Tübingen, Univ., Diss., 2003.

Universiẗat, Diss., 2003--Tübingen.

For the elucidation of the dynamics of signal transduction processes that are induced by cellular interactions, defined events along the signal transduction cascade and subsequent activation steps have to be analyzed and then also correlated with each other. This cannot be achieved by ensemble measurements because averaging biological data ignores the variability in timing and response patterns of individual cells and leads to highly blurred results. Instead, only a multi-parameter analysis at a single-cell level is able to exploit the information that is crucially needed for deducing the signaling pathways involved. The aim of this work was to develop a process line that allows the initiation of cell-cell or cell-particle interactions while at the same time the induced cellular reactions can be analyzed at various stages along the signal transduction cascade and correlated with each other. As this approach requires the gentle management of individually addressable cells, a dielectrophoresis (DEP)-based microfluidic system was employed that provides the manipulation of microscale objects with very high spatiotemporal precision and without the need of contacting the cell membrane. The system offers a high potential for automation and parallelization. This is essential for achieving a high level of robustness and reproducibility, which are key requirements in order to qualify this approach for a biomedical application. As an example process for intercellular communication, T cell activation has been chosen. The activation of the single T cells was triggered by contacting them individually with microbeads that were coated with antibodies directed against specific cell surface proteins, like the T cell receptor-associated kinase CD3 and the costimulatory molecule CD28 (CD; cluster of differentiation). The stimulation of the cells with the functionalized beads led to a rapid rise of their cytosolic Ca2+ concentration which was analyzed by a dual-wavelength ratiometric fluorescence measurement of the Ca2+-sensitive dye Fura-2. After Ca2+ imaging, the cells were isolated individually from the microfluidic system and cultivated further. Cell division and expression of the marker molecule CD69 as a late activation event of great significance were analyzed the following day and correlated with the previously recorded Ca2+ traces for each individual cell. It turned out such that the temporal profile of the Ca2+ traces between both activated and non-activated cells as well as dividing and non-dividing cells differed significantly. This shows that the pattern of Ca2+ signals in T cells can provide early information about a later reaction of the cell. As isolated cells are highly delicate objects, a precondition for these experiments was the successful adaptation of the system to maintain the vitality of single cells during and after manipulation. In this context, the influences of the microfluidic environment as well as the applied electric fields on the vitality of the cells and the cytosolic Ca2+ concentration as crucially important physiological parameters were thoroughly investigated. While a short-term DEP manipulation did not affect the vitality of the cells, they showed irregular Ca2+ transients upon exposure to the DEP field only. The rate and the strength of these Ca2+ signals depended on exposure time, electric field strength and field frequency. By minimizing their occurrence rate, experimental conditions were identified that caused the least interference with the physiology of the cell. The possibility to precisely control the exact time point of stimulus application, to simultaneously analyze short-term reactions and to correlate them with later events of the signal transduction cascade on the level of individual cells makes this approach unique among previously described applications and offers new possibilities to unravel the mechanisms underlying intercellular communication. / Zelluläre Interaktionen sind wirkungsvolle Mechanismen zur Kontrolle zellulärer Zustände in vivo. Für die Entschlüsselung der dabei beteiligten Signaltransduktionsprozesse müssen definierte Ereignisse entlang der zellulären Signalkaskade erfasst und ihre wechselseitige Beziehung zueinander aufgeklärt werden. Dies kann von Ensemble-Messungen nicht geleistet werden, da die Mittelung biologischer Daten die Variabilität des Antwortverhaltens individueller Zellen missachtet und verschwommene Resultate liefert. Nur eine Multiparameteranalyse auf Einzelzellebene kann die entscheidenden Informationen liefern, die für ein detailliertes Verständnis zellulärer Signalwege unabdingbar sind. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Methode, welche die gezielte Kontaktierung einzelner Zellen mit anderen Zellen oder Partikeln ermöglicht und mit der die dadurch ausgelösten zellulären Reaktionen auf unterschiedlichen zeitlichen Ebenen analysiert und miteinander korreliert werden können. Da dies die schonende Handhabung einzeln adressierbarer Zellen erfordert, wurde ein auf Dielektrophorese (DEP) basierendes mikrofluidisches System eingesetzt, welches die berührungslose Manipulation mikroskaliger Objekte mit hoher zeitlicher und örtlicher Präzision erlaubt. Das System besitzt ein hohes Potential zur Automatisierung und Parallelisierung, was für eine robuste und reproduzierbare Analyse lebender Zellen essentiell, und daher eine wichtige Voraussetzung für eine Anwendung in der Biomedizin ist. Als Modellsystem für interzelluläre Kommunikation wurde die T-Zell-Aktivierung gewählt. Die Aktivierung der einzelnen T-Zellen wurde durch ihre gezielte Kontaktierung mit Mikropartikeln („beads“) induziert, welche mit Antikörpern gegen spezielle Oberflächenproteine, wie die dem T-Zell-Rezeptor assoziierte Kinase CD3 oder das kostimulatorische Protein CD28, beschichtet waren. Die Stimulation der Zellen mit den funktionalisierten beads führte zu einem raschen Anstieg der intrazellulären Ca2+-Konzentration, welche über eine ratiometrische Detektion des Ca2+-sensitiven Fluoreszenzfarbstoffs Fura-2 gemessen wurde. Anschließend wurden die einzelnen Zellen aus dem mikrofluidischen System isoliert und weiterkultiviert. Am nächsten Tag wurden Zellteilung und die CD69-Expression – ein wichtiger Marker für aktivierte T-Zellen – analysiert und auf Ebene der individuellen Zelle mit dem zuvor gemessenen Ca2+-Signal korreliert. Es stellte sich heraus, dass der zeitliche Verlauf des intrazellulären Ca2+-Signals zwischen aktivierten und nicht aktivierten, sowie zwischen geteilten und nicht geteilten Zellen signifikant verschieden war. Dies zeigt, dass Ca2+-Signale in stimulierten T-Zellen wichtige Informationen über eine spätere Reaktion der Zelle liefern können. Da Einzelzellen äußerst empfindlich auf ihre Umgebungsbedingungen reagieren, war die Anpassung der experimentellen Vorgehensweise im Hinblick auf die Zellverträglichkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund wurde der Einfluss sowohl der mikrofluidischen Umgebung, als auch der elektrischen Felder auf die Überlebensrate und die intrazelluläre Ca2+-Konzentration der Zellen untersucht. Während eine kurzzeitige DEP-Manipulation im mikrofluidischen System die Vitalität der Zellen nicht beeinträchtigte, zeigten diese unregelmäßige Fluktuationen ihrer intrazellulären Ca2+-Konzentration selbst bei geringer elektrischer Feldexposition. Die Ausprägung dieser Fluktuationen war abhängig von der Expositionszeit, der elektrischen Feldstärke und der Feldfrequenz. Über die Minimierung ihres Auftretens konnten experimentelle Bedingungen mit dem geringsten Einfluss auf die Physiologie der Zellen identifiziert werden. Die Möglichkeit, einzelne Zellen zeitlich definiert und präzise mit anderen Zellen oder Oberflächen zu kontaktieren, die unmittelbare Reaktion der Zellen zu messen und diese mit späteren Ereignissen der Zellantwort zu korrelieren, macht die hier vorgestellte Methode einzigartig im Vergleich mit anderen Ansätzen und eröffnet neue Wege, die der interzellulären Kommunikation zugrunde liegenden Mechanismen aufzuklären.

We report the self assembly of nanostructures via. the bottom-up approach by dielectrophoresis. Dielectrophoresis deals with the force on an electric dipole placed in an external in-homogenous field. The force depends on the geometry and volume of the dielectric material and on the frequency and gradient of the electric field. We report the self-assembly of metallic palladium nanowires from the aqueous solution by dielectrophoresis. The metal cations with the surrounding hydration shell and counter-ion cloud results in the formation of a dipole which responds to the local dielectrophoretic forces. Structural properties and morphology of the palladium nanowires are listed. Depending on the experimental conditions two different types of nanowires were grown. Some of them were extremely thin (5 nm diameter) and branched while the others were thick (25 nm diameter) and dendritic. The wire formation can be divided into the nucleation and growth process. For the particle assembly, a minimum threshold force is needed to overcome the random Brownian motion. The nucleation depends on the asperities on the electrode surface and the growth depends on the tip of the growing wires where exists extremely high field magnitude and in-homogeneties and so the force overcomes the threshold at these locations. We showed that wire growth depends a lot on the formation of the double layer at the electrode/solution interface and potential drop within the double layer. Carbon nanotubes (CNT) were also deposited between the electrodes leading to the formation of field-effect transistors (FETs). We produced CNTFETs having extremely high on/off ratio, in a single step without the requirement of any intermediate burning process of the metallic tubes. Besides these inorganic systems, we also investigated the dielectrophoretic experimental conditions required for self assembly of bio-molecules like microtubules between the electrodes. Hybrid structures were also formed by mixing these materials in combination of two. In conclusion, we report in this work the possibility to assemble a large variety of particles (ions, neutral particles and bio-molecules) between the electrodes leading to the device formation. The thesis was mainly devoted to the task for the synthesis and assembly of the nanostructures via. the bottom-up approach.

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.

We report the self assembly of nanostructures via. the bottom-up approach by dielectrophoresis. Dielectrophoresis deals with the force on an electric dipole placed in an external in-homogenous field. The force depends on the geometry and volume of the dielectric material and on the frequency and gradient of the electric field. We report the self-assembly of metallic palladium nanowires from the aqueous solution by dielectrophoresis. The metal cations with the surrounding hydration shell and counter-ion cloud results in the formation of a dipole which responds to the local dielectrophoretic forces. Structural properties and morphology of the palladium nanowires are listed. Depending on the experimental conditions two different types of nanowires were grown. Some of them were extremely thin (5 nm diameter) and branched while the others were thick (25 nm diameter) and dendritic. The wire formation can be divided into the nucleation and growth process. For the particle assembly, a minimum threshold force is needed to overcome the random Brownian motion. The nucleation depends on the asperities on the electrode surface and the growth depends on the tip of the growing wires where exists extremely high field magnitude and in-homogeneties and so the force overcomes the threshold at these locations. We showed that wire growth depends a lot on the formation of the double layer at the electrode/solution interface and potential drop within the double layer. Carbon nanotubes (CNT) were also deposited between the electrodes leading to the formation of field-effect transistors (FETs). We produced CNTFETs having extremely high on/off ratio, in a single step without the requirement of any intermediate burning process of the metallic tubes. Besides these inorganic systems, we also investigated the dielectrophoretic experimental conditions required for self assembly of bio-molecules like microtubules between the electrodes. Hybrid structures were also formed by mixing these materials in combination of two. In conclusion, we report in this work the possibility to assemble a large variety of particles (ions, neutral particles and bio-molecules) between the electrodes leading to the device formation. The thesis was mainly devoted to the task for the synthesis and assembly of the nanostructures via. the bottom-up approach.

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

Neue aussichtsreiche Pharmazeutika scheitern regelmäßig in späten Entwicklungsphasen1 und stehen somit nicht als wertvolle Wirkstoffe zur Verfügung. Ein Grund hierfür ist die komplexe Pharmakinetik und der Mangel an geeigneten in-vitro Modellen. Daher befasst sich diese Dissertation mit der Entwicklung neuartiger in-vitro Membranmodelle am Beispiel der Blut-Hirn-Schranke (BHS). Zu diesem Zweck wird der aktuelle Stand der Technik vorgestellt und anschließend das Konzept eines Mikrofluidikchips, in welchem mittels Dielektrophorese an eine zuvor erstellte Polyamidmembran CaCo-2-Zellen assembliert wurden. Die Auslegung und Optimierung des Chip-Designs, die Entwicklung der in-situ Membran sowie die Ermittlung der Randbedingungen sind wesentliche Bestandteil dieser Arbeit. Es konnte mittels FEM-Simulationen und Assemblierungsversuchen ein Modell erzeugt werden, mit dem ein Chipdesign entwickelt werden konnte, dass zum einen ein günstigeres Verhältnis von Zellflächen- und Abluminalen Volumen aufweist und zum anderen möglichst wenig Zellen für den Aufbau benötigt. Dieses System bietet somit ein hohes Potenzial für die Herstellung verbesserter in-vitro Modelle. Jedoch konnte auch durch die Charakterisierung mit Rhodamin, Fluorescein und FITC-Dextran aufgezeigt werden, dass dieser Vorteil durch spezifische und unspezifische Bindungen an der größeren Oberfläche z.T. reduziert wird, abhängig vom verwendeten Chipmaterial und untersuchten Wirkstoff. Als neuartig kann die in-situ Herstellung einer vertikalen Polyamidmembran in einem Polymerchip bezeichnet werden, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Für diese wurden die Parameter zur optimale Collagenbeschichtung für die Zelladhäsion ermittelt, sowie der Einfluss auf die Zellvitalität untersucht. Des Weiteren wurde das Medium zur Dielektrophorese und zur Kultivierung der Zellen ohne CO2-Begasung optimiert.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Formelzeichen 3 Einleitung 4 Grundlagen 5 Chipdesign 6 Herstellung und Charakterisierung der Stützmembran 7 Entwicklung des Zellkulturmodells 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Anhang 11 Literaturverzeichnis 12 Abbildungsverzeichnis / New promising pharmaceuticals regularly fail at late stages of development1 and thus do not become available as valuable active substances. Two of the main reasons for such failures are the complex pharmacokinetics and the lack of adequate in-vitro models. Therefore, this dissertation focuses on the development of novel in-vitro membrane models at the example of the blood-brain-barrier (BBB). It starts by presenting current investigations and the state-of-the-art technology and continues with the concept for a microfluidic chip in which CaCo-2 cells were assembled with dielectrophoresis on an in-situ membrane. The essential part of this work was to design and optimize this microfluidic chip, to develop an in-situ membrane to catch the assembled cells and to investigate the required boundary conditions. FEM simulations and assembling experiments conducted to the creation of a model to develop a chip design with a better ratio between cell area and abluminal volume, as well a low number of cells needed for the creation of this model. Such system might have a high potential to establish more sensitive in-vitro models than the current Transwell model. However, it was also demonstrated that this advantage is reduced by specific and nonspecific binding on the larger surface, depending on the chip material and the investigated test substance, shown during the chip characterization by using Rhodamine, Fluorescein and FITC-Dextran. Furthermore, the creation of a vertical polyamide in-situ membrane in a polymer chip like in this work, can be described as novel. To assemble cells on this supporting membrane, a protocol for a collagen coating as well for the dielectrophoresis medium were developed. Also, a modified culture medium was investigated, to allow the cultivation on standard atmospheric conditions.:1 Abkürzungsverzeichnis 2 Formelzeichen 3 Einleitung 4 Grundlagen 5 Chipdesign 6 Herstellung und Charakterisierung der Stützmembran 7 Entwicklung des Zellkulturmodells 8 Zusammenfassung 9 Ausblick 10 Anhang 11 Literaturverzeichnis 12 Abbildungsverzeichnis

Der Grundbaustein des Lebens, die Desoxyribonukleinsäure (DNS), ist aufgrund ihrer spezifischen Basenpaarung ein geeignetes Molekül, um stabile und vielfältige nano- beziehungsweise mikrometergroße Strukturen herzustellen. Diese selbstorganisierten DNS-Strukturen eignen sich als Grundeinheiten für die Ausrichtung anorganischer und organischer Materialien. Für die Synthese solcher DNS-Strukturen werden insbesondere die Kachel-basierte Assemblierung (engl. tile-based assembly, im Folgenden als Tile-basierte Assemblierung bezeichnet) oder die DNS-Origami-Methode verwendet. Die Tile-basierte Assemblierung beinhaltet die Verbindung einzelner DNS-Bausteine, den sogenannten Kacheln (engl. tiles), zu komplexeren DNS-Strukturen. Hingegen entspricht die DNS-Origami-Methode der Faltung eines langen einzelsträngigen DNS-Moleküls, dem sogenannten scaffold, anhand von hunderten kurzen Oligonukleotiden (Heftklammer-Oligomeren, engl. staple strands) hin zu einer entsprechenden Form. Hinsichtlich einer zukünftigen Erstellung von DNS-basierten, nanoelektronischen Systemen war das Ziel dieser Arbeit einheitliche zwei- (2D) und dreidimensionale (3D) DNS-Nanostrukturen herzustellen, Methoden für deren kontrollierte Vernetzung zu entwickeln sowie deren chemische Funktionalisierung mit Nanomaterialien und einer beispielhaften Integration in lithographisch gefertigten Mikrokontaktstrukturen durchzuführen. Hierfür war es notwendig, einen weiten Bogen zu spannen, welcher einerseits verschiedene Konstruktionsprinzipien der DNS-Nanotechnologie vorteilhaft miteinander vereint und der andererseits die weitreichenden Möglichkeiten der chemischen Funktionalisierung der sogenannten DNS-Templatstrukturen auslotet. Konkret wurden zur Erstellung von einheitlichen DNS-Strukturen Assemblierungskonzepte verwendet bzw. entwickelt, welche auf die Ausrichtung einzelner kurzer Oligonukleotide anhand eines langen einzelsträngigen DNS-Templates beruhen. Im ersten Teil der Arbeit ist anhand eines selbstkomplementären Einzelstranges aufgezeigt, wie sich prinzipiell die Wachstumsrichtung einer Tile-basierten Struktur durch die Verwendung eines einzelsträngigen DNS-Templates beeinflussen lässt. Bei diesem Ansatz bildet sich entlang des DNS-Templates eine 2D-Gitterstruktur aus einheitlichen und abschnittsweise selbstkomplementären hexagonalen oder tetragonalen Oligonukleotideinheiten aus. Diese gerichtete Selbstassemblierung führt schließlich zum Aufrollen und Zusammenschluss der 2D-DNS-Struktur zu einer tubulären Struktur. Die Größe und Geometrie der Oligonukleotideinheiten bestimmen dabei maßgeblich den Durchmesser dieser DNS-Nanoröhren. Zur Erklärung von experimentellen Beobachtungen wurde ein Modell entwickelt, welches die Templat-gestützte Assemblierung theoretisch beschreibt. Die erstellten, strukturellen Anforderungen genügenden Nanoröhren eignen sich für eine gleichmäßige Funktionalisierung mit Nanomaterialien, wie anhand der Ausrichtung von Gold-Nanopartikeln gezeigt wurde. In einem weiteren Teil der Arbeit wurde eine ca. 400 nm lange DNS-Nanoröhre anhand der DNS-Origami-Methode erstellt. Diese Nanoröhre diente als Modellsystem zur Untersuchung der Integration von tubulären DNS-Strukturen in Mikrokontaktstrukturen mittels der Dielektrophorese. Eine positive dielektrophoretische Antwort der 3D-DNS-Strukturen konnte im MHz-Bereich festgestellt werden. Des Weiteren wurde für mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierte DNS-Nanoröhren eine verstärkte dielektrophoretisch Antwort beobachtet. Neben der Manipulation bzw. Ausrichtung von DNS-Nanostrukturen wurden Konzepte entwickelt, welche zusätzlich zum Aufbau komplexer DNS-Netzwerke innerhalb einer Mikrokontaktstruktur erforderlich sind. Konkret konnte eine Verbindung der 3D-Nanoröhren (i) untereinander über eine 200 nm lange kreuzartige DNS-Zwischenstruktur und (ii) endständig mit einer Goldoberfläche ermöglicht werden. Der dritte Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung einer modularen 2D-DNS-Struktur, welche unter anderem für eine vergleichbare Untersuchung zur Immobilisierung von Nanomaterialien auf DNS-Strukturen dienen kann. Anhand der DNS-Origami-Methode wurde eine spezifische DNS-Gerüststruktur entworfen, welche die Ausstattung mit einer funktionalisierbaren Tile-basierten Einheit erlaubt. Um die Modularität der DNS-Gerüststruktur zu verdeutlichen, wurden zwei unterschiedliche, drei-beinige Tiles entworfen und anhand eines Ein- oder Zwei-Schritt-Verfahrens in die DNS-Gerüststruktur integriert. Die Anbindung eines Gold-Nanopartikels an jedes Bein des eingebundenen Tiles demonstriert die spezifische Funktionialisierbarkeit dieses Modellsystems. Zudem wurden Methoden, welche zur Aufreinigung der funktionalisierten DNS-Gerüststrukturen dienen, wie auch Effekte der Vernetzung von DNS-Origami-Strukturen anhand unspezifischer Wechselwirkungen untersucht. Die Ermittlung der Struktureigenschaften beziehungsweise der Assemblierungsqualität der in dieser Arbeit gezeigten DNS-Strukturen erfolgte mittels elektrophoretischer und bildgebender Untersuchungsverfahren (Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie).

Kohlenstoffnanoröhren (engl. carbon nanotubes, CNT) verfügen über eine Vielzahl von herausragenden und möglicherweise nutzbringenden Eigenschaften. Die kontrollierte Integration von CNT in technische Systeme stellt noch immer eine große Herausforderung dar. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden neue Methoden für den Aufbau von Strukturen und Bauelementen aus CNT entwickelt, die auf Selbstorganisation bzw. bottom-up assembly basieren. Dabei kamen sowohl biochemische als auch physikalische Verfahren zum Einsatz. Einzelsträngige DNA wurde verwendet um CNT in wässrigen Medien zu suspendieren und zu vereinzeln. Beides sind wichtige Voraussetzungen, um die günstigen elektronischen Eigenschaften der CNT zugänglich zu machen. DNA-CNT-Suspensionen wurden sowohl spektroskopisch in ihrer Gesamtheit als auch kraftmikroskopisch auf molekularer Ebene untersucht. So konnten wesentliche Parameter des Herstellungsprozesses optimiert werden, um Suspensionen mit einem hohen Gehalt an langen, sauberen, vereinzelten CNT zu erhalten. Durch die Verwendung von funktionalisierten DNA-Molekülen ist es gelungen, Halbleiterquantenpunkte und Goldkolloide an CNT anzubinden. Im Fall der Quantenpunkte gelang dies mit Hilfe der Biotin-Streptavidin Bindung unter Anwendung des Prinzips der molekularen Erkennung. Die Anbindung dieser Nanopartikel kann als Prototyp für den DNA-vermittelten Strukturaufbau aus CNT angesehen werden. Zur Deposition von CNT in Elektrodenstrukturen wurde ein auf Dielektrophorese beruhendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es gelungen, die wesentlichen Parameter zu identifizieren, die für die Morphologie der abgeschiedenen CNT entscheidend sind. So konnte die Dichte der CNT-Verbindungen zwischen Elektroden von einzelnen Verbindungen über wenige bis hin zu sehr vielen parallel assemblierten CNT eingestellt werden. Durch ein sich selbst steuerndes Hintereinanderlagern von CNT war es möglich auch Elektroden zu verbinden, deren Abstand größer war als die Länge der verwendeten CNT. Durch gezieltes Eliminieren metallischer CNT-Strompfade nach der Deposition ist es gelungen, CNT-Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) mit Schaltverhältnissen von bis zu sieben Dekaden herzustellen. Auch dieses Verfahren ist skalierbar und unkompliziert, da es sich selbst steuert. Es ist skalierbar und deshalb auch für technische Anwendungen geeignet. An Hand des Beispiels der Detektion von Ethanoldampf konnte gezeigt werden, dass die über Dielektrophorese aufgebauten CNT-FETs auch als Sensoren eingesetzt werden können. Durch eine Kombination der dielektrophoretischen Deposition von CNT und dem dielektrophoretisch gesteuerten Wachstum metallischer Nanodrähte konnte eine neuartige Hybridstruktur aus CNT und Palladium-Nanodrähten erzeugt werden. Ein solches Verfahren ist eine Voraussetzung für den Aufbau integrierter nanoskaliger Schaltkreise. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen zahlreiche Möglichkeiten auf, verschiedenartige nanoskopische Objekte miteinander integrieren, um neue Anwendungen zu ermöglichen.