Unraveling the impact of subsurface and surface properties of a material on biological adhesion - a multi-scale approach

Abstract

Understanding the adhesion of biological objects to inorganic surfaces is an important research objective in physics and the life sciences. To characterize biological adhesion, most studies describe a substrate solely by its surface properties; the composition of the material beneath the surface is frequently overlooked. That way, long-range van der Waals (vdW) interactions are disregarded. This work reveals that biological objects of all scales—nanoscopic proteins, microscopic bacteria, and macroscopic geckos—are influenced by nanoscale differences in the interface potential. By using tailored silicon wafers with a variable silicon oxide layer thickness, the vdW part of the interface potential is tuned independently from the surface properties. By modifying the wafers with silane monolayers, the surface chemistry can be varied separately as well. On these model substrates, adsorption and adhesion experiments were performed. Protein adsorption was investigated by in situ X-ray reflectometry, bacterial adhesion was explored via AFM force spectroscopy with bacterial probes, and gecko adhesion was characterized using a mechanical testing platform. Moreover, this work investigates whether or not bacterial adhesion is influenced by changes in surface properties such as the fluoridation of artificial teeth or contact-induced rearrangements in the bacterial cell wall and whether or not a reduction of the peptidoglycan crosslinking affects the elasticity of the bacterial cell wall.

Das Verständnis der Adhäsion biologischer Objekte an anorganischen Materialien ist ein wichtiges Forschungsziel in der Physik und den Lebenswissenschaften. Um biologische Adhäsion zu beschreiben, berücksichtigen viele Studien lediglich die Eigenschaften der Oberfläche; die Materialzusammensetzung unterhalb der Oberfläche wird häufig übersehen. Langreichweitige Van der Waals (VdW)-Kräfte werden somit vernachlässigt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass Unterschiede im Grenzflächenpotential einen Einfluss auf biologische Objekte (Proteine, Bakterien, Geckos) haben. Mithilfe von Siliziumwafern mit unterschiedlich dicken Oxidschichten wird der VdW-Anteil des Grenzflächenpotentials unabhängig von den Oberflächeneigenschaften variiert. Durch Funktionalisierung der Wafer mit einer Silan-Monolage wird auch die Oberflächenchemie gesondert verändert. Auf diesen Modelloberflächen wurden Adhäsions- und Adsorptionsexperimente durchgeführt. Dabei wurde die Proteinadsorption mittels in situ Röntgenreflektometrie, die Bakterienadhäsion mittels AFM-Kraftspektroskopie mit Bakteriensonden und die Geckoadhäsion mittels einer mechanischen Testplattform charakterisiert. Zudem wurde in der vorliegenden Arbeit ermittelt, inwiefern Veränderungen der Oberfläche, wie die Fluorierung von künstlichen Zähnen oder Umordnungen in der bakteriellen Zellwand, die Bakterienadhäsion beeinflussen und inwiefern eine verringerte Quervernetzung der bakteriellen Zellwand deren Elastizität verändert.