A Printed Phospholipid-based Hybrid Biosensor with Impedimetric-Readout

Phospholipide spielen als integrale Bestandteile von Zellmembranen eine zentrale Rolle in verschiedenen biologischen Prozessen einschließlich ihrer möglichen Verwendung als biomimetische Materialien. Diese amphiphilen Moleküle dienen nicht nur als strukturelle „Polster“ für die Präsentation von Antigenen auf Oberflächen, sondern sind auch vielversprechend für die Untersuchung zellähnlicher Verhaltensweisen. Aufgrund ihrer einzigartigen physikalisch-chemischen Eigenschaften eignen sich Phospholipide hervorragend zur Erforschung von Materialwechselwirkungen und zur Untersuchung von Electrode, die als fortschrittliche Elektrodenmaterialien für Biosensoranwendungen dienen könnten. ... mehrUnter diesen Materialien haben sich Nanogläser wie CuZr-basierte Zusammensetzungen aufgrund ihrer neuartigen Oberflächenmerkmale und elektrochemischen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten erwiesen. Trotz dieser Fortschritte gibt es nach wie vor erhebliche Lücken im Verständnis der komplizierten Wechselwirkungen zwischen Phospholipiden, Zellmembranen und neuen Materialien, insbesondere bei Anwendungen, die Bioschnittstellen und Biosensorik umfassen.
In dieser Dissertation werden diese Aspekte in zwei miteinander verbundenen Studien untersucht. In der ersten Studie wird die Wechselwirkung von Nanoglasoberflächen mit einer Phospholipidmischung untersucht, die aus 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholin (DOPC) und 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serin (POPS) besteht, den grundlegenden Bestandteilen von Zellmembranen. Mit Hilfe der Lipid-Tauchstift-Nanolithografie beobachten wir eine einzigartige stabilisierende Wirkung von Nanogläsern auf Lipid-Nanostrukturen, die durch ihre Fähigkeit gekennzeichnet ist, die Ausbreitung von Lipiden auf der Oberfläche einzuschränken - ein Phänomen, das wir „Confinement“ nennen. Diese Stabilisierung weist auf einen möglichen Mechanismus hin, durch den Nanogläser die Zellmembranstruktur und damit das Zellverhalten beeinflussen. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg zum Verständnis, wie Nanogläser die Wechselwirkungen zwischen Zellen und Materialien beeinflussen, und sind vielversprechend für ihre Anwendung in biomimetischen Systemen.
Die zweite Studie konzentriert sich auf die Entwicklung eines impedimetrischen Biosensors mit geringem Volumen, der die Eigenschaften von Indiumoxid (In₂O₃) als Wandlermaterial nutzt. Der mittels Tintenstrahldruckverfahren hergestellte und mit biotinylierten DOPC-Phospholipiden funktionalisierte Sensor zeichnet sich durch außergewöhnliche Empfindlichkeit und Skalierbarkeit aus. Der Biosensor ist für den Nachweis von Streptavidin optimiert, wobei die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zur Überwachung der Bindungsvorgänge eingesetzt wird. Erhebliche sensitivität des Leckwiderstands (Rleak) und der Oberflächenkapazität bei der Interaktion mit dem Target zeigen die Fähigkeit des Sensors zur präzisen Erkennung. Die In₂O₃-basierte Plattform zeigt eine überlegene detektions im Vergleich zu herkömmlichen Elektrodenmaterialien wie Gold, was ihr Potenzial für Multiplex-Biosensoranwendungen und Point-of-Care-Diagnostik unterstreicht.
Zusammengenommen schließen diese Studien kritische Wissenslücken, indem sie die Wechselwirkungen zwischen Phospholipiden und neuen Materialsystemen wie Nanogläsern und halbleiterbasierten Elektroden aufklären. Diese Arbeit trägt nicht nur zum Verständnis der Phospholipid-Material-Dynamik bei, sondern unterstreicht auch das Potenzial fortschrittlicher Materialien für Biosensorik-Technologien. Durch die Kombination biomimetischer Lipidsysteme mit innovativen Materialien wie CuZr-Nanogläsern und Indiumoxid legt diese Forschung den Grundstein für künftige Fortschritte bei der Gestaltung von Bioschnittstellen und der Entwicklung von Biosensoren.

Phospholipids, as integral components of cell membranes, play a pivotal role in various biological processes, including their potential use as biomimetic materials. These amphiphilic molecules not only serve as structural "cushions" for presenting antigens on surfaces but also hold promise for studying cell-like behaviour. Their unique physicochemical properties such as dielectric nature, surface charge and electrochemical stability make phospholipids highly suitable for exploring material interactions and investigating substrates that could serve as advanced electrode materials in biosensor applications. ... mehrThe quest to identify advanced electronic materials suitable for electrode applications has spotlighted nanoglasses, particularly CuZr-based compositions, as promising candidates due to the ability to tailor the surface characteristics such as morphology and grain size to increase the electrochemical performance. However, substantial knowledge gaps persist regarding the complex interactions between phospholipids, cellular membranes, and these emerging materials, particularly in the context of biointerfaces and biosensing applications.
This dissertation explores these facets through two interrelated studies. In the first study, we examine the interaction of nanoglass surfaces with a phospholipid mixture comprising 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) and 1-palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phospho-L-serine (POPS), which are fundamental components of cellular membranes. Utilizing lipid dip-pen nanolithography, we observe a unique stabilizing effect of nanoglasses on lipid nanostructures, characterized by their ability to constrain lipid spreading on the surface—a phenomenon we term "confinement." This stabilization highlights a potential mechanism by which nanoglasses modulate cell membrane structure and, consequently, cellular behaviour. Such insights pave the way for understanding how nanoglasses influence cell-material interactions and hold promise for their application in biomimetic systems.
The second study emphasizes the development of a low-volume impedimetric biosensor, designed to minimize analyte consumption by utilizing sample volumes as small as 10 µl, while also requiring reduced material input. he sensor capitalizes on the unique electrochemical properties of an indium oxide (In₂O₃)/lipid interface, employing this composite as an efficient transducer material. This device is termed a hybrid biosensor, as it integrates an organic molecular layer-biotinylated DOPC phospholipids—with an inorganic metal-oxide semiconductor, indium oxide, thereby combining the strengths of both material classes. Fabricated through inkjet printing and functionalized with biotinylated DOPC phospholipids using dip-pen nanolithography, this sensor demonstrates exceptional sensitivity and scalability. The biosensor is optimized for the detection of streptavidin, with the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique employed to monitor binding events. Substantial variations in leak resistance (Rleak) and surface capacitance upon target interaction show the sensor's capability for precise detection. The In₂O₃-based platform exhibits superior performance compared to conventional electrode materials such as gold, highlighting its potential to be used in multiplexed biosensing applications and point-of-care diagnostics.
Together, these two studies bridge critical knowledge gaps by elucidating the interactions between phospholipids and emerging material systems, such as nanoglasses and semiconductor-based electrodes. This work not only contributes to the understanding of phospholipid-material dynamics but also underscores the potential of advanced materials in biosensing technologies. By combining biomimetic lipid systems with innovative materials like CuZr nanoglasses and indium oxide, this research lays the groundwork for future advancements in biointerface design and biosensor development.