Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop
Final Report Abstract
Das beantragte Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-SEM) wurde am Elektronenmikroskopischen Zentrum (EMZ) der Universitätsmedizin Rostock eingesetzt. Als „Core facility“ hat das EMZ mit den übrigen Antragstellern aus der Universitätsmedizin und der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock zusammengearbeitet und auch zusätzlich Projekte anderer Arbeitsgruppen begleitet. Diese Untersuchungen, von denen viele auch im Rahmen von Masterarbeiten und Promotionen durchgeführt wurden, lassen sich in drei große Teilbereiche gliedern: A. Biologische Materialien - Morphologie. Die Reaktion von kultivierten oder isolierten Zellen auf verschiedene Medienbedingungen äußert sich häufig in sehr feinen morphologischen Veränderungen, die im FE-SEM besonders gut erfasst und quantifiziert werden können. Dies betrifft beispielweise die Veränderungen der Mikrovillistruktur von Hepatozyten nach Plasmabehandlung des Mediums. In Verbindung mit Immunogoldmarkierungen von Zelloberflächenantigenen können solche Ereignisse noch besser sichtbar gemacht werden. Zum Beispiel konnte so neben Veränderung der Morphologie von Blutplättchen nach ihrer Aktivierung auch die damit einhergehende Verlagerung von P-Selektin auf die Zelloberfläche quantifiziert werden und damit unter anderem die anti-thrombotische Wirkung eines H2S-Donors nachgewiesen werden. Im größeren, organismischen Maßstab haben Oberflächenuntersuchungen mit dem beantragten Gerät dazu beigetragen, Artmerkmale auf ultrastrukturellem Niveau zu erfassen oder neu zu beschreiben. Dies wurde beispielsweise in Projekten zur Morphologie und Verbreitung von Kieselalgen (Diatomeen) und Armleuchteralgen (Charaphyceae), sowie bei Borstenwürmern (Polychaeten) und verschiedenen Arthropoden, z.B. Krebsen (Crustaceae) und Spinnentieren (Arachnida) durchgeführt. Auch für phänotypische Vergleiche zwischen Wildtyp und Genverlustmutanten (knock-out-Mutationen) konnte das beantragte Rasterelektronenmikroskop in mehreren Fällen sehr erfolgreich eingesetzt werden, sowohl für die Charakterisierung bakterieller Defektmutanten, als auch beispielsweise, um die Funktion eines neuen, beim Menschen krankheitsrelevanten Gens zur Zilienbildung in einem Mausmodell aufzuklären. B. Zell-Materialinteraktionen. Für die Charakterisierung von Bio- und Implantatmaterialien wurden vielfach Untersuchungen zur Biokompatibilität, insbesondere hinsichtlich der Adhäsion von Zellen und Mikroorganismen auf den Oberflächen, im FE-SEM durchgeführt. So wurden die Effekte von Oberflächenbeschichtungen auf das Zell- und Bakterienwachstum analysiert und die Reaktion von Zellen auf unterschiedlich vorbehandelten metallischen oder keramischen Substraten getestet. In einem Beispiel wurde die Wiederbesiedlung mit Knorpelzellen und Stammzellen auf zuvor devitalisierten Knorpelstrukturen untersucht. Im Rahmen solcher Analysen ist das grundlegende Verständnis der Zelladhäsion auf einer mikro- oder nanostrukturierten Oberfläche von besonderem Interesse, beispielsweise die Interaktion des Zytoskeletts und der Zellfunktionen mit einer definierten Oberflächenstruktur; unter anderem zeigten sich charakteristische Veränderungen im Phagozytoseverhalten von Osteoblasten auf topographisch anspruchsvollen Oberflächen. Da für solche Oberflächenuntersuchungen die Kombination von Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopie besonders interessant ist, wurde ein Protokoll für korrelative Mikroskopie, d.h. eine sequentielle Kombination beider Mikroskopie-Techniken am selben Präparat entwickelt. C. Materialanalysen. Es wurden Nanomaterialien und Materialoberflächen aus unterschiedlichen Fachdisziplinen charakterisiert. Beispielsweise konnte die Größe und Menge verschiedener Abriebpartikel vom Implantatmaterial beim Einsatz künstlicher Gelenke ermittelt werden. Ebenso wurde die erzielte Partikelgröße bei der Herstellung von Eisenoxid-Nanopartikeln vermessen oder die Oberflächenporosität beim Elektronenstrahlschmelzverfahren von Titan zur Prozessoptimierung ausgewertet. Strukturuntersuchungen in Kombination mit Röntgenmikrobereichsanalyse (EDX-Analyse) wurden bei der Analyse von Katalysatormaterialien genutzt, zum Beispiel um die Vorgänge an der Oberfläche eines neuartigen Polymerträgers mit Kaliumiodid bei der Umsetzung von Kohlendioxid für die Kohlenwasserstoffsynthese über mehrere Nutzungszyklen des Katalysators genauer aufzuklären. Weitere Beispiele umfassen Untersuchungen zur Reaktivität von Silika-Trägermaterialien mit den jeweiligen katalytischen Komponenten sowie von Carbonitrid-Polymeren, die in der Photokatalyse eigesetzt werden. Aus dem Bereich der Werkstoffwissenschaften wurden an metallischen Probenschliffen zudem Ausscheidungen und Korngrößen nach unterschiedlichen Vorbehandlungen, zum Beispiel verschiedenen Abkühlraten, bei Legierungen untersucht.
Publications
- (2014) Persistent effectivity of gas plasmatreated, long time-stored liquid on epithelial cell adhesion capacity and membrane morphology. PLoS One 9(8):e104559
Hoentsch M, Bussiahn R, Rebl H, Bergemann C, Eggert M, Frank M, von Woedtke T, Nebe B
(See online at https://doi.org/10.1371/journal.pone.0104559) - (2015) Highly Efficient Polymer-Supported Catalytic System for the Valorization of Carbon Dioxide. Chem Sus Chem 8(22):3815-3822
Desens W, Kohrt C, Frank M, Werner T
(See online at https://doi.org/10.1002/cssc.201501119) - Cyclin O (Ccno) functions during deuterosome-mediated centriole amplification of multiciliated cells. EMBO J. 2015 34(8):1078-1089
Funk MC, Bera AN, Menchen T, Kuales G, Thriene K, Lienkamp SS, Dengjel J, Omran H, Frank M, Arnold SJ
(See online at https://doi.org/10.15252/embj.201490805) - (2016) Accelerated cell-surface interlocking on plasma polymer-modified porous ceramics Materials Science and Engineering C 69:1116-1124
H. Rebl, B. Finke, J. Schmidt, H.S. Mohamad, R. Ihrke, C.A. Helm, J.B. Nebe
(See online at https://doi.org/10.1016/j.msec.2016.08.016) - (2016) An investigation of sintering parameters on titanium powder for electron beam melting processing optimization, Materials 9(12): 974
P. Drescher, M. Sarhan, H. Seitz
(See online at https://doi.org/10.3390/ma9120974) - (2016) Attempted caveolae-mediated phagocytosis of surface-fixed micro-pillars by human osteoblasts. Biomaterials 76:102-14
C. Moerke, P. Mueller, B. Nebe
(See online at https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2015.10.030) - (2016) Complex cell physiology on topographically and chemically designed material surfaces. Materials Science Forum 879, 78-83
B. Nebe, C. Moerke, S. Staehlke, B. Finke, M. Schnabelrauch, K. Anselme, C.A. Helm, M. Frank and H. Rebl
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.879.78) - (2016) Devitalisation of human cartilage by high hydrostatic pressure treatment: Subsequent cultivation of chondrocytes and mesenchymal stem cells on the devitalised tissue. Sci Rep. 6:33747
B. Hiemer, B. Genz, A. Jonitz-Heincke, J. Pasold, A. Wree, S. Dommerich, R. Bader
(See online at https://doi.org/10.1038/srep33747) - (2017) Influence of analyzed lubricant volumes on the amount and characteristics of generated wear particles from three different types of polyethylene liner materials. J Biomed Mater Res Part B
J. Markhoff, C. Zietz, C. Fabry, G. Fulda, R. Bader
(See online at https://doi.org/10.1002/jbm.b.33944) - (2017) The effects of hydrogen sulfide on plateletleukocyte aggregation and microvascular thrombolysis. Platelets 28(5): 509-517
E. Grambow, C. Leppin, K. Leppin, G. Kundt, E. Klar, M. Frank, B.Vollmar
(See online at https://doi.org/10.1080/09537104.2016.1235693)
