Superhydrophobic bio-repellent surfaces
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-12-19
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
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
143 + app. 49
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 247/2025
Abstract
Superhydrophobic surfaces trap a thin air film (plastron) at the solid–liquid interface, drastically reducing the effective contact area with the liquid. This enables them to repel biofluids, resist protein adsorption, and inhibit cell adhesion. However, a key challenge lies in maintaining plastron stability upon exposure to complex biological environments with biomolecules that destabilise the air layer. Plastron collapse compromises the surface’s bio-repellent properties. This doctoral thesis approaches bio-repellency through the lens of plastron stability, examining how superhydrophobic surface design influences interactions with proteins, culture media, and cell suspensions. In particular, we used optical imaging and wettability analysis to investigate how entrapped air layers resist collapse in the presence of complex biofluids and how this relates to antifouling performance. Through systematic design of micro- and nanoscale topography and surface chemistry, we achieved plastron lifetimes exceeding 120 hours in protein-rich media. Proteins (albumin, fibronectin) and sugars (glucose) were identified as key agents responsible for plastron destabilisation. Larger air-volume plastrons, greater Wenzel roughness and solid fraction, and smaller microfeature sizes were found to enhance plastron stability. The thesis also investigated the cell-repellent properties of superhydrophobic structures using A549 epithelial cells. Using fluorescence microscopy and scanning electron microscopy, we determined that the most effective cell-repellent superhydrophobic surfaces strike a balance: the solid fraction must be low enough to create air gaps wider than cell dimensions, yet high enough to maintain a stable plastron. Increasing Wenzel roughness or reducing feature size enhances plastron stability but narrows the gap, enabling cell bridging. Thus, optimal designs preserve the Cassie state while keeping gaps unbridgeable. Optimised micropillar arrays with low solid–liquid contact (7.4%) reduced cell attachment by 95% relative to smooth hydrophilic surfaces. In the final part of the thesis, the use of superhydrophobic interfaces is demonstrated through two novel biomedical applications. First, superhydrophilic-superhydrophobic droplet microarrays enabled high-throughput digital nucleic acid detection using low surface tension strand invasionbased amplification (SIBA) reagents. This array enabled robust single-RNA molecule analysis using minimal reagent volumes. Second, transparent superhydrophobic alumina nanograss-coated glass capillaries, fabricated via atomic layer deposition and hydrothermal treatment, exhibited reduced protein adsorption and up to 50% drag reduction in fetal bovine serum, highlighting their potential for surgical tubing applications.Superhydrofobiset pinnat vangitsevat kiinteän ja nesteen rajapintaan ilmankerroksen (plastronin), joka vähentää huomattavasti nesteen kosketusta pintaan. Tämän ansiosta ne hylkivät erilaisia nesteitä, estävät proteiinien adsorptiota ja ehkäisevät solujen kiinnittymistä. Plastronin säilyminen biologisesti monimutkaisissa ympäristössä on kuitenkin merkittävä haaste. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan biohylkivyyttä plastronin stabiilisuuden näkökulmasta, ja tutkitaan, miten superhydrofobisen pinnan rakenne vaikuttaa vuorovaikutuksiin proteiinien ja solujen kanssa. Tärkeimmät kokeelliset menetelmät asian tutkimiselle olivat optinen kuvantaminen ja kontaktikulmamittaukset. Systemaattisesti suunnitelluilla mikro- ja nanorakenteilla sekä pintakemialla saavutettiin parhaimmillaan yli 120 tunnin plastronin kesto proteiinipitoisessa nesteessä. Albumiini, fibronktiini ja glukoosi tunnistettiin merkittäviksi plastronin hajottajiksi. Plastronin stabiilisuutta paransivat suurempi ilmamäärä, korkea pinnankarheus, riittävä kiinteän faasin osuus sekä pienempikokoiset mikrorakenteet. Väitöskirjassa tutkittiin superhydrofobisten rakenteiden soluhylkivyyttä A549-epiteelisolujen avulla. Fluoresenssi- ja pyyhkäisyelektronimikroskopiaa hyödyntäen havaittiin, että tehokkaimmat soluhylkivät pinnat tasapainottavat kaksi vaatimusta: kiinteän osuuden on oltava riittävän pieni, jotta ilmarako ylittää solun koon, mutta riittävän suuri, jotta plastroni säilyy vakaana. Karheuden lisääminen tai rakenteiden pienentäminen parantaa plastronin pysyvyyttä, mutta kaventaa ilmarakoja ja mahdollistaa solujen siltauksen kahden vierekkäisen rakenteen välillä. Optimaaliset rakenteet säilyttävät Cassie-tilan ja estävät solujen pääsyn alustaan. Parhaat mikropilarirakenteet (7,4 % kiinteä osuus) vähensivät solujen kiinnittymistä 95 % verrattuna sileisiin hydrofiilisiin pintoihin. Väitöskirjassa esitetään kaksi biolääketieteellistä sovellusta, joissa hyödynnetään superhydrofobisia rajapintoja. Superhydrofiilisten ja superhydrofobisten alueiden yhdistäminen mahdollisti pisaramikroarray-pohjaisen nukleiinihappojen digitaalisen tunnistuksen pienipintajännitteisillä SIBAreagensseilla, mahdollistaen yksittäisten RNA-molekyylien analyysin pienestä tilavuudesta. Atomikerroskasvatuksella ja hydrotermisellä käsittelyllä valmistetut läpinäkyvät, nanoruoholasikapillaarit vähensivät bionesteiden virtausvastusta jopa 50 % ja säilyttivät optisen läpinäkyvyytensä verikontaktin jälkeen.Description
Supervising professor
Jokinen, Ville, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandThesis advisor
Franssila, Sami, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandKeywords
superhydrophobic, microfabrication, plastron, biofluid, bio-repellent, biointerfaces, protein adsorption, cell adhesion, droplet microarray, digital SIBA, glass capillaries, drag reduction, superhydrofobinen, mikrovalmistus, plastroni, bioneste biohylkivä, biorajapinta, proteiiniadsorptio, solujen kiinnittyminen, pisara-mikroarray, digitaalinen SIBA-menetelmä, lasikapillaarit, virtausvastuksen vähentäminen
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Awashra, Mohammad; Mirmohammadi, Seyed Mehran; Meng, Lingju; Franssila, Sami; Jokinen, Ville. 2025. Stable air plastron prolongs biofluid repellency of submerged superhydrophobic surfaces. Langmuir, 41, 3, 1807–1820.
DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c04259 View at publisher
-
[Publication 2]: Awashra, Mohammad; Jokinen, Ville. 2025. Superhydrophobic cell-repellent microstructures: Plastron-mediated inhibition of A549 epithelial cell adhesion. Small, 21, 40, e06022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202510228455DOI: 10.1002/smll.202506022 View at publisher
-
[Publication 3]: Awashra, Mohammad; Elomaa, Pinja; Ojalehto, Tuomas; Saavalainen, Päivi; Jokinen, Ville. 2024. Superhydrophilic/superhydrophobic droplet microarrays of low surface tension biofluids for nucleic acid detection. Advanced Materials Interfaces. 11, 2300596.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401171468DOI: 10.1002/admi.202300596 View at publisher
-
[Publication 4]: Hussain, Mubashir; Awashra, Mohammad; Kauppinen, Christoffer; Mirmohammadi, Seyed Mehran; Addy-Tayie, Nicholas; Peltola, Rosa; Leskinen, Juho; Puustinen, Sami; Nurmi, Heikki; Ras, Robin; Franssila, Sami; Jokinen, Ville. 2025. A biofluid-repellent nanograss coating enhances flow of protein solutions and preserves transparency of glass capillaries upon exposure to blood. Nanoscale Adv.
DOI: 10.1039/D5NA00433K View at publisher