Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Abstract

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

In the past two decades, the Langmuir-Blodgett (LB) technique has emerged as a bottom-up route to create nanostructured ultrathin films. Patterns consisting of parallel stripes, ∼100 to 200 nm in width, were generated via the LB deposition of mixed monolayers of 1,2-dilauroyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DLPC), and 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DPPC) onto silicon and mica substrates. To expand the functionality of these patterns, 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadecanoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine (DSDPPC) and 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodecanoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine (DSDLPC) were used to prepare chemically heterogeneous films. These phospholipid analogues have a methyldisulfide group attached to one of the alkyl chain ends. An extensive study of the phase structure of Langmuir, Langmuir-Shaefer and LB films of DSDPPC and DSDLPC and their mixtures with DPPC or DLPC is presented in this thesis. Limited control over the regularity and feature size of the DPPC/DLPC stripe pattern was achieved by varying the lipid composition, deposition pressure, and substrate withdrawal speed. A higher percentage of condensed versus fluid lipid, slower deposition speed, and lower surface pressure create more continuous and wider stripes. The addition of a lineactant, cholesterol, to the DPPC/DLPC 1:1 (mol/mol) mixture allowed the formation of parallel stripes at higher surface pressure. The gel-to-liquid crystalline transition temperature of DSDPPC was determined to be 44.5 ± 1.5 °C versus 41.5 ± 0.3 °C for DPPC by DSC and turbidity measurements. The pressure-area isotherm of DSDPPC is similar to that of DPPC. The monolayer undergoes a liquid expanded-to-condensed (LE-C) phase transition at a surface pressure slightly higher than that of DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1). Like DLPC, DSDLPC remains in the LE phase until the film collapse. The disulfide-modified lipids exist in a more expanded state throughout the monolayer compression and exhibit lower collapse pressures than the unmodified phospholipids. The domain morphologies of DPPC and DSDPPC at the air/water interface were compared using Brewster Angle Microscopy. DPPC forms a homogeneous monolayer at a surface pressure (π) > 10 mN m-1, while flower-like domains exist in the DSDPPC monolayers until π ∼ 30 mN m-1. Solid-supported DSDPPC films were prepared and characterized using various surface analysis techniques. The parallel stripe pattern previously obtained with mixtures of DPPC/DLPC was reproduced using DSDPPC/DLPC or DPPC/DSDLPC mixtures resulting in chemically-differentiated patterns. The average stripe width varied from 150 to 500 nm, depending on the lipid composition and deposition pressure. The disulfide group of the analogues was exploited to (i) form self-assembled monolayers of phospholipids on gold and (ii) demonstrate the selective metallization of the disulfide-terminated areas of the stripe patterns. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) confirmed that the monolayer-bound disulfides react with Au vapor to form a gold-thiolate species. Thermally evaporated Au, Ag and Cu exhibit preferential absorption onto the modified lipids only at submonolayer coverages.