Bioinspired materials: Non-covalent modification of nanofibrillated cellulose and chitin via genetically engineered proteins and multilayered graphene

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Linder, Markus, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, Finland
dc.contributor.author Malho, Jani-Markus
dc.date.accessioned 2015-03-26T10:00:23Z
dc.date.available 2015-03-26T10:00:23Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-951-38-8234-1 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-951-38-8233-4 (printed)
dc.identifier.issn 2242-1203 (electronic)
dc.identifier.issn 2242-119X (printed)
dc.identifier.issn 2242-119X (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15427
dc.description.abstract Biological nanocomposites such as nacre, bone and wood synergistically combine strength, stiffness and toughness with lightweight structure, whereas most man-made engineering materials with higher densities follow the rule-of-mixtures, according to which strength and toughness are mutually exclusive properties. Biomimetic approaches study and mimic nature’s concepts and material structures with the aim of developing high-performance bioinspired materials. Recent studies have shown that many of the properties of natural nanocomposites arise from their hierarchical structures from multiple length scales. Molecular level control and design are known to be crucial for the performance of the natural materials especially at the interfaces of the softer matrix and the harder reinforcing elements. In this work, examples of biopolymer matrices were studied from the mechanical perspective in order to understand how biological components, such as genetically engineered proteins and graphene flakes, could be used to design an organic matrix at the molecular level and to control its macroscopic material properties. The results indicated that the biopolymer networks can be functionalized non-covalently in aqueous and mild conditions directly via self-assembly in order to influence the mechanical properties. In Publications I and II, genetically engineered fusion proteins, incorporating hydrophobin - double cellulose binding domain or plain double cellulose binding domain, were used to tune the nanofibrillar cellulose network under conditions of controlled humidity. In Publication III, another genetically engineered fusion protein, chitin binding domain - aspein, was used to modify nanofibrillated chitin matrix through ionic interactions and biomimetic mineralization of calcium carbonate. In Publication IV, multilayered graphene flakes were exfoliated directly into native nanofibrillated cellulose networks in order to create nanocomposites with improved mechanical properties. Non-covalent modification of the colloidal biopolymer matrices is an efficient route to construct and study multifunctional nanocomposite materials by engineering the interfaces between the soft and hard phases. Importantly, genetically engineered proteins could pave the way towards new functional components for biomimetic structural nanocomposite materials while Nature’s materials continue to provide the constructing principles and inspiration for the development of biomimetic materials. en
dc.description.abstract Luonnon nanokomposiittimateriaalit, kuten helmiäissimpukan kuori, luu ja puu, omaavat synergisiä mekaanisia ominaisuuksia, joissa yhdistyvät jäykkyys, vahvuus ja sitkeys kevyessä rakenteessa. Suurin osa ihmisen tekemistä synteettisistä materiaaleista noudattaa ”rule-of-mixtures”-sääntöä, jossa jäykkyys ja sitkeys ovat toisen pois sulkevia ominaisuuksia. Biomimeettiset lähestymistavat tutkivat ja pyrkivät jäljittelemään luonnon luomia konsepteja ja materiaalirakenteita tavoitteena kehittää uusia biomimeettisia ja parempia ominaisuuksia omaavia materiaaleja. Viime vuosien tutkimukset ovat osoittaneet, että monet toivottavat materiaaliominaisuudet perustuvat useiden eri kokoluokkien yli ulottuviin itsejärjestäytyneisiin hierarkkisiin rakenteisiin. Molekyylirakennetason suunnittelun ja hallinnan tiedetään olevan erityisen tärkeää luonnon nanokomposiittimateriaalien rajapinnoilla, joissa pehmeämpi matriisi yhdistyy jäykempien vahvistavien rakenteiden kanssa. Tässä työssä tutkittiin, kuinka biopolymeerimatriiseja voidaan suunnitella ja muokata molekyylitasolla käyttäen hyväksi geneettisesti luotuja proteiineja sekä grafeiinihiutaleita. Tavoitteena on makroskooppisten mekaanisten ominaisuuksien molekyylitason hallinta. Tulokset osoittavat, että biopolymeeriverkostoja voidaan funktionalisoida ei-kovalenttisesti miedoissa vesipohjaisissa ympäristöissä mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaen. Julkaisuissa I ja II käytettiin geneettisesti luotuja fuusioproteiineja. Fuusioproteiinit muodostuivat joko hydrofobiinista yhdistettynä kaksinkertaiseen selluloosasitoutumisdomeeniin tai pelkästä kaksinkertaisesta selluloosasitoutumisdomeenista. Fuusioproteiineilla muokattiin nanofibrilloituja selluloosan verkostoja eri kosteustiloissa. Julkaisussa III muokattiin nanofibrilloitua kitiiniverkostoa ei-kovalenttisesti geneettisesti luodun fuusioproteiinin avulla. Kyseinen proteiini sisälsi kitiinisitoutumisdomeenin ja aspeiinin, joka mahdollisti ionisten vuorovaikutusten hyödyntämisen sekä kalsiumkarbonaatin kiteyttämisen. Julkaisussa IV kuorittiin monikerroksisia grafeiinihiutaleita suoraan nanofibrilloituun selluloosamatriisin, josta valmistetuilla nanokomposiittimateriaaleilla oli parannettuja mekaanisia ominaisuuksia. Ei-kovalenttinen ja kolloidaalinen biopolymeerimatriisien modifiointi on tehokas menetelmä tutkia ja luoda uusia monitoiminnallisia nanokomposiittimateriaaleja muokkaamalla pehmeiden ja vahvistavien rakenteiden rajapintoja. Geneettisesti muokattuja proteiineja voidaan pitää lupaavina toiminnallisina komponentteina tulevaisuuden biomimeettisiin ja rakenteellisiin materiaaleihin. Luonnon materiaalit ja systeemit tulevat jatkossakin toimimaan inspiraation lähteenä sekä tarjoamaan toimintaperiaatteita uusien biomimeettisten materiaalien luomiseen. fi
dc.format.extent 72 + app. 53
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher VTT Technical Research Centre of Finland en
dc.publisher Teknologian tutkimuskeskus VTT fi
dc.relation.ispartofseries VTT Science en
dc.relation.ispartofseries 81
dc.relation.haspart [Publication 1]: Jani-Markus Malho, Claudiane Ouellet-Plamondon, Markus Rüggeberg, Päivi Laaksonen, Olli Ikkala, Ingo Burgert, and Markus B. Linder. 2015. Enhanced plastic deformations of nanofibrillated cellulose film by adsorbed moisture and protein-mediated interactions. Biomacromolecules, volume 16, number 1, pages 311-318. DOI: 10.1021/bm501514w.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Jani-Markus Malho, Suvi Arola, Päivi Laaksonen, Géza R. Szilvay, Olli Ikkala, and Markus B. Linder. Modular tuning of the supracolloidal interactions between nanocellulose fibrils with genetically engineered protein binding units. Manuscript, submitted to Angewandte Chemie International Edition.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Jani-Markus Malho, Hanna Heinonen, Inkeri Kontro, Ngesa E. Mushi, Ritva Serimaa, Hans-Peter Hentze, Markus B. Linder, and Géza R. Szilvay. 2014. Formation of ceramophilic chitin and biohybrid materials enabled by a genetically engineered bifunctional protein. Chemical Communications, volume 50, number 55, pages 7348-7351. DOI: 10.1039/C4CC02170C.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Jani-Markus Malho, Päivi Laaksonen, Andreas Walther, Olli Ikkala, and Markus B. Linder. 2012. Facile method for stiff, tough, and strong nanocomposites by direct exfoliation of multilayered graphene into native nanocellulose matrix. Biomacromolecules, volume 13, number 4, pages 1093-1099. DOI: 10.1021/bm2018189.
dc.subject.other Biotechnology en
dc.title Bioinspired materials: Non-covalent modification of nanofibrillated cellulose and chitin via genetically engineered proteins and multilayered graphene en
dc.title Bioinspiroidut materiaalit: Nanofibrilloidun selluloosan ja kitiinin ei-kovalenttinen muokkaus käyttäen hyväksi geneettisesti luotuja proteiineja sekä monikerroksista grafeiinia fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword self-assembly en
dc.subject.keyword biopolymer en
dc.subject.keyword biomimetics en
dc.subject.keyword nanocomposite en
dc.subject.keyword genetically engineered proteins en
dc.subject.keyword graphene en
dc.subject.keyword materials science en
dc.subject.keyword colloids en
dc.subject.keyword itsejärjestyminen fi
dc.subject.keyword biopolymeeri fi
dc.subject.keyword biomimetiikka fi
dc.subject.keyword nanokomposiitti fi
dc.subject.keyword geneettisesti luodut proteiinit fi
dc.subject.keyword grafeeni fi
dc.subject.keyword materiaalitiede fi
dc.subject.keyword kolloidit fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-951-38-8234-1
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Ikkala, Olli, Academy Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Thielemans, Wim, Prof., KU Leuven, Netherlands
dc.rev Brumer, Harry, Prof., University of British Columbia, Vancouver, Canada
dc.rev Rojas, Orlando, Prof., Aalto University, Finland
dc.date.defence 2015-04-10


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse