Marcin Michał

„Wpływ temperatury, pH i szybkości separacji na adhezję
polimerów imitujących białka adhezyjne małży”
Marcin Michał Makowski
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za
strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki.
Zjawisko adhezji którym jestem zainteresowany w moich badaniach prowadzonych
w ramach pracy doktorskiej jest istotnym elementem, którego zrozumienie w skali nano może
pozwolić na rozwój nanotechnologii przede wszystkim w dziedzinie otrzymywania nowych
materiałów o lepszych i często unikatowych właściwościach fizykochemicznych. Zjawisko
adhezji jest to przyleganie warstw wierzchnich różnych ciał pod wpływem sił przyciągania
pomiędzy nimi. Występuje ono powszechnie i pełni istotną rolę w przemyśle (kleje, farby,
smary, detergenty, etc.), życiu codziennym oraz nauce.
Rysunek 1. Poglądowe przedstawienie badania adhezji polimerów przy pomocy mikroskopu sił
atomowych (AFM) (rys. lewy). Na rysunku widoczne podłoże tytanowe oraz mikrobelka AFM do
której przylega badana molekuła. Podczas podrywania molekuł z powierzchni rejestrowana jest
krzywa siłowa na podstawie której wnioskować można o adhezji oraz sposobie oddziaływania
molekuły z podłożem (rys. prawy).
(autor grafik: Makowski Marcin)
Adhezja oraz wpływ środowiska zewnętrznego na niespecyficzne oddziaływania
adhezyjne białek oraz polimerów jest szczególnie ważna w farmacji (produkcja leków,
tabletek,), medycynie (medyczne zastosowania pokryć adhezyjnych) oraz wielu procesach
biofizycznych i biochemicznych, ponieważ oddziaływania adhezyjne są warunkiem
koniecznym funkcjonowania komórek w organizmach [1, 2]. We wszystkich tych dziedzinach
środowisko wodne powoduje, iż siła adhezji jest znacząco zredukowana [3].
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Moje badania skupiają się wokół systemu adhezyjnego małży, a mianowicie na
polimerach z aminą katecholową jak grupą funkcyjną (3,4-dihydroxyphenylalanine (DOPA)),
które imitują specyficzne oddziaływania białek adhezyjnych małży. Za silną adhezję tych
organizmów odpowiada właśnie DOPA [4]. W rożnych projektach badawczych na świecie
pokazano, iż zastosowanie tego materiału w produktach adhezyjnych pozwala zwiększyć siłę
adhezji nawet pięciokrotnie w środowisku wodnym w stosunku do materiałów nie
posiadających DOPA w swojej strukturze [4-6]. W moich badaniach zainteresowany jestem
oddziaływaniem tego materiału z powierzchnią tytanową. Badany przeze mnie materiał jest
materiałem biokompatybilnym, co pozwala na jego wykorzystanie w medycynie. Znajomość
siły adhezji pomiędzy materiałem zawierającym DOPA a powierzchnią tytanową jest istotna
w celu zastosowania go jako pokrycie adhezyjne na implantach tytanowych. Dzięki
wprowadzeniu takiej warstwy pomiędzy żywą tkankę a materiał implantu zmniejszone
zostanie prawdopodobieństwo, iż materiał ten zostanie odrzucany przez organizm.
Podstawowym urządzaniem pomiarowym jakie wykorzystuje podczas realizacji mojej
pracy jest mikroskop sił atomowych (AFM). AFM pozwala na charakteryzację powierzchni
w skali mikro i nano oraz, co najważniejsze dla mojego projektu, może służyć do pomiaru
oddziaływa na poziomie pojedynczych molekuł. Podczas badań wykorzystuje głownie
mikroskop Nanoscope IIIA firmy Bucker AXS wyposażony w komórkę cieczową. Komórka
cieczowa jest elementem mikroskopu pozwalającym na wykonanie pomiarów w środowisku
wodnym oraz w buforach o różnej wartości pH. Głównym trybem pracy AFM pozwalającym
na badanie oddziaływań pojedynczych molekuł jest spektroskopia sił. W tym trybie pracy
mikrobelka (element skanujący mikroskopu, z ostrzem o niewielkim promieniu krzywizny
najczęściej <20nm) w sposób ciągły zbliżana jest do powierzchni próbki doprowadzając do
kontaktu z powierzchnia, następnie oddalana na odległość zapewniającą pełną separację
układu. Znając stałą sprężystości mikrobelki jesteśmy w stanie wykreślić zależność siły
w funkcji odległości od próbki (rys. 1). Informacje jakie możemy otrzymać analizując krzywą
siły to przede wszystkim siła adhezji oraz, w przypadku badania systemów łańcuchowych
jakimi są białka i polimery, specyficzne oddziaływania pomiędzy grupami funkcyjnymi
łańcucha oraz powierzchnią. W celu otrzymania jakościowych rezultatów istnieje potrzeba
zarejestrowania tysięcy krzywych siły. Analiza takiej ilości danych przeprowadzona jest z
wykorzystaniem programu stworzonego w środowisku programistycznym LabView. Proces
analizy jest półautomatyczny, użytkownik dokonuje tylko ustawień parametrów wsadowych
dotyczących
kalibracji,
natomiast
pomiar
wartości
siły
adhezji
wykonywany
automatycznie przez program (operacja na setkach krzywych siły).
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
jest
W badaniach stanowiących przedmiot mojej rozprawy doktorskiej zajmuję się
określeniem wpływu pH, temperatury i szybkości separacji polimerach z aminą katecholową,
co pozwoli lepiej zrozumieć zjawisko podwodnej adhezji tych materiałów. Pomiary
wykonywane są przy pomocy mikroskopu AFM wyposażonego w komórkę cieczową.
Specyficzne oddziaływania adhezyjne białek i polimerów badam z wykorzystaniem
spektroskopii sił, pozwalającej na precyzyjne określenie siły oddziaływań adhezyjnych
pomiędzy badanymi układami. Pomiary wykonywane są w również w zmiennej temperaturze
jak i w zmiennym pH, co pozwala mi uzyskać komplementarne informacje o specyficznych
odziaływaniach tego systemu.
[1] A. van de Stolpe, P.T. van der Saag, J. Mol. Med., 74 (1996) 13-33.
[2] E. Ruoslahti, M.D. Pierschbacher, Science, 238 (1987) 491-497.
[3] A. Ptak, H. Gojzewski, M. Kappl, H.J. Butt, Chemical Physics Letters, 503 (2011) 66-70.
[4] H. Lee, B.P. Lee, P.B. Messersmith, Nature, 448 (2007) 338-341.
[5] J.J. Wang, M.N. Tahir, M. Kappl, W. Tremel, N. Metz, M. Barz, P. Theato, H.J. Butt, Adv.
Mater., 20 (2008) 3872-+.
[6] P. Glass, H. Chung, N.R. Washburn, M. Sitti, LANGMUIR, 25 (2009) 6607-6612.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego