Investigating Protein Adsorption on Hydrophobic and Hydrophilic Polymers for Antifouling Coatings

Abstract

Når overflater befinner seg i sjøvann vil ulike organismer fra sjøen adsorberes på overflaten. Dette fenomenet kalles marin begroing, og har vært et problem i årtusener. Første trinn i prosessen er typisk adsorpsjon av makromolekyler som proteiner og polysakkarider. Videre vil bakterier, kiselalger og større organismer feste seg på overflaten. For å forhindre den uønskede prosessen har det blitt utviklet ulike malinger. Malinger som inneholder biocider har vist seg å være svært effektive, men de er tungt regulert og forventes å fases ut i fremtiden på grunn av giftige effekter. Av denne grunn trengs nye alternativer som er både effektive og miljøvennlige. En tilnærming for å oppnå dette er å utvikle hydrofobe eller hydrofile overflater, som enten forhindrer adsorpsjon eller danner svake bånd slik at adsorbatet enkelt kan fjernes.

Målet med denne oppgaven er å oppnå en bedre forståelse av hvordan proteiner adsorberes på overflater med ulike egenskaper. Monolag av hydrofobe og hydrofile polymerer ble dannet på sensorer med gulloverflate. Karakterisering ble gjort ved å måle kontaktvinkelen til vann på overflatene. De to proteinene lysozym og bovint serumalbumin (BSA), og en miks av de to, ble løst i kunstig sjøvann (ASW). Videre ble "Quartz crystal microbalance (QCM)" brukt til å studere proteinadsorpsjon på polymerene.

Resultatene viser tydelige forskjeller i adsorpsjonskinetikken til de to proteinene. BSA adsorbertes raskt på alle overflater, og prosessen var ferdig etter få minutter. Adsorpsjon av lysozym viste lavere hastighet, men prosessen varte i flere timer og total masse adsorbert var betydelig høyere enn for BSA. Disse tendensene antyder at BSA hadde høyere affinitet mot overflaten. I den miksede løsningen med begge proteiner adsorbertes sannsynligvis ett molekylært lag av BSA først, før flere lag lysozym adsorbertes oppå dette. Tendensene er motsatt av Vroman-effekten, som ofte brukes til å beskrive konkurransemessig adsorpsjon av proteiner. Dette skyldes sannsynligvis den høye affiniteten BSA har til overflaten.

Effekten av ionestyrke i løsningen ser ut til å ha stor betydning for adsorpsjonsprosessen. Dette skyldes sannsynligvis at ioner adsorberes på overflater på ladede og polare overflater. Ettersom saltkonsentrasjon og ionestyrke varierer i ulike geografiske områder, er dette en sentral parameter for marin begroing.

Marine biofouling, settlement and growth of marine organisms on surfaces in seawater, has been a challenge since the oceans were first sailed. The process is typically initiated by adsorption of macromolecules such as proteins and polysaccharides, before diatoms, bacteria and larger organisms adsorb. Release of biocides has proven to be a highly effective antifouling method, but biocides are increasingly regulated and expected to phased out in the future. Extensive research has therefore been dedicated to develop effective, environmentally friendly antifouling coatings. One common approach based on surface wettability, where hydrophilic surfaces may resist adsorption and hydrophobic surfaces form week bonds with adsorbate, allowing for easy removal.

This thesis seeks to understand protein adsorption on surfaces with varying properties. Hydrophobic and hydrophilic surfaces with varying surface charge were obtained by forming self-assembled monolayers (SAMs) of polymers on gold sensors. Contact angle measurements were performed to study the wettability of the surfaces. The two proteins lysozyme and bovine serum albumin (BSA), and a binary mixture of the two, were dissolved in artificial seawater (ASW). They were then adsorbed on the polymeric SAMs using quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D), which allows for real-time detection of changes in mass and viscoelastic properties.

The results demonstrate significant differences in the adsorption kinetics between BSA and lysozyme. BSA exhibited rapid adsorption within a few minutes, whereas lysozyme displayed a slower adsorption process that continued for hours. The fast adsorption of BSA suggests a stronger affinity for the surface compared to lysozyme. In the mixed solution, BSA likely adsorbed as a monolayer, followed by the formation of a multilayer of lysozyme on top. This behavior is contrary to the conventional Vroman effect, where the protein with higher concentration displaces the protein with lower concentration from the surface. The observed behavior is likely a result of the high surface affinity exhibited by BSA.

The influence of ionic strength on protein adsorption processes appears to be of great significance. This phenomenon can be attributed to the formation of an electrical double layer of ions on charged and polar surfaces. Given the variation in salt concentrations across different geographic areas, comprehending the impact of ionic strength on adsorption becomes crucial. Understanding how changing salt concentrations affect the adsorption behavior provides valuable insights into the interaction between proteins and surfaces in diverse environments.