Functional polymer brush coatings for nanoscale devices
Doctoral thesis, 2022
Nanobiotechnology is an interdisciplinary field that has garnered considerable attention for offering exciting new opportunities of studying and manipulating biomolecules at the nanoscale. This prospect bears large potential benefits in the field of medicine and the whole life science sector in general. Fabrication of different nanostructure devices that can handle liquids at the scale of biomolecules, such as nanochannels or nanopores, provide a good basis within nanobiotechnology. However, the materials of nanostructures tend to not interact with complex biomolecules in ways that are sufficiently specific or controlled. This issue can be avoided by functionalising the surface of nanostructures with different organic coatings, and polymer brushes have shown a diverse range of functionality in this regard. This thesis summarises efforts towards designing functional polymer brush coatings for nanoscale devices. Surface sensitive techniques are used to characterise the grafting of dense poly(ethylene glycol) brushes to various noble metals and silicon dioxide. The new functionalisation protocol for polymer brushes on silicon dioxide provides excellent biofunctionality and is demonstrated to be compatible with two different nanostructures. The specific hydrogen-bond mediated interaction between a poly(ethylene glycol) brush and poly(methacrylic acid) in solution at low pH is shown to make the polymer brush reversibly stimuli-responsive. Preliminary results further demonstrate how this interaction can be controlled electrochemically and indicates its suitability as a macromolecular gating mechanism for nanosized openings. Finally, characterisation and fabrication of plasmonic nanopore arrays with separately functionalisable compartments using electron beam lithography techniques is presented.
poly(ethylene glycol)
nanopores
electrochemistry
silatranes
func- tional materials
polymer brush
Nanobiotechnology
interpolymer complex
pH re- sponsive
macromolecular gating.
EF, Hörsalsvägen 11, Chalmers Johanneberg
Opponent: Prof. Morten Foss, Interdisciplinary Nanoscience Center, University of Aarhus, Denmark
Author
John Andersson
Chalmers, Chemistry and Chemical Engineering, Applied Chemistry
Surface plasmon resonance sensing with thin films of palladium and platinum - quantitative and real-time analysis
Physical Chemistry Chemical Physics,; Vol. 24(2022)p. 4588-4594
Journal article
Polymer Brushes on Silica Nanostructures Prepared by Aminopropylsilatrane Click Chemistry: Superior Antifouling and Biofunctionality
ACS Applied Materials & Interfaces,; Vol. 15(2023)p. 10228-10239
Journal article
Control of Polymer Brush Morphology, Rheology, and Protein Repulsion by Hydrogen Bond Complexation
Langmuir,; Vol. 37(2021)p. 4943-4952
Journal article
Optical properties of plasmonic nanopore arrays prepared by electron beam and colloidal lithography
Nanoscale Advances,; Vol. 1(2019)p. 4282-4289
Journal article
Funktionella ytbeläggningar i nanostrukturer ger dem biomolekylär funktionalitet
Nanoteknologi har stor potential att bidra med nya teknologiska möjligheter inom många olika vetenskaper. Inom bioteknologi används huvudsakligen olika processer på laboratorieskala för att forska fram nya läkemedel, biomaterial och livsmedelsprodukter. Det tvärvetenskapliga fältet nanobioteknologi har uppmärksammats för hur det kan bidra till att miniatyrisera dessa laboratorieprocesser och på så vis förbättra dem och möjliggöra nya teknologier, så som precisionsmediciner och snabbare diagnostisering av sjukdomar.
Nyckeln till framgång för nanobioteknologi går ut på att ta fram nya verktyg som kan interagera med biomolekyler på helt nya sätt. Biomolekyler kan jämföras med "livets byggstenar" och utför de funktioner i organismer som bokstavligt talat är livsnödvändiga. Med nanoteknologi kan nanostrukturer tillverkas som utgör en bra grund att interagera med så extremt små objekt som biomolekyler. På grund av komplexiteten bakom biomolekylers interaktioner och beteende räcker detta dock inte för att ha tillräcklig kontroll över dem, utan ytterligare funktionalitet måste tillföras.
I den här avhandlingen presenteras nya metoder anpassade för nanobioteknik som bygger på en typ av funktionella ytbeläggningar, så kallade polymerborstar. Polymerer kan syntetitiseras med kemiska och fysiska egenskaper som ger dem samma typ av interaktionsmöjligheter som biomolekyler använder sig av. Genom att fästa en typ av polymer med proteinrepellerande egenskaper på ytor av ädelmetaller och glas fås ett polymerborstlager som ger materialens ytor samma repellerande egenskaper. Vidare utnyttjas en interaktion mellan två polymerer vid sura lösningsförhållanden för att byta ytans beteende på ett kontrollerat sätt. Slutligen presenteras en ny typ av tillverkningsprocess för biosensoriska nanohålstrukturer och de olika biofunktionella polymerborstlagren demonstreras vara tillämpningsbara på olika typer av nanostrukturer. Tillsammans bidrar dessa resultat till vidareutveckling av nanobioteknologiska metoder och tillämpningar.
Nanoteknologi har stor potential att bidra med nya teknologiska möjligheter inom många olika vetenskaper. Inom bioteknologi används huvudsakligen olika processer på laboratorieskala för att forska fram nya läkemedel, biomaterial och livsmedelsprodukter. Det tvärvetenskapliga fältet nanobioteknologi har uppmärksammats för hur det kan bidra till att miniatyrisera dessa laboratorieprocesser och på så vis förbättra dem och möjliggöra nya teknologier, så som precisionsmediciner och snabbare diagnostisering av sjukdomar.
Nyckeln till framgång för nanobioteknologi går ut på att ta fram nya verktyg som kan interagera med biomolekyler på helt nya sätt. Biomolekyler kan jämföras med "livets byggstenar" och utför de funktioner i organismer som bokstavligt talat är livsnödvändiga. Med nanoteknologi kan nanostrukturer tillverkas som utgör en bra grund att interagera med så extremt små objekt som biomolekyler. På grund av komplexiteten bakom biomolekylers interaktioner och beteende räcker detta dock inte för att ha tillräcklig kontroll över dem, utan ytterligare funktionalitet måste tillföras.
I den här avhandlingen presenteras nya metoder anpassade för nanobioteknik som bygger på en typ av funktionella ytbeläggningar, så kallade polymerborstar. Polymerer kan syntetitiseras med kemiska och fysiska egenskaper som ger dem samma typ av interaktionsmöjligheter som biomolekyler använder sig av. Genom att fästa en typ av polymer med proteinrepellerande egenskaper på ytor av ädelmetaller och glas fås ett polymerborstlager som ger materialens ytor samma repellerande egenskaper. Vidare utnyttjas en interaktion mellan två polymerer vid sura lösningsförhållanden för att byta ytans beteende på ett kontrollerat sätt. Slutligen presenteras en ny typ av tillverkningsprocess för biosensoriska nanohålstrukturer och de olika biofunktionella polymerborstlagren demonstreras vara tillämpningsbara på olika typer av nanostrukturer. Tillsammans bidrar dessa resultat till vidareutveckling av nanobioteknologiska metoder och tillämpningar.
Single Molecule Analysis in Nanoscale ReactionChambers SIMONANO2
European Commission (EC) (EC/H2020/101001854), 2021-02-01 -- 2026-01-31.
Subject Categories
Polymer Chemistry
Biochemistry and Molecular Biology
Biological Sciences
Materials Chemistry
Biophysics
Nano Technology
Chemical Sciences
Areas of Advance
Nanoscience and Nanotechnology
Infrastructure
Chalmers Materials Analysis Laboratory
Nanofabrication Laboratory
ISBN
978-91-7905-747-3
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5213
Publisher
Chalmers
EF, Hörsalsvägen 11, Chalmers Johanneberg
Opponent: Prof. Morten Foss, Interdisciplinary Nanoscience Center, University of Aarhus, Denmark