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Poly(ethyleneglycol) Micropillar arrays as force sensors for biophysical applications


Rahmouni,  Sabri
Cellular Biophysics, Max Planck Institute for Medical Research, Max Planck Society;
Biophysical Chemistry, Institute of Physical Chemistry, University of Heidelberg, 69120 Heidelberg, Germany;

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Rahmouni, S. (2013). Poly(ethyleneglycol) Micropillar arrays as force sensors for biophysical applications. PhD Thesis, Universität Heidelberg, Heidelberg. Retrieved from http://www.ub.uni-heidelberg.de/archiv/15457.

Cite as: https://hdl.handle.net/11858/00-001M-0000-0014-C608-1
Forces play a crucial role in the regulation and function of biological processes. One of the most commonly used tools for measuring forces are elastic micropillars made of poly(dimethylsiloxane). By using poly(ethylene glycol) (PEG) micropillars, several new ex- perimental approaches could be developed. The aim of this thesis was the enhancement and the experimental application of these PEG micropillars. Not only the achievable geometries, but also the functionalization potential was significantly enhanced. For this, the PEG micropillar fabrication was combined with the transfer of hexagonal gold nanoparticle structures to PEG hydrogels. As a result, PEG micropillars exhibiting gold nanoparticle structures on their tops were obtained. These gold nanoparticles can serve as anchor points for a variety of proteins or other biologically active compounds. To study integrin dependent cell adhesion they were func- tionalized with αvβ3- or α5β1-integrin selective peptidomimetics. Cell experiments showed that fibroblasts exerted higher maximum forces on the α5β1-integrin selective ligand than cells on the αvβ3-integrin ligand. These observations were supported by higher local zyxin densities in adhesion clusters and the analysis of further proteins involved in the adhesion process. Further- more, the achievable PEG pillar force resolution of 9 ± 2 pN was demonstrated by investigating the contractile forces of in vitro actin networks bundled by magnesium ions.
Kräfte spielen eine der zentralen Rollen bei der Regulierung und Funktion von biologischen Prozessen. Ein weit verbreitetes Hilfsmittel zur Messung von Kräften sind elastische Mikro- säulen aus Poly(dimethylsiloxan). Durch die Verwendung von Poly(ethylen glycol) (PEG) Mikrosäulen wurden diverse neue experimentelle Möglichkeiten entwickelt. Ziel der vorliegen- den Arbeit war die Weiterentwicklung und der experimentelle Einsatz solcher PEG-Mikrosäulen. Dabei wurden nicht nur die erreichbaren Geometrien verbessert sondern vor allem die Funktion- alisierungsmöglichkeiten beträchtlich erweitert. Hierzu wurde die PEG-Mikrosäulenherstellung mit dem Transfer von hexagonalen Goldnanopartikelstrukturen auf PEG-Hydrogele kombiniert. Das Resultat waren PEG-Mikrosäulen mit Goldnanopartikelstrukturen auf der Oberseite. Diese Goldnanopartikel können als Ankerpunkte für eine Vielzahl von Proteinen oder anderen biolo- gisch aktiven Substanzen fungieren. Um das integrinabhängige zelluläre Adhäsionsverhalten zu untersuchen, wurden PEG-Mikrosäulen mit αvβ3- oder α5β1-Integrin selektiven Peptidmimetica funktionalisiert. Zellexperimente zeigten, dass Fibroblasten auf den α5β1-Integrin selektiven Liganden höhere maximale Kräfte auf die Säulen ausüben können als Zellen auf der αvβ3- Integrin Variante. Diese Beobachtungen konnten durch lokal erhöhte Zyxin-Konzentrationen und Untersuchungen von weiteren Proteinen, die im Adhäsionsprozess involviert sind, unter- stützt werden. Des Weiteren wurden die Kräfte von in vitro Aktinnetzwerken untersucht, welche durch Magnesiumionen zur Kontraktion gebracht wurden. Damit konnte die erreichbare Kraftauflösung von 9 ± 2 pN gezeigt werden.