DNA-functionalised microgels: super-resolution fluorescence imaging and photolithographic strategy for their targeted immobilisation

Lenßen, Pia; Wöll, Dominik; Simon, Ulrich

doi:HT031321207

DNA-functionalised microgels: super-resolution fluorescence imaging and photolithographic strategy for their targeted immobilisation = DNA-funktionalisierte Mikrogele: Superauflösende Fluoreszenzbildgebung und photolithographische Strategie zu ihrer gezielten Immobilisierung

Lenßen, Pia^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Pia Lenßen, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wöll, Dominik (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-05-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-09417
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1021040/files/1021040.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
AFM (frei) ; DNA (frei) ; SRFM (frei) ; microgels (frei) ; microscopy (frei) ; photolithography (frei) ; super-resolution (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die Dissertation entstand im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 985 für “Funktionelle Mikrogele und Mikrogelsysteme” und beschäftigt sich mit der Struktur von bio-hybriden Mikrogelen und einer Methodik zu deren Zusammenstellung in zweidimensionalen Überstrukturen. Die dabei zum Einsatz kommenden, wesentlichen analytischen Methoden sind Fluoreszenzmikroskopie, insbesondere superauflösende Fluoreszenzmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Kernspinresonanzspektroskopie. Des Weiteren zum Einsatz kommen Absorptionsspektroskopie im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich sowie Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Eines der vorgestellten Projekte beinhaltet die Strukturaufklärung von bio-hybriden Mikrogelen mit Kern-Schale Kompartimentierung. Hierbei wird mit verschiedenen Methoden der superauflösenden Fluoreszenzmikroskopie nicht nur die Ausbreitung des Kernpolymers in die Schale nachgewiesen, sondern auch die Beeinträchtigung der Diffusion verschiedenartiger Moleküle gezeigt (hydrophile Oligonukleotide sowie hydrophobe Fluoreszenzfarbstoffe). Zudem wird eine fortgeschrittene rasterkraftmikroskopische Technik in Flüssigkeit für Mikrogele erstmals mit superauflösender Fluoreszenzmikroskopie kombiniert. Es wird ein optimierter Prozess zur Sammlung der Daten an identischen Mikrogelen vorgestellt. Dabei zeigt sich die Konsistenz der Ergebnisse beider Mikroskopiemethoden hinsichtlich Größe und Form. Des Weiteren wird in dem zweiten vorgestellten Projekt die gezielte Anordnung und Immobilisierung von Mikrogelen auf einer Oberfläche mittels lithographischer Methoden thematisiert. Die individuelle Betrachtung der Photolithographie als Teilprozess eines größeren Projekts wird durch die Synthese eines photolabilen, funktionellen Moleküls und dessen Immobilisierung auf einer molekularen Monolage ermöglicht. Mittels eines Lasers werden verschiedene Strukturen zur Evaluierung der Größenlimitierung bei punktueller Bestrahlung erstellt und mittels Fluoreszenzmikroskopie abgebildet, sodass ein minimaler Radius von 350 nm festgestellt werden kann. Weiterhin wird die Möglichkeit multifunktionaler Strukturen verifiziert durch abwechselnde Bestrahlung und Markierung mit Fluoreszenzfarbstoffen. Diese Arbeit erweitert das Verständnis bio-hybrider Mikrogele und stellt neue Methoden zu deren Strukturanalyse und räumlichen Anordnung vor, mit potenziellen Anwendungen in der Biomaterialforschung und Nanotechnologie.

This dissertation, developed as part of the Collaborative Research Center (CRC) 985 on “Functional Microgels and Microgel Systems”, explores the structure of bio-hybrid microgels and the methodology for assembling them into two-dimensional superstructures. Key analytical techniques employed include fluorescence microscopy, particularly super-resolution fluorescence microscopy, atomic force microscopy, and nuclear magnetic resonance spectroscopy. Additional methods such as UV-Vis absorption spectroscopy and scanning transmission electron microscopy are also utilized. One of the presented projects focuses on elucidating the structure of bio-hybrid microgels with a core-shell compartmentalization. Using various super-resolution fluorescence microscopy techniques, the study demonstrates the spread of core polymer into the shell while highlighting how diffusion of different types of molecules (hydrophilic oligonucleotides and hydrophobic fluorescent dyes) is hindered. Moreover, an advanced atomic force microscopy technique in liquid is combined with super-resolution fluorescence microscopy for the first time. An optimized process for collecting data from identical microgels is presented. The results reveal consistency between the two microscopy methods in terms of size and shape measurements. The second project addresses the targeted arrangement and immobilization of microgels on surfaces using lithographic techniques. Photolithography is explored as a subprocess within a larger framework through the synthesis and immobilization of a photolabile functional molecule on a molecular monolayer. Laser-based irradiation is used to create various structures, allowing for an evaluation of size limitations. Fluorescence microscopy reveals that a minimum radius of 350 nm can be achieved. Furthermore, the study confirms the feasibility of creating multifunctional structures through alternating cycles of irradiation and fluorescent dye labelling. This work advances our understanding of bio-hybrid microgels and provides new methodologies for their structural analysis and spatial arrangement, offering potential applications in biomaterials and nanotechnology.

OpenAccess:
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