Межмолекулярные взаимодействия противоположно и одноименно заряженных полиэлектролитных комплексов в «умных» гибридных системах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Никитина Анна Анатольевна

• Никитина Анна Анатольевна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Никитина Анна Анатольевна

Оглавление

Реферат

БупорвуБ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Формирование гибридных структур на основе полиэлектролитов

1.2 Механизм межмолекулярного взаимодействия полиэлектролитов

1.3 Свойства чувствительных полиэлектролитных слоев

1.4 Структурные и морфологические особенности покрытий на основе полиэлектролитов

1.5 Применение систем на основе полиэлектролитов

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Материалы и оборудование

2.2 Формирование полиэлектролитных бислоев на поверхности кремниевых полупроводников

2.3 Исследование морфологии поверхности полиэлектролитных сборок

2.4 Исследование физико-химических свойств тонких пленок с помощью метода кварцевого микровзвешивания

2.5 Синтез мембран на основе оксида графена и полиэтиленимина

2.6 Изучение плотности поверхностного заряда мембран

2.7 Исследование проницаемости гибридной мембраны

2.8 Изготовление гибридных капсул на основе мезопористого диоксида титана

2.9 Характеризация полиэлектролитных капсул

2.10 Исследование высвобождения L-арабинозы

2.11 Исследование влияния открытия наноструктурированных капсул на метаболизм бактерий

2.12 Количественный анализ бактериальной культуры

2.13 Исследование фотокаталитической активности

2.14 Изучение автокаталитической энзиматической реакции

2.15 Изготовление фотоэлектродов на основе диоксида титана

2.16 Изучение фотоэлектрохимической активности гибридной системы

2.17 Изучение изоэлектрической точки гибридной полиэлектролитной системы

2.18 Приготовление наночастиц кремния лазерно-индуцированным прямым переносом вещества

2.19 Создание полимерной оболочки на наночастицах кремния

2.20 Исследование модифицированных кремниевых наночастиц

Глава 3. Структурные и морфологические особенности покрытий с разной архитектурой полиэлектролитных сборок

3.1 Топологический анализ шероховатости полиэлектролитных слоев

3.2 Структурные изменения в системе синтетический полиэлектролит -биомакромолекула

3.3 Выводы к главе

Глава 4. «Умные» мембраны на основе полиэтиленимина и оксида графена

4.1 Исследование физико - химических свойств мембраны

4.2 Влияние протонированного состояния полиэтиленимина на проницаемость

4.3 Выводы к главе

Глава 5. Изучение фотостимулированных процессов в гибридных материалах состава полиэлектролит - наночастицы диоксида титана

5.1 Адсорбция полиэлектролитных слоев на поверхности наночастиц диоксида титана

5.2 Фотоинициируемое высвобождение протонов из гибридной системы

5.3 Влияние высвобождения протонов на кинетику автокаталитической реакции образования трипсина

5.4 Модификация наночастиц диоксида титана с серебром полиэлектролитными слоями

5.5 Светоуправляемое термовысвобождение L-арабинозы гибридной системы TiO2 / Ag / PE

5.6 Влияние контролируемого высвобождение L-арабинозы из TiO2 / Ag/ PE на метаболизм бактериальной культуры E. Coli

5.7 Выводы к главе

Глава 6. Терморегулируемые одноименно заряженные слои полиэлектролитов на поверхности наночастиц кремния

6.1 Изучение термического отклика гибридной системы на основе гепарина и полистирол сульфоната натрия

6.2 Гидрофобно - гидрофильные взаимодействия одноименно заряженных полиэлектролитов

6.3 Выводы к главе

Выводы

Список сокращений и условных обозначений

Список использованной литературы

Приложение А - Основные публикации по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Межмолекулярные взаимодействия противоположно и одноименно заряженных полиэлектролитных комплексов в «умных» гибридных системах»

Реферат

Актуальность работы. Парадигмой современного материаловедения является разработка «умных» функциональных систем и понимание межмолекулярных процессов, лежащих в их основе. К «умным» материалам относятся системы, способные значительно изменять свои характеристики под влиянием внешних воздействий (изменение рН среды, температуры, ионной силы раствора, светового облучения). На сегодняшний день наиболее перспективным методом для создания таких материалов является объединение свойств неорганических и органических структур. Синергетический эффект, возникающий на границе раздела фаз можно контролировать изменением физико-химических параметров внешней среды.

В качестве неорганических структур интересно использовать материалы, которые способны трансформировать энергию внешнего воздействия к изменению на поверхности, например, диоксид титана, оксид графена, кремниевые наночастицы. В тоже время, для тонкой настройки межмолекулярных взаимодействий в гибридных система требуется использование заряженных макромолекул - полиэлектролитов, повторяющиеся звенья которых содержат функциональные группы. Применение синтетических полиэлектролитов: полиэтиленимин (PEI), полистиролсульфонат натрия (PSS), полидиаллилдиметиламмоний хлорид (PDADMAC) и гепарин (Hep), а также использование биополиэлектролитов (антител к вирусам) позволяет создать системы, реагирующие на внешние воздействия.

Изучение гибридных систем требует проведения комплексных исследований, которые комбинируют различные инструментальные и теоретические методы анализа. Это необходимо для описания межмолекулярных взаимодействий, возникающих между слоями полиэлектролитов и на границе раздела фаз, а также прогнозирования процессов, возникающих в полиэлектролитных слоях как отклик на внешнее воздействие.

В данной работе автором были исследованы два вида гибридных систем: функциональные покрытия и наночастицы с откликом на внешние воздействия. В основе планарных лежит сочетание подвижности макромолекул и специфические свойства биомолекул для которых важно исследование шероховатости поверхности, а также адсорбция. Для

наночастиц были установлены закономерности между синтезом материала и физико - химическими характеристиками системы, а также сенсорными свойствами полученного гибридного материала на внешние воздействия.

Целью работы является исследование межмолекулярных взаимодействий, отвечающих за процессы, происходящих на границе раздела фаз в гибридных системах, состоящих из неорганических структур и полиэлектролитных слоев, возникающих как отклик на изменение физико-химических параметров системы.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Предложить новый способ описания поверхностных характеристик полиэлектролитных слоев на основании данных атомно-силовой микроскопии.

2. Охарактеризовать адсорбцию биомолекул, концентрированных в полиэлектролитной матрице, для повышения селективности чувствительного слоя сенсора.

3. Изучить влияние протонированного состояния полиэтиленимина на межмолекулярные взаимодействия внутри гибридной мембраны на основе оксида графена.

4. Исследовать возможность светового управления электростатическим взаимодействием на границе раздела фаз гибридного материала на основе полиэлектролитов и диоксида титана для контроля метаболизма бактериальной культуры.

5. Изучить синергетическое воздействие «умной» гибридной системы на основе диоксида титана и полиэлектролитов и внешнего светового воздействия на автокаталитическую реакцию за счет варьирования межмолекулярного взаимодействия.

6. Исследовать реакционную способность одноименно заряженных полиэлектролитов в сборке на поверхности наночастиц кремния, провести расчет термодинамических функций чувствительного слоя, исследовать механизм взаимодействия гидрофобных и гидрофильных групп при температурном воздействии.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые установлены закономерности влияния сенсорных свойств полиэлектролитов в гибридных системах как отклик на внешние воздействия. Для описания межмолекулярных взаимодействий в полиэлектролитных сборках был предложен подход, включающий топологический анализ данных как метод

для систематизации и анализа изображений атомно-силовой микроскопии. Показана эффективность полиэлектролитных светоуправляемых капсул для доставки активных молекул к бактериологическим системам для контроля метаболизма клеток. Разработана система на основе оксида графена и полиэтиленимина, обладающая селективным сродством к катионам калия, что потенциально может лежать в основе создания искусственных ионных каналов. Впервые исследован механизм формирования чувствительной оболочки на основе одноименно заряженных полиэлектролитов: гепарина и полистиролсульфоната натрия и изучена возможность управления гидрофобными - гидрофильными взаимодействием при внешнем воздействии.

Практическая значимость работы заключается в разработке потенциальных систем доставки лекарственных компонентов благодаря локальному облучению инфракрасным светом. Предложен способ повышения эффективности биосенсоров с помощью концентрирования специфичного антитела в полиэлектролитных слоях на примере системы антитело-антиген вируса клещевого энцефалита. Описанные в данной работе гибридные мембраны на основе оксида графена и полиэтиленимина найдут применение в системах очистки сточных вод, а также могут быть использованы для обессоливания воды благодаря селективному сродству к катионам. Также, системы на основе полиэлектролитов находят широкое применение в создании биосенсоров, антикоррозионных покрытий, в системах доставки лекарств и для очистки белков.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые предложен метод топологического анализа поверхности полиэлектролитных бислоев (в диапазоне от одного до четырех) для описания межмолекулярных взаимодействий на основании данных атомно-силовой микроскопии.

2. Разработан селективный слой состава РЕ1 / антитело / РЕ1 / антитело / РББ для обнаружения антигена вируса клещевого энцефалита.

3. Протонирование полиэтилеимина (при рН=2) в гибридной мембране на основе оксида графена приводит к увеличению проницаемости катионов калия. При достижении рН =10 наблюдается уменьшение проницаемости композита в 10 раз. Предложенный подход может быть применен для контролируемого транспорта катионов щелочных металлов.

4. Электростатическое отталкивание разноименно заряженных полиэлектролитов на поверхности наночастиц ТЮ2/А§ при их локальном

нагревании, позволяет высвобождать L-арабинозу для создания систем с химико-биологической ап-конверсией света.

5. Гибридные частицы на основе диоксида титана, полиэиленимина и полистиролсульфоната натрия контролируют фотоиницируемое высвобождение протонов для регулирования рН-зависимых автокаталитических реакций.

6. Выявлена способность обратимого расширения полиэлектролитной оболочки, состоящей из одинаково заряженных макромолекул - гепарина и полистиролсульфоната натрия - осажденных на поверхности кремниевых частиц. Показано, что управлять данным процессом возможно при локальном нагревании системы, приводящем к увеличению диаметра наночастиц за счет роста толщины полиэлектролитного слоя.

Степень достоверности результатов, представленных в диссертационной работе, подтверждается применением современных физико-химических методов исследования и воспроизводимостью результатов параллельных измерений. Кроме того, для проведения экспериментов и исследований было использовано современном сертифицированном оборудовании.

Апробация работы: Материалы диссертации представлены на всероссийских и международных конференциях: XXV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2018» (Москва, 2018), PCNSPA 2018 - Photonic Colloidal Nanostructures: Synthesis, Properties and Application (Санкт-Петербург, 2018), International Student Conference "Science and Progress - 2018" (Санкт-Петербург, 2018), XLVIII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2019), The 20th International Sol-Gel Conference (Санкт-Петербург, 2019), International Student Conference "Science and Progress" 2020 (Санкт-Петербург, 2020), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2020» (Москва, 2020), Geneva Colloids (Женева, 2021), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2021» (Москва, 2021), III Международная научная конференция «Энерго-ресурсоэффективность в интересах устойчивого развития» SEWAN-2021 (Санкт-Петербург, 2021), III Ежегодный саммит молодых ученых и инженеров «Большие вызовы для общества, государства и науки» (Сочи, 2021), The International conference on chemistry for Young Scientist "Mendeleev 2021" (Санкт-Петербург, 2021), Международная молодежная научная конференция «Современные тенденции развития функциональных материалов» (Сочи, 2021), III Школа молодых

ученых "Наноструктурные материалы с управляемыми свойствами" (Москва, 2021), Конгресс молодых ученых (Сочи, 2021), UK-Russia Workshop Dynamic phenomena and tuneable self-organisation in soft matter and fluids (Лондон, 2022).

Публикации: По материалам диссертации опубликовано 6 статей в рецензируемых изданиях, включенных в международные научные базы данных Web of Science и Scopus (ChemCatChem, Bioconjugate Chemistry, Journal of Sol-Gel Science and Technology, Nature Nanotechnology, Angewandte Chemie International Edition, Journal of Applied Polymer Science), а также 15 тезисов докладов на всероссийских и международных научных конференциях.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Главы включают в себя - обзор литературы (глава 1), описание экспериментальных методик (глава 2) и основные результаты исследования (главы 3-6). Работа изложена на 216 страницах и включает 43 рисунка, 3 таблицы и список библиографических ссылок из 153 наименований.

Работа выполнена в химико-биологическом кластере и научно-образовательном центре инфохимии Университета ИТМО. Исследования поддержаны грантами РНФ № 19-19-00508 и № 21-73-10185. Эксперименты по изучению проницаемости мембран были выполнены в Центре перспективных 2D материалов (CA2DM) Национального Университета Сингапура.

Личный вклад автора состоит в выполнении экспериментов, обобщении, анализе и интерпретации полученных данных, подготовке и написании научных публикаций, представлении и обсуждении полученных результатов на конференциях.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Никитина Анна Анатольевна

Выводы

1. Разработан метод формирования бар-кодов для полиэлектролитных сборок на кремниевых подложках на основе данных атомно-силовой микроскопии. Применение топологического анализа данных позволило унифицировать методику определения количества полимерных бислоев и дополнить понятие шероховатости.

2. Исследованы межмолекулряные взаимодействия синтетических полиэлектролитов и биомакромолекул на примере модельной системы системе антитело - антиген вируса клещевого энцефалита. Доказана эффективность применения полиэлектролитных сборок для стабилизации и повышения чувствительности биосенсоров. Метод QCM позволил количественно оценить адсорбцию вторичных антител, а также доказать специфичность подобранной наноархитектуры.

3. Показан эффект селективной проницаемости катионов для мембраны на основе GO и PEI. Материал образует сеть ионных каналов, проницаемость которых можно регулировать изменением рН среды. Данный механизм основан на изменении протонированного состояния полиэтиленимина в системе, благодаря чем присутствует специфичное сродство к катионам калия и обеспечивающий наличие доступных сайтов для обмена с протонами для потенциальной модели «умных» искусственных ионных каналов.

4. Был разработан гибридный на основе мезопористого TiO2 с осажденными на поверхности наночастицами серебра, загруженного L-арабинозой и покрытого полиэлектролитной сборкой. Внесение капсул в питательную среду, и последующее облучение инфракрасным светом (980 нм) позволяет in vivo контролировать метаболизм бактериальной культуры E. coli XL-1 Blue.

5. Продемонстрировано влияние полиэлектролитного покрытия на протонированное состояние фотоактивного TiO2. Показано, что наличие в системе полиэлектролита влиет на поглощение фотогенерированных протонов. Контроль протонированного состояния системы позволяет управлять автокаталитической реакцией формирования трипсина.

6. Предложена новая стратегия создания термочувствительного оптического материала на основе кремниевых наночастиц, с характерным Ми-резонансом. Динамический отклик был достигнут благодаря полимерной оболочки из отрицательно заряженных полиэлектролитов (Hep и PSS). Обратимая настройка оптического отклика наноструктур обусловлена световым нагревом наночастиц и набуханием полиэлектролитной оболочки. С помощью квантово - химических расчетов было доказано наличие гидрофильных/гидрофобных переходов, которые существенно изменяют толщину оболочки.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никитина Анна Анатольевна, 2022 год

Список использованной литературы

1. Andreeva D. V. et al. Nanoengineered metal surface capsules: Construction of a metal-protection system // Small. 2012. Vol. 8, № 6. P. 820-825.

2. Xu L. Layer-By-Layer Self-Assembly of Polyelectrolyte Multilayers With Foaming Polyelectrolyte // Adv. Mater. 2015. P. 1-62.

3. Toole G.O., Kaplan H.B., Kolter R. B f m d. 2000. P. 49-79.

4. Seon L. et al. Polyelectrolyte Multilayers: A Versatile Tool for Preparing Antimicrobial Coatings // Langmuir. 2015. Vol. 31, № 47. P. 12856-12872.

5. Gensel J. et al. Cavitation engineered 3D sponge networks and their application in active surface construction // Adv. Mater. 2012. Vol. 24, № 7. P. 985-989.

6. Skirtach A.G. et al. Remote activation of capsules containing Ag nanoparticles and IR dye by laser light // Langmuir. 2004. Vol. 20, № 17. P. 6988-6992.

7. Parakhonskiy B. V. et al. Hybrids of Polymeric Capsules, Lipids, and Nanoparticles: Thermodynamics and Temperature Rise at the Nanoscale and Emerging Applications // Langmuir. 2019. Vol. 35, № 26. P. 8574-8583.

8. Skorb E. V., Mohwald H. "smart" Surface Capsules for Delivery Devices // Adv. Mater. Interfaces. 2014. Vol. 1, № 6. P. 1-26.

9. De Geest B.G. et al. Polyelectrolyte microcapsules for biomedical applications // Soft Matter. 2009. Vol. 5, № 2. P. 282-291.

10. Radziuk D. et al. Synthesis of silver nanoparticles for remote opening of polyelectrolyte microcapsules // Langmuir. 2007. Vol. 23, № 8. P. 4612-4617.

11. Mauser T. et al. Microcapsules made of weak polyelectrolytes: Templating and stimuli-responsive properties // Langmuir. 2006. Vol. 22, № 13. P. 5888-5893.

12. Kolasinska M., Krastev R., Warszynski P. Characteristics of polyelectrolyte multilayers: Effect of PEI anchoring layer and posttreatment after deposition // J. Colloid Interface Sci. 2007. Vol. 305, № 1. P. 46-56.

13. Ivanov A.S. et al. Recent Progress of Layer-by-layer Assembly, Free-Standing

Film and Hydrogel Based on Polyelectrolytes // Macromol. Biosci. 2021. Vol. 21, № 10. P. 1-16.

14. Кабанов В.А. Полиэлектролитные Комплексы В Растворе И В Конденсированной Фазе // Успехи Химии. 2005. Vol. 74, № 1. P. 5-23.

15. Izumrudov V.A., Mussabayeva B.K., Murzagulova K.B. Polyelectrolyte multilayers: preparation and applications // Russ. Chem. Rev. 2018. Vol. 87, № 2. P. 192-200.

16. Khalil A.S., Collins J.J. Synthetic biology: Applications come of age // Nat. Rev. Genet. Nature Publishing Group, 2010. Vol. 11, № 5. P. 367-379.

17. Zhang Y. et al. Discovery of polymer electret material via de novo molecule generation and functional group enrichment analysis // Appl. Phys. Lett. AIP Publishing LLC, 2021. Vol. 118, № 22.

18. Chen J. et al. 3D-Printed Anisotropic Polymer Materials for Functional Applications // Adv. Mater. 2021. Vol. 2102877. P. 1-33.

19. Tan P. et al. Solution-processable, soft, self-adhesive, and conductive polymer composites for soft electronics // Nat. Commun. 2022. Vol. 13, № 1. P. 1-12.

20. Motiur Rahman M. et al. Development of functionalized nanocrystalline cellulose-based polyelectrolytes with high water uptake // Polym. J. Springer US, 2021. Vol. 53, № 8. P. 913-921.

21. Skirtach A.G. et al. The role of metal nanoparticles in remote release of encapsulated materials // Nano Lett. 2005. Vol. 5, № 7. P. 1371-1377.

22. Grzybowski B.A. Charged nanoparticles crystallizing and controlling crystallization: From coatings to nanoparticle surfactants to chemical amplifiers // CrystEngComm. Royal Society of Chemistry, 2014. Vol. 16, № 40. P. 9368-9380.

23. Skorb E. V et al. Laser-Controllable Coatings for Corrosion Protection. 2009. Vol. 3, № 7. P. 1753-1760.

24. Nakanishi H. et al. Photoconductance and inverse photoconductance in films of functionalized metal nanoparticles // Nature. Nature Publishing Group,

2009. Vol. 460, № 7253. P. 371-375.

25. Liu X. et al. Complex silica composite nanomaterials templated with DNA origami // Nature. Springer US, 2018. Vol. 559, № 7715. P. 593-598.

26. Andreeva D. V., Skorb E. V., Shchukin D.G. Layer-by-layer polyelectrolyte/inhibitor nanostructures for metal corrosion protection // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2010. Vol. 2, № 7. P. 1954-1962.

27. Zhu X., Jun Loh X. Layer-by-layer assemblies for antibacterial applications // Biomater. Sci. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 3, № 12. P. 1505-1518.

28. Zhang Z. et al. Uphill" cation transport: A bioinspired photo-driven ion pump // Sci. Adv. 2016. Vol. 2, № 10. P. 1-8.

29. Nguyen P.Q. et al. Programmable biofilm-based materials from engineered curli nanofibres // Nat. Commun. Nature Publishing Group, 2014. Vol. 5. P. 1-10.

30. Bontempi N. et al. Highly sensitive biosensors based on all-dielectric nanoresonators // Nanoscale. Royal Society of Chemistry, 2017. Vol. 9, №2 15. P. 4972-4980.

31. Din M.I. et al. Green Adeptness in the Synthesis and Stabilization of Copper Nanoparticles: Catalytic, Antibacterial, Cytotoxicity, and Antioxidant Activities // Nanoscale Res. Lett. Nanoscale Research Letters, 2017. Vol. 12.

32. Andreeva D. V. et al. Local pH Gradient Initiated by Light on TiO2 for Light-Triggered Modulation of Polyhistidine-Tagged Proteins // ChemElectroChem. 2016. Vol. 3, № 9. P. 1306-1310.

33. Cai J. et al. Accurate Removal of Toxic Organic Pollutants from Complex Water Matrices. 2022.

34. Chen D. et al. Photocatalytic degradation of organic pollutants using TiO2-based photocatalysts: A review // J. Clean. Prod. Elsevier Ltd, 2020. Vol. 268. P. 121725.

35. Bohuslav Dobias H.S. Coagulation and Flocculation // CRC Press. 2005.

36. Israelachvili J.N. Intermolecular and surface forces // Elsevier. 2011.

37. Bolto B., Gregory J. Organic polyelectrolytes in water treatment // Water Res. 2007. Vol. 41, № 11. P. 2301-2324.

38. Köhler K. et al. Thermal behavior of polyelectrolyte multilayer microcapsules. 1. The effect of odd and even layer number // J. Phys. Chem. B. 2005. Vol. 109, № 39. P. 18250-18259.

39. Ajaya Bhattarai. A Review on Polyelectrolytes (PES) and Polyelectrolyte Complexes (PECs) // Int. J. Eng. Res. 2020. Vol. V9, № 08. P. 876-889.

40. Ilyas S. et al. Weak polyelectrolyte multilayers as tunable membranes for solvent resistant nanofiltration // J. Memb. Sci. Elsevier, 2016. Vol. 514. P. 322-331.

41. Tsitsilianis C. et al. Effect of DMF on the rheological properties of telechelic polyelectrolyte hydrogels // Macromolecules. 2010. Vol. 43, № 18. P. 77797784.

42. Su C.Y. et al. Solution properties of imidazolium-based amphiphilic polyelectrolyte in pure- and mixed-solvent media // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. Vol. 21, № 7. P. 3960-3969.

43. Cherif E. Macromolecular and morphological evolution of hydrophilic polyelectrolyte with N, N-dimethylformamide + water // Phys. Chem. Liq. Taylor & Francis, 2020. Vol. 58, № 1. P. 59-69.

44. Zhang Y. et al. Molecular Origin of the Glass Transition in Polyelectrolyte Assemblies // ACS Cent. Sci. 2018. Vol. 4, № 5. P. 638-644.

45. Zhou S., Wang Z., Li B. Mean-field description of ionic size effects with nonuniform ionic sizes: A numerical approach // Phys. Rev. E - Stat. Nonlinear, Soft Matter Phys. 2011. Vol. 84, № 2. P. 1-13.

46. Ryzhkov N. V., Mamchik N.A., Skorb E. V. Electrochemical triggering of lipid bilayer lift-off oscillation at the electrode interface // J. R. Soc. Interface. 2019. Vol. 16, № 150.

47. Xu X. et al. Interaction of Proteins with Polyelectrolytes: Comparison of Theory to Experiment // Langmuir. 2019. Vol. 35, № 16. P. 5373-5391.

48. Kabanov V.A. Polyelectrolyte complexes in solution and in bulk // Usp. Khim.

2005. Vol. 74, № 1. P. 5-23.

49. Meka V.S. et al. A comprehensive review on polyelectrolyte complexes // Drug Discov. Today. Elsevier Ltd, 2017. Vol. 22, № 11. P. 1697-1706.

50. Yang J. et al. Hydrogel Adhesion: A Supramolecular Synergy of Chemistry, Topology, and Mechanics // Adv. Funct. Mater. 2020. Vol. 30, № 2. P. 1-27.

51. Leermakers F.A.M., Léonforte F., Luengo G.S. Structure and Colloidal Stability of Adsorption Layers of Macrocycle, Linear, Comb, Star, and Dendritic Macromolecules // Macromolecules. 2020. Vol. 53, № 17. P. 73227334.

52. Kearns H. et al. Laser induced SERS switching using plasmonic heating of PNIPAM coated HGNs // Chem. Commun. Royal Society of Chemistry, 2015. Vol. 51, № 38. P. 8138-8141.

53. Skorb E. V., Mohwald H., Andreeva D. V. How Can One Controllably Use of Natural ApH in Polyelectrolyte Multilayers? // Adv. Mater. Interfaces. 2017. Vol. 4, № 1. P. 1-15.

54. Skorb E. V., Andreeva D. V. Surface nanoarchitecture for bio-applications: Self-regulating intelligent interfaces // Adv. Funct. Mater. 2013. Vol. 23, № 36. P. 4483-4506.

55. Zhang L. et al. Nanocomposite Membrane with Polyethylenimine-Grafted Graphene Oxide as a Novel Additive to Enhance Pollutant Filtration Performance // Environ. Sci. Technol. 2018. Vol. 52, № 10. P. 5920-5930.

56. Moffatt S., Wiehle S., Cristiano R.J. A multifunctional PEI-based cationic polyplex for enhanced systemic p53-mediated gene therapy // Gene Ther.

2006. Vol. 13, № 21. P. 1512-1523.

57. Liang W.J. et al. Branched polyethylenimine improves hydrogen photoproduction from a CdSe quantum dot/[FeFe]-hydrogenase mimic system in neutral aqueous solutions // Chem. - A Eur. J. 2015. Vol. 21, № 8. P. 31873192.

58. Park S.H. et al. Electrochemical properties of polyethyleneimine-functionalized Pt-PEI/carbon black as a catalyst for polymer electrolyte membrane fuel cell // Electrochim. Acta. Elsevier Ltd, 2014. Vol. 125. P. 141148.

59. Ulasevich S.A. et al. Switching the Stiffness of Polyelectrolyte Assembly by Light to Control Behavior of Supported Cells // Macromol. Biosci. 2016. P. 1422-1431.

60. Maltanava H.M. et al. Light-Induced Proton Pumping with a Semiconductor: Vision for Photoproton Lateral Separation and Robust Manipulation // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. Vol. 9, № 28. P. 24282-24289.

61. Donath E. et al. Novel Hollow Polymer Shells by Colloid-Tem- plated Assembly of Polyelectrolytes // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1998. Vol. 37, № 16. P. 2201-2205.

62. Shchukin D.G., Radtchenko I.L., Sukhorukov G.B. Photoinduced Reduction of Silver inside Microscale Polyelectrolyte Capsules // ChemPhysChem. 2003. Vol. 4, № 10. P. 1101-1103.

63. Singh K. et al. Nickel hexacyanoferrate electrodes for high mono/divalent ion-selectivity in capacitive deionization // Desalination. Elsevier, 2020. Vol. 481, № February. P. 114346.

64. Elzbieciak M. et al. Nonlinear growth of multilayer films formed from weak polyelectrolytes // Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 2009. Vol. 343, № 1-3. P. 89-95.

65. Bazylinska U. et al. Novel approach to long sustained multilayer nanocapsules: Influence of surfactant head groups and polyelectrolyte layer number on the release of hydrophobic compounds // Soft Matter. 2011. Vol. 7, № 13. P. 61136124.

66. Skorb E. V et al. Antibacterial activity of thin-film photocatalysts based on metal-modified TiO 2 and TiO 2 :In 2 O 3 nanocomposite.

67. Andreeva D. V. et al. Using a chitosan nanolayer as an efficient pH buffer to

protect pH-sensitive supramolecular assemblies // Phys. Chem. Chem. Phys. Royal Society of Chemistry, 2017. Vol. 19, № 35. P. 23843-23848.

68. Mueller R. et al. Melting of PDADMAC/PSS capsules investigated with AFM force spectroscopy // Macromolecules. 2005. Vol. 38, № 23. P. 9766-9771.

69. Phuong Nguyen L.T., Liu B.H. Machine learning approach for reducing uncertainty in AFM nanomechanical measurements through selection of appropriate contact model // Eur. J. Mech. - A/Solids. Elsevier Masson SAS, 2022. P. 104579.

70. Jiang Y. et al. Topography-Dependent Effective Contact Line in Droplet Depinning // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2020. Vol. 125, № 18. P. 184502.

71. Nosonovsky M., Bhushan B. Biologically inspired surfaces: Broadening the scope of roughness // Adv. Funct. Mater. 2008. Vol. 18, № 6. P. 843-855.

72. Nosonovsky M., Kailas S. V, Editors M.R.L. Tribology for Scientists and Engineers // Tribology for Scientists and Engineers. 2013.

73. Nosonovsky M., Mortazavi V. Friction-Induced Vibrations and Self-Organization.

74. Bormashenko E.Y. Wetting of Real Surfaces // Wetting of Real Surfaces. 2013.

75. Greenwood J.A., Wu J.J. Surface roughness and contact: An apology // Meccanica. 2001. Vol. 36, № 6. P. 617-630.

76. Carlsson G. Topology and data // Bulletin of the American Mathematical Society. 2009. Vol. 46, № 2. 255-308 p.

77. Carlsson G. et al. On the local behavior of spaces of natural images // Int. J. Comput. Vis. 2008. Vol. 76, № 1. P. 1-12.

78. Duman A.N. Grain analysis of atomic force microscopy images via persistent homology // Ultramicroscopy. Elsevier B.V., 2021. Vol. 220, № November 2020. P. 113176.

79. Solis I.M. et al. Structural heterogeneity: a topological characteristic to track

the time evolution of soft matter systems. 2021. P. 1-20.

80. Janai E., Schofield A.B., Sloutskin E. Non-crystalline colloidal clusters in two dimensions: Size distributions and shapes // Soft Matter. 2012. Vol. 8, № 10. P. 2924-2929.

81. Bhushan B., Jung Y.C., Koch K. Micro-, nano- And hierarchical structures for superhydrophobicity, self-cleaning and low adhesion // Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci. 2009. Vol. 367, № 1894. P. 1631-1672.

82. Solis I.M. et al. Structural heterogeneity: a topological characteristic to track the time evolution of soft matter systems. 2021. P. 1-20.

83. Duman A.N. Grain analysis of atomic force microscopy images via persistent homology // Ultramicroscopy. Elsevier B.V., 2021. Vol. 220, № November 2020. P. 113176.

84. Bruckenstein S., Shay M. Experimental aspects of use of the quartz crystal microbalance in solution // Electrochim. Acta. 1985. Vol. 30, № 10. P. 12951300.

85. Li C.Y. et al. Spontaneous and rapid electro-actuated snapping of constrained polyelectrolyte hydrogels. 2022. Vol. 9608, № April. P. 1-11.

86. Folchman-Wagner Z., Zaro J., Shen W.C. Characterization of polyelectrolyte complex formation between anionic and cationic poly(amino acids) and their potential applications in pH-dependent drug delivery // Molecules. 2017. Vol. 22, № 7.

87. Cutler C.A., Bouguettaya M., Reynolds J.R. PEDOT polyelectrolyte based electrochromic films via electrostatic adsorption // Adv. Mater. 2002. Vol. 14, № 9. P. 684-688.

88. Al-Khoury H. et al. Anti-inflammatory Surface Coatings Based on Polyelectrolyte Multilayers of Heparin and Polycationic Nanoparticles of Naproxen-Bearing Polymeric Drugs // Biomacromolecules. 2019. Vol. 20, № 10. P. 4015-4025.

89. Ulasevich S.A. et al. Responsive Materials Light-Induced Water Splitting

Causes High-Amplitude Oscillation of pH-Sensitive Layer-by-Layer Assemblies on TiO 2. 2016. P. 1-5.

90. Anaya-Esparza L.M. et al. Protein-tio2: A functional hybrid composite with diversified applications // Coatings. 2020. Vol. 10, № 12. P. 1-29.

91. Sun S. et al. Increased preosteoblast adhesion and osteogenic gene expression on TiO 2 nanotubes modified with KRSR // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2013. Vol. 24, № 4. P. 1079-1091.

92. Zhang S. et al. Bacteria-Assisted Synthesis of Nanosheet-Assembled TiO2 Hierarchical Architectures for Constructing TiO2-Based Composites for Photocatalytic and Electrocatalytic Applications // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. Vol. 11, № 40. P. 37004-37012.

93. Ryzhkov N. V., Brezhneva N., Skorb E. V. Feedback mechanisms at inorganic-polyelectrolyte interfaces for applied materials // Surf. Innov. 2019. Vol. 7, № 3-4. P. 145-167.

94. Leyton P. et al. Influence of TiO 2 on prebiotic thermal synthesis of the Gly-Gln polymer // Amino Acids. 2012. Vol. 42, № 6. P. 2079-2088.

95. Kurin-Csorgel K., Epstein I.R., Orban M. Systematic design of chemical oscillators using complexation and precipitation equilibria // Nature. 2005. Vol. 433, № 7022. P. 139-142.

96. Boddohi S., Killingsworth C.E., Kipper M.J. Polyelectrolyte multilayer assembly as a function of pH and ionic strength using the polysaccharides chitosan and heparin // Biomacromolecules. 2008. Vol. 9, № 7. P. 2021-2028.

97. Backert S. et al. Pathogenesis of Helicobacter pylori infection // Helicobacter. 2016. Vol. 21, № 3. P. 19-25.

98. Rodriguez-Torres M.D.P., Acosta-Torres L.S., Diaz-Torres L.A. Heparin-Based Nanoparticles: An Overview of Their Applications // J. Nanomater. 2018. Vol. 2018.

99. Sun L. et al. Controlled heparinase-catalyzed degradation of polyelectrolyte multilayer capsules with heparin as responsive layer // J. Appl. Polym. Sci.

2017. Vol. 134, № 23. P. 1-10.

100. Murata K. et al. Structural determinants of water permeation through aquaporin-1 // Nature. 2000. Vol. 407, № 6804. P. 599-605.

101. Preston G.M. et al. sion of y-aminobutyric acid (GABA) channels in oocytes injected with GABA channel RNA showed an increase in. 1992. № April. P. 2-4.

102. Katiyar N.K. et al. Nature-inspired materials: Emerging trends and prospects // NPG Asia Mater. Springer US, 2021. Vol. 13, № 1.

103. Shen J. et al. Artificial channels for confined mass transport at the sub-nanometre scale // Nat. Rev. Mater. Springer US, 2021. Vol. 6, № 4. P. 294312.

104. Sowerby S.J. et al. Self-programmable, self-assembling two-dimensional genetic matter // Orig. Life Evol. Biosph. 2000. Vol. 30, № 1. P. 81-99.

105. Nitta N. et al. Li-ion battery materials: Present and future // Mater. Today. Elsevier Ltd., 2015. Vol. 18, № 5. P. 252-264.

106. Gasser M.S., Aly M.I., Aly H.F. Selective removal of cesium ions from aqueous solutions using different inorganic metal hexacyanoferrate-prepared sorbents // Part. Sci. Technol. Taylor & Francis, 2019. Vol. 37, № 4. P. 464473.

107. Saini L. et al. Selective transport of water molecules through interlayer spaces in graphite // Nat. Commun. Springer US, 2022. Vol. 13, № 1. P. 1-7.

108. Jiang Y. et al. Topography-Dependent Effective Contact Line in Droplet Depinning // Phys. Rev. Lett. American Physical Society, 2020. Vol. 125, № 18. P. 184502.

109. Livanovich K.S. et al. Layer-by-layer films of polysaccharides modified with poly(N-vinylpyrrolidone) and poly(vinyl alcohol) // Heliyon. Elsevier Ltd, 2021. Vol. 7, № 10. P. e08224.

110. Kamali M., Ghahremaninezhad A. A study of calcium-silicate-hydrate/polymer nanocomposites fabricated using the layer-by-layer method //

Materials (Basel). 2018. Vol. 11, № 4.

111. Zhukov M. et al. Topological Data Analysis of Nanoscale Roughness in Brass Samples // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. Vol. 14, № 1. P. 2351-2359.

112. Babacan S. et al. Evaluation of antibody immobilization methods for piezoelectric biosensor application // Biosens. Bioelectron. 2000. Vol. 15, № 11-12. P. 615-621.

113. Sharafeldin M., McCaffrey K., Rusling J.F. Influence of antibody immobilization strategy on carbon electrode immunoarrays // Analyst. 2019. Vol. 144, № 17. P. 5108-5116.

114. Gao S., Guisan J.M., Rocha-Martin J. Oriented immobilization of antibodies onto sensing platforms - A critical review // Anal. Chim. Acta. 2022. Vol. 1189.

115. Kondzior M., Grabowska I. Antibody-electroactive probe conjugates based electrochemical immunosensors // Sensors (Switzerland). 2020. Vol. 20, № 7.

116. Krasilin A.A. et al. The conformation of bovine serum albumin adsorbed to the surface of single all-dielectric nanoparticles following light-induced heating // J. Biophotonics. 2018. Vol. 11, № 7. P. 1-6.

117. Lützenkirchen J. et al. Potentiometrie titrations as a tool for surface charge determination // Croat. Chem. Acta. 2012. Vol. 85, № 4. P. 391-417.

118. Katchalsky A., Spitnik P. Potentiometric titrations of polymethacrylic acid // J. Polym. Sci. 1947. Vol. 2, № 5. P. 487-487.

119. Delgado A. V. et al. Measurement and interpretation of electrokinetic phenomena // J. Colloid Interface Sci. 2007. Vol. 309, № 2. P. 194-224.

120. Cath T.Y., Childress A.E., Elimelech M. Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments // J. Memb. Sci. 2006. Vol. 281, № 12. P. 70-87.

121. Yeh C.N. et al. On the origin of the stability of graphene oxide membranes in water // Nat. Chem. Nature Publishing Group, 2015. Vol. 7, № 2. P. 166-170.

122. Krasemann L., Tieke B. Selective ion transport across self-assembled

alternating multilayers of cationic and anionic polyelectrolytes // Langmuir. 2000. Vol. 16, № 2. P. 287-290.

123. Harris J.J., DeRose P.M., Bruening M.L. Synthesis of passivating, nylon-like coatings through cross-linking of ultrathin polyelectrolyte films [13] // J. Am. Chem. Soc. 1999. Vol. 121, № 9. P. 1978-1979.

124. Cohen-Tanugi D., Grossman J.C. Water desalination across nanoporous graphene // Nano Lett. 2012. Vol. 12, № 7. P. 3602-3608.

125. Han Y., Xu Z., Gao C. Ultrathin graphene nanofiltration membrane for water purification // Adv. Funct. Mater. 2013. Vol. 23, № 29. P. 3693-3700.

126. Hu M., Mi B. Enabling graphene oxide nanosheets as water separation membranes // Environ. Sci. Technol. 2013. Vol. 47, № 8. P. 3715-3723.

127. Lerf A. et al. Hydration behavior and dynamics of water molecules in graphite oxide // J. Phys. Chem. Solids. 2006. Vol. 67, № 5-6. P. 1106-1110.

128. Boukhvalov D.W., Katsnelson M.I., Son Y.W. Origin of anomalous water permeation through graphene oxide membrane // Nano Lett. 2013. Vol. 13, № 8. P. 3930-3935.

129. Furutani Y. et al. Specific interactions between alkali metal cations and the KcsA channel studied using ATR-FTIR spectroscopy // Biophys. Physicobiology. 2015. Vol. 12, № 0. P. 37-45.

130. Rose L., Jenkins A.T.A. The effect of the ionophore valinomycin on biomimetic solid supported lipid DPPTE/EPC membranes // Bioelectrochemistry. 2007. Vol. 70, № 2. P. 387-393.

131. Yeagle P.L. The Membranes of Cells (3rd edition) // Journal of Chemical Information and Modeling. 2016. Vol. 110, № 9.

132. Nakamura M. et al. Outer helmholtz plane of the electrical double layer formed at the solid electrode-liquid interface // ChemPhysChem. 2011. Vol. 12, № 8. P. 1430-1434.

133. Skorb E. V. et al. Surface-Modified Mesoporous SiO 2 Containers for Corrosion Protection // Adv. Funct. Mater. Wiley-Blackwell, 2009. Vol. 19,

№ 15. P. 2373-2379.

134. Beranek R. (Photo)electrochemical methods for the determination of the band edge positions of TiO 2-based nanomaterials // Adv. Phys. Chem. 2011. Vol. 2011, № Iv. P. 80-83.

135. Momeni L. et al. Interaction of TiO2 nanoparticle with trypsin analyzed by kinetic and spectroscopic methods // Monatshefte fur Chemie. Springer Vienna, 2017. Vol. 148, № 2. P. 199-207.

136. Lakowicz J.R. General features of protein fluorescence // Principles of Fluorescence Spectroscopy. 2006. 3-7 p.

137. Lakowicz J.R., Weber G. Quenching of Fluorescence by Oxygen. a Probe for Structural Fluctuations in Macromolecules // Biochemistry. 1973. Vol. 12, № 21. P. 4161-4170.

138. Wang W.R. et al. The electrostatic interactions between nano-TiO 2 and trypsin inhibit the enzyme activity and change the secondary structure of trypsin // Biol. Trace Elem. Res. 2011. Vol. 142, № 3. P. 435-446.

139. Ross P.D., Subramanian S. Thermodynamics of Protein Association Reactions: Forces Contributing to Stability // Biochemistry. 1981. Vol. 20, № 11. P. 3096-3102.

140. Semenov S.N. et al. Threshold sensing through a synthetic enzymatic reaction-diffusion network // Angew. Chemie - Int. Ed. 2014. Vol. 53, № 31. P. 80668069.

141. Campardelli R. et al. Encapsulation of titanium dioxide nanoparticles in PLA microspheres using supercritical emulsion extraction to produce bactericidal nanocomposites // J. Nanoparticle Res. Springer Netherlands, 2013. Vol. 15, № 10. P. 1987.

142. Skorb E. V. et al. Antibacterial activity of thin-film photocatalysts based on metal-modified TiO2 and TiO2:In2O3 nanocomposite // Appl. Catal. B Environ. 2008.

143. Skorb E. V., Möhwald H. 25th anniversary article: Dynamic interfaces for

responsive encapsulation systems // Adv. Mater. 2013. Vol. 25, N° 36. P. 50295043.

144. Nagel G. et al. Channelrhodopsin-2, a directly light-gated cation-selective membrane channel. // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. National Academy of Sciences, 2003. Vol. 100, № 24. P. 13940-13945.

145. Santala V., Karp M., Santala S. Bioluminescence-based system for rapid detection of natural transformation // FEMS Microbiol. Lett. / ed. Fanning S. Oxford University Press, 2016. Vol. 363, № 13. P. fnw125.

146. Ranjit S. Shetty et al. Green Fluorescent Protein in the Design of a Living Biosensing System for l-Arabinose. American Chemical Society , 1999.

147. Nikitina A.A. et al. Nanostructured Layer-by-Layer Polyelectrolyte Containers to Switch Biofilm Fluorescence // Bioconjug. Chem. 2018.

148. Dmitriev P.A. et al. Laser fabrication of crystalline silicon nanoresonators from an amorphous film for low-loss all-dielectric nanophotonics // Nanoscale. 2016. Vol. 8, № 9. P. 5043-5048.

149. Richardson J.J. et al. Thermally Induced Charge Reversal of Layer-by-Layer Assembled Single-Component Polymer Films // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2016. Vol. 8, № 11. P. 7449-7455.

150. Milichko V.A. et al. Metal-Dielectric Nanocavity for Real-Time Tracing Molecular Events with Temperature Feedback // Laser Photonics Rev. 2018. Vol. 12, № 1. P. 1-9.

151. Zograf G.P. et al. Resonant Nonplasmonic Nanoparticles for Efficient Temperature-Feedback Optical Heating // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 5. P. 2945-2952.

152. Zhang C. et al. Lighting up silicon nanoparticles with Mie resonances // Nat. Commun. 2018. Vol. 9, № 1. P. 1-7.

153. Yavas O. et al. On-a-chip Biosensing Based on All-Dielectric Nanoresonators // Nano Lett. 2017. Vol. 17, № 7. P. 4421-4426.