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Physikalisch-chemische Eigenschaften von Mikrokapseln

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Die Plasmamembranen lebender Zellen stehen im direkten Kontakt zu zweidimensionalen Netzwerken. Typische Beispiele hierfür bilden die Erythrozyten (rote Blutkörperchen), bei denen die Phospholipiddoppelschichten an ein Spektrin-Netzwerk gekoppelt sind, oder die Klebsiella-Bakterien, bei denen zwei äußere Phospholipidbilayer durch ein Murein-Netzwerk stabilisiert werden. Die Kombination eines hochelastischen Netzwerkes mit einer flüssigkeitsähnlichen Membran führt zu interessanten mechanischen Eigenschaften. Die Stabilität der Zelle wird durch diese Kopplung unterschiedlicher Eigenschaften stark erhöht; und trotzdem sind noch Deformations- und Bewegungsvorgänge möglich. Da diese Mechanismen für zahlreiche biologisch-chemische Prozesse von grundlegender Bedeutung sind, haben wir die strömungsinduzierte Deformation von Vesikeln und Mikrokapseln untersucht.

 

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                                              Scherrate =        5 s-1                                                  22 s-1                                            50 s-1

 

                                                Strömungsinduzierte Deformation von Polyamid-Mikrokapseln bei unterschiedlichen Scherraten.

 

Zweidimensionale Polymerisationen sind nicht nur auf ebene Grenzflächen beschränkt. Öltröpfchen, die in polaren Lösungsmitteln wie Wasser suspendiert sind, können durch die Verkapselung und Einhüllung in zweidimensionale Netzwerke mechanisch stabilisiert werden. Auf diese Weise lassen sich neue Emulsionsarten herstellen, die ähnliche mechanische Eigenschaften besitzen wie biologische Zellen. Mithilfe von optischen Rheometern, die in Lichtmikroskope eingebaut werden, haben wir die Fließeigenschaften derartiger Systeme detailliert untersucht. Hierbei interessiert uns besonders die Deformation und der Bruch der Kapseln im Strömungsfeld. Diese Ergebnisse zeigen, dass die vernetzten Membranen kleine Falten aufweisen, was im Einklang zu theoretischen Modellen steht.

 

 

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Entstehung von Falten im Strömungsfeld: Klicken Sie auf das Bild, um die Videodatei zu starten (19 MB)

 

In all diesen Experimenten benutzen wir die Mikrokapseln als einfache Modellsysteme zur Untersuchung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Erythrozyten. Im Vergleich zu theoretischen Modellen wurden zwei neue Effekte entdeckt, die bisher in der Literatur nicht beschrieben sind: ein strömungsinduzierter Membranfaltungsprozess und eine scherinduzierte Oszillation der Kapselform. Die Deformation und Orientierung von flüssigen Tröpfchen im Strömungsfeld lässt sich ausnutzen, um nicht-sphärische Kapseln herzustellen. Ein typisches Beispiel ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Mithilfe einer Doppelkapillare werden hier zunächst flüssige Tröpfchen erzeugt. Die innere Phase der Tröpfchen besteht aus einer wässrigen Lösung von Ca2+-Salzen, und die äußere Schicht aus Alginat-Lösungen.

 

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  Mikrokapseln, die in einer Scher- oder Dehnströmung hergestellt werden, können ungewöhnliche Formen annehmen (hier: Perlenketten).

 

 Die Calciumionen dienen als Vernetzer und sie können die Alginatketten durch Coulombsche Kräfte fixieren und in eine Gelphase überführen. Während dieser Reaktion, die ca. 5-10 Sekunden dauert, werden die Tröpfchen durch eine strömende äußere Flüssigkeit, in diesem Fall Olivenöl, stark deformiert. Durch die simultane Überlagerung einer Strömung mit einer chemischen Reaktion (Vernetzung der Alginatketten) erhält man dann perlschnurartige Strukturen von Mikrokapseln, die im Inneren flüssig sind, und deren äußere Hülle aus einem viskoelastischen Gel-Material besteht.

 

     Wenn man Mikrokapseln mit Ferrofluiden füllt, oder wenn man magnetische Nanopartikel in die Membran der Kapseln einbaut, ergeben sich Systeme, die auf magnetische Felder reagieren. Ein typisches Beispiel ist in den nächsten beiden Abbildungen gezeigt.

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Deformation von Mikrokapseln im magnetischen Feld. Die Kapseln sind mit Ferrofluiden gefüllt. Links: Ruhezustand ohne Magnetfeld, rechts: nach dem Einschalten des Magnetfelds.

 

 

 

Vesikel (Liposomen)

 

Vesikel (Liposome) stellen aus wissenschaftlicher Sicht Minimalsysteme lebender Zellen dar, und sie sind inzwischen zu einem wichtigen Hilfsmittel bei der Mimetik biologischer Membranen geworden. Sie dienen dem Studium von Permeationseigenschaften und der Stabilität von Zellen. Vesikel bilden sich durch die Wirkung von Strömungsfeldern aus lamellaren Phasen. Dieser Vorgang ist bereits in zahlreichen Publikationen untersucht worden; die Ergebnisse sind aber oftmals kontrovers oder nur auf bestimmte Systeme anwendbar.

 

    Der denkbar einfachste Fall betrifft die strömungsinduzierte Deformation eines unilamellaren, kugelförmigen Vesikels in unendlicher Verdünnung. Da es zu diesen Vorgängen bisher kaum experimentelle Daten gibt, führen wir auch Experimente zur strömungsinduzierten Deformation dieser Aggregate durch. Ein typisches Beispiel zeigt die nächste Abbildung.

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Deformation und Orientierung eines Phosphatidylcholinvesikels im Strömungsfeld bei einer Scherrate von 91 s-1.

 

Mithilfe templatgestützter, radikalischer Polymerisationen lipophiler Monomere konnten ultradünne, zweidimensionale Netzwerke auch innerhalb der Doppelschicht von Phosphatidylcholinvesikeln erzeugt werden. Die Polymerbildung führte zu einer Kontraktion der Membranfläche, so dass zur Vermeidung eines Bruchs der Membran Vesikel mit einem Flächenüberschuss eingesetzt werden mussten. Die Integrität der Doppelschicht blieb während der Polymerisation erhalten, wohingegen die elastischen Eigenschaften der Membran durch das Netzwerk signifikant beeinflusst wurden.