Faculté des sciences de base SB, Section de chimie et génie chimique, Institut des sciences et ingénierie chimiques ISIC (Laboratoire de chimie physique des polymères et membranes LCPPM)

Lipid membranes for the fabrication of functional micro- and nano-structures

Gopalakrishnan, Gopakumar ; Vogel, Horst (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3566.

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    Summary
    The central goal of this thesis work is to fabricate novel, functional fluorescent nanostructures in confined systems offered by phospholipid membranes, which are known to have highly ordered, thermotropic and lyotropic structures. In separate approaches, we have used three different lipid systems: multilamellar planar lipid membranes, unilamellar vesicular membranes as well as lipid monolayers for the development of functional fluorescent nano-, micro- and meso-scopic structures. Techniques like fluorescence microscopy, single particle imaging, electron microscopy, electron diffraction were used to achieve fundamental understanding of the resulting structures. Multilayer stacks of phospholipid membranes have been used as an effective template for the growth of high aspect ratio fluorescent nanowires. The room temperature synthesis was achieved in the confined nanometer-sized interlamellar water space of lipid multilayers where supersaturating CdCl2 concentrations were induced by acidification leading to controlled unidirectional growth of nanowires. The possibility to render the nanowires fluorescent by doping with CdS quantum dots (QDs) and the light waveguiding along hundreds of micrometers together with the possibility of lateral manipulation make these nanowires attractive candidates for future optoelectronic applications. Novel organic-inorganic functional nanocontainers have been designed and tested by making use of vesicle forming lipid bilayers in combination with semiconductor QDs. Hydrophobic QDs can be integrated into bilayers of lipid vesicles and such lipid/QD hybrid vesicles are capable to fuse with live cells, thereby stain the cell's plasma membrane selectively with fluorescent QDs and transfer the vesicle's cargo into the cell. Modification of the membrane of such hybrid vesicles on the other hand, made them capable to enter the cytoplasm of live cells. Additionally, these hybrid vesicles were found extremely useful for long-term model membrane imaging studies. The results described in this thesis imply that cell and lipid membranes can integrate any kind of hydrophobic nanoparticle whose size matches the membrane thickness, opening novel possibilities to manipulate them as individuals or in ensemble with wide-ranging applications for nanobiotechnology. In a further step, the ability of phospholipid molecules to exhibit lamellar to non-lamellar transition using external stimuli enabled a directed self-assembly of QDs into mesoscale fluorescent structures. An easy and versatile method for the surface modification of TOPO coated CdSe QDs using 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidic acid (DPPA) have been achieved. DPPA predominantly form non-lamellar phases when dispersed in water, for example, upon addition of Ca2+ or at a pH below 6 are known to form hexagonal II phases. This particular property of DPPA has been exploited to form mesoscale self-assemblies of QD based structures both in solution and in confined systems. Potential applications include the detection or removal of Ca2+ ions in attoliter volumes, the construction of functional devices where QDs are reversibly organized in different forms as well as use of fluorescently labeled DPPA molecules for cellular studies using fluorescence microscopy.
    Résumé
    Le but principal de cette thèse était la fabrication de nouvelles nanostructures fluorescentes et fonctionnelles en système confiné. Les membranes de phospholipides ont été choisies comme matrices en vertu du haut niveau de leur organisation et de leurs propriétés thermotropiques et lyotropiques. Nous avons utilisé trois différents arrangements de molécules lipidiques, à savoir des membranes lipidiques planes multilamellaires, des membranes de vésicules unilamellaires et des monocouches lipidiques pour le développement de structures nano- micro- et mesoscopiques fluorescentes et fonctionnelles. Des méthodes comme la microscopie de fluorescence, l'imagerie de molécules uniques, la microscopie électronique et la diffraction électronique ont été utilisées pour obtenir une compréhension à un niveau fondamental des structures obtenues. L'empilement de couches lipidiques constitue un "template" efficace pour la croissance de fils (fibres) nanoscopiques ayant un rapport longueur/diamètre particulièrement élevé. Les parties aqueuses entre les couches lipidiques définissent un espace confiné d'épaisseur nanométrique qui permet la croissance contrôlée des fils nanoscopiques dans une direction. Cette synthèse s'effectue à temperature ambiante en provoquant des concentrations supersaturées de CdCl2 par acidification. Les structures obtenues peuvent être manipulées latéralement et sont particulièrement intéressantes pour des applications en optoélectronique du fait de propriétés telles que la fluorescence après un dopage avec des points quantiques CdS ou le guidage d'onde sur des centaines de micromètres. Des nouveaux nanocontainers fonctionnels composés d'éléments organiques et minéraux ont été réalisés à partir de bicouches lipidiques et de points quantiques. Des points quantiques hydrophobes peuvent être intégrés dans des bicouches lipidiques. Les vésicules hybrides (HV) ainsi formées peuvent fusionner avec des cellules vivantes, marquer les membranes cellulaires de manière sélective (avec des points quantiques fluorescents) et transférer le contenu des vésicules à l'intérieur des cellules. Une modification de la membrane des HV les rend capables de pénétrer dans le cytoplasme des cellules vivantes. De plus, ces HV se sont révélées extrêmement utiles pour l'imagerie à long terme de membranes modèles. Les résultats décrits dans cette thèse montrent que les membranes lipidiques d'une cellule ou d'une vésicule sont à même d'intégrer les nanoparticules hydrophobes dont la taille correspond à l'épaisseur de la membrane. Cette localisation permet la manipulation individuelle ou collective des nanoparticules et ouvre de nouvelles voies en biotechnologie et en nanotechnologie. De plus, la possibilité d'induire, par stimulation externe, la transition d'un arrangement phospholipidique de phase lamellaire en phase non-lamellaire permet l'autoassemblage dirigé des points quantiques dans des structures fluorescentes de taille mésoscopique. Une méthode élégante et versatile de modification de points quantiques CdS recouverts de TOPO a été établie en utilisant le phospholipide DPPA. Ce phospholipide forme principalement des phases non lamellaires dans l'eau qui peuvent se transformer en présence de Ca2+ ou à des pH inférieurs à 6 en phases hexagonales de type II. Cette propriété particulière du DPPA a été exploitée dans la formation d'autoassemblages de structures contenant des points quantiques à la fois en solution et dans des systèmes confinés. Les applications potentielles englobent la détection ou la suppression de ions Ca2+ dans des volumes de l'ordre de l'attolitre, la construction de dispositifs fonctionnels où les points quantiques sont organisés de manière réversible dans des formes différentes ainsi que l'utilisation de molécules marquées de DPPA pour des analyses cellulaires.