Universität zu Köln

Modification and Characterization of Potential Bioelectronic Interfaces

Greben, Kyrylo (2015) Modification and Characterization of Potential Bioelectronic Interfaces. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In this dissertation, planar biocompatible dielectric and metal surfaces, modified with self-assembling organic monolayers and functionalized gold nanoparticles are studied. In the field of bioelectronics, adhesion and guiding of cells (especially neurons) on a substrate is of great importance, and withal a hard challenge. Optimization and engineering of properties of a carrier (biocompatible inorganic substrates) can potentially improve the contact between cells and substrates, increase the survival rate of cells and improve the signal transfer. Nowadays it is clear, that the cell interacts with outer world via proteins, which, following the physical approach, interact with the surface via electrostatic interaction. Unfortunately, in aqueous environment, proteins responsible for the cell adhesion as well as most inorganic substrates bear a net negative surface charge that leads to an electrostatic repulsion and, consequently, impairs adhesion. The use of functionalized organic molecules or inorganic nanoparticles allows engineering the surface properties of various materials in order to facilitate the cell adhesion. Therefore, in this dissertation, planar biocompatible dielectric and metal surfaces modified subsequently with organic molecules, and functionalized gold nanoparticles are characterized via an optimized surface potential analysis in combination with other supporting techniques (e.g. ellipsometry, wetting angle and SEM). Additionally, a setup for the deposition of molecular monolayers, including in-situ cleaning and activation, accompanied by in-situ electronic analysis via capacitive and microwave measurements is developed and tested. During this work, the deposition and functionalization of AuNPs as well as a streaming potential/streaming current experiment for the analysis of the surface potential of the substrates and layers were improved and optimized. Using especially the time- and pH-dependent analysis of the zeta potential, we can analyze the various types of ‘simple’ (e.g. various biocompatible substrates, metallic layers, graphene) and complex (e.g. molecular monolayers, functionalized gold nanoparticles) interfaces and identify possible candidates for the modification of a given surface with respect to their surface potential (e.g. organic molecules with different functionalization). Finally, our extended analysis allows us to determine the stability of a given surface and monitor the change of the surface potential due to the engineering of a surface (e.g. via deposition of gold nanoparticles).

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In dieser Dissertation werden ebene, biokompatible dielektrische und metallische Oberflächen untersucht, die unter anderem mit selbstorganisierenden Monoschichten und funktionalisierten Gold-Nanopartikeln modifiziert werden. Die Adhäsion und die Führung von Zellen (namentlich Neuronen) auf Substraten sind wichtige, und herausfordernde Aspekte der Bioelektronik. Die Optimierung und Modifizierung der Substrateigenschaften kann den Kontakt zwischen Zellen und Oberflächen sowie die Signalübertragung und Überlebensrate der Zellen potentiell verbessern. Heutzutage ist klar, dass Zellen über Proteine mit der Umgebung wechselwirken. Im Rahmen physikalischer Betrachtung bedeutet dies eine elektrostatische Wechselwirkung. Allerdings sind die Proteine (die für die Zelladhäsion verantwortlich sind) und die Mehrheit der anorganischen Substrate in Wasserlösungen negativ geladen. Dies führt zu elektrostatischer Abstoßung und beeinträchtigt dementsprechend die Adhäsion. Die Benutzung funktionalisierter anorganischer Nanopartikel erlaubt die Modifizierung der Oberflächeneigenschaften verschiedener Materialien und verfeinert die Zelladhäsion. Darauf aufbauend sind in dieser Dissertation ebene, biokompatible dielektrische und metallische Oberflächen untersucht worden, die mit organischen Molekülen und funktionalisierten Gold Nanopartikeln modifiziert wurden. Als Messmethode diente eine optimierte Analyse des Oberflächenpotentials in Kombination mit unterschiedlichen Hilfsmethoden (z.B. Ellipsometrie, Wasser-Kontaktwinkelmessungen und Rasterelektronenmikroskopie). Außerdem wurde die Beschichtungsanlage für die molekularen Schichten, inklusive einer in-situ Reinigung und Aktivierung sowie einer elektronischen in-situ Analyse durch Kapazitiv- und Mikrowellenmessungen, entwickelt und getestet. Während dieser Arbeit sind die Beschichtungs- und Funktionalisierungsprozesse von Gold-Nanopartikeln sowie die Strömungspotential/Strömungsstrom Experimente für die Analyse des Oberflächenpotentials von Substraten und Schichten verbessert und optimiert worden. Mit Hilfe unserer pH- und zeitabhängigen Analyse des ζ Potentials, können wir die unterschiedlichen Typen „einfacher“ (z.B. verschiedene biokompatible Substrate, metallische Schichten, Graphen) und komplexer (z.B. Molekulare Schichten, funktionalisierte Gold Nanopartikel) Grenzflächen untersuchen. Für die Modifizierung von Oberflächen können wir außerdem die geeignetsten Kandidaten entsprechend ihrer Oberflächenladungen (z.B. organische Moleküle mit unterschiedlichen funktionalen Gruppen) bestimmen. Unsere weit gefächerte Analyse erlaubt die Stabilität der gegebenen Oberfläche zu bestimmen und die Veränderung des Oberflächenpotentials aufgrund von Oberflächenmodifizierungen (z.B. Beschichtung von Gold Nanopartikeln) zu überwachen.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Greben, Kyrylokirill.greben@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-60572
    Series Name: Schriften des Forschungszentrums Jülich: Reihe Schlüsseltechnologien
    Publisher: Forschungszentrum Jülich
    ISSN: 1866-1807
    ISBN: 978-3-95806-028-9
    Volume: 101
    Subjects: Generalities, Science
    Physics
    Chemistry and allied sciences
    Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Streaming current, streaming potential, zeta potential, isoelectric point, gold nanoparticles, APTES, 11-amino-1-undecanethiol, cell adhesion, surface chargeEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
    Language: English
    Date: March 2015
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 28 November 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 29 Apr 2015 11:43:02
    Referee
    NameAcademic Title
    Wördenweber, RogerProf. Dr.
    Maier, BerenikeProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6057

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