Bacterial Adhesion: Mechanisms and Variability in Single-Cell Adhesion

Abstract

Die bakterielle Adhäsion und Biofilmbildung auf Implantatoberflächen stellt die moder- ne Medizin vor Herausforderungen wie Komplikationen durch Implantatversagen und Biofilm-assoziierte Infektionen. Die Biofilmbildung beginnt mit der Adhäsion von ersten Bakterienzellen auf einer Oberfläche. Diese Arbeit befasst sich mit Strategien zur Re- duzierung der Adhäsion von Staphylococcus aureus. Hierzu werden Einflussfaktoren wie Oberflächenrauheit auf der Nanometerskala, Oberflächenchemie und hydrophobe Eigen- schaften sowie die Funktionalisierung mit biologischen Flüssigkeiten wie Blutplasma und Speichel untersucht. Als Test-Oberflächen wurden Silizium, Hydroxylapatit, Zahnschmelz und Titan verwendet. Neben diesen Modifikationen wurde untersucht, wie sich Merkmale einzelner Bakterienzelle auf die Adhäsionskraft auswirken, wobei der Schwerpunkt auf dem Alter der Zellwand und Bereichen mit unterschiedlicher Adhäsionsfähigkeit auf der Zellwand liegt. Zur Quantifizierung der Adhäsionskräfte wurde die auf Rasterkraftmi- kroskopie (AFM) basierende Einzelzell-Kraftspektroskopie (SCFS) eingesetzt, während für die Zellcharakterisierung konfokale Fluoreszenzmikroskopie und AFM-Bildgebung verwendet wurden.

Bacterial adhesion and biofilm formation on implant surfaces is a major challenge in modern medicine, often leading to severe complications like implant failures and biofilm- associated infections. Biofilm formation begins with the initial adhesion of bacterial cells. This thesis explores strategies to reduce adhesion of Staphylococcus aureus by modifying surface features such as nanoscale roughness, chemistry, and hydrophobicity, alongside functionalisation with biological fluids like blood plasma and saliva. Surfaces of interest include silicon, hydroxyapatite, enamel, and titanium. Additionally, the thesis investigates how features of the bacterial cell impact adhesion strength, focussing on cell wall age and regions of different adhesion capability on the cell wall. Atomic force microscopy based single-cell force spectroscopy (SCFS) was employed to quantify adhesion forces, while confocal fluorescence microscopy and atomic force microscopy imaging were used for cell characterisation.