Bioinspired polyethersulfone-based hollow fiber membranes as the scaffolds in renal assist device for protein-bound toxins removal from blood

Dissertation for obtaining the Master degree in Membrane Engineering

Analysis of ion channel stochastic signals for biosensing

In biological world, life of cells is guaranteed by their ability to sense and to respond to a large variety of internal and external stimuli. In particular, excitable cells, like muscle or nerve cells, produce quick depolarizations in response to electrical, mechanical or chemical stimuli: this means that they can change their internal potential through a quick exchange of ions between cytoplasm and the external environment. This can be done thanks to the presence of ion channels, proteins that span the lipid bilayer and act like switches, allowing ionic current to flow opening and shutting in a stochastic way. For a particular class of ion channels, ligand-gated ion channels, the gating processes is strongly influenced by binding between receptive sites located on the channel surface and specific target molecules. These channels, inserted in biomimetic membranes and in presence of a proper electronic system for acquiring and elaborating the electrical signal, could give us the possibility of detecting and quantifying concentrations of specific molecules in complex mixtures from ionic currents across the membrane; in this thesis work, this possibility is investigated. In particular, it reports a description of experiments focused on the creation and the characterization of artificial lipid membranes, the reconstitution of ion channels and the analysis of their electrical and statistical properties. Moreover, after a chapter about the basis of the modelling of the kinetic behaviour of ligand gated ion channels, a possible approach for the estimation of the target molecule concentration, based on a statistical analysis of the ion channel open probability, is proposed. The fifth chapter contains a description of the kinetic characterisation of a ligand gated ion channel: the homomeric α2 isoform of the glycine receptor. It involved both experimental acquisitions and signal analysis. The last chapter represents the conclusions of this thesis, with some remark on the effective performance that may be achieved using ligand gated ion channels as sensing elements.

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).

Detektion und Synthese eines liganden-gesteuerten Ionenkanals im mikrofluidischen Analysesystem

Membranproteine spielen eine wichtige Rolle bei physiologischen Prozessen wie Signalweiterleitung oder Immunreaktion. Deshalb stehen sie im Fokus der pharmakologischen Wirkstoffentwicklung und es besteht großes Interesse, Membranproteinbasierte Biosensoren zu entwickeln, die sich z.B. als Screening-Plattformen eignen. Allerdings stellt die Handhabung von Membranproteinen wegen ihrer amphiphilen Struktur eine große Herausforderung dar. Membranproteine werden meist in Zellkultur oder in bakteriellen Expressionssystemen synthetisiert. Diese Verfahren liefern aber oft nur eine geringe Ausbeute und erlauben wenig Kontrolle über die Expressionsbedingungen. Als alternativer Ansatz bietet sich stattdessen die in vitro Synthese von Proteinen an, die in einer zellfreien Umgebung stattfindet. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Etablierung eines miniaturisierten Analysesystems, das Aktivitätsmessungen an in vitro synthetisierten Ionenkanälen erlaubt. Dafür wurde ein Labon- Chip entwickelt, der elektrochemische und optische Nachweismethoden in parallelen Anätzen ermöglicht. Als amphiphile Umgebung für die Inkorporation von Membranproteinen wurden vier verschieden biomimetische Membranaufbauten hinsichtlich ihrer Dichtigkeit und ihrer Reproduzierbarkeit untersucht. Als Methode fanden insbesondere die Impedanzspektroskpie und die Oberflächenplasmonen-Resonanzspektroskopie Anwendung. Die peptide cushioned Bilyer Lipid Membranes (pcBLM) eignete sich dabei am besten für Untersuchungen an Membranproteinen. Zur Detektion der Ionenkanalaktivität wurde eine neue Messmethode etabliert, die auf der Messung der Impedanz bei fester Frequenz basiert und u.a. eine Aussage über die Änderung des Membranwiderstandes bei Aktivierung erlaubt. Am Beispiel des nicotinischen Acetylcholinrezeptors (nAchR) konnte gezeigt werden, dass sich die Aktivität von Ionenkanälen mit dem entwickelten Chip-System nachweisen ließ. Die Spezifität der Methode konnte durch verschiedene Kontrollen wie die Zugabe eines nicht-aktivierenden Liganden oder Inhibition des Rezeptors nachgewiesen werden. Weiterhin konnte die in vitro Synthese des Ionenkanals a7 nAchR durch Radioaktivmarkierung nachgewiesen werden. Die Inkorporation des Rezeptors in die biomimetischen Membranen wurde mit Immunodetektion und elektrochemischen Methoden untersucht. Es zeigte sich, dass die funktionelle Inkorporation des a7 nAchR davon abhing, welcher biomimetische Membranaufbau verwendet wurde.

Myoglobin-biomimetic electroactive materials made by surface molecular imprinting on silica beads and their use as ionophores in polymeric membranes for potentiometric transduction

Myoglobin (Mb) is among the cardiac biomarkers playing a major role in urgent diagnosis of cardiovascular diseases. Its monitoring in point-of-care is therefore fundamental. Pursuing this goal, a novel biomimetic ionophore for the potentiometric transduction of Mb is presented. It was synthesized by surface molecular imprinting (SMI) with the purpose of developing highly efficient sensor layers for near-stereochemical recognition of Mb. The template (Mb) was imprinted on a silane surface that was covalently attached to silica beads by means of self-assembled monolayers. First the silica was modified with an external layer of aldehyde groups. Then, Mb was attached by reaction with its amine groups (on the external surface) and subsequent formation of imine bonds. The vacant places surrounding Mb were filled by polymerization of the silane monomers 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTMS) and propyltrimethoxysilane (PTMS). Finally, the template was removed by imine cleavage after treatment with oxalic acid. The results materials were finely dispersed in plasticized PVC selective membranes and used as ionophores in potentiometric transduction. The best analytical features were found in HEPES buffer of pH 4. Under this condition, the limits of detection were of 1.3 × 10−6 mol/L for a linear response after 8.0 × 10−7 mol/L with an anionic slope of −65.9 mV/decade. The imprinting effect was tested by preparing non-imprinted (NI) particles and employing these materials as ionophores. The resulting membranes showed no ability to detect Mb. Good selectivity was observed towards creatinine, sacarose, fructose, galactose, sodium glutamate, and alanine. The analytical application was conducted successfully and showed accurate and precise results.

Biomimetic triblock copolymer membranes: from aqueous solutions to solid supports

In the present paper, we studied the preparation of biomimetic triblock copolymer (ABA) membranes in aqueous solution and their deposition into solid supports. The self-assembly structures of the ABA in aqueous solution was investigated by using optical microscopy, dynamic light scattering, electron microscopy (EM) and SAXS. Spherical and tubular polymersomes were found at the highest concentrations investigated. The mechanism of deposition on solid supports (mica and glass) was elucidated by using atomic force microscopy (AFM). The deposition results in the formation of a uniform defect-free membrane at suitable polymer concentrations.

Interaction of miltefosine with intercellular membranes of stratum corneum and biomimetic lipid vesicles

Miltefosine (MT) is an alkylphospholipid approved for breast cancer metastasis and visceral leishmaniasis treatments, although the respective action mechanisms at the molecular level remain poorly understood. In this work, the interaction of miltefosine with the lipid component of stratum corneum (SC), the uppermost skin layer, was studied by electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy of several fatty acid spin-labels. In addition, the effect of miltefosine on (i) spherical lipid vesicles of 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) and (ii) lipids extracted from SC was also investigated, by EPR and time-resolved polarized fluorescence methods. In SC of neonatal Wistar rats, 4% (w/w) miltefosine give rise to a large increase of the fluidity of the intercellular membranes, in the temperature range from 6 to about 50 degrees C. This effect becomes negligible at temperatures higher that ca. 60 degrees C. In large unilamelar vesicles of DPPC no significant changes could be observed with a miltefosine concentration 25% molar, in close analogy with the behavior of biomimetic vesicles prepared with bovine brain ceramide, behenic acid and cholesterol. In these last samples, a 25 mol% molar concentration of miltefosine produced only a modest decrease in the bilayer fluidity. Although miltefosine is not a feasible skin permeation enhancer due to its toxicity, the information provided in this work could be of utility in the development of a MT topical treatment of cutaneous leishmaniasis. Published by Elsevier B.V.

Biomimetic bilayer membranes made from polymers and lipids

Amphiphile Blockcopolymere sind in der Lage in Wasser Morphologien auszubilden, die analog sind zur hydrophil-hydrophob-hydrophil-Struktur von natürlichen Lipiddoppelschichten. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal die Präparation und Charakterisierung von oberflächengestützten Polymerdoppelschichten aus Polybutadien-b-Polyethylenoxid (PB-PEO) beschrieben. Für die Herstellung dieser Strukturen wurden zwei unterschiedliche Präparationsstrategien verfolgt. Der erste Weg besteht aus einer zweistufigen Methode, bei der im ersten Schritt organisierte Monoschichten mittels Langmuir-Blodgett-Transfer auf Gold übertragen und kovalent angebunden werden. Im zweiten Schritt werden hydrophobe Wechselwirkungen ausgenutzt, um über Langmuir-Schaefer-Transfer eine weitere Schicht aufzubringen. Somit wurden homogene Architekturen erzeugt, die oberflächengestützten Lipiddoppelschichten gleichen. Als alternativer, einstufiger Ansatz zur Herstellung von Polymerdoppelschichten wurde das Spreiten von Polymervesikeln auf Gold verfolgt. Auch hierdurch ließen sich Doppelschichtstrukturen mit einer vollständigen Oberflächenbedeckung erzeugen. Die hergestellten Polymerdoppelschichten besitzen eine Dicke von 11-14 nm, die von der Präparationsmethode abhängt. Die Polymerstrukturen weisen bei Trocknung für 1.5 h eine Stabilität gegenüber Luft auf. Bei längeren Trocknungszeiten von ca. 12 h kommt es zu einer Reorganisation der Oberfläche. Dies deutet darauf hin, dass Wasser dazu notwendig ist die Strukturen auf lange Sicht zu stabilisieren. Um die Biokompatibilität der Polymerschichten nachzuweisen, wurden die Wechselwirkungen mit dem membranaktiven Peptid Polymyxin B und dem Transmembranprotein α-Haemolysin gezeigt. Mobilität ist ein wichtiger Faktor für die korrekte Funktion vieler Transmembranproteine. Um die laterale Diffusionsdynamik innerhalb der künstlichen Strukturen zu untersuchen, wurde die Mobilität eines integralen Modellpeptids und von fluoreszierenden Membransonden gemessen. Es konnte mit einzelmolekülempfindlichen Techniken gezeigt werden, dass das α-helikale Peptid und die kleinen Fluoreszenzfarbstoffe frei im hydrophoben Kern der Polymerdoppelschicht diffundieren können. Die Diffusion von beiden Spezies scheint stark von der Fluidität der Polymermatrix beeinflusst zu sein. Ein weiterer Teil dieser Arbeit widmet sich der Entwicklung eines angemessenen, lipidbasierten Referenzsystems für zukünftige Proteinuntersuchungen. Hierzu wurde eine neue Methode zu Herstellung von peptidgestützten Lipiddoppelschichtmembranen entwickelt. Dies wurde durch kovalente Befestigung eines Thiopeptids an einen Goldfilm und darauffolgende Anbindung eines Lipids erreicht. Zur Ausbildung der Lipiddoppelschicht auf dem Lipopeptidunterbau wurder der Rapid Solvent Exchange verwendet. Die Ausbildung der Lipiddoppelschicht wurde sowohl auf microskopischer als auch auf makroskopischer Ebene nachgewiesen. Im letzten Schritt wurde die Anwendbarkeit des Modelsystems für elektrochemische Messungen durch den funktionalen Einbau des Ionentransporters Valinomycin unter Beweis gestellt.

An environmentally friendly triphasic catalytic system: Mn(salen) occluded in membranes based on PDMS/PVA

The commercially available Jacobsen catalyst, Mn(salen), was occluded in hybrid polymeric membranes based on poly(dimethylsiloxane) (PDMS) and poly(vinyl alcohol) (PVA). The obtained systems were characterized by UV-vis spectroscopy and SEM techniques. The membranes were used as a catalytic barrier between two different phases: an organic substrate phase (cyclooctene or styrene) in the absence of solvent, and an aqueous solution of either t-BuOOH or H(2)O(2). Membranes containing different percentages of PVA were prepared, in order to modulate their hydrophilic/hydrophobic swelling properties. The occluded complex proved to be an efficient catalyst for the oxidation of alkenes. The new triphasic system containing a cheap and easily available catalyst allowed substrate oxidation and easy product separation using ""green"" oxidants. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.

Processing and characterization of alpha-elastin electrospun membranes

Elastin isolated from fresh bovine ligaments was dissolved in a mixture of 1,1,1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol and water and electrospun into fiber membranes under different processing conditions. Fiber mats of randomly and aligned fibers were obtained with fixed and rotating ground collectors and fibrils were composed by thin ribbons whose width depends on electrospinning conditions; fibrils with 721 nm up to 2.12 m width were achieved. After cross-linking with glutaraldehyde, -elastin can uptake as much as 1700 % of PBS solution and a slight increase on fiber thickness was observed. The glass transition temperature of electrospun fiber mats was found to occur at ~ 80 ºC. Moreover, -Elastin showed to be a perfect elastomeric material, and no mechanical hysteresis was found in cycle mechanical measurements. The elastic modulus obtained for oriented and random fibers mats in a PBS solution was 330 ± 10 kPa and 732 ± 165 kPa, respectively. Finally, the electrospinning and cross-linking process does not inhibit MC-3T3-E1 cell adhesion. Cell culture results showed good cell adhesion and proliferation in the cross-linked elastin fiber mats.

Effect of neutralization and cross-linking on the thermal degradation of chitosan electrospun membranes

Thermal degradation of as electrospun chitosan membranes and samples subsequently treated with ethanol and cross-linked with glutaraldehyde (GA) have been studied by thermogravimetry (TG) coupled with an infrared spectrometer (FTIR). The influence of the electrospinning process and cross-linking in the electrospun chitosan thermal stability was evaluated. Up to three degradation steps were observed in the TG data, corresponding to water dehydration reaction at temperatures below 100 ºC, loss of side groups formed between the amine groups of chitosan and trifluoroacetic acid between 150 – 270 ºC and chitosan thermal degradation that starts around 250 ºC and goes up to 400 ºC. The Kissinger model was employed to evaluate the activation energies of the electrospun membranes during isothermal experiments and revealed that thermal degradation activation energy increases for the samples processed by electrospinning and subsequent neutralization and cross-linking treatments with respect to the neat chitosan powder.

Graphene-based biomimetic materials targeting urine metabolite as potential cancer biomarker: Application over different conductive materials for potentiometric transduction

This work presents a novel surface Smart Polymer Antibody Material (SPAM) for Carnitine (CRT, a potential biomarker of ovarian cancer), tested for the first time as ionophore in potentiometric electrodes of unconventional configuration. The SPAM material consisted of a 3D polymeric network created by surface imprinting on graphene layers. The polymer was obtained by radical polymerization of (vinylbenzyl) trimethylammonium chloride and 4-styrenesulfonic acid (signaling the binding sites), and vinyl pivalate and ethylene glycol dimethacrylate (surroundings). Non-imprinted material (NIM) was prepared as control, by excluding the template from the procedure. These materials were then used to produce several plasticized PVC membranes, testing the relevance of including the SPAM as ionophore, and the need for a charged lipophilic additive. The membranes were casted over solid conductive supports of graphite or ITO/FTO. The effect of pH upon the potentiometric response was evaluated for different pHs (2-9) with different buffer compositions. Overall, the best performance was achieved for membranes with SPAM ionophore, having a cationic lipophilic additive and tested in HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid) buffer, pH 5.1. Better slopes were achieved when the membrane was casted on conductive glass (-57.4 mV/decade), while the best detection limits were obtained for graphite-based conductive supports (3.6 × 10−5mol/L). Good selectivity was observed against BSA, ascorbic acid, glucose, creatinine and urea, tested for concentrations up to their normal physiologic levels in urine. The application of the devices to the analysis of spiked samples showed recoveries ranging from 91% (± 6.8%) to 118% (± 11.2%). Overall, the combination of the SPAM sensory material with a suitable selective membrane composition and electrode design has lead to a promising tool for point-of-care applications.

Polysaccharide-based freestanding multilayered membranes exhibiting reversible switchable properties

The design of self-standing multilayered structures based on biopolymers has been attracting increasing interest due to their potential in the biomedical field. However, their use has been limited due to their gel-like properties. Herein, we report the combination of covalent and ionic cross-linking, using natural and non-cytotoxic cross-linkers, such as genipin and calcium chloride (CaCl2). Combining both cross-linking types the mechanical properties of the multilayers increased and the water uptake ability decreased. The ionic cross-linking of multilayered chitosan (CHI)â alginate (ALG) films led to freestanding membranes with multiple interesting properties, such as: improved mechanical strength, calcium-induced adhesion and shape memory ability. The use of CaCl2 also offered the possibility of reversibly switching all of these properties by simple immersion in a chelate solution. We attribute the switch-ability of the mechanical properties, shape memory ability and the propensity for induced-adhesion to the ionic cross-linking of the multilayers. These findings suggested the potential of the developed polysaccharide freestanding membranes in a plethora of research fields, including in biomedical and biotechnological fields.

Membrane interaction of polymyxin B and synthetic analogues studied in biomimetic systems: implications for antibacterial action

Membrane-active antimicrobial peptides, such as polymyxin B (PxB), are currently in the spotlight as potential candidates toovercome bacterial resistance. We have designed synthetic analogs ofPxB in order to determine the structural requirements for membraneaction. Since the mechanism of action of PxB involves interaction withboth the outer membrane and the cytoplasmic membrane of Gramnegative bacteria, we have used an approach based on mimicking theouter layers of these membranes using monolayers, Langmuir-Blodgettfilms and unilamelar vesicles, and applying a battery of biophysicalmethods in order to dissect the different events of membraneinteraction. Collectively, results indicate that the PxB analogues act inthe bacterial membrane by the same mechanism than PxB, and that cationic amphipathicity determines peptide activity.

Membrane interaction of polymyxin B and synthetic analogues studied in biomimetic systems: implications for antibacterial action

Membrane-active antimicrobial peptides, such as polymyxin B (PxB), are currently in the spotlight as potential candidates toovercome bacterial resistance. We have designed synthetic analogs ofPxB in order to determine the structural requirements for membraneaction. Since the mechanism of action of PxB involves interaction withboth the outer membrane and the cytoplasmic membrane of Gramnegative bacteria, we have used an approach based on mimicking theouter layers of these membranes using monolayers, Langmuir-Blodgettfilms and unilamelar vesicles, and applying a battery of biophysicalmethods in order to dissect the different events of membraneinteraction. Collectively, results indicate that the PxB analogues act inthe bacterial membrane by the same mechanism than PxB, and that cationic amphipathicity determines peptide activity.