Adsorption of thermoresponsive microgels to lipid membranes

Abstract

This study investigates the association behavior of microgel particles onto giant unilamellar vesicles (GUVs). The GUVs composed of 1,2-dimyristoyl-sn-glycero-3-phosphocholine(DMPC), and binary lipid mixtures of DMPC:1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine(DOPC)and DMPC:1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC), were prepared by application of an alternating electric eld, in presence of microgel particles.
Under these conditions, we nd that the microgel particles adsorb to the GUVs. To gain more insight on the interaction of these colloidal particles and lipid membranes, the particle size, softness and hydrophobicity was varied as a function of temperature, and studied with dierent lipid phases. These results show that soft particles adsorb to
fluid membranes, forming two-dimensional hexagonally packed arrays at the GUVs surfaces,whereas on solid membrane, the particles partially adsorb and disordered arrangements are observed. Moreover, we establish that there is a clear preferential adsorption of soft microgel particles onto fluid membrane, illustrated by their adsorption behavior onto coexisting domains of fluid and solid membrane, in binary lipid mixture composed of
DMPC:DOPC. Additionally, above the volume phase transition of the microgel particles, the now hard and hydrophobic particles experience either partial or complete wrapping.
Here we notice that an additional coating of the particles with an excess of lipids, leads to adsorption of lipid-loaded microgel clusters at the GUVs surfaces. The adsorption mechanisms are reversible and can be adjusted with temperature.

Popular Abstract (Swedish)

Vägen mot smarta läkemedel
Tänk om läkemedel skulle vara målsökande, så att de bara angriper sjuka celler. Då skulle läkemedlen bli mer effektiva och ge mindre biverkningar. Om medicinen dessutom skulle kunna sätta sig på kroppens celler och långsamt släppa ut en kontrollerad dos, skulle man inte behöva ta sin medicin lika ofta. Detta kan vara på väg att bli verklighet, till exempel genom att använda nanopartiklar som selektiva medicinbärare. För att kunna tillverka sådan här smart medicin av nanopartiklar, måste man veta hur partiklarna samspelar med celler. Ibland, som i cancerbehandling, är det önskvärt att partiklarna ska gå in i cellen genom dess yttersta vägg (cellmembran), för att kunna skada cellen. I andra fall är målet att nanopartikeln ska fastna på cellmembranet, för att kunna släppa ut medicin under en lång tid. Så nanopartikeln måste designas efter önskemålen och det har redan visats att nanopartiklarnas form, storlek och sammansättning påverkar samspelet med cellmembran.
Figure 1: En stor vesikel, som är en modell av ett cellmembran. Förstoringen visar hur lipiderna orienterar sig med huvudena mot vatten och svansarna inåt.
Cellmembran består till största delen av lipider, som är molekyler med vattenälskande huvuden och vattenogillande svansar. I vattenlösning kan lipider bilda vesiklar, vilket är vätskefyllda blåsor där väggen utgörs av två lager lipid, med svansarna mot varandra och huvudena ut mot vattnet (se Figur 1). I denna studie framställs stora vesiklar och används som enkla modeller av cellmembran. Membranet kan precis som andra ämnen befinna sig i olika faser, bland annat en fast och en ytande fas, illustrerade i Figur 2. I den flytande fasen är det lättare för lipiderna att flytta på sig och mer av deras vattenogillande svansar är synliga. Dessutom är membranet lättare att forma och böja.
Möjligheten till gynnsam interaktion för partiklarna är således olika för de olika faserna. Partiklarna som jag använder, så kallade mikrogelpartiklar, har egenskaper som varierar
med temperatur. De består av långa tvärbundna molekyler och ser ut ungefär som nystan. Vid låga temperaturer är dessa nystan vattenfyllda och därmed stora, mjuka och formbara. När temperaturen höjs slutar de dock att tycka om vatten och drar ihop sig, vilket gör att de blir små och hårda som kulor.
Figure 2: Fasövergang i cellmembran. I den fasta fasen ligger svansarna välpackade, så huvudena sitter tätt. I den flytande fasen har lipiderna mer rörlighet, så det är längre avstånd mellan huvudena. Ett flytande membran är mer formbart och böjligt än ett fast. Genom att undersöka samspelet mellan partiklarna och membranen vid olika temperaturer, det vill säga när de har olika egenskaper, kan man få reda vad partiklarna tycker om hos membranet. Alltså kan man få svar på frågan varför partiklarna vill sätta sig på membranet eller till och med gå igenom det. Tidigare har det varit mycket fokus på hur partiklarnas egenskaper påverkar interaktionen, men i denna studie tar vi även med membranets egenskaper, vilket ökar möjligheterna att få svaret på varför partiklar vill sätta sig på membran. För att följa partiklarna och membranets samspel används ett konfokalmikroskop, vilket påminner om ett vanligt mikroskop, men ger tydligare bilder och mindre saker kan studeras. Ett konfokalmikroskop kan också fokusera på ett plan i provet i taget, vilket innebär att man kan ta bilder i olika höjdled och sen lägga samman till en tre-dimensionell bild. Studien visade att partiklarna vill mycket hellre sätta sig på flytande membran än fasta. Hårda partiklar formar också det flytande membranet, vilket tyder på en stark attraktion. Detta ger indikationer om vad som driver partiklarna till att sätta sig på membranet, men för att helt lösa vad som styr samspelet behövs mer forskning.

• author: Rieloff, Ellen
• supervisor: Emma Sparr; Adriana Mihut
• organization: Department of Chemistry
• course: KEMK07 20141
• year: 2014
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Chemistry
• keywords: physical chemistry, fysikalisk kemi
• language: English
• id: 4645871
• date added to LUP: 2014-09-12 16:31:49
• date last changed: 2016-02-04 04:00:31