Stability and aggregation kinetics of colloidal - ETH E

DISS. ETH NO. 20098
Stability and aggregation kinetics of colloidal systems:
Application to polymer colloids, proteins and peptides
A dissertation submitted to
ETH ZURICH
for the degree of
Doctor of Sciences
presented by
Paolo Arosio
Master of Science in Chemical Engineering,
Politecnico di Milano
Born on November 25, 1983
Citizen of Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. M. Morbidelli (ETH Zurich), examiner
Prof. Dr. R. Riek (ETH Zurich), co-examiner
Zurich 2011
Abstract
The stability behavior of several colloidal dispersions involved in a wide range of relevant
technological applications and biological systems is analyzed by combining experimental
characterization to modeling analysis. Aggregation kinetics and aggregate morphology are
investigated by light scattering, chromatography, microscopy and a series of biophysical
techniques, and the obtained results are modeled by means of population balance equations.
In the first part of the work, this approach is applied to the stability of polymer
particle dispersions and to polymerization kinetics in heterogeneous systems.
In the second part of the work, the analysis is extended to protein systems exhibiting
different aggregation mechanisms: reversible oligomerization, precipitation of amorphous
aggregates, and secondary fibril-fibril aggregation reactions. Different proteins with
increasing level of size and structure complexity are considered, ranging from short peptide
to globular multi-domain proteins.
For all the investigated systems, the combination of mathematical models with
experimental data provides mechanistic insights into the aggregation process as well as
quantitative analysis of the effect of key parameters on aggregation kinetics and aggregate
morphology.
The results indicate that mechanistic approaches, commonly applied in polymer and colloid
engineering, represent powerful tool to describe the behavior of more complex systems such
as proteins.
III
Sommario
La stabilita’ di dispersioni colloidali coinvolte in un ampio campo di sistemi biologici e
importanti applicazioni tecnologiche e’stata analizzata combinando caratterizzazione
sperimentale e analisi modellistica. Le cinetiche di aggregazione e la morfologia degli
aggregati sono stati studiati tramite “light scattering”, cromatografia, microscopia e una serie
di tecniche biofisiche, e i risultati ottenuti sono stati modellati tramite le equazioni di bilancio
di popolazione.
Nella prima parte del lavoro, questo approccio e’stato applicato allo studio di
stabilita’ di dispersioni di particelle polimeriche e di cinetiche di polimerizzazione in sistemi
eterogenei.
Nella seconda parte del lavoro, l’analisi e’stata estesa alla stabilita’ di proteine in
soluzione. Diversi meccanismi di aggregazione sono stati analizzati: formazione reversibile
di oligomeri, precipitazione di depositi amorfi e reazioni secondarie di aggregazione tra
fibrille. Sono state considerate diverse proteine con un livello crescence di dimensione e
complessita’ di struttura, estendendo il campo di ricerca da un corto peptide a complesse
proteine globulari a struttura modulare.
In tutti i sistemi studiati, la combinazione di modelli matematici e dati sperimentali ha
evidenziato nuovi aspetti meccanistici del proceso di aggregazione oltre a permettere
un’analisi quantitativa dell’effetto di parametri chiave sulle cinetiche di aggregazione e sulla
morfologia degli aggregati.
I risultati indicano che l’approccio meccanicistico, tradizionalmente applicato all’ingegneria
di polimeri e colloidi, e’ un efficace strumento anche per descrivere il comportamento di
sistemi piu’complessi, quali la stabilita’ di proteine in soluzione.
V