Bioactive nanocellulose films with spatial definition

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2018-07-31
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
102 + 7
Series
Abstract
In this thesis, fluidic channels were prepared on films made from cellulose nanofibers (CNF) and their potential use in biosensor applications was studied. The main goal was to develop hydrophilic-hydrophobic patterns to controllably produce CNF substrates for microfluidic applications. The work included a detailed investigation, to prevent non-specific adsorption of a type of human serum protein, hIgG, on CNF. A suitable antifouling agent for the CNF films was tested. CNF is a cellulosic material that has at least one dimension in the nanometer range and it is mainly produced mechanically from wood fibers. It can be used to make strong, translucent and smooth films. Two different approaches were tested to prepare 2D-channels on the CNF films: photolithography and inkjet printing of hydrophobic materials. The photolithographic method utilized simultaneously thiol-ene and thiol-yne click chemistries. In the inkjet studies, it was observed that polystyrene dissolved in p-xylene worked successfully. The prepared microfluidic CNF materials were characterized with SEM, AFM, contact angle measurements and liquid flow tests. Additionally, the non-specific protein adsorption was studied by using model CNF films with QCM-D, SPR and AFM techniques. Furthermore, the adsorption of fluorescent hIgG was performed on real CNF films and channels with CLSM method. The molecules used for protein blocking included BSA, fibrinogen and PDMAEMA-block-POEGMA copolymers. The results indicated that the best fluid flow was obtained by inkjet printing channels with polystyrene edges on CNF films. In addition, the PDMAEMA-block-POEGMA copolymer was the best antifouling agent for CNF and it reduced the hIgG adsorption up to 95 %. The successful blocking of the channels point out that these systems could be developed further and possibly be used in future biosensing applications.

Tässä diplomityössä valmistettiin nestevirtauskanavia nanoselluloosa-filmien pinnoille, ja tutkittiin näiden mahdollista käyttöä biosensoreissa. Työn tavoitteena oli valmistaa kanavia muodostamalla filmeille hydrofobisia ja hydrofiilisiä alueita. Lisäksi tavoitteena oli tutkia hIgG-vasta-aineen epäspesifistä adsorptiota CNF-filmeille sekä löytää sopivia adsorptionestoaineita, jotka soveltuvat tälle materiaalille. Adsorptionestoaineina kokeiltiin BSA:ta, fibrinogeenia ja PDMAEMA-blokki-POEGMA -kopolymeerejä. Selluloosan nanofibrillit (cellulose nanofibrils CNF) ovat nanomateriaali, jota valmistetaan puukuiduista mekaanisella käsittelyllä. Tästä materiaalista voidaan valmistaa mekaanisesti vahvoja, läpinäkyviä ja tasaisia filmejä. Tässä työssä valmistettiin CNF-filmeille kanavia käyttäen CLICK-kemian reaktioita sekä polymeerikuviointi-menetelmää käyttäen mustesuihkutulostusta. Valmistettuja pintakanavia tutkittiin SEM- ja AFM-menetelmillä, kontaktikulmamittauksilla sekä virtaustestein. Proteiinien epäspesifistä adsorptiota tutkittiin CNF-mallipinnoilla QCM-D-, SPR- ja AFM-menetelmien avulla. Lisäksi adsorptiota tutkittiin CNF filmeille valmistetuissa kanavissa fluoresoidun vasta-aineen avulla CLSM-menetelmällä. Tutkimukset osoittivat, että mustesuihkutulostettu polystyreeniliuos muodosti parhaiten toimivan nestevirtauskanavan CNF filmin pinnalle. Lisäksi PDMAEMA-blokki-POEGMA -kopolymeeri osoittautui parhaaksi adsorptionestoaineeksi. Se vähensi hIgG:n adsorptiota 95 %. Yhdistämällä pintakanavien valmistusmenetelmä ei-selektiivisen adsorptionestoaineiden kanssa voidaan valmistaa materiaaleja tulevaisuuden biosensoreihin.
Description
Supervisor
Rojas, Orlando
Thesis advisor
Orelma, Hannes
Borghei, Maryam
Keywords
CNF films, nanopaper, biosensor substrate, fluidic channel, non-specific protein adsorption
Other note
Citation