The effect of various pH, ionic strength and temperature on papain hydrolysis of salivary film

Stimulated human whole saliva (WS) was used to study the dynamics of papain hydrolysis at defined pH, ionic strength and temperature with the view of reducing an acquired pellicle. A quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) was used to monitor the changes in frequency due to enzyme hydrolysis of WS films and the hydrolytic parameters were calculated using an empirical model. The morphological and conformational changes of the salivary films before and after enzymatic hydrolysis were characterized by atomic force microscopy (AFM) imaging and grazing angle infrared spectroscopy (GA-FTIR) spectra, respectively. The characteristics of papain hydrolysis of WS films were pH-, ionic strength- and temperature-dependent. The WS films were partially removed by the action of enzyme, resulting thinner and smoother surfaces. The IR data suggested that hydrolysis-induced deformation did not occur onto the remnants salivary films. The processes of papain hydrolysis of WS films can be controlled by properly regulating pH, ionic strength and temperature.

Effectiveness of cysteine proteases on protein/pigment film removal

Objective: Theaflavin (TF) from the black tea can react to human salivary proline-rich proteins (PRPs) to form stains on exposed dental surfaces. Here, we employed a model of protein/pigment film using TF and dephosphorylated bovine b-casein (Db-CN), which has an extended conformation, similar to that of salivary PRPs, on a sensor surface to assess the efficacy of cysteine proteases (CPs) including papain, stem bromelain, and ficin, on removing TF bound to Db-CN and the control TF readsorption on the residual substrate surfaces was also measured. Methods: The protein/pigment complex film was built by using a quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D). The efficacies of CPs were assessed by Boltzman equation model. The surface details were detected by grazing angle infrared spectroscopy spectra, atomic force microscopy images, and contact angles. Results: The efficacy order of CPs on hydrolyzing protein/pigment complex film is ficin > papain > bromelain. The results from grazing angle infrared spectroscopy spectra, atomic force microscopy images, and contact angles demonstrated that TF bound on the Db- CN was effectively removed by the CPs, and the amount of TF readsorption on both the residual film of the Db-CN/TF and the Db-CN was markedly decreased after hydrolysis. Conclusion: This study indicates the potential application of the CPs for tooth stain removal and suggests that these enzymes are worthy of further investigation for use in oral healthcare.

Mechanistic details of the membrane perforation and passive translocation of TAT peptides

The trans-activator of transcription (TAT) peptide is regarded as the “gold standard” for cell-penetrating peptides, capable of traversing a mammalian membrane passively into the cytosolic space. This characteristic has been exploited through conjugation of TAT for applications such as drug delivery. However, the process by which TAT achieves membrane penetration remains ambiguous and unresolved. Mechanistic details of TAT peptide action are revealed herein by using three complementary methods: quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D), scanning electrochemical microscopy (SECM) and atomic force microscopy (AFM). When combined, these three scales of measurement define that the membrane uptake of the TAT peptide is by trans-membrane insertion using a “worm-hole” pore that leads to ion permeability across the membrane layer. AFM data provided nanometre-scale visualisation of TAT punctuation using a mammalian-mimetic membrane bilayer. The TAT peptide does not show the same specificity towards a bacterial mimetic membrane and QCM-D and SECM showed that the TAT peptide demonstrates a disruptive action towards these membranes. This investigation supports the energy-independent uptake of the cationic TAT peptide and provides empirical data that clarify the mechanism by which the TAT peptide achieves its membrane activity. The novel use of these three biophysical techniques provides valuable insight into the mechanism for TAT peptide translocation, which is essential for improvements in the cellular delivery of TAT-conjugated cargoes including therapeutic agents required to target specific intracellular locations.

Real-Time Study of Genomic DNA Structural Changes upon Interaction with Small Molecules Using Dual-Polarization Interferometry

The structural changes of genomic DNA upon interaction with small molecules have been studied in real time using dual-polarization interferometry (DPI). Native or thermally denatured DNA was immobilized on the silicon oxynitride surface via a preadsorbed poly(ethylenimine) (PEI) layer. The mass loading was similar for both types of DNA, however, native DNA formed a looser and thicker layer due to its rigidity, unlike the more flexible denatured DNA, which mixed with PEI to form a denser and thinner layer. Ethidium bromide (EtBr), a classical intercalator, induced the large thickness decrease and density increase of native DNA (double-stranded), but a slight increase in both the thickness and density of denatured DNA (partial single-stranded).

Colloid probe AFM study of thermal collapse and protein interactions of poly(N-isopropylacrylamide) coatings

Graft coatings of poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) are of considerable interest for the reversible control of bio-interfacial interactions. In this study, graft coatings were prepared by free radical polymerisation from surface-bound polymerisable groups, on silicon wafers and quartz crystal microbalance (QCM) sensors. QCM with dissipation monitoring showed a gradual, extended phase change as the temperature increased. Colloid probe atomic force microscopy (CP-AFM) revealed a marked change in the compressibility of the coating below and above the lower critical solution temperature (LCST). Force curves showed an approximate 9-fold reduction in thickness between 24 °C and 38 °C, yet the collapsed coating at 38 °C still had a thickness significantly higher than the ellipsometrically determined dry thickness, indicating a residual extent of hydration above the LCST. At all temperatures, interaction force curves showed steric repulsion, though over different distances. There was little hysteresis between approach and retract force curves, which is evidence for almost instantaneous relaxation of the coating upon decompression. CP-AFM using a probe coated with bovine serum albumin (BSA) showed repulsive interactions with little approach/retraction hysteresis below the LCST, indicating lack of adhesion between the pNIPAM coating and the BSA-coated probe. In contrast, above the LCST the force curves on retraction were characteristic of adhesion, while the approach curves were still repulsive, and the adhesion increased in strength as the temperature was increased further beyond the LCST. Thus, QCM-D and CP-AFM data correlated well in showing a gradual nature of the phase transition and a concomitant gradual change in the interaction force with BSA.

Elucidation of carbohydrate molecular interaction mechanism of recombinant and native ArtinM

The quartz crystal microbalance (QCM) technique has been applied for monitoring the biorecognition of ArtinM lectins at low horseradish peroxidase glycoprotein (HRP) concentrations, using a simple kinetic model based on Langmuir isotherm in previous work.18 The latter approach was consistent with the data at dilute conditions but it fails to explain the small differences existing in the jArtinM and rArtinM due to ligand binding concentration limit. Here we extend this analysis to differentiate sugar-binding event of recombinant (rArtinM) and native (jArtinM) ArtinM lectins beyond dilute conditions. Equivalently, functionalized quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) was used as real-time label-free technique but structural-dependent kinetic features of the interaction were detailed by using combined analysis of mass and dissipation factor variation. The stated kinetic model not only was able to predict the diluted conditions but also allowed to differentiate ArtinM avidities. For instance, it was found that rArtinM avidity is higher than jArtinM avidity whereas their conformational flexibility is lower. Additionally, it was possible to monitor the hydration shell of the binding complex with ArtinM lectins under dynamic conditions. Such information is key in understanding and differentiating protein binding avidity, biological functionality, and kinetics. © 2013 American Chemical Society.

Estudo da afinidade das proteínas rTgMIC1 e rTgMIC4 da Toxoplasma gondii com fetuína e asialofetuína utilizando técnica piezelétrica

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Influences of the pH on the adsorption properties of an antimicrobial peptide on titanium surfaces

The adsorption behavior of the Tet-124 antimicrobial peptide and the Tet-124 peptide modified at the C- and N-terminus with the sequence glycine-3,4-dihydroxyphenylalanine-glycine (G-DOPA-G) on titanium surfaces was studied using quartz crystal micro balance with dissipation (QCM-D). At a low pH level (4.75) Tet-124 and Tet-124-G-DOPA-G form rigid layers. This is attributed to the electrostatic interactions of the positively charged lysine and arginine residues in the peptide sequence with the negatively charged titanium oxide layer. At an elevated pH level (6.9) Tet-124 shows a lower mass adsorption at the surface than Tet-124-G-DOPA-G. This is attributed to the interaction of the catechol due to the formation of complexes with the titanium oxide and titanium surface layer. The C terminal and N terminal modification with the sequence G-DOPA-G shows similar adsorption rate and mass adsorption coverage at saturation; however it is presented a more loosely layers on the G-DOPA-G-TeT-124. Fibroblast adhesion and the biocompatibility test of both the surfaces following modification with Tet-124-G-DOPA-G and the titanium alloy control showed similar results. In addition, no changes in the adhesion of E. coli bacteria due to the modification of the surface were detected.

Biomimese biologischer Membranen: Konzeptionierung, Synthese und biophysikalische Charakterisierung einer Hierarchie festkörpergestützter Mimikry biologischer Membranen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei neue Modelle zur funktionellen Mimiese biologischer Membranen im Bereich der Bionanotechnologie entwickelt. Um den Rahmen der notwendigen Faktoren und Komponenten für biomimetische Membranmodelle abzustecken, wurde das biologische Vorbild im Bezug auf Zusammensetzung, Organisation und Funktion analysiert. Die daraus abgeleiteten Erkenntnisse erlauben das Erreichen von biologisch relevanten Membranwiderständen im Bereich von mehreren MOhm cm2 und eine gute lokale Fluidität. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Hierachie unterschiedlich stark von der Festkörperoberfläche entkoppelter Membranen zur Vergrößerung des submembranen Raumes. Diese Ziele konnten realisiert werden. Das auf archaealen Etherlipiden basierende DPTL-System wurde analog dem biologischen Vorbild stereoselektiv synthetisiert und ist in der Lage die Membran bei maximaler Elongation des TEG-Spacers mit mehr als 2 nm von der Oberfläche zu entkoppeln. Die erzielten Wiederstände liegen im hohen ein- bis zweistelligen MOhm-Bereich, die Kapazität entspricht mit 0,5 µF cm-2 ebenfalls dem Wert biologischer Membranen. Die Membraneigenschaften wurden mit Hilfe von SPS, EIS, IR-Spektroskopie, QCM, AFM und Kontaktwinkelmessungen charakterisiert. Die Funktionalität und lokale Fluidität der DPTL-Membran konnte anhand des Valinomycin vermittelten K+-Transports über die Membran gezeigt werden. Fluide Elektroden oder laterale Verdünnung mit TEGL erlauben den Einbau größerer Ionenkanäle. Lipo-Glycopolymere (LGP) mit unterschiedlichen Kettenlängen wurden mit Hilfe der kontrollierten radikalischen Polymerisation mit einer PD < 1.2 synthetisiert. Es zeigte sich, daß die Vororientierung der LGPs auf dem LB-Trog, gefolgt von einem LB-Übertrag auf einen funktionalisierten Träger mit photoreaktivem SAM, nach Belichten des Systems zu einer verlässlichen kovalenten Anbindung der supramolekularen LGP-Architektur führt. Da die Lipo-Glycopolymerketten am Glycopolymerterminus nur mit oberflächennahen Repetiereinheiten an die photoaktivierte Oberfläche binden, sind sie in der Lage Oberflächenrauhigkeiten des Festkörpersubstrates auszugleichen. Die photochemische Immobilisierung von funktionell orientierten supramolekularen LGP-Architekturen auf Goldoberflächen resultiert in tBLMs mit großen vertikalen Enkopplungen der Membran von der Festkörperoberfläche (>8 nm). Der funktionelle Ionentransport von Kaliumionen durch Valinomycin zeigt eine ausreichende lokale Fluidität der Membran die mit einem guten Membranwiderstand (mehrere MOhm) kombiniert ist. Große Membran-Oberflächenentkopplungen konnten mit Hilfe plasmapolymerisierter elektrophiler Polymere erreicht werden. Filmdicken von 50 nm sind mit homogener Oberfläche und Rauhigkeiten im Bereich von Nanometern möglich. Das System zeigt interessante fluide Eigenschaften mit guten Erholungsraten bei FRAP-Experimenten (Diffusionskonstanten von etwa 17 mikro m2 s-1). Die elektrischen Eigenschaften liegen mit Widerständen von wenigen kOhm unterhalb der für gute Membranmimikrie notwendigen Werte. Erstmalig konnte gezeigt werden, daß mit Hilfe dieser Methode inerte Polymere/Plastikträger (zum Beispiel Polypropylen und TOPAS) in effizienter Weise kovalent mit reaktiven Polymeroberflächen modifiziert werden können (Anwendung als DNA-Chip ist beschrieben).

Self-assembly of focal point oligo-catechol ethylene glycol dendrons on titanium oxide surfaces: adsorption kinetics, surface characterization, and nonfouling properties

This work covers the synthesis of second-generation, ethylene glycol dendrons covalently linked to a surface anchor that contains two, three, or four catechol groups, the molecular assembly in aqueous buffer on titanium oxide surfaces, and the evaluation of the resistance of the monomolecular adlayers against nonspecific protein adsorption in contact with full blood serum. The results were compared to those of a linear poly(ethylene glycol) (PEG) analogue with the same molecular weight. The adsorption kinetics as well as resulting surface coverages were monitored by ex situ spectroscopic ellipsometry (VASE), in situ optical waveguide lightmode spectroscopy (OWLS), and quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D) investigations. The expected compositions of the macromolecular films were verified by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results of the adsorption study, performed in a high ionic strength ("cloud-point") buffer at room temperature, demonstrate that the adsorption kinetics increase with increasing number of catechol binding moieties and exceed the values found for the linear PEG analogue. This is attributed to the comparatively smaller and more confined molecular volume of the dendritic macromolecules in solution, the improved presentation of the catechol anchor, and/or their much lower cloud-point in the chosen buffer (close to room temperature). Interestingly, in terms of mechanistic aspects of "nonfouling" surface properties, the dendron films were found to be much stiffer and considerably less hydrated in comparison to the linear PEG brush surface, closer in their physicochemical properties to oligo(ethylene glycol) alkanethiol self-assembled monolayers than to conventional brush surfaces. Despite these differences, both types of polymer architectures at saturation coverage proved to be highly resistant toward protein adsorption. Although associated with higher synthesis costs, dendritic macromolecules are considered to be an attractive alternative to linear polymers for surface (bio)functionalization in view of their spontaneous formation of ultrathin, confluent, and nonfouling monolayers at room temperature and their outstanding ability to present functional ligands (coupled to the termini of the dendritic structure) at high surface densities.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Crystallization on the Mesoscale : Self-Assembly of Iron Oxide Nanocubes into Mesocrystals

Self-assembly of nanoparticles is a promising route to form complex, nanostructured materials with functional properties. Nanoparticle assemblies characterized by a crystallographic alignment of the nanoparticles on the atomic scale, i.e. mesocrystals, are commonly found in nature with outstanding functional and mechanical properties. This thesis aims to investigate and understand the formation mechanisms of mesocrystals formed by self-assembling iron oxide nanocubes. We have used the thermal decomposition method to synthesize monodisperse, oleate-capped iron oxide nanocubes with average edge lengths between 7 nm and 12 nm and studied the evaporation-induced self-assembly in dilute toluene-based nanocube dispersions. The influence of packing constraints on the alignment of the nanocubes in nanofluidic containers has been investigated with small and wide angle X-ray scattering (SAXS and WAXS, respectively). We found that the nanocubes preferentially orient one of their {100} faces with the confining channel wall and display mesocrystalline alignment irrespective of the channel widths.  We manipulated the solvent evaporation rate of drop-cast dispersions on fluorosilane-functionalized silica substrates in a custom-designed cell. The growth stages of the assembly process were investigated using light microscopy and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D). We found that particle transport phenomena, e.g. the coffee ring effect and Marangoni flow, result in complex-shaped arrays near the three-phase contact line of a drying colloidal drop when the nitrogen flow rate is high. Diffusion-driven nanoparticle assembly into large mesocrystals with a well-defined morphology dominates at much lower nitrogen flow rates. Analysis of the time-resolved video microscopy data was used to quantify the mesocrystal growth and establish a particle diffusion-based, three-dimensional growth model. The dissipation obtained from the QCM-D signal reached its maximum value when the microscopy-observed lateral growth of the mesocrystals ceased, which we address to the fluid-like behavior of the mesocrystals and their weak binding to the substrate. Analysis of electron microscopy images and diffraction patterns showed that the formed arrays display significant nanoparticle ordering, regardless of the distinctive formation process.  We followed the two-stage formation mechanism of mesocrystals in levitating colloidal drops with real-time SAXS. Modelling of the SAXS data with the square-well potential together with calculations of van der Waals interactions suggests that the nanocubes initially form disordered clusters, which quickly transform into an ordered phase.

Design of functional hybrid coatings with anti-biofouling, self-cleaning and anti-reflecting applications

263 p.