X-Ray Scattering Studies of Biological and Biomimetic Materials

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2219-3
Title: X-Ray Scattering Studies of Biological and Biomimetic Materials
Author: Kontro, Inkeri
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics, Division of Materials Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2016-08-26
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2219-3
http://hdl.handle.net/10138/164291
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Elastic X-ray scattering is a probe which provides information on the structure of matter in nanometer lengthscales. Structure in this size scale determines the mechanical and functional properties of materials, and in this thesis, small- and wide-angle X-ray scattering (SAXS and WAXS) have been used to study the structure of biological and biomimetic materials. WAXS gives information on the structures in atomistic scales, while SAXS provides information in the important range above atomistic but below microscale. SAXS was used together with dynamic light scattering and zeta potential measurements to study protein and liposome structures. The S-layer protein of Lactobacillus brevis ATCC 8287 was shown to reassemble on cationic liposomes. The structure of the reassembled crystallite differed from that of the S-layer on native bacterial cell wall fragments, and the crystallite was more stable in the direction of the larger lattice constant than in the direction of the shorter. Liposomes were also used as a biomembrane model to study the interactions of phosphonium-based ionic liquids with cell membrane mimics. All studied ionic liquids penetrated multilamellar vesicles and caused a thinning of the lamellar distance that was dependent on ionic liquid concentration. The ability of the ionic liquids to disrupt membranes was, however, dependent on the length of hydrocarbon chains in the cation. In most cases, ionic liquids with long hydrocarbon chains in the cation induced disorder in the system, but in one case also selective extraction of lipids and reassembly into lamellae was observed. The effects depended both on ionic liquid type, concentration, and lipid composition of the vesicle. WAXS was used as a complementary technique to provide information on the structure-function relationship of a novel biomimicking material composed of a genetically engineered protein, chitin and calcium carbonate, and films composed of hydroxypropylated xylan. The presence of calcium carbonate and its polymorph (calcite) was determined from the biomimetic material. For the xylan films, crystallinity was assessed. In both cases, also the crystallite size was determined. These parameters influence the mechanical properties of the developed materials. In all cases, X-ray scattering provided information on the nanostructure of biological or biomimetic materials. Over a hundred years after the principle behind X-ray scattering was first explained, it still provides information about the properties of matter which is not available by other means.Elastinen röntgensironta on materiaalitutkimuksen menetelmä, jonka avulla voidaan selvittää nanotason rakenteita. Tämän kokoluokan rakenteet määräävät materiaalin mekaanisia ja funktionaalisia ominaisuuksia. Tässä väitöskirjassa pien- ja laajakulmasirontaa on käytetty biologisten ja biomimeettisten materiaalien rakenteen tutkimukseen. Laajakulmasironta kertoo atomitason rakenteesta ja pienkulmasironta sitä suuremmasta mutta mikrotasoa pienemmästä rakenteesta. Pienkulmasironnalla, dynaamisella valonsironnalla ja zetapotentiaalimittauksilla tutkittiin proteiinien ja liposomien muodostamia rakenteita. Lactobacillus brevis ATCC 8287 -kannan pintakerrosproteiinin havaittiin järjestäytyvän kationisille liposomeille. Liposomin pinnalla olevan proteiinikiteen rakenne erosi soluseinälle muodostuneesta natiivista kiteestä. Kaksiulotteinen proteiinikide oli stabiilimpi pidemmän hilavakionsa suunnassa. Liposomeja käytettiin myös solukalvomalleina fosfoniumpohjaisten ioninesteiden vuorovaikutuksien tutkimiseen. Kaikki tutkitut ioninesteet läpäisivät multilamellaariset liposomit ja ohensivat liposomien seinämien lamelleja. Ioninesteiden kationien hiiliketjun pituus vaikutti kuitenkin merkittävästi ioninesteiden kykyyn aiheuttaa muita muutoksia liposomien rakenteeseen. Useimmissa tapauksissa altistus pitkäketjuisille ioninestekationeille aiheutti epäjärjestystä, mutta yhdessä tapauksessa liposomeista erkautuneista lipideistä muodostui järjestäytyneitä lamelleja. Vaikutukset riippuivat niin ioninesteestä, sen konsentraatiosta kuin liposomin koostumuksestakin. Laajakulmasirontamittauksilla puolestaan täydennettiin tutkimuksia, joissa tutkittiin uuden geenimuunnellun proteiinin, kitiinin ja kalsiumkarbonaatin muodostaman biomateriaalin sekä hydroksipropyloidusta ksylaanista valmistettujen kalvojen rakenteen vaikutusta niiden toiminnallisuuteen. Biomimeettisen materiaalin sisältämän kalsiumkarbonaatin kiteytyminen varmistettiin ja kidemuoto tunnistettiin kalsiitiksi. Ksylaanikalvojen kiteisyys määritettiin. Tämän lisäksi kummankin materiaalin kidekoko laskettiin. Nämä ominaisuudet määräävät osaltaan kehitettyjen materiaalien mekaanisia ominaisuuksia. Kaikissa yllä mainituissa tapauksissa röntgensironnalla saatiin tietoa biologisten tai biomimeettisten materiaalien nanorakenteesta. Vaikka röntgensironnan löytymisestä ja ilmiön selittämisestä on jo yli sata vuotta, se on edelleen tärkeä keino saada sellaista tietoa materiaalien ominaisuuksista, johon ei muutoin päästä käsiksi.
Subject: fysiikka
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
X_RAY_SC.pdf 3.389Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record