Dynamisch-mechanische Manipulation und Charakterisierung von Zellen mit Hilfe magnetischer Dehnung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mayr; Professorin Dr. Mareike Zink
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 201601437

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das aktuelle Forschungsvorhaben drehte sich zentral um die Idee, lebende Zellen an einen mechanischen Aktuator anzukoppeln um i) einerseits mit den Zellen mechanisch zu interagieren und ii) andererseits mögliche Veränderungen im Spannungszustand der Zellen bzw. der Zell-Aktuator-Grenzfläche zu detektieren. Während für die letztgenannte Aufgabe ein Aufbau mit Biegebalkengeometrie eingesetzt werden sollte, handelte es sich bei den Aktuatoren um (mangetische) Formgedächtniselemente, die zum Projektbeginn gerade erst verfügbar geworden waren. Neben dem Einsatz von derartigen "intelligenten Metallen", wurde im Laufe des Projekts ein neuartiger Formgedächtniseffekt in kollagenoiden Hydrogelen entdeckt, der aufgrund seiner viel höheren Dehnungen in diesem Zusammenhang vielversprechend ist. Da die Grenzflächen zwischen "Aktuator" einerseits und "lebender Materie" andererseits eine ganz zentrale Rolle einnehmen, wurde letztere mit entsprechend hohem Aufwand charakterisiert und optimiert.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Interaction of Ferromagnetic Shape Memory Alloys and RGD Peptides for Mechanical Coupling to Cells: from Ab Initio Calculations to Cell Studies. Advanced Functional Materials, 23(11), 1383-1391.
  Zink, Mareike; Szillat, Florian; Allenstein, Uta & Mayr, Stefan G.
  
• Fe–Pd based ferromagnetic shape memory actuators for medical applications: Biocompatibility, effect of surface roughness and protein coatings. Acta Biomaterialia, 9(3), 5845-5853.
  Allenstein, U.; Ma, Y.; Arabi-Hashemi, A.; Zink, M. & Mayr, S.G.
  
• Ferromagnetic shape memory alloys: Synthesis, characterisation and biocompatibility of Fe–Pd for mechanical coupling to cells. Materials Science and Technology, 30(13), 1579-1589.
  Zink, M. & Mayr, S. G.
  
• Interfacing hard and living matter: plasma-assembled proteins on inorganic functional materials for enhanced coupling to cells and tissue. J. Mater. Chem. B, 2(44), 7739-7746.
  Allenstein, U.; Szillat, F.; Weidt, A.; Zink, M. & Mayr, S. G.
  
• Contractile cell forces deform macroscopic cantilevers and quantify biomaterial performance. Soft Matter, 11(25), 5053-5059.
  Allenstein, U.; Mayr, S. G. & Zink, M.
  
• Coupling of Metals and Biominerals: Characterizing the Interface between Ferromagnetic Shape-Memory Alloys and Hydroxyapatite. ACS Applied Materials & Interfaces, 7(28), 15331-15338.
  Allenstein, Uta; Selle, Susanne; Tadsen, Meike; Patzig, Christian; Höche, Thomas; Zink, Mareike & Mayr, Stefan G.
  
• Ferromagnetic shape memory alloys: from ion-beam-assisted synthesis to plasmaaided functionalization for biomedical applications, DPG Spring Meeting, Berlin, March 2015
  A. Arabi-Hashemi; U. Allenstein; A Bischoff; I. Claussen; T. Edler; M. Fuchs; A. Landgraf; A. M. Jakob; N- John; L. Kühnemund; Y. Ma; M. Müller; F. Szillat; C. Vree; A. Weidt; M. Zink & S. G. Mayr
  
• Interfacing Living Cells and Fe-Pd Ferromagnetic Shape Memory Alloys: Experiments and Modeling on Different Functionalization Strategies, Yale School of Engineering & Applied Science, May 2015
  U. Allenstein & S. G. Mayr
  
• Intelligente Metalle und schaltbare Gummibärchen: Entwicklung neuartiger Materialien für die Medizin, MNU-Kongress Leipzig, March 2016
  M. Zink & S. G. Mayr
  
• Mechanical spectroscopy of retina explants at the protein level employing nanostructured scaffolds. Soft Matter, 12(14), 3431-3441.
  Mayazur, Rahman S.; Reichenbach, Andreas; Zink, Mareike & Mayr, Stefan G.
  
• Shock wave induced martensitic transformations and morphology changes in Fe-Pd ferromagnetic shape memory alloy thin films. Applied Physics Letters, 108(15).
  Bischoff, A. J.; Arabi-Hashemi, A.; Ehrhardt, M.; Lorenz, P.; Zimmer, K. & Mayr, S. G.
  
• Insights into Growth of Fe7Pd3 Ferromagnetic Shape Memory Alloy Thin Films. Crystal Growth & Design, 17(5), 2374-2378.
  Bischoff, A. J.; Hua, K. & Mayr, S. G.
  
• Micropatterning of reagent‐free, high energy crosslinked gelatin hydrogels for bioapplications. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 106(1), 320-330.
  Heyart, Benedikt; Weidt, Astrid; Wisotzki, Emilia I.; Zink, Mareike & Mayr, Stefan G.
  
• Programing stimuli-responsiveness of gelatin with electron beams: basic effects and development of a hydration-controlled biocompatible demonstrator. Scientific Reports, 7(1).
  Riedel, Stefanie; Heyart, Benedikt; Apel, Katharina S. & Mayr, Stefan G.
  
• Smart biomaterials and switchable systems for biomedical applications: Fundamentals, synthesis and applications, Kolloquium des SFB/TR 67, Leipzig, 2017
  S. G. Mayr
  
• Early adhesion of cells to ferromagnetic shape memory alloys functionalized with plasma assembled biomolecules – a single cell force spectroscopy study. Materials & Design, 158, 19-27.
  Cakir, Mehmet Volkan; Allenstein, Uta; Zink, Mareike & Mayr, Stefan G.
  
• Reagent-Free Programming of Shape-Memory Behavior in Gelatin by Electron Beams: Experiments and Modeling. Physical Review Applied, 9(2).
  Riedel, Stefanie & Mayr, Stefan G.
  
• Smart materials for biomedical applications: fundamental physics, synthesis, modeling and applications, Physik-Kolloquium, Universität Augsburg, Dec. 2018
  M. Deuflhard; J. Dietrich; J. Fella; S. Friebe; P. Friedrich; P. Hietschold; A. Holm; T. Isensee; U. Kapprell; J. Karoos; M. Mütze; S. Riedel; S. Schulze; F. Schütte; D. Warkotsch; A. Weidt; N. Wilharm & S. G. Mayr
  
• Intelligente biomimetische Oberflächen für medizinische Anwendungen, Vom Labor in die Praxis / Workshop, IHK Leipzig, Nov. 2019
  M. Deuflhard; J. Dietrich; S. Friebe; P. Friedrich; P. Hietschold; A. Holm; U. Kapprell; B. Klaus; M. Mütze; C. Pfeiffer; S. Riedel; F. Schütte; T. Slotosch; C. Watson; A. Weidt; N. Wilharm & S. G. Mayr
  
• Smart biomaterials and switchable systems: fundamentals, synthesis, modeling and applications, Universität Salzburg, Oct. 2019
  U. Allenstein; K. Apel; A. Arabi-Hashemi; J. Buchwald; M. Deuflhard; J. Dietrich; T. Edler; F. Engert; S. Friebe; P. Friedrich; M. Hennes; B. Heyart; P. Hietschold; A. Holm; S. Huth; A. Jakob; U. Kapprell; L. Kühnemund; B. Klaus; I. Kock; K. Krömmelbein; A. Landgraf; F. Lehnert; Y. Ma; M. Mütze; C. Pfeiffer; S. Rahman; S. Riedel; F. Schütte; T. Slotosch; C. Suckfüll; F. Szillat; M. Tadsen; C. Watson; A. Weidt; R. Werner; N. Wilharm; E. Wisotzki & S. G. Mayr
  
• Smart materials for biomedical applications: energetic-particle-assisted synthesis and functionalization, 21st international summer school on vacuum, electron and ion technologies (VEITH 2019), Sept. 2019
  M. Deuflhard; J. Dietrich; S. Friebe; P. Friedrich; P. Hietschold; A. Holm; U. Kapprell; B. Klaus; M. Mütze; C. Pfeiffer; S. Riedel; F. Schütte; T. Slotosch; C. Watson; A. Weidt; N. Wilharm & S. G. Mayr
  
• Structural properties and interface dynamics of Fe7Pd3 shape memory alloys in the martensitic phase: an ab-initio-based molecular dynamics study, Leibniz MMS Days 2019, Kühlungsborn, March 2019
  A. Holm & S. G. Mayr
  
• Energetic particle synthesized biomimetic surfaces, 7th International Plasma Science & Interfaces Workshop, Bochum, Nov. 2020
  M. Deuflhard; J. Dietrich; S. Friebe; P. Friedrich; P. Hietschold; A. Holm; U. Kapprell; B. Klaus; M. Mütze; C. Pfeiffer; S. Riedel; F. Schütte; T. Slotosch; C. Watson; A. Weidt; N. Wilharm & S. G. Mayr
  
• Ferromagnetic shape memory alloys: from ion-beam-assisted synthesis to plasma-aided functionalization for biomedical applications, Kolloquium, Universität Jena, June 2015
  A. Arabi-Hashemi; U. Allenstein; A. Bischoff; I. Claussen; T. Edler; M. Fuchs; A. Landgraf; A. M. Jakob; L. Kühnemund; Y. Ma; M. Müller; F. Szillat; C. Vree; A. Weidt; M. Zink & S. G. Mayr
  
• Oberflächen und Materialien für biomedizinische Anwendungen: Ein Überblick über Synthese und Funktionalisierung mit energetischen Partikeln, EFDS - FABM: Oberflächen und Beschichtungen in der Bio- und Medizintechnik (online), May 2020
  M. Deuflhard; J. Dietrich; S. Friebe; P. Friedrich; P. Hietschold; A. Holm; U. Kapprell; B. Klaus; M. Mütze; C. Pfeiffer; S. Riedel; F. Schütte; T. Slotosch; C. Watson; A. Weidt; N. Wilharm & S. G. Mayr
  
• Electron Beam-Treated Enzymatically Mineralized Gelatin Hydrogels for Bone Tissue Engineering. Journal of Functional Biomaterials, 12(4), 57.
  Riedel, Stefanie; Ward, Daniel; Kudláčková, Radmila; Mazur, Karolina; Bačáková, Lucie; Kerns, Jemma G.; Allinson, Sarah L.; Ashton, Lorna; Koniezcny, Robert; Mayr, Stefan G. & Douglas, Timothy E. L.
  
• Nanoporous Morphogenesis in Amorphous Carbon Layers: Experiments and Modeling on Energetic Ion Induced Self‐Organization. Advanced Theory and Simulations, 4(7).
  Hoffmann, Daniel T.; Dietrich, Johannes; Mändl, Stephan; Zink, Mareike & Mayr, Stefan G.
  
• Conductive Tracks in Carbon Implanted Titania Nanotubes: Atomic‐Scale Insights from Experimentally Based Ab Initio Molecular Dynamics Modeling. Advanced Theory and Simulations, 5(6).
  Holm, Alexander; Kupferer, Astrid; Mändl, Stephan; Lotnyk, Andriy & Mayr, Stefan G.