Polymer and gel networks - From self-assembly to structure, properties, and application

Thumbnail Image

Files

isbn9789526406930.pdf (4.44 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-03-04
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2022

Department

Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

73 + app. 169

Series

Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 19/2022

Abstract

Nature has created materials with extraordinary functional properties, based on complex and hierarchical structures over multiple length scales. Mechanical properties are among the most interesting features, such as strain-stiffening of biopolymer networks. Using this as a source of inspiration, self-assembly has been used to tailor structures from nanoscale to macroscale objects. This dissertation focuses on controlled self-assemblies, structures, properties, and finally, a biomedical application. In Publication I, amphiphilic star-shaped polymers with supramolecularly directing units were synthesized to obtain hierarchical assemblies. Selection of the solvent triggered hierarchical self-assembly from nanometric micelles to micrometric spherical structures. In Publication II, the thermo- and UV-responsive gelation of a copolymer and cellulose nanocrystals (CNCs) was designed. This sequential approach offered a tool for homogeneous mixing and subsequent in-situ gelation based on light triggered opposite charging. Reversible or irreversible gelation could be achieved according to the ratio of the components and heating time. Publications III-IV show strain-stiffening and negative normal force of agarose hydrogels using two rheological protocols. Strain-stiffening was observed when slipping was suppressed. Strain-stiffening was analyzed providing an explanation of the origin of the behavior. The negative normal force of the agarose hydrogels was displayed. In Publication V, various hydrogels as 3D matrices for patient-derived breast cancer tissue explant culturing (PDEC) was investigated. The chemical composition of the matrix regulates the luminal and basal cell identity. The stiffness of the matrix regulates the expression of the estrogen hormone receptor (ERα). In conclusion, controlled network self-assembly facilitates the production of functional materials. In particular, network properties can help to develop cell culturing platforms for breast cancer research and synthetic strain-stiffening materials.

Luonnossa on funktionaalisia materiaaleja, joiden toiminta ja ominaisuudet ovat seurausta monitasoisesta järjestymisestä materiaalin rakenteessa. Eräs esimerkki luonnon materiaalien erityisistä mekaanisista ominaisuuksista on biopolymeeriverkkojen myötöjäykistyminen. Materiaaliteknologia pyrkii jäljittelemään näitä ominaisuuksia hyödyntämällä molekyylien kontrolloitua itsejärjestymistä. Tässä väitöskirjassa käsitellään verkkorakenteiden kontrolloitua itsejärjestymistä, rakenteita, ominaisuuksia sekä käyttöä biolääketieteellisessä sovelluksessa. Julkaisussa I syntetisoitiin tähtimäinen amfifiilinen polymeeri, jonka supramolekulaarista itsejärjestymistä tutkittiin. Liuottimen vaihdolla aikaansaatiin monitasoisia rakenteita, nanometrin kokoisista miselleistä mikrokokoisiin pallomaisiin rakenteisiin. Julkaisussa II suunniteltiin kopolymeerin ja selluloosan nanokiteiden (CNC) kaksivaiheinen geeliytyminen. Ensimmäisessä vaiheessa anionisen selluloosan vesidispersioon sekoitettiin neutraalia polymeeriä, jonka jälkeen sen kationinen varaus saatiin aikaiseksi UV-säteilyllä. Vastakkaisten varausten aikaansaamaa geeliytymistä ja sen palautumista pystyttiin säätelemään lämmitysajan sekä polymeerin ja CNC:n suhteellisten määrien avulla. Julkaisuissa III-IV tutkittiin agaroosihydrogeelin myötöjäykistymistä vertailemalla kahta eri reologista mittausmenetelmää. Myötöjäykistyminen pystyttiin toteamaan, kun geelin lipsuminen mittauksen aikana estettiin. Myötöjäykistymisen syntymekanismia analysoitiin sekä esitettiin agaroosigeelin negativinen normaalivoima. Julkaisussa V hyödynnettiin erilaisia hydrogeelejä 3D-solukasvastusalustoina potilasperäisille rintasyövän kudoseksplanteille. Geelien kemiallinen koostumus vaikutti luminaalisten solutyyppien muuttumiseen basaalisoluiksi. Lisäksi geelien jäykkyys sääteli estrogeenireseptorin ilmeentymistä luminaalisissa soluissa. Väitöskirjassa tutkittiin verkkorakanteiden itsejärjestymisen säätelyyn liittyviä työkaluja, joita voidaan hyödyntää toiminnallisten materiaalien valmistamisessa. Lisäksi väitöskirjassa tutkittiin hydrogeelien verkkorakenteiden ominaisuuksia, joita voidaan hyödyntää synteettisten myötöjäykistyvien materiaalien sekä rintasyöpäsolujen 3D-kasvatusalustojen kehittämisessä.

Description

Supervising professor

Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland

Thesis advisor

Nonappa, Assoc. Prof., Tampere University, Finland

Keywords

self-assembly, supramolecular self-assembly, network, polymer, hydrogel, strain- stiffening, negative normal force, 3D matrix, breast cancer, itsejärjestyminen, supramolekulaarinen itsejärjestyminen, verkko, polymeeri, hydrogeeli, venymäjäykistyminen, negatiivinen normaalivoima, 3D solukasvatus, rintasyöpä

Other note

Parts

  • [Publication 1]: Bertula, Kia; Nonappa; Myllymäki, Teemu T.T.; Yang Hongjun; Zhu, X.X.; Ikkala, Olli. 2017. Hierarchical self-assembly from nanometric micelles to colloidal spherical superstructures. Polymer, 2017, 126, 1777-187.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201907304464
    DOI: 10.1016/j.polymer.2017.08.027 View at publisher
  • [Publication 2]: Hörenz, Christoph; Bertula, Kia; Tiainen, Tony; Hietala, Sami; Hynninen, Ville; Ikkala, Olli. UV-Triggered On-Demand Temperature-Responsive and Irreversible Gelation of Cellulose Nanocrystals. Biomacromolecules, 2020, 21, 830-838.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020123160487
    DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01519 View at publisher
  • [Publication 3]: Bertula, Kia; Martikainen, Lahja; Munne, Pauliina; Hietala, Sami; Klefström, Juha; Ikkala, Olli; Nonappa. Strain-stiffening of Agarose Gels. ACS Macro Letter, 2019, 8, 670-675.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906033328
    DOI: 10.1021/acsmacrolett.9b00258 View at publisher
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00601 View at publisher
  • [Publication 5]: Munne, Pauliina M; Martikainen, Lahja; Räty, Iiris; Bertula, Kia, Nonappa; Ruuska, Janika; Ala-Hongisto, Hanna; Peura, Aino; Pokki, Juho; Kivento, Mikko; Suomi, Tomi; Nevalaita, Liina; Mutka, Minna; Kovanen, Pani; Leidenius, Marjut; Meretoja, Tuomo; Hukkinen, Katja; Monn, Outi; Pouwels, Jeroen; Mattson, Johanna; Joensuu, Heikki; Heikkilä, Päivi; Elo, Laura; Metcalfe, Ciara; Junttila, Melissa R.; Ikkala, Olli; Klefström, Juha, Compressive Stress-Mediated p38 Activation Regulates ERα+ Phenotype in Breast Cancer. Nature Communications, 2021, 12, 6967.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2021120810603
    DOI: 10.1038/s41467-021-27220-9 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0693-0

Collections

[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI