Hybride Mikroschwimmer, die einen biologischen Antrieb und eine künstlich hergestellte Mikrostruktur enthalten sind ein attraktiver Ansatz um kontrollierte Bewegung auf kleinstem Maßstab zu erreichen. In dieser Dissertation wird ein neuer hybrider Mikroschwimmer vorgestellt, der aus ferromagnetischen Nanomembranen besteht, die sich zu Mikroröhrchen aufrollen und in der Lage sind, einzelne Spermien einzufangen. Dieser Mikrobioroboter nutzt die starke Antriebskraft der Spermazelle um das magnetische Mikroröhrchen fortzubewegen. Die vorliegende Arbeit beschreibt, wie dieser Mikroschwimmer seine Bewegung vollzieht und wie verschiedene Faktoren wie Temperatur, Radius der Mikroröhrchen, Eindringtiefe der Spermien in das Röhrchen und Länge der Röhrchen einen Einfluss auf sein Verhalten haben. Richtungskontrolle wird durch externe magnetische Felder realisiert und es wird dargestellt, wie dies zur Trennung der Mikrobioroboter aus einer Mischung von Spermien und Mikroröhrchen genutzt werden kann. Weiterhin werden zwei Oberflächenmodifizierungsmethoden angewandt um die Kupplungseffizienz zwischen Mikroröhrchen und Spermien zu erhöhen. In diesen Methoden wird das extrazelluläre Protein Fibronektin auf die innere Röhrchenoberfläche aufgebracht und dient als Bindungsstoff für Spermien. Schließlich wird durch den Einbau temperatursensitiver Material in die Mikroröhrchen ein ferngesteuerter Freisetzungsmechanismus für die Spermazelle vorgestellt. Dabei falten sich die Mikroröhrchen bei kleinen Temperaturerhöhungen auf und setzen die Zelle frei. Diese Arbeit diskutiert letztendlich das Potential solch eines hybriden Mikroschwimmers für die Anwendung in assistierter Reproduktion. / The search for autonomously moving, highly functional and controllable microdevices is a purpose of current micro/nanobiotechnology research, especially in the area of biomedical applications, for which reason, biocompatible solutions are in demand. In this thesis, a novel type of hybrid microswimmer is fabricated by the combination of rolled up thin nanomembranes with bovine spermatozoa. The microbiorobot presented here uses the powerful motion of the sperm flagella as a propulsion source for the magnetic microtube. This work demonstrates how the microswimmer performs its motion and how several factors such as temperature, radius of the microtube, penetration of the cell inside the microtube and length of the tube have influence on its performance. Directional control mechanisms are offered by external magnetic fields and are presented to be useful for the on-chip separation of the microbiorobots from a mixture of cells and microtubes. Two surface modification methods are presented as means to improve the coupling efficiency between the microtubes and the sperm cells. By these surface functionalizations, the extracellular matrix protein fibronectin is attached on the inner microtube walls and serves as binding agent for the spermatozoa. Finally, a remote release mechanism for the sperm cells is demonstrated by the incorporation of thermoresponsive material into the microtubes, which makes them fold and unfold upon small temperature changes. This work discusses the potential of such microswimmers for the application in assisted reproduction techniques and gives an outlook on future perspectives.

Hybride Mikroschwimmer, die einen biologischen Antrieb und eine künstlich hergestellte Mikrostruktur enthalten sind ein attraktiver Ansatz um kontrollierte Bewegung auf kleinstem Maßstab zu erreichen. In dieser Dissertation wird ein neuer hybrider Mikroschwimmer vorgestellt, der aus ferromagnetischen Nanomembranen besteht, die sich zu Mikroröhrchen aufrollen und in der Lage sind, einzelne Spermien einzufangen. Dieser Mikrobioroboter nutzt die starke Antriebskraft der Spermazelle um das magnetische Mikroröhrchen fortzubewegen. Die vorliegende Arbeit beschreibt, wie dieser Mikroschwimmer seine Bewegung vollzieht und wie verschiedene Faktoren wie Temperatur, Radius der Mikroröhrchen, Eindringtiefe der Spermien in das Röhrchen und Länge der Röhrchen einen Einfluss auf sein Verhalten haben. Richtungskontrolle wird durch externe magnetische Felder realisiert und es wird dargestellt, wie dies zur Trennung der Mikrobioroboter aus einer Mischung von Spermien und Mikroröhrchen genutzt werden kann. Weiterhin werden zwei Oberflächenmodifizierungsmethoden angewandt um die Kupplungseffizienz zwischen Mikroröhrchen und Spermien zu erhöhen. In diesen Methoden wird das extrazelluläre Protein Fibronektin auf die innere Röhrchenoberfläche aufgebracht und dient als Bindungsstoff für Spermien. Schließlich wird durch den Einbau temperatursensitiver Material in die Mikroröhrchen ein ferngesteuerter Freisetzungsmechanismus für die Spermazelle vorgestellt. Dabei falten sich die Mikroröhrchen bei kleinen Temperaturerhöhungen auf und setzen die Zelle frei. Diese Arbeit diskutiert letztendlich das Potential solch eines hybriden Mikroschwimmers für die Anwendung in assistierter Reproduktion.:TABLE OF CONTENTS SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 0 ABSTRACT 1 TABLE OF CONTENTS 3 1 MOTIVATION AND GOALS 5 1.1 MINIATURIZATION: “THERE IS PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM…” 5 1.2 SPERMBOTS: POTENTIAL IMPACT 7 2 BACKGROUND AND STATE-OF-THE-ART 11 2.1 MICROBIOROBOTICS 11 2.2 SPERM MORPHOLOGY AND THEIR JOURNEY TO THE EGG 15 2.3 INFERTILITY AND ASSISTED REPRODUCTION TECHNIQUES 19 2.4 SINGLE CELL RELEASE 22 2.5 STIMULI-RESPONSIVE MATERIALS 25 3 MATERIAL AND METHODS 29 3.1 ROLLED UP TECHNOLOGY 29 3.2 TREATMENT OF BOVINE SPERMATOZOA 32 3.2.1 Preparation of Spermbots 32 3.2.2 Speed Measurements 33 3.2.3 Separation On Chip 33 3.3 SURFACE MODIFICATION OF MICROTUBES 34 3.3.1 Surface Chemistry 35 3.3.2 Microcontact printing 39 3.4 POLYMER TUBE FABRICATION 44 3.4.1 Synthesis of photosensitive monomer 4-Acryloylbenzophenone 44 3.4.2 Synthesis of poly (N-isopropylacrylamide-co-Acryloylbenzophenone) 46 3.4.3 Photolithography of polymeric films 48 3.5 VIABILITY TESTS 51 4 RESULTS AND DISCUSSION 53 4.1 CHARACTERIZATION OF SPERMBOTS 55 4.2 TEMPERATURE INFLUENCE 60 4.3 MAGNETIC CONTROL 62 4.4 SEPARATION ON CHIP 68 4.5 EFFECT OF DECREASED MICROTUBE LENGTH 72 4.6 COUPLING EFFICIENCY 74 4.7 THERMORESPONSIVE POLYMERIC MICROTUBES FOR CELL RELEASE 80 4.8 SPERM VIABILITY TESTS 94 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS 97 6 OUTLOOK 101 7 LIST OF FIGURES 107 8 LIST OF TABLES 113 9 ABBREVIATIONS 115 10 CURRICULUM VITAE 117 11 LIST OF PUBLICATIONS 119 JOURNAL ARTICLES 119 CONTRIBUTIONS TO COLLECTED EDITIONS/PROCEEDINGS 121 12 ACKNOWLEDGEMENTS 123 13 REFERENCES 125 / The search for autonomously moving, highly functional and controllable microdevices is a purpose of current micro/nanobiotechnology research, especially in the area of biomedical applications, for which reason, biocompatible solutions are in demand. In this thesis, a novel type of hybrid microswimmer is fabricated by the combination of rolled up thin nanomembranes with bovine spermatozoa. The microbiorobot presented here uses the powerful motion of the sperm flagella as a propulsion source for the magnetic microtube. This work demonstrates how the microswimmer performs its motion and how several factors such as temperature, radius of the microtube, penetration of the cell inside the microtube and length of the tube have influence on its performance. Directional control mechanisms are offered by external magnetic fields and are presented to be useful for the on-chip separation of the microbiorobots from a mixture of cells and microtubes. Two surface modification methods are presented as means to improve the coupling efficiency between the microtubes and the sperm cells. By these surface functionalizations, the extracellular matrix protein fibronectin is attached on the inner microtube walls and serves as binding agent for the spermatozoa. Finally, a remote release mechanism for the sperm cells is demonstrated by the incorporation of thermoresponsive material into the microtubes, which makes them fold and unfold upon small temperature changes. This work discusses the potential of such microswimmers for the application in assisted reproduction techniques and gives an outlook on future perspectives.:TABLE OF CONTENTS SELBSTSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG 0 ABSTRACT 1 TABLE OF CONTENTS 3 1 MOTIVATION AND GOALS 5 1.1 MINIATURIZATION: “THERE IS PLENTY OF ROOM AT THE BOTTOM…” 5 1.2 SPERMBOTS: POTENTIAL IMPACT 7 2 BACKGROUND AND STATE-OF-THE-ART 11 2.1 MICROBIOROBOTICS 11 2.2 SPERM MORPHOLOGY AND THEIR JOURNEY TO THE EGG 15 2.3 INFERTILITY AND ASSISTED REPRODUCTION TECHNIQUES 19 2.4 SINGLE CELL RELEASE 22 2.5 STIMULI-RESPONSIVE MATERIALS 25 3 MATERIAL AND METHODS 29 3.1 ROLLED UP TECHNOLOGY 29 3.2 TREATMENT OF BOVINE SPERMATOZOA 32 3.2.1 Preparation of Spermbots 32 3.2.2 Speed Measurements 33 3.2.3 Separation On Chip 33 3.3 SURFACE MODIFICATION OF MICROTUBES 34 3.3.1 Surface Chemistry 35 3.3.2 Microcontact printing 39 3.4 POLYMER TUBE FABRICATION 44 3.4.1 Synthesis of photosensitive monomer 4-Acryloylbenzophenone 44 3.4.2 Synthesis of poly (N-isopropylacrylamide-co-Acryloylbenzophenone) 46 3.4.3 Photolithography of polymeric films 48 3.5 VIABILITY TESTS 51 4 RESULTS AND DISCUSSION 53 4.1 CHARACTERIZATION OF SPERMBOTS 55 4.2 TEMPERATURE INFLUENCE 60 4.3 MAGNETIC CONTROL 62 4.4 SEPARATION ON CHIP 68 4.5 EFFECT OF DECREASED MICROTUBE LENGTH 72 4.6 COUPLING EFFICIENCY 74 4.7 THERMORESPONSIVE POLYMERIC MICROTUBES FOR CELL RELEASE 80 4.8 SPERM VIABILITY TESTS 94 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS 97 6 OUTLOOK 101 7 LIST OF FIGURES 107 8 LIST OF TABLES 113 9 ABBREVIATIONS 115 10 CURRICULUM VITAE 117 11 LIST OF PUBLICATIONS 119 JOURNAL ARTICLES 119 CONTRIBUTIONS TO COLLECTED EDITIONS/PROCEEDINGS 121 12 ACKNOWLEDGEMENTS 123 13 REFERENCES 125