EN Two-Component Langmuir Monolayers and Langmuir-Blodgett Films - Morphology, Intermolecular Interactions and Viscoelastic Properties

polski

PL Poliedryczne oligomeryczne silseskwioksany (POSS) reprezentują grupę hybrydowych materiałów krzemoorganicznych, o unikatowych właściwościach fizykochemicznych. Możliwość funkcjonalizowania cząsteczek POSS dowolnymi podstawnikami przekłada się na ich wielokierunkowe zastosowanie o potwierdzonej użyteczności, zwłaszcza w obszarach biomedycznych. W związku z ogromnym potencjałem aplikacyjnym pochodnych POSS istnieje potrzeba przeprowadzenia szczegółowych badań ze składnikami błony biologicznej na poziomie molekularnym, co pozwoli na lepsze zrozumienie mechanizmu oddziaływań typu POSS-membrana, wskazanie potencjalnych zastosowań związków POSS oraz ustalenie wpływu pochodnych POSS zawartych w biomateriałach lub kosmetykach na żywy organizm. Celem niniejszej rozprawy doktorskiej było przeprowadzenie szczegółowych badań fizykochemicznych oraz reologicznych wybranych układów biomimetycznych z udziałem fosfolopidów oraz pochodnych poliedrycznych oligomerycznych klatkowych silseskwioksanów POSS. Prezentowana rozprawa doktorska składa się ze zbioru pięciu, oryginalnych publikacji naukowych opublikowanych w latach 2017-2019. W ramach dysertacji przeprowadzono systematyczne badania zarówno monowarstw Langmuira, jak i filmów powierzchniowych Langmuira-Blodgett oraz Langmuira-Scheafera utworzonych z wykorzystaniem układów jednoskładnikowych oraz dwuskładnikowych. Badano dwie pochodne POSS o różnym charakterze chemicznym podstawników organicznych obecnych w ich strukturze, oraz dwa różne fosfolipidy jako reprezentatywne składniki błon biologicznych komórek eukariotycznych i prokariotycznych. Do charakterystyki monowarstw użyto wagi Langmuira, mikroskopu kąta Brewstera (BAM) oraz miernika potencjału powierzchniowego (SPOT). Na podstawie uzyskanych wyników przeprowadzono również analizę termodynamiczną rozważanych układów. Właściwości lepkosprężyste analizowano na podstawie badań przeprowadzonych z wykorzystaniem reometru międzyfazowego (ISR) oraz analizy transformaty Fouriera. Wykazano, że rozważane pochodne POSS tworzą nierozpuszczalne monowarstwy na granicy faz woda/powietrze, jednak ich właściwości powierzchniowe są silnie uwarunkowane charakterem ugrupowań obecnych w strukturze chemicznej cząsteczek silseskwioksanu. Ponadto wskazano na istnienie zależności pomiędzy strukturą chemiczną pochodnych POSS a charakterem oddziaływań występujących w układach dwuskładnikowych. Stwierdzono, że dodatek pochodnych POSS wpływa również na właściwości lepkosprężyste w układach mieszanych typu fosfolipid/POSS. Monowarstwy Langmuira utworzone zarówno w układach jednoskładnikowych, jak i dwuskładnikowych przeniesiono na powierzchnię ciała stałego z wykorzystaniem technik Langmuira-Blodgett oraz Langmuira-Scheafera. Modyfikowane powierzchnie analizowano pod kątem oceny zwilżalności stosując metodę kształtu kropli. Na podstawie zmierzonych wartości kątów zwilżania wyliczono wartości swobodnej energii powierzchniowej (oraz jej składowych) metodami OWRK oraz LWAB. Strukturę otrzymanych filmów powierzchniowych oceniono za pomocą mikroskopu sił atomowych (AFM). Przeprowadzone badania potwierdziły możliwość przeniesienia monowarstw Langmuira na powierzchnię ciała stałego. Wykazano zależność pomiędzy strukturą chemiczną pochodnych POSS a efektem modyfikacji zwilżalności ciał stałych. Udowodniono, że dodatek pochodnych POSS wpływa również na uporządkowanie cząsteczek fosfolipidów na granicy faz ciało stałe/powietrze. Uzyskane wyniki mogą wskazać potencjale kierunki zastosowań rozważanych pochodnych POSS w układach biomedycznych.

EN Polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) represent a class of hybrid organosilicon materials with unique physicochemical properties. Functionalization of POSS molecules with any substituents enables to use them in multidirectional applications with proven utility, especially in biomedical areas. Due to the huge application potential of POSS derivatives, the detailed research regarding components of the biological membrane at the molecular level is highly required. This allows a better understanding of the mechanism of POSS-membrane interaction, indicating their potential application as well as predicting the impact of POSS derivatives contained in biomaterials or cosmetics on living organisms. The main objective of this doctoral dissertation was to conduct detailed physicochemical and rheological studies of selected biomimetic systems involving phospholipids and polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS) derivatives. The presented doctoral dissertation consists of five original scientific publications published in 2017-2019. As the part of the dissertation, systematic studies of both Langmuir monolayers and Langmuir-Blodgett and Langmuir-Scheafer surface films created using one-component and two-component systems were carried out. Two POSS derivatives with different chemical nature of organic substituents and two different phospholipids as representative components of biological membranes of eukaryotic and prokaryotic cells were studied. The properties of Langmuir monolayer were examined by the Langmuir trough, Brewster Angle Microscopy (BAM) and Surface Potential Sensor (SPOT). Thermodynamic analysis of the studied systems was also carried out based on the obtained results. The viscoelastic properties were analyzed based on studies carried out using Interfacial Shear Rheometer (ISR) and Fourier transformation analysis. It has been shown that the considered POSS derivatives form insoluble monolayers at the water/air interface, but their surface properties are strongly dependent on the nature of the functional groups present in the chemical structure of the molecules. In addition, the relation between the chemical structure of POSS derivatives and the type and nature of interactions occurring in two-component systems have been demonstrated. It has been found that the addition of POSS derivatives also affects the viscoelastic properties in phospholipid/POSS mixed systems. Langmuir monolayers of both one-component and two-component systems were transferred onto the solid surface using the Langmuir-Blodgett and the Langmuir-Scheafer techniques. The wettability of the modified surfaces was analyzed by the drop shape method. On the basis of measured values of contact angles, the values of free surface energy (and its components) were determined by the OWRK and LWAB methods. The structure of the obtained surface films was evaluated using an atomic force microscope (AFM). The conducted research confirmed the possibility of transferring Langmuir monolayers onto a solid surface. The relation between the chemical structure of POSS derivatives and the effect of modification of wettability of solids have been demonstrated. It has been proved that the addition of POSS derivatives also affects the ordering of the phospholipid molecules at the solid/air interface. The obtained results may indicate the potential directions of applications of the tested POSS derivatives in biomedical systems.

144

nauki przyrodnicze

nauki chemiczne

DrOIN 2060

to2020500426

brak uprawnień do pobrania pliku

biblioteka

Agnieszka Ewa Wiącek

Lublin, Polska

27.03.2020

polski

brak uprawnień do pobrania pliku

biblioteka

Paweł Wydro

Kraków, Polska

24.06.2020

polski

brak uprawnień do pobrania pliku

biblioteka

rozprawa doktorska

Poznań, Polska

06.07.2020

Rada Dyscypliny Nauki Chemiczne Politechniki Poznańskiej

doktor nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie: nauki chemiczne