Morphology of cobalt ferrite nanoparticle-polyelectrolyte multilayered nanocomposites

Novel magnetic nanocomposite films with controlled morphology were produced via the electrostatic layer-by-layer assembly of cationic CoFe(2)O(4) nanoparticles and anionic poly(3,4-ethylenedioxy thiophene)/poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS) complex. The electrostatic interaction between nanoparticle and the polyelectrolyte complex ensured a stepwise growth of the nanocomposite film with virtually identical amounts of materials being adsorbed at each deposition cycle as observed by UV-vis spectroscopy. AFM images acquired under the tapping mode revealed a globular morphology with dense and continuous layers of nanoparticles with voids being filled with polymeric material. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Bioactive beads for local sensing of proteases in 3D engineered tissues

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Bioengenharia (MIT)

Formation of polyelectrolyte multilayers and polyelectrolyte complexes in dual polymer treatment of papermaking pulp

The goal of this study was to find a new approach to modify chemically the properties of paper by improving fiber quality. This Master’s thesis includes the multiple polymer treatment in general and themeasurement methods with which the formation of multilayers and complexes can be noticed. The treatment by an oppositely charged dual polymer system is a good approach to increase paper strength. In this work, starch, a cationic polymer, and carboxymethyl cellulose (CMC), an anionic polymer, were used step-by-step to improve paper strength. The adsorption of cationic starch and CMC on cellulose fibers were analyzed via polyelectrolyte titration. The results showed that paper strength was enhanced slightly with a layer-by-layer assembly of the polymers. However, if the washing stage, which was required for layer-by-layer assembly, was eliminated, the starch/CMC complex was deposited on fibers more efficiently, and the paper strength was improved more significantly.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Quartz crystal microbalance monitoring of density changes in mesoporous TiO2 phytate films during redox and ion exchange processes

Nanofilm deposits of TiO2 nanoparticle phytates are formed on gold electrode surfaces by 'directed assembly' methods. Alternate exposure of a 3-mercapto-propionic acid modified gold surface to (i) a TiO2 sol and (ii) an aqueous phytic acid solution (pH 3) results in layer-by-layer formation of a mesoporous film. Ru(NH3)(6)(3+) is shown to strongly adsorb/accumulate into the mesoporous structure whilst remaining electrochemically active. Scanning the electrode potential into a sufficiently negative potential range allows the Ru(NH3)(6)(3+) complex to be reduced to Ru(NH3)(6)(2+) which undergoes immediate desorption. When applied to a gold coated quartz crystal microbalance (QCM) sensor, electrochemically driven adsorption and desorption processes in the mesoporous structure become directly detectable as a frequency response, which corresponds directly to a mass or density change in the membrane. The frequency response (at least for thin films) is proportional to the thickness of the mass-responsive film, which suggests good mechanical coupling between electrode and film. Based on this observation, a method for the amplified QCM detection of small mass/density changes is proposed by conducting measurements in rigid mesoporous structures. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

PEDOT:PSS self-assembled films to methanol crossover reduction in Nafion (R) membranes

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

The processing of polyelectrolyte-covered magnetite nanoparticles in the form of nanostructured thin films

Magnetic nanoparticles are promising for a variety of applications, such as biomedical devices, spin electronics, magnetic data storage media, to name a few. However, these goals may only be reached if stable and organized structures are fabricated. In this article, we report on a single-step synthetic route with the coprecipitation method, in which iron oxide magnetic nanoparticles (Fe3O4 NPs) were stabilized in aqueous media using the poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDAC) polyelectrolyte. The Fe3O4 NPs had a diameter of ca. 5 nm, according to transmission electron microscopy (TEM) images, being arranged in an inverse spinel structure typical of magnetite. An investigation with infrared spectroscopy indicated that the mechanisms of stabilization in the polymer matrix were based on the interaction between quaternary amide groups from PDAC and the nanoparticle surface. The Fe3O4-PDAC NPs exhibited considerable magnetic susceptibility, with a monotonic increase in the magnetization with decreasing temperature. These Fe3O4-PDAC NPs were immobilized in layer-by-layer (LbL) films, being alternated with layers of poly(vinylsulfonic acid) (PVS). The LbL films were much rougher than typical films made with polyelectrolytes, and Fe3O4-PDAC NPs have been responsible for the high electrocatalytic activity toward H2O2 reduction, with an overpotential shift of 0.69 V. Overall, the stability, magnetic properties and film-forming ability indicate that the Fe3O4-PDAC NPs may be used for nanoelectronics and bioelectrochemical devices requiring reversible and magnetic redox materials.

Untersuchung molekularer Erkennungsreaktionen mit einem integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer

Abstract (deutsch)Zielsetzung des Dissertationsvorhabens war die Beobachtung und Analyse von Gast-Wirt-Wechselwirkungen an oxidischen Oberflächen. Einer der Wechselwirkungspartner sollte dabei auf der Oberfläche immobilisiert, der andere in wäßriger Lösung darüber vorliegen.Eine empfindliche und oberflächensensitive Methode zur Beobachtung der Anlagerung unmarkierter Moleküle ist die Wellenleiterspektroskopie, insbesondere mit dem hier verwendeten und weiterentwickelten integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer in Siliziumtechnik (Siliziumoxynitrid auf oxidiertem Siliziumwafer). Mit Hilfe des Interferometers wurden unterschiedliche Wirt-Gast-Systeme untersucht. Grundlage der Immobilisierung war jeweils die Funktionalisierung der Sensoroberfläche durch Selbstadsorption von Organosilanen. Durch unterschiedliche Organosilane, die zum Teil im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert wurden, ließen sich die Wirtmoleküle beta-Cyclodextrin, Streptavidin, sowie unterschiedliche monoklonale Antikörperfragmente immobilisieren.- Der Einfluß der Oberfläche auf die Bindungsstärke des Wirtmoleküls beta-Cyclodextrin und unterschiedlicher Gastmoleküle wurde konzentrationsabhängig untersucht.- Silan-Biotinderivate mit unterschiedlicher Streptavidin-Affinität wurden an die Oberfläche immobilisiert und die Adsorption von Streptavidin an die Biotinderivate beobachtet. Dabei konnte unter anderem nachgewiesen werden, daß das Streptavidinadsorbat gequollen ist.- Als mögliche Anwendung wurde geprüft, ob das vorgestellte Interferometer durch die Funktionalisierung mit Antikörperfragmenten als Biosensor in Frage kommt. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich Antikörper auf der Sensoroberfläche immobilisieren lassen und Antigene spezifisch an diese Antikörper adsorbieren.

Magnetische Multischalenpartikel für den Transport von siRNA

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines nichtviralen, effizienten Transfektionsmittels mit einer Kern-Schale-Struktur in der Größenordnung bis 100 nm. Dafür werden magnetische, negativ geladene Eisenoxid-Nanopartikel mittels Thermolyse mit einem Durchmesser von 17 nm synthetisiert und in Wasser überführt. Diese Nanopartikel bilden den Kern des Erbgut-Trägers und werden mittels Layer-by-Layer –Verfahren (LbL) mit geladenen Polymeren, den bioabbaubaren Makromolekülen Poly-L-Lysin und Heparin, beschichtet. Dafür wird zunächst eine geeignete Apparatur aufgebaut. Diese wird zur Herstellung von Kern-Schale-Strukturen mit fünf Polyelektrolytschichten verwendet und liefert Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser von 58 nm, die bei Abwesenheit von niedermolekularem Salz aggregatfrei sind. Das System wird gegen Salz stabilisiert, indem die letzte Poly-L-Lysin-Schicht mit Polyethylenglycol modifiziert wird. Die so entstandenen Multischalenpartikel zeigen weder im PBS-Puffer noch in humanem Serum Aggregation. Mittels winkelabhängiger dynamischer Lichtstreuung wird die Aggregatbildung kontrolliert, während ζ-Potential-Messungen die Kontrolle der Oberflächenladung erlauben.rnDa siRNA auf Grund ihres negativ geladenen Phosphat-Rückgrats ebenfalls ein Polyelektrolyt ist, wird sie aggregatfrei auf die positiv geladenen PLL-Nanopartikel aufgetragen. Die eingesetzte siRNA ist farbstoffmarkiert, um eine Detektion in vitro zu ermöglichen. Jedoch sind die entstandenen Komplexe mittels Fluoreszenzkorrelations-spektroskopie (FCS) nicht nachweisbar. Auch die Fluoreszenzmarkierung der PEGylierten Außenschale mittels kupferfreier Click-Chemie ist in der FCS nicht sichtbar, sodass eine Fluoreszenzauslöschung der Farbstoffe in den Multischalenpartikeln vermutet wird.rn

Encapsulation of phase change materials using rice-husk-char

This paper explored a new approach to prepare phase change microcapsules using carbon-based particles via Pickering emulsions for energy storage applications. Rice-husk-char, a by-product in biofuel production, containing 53.58 wt% of carbon was used as a model carbon-based material to encapsulate hexadecane. As a model phase change material, hexadecane was emulsified in aqueous suspensions of rice-husk-char nanoparticles. Water soluble polymers poly(diallyldimethyl-ammonium chloride) and poly(sodium styrene sulfonate) were used to fix the rice-husk-char nanoparticles on the emulsion droplets through layer-by-layer assembly to enhance the structural stability of the microcapsules. The microcapsules formed are composed of a thin shell encompassing a large core consisting of hexadecane. Thermal gravimetrical and differential scanning calorimeter analyses showed the phase change enthalpy of 80.9 kJ kg−1 or 120.0 MJ m−3. Design criteria of phase change microcapsules and preparation considerations were discussed in terms of desired applications. This work demonstrated possible utilisations of biomass-originated carbon-based material for thermal energy recovery and storage applications, which can be a new route of carbon capture and utilisation.

Encapsulation of phase change materials using rice-husk-char

This paper explored a new approach to prepare phase change microcapsules using carbon-based particles via Pickering emulsions for energy storage applications. Rice-husk-char, a by-product in biofuel production, containing 53.58 wt% of carbon was used as a model carbon-based material to encapsulate hexadecane. As a model phase change material, hexadecane was emulsified in aqueous suspensions of rice-husk-char nanoparticles. Water soluble polymers poly(diallyldimethyl-ammonium chloride) and poly(sodium styrene sulfonate) were used to fix the rice-husk-char nanoparticles on the emulsion droplets through layer-by-layer assembly to enhance the structural stability of the microcapsules. The microcapsules formed are composed of a thin shell encompassing a large core consisting of hexadecane. Thermal gravimetrical and differential scanning calorimeter analyses showed the phase change enthalpy of 80.9 kJ kg−1 or 120.0 MJ m−3. Design criteria of phase change microcapsules and preparation considerations were discussed in terms of desired applications. This work demonstrated possible utilisations of biomass-originated carbon-based material for thermal energy recovery and storage applications, which can be a new route of carbon capture and utilisation.

Vaisseau sanguin reconstruit par génie tissulaire : Développement d'une nouvelle approche pour la reconstruction de la media et interaction avec les microparticules

La media vasculaire est au coeur des processus physiopathologiques qui entraînent le développement de l’athérosclérose. L’utilisation d’une media reconstruite par génie tissulaire permet d’étudier les cellules musculaires lisses (CML) humaines dans un environnement plus physiologique que les cellules en culture monocouche. Les travaux présentés dans cette thèse sont orientés autour de la media vasculaire reconstruite par génie tissulaire comme modèle d’étude pharmacologique et prothèse vasculaire autologue. La première partie des travaux porte sur l’étude des interactions de cette tunique avec les microparticules (MP) circulantes. D’abord, nous avons montré que la présence de l’adventice modifie la réponse de la media aux MP produites in vitro à partir des lymphocytes T. Ensuite, l’étude de l’effet des MP isolées du sérum de patients en choc septique sur la media humaine a démontré que ces MP sont en mesure d’augmenter la contraction de la media par un mécanisme impliquant une diminution du NO et une augmentation de l’expression de l’ARN messager de l’interleukine-10. L’incubation de la media reconstruite avec cette cytokine anti-inflammatoire bloque l’hyporéactivité induite par les lipopolysaccharides. Le même phénomène a été reproduit in vivo, chez le rongeur. Ces résultats suggèrent que les SMP auraient un effet protecteur sur la fonction vasculaire, en potentialisant la contraction de la media. Ensuite, nous avons optimisé l’approche de reconstruction de prothèses vasculaires par auto-assemblage proposée initialement pour l’adapter au contexte particulier des CML. L’objectif principal était de permettre l’étude physiopathologique de la media à partir de toutes les lignées de CML; indépendamment de leur capacité de synthèse de matrice extracellulaire. Pour ce faire, nous avons développé un échafaudage de matrice extracellulaire produit par auto-assemblage à partir de fibroblastes humains. L’utilisation de cet échafaudage génère une media plus résistante et plus contractile que la technique initiale. Enfin, une anisotropie a été créée dans cet échafaudage pour permettre une orientation physiologique des CML. La media reconstruite devient ainsi plus résistante et plus contractile. Ces améliorations permettent de reconstruire des media à partir des cellules de plus de patients et mèneront à des études pharmacologiques plus représentatives de la population. Cet échafaudage facilitera la translation clinique de ce modèle de media reconstruite par génie tissulaire.

Self-assembly of a designed amyloid peptide containing the functional thienylalanine unit

The self-assembly of a peptide based on a sequence from the amyloid beta peptide but incorporating the non-natural amino acid beta-2-thienylalanine (2-Thi) has been investigated in aqueous and methanol solutions. The peptide AAKLVFF was used as a design motif, replacing the phenylalanine residues (F) with 2-Thi units to yield (2-Thi)(2-Thi)VLKAA. The 2-Thi residues are expected to confer interesting electronic properties due to charge delocalization and pi-stacking. The peptide is shown to form beta-sheet-rich amyloid fibrils with a twisted morphology, in both water and methanol solutions at sufficiently high concentration. The formation of a self-assembling hydrogel is observed at high concentration. Detailed molecular modeling using molecular dynamics methods was performed using NOE constraints provided by 2D-NMR experiments. The conformational and charge properties of 2-Thi were modeled using quantum mechanical methods, and found to be similar to those previously reported for the beta-3-thienylalanine analogue. The molecular dynamics simulations reveal well-defined folded structures (turn-like) in dilute aqueous solution, driven by self-assembly of the hydrophobic aromatic units, with charged lysine groups exposed to water.

Ubiquitously Expressed Dynamin-II Has a Higher Intrinsic GTPase Activity and a Greater Propensity for Self-assembly Than Neuronal Dynamin-I

To begin to understand mechanistic differences in endocytosis in neurons and nonneuronal cells, we have compared the biochemical properties of the ubiquitously expressed dynamin-II isoform with those of neuron-specific dynamin-I. Like dynamin-I, dynamin-II is specifically localized to and highly concentrated in coated pits on the plasma membrane and can assemble in vitro into rings and helical arrays. As expected, the two closely related isoforms share a similar mechanism for GTP hydrolysis: both are stimulated in vitro by self-assembly and by interaction with microtubules or the SH3 domain-containing protein, grb2. Deletion of the C-terminal proline/arginine-rich domain from either isoform abrogates self-assembly and assembly-dependent increases in GTP hydrolysis. However, dynamin-II exhibits a ∼threefold higher rate of intrinsic GTP hydrolysis and higher affinity for GTP than dynamin-I. Strikingly, the stimulated GTPase activity of dynamin-II can be >40-fold higher than dynamin-I, due principally to its greater propensity for self-assembly and the increased resistance of assembled dynamin-II to GTP-triggered disassembly. These results are consistent with the hypothesis that self-assembly is a major regulator of dynamin GTPase activity and that the intrinsic rate of GTP hydrolysis reflects a dynamic, GTP-dependent equilibrium of assembly and disassembly.