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A central point of this thesis is the investigation of surface structure and surface forces, which are created by single layers of linear polyelectrolytes (PE). In detail, the properties of cationic poly(allylamine)hydrochloride (PAH) and poly-l-lysine (PLL) and anionic sodium poly(styrene sulfonate) (PSS) are determined, which have been physisorbed onto oppositely charged silica surfaces in presence of a predefined salt concentration IAds. For these investigations, a new averaging method for colloidal probe (CP) force profiles is developed, which leads to an ultimate force resolution of 1 pN after the data processing, (signal to noise ratio of > 1000). Furthermore, a new kind of tapping mode imaging is presented (so called colloidal probe tapping mode, CPTM), which uses a CP instead of a sharp tip and hence which allows to resolve lateral inhomogeneously distributed surface forces. The basics to understand such-like obtained tapping mode images are developed. For adsorption from salt-free solution (IAds = 0) the dominance of an electrostatic double layer repulsion is observed, which is commonly attributed to the adsorption of the PE chains into a rather flat and compact layer and which is in full agreement with theoretical predictions and enormous experimental data available in literature. However, even a small addition of salt to the deposition solution (i.e. IAds > 1 mM NaCl) introduces a new contribution to the surface force, which is attributed to PE chains that are non-flatly physisorbed. Using scaling considerations, it is shown for all investigated PE that this non-flat conformation can be described by brush-like chain adsorption (cf. Section 3.3.5); other conformations like mushroom or pancake are excluded (cf. Section 5.3). Interestingly, these non-flatly physisorbed chains combine properties of neutral and PE brushes: (i) The force is very well described by the theory of Alexander and de Gennes (AdG, cf. Section 5.4). By fitting the AdG force law to the data, it is possible to determine the (brush) thickness L of the PE layer and the average distance s between brush-like physisorbed chains. Although the chains are charged the electrostatic contribution to the surface forces is too small to be noticeable (cf. Section 5.4.2). (ii) The thickness L of this PE layer is much larger compared to the compact layer (observed for salt-free adsorption) and is also subject to a pronounced swelling and shrinking if the bulk salt concentration I is decreased or increased, respectively. Surprisingly, all measurements indicate that L follows a scaling law known for salted end-grafted PE brushes, i.e. L ~ N (I s^2)^(-1/3) (with N denoting the degree of polymerization). Furthermore, the osmotic brush phase is never observed in the experiments, but chain stretching up to 1 / 3 of the contour length is regularly achieved. CPTM imaging applied to PSS shows that the brush-like physisorbed chains are not homogenously distributed over the surface, but form brush domains which coexist with flatly physisorbed chains (cf. sections 5.5 and 5.6). This clearly shows that PSS generally physisorbs in two distinct phases, which differ in conformation (flat vs. brush) and the surface force caused (electrostatic vs. steric repulsion). The force profile of the two phase system is in good approximation simply the superposition of a steric and an electrostatic repulsion, whereby their respective contribution to the composed force profile is given by their area fraction. The quantitative analysis reveals that L and s of the brush phase are independent on IAds. This is remarkable, as a change in IAds is known to induce a continuous transition between a stretched (low IAds) and coiled chain conformation (high IAds) in the deposition solution (cf. [Fleer1993, Yashiro2002]). Hence, one can conclude that the conformation in solution does not necessarily correspond to the conformation after adsorption. It is also shown that the area fraction A of the brush domains strongly depends on N and IAds. For example, for constant N the scaling relation A ~ sqrt(IAds) is determined, which is very similar to the common observation that the surface coverage %Gamma of adsorbed PE layers increases also with %Gamma ~ sqrt(IAds) [Schmitt1996, Cosgrove1986, Ahrens2001, Yim2000, Gopinadhan2007, Cornelson2010]. This suggest that brush-like physisorbed PE chains are responsible for the increase in %Gamma. In fact, Section 5.6 shows that the mass of the brush phase is approx. 0.5 mg/m² which is comparable to the increase in %Gamma reported in literature for IAds = 1 M NaCl [Cosgrove1986, Schmitt1996, Ahrens2001]. As a change in IAds does not affect L and s, but solely the brush area fraction A, it is argued in Section 5.6 that an increase in IAds can be understood as a phase transition from the (disordered) flat phase towards the (ordered and extended) brush phase. Here, further theoretical considerations would be desirable.
Die dilatative Kardiomyopathie (DCM) ist eine Herzmuskelerkrankung, die durch eine Einschränkung der kardialen Funktion bei gleichzeitiger Erweiterung eines (zumeist des linken) oder beider Ventrikel charakterisiert ist. Der Krankheit können verschiedene Ursachen zugrunde liegen. Störungen in der humoralen Immunität, mit der Bildung von Autoantikörpern, stehen im Zusammenhang mit der Entwicklung der DCM. Es konnten bereits verschiedenste kardiale Autoantikörper im Plasma von DCM Patienten nachgewiesen werden. Diese Autoantikörper können mit ihrem Fab-Teil an das Antigen binden und gleichzeitig, so wird angenommen, mit ihrem Fc-Teil den FcγRII, dessen Expression auf Rattenkardiomyozyten gezeigt wurde, quervernetzen, wodurch es zur Induktion eines negativ inotropen Effektes kommt. In der vorliegenden Arbeit wurde die Interaktion von FcγRII-Antikörpern mit Rattenkardiomyozyten untersucht und wie sich diese auf die mechano-dynamischen Eigenschaften der Zellen auswirkt. Im ersten Schritt wurde mit Hilfe der Quarz-Kristall-Mikrowaage mit Dissipationsaufzeichnung (QCM-D) untersucht, ob anti-FcγRII-Antikörper an isolierte Kardiomyozyten von Ratten binden. Zunächst wurden Bindungsstudien mit dem zu untersuchenden anti-FcγRII-Antikörper und transfizierten humanen embryonalen Nierenzellen durchgeführt, die den FcγRII in hoher Zelldichte auf der Zelloberfläche exprimieren. Nach erfolgreicher Etablierung des Assays konnte im Anschluss gezeigt werden, dass die anti-FcγRII-Antikörper auch an Rattenkardiomyozyten binden. Dies weist darauf hin, dass Kardiomyozyten möglicherweise den FcγRII auf ihrer Zelloberfläche exprimieren, wie bereits 2007 von Staudt et al. beschrieben wurde. In einem zweiten Ansatz, wurde die Mechanodynamik (Steifheit und Schlagfrequenz) von Kardiomyozyten in Gegenwart von anti-FcγRII-Antikörpern mittels des Rasterkraftmikroskops (AFM) untersucht. Die Inkubation von Rattenkardiomyozyten mit anti-FcγRII-Antikörpern führte zu einer signifikanten Versteifung der Zellen. Zudem zeigte sich, dass die anti-FcγRII-Antikörper nach der Blockierung der spezifischen Bindung an Kardiomyozyten durch Kontroll-IgG keinen Einfluss mehr auf die Zellversteifung haben. Eine biologisch relevante Änderung in der Schlagfrequenz konnte jedoch nach Inkubation der Kardiomyozyten mit den anti-FcγRII-Antikörpern nicht nachgewiesen werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals mittels QCM-D nachgewiesen werden, dass anti-FcγRII-Antikörper möglicherweise über eigenständige Rezeptoren an Kardiomyozyten binden. Die Bindung dieser Antikörper führt zu einer Zunahme der Zellsteifigkeit isolierter Kardiomyozyten. Dieser Befund könnte auf einen neuen pathophysiologisch relevanten Wirkungsmechanismus kardialer Autoantikörper hinweisen, der für die Pathogenese der DCM von Bedeutung ist.