Development of Leaf-Inspired Functional Structures from Cellulose Nanofibers - Matrix Scaffolds for Solid-State Photosynthetic Cell Factories

Julkaisun otsikon käännös: Selluloosanokuitujen käyttö lehdenomaisten toiminnallisten rakenteiden kehittämisessä

Ville Rissanen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Tässä väitöskirjassa tutkittiin selluloosananokuitujen käyttöä fotosynteettisten solujen immobilisaatioalustana monitieteellisestä näkökulmasta. Työssä hyödynnettiin 2,2,6,6-tetrametyylipiperidiini-1-oksiiliradikaali-hapetettujen selluloosananokuitujen (TCNF) luontaisia ominaisuuksia valmistamalla niistä hydrogeelimatriiseja, jotka ovat sekä mekaanisesti kestäviä, huokoisia että bioyhteensopivia. Työssä kehitettiin myös analyyttisiä työkaluja, joiden avulla matriisien keskeisimpiä fysikaalisia ominaisuuksia voitaisiin luotettavasti arvioida ja optimoida, sekä tutkia niiden vaikutusta immobilisoitujen solujen suorituskykyyn. Lopullisena tavoitteena oli luoda räätälöityjä matriisirakenteita, jotka parantavat ns. kiinteän tilan fotosynteettisten solutehtaiden tehokkuutta kaasumaisten kemikaalien tuotannossa. Väitöskirjassa seulottiin erilaisia TCNF- ja alginaattipohjaisia matriisirakenteita, ja havaittiin, että Ca2+ -ionien ja polyvinyylialkoholin (PVA) avulla ristisilloitetut TCNF-matriisit ovat sekä märkälujia että yhteensopivia fotosynteettisten solujen kanssa. Pintaherkälle kvartsikidevaa'alle kehitetyllä menetelmällä todennettiin, että fotosynteettiset solut ovat passiivisesti sitoutuneita TCNF-verkostoon ja että kationinen pintakäsittely mahdollistaa niiden suoran kiinnittymisen matriisiin. Työssä kehitettiin lisäksi reologinen mittausprotokolla tutkimaan hydrogeelimatriisien kestävyyttä leikkausvoimien vaikutuksen alaisena. Menetelmän avulla havaittiin, että alginaattipohjaisilla matriiseilla on levossa paremmat viskoelastiset ominaisuudet (G' ja G'') kuin TCNF-pohjaisilla matriiseilla, mutta TCNF-matriisit kykenevät vastustamaan rakenteen murtumista paremmin. Nämä ominaisuudet perustuvat sekä materiaalien välisiin rakenne-eroihin, että niiden vuorovaikutuksiin Ca2+ -ionien kanssa. Samoin havaittiin, että vedellä turvotetut TCNF-pohjaiset matriisit ovat rakenteiltaan huokoisempia ja heterogeenisempiä kuin alginaattipohjaiset, ja ne muodostavat hierarkkisia mesohuokoisia verkostoja pienten PVA- tai alginaattimäärien kanssa. Biologisissa mittauksissa arvioitiin miten matriisin ominaisuudet vaikuttavat kiinteän tilan solutehtaan suorituskykyyn. Huomasimme, että sekä TCNF- että alginaattimatriisit pitävät immobilisoituja soluja elinkelpoisina yli 9 viikon ajan. Solujen CO2/O2 -vaihdon tehokkuus matriisin läpi taas osoittaa, sekä solujen että matriisien ominaisuudet muuttuvat ajan myötä tavalla, johon vaikuttavat sekä matriisin huokoisuus että vedenkestävyys. Lisäksi osoitimme, että TCNF-matriisit ovat alginaattia kestävämpiä vedenalaisissa tuotanto-olosuhteissa, ja tuottavat vetyä ja etyleeniä tehokkaammin. Matriisien ominaisuuksien hienosäätöä varten kehitettiin myös osmoottista vedenpoistoa hyödyntävä menetelmä, jolla TCNF-hydrogeelien lopullista huokoisuutta ja tiheyttä voidaan säätää tarkemmin. Kaiken kaikkiaan nämä tulokset korostavat TCNF-pohjaisten hydrogeelien monipuolisuutta ja suorituskykyä fotosynteettisten solujen immobilisaatioalustana, sekä osoittavat, miten tehokkaita solutehtaita voidaan kehittää poikkitieteellisen yhteistyön avulla.
Julkaisun otsikon käännösSelluloosanokuitujen käyttö lehdenomaisten toiminnallisten rakenteiden kehittämisessä
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Kontturi, Eero, Vastuuprofessori
  • Tammelin, Tekla, Ohjaaja, Ulkoinen henkilö
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-64-1519-2
Sähköinen ISBN978-952-64-1520-8
TilaJulkaistu - 2023
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • selluloosananokuidut
  • hydrogeelit
  • reologia
  • fotosynteettiset mikrobit
  • solutehdas

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Selluloosanokuitujen käyttö lehdenomaisten toiminnallisten rakenteiden kehittämisessä'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä