Probing protein adsorption modes onto poly(ethylene glycol) brushes by neutron reflection

A clear understanding of the mechanism of protein adsorption onto polymer brushes is still missing. The first models describing the interactions of a polymer brush with adsorbing particles predicted two adsorption modes: primary adsorption at the grafting surface, and secondary adsorption at the outer edge of the brush (occurring for large cylindrical proteins). Primary adsorption can be repressed by increasing the grafting density of the brush, and secondary adsorption by increasing its thickness, in agreement with the experiments reported in the literature. But experimental evidences (a maximum in the adsorbed amount observed for long brushes) suggested then the existence of a third mode: ternary adsorption within the brush itself, due to attractive interactions between the protein and the brush. Standard techniques can in general only probe the total adsorbed amount. The aim of this work was to separate primary and ternary adsorption isotherms, by using neutron reflectivity and deuterated proteins. As neutrons interact differently with hydrogen and deuterium atoms, the contrast between the hydrogenated brush and the deuterated protein is high enough to separate the two contributions.

We studied the adsorption of deuterated myoglobin on PEG brushes with different degrees of polymerisation (N = 56, 146 and 770), and as a function of the area per grafted chain. The contribution of primary and ternary adsorption was separated for the different systems, and the adsorbed amount was extracted and the adsorption isotherms compared to the theoretical predictions. The ability to distinguish between the different adsorption modes, and the quantification of their relative contribution to the overall amount of adsorbed proteins, represents a major advance in optimising surface properties. In particular, the occurrence of ternary adsorption onto PEG brushes affects their status as tool for repressing protein adsorption.

L’adsorption de protéines aux interfaces a un rôle important pour certaines applications pharmaceutiques ou biotechnologiques. En effet, plusieurs processus indésirables sont liés à l’adsorption de protéines, par exemple l’encrassement de lentilles de contact, la coagulation dans des appareils contenant du sang, l’inflammation d’organes artificiels ou encore la diminution du temps de circulation dans le corps de protéines ou liposomes thérapeutiques. Certains polymères, tels que le polyéthylène glycol (PEG), sont utilisés pour réprimer l’adsorption de protéines : en greffant une brosse de PEG sur la surface, une couche est créée entre la protéine et celle-ci qui diminue, voire même réprime complètement l’adsorption. Comprendre le mécanisme qui entrave l’adsorption aux interfaces est un sujet de recherche actif, qui pourrait mener à des améliorations significatives dans la conception de biomatériaux.

À ce jour, la compréhension du mécanisme d’adsorption de protéines sur des brosses de polymère n’est pas claire. Les premiers modèles décrivant les interactions entre brosses de polymères et particules adsorbantes prédisaient deux modes d’adsorption : l’adsorption primaire sur la surface de greffage, et l’adsorption secondaire à l’extérieur de la brosse (pour les grandes protéines cylindriques uniquement). L’adsorption primaire peut-être réprimée en augmentant la densité de greffage de la brosse, et l’adsorption secondaire en augmentant son épaisseur, en accord avec les expériences reportées dans la littérature. Mais d’autres évidences expérimentales (un maximum dans la quantité adsorbée observé pour les brosses longues) ont ensuite suggéré l’existence d’un troisième mode : l’adsorption ternaire à l’intérieur même de la brosse, due aux interactions attractives entre la protéine et la brosse.

Les techniques standards peuvent en général mesurer la quantité adsorbée totale. Le but de ce travail était de séparer les isothermes d’adsorption primaire et ternaire, en utilisant la réflectivité de neutrons et des protéines deutérées. Comme les neutrons interagissent différemment avec les atomes d’hydrogène ou de deutérium, le contraste entre la brosse hydrogénée et la protéine deutérée est ainsi suffisant pour séparer les deux contributions.

Nous avons étudié l’adsorption de myoglobine deutérée sur des brosses de PEG avec différents degrés de polymérisation (N = 56, 146 and 770), en fonction de l’aire par chaîne Σ. La contribution des adsorptions primaire et ternaire put être séparée pour les différents systèmes, et les quantités adsorbées extraites pour finalement comparer les isothermes d’adsorption aux prédictions théoriques. La possibilité de distinguer les différents modes d’adsorption, et la quantification de leur contribution relative à la quantité totale de protéines adsorbées représente une avancée majeure dans l’optimisation des propriétés des surfaces. L’adsorption ternaire dans les brosses de PEG en particulier remet en question leur utilisation pour réprimer l’adsorption de protéines.