Biomimetic materials design towards tough nanocomposites and strain-stiffening hydrogels

Thumbnail Image
Files
isbn9789526403618.pdf (16.46 MB)
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2021-05-28
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.
Author
Date
2021
Department
Teknillisen fysiikan laitos
Department of Applied Physics
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
76 + app. 102
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 60/2021
Abstract
Biological organisms use only a few chemical elements to construct materials, such as proteins, polysaccharides, and minerals, which are efficiently processed into hierarchical structures across length scales. These clever multi-component designs produce materials and structure with remarkably improved mechanical properties and functionalities relative to the original components. The field of biomimetics aims to mimic these well-adapted design strategies, structures and functions to solve material engineering problems. This thesis focuses on two nature-inspired systems: (i) tough and strong nacre-mimetic nanocomposites, and (ii) strain-stiffening biopolymer hydrogels and their application for cell culturing. Both systems consist of nanoscale components and their mechanical properties and structure are studied. The design strategy for tough and strong composites is inspired by the nacre, a biomaterial with outstanding mechanical properties. Here the structural organization of nacre is mimicked via self-assembling core-shell structured colloidal platelets, i.e. nanoclay coated with a polymer, via vacuum filtration. In publications I and II, we alter the interactions between the colloidal platelets with DNA-based monophosphates and demonstrate a simple way to modify intermolecular interactions resulting in increased stiffness, strength, and toughness. Like natural nacre, these nanocomposites are sensitive to humidity. In publication III, we study the effect of water in polymer-clay nanocomposites and find that the glass transition temperature of the nanoconfined polymer is lowered due to residual water. The second part is inspired by typical extracellular matrix-based protein gels, which show strain-stiffening. In publication IV, we show that agarose hydrogels are strain-stiffening, consisting of helically twisted semiflexible fibrillar networks. In publication V, we analyze this strain-stiffening response more closely and simultaneously show, for the first time, that agarose gels also contract when sheared, which is seen as negative normal force and normal stress difference. Our main findings indicate that the mechanical response of agarose networks is enthalpic and that connectivity dictates their strain-stiffening response similarly as in collagen gels. Finally, in publication VI, we present an application for agarose hydrogels as a luminal cell identity and estrogen receptor α+-preserving scaffold for breast cancer tissue explant culture. Base on a biomimetic materials design approach, the first part of this thesis illustrates a simple method to control the mechanical properties of layered clay-polymer nanocomposites. The second part presents insights into the fibril network mechanics of agarose hydrogels. The final publication introduces a reliable agarose-based preclinical model, which can be used as a platform for breast cancer drug development and personalized cancer therapy.

Biologisten luonnonmateriaalien, kuten proteiinien, polysakkaridien ja mineraalien, pohjana ovat vain muutamat alkuaineet. Biologisissa organismeissa ne muodostavat sopivia hierarkisia komposiittirakenteita, joiden ominaisuudet ja toiminnot ovat moninkertaisesti paremmat yksittäisiin komponentteihin nähden. Biomimetiikka pyrkii ottamaan mallia näistä luonnossa esiintyvistä materiaaleista, rakenteista ja toiminnoista ja soveltaa niitä teknisten ongelmien ratkaisussa. Väitöskirjassani keskityn kahteen luontoa esikuvanaan käyttävään materiaalisovellukseen: (i) lujat ja sitkeät helmiäistä jäljittelevät nanokomposiitit ja (ii) myötöjäykistyvät 3D-solunkasvatusalustat. Molemmissa sovelluskohteissa muokkasin nanokoon komponenteista koostuvien materiaalien mekaanisia ominaisuuksia ja tarkastelin loppumateriaalien rakenteen ja ominaisuuksien välisiä riippuvuuksia. Simpukan helmiäisen lujaa ja sitkeää rakennetta matkittiin kolloidisilla hiutaleilla, joiden sisus koostui yksittäisistä nanosavihiutaleista ja ulkokuori polymeereista. Kolloidiset hiutaleet itsejärjestyivät kerroksellisiksi nanokomposiittikalvoiksi. Julkaisuissa I ja II muokkasimme kolloidisten hiutaleiden vuorovaikutuksia DNA-pohjaisilla vetysitoutuvilla monofosfaateilla, mikä lisäsi lujuutta, jäykkyyttä ja sitkeyttä. Nanokomposiittikalvot olivat herkkiä kosteudelle. Julkaisussa III tutkimme kosteuden vaikutusta savipolymeerinanokomposiittikalvoihin. Näytimme, että kosteus lisäsi polymeerifaasin dynamiikkaa ja alensi nanokomposiitin lasitransitiolämpötilaa, mikä lisäsi kalvon sitkeyttä. Väitöskirjani jälkimmäisen osan materiaalien taustalla ovat myötöjäykistyvät proteiinigeelit, jotka on valmistettu soluvälianeen tai solun sisäisen tukirangan proteiineista. Julkaisussa IV näytämme, että agaroosihydrogeelit ovat myötöjäykistyviä. Julkaisussa V perehdyimme myötöjäykistymisilmiöön tarkemmin ja osoitimme, että agaroosihydrogeelit puristuvat kokoon leikkausjännityksessä. Tulokset viittaavat siihen, että entalpia määrittää agaroosigeelien mekaanista vastetta ja verkkorakenteen koordinaatioluku määrittelee myötöjäykistymisvasteen, kuten aiemmin on havaittu kollageenigeeleillä. Lopuksi julkaisussa VI näytämme, että agaroosihydrogeeli soveltuu solunkasvatusalustaksi luminaalisille ER-α+ rintasyöville. Biomimeettisen materiaalisuunnittelun tuloksena osoitan väitöskirjassani tavan kontrolloida savipolymeerinanokomposiittien mekaanisia ominaisuuksia. Näytän myös, kuinka agaroosihydrogeelien kuituverkkorakenne säätelee niiden mekaanista käyttäytymistä. Lopuksi esittelen agaroosipohjaisen hydrogeelikasvatusalustan, joka sopii myös mallialustaksi syöpälääketutkimukseen ja yksilöllisiin prekliinisiin rintasyöpälääketestauksiin.
Description
Defence is held on 28.5.2021 11:15 – 15:15. Remote https://aalto.zoom.us/j/61911311409
Supervising professor
Ikkala, Olli, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Nonappa, Assoc. Prof., Tampere University, Finland
Keywords
bioinspiration, nacre, agarose, nanoclay, nonlinear viscoelasticity, negative normal stress, subisostatic network, biomimiikka, helmiäinen, agaroosi, itsejärjestyminen, nanosavi, epälineaarinen viskoelastisuus, negatiivinen normaalijännitys, verkkorakenne
Other note
Parts
  • [Publication 1]: L. Martikainen, A. Walther, J. Seitsonen, L. Berglund, and O. Ikkala. Deoxyguanosine Phosphate Mediated Sacrificial Bonds Promote Synergistic Mechanical Properties in Nacre-Mimetic Nanocomposites. Biomacromolecules, 14, 8, pp. 2531-2535, July 2013.
    DOI: 10.1021/bm400056c View at publisher
  • [Publication 2]: L. Martikainen, A. Walther, and O. Ikkala. Cytidine Functionalization Promotes Synergistic Mechanical Properties in Nacre-Mimetic Nanocomposites. In The 19th International Conference on Composite Materials 2013 (ICCM-19), Montreal, Quebec, Canada, pp. 5055–5059, July 2013. http://www.iccm- central.org/Proceedings/ICCM19proceedings/papers/MAR81374.pdf
  • [Publication 3]: T. Verho, M. Karesoja, P. Das, L. Martikainen, R. Lund, A. Alegría, A. Walther, and O. Ikkala. Hydration and dynamic state of nanoconfined polymer layers govern toughness in nacre-mimetic nanocomposites. Advanced Materials, 25, 36, pp. 5055-5059, September 2013.
    DOI: 10.1002/adma.201301881 View at publisher
  • DOI: 10.1021/acsmacrolett.9b00258 View at publisher
  • [Publication 5]: L. Martikainen, K. Bertula, M. Turunen, and O. Ikkala. Strain-stiffening and negative normal force of agarose hydrogels. Macromolecules, 53, 22, pp. 9983-9992, September 2020.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202010235936
    DOI: 10.1021/acs.macromol.0c00601 View at publisher
  • [Publication 6]: P. M. Munne, L. Martikainen, I. Räty, K. Bertula, Nonappa, J. Ruuska, H. Ala-Hongisto, A. Peura, J. Pokki, M. Kivento, T. Suomi, L. Nevalaita, M. Mutka, P. Kovanen, M. Leidenius, T. Meretoja, K. Hukkinen, O. Monni, J. Pouwels, J. Mattson, H. Joensuu, P. Heikkilä, L. Elo, C. Metcalfe, M. R. Junttila, O. Ikkala and J. Klefström. Compressive Stress-Mediated p38 Activation Regulates ERα+ Phenotype in Breast Cancer. Submitted to Nature Communications, in revision 26th 20
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-64-0361-8
Collections
[diss] Perustieteiden korkeakoulu / SCI