Optothermal Manipulation of Phospholipid Membranes with Gold Nanoparticles

Die Plasmonresonanz von Goldnanopartikeln verleiht ihnen eine Reihe bedeutender Eigenschaften. So sind sie einerseits, bedingt durch den hohen Absorptionsquerschnitt, effiziente optothermische Energiewandler und andererseits trotz ihrer geringen Größe über den hohen Streuquerschnitt gut in Dunkelfeldmikroskopen zu erkennen. Diese Eigenschaften werden in dieser Arbeit zum einen ausgenutzt, um die Goldnanopartikel als optothermische Nanowerkzeuge für die Untersuchung und Manipulation von Phospholipidmembranen zu verwenden. Zum anderen werden Goldpartikel mittels der optischen Kräfte, die ein Laser auf sie ausübt, mit nanometrischer Präzision auf Substrate gedruckt.
Phospholipide sind der größte Bestandteil von biologischen Zellmembranen, welche die Zellen von ihrer Umgebung abgrenzen und in denen viele wichtige Prozesse stattfinden. Vesikel, bestehend aus einer Phospholipidmembran, dienten in den letzten Jahrzehnten vermehrt als Zellmodelle. Um an Vesikeln Untersuchungen durchführen zu können, mussten die Goldnanopartikel erst an die Membranen gebunden werden. Durch einen Ligandentausch mit Lipidmolekülen auf der Goldoberfläche konnten wir eine stabile Bindung zu den Vesikeln durch einfaches Mischen einer Vesikel- mit einer Goldlösung erzeugen. Als weitere Möglichkeit für eine Bindung ließen wir Goldnanopartikel direkt auf der Vesikelmembran wachsen. Durch Variieren der Goldionenkonzentration und durch Einbringen von geladenen Lipiden konnten Partikelgröße, -form und -dichte gezielt beeinflusst werden. Aus den optischen Eigenschaften dieser Goldvesikel konnten wir ein Modell für das Wachstum erstellen. Die mit dieser Methode hergestellten Vesikel eignen sich nicht nur als Untersuchungsobjekte für Membranstudien, sondern sie bieten sich auch für den Transport von Medikamenten in das Zellinnere an. In weiteren Experimenten wurden Goldnanopartikel an Phospholipidvesikel gebunden und mit einer zur Absorption resonanten Wellenlänge optothermisch geheizt. Bei Leistungsdichten oberhalb von 300 kW/cm2 wurden Vesikel gezielt durch das Aufheizen der Goldnanopartikel zerstört. Bei niedrigeren Leistungsdichten war es mit einzelnen, an Vesikel in der Gelphase gebundenen Goldnanopartikeln möglich, einen reversiblen Phasenübergang der Vesikelmembran in die flüssige Phase zu induzieren. Dieser konnte durch eine erhöhte Diffusion der Goldnanopartikel in der Membran nachgewiesen und charakterisiert werden. Die Diffusion konnte außerdem zur Untersuchung von Membrandynamiken im Nanometerbereich genutzt werden. Dies wurde am Beispiel einer Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der flüssigen Phase durch die Gelphase gezeigt. Mit solch kontrollierten Phasenübergängen und geeigneten Veränderungen der Eigenschaften des Laserstrahls konnten die Goldnanopartikel mit einer im Nanometerbereich liegenden Präzision an vorbestimmte Orte auf der Vesikelmembran geführt werden. Im Weiteren wurde eine Möglichkeit zur optischen Injektion von Goldnanopartikeln in Phospholipidvesikel untersucht, welche einen weiteren möglichen Ansatz zum gezielten Medikamententransport darstellt.
Darüber hinaus wurde eine neuartige Methode entwickelt, um einzelne Goldnanopartikel mit einer Präzision von einigen Nanometern auf einer Substratoberfläche zu platzieren. Diese Methode bedient sich der durch einen Laser ausgeübten optischen Kräfte um die Nanopartikel aus der Lösung einzufangen, sie zur gewünschten Position zu führen und die elektrostatische Abstoßung zu überwinden, sodass die Goldnanopartikel durch Van-der-Waals Kräfte fest mit der Substratoberfläche verbunden werden. Die Wal einer optimalen Leistungsdichte und die Wellenlänge des Lasers ergibt sich aus einem Kompromiss zwischen Druckpräzision und Druckgeschwindigkeit. Diese Methode ist sehr präzise, schnell und vielseitig und dürfte bei der Herstellung von Nanostrukturen auf Oberflächen in Zukunft eine größere Rolle spielen.