Functional Liquid-Fluid Interfaces Based on Hydrophobin Proteins: An Experimental Study for Medical Applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2024-05-13
Date
2024
Department
Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 140
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 99/2024
Abstract
Interfaces are everywhere around us. Any direct interaction occurs at the interface. This thesis explored the potential of functional interfaces to solve various medical application challenges. The four publications presented in this thesis highlight the different ways in which functional interfaces can be utilized to address these challenges. Publication I focused on the relationship between gravity, viscoelasticity, and the shape of water droplets coated with HFBI hydrophobin proteins. By studying the self-organization of hydrophobins at the air-water interface, it was found that a rigid layer is formed at a critical concentration, which affects the droplet morphology. This finding has significant implications for engineering and biomedical applications, as it provides a pathway for controlling the shape of droplets in various systems. Publication II presented a novel antibody extraction method using advanced materials and functional interfaces. By dividing an oil-based ferrofluid into daughter droplets under an external magnetic field, the surface area of liquid-liquid interfaces is increased, allowing for the functionalization and application of these interfaces as a substrate for antibody extraction. Publication III focused on the formation and characterization of protein-coated gas bubbles. By employing a micropipette aspiration technique, the mechanical properties of these bubbles were assessed, and a sealing parameter (Q) was determined to evaluate their gas permeability. These well-characterized bubbles have promising potential as ultrasound-enhanced contrast agents in various biomedical fields. They can be utilized for imaging purposes and targeted drug delivery, opening up new possibilities for medical diagnostics and therapies. Publication IV explored the utilization of hydrophobin protein functionalized bubbles to develop an advanced ultrasound molecular imaging probe. By functionalizing bubbles with a moiety part at their interface, they can attach to specific antigens and reveal diseased cells, such as cancer cells. This innovative approach holds great promise for improving the accuracy and sensitivity of molecular imaging techniques, enabling early detection and precise targeting of diseases. Overall, the findings presented in this thesis demonstrate the immense potential of functional interfaces in solving various medical application challenges. They provide valuable insights into the design and development of novel materials and techniques that can improve diagnostics, therapeutics, and imaging in the biomedical field.

Rajapintoja on kaikkialla ympärillämme. Kaikki suorat vuorovaikutukset tapahtuvat rajapinnalla. Väitöskirjassa tutkittiin toiminnallisten rajapintojen sovelluksia erilaisten lääketieteellisten haasteiden ratkaisemiseen. Väitöskirjan neljä julkaisua tuovat esiin eri tapoja, joilla toiminnallisia rajapintoja voidaan hyödyntää näiden haasteiden ratkaisemisessa. Julkaisu I keskittyi painovoiman, viskoelastisuuden ja HFBI-hydrofobiini proteiineilla päällystettyjen vesipisaroiden muodon väliseen suhteeseen. Tutkimalla hydrofobiinien itsejärjestymistä ilman ja veden rajapinnalla havaittiin, että rajapinnalle muodostuu jäykkä kerros kriittisessä pitoisuudessa, mikä vaikut¬taa pisaran muotoon. Tällä havainnolla on merkittäviä vaikutuksia teknisiin ja biolääke-tieteellisiin sovelluksiin, koska se tarjoaa reitin pisaroiden muodon hallintaan eri järjestelmissä. Julkaisussa II esiteltiin uusi vasta-aineiden eristysmenetelmä, jossa käytetään kehittyneitä materi-aaleja ja toiminnallisia rajapintoja. Jakamalla öljypohjainen ferrofluidi pieniksi pisaroiksi ulkoisen magneettikentän alla kasvattaen neste-neste rajapintojen pinta-alaa, mikä mahdollistaa näiden rajapintojen toiminnallistamisen ja soveltamisen substraattina vasta-aineiden eristämistä varten. Julkaisu III keskittyi proteiinipäällysteisten kaasukuplien muodostumiseen ja karakterisointiin. Arvioimme mikropipetti-imutekniikalla kuplien mekaaniset ominaisuudet ja määrittelimme tiivistysparametrin (Q) kuplien kaasunläpäisevyyden arvioimiseksi. Näillä hyvin karakterisoiduilla kuplilla on lupaava potentiaali ultraäänikontrastiaineina eri biolääketieteen aloilla. Niitä voidaan hyödyntää kuvantamistarkoituksiin ja lääkkeiden kohdennettuun annosteluun, mikä avaa uusia mahdollisuuksia lääketieteelliseen diagnostiikkaan ja hoitoihin. Julkaisussa IV tutkittiin hydrofobiiniproteiinilla toiminnallistettujen kuplien hyödyntämistä kehittyneen ultraäänimolekyylikuvantamiskoettimen kehittämisessä. Toiminnallistetut kuplat, joiden rajapintaan on kiinnitetty sopiva antigeeni, voivat paljastaa sairaita soluja, kuten syöpäsoluja. Tämä innovatiivinen lähestymistapa tarjoaa suuria lupauksia molekyylikuvantamistekniikoiden tarkkuuden ja herkkyyden parantamisessa, mikä mahdollistaa sairauksien varhaisen havaitsemisen ja tarkan kohdentamisen. Kaiken kaikkiaan tässä väitöskirjassa esitetyt havainnot osoittavat toiminnallisten rajapintojen valtavan potentiaalin erilaisten lääketieteellisten sovellusten haasteiden ratkaisemisessa. Ne tarjoavat arvokasta tietoa uusien materiaalien ja tekniikoiden suunnittelusta ja kehittämisestä, jotka voivat parantaa diagnostiikkaa, hoitoja ja kuvantamista biolääketieteen alalla.
Description
Supervising professor
Ras, Robin, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Paananen, Arja, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
Joensuu, Jussi, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland, Finland
Keywords
functional interfaces, proteins, bubbles, droplets, molecular imaging, toiminnalliset rajapinnat, proteiinit, kuplat, pisarat, molekyylikuvaus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Ciarletta, P., and Vella D., Flattened and wrinkled encapsulated droplets: Shape-morphing induced by gravity and evaporation. Physical Review Letters. 130, 218202. Published 24 May 2023. * The authors contributed equally.
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.218202 View at publisher
  • [Publication 2]: Al-Terke, H. H., Latikka, M., Timonen, J. V. I., Vékás, L., Paananen, A., Joensuu, J., Ras, R. H. A., Functional Magnetic Microdroplets for antibody extraction. Advanced Materials Interfaces. 9, 2101317. Published 06 December 2021.
    DOI: 10.1002/admi.202101317 View at publisher
  • [Publication 3]: Al-Terke, H. H.*, Beaune, G.*, Junaid, M., Seitsonen, J., Paananen, A., Timonen, J. V. I. Joensuu, J., Brochard-Wyart, F., Ras, R. H. A., Compressibility and porosity modulate the mechanical properties of giant gas vesicles. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 120, 2211509120. Published 17 January 2023. * The authors contributed equally.
    DOI: 10.1073/pnas.2211509120 View at publisher
  • [Publication 4]: Al-Terke, H. H., Beaune, G., Junaid, M., Seitsonen, J., Paananen, A., Timonen, J. V. I., Metrangolo, P., Joensuu, J., Ras, R. H. A., Hydrophobin-coated echogenic microbubbles for molecular targeting of tumor cells. Submitted
Citation