Because of its high sensitivity for light elements and the scattering contrast manipulation via isotopic substitutions, neutron reflectometry (NR) is an excellent tool for studying the structure of soft-condensed material. These materials include model biophysical systems as well as in situ living tissue at the solid–liquid interface. The penetrability of neutrons makes NR suitable for probing thin films with thicknesses of 5–5000 Å at various buried, for example, solid–liquid, interfaces [J. Daillant and A. Gibaud, Lect. Notes Phys. 770, 133 (2009); G. Fragneto-Cusani, J. Phys.: Condens. Matter 13, 4973 (2001); J. Penfold, Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 7, 139 (2002)]. Over the past two decades, NR has evolved to become a key tool in the characterization of biological and biomimetic thin films. In the current report, the authors would like to highlight some of our recent accomplishments in utilizing NR to study highly complex systems, including in-situ experiments. Such studies will result in a much better understanding of complex biological problems, have significant medical impact by suggesting innovative treatment, and advance the development of highly functionalized biomimetic materials.
References
1.
J.
Daillant
and A.
Gibaud
, Lect. Notes Phys.
770
, 133
(2009
).2.
G.
Fragneto-Cusani
, J. Phys.: Condens. Matter
13
, 4973
(2001
).3.
J.
Penfold
, Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
7
, 139
(2002
).4.
A. S.
Curtis
, J. Cell Biol.
20
, 199
(1964
).5.
D.
Gingell
and I.
Todd
, Biophys. J.
26
, 507
(1979
).6.
7.
M.
Schindl
, E.
Wallraff
, B.
Deubzer
, W.
Witke
, G.
Gerisch
, and E.
Sackmann
, Biophys. J.
68
, 1177
(1995
).8.
9.
D.
Braun
and P.
Fromherz
, Appl. Phys. A
65
, 341
(1997
).10.
D.
Braun
and P.
Fromherz
, Phys. Rev. Lett.
81
, 5241
(1998
).11.
R.
Parthasarathy
and J. T.
Groves
, Cell Biochem. Biophys.
41
, 391
(2004
).12.
D.
Axelrod
, J. Cell Biol.
89
, 141
(1981
).13.
J. S.
Burmeister
, L. A.
Olivier
, W. M.
Reichert
, and G. A.
Truskey
, Biomaterials
19
, 307
(1998
).14.
J. S.
Burmeister
, G. A.
Truskey
, and W. M.
Reichert
, J Microsc.
173
, 39
(1994
).15.
D.
Gingell
, I.
Todd
, and J.
Bailey
, J. Cell Biol.
100
, 1334
(1985
).16.
D. K.
Hoover
, E.-J.
Lee
, and M. N.
Yousaf
, Langmuir: ACS J. Surf. Colloids
25
, 2563
(2009
).17.
K.
Giebel
, C.
Bechinger
, S.
Herminghaus
, M.
Riedel
, P.
Leiderer
, U.
Weiland
, and M.
Bastmeyer
, Biophys. J.
76
, 509
(1999
).18.
A. W.
Peterson
, M.
Halter
, A.
Tona
, K.
Bhadriraju
, and A. L.
Plant
, BMC Cell Biol.
10
, 16
(2009
).19.
A. M.
Butt
, H. C.
Jones
, and N. J.
Abbott
, J. Physiol.
429
, 47
(1990
).20.
M. J.
Rutten
, R. L.
Hoover
, and M. J.
Karnovsky
, Brain Res.
425
, 301
(1987
).21.
P. A.
Vogel
, S. T.
Halpin
, R. S.
Martin
, and D. M.
Spence
, Anal. Chem.
83
, 4296
(2011
).22.
J.
Wegener
, M.
Sieber
, and H.-J.
Galla
, J. Biochem. Biophys. Methods
32
, 151
(1996
).23.
D. P.
Allison
, N. P.
Mortensen
, C. J.
Sullivan
, and M. J.
Doktycz
, Wiley Interdiscip. Rev.: Nanomed. Nanobiotechnol.
2
, 618
(2010
).24.
25.
D. J.
Müller
and Y. F.
Dufrêne
, Trends Cell Biol.
21
, 461
(2011
).26.
A.
Vinckier
and G.
Semenza
, FEBS Lett.
430
, 12
(1998
).27.
K.
Cheung
, S.
Gawad
, and P.
Renaud
, Cytometry, Part A
65A
, 124
(2005
).28.
J. E.
da Silva
, J. P. M.
de Sá
, and J.
Jossinet
, Med. Biol. Eng. Comput.
38
, 26
(2000
).29.
D. A.
Dean
, T.
Ramanathan
, D.
Machado
, and R.
Sundararajan
, J. Electrost.
66
, 165
(2008
).30.
S.
Krueger
, Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
6
, 111
(2001
).31.
J.
Majewski
, T. L.
Kuhl
, M. C.
Gerstenberg
, J. N.
Israelachvili
, and G. S.
Smith
, J. Phys. Chem. B
101
, 3122
(1997
).32.
I.
Burgess
, M.
Li
, S. L.
Horswell
, G.
Szymanski
, J.
Lipkowski
, J.
Majewski
, and S.
Satija
, Biophys. J.
86
, 1763
(2004
).33.
G.
Fragneto
, F.
Graner
, T.
Charitat
, P.
Dubos
, and E.
Bellet-Amalric
, Langmuir
16
, 4581
(2000
).34.
B. W.
Koenig
, S.
Krueger
, W. J.
Orts
, C. F.
Majkrzak
, N. F.
Berk
, J. V.
Silverton
, and K.
Gawrisch
, Langmuir
12
, 1343
(1996
).35.
S.
Krueger
, J. F.
Ankner
, S. K.
Satija
, C. F.
Majkrzak
, D.
Gurley
, and M.
Colombini
, Langmuir
11
, 3218
(1995
).36.
D. A.
Doshi
, A. M.
Dattelbaum
, E. B.
Watkins
, C. J.
Brinker
, B. I.
Swanson
, A. P.
Shreve
, A. N.
Parikh
, and J.
Majewski
, Langmuir: ACS J. Surf. Colloids
21
, 2865
(2005
).37.
A.
Junghans
and I.
Köper
, Langmuir
26
, 11035
(2010
).38.
H. L.
Smith
, M. S.
Jablin
, A.
Vidyasagar
, J.
Saiz
, E.
Watkins
, R.
Toomey
, A. J.
Hurd
, and J.
Majewski
, Phys. Rev. Lett.
102
, 228102
(2009
).39.
J.
Fitter
, T.
Gutberlet
, and J.
Katsaras
, Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications
(Springer-Verlag
, Berlin Heidelberg
, 2006
).40.
G.
Pabst
, N.
Kučerka
, M. P.
Nieh
, M. C.
Rheinstädter
, and J.
Katsaras
, Chem. Phys. Lipids
163
, 460
(2010
).41.
J.
Penfold
and R. K.
Thomas
, Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
19
, 198
(2014
).42.
H. P.
Wacklin
, Curr. Opin. Colloid Interface Sci.
15
, 445
(2010
).43.
C. J.
Garvey
, R. B.
Knott
, E.
Drabarek
, and P. W.
Kuchel
, Eur. Biophys. J.
33
, 589
(2004
).44.
A. M.
Stadler
, C. J.
Garvey
, A.
Bocahut
, S.
Sacquin-Mora
, I.
Digel
, G. J.
Schneider
, F.
Natali
, G. M.
Artmann
, and G.
Zaccai
, J. R. Soc. Interface
9
, 2845
(2012
).45.
A.
Junghans
, M. J.
Waltman
, H. L.
Smith
, L.
Pocivavsek
, N.
Zebda
, K.
Birukov
, M.
Viapiano
, and J.
Majewski
, Mod. Phys. Lett. B
28
, 1430015
(2014
).46.
L.
Pocivavsek
, A.
Junghans
, N.
Zebda
, K.
Birukov
, and J.
Majewski
, Am. J. Physiol.: Lung Cell. Mol. Physiol.
306
, L1
(2014
).47.
H. L.
Smith
, J.
Hickey
, M. S.
Jablin
, A.
Trujillo
, J. P.
Freyer
, and J.
Majewski
, Biophys. J.
98
, 793
(2010
).48.
P. S.
Swain
and D.
Andelman
, Langmuir
15
, 8902
(1999
).49.
J.
Raedler
, H.
Strey
, and E.
Sackmann
, Langmuir
11
, 4539
(1995
).50.
E. T.
Castellana
and P. S.
Cremer
, Surf. Sci. Rep.
61
, 429
(2006
).51.
E.
Sackmann
, Science
271
, 43
(1996
).52.
M.
Dubey
, M. S.
Jablin
, P.
Wang
, M.
Mocko
, and J.
Majewski
, Eur. Phys. J. Plus
126
, 110
(2011
).53.
J.
Als-Nielsen
, Phys. A: Stat. Mech. Appl.
140
, 376
(1986
).54.
J.
Penfold
and R. K.
Thomas
, J. Phys.: Condens. Matter
2
, 1369
(1990
).55.
A.
Nelson
, J. Appl. Crystallogr.
39
, 273
(2006
).56.
H. L.
Smith
, M. C.
Howland
, A. W.
Szmodis
, Q.
Li
, L. L.
Daemen
, A. N.
Parikh
, and J.
Majewski
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 3631
(2009
).57.
S. M.
Baker
, G. S.
Smith
, D. L.
Anastassopoulos
, C.
Toprakcioglu
, A. A.
Vradis
, and D. G.
Bucknall
, Macromolecules
33
, 1120
(2000
).58.
J.
Penfold
, E.
Staples
, I.
Tucker
, and G.
Fragnetto
, Phys. B: Condens. Matter
221
, 325
(1996
).59.
I.
Burgess
, M.
Li
, S. L.
Horswell
, G.
Szymanski
, J.
Lipkowski
, S.
Satija
, and J.
Majewski
, Colloids Surf. B – Biointerfaces
40
, 117
(2005
).60.
S.
Lecuyer
, G.
Fragneto
, and T.
Charitat
, Eur. Phys. J. E: Soft Matter Biol. Phys.
21
, 153
(2006
).61.
P.
Mansky
, J.
DeRouchey
, T. P.
Russell
, J.
Mays
, M.
Pitsikalis
, T.
Morkved
, and H.
Jaeger
, Macromolecules
31
, 4399
(1998
).62.
W. J.
Orts
, J. H.
van Zanten
, W.-L.
Wu
, and S. K.
Satija
, Phys. Rev. Lett.
71
, 867
(1993
).63.
R.
Steitz
, V.
Leiner
, K.
Tauer
, V.
Khrenov
, and R. v.
Klitzing
, Appl. Phys. A
74
, s519
(2002
).64.
J.
Generosi
, C.
Castellano
, D.
Pozzi
, A. C.
Castellano
, R.
Felici
, F.
Natali
, and G.
Fragneto
, J. Appl. Phys.
96
, 6839
(2004
).65.
M.
Lösche
, J.
Schmitt
, G.
Decher
, W. G.
Bouwman
, and K.
Kjaer
, Macromolecules
31
, 8893
(1998
).66.
S. W.
An
, R. K.
Thomas
, F. L.
Baines
, N. C.
Billingham
, S. P.
Armes
, and J.
Penfold
, J. Phys. Chem. B
102
, 5120
(1998
).67.
S.
Singh
, A.
Junghans
, J.
Tian
, M.
Dubey
, S.
Gnanakaran
, J.
Chlistunoff
, and J.
Majewski
, Soft Matter
9
, 8938
(2013
).68.
T. J.
Su
, J. R.
Lu
, R. K.
Thomas
, Z. F.
Cui
, and J.
Penfold
, Langmuir
14
, 438
(1998
).69.
70.
J. I.
Prydal
, P.
Artal
, H.
Woon
, and F. W.
Campbell
, Invest. Ophthalmol. Visual Sci.
33
, 2006
(1992
).71.
P. E.
King-Smith
, B. A.
Fink
, N.
Fogt
, K. K.
Nichols
, R. M.
Hill
, and G. S.
Wilson
, Invest. Ophthalmol. Visual Sci.
41
, 3348
(2000
).72.
A.
Heryudono
, R. J.
Braun
, T. A.
Driscoll
, K. L.
Maki
, L. P.
Cook
, and P. E.
King-Smith
, Math. Med. Biol.
24
, 347
(2007
).73.
H.
Lodish
, A.
Berk
, S. L.
Zipursky
, P.
Matsudaira
, D.
Baltimore
, and J.
Darnell
, Molecular Cell Biology
, 4th ed. (W. H. Freeman
, San Francisco
, 2000
).74.
I.
Langmuir
, J. Franklin Inst.
218
, 143
(1934
).75.
I.
Langmuir
and V. J.
Schaefer
, Chem. Rev.
24
, 181
(1939
).76.
R. K.
Iler
, J. Colloid Interface Sci.
21
, 569
(1966
).77.
G.
Decher
, Science
277
, 1232
(1997
).78.
J.
Schmitt
, T.
Gruenewald
, G.
Decher
, P. S.
Pershan
, K.
Kjaer
, and M.
Loesche
, Macromolecules
26
, 7058
(1993
).79.
H.
Ai
, S.
Jones
, and Y.
Lvov
, Cell Biochem. Biophys.
39
, 23
(2003
).80.
X.
Liu
and M. L.
Bruening
, Chem. Mater.
16
, 351
(2004
).81.
S.
Singh
and M.
McShane
, Biosens. Bioelctron.
25
, 1075
(2010
).82.
E. W.
Stein
, S.
Singh
, and M. J.
McShane
, Anal. Chem.
80
, 1408
(2008
).83.
S.
Singh
, A.
Junghans
, M. J.
Waltman
, A.
Nagy
, R.
Iyer
, and J.
Majewski
, Soft Matter
8
, 11484
(2012
).84.
H. T.
McMahon
and J. L.
Gallop
, Nature
438
, 590
(2005
).85.
E. B.
Watkins
, R. J.
El-khouri
, C. E.
Miller
, B. G.
Seaby
, J.
Majewski
, C. M.
Marques
, and T. L.
Kuhl
, Langmuir
27
, 13618
(2011
).86.
A. Hughes, RasCAL (2014), see http://sourceforge.net/projects/rscl/.
87.
S. A.
Holt
, A. P.
Le Brun
, C. F.
Majkrzak
, D. J.
McGillivray
, F.
Heinrich
, M.
Lösche
, and J. H.
Lakey
, Soft Matter
5
, 2576
(2009
).88.
89.
J. F.
Joanny
, Interface Sci.
11
, 157
(2003
).90.
M. S.
Jablin
, M.
Zhernenkov
, B. P.
Toperverg
, M.
Dubey
, H. L.
Smith
, A.
Vidyasagar
, R.
Toomey
, A. J.
Hurd
, and J.
Majewski
, Phys. Rev. Lett.
106
, 138101
(2011
).91.
L.
Gösta
and W. L.
Stephen
, Phys. Scr.
53
, 734
(1996
).92.
V.
Lauter-Pasyuk
, H. J.
Lauter
, G. P.
Gordeev
, P.
Müller-Buschbaum
, B. P.
Toperverg
, M.
Jernenkov
, and W.
Petry
, Langmuir
19
, 7783
(2003
).93.
B.
Alberts
, D.
Bray
, J.
Lewis
, M.
Ra
, K.
Roberts
, and J. D.
Watson
, Molecular Biology of the Cell
(Garland Publishing
, New York
, 1994
).94.
95.
Y.-T.
Shiu
, “Mechanical forces on cells
,” in The Biomedical Engineering Handbook: Tissue Engineering and Artificial Organs
, 3rd ed. (CRC Press Taylor & Francis Group, LLC
, Boca Raton, FL
, 2006
), pp. 33.31
–33.18
.96.
K. G.
Birukov
, A. A.
Birukova
, S. M.
Dudek
, A. D.
Verin
, M. T.
Crow
, X.
Zhan
, N.
DePaola
, and J. G. N.
Garcia
, Am. J. Respir. Cell Mol. Biol.
26
, 453
(2002
).97.
A. A.
Birukova
, S.
Chatchavalvanich
, A.
Rios
, K.
Kawkitinarong
, J. G. N.
Garcia
, and K. G.
Birukov
, Am. J. Pathol.
168
, 1749
(2006
).98.
K. G.
Birukov
, N.
Leitinger
, V. N.
Bochkov
, and J. G. N.
Garcia
, Microvas. Res.
67
, 18
(2004
).99.
B. V.
Howard
, E. J.
Macarak
, D.
Gunson
, and N. A.
Kefalides
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
73
, 2361
(1976
).100.
D. N.
Louis
, Annu. Rev. Pathol.: Mech. Dis.
1
, 97
(2006
).101.
M. S.
Viapiano
and S. E.
Lawler
, CNS Cancer: Models, Prognostic Factors and Targets
, edited by E.
Van Meir
(Humana
, NJ
, 2009
), pp. 1219
–1252
.102.
B.
Enegd
, J. A.
King
, S.
Stylli
, L.
Paradiso
, A. H.
Kaye
, and U.
Novak
, Neurosurgery
50
, 1311
(2002
).103.
W. A.
Hamilton
, P. D.
Butler
, S. M.
Baker
, G. S.
Smith
, J. B.
Hayter
, L. J.
Magid
, and R.
Pynn
, Phys. Rev. Lett.
72
, 2219
(1994
).104.
S. M.
Baker
, P. D.
Butler
, W. A.
Hamilton
, J. B.
Hayter
, and G. S.
Smith
, Rev. Sci. Instrum.
65
, 412
(1994
).© 2015 American Vacuum Society.
2015
American Vacuum Society
You do not currently have access to this content.
