Microgel characterization across interfaces: from adsorption on solid interfaces to cellular uptake

Babenyshev, Andrey; Crassous, Jérôme Joseph Emile; Richtering, Walter

doi:HT031409424

Microgel characterization across interfaces: from adsorption on solid interfaces to cellular uptake = Mikrogel-Charakterisierung an Grenzflächen: von der Adsorption an festen Grenzflächen zur zellulären Aufnahme

Babenyshev, Andrey^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andrey Babenyshev, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Richtering, Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Crassous, Jérôme Joseph Emile (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-02-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01864
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1028787/files/1028787.pdf

Einrichtungen

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Endozytose (frei) ; Grenzflächen (frei) ; Mikrogele (frei) ; Rasterkraftmikroskopie (frei) ; atomic force microscopy (frei) ; endocytosis (frei) ; interfaces (frei) ; microgels (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Poly(N-Isopropylacrylamid) (PNIPAM)-Mikrogele stellen eine vielseitige Klasse weicher Nanoträger mit erheblichem Potenzial für biomedizinische Anwendungen dar, insbesondere in Wirkstofffreisetzungssystemen. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den physikochemischen Eigenschaften von Mikrogelen und ihrem Verhalten an verschiedenen Grenzflächen – von festen Oberflächen bis zu biologischen Membranen – sind jedoch noch unzureichend verstanden. Diese Arbeit untersucht systematisch die Charakterisierung von Mikrogelen an mehreren Grenzflächen und etabliert entscheidende Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, die sowohl die Oberflächenadsorption als auch zelluläre Wechselwirkungen bestimmen. Wenn Mikrogele an Grenzflächen adsorbieren, unterliegen sie einer ausgedehnten Verformung und lateralen Spreizung, um ungünstige Kontakte zu minimieren und gleichzeitig die Grenzfläche mit Polymerketten zu maximieren. Dieser Prozess wird besonders komplex für Mikrogele mit anspruchsvollen Architekturen, bei denen hohle Hohlräume, starre Kerne oder anisotrope Formen zusätzliche mechanische Zwangsbedingungen einführen, die ihr Grenzflächenverhalten grundlegend verändern. Die Rasterkraftmikroskopie erweist sich als leistungsfähiges Werkzeug zur Untersuchung dieser Verformungsprozesse und ermöglicht die Charakterisierung mechanischer Eigenschaften im Nanometerbereich unter physiologisch relevanten Bedingungen, während sie gleichzeitig dreidimensionale Verteilungen der Steifigkeit in einzelnen Partikeln abbildet. Diese Arbeit untersucht systematisch, wie kleine sphärische hohle Mikrogele, große anisotrope hohle und Kern-Schale-Mikrogele sich während der Adsorption verhalten und wie Hohlraumbildung, Formanisotropie und eingeschränkte Verformung einzigartige mechanische Landschaften schaffen. Das Grenzflächenverhalten von Mikrogelen dient zudem als prädiktives Werkzeug für die zelluläre Aufnahmefähigkeit. AFM-Kraftspektroskopie-Messungen an oberflächenadsorbierten Mikrogelen zeigen eine bemerkenswerte Korrelation zwischen mechanischen Eigenschaften und zellulärem Internalisierungsverhalten unter Verwendung von HEK293T-Zellen. Ein normalisierter Parameter der „relativen Eindringtiefe" identifiziert drei Gruppen: schnelle Aufnahme (hochverformbare Partikel), mittlere Aufnahme (mäßig verformbare Systeme) und keine Aufnahme (starre große Mikrogele). Bemerkenswerterweise zeigen große, extrem schwach vernetzte Mikrogele (>1 μm Durchmesser) erfolgreiche zelluläre Internalisierung mit der schnellsten beobachteten Internalisierungszeit. Post-Internalisierungsstudien zeigen, dass sich kleine Mikrogele progressiv in Lysosomen anreichern (>75 % nach 4 Stunden), ohne die Aktin-Zytoskelett-Organisation signifikant zu stören. Diese Erkenntnisse belegen die Perspektive der Verwendung von Mikrogelen in biomedizinischen Anwendungen in Verbindung mit leistungsfähiger AFM-Charakterisierung.

Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels represent a versatile class of soft nanocarriers with significant potential for biomedical applications, particularly in drug delivery systems. However, the fundamental relationships between microgel physicochemical properties and their behavior at different interfaces—from solid surfaces to biological membranes—remain poorly understood. This thesis systematically investigates microgel characterization across multiple interfaces, establishing crucial structure-property relationships that govern both surface adsorption and cellular interactions. When microgels adsorb at interfaces, they undergo extensive deformation and lateral spreading to minimize unfavorable contacts while maximizing interfacial area with polymer chains. This process becomes particularly complex for microgels with sophisticated architectures, where hollow cavities, rigid cores, or anisotropic shapes introduce additional mechanical constraints and heterogeneities that fundamentally alter their interfacial behavior. Atomic force microscopy emerges as a uniquely powerful tool for investigating these complex deformation processes, enabling nanoscale characterization of mechanical properties under physiologically relevant conditions while simultaneously mapping three- dimensional distributions of stiffness throughout individual particles. The technique’s ability to probe local resistance to deformation provides unprecedented insights into how internal architecture translates into interfacial mechanical signatures. This work systematically examines how small spherical hollow microgels, large anisotropic hollow and core-shell microgels behave during adsorption. The investigations demonstrate how cavity formation, shape anisotropy, and constrained deformation combine to create unique mechanical landscapes that govern adsorption and structure properties. Moreover, the interfacial behavior of microgels serves as a predictive tool for cellular uptake ability. AFM force spectroscopy measurements on surface-adsorbed microgels reveal a remarkable correlation between mechanical properties and cellular internalization behavior using HEK293T cells as a model system. A normalized "relative indentation" parameter successfully predicts cellular uptake across diverse microgel types, identifying three distinct groups: fast uptake (highly deformable particles), intermediate uptake (moderately deformable systems), and no uptake (rigid large microgels). Remarkably, large ultra-low cross-linked microgels (>1 µm diameter) demonstrate successful cellular internalization despite exceeding typical size thresholds, with the fastest internalization time observed across all systems. Additional Post-internalization studies reveal that small microgels progressively accumulate in lysosomes (>75% after 4 hours) without significantly disrupting actin cytoskeleton organization, though modest changes in microtubule network architecture were observed. These findings prove the perspective of usage of microgels in biomedical application especially accompanied with powerful AFM characterization.

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