Resonance-Enhanced Force-Volume AFM-IR Implementation and Interpretation For Protein-Based Materials: A Study of Regenerated Silk Fibroin Films

Resumen

El objetivo de este estudio es explorar la capacidad del AFM-IR para caracterizar películas de fibroína de seda regenerada, de manera que los espectros obtenidos puedan compararse con los espectros típicos recolectados mediante técnicas de campo lejano. Adicionalmente, se examina empíricamente el impacto de los parámetros del AFM-IR y de las propiedades ópticas y térmicas del material sobre la ubicación de los picos espectrales y la profundidad de sondeo, comparando estos resultados con la literatura para clarificar mejor el mecanismo de transducción de señal y los efectos de la dispersión sobre la no linealidad de la señal.

Para ello, se recolectaron espectros ATR-FTIR y AFM-IR de películas de fibroína de seda regenerada, así como imágenes y espectros multiplexados por barrido de frecuencia de una cuña del mismo material. Los datos de barrido de frecuencia se utilizaron para establecer la profundidad de sondeo efectiva del AFM-IR como función de la frecuencia de pulso del láser. Los espectros de las muestras y la cuña se compararon posteriormente con asignaciones de picos reportadas en la literatura, con el fin de identificar las estructuras secundarias dominantes de la proteína a diferentes profundidades efectivas de sondeo.

Nuestros datos indican que la frecuencia de pulso del láser no modula eficazmente la profundidad de sondeo y que, en el caso de la fibroína de seda regenerada, dicha profundidad es al menos de 2.5 micrómetros. El análisis espectral reveló diferencias en la estructura secundaria proteica dominante entre la superficie y el volumen de las películas, e indica un proceso de envejecimiento inducido por la adsorción de moléculas de agua y la posterior alteración de las cadenas debido a la interacción con cadenas laterales hidrofóbicas.

Nuestros hallazgos indican que las películas de fibroína de seda regenerada presentan predominantemente estructura tipo Silk I en la zona cercana a la superficie, y también revelan la presencia de estructuras tipo turn no caracterizadas previamente en el interior del film, accesibles únicamente mediante AFM-IR, observadas en bandas acopladas a 1263 cm-1 y 1670 cm-1. Los resultados confirman el impacto de las propiedades térmicas de la muestra y del sustrato en la modulación de la intensidad de señal, lo que puede introducir artefactos espectrales.

Este trabajo amplía la comprensión fundamental de los factores físicos que determinan la intensidad y desplazamiento de los picos en AFM-IR, orienta futuros estudios sobre la influencia de la dispersión anómala en la posición de los picos IR, y revela cambios en la estructura proteica de películas de fibroína de seda regenerada a distintas profundidades, inducidos por la adsorción de agua.

Fecha de lectura	may. 2025
Idioma original	Inglés
Institución de lectura	Pennsylvania State University
Supervisor	Viviana M. Posada (Director) & Max Wetherington (Director)