Protein-based materials, with their unique properties of combining high strength, while maintaining elasticity, and their inherent biocompatibility, hold immense potential for various applications. In order to harness these properties, we need to understand and control how protein building blocks come together to form hierarchically structured materials. Using critical thinking when combining different proteins may lead to advanced materials with synergistic effects that can tackle complex problems such as targeted drug delivery. This thesis presents an investigation into the behavior of some protein-based materials, specifically whey protein isolate nanofibrils, β-lactoglobulin peptide fragment assemblies, and recombinant spider silk microspheres.

In Paper I, the hierarchical assembly and packing behavior of whey protein nanofibrils were in situ investigated using a Liquid Bridge Induced Assembly setup and X-ray Scattering, along with Atomic Force Microscopy and Scanning Electron Microscopy. The results demonstrated that the alignment of straight and curved fibrils was affected by temperature and fibril size, providing insights into assembly dynamics for future material production.

In Paper II, the impact of nanoscale features of whey protein nanofibrils on the morphology of films was investigated. It was found that controlling fibril size and employing fast-drying protocols could manipulate macroscale features without sacrificing the functional properties of the nanofibrils.

In Paper III, the nanoscale morphology, molecular arrangement, and polymorphism of protein nanofibrils formed by a synthetic peptide fragment derived from β-lactoglobulin were examined. Β-lactoglobulin is the only nanofibril forming component in whey protein isolate. Results suggested that polymorphism stems from protofilament packing differences at the nanoscale, and a possible parallel steric zipper packing.

In Paper IV, the self-assembly behavior of a recombinant spider silk protein in physiological like buffer and with the addition of hyaluronic acid was explored. The self-assembled FN-silk microspheres demonstrated a fibrillar or porous mesostructure. 2D and 3D cell culture trials show that the microspheres could have potential applications in biomedicine.

Taken together, the acquired knowledge will contribute to our fundamental understanding of protein-based materials, especially those similar to PNF-based and recombinant spider silk-based materials and inform the design of improved and innovative materials in biomanufacturing, such as functional textiles and surface biofunctionalization.

Proteinbaserade material med sin unika kombination av styrka, elasticitet och biokompatibilitet har enorm potential för tillämpningar inom olika branscher. För att utnyttja dessa egenskaper måste vi förstå och kontrollera hur proteinbyggstenar sammanfogas för att bilda hierarkiskt strukturerade material. Samtidigt kan kombinationen av olika proteiner med kritiskt tänkande leda till avancerade material med synergistiska effekter som kan ta itu med komplexa problem som in vitro-vävnadsutveckling. Denna avhandling presenterar en undersökning av beteendet hos vissa proteinbaserade material, specifikt vassleproteinisolat (WPI) proteinnanofibriller (PNF), β-laktoglobulinprotein peptidfragmentförsamlingar och rekombinerade spindelsilkesmikrosfärer.

I Artikel I undersöktes den hierarkiska sammansättningen och packningsbeteendet hos WPI-nanofibrer med hjälp av en Liquid Bridge Induced Assembly (LBIA) uppställning. Resultaten visade att inriktningen av raka och böjda fibrer påverkades av temperatur och storlek vilket ger insikter i sammansättningsdynamiken för framtida materialproduktion. 

I Artikel II studerades effekten av WPI PNFs nanoskaliga funktioner på filmernas morfologi. Det visade sig att kontroll av fibrilstorlek och användning av snabbtorkningsprotokoll kunde manipulera makroskaliga funktioner utan att offra de funktionella egenskaperna hos PNF:erna.

I Artikel III undersöktes nanoskalig morfologi, molekylärt arrangemang och polymorfism hos PNF:er bildade av ett syntetiskt peptidfragment härstammande från β-laktoglobulinprotein (β-LG11–20). Resultaten tyder på att polymorfismen härrör från protofilament packningsdifferenser på nanoskalan. 

I Artikel IV utforskades självmonteringsbeteendet hos FN-silke i fysiologisk liknande buffert och i hyaluronsyralösning. FN-silkesmikrosfärerna visade en fibrillär eller porös mesostruktur, med potentiella tillämpningar inom optimering av cellkulturer och läkemedelsleverans.