RESEARCH GROUP PICTURE

VORTEX STIRRING OF NANOMATERIALS

FLUORESCENT COATINGS FOR BIOSENSING

PRESENTATION OF RESULTS AT PLASMONICA 2015 WORKSHOP

MAGNETIC STIRRING OF A COLLOIDAL SYSTEM

OPTICAL PROPERTIES OF MATERIALS THROUGH SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETRY

PLASMA TREATMENT ON NANOMATERIALS

USING X RAY DIFFRACTION TO FIND NANOSTRUCTURES

CREATION OF NEW MATERIALS THROUGH 3D PHOTOPOLYMERIZATION

COLORS WITHOUT PIGMENTS

INJECTABLE PREFORMED SCAFFOLDS WITH SHAPE-MEMORY PROPERTIES

 

"Injectable preformed scaffolds with shape-memory properties". S. A. Bencherif, R. W. Sands, D. Bhatta, P. Arany, C. S. Verbeke, D. A. Edwards, D. J. Mooney. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI: 10.1073/pnas.1211516109

Injectable biomaterials are increasingly being explored to minimize risks and complications associated with surgical implantation. We describe a strategy for delivery via conventional needle–syringe injection of large preformed macroporous scaffolds with well-defined properties. Injectable 3D scaffolds, in the form of elastic sponge-like matrices, were prepared by environmentally friendly cryotropic gelation of a naturally sourced polymer. Cryogels with shape-memory properties may be molded to a variety of shapes and sizes, and may
be optionally loaded with therapeutic agents or cells. These scaffolds have the capability to withstand reversible deformations at over 90% strain level, and a rapid volumetric recovery allows the structurally defined scaffolds to be injected through a small-bore needle with nearly complete geometric restoration once delivered. These gels demonstrated long-term release of biomolecules in vivo. Furthermore, cryogels impregnated with bioluminescent reporter cells provided enhanced survival, higher local retention, and extended engraftment of transplanted cells at the injection site compared with a standard injection technique. These injectable scaffolds show great promise for various biomedical applications, including cell therapies.

Los biomateriales inyectables se están explorando cada vez más para minimizar lo riesgos y las complicaciones asociadas a los implantes quirúrgico. Aquí se describe una estrategia para el envío, mediante inyección convencional con una jeringa de aguja, de soportes macroporosos altamente desarrollados y con propiedades bien definidas. Los soportes 3D inyectables, en la forma de matrices elásticas tipo esponjas, se prepararon mediante una gelación criotrópica, amigable con el ambiente, de un polímero que se encuentra naturalmente. Las propiedades de los criogeles con memoria de forma pueden ser moldeados en toda una variedad de formas y tamaño, y pueden ser cargados opcionalmente con agentes terapéuticos o con células. Estos soportes tienen la capacidad de soportar deformaciones reversibles hasta por encima del 90% del nivel de esfuerzo, y una rápida recuperación volumétrica permite que los soportes definidos estructuralmente sean inyectados a través de una pequeña aguja y presenten una restauración geométrica completa una vez que se han enviado. Estos geles muestran una liberación de largo plazo de biomoléculas in vivo. Es más, los criogeles impregnados con células sonda bioluminiscentes, permitiendo una mayor supervivencia, una mayor retención local, y extendiendo el injerto de células transplantadas en el sitio de inyección, en comparación con la técnica usual de inyección. Estos soportes inyectables representan una gran promesa para diversas aplicaciones biomédicas, incluidas las terapias celulares.

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1211516109

SUPEROMNIPHOBIC SURFACES FOR EFFECTIVE CHEMICAL SHIELDING

"Superomniphobic Surfaces for Effective Chemical Shielding". S. Pan, A. K. Kota, J. M. Mabry, A. Tuteja. JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. In press. DOI: 10.1021/ja310517s

Superomniphobic surfaces display contact angles >150° and low contact angle hysteresis with essentially all contacting liquids. In this work, we report surfaces that display superomniphobicity with a range of different non-Newtonian liquids, in addition to superomniphobicity with a wide range of Newtonian liquids. Our surfaces possess hierarchical scales of re-entrant texture that significantly reduce the solid–liquid contact area. Virtually all liquids including concentrated organic and inorganic acids, bases, and solvents, as well as viscoelastic polymer solutions, can easily roll off and bounce on our surfaces. Consequently, they serve as effective chemical shields against virtually all liquids—organic or inorganic, polar or nonpolar, Newtonian or non-Newtonian.

Las superficies omnifóbicas muestran ángulos de contacto >150° y una baja histéresis del ángulo de contacto ante prácticamente todos los líquidos con los que tienen contacto. En este trabajo se reportan superficies que muestran superomnifobicidad ante diversos líquidos no newtonianos, adicionalmente a la superomnifobicidad que muestran ante toda una variedad de líquidos newtonianos. Estas superficies poseen escalas jerárquicas de textura re-entrante que reducen significativamente el área de contacto líquido-sólido. Virtualmente todos los líquidos, incluídos los ácidos orgánicos e inorgánicos concentrados, las bases y los disolventes, así como las soluciones de polímeros viscoelásticos, pueden fácilmente rebotar y rodar sobre las superficies. En consecuencia, estas superficies sirven como barreras químicas efectivas en contra de, virtualmente, todos los líquidos—orgánicos o inorgánicos, polares o no polares, newtonianos o no newtonianos.

http://dx.doi.org/10.1021/ja310517s

TWO-PHOTON EXCITED LUMINESCENCE OF LANTHANIDE COMPLEX IN MONOLITHIC SOL-GEL HYBRID MATERIAL

 "Two-photon excited luminescence of lanthanide complex in monolithic sol–gel hybrid material". O. Maury, A. D'Aléo, A. Picot, S. Brasselet, P. L. Baldeck, F. Chaput, S. Parola, C. Andraud. JOURNAL OF LUMINESCENCE 133, 175 (2013). DOI: 10.1016/j.lumin.2011.09.039

A π-conjugated donor functionalized tris-dipicolinate complex, featuring promising two-photon excited luminescence properties in water was successfully embedded in a monolithic sol–gel material. A complete spectroscopic study unambiguously indicates that the europium complex conserves its integrity in this sol–gel matrix and the improvement of the luminescence lifetime clearly indicates a stabilisation of the complex in the matrix. Biphotonic confocal microscopy measurement shows that the Eu(III) luminescence can be sensitized in the sol–gel material using a two-photon antenna process, which is a first step towards the design of doped sol–gel nanoparticles for two-photon imaging applications.

Un complejo tris-dipicolinato funcionalizado con un donador π-conjugado, con características prometedoras en agua para la luminiscencia excitada a dos fotones, se incorporó exitosamente en un material sol-gel monolítico. El estudio espectroscópico completo indica, sin lugar a dudas, que el complejo de europio conserva su integridad en esta matriz sol-gel, y la mejoría en el tiempo de vida de la luminiscencia indica claramente la estabilización del complejo en la matriz. Las mediciones hechas por microscopia cofocal bifotónica muestran que la luminiscencia del Eu(III) puede sensibilizarse en el material sol-gel mediante un proceso de antena a dos fotones, lo cual es el primer paso hacia el diseño de nanopartículas sol-gel contaminadas para aplicaciones de imagenología a dos fotones.

http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2011.09.039

TUNING THE OPTICAL PROPERTIES OF MESOPOROUS TiO2 FILMS BY NANOSCALE ENGINEERING

"Tuning the Optical Properties of Mesoporous TiO₂ Films by Nanoscale Engineering". B. Schwenzer, L. Wang, J. S. Swensen, A. B. Padmaperuma, G. Silverman, R. Korotkov, D. J. Gaspar. LANGMUIR 28, 10072 (2012). DOI: 10.1021/la301450h

The optical properties of spin-coated titanium dioxide films have been tuned by introducing mesoscale pores into the inorganic matrix. Differently sized pores were templated using Pluronic triblock copolymers as surfactants in the sol–gel precursor solutions and adjusted by varying the process parameters, such as the polymer concentration, annealing temperature, and time. The change in refractive index observed for different mesoporous anatase films annealed at 350, 400, or 450 °C directly correlates with changes in the pore size. Additionally, the index of refraction is influenced by the film thickness and the density of pores within the films. The band gap of these films is blue-shifted, presumably due to stress the introduction of pores exerts on the inorganic matrix. This study focused on elucidating the effect different templating materials (Pluronic F127 and P123) have on the pore size of the final mesoporous titania film and on understanding the relation of varying the polymer concentration (taking P123 as an example) in the sol–gel solution to the pore density and size in the resultant titania film. Titania thin film samples or corresponding titanium dioxide powders were characterized by X-ray diffraction, cross-section transmission electron microscopy, nitrogen adsorption, ellipsometery, UV/vis spectrometry, and other techniques to understand the interplay between mesoporosity and optical properties.

 Las propiedades ópticas de películas de dióxido de titanio, depositadas mediante spin-coating, han sido modificadas mediante la formación de mesoporos en la matriz inorgánica. Poros de distintos tamaños han sido producidos utilizando como molde copolímeros Pluronic tribloque, los cuales funcionan como tensoactivos en las soluciones sol-gel precursoras, y se ajustaron mediante la modificación de los parámetros de procesado, tales como la concentración de polímero, la temperatura de recocido, y el tiempo. El cambio que se observa en el índice de refracción para diversas películas mesoporosas de anatasa, recocidas a 350, 400 ó 450°C, se relaciona directamente con los cambios en las dimensiones de los poros. Adicionalmente, el índice de refracción se ve afectado por el espesor de la película y por la densidad de poros en las películas. La brecha de energía de estas películas se desplaza hacia el azul, posiblemente por la tensión que induce la formación de los poros sobre la matriz inorgánica. Este trabajo se centra en el estudio del efecto debido a distintos materiales usados como molde (Pluronic F127 y P123) sobre el tamaño de poro de las películas mesoporosas de dióxido de titanio, y en el entendimiento de la relación existente entre la variación de la concentración del polímero (tomando al P123 como ejemplo) en la solución sol-gel y la densidad y el tamaño de los poros resultantes en las películas de dióxido de titanio. Se caracterizaron películas delgadas y polvos de dióxido de titanio mediante difracción de rayos X, microscopia electrónica de transmisión, adsorción de nitrógeno, elipsometría, espectroscopia UV/visible, y mediante otras técnicas que permiten entender la relación existente entre la mesoporosidad y las propiedades ópticas.

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la301450h 

INVOLVEMENT OF LYSOSOMAL EXOCYTOSIS IN THE EXCRETION OF MESOPOROUS SILICA NANOPARTICLES AND ENHANCEMENT OF THE DRUG DELIVERY EFFECT BY EXOCYTOSIS INHIBITION

 "Involvement of Lysosomal Exocytosis in the Excretion of Mesoporous Silica Nanoparticles and Enhancement of the Drug Delivery Effect by Exocytosis Inhibition". R. E. Yanes, D. Tarn, A. A. Hwang, D. P. Ferris, S. P. Sherman, C. R. Thomas, J. Lu, A. D. Pyle, J. I. Zink, F. Tamanoi. SMALL. In press. DOI: 10.1002/smll.201201811

The exocytosis of phosphonate modified mesoporous silica nanoparticles (P-MSNs) is demonstrated and lysosomal exocytosis is identified as the mechanism responsible for this event. Regulation of P-MSN exocytosis can be achieved by inhibiting or accelerating lysosomal exocytosis. Slowing down P-MSN exocytosis enhances the drug delivery effect of CPT-loaded P-MSNs by improving cell killing.

Se demuestra la exocitosis de nanopartículas mesoporosas de dióxido de silicio modificadas con ácido fosfónico (P-MSNs), y se identifica a la exocitosis lisosómica como el mecanismo responsable de dicho evento. La regulación de la exocitosis de P-MSN se puede lograr por medio de la inhibición o la aceleración de la exocitosis lisosómica. La diminución en la velocidad de la exocitosis de P-MSN incrementa el efecto de liberación de fármacos de las P-MSNs cargadas con CPT, por medio de la mejora del ataque celular.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201201811/abstract

REINFORCEMENT OF SHEAR THINNING PROTEIN HYDROGELS BY RESPONSIVE BLOCK COPOLYMER SELF-ASSEMBLY

 "Reinforcement of Shear Thinning Protein Hydrogels by Responsive Block Copolymer Self-Assembly". M. J. Glassman, J. Chan, B. D. Olsen. ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS. In press. DOI: 10.1002/adfm.201202034

Shear thinning hydrogels are promising materials that exhibit rapid self-healing following the cessation of shear, making them attractive for applications including injectable biomaterials. Here, self-assembly is demonstrated as a strategy to introduce a reinforcing network within shear thinning artificially engineered protein gels, enabling a responsive transition from an injectable state at low temperatures with a low yield stress to a stiffened state at physiological temperatures with resistance to shear thinning, higher toughness, and reduced erosion rates and creep compliance. Protein-polymer triblock copolymers capable of the responsive self-assembly of two orthogonal networks are synthesized. Midblock association forms a shear-thinning network, while endblock aggregation at elevated temperatures introduces a second, independent physical network into the protein hydrogel. These reversible crosslinks introduce extremely long relaxation times and lead to a five-fold increase in the elastic modulus, significantly larger than is expected from transient network theory. Thermoresponsive reinforcement reduces the high temperature creep compliance by over four orders of magnitude, decreases the erosion rate by at least a factor of five, and increases the yield stress by up to a factor of seven. Combined with the demonstrated potential of shear thinning artificial protein hydrogels for various uses, this reinforcement mechanism broadens the range of applications that can be addressed with shear-thinning physical gels.

Los hidrogeles adelgazados por esfuerzos son materiales promisorios, pues exhiben una autoreparación rápida que sigue los bordes del esfuerzo, volviéndolos atractivos para aplicaciones que incluyen a los biomateriales inyectables. Aquí se muestra al autoensamblaje como una estrategia que permite introducir una red reforzada dentro de geles de proteínas elaborados artificialmente mediante adelgazamiento por esfuerzos, lo que a su vez permite que responda mediante transiciones que van de un estado inyectable a bajas temperaturas, con pequeños esfuerzos mecánicos, a un estado reforzado a temperaturas fisiológicas, con resistencia ante el adelgazamiento por esfuerzos, con una mayor dureza, con velocidades de erosión reducidas, y maleable. Se sintetizaron copolímeros tribloque de polímeros de proteínas capaces de autoensamblar dos redes ortogonales que responden ante estímulos. La asociación de bloques intermedios da lugar a una red reducida por esfuerzos, mientras que la agregación a alta temperatura de los bloques de los extremos dan lugar a una red física secundaria independiente dentro del hidrogel de proteínas. Estos entrecruzamientos reversibles dan lugar a tiempos de relajación extremadamente largos y provocan un incremento de cinco veces el módulo de elasticidad, lo cual es bastante mayor que el esperado a partir de la teoría de redes transitorias. El refuerzo termoactivo reduce la maleabilidad a alta temperatura por encima de cuatro órdenes de magnitud, disminuye la velocidad de erosión por al menos un factor de cinco, e incrementa la resistencia a esfuerzos por encima de un factor de siete. En combinación con el potencial demostrado para varias aplicaciones, por los hidrogeles de proteínas artificialmente adelgazados mediante esfuerzos, el mecanismo de reffuerzo amplía el panorama de aplicaciones que pueden adjudicarse a los geles físicamente adelgazados mediante esfuerzos.

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201202034/abstract 

COUNTING PRIMARY LOOPS IN POLYMER GELS

 "Counting primary loops in polymer gels". H. Zhou, J. Woo, A. M. Cok, M. Wang, B. D. Olsen, J. A. Johnson. PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA. In press. DOI: 10.1073/pnas.1213169109

Much of our fundamental knowledge related to polymer networks is built on an assumption of ideal end-linked network structure. Real networks invariably possess topological imperfections that negatively affect mechanical properties; modifications of classical network theories have been developed to account for these defects. Despite decades of effort, there are no known experimental protocols for precise quantification of even the simplest topological network imperfections: primary loops. Here we present a simple conceptual framework that enables primary loop quantification in polymeric materials. We apply this framework to measure the fraction of primary loop junctions in trifunctional PEG-based hydrogels. We anticipate that the concepts described here will open new avenues of theoretical and experimental research related to polymer network structure. 

Mucho de nuestro conocimiento fundamental relacionado con las redes poliméricas se encuentra basado en la suposición de una red estructural ideal con enlaces en sus terminales. Las redes reales poseen invariablemente imperfecciones topológicas que afectan negativamente sus propiedades mecánicas; se han desarrollado modificaciones a las teorías clásicas de redes para considerar tales defectos. Pero a pesar de décadas de esfuerzo, no se conocen protocolos experimentales que permitan una cuantificación precisa, tan siquiera, de las más sencillas imperfecciones topológicas en las redes: los ciclos primarios. Aquí se presenta una sencilla plataforma conceptual que permite la cuantificación de los ciclos primarios en los materiales poliméricos. Se aplica esta plataforma a la medición de la proporción de uniones de ciclos primarios en hidrogeles trifuncionales hechos a base de polietilenglicol. Se anticipa que los conceptos que se describen aquí abrirán nuevos caminos a la investigación teórica y experimental relacionada con la estructura de red de los polímeros.

www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1213169109 

BIOINSPIRED SELF-CLEANING SURFACES WITH SUPERHYDROPHOBICITY, SUPEROLEOPHOBICITY, AND SUPERHYDROPHILICITY

 "Bioinspired self-cleaning surfaces with superhydrophobicity, superoleophobicity, and superhydrophilicity". S. Nishimoto, B. Bhushan. RSC ADVANCES. In press. DOI: 10.1039/C2RA21260A

Self-cleaning methods currently employed are based on understanding of the functions, structures, and principles of various objects found in living nature. Three types of surfaces, including superhydrophobic, superoleophobic, and superhydrophilic, offer solutions to keep a surface clean. In this review article, an overview of self-cleaning surfaces inspired by nine biological objects is provided: lotus leaves, rice leaves, cicada wings, butterfly wings, snail shell, fish scale, shark skin, pitcher plant, and photosynthesis. These surfaces exhibit special properties such as low adhesion, low drag, anisotropic wetting, anti-reflection, directional adhesion, anti-fouling, photocatalysis, self-sterilizing, and anti-fogging. We discuss the differences between the superhydrophobic and superhydrophilic surfaces and perspectives for self-cleaning surfaces in the future.

Los métodos de autolimpieza que se utilizan actualmente están basados en el entendimiento de las funciones, estructuras y principios de distintos objetos vivos que se encuentran en la naturaleza. Existen tres tipos de superficies, que incluyen las superhidrofóbicas, las superoleofóbicas y las superhidrofílicas, que ofrecen soluciones para mantener limpia una superficie. En este artículo de revisión se proporciona un panorama general de las superficies autolimpiantes inspiradas en nueve objetos biológicos: hojas de lotus, hojas de arroz, alas de cigarras, alas de mariposas, conchas de caracol, escamas de peces, piel de tiburón, plantas carnívoras, y fotosíntesis. Estas superficies muestran propiedades especiales, tales como baja adhesión, baja resistencia, mojado anisotrópico, antireflexión, adhesión direccional, antiolores, fotocatálisis, autoesterilización, y antiempañamiento. Se discuten las diferencias que existen entre las superficies superhidrofóbicas y las superficies superhidrofílicas, y se indican las perspectivas futuras de las superficies autolimpiables.

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/RA/c2ra21260a 

OSORB: NANOMATERIAL CLEANS UP TOXIC WATER

Video from National Science Foundation (USA).

Translation to Spanish:

No se trata de un error ni de un descubrimiento afortunado e inesperado. En el College of Wooster, el químico Paul Edmiston realizaba experimentos en nanomateriales de vidrio para desarrollar una mejor manera de detectar explosivos en los aeropuertos, pero en lugar de lograrlo descubrió un material que ahora es llamado OSORB, y que es una substancia similar a una esponja que es capaz de extraer aceite y otros contaminantes que se encuentran en el agua.

Paul Edmiston: El descubrimiento de OSORB fue fortuito, este descubrimiento proviene de investigación hecha a nivel de ciencia básica mientras buscábamos vidrios que atraparan vapores de explosivos.

Con apoyo de la National Science Foundation (USA), Edmiston y sus colaboradores de ABS Materials en Western Ohio (USA) están desarrollando tecnologías para la limpieza del agua en ciudades e industrias, OSORB es uno de los productos principales.

Paul Edmiston: Comenzamos con moléculas de vidrio.

Se comienza con una solución de vidrio, agua y un poco de catalizador.

Paul Edmiston: Las nanopartículas de aquí se conectan tanto que permanecen juntas y se vuelven rígidas, como pueden observar. Entonces, secamos el material y cuando entra en contacto con el contaminante se hincha y vuelve a su forma original.

Las toxinas son adsorbidas y ahora es seguro beber el agua.

El cofundador de ABS Materials, Stephen Spoonamore, dice que existe una gran necesidad de productos como OSORB, los cuales puedan limpiar fácilmente grandes cantidades de agua contaminada con pesticidas en agricultura, con petróleo en perforaciones petroleras, o con otros contaminantes de otros procesos industriales.

Stephen Spoonamore: Cuando se fabrican chips, cuando se fabrica electrónica, cuando se fabrican químicos, se contamina mucha agua con volátiles, lo que queremos es extraer esos volátiles del agua.

Aquí, en la fábrica, se prepara OSORB en estos tubos de reacción, con diversas recetas, para que puedan limpiar el agua de hidrocarburos, de pesticidas y de otros contaminantes.

Desastres petroleros como el que ocurrió en aguas profundas del Golfo de México han hecho que se preste atención a la limpieza del agua. Se ha usado OSORB para limpiar parte del agua que está en contacto con pozos petroleros.

Paul Edmiston: El procesado del agua que ha estado en contacto con hidrocarburos es un reto para nuestra sociedad.

Se puede decir que OSORB siempre es una alternativa vítrea para la limpieza del agua.

Reportó para Science Nation: Miles O'Brien.

OCTOBER: RECOGNIZING BREAST CANCER AWARENESS MONTH