Morphological and Physical Analysis of Natural Phospholipids-Based Biomembranes

Background: Liposomes are currently an important part of biological, pharmaceutical, medical and nutritional research, as they are considered to be among the most effective carriers for the introduction of various types of bioactive agents into target cells. Scope of Review In this work, we study the lipid organization and mechanical properties of biomembranes made of marine and plant phospholipids. Membranes based on phospholipids extracted from rapeseed and salmon are studied in the form of liposome and as supported lipid bilayer. Dioleylphosphatidylcholine (DOPC) and dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) are used as references to determine the lipid organization of marine and plant phospholipid based membranes. Atomic force microscopy (AFM) imaging and force spectroscopy measurements are performed to investigate the membranes' topography at the micrometer scale and to determine their mechanical properties. Major Conclusions The mechanical properties of the membranes are correlated to the fatty acid composition, the morphology, the electrophoretic mobility and the membrane fluidity. Thus, soft and homogeneous mechanical properties are evidenced for salmon phospholipids membrane containing various polyunsaturated fatty acids. Besides, phase segregation in rapeseed membrane and more important mechanical properties were emphasized for this type of membranes by contrast to the marine phospholipids based membranes. General Significance This paper provides new information on the nanomechanical and morphological properties of membrane in form of liposome by AFM. The originality of this work is to characterize the physico-chemical properties of the nanoliposome from the natural sources containing various fatty acids and polar head

The surface properties of milk fat globules govern their interactions with the caseins: Role of homogenization and pH probed by AFM force spectroscopy

The surface of milk fat globules consists of a biological membrane rich in polar lipids and glycoproteins. However, high shear stress applied upon homogenization disrupts the membrane and leads to the adsorption of casein micelles, as the major protein fraction of milk. These changes in the interface properties could affect the interactions between native or homogenized milk fat globules and the surrounding protein matrix, at neutral pH and upon acidification. In this study, macroscale rheometry, microscopic observations, nanoscale AFM-based force spectroscopy and physico-chemical analysis were combined to examine the interfacial composition and structure of milk fat globules and to evaluate their interactions with casein micelles. We showed that the surface properties of milk fat globules (biological membrane vs. caseins) and pH govern their interactions with casein micelles. The adhesion between individual fat globules and casein micelles was higher upon homogenization, especially at acid pH where the work of adhesion increased from 3.3 x 10-18 to 14 x 10-18 J for native and homogenized fat globules, respectively. Consequently, casein-coated homogenized fat globules yield stiffer milk acid gels. These findings cast light on the importance of colloidal particle’s surface properties and pH on their connectivity with the surrounding matrix, which modulates the bulk microstructure and rheological properties with potential functional consequences, such as milk lipid digestion

Immunomodulation with self-crosslinked polyelectrolyte multilayer-based coatings

This study aims to design an optimal polyelectrolyte multilayer film of poly-L-lysine (PLL) and hyaluronic acid(HA) as an anti-inflammatory cytokine release system in order to decrease the implant failure due to any immune reactions. The chemical modification of the HA with aldehyde moieties allows self-cross-linking of the film and an improvement in the mechanical properties of the film. The cross-linking of the film and the release of immunomodulatory cytokine (IL-4) stimulate the differentiation of primary human monocytes seeded on the films into pro-healing macrophages phenotype. This induces the production of antiinflammatory cytokines (IL1-RA and CCL18) and the decrease of proinflammatory cytokines secreted (IL-12, TNF-α, and IL-1β). Moreover, we demonstrate that cross-linking PLL/HA film using HA-aldehyde is already effective by itself to limit inflammatory processes. Finally, this functionalized self-cross-linked PLL/HA-aldehyde films constitutes an innovative and efficient candidate for immunomodulation of any kind of implants of various architecture and properties

Automated Force Volume Image Processing for Biological Samples

Atomic force microscopy (AFM) has now become a powerful technique for investigating on a molecular level, surface forces, nanomechanical properties of deformable particles, biomolecular interactions, kinetics, and dynamic processes. This paper specifically focuses on the analysis of AFM force curves collected on biological systems, in particular, bacteria. The goal is to provide fully automated tools to achieve theoretical interpretation of force curves on the basis of adequate, available physical models. In this respect, we propose two algorithms, one for the processing of approach force curves and another for the quantitative analysis of retraction force curves. In the former, electrostatic interactions prior to contact between AFM probe and bacterium are accounted for and mechanical interactions operating after contact are described in terms of Hertz-Hooke formalism. Retraction force curves are analyzed on the basis of the Freely Jointed Chain model. For both algorithms, the quantitative reconstruction of force curves is based on the robust detection of critical points (jumps, changes of slope or changes of curvature) which mark the transitions between the various relevant interactions taking place between the AFM tip and the studied sample during approach and retraction. Once the key regions of separation distance and indentation are detected, the physical parameters describing the relevant interactions operating in these regions are extracted making use of regression procedure for fitting experiments to theory. The flexibility, accuracy and strength of the algorithms are illustrated with the processing of two force-volume images, which collect a large set of approach and retraction curves measured on a single biological surface. For each force-volume image, several maps are generated, representing the spatial distribution of the searched physical parameters as estimated for each pixel of the force-volume image

Bacterial Surface Appendages Strongly Impact Nanomechanical and Electrokinetic Properties of Escherichia coli Cells Subjected to Osmotic Stress

The physicochemical properties and dynamics of bacterial envelope, play a major role in bacterial activity. In this study, the morphological, nanomechanical and electrohydrodynamic properties of Escherichia coli K-12 mutant cells were thoroughly investigated as a function of bulk medium ionic strength using atomic force microscopy (AFM) and electrokinetics (electrophoresis). Bacteria were differing according to genetic alterations controlling the production of different surface appendages (short and rigid Ag43 adhesins, longer and more flexible type 1 fimbriae and F pilus). From the analysis of the spatially resolved force curves, it is shown that cells elasticity and turgor pressure are not only depending on bulk salt concentration but also on the presence/absence and nature of surface appendage. In 1 mM KNO3, cells without appendages or cells surrounded by Ag43 exhibit large Young moduli and turgor pressures (∼700–900 kPa and ∼100–300 kPa respectively). Under similar ionic strength condition, a dramatic ∼50% to ∼70% decrease of these nanomechanical parameters was evidenced for cells with appendages. Qualitatively, such dependence of nanomechanical behavior on surface organization remains when increasing medium salt content to 100 mM, even though, quantitatively, differences are marked to a much smaller extent. Additionally, for a given surface appendage, the magnitude of the nanomechanical parameters decreases significantly when increasing bulk salt concentration. This effect is ascribed to a bacterial exoosmotic water loss resulting in a combined contraction of bacterial cytoplasm together with an electrostatically-driven shrinkage of the surface appendages. The former process is demonstrated upon AFM analysis, while the latter, inaccessible upon AFM imaging, is inferred from electrophoretic data interpreted according to advanced soft particle electrokinetic theory. Altogether, AFM and electrokinetic results clearly demonstrate the intimate relationship between structure/flexibility and charge of bacterial envelope and propensity of bacterium and surface appendages to contract under hypertonic conditions

Physico-chimie des bio-interfaces et interactions des matériaux avec le "vivant"

Chimi

Viscoelastic properties of polyelectrolytes multilayers films determined by colloïdal probe AFM

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt LBL' permet d'élaborePas de résum

Viscoelastic properties of polyelectrolytes multilayers films determined by colloïdal probe AFM

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt LBL' permet d'élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l'effet de la réticulation chimique sur l'élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu à une valeur plateau de l'ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l'adhésion, la viabilité et l'étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d'autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d'une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L'utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL'et d'un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L'étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d'épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l'analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s'expliquer par une plus grande affinité de la PLL'pour le PSS que pour le HA. L'étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d'Young et le dopage réel du film en PSS.Pas de résum

Détermination des propriétés viscoélastiques de films multicouches de polyélectrolytes par sonde colloïdale au microscope de force atomique.

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt « LBL » permet d’élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l’effet de la réticulation chimique sur l’élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu’à une valeur plateau de l’ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l’adhésion, la viabilité et l’étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d’autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d’une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L’utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL et d’un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L’étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d’épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l’analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s’expliquer par une plus grande affinité de la PLL pour le PSS que pour le HA. L’étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d’Young et le dopage réel du film en PSS.Recent studies have shown a direct relation between the cellular behavior (adhesion and proliferation) and the viscoelastic properties of the substrate on which living cells were deposited. The “LBL” deposit technique permits different types of polyelectrolyte multilayer films with controlled thickness and important potential applications in the biomedical field to be built up. The goal of my work was the development of functionalized films with controlled properties in terms of biocompatibility, of viscoelasticity and of rigidity. The technique of nanoindentation at the atomic force microscope enabled us to characterize multilayer films elaborated with two different polyelectrolytes. The results showed that the exponentially growing films such as (PLL/HA)24 and (CHI/HA)24 are characterized by Young modulus of less than 10-20 kPa compared to linearly growing films such as (PSS/PLL)24 and (PSS/PAH)210 for which it amounts respectively to 50 kPa and more than 500 kPa. We also measured the effect of the chemical cross-linking on the elasticity of (PLL/HA)24 films. The Young modulus of (PLL/HA)24 films increases with the concentration in cross-linking agent, up to a plateau value of about 400 kPa. These results could be to correlated with adhesion, viability and cellular spreading of chondrocytes. We then studied films composed of two superposed slabs, each formed with two different pairs of polyelectrolytes: a thick and soft slab, (PLL/HA)24, and a very thin and hard slab, (PAH/PSS)n. Our measurements showed that the rigidity of the (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS increases with the number of deposited pairs. It increases thus from some kPa for n = 0 up to more than 700 kPa for n = 24. This study was extended to others systems having the same foundation, i.e. (PLL/HA)24, but covered with different second slabs: (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 and (PSS/PAH)6. This study revealed a great variability of the rigidity of the systems according to the chemical nature of the second slab. The use of several viscoelastic models to interpret the force curves measured on films covered by (PSS/PAH) allowed showing that those can be compared to a mechanical system comprising at spring, two Kelvin units (spring and dashpot in parallel) and a dashpot associated in series. Finally we studied films made up of PLL and of a mixture of polyanions [HAx/PSS1-x] where x represents the molar fraction in monomers in the solution of polyanions. The study by ellipsometry revealed the existence of a minimum thickness of these films for respective molar fractions in HA and PSS of 0.9 and 0.1. In addition, the analysis of these films by infrared spectroscopy showed that they are strongly doped in PSS, even for very weak concentrations of this polyelectrolyte in solution. This can be explained by a greater affinity of the PLL for the PSS than for the HA. The study of the mechanical properties of these films by nanoindentation showed a correlation between the Young modulus and the actual doping in PSS of the film

Détermination des propriétés viscoélastiques de films multicouches de polyélectrolytes par sonde colloïdale au microscope de force atomique

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt LBL permet d élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l effet de la réticulation chimique sur l élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu à une valeur plateau de l ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l adhésion, la viabilité et l étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL et d un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s expliquer par une plus grande affinité de la PLL pour le PSS que pour le HA. L étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d Young et le dopage réel du film en PSS.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF