H Βιομιμητική προσφέρei τη δυνατότητα της προσομοίωσης βιολογικών συστημάτων σε τεχνητές επιφάνειες, με επιθυμητές ιδιότητες. Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για την τεχνητή κατασκευή αυτών των επιφανειών.
Η παρούσα διατριβή αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο είναι η κατασκευή μικροδομημένων υποστρωμάτων πυριτίου μέσω ακτινοβόλησης με λέιζερ υπέρ-στενων παλμών, υπό διαφορετικές πειραματικές παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένης της πυκνότητας ενέργειας και το περιβάλλον ακτινοβολίας. Το δεύτερο μέρος είναι η κατασκευή των ιεραρχικών μικρο-νανο- δομημένων υποστρωμάτων. Αυτές περιλαμβάνουν μικρο-δομημένα υποστρώματα πυριτίου που είναι νανο-διακοσμημένα με σφαιρικά νανοσωματίδια χρυσού διαφόρων λειτουργιώκν ομάδων και μεγεθών. Τα νανοσωματίδια χρυσού έχουν συνδεθεί μέσω της χημείας σιλανίου. Και οι δύο τύποι υποστρωμάτων έχουν χαρακτηρίζονται σε σχέση με τη μορφολογία τους ,τις διαβροχικές και οπτικές τους ιδιότητες.
Όσον αφορά τις μικρο-δομημένες επιφάνειες, ο μορφολογικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι καθώς η πυκνότητα ενέργειας λέιζερ αυξάνει, αυξάνει και η τραχύτητα της επιφάνειας. Τα μικροδομημένα υποστρώματα εμφάνισαν δομές μικροκώνων ποικίλου ύψους και πυκνότητας. Πιο συγκεκριμένα, η πυκνότητα και το ύψος των μικρο-δομών (δηλαδή των μικρο-κώνων) μειωνόταν και αυξανόταν αντίστοιχα, με την αύξηση της πυκνότητας ενέργειας του λέιζερ. Η μελέτη της γωνίας επαφής κατέδειξε ότι καθώς η τραχύτητα της επιφάνειας αυξάνεται, τα υποστρώματα έγιναν πιο υδρόφοβα. Ο οπτικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι καθώς η επιφανειακή τραχύτητα αυξάνει, η ανακλαστικότητα μειώνεται, σε όλο το εύρος του μήκους κύματος (250-2500nm). Το στρώμα οξειδίου του πυριτίου σε επίπεδες επιφάνειες πυριτίου οδηγεί σε μείωση του συντελεστή ανάκλασης, σε αντίθεση με την περίπτωση των μικρο-δομημένων υποστρωμάτων, όπου το στρώμα οξειδίου του πυριτίου αύξησε την ανακλαστικότητα, στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα.
Όσον αφορά τις ιεραρχικά δομημένα υποστρώματα,η ανάλυση SEM επιβεβαίωσε την επιτυχή εναπόθεση των νανοσωματιδίων χρυσού στις μικρο-δομημένες επιφάνειες πυριτίου. Η εναπόθεση απέδωσε μια ομοιογενή κατανομή νανοσωματιδίων με ορισμένες περιοχές μικρών συστάδων. Όλοι οι τύποι των νανοσωματιδίων χρυσού που δοκιμάστηκαν, και τα οποία φέρουν ποικίλες λειτουργικότητες (π.χ. ολιγοπεπτίδια, συμπεριλαμβανομένων των CALNN και CALNN-RGD και οργανικές ενώσεις, συμπεριλαμβανομένου του κιτρικού σταθεροποιητή και DMAP) έχουν επιτυχώς συνδεθεί επί των μικροδομημένων επιφανειών των υποστρωμάτων πυριτίου. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα νανοσωματίδια χρυσού μπόρεσαν να καλύψουν όλη την επιφάνεια των τριασδιάστατων μικροδομημένων υποστρωμάτων δίνοντας μια κατανομή η οποία ήταν συγκρίσιμη με εκείνη για τα επίπεδα υποστρώματα πυριτίου. Η μελέτη της γωνίας επαφής κατέδειξε ότι τα αρχικά υδρόφοβα μικροδομημένα υποστρώματα πυριτίου έγιναν πιο υδρόφιλα με την προσθήκη νανοσωματιδίων χρυσού. Ο οπτικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι τα νανοσωματίδια χρυσού έχουν την τάση να μειώνουν την ανακλαστικότητα του οξειδωμένου μικρο-δομημένου υποστρώματος πυριτίου.
Τέλος, τόσο οι μικροδομημένες οσο και οι ιεραρχικές επιφάνειες μικρο-νανο-τραχύτητας έχουν χαρακτηριστεί ως υποστρώματα κυτταρικής καλλιέργειας για την ανάπτυξη των νευρικών βλαστικών κυττάρων. Στην περίπτωση των μικρο-δομημένων υποστρώματα, δείχθηκε ότι η μεγαλύτερη πλειοψηφία των κυττάρων συνδέονται κατά προτίμηση στα υποστρώματα μεσαίας τραχύτητας. Αξιοσημείωτα, τα κύτταρα ευθυγραμμίζονται κατά μήκος του κύριου άξονα των μικροκώνων. Αυτή η κυτταρική αντίδραση ήταν πιο έντονη στα αντίστοιχα ιεραρχικά υποστρώματα που είχαν διακοσμηθεί με το μοτίβο RGD.
(EL)
Biomimetics offer the possibility of biological systems simulation on artificial surfaces, with desired properties. There are many attempts to fabricate artificially these surfaces.
The present thesis comprises two parts. The first one is the fabrication of micropatterned silicon substrates via ultra-short pulsed laser irradiation under different experimental parameters, including laser fluence and irradiation environment. The second part is the fabrication of hierarchical micro-nano-patterned substrates. These comprise micro-patterned silicon substrates which have been nano-decorated with spherical gold nanoparticles of various functionalities and sizes. Gold nanoparticles have been attached via silane chemistry. Both types of substrates have been characterized with respect to their morphological, wetting and optical properties.
Regarding the micropatterned substrates, the morphological characterization showed that as the laser fluence increased the roughness of the surface increased as well. Micropatterned substrates comprised microcones of varying height and density. Specifically, the density and the height of the micro-features (i.e. microcones) decreased and increased respectively, with increasing laser fluence. The study of the contact angle showed that as the surface roughness increased, the substrates became more hydrophobic. Optical characterization showed that as the surface roughness increases, the reflectivity decreased, across the range of wavelength (250-2500nm). The layer of silicon oxide on flat silicon substrates lead to reduction of the reflectance, in contrast with the case of micro-structured substrates, where silicon oxide layer increased the reflectivity, in near infrared spectrum.
Regarding the hierarchical micro-nano substrates, SEM analysis confirmed the successful deposition of the gold nanoparticles on the micropattenred silicon substrates. Deposition gave a homogenous distribution of single nanoparticles and some regions of small clusters. All types of the gold nanoparticles (NPs) being tested, which carried diverse functionalities (e.g. oligopeptides, including the CALNN and CALNN-RGD and organic moieties, including the stabilizer citrate and DMAP) have been successfully attached on the surfaces of the micropatterned silicon substrates. Remarkably, the NPs covered the whole 3D surface of the micropatterned substrates giving a distribution that was comparable to that on the flat silicon substrates. The study of the contact angle showed that the initially hydrophobic micropatterned silicon substrates became more hydrophilic with the addition of gold nanoparticles . Optical characterization showed that gold nanoparticles caused a reduction of the reflectivity of the oxidized micro-patterned silicon substrates.
Finally, both the micropatterned and the hierarchical micro-nano substrates have been characterized for their use as cell culture platfroms for the growth of neural stem cells. In the case of the micro-patterned substrates it was shown that the greater majority of the cells attached preferentially on the medium roughness surfaces. Remarkably, cells aligned along the major axis of the microcones. This cellular response was more pronounced in the respective hierarchical substrates which had been decorated with the RGD cell binding motif.
(EN)
