Proefschrift Maastricht. / Met lit. opg. en een samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Maastricht. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Proefschrift Universiteit van Amsterdam. / Met bibliogr., lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Thesis (doctoral)--Rijksuniversiteit te Utrecht, 1981. / Summary also in Dutch. Includes bibliographical references.

Proefschrift Universiteit Maastricht. / Met lit. opg. - Met samenvatting in het Nederlands.

Oxidkeramische Materialien sind zunehmend von praktischem Interesse für neue Technologien, die in Brennstoffzellen, Sensoren und Ionentransport-Membranen Anwendung finden. Einige dieser Oxide mit Perowskitstruktur ABO3 zeigen hohe Ionen- und Elektronenleitung, ausreichende chemische Stabilität sowie thermisch-mechanische Eigenschaften, wie sie für die Anwendung als Sauerstofftransportmembran benötigt werden. Oxidionentransport erfolgt über einen Oxidionen-Leerstellenmechanismus. Die charakteristische Schwierigkeit für die Anwendung solcher Materialien besteht aber darin, dass die gestellten Forderungen wie hoher Ionentransport und hohe Stabilität sich diametral gegenüberstehen. In dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Stöchiometrie der ferritischer und cobaltitischer Mischoxide und den Transporteigenschaften sowie der thermischen Ausdehnung durchgeführt. Erstmalig wurden thermodynamische und kinetische Parameter von Reihen von Oxiden in einem weiten Bereich von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck systematisch bestimmt. Aus den Ergebnissen konnten Empfehlungen gegeben werden für die Zusammensetzung von Perowskitoxiden, die zum Aufbau von Sauerstofftransportmembranen unter bestimmten pO2/T-Bedingungen geeignet sind.

Spreading of mixtures of oil with suitable silica particles onto a water surface leads to the formation of composite layers in which particles protrude at the top and at the bottom from the oil. Solidification of the oil and removal of the particles give rise to porous membranes. Pore widths and membrane thicknesses depend on particle sizes and usually are in the range of 70 – 80% of their diameters. Often freely suspended porous membranes are too fragile to operate them in pressure filtration without supportive structure. To improve mechanical stability of porous membranes, a mixture of silica particles with an oil is spread onto a nonwoven fibrous support that was drenched with water. Solidification of the oil and removal of particles yields porous membrane attached to the fibers of the support. Due to inhomogeneous surface of the fabric, the membranes that are attached to it are corrugated. To obtain flat supportive structures, glass beads with 75 μm in diameter are spread onto the water surface with the oil. Solidification of the oil and then removal of particles gives rise to porous membranes with pore diameters in micrometer range. Another concept of improvement of mechanical stability is the preparation of asymmetric membranes via spreading of a mixture of two sorts of particles with opposite surface properties with the oil onto the water surface. After solidification of the oil and removal of particles, membranes with pores width in the range from 30 – 50 nm are obtained. Slow removal of silica particles from composite monolayer that floats on the water surface gives rise to silica rings in intermediate stages of removal. Mixed matrix membranes with embedded carbon molecular sieves are prepared in a similar process as detailed above by using carbon particles instead of silica. Carbon molecular sieves protrude at the top and bottom from the polymeric matrix. Theoretical prediction of permeability and selectivity through these membranes are much higher than in membranes where particles are smaller than the membrane thickness. / Spreitet man Mischungen eines Öls mit geeigneten Kieselgelpartikeln auf eine Wasseroberfläche, führt dies zur Bildung gemischter Schichten, in denen die Partikel auf der Ober- und Unterseite aus dem Öl herausragen. Härtet man das Öl aus und entfernt die Partikel, erhält man poröse Membranen mit einheitlichen Poren. Dabei hängen die Porenweiten und Membrandicken von der Partikelgröße ab und betragen üblicherweise 70 – 80 % von deren Durchmesser. Oft sind freitragende poröse Membranen zu zerbrechlich um mit ihnen Druckfiltration ohne Stützstruktur durchzuführen. Um die mechanische Stabilität von porösen Membranen zu erhöhen spreitet man eine Mischung aus Kieselgelpartikeln und einem Öl auf einem Vliesstoff, der mit Wasser getränkt ist. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu einer porösen Membran, die an die Fasern der Stützstruktur angeheftet ist. Durch die inhomogene Oberfläche des Vliesgewebes sind die daran angehefteten Membranen gewellt. Um eine ebene Stützstruktur zu erhalten, werden Mischungen aus dem Öl und Glaskugeln mit einem Durchmesser von 75 μm verwendet. Das Aushärten des Öls und die Entfernung der Partikel führt zu ebenen porösen Membranen mit Porendurchmessern im Mikrometerbereich. Ein weiteres Konzept, um die mechanische Stabilität zu erhöhen, ist die Herstellung asymmetrischer Membranen mit Hilfe des Spreitens einer Mischung zweier Partikelsorten mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften mit dem Öl auf die Wasseroberfläche. Nach dem Aushärten des Öls und der Entfernung der Partikel erhält man eine asymmetrische Membran mit kleinen Porenweiten an der Oberseite und großen Porenweiten an der Unterseite. Durch langsames Entfernen der Kieselgelpartikel aus der gemischten Schicht, die auf der Wasseroberfläche schwimmt, kann man in einem Zwischenstadium Kieselgelringe erhalten. Kompositmembranen (mixed matrix membranes) mit eingebetteten Kohlenstoffmolekularsieben werden in einem gleichen Prozess wie oben beschrieben hergestellt, indem man Kohlenstoffpartikel anstatt der Kieselgelpartikel verwendet. Die Kohlenstoffmolekularsiebe ragen auf der Ober- und Unterseite aus der Polymermatrix heraus. Die theoretisch vorhersagten Durchlässigkeiten und Selektivitäten solcher Membranen sind wesentlich höher als bei Membranen, in denen die Partikel kleiner als der Membrandicke sind.

Oxidkeramische Materialien sind zunehmend von praktischem Interesse für neue Technologien, die in Brennstoffzellen, Sensoren und Ionentransport-Membranen Anwendung finden. Einige dieser Oxide mit Perowskitstruktur ABO3 zeigen hohe Ionen- und Elektronenleitung, ausreichende chemische Stabilität sowie thermisch-mechanische Eigenschaften, wie sie für die Anwendung als Sauerstofftransportmembran benötigt werden. Oxidionentransport erfolgt über einen Oxidionen-Leerstellenmechanismus. Die charakteristische Schwierigkeit für die Anwendung solcher Materialien besteht aber darin, dass die gestellten Forderungen wie hoher Ionentransport und hohe Stabilität sich diametral gegenüberstehen. In dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Beziehungen zwischen Zusammensetzung, Struktur und Stöchiometrie der ferritischer und cobaltitischer Mischoxide und den Transporteigenschaften sowie der thermischen Ausdehnung durchgeführt. Erstmalig wurden thermodynamische und kinetische Parameter von Reihen von Oxiden in einem weiten Bereich von Temperatur und Sauerstoffpartialdruck systematisch bestimmt. Aus den Ergebnissen konnten Empfehlungen gegeben werden für die Zusammensetzung von Perowskitoxiden, die zum Aufbau von Sauerstofftransportmembranen unter bestimmten pO2/T-Bedingungen geeignet sind.

Ultrathin, semi-permeable membranes are not only essential in natural systems (membranes of cells or organelles) but they are also important for applications (separation, filtering) in miniaturized devices. <br> Membranes, integrated as diffusion barriers or filters in micron scale devices need to fulfill equivalent requirements as the natural systems, in particular mechanical stability and functionality (e.g. permeability), while being only tens of nm in thickness to allow fast diffusion times. Promising candidates for such membranes are polyelectrolyte multilayers, which were found to be mechanically stable, and variable in functionality.<br> In this thesis two concepts to integrate such membranes in larger scale structures were developed. The first is based on the directed adhesion of polyelectrolyte hollow microcapsules. As a result, arrays of capsules were created. These can be useful for combinatorial chemistry or sensing. This concept was expanded to couple encapsulated living cells to the surface. The second concept is the transfer of flat freestanding multilayer membranes to structured surfaces. We have developed a method that allows us to couple mm2 areas of defect free film with thicknesses down to 50 nm to structured surfaces and to avoid crumpling of the membrane. We could again use this technique to produce arrays of micron size. The freestanding membrane is a diffusion barrier for high molecular weight molecules, while small molecules can pass through the membrane and thus allows us to sense solution properties. We have shown also that osmotic pressures lead to membrane deflection. That could be described quantitatively. / Die Entwicklung von “Labors auf einem Chip” hat in den vergangenen Jahren großes Interesse hervorgerufen. Diese Chips ermöglichen schnelle vor Ort Analytik, wie sie beispielsweise in Arztpraxen oder bei der Schadstoff Überwachung wünschenswert wäre. Die Entwicklung solcher Systeme stellt große Herausforderungen an Forscher verschiedenster Disziplinen. <br> Ein großer Vorteil solcher Systeme sind die verkürzten Reaktionszeiten durch die Verkleinerung der Dimensionen. Membranen, die als Diffusionsbarrieren oder Filter in solche Systeme integriert werden sollen, müssen den Ansprüchen an mechanische Stabilität, Funktionalität (z.B. Permeabilität) bei einer Dicke von einigen 10 nm genügen. Die Reduktion der Membrandicke ist erforderlich um die Diffusionszeiten durch die Membran zu minimieren. Polyelektrolyte sind vielversprechende Kandidaten für solche Membranen, da sie sowohl mechanisch stabil sind, als auch variabel in ihrer Funktionalität In dieser Arbeit werden zwei Konzepte zur Integration solcher Membranen vorgestellt. Das erste Konzept basiert auf der selektiven Adhäsion von Polyelektrolytkapseln auf strukturierten Oberflächen. Für das gewählte Kapselsystem konnte bereits eine große Stabilität und eine breite Funktionalität gezeigt werden. Die Strukturierung wird durch Mikrokontaktdrucken erzielt und führt. zu attraktiven und repulsiven Bereichen auf der Oberfläche. Die Kapesladhäsion findet auf den attraktiven Bereichen statt. Auf diese Weise werden die Kapseln 2-dimensional auf der Oberfläche angeordnet. Die definierte laterale Position der Kapseln ermöglicht Anwendungen in der kombinatorischen Chemie oder der Sensorik.<br> Der makroskopische Transfer von bis zu 50 nm dünnen Polyelektrolytmembranen auf microstrukturierte Substrate ist das zweite präsentierte Konzept zur Integration freistehender Membranen. Dabei entsteht ein großflächiger Bereich (mm2) von Millionen von Hohlräumen mit einem Volumen in der Größe von pL (10-12l). Diese Holräume können mit Reagenzien gefüllt werden. Diese reagieren durch die Membran auf Änderungen in der umgebenden Flüssigkeit. Von besonderem Interesse ist der Aspekt, daß nicht nur eingekapselte Reagenzien als Sensormaterial fungieren können, sondern auch durch die Deformation der Membran Änderungen im osmotischen Druck der Umgebung quantitativ erfaßt werden können.

The cellular membrane is a complex biological entity, far from being an inert assembly of protein and lipids which separates cells from the surrounding environment. A multitude of biological processes, ranging from active transport of ions into and out of the cell, to the immune response, are regulated at the level of the plasma membrane. The understanding of their molecular basis is among the central goals of modern biological research. In order to dissect the complexity of actual cell membranes, which involves a very complex network of intermolecular interactions, a “divide and conquer” strategy proves very useful. To this end, researchers try to isolate molecules from complex biological contexts to understand their function in simple model systems under controlled conditions. A variety of model membranes have thus been developed in order to gain insight into membrane processes. This approach has resulted in a deeper knowledge on how lipids and proteins interact and how these interactions govern the function of cellular membranes. In the recent past in fact, a connection has been established between the lateral structure of the plasma membrane and its biological function. Furthermore, a large range of biophysical techniques have been used to characterize protein-lipid microdomains. For example, atomic force microscopy (AFM) is a powerful technique which allows a highly detailed topographical characterization of lipid domains in physiological conditions. While AFM imaging offers an extremely high spatial resolution, up to the nanometer scale, the limited image acquisition speed (minutes) can pose a severe drawback in adequately studying fast dynamic processes. On the other hand, fluorescence based imaging techniques are much faster (10-3-100 s), but certainly lack the high spatial resolution that AFM offers. FCS in particular can also provide information about dynamic processes, like diffusion of fluorescent membrane components. For these reasons, implementing a combination of the above mentioned techniques on the same sample (e.g. cell membrane models) would prove extremely beneficial in the complete dynamic and structural characterization of molecular interactions. . The work described in this thesis can be summarized in two main points: i) the development of a novel combined approach of atomic force microscopy (AFM), laser scanning imaging (LSM), and fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and ii) the study of the effects of ceramide in the lateral organization of model plasma membranes. We described one of the first simultaneous applications of AFM and FCS on biologically relevant systems. More specifically, model membranes showing complex phase separation were investigated with a combined approach of AFM, confocal fluorescence imaging, force measurements and FCS, based on commercially available instruments. AFM conveys information about the structural and mechanical properties of the different lipid phases. Different membrane domains can be distinguished based on height difference, elastic properties and line tension as measured by the AFM tip. Simultaneous optical measurements offer the correlation of these data in real time with the partition behavior and diffusion of fluorescent lipids and proteins. We established a clear link between the local membrane viscosity, probed by FCS, and the lipid-lipid interactions involved in line tension, probed by AFM force measurements. An example of a significant drawback circumvented by the AFM-FCS approach involves the use of AFM micromanipulation to eliminate unwanted interactions between lipid particles — similar to intra-cellular vesicles found in vivo experiments — and the membrane, which usually result in distorted FCS autocorrelation curves. Finally, the combined application of AFM and FCS on membrane-anchored proteins reconstituted in lipid bilayers has been instrumental in clarifying inconsistencies that arose in work that focused solely on either AFM or fluorescence techniques. We have shown that, in the case of proteins diffusing in the plane of the membrane, AFM can unambiguously detect only a small immobile fraction. Furthermore, since AFM detection of proteins might be facilitated by high local membrane viscosity (e.g. in ordered lipid phases), the measurement of protein partition between disordered and ordered membrane domains might be biased toward the latter. In this case, the use of FCS as a complementary technique allows a more thorough investigation and deeper understanding of the system of interest. The second part of this thesis dealt with the study of complex lipid mixtures which are used to model the putative lipid/proteins domains in cells, called “rafts”. Firstly, we proved how the combined fluorescence imaging/AFM approach is useful in general for studying supported lipid membranes and the role of lipid domains in biological contexts. We investigated the effect of environmental stress on biological membranes and the protective effects of several substances. Our experimental approach was shown to be a new valuable method to visualize the dehydration damage and its effects on the lateral organization of lipid domains. Our results demonstrated that disaccharides like trehalose or sucrose are effective in protecting lipid membranes, not only on a macroscopic scale — preserving the overall integrity of the bilayer — but also on a microscopic scale, preventing the clustering of microdomains. These phenomena are interesting in the context of biological damage to living cells which need to be stored for long time, like organs to be transplanted or blood platelets. Finally, a large section of this thesis focused on the effects of a specific lipid called “ceramide” on the lateral organization of proteins and lipids in the plasma membrane. Ceramide is produced by cells in several situations, like bacterial infections or apoptosis. As consequence of ceramide production in vivo, the local concentration and the dynamic behavior of lipids and membrane receptors are supposed to exhibit strong variations. In order to understand the molecular mechanisms responsible for these effects, we applied a combination of AFM, FCS and fluorescence imaging on simple model membranes containing ceramide. We could show for the first time that, in presence of raft-like Lo/Ld phase separation, physiological quantities of ceramide induced the formation of a highly ordered gel phase, constituted of ceramide and sphingomyelin. The enzymatic production of ceramide was monitored both in supported and in free-standing bilayers. In the second case, ceramide production was connected to selective vesicle budding from the raft-like phase. Since short-chain analogues are often used in both medical applications and biochemical research to mimic the effect of long-chain ceramides, we investigated the effect of chain-length on ceramide-induced membrane reorganization. We could show that only long-chain ceramides (C18 and C16) form highly ordered domains. Interestingly, FCS measurements indicated that the physical properties of the Lo raft-like domains are hardly affected by the presence of ceramide domains. Furthermore, the increased thickness of the Ld phase — as measured by AFM — and its higher viscosity — as measured by FCS — strongly support the hypothesis of ceramide-induced cholesterol displacement from rafts. On the other hand, short-chain ceramides showed completely different biophysical properties that lead to a destabilization of the raft domains, possibly acting as surfactants between the different lipid phases. Our findings contribute to the explanation of in vivo experiments where short-chain ceramides inhibit cell signaling by disrupting the lipid order in the plasma membrane. We have so far demonstrated that ceramide plays a fundamental role in lipid-lipid interactions. In a physiological context, it is also known to produce dramatic effects in living cells. Since a majority of the processes in vivo are thought to be governed by the activity of proteins, it is highly likely that ceramide not only affects lipid organization but also modifies protein-protein and protein-lipid interactions to produce its effects. To test this hypothesis, we reconstituted several membrane proteins in lipid bilayers containing Ld, Lo, and ceramide-rich domains. We were able to show that some membrane proteins are sorted into ceramide-rich domains. More specifically, the raft-associated proteins we tested were enriched in the highly ordered ceramide-rich domains, while the Ld-associated components were excluded from them. Furthermore, the inclusion of any membrane component in ceramide-rich domains is directly connected to a dramatic reduction of its in-plane diffusion. In an in vivo context, such a reorganization of membrane receptors might be used by the cell to alter the signaling process, for example, by i) separating raft receptors from inhibitors with lower raft affinity, ii) bringing both raft-associated receptors and raft-associated signaling molecules into contact, or iii) stabilizing the interactions between a receptor and its ligand by decreasing their diffusion coefficients. In conclusion, this thesis describes a novel combination of AFM, LSM, and FCS for the investigation of the lateral organization of biological membranes. Our results show that this approach applied on model membranes of increasing complexity is an effective tool for understanding the molecular mechanisms behind the organization of biological membranes. This report opens up new possibilities for further investigation in living cell membranes using the same methodology we have described.