Microfluidics Applications: Modelling of Artificial Synaptic Communications and Interactions of Unsupported Artificial Lipid Membranes

Abstract

In this work, we present new microfluidic schemes for studying the formation of free-standing artificial lipid membranes. Using these schemes single and double free-standing lipid membranes can be produced, which are easily accessible for optical and electrophysiological measurements. We have applied these schemes to study certain interactions between nanoparticles, oils, ions and proteins with lipid membranes. We studied the interaction of apatite nanoparticles with artificial membrane. These nanoparticles are being introduced to red blood cells with Trehalose to be used for cryopreservation. Also, we studied the effect of silicone oil on membrane tension and gramicidin A insertion and functionality on lipid membranes; we have found that addition of 5 and 10% of silicone oil is decreasing membrane tension and increase the conductance of certain monovalent ions. We have found that the addition of CoQ10 to our artificial lipid membrane is increasing the membrane tension and as a result it is decreasing the fluidity of such membrane. Using a modified version of the microfluidic setup we could produce two free-standing lipid membranes facing each other with the possibility to change the buffer content without disrupting the two lipid membranes. We inserted gramicidin A ion channels to both (pre- and post-synaptic) membranes and later we blocked these channels with calcium ions in only the presynaptic-like membrane.

In dieser Arbeit werden neue mikrofluidische Methoden zur Untersuchung von freistehenden künstlichen Lipidmembranen vorgestellt. Mit Hilfe dieser Methoden können einzelne und doppelte Membranen hergestellt werden, die für optische und elektrophysiologische Messungen gut zugänglich sind. Diese Methoden wurden zur Untersuchung besonderer Interaktionen zwischen Nanopartikeln, Ölen, Ionen und Proteinen mit Lipidmembranen verwendet. Der Mechanismus von Apatit-Nanopartikel unterstützter Aufnahme von Trehalose in rote Blutkörperchen zur Kryokonservierung konnte anhand Modellsystemen untersucht werden. Auch haben wir die Wirkung von Silikonöl auf die Membranspannung und Gramicidin A Einfügung und Funktionalität auf Lipidmembranen untersucht und festgestellt, dass die Zugabe von 5 und 10% Silikonöl die Membranspannung verringert und die Leitfähigkeit für bestimmte monovalente Ionen erhöht. Wir haben festgestellt, dass die Zugabe von CoQ10 zu unserer künstlichen Lipidmembran die Membranspannung erhöht und dadurch die Fluidität dieser Membran verringert. Mit einem modifizierten mikrofluidischen Aufbau konnten zwei freistehende sich gegenüber liegende Lipidmembranen erzeugt werden, mit der Möglichkeit, den Pufferinhalt zu ändern, ohne die beiden Lipidmembranen zu zerstören. Wir haben Gramicidin A-Ionenkanäle in beide (prä- und postsynaptische) Membranen eingefügt und später diese Kanäle in der präsynaptische Membran durch Kalziumionen blockiert.