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The Langmuir – Blodgett (LB) technique is about forming insoluble monolayer on the surface of aqueous solution and recently, it has emerged as one of the best method to study floating monolayer at the air – water interface. It has gained popularity after the use of monolayer with chemical complexes as well as biological species, and recently it has been used for the formation of biosensors. Langmuir monolayer arrays the amphiphilic molecules in a fashion where the hydrophobic part points towards the air and the hydrophilic group remains in contact with the aqueous subphase. Due to this property of Langmuir monolayer to orient the molecules at the air – water interface in a particular fashion, it can successfully serve as a template for two – dimensional reactions with restricted freedom. Hence, Langmuir monolayer has been extensively employed to study chemical and biological reactions at the air – water interface. To understand the behavior of Langmuir monolayer, surface pressure – molecular area (P – A) isotherms are studied as these P – A isotherms illustrate general conditions regarding the phase behavior of the two-dimensional Langmuir monolayer. Any change occurring due to the alignment of aliphatic molecules forming the monolayer is reflected by the change in P – A isotherms, which is known as phase transition. The phase transition is the most important element of the P – A isotherms with a characteristic signature of a plateau region in the isotherms. This phase transition point changes with the change of certain external parameters such as temperature, pH, and ionic strength, and as a result gives general information regarding the phase transition behavior. Therefore, with the little change of external parameters, the arrangement of the molecules in the monolayer also changes, which is reflected in the change in the nature of the isotherms. Thus, the system can, in principle, be used to define several physical parameters associated with it. On account of the property of Langmuir monolayer to orient the molecules at the air – water interface with restricted mobility and due to their condensed nature known as solid like phase, it closely mimics the situation inside a biological cell. Hence, we wanted to test whether an artificial nucleus can be generated at LB films. This can be achieved by immobilizing DNA or protein at the air – water interface and then by promoting their biological properties through macromolecular recognition. Here, immobilization of a macromolecule of biological relevance, its interaction with another component of a cell and extracting the thermodynamic parameters utilizing the LB technique will be of significance. This thesis embodies the immobilization of some biologically important proteins then follows their activity as well as DNA recognition properties at the air – water interface. A set of equations are derived here for the two dimensional Langmuir monolayer, which are used to calculate the thermodynamics of the system under study. Chapter 1 outlines the information about Langmuir monolayer and LB films. It sketches the historical background of the Langmuir monolayer and also elucidates the theory behind the same. This chapter cites the technical details of formation of Langmuir monolayer and LB films viś – a – viś other methods available for the fabrication of monomolecular films. It adequately discusses the functional LB films and their utilization for various different purposes. Finally, the role of metal ions in the LB films and in immobilizing biological macromolecules is discussed. Chapter 2 discusses the different techniques employed to perform the experiments described in this thesis. It includes the purification methods for the different proteins and DNA; the details of formation of Langmuir monolayer and fabrication of LB films. This chapter also describes the various techniques used for the characterization of the LB films, i.e Atomic Force Microscopy (AFM) and Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. In Chapter 3, immobilization and imaging of protein molecules and protein DNA complexes on a LB substrate have been explored. Firstly, we describe the preparation of a Ni (II) – arachidate (NiA) monolayer and its characterization through P – A isotherm on a LB trough. Then, recombinant RNA polymerase from Escherichia coli, where the largest subunit was replaced with the same gene having a series of histidine amino acids at the C-terminus end of the protein, was immobilized over the NiA monolayer through a Ni (II) – histidine interaction. A single molecule of RNA polymerase (RNAP) could be seen through intermittent-contact AFM. Under the condition of the formation of the LB monolayer, the enzyme molecules were arrayed and transcriptionally active. Interestingly, they could pick up sequence specific DNA molecules from the subphase in an oriented fashion. In Chapter 4, the interaction between NiA and histidine tagged RNAP (HisRNAP), and RNAP and DNA were studied. LB films of Arachidic acid – NiA, NiA -HisRNAP and NiA – HisRNAP – DNA with different mole fractions were fabricated systematically. P -A isotherms were registered, and the excess Gibbs energy of mixing was calculated. The LB films were then deposited on solid supports for FTIR spectroscopic measurements. The FTIR spectra revealed the change in the amount of incorporated Ni (II) ions into the AA monolayer with the change in pH. The increase in mole fraction of RNAP and DNA in the NiA and NiA – RNAP monolayer, respectively, with their increasing concentration in the subphase are also noticed. The system developed here is robust and can be utilized to follow macromolecular interactions. In chapter 5, the Langmuir monolayer has been utilized to array a protein, Dps, specific for Fe (II) and non-specific for DNA. Dps from Mycobacterium smegmatis is known to have a cage like structure, exists in two oligomeric states, trimer and dodecamer, and can accommodate Fe (II) ions in its internal cavity. In addition, it converts Fe (II) to Fe (III), both in trimeric and dodecameric form, whereas the latter species is specific for non-specific DNA binding. We demonstrate here that, histidine tagged Dps in both oligomeric states can be immobilized on NiA LB films, where both ferroxidation and DNA binding ability remained unaffected in the ordered protein assembly. Interestingly, when Fe (II) – arachidate was used to generate a LB layer instead of NiA, Dps protein not only recognizes Fe (II) ion in the monolayer, it also converts it to Fe (III) ion in a time dependent fashion. However, once Fe (III) – Dps complex is formed and arrayed on LB monolayers, it remains very stable.

O objetivo principal deste trabalho de doutorado foi a confecção de materiais híbridos formados a partir da união de nanopartículas de ouro com o polímero poli(3-hexiltiofeno) (P3HT). Os materiais híbridos foram obtidos através da produção de filmes de Langmuir e Langmuir-Schaefer (LS). Nanopartículas de ouro foram sintetizadas em fase aquosa (NpAu), utilizando o método de Turkevich e também, encapsuladas com 1-Octadecanotiol (NpAuOctatiol), apresentando solubilidade em clorofórmio. As NpAu foram utilizadas na subfase de uma cuba de Langmuir e o P3HT espalhado na interface ar/água. Ao transferir o filme de Langmuir formado para um substrato sólido, na forma de filme de Langmuir-Schaefer (deposição horizontal) foi possível obter um material híbrido contendo NpAu e P3HT. As NpAuOctatiol foram utilizadas para preparação de filmes LS híbridos através do espalhamento de soluções contendo uma mistura de P3HT com NpAuOctatiol com diferentes proporções. A presença das nanopartículas de ouro foi comprovada, principalmente, pelas imagens de MEV-FEG. Os filmes LS do P3HT apresentaram anisotropia ótica, permitindo inferir o tipo de orientação das moléculas tanto nos filmes de Langmuir como LS. A incorporação das nanopartículas de ouro no filme influencia na orientação do P3HT, bem como no processo fotodegradativo. Esses filmes foram utilizados em testes de sensibilidade para vapores de compostos orgânicos e água através de medidas de absorção da luz visível. Os filmes apresentaram sensibilidade apenas para três dos solventes testados: tolueno, THF e clorofórmio. Os filmes de P3HT apresentam comportamento eletrocrômico, e esse efeito pode ser observado através da aplicação de potencial por voltametria cíclica durante o registro do espectro de absorção no visível dos filmes. Comportamento eletrocrômico similar foi observado em todos os filmes LS, os quais apresentaram reversibilidade da cor inicial somente com a passagem do potencial inverso ou após certo tempo, o que não se observou para os filmes spin-coating, que apresentou recuperação da cor imediatamente após o potencial ser interrompido. Esse fato indica que o maior ordenamento dos filmes LS mantém a dopagem do filme por mais tempo, e que a presença das nanopartículas de ouro não altera essa propriedade. / The main aim of this doctorate work was the preparation of hybrid materials formed from the union of gold nanoparticles with the polymer poly (3-hexylthiophene) (P3HT). The hybrid material was obtained through the production of Langmuir and Langmuir-Schaefer (LS) films. Gold nanoparticles were synthesized in aqueous phase (AuNp) using the Turkvich method and encapsulated with 1-Octadecanethiol (AuNpOctathiol) with solubility in chloroform. The AuNp were used in the subphase of a Langmuir trough and the P3HT was spread at the air/water interface. When the Langmuir film was transferred, forming the Langmuir-Schaefer films (horizontal deposition), it was possible to get a hybrid material containing AuNp and P3HT. The AuNpOctathiol were used for the preparation of hybrid LS films through the spreading of a solution containing a mixture of P3HT and AuNpOctathiol with different proportions. The presence of gold nanoparticles has been demonstrated mainly by FEG-SEM images. The LS films of P3HT showed optical anisotropy, allowing to infer the type of orientation of the molecules in both Langmuir and LS films. The incorporation of gold nanoparticle in the film influenced the orientation of P3HT, as well as the process of photodegradation of LS films. These films were used in sensitivity tests for vapor of volatile organic compounds and water through measurements of visible light. The films showed sensitivity only for three of the tested compounds: toluene, THF and chloroform. P3HT films exhibited electrochromic behavior and this effect can be observed by applying potential through cyclic voltammetry during the registration of the absorption in the visible spectrum of the film. A similar Electrochromic behavior was observed in all LS films, showing reversibility of the initial color only with the passage of the reverse potential, or after a certain time. Such behavior was not observed in Spin-coating films, which showed recovery of the color immediately after stopping the potential. This fact indicates not only that greater order of LS films maintains the film doping, but also the presence of gold nanoparticles does not change this property.

Monocamadas insolúveis localizadas sobre a superfície de um líquido são sistemas conhecidos e estudados há mais de 100 anos. Elas são formadas quando moléculas anfifílicas são depositadas sobre algum solvente em condições especiais. Quando sofrem compressão isotérmica, tais sistemas exibem um comportamento muito complexo podendo sofrer várias transições de fase nesse processo. Embora, com o surgimento na década de 1990 de técnicas experimentais que proporcionaram um maior ?insight? no entendimento das referidas transições, há muitas questões que permanecem em aberto, principalmente no que diz respeito à influência exercida: pelas conformações intramoleculares; pelas interações entre as moléculas anfifílicas; pelas interações entre as moléculas anfifílicas e as moléculas do solvente sobre as referidas transições. Para ajudar a preencher esta lacuna são necessários modelos moleculares que auxiliem a obtenção da resposta destas questões. É neste contexto que se insere este trabalho, onde três diferentes modelos de campo médio são empregados a fim de se descrever o comportamento das transições de fase sofridas pelas monocamadas no que se refere aos aspectos acima mencionados. Cada modelo é diferente no que diz respeito ao comportamento das caudas hidrofóbicas erguidas em direção ao ar. O emprego de tais modelos proporcionou, em linhas gerais, um melhor entendimento das transições de fase nestes sistemas. / Insoluble monolayers lying on a liquid surface are known for about one century. They are formed when amphiphilic molecules are deposited on some solvent under special conditions. Under isothermal compression, these systems may exhibit a complex behavior suffering several phase transitions. Although with recent experimental development on the area new insights on the phase transitions were obtained, many questions remain unanswered. Some of these questions are related with the influence of some variables like the intramolecular conformations and the interaction between the amphiphilic molecules and the solvent molecules. In order to fill this gap molecular models are a useful and valuable tool. So, it was employed three different mean-field models in order to describe phase transitions of the molecules. The difference between the models relies on the behavior of the hydrophobic tails lifted on the air. Such models proportioned some insight on the phase transitions of the system.

O intuito do desenvolvimento de biomateriais potencialmente aplicáveis como implantes de substituição óssea é sintetizar superfícies que induzam respostas biológicas positivas quando em contato com o tecido hospedeiro. Para isso, faz-se necessário não somente estudos de composição química, mas também é importante buscar compreender propriedades físicas e estruturais dos sistemas que estes materiais irão substituir. O osso natural é constituído por compostos orgânicos, especialmente proteínas como o colágeno, reforçado com minerais, tais como hidroxiapatita. O processo pelo qual ocorre a formação do componente inorgânico é chamado biomineralização. Uma maneira de introduzir macromoléculas em sistemas modelo para estudos de biomineralização é a formação de monocamadas Langmuir, que são camadas monomoleculares altamente organizadas de moléculas anfifílicas na interface líquido-ar. Essas monocamadas podem ser transferidas para suportes sólidos formando filmes de Langmuir-Blodgett. Neste estudo, foi investigado a incorporação de colágeno tipo-I em monocamadas insolúveis contendo os fosfolipídeos 1,2-dipalmitoil-sn-glicero-3-fosfatidilcolina (DPPC) ou ácido octadecilfosfônico (OPA), bem como a transferência dessas monocamadas para suportes de titânio por meio da técnica de Langmuir-Blodgett. Estes filmes foram utilizados como matrizes para o crescimento de hidroxiapatita biomimética após a exposição dos discos de titânio modificados a uma solução que simula a concentração de íons e pH do plasma sanguíneo humano. As amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia vibracional na região do infravermelho (FTIR) e difração de raios-X (DRX). A razão molar Ca/P foi determinada por espectroscopia de dispersão de energia de raios-X (EDX). Propriedades dos biomateriais como molhabilidade, rugosidade e energia livre de superfície também foram estudadas. A biocompatibilidade das amostras foi investigada in vitro utilizando-se ensaios de viabilidade de osteoblastos. O colágeno interage com os fosfolipídios na interface água/ar, como evidenciado pelas isotermas de pressão de superfície, obtidas na presença da proteína. Além disso, a estabilidade das monocamadas de Langmuir foi aumentada devido à presença de colágeno na subfase. A incorporação de colágeno e fosfolipídios em filmes Langmuir-Blodgett sobre as superfícies de titânio são fatores determinantes para a formação de filmes inorgânicos altamente organizado, contínuos e uniformes, compostos por nanopartículas de hidroxiapatita biomimética, semelhante à encontrada no osso natural. As modificações nas superfícies aumentaram a proliferação de osteoblasto no titânio indicando que este material não é tóxico a este tipo de célula. / The development potential of biomaterials for bone replacement is guided by the necessity to provide a surface that induces positive biological responses when the material is in contact with the host tissue. For this, it is necessary the study of the chemistry and surface composition and also to understand the physical properties and the structural organization of the natural system which is in contact with the biomaterial. Natural bone is composed by organic compounds, especially protein like collagen, reinforced with minerals, such as hydroxyapatite. The process by which the formation of the inorganic component takes place is named biomineralization. One way to introduce macromolecules in model systems for biomineralization studies is the formation of Langmuir monolayers, which are highly organized monomolecular layers of amphiphilic molecules adsorved at the liquid-air interface. These monolayers can be transferred to solid substrate to form the Langmuir-Blodgett films. In this study, it was investigated the incorporation of type-I collagen in insoluble Langmuir monolayers containing either 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphatidylcholine (DPPC) or octadecylphosphonic acid (OPA) and their transference to titanium supports using the Langmuir-Blodgett technique. These films were used as matrices to the growth of biomimetic hydroxyapatite by the exposure of the modified titanium discs to a solution that mimics the ions concentration and pH of the human blood plasma. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), vibrational spectroscopy in the infrared region (FTIR), and X-ray diffraction (XRD). The Ca/P molar ratio was determined by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The properties of the biomaterials as wettability, roughness, and surface free energy were also studied. The biocompatibility of the samples was studied in vitro using osteoblasts viability assays. The collagen interacts with the phospholipids at air/water interface as evidenced by the pressure surface-surface area isotherms obtained in the presence of the protein. Moreover, the stability of the Langmuir monolayers was increased when collagen is present at the subphase. The incorporation of collagen and phospholipids on the titanium surfaces is important to the formation of organized, continuous and uniform inorganic films composed by biomimetic hydroxyapatite nanoparticles, similar to that found in the natural bone. These films are not toxic to osteoblasts as evidenced by the stimulation of their proliferation on the titanium-modified samples.

Filmes de Langmuir de fosfolipídios e ácidos graxos foram caracterizados através de medidas de pressão e potencial de superfície e condutância lateral. O objetivo principal foi o de se fazer um estudo crítico de artigos apresentados na literatura, os quais trazem interpretações errôneas para resultados do potencial de superfície, sugerem a heterogeneidade dos filmes, ou a inexistência do aumento da condutância devido a compressão de um filme de Langmuir. Comprovamos, inicialmente, a homogeneidade macroscópica dos filmes de ácidos graxos e fosfolipídios, medindo-se o potencial com a prova de Kelvin em três posições diferentes. Nenhuma alteração significativa foi registrada. O potencial e a pressão de superfície são nulos para grandes áreas por molécula, sendo que o potencial só se torna não nulo após um aumento abrupto, que ocorre a uma certa área critica. Estes resultados, juntamente com a ausência de histerese nas medidas de pressão e potencial de superfície nos ciclos de compressão-expansão, denotam a inexistência de agregados de dimensões macroscópicas. Eles contradizem, entretanto, a asserção de alguns pesquisadores na ultima conferencia de filmes Langmuir-Blodgett, de que a presença de domínios microscópicos nos filmes de Langmuir deveria afetar os resultados do potencial de superfície. Podemos concluir, portanto, que quaisquer irreprodutibilidades do potencial de superfície para grandes áreas por molécula devem ser atribuídas a impurezas do sistema de medidas, principalmente da subfase. As medidas de condutância foram realizadas diretamente, medindo-se a corrente entre dois eletrodos de platina parcialmente imersos na subfase. Para grandes áreas por molécula, a condutância medida é devido a condutividade de volume da água ultrapura, mas quando o filme e comprimido para áreas menores do que uma certa área critica (a mesma na qual e observado o aumento abrupto do potencial), a condutância sobe ate a pressão de superfície começar a subir, atingindo valores da ordem de 10-8s acima da condutância da subfase. Foram realizadas medidas para um fosfolipídio e um fosfato. Com isso, corroboramos os resultados de condutância, da mesma ordem de grandeza, obtidos em Bangor, no Reino Unido, ao mesmo tempo que são refutadas as observações feitas por grupos de pesquisa dos Estados Unidos e da Rússia. As possíveis causas para a não observação da condutância por esses últimos grupos podem ser o efeito do menisco - queda da área imersa dos eletrodos quando do aumento da pressão de superfície - que mascara o aumento da condutância, ou artefatos experimentais, tais como impurezas na subfase / Langmuir films from phospholipids and fatty acids were characterized using surface pressure, surface potential and lateral conductance measurements. The main aim of this project was to undertake a critical study of articles published in the literature which present erroneous interpretations for surface potential results, suggest non-homogeneity of Langmuir films, or rule out the possible increase in conductance upon the compression of a monolayer. First, we demonstrate that phospholipids and fatty acid mono layers are homogeneous at the macroscopic level, by measuring their surface potential with the Kelvin probe on three different positions. No significant difference was observed. The surface potential and surface pressure is zero for large areas per molecule, and the surface potential only becomes non-zero when an abrupt increase takes place at a given critical area. Together with the absence of hysteresis in the surface pressure and surface potential measurements in the compression-expansion cycles, these results indicate the absence of aggregates (or islands) of macroscopic dimensions. They contradict, however, the opinion of some authors at the last Conference on Langmuir-Blodgett Films, who took the view that the presence of micro domains on Langmuir monolayers should affect the surface potential measurements. We can conclude, therefore, that any non-reproducibility of surface potentials at large areas per molecule must be attributed to impurities in the system, especially in the sub-phase. The lateral conductance measurements were performed by measuring the current between two platinum electrodes, which were partially immersed into the sub-phase. For large areas per molecule, the conductance is due to the bulk conductivity of ultra pure water, but when the monolayer was compressed below a given critical area (the same in which a sharp increase in surface potential was observed), the conductance increases until the surface pressure starts to rise, reaching values of the order of 10-8s above the water conductance. Measurements were taken for one phospholipids and one phosphate. This corroborates the results published by the Bangor Group (UK), at the same time that observations made by an American Group and a Russian Group is contradicted. The possible causes for these groups being unable to observe the increase in conductance can be the meniscus effect caused by the decrease of the electrodes immersed area when the pressure rises - which overrun the conductance increase, and/or experimental artifacts, possibly caused by impurities in the sub-phase

O estudo das propriedades das membranas celulares, assim como sua interação com íons e moléculas é de fundamental importância para o entendimento de processos biológicos complexos, como a formação do tecido ósseo. O osso natural é constituído por compostos orgânicos, especialmente proteínas como o colágeno, e por minerais, como a hidroxiapatita. O processo pelo qual ocorre a formação do componente inorgânico é chamado de biomineralização, um processo complexo mediado pela liberação de vesículas da matriz (VM), secretadas em locais específicos a partir de osteoblastos. Essas VM são ricas nas principais biomoléculas envolvidas nesse processo, como as proteínas anexina, em especial a anexina V (AnxA5), que exercem papel importante como, formação de canais de cálcio e ligação com o colágeno, criando assim um microambiente adequado para a formação inicial e propagação dos cristais de hidroxiapatita a partir de fibrilas de colágeno. No presente estudo foi possível incorporar colágeno e AnxA5 em sistemas modelo para estudos de biomineralização, utilizando-se monocamadas de Langmuir e os filmes Langmuir-Blodgett (LB). As monocamadas foram formadas com os principais grupos carregados de lipídios encontrados nas VM: fosfatidilcolina (PC) e fosfatidilserina (PS). As monocamadas formadas por lipídios, colágeno e AnxA5 foram depositadas sobre discos de titânio utilizando-se a técnica dos filmes LB. Os filmes formados foram expostos a uma solução que simula o pH e força iônica do fluido corpóreo, de maneira a mimetizar a precipitação de hidroxiapatita. As amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia vibracional na região do infravermelho (FTIR) e difração de raios X (EDX). Além disso, estudou-se as propriedades de molhabilidade e energia livre de superfície das amostras de titânio modificadas. Colágeno e AnxA5 interagiram com os lipídios, como mostrado nas isotermas. Interação preferencial foi observada no sistema binário contendo DPPC e DPPS e na presença de íons cálcio, como ocorre nos sistemas naturais. A presença das proteínas e dos fosfolipídios nos filmes LB sobre as superfícies de titânio foram essenciais para formação de nanopartículas de hidroxiapatita biomimética. / The study of the properties of cell membranes, as well as their interaction with ions and molecules, is of fundamental importance for the understanding of complex biological processes, such as the formation of bone tissue. The natural bone consists of organic compounds, especially proteins like collagen, and minerals, such as hydroxyapatite. The process which the formation of the inorganic component takes place is called biomineralization, a complex process mediated by the release of matrix vesicles (MV), secreted at specific sites from osteoblasts. These MVs are rich in the main biomolecules involved in this process, such as annexin proteins, especially annexin V (AnxA5), which play an important role as calcium channels formation and binding with collagen, thus creating a suitable microenvironment for formation initial and propagation of the hydroxyapatite crystals from collagen fibrils. In the present study, it was possible to incorporate collagen and AnxA5 into model systems for biomineralization studies using Langmuir monolayers and Langmuir-Blodgett (LB) films. The monolayers were formed with the main lipid groups found in MVs: phosphatidylcholine (PC) and phosphatidylserine (PS). The monolayers formed by lipids, collagen and AnxA5 were deposited on titanium plates using the LB film technique. The films were exposed to a solution that simulates the pH and ionic strength of the body fluid in order to mimic the precipitation of hydroxyapatite. The samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), infrared vibration spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD). In addition, the wettability and surface free energy properties of the modified titanium samples were studied. Collagen and AnxA5 interacted with lipids, as shown in the isotherms. Preferential interaction was observed in the binary system containing DPPC and DPPS and in the presence of calcium ions, as occurs in natural systems. The presence of the proteins and the phospholipids in the LB films on the titanium surfaces were essential for the formation of biomimetic hydroxyapatite nanoparticles.

A interação de várias substancias bioativas com monocamadas de fosfolipídios foi investigada usando isotermas de pressão e potencial de superfície, incluindo as drogas farmacológicas dipiridamol (DIP), clopromazina (CPZ) e trifluoperazina (TFP), além da melatonina (MEL) e o colesterol (COL). Os fosfolipídios empregados foram o zwiteriônico dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) e o aniônico dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) espalhados na superfície de água ultrapura, sendo que as monocamadas servem como modelo simples de membranas. A cooperatividade na interação entre fosfolipídios e moléculas com atividade biológica foi essencial para entender os acentuados efeitos na expansão (ou condensação) das monocamadas e as mudanças no momento de dipolo (até 10% de aumento na expansão em relação à monocamada do fosfolipídio puro para as misturas DIP/DPPC) que ocorreram a concentrações molares muito baixas entre 0,2-0,4% do DIP. Tais efeitos foram observados para todas as cinco substâncias investigadas, em todos os regimes de pressão. Nas altas concentrações, o comportamento da interação depende do tipo de mólecula e também de se a monocamada é de DPPC ou DPPG. Para o DPPC, as drogas farmacológicas foram expelidas da interface em vários graus a altas pressões, e existia um máximo de concentração da droga acima do qual ocorria a saturação, provavelmente porque as moléculas em excesso foram para a subfase. Essas concentrações críticas foram de 2% em mol para o DIP e a CPZ e de 5% em mol para a TFP. Para o DIP, em particular, os resultados das isotermas foram correlacionados com experimentos de espectroscopia de FTIR e microscopia de fluorescência \"in situ\", realizados por colaboradores, os quais permitiram a determinação de uma localização precisa da droga estudada. Não existe inserção do DIP na região da cauda hidrofóbica da monocamada do DPPC, com a interação ocorrendo com o grupo fosfato no zwiteríon, cujas pequenas mudanças na orientação induzidas pelo DIP levam a grandes mudanças no momento de dipolo. Como o DPPG está carregado negativamente sobre a superfície da água pura, não existe saturação nos efeitos de expansão com o aumento da concentração das drogas. O aumento do momento de dipolo efetivo na monocamada mista é atribuído a alterações na densidade de carga superficial pela adsorção da droga catiônica, que reduz a contribuição negativa do potencial da dupla camada, quando comparado com o da monocamada de DPPG puro. Os resultados do COL e a MEL devem ser considerados separadamente devido a sua natureza distinta, embora um comportamento cooperativo também tenha observado com grandes efeitos nas baixas concentrações. Tanto o COL como o MEL induzem mudanças na expansão das monocamadas de DPPC até a máxima concentração empregada, 20% molar. Para o COL foi observado um efeito de condensação a baixas concentrações, o qual foi seguido por uma expansão a altas concentrações, confirmando assim resultados prévios da literatura. Todas as monocamadas mistas COL/DPPG apresentavam-se expandidas, também confirmando alguns resultados da literatura para lipídios (diferentes do DPPC) quando misturados com o COL. A interação da MEL com o DPPC foi essencialmente similar à do COL, apesar do fato de a MEL pura não formar monocamadas estáveis. Sua interação com o DPPG foi peculiar já que o efeito que esta induz satura a 5% em mol. Isto também difere do comportamento das drogas farmacológicas. A MEL é neutra em todos os pHs, portanto, sua intenção com as membranas modelo de DPPG e DPPC só pode ocorrer via dipolo. O mesmo se aplica ao colesterol, o que justifica as diferenças no comportameto destas duas moléculas quando comparadas com as drogas (DIP, CPZ, TFP), que são carregadas sobre a água pura, nas misturas com os dois fosfolipídios (DPPG e DPPC). / The interaction of various bioactive substances with phospholipids monolayers has been investigated using surface pressure and surface potential isotherms, which include the pharmaceutical drugs dipyridamole (DIP), chlorpromazine (CPZ) and trifluoperazine (TFP), in addition to melatonin (MEL) and cholesterol (COL). The phospholipids employed were the zwitterionic dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) and the anionic dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) spread onto ultra pure water surfaces, where the monolayers served as simple model membrane systems. Cooperativity in the interaction between phospholipid and bioactive molecules was essential to account for the large effects of expansion (up to 10% increase in area in relation to the pure phospholipid monolayer for the DIP/DPPC mixture) of the monolayers and changes in dipole moment, which occurred at very low concentrations, e.g. 0.2 - 0.4 mol% of the substance. Such large effects were observed for all 5 substances investigated, at all surface pressure regimes. At higher concentrations, the interaction behavior depended on the type of molecule and also on whether the host monolayer was DPPC or DPPG. For DPPC, the pharmaceutical drugs were expelled at varying degrees from the interface at high surface pressures, and there was a maximum drug concentration above which the effects saturated, probably because the molecules in excess were lost to the subphase. These critical concentrations were 2mol% for DIP and CPZ and 5mol% for TFP. For DIP, in particular, the results from isotherm were correlated with in situ FTIR spectroscopy and fluorescent microscopy experiments, carried out by collaborators, which allowed the precise location of the drug to be determined. There is no insertion of DIP into the hydrophobic tail region of the DPPC monolayer, with interaction taking place with the phosphate group in the zwitterion, whose small changes in orientation induced by DIP lead to the large changes in dipole moment. Because DPPG is negatively charged on a pure water surface monolayer, there is no saturation of the expansion effects with the increase in drug concentration. The increase in the effective dipole moment of the mixed monolayers are attributed to alterations in the surface charge density by adsorption of the cationic drugs, which then reduces the negative contribution of the double-layer potential as compared to the pure DPPG monolayer. The results for COL and MEL must be considered separately owing to their distinct nature, even though a cooperative behavior was also observed with large effects at low concentrations. Both COL and MEL induce changes in the DPPC monolayers up to the highest concentration employed, viz. 20mol%. For COL, a condensation effect was observed at low concentrations, which was followed by monolayer expansion at high concentrations, thus confirming previous results in the literature. All COL/DPPG monolayers were more expanded than pure DPPG, also confirming previous results from the literature. While the interaction of MEL with DPPC was essentially similar to that of COL, in spite of the fact that MEL does not form stable monolayers on its own, its interaction with DPPG was somewhat peculiar in that the effects it induced saturate at 5mol%. This also differs from the behavior of the pharmaceutical drugs. MEL is neutral over a wide range of pHs, and therefore its interaction with DPPC and DPPG monolayers must occur via dipole interaction. The same applies to COL, and this explains why the behavior of these two substances is different from the drugs (DIP, CPZ and TFP) that are charged on the water surface, in the interaction with DPPC and DPPG.

O objetivo principal deste trabalho de doutorado foi a confecção de materiais híbridos formados a partir da união de nanopartículas de ouro com o polímero poli(3-hexiltiofeno) (P3HT). Os materiais híbridos foram obtidos através da produção de filmes de Langmuir e Langmuir-Schaefer (LS). Nanopartículas de ouro foram sintetizadas em fase aquosa (NpAu), utilizando o método de Turkevich e também, encapsuladas com 1-Octadecanotiol (NpAuOctatiol), apresentando solubilidade em clorofórmio. As NpAu foram utilizadas na subfase de uma cuba de Langmuir e o P3HT espalhado na interface ar/água. Ao transferir o filme de Langmuir formado para um substrato sólido, na forma de filme de Langmuir-Schaefer (deposição horizontal) foi possível obter um material híbrido contendo NpAu e P3HT. As NpAuOctatiol foram utilizadas para preparação de filmes LS híbridos através do espalhamento de soluções contendo uma mistura de P3HT com NpAuOctatiol com diferentes proporções. A presença das nanopartículas de ouro foi comprovada, principalmente, pelas imagens de MEV-FEG. Os filmes LS do P3HT apresentaram anisotropia ótica, permitindo inferir o tipo de orientação das moléculas tanto nos filmes de Langmuir como LS. A incorporação das nanopartículas de ouro no filme influencia na orientação do P3HT, bem como no processo fotodegradativo. Esses filmes foram utilizados em testes de sensibilidade para vapores de compostos orgânicos e água através de medidas de absorção da luz visível. Os filmes apresentaram sensibilidade apenas para três dos solventes testados: tolueno, THF e clorofórmio. Os filmes de P3HT apresentam comportamento eletrocrômico, e esse efeito pode ser observado através da aplicação de potencial por voltametria cíclica durante o registro do espectro de absorção no visível dos filmes. Comportamento eletrocrômico similar foi observado em todos os filmes LS, os quais apresentaram reversibilidade da cor inicial somente com a passagem do potencial inverso ou após certo tempo, o que não se observou para os filmes spin-coating, que apresentou recuperação da cor imediatamente após o potencial ser interrompido. Esse fato indica que o maior ordenamento dos filmes LS mantém a dopagem do filme por mais tempo, e que a presença das nanopartículas de ouro não altera essa propriedade. / The main aim of this doctorate work was the preparation of hybrid materials formed from the union of gold nanoparticles with the polymer poly (3-hexylthiophene) (P3HT). The hybrid material was obtained through the production of Langmuir and Langmuir-Schaefer (LS) films. Gold nanoparticles were synthesized in aqueous phase (AuNp) using the Turkvich method and encapsulated with 1-Octadecanethiol (AuNpOctathiol) with solubility in chloroform. The AuNp were used in the subphase of a Langmuir trough and the P3HT was spread at the air/water interface. When the Langmuir film was transferred, forming the Langmuir-Schaefer films (horizontal deposition), it was possible to get a hybrid material containing AuNp and P3HT. The AuNpOctathiol were used for the preparation of hybrid LS films through the spreading of a solution containing a mixture of P3HT and AuNpOctathiol with different proportions. The presence of gold nanoparticles has been demonstrated mainly by FEG-SEM images. The LS films of P3HT showed optical anisotropy, allowing to infer the type of orientation of the molecules in both Langmuir and LS films. The incorporation of gold nanoparticle in the film influenced the orientation of P3HT, as well as the process of photodegradation of LS films. These films were used in sensitivity tests for vapor of volatile organic compounds and water through measurements of visible light. The films showed sensitivity only for three of the tested compounds: toluene, THF and chloroform. P3HT films exhibited electrochromic behavior and this effect can be observed by applying potential through cyclic voltammetry during the registration of the absorption in the visible spectrum of the film. A similar Electrochromic behavior was observed in all LS films, showing reversibility of the initial color only with the passage of the reverse potential, or after a certain time. Such behavior was not observed in Spin-coating films, which showed recovery of the color immediately after stopping the potential. This fact indicates not only that greater order of LS films maintains the film doping, but also the presence of gold nanoparticles does not change this property.

A interação de várias substancias bioativas com monocamadas de fosfolipídios foi investigada usando isotermas de pressão e potencial de superfície, incluindo as drogas farmacológicas dipiridamol (DIP), clopromazina (CPZ) e trifluoperazina (TFP), além da melatonina (MEL) e o colesterol (COL). Os fosfolipídios empregados foram o zwiteriônico dipalmitoil fosfatidil colina (DPPC) e o aniônico dipalmitoil fosfatidil glicerol (DPPG) espalhados na superfície de água ultrapura, sendo que as monocamadas servem como modelo simples de membranas. A cooperatividade na interação entre fosfolipídios e moléculas com atividade biológica foi essencial para entender os acentuados efeitos na expansão (ou condensação) das monocamadas e as mudanças no momento de dipolo (até 10% de aumento na expansão em relação à monocamada do fosfolipídio puro para as misturas DIP/DPPC) que ocorreram a concentrações molares muito baixas entre 0,2-0,4% do DIP. Tais efeitos foram observados para todas as cinco substâncias investigadas, em todos os regimes de pressão. Nas altas concentrações, o comportamento da interação depende do tipo de mólecula e também de se a monocamada é de DPPC ou DPPG. Para o DPPC, as drogas farmacológicas foram expelidas da interface em vários graus a altas pressões, e existia um máximo de concentração da droga acima do qual ocorria a saturação, provavelmente porque as moléculas em excesso foram para a subfase. Essas concentrações críticas foram de 2% em mol para o DIP e a CPZ e de 5% em mol para a TFP. Para o DIP, em particular, os resultados das isotermas foram correlacionados com experimentos de espectroscopia de FTIR e microscopia de fluorescência \"in situ\", realizados por colaboradores, os quais permitiram a determinação de uma localização precisa da droga estudada. Não existe inserção do DIP na região da cauda hidrofóbica da monocamada do DPPC, com a interação ocorrendo com o grupo fosfato no zwiteríon, cujas pequenas mudanças na orientação induzidas pelo DIP levam a grandes mudanças no momento de dipolo. Como o DPPG está carregado negativamente sobre a superfície da água pura, não existe saturação nos efeitos de expansão com o aumento da concentração das drogas. O aumento do momento de dipolo efetivo na monocamada mista é atribuído a alterações na densidade de carga superficial pela adsorção da droga catiônica, que reduz a contribuição negativa do potencial da dupla camada, quando comparado com o da monocamada de DPPG puro. Os resultados do COL e a MEL devem ser considerados separadamente devido a sua natureza distinta, embora um comportamento cooperativo também tenha observado com grandes efeitos nas baixas concentrações. Tanto o COL como o MEL induzem mudanças na expansão das monocamadas de DPPC até a máxima concentração empregada, 20% molar. Para o COL foi observado um efeito de condensação a baixas concentrações, o qual foi seguido por uma expansão a altas concentrações, confirmando assim resultados prévios da literatura. Todas as monocamadas mistas COL/DPPG apresentavam-se expandidas, também confirmando alguns resultados da literatura para lipídios (diferentes do DPPC) quando misturados com o COL. A interação da MEL com o DPPC foi essencialmente similar à do COL, apesar do fato de a MEL pura não formar monocamadas estáveis. Sua interação com o DPPG foi peculiar já que o efeito que esta induz satura a 5% em mol. Isto também difere do comportamento das drogas farmacológicas. A MEL é neutra em todos os pHs, portanto, sua intenção com as membranas modelo de DPPG e DPPC só pode ocorrer via dipolo. O mesmo se aplica ao colesterol, o que justifica as diferenças no comportameto destas duas moléculas quando comparadas com as drogas (DIP, CPZ, TFP), que são carregadas sobre a água pura, nas misturas com os dois fosfolipídios (DPPG e DPPC). / The interaction of various bioactive substances with phospholipids monolayers has been investigated using surface pressure and surface potential isotherms, which include the pharmaceutical drugs dipyridamole (DIP), chlorpromazine (CPZ) and trifluoperazine (TFP), in addition to melatonin (MEL) and cholesterol (COL). The phospholipids employed were the zwitterionic dipalmitoyl phosphatidyl choline (DPPC) and the anionic dipalmitoyl phosphatidyl glycerol (DPPG) spread onto ultra pure water surfaces, where the monolayers served as simple model membrane systems. Cooperativity in the interaction between phospholipid and bioactive molecules was essential to account for the large effects of expansion (up to 10% increase in area in relation to the pure phospholipid monolayer for the DIP/DPPC mixture) of the monolayers and changes in dipole moment, which occurred at very low concentrations, e.g. 0.2 - 0.4 mol% of the substance. Such large effects were observed for all 5 substances investigated, at all surface pressure regimes. At higher concentrations, the interaction behavior depended on the type of molecule and also on whether the host monolayer was DPPC or DPPG. For DPPC, the pharmaceutical drugs were expelled at varying degrees from the interface at high surface pressures, and there was a maximum drug concentration above which the effects saturated, probably because the molecules in excess were lost to the subphase. These critical concentrations were 2mol% for DIP and CPZ and 5mol% for TFP. For DIP, in particular, the results from isotherm were correlated with in situ FTIR spectroscopy and fluorescent microscopy experiments, carried out by collaborators, which allowed the precise location of the drug to be determined. There is no insertion of DIP into the hydrophobic tail region of the DPPC monolayer, with interaction taking place with the phosphate group in the zwitterion, whose small changes in orientation induced by DIP lead to the large changes in dipole moment. Because DPPG is negatively charged on a pure water surface monolayer, there is no saturation of the expansion effects with the increase in drug concentration. The increase in the effective dipole moment of the mixed monolayers are attributed to alterations in the surface charge density by adsorption of the cationic drugs, which then reduces the negative contribution of the double-layer potential as compared to the pure DPPG monolayer. The results for COL and MEL must be considered separately owing to their distinct nature, even though a cooperative behavior was also observed with large effects at low concentrations. Both COL and MEL induce changes in the DPPC monolayers up to the highest concentration employed, viz. 20mol%. For COL, a condensation effect was observed at low concentrations, which was followed by monolayer expansion at high concentrations, thus confirming previous results in the literature. All COL/DPPG monolayers were more expanded than pure DPPG, also confirming previous results from the literature. While the interaction of MEL with DPPC was essentially similar to that of COL, in spite of the fact that MEL does not form stable monolayers on its own, its interaction with DPPG was somewhat peculiar in that the effects it induced saturate at 5mol%. This also differs from the behavior of the pharmaceutical drugs. MEL is neutral over a wide range of pHs, and therefore its interaction with DPPC and DPPG monolayers must occur via dipole interaction. The same applies to COL, and this explains why the behavior of these two substances is different from the drugs (DIP, CPZ and TFP) that are charged on the water surface, in the interaction with DPPC and DPPG.