Bioinspired materials: Non-covalent modification of nanofibrillated cellulose and chitin via genetically engineered proteins and multilayered graphene
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2015-04-10
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
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
72 + app. 53
Series
VTT Science, 81
Abstract
Biological nanocomposites such as nacre, bone and wood synergistically combine strength, stiffness and toughness with lightweight structure, whereas most man-made engineering materials with higher densities follow the rule-of-mixtures, according to which strength and toughness are mutually exclusive properties. Biomimetic approaches study and mimic nature’s concepts and material structures with the aim of developing high-performance bioinspired materials. Recent studies have shown that many of the properties of natural nanocomposites arise from their hierarchical structures from multiple length scales. Molecular level control and design are known to be crucial for the performance of the natural materials especially at the interfaces of the softer matrix and the harder reinforcing elements. In this work, examples of biopolymer matrices were studied from the mechanical perspective in order to understand how biological components, such as genetically engineered proteins and graphene flakes, could be used to design an organic matrix at the molecular level and to control its macroscopic material properties. The results indicated that the biopolymer networks can be functionalized non-covalently in aqueous and mild conditions directly via self-assembly in order to influence the mechanical properties. In Publications I and II, genetically engineered fusion proteins, incorporating hydrophobin - double cellulose binding domain or plain double cellulose binding domain, were used to tune the nanofibrillar cellulose network under conditions of controlled humidity. In Publication III, another genetically engineered fusion protein, chitin binding domain - aspein, was used to modify nanofibrillated chitin matrix through ionic interactions and biomimetic mineralization of calcium carbonate. In Publication IV, multilayered graphene flakes were exfoliated directly into native nanofibrillated cellulose networks in order to create nanocomposites with improved mechanical properties. Non-covalent modification of the colloidal biopolymer matrices is an efficient route to construct and study multifunctional nanocomposite materials by engineering the interfaces between the soft and hard phases. Importantly, genetically engineered proteins could pave the way towards new functional components for biomimetic structural nanocomposite materials while Nature’s materials continue to provide the constructing principles and inspiration for the development of biomimetic materials.Luonnon nanokomposiittimateriaalit, kuten helmiäissimpukan kuori, luu ja puu, omaavat synergisiä mekaanisia ominaisuuksia, joissa yhdistyvät jäykkyys, vahvuus ja sitkeys kevyessä rakenteessa. Suurin osa ihmisen tekemistä synteettisistä materiaaleista noudattaa ”rule-of-mixtures”-sääntöä, jossa jäykkyys ja sitkeys ovat toisen pois sulkevia ominaisuuksia. Biomimeettiset lähestymistavat tutkivat ja pyrkivät jäljittelemään luonnon luomia konsepteja ja materiaalirakenteita tavoitteena kehittää uusia biomimeettisia ja parempia ominaisuuksia omaavia materiaaleja. Viime vuosien tutkimukset ovat osoittaneet, että monet toivottavat materiaaliominaisuudet perustuvat useiden eri kokoluokkien yli ulottuviin itsejärjestäytyneisiin hierarkkisiin rakenteisiin. Molekyylirakennetason suunnittelun ja hallinnan tiedetään olevan erityisen tärkeää luonnon nanokomposiittimateriaalien rajapinnoilla, joissa pehmeämpi matriisi yhdistyy jäykempien vahvistavien rakenteiden kanssa. Tässä työssä tutkittiin, kuinka biopolymeerimatriiseja voidaan suunnitella ja muokata molekyylitasolla käyttäen hyväksi geneettisesti luotuja proteiineja sekä grafeiinihiutaleita. Tavoitteena on makroskooppisten mekaanisten ominaisuuksien molekyylitason hallinta. Tulokset osoittavat, että biopolymeeriverkostoja voidaan funktionalisoida ei-kovalenttisesti miedoissa vesipohjaisissa ympäristöissä mekaanisiin ominaisuuksiin vaikuttaen. Julkaisuissa I ja II käytettiin geneettisesti luotuja fuusioproteiineja. Fuusioproteiinit muodostuivat joko hydrofobiinista yhdistettynä kaksinkertaiseen selluloosasitoutumisdomeeniin tai pelkästä kaksinkertaisesta selluloosasitoutumisdomeenista. Fuusioproteiineilla muokattiin nanofibrilloituja selluloosan verkostoja eri kosteustiloissa. Julkaisussa III muokattiin nanofibrilloitua kitiiniverkostoa ei-kovalenttisesti geneettisesti luodun fuusioproteiinin avulla. Kyseinen proteiini sisälsi kitiinisitoutumisdomeenin ja aspeiinin, joka mahdollisti ionisten vuorovaikutusten hyödyntämisen sekä kalsiumkarbonaatin kiteyttämisen. Julkaisussa IV kuorittiin monikerroksisia grafeiinihiutaleita suoraan nanofibrilloituun selluloosamatriisin, josta valmistetuilla nanokomposiittimateriaaleilla oli parannettuja mekaanisia ominaisuuksia. Ei-kovalenttinen ja kolloidaalinen biopolymeerimatriisien modifiointi on tehokas menetelmä tutkia ja luoda uusia monitoiminnallisia nanokomposiittimateriaaleja muokkaamalla pehmeiden ja vahvistavien rakenteiden rajapintoja. Geneettisesti muokattuja proteiineja voidaan pitää lupaavina toiminnallisina komponentteina tulevaisuuden biomimeettisiin ja rakenteellisiin materiaaleihin. Luonnon materiaalit ja systeemit tulevat jatkossakin toimimaan inspiraation lähteenä sekä tarjoamaan toimintaperiaatteita uusien biomimeettisten materiaalien luomiseen.Description
Supervising professor
Ikkala, Olli, Academy Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Linder, Markus, Prof., Aalto University, Department of Biotechnology and Chemical Technology, FinlandKeywords
self-assembly, biopolymer, biomimetics, nanocomposite, genetically engineered proteins, graphene, materials science, colloids, itsejärjestyminen, biopolymeeri, biomimetiikka, nanokomposiitti, geneettisesti luodut proteiinit, grafeeni, materiaalitiede, kolloidit
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Jani-Markus Malho, Claudiane Ouellet-Plamondon, Markus Rüggeberg, Päivi Laaksonen, Olli Ikkala, Ingo Burgert, and Markus B. Linder. 2015. Enhanced plastic deformations of nanofibrillated cellulose film by adsorbed moisture and protein-mediated interactions. Biomacromolecules, volume 16, number 1, pages 311-318.
DOI: 10.1021/bm501514w. View at publisher
- [Publication 2]: Jani-Markus Malho, Suvi Arola, Päivi Laaksonen, Géza R. Szilvay, Olli Ikkala, and Markus B. Linder. Modular tuning of the supracolloidal interactions between nanocellulose fibrils with genetically engineered protein binding units. Manuscript, submitted to Angewandte Chemie International Edition.
-
[Publication 3]: Jani-Markus Malho, Hanna Heinonen, Inkeri Kontro, Ngesa E. Mushi, Ritva Serimaa, Hans-Peter Hentze, Markus B. Linder, and Géza R. Szilvay. 2014. Formation of ceramophilic chitin and biohybrid materials enabled by a genetically engineered bifunctional protein. Chemical Communications, volume 50, number 55, pages 7348-7351.
DOI: 10.1039/C4CC02170C. View at publisher
-
[Publication 4]: Jani-Markus Malho, Päivi Laaksonen, Andreas Walther, Olli Ikkala, and Markus B. Linder. 2012. Facile method for stiff, tough, and strong nanocomposites by direct exfoliation of multilayered graphene into native nanocellulose matrix. Biomacromolecules, volume 13, number 4, pages 1093-1099.
DOI: 10.1021/bm2018189. View at publisher