The Effect of Nanostructure on Protein Adsorption on Carbon-Based Materials

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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

2024-09-06

Department

Major/Subject

Bioinformaatioteknologia

Mcode

ELEC3016

Degree programme

Sähkötekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

27

Series

Abstract

The advantage of implantable biosensors is their ability to provide information from the human body continuously and in real-time. Carbon-based nanomaterials can be utilized in the development of such sensors. Since the biosensor surface comes into contact with blood during implantation, it is significant to acknowledge the effect of the nanostructure of the chosen sensor material on the interactions between plasma proteins and the sensor itself. The understanding of these interactions allows the development of safe and efficient implantable biosensors. This Bachelor’s thesis examined the effect of nanostructure on protein adsorption on carbon-based nanomaterials. Protein adsorption is defined as the adhesion of proteins to a solid surface, and the phenomenon occurs spontaneously upon implantation. Protein adsorption on biosensors can lead to harmful effects, such as a decrease in sensor sensitivity. This thesis was conducted as a literature review. It concentrated on three carbon-based nanomaterials: graphene, carbon nanotubes (CNTs), and carbon nanofibers (CNFs). The analysis was limited to the adsorption of two plasma proteins, albumin and fibrinogen. The thesis found the adsorption of albumin and fibrinogen to be abundant on the considered nanostructures. However, the adsorption capacity of graphene exceeded the adsorption capacities of CNTs and CNFs as a consequence of surface curvature. Increasing surface curvature corresponds to decreased protein adsorption capacity. Adsorption on both graphene and CNTs was discovered to influence the secondary structures of albumin and fibrinogen. In addition, larger CNTs provided the possibility of protein adsorption inside the nanotubes. Due to the abundant adsorption on the nanostructures, they may not be suitable for implantable biosensor applications as pristine materials. Nevertheless, protein adsorption and its harmful effects can be reduced by surface modification of the nanomaterials. Future research should focus on optimization of the surface modifications and ensuring the biocompatibility of the carbon-based nanomaterials.

Implantoitavien bioanturien etuna on niiden kyky mitata elimistöstä informaatiota reaaliaikaisesti ja jatkuvasti. Tällaisten bioanturien kehityksessä käytetään hiilipohjaisia nanomateriaaleja niiden suotuisten ominaisuuksien, kuten korkean sähkönjohtavuuden, vuoksi. Koska implantoinnin yhteydessä bioanturin pinta tulee kosketuksiin veren kanssa, on tärkeä ymmärtää, millainen vaikutus bioanturin pintamateriaalin valinnalla on veriplasman proteiinien ja itse bioanturin välisiin vuorovaikutuksiin. Näiden vuorovaikutusten ymmärtäminen edistää turvallisten ja tehokkaiden bioanturien kehittämistä. Tämä kandidaatintyö tutki hiilipohjaisten materiaalien nanorakenteen vaikutusta veriplasman proteiinien adsorptioon. Proteiiniadsorptiolla tarkoitetaan proteiinien kiinnittymistä kiinteälle pinnalle, ja sitä esiintyy spontaanisti bioanturin implantoimisen yhteydessä. Elimistössä proteiiniadsorptio bioantureiden pinnalle voi olla vahingollista, sillä tämä ilmiö voi esimerkiksi heikentää bioantureiden mittaustarkkuutta. Tämä kandidaatintyö tehtiin kirjallisuuskatsauksena käyttäen lähteenä pääosin julkaisuja materiaalitieteen, nanotieteen sekä kemian aloilta. Tutkielmassa käsittelyssä oli kolme eri hiilen nanorakennetta: grafeeni, hiilinanoputket ja hiilinanokuidut. Proteiiniadsorptio oli rajattu kahden veressä esiintyvän proteiinin, albumiinin ja fibrinogeenin, tarkasteluun. Proteiiniadsorptioon vaikuttavat ulkoiset tekijät, pinnan ominaisuudet ja itse proteiinien ominaisuudet. Ulkoisia tekijöitä ovat esimerkiksi ympäristön lämpötila ja pH-arvo. Proteiinien rakennetta tai ulkoisia tekijöitä ei voi muuttaa elimistössä, joten adsorptiopinnan ominaisuuksilla on suuri merkitys ilmiön kannalta. Työssä vertailukohteena hiilinanoputkien ja -kuitujen vaikutukselle adsorptioon toimi grafeeni, sillä sekä hiilinanoputket että -kuidut ovat syntetisoitu siitä. Grafeeni on yhden atomin paksuinen hiilen nanorakenne, jossa hiiliatomit muodostavat kuusikulmaisia soluja. Tutkielmassa huomattiin albumiinin ja fibrinogeenin adsorption olevan runsasta kaikkien käsiteltyjen nanorakenteiden pinnoille. Proteiiniadsorptio oli suurinta tasaisille grafeeniarkeille hiilinanoputkiin ja -kuituihin verrattuna. Tämä ero johtui nanorakenteiden pinnan kaarevuudesta. Mitä kaarevampi pinta, sitä vähemmän proteiiniadsorptiota havaittiin. Sekä hiilinanoputket että grafeeni aiheuttivat muutoksia adsorboituneiden proteiinien sekundaarirakenteeseen. Suuremman kokoluokan hiilinanoputket mahdollistivat albumiinin adsorption putken sisälle sen ulkopinnan lisäksi. Sillä proteiiniadsorptio oli hiilinanorakenteiden pinnalle runsasta, eivät ne oikein sovellu puhtaina materiaaleina käytettäviksi implantoitaviin bioanturisovelluksiin. Proteiiniadsorptiota ja sen haittavaikutuksia voi kuitenkin vähentää nanorakenteiden pintamuokkauksen avulla. Tutkimuksen tulisi keskittyä tulevaisuudessa pintamuokkausten optimointiin ja hiilipohjaisten materiaalien bioyhteensopivuushaasteiden ratkaisuun. Lisäksi plasmaproteiinien adsorptio hiilinanokuiduille on hiilinanoputkia ja grafeenia vähemmän tutkittua, joten sitä tulisi tutkia paremman vertailun saavuttamiseksi nanorakenteiden välille.

Description

Supervisor

Turunen, Markus

Thesis advisor

Laurila, Tomi

Keywords

protein adsorption, carbon-based nanomaterials, implantable biosensors

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202410016550

Collections

[kand] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC