The ability to design surfaces with reversible, high-affinity protein binding sites represents a significant step forward in the advancement of analytical methods for diverse biochemical and biomedical applications. Herein, we report a dynamic supramolecular strategy to directly assemble proteins on surfaces based on multivalent host–guest interactions. The host–guest interactions are achieved by one-step nanofabrication of a well-oriented β-cyclodextrin host-derived self-assembled monolayer on gold (β-CD-SAM) that forms specific inclusion complexes with hydrophobic amino acids located on the surface of the protein. Cytochrome c, insulin, α-chymotrypsin, and RNase A are used as model guest proteins. Surface plasmon resonance and static time-of-flight secondary ion mass spectrometry studies demonstrate that all four proteins interact with the β-CD-SAM in a specific manner via the hydrophobic amino acids on the surface of the protein. The β-CD-SAMs bind the proteins with high nanomolar to single-digit micromolar dissociation constants (KD). Importantly, while the proteins can be captured with high affinity, their release from the surface can be achieved under very mild conditions. Our results expose the great advantages of using a supramolecular approach for controlling protein immobilization, in which the strategy described herein provides unprecedented opportunities to create advanced bioanalytic and biosensor technologies.

Abstract A key goal for implanted medical devices is that they do not elicit a detrimental immune response. Macrophages play critical roles in modulation of the host immune response and are the major cells responsible for persistent inflammatory reactions to implanted biomaterials. We investigate two novel immune-instructive polymers that stimulate pro- or anti-inflammatory responses from macrophages in vitro . These also modulate in vivo foreign body responses (FBR) when implanted subcutaneously in mice as coatings on biomedical grade silicone rubber. The tissue surrounding the implant is mechanically sectioned and imaged to assess the response of the polymers compared to silicone rubber. Immunofluorescent staining reveals responses consistent with pro- or anti-inflammatory responses previously described for these polymers. We apply 3D OrbiSIMS analysis to provide spatial analysis of the metabolite signature in the tissue surrounding the implant for the first time, providing molecular histology insight into the metabolite response in the host tissue. For the pro-inflammatory coating, monoacylglycerols (MG) and diacylglycerols (DG) are observed at increased intensity, while for the anti-inflammatory coating the number of phospholipid species detected decrease and pyridine and pyrimidine levels were elevated. These findings link to observations of small molecule signature from single cell studies of M2 macrophages in vitro where cell and tissue ion intensities were found to correlate suggesting potential for prediction. This illustrates the power of metabolite characterization by the 3D OrbiSIMS to gain insight into the mechanism of bio-instructive materials as medical devices and to inform on the FBR to biomaterials.

Protein characterisation at surfaces currently requires digestion prior to either liquid extraction of the protein for mass spectrometry analysis or in situ matrix-assisted desorption/ionisation. Here, we show that direct assignment of individual proteins and mixtures at surfaces can be achieved by employing secondary ion mass spectrometry (SIMS) with gas cluster ion beam (GCIB) bombardment and an OrbitrapTM analyser. Potential applications of the method are illustrated by demonstrating imaging of a protein film masked by a gold grid and the analysis of a protein monolayer biochip.

Abstract Chemical signalling facilitates organismal communication and coordinates physiological and behavioural processes. In nematodes, chemical signalling has focused on secreted molecules leaving the surface’s communicative potential unexplored. Utilising 3D-OrbiSIMS surface-sensitive mass spectrometry, we directly characterise the molecular surface composition of Caenorhabditis elegans and Pristionchus pacificus . Their surfaces consist of a complex, lipid-dominated landscape with distinct developmental profiles and species-specific characteristics. These surface-anchored chemistries depend on the peroxisomal fatty acid β-oxidation component daf-22 and are essential for interaction-based behaviours including predation and kin-recognition. Specific lipid molecules identified as putative kin-recognition associated surface components include diglyceride (DG O-50:13), ceramide phosphate (CerP 41:1;O3), and hexosylceramide (HexCer 40:2;O3). Thus, we reveal the nematode surface is a dynamic signalling interface, pivotal for deciphering molecular mechanisms regulating development, identity and contact-dependent behaviour.

Microneedles (MNs) offer the potential for discrete and painless transdermal drug delivery, yet poor insertion and dosing consistency have hindered their clinical translation. Specifically, hollow MNs are appropriate for the administration of liquid modalities, including insulin, which could prove to be beneficial for patients with type 1 diabetes mellitus. This work aimed to design and manufacture a hollow MN with an improved insertion and delivery profile suitable for insulin administration. Ex vivo insertion studies demonstrated that oscillation of MNs upon insertion into skin produced a favorable insertion profile, with reduced variation, compared to static MN insertion. Histological staining showed that this could be due to the repeated motion of the oscillating MN disrupting elastic fibers in the dermis. Additionally, permeation studies demonstrated that increased quantities of insulin were able to permeate the skin when oscillation was employed compared to static MN insertion. This study has shown that oscillation is a valuable tool in improving the transdermal delivery of insulin via a single hollow MN in vitro. Moving forward, in vivo studies should be completed to gain a fuller understanding of the benefits of the oscillation of MNs on transdermal drug delivery.