Biomimetic Structuring of Silicones for Cell Control and Strain-Stiffening

Timmermann, Michael

In the first part of this thesis research, an artificial extra-cellular matrix formed the basis for experiments with a pathogenic species of amoeba, Acanthamoeba castellanii. In order to find new therapeutic approaches to fighting diseases caused by this species, the migratory behavior of Acanthamoeba castellanii in micro-pillar structures made of silicone, which were used to mimic the confined environment of an extra-cellular matrix, was explored. For the experiments, amoebae ingested microparticles of varying shapes. While it was found that sphere-shaped particles with a diameter smaller than the distance between the micro-pillars did not impact migration behavior, absorption of larger particles by Acanthamoeba castellanii caused migration to be strongly reduced. However, in some instances, it appeared that Acanthamoeba castellanii was nonetheless able to successfully navigate the pillar structures. These observations could serve as a basis for developing methods aimed at capturing amoebae before they can enter the human body. In the second part of this thesis, the focus was on developing a material with specific mechanical properties geared at mimicking an intra-cellular effect, namely the cross-linking of fibers within the cytoskeleton as a reaction to deformation of the cell and thereby increasing its stiffness. Emulating this effect, a strain-stiffening material was developed using a flexible, slat-structured silicone. When the material is elongated, these slats touch, thereby leading to a stiffening of the material. Employing finite element analysis, the degree to which various geometrical factors of the structure and friction between the slats affect the material’s stiffening behavior was examined, and the results were verified using tensile tests. The structure that resulted from my efforts yields a stiffening behavior that is material-independent, speed-independent and reversible, and that occurs also when the material is elongated.

Eine künstliche extrazelluläre Matrix war die Basis für Experimente mit der pathogenen Amöbenspezies Acanthamoeba castellanii im ersten Teil der Arbeit. Auf der Suche nach neuartigen therapeutischen Ansätzen gegen Krankheiten, die von dieser Spezies verursacht werden, wurde deren Migrationsverhalten in mikrostrukturieren Säulenstrukturen aus flexiblem Silikon, die die beengende Umgebung der extrazellulären Matrix darstellen sollten, untersucht. Im Rahmen der Experimente haben die Amöben Mikropartikel mit verschiedenen Geometrien aufgenommen. Kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser, der kleiner als der Abstand zwischen den Säulen ist, beeinflussten die Migration in den Strukturen nicht. In den Fällen, in denen Acanthamoeba castellanii größere Partikel aufgenommen hat, war die Migration in den Strukturen stark reduziert. In einigen Fällen konnten jedoch alternative Herangehensweisen beobachtet werden, die trotzdem Migration durch die Säulenstrukturen erlaubten. Die Imitation eines intrazellulären Effektes war die Grundlage für die Entwicklung eines Materials mit definierten mechanischen Eigenschaften im zweiten Teil der Arbeit. Die Fähigkeit von Zellen, als Reaktion auf eine Deformation Fasern im Zytoskelett zu vernetzen und somit ihre Steifigkeit zu erhöhen, wurde in dehnungsversteifenden Materialien nachgestellt. Es wurde eine Struktur aus flexiblem Silikon entwickelt, die eine Lamellenstruktur enthält. Diese Lamellen berühren sich im Fall einer Elongation des Materials und führen zu einer Versteifung des Materials. Es wurde mit Hilfe von Finite Elemente Analysen der Einfluss sowohl diverser geometrische Faktoren der Struktur, als auch der Reibung zwischen den Lamellen auf das Versteifungsverhalten des Materials untersucht. Die Ergebnisse wurden mit Hilfe von realen Zugversuchen verifiziert. Die entwickelte Struktur bietet ein materialunabhängiges, geschwindigkeitsunabhängiges, reversibles Versteifungsverhalten, das zudem auch bei einer Elongation des Materials auftritt.

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Timmermann, Michael: Biomimetic Structuring of Silicones for Cell Control and Strain-Stiffening. 2018.

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