Effects of two-photon oxidation for the development of graphene-bio interfaces

Abstract

The discovery of graphene’s excellent electronic properties established a research field towards creating graphene-based neural interfaces. Indeed, graphene can record neuronal activity, which is itself based on electrical signals. An active neuronal network is crucial for building a graphene-neuron interface, and is heavily dependent on the environment of the neuron, which consists of a gel-like matrix. Several factors, such as matrix stiffness and protein layers have been shown to affect the formation of the network. In the past decade, two-photon oxidation (2PO) of graphene was established as an all-optical, nanoscale method that introduces hydroxyl and epoxide groups on the graphene surface, while preserving the carbon network and the adjacent pristine graphene. In this thesis, the effects of 2PO of graphene on attached proteins and a supramolecular hydrogel were studied. Two well-known model proteins, horseradish peroxidase (HRP) and bovine serum albumin, were investigated regarding their noncovalent immobilization on pristine and 2PO graphene surfaces. Additionally, the enzymatic function of HRP immobilized on graphene was studied. The supramolecular hydrogel was analyzed regarding its stiffness, the incorporation of graphene oxide flakes into the gel and the surface-mediated self-assembly on pristine and 2PO graphene surfaces. The results present 2PO as a tool to tune protein immobilization and function, and its effect on the supramolecular self-assembly of an amino acid based amphiphile. Overall, this thesis contributes to the knowledge about surface-related effects towards graphene-bio interfaces.

Grafeenin erinomaisten elektronisten ominaisuuksien löytäminen loi tutkimusalan grafeeniin perustuvien hermorajapintojen luomiseksi. Grafeeni voi todellakin mitata hermosolujen aktiivisuutta, joka itse perustuu sähköisiin signaaleihin. Aktiivinen hermosoluverkko on ratkaisevan tärkeä grafeeni-neuronirajapinnan rakentamiselle, ja se on voimakkaasti riippuvainen hermosolujen ympäristöstä, joka koostuu geelinkaltaisesta matriisista. Useiden tekijöiden, kuten ympäröivän matriisin jäykkyyden ja proteiinikerrosten, on osoitettu vaikuttavan verkoston muodostumiseen. Viimeisen vuosikymmenen aikana grafeenin kaksifotonihapetus (2PO) on kehittynyt täysin optiseksi, nanomittakaavan menetelmäksi, jonka avulla voidaan funktionalisoida hydroksyyli- ja epoksidiryhmiä grafeenin pinnalle säilyttäen yhtenäinen hiiliverkosto hapetetulla alueella samalla kun hapettamattoman grafeenin rakenne säilyy täysin muuttumattomana. Tässä opinnäytetyössä tutkittiin grafeenin kaksifotonihapetuksen vaikutuksia siihen kiinnitettyihin proteiineihin ja supramolekulaariseen hydrogeeliin. Kahta hyvin tunnettua malliproteiinia tutkittiin liittyen niiden ei-kovalenttiseen immobilisaatioon muokkaamattomille ja kaksifotonihapetetuille grafeenipinnoille. Lisäksi tutkittiin grafeeniin immobilisoidun piparjuuriperoksidaasin entsymaattista toimintaa. Supramolekulaarista hydrogeeliä analysoitiin sen jäykkyyden, grafeenioksidihiutaleiden sisällyttämisen geeliin ja pintavälitteisen itsejärjestäytymisen suhteen muokkaamattomilla ja kaksifotonihapetetuilla grafeenipinnoilla. Tulosten mukaan kaksifotonihapetus toimii työkaluna, jonka avulla voidaan säätää proteiinien immobilisaatiota ja toimintaa sekä aminohappopohjaisen amfifiilin supramolekulaarista itsejärjestäytymistä. Kaiken kaikkiaan tämä opinnäytetyö lisää tietoa pintailmiöistä liittyen grafeeni-biorajapintojen kehittämiseen.