Nanobiotechnologie (K) an der Fachhochschule Aachen | Karteikarten & Zusammenfassungen

Lernmaterialien für Nanobiotechnologie (K) an der Fachhochschule Aachen

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Definition Nanotechnologie

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  • Forschung und Entwicklung, um Prozesse und Materialien auf Nanometerskala zu verstehen und zu kontrollieren
  • Fähigkeit Strukturen, Bauelemente und Systeme zu erzeugen und zu nutzen, die aufgrund ihrer Nanodimensionen fundamental neue Eigenschaften und Funktionen besitzen
  • Fähigkeit Objekte auf Nanoebene abzubilden, zu charakterisieren, zu modellieren und zu manipulieren, um diese Eigenschaften und Funktionen zu nutzen
  • Fähigkeit diese Eigenschaften und Funktionen in nanoskopische bis makroskopische Systeme zu integrieren
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Was unterscheidet Makro von Nano?


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  • Je kleiner ein Objekt ist, umso höher ist der Anteil an energiereichen Oberflächenatomen, was die Reaktivität des Objektes erhöht
  • Beispiel: Bei fortschreitender Verkleinerung eines hypothetischen Würfels wächst der Zahlenwert des Verhältnisses von Würfeloberfläche zu Würfelvolumen stark an
  • Daher bestehen viele technische Katalysatoren aus Nanomaterialien

Weitere Faktoren:

  • Große Oberfläche/Grenzfläche: Reibung bekommt andere Bedeutung, kann sehr groß werden aber auch verschwinden
  • Viskosität: kleine Partikel sedimentieren nicht in Flüssigkeit, weil der Beitrag der Gewichtskraft (Erdanziehung↓) geringer ist als Reibung und Viskosität
  • Temperatur: Nanomaterialien nehmen sofort Umgebungstemperatur an
  • Zuverlässigkeit: Kleine Änderungen der Umgebung (Stoffmengenänderungen) haben signifikanten Einfluss auf Nanobjekte, kleine Defekte (wenige Fremdatome) verändern Eigenschaften massiv
  • Schwingung: Objekte schwingen mit höherer Frequenz aufgrund der kürzeren Länge (Beispiel: Eine Schaukel mit langem Pendel hat eine niedrigere Frequenz als eine Schaukel mit kurzem Pendel)
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Einsatzgebiete Nanobiotechnologie


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Materialwissenschaften, Informationsverarbeitung, Medizin & Biologie/Biotechnologie: 

  • Biomimetische Materialien (siehe Lotus-Effekt)
  • Selbstorganisation von DNA & Proteinen oder auch Mizellen
  • Quantenpunkte zur Zellfärbung
  • Zielgenaue Medikamenten Freisetzung im Körper
  • Zell-Chip Kopplung, um mit elektrogenen Zellen zu kommunizieren (z.B. Retina-Implantate bei extrem sehschwachen Menschen)
  • Tissue Engineering, Organ on a Chip
  • Biosensoren
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Wie werden Nanopartikel hergestellt? (Methoden nennen)

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Folgende Methoden und Unterteilungen existieren:

  1. Gasphasen-Batch Synthese von Kohlenstoffnano-Röhrchen (z.B. die BayTubes) im Industrie-Maßstab: Große Menge, niedrige Preise, ungleichmäßige Größenverteilung
  2. Nanopartikelsynthese von Metallpartikeln (bspw. Gold) im Labormaßstab
  3. Nanopartikelsynthese mit Schablonentechniken 
  4. Synthese organischer Nanopartikel – Selbstassemblierung
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Wie kann Aggregation bzw. unspezifische Bindungen verhindert werden?


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  • Bei der Herstellung von Metallpartikeln stabilisiert das Dispersionsmedium die Partikel, damit diese nicht aggregieren
  • Bei der klassischen Goldnanopartikel-Synthese wird das Produkt durch Alkanthiole stabilisiert
  • Bei der Metallpartikelsynthese mit Citrat als Reduktionsmittel stabilisiert dieses den Partikel -> dies beruht auf gegenseitiger Abstoßung der Liganden
  • Bei der Synthese organischer Partikel verhindert eine Schutzbeschichtung die Aggregation. 
    • Die Schutzschicht weist in der Regel eine niedrige Oberflächenenergie auf z.B.: Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (Teflon), Alkanthiole, Betaine, oder Ethylenglykol (PEG) 
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Wie können Nanomaterialien angeordnet werden durch Selbstorganisation? (Oberflächen)


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Zwei Wechselwirkungskomponenten dominieren die Selbstorganisation der Moleküle an Oberflächen:

  1. Bindung zur Oberfläche:
    • oft kovalent und damit sehr stark 
    • Moleküle dicht verpackt
    • Bindungsenergie: > 50 kJ/mol
  2. Wechselwirkung der Moleküle untereinander: beruht auf van der Waals-Wechselwirkung (einzeln sehr schwach)
    • gesamte Molekül interagiert mit Nachbar-Molekülen, Kräfte summieren sich auf und liefern einen nennenswerten Beitrag zur Selbstorganisation und Ausrichtung der Moleküle
    • Bindungsenergie: < 20 kJ/mol
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Wodurch wird Nanotechnologie gerechtfertigt bei Nanosystem /Integrierte Biosensoren?


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  • Reduzierung der Sensor- und Aktuatorelemente auf die Größe der Zielsysteme (Biomoleküle): Einzelmolekül-Nachweise möglich und sehr wenig Material nötig
  • Reduzierung der Rezeptor- (z.B. Antikörper) und Analytmengen und der verbundenen Kosten: Besonders gut für Patienten: Probenentnahmen verlaufen weniger invasiv und mit weniger Probe können mehr Marker getestet werden 
  • Schnellere Verfahren, da kleinere Volumina -> Transportaufwand wird gespart: Proben können mit Sensoren gemessen werden (besitzen Molekülgröße), anstatt mit großen Geräten 
  • Bessere Handhabung und Flexibilität, Handheld: Mehr Platz und einfache Handhabung erwünscht
  • point-of-care Tests und Diagnose: weniger Laborbedarf
  • Multi-Komponenten (Analyt) Detektion: Mit einem Test können mehrere Biomarker getestet werden, dies erhöht die Verlässlichkeit von Analysen, vereinfacht Diagnose.
  • Potential für in vitro und in vivo Einsatz, implantierbar: Erweitert die Behandlungsmöglichkeiten, in vivo Behandlung/Messung ist teilweise effektiver
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Top down Nanolithographie (Allgemein + Methoden)
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Top down: Nanoobjekt aus makroskopischem Material durch z.B. Abtrag herstellen

Lithographie: Der Transfer eines Musters auf ein Material oder Strukturierung eines Materials durch einen Druckprozess


Methoden:

  • Elektronstrallithographie
  • Nanoimprint-Lithographie
  • Weiche Lithographie (Mikro/Nano contact printing -> Praktikum)
  • Optische Lithographie (Photolack, Ätzen -> Biosensorik)
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Erkläre Unterschied zwischen Bottom up und Top down Prozessen


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Bottom-up:

  • Bottom up: Zusammenbau, LEGO von speziell nach allgemein
  • Einzelne Nano-Objekte zu Bauelemente zusammenfügen
  • Physikalisch-chemischen Prinzipien der molekularen/atomaren Selbstorganisation
  • Statt spezieller Struktur wird Nano-Selbstassemblierung genutzt

= im Bottom-up nutzt man bereits existierende Nanostrukturen zur Herstellung von Elektroden

 

Top-Down

  • Von allgemein nach speziell
  • Nanoobjekt aus makroskopischem Material durch z.B. Abtrag herstellen
  • Herstellungsverfahren deren Ursprung und Methodik in Mikrostrukturierung liegt wie die Lithographie
  • Lithographie: Der Transfer eines Musters auf ein Material oder Strukturierung eines Materials durch einen Druckprozess

= im Top-Down bekommt z.B. ein Silizium-Wafer eine Struktur

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Welchen Einfluss können Nanomaterialien (Partikel) auf Zellen haben und wo wird dies ausgenutzt?

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Verschiedene Partikel die für verschiedene Methoden & Anwendungsgebiete eingesetzt werden:

Elektrophysiologie: Aktivierung Ionenkanäle & Aktionspotentiale mit Goldpartikeln

Magnetische Manipulation & magnetische Pinzette: Untersuchung Zellmechanik mit Ferro-/paramagnetischen Partikeln

Rasterkraftmikroskopie, optische Pinzette: Messung Zellelastizität & Zellviskosität mit Polymerbeads

Fluoreszenzmikroskopie: mit Quantum Dots oder organische Partikel

  • Quantum Dots haben gegenüber Fluorophoren Vorteile:
    • Die größenabhängige Farbe
    • den großen Extinktionskoeffizienten 
    • die hohe Photostabilität 
    • bleichen im Gegensatz zu Fluorophoren nicht 
  • Sie werden für die stimulated emission depletion Mikroskopie verwendet: Auflösung nicht beugungsbegrenzt und nah beieinander liegende Komponenten können unterschieden werden
  • Zur Fluoreszenzmikroskopie eigenen sich auch organische Nanopartikel, da durch sie Fluorophore oder andere Moleküle besser die Zellmembran passieren
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Welche Zellmerkmale kann ich durch nanostrukturierte Oberflächen beeinflussen?

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Adhäsion: Nanooberflächen können so gestaltet werden, dass Zellen besser oder schlechter an diese adhärieren.


Zirkulation Tumorzellen: Haben ein verändertes Adhäsionsverhalten und binden besonders effektiv an Nanostrukturen. Können über nanostrukturierte Materialien abgetrennt und analysiert werden.


Plasmazellen: Sind nichtadhärent, nanostrukturierte Materialien verhindern zusätzlich Adhäsion z.B. bei Implantaten (Stands).


Drug Delivery: Durch org. Nanopartikel kann der Transport von bspw. DNA über die Membran erleichtert werden.


Elektrischer Kontakt: Nanostrukturen können in die Zelle eindringen und einen Kontakt zum Zytosol herstellen -> erhöht die Signale und erleichtert das Messen der Aktionspotentiale von elektrogenen Zellen.


Differenzierung (unterschiedlich abh. von Struktur)


Zellmuster (Zellen adhärieren Struktur-abhängig)


Detektion Zellsignale (Messung Zellkräfte durch Polymerverformung)

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Möglichkeiten der Steuerung der Zelladhäsion (Musterbildung)

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  • Wenn elektrophysiologische Signale von Zellen gemessen (abgeleitet) werden sollen, dann muss der Zellkörper auf der Sensoroberfläche sitzen
  • Bleibt ein Teil der Sensoroberfläche unbedeckt so erhöht sich das Rauschen und das Sensorsignal fällt

Topographische Kontrolle, Physikalische Barriere (50 nm – 100 µm):

  • Zellen besitzen Proteine, die empfindlich sind für gekrümmte Oberflächen 
  • an Gräben oder Kanäle adhärieren die Zellen nicht, was eine einfache physikalische Barriere darstellt

Variation der Materialhärte, Physikalische Barriere (1 µm– 10 mm):

  • Neuronen bevorzugen bspw. weiche Materialien, Osteoblasten eher harte Materialien

Biochemische Kontrolle (50 nm – 100 µm)

  • Adhäsionsliganden können lokal an Oberfläche gebunden werden, die dann die Zelladhäsion steuern. 
  • z.B. Proteine der ECM oder Rezeptoren

Kontrolle von Oberflächenladungen (10 nm – 10 mm)

  • Zellmembranen sind netto negativ geladen und werden durch positive Oberflächenladungen angezogen

Lokale Lichtstimulation (1 µm – 10 mm)

  • Lokale Erwärmung der bestrahlten Region, kann attraktiv und abweisend auf Zellen wirken, je nach Lichtintensität

Elektromagnetische Felder, Physikalische Kräfte, Nanopartikel (10µm – 10mm)

  • Zellmembranen sind netto negative geladen und werden deshalb im elektrischen Feld ausgerichtet und in der Migration wird beeinflusst
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Beispielhafte Karteikarten für deinen Nanobiotechnologie (K) Kurs an der Fachhochschule Aachen - von Kommilitonen auf StudySmarter erstellt!

Q:

Definition Nanotechnologie

A:
  • Forschung und Entwicklung, um Prozesse und Materialien auf Nanometerskala zu verstehen und zu kontrollieren
  • Fähigkeit Strukturen, Bauelemente und Systeme zu erzeugen und zu nutzen, die aufgrund ihrer Nanodimensionen fundamental neue Eigenschaften und Funktionen besitzen
  • Fähigkeit Objekte auf Nanoebene abzubilden, zu charakterisieren, zu modellieren und zu manipulieren, um diese Eigenschaften und Funktionen zu nutzen
  • Fähigkeit diese Eigenschaften und Funktionen in nanoskopische bis makroskopische Systeme zu integrieren
Q:

Was unterscheidet Makro von Nano?


A:
  • Je kleiner ein Objekt ist, umso höher ist der Anteil an energiereichen Oberflächenatomen, was die Reaktivität des Objektes erhöht
  • Beispiel: Bei fortschreitender Verkleinerung eines hypothetischen Würfels wächst der Zahlenwert des Verhältnisses von Würfeloberfläche zu Würfelvolumen stark an
  • Daher bestehen viele technische Katalysatoren aus Nanomaterialien

Weitere Faktoren:

  • Große Oberfläche/Grenzfläche: Reibung bekommt andere Bedeutung, kann sehr groß werden aber auch verschwinden
  • Viskosität: kleine Partikel sedimentieren nicht in Flüssigkeit, weil der Beitrag der Gewichtskraft (Erdanziehung↓) geringer ist als Reibung und Viskosität
  • Temperatur: Nanomaterialien nehmen sofort Umgebungstemperatur an
  • Zuverlässigkeit: Kleine Änderungen der Umgebung (Stoffmengenänderungen) haben signifikanten Einfluss auf Nanobjekte, kleine Defekte (wenige Fremdatome) verändern Eigenschaften massiv
  • Schwingung: Objekte schwingen mit höherer Frequenz aufgrund der kürzeren Länge (Beispiel: Eine Schaukel mit langem Pendel hat eine niedrigere Frequenz als eine Schaukel mit kurzem Pendel)
Q:

Einsatzgebiete Nanobiotechnologie


A:

Materialwissenschaften, Informationsverarbeitung, Medizin & Biologie/Biotechnologie: 

  • Biomimetische Materialien (siehe Lotus-Effekt)
  • Selbstorganisation von DNA & Proteinen oder auch Mizellen
  • Quantenpunkte zur Zellfärbung
  • Zielgenaue Medikamenten Freisetzung im Körper
  • Zell-Chip Kopplung, um mit elektrogenen Zellen zu kommunizieren (z.B. Retina-Implantate bei extrem sehschwachen Menschen)
  • Tissue Engineering, Organ on a Chip
  • Biosensoren
Q:

Wie werden Nanopartikel hergestellt? (Methoden nennen)

A:

Folgende Methoden und Unterteilungen existieren:

  1. Gasphasen-Batch Synthese von Kohlenstoffnano-Röhrchen (z.B. die BayTubes) im Industrie-Maßstab: Große Menge, niedrige Preise, ungleichmäßige Größenverteilung
  2. Nanopartikelsynthese von Metallpartikeln (bspw. Gold) im Labormaßstab
  3. Nanopartikelsynthese mit Schablonentechniken 
  4. Synthese organischer Nanopartikel – Selbstassemblierung
Q:

Wie kann Aggregation bzw. unspezifische Bindungen verhindert werden?


A:
  • Bei der Herstellung von Metallpartikeln stabilisiert das Dispersionsmedium die Partikel, damit diese nicht aggregieren
  • Bei der klassischen Goldnanopartikel-Synthese wird das Produkt durch Alkanthiole stabilisiert
  • Bei der Metallpartikelsynthese mit Citrat als Reduktionsmittel stabilisiert dieses den Partikel -> dies beruht auf gegenseitiger Abstoßung der Liganden
  • Bei der Synthese organischer Partikel verhindert eine Schutzbeschichtung die Aggregation. 
    • Die Schutzschicht weist in der Regel eine niedrige Oberflächenenergie auf z.B.: Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (Teflon), Alkanthiole, Betaine, oder Ethylenglykol (PEG) 
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Q:

Wie können Nanomaterialien angeordnet werden durch Selbstorganisation? (Oberflächen)


A:

Zwei Wechselwirkungskomponenten dominieren die Selbstorganisation der Moleküle an Oberflächen:

  1. Bindung zur Oberfläche:
    • oft kovalent und damit sehr stark 
    • Moleküle dicht verpackt
    • Bindungsenergie: > 50 kJ/mol
  2. Wechselwirkung der Moleküle untereinander: beruht auf van der Waals-Wechselwirkung (einzeln sehr schwach)
    • gesamte Molekül interagiert mit Nachbar-Molekülen, Kräfte summieren sich auf und liefern einen nennenswerten Beitrag zur Selbstorganisation und Ausrichtung der Moleküle
    • Bindungsenergie: < 20 kJ/mol
Q:

Wodurch wird Nanotechnologie gerechtfertigt bei Nanosystem /Integrierte Biosensoren?


A:
  • Reduzierung der Sensor- und Aktuatorelemente auf die Größe der Zielsysteme (Biomoleküle): Einzelmolekül-Nachweise möglich und sehr wenig Material nötig
  • Reduzierung der Rezeptor- (z.B. Antikörper) und Analytmengen und der verbundenen Kosten: Besonders gut für Patienten: Probenentnahmen verlaufen weniger invasiv und mit weniger Probe können mehr Marker getestet werden 
  • Schnellere Verfahren, da kleinere Volumina -> Transportaufwand wird gespart: Proben können mit Sensoren gemessen werden (besitzen Molekülgröße), anstatt mit großen Geräten 
  • Bessere Handhabung und Flexibilität, Handheld: Mehr Platz und einfache Handhabung erwünscht
  • point-of-care Tests und Diagnose: weniger Laborbedarf
  • Multi-Komponenten (Analyt) Detektion: Mit einem Test können mehrere Biomarker getestet werden, dies erhöht die Verlässlichkeit von Analysen, vereinfacht Diagnose.
  • Potential für in vitro und in vivo Einsatz, implantierbar: Erweitert die Behandlungsmöglichkeiten, in vivo Behandlung/Messung ist teilweise effektiver
Q:
Top down Nanolithographie (Allgemein + Methoden)
A:

Top down: Nanoobjekt aus makroskopischem Material durch z.B. Abtrag herstellen

Lithographie: Der Transfer eines Musters auf ein Material oder Strukturierung eines Materials durch einen Druckprozess


Methoden:

  • Elektronstrallithographie
  • Nanoimprint-Lithographie
  • Weiche Lithographie (Mikro/Nano contact printing -> Praktikum)
  • Optische Lithographie (Photolack, Ätzen -> Biosensorik)
Q:

Erkläre Unterschied zwischen Bottom up und Top down Prozessen


A:

Bottom-up:

  • Bottom up: Zusammenbau, LEGO von speziell nach allgemein
  • Einzelne Nano-Objekte zu Bauelemente zusammenfügen
  • Physikalisch-chemischen Prinzipien der molekularen/atomaren Selbstorganisation
  • Statt spezieller Struktur wird Nano-Selbstassemblierung genutzt

= im Bottom-up nutzt man bereits existierende Nanostrukturen zur Herstellung von Elektroden

 

Top-Down

  • Von allgemein nach speziell
  • Nanoobjekt aus makroskopischem Material durch z.B. Abtrag herstellen
  • Herstellungsverfahren deren Ursprung und Methodik in Mikrostrukturierung liegt wie die Lithographie
  • Lithographie: Der Transfer eines Musters auf ein Material oder Strukturierung eines Materials durch einen Druckprozess

= im Top-Down bekommt z.B. ein Silizium-Wafer eine Struktur

Q:

Welchen Einfluss können Nanomaterialien (Partikel) auf Zellen haben und wo wird dies ausgenutzt?

A:

Verschiedene Partikel die für verschiedene Methoden & Anwendungsgebiete eingesetzt werden:

Elektrophysiologie: Aktivierung Ionenkanäle & Aktionspotentiale mit Goldpartikeln

Magnetische Manipulation & magnetische Pinzette: Untersuchung Zellmechanik mit Ferro-/paramagnetischen Partikeln

Rasterkraftmikroskopie, optische Pinzette: Messung Zellelastizität & Zellviskosität mit Polymerbeads

Fluoreszenzmikroskopie: mit Quantum Dots oder organische Partikel

  • Quantum Dots haben gegenüber Fluorophoren Vorteile:
    • Die größenabhängige Farbe
    • den großen Extinktionskoeffizienten 
    • die hohe Photostabilität 
    • bleichen im Gegensatz zu Fluorophoren nicht 
  • Sie werden für die stimulated emission depletion Mikroskopie verwendet: Auflösung nicht beugungsbegrenzt und nah beieinander liegende Komponenten können unterschieden werden
  • Zur Fluoreszenzmikroskopie eigenen sich auch organische Nanopartikel, da durch sie Fluorophore oder andere Moleküle besser die Zellmembran passieren
Q:

Welche Zellmerkmale kann ich durch nanostrukturierte Oberflächen beeinflussen?

A:

Adhäsion: Nanooberflächen können so gestaltet werden, dass Zellen besser oder schlechter an diese adhärieren.


Zirkulation Tumorzellen: Haben ein verändertes Adhäsionsverhalten und binden besonders effektiv an Nanostrukturen. Können über nanostrukturierte Materialien abgetrennt und analysiert werden.


Plasmazellen: Sind nichtadhärent, nanostrukturierte Materialien verhindern zusätzlich Adhäsion z.B. bei Implantaten (Stands).


Drug Delivery: Durch org. Nanopartikel kann der Transport von bspw. DNA über die Membran erleichtert werden.


Elektrischer Kontakt: Nanostrukturen können in die Zelle eindringen und einen Kontakt zum Zytosol herstellen -> erhöht die Signale und erleichtert das Messen der Aktionspotentiale von elektrogenen Zellen.


Differenzierung (unterschiedlich abh. von Struktur)


Zellmuster (Zellen adhärieren Struktur-abhängig)


Detektion Zellsignale (Messung Zellkräfte durch Polymerverformung)

Q:

Möglichkeiten der Steuerung der Zelladhäsion (Musterbildung)

A:
  • Wenn elektrophysiologische Signale von Zellen gemessen (abgeleitet) werden sollen, dann muss der Zellkörper auf der Sensoroberfläche sitzen
  • Bleibt ein Teil der Sensoroberfläche unbedeckt so erhöht sich das Rauschen und das Sensorsignal fällt

Topographische Kontrolle, Physikalische Barriere (50 nm – 100 µm):

  • Zellen besitzen Proteine, die empfindlich sind für gekrümmte Oberflächen 
  • an Gräben oder Kanäle adhärieren die Zellen nicht, was eine einfache physikalische Barriere darstellt

Variation der Materialhärte, Physikalische Barriere (1 µm– 10 mm):

  • Neuronen bevorzugen bspw. weiche Materialien, Osteoblasten eher harte Materialien

Biochemische Kontrolle (50 nm – 100 µm)

  • Adhäsionsliganden können lokal an Oberfläche gebunden werden, die dann die Zelladhäsion steuern. 
  • z.B. Proteine der ECM oder Rezeptoren

Kontrolle von Oberflächenladungen (10 nm – 10 mm)

  • Zellmembranen sind netto negativ geladen und werden durch positive Oberflächenladungen angezogen

Lokale Lichtstimulation (1 µm – 10 mm)

  • Lokale Erwärmung der bestrahlten Region, kann attraktiv und abweisend auf Zellen wirken, je nach Lichtintensität

Elektromagnetische Felder, Physikalische Kräfte, Nanopartikel (10µm – 10mm)

  • Zellmembranen sind netto negative geladen und werden deshalb im elektrischen Feld ausgerichtet und in der Migration wird beeinflusst
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