ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU

ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU KAN400480701 ZA ROK 2009
Podle stanoveného časového harmonogramu grantového projektu AV KAN400480701 byly v roce 2009
řešitelským týmem (složeným z ÚJF AV ČR Řež, FZÚ AV ČR Praha, FGÚ AV ČR Praha, ÚACH AV ČR Řež a
VŠCHT Praha) řešeny následující úkoly:
A1: Modifikace nanokompozitů fulleren/kov tepelným žíháním resp. ozářením svazky iontů a studium podmínek
vzniku a kinematiky fázových přechodů a spontánního procesu samoorganizace. Studium biokompatibility
modifikovaných nanokompozitů, studium adhese a růstu buněk (B2).
A2: Plnění vyleptaných latentních stop vybranými látkami. Studium biokompatibility, adhese a růstu buněk (B2).
A3: Příprava nanočástic iontovou implantací (i s použitím mikrosvazku) do dielektrik (syntetické polymery,
skla); tvorba nanočástic, migrace a koagulace precipitátu při tepelném žíhání a ozařování energetickým zářením
(ionty); stanovení podmínek pro vytváření uspořádaných nanostruktur vhodných pro aplikace v části B1 a B2.
A4: Příprava uspořádaných povrchových morfologií po ozáření ionty; kontrolovaná syntéza spontánně
organizovaných povrchových nanostruktur vytvořených ozářením nízkoenergetickými ionty. Příprava vhodných
nanostruktur pro aplikace v části B1 a B2.
B1: Studium biokompatibility uhlíkových nanostruktur na polymerech pro aplikace v medicíně (pěstování
kožního krytu, cévní protézy), sledování vlivu povrchových vlastností na adhezi a proliferaci buněk hladkého
svalstva a kožních buněk.
B2: Vypracování optimálních technik přípravy primokultur kostních buněk z kostí potkana. Vybrané výsledky
interakce buňka-materiál budou ověřeny v primokulturách či nízce pasážovaných kulturách získaných z
dlouhých kostí či lebek novorozených potkanu, přičemž budou použity statické i dynamické kultivační systémy.
B3: Charakterizace strukturních (Raman, XRD, neutronová difrakce), elektrických, optických (transmise, reflexe,
fototermální deflekce) a elektrochemických vlastností vrstev NCD včetně vrstev NCD s povrchovými
modifikacemi (iontovým mikrosvazkem). Použití modifikovaných (strukturovaných) povrchů substrátu ke studiu
adheze a růstu buněk, jejich dobu života (surfoval rate) a studium biokompatibility modifikovaných
diamantových povrchů.
C3: Modifikace karboranových monovrstev vytvořených na zlatých substrátech.
C4: Studium cílených biosyntéz a výstavbových procesu na upravených vrstvách substrátu.
Zpráva v následujícím informuje o nejdůležitějších vědeckých výsledcích a hospodaření jednotlivých týmů
za rok 2009 a o návrhu jejich postupu prací a financování na rok 2010. Získané výsledky svědčí o tom, že
jednotlivé týmy spoluřešitelů většinu plánovaných úkolů splnily.
ÚJF - Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež (Mgr. Jiří Vacík, CSc.)
ÚJF - Práce plánované na rok 2009
Na rok 2009 byla plánována:
příprava a charakterizace multikomponentních (binárních a vyšších) kompozitů na bázi fullerenů
(především C60 s vysokou čistotou) a tranzitních a vzácných kovů (případně dalších vybraných
prvků) deponovaných (alternativně resp. současně) na monokrystaly oxidů kovů, alkalických kovů,
případně dalších substrátů (úkol A1);
pokračování ve studiu přípravy latentních stop (vytvořených v syntetických polymerech
bombardováním ionty) a jejich leptání (optimalizace kinetiky leptání) a plněním vytvořených pórů
bioaktivními látkami (úkol A2).
modifikace polymerů, binárních kompozitů a dalších materiálů termálním žíhání a iontovým
ozařováním s cílem upravit jejich nanostrukturu tak, aby byly vhodnými substráty pro účely
tkáňového inženýrství (úkoly A3 a A4).
Z dosažených výsledků lze konstatovat, že většina úkolů plánovaných na rok 2009 byla splněna. Byly
připraveny nanostruktury na bázi fullerenů, fullerenů a kovů, pórů leptaných v polymerech aj., které byly využity
pro cílené studium biotolerantních rozhraní vhodných pro implantáty v tkáňovém inženýrství.
ÚJF - Výsledky dosažené v roce 2009
Ve třetím roce řešení grantového projektu byly provedeny některé inovace depozičních systémů (Univex a
MBE - Molecular Beam Epitaxy) spočívající v doplnění jejich vakuové diagnostiky a výměny a opravy
některých aktivních prvků (monitoru tlouštěk, elektronového děla aj.). Dále byl zahájen proces rekonstrukce
plasmatického zdroje iontů nízkých energií (tzv. duoplasmatron), který slouží jako zdroj intenzivních svazků
iontů velmi nízkých energií pro procesy odprašování a implantace. V rámci tohoto procesu byl navržen
magnetický separátor, který po dokončení umožní používat systém iontového zdroje jako implantátor
monoenergetických iontů v širokém rozsahu A (1 – 200) a po doplnění detekčními prvky i jako soustava LEIS
(Low Energy Ion Scattering), která je velmi zajímavá pro velmi přesná prvková a profilová měření v tenkých
povrchových vrstvách.
Úkoly, stanovené harmonogramem grantového projektu na rok 2009, byly realizovány na experimentálním
vybavení laboratoře. Tenké vrstvy hybridních kompozitů byly připravovány metodou alternativní depozice resp.
kodepozice kovů a fullerenů se zvolenou depoziční kinematikou. Pro postdepoziční tepelnou modifikaci
hybridních vrstev byla využita speciální vakuová komůrka s píckou umožňující žíhání vzorků do teplot až
1000ºC (s přesností jen několika málo stupňů) jak ve vysokém vakuu tak i v inertní atmosféře. Pro modifikaci
vrstev iontovými svazky (H –Au) byl využíván lineární urychlovač Tandetron v Laboratoři nukleárních
analytických metod v ÚJF Řež. Analýza strukturních a dalších parametrů hybridních vrstev byla prováděna
standardními metodami (RBS, RBS/Channeling, ERDA, NDP, Ramanova spektroskopie, SEM, TEM a
HRTEM) dostupnými v laboratořích řešitelského týmu (ÚJF-FZÚ-FGÚ-ÚACH-VŠCHT) grantového projektu.
V následujícím jsou uvedeny nejdůležitější experimentální výsledky získané v ÚJF v roce 2009.
a) Hybridizace a modifikace kompozitů Ni/C60
V práci [1] byla studována hybridizace a evoluce struktury kompozitů Ni+C60 v závislosti na teplotě žíhání
připravených vzorků. Tenké vrstvy Ni+C60 byly deponovány na monokrystal Si(001) při pokojové teplotě.
Ukázalo se, že vzorky Ni+C60 mají granulovanou strukturu s nanočásticemi Ni uzavřenými v polymerizované
slupce C60. Měření pomocí RBS potvrdilo homogenní rozdělení fází Ni a C se stabilním poměrem. V hlubších
vrstvách se však rozdělení fází a jejich poměr Ni/C významně změnily. Strukturní parametry závisely na teplotě
a délce žíhání. V povrchových vrstvách docházelo v důsledku procesů fázové separace k vytváření rozsáhlých
zón s vyšším obsahem Ni resp. C60, a k masivní fragmentaci molekul fullerenů (zvyšující se s rostoucí teplotou),
a k trasnformaci jejich fragmentů v amorfní uhlík (a-C). Dále byla studována distribuce volného prostoru (free
volume), který se ve stresované struktuře kompozitu přirozeně vytváří. Tato distribuce byla analyzována pomocí
‘markeru‘ Hg, který mohl při expozici par (zvýšené teplotě) nadifundovat do kompozitu. Měření pomocí RBS
ukázalo (viz obr. 1), že před žíháním kompozitu byla distribuce Hg podobná distribuci fáze C (C60). Při žíhání
však hloubkový profil Hg dramaticky propadl, zvláště v podpovrchové oblasti, což naznačuje významnou
redukci volného prostoru v této části kompozitu, zřejmě v důsledku vytváření kompaktních útvarů a-C.
RBS, 2.5 MeV α, 10 nA, 5 C
4
10
RT - Ni+C60/ Si as deposited
o
RT - Ni+C60/ Si annealed for 1 hr at 340 C
o
Counts per channel
3
10
RT - Ni+C60/ Si annealed for 1 hr at 450 C
simulated (by SIMNRA)
Ni
Si
Hg
2
10
1
10
Si bulk
0
10
300
400
500
600
700
800
900
Channels
Obr. 1. Spektra RBS kompozitu Ni+C60/Si(001) připraveného při pokojové teplotě
a žíhaného za přítomnosti par Hg při teplotách 340ºC a 450ºC.
b) Spontánní rozdělení fází v kompozitu Ni+ C60
V práci [2] byla pozorována samoorganizace tenké vrstvy kompozitů Ni+C60 deponovaných při pokojové
teplotě na monokrystal MgO(001). S pomocí metody MFM (Magnetic Force Microscopy) byla pozorována
periodická struktura magnetických domén, svědčící o skryté separaci zón s vyšším obsahem fází Ni resp. C60.
Pozorovaný efekt ukazuje na to, že i při pokojové teplotě depozice dochází u hybridních kompozitů typu Ni+C60
k fázovým separacím. Termální žíhání (1 hod, 500°C) vzorků s magnetickými doménami vede k dramatické
reorganizaci hybridní struktury, což ve svém důsledku způsobuje odstranění periodické struktury magnetických
domén. Tento fakt svědčí o termodynamické nestabilitě hybridní vrstvy, která může při zvýšených teplotách
iniciovat proces nepravidelné separace fází Ni a C60 a rozrušení samoorganizovaných útvarů.
c) Vliv iontového ozáření na termální vývoj hybridních systémů Ni-C60
V práci [3] byla analyzována reakce tenkých multivrstev kompozitů Ni/C60/Ni a Ni/a-C/Ni na termální žíhání.
Multivrstvy Ni/C60/Ni byly deponovány na MgO(001), multivrstvy Ni/a-C/Ni byly připraveny iontovým
ozářením Ni/C60/Ni (7 MeV C+, 1016 cm-2). Oba dva typy kompozitů byly postupně žíhány a charakterizovány
relevantními metodami. Výsledek analýz ukázal, že existuje významný rozdíl ve strukturách a jejích evolucí
(v důsledku termálního žíhání). U neozářeného vzorku Ni/C60/Ni docházelo při teplotách < 500ºC ke značnému
úniku fullerenů ze vzorku. Při teplotách ≥ 500ºC však již únik C60 nebyl pozorován vzhledem k masivní
fragmentaci molekul fullerenů. Při velmi vysokých teplotách se hybridní struktura změnila na soustavu
protáhlých nanoobjektů (tvořených nanokrystalky Ni jako jádry s povrchem a-C) a pravoúhlých jamek (kde dno
tvoří a-C), které náhodně vznikaly v matrici Ni-a-C. Ozářená struktura Ni/a-C/Ni se vyvíjela jiným způsobem:
termální žíhání < 500ºC mělo jen malý vliv na integritu a složení vzorku. Při vyšších teplotách však nastalo
intenzivní fázové rozdělování. Při nominální teplotě 1000ºC se vytvořila síť submikronových nanoobjektů
separovaných navzájem (obr. 2). Tyto nanoobjekty byly tvořeny (podobně jako u systému Ni/C60/Ni)
nanokrystalky Ni pokrytými tenkou vrstvou a-C. Hlavní krystalografické osy objektů byly orientovány paralelně
s krystalografickými osami substrátu MgO(001).
Obr. 2. Měření SEM kompozitu Ni/C60/Ni/MgO(100)
ozářeného ionty C+ s energií 7 MeV a fluencí 1016 cm-2 a žíhané při teplotě 1000ºC.
d) Sebeorganizace nanočástic při kopdepozici co a fullerenů
Tenké vrstvy nanokompozitů Co-C60 připravených simultánní depozicí Co a C60 při pokojové teplotě (RT) na
monokrystal safíru s vysokým obsahem Co (50 at.% Co) jsou tvořeny soubory fcc nanokrystalků Co (o velikosti
5-6 nm) separovaných matricí C60. Ukázalo se [4], že fázová separace ovlivňuje nanostrukturu kompozitů.
Jedním z efektů, který byl pozorován, je zachovávání atomů Co v matrici kompozitu. Analýza Ramanovských
specter svědčí o tvorbě polymerizovaných struktur s přítomností Co (Co-C60). Jiným pozorovaným jevem je
relaxace struktury uvolněním vnitřního napětí. Ramanovská spectra ukazují na pokles efektivity polymerizace
Co-C60 s rostoucí teplotou v rozmezí RT - 200 °C. Ukazuje se, že tento pokles je způsoben snížením obsahu
atomů Co v matrici v důsledku pokročilé separace fází. Termální žíhání kompozitů (připravených při RT) při
teplotě 300 °C po dobu 1 hod. způsobuje relaxaci struktury, v jejímž důsledku dochází ke konverzi fullerenů v
jednostěnné uhlíkové nanotrubičky (single-wall carbon nanotubes - SWNT) dopované atomy Co. Experiment
ukazuje, že difúze Co je dominantním procesem pro transformaci fullerenů a tvorbu nanotrubiček.
e) Příprava a vlastnosti hybridních kompozitů Ti a C60
V práci [5] byla studována struktura a biokompatibilita binárních kompozitů C60/Ti. Tenké vrstvy těchto
kompozitů s různým poměrem fází byly deponovány na monokrystal Si(001), resp. mikroskopická sklíčka ve
spojité i v mikrostrukturované morfologii. Kompozity vykazovaly nanogranulovanou strukturu s granulemi o
velikosti cca 50 nm. Měření pomocí metody RBS potvrdilo homogenní distribuci fází a také přítomnost kyslíku.
Měření Ramanových spekter (obr. 3) naznačilo, že dochází k polymerizaci fullerenové fáze kompozitu. Takto
připravené hybridní vrstvy byly osety kostními buňkami typu MG-63 a po dobu 7 dní byla sledována jejich
adheze a proliferace. Bylo zjištěno, že na kompozitech C60/Ti kostní buňky rostou a proliferují velmi dobře a lze
je tak považovat za vhodný materiál pro jejich použití v tkáňovém inženýrství. Vrstvy C60/Ti vykazovaly
podobnou úroveň biokompatibility jako kompozity složené z amorfního uhlíku a Ti, příznivější než samostatné
fullerenové (C60) vrstvy.
Obr. 3. Ramanova spektra kompozitu Ti+C60 s nízkým, středním a vysokým obsahem Ti.
f) Polymerizace tenké vrstvy fullerenů v důsledku ozáření klastry C60+
V práci [6] byla studována transformace tenkých vrstev fullerenů bombardovaných ionty klastrů C60+ s
energií 50 keV. Ramanova spektroskopie prokázala existenci nového píku 1458 cm-1, jehož intenzita se
zvyšovala s rostoucí fluencí iontových klastrů. Tento fakt naznačuje, že v důsledku bombardování iontovými
klastry dochází na povrchu fulleritu k lineární polymerizaci fullerenů (obr. 4). Pomocí metody AFM byly u
ozářeného fulleritu objeveny uspořádané lineární řetězce složené z 5-10 molekul C60. Profilová měření tloušťky
vzorku dále ukázala na významné odprašování ozářené vrstvy fulleritu. Podrobná analýza naznačuje, že
k zvýšené polymerizaci fullerenů dochází až v hloubce > 40 nm pod povrchem. Hluboké umístění
polymerizovaných fází fullerenů svědčí o dominantní roli šokových vln, které jsou důsledkem dopadu masivních
energetických klastrů C60+.
g) Modifikace nanostruktury vrstvy fullerenů ozářením klastry C60+
Podobně i v práci [7] byly iontové klastry C60+ s energií 50 keV použity pro modifikaci tenké struktury
fullerenů C60. Ukázalo se, že modifikace vrstvy je radiačně velmi citlivá a reaguje významně na fluenci
iontových klastrů. Bombardování klastry C60+ s fluencí menší než 25×1014 cm-2 vede k formování povrchových
nanoteček (nanodots), které zaujímají pyramidální tvar. Ramanovská analýza těchto vzorků ukázala zvýšení
kvality vrstvy fullerénů, což naznačuje, že při bombardování dochází k odstranění radikálů CxHy. Ozáření s
fluencí vyšší než 25×1014 cm-2 však aktivuje efektivní odprašování uhlíku z povrchu vrstvy fulleritu. Ozáření s
vysokou fluencí vede také k tvorbě protáhlých vzájemně vyrovnaných nanoobjektů. Ramanovská spektroskopie
a metoda AFM identifikovaly tyto nanoobjekty jako lineárně polymerizované fullerenové nanostruktury. Jejich
vznik a formování je zřejmě důsledkem šokové vlny způsobené dopadajícími iontovýmí klastry C60+.
Obr. 4. AFM morfologie tenké vrstvy fulleritu ozářené ionty C60 s energií 50 keV a fluencí 1.6 x 1016 cm-2.
h) Narušení krystalické struktury Si v důsledku bombardování ionty Au
Vedle plánovaného studia hybridních kompozitů byly zkoumány i jiné nanostruktury vytvořené v důsledku
implantace Au do Si [8]. V této práci byl monokrystal křemíku s orientací (111) a s tenkou vrstvou (250 nm)
SiO2 na povrchu ozařován ionty Au s energií 3.035 MeV v širokém rozsahu fluencí (1013 cm-2 - 1016 cm-2).
Charakterizace pomocí Ramanovské spektroskopie ukázala, že ve vrstvě SiO2 ozářené jen s malou fluencí <
5x1014 cm-2 se vytvářejí nanokrystalky křemíku (nc-Si). Implantace s vyššími fluencemi však způsobuje
amorfizaci vrstvy a tvorbu amorfní fáze křemíku (a-Si). Detailní analýza neuspořádanosti struktury Si byla
provedena na základě výpočtu ploch píků 1TA a 1TO. Závislost ploch těchto píků na fluenci ukázala na silnou
korelaci 1TA a 1TO s hloubkovými profily strukturních defektů v modifikované vrstvě.
i) Jev kvantového omezení u křemíku bombardovaného ionty Au
V další práci [9] byla studována fotoluminiscence nepravidelné struktury (disordered structure) Si(111)
připravené bombardováním monokrystalu Si energetickými ionty Au s různými fluencemi. Bombardování ionty
Au umožnila transformovat povrch Si(111) v zónu sestávající se z Si nanočástic (nanokrystalků) o velikosti < 2
nm emitujících při pokojové teplotě viditelné světlo. Analýza fotoluminiscenčních spekter ukázala, že pro nízké
fluence iontů Au < 5×1014 cm-2 dochází se zmenšující se velikostí nanočástic k modrému posunu (ve shodě s
modelem kvantového omezení - quantum confinement). Z analýzy modrého posunu vyplynulo, že nanočástice
emitují světlo zejména ve směru hlavní krystalografické osy <111> krystalu Si, podél které vzniká při
bombardování značné pnutí a deformace. Pro fluence v intervalu 1×1015 cm-2 - 5×1015 cm-2 bylo dále pozorováno,
že bombardování ionty Au způsobuje červený posun s výrazným nárůstem intensity emitovaného záření, pro
fluence > 5×1015 cm-2 pak dochází opět k modrému posunu. Oba tyto jevy (červený a modrý posuv) jsou dány
povrchovými defekty generovanými uvolněním napětí (stress relaxation), které způsobuje u nanokrystalů
delokalizaci vázaných stavů. Výsledky tohoto studia svědčí o tom, že při bombardování ionty Au vzniká pro
fluence < 5×1014 cm-2 (critical fluence) namísto amorfního uhlíku složitá nanostruktura tvořená nanočásticemi
(nanokrystalky) Si. Studium potvrdilo, že jev kvantového omezení hraje při fotoluminiscenci dominantní roli.
j) Strategie přípravy biosensorů
V práci [10] byla studována strategie přípravy biosensoru na základě jednostranně leptaných kónických
nukleárních pórů. Výzkum ukázal, že přítomnost určitých typů biomolekul v biokapalině může blokovat
průchodnost úzkých pórů, pokud tyto molekuly jsou zachycovány, což způsobuje změnu elektrické vodivosti
soustavy. Podobný efekt může mít v úzkých pórech i kumulace enzymatických reakčních produktů. To navozuje
myšlenku, že by bylo v principu možné využít nábojový přechod od enzymů k polovodičovým prvkům na
stěnách pórů a detekovat tak specifické reakce biomolekul. Tato nová strategie umožňuje připravovat logické
hybridní obvody, inteligentní autonomní biosensory a další elektronické struktury.
k) Studium difúze bóru ve fluoridech
Další analýza strukturních defektů byla provedena u monokrystalů MgF2 ozářených ionty B+ s energií 390
keV a fluencí 1016 cm-2 [11]. Ozářené vzorky byly postupně žíhány (isochronně resp. isotermálně) při teplotách
200ºC - 700ºC po dobu 2 – 100 hodin. Po každém žíhání byl vzorek analyzován metodou neutronového
hloubkového profilování (NDP), kdy byl zjišťován hloubkový profil B. Analýzy ukázaly, že až do teplot 400ºC
nedocházelo k výraznější migraci implantovaného bóru, při vyšších teplotách 600ºC však již došlo k uvolnění
atomů bóru z míst implantace a k jejich postupné difuzi pouze směrem k povrchu vzorku. Vznikl tak nečekaný
bimodální tvar distribuce bóru, který však zkolaboval při ještě vyšších teplotách (700ºC). Pozorovaný jev
ukazuje na vliv narušené struktury substrátu na proces difúze dopantů. V důsledku implantace B s vysokou
fluencí vznikly v povrchové oblasti vzorku radiační defekty, které se staly pro migrující atomy (saturovatelnými
resp. nesaturovatelnými) pastmi. Tyto pasti migrující atomy bóru přednostně zachytávaly, což se efektivně
projevovalo jako difúze B pouze směrem k povrchu vzorku.
ÚJF - Výsledky experimentálních aktivit v roce 2009
Články v impaktovaných časopisech
1. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, V. Vorlicek, and H. Naramoto, Hybridization and Modification of the
Ni/C60 Composites, AIP Conference Proceedings 1099 (2009) 553-556.
2. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, S. Yamamoto, V. Vorlicek, H. Stadler, Spontaneous partitioning of
the Ni+C60 thin film grown at RT, Journal of Alloys and Compounds 483 (2009) 374-377.
3. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, K. Narumi, Effect of ion irradiation on structure and
thermal evolution of the Ni-C60 hybrid systems, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,
přijato, v tisku.
4. V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, S. Sakai, Self-Assembling Hybrid Nanoparticles During Simultaneous
Deposition of Co and C60 on Sapphire, Journal of Nanoscience and nanotechnology 9 (2009) 4305-4310.
5. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, Fullerene (C60) – Transitional Metal (Ni, Co, Ti)
Composites - Synthesis and Structural Properties of the Thin Films, Diamond and Related Materials, in press,
doi:10.1016/j.diamond.2009.10.016.
6. V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi, Polymerization of solid C60 under C+60 cluster ion
bombardment, Appl. Phys. A95 (2009) 867–873.
7. V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi, Fullerene nanostructure design with cluster ion impacts,
Journal of Allys and Compounds 483 (2009) 479-483.
8. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlíček, V. Vosecek, Silicon disordering induced by gold ion implantation,
physics status solidi, přijato.
9. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlíček, Quantum confinement effects in silicon disordered by gold ion
implantation, zasláno do Physical Review Letters.
10. L. Alfonta, O. Bukelman, A. Chandra, W. R. Fahrner, D. Fink, D. Fuks, V. Golovanov, V.
Hnatowicz, K. Hoppe, A. Kiv, I. Klinkovich, M. Landau, J. R. Morante, N. V. Tkachenko, J. Vacik, M.
Valden, Strategies towards advanced ion track-based biosensors, Radiation Effects and Defects in Solids 164
(2009) 431-437.
11. J. Vacik, V. Hnatowicz, J. Cervena, S. Posta, U. Koster, and G. Pasold, On Boron Diffusion in MgF2, AIP
Conference Proceedings 1099 (2009) 836-839.
Konference
12. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, Free Volume Distribution Analysis of the Stressed Hybrid Films by
Profiling of the Hg and Li Diffusion Markers, Abstrakt Book (2009) p. 297, International Conference on
Diffusion in Solids and Liquids, Rome, 24-26.6.2009; přednáška.
13. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Juha, L. Bacakova, K. Narumi, Thin film composites based on
fullerenes and transitional metals, Book of Abstracts (2009) C2.2.19, International Conference
HybridMaterials 1, Tours, France, 15-19.3.2009; poster.
14. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, K. Narumi, Effect of ion irradiationon structure and
thermal evolution of the Ni-C60 hybrid system, Book of Abstracts (2009) Tu058, p. 237, International
Conference on Ion Beam Analysis (IBA 2009), Cambridge, 7.-11.9.2009; poster.
15. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, J. Subrt, H. Naramoto, Thermally Induced Evolution of the Hybrid
Composites Based on Transition Metals and Fullerenes, Book of Abstracts (2009), p. 225, 16th International
Symposium on Metastable, Amorphous and nanostructured Materials (ISMANAM 2009), Beijing, 5.9.7.2009; přednáška.
16. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, Fullerene (C60) - Transitional Metal (Ni, Co, Ti)
Composites – Synthesis and Structural Properties of the Thin Films, Abstract Book (2009) PB3.11, p. 50,
International Conference on New Diamond and Nano Carbon Conference (NDNC) 2009, Traverse City,
Michigan, 7-11 June, 2009; poster.
17. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, H. Naramoto, Metal-fullerene composite stress relaxation by energy
beam irradiation, Book of Abstracts (2009) PA16, p. 78, International Conference on Surface Modification
of Materials by Ion Beams (SMMIB 2009), Tokyo, 13.-18.9.2009; poster.
18. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlíček, V. Vosecek, Silicon disordering induced by gold ion implantation,
Book of Abstracts (2009) p. 106, International Conference Optics of Surfaces and Interfaces VIII, Ischias,
Italy, 7-11.9.2009; poster.
19. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, Free Volume Distribution Analysis of the Stressed Hybrid Films by
Profiling of the Hg and Li Diffusion Markers, Abstract Book (2009) p. 297, International Conference on
Diffusion in Solids and Liquids, Rome, 24-26.6.2009; přednáška.
Elektronické výstupy
20. Vědecká aktivita řešitelského týmu grantového projektu KAN400480701 je prezentována na stránkách
http://neutron.ujf.cas.cz/KAN400480701/KAN400480701-index.html.
FZÚ - Fyzikální ústav AV ČR Praha (Ing. František Fendrych, Ph.D.)
Řešitelský tým Fyzikálního ústavu AV ČR tvoří skupiny FZÚ Slovanka (Ing. F. Fendrych, Ph.D.) a FZÚ
Cukrovarnická (Ing. A. Kromka, PhD). Obě skupiny se zabývají přípravou nanokrystalických diamantových
vrstev, jejich modifikací a využitím v biologických studiích.
FZÚ - Práce plánované na rok 2009
Základním úkolem pro skupiny FZÚ bylo v roce 2009 studium strukturních, elektrických, optických a
elektrochemických vlastností připravovaných tenkých vrstev nanokrystalického diamantu NCD (včetně NCD s
povrchovými modifikacemi) a jejich použití pro studium biokompatibility, adheze a růstu buněk ve spolupráci
s týmem FGÚ.
FZÚ Slovanka - Výsledky dosažené v roce 2009
Práce na grantovém projektu navazovala na dokončení depozičního systému pro přípravu nanodiamantových
vrstev, který by umožnil depozice na velkoplošné substráty (Obr. 1). Snahou týmu bylo zprovoznit nové zařízení a
začít produkovat pro účely grantového projektu vlastní diamantové vrstvy (doposud byly získávány v jiných
laboratořích). V novém MW depozičním systému (využívajícím netradičně soustavu lineárních antén) byly v roce
2009 úspěšně připraveny první nanokrystalické diamantové vrstvy s vysokou kvalitou. Při testování vykazoval
vybudovaný depoziční systém vynikající parametry. V první etapě byla studována homogenita výboje a depozice
na křemíkové substráty velkých rozměrů. Po úsilí bylo docíleno homogenní depozice na velké plochy cca 6 inchů
(!), což podstatně převyšuje možnosti stávajících systémů používaných pro přípravu diamantových struktur.
Obr. 1. Nový technologický mikrovlnný plazmový reaktor pro depozice nanokrystalických diamantových vrstev.
V další etapě byly studovány vlastnosti deponovaných vrstev pomocí řady analytických metod: závislost
kvality vrstev na poměru vazeb sp3/sp2 (Ramanovská spektrosopie), luminescence NV center a dalších
bodových defektů (PL), morphologie vrstev (SEM), jejich nanotopografie (AFM), povrchový potenciál (KFM),
povrchové vazby (XPS/UPS), struktura (RTG dirfakce), vodivost reps. isolační schopnosti (elektrická měření),
jejich optická transmise a reflexe (FTIR) apod. Uvedené analýzy byly prováděny v různých laboratoří AV ČR a i
jinde, optické vlastnosti byly měřeny ve vlastní laboratoři v FZÚ (Dr. Z. Remeš). Připravené vrstvy byly rovněž
modifikovány bombardováním nízkoenergetickými ionty v ÚJF Řež. Ozařování bylo prováděno na svazku
nízkoenergetických iontů s velmi nízkou fluencí.
V další etapě bylo úsilí týmu zaměřeno na experimenty, kde diamantové vrstvy byly dopovány bórem
v systémech využívajících nestandartní plynové zdroje. Dopování bórem umožňuje vytvářet p-typ materiálů, což
je pro diamantové vrstvy velmi slibné. Technologie jejich přípravy je však náročná. Kromě prvních pokusů
vytvořit vlastní B-NCD v FZÚ Slovanka, byly zahájeny studie B-NCD materiálů získaných ve spolupráci
s partnerskýmu univerzitami (především s Univerzitou v Hasseltu v Belgii). U těchto vzorků byly analyzovány
především jejich elektrické tansportní parametry, jako je mobilita a koncentrace nositelů, mechanismus vodivosti
apod. B-dopované vrstvy byly dále testovány pomocí Ramanovské spektroskopie a bylo provedeno studium
jejich transportních vlastností při nízkých teplotách (ve spolupráci s Dr. J.J. Marešem a Dr. P. Hubíkem).
Účelem těchto experimentů nebylo pouze studium vlastností B-NCD nanosystémů, ale i příprava nových typů
nanostruktur, které by byly vhodné pro bioelektronické účely. První bioelektronické součástky jsou v současné
době připravovány ve spolupráci s Unverzitou v Delft v Holandsku (Kavli Istitute), která je považována za
vedoucí evropské pracoviště v oblasti nízkodimensionálních struktur. Vytvářeny jsou jak laterární tak i vertikální
nanostruktury a jejich první analýzy jsou plánovány na začátek roku 2010.
Skupina FZÚ Slovanka řešila dále úkoly grantového projektu ve spolupráci s řadou zahraničních i domácích
laboratoří. Ve spolupráci s Národní Univerzitou v Singaporu byly např. připraveny první bioelektronické
součástky založené na nedopovaném a bórem dopovaném diamantu. Tyto součástky se skládají z graftovaných
lipidových membrán mimikujících lidské buňky, které jsou používané (ve spojení s eletrochemickými metodami
detekce) k detekci stopových možství látek (membrane distruption agents).
Ve spolupráci s ÚJF Řež byly dusíkovými atomy implantovány první nanokrystalické diamanotvé vrstvy
(připravené v FZÚ Slovanka). Účelem této spolupráce je vytvoření bioelektronických součástek pro novou
metodu detekce biomolekul v živých buňkách. Tato práce (prováděná v rámci doktorandského studia ing. V.
Řezáčové z ĆVUT) bude presentována na konefenci SBDD XV v Hasseltu, Belgie v roce 2010.
Připravené vrstvy byly ve spolupráci s FGÚ Praha použity i pro studium růstu buněk a biokompatibility (viz
výsledky popsané v části FGÚ).
Výsledky experimentálních studií skupiny FZÚ Slovanka byly prezentovány na několika mezinárodních
konferencích (jako zvané přednášky a postery) a byly (resp. budou v nejbližší době) publikovány v několika
impaktovaných vědeckých časopisech.
FZÚ Slovanka - Výsledky experimentálních aktivit roce 2009
Články v impaktovaných časopisech (bez dedikace)
1. T. Kociniewski, Z. Remes, C. Mer, M. Nesladek, N. Habka, J. Barjon, F. Jomard, J. Chevallier, F. Omnes, D.
Tromson, P. Bergonzo, Study of the passivation mechanisms of boron doped diamond using the Amplitude
Modulated Step Scan Fourier Transform Photocurrent Spectroscopy, Diamond and Related Materials18 (5-8)
(2009) 827-830.
2. L. Grausova, L. Bacakova, A. Kromka, S. Potocky, M. Vanecek, M. Nesladek, V. Lisa, Nanodiamond as
Promising Material for Bone Tissue Engineering, Journal of Nanoscience and Nanotechnology 9 (6) (2009)
3524-3534.
3. J. Mares, J. Hubik, J. Kristofik, M. Nesladek, Low-Temperature Phenomena in Highly Doped Grained
Diamond Lisa, Nanodiamond as Promising Material for Bone Tissue Engineering, Journal of Nanoscience
and Nanotechnology 9 (6) (2009) 3689-3694.
4. Priscilla Kailian Ang, Kian Ping Loh, Thorsten Wohland, Milos Nesladek, Emile Van Hove, Supported Lipid
Bilayer on Nanocrystalline Diamond: Dual Optical and Field-Effect Sensor for Membrane Disruption,
Advanced Functional Materials 19 (2009) 109-116.
Konference, semináře
5. W. Deferme, A. Mackova, K. Haenen, M. Nesládek, Contact properties of CVD diamond as studied by
Time-Of-Flight, International Hasselt Diamond, Conference, March 2-4, 2009, Cultuurcentrum, Hasselt,
Belgiím; přednáška.
6. Liang Zhang, Jo Verbeeck, Michael Daenen, Ken Haenen, Milos Nesladek and Gustaaf Van Tendeloo; TEM
and EELS Study of Diamond: From Growth Mechanism to Physical Properties, MRS Fall Meeting, 30.114.12.2009, Boston, U.S., J: Diamond Electronics and Bioelectronics--Fundamentals to Applications III;
přednáška.
7. Taylor, F. Fendrych, I. Gregora, I. Kratochvilova, M. Nesladek A Kruger, S.D. Jassens, K. Haenen, P.
Wagner, M. Nesladek, Raman PL investigation of treated nanodiamond particles, 60th International DeBeers
Diamond Conference, June 30, 2009, Warwick, U.K; poster.
8. AI. Kratochvílová, A. Taylor, A. Kovalenko, F. Fendrych, V. Řezáčová, V. Petrák, S. Záliš, J. Šebera, M.
Nesládek, Fluorescent Nanodiamonds: Effect of Surface Termination, MRS Fall Meetings, ID 1203-J0305.R1, 30.11.-4.12.2009, Boston; poster.
9. J. Vlček, F. Fendrych, A. Taylor, I. Kratochvílová, L. Fekete, M. Nesládek and M. Liehr, Novel concepts for
Low-pressure, Low-temperature Nanodiamond Growth using, MW-linear Antenna Plasma Sources, MRS
Fall Meetings, ID 1203-J05-05, 30.11.-4.12.2009, Boston; poster.
10. M. Nesládek, Transportní vlastnosti diamantu: od krystalů po nanorozměry, Univerzita Stuttgart, 07.07.2009.
FZÚ Slovanka - Návrh postupu prací na rok 2010
Dokončení technologie přípravy a optimalizace diamantových vrstev dopovaných bórem v novém zařízení.
Porovnání vlastností vrstev deponovaných v novém MW systému s lineárními anténami s vrstvami
připravovanými v klasických MW plasmatech (SEKI). Porovnání optických emisních spekter a dalších vlastností
vrstev připravených v obou typech zařízení. Příprava nanoelektrických součástek vytvořených z vrstev diamantů
dopovaných bórem. ( FZÚ Slovanka). Příprava nanostruktur pomocí iontové implantace. Studium interakce
připravených nanostruktur s biomolekulami a. buňkami.
FZÚ Cukrovarnická - Výsledky dosažené v roce 2009
Systematicky byla optimalizována technologie růstu NCD vrstev pro specifické bio-aplikace s důrazem
depozice na různé substráty (křemík, sklo, křemen, uhlíkové vlákna, a podobně). V rámci buněčného inženýrství
se skupina FZÚ Cukrovarnická (Dr. A. Kromka) věnovala ve spolupráci s FGÚ studiu vlivu elektricky aktivních
NCD vrstev (tj. borem dopovaných) na růst a diferenciaci kostních buněk MG 63. Křemíkové substráty byly
hermeticky pokryty vrstvami intrinzického nanokrystalického diamantu (300 nm), které byly ve spolupráci
s IMO IMEC Hasselt (prof. K. Haenen) prorostlé vrstvou NCD dopovanou bórem se stupněm dopace od
nevodivých vrstev (intrinzické), přes polovodivé (2x1019 až 1x1020 cm-3) až po kovové (6x1020 cm-3). Uvedený
stupeň dopování se dosáhl přidáním trimetylboronu do směsi metanu a vodíku, přičemž poměr B:C byl 0, 155,
1000 a 6700 ppm. Zjistilo se, že dopování vrstev ovlivňuje jen minimálně jejich povrchovou morfologii, kromě
nejvyššího stupně dopace (6700 ppm), kdy byla pozorována tendence růstu k hladším a plošně rozrostlým zrnům
(Obr. 2).
Obr. 2. Morfologie nanokrystalických vrstev diamantů v závislosti na dopování B a její efekt na růst kostních buněk MG 63.
Ve spolupráci s FGÚ byly uvedené vrstvy použity pro test biokompatibility. K základním experimentům se
použily lidské kostní buňky - linie MG 63. Zjistilo se, že při nižší koncentraci bóru se populační hustota buněk
zvyšuje a vyšší koncentraci bóru vede ke zvýšení produkce osteokalcinu (což je připsáno k povrchovému
potenciálu) [1].
Z technologického hlediska, byla pozornost dále věnována formování diamantových nanostruktur
plazmatickým leptáním v kapacitně buzené vysokofrekvenční plazmě (systém Phantom LT, částečně financován
z projektu KAN400480701). Použitím masek z nanočástic niklu, zlata a diamantového prášku byly kontrolovaně
vytvářeny nanosloupky nebo (ultra) nanojehlany. Použitím masek z nanočástic diamantového prášku, zlata a
niklu byly kontrolovaně připravovány izolované nanojehlany (průměr <80 nm, Z-výška 10÷100 nm), ultrananojehlany (průměr 10÷40 nm, Z-výška 20÷80 nm) a nanosloupky (průměr 20÷40 nm, Z-výška 120÷200 nm)
[2].
Připravené diamantové nanostruktury byly dále terminovány kyslíkem (tj. staly se hydrofilní) a ve spolupráci
s 2. lékařskou fakultou UK se použily pro studie diferenciace mesenchyálních buněk a osteoblastů SAOS-2 [3].
Nasazené buňky SAOS-2 byly formovány adhezními vzory na povrchové struktuře NCD vrstev. Na
nanosloupkách byly pozorovány fokální adheze o vysoké hustotě, přičemž na ultra-nanojehlanech se pozorovaly
fokální adheze ojediněle, ale většího průměru (Obr. 3). Uvedené výsledky potvrzují klíčovou roli povrchové
morfologie pro optimální adhezi a růstu buněk, který je požadován v tkáňovém inženýrství [4].
Obr. 3. Adheze kostních buně na nanostrukturované vrstvě diamantů.
Výše uvedený výzkum byl realizován s použitím depozičního systému Aixtron P6 pracujícím s mikrovlnným
plazmatem. Týmu FZÚ Cukrovarnická byla poskytnuta podpora v rámci existující technologické infrastruktury
ústavu, jako je mikroskopie atomárních sil (AFM), optická litografie, elektronová mikroskopie a litografie,
plazmatické leptací procesy, mikro-Ramanova spektroskopie, optické spektroskopie (FTPS a PDS), infračervená
spektroskopie FTIR a jiné.
Dosažené výsledky byly průběžně publikovány v odborných časopisech, prezentovány na mezinárodních
konferencích a seminářích.
FZÚ Cukrovarnická - Výsledky experimentálních aktivit v roce 2009
Články v impaktovaných časopisech
1. A. Kromka, L. Grausova, L. Bacakova, J. Vacik, B. Rezek, M. Vanecek, O.A. Williams, K. Haenen,
Semiconducting to metallic-like boron doping of nanocrystalline diamond films and its effect on
osteoblastic cells, Diamond and Related Materials 2009 (doi: 10.1016/j.diamond.2009.10.003).
2. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, M. Michalka, J. Potmesil, M. Vaněček, Nanostructuring of diamond
films using self-assembled nanoparticles, Central European Journal of Physics 7(2) (2009) 310-314.
3. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, M. Kalbacova, A. Broz, M. Vaněček, Fabrication of nano-structured
diamond films for SAOS-2 cell cultivation, physica status solidi (a) 206, No. 9 (2009) 2033-2037.
4. M. Kalbacova, A. Broz, O. Babchenko, A. Kromka, Study on cellular adhesion of human osteoblasts on
nano-structured diamond films, phys. stat. sol. (b) 246 (11-12) (2009) 2774-2777.
5. L. Grausova, L. Bacakova, A. Kromka, M. Vanecek, B. Rezek, V. Lisa, Molecular markers of adhesion,
maturation and immune activation of human osteoblast-like MG 63 cells on nanocrystalline diamond films,
Diamond and Related Materials 18 (2-3) (2009) 258-263.
Články zaslané do časopisu a články v přípravě
6. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, E. Ukraintsev, M. Vaněček, Selected-area diamond growth via
implementing photo-resistive polymer for patterning seeding layer, submitted to Central European Journal
of Physics (2009).
7. M. Davidova, A. Kromka, B. Rezek, O. Babchenko, M. Stuchlik, K. Hruska, Fabrication of diamond
nanorods for gas sensing applications, submitted to Applied Surface Science (2009).
Konference
8. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, M. Kalbacova, A. Broz, M. Vaněček, Nanostructured diamond films
as biochips in tissue engineering, Hasselt SBDD XIV, Book of abstracts (2009) 106; přednáška.
9. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, M. Vanecek, Z. Bryknar, Reactive ion etching of diamond thin films
and realisation of nanostructures, CVUT, Praha; poster.
10. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, E. Ukraintsev, M. Vaněček, Selected-area diamond growth via
implementing photo-resistive polymer for patterning seeding layer, Extended abstract book, pp 60-61,
Progress in Applied Surface, Interfaces and Thin Film Science 2009 SURFINT-SREN II 16.11. 19.11.2009, Florencie, Italy; ISBN 978-80-223-2723-7; přednáška.
11. M. Davydova, A. Kromka, B. Rezek, O. Babchenko, M. Stuchlik, K. Hruska, P. Demo, Diamond based gas
sensor and its lab-on-chip realization, DINAS II, 23.11. – 25.11.2009, Uppsala, Sweden; přednáška.
12. M. Davydova, A. Kromka, B. Rezek, O. Babchenko, M. Stuchlik, K. Hruska, Fabrication of diamond
nanorods for gas sensing applications, Extended abstract book, pp. 64-65, Progress in Applied Surface,
Interfaces and Thin Film Science 2009 (SURFINT-SREN II), 16.11. – 19.11.2009, Florence, Italy (ISBN
978-80-223-2723-7); přednáška.
13. A. Kromka, L. Grausova, L. Bacakova, J. Vacik, B. Rezek, M. Vanecek, O.A. Williams, K. Haenen,
Semiconducting to metallic-like boron doping of nanocrystalline diamond films and its effect on
osteoblastic cells, Program and Abstracts Book of the Conference, p. 67, New Diamond and Nano Carbons
(NDNC 2009), Session PE4.3. – BIO, 7.6. - 11.6.2009, Traverse City – Michigan; poster.
Semináře
14. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, M. Vanecek, Z. Bryknar, Reactive ion etching of diamond thin films
and realization of nanostructures, CTU Reports, pp 320-321Special Issue, Part A; ISBN 978-80-01-04286-1;
2009, CVUT, Praha,
Workshopy
15. Organizování workshopu s podporou grantového projektu KAN400480701 - Czech Workshop on Diamond
Nanotechnology and Science (DINAS 2009) 5.-7.10. 2009, ISBN 978-80-254-5782-5.
FGÚ - Fyziologický ústav AV ČR Praha (MUDr. Lucie Bačáková, CSc.)
FGÚ - Práce plánované na rok 2009
V roce 2009 byly ve FGÚ AV ČR (ve spolupráci s dalšími pracovišti) plánované následující úkoly:
•
•
Dokončit studie adhese, růstu, diferenciace a životaschopnosti buněk osteogenních kostních linií na
nanostrukturovaných planárních „2D“ substrátech v klasických statických kultivačních systémech.
Vypracování optimálních technik přípravy primokultur kostních buněk z kostí potkana. Vybrané
výsledky interakce buňka-materiál pak ověřit v primokulturách či nízce pasážovaných kulturách
získaných z dlouhých kostí či lebek novorozených potkanů, přičemž použít statické i dynamické
kultivační systémy.
Lze říci, že tento harmonogram pro rok 2009 byl dodržen. Byly dokončeny studie adhese, růstu, osteogenní
diferenciace, životaschopnosti a imunitní aktivace lidských kostních buněk linie MG 63 na kontinuálních a
mikrostrukturovaných vrstvách fullerenů C60, na binárních kompozitech fullerenů C60 a titanu, na kompozitech
syntetických polymerů a uhlíkových nanotrubiček, a konečně na nanokrystalickém diamantu naneseném na
křemíkový substrát v podobě nanostrukturovaných vrstev nebo vrstev s hierarchicky organizovanou mikro- a
nanostrukturou. Rovněž jsme studovali chování osteogenních buněk v kulturách na nanokrystalickém diamantu
dopovaném různými koncentracemi bóru.
Studovali jsme i chování cévních hladkých svalových buněk na polymerech aktivovaných ozářením plasmou
a následně funkcionalizovanými roubováním biomolekul, a rovněž na polymerech s nanopóry a povrchovou
nanostruktorou vytvořenou ozářením různými ionty. Tyto polymery by mohly být v budoucnu využity ke
konstrukci bioarteficiální cévní stěny.
Vypracovali jsme rovněž optimální techniku isolace a kultivace kostních buněk z kostí novorozeného
potkana i cévních hladkých svalových buněk z hrudní aorty potkana i buněk endotelových z jugulárních arterií
miniprasete.
FGÚ - Výsledky dosažené v roce 2009
a) Buňky linií osteogenních buněk v kulturách na kontinuálních a mikrostrukturovaných vrstvách fullerenů
V roce 2009 vyšel náš článek v časopise Diamond and Related Materials [1]. V této studii byly fullerenové
vrstvy deponovány na mikroskopická krycí sklíčka ve vakuovém systému Univex-300 na pracovišti hlavního
řešitele Ústavu jaderné fyziky AVČR. V závislosti na teplotě a době expozice byly vytvořeny vrstvy o různé
tloušťce. Jak ukázala mikroskopie atomové síly (AFM), tloušťka kontinuálních vrstev byla 505 ± 43 nm nebo
1090 ± 8 nm. Kromě toho byly deposicí přes kovovou mřížku (obdélníkové otvory 128 µm x 98 µm, plocha 12
500 µm2, vzdálenost stran otvorů 50 µm) vytvořeny fullerenové vrstvy obsahující výstupky o výšce 326 ± 5 nm a
1043 ± 57 nm (průměr ± S.D.). Fullereny byly přítomny i v brázdách mezi vyvýšeninami, třebaže jejich vrstva
byla obvykle o 1 až 2 řády tenčí než na vyvýšeninách (tj. jejich tloušťka byla v rámci S.D.)
Uchycení a rozprostření osteoblastických buněk MG 63 na kontinuální vrstvy fullerenů, jejich následná
proliferace, životaschopnost, tvorba fokálních adhesních plaků s obsahem β1 integrinů, talinu a vinkulinu,
uspořádání beta-aktinového cytoskeletu a produkce osteokalcinu zcela srovnatelné s odpovídajícími parametry u
buněk rostoucích na standardních kultivačních materiálech, jakými je polystyrenová kultivační miska a
mikroskopické krycí sklo. Relativně vysoká hydrofobie fullerenních vrstev (kontaktní úhel > 90°) byla byl tedy
zřejmě kompenzována jejich povrchovou nanostrukturou, která je považována za příznivou pro adsorpci proteinů
zprostředkujících adhesi buněk ve vhodné geometrické konformaci, umožňující dosažitelnost specifických
aminokyselinových sekvencí v molekulách těchto proteinů adhesními receptory buněk. Vrstvy byly navíc
relativně stabilní, odolné k otěru a působení biologických tekutin (tj. kultivačního média), a tak pravděpodobně
nedocházelo k významnému uvolňování fullerenních molekul a k jejich průniku do buněk, což je předpokladem
jejich cytotoxického působení.
Rovněž mikrostrukturované vrstvy fullerenů s vyvýšeninami 326 ± 5 nm umožňovaly homogenní nárůst
buněk s populační hustotou obdobnou jako na standardních kultivačních površích. Na vrstvách s vyvýšeninami
1043 ± 57 nm však buňky adherovaly a rostly prakticky výhradně v brázdách mezi vyvýšeninami. Uplatnila se
zřejmě souhra několika nepříznivých faktorů, jako je např. strmý sklon vyvýšenin, difuse fullerenů po úbočích
vyvýšenin, která mohla buňky „strhávat“ směrem k brázdám, a již výše zmíněná hydrofobie fullerenů.
Každopádně by fullereny mohly být využity pro konstrukci povrchů pro regionálně selektivní adhesi a růst
buněk, které mají uplatněn v různých biotechnologiích, jako je tkáňové inženýrství, konstrukce biosenzorů,
technika „microarrays“ pro moderní proteomiku a genomiku [1, 6, 10, 19, 25].
b) Interakce buněk linie MG 63 s vrstvami kompozitů fullerenů C60 a titanu
Hybridní mikrostrukturované C60/Ti filmy byly připraveny na pracovišti hlavního řešitele Ústavu jaderné
fyziky AVČR simultánní depozicí C60 a Ti v koncentraci 25%, 45% a 70%, tj. 25, 45 a 70 atomů Ti na 75, 55 a
25 molekul C60. Mikrostruktura vrstev byla podobně jako v bodě 1.2 navozena depozicí C60 a Ti přes kovovou
masku s obdélníkovými otvory 128 µm x 98 µm, plochou 12 500 µm2 a vzdáleností stran otvorů 50 µm.
Tloušťka nově vytvořených vrstev se pohybovala mezi několika desítkami nm do 300 nm a vrstvy měly
povrchovou nanostrukturu tvořenou granulárními útvary deponovaného materiálu o velikosti kolem 50nm.
Ramanova spektroskopie ukázala, že kodepozice Ti a C60 měla za následek fragmentaci molekul C60, jejich
polymerizaci, hybridizaci i oxidaci [8, 15]. Pokud jde o interakci vrstev C60/Ti s osteogenními buňkami, počet
iniciálně adherovaných buněk MG 63 za 1 den po nasazení na tyto vrstvy byl obdobný či dokonce vyšší než na
kontrolní standardní kultivační polystyrénové misky, a podobná byl i dynamika proliferace těchto buněk, což
svědčí o dobré biokompatibilitě vrstev. Podobných výsledků jsme dosáhli v našich loňských studiích rámci
tohoto projektu, provedených na binárních kompozitech C60/Ti, které se svým fyzikálně-chemickým charakterem
podobaly amorfnímu uhlíku obohacenému Ti, a rovněž na hydrokarbonových plasmatických polymerech s 0-20
atomárními % Ti, které jsme studovali v rámci jiného projektu (Grinevich, Bačáková a spol., J. Biomed. Mater.
Res. 88A: 952–966, 2009). Podobně jako mikrostrukturované vrstvy čistých molekul C60 , i hybridní vrstvy
C60/Ti navozovaly regionálně-selektivní adhesi a růst buněk v brázdách mezi vyvýšeninami deponovaného
materiálu [8, 15].
Hybridní C60/Ti filmy byly mohly být využity pro pokryv kostních implantátů pro zvýšení jejich atraktivity
pro osteoblasty a zlepšení jejich integrace do kostní tkáně. Mikrostrukturované C60/Ti filmy by mohly být
využity pro navození regionálně selektivní adheze a řízeného růstu buněk pro různé biotechnologické aplikace.
Práce o C60/Ti byla přijata do časopisu Diamond and Related Materials, a je v současné době v tisku [8].
c) Interakce buněk MG 63 s kompozity polysulfonu a uhlíkových nanotrubiček
V rámci externí spolupráce s AGH University of Science and Technology, Krakov, Polsko, jsme studovali
adhesi, růst, životaschopnost, osteogenní diferenciaci a potenciální imunitní aktivaci na planárně konstruovaných
kompozitech z polysulfonu a jednostěnných či mnohostěnných uhlíkových nanotrubiček [6, 10, 12, 18, 21].
Polysulfon byl vybrán proto, že se již dříve osvědčil jako matrice pro přípravu kompozitů vyztužených
uhlíkovými vlákny, použitelných například pro náhrady meziobratlových plotének. Kompozity polysulfonu a
uhlíkových nanotrubiček navíc projevují vysokou elektrochemickou aktivitu, a proto jsou vhodné i pro
konstrukci biosenzorů.
Příměs nanotrubiček, zejména mnohostěnných, významně zlepšila mechanické vlastnosti polysulfonu, což se
projevilo zvýšením elastického modulu a tahové síly kompozitů. Navíc nanotrubičky prominovaly na povrchu
polymerní matrice a vytvářely její povrchovou nanostrukturu, příznivou pro adhesi a růst buněk Místy byly
nanotrubičky seskupené do agregátů, takže na povrchu polymeru byly i submikronové nerovnosti a nerovnosti
řádově v mikronech. Tyto nerovnosti však byly poměrně oblé a nebránily dobrému rozprostření buněk. Zajímavé
přitom je, že modifikované i nemodifikované vzorky polysulfonu měly obdobnou smáčivost kolem 80o. Proto
lze příznivé změny v adhesi a růstu buněk přičítat změnám v povrchové topografii polymeru po přimíchání
nanotrubiček. Jak ukázala enzymatická imunosorbentní esej (ELISA), obsahovaly však buňky na kompozitech
polysulfon-nanotrubičky nižší koncentrace osteokalcinu, tj. významného glykoproteinu ECM vázajícího vápník,
a tudíž významně zúčastněného v procesu osteogenní diferenciace. Tento nedostatek by bylo možno odstranit
zvýšením příměsi nanotrubiček a dalším zlepšením mechanických vlastností kompozitu. Osteogenní diferenciace
buněk by mohla být dále podpořena elektrickou stimulací buněk prostřednictvím nanotrubiček. V budoucnu
zamýšlíme konstruovat kompozity v podobě prostorových porézních či vláknitých nosičů. a buňky na nich
kultivovat v dynamických systémech umožňujících mechanické namáhání. Příznivým výsledkem naší stude
rovněž bylo, že buňky nejevily významnou imunitní aktivaci, měřenou koncentrací imunoglobulinové adhesní
molekuly ICAM-1, která váže buňky imunitního systému. Článek o kompozitech polysulfonu a nanotrubiček je
v recenzním řízení v časopisu Carbon [12].
d) Interakce buněk MG 63 s vrstvami nanokrystalického diamantu
Byly dokončeny studie interakce buněčných linií s vrstvami nemodifikovaného nanokrystalického diamantu
(NCD), a články o nich vyšly v časopisech J. Nanosci. Nanotechnol. a Diamond Relat. Mat. [2, 3]. Vrstvy byly
naneseny na silikonové substráty mikrovlnnou CVD metodou v elipsoidním reaktoru ve Fyzikálním ústavu
AVČR. Byly vytvořeny jednak vrstvy nanostrukturované (parametr rms kolem 8 nm), a to nanesením NCD na
substrát vyleštěný na atomovou drsnost, a jednak vrstvy s hierarchicky organizovanou mikro- a nanostrukturou
(rms kolem 301 nm a 8 nm), inspirovanou architektonickým principem stavby přirozených tkání. Těchto vrstev
bylo docíleno nanesením NCD na silikonové substráty zdrsněné broušením.
Oba typy vrstev NCD představovaly výborný substrát pro adhesi, růst, udržení vysoké životaschopnosti a
vyzrávání osteoblastických buněk MG 63. Buňky měly dobře vyvinuté fokální adhesní plaky, obsahovaly vyšší
koncentrace talinu a vinkulinu a produkovaly i osteokalcin, tj. glykoprotein extracelulární matrix vázající vápník,
který je významným markerem osteogenní diferenciace buněk. Vhodné byly zejména vrstvy nanostrukturované,
do jisté míry napodobující nanoarchitekturu molekul přirozené extracelulární matrix. Adhese a růst buněk byly
na nich obdobné či i vyšší než na standardních kultivačních substrátech (polystyren a sklo).
Vrstvy nanokrystalického diamantu jsou perspektivní pro praktické využití, a sice pro pokrytí částí
kovových kloubních nebo zubních náhrad, kterými je náhrada upevněna do kosti. Vrstvy nanokrystalického
diamantu by zabránily uvolňování cytotoxických či imunogenních kovových iontů a zvýšily by atraktivitu
povrchu implantátu pro osídlení kostními buňkami a urychlily tak integraci implantátu do okolní kostní tkáně.
V tomto smyslu spolupracujeme i s firmou Beznoska s.r.o., Kladno, která je v projektu naším průmyslovým
partnerem, i Ortopedickou klinikou Fakultní nemocnice Na Bulovce.
e) Interakce buněk MG 63 s vrstvami nanokrystalického diamantu dopovaného bórem
Vrstvy nanokrystalického diamantu dopované borem byly jako nosiče pro osteogenní buňky zvoleny
z důvodu jejich elektrické vodivosti, umožňující případnou elektrickou stimulaci buněk, o níž je známo, že
podporuje kolonizaci materiálu buňkami i jejich fenotypickou maturaci. Vrstvy nanokrystalického diamantu byly
naneseny na pracovišti spoluřešitele Fyzikálního ústavu AVČR na silikonové substráty mikrovlnnou metodou
PECVD za přítomnosti trimetylbóru (TMB) v různých koncentracích, což vedlo k dopaci vrstev bórem
v koncentracích 133, 1000 a 67000 ppm. Vzorky byly osazeny lidskými kostními buňkami linie MG 63. Nižší
koncentrace bóru zvyšovaly především populační hustotu buněk na vrstvách, kdežto vyšší koncentrace vedly
především ke zvýšení produkce osteokalcinu, tvorbě nápadně vyvinutých fokálních adhesních plaků a zvýšené
koncentraci fokálního adhesního proteinu vinkulinu. Podobně jako vrstvy čistého diamantu, ani bórem dopované
vrstvy nevyvolaly významnou imunitní aktivaci buněk [9, 13, 16, 17, 20]. Článek o vrstvách nanokrystalického
diamantu dopovaných borem byl přijat do časopisu Diamond and Related Materials, a v současné době je v tisku
[9]. Další článek je v přípravě [13].
f) Interakce polymerů ozářených plasmou a roubovaných biomolekulami a nanočásticemi uhlíku či zlata
s cévními hladkými svalovými buňkami
Tato část projektu byl řešena ve spolupráci FgÚ AVČR se spoluřešitelským pracovištěm VŠCHT Praha.
Polyetylén byl ozářen plasmou v zařízení Balzers SCD 050 (výkon výboje 1.7 W), obvykle po dobu 50, 150 či
400 sekund, což vedlo k částečné degradaci polymeru, vytvoření jeho povrchové nanostruktury a vytvoření
radikálů, na něž byly následně z vodných roztoků roubovány různé biomolekuly či nanočástice. V rozsáhlé studii,
která již vyšla jako zvaná publikace v časopise International Journal of Molecular Science [4], byl plasmou
aktivovaný polyetylén roubován aminokyselinou glycinem (Gly), polyetylén glykolem (PEG), bovinním
sérovým albuminem (BSA), koloidními nanočásticemi uhlíku (C) nebo kombinací BSA+C. Vzorky materiálu
pak byly osazeny nízce pasážovanými hladkými svalovými buňkami, které jsme izolovali z komplexu tunica
intima a media hrudní aorty potkana, neboť jsme pomýšleli na možné užití uvedených polymerů jako nosičů
buněk při konstrukci bioarteficiálních cévních náhrad. Z hlediska adhese, růstu a fenotypické maturace hladkých
svalových buněk směrem ke kontraktilnímu fenotypu se jako nejvýhodnější jevila funkcionalizace polymeru
molekulami PEG, kombinací BSA+C [4, 7, 11, 23]. Byl to výsledek poněkud překvapivý, neboť PEG i BSA
bývaly často užívány ke konstrukci povrchů neadhesivních pro buňky. Antiadhesivní účinek PEG byl způsoben
především mobilitou jeho řetězců na povrchu polymeru ve vodném prostředí, která zabraňovala stabilní adsorpci
proteinů zprostředkující adhesi buněk. Pokud jde o BSA, tento protein neobsahuje specifické aminokyselinové
sekvence, které fungují jako ligandy pro adhesní receptory buněk (např. RGD). Na druhé straně je však třeba
uvážit, že PEG použitý v naší studii měl relativně dlouhé řetězce (molekulová hmotnost 20 000), které byly
zřejmě na plasmou aktivovaném polyetylénu uchyceny na více místech. Nemohla se tak uplatnit jejich mobilita,
a převládl zřejmě příznivý účinek chemických funkčních skupin s obsahem kyslíku na adhesi buněk. V případě
BSA je zase třeba uvážit, že tento protein podporuje adsorpci molekul zprostředkujících adhesi buněk, např.
fibronektinu a vitronektinu, ze séra kultivačního média v příznivých geometrických konmformacích, takže jejich
specifické aminokyselinové sekvence jsou lépe dosažitelné adhesními receptory buněk [26]. Ve speciálních
médiích doplněných pouze hormony a růstovými faktory a s absencí krevního séra, které tudíž vylučují adsorpci
fibronektinu a vitronektinu, se albumin projevuje jako substrát absolutně neadhesivní pro buňky [14, 22].
Vysoce příznivý účinek na adhesi a růstu cévních hladkých svalových buněk měly i nanočástice zlata
roubované na polyetylén aktivovaný plasmou [5].
g) Interakce cévních endotelových a hladkých svalových buněk s polymery perforovanými ionty
Další zajímavou spolupráci jsme v r. 2009 navázali s pracovištěm hlavního řešitele (dr. Karel Turek, UJF
AVČR). Jedná se o polyetylén tereftalát (tj. polymer užívaný pro konstrukci cévních protéz aplikovaných
v současné klinické praxi), perforovaný ionty jednak z iontového urychlovače Tandetron na UJF AVCR v Řeži
(např. Cu, Kr, Xe), jednak vzniklými při radioaktivním rozpadu látek (tzv. štěpné trosky) které zamýšlíme využít
jako nosné struktury pro konstrukci bioarteficiální cévní stěny, v níž by polymer s nanopóry byl upraven do
formy trubice a simuloval by lamina elastica interna oddělující vrstvu endotelových buněk, rekonstruovanou na
vnitřním povrchu trubice, od struktury z hladkých svalových buněk, tj. tunica media cévní stěny, rekonstruované
na vnějším povrchu trubice. Oba typy buněk by sice mohly spolu humorálně i částečně fyzicky komunikovat, ale
omezilo by se případné prorůstání HSB do subendoteliálního prostoru i dále do lumen cévní náhrady, a následné
restenoze této náhrady. Zatím probíhají studie adhese, růstu a fenotypické maturace endotelových a
hladkosvalových buněk odděleně na planárních vzorcích z nanoporézních polymerů (Obr. 1).
A
B
C
Obr. 1. A: Polyethylen tereftalát s mikropóry vytvořenými Xe s energií 1 MeV/nukleon, tj. asi 131 MeV, a s efektivním
průměrem póru 80 nm (vizuální ~160 nm). B: přehledný snímek hladkých svalových buněk aorty potkana iniciálně
adherovaných na tento polymer za 1 den o nasazení. C: detail těchto buněk s proteiny membrány a cytoplasmy obarvenými
barvivem Texas red C2 maleimid (červená fluorescence) a jádrem barvivem Hoechst 33342 (modrá fluorescence).
h) Další nanostruktury studované jako potencionální nosiče buněk pro tkáňové inženýrství
Ve spolupráci s dalším spoluřešitelským pracovištěm tohoto projektu, a sice Ústavem anorganické chemie
AVČR (dr. Baše), jsme rozpracovali konstrukci vrstev z nanočástic zlata funkcionalizovaných karborany,
molekulami syntetických polymerů či fosfáty, které hodláme použít pro pokryv kostních implantátů pro zvýšení
jejich atraktivity pro novotvorbu kostní tkáně. Karborany mají za úkol uchycení dalších biomolekul, např.
ligandů preferovaných adhesními receptory osteoblastů (např. KRSR), syntetické polymery mají za cíl učinit
povrch kovových kostních implantátů méně rigidním, a tím kompatibilnějším s kostní tkání, a fosfáty jsou
přirozenou součástí anorganické složky kostní extracelulární matrix. Články na uvedená témata jsou v současné
době ve stádu přípravy.
Dalšími nadějnými strukturami pro inženýrství kostní tkáně jsou nanovlákenné sítě vyztužené nanodiamanty,
vytvořené technologiií elektrospiningu směsi kopolymeru laktidu a glykolidu (rozpuštěného v methylenchloridu
a dimethylformamidu) a nanodiamantů. Tyto sítě byly připraveny ve spolupráci s externě spolupracujícím
pracovištěm Clinic of Oral and Maxillofacial Surgery, Kiel, Germany (Dr. Timothy Douglas, Dr. Andrea
Renzing, Dr. Mariea Brady, Prof. Patrick Warnke) a významně podpořily adhesi a růst lidských osteogenních
buněk MG 63 (obr. 2).
i) Vypracování technologie izolace a kultivace osteoblastů, cévních endotelových a cévních hladkých
svalových buněk
Jako optimální se jeví technika izolace osteoblastů z dlouhých kostí (tj. z kostí končetin) novorozených
potkanů. Tyto kosti jsou měkké a po odstranění periostu a kostní dřeně je možno je skalpelem či očními
chirurgickými nůžkami rozdělit na jemné explantáty o rozměrech maximálně několik desetin milimetru. Tyto
explantáty pak byly natráveny 0.2% kolagenázou typu I při 37°po dobu 2 hodin za stálého míchání,
centrifugovány, nasazeny do polystyrénových lahviček potažených kolagenem a inkubovány v médiu DMEM
(Sigma) doplněném 10% fetálního bovinního séra. Již od 1. dne po nasazení buňky migrovaly z explantátů,
rozrůstaly se po dnu lahvičky a koncem 1. týdne již mohly být pasážovány. Jejich fenotypizace pomocí
protilátek proti antigenům specifickým pro různé buněčné typy prokázala, že se jedná o směsné kultury
osteoblastů (vyznačujících se přítomností osteokalcinu), endotelie (přítomnost von Willebrandova faktoru), a
zejména cévní hladké svalové buňky (přítomnost alfa-aktinu). Kultura byla proto následně obohacena
osteoblasty kultivací v médiu obsahujícím 10 mM β-glycerolfosfát (2,16 mg/ml), 2 mM L-glutamin (292 µg/ml),
kyselinu askorbovou (50 µg/ml), 10-6 M dihydroxyvitamin D3 (385 ng/ml), 10-8 M dexamethason (393 ng/ml) a
a rovněž faktor BMP-7 (10-100 ng/ml). Toto médium podporuje osteogenní diferenciaci buněk, a to nejen
osteoblastů, ale i buněk endotelových a hladkých svalových.
Popsaná explantační metoda isolace buněk byla použita i pro hladké svalové buňky z komplexu tunica
intima a media hrudní aorty potkana. Pro isolaci buněk endotelových byly vyňaty jugulární arterie miniprasete
(při operacích tykajících se cévních protéz v rámci jiného projektu), na obou koncích podvázány chirurgickou
nití a naplněny směsí kolagenázy I a II na dobu 20 minut. Pokud došlo ke kontaminaci kultur buňkami
hladkosvalovými, která je při izolaci endotelu častá, byly endotelové buňky za směsi dvou buněčných typů
vyklonovány na 96-jamkových destičkách, a jejich žádoucí endoteliální fenotyp byl následně ověřen reakcí
s protilátkou proti von Willebrandovu faktoru (pozitivní reakce) či alfa aktinu (negativní reakce).
A
C
A
B
C
D
Obr. 2. Nanovlákenné nosiče připravené technologií elektrospinningu ze směsi kopolymeru laktidu a glykolidu (A) a ze směsi
tohoto kopolymeru a nanodiamantů (B) ve skenovacím elektronovém mikroskopu. C, D: tytéž nosiče za 7 dnů po osazení
lidskými kostními buňkami MG 63. Buňky barveny kombinací Texas Red C2 maleimidu a Hoechst 33342, a fotografovány
v mikroskopu Nikon Ti-E (přičemž úsečka reprezentuje 50 µm).
Spolupráce pracovišť zúčastněných v projektu
Jak vyplývá z výše uvedeného textu, Fyziologický ústav AVČR pružně spolupracoval se všemi dalšími
pracovišti zapojenými do projektu, tj. s ÚJF AVČR, FZÚ AVČR, VŠCHT i ÚACH AVČR, a připravil s těmito
pracovišti i relativně velký počet mezioborových publikací a konferenčních prezentací. Významným výsledkem
dobré mezitýmové spolupráce je rovněž to, že bakalářská studentka VŠCHT Markéta Bačáková ve spolupráci s
FgÚ AVČR připravila a v červnu úspěšně obhájilapráci pro získání titulu Bc. na téma „Adhese a růst cévních
hladkých svalových buněk na syntetických polymerech pro tkáňové inženýrství“.
FGÚ - Výsledky experimentálních aktivit v roce 2009
Články v impaktovaných časopisech
1. L. Grausová, J. Vacík, V. Vorlíček, V. Švorčík, P. Slepička, P. Bílková, M. Vandrovcová, V. Lisá, L.
Bačáková, Fullerene C60 films of continuous and micropatterned morphology as substrates for adhesion and
growth of bone cells, Diamond Relat. Mater. 18 (2009) 578–586. IF = 2.0.
2. L. Grausová, L. Bačáková, A. Kromka, Š. Potocký, M. Vaněček, M. Nesládek, V. Lisá, Nanodiamond as a
promising material for bone tissue engineering, J. Nanosci. Nanotechnol. 9 (2009) 3524-3534. IF = 2.2.
3. L. Grausová, L. Bačáková, A. Kromka, M. Vaněček, V. Lisá, Molecular markers of adhesion, maturation and
immune activation of human osteoblast-like MG 63 cells on nanocrystalline diamond films, Diamond Relat.
Mater. 18 (2009) 258–263. IF = 2.0.
4. M. Parizek, N. Kasalkova, L. Bacakova, P. Slepicka, V. Lisa, M. Blazkova, V. Švorčík, Improved adhesion,
growth and maturation of vascular smooth muscle cells on polyethylene grafted with bioactive molecules and
carbon particles, International Journal of Molecular Sciences 10 (2009) 4352-4374. IF 1.3.
5. V. Švorčík, N. Kasálková, P. Slepička, K. Záruba, L. Bačáková, M. Pařízek, V. Lisá, T. Ruml, H. Gbelcová,
S. Rimpelová, A. Macková, Cytocompatibility of Ar+ plasma-treated and Au nanoparticle-grafted PE, Nucl.
Instr. Meth. Phys. Res. B 267 (2009) 1904-1910. IF 1.090.
Články v neimpaktovaných časopisech
6. L. Bacakova, E. Filova, Grausova, M. Vandrovcova, M. Parizek K. Novotna, V. Svorcik, J. Vacik, F.
Rypacek, A. Kromka, J. Heitz, A. Shard, Micro- and manopatterned surfaces for guided adhesion, growth
and phenotypic maturation of cells, Inzynieria Biomaterialów-Engineering of Biomaterials XII (89-91)
(2009) 18-21.
7. M. Parizek, N. Kasalkova, L. Bacakova, K. Kolarova, V. Lisa, V. Švorčík, Vascular smooth muscle cells in
cultures on low density polyethylene modified with plasma discharge and biofunctionalization, Inzynieria
Biomaterialów-Engineering of Biomaterials XII (89-91) (2009) 25-28.
Články přijaté a v tisku
8. J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Novotna, L. Bacakova, V. Lisa, V. Vorlicek, R. Rajtar, Fullerene (C60)–
transitional metal (Ti) composites: Structural and biological properties of the thin films, Diamond Relat.
Mater. 2009, přijato, v tisku. IF 2.0.
9. A. Kromka, L. Grausova, L. Bacakova, J. Vacik, B. Rezek, M. Vanecek, O. A. Williams, K. Haenen,
Semiconducting to metallic-like boron doping of nanocrystalline diamond films and its effect on osteoblastic
cells, Diamond Relat. Mater. 2009, přijato, v tisku. IF 2.0.
10. Vagaská, L. Bačáková, E. Filová, K. Balík, Osteogenic cells on bio-inspired materials for bone tissue
engineering, Physiol. Res., 2009, přijato, v tisku; IF 1.5.
11. N. Kasálková, Z. Makajová, M. Pařízek, P. Slepička, K. Kolářová, L. Bačáková, V. Hnatowicz, V. Švorčík,
Cell adhesion and proliferation on plasma-treated and poly(ethylene glycol)-grafted polyethylene, J. Adhes.
Sci. Technol., 2009, přijato, v tisku. IF 1.122.
Články zaslané do časopisu a články v přípravě
12. L. Grausova, L.Bacakova, E. Filova, A. Fraczek, M. Blazewizc, S. Blazewicz, V. Lisa, Human Osteoblastlike MG 63 Cells on Carbon Nanotube-Polysulfone Composites, zasláno do časopisu Carbon (IF 4.3).
13. L. Grausova, A. Kromka, L. Bacakova, J. Vacik, B. Rezek, M. Vanecek, O. A. Williams, K. Haenen, V. Lisa,
Human osteoblast-like cells on boron-doped nanocrystalline diamond films, v přípravě pro Biomaterials (IF
5.5).
14. K. Novotná, M. Bačáková, N. Kasálková, L. Bačáková, V. Lisá, V. Švorčík, Adhesion and growth of
vascular smooth muscle cells on biofunctionalized polyethylene. Článek v přípravě.
Konference
15. J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Novotna, L. Bacakova, V. Lisa, V. Vorlicek, R. Rajtar, Fullerene (C60)–
transitional metal (Ti) composites: Structural and biological properties of the thin films, PB 3.11, New
Diamond and Nano Carbons (NDNC 2009), June 7.-11.6., 2009, Traverse City, Michigan, USA. Symposium
B: Nanocarbon Science and Technology; poster.
http://www.mrs.org/s_mrs/sec.asp?CID=16207&DID=215644, str. 50.
16. A. Kromka, L. Grausova, L. Bacakova, J. Vacik, B. Rezek, M. Vanecek, O. A. Williams, K. Haenen,
Semiconducting to metallic-like boron doping of nanocrystalline diamond films and its effect on osteoblastic
cells, PE 4.2., New Diamond and Nano Carbons (NDNC 2009), June 7.-11.6., 2009, Traverse City, Michigan,
USA. Symposium E: Biological and Electrochemical Applications; poster
http://www.mrs.org/s_mrs/sec.asp?CID=16207&DID=215644, str. 67.
17. L. Grausova, L. Bacakova, A. Kromka, M. Vanecek, V. Lisa, Influence of Boron-doped Nanocrystalline
Diamond Films on the Osteoblast Growth and Differentiation, Programme and Abstracts Book, 53, 2nd Asian
Biomaterials Congress, Singapore, 26.-27.6.2009; přednáška.
18. L. Grausova, L. Bacakova, A. Fraczek, M. Blazewicz, S. Blazewicz, E. Filova, V. Lisa, Human osteoblastlike cells on composites of carbon nanotubes and non-degradable polymers, International Conference on
Materials for Advanced Technologies (ICMAT 2009), Symposium A: Advanced Biomaterials and
Regenerative Medicine, Singapore, 29.6.-3.7. 2009, elektronický abstrakt č. A00829-01442 na CD
konference a v papírovém sborníku na str. 37; přednáška.
19. L. Bacakova, M. Parizek, E. Filova, L. Grausova, V. Svorcik, J. Vacik, J. Heitz, N. A. Bullett, J. W. Haycock,
A. Shard, Three types of micropatterned surfaces for regionally-selective cell adhesion and directed cell
growth, Programme and Abstracts Book, str. 32, 2nd Asian Biomaterials Congress, Singapore, 26.-27.6.2009.
přednáška.
20. L. Grausova, L. Bacakova, A. Kromka, M. Vanecek, V. Lisa, Growth and differentiation of human
osteoblasts on boron-doped nanocrystalline diamond, P1.4.06, Diamond 2009, Atény, Řecko, 6.-10.9. 2009; .
poster.
21. L. Bacakova, L. Grausova, E. Filova, A. Fraczek, M. Blazewicz, S. Blazewicz, Human osteoblast-like MG
63 cells on carbon nanotube-polymer composites, P2.7.15, Diamond 2009, Atény, Řecko, 6.-10.9. 2009;
poster.
22. K. Novotná, M. Bačáková, N. Kasálková, L. Bačáková, V. Lisá, V. Švorčík, Adhesion and growth of
vascular smooth muscle cells on biofunctionalized polyethylene, Topic L, X-40, Programme, 67, Euromat
2009, 6.-10. 9. 2009, Glasgow, Velká Británie; http://www.euromat2009.fems.eu/; poster.
23. M. Parizek, N. Kasalkova, L. Bacakova, K. Kolarova, V. Lisa, V. Švorčík, Improved adhesion, growth and
maturation of vascular smooth muscle cells on polyethylene grafted with biomolecules, Topic L, X-41,
Programme, 67, Euromat 2009, 6.-10. 9. 2009, Glasgow, Velká Británie; http://www.euromat2009.fems.eu/;
poster.
24. L. Bacakova, Bioactive materials as carriers of cells for tissue regeneration, Abstract Book, 128, 2009 EMRS Fall Meeting, Symposium F, September 14-18, 2009, Warsaw University of Technology, Polsko; zvaná
přednáška.
25. L. Bacakova, L. Grausova, M. Vandrovcova, K. Novotna, A. Kromka, J. Vacik, H. Biederman, Carbon- and
metal-based nanocomposite films as substrates for the adhesion and growth of bone cells, Abstract Book, 195,
2009 E-MRS Fall Meeting, Symposium F, September 14-18, 2009, Warsaw University of Technology,
Polsko; přednáška.
Obhájené Bc. práce
26. M. Bačáková, Adhese a růst cévních hladkých svalových buněk na syntetických polymerech pro tkáňové
inženýrství, Bakalářská práce obhájena v červnu 2009 na VŠCHT Praha.
FGÚ - Návrh postupu prací na rok 2010
Budeme pokračovat ve studiích zahájených v roce 2009, zajména ve studiích na nanoporézních
polymerech, nanovlákenných membránách a vrstvách nanočástic zlata s různými modifikacemi.
Na rok 2010 je podle původního plánu stanoveno:
•
•
Hodnocení adhese, růstu, diferenciace a životaschopnosti osteogenních buněk (vhodných linií i nízce
pasážovaných kultur) na trojrozměrných substrátech (porézních trojrozměrných kompozitech s
hierarchicky organizovanou mikro- a nanostrukturou) v dynamických kultivačních systémech.
Získání komercne dostupných lidských osteoblastu v nízce pasážovaných kulturách, nastavení
optimálních parametru jejich kultivace ve statických i dynamických systémech, měření exprese jejich
diferenciačních markerů.
ÚACH - Ústav anorganické chemie AV ČR Řež (Mgr. Tomáš Baše, PhD.)
ÚACH - Práce plánované na rok 2009
Na rok 2009 bylo podle harmonogramu grantového projektu plánováno pokračování ve studiu modifikací
Au a Ag povrchů. Ze syntetických anorganických úkolů bylo plánováno rozšíření série látek založených na
klastrech hydridů bóru s alespoň jednou SH skupinou pro jejich imobilizaci na površích. Dále byly plánovány
modifikace Au vrstev karboránthiolovými molekulami a následné studium růstu buněk na těchto vrstvách ve
spolupráci s FGÚ.
Lze konstatovat, že harmonogram plánu činnosti na rok 2009 byl dodržen a stanovené cíle byly splněny.
ÚACH - Výsledky dosažené v roce 2009
V roce 2009 byly zahájeny studie vybraných vlastností samouspořádaných monovrstev karboranthiolů.
V rámci této aktivity byla připravena řada nových typů látek odvozených od klastrových sloučenin hybridů bóru
a studován způsob modifikace zlatých povrchů z vodných roztoků sodných solí příslušných karboranthiolů,
mobilita těchto molekul po jejich imobilizaci na površích a pokračování studie stability stříbrných povrchů
modifikovaných karboranthioly.
1. Modifikace zlatých a stříbrných vrstev pomocí karboránthiolů
V rámci modifikací povrchů jsme v prvním roce řešení grantu významně rozšířili portfolio látek založených
na boranových a fullerenových klastrech, pomocí nichž můžeme sledovat vliv chemického složení a struktury
povrchu na růst a diferenciaci buněk. Příprava těchto klastrových látek byl jeden z úkolů řešení grantu a z tohoto
důvodu se mu věnujeme podrobněji. Jednalo se konkrétně o zkompletování série látek odvozených od karboránů
se sumárním vzorcem C2B10H12, které existují ve formě tří pozičních izomerů (orto-, meta- a para-). Dále pak o
thiol deriváty odvozené od dekaboránu, thiol deriváty odvozené od metallaboránů a thiol deriváty odvozené od
rozměrných boranových klastrů jako jsou izomery syn- a anti-B18H22.
1.1 Thiol deriváty odvozené od klastrů C2B10H12
Soupis těchto látek je následující: 8,9,12-(HS)3-1,2-C2B10H9, 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10, 9-HS-1,2-C2B10H11,
1,2-(HS)2-1,2-C2B10H10, 1-HS-1,2-C2B10H11, 9-HS-1,7-C2B10H11, 1-HS-1,7-C2B10H11, 1,7-(HS)2-1,7-C2B10H10, 1HS-1,12-C2B10H11, 1,12-(HS)2-1,12-C2B10H10. Na obr. 1A je pro ukázku jeden z těchto strukturně navzájem
velmi podobných derivátů. Bylo prokázáno, že modifikace povrchů se dá provádět za použití přímo již
zmiňovaných thiol derivátů a nebo jejich sodných solí. Připravili jsme a charakterizovali sodné sole od všech
výše uvedených thiol derivátů. Za použití techniky dynamického světelného rozptylu jsme prokázali agregování
těchto sodných solí ve vodných roztocích a provedli jsme základní korelaci mezi velikostí agregátů a výpočetně i
experimentálně zjištěnými fyzikálními vlastnostmi (dipól moment, krystalová struktura a další). V případě určení
krystalových struktur jsme dosud uspěli u 5 z celkového počtu 10 derivátů. V úsilí vypěstovat ‘single‘ krystal a
získat informace o krystalové struktuře u druhé poloviny derivátů budeme pokračovat v druhém roce řešení
grantu.
1.2 Thiol deriváty odvozené od dekaboránu (B10H14)
Hlavním důvodem přípravy těchto derivátů je možnost nalezení cesty k přípravě thiolovaných
matallaboranů o sumarním vzorci (M2L2)B10H10, které obsahují dva atomy kovu uvnitř boranového klastru.
Byly připraveny a plně charakterizovány (včetně X-ray strukturní analýzy) tři deriváty odvozené od dekaboránu:
1-HS-B10H13, 2-HS-B10H13 a 1,2-(HS)2-B10H12 (Obr. 1B).
1.3 Thiol deriváty metallaboránů
Tyto látky jsou pro nás zajímavé zejména proto, že se jedná o pokročilý systém, který je schopný na sebe
selektivně a reverzibilně vázat malé molekuly plynů, jako jsou např. O2, CO, CO2, SO2. Tato vlastnost je
unikátní a představuje analogii vybraných bio-systémů schopných selektivně vázat a aktivovat např. právě
molekuly kyslíku (O2). Předpokládáme, že příprava thiolových derivátů, které by umožnily tento molekulární
systém imobilizovat na povrchu kovů jako je zlato nebo stříbro, bude předmětem řešení projektu ve druhém roce
řešení projektu. V rámci prvního roku jsme se více zabývali foto-fyzikálními vlastnostmi těchto látek, o kterých
je pojednáno u bodu číslo 4 (Fyzikální a chemické vlastnosti vrstev). Ze syntetického pohledu jsme připravili
meziprodukt obsahující jednu SH skupinu a jeden atom kovu, tedy látku se zjednodušeným vzorcem
(ML)B10(SH) (Obr. 1C). K úspěšnému dokončení nám zbývá inzerce ještě druhého atomu kovu. K provedení
tohoto syntetického kroku byly uskutečněny již první experimenty. Jedním z plánovaných experimentů na rok
2010 je příprava dalších derivátů, které by měly k metallaboranovému klastru přivázané molekuly fullerenů (Obr.
1D). Data a výsledky týkající se thiol derivátů metallaboranů se teprve připravují do publikace. Fullereny
představují zajímavou oblast pro kombinaci s boranovými klastry. Základní studie pro porovnání představují
práce s depozicí fullerenů (prováděné v týmu ÚJF) a jejich použití pro biologické experimenty (prováděné
v týmu FGÚ).
1.4 Thiol deriváty odvozené od syn- a anti-B18H22
Jedná se o prostorově robustnější molekuly [1] než ostatní deriváty zmiňované výše. V projektu byl
připraven a plně charakterizován dithiolový funkční derivát B18H20(SH)2. Jeho vázání ke stříbrnému povrchu
bylo prokázáno měřením pomocí XPS, povrch byl charakterizován i meřením kontaktních úhlů vody.
Obr. 1. Schématické znázornění několika vybraných thiol derivátů boranových klastrů studovaných pro účely modifikace
povrchů. A) molekula 1,7-(HS)2-1,7-C2B10H10. (viz část 2.1), B) 1-HS-B10H13 (viz část 2.2), C) molekula metallaboranu
s jednim atomem kovu v klastru (viz část 2.3) a D) Zelené kuličky ve vrcholech ikosaedru představují atomy bóru, šedivé
kuličky ve vrcholech představují atomy uhlíku a žluté kuličky jsou atomy síry přítomné ve funkčních thiolových skupinách.
2. Modifikace povrchů z vodného prostředí
V rámci této studie byla pozorována agregace sodných solí karboranthiolů rozpustných ve vodě.
Experimenty byly prováděny při různých koncentracích a byla provedena korelace mezi vybranými fyzikálními
a strukturními vlastnostmi (hodnota dipól momentu, hydrofobní charakter, uspořádání molekul v krystalové
mřížce). K této studii bylo použito celkem 10 derivátů karboranthiolů, z nichž mnohé představují poziční
izomery. Rozšíření série derivátů odvozených od klastru C2B10H12 bylo provedeno v roce 2008 (bod C2 zadávací
dokumentace). Studie agregace byla provedena pomocí dynamického rozptylu světla, strukturní aspekty byly
studovány pomocí X-ray difrakce ve spolupráci s Univerzitou v Leedsu v Anglii a hodnoty dipól momentů byly
vyhodnoceny kvantově-chemickými výpočty. Výsledky budou publikovány v roce 2010.
3. Stabilita a mobilita molekul na povrchu
Byla zahájena příprava radioaktivně značených karboranthiolů z důvodu sledování kinetiky výměny
molekul na površích a zároveň jejich mobility. Tento bod je řešen ve spolupráci se zahraničním pracovištěm ve
Švýcarsku.
4. Stabilita modifikovaných stříbrných povrchů
V roce 2009 byl řešitelskému týmu ÚACH AV ČR udělen Český patent (na základě patentové přihlášky
podané v roce 2008) na ochranu povrchů proti korozi [1]. Mezinárodní patentová žádost je v současné době
v řízení. Jednalo se o know-how vyvinuté v rámci systematického studia karboranthiolů na kovových površích.
Výrazná stabilita povrchů modifikovaných vybranými deriváty karboranthiolů je důsledkem celé řady faktorů
(vlastní stabilita karboranových klastrových sloučenin, vazba B-S-kov a další). Základní studie tohoto fenoménu
byla odeslána v roce 2009 do časopisu Surface and Coatings Technology [2]. V souvislosti s portfóliem thiol
derivátů boranových klastrů použitelných k modifikaci povrchů jsme se zabývali i možností přípravy dalších
sloučenin. Hlavní důraz byl kladen na rozšíření portfólia o deriváty, které by přinášely nové vlastnosti. V této
souvislosti byly připraveny a jsou studovány thiol deriváty větších klastrů (syn- a anti-B18H22) a metallaboranů
odvozených od (ML)2B10H10, které mají schopnost selektivně a reverzibilně zachytávat molekuly plynů jako jsou
např. 02, CO, SO2 a další. Dílčí výsledky týkající se větších klastrů byly zpracovány do publikace, která byla
odeslána do časopisu Inorganic Chemistry [3]. Data a výsledky týkající se thiol derivátů metallaboranů se
v současné chvíli do publikace připravují.
ÚACH - Výsledky experimentálních aktivit v roce 2009
Patent
1. T. Baše, M.G.S. Londesborough, J. Bould, Ochrana stříbrných a měděných porchů proti korozi (Protection
of Silver and Copper Surfaces), International patent appl. (PCT/CZ2009/000087), Czech patent 300905.
(http://v3.espacenet.com/publicationDetails/biblio?CC=CZ&NR=300905B6&KC=B6&FT=D&date=200909
09&DB=EPODOC&locale=en_EP).
Články přijaté a v tisku
2. T. Baše, Z. Bastl, V. Havránek, K. Lang, J. Bould, M.G.S. Londesborough, J. Macháček, J. Plešek,
Carborane-Thiol-Silver Interactions. A Comparative Study of the Molecular Protection of Silver Surfaces,
Surface and Coatings Technology, revised version submitted 2009.
3. M.G.S. Londesborough, J. Bould, T. Baše, D. Hnyk, M. Barkardejiev, J. Holub, I. Císařová, J.D. Kennedy,
An Experimental Solution to the ‘Missing Hydrogens’ Question Surrounding the Macropolyhedral 19-vertex
Boron Hydride Monoanion [B19H22], a simplification of its synthesis, and its use as an intermediate in the
first example of syn-B18H22 to anti-B18H22 isomer conversion, Inorganic Chemistry, revised version
submitted 2009.
Konference, semináře
4. T. Baše, Carboranethiol Isomers Providing Molecular Protection for Silver Surfaces - Potential for Nanoenabled Sensors, přednáška, Nano and Green Technologies, 17.-19.11.2009, Javits Convention Center, New
York, USA.
5. T. Baše, Surface Modification with Carborane Clusters, přednáška, National Laboratory Berkeley, 23.4.2009,
California, USA
(http://events.berkeley.edu/index.php/calendar/sn/chem.html?view=summary&timeframe=day&date=200904-23&filter=Secondary%20Event%20Type&filtersel=)
6. M.G.S. Londesborough, New Value from Boron Hydride Clusters: Superior Protection of Metal Surfaces
against Corrosion and the Reversible Sequestration of Small Gas Molecules, přednáška, Nanotech 2009, 3.7.5.2009, Houston, USA.
7. ICMCTF 2009, 27.4. - 1.5.2009, St. Diego, California, USA (T. Baše, Surface Modification with Borane
Clusters: Superior Protection of Metal Surfaces against Corrosion, poster)
8. T. Baše, Surface Modification with Borane Clusters: Superior Protection of Metal Surfaces against Corrosion,
poster, GOLD 2009, 26. - 29.7.2009, Heidelberg, Německo.
9. T. Baše, Gold and Silver Surfaces Modified with Carboranethiols, Superior Quality Protection of Metals,
přednáška, Seminář EMPA (Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research), srpen 2009,
Dübendorf.
10. M.G.S. Londesborough, Boron Hydride Clusters: A New Tool in Chemistry for Solving Problems, přednáška,
Seminář GKSS (GKSS-Forschungszentrum Geesthacht, Helmholtz-Gemeinschaft), 25.10.2009, Hamburg.
11. Série 3 přednášek: T. Baše, Gold and Silver Surfaces Modified with Carboranethiols; J. Bould, Selfassembled Thin Layer Inorganometallic Compounds on Metal Surfaces; M.G.S. Londesborough, Boron
Hydride Clusters: A New Tool in Chemistry for Solving Probléme, Univerzita P.J. Šafárika v Košicích, 10.11.
2009.
12. J. Bould, Self-assembled Thin Layer Inorganic and Inorganometallic Compounds on Metal Surfaces, invited
talk, ICONN 2010 (International Conference On Nanoscience and Nanotechnology), 22.-26. 2. 2010, Sydney,
Austrálie. (Náklady na cestu a konferenční poplatek jsou hrazeny z rozpočtu grantu plánovaného na rok
2009).
ÚACH - Návrh postupu prací na rok 2009
Na rok 2010 jsou plánovány následující úkoly
1) Syntetické práce v oblasti thiolovaných hybridů bóru
Na rok 2010 je v souladu s původním harmonogramem plánována příprava karboránthiolových derivátů
nesoucích ve své molekule kromě SH skupin i jiné funkční skupiny jako jsou např. karboxy skupina
(COO-) nebo ammoniová skupina (NH3+). Tyto deriváty budou použity pro přípravu zlatých popř.
stříbrných částic s biokompatibilním povrchem. Tyto částice pak mohou být deponovány na různé
povrchy a tím použity pro přípravu filmů s konkrétní morfologií (hrubostí) povrchu podobně jak je to
popsané v části 1 této zprávy. Zároveň budou studovány chemické a fyzikální vlastnosti těchto nově
připravených derivátů a příslušných monovrstev těchto derivátů imobilizovaných na rovných zlatých
površích. Kromě techto derivátů budou studovány i boránové klastry nesoucí náboj (např. [B12H11(SH)]2nebo [CB11H10(SH)]1-) pro přípravu zlatých koloidů s velmi přesnou distribucí velikostí částic. U
metallaboránů zmiňovaných v předchozím textu budou studovány jejich opto-fyzikální vlastnosti a tyto
molekuly budou imobilizovány na površích.
2) Studium chemických a fyzikálních vlastností připravených monovrstev thiolovaných hybridů bóru
V roce 2009 byla provedena kvantově chemickými výpočty optimalizace geometrie dvou pozičních
izomerů, 1,2-(HS)2-1,2-C2B10H10 a 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10, na rovném 111 orientované ploše zlata
(výsledky budou publikovány v roce 2010). Tyto výpočty přispěly k porozumnění rozdílných stability
monovrstev těchto dvou derivátů. Na tento partikulární aspekt bude v roce 2010 navázáno podrobnější
studií kinetiky výměny molekul na površích. Tato práce bude prováděna v externí spolupráci s
pracovištěm Empa (Swiss Federal Institute for Materials Research and Testing). Nově připravené
karboránthiolové deriváty budou dále charakterizovány pomocí řady technik, např. NMR, MS, X-ray
strukturní analýza a další.
VŠCHT - Vysoká škola chemicko-technologická Praha (Prof. Ing. Václav Švorčík, DrSc.)
VŠCHT - Práce plánované na rok 2009
V roce 2009 bylo pokračováno v přípravě uspořádaných povrchových morfologií polymerů a dalších
substrátů po jejich ozáření ionty (úkol A4) a ve sledování vlivu povrchových vlastností připravených
nanostruktur na adhezi a proliferaci buněk hladkého svalstva a kožních buněk (úkol B1).
Lze konstatovat, že harmonogram činnosti na rok 2009 byl dodržen a hlavní cíle splněny.
VŠCHT - Výsledky dosažené v roce 2009
Výsledky experimentálních prací provedených ve spoluřešitelském týmu VŠCHT byly prezentovány
v mezinárodních (impaktovaných) časopisech, ve sbornících národních a mezinárodních konferencí,
v přednáškách národních konferencí a staly se podkladem pro řadu diplomových a bakalářských prací. Členové
týmu se dále podíleli jako i spoluautoři na výsledcích prezentovaných v dalších výstupech.
Byly studovány zejména tyto témata:
a) Depozice uhlíkové nanovrstvy na polymerní substráty
Uhlíkové nanovrstvy byly připraveny pomocí metody ‘carbon flash evaporation‘. Jako substráty byly
použity polymery PET (polyethylene terephthalate) a PTFE (polytetrafluorethylen). Byla studována závislost
deponované tloušťky na vzdálenosti substrátu od zdroje depozice. Chemické složení C-vrstvy bylo analyzováno
spektroskopickými metodami FTIR, Ramanovská spektroskopie, XPS, RBS a ERDA. Dále byly studovány
elektrické vlastnosti vrstvy. Napařená vrstva uhlíku měla semikrystalický charakter. U vrstev byla studována
teplotní závislost ‘sheet resistance (Rs)‘ včetně závislosti Rs ≈ exp [(T0/T)1/4], jejich volt-ampérová (V-A)
charakteristika a šířka zakázaného pásu (Egopt). Ukázalo se, že elektrický odpor C-vrstvy klesá s rostoucí teplotou,
což je typické chování pro polovodivé materiály. V-A závislosti mají neohmický charakter, mechanismus
transportu náboje v teplotním intervalu 80-350°K se odehrává podle modelu ‘variable range hopping‘. Podle
Tacovy rovnice byla z UV-Vis spekter stanovena hodnota šířky Egopt napařené C-vrstvy Egopt = 0.1 eV.
b) Roubování PEG na polymer modifikovaný v plasmě a následná interakce s buňkami
Polyethylen (PE) byl modifikován v Ar plasmě. Aktivovaný povrch byl roubován polyethylenglykolem
(PEG) o různé molekulové hmotnosti (300 a 20 000). Vlastnosti modifikovaného PE byly studovány metodou
AFM, EPR a RBS. U PE modifikovaného v plasmě a následně roubovaného PEG byla studována adheze a
proliferace s buňkami hladkého svalstva (VSMC). Bylo ukázáno, že modifikace v plasmě způsobuje štěpení
polymerních řetězců, tvoří se volné radikály a dvojné vazby. Makromolekuly PEG jsou roubovány především na
volné radikály. Modifikace v plasmě a roubování PE dramaticky mění povrchovou morfologii, drsnost povrchu a
smáčivost PE. Naroubovaný PEG neovlivňoval adhezi buněk ale dramaticky zvyšoval jejich proliferaci.
d) Příprava orientovaných polymerních vrstev
Metodou spin-coating byly připraveny mikronové a submikronové vrstvy PMMA. Byla studována možnost
orientovat polymerní dipóly v elektrickém poli v oblasti teploty skelného přechodu (Tg) a teploty tečení (Tf)
PMMA s cílem zvýšit jeho indexu lomu (n) po ochlazení vrstvy pod Tg. Povrchová morfologie byla studována
metodou AFM, tloušťka filmů byla měřena na profilometru, refractive index na refraktometeru. Byla studována
modifikace polymeru s cílem připravit struktury pro aplikace v optoelektronice. Struktury byly připraveny
z PMMA při zvýšené teplotě a současném působení elektrického pole. K formování struktur docházelo jenom
v místech lokální expozice elektrickým polem. Geometrii a velikost připravených struktur lze ovlivnit
aplikovaným napětím, uspořádáním elektrod a tloušťkou výchozí vrstvy polymeru. Tímto postupem byl
připraven a charakterizován kanálkový vlnovod. Dále byly studovány vlnovodné vlastnosti takto připravených
struktur, kdy se ukázalo, že útlum vlnovodu je 2-3 dB/cm, efektivní index lomu 1.6276 a počet módů 30. Tenký
polymerní film byl dále dotován chromoforem (porphyrin), který absorbuje při vlnové délce, při které laserový
konfokální mikroskop (λ = 405 nm) umožňuje skenovat. Při expozici laserovým světlem bylo současně
mechanicky pohybováno se vzorkem, čímž došlo na povrchu polymeru k tvorbě pravidelných struktur. Jejich
parametry závisí na rychlosti pohybu vzorku a intenzitě laserového světla. Tímto způsobem byly připraveny
submikronové struktury (<100 nm) na povrchu vzorků.
e) Depozice a charakterizace ultra-tenkých kovových struktur na polymer modifikovány laserovým zářením
Zlato bylo naprašováno na laserem exponovaný povrch polyethylen terefthalátu (PET). Pro ozařování byly
použity lineárně polarizované světlo pulsních laseru 248 nm KrF a 157 nm F2. Díky parametrům obou laserů
došlo při expozici k tvorbě koherentních pravidelných struktur, které jsou periodické (Obr. 1, 2). V závislosti na
vlnové délce laseru byly připraveny struktury o výšce až několik desítek nm. Na takto modifikované povrchy
bylo naprašováno zlato. Povrch byl analyzován pomocí AFM mikroskopie, analýzou FIB-SEM a úhlovou
spektroskopií XPS (ARXPS). Zlato naprášené na PET modifikovaný laserem KrF vytváří separované
nanovlákna (nanowires) na rozdíl od vzorků exponovaných laserem F2, kde deponované zlato vytváří souvislou
homogenní vrstvu. Analýza XPS dále ukázala, že po modifikaci PET laserem KrF je významný rozdíl v
chemickém složení materiálu na „vlně“ a v „údolí“ vytvořených struktur. Naproti tomu po degradaci PET
laserem F2 má povrch vytvořených struktur v rámci chyby měření homogenní chemické složení. Tento výsledek
vede k názoru, že depozici Au při naprašování významně ovlivňuje chemické složení substrátu.
A - irradiated PET
KrF
Ra=19.
F2
Ra=4.3
B - irradiated and sputtered PET
Au/KrF
Ra=20.2
Au/F2
Ra=4.2
Obr. 1. AFM analýza PET modifikovaného KrF resp. F2 laserem. Vzorky byly naprášeny Au. Ra je hodnota drsnosti v nm.
Obr. 1. FIB-SEM analýza PET modifikovaného KrF (a) resp. F2 (b) laserem a následně byly vzorky naprášeny Au.
f) Depozice a charakterizace ultra-tenkých zlatých struktur na skle
Byly studovány elektrické a optické vlastnosti, hustota a krystalická struktura Au nano-vrstev DC
naprášených na skleněný substrát. Měřili jsme teplotní závislosti plošný odpor (sheet resistance) a volt-ampérové
charakteristiky u těchto struktur. Povrchová morfologie byla studována metodou FIB-SEM a AFM mikroskopií.
Mechanismus transportu náboje a optická excitace těchto kovových částic byla studována pomocí měření ’sheet
resistance’ a UV-Vis spektroskopie. Bylo ukázáno, že v závislosti na teplotě a rozměru Au struktury (< 10 nm)
vykazují tyto částice oba typy elektrické vodivosti (kovový a polovodivý). SEM analýza potvrdila, že
v počátečních stádiích růstu Au vrstev se tvoří izolované ostrůvky kovu. XRD analýzy poskytuje informace o
mřížkovém parametru Au, který klesá s rostoucí tloušťkou Au-vrstvy. Hustota Au struktur vypočítaná
z hmotnosti deponované vrstvy (gravimetrická měření) a efektivní tloušťky (AFM vrypován zkouška) vzrůstá
s tloušťkou deponované vrstvy až do 100 nm, ale je ještě nižší, než je publikováno pro „bulkové“ zlato.
VŠCHT - Výsledky experimentálních aktivit v roce 2009
Vyzvané kapitoly v knihách
1. P. Havelka, T. Sopuch, V. Hnatowicz, P. Suchý, J. Gajdziok, M. Milichovský, V. Švorčík, Chemistry,
technology and applications of oxidized celluloses, In: Cellulose: Structure and Properties, Derivatives and
Industrial Uses (Eds. A.Lejeune and T.Deprez), Nova Sci. Publ., New York, (2010). ISBN: 978-1-60876388-7.
2. V. Švorčík, Z. Kolská, P. Slepička, V. Hnatowicz, From gold nano-particles through gold nano-wire to gold
nano-layers on substrate, In: Gold Nanoparticles: Properties, Characterization and Fabrication, Nova Sci.
Publ., New York, (2010). ISBN:
Články v impaktovaných časopisech
1. L.Grausova, J.Vacik, V.Svorcik, P.Slepicka, P.Bilkova, M.Vandrovcova, L.Bacakova, Fullerene C60 Films of
Continuous and Micropatterned Morphology as Substrates for Adhesion and Growth of Bone Cells, Diamond
Rel. Mater. 18 (2009). 578
2. V.Švorčík, T.Hubáček, P.Slepička, J.Siegel, Z.Kolská, O.Blahová, A.Macková, V.Hnatowicz,
Characterization of carbon nanolayers flash evaporated on PET and PTFE, Carbon 47 (2009) 1770.
3. A.Mackova, J.Bocan, R.I.Khaibullin, V.F.Valeev, P.Slepicka, P.Sajdl, V.Svorcik, RBS, UV-VIS and XPS
characterization of 40 keV Ni+ implanted PEEK, PET and PI, Nucl. Instrum. Meth. B 267 (2009) 1549.
4. V.Švorčík, N.Kasálková, P.Slepička, K.Záruba, L.Bačáková, M.Pařízek, T.Ruml, A.Macková,
Cytocompatibility of Ar plasma-treated and Au nanoparticle-grafted PE, Nucl. Instrum. Meth. B 267 (2009)
1904.
5. O.Lyutakov, V.Prajzler, I.Huttel, A.Jančárek, V.Švorčík, Pattern formation PMMA films by electric field, J.
Polym. Sci. B 47 (2009) 1131.
6. V.Švorčík, A.Chaloupka, K.Záruba, V.Král, O.Bláhová, A.Macková, Deposition of gold nano-particles and
nano-layers on polyethylene modified by plasma discharge and chemical treatment, Nucl.Instrum.Meth. B
267 (2009) 2484.
7. P.Slepička, Z.Kolská, J. Náhlík, V.Hnatowicz, V.Švorčík, Properties of Au nanolayers on PET and PTFE,
Surf. Interf. Anal. 41 (2009) 741.
8. M.Parizek, N.Kasalkova, L.Bacakova, P.Slepicka, M.Blazkova, V.Svorcik, Improved adhesion, growth and
maturation of vascular cells on PE grafted with bioactive molecules, Inter. J. Mol. Sci. 10 (2009) 4352.
9. O.Lyutakov, I.Huttel, J.Siegel, V.Švorčík, Regular Surface Grating on Doped Polymer Induced by Laser
Scanning, Appl. Phys. Lett. 95 (2009) 173103.
Články přijaté a v tisku
10. V.Švorčík, A.Chaloupka, P.Řezanka, P.Slepička, Z.Kolská, N.Kasálková, T.Hubáček, J.Siegel, Aunanoparticles grafted on plasma treated PE, Rad. Phys. Chem.
11. J.Siegel, P.Slepička, J.Heitz, Z.Kolská, P.Sajdl, V.Švorčík, Gold nano-wires and nano-layers at laser induced
nano-ripples on PET, Appl. Surf. Sci.
12. T. Hubáček, O. Lyutakov, V. Rybka, V. Švorčík, Electrical properties of flash evaporated carbon nanolayers
on PTFE, J. Mater. Sci.
13. A.Vasina, P.Slepička, J.Švorčíková, P.Sajdl, V.Švorčík, Gold Nanolayers on Plasma Treated Polypropylene,
J. Adhes. Sci. Technol.
14. N.Kasálková, Z.Makajová, P.Slepička, K.Kolářová, L.Bačáková, M.Pařízek, V.Švorčík, Cells adhesion and
proliferation on plasma-treated and PEG-grafted PE, J. Adhes. Sci. Technol.
15. V.Švorčík, Z.Kolská, T.Luxbacher, J.Mistrík, Properties of Au nano-layer sputtered on PET, Mater. Lett.
Články zaslané do časopisu a články v přípravě
16. O. Lyutakov, I. Huttel, J. Siegel, V. Prajzler, J. Oswald, V. Švorčík, CNTs manipulation on polymer
stimulated by laser, Nanotechnology.
17. O.Lyutakov, J.Tuma, V.Prajzler, I.Huttel, V.Švorčík, Preparation of Rib Channel Waveguides on Polymer in
Electric Field, J. Polym. Sci. B.
18. A.Mackova, P.Malinsky, V.Hnatowicz, R.I.Khaibullin, P.Slepicka, V.Svorcik, The morphology of Ni+
implanted structures in PEEK, PET and PI, Nucl. Instrum. Meth. B.
19. P.Slepička, A.Vasina, Z.Kolská, T.Luxbacher, A.Macková, P.Malinský, V.Švorčík, Argon plasma irradiation
of polypropylene, Nucl. Instrum. Meth. B.
20. J.Siegel, O.Lyutakov, Z.Kolská, P.Šutta, V.Rybka, V.Švorčík, Properties of gold nano-layers sputtered on
glass, Thin Solid Films.
21. Z.Kolská, J.Siegel, J.Říha, V.Švorčík, Density of Au nano-layers sputtered on glass, Mater. Lett.
22. Z.Kolská, J.Siegel, V.Švorčík, Size dependent density of gold nano-clusters and nano-layers, Coll.Czech.
Chem. Comm.
Konference, semináře
23. V.Švorčík, P.Slepička, N.Kasálková, L.Bačáková, K.Záruba, Biocompatibility of Plasma Irradiated PE Grafted
with Au-Nanoparticles, Polymer Chemistry Conference, Cancun, Mexico, Book of Abstracts, p. 40, 3.-7.2.2009.
24. Z.Kolská, P.Slepička, J.Náhlík, V.Švorčík, Au Nanolayer on Pristine and Plasma Treated PET and PTFE,
Polymer Chemistry Conference, Cancun, Mexico, Book of Abstracts, p. 39, 3.-7.2.2009.
25. V.Švorčík, P.Slepička, J.Siegel, Z.Kolská, Nanovrstvy na polymerních filmech pro elektroniku, Aprochem
09, Milovy, 2129-2132, 20.-22.4.2009. ISBN 978-80-02—02105-6
26. V.Švorčík, P.Slepicka, N.Kasálková, L.Bacaková, Cells adhesion on plasma modified and with Au-nanoparticles
grafted PE, Methods in Polymer and Materials Science, Gargnano, Italy, 31.5.-1.6.2009, Book of Abstracts, p.
P24.
27. Z.Kolská, A.Chaloupka, K.Zaruba, O.Bláhová, V.Švorčík, Au nano-particles and nano-layers grafted on plasma
treated PE, Methods in Polymer and Materials Science, Gargnano, Italy, 31.5.-1.6.2009, Book of Abstracts, p.
P11.
28. V.Švorčík, P. Slepička, J. Siegel, Z. Kolská, Au nanovrstvy: příprava, charakterizace a vlastnosti, 56. konf.
CHISA, 19.–22.10. 2009, Srní
29. Z.Makajová, N.Kasálková, A.Macková, V.Švorčík, Fyzikálně-chemické vlastnosti PE roubovaného PEG, 61.
zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 155.
30. P.Slepička, Z.Kolská, N.Kasálková, J.Siegel, V.Švorcik, Au nanovrstvy na plasmaticky modifikovaném PTFE,
61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 153.
31. J.Siegel, K.Bartečková, T.Hubáček, A.Chaloupka, P.Slepička, V.Švorcik, Studium spojitosti Au nanovrstev
na PE, 61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 154.
32. A.Chaloupka, P.Šimek, T.Hubáček, J.Siegel, V.Švorcik, Růst Au nanovrstve na HDPE a skle, 61. zjazd
chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 153.
33. T.Hubáček, A.Chaloupka, O.Lyutakov, J.Siegel, V.Švorcik, Elektrické vlastnosti C nanovrstev připravených
napařováním, 61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 153.
34. A.Vasina, P.Slepička, P.Sajdl, V.Švorcik, Vliv plasmatické modifikace PP na vlastnosti deponovaných Au
vrstev, 61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 172.
35. K.Kolářová, N.Kasálková, Z.Makajová, V.Švorcik, Metakryláty modifikované v plasmě pro bioaplikace, 61.
zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 160.
36. N.Kasálková, Z.Makajová, P.Slepička, L.Bačáková, M.Pařízek, V.Švorcik, Vliv molekulové hmotnosti PEG
na biokompatibilitu PE, 61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009, 155.
37. V.Švorčík, P.Slepička, J.Siegel, Z.Kolská, Nanovrstvy na polymerních filmech pro elektroniku, Aprochem
09, Milovy, 20.-22.4.2009.
38. V.Švorčík, P. Slepička, J. Siegel, Z. Kolská, Au nanovrstvy: příprava, charakterizace a vlastnosti, 56. konf.
CHISA, 19.–22.10. 2009, Srní.
39. Z.Kolská, T.Luxbacher, P.Slepička, V.Švorčík, K.Voldřich, M.Vilimovská, SurPASS for solid polymer
surface analysis, 56. konf. CHISA, 19.–22.10. 2009, Srní.
40. A.Mackova, P.Malinsky, V.Hnatowicz, R.I.Khaibullin, P.Slepicka, V.Svorcik, The morphology of Ni+
implanted structures in PEEK, PET and PI, 19th Int. Meeting on Ion Beam Analysis, University of Cambridge,
UK, 7-11 September, 2009.
41. P.Slepička, A.Vasina, Z.Kolská, T.Luxbacher, A.Macková, P.Malinský, V.Švorčík, Argon plasma irradiation
of polypropylene, 19th Int. Meeting on Ion Beam Analysis, University of Cambridge, UK, 7-11 September,
2009.
42. N.Kasálková, Z.Makajová, P.Slepička, L.Bačáková, M.Pařízek, V.Švorcik, Vliv molekulové hmotnosti PEG
na biokompatibilitu PE, 61. zjazd chemikov, Vysoké Tatry, 7.-11.9.2009.
43. N.Kasálková, Z.Makajová, K.Kolářová, P.Slepička, L.Bačáková, M.Pařízek, V.Švorčík, Cytocompatibility of
plasma-treated and grafted polyethylene, University of Maine, Orono, Maine, USA, 12.-15.7. 2009.
44. P.Slepička, A.Vasina, J.Švorčíková, P. Sajdl, A.Macková, V.Švorčík, Gold nanolayers on plasma treated
polypropylene, University of Maine, Orono, Maine, USA, 12.-15.7 2009.
Patenty
45. O.Lyutakov, I.Huttel, V.Švorčík, Příprava nanostruktur na povrchu polymeru skenováním laserovým svazkem,
PV 2009-656 ze dne 6.10.2009
Obhájené Bc. a Mgr. práce
1. K.Šupová, Adheze buněk na uhlíkové vrstvě deponované na polymer, VŠCHT Praha, 2009
2. B.Vondráčková, Adheze buněk na roubovaném polymeru, VŠCHT Praha, 2009
3. P.Šimek, Studium Au vrstev na polyethylenu modifikovaném v plazmatu, (Bc.), VŠCHT Praha, 2009
4. M.Drhová, Vliv podmínek roubování na vlastnosti polymeru, (Bc.), VŠCHT Praha, 2009
5. K.Bartečková, Modifikace PE v plasmě a roubováním Au nanočástic, (Bc.), VŠCHT Praha, 2009
6. S.Trostová, Vliv plazmatického výboje na povrchové vlastnosti polymeru, (Bc.), VŠCHT Praha, 2009
7. M.Bačáková, Adhese a růst cévních hladkých buněk na modifikovaném PE, (Bc.), VŠCHT Praha, 2009
8. A.Řezníčková, Vliv ablace na povrchové vlastnosti polymeru, VŠCHT Praha, 2009
VŠCHT - Návrh postupu prací na rok 2010
V roce 2010 bude nadále pokračováno v přípravě uspořádaných povrchových morfologií polymerů a dalších
substrátů po jejich ozáření ionty (úkol A4) a ve sledování vlivu povrchových vlastností připravených
nanostruktur na adhezi a proliferaci buněk hladkého svalstva a kožních buněk (úkol B1).