Optische Analyse

Die optische Analyse von und an Grenzflächen ist ein leistungsstarkes Tool zur Charakterisierung von Interaktionen zwischen biologischen Komponenten untereinander und an Materialoberflächen.

Das iba verfügt über unterschiedliche Techniken für die optische Analyse, deren Kern mikroskopische Verfahren sind. Dem Institut stehen neben der klassischen Lichtmikroskopie einige weitere hoch entwickelte Systeme zur Verfügung:

  • Hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie mittels konfokalem Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM)
  • Lichtblattmikroskopie
  • Zweiphotonenmikroskopie mit SLOT-Technik
  • Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Rasterkraftmikroskopie/Atomkraftmikroskopie (AFM) als abbildendes Verfahren auf der Basis atomarer Kräfte auf der Nanometerskala (nicht optisches Mikroskopieverfahren)

Ein Schwerpunkt der optischen Analyse ist die Untersuchung der Interaktion von eukaryotischen Zellen mit der Grenzfläche. Das Ziel ist die Bewertung der Zytokompatibilität von Materialoberflächen. Dies geschieht anhand morphologischer Eigenschaften von Zellen wie der Ausbildung des Zytoskeletts, der Zellmembranintegrität und der Fokalkontakte. Die vorhandenen Systeme erlauben eine Untersuchung bis auf ein molekulares Level und neben 2D-Aufnahmen können ebenfalls 3D-Aufnahmen innerhalb eines definierten Zeitraums angefertigt werden. Mit Hilfe von 4D-Aufnahmen (zusätzliche Zeitdimension) kann die Bewegung von Zellen – abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit – detektiert und quantitativ ausgewertet werden (Zell-Tracking).

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Mikroskopie von Biofilmen. Durch die vorhandenen Systeme ist es nicht nur möglich, die Ausbildung des Biofilms zu quantifizieren, sondern auch dessen Struktur zu untersuchen.

Abbildung 1: Bilder von eukaryotischen Zellen (a) und Mikroorganismen (c-d) auf Biomaterialien (v.l.n.r.).

Weitere optische Verfahren:

  • Weißlichtinterferometrie zur Bestimmung von Oberflächentopografien im Nanometerbereich
  • Ellipsometrie zur Bestimmung von Schichtdicken im Nanometerbereich

Beide optische Verfahren haben den Vorteil, eine relativ große Fläche im cm-Bereich untersuchen zu können. Außerdem kann die Ellipsometrie mit der akustischen Methode der Quartzkristallmikrowaage kombiniert werden. Durch die Methodenkopplung der zwei unterschiedlichen Messprinzipien können sowohl physische Änderungen (Schichtdicke, Viskoelastizität) als auch chemische (Wasser- bzw. Salzgehalt) in der Grenzschicht in Echtzeit verfolgt werden.

Spektroskopische Analyse

Mit Hilfe der IRRAS-Technik (Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie) werden dünne Schichten wie Polyelektrolytmultilayer oder Tetraetherlipide hinsichtlich der Molekülorganisation untersucht. Sie erlaubt auch die Bestimmung von Bindungsverhältnissen in der Schicht. Durch eine spezielle Probenkammer mit Temperatur- und Feuchtesteuerung können die Untersuchungen unter anwendungsrelevanten Umgebungsbedingungen in der Humanmedizin durchgeführt werden (üblicherweise 37° Celsius und 100 % Luftfeuchte).

Abbildung 2: Der Aufbau eines Ellipsometers gekoppelt mit einer Quartzkristallmikrowaage (links). Mit Hilfe des Ellipsometers ist es möglich die Topographie einer Oberfläche zu erfassen (rechts oben) und die Schichtdicke einzelner Regionen auf der Oberfläche zu bestimmen (rechts unten).