gerüst und adhärieren nur an den vorgegeben Haftpunkten.

 

Abb.: Die Fotomontage einer Zelle im Zweikomponenten-Polymergerüst basiert auf einer Raster-Elektronen-Mikroskop- und einer Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahme. Grün gefärbt ist das Zytoskelett der Zelle, weiß wiedergegeben werden Teile des Zweikomponenten-Polymergerüstes, die "Zellgriffe" sind rot koloriert. (Bild: CFN)

  

Durch Variation der Gerüstform und der Haltepunkte lassen sich Parameter wie Zellform, Zellvolumen, intrazelluläre Kraftentwicklung oder zelluläre Differenzierung systematisch in Abhängigkeit von der äußeren Geometrie der Umgebung bestimmen. So lässt sich untersuchen, wie die natürliche dreidimensionale Umgebung im Gewebe das Verhalten von Zellen beeinflusst.

KIT / MH

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