Le domaine de la bioélectronique, qui couple l'électronique et la biologie, présente un fort potentiel pour le développement de nouveaux outils biomédicaux. Les dispositifs à base d’électronique organique sont particulièrement prometteurs; l'utilisation de ces matériaux organiques confère une interface idéale entre les mondes biologique et électronique en raison de leur biocompatibilité et de leur possible grande flexibilité. Le transistor électrochimique organique (OECT) représente un dispositif prometteur dans ce domaine. Des OECT ont par exemple été intégrés dans des systèmes permettant de détecter localement l’activité ionique/biomoléculaire, de mesurer l'activité d'une cellule unique, mais aussi d’effectuer la caractérisation de tissus et le suivi du fonctionnement d’organes entiers. L'OECT est un dispositif extrêmement polyvalent qui apparaît comme un outil thérapeutique et de diagnostic de première importance. L'utilisation de matériaux organiques tels que les polymères conducteurs, rend l‘OECT adaptable pour une large gamme d'applications. Un exemple représentatif est le capteur de glucose. L'OECT, en raison de ses propriétés d'amplification, peut augmenter ces courants de plusieurs ordres de grandeurs. Utilisé comme capteur de glucose, il montre une forte sensibilité et des limites de détection des concentrations de l’ordre du nanomolar. Cependant, en dehors d’une meilleure précision de mesure, la stabilité est nécessaire pour les applications à long terme. Par exemple, ces capteurs se doivent d'enregistrer en continu les variations de glycémie chez des personnes pendant plusieurs jours et sans défaillance. Le glucose est la source d'énergie principale du cerveau. Ainsi, l'enregistrement de la modulation des niveaux de glucose avant et/ou pendant la crise d'épilepsie peut donner beaucoup d'informations dans la compréhension de cette maladie. Pour des applications à long termes, une liaison covalente de la biomolécule est préférable.La biofonctionnalisation des polymères conducteurs, qui sont utilisés comme matières actives dans les OECTs, est une étape obligatoire qui mettra en évidence les propriétés de l’OECT telles que la biocompatibilité, la stabilité, et la fonctionnalité. Dans ce travail, des méthodes de biofonctionnalisation du poly (3,4-éthylènedioxythiophène) dopé avec des anions de tosylate (PEDOT: TOS) ou dopé avec du poly (styrène sulfonate) (PEDOT: PSS) ont été développéeset ont conduitsent à des améliorations telles que la biocompatibilité accrue avec les cellules et à une stabilité accrue pour les applications de détection. En outre, nous avons étudié l'utilisation de liquides ioniques en combinaison avec des polymères réticulables comme alternatives aux électrolytes conventionnelles. Ces gels ioniques électrolytes ont amélioré la stabilité des enregistrements électrophysiologiques. Enfin, des mesures in vitro de l'activité métabolique de la cellule ont été effectuées. Le suivi de l'absorption du glucose et de la conversion en lactate fournit des informations sur la santé des cellules et comment ses activités métaboliques sont affectées par la présence de composés toxiques et d’agents pathogènes. / The rising field of bioelectronics, which couples the realms of electronics and biology, holds huge potential for the development of novel biomedical devices for therapeutics and diagnostics. Organic electronic devices are particularly promising; the use of robust organic electronic materials provides an ideal bio-interface due to their reported biocompatibility, and mechanical matching between the sensor element and the biological environment, are amongst the advantages unique to this class of materials. One promising device emerging from this field is the organic electrochemical transistor (OECT). The OECT combines properties and characteristics that can be tuned for a wide spectrum of biological applications. These applications have allowed the development of OECTs to sense local ionic/biomolecular and single cell activity, as well as characterization of tissue and even monitoring of function of whole organs. The OECT is an extremely versatile device that emerges as an important player for therapeutics and diagnostics.The use of organic materials, such as conducting polymers, makes the OECT tunable for a wide range of applications. For example, OECTs have been used for sensing applications. A representative example is the glucose sensor. The OECT has been used as glucose sensor and has shown high sensitivities and low limit of detection for concentrations at the nanomolar range. However, apart from high sensitivities, stability and reproducibility are common necessities for long term applications. For example, it is of equal importance for these sensors to continuously record variations of glucose for diabetic patients, since multiple measurements per day without failure are necessary. Additionally, stability is necessary for implantable sensors. For brain cells such as neurons, glucose is the main energy source. Thus recording modulations of glucose levels before or during an epileptic crisis will enhance our understanding of this disease. Long-term stabilities for these sensors can be achieved through biofunctionalization, which is a method to attach a biomolecule to a device. For long term applications a covalent binding of the biomolecule is preferred. Biofunctionalization of conducting polymers, which are used as active materials in OECTs, is a mandatory step that can enhance OECT properties such as biocompatibility, stability, and functionality. In this work, different biofunctionalization methods of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) doped with tosylate anions (PEDOT:TOS) or doped with poly(styrene sulfonate) (PEDOT:PSS) have been explored. The biofunctionalization methods have led to improvements for different applications such as better interfaces with living cells, and better stability for enzymatic sensors. Additionally, we have employed the use of ionic liquids in combination with cross-linkable polymers as alternative solid state electrolytes. These electrolytes are improving the stability of recordings in electrophysiology. Finally, in vitro measurements of metabolic activities in cells have been explored. The monitoring of glucose uptake and its conversion to lactate is a sensitive indicator of the viability of these cells. Furthermore, in the presence of toxic compounds and pathogens, the nature or kinetics of these metabolic activities is getting affected. Therefore, OECTs used for glucose and lactate sensing can at the same time be used for Immunosensing.

Biofunctional interfaces capable of anchoring biomolecules and nanoparticles of interest onto a platform are the key components of many biomedical assays, clinical pathologies, as well as antibacterial and antiviral surfaces. In an ideal biofunctional surface, bio-entities and particles are covalently immobilized on a substrate in order to provide robustness and long-term stability. Nonetheless, most of the reported covalent immobilization strategies incorporate complex wet-chemical steps and long incubation times hindering their implementation for mass production and commercialization. Another essential factor in the biointerface preparation, specially with regard to biosensors and diagnostic applications, is utilization of an efficient and durable blocking agent that can inhibit non-specific adsorption of biomolecules thereby enhancing the sensitivity of sensors by diminishing the level of background noise. Many of the commonly used blocking agents lack proper prevention of non-specific adsorption in complex fluids. In addition, most of these agents are physically attached to surfaces making them unreliable for long-term usage in harsh environments (i.e. where shear stresses above 50 dyn/cm2 or strong washing buffers are involved). This thesis presents novel and versatile strategies to covalently immobilize nanoparticles and biomolecules on substrates. The new surface coating techniques are first implemented for robust attachment of TiO2 nanoparticles onto ceramic tiles providing self-cleaning properties. Further, we utilize similar strategies to covalently immobilize proteins and culture cells in microfluidic channels either as a full surface coating or as micropatterns of interest. The new strategies allow us to obtain adhesion of ~ 400 cells/mm2 in microfluidic channels after only 1-day incubation, which is not achievable by the conventional methods. Moreover, we show the possibility of covalently micropatterning of biomolecules on lubricant-infused surfaces (LISs) so as to attain a new class of biofunctional LISs. By integration of these surfaces into a biosensing platform, we are able to detect interleukin 6 (IL-6) in a complex biofluid of human whole plasma with a limit of detection (LOD) of 0.5 pg.mL-1. This LOD is significantly lower than the smallest reported IL-6 LOD in plasma, 23 pg mL-1, using a complex electrochemical system. The higher sensitivity of our developed biosensor can be attributed to the distinguish capability of biofunctional LISs in preventing non-specific adhesion of biomolecules compared to other blocking agents. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / The key goal of this thesis is to provide new strategies for preparation of robust and durable biointerfaces that could be employed for many biomedical devices such as self-cleaning coatings, microfluidics, point-of-care diagnostics, biomedical assays, and biosensors in order to enhance their efficiency, sensitivity, and precision. The introduced surface biofunctionalization methods are straightforward to use and do not require multiple wet-chemistry steps and incubation times, making them suitable for mass production and high throughput demands. Moreover, the introduced surface coating strategies allow for creation of antibody/protein micro-patterns covalently bound onto a biomolecule-repellent surface. The repellent property of the surfaces is resulted from infusion of an FDA-approved lubricant into the surface of a chemically modified substrate. While the surface repellency can effectively prevent non-specific adhesion of biomolecules, the patterned antibodies can locally capture the desired analyte, making them a great candidate for biosensing.

In recent years, magnetic nanowires (NWs) have been widely used for their therapeutic potential in biomedical applications. The use of iron (Fe) NWs combines two important properties, biocompatibility and remote manipulation by magnetic fields. In addition the NWs can be coated and functionalized to target cells of interest and, upon exposure to an alternating magnetic field, have been shown to induce cell death on several types of adherent cells, including several cancer cell types. For suspension cells, however, using these NWs has been much less effective primarily due to the free-floating nature of the cells minimizing the interaction between them and the NWs. Leukemic cells express higher levels of the cell surface marker CD44 (Braumüller, Gansauge, Ramadani, & Gansauge, 2000), compared to normal blood cells. The goal of this study was to functionalize Fe NWs with a specific monoclonal antibody towards CD44 in order to target leukemic cells (HL-60 cells). This approach is expected to increase the probability of a specific binding to occur between HL-60 cells and Fe NWs. Fe NWs were fabricated with an average diameter of 30-40 nm and a length around 3-4 μm. Then, they were coated with both 3-Aminopropyl-triethoxysilane and bovine serum albumin (BSA) in order to conjugate them with an anti-CD44 antibody (i.e. anti-CD44-iron NWs). The antibody interacts with the amine group in the BSA via the 1-Ethyl-3-3-dimethylaminopropyl-carbodiimide and N-Hydroxysuccinimide coupling. The NWs functionalization was confirmed using a number of approaches including: infrared spectroscopy, Nanodrop to measure the concentration of CD44 antibody, as well as fluorescent-labeled secondary antibody staining to detect the primary CD44 antibody. To confirm that the anti-CD44-iron NWs and bare Fe NWs, in the absence of a magnetic field, were not toxic to HL-60 cells, cytotoxicity assays using XTT (2,3-Bis-2-Methoxy-4-Nitro-5-Sulfophenyl-2H-Tetrazolium-5-Carboxanilide) were performed and resulted in a high level of biocompatibility. In addition, the internalization of the coated NWs have been studied by coating them with a pH dependent dye (pHrodoTM Red) that showed a signal once the NWs were internalized by the cell.

De nos jours, efficacité et précision des diagnostics médicaux sont des éléments essentiels pour la prévention en termes de santé et permettre une prise en charge rapide des maladies des patients. Les récentes innovations technologiques, particulièrement dans les domaines de la microélectronique et des sciences des matériaux ont permis le développement de nouvelles plateformes personnalisées de diagnostics portatifs. Les matériaux électroniques organiques qui ont déjà par le passé démontré leur potentiel en étant intégrés dans des produits de grande consommation tels que les écrans de smartphones ou encore les cellules solaires montrent un fort potentiel pour une intégration dans des dispositifs biomédicaux. En effet, de par leurs natures et leurs propriétés physiques et chimiques, ils peuvent être à la fois en contact avec les milieux biologiques et constituer l’interface entre les éléments biologiques à l’étude, et les dispositifs électroniques. L’objectif de mes travaux de thèse et d’étudier et évaluer les performances des matériaux organiques électroniques intégrés dans des dispositifs biomédicaux en étudiant leurs interactions avec des milieux biologiques et par l’utilisation et l’optimisation de ces dispositifs permettre la détection de métabolites tel que le glucose ou lactate par exemple. Pendant ma thèse, j’ai notamment créé une plateforme de diagnostics combinant à la fois microfluidique et électronique organique permettant la multi détection de métabolites présents dans des fluides corporels humains, j’ai également conçu des capteurs intégrant des transistors organiques au sein des circuits électroniques classiques afin de détecter la présence des cellules tumorales. D’autres applications biologiques ont également été envisagées telles que la détection d’acides nucléiques par l’utilisation d’une approche simple de biofonctionnalisation. Bien que l’objectif ma thèse était de de créer des capteurs biomédicaux en utilisant une approche in vitro, il pourrait être également possible d’intégrer ces dispositifs « in vivo » ou encore dans des e-textiles. / Rapid and early diagnosis of disease plays a major role in preventative healthcare. Undoubtedly, technological evolutions, particularly in microelectronics and materials science, have made the hitherto utopian scenario of portable, point-of-care personalized diagnostics a reality. Organic electronic materials, having already demonstrated a significant technological maturity with the development of high tech products such as displays for smartphones or portable solar cells, have emerged as especially promising candidates for biomedical applications. Their soft and fuzzy nature allows for an almost seamless interface with the biological milieu rendering these materials ideally capable of bridging the gap between electronics and biology. The aim of this thesis is to explore and validate the capabilities of organic electronic materials and devices in real-world biological sensing applications focusing on metabolite sensing, by combining both the right materials and device engineering. We show proof-of-concept studies including microfluidic integrated organic electronic platforms for multiple metabolite detection in bodily fluids, as well as more complex organic transistor circuits for detection in tumor cell cultures. We finally show the versatility of organic electronic materials and devices by demonstrating other sensing strategies such as nucleic acid detection using a simple biofunctionalization approach. Although the focus is on in vitro metabolite monitoring, the findings generated throughout this work can be extended to a variety of other sensing strategies as well as to applications including on body (wearable) or even in vivo sensing.

Dans les prochaines années, les traitements des maladies graves (cancer, pathologies du cerveau, etc) pourraient fortement bénéficier des progrès en science des matériaux et des nanotechnologies. Du point de vue médical, il est bien connu que les cellules cancéreuses ont tendance à développer des résistances aux chimiothérapies dont les effets secondaires limitent considérablement l'efficacité des traitements. Pour ces raisons, la recherche de thérapies alternatives ciblant les cellules cancéreuses sans affecter les tissus sains est actuellement l'un des domaines les plus actifs de recherche sur le cancer. Dans ce contexte, les nanoparticules magnétiques reçoivent un intérêt croissant pour diverses applications biomédicales allant du diagnostic au traitement ciblé. En effet, grâce à leur possibilité d'actionnement contrôlé à distance par des champs magnétiques externes, les particules magnétiques ont la capacité d'exercer des forces ou couples localisés sur des espèces biologiques ciblées.Ce travail de thèse décrit une approche basée sur l'action mécanique de particules magnétiques bio-fonctionnalisées sur des cellules cancéreuses. Lorsque ces particules sont liées aux cellules cancéreuses, l'application d'un champ magnétique alternatif externe induit l'oscillation des particules, qui transmet alors une force mécanique aux cellules cancéreuses.Les particules magnétiques utilisées pour cette application ont fait l'objet d'un long développement. Contrairement aux particules magnétiques conventionnelles synthétisées par des voies chimiques (« bottom-up »), les particules étudiées dans cette thèse ont été spécialement conçues par des techniques développées pour la micro/nanoélectronique (« top-down »). Ainsi, deux types de particules magnétiques ont été comparés ; des particules antiferromagnétiques synthétiques (SAF) constituées d'empilements de couches magnétiques et des microparticules constituées d'une couche magnétique unique avec une configuration de vortex magnétique.Une fois ces particules mises en solution, les phénomènes d'auto-polarisation qui contribuent à l'agglomération / dispersion de ces particules par les interactions magnétostatiques ont été comparés, ainsi que les couples mécaniques que ces deux types de particules magnétiques peuvent générer sur les cellules cancéreuses lorsqu'elles sont soumises à un champ magnétique externe.Bien que les particules SAF génèrent de plus grands couples, remplacer les constituants de l'empilement magnétique par des matériaux biocompatibles reste délicat, ce qui n'est pas le cas de leurs homologues en vortex magnétique, facilement réalisables avec des oxydes de fer.En exploitant les propriétés des vortex magnétiques en NiFe, nous avons développé une approche pour la destruction ciblée des cellules cancéreuses du carcinome rénal humain. Les tests menés in-vitro montrent que ce stimulus magnéto-mécanique créé deux effets dramatiques : une diminution significative du taux de cellules cancéreuses vivantes, et l'initiation du processus d'apoptose (ou mort cellulaire programmée) et ce, en appliquant de faibles valeurs de champs (~100 Oe c'est-à-dire 10mT) à de très faibles fréquences (~ 20 Hz). Des études pour la quantification de la mort cellulaire par cytométrie en flux ont été menées. Les résultats déjà obtenus bien qu'au stade « preuve de concept » sont très encourageants pour le futur des nouvelles thérapies du cancer. / In the coming years, the treatment of serious diseases (cancer, brain diseases, etc.) could benefit more intensely from advances in materials science and nanotechnology. From the medical point of view, it is well known that cancer cells tend to develop resistance to chemotherapy, and the side effects encountered seriously limit the effectiveness of treatments. For these reasons, the search for alternative therapies that target cancer cells without affecting healthy tissues is currently one of the most active areas of research on cancer. In this context, magnetic nanoparticles are receiving an increasing interest in a variety of applications ranging from biomedical diagnostic to targeted treatments. Indeed, due to their remote actuation by external magnetic fields, the magnetic particles have the ability to locally perform actuations on targeted biological species.This thesis describes an approach based on interfacing cancer cells with bio-functionalized magnetic particles. When these particles are bound to the cancer cells, applying an external alternating magnetic field induces the particles oscillations, which then transmits a mechanical stress to the cancer cells.For this application, specific magnetic particles were prepared. Unlike conventional magnetic particles made by chemical routes ("bottom-up"), the particles studied in this thesis have been specially designed by techniques used in micro / nanoelectronics ("top-down"). Thus, two types of magnetic particles were compared; synthetic antiferromagnetic particles (SAF) consisting of magnetic multilayer stacks and microparticles consisting of a single magnetic layer with a magnetic vortex configuration.Once these particles released in a solution, the self-polarization phenomenon that contributes to the agglomeration / dispersion of these particles by magnetostatic interactions were compared for both types of particles as well as the mechanical torques that they can exert on cancer cells when subjected to an external magnetic field.Although SAF particles generate higher torques, finding biocompatible materials that may replace the constituents of the magnetic stack remains difficult, while vortex-particles would be easier to make in magnetic iron oxides.By exploiting the properties of NiFe magnetic vortices, we have developed an approach for the targeted destruction of the human renal carcinoma cells. The tests launched in vitro show that the magneto-mechanical stimulus creates two dramatic effects: a significant decrease in the rate of alive cancer cells, and the initiation of the apoptosis (programmed cell death). These results were achieved by applying low field values (~ 100 Oe i.e.10mT) at low frequencies (~ 20 Hz). Studies for the quantification of cell death by flow cytometry were conducted. The results already obtained even at the stage of "proof of Concept" are very encouraging for new perspectives of cancer therapies.

A continuous glucose sensor employing radio frequency (RF) signals is presented using the biocompatible material Silicon Carbide (SiC). Unlike biosensors that require direct contact with interstitial fluids to trigger chemical reactions to operate, this biocompatible SiC sensor does not require a direct interface. The sensing mechanism for this SiC sensor is based upon a shift in resonant frequency, as a function of change in glucose levels, which electrically manifests itself as a change in blood permittivity and conductivity. For in vivo applications the antenna sensor needs to operate inside the body environment, and it has been found that the best operational location of this biocompatible SiC sensor is within fatty tissue in close proximity to blood vessels. To test glucose levels, measurements using synthetic body fluid (SBF), which is electrically equivalent to blood plasma, were performed. Changes in sensor performance to varying glucose levels were measured and a shift in resonant frequency to lower values observed with increasing glucose level. In vitro sensor performance demonstrated that the sensor showed a dose dependent response to glucose concentration from 120 mg/dl to 530 mg/dl. A shift of 40 MHz was observed corresponding to a 97 kHz shift per 1 mg/dl change in blood glucose. Similarly the blood glucose levels were measured in pig blood using the same SiC based antenna sensor. The dependence of glucose concentration on resonance frequency observed with pig blood followed the same trend as the bloodviii mimicking experiment discussed earlier. The sensor performance was linear with the frequency shift being a direct function of glucose concentration. An in vivo experiment for foreign body response to subcutaneously-implanted antenna has been conducted using a pig/swine animal model. Tissue histology analysis showed that all-SiC antenna and poly ethylene glycol (PEG) coated Ti/Au antenna did not have any inflammatory immune response for 30 days. However, some inflammatory signs were found on bare Ti/Au antenna. The histological tissue analysis on a-SiC coated and single crystal 3C-SiC samples did not show any significant inflammatory response.

abstract: In this work, a novel method is developed for making nano- and micro- fibrous hydrogels capable of preventing the rejection of implanted materials. This is achieved by either (1) mimicking the native cellular environment, to exert fine control over the cellular response or (2) acting as a protective barrier, to camouflage the foreign nature of a material and evade recognition by the immune system. Comprehensive characterization and in vitro studies described here provide a foundation for developing substrates for use in clinical applications. Hydrogel dextran and poly(acrylic acid) (PAA) fibers are formed via electrospinning, in sizes ranging from nanometers to microns in diameter. While "as-electrospun" fibers are continuous in length, sonication is used to fragment fibers into short fiber "bristles" and generate nano- and micro- fibrous surface coatings over a wide range of topographies. Dex-PAA fibrous surfaces are chemically modified, and then optimized and characterized for non-fouling and ECM-mimetic properties. The non-fouling nature of fibers is verified, and cell culture studies show differential responses dependent upon chemical, topographical and mechanical properties. Dex-PAA fibers are advantageously unique in that (1) a fine degree of control is possible over three significant parameters critical for modifying cellular response: topography, chemistry and mechanical properties, over a range emulating that of native cellular environments, (2) the innate nature of the material is non-fouling, providing an inert background for adding back specific bioactive functionality, and (3) the fibers can be applied as a surface coating or comprise the scaffold itself. This is the first reported work of dex-PAA hydrogel fibers formed via electrospinning and thermal cross-linking, and unique to this method, no toxic solvents or cross-linking agents are needed to create hydrogels or for surface attachment. This is also the first reported work of using sonication to fragment electrospun hydrogel fibers, and in which surface coatings were made via simple electrostatic interaction and dehydration. These versatile features enable fibrous surface coatings to be applied to virtually any material. Results of this research broadly impact the design of biomaterials which contact cells in the body by directing the consequent cell-material interaction. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Bioengineering 2011

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Modifizierung von Beschichtungen auf Basis von diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC). Die Modifizierung erfolgte mittels Elektronenstrahl (eBeam) und sollte der Oberflächenfunktionalisierung durch die Steuerung der Zelladhäsion dienen. Das Anwendungsfeld der modifizierten DLC-Schichten findet sich im biomedizinischen Bereich. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren aus Formgedächtnislegierung (FGL) herangezogen. Diese sollen in Hüftendoprothesen genutzt werden. Ihre Aufgabe ist es, bei Implantatlockerung eine Wiederverankerung im Knochen, ohne äußeren Eingriff zu ermöglichen. Die Aktoren stellen an eine Beschichtung besondere Herausforderungen hinsichtlich Schichtstabilität und -flexibilität, Zelladhäsion sowie Barrierefunktion. Im Folgenden werden die untersuchten Schwerpunkte mit Bezug auf dieses Anwendungsbeispiel zusammenfassend dargestellt. Im ersten Abschnitt der vorliegenden Arbeit wurden vier Abscheidemethoden für DLC-Beschichtungen verglichen: die plasmaaktivierte chemische Gasphasenabscheidung (PA CVD), das Magnetronsputtern (PVD-Spu), und die Lichtbogenverdampfung ungefiltert und -gefiltert (PVD-Arc bzw. PVD-Arcfil). Aus diesen Abscheidemethoden sollte eine für das medizintechnische Einsatzgebiet geeignete Methode zur DLC-Abscheidung ausgewählt werden. Dafür wurden folgende Kriterien untersucht: Schichtmorphologie und stabilität, Biokompatibilität und die Möglichkeit zur Modifizierung mittels eBeam. Es zeigte sich, dass mittels Magnetronsputtern homogene DLC-Schichten abgeschieden werden können. Diese Beschichtungen zeigen im Vergleich zu den Beschichtungen der anderen Abscheideverfahren die beste Biokompatibilität. Die Modifizierung der Schichten mittels eBeam ermöglicht eine gezielte Verringerung der Zelladhäsion auf den Oberflächen, ohne zelltoxische Nebenwirkungen. Mit diesem Resultat wird die ausgewählte Beschichtung den Funktionsansprüchen des Anwendungsbeispiels gerecht. Als Anwendungsbeispiel wurden Aktoren einer intelligenten Hüftendoprothese herangezogen. Die Aktoren bestehen aus FGL-Material und sollen im Anwendungsfall eine intrakorporale Verformung durchführen. Die DLC-Beschichtung soll den Austritt von toxischen Nickelionen aus diesem Material verringern. Daher ist die Stabilität der DLC-Schichten auf den Aktoren für den zielgerechten Einsatz von grundlegender Bedeutung. Die Formflexibilität von DLC-Schichten ist aus der Literatur bekannt, womit sie eine geeignete Barrierebeschichtung für verformbare Bauteile darstellen, ohne dabei die Funktion des Substratmaterials zu beeinträchtigen. Grundlage für diese Formflexibilität stellen eine gute Schichthaftung und Langzeitstabilität dar. Auch an dieser Stelle zeigten die mittels Magnetronsputtern abgeschiedenen DLC-Schichten sehr gute Ergebnisse. Selbst die Beanspruchung durch wiederholte Desinfektion und Sterilisation führte bei dieser Beschichtung zu keiner Veränderung. Im Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese kann es an der Implantat-Knochen-Schnittstelle zu Mikrobewegungen kommen. Durch die im Vergleich zu den anderen Beschichtungen sehr guten Ergebnisse der PVD-Spu-Schichten bei der tribologischen Charakterisierung, stellen diese Schichten eine für das Anwendungsbeispiel geeignete Beschichtung dar. Ein geringer Reibwert gewährleistet dabei eine ungestörte Gewebsintegration. Das Magnetronsputtern wurde basierend auf diesen Ergebnissen als geeignete Abscheidemethode für die DLC-Beschichtung von Implantatmaterialien ausgewählt. Im zweiten Abschnitt der Arbeit wurden die Modifizierung der Beschichtung, die Reaktion im biologischen Kontakt und die Barrierefunktion der Schichten bewertet. Durch die eBeam-Modifizierung der DLC-Beschichtung wird eine Hydrophilierung erzielt, die mit einer signifikanten Verringerung der Zellzahl auf der Oberfläche verbunden ist. Nach Beurteilung der Schichtmorphologie von unbehandelten und modifizierten DLC-Oberflächen konnte ausgeschlossen werden, dass die Hydrophilierung auf Veränderungen der Oberflächenmorphologie zurück zu führen ist. Vielmehr wurden chemisch-energetische Veränderungen als Ursache identifiziert, wobei die indirekte eBeam-Wirkung während der Modifizierung zum Tragen kommt. Die Intensität der Hydrophilierung ist dosisabhängig und zeigt eine Art Sättigungsverhalten ab 500 kGy. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Modifizierung der Anteil stickstoff- und sauerstoffhaltiger Funktionalitäten auf der DLC-Oberfläche zunimmt. Die Verringerung der Zellzahl, welche ebenfalls eine Art Sättigung bei 500 kGy zeigt, steht über die Proteinadhäsion mit diesen Veränderungen in direktem Zusammenhang. In Korrelation mit der Literatur scheint es durch die Zunahme der sauerstoffhaltigen Funktionalitäten zu einer veränderten Proteinadhäsion zu kommen. Dabei wird die Proteinkonformation verändert, was die anschließende Zelladhäsion verringert. Mittels eBeam können sehr feine Strukturen bis in den Mikrometerbereich modifiziert werden, was bedeutet, dass damit die Zelladhäsion in den aneinander angrenzenden Bereichen des Aktors gezielt eingestellt werden kann. Damit wird die DLC-Beschichtung mit dieser Modifizierung den Funktionsansprüchen des Aktorbauteiles gerecht. Die Analyse der Langzeitstabilität zeigte, dass die Modifizierung sowohl an Luft als auch in phosphatgepufferter Salzlösung (PBS) über einen Zeitraum von mindestens zwei Monaten stabil ist. Somit kann für das Anwendungsbeispiel die Modifizierung bereits langfristig vor dem Einsatz eines Implantates erfolgen. Bisher wurden derartige Modifizierungen hauptsächlich mittels Plasmabehandlung durchgeführt. Im Gegensatz zur vorliegenden Arbeit können damit jedoch keine zeitlich stabilen Effekte erzielt werden. Weitere Nachteile der Plasmamethoden ergeben sich durch Materialveränderungen und verhältnismäßig lange Prozesszeiten. Weiterhin wird laut Literatur bei der Plasmabehandlung von DLC-Oberflächen eine Steigerung der Zelladhäsion erzielt. In der vorliegenden Arbeit besteht das Ziel jedoch in der Verringerung der Zelladhäsion, wodurch sich auch unter diesem Aspekt die eBeam-Modifizierung gegenüber der Plasmamodifizierung als vorteilhaft erweist. Zusätzlich wurde neben der Langzeitstabilität für die eBeam-modifizierten DLC-Beschichtungen auch eine Stabilität gegenüber chemisch-mechanischer Reinigung mit anschließender Dampfsterilisation belegt. Da jedoch die FGL-Aktoren im Anwendungsbeispiel durch thermischen Energieeintrag aktiviert werden, könnte die herkömmliche Anwendung der Dampfsterilisation ein Problem darstellen. Auch dafür bietet die eBeam-Behandlung als alternative Sterilisationsmethode einen Lösungsansatz. Mit einer Sterilisationsdosis von lediglich 25 kGy ist die Anwendung des eBeams sowohl zur Sterilisation von unbehandelten als auch modifizierten DLC-Oberflächen möglich, ohne deren Eigenschaften oder die des beschichteten Substrates zu beeinflussen. Die eBeam-Modifizierung der DLC-Oberflächen bietet basierend auf den vorliegenden Ergebnissen eine Möglichkeit zur Steuerung der Zelladhäsion, da in den modifizierten Bereichen eine signifikante Verringerung der Zellzahl erzielt wird. Eine Verringerung der Zellzahl ist für die beweglichen Bereiche der FGL-Aktoren besonders wichtig, um deren Funktion zu gewährleisten (s. Abbildung 1). Für die modifizierten Schichten werden dabei keine Beeinträchtigung der Zellvitalität oder Veränderungen der Phasen des Zellzyklus festgestellt. Weiterhin ist belegt, dass von diesen Beschichtungen kein erhöhtes Entzündungspotential ausgeht, was den uneingeschränkten Einsatz der modifizierten DLC-Beschichtungen im biomedizinischen Bereich ermöglicht. Die unbehandelten DLC-Oberflächen hingegen sollen im Anwendungsbeispiel eine schnelle Implantatintegration gewährleisten. Auch diesem Anspruch wird die Beschichtung gerecht, da die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen auf diesen Oberflächen uneingeschränkt verläuft. Die Analyse des Calciumgehaltes als späten Differenzierungsmarker lässt sogar auf einen stimulierenden Effekt durch die Schichten schließen. Folglich kann für den Anwendungsfall der Hüftendoprothese eine beschleunigte Osseointegration erwartet werden. Die größte Herausforderung für die DLC-Beschichtungen bestand in der Verringerung des Nickelaustrittes aus dem FGL-Material. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche belegen, dass aus unbeschichteten FGL Nickelionen austreten und die Stoffwechselaktivität von Osteoblasten beeinflussen. Auf DLC-beschichteten Proben hingegen kann kein messbarer Austritt von Nickelionen festgestellt werden. Im Direktkontakt mit humanen Osteoblasten zeigt sich auf den unbeschichteten FGL eine unnatürliche Zellmorphologie, was auf den Nickelaustritt zurückgeführt werden kann. Dahingegen erscheinen die Zellen auf den DLC-beschichteten Oberflächen in vitaler Morphologie. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wirksamkeit der DLC-Beschichtung als Barriere gegenüber dem Austritt von Nickelionen. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Magnetronsputtern die Abscheidung von DLC-Schichten ermöglicht, die dem Anwendungsbeispiel Hüftendoprothese mit FGL-Aktor sowohl hinsichtlich Barrierefunktion als auch Biokompatibilität gerecht werden. Die Modifizierung mittels eBeam gewährleistet dabei die gezielte Steuerung der Zellzahl, wodurch die DLC-Beschichtungen auch die biofunktionalen Ansprüche des Anwendungsbeispiels bedienen. DLC-Beschichtungen weisen aufgrund ihrer großen Variabilität hinsichtlich Materialeigenschaften und der sehr guten Biokompatibilität ein breites Spektrum für biomedizinische Anwendungen auf. Die eBeam-Modifizierung der Beschichtungen eröffnet aufgrund ihrer Langzeitstabilität darüber hinaus weitere Einsatzfelder. Vor allem die Option einer partiellen Oberflächenmodifizierung ermöglicht es, variierenden Funktionsansprüchen zahlreicher Anwendungen gerecht zu werden und die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse auf weitere Einsatzfelder zu übertragen.

La salud y el bienestar siempre han sido el centro de atención de muchas instituciones de investigación y empresas de todo el mundo. Esto llevó a la tecnología a desarrollarse en los campos químico, biológico, médico y clínico con el objetivo de proporcionar una mejor protección al ser humano. Como consecuencia, ha surgido una competición entre el tiempo necesario para que la enfermedad progrese y el tiempo necesario para que el hombre trate dicha enfermedad. Para ganar esta competición, es necesario actuar con anticipación, cuando la enfermedad aún no está demasiado desarrollada. Esto es posible realizando una detección precoz de la enfermedad. El logro de este objetivo allana el camino para el desarrollo de dispositivos ópticos de biosensado capaces de detectar la presencia de ciertas moléculas en concentraciones extremadamente bajas. Entre ellos, las estructuras integradas fotónicas están teniendo un gran éxito debido a su considerablemente alta sensibilidad. Sin embargo, el mecanismo de detección de estas estructuras se basa en la interacción entre la onda evanescente, que se propaga a lo largo de la superficie de la estructura, y el analito a detectar. De esta forma, no todo el campo que se propaga en la estructura fotónica se usa con fines de detección, sino solo una pequeña cantidad de éste. Esto representa una limitación crucial de los sensores basados en fotónica integrada. El objetivo de esta tesis doctoral es superar esta limitación y desarrollar estructuras fotónicas de sensado más sensibles que sean capaces de detectar las concentraciones más bajas posibles. Con este objetivo, nos centramos en el estudio del silicio poroso como plataforma para el desarrollo de estructuras ópticas con sensibilidades extremadamente altas gracias a que la interacción de sensado se realiza directamente dentro de la propia estructura, lo que permite explotar todo el campo que se propaga. / Health and well-being have always been the center of attention of many research institutions and companies around the world. This led the technology to develop in the chemical, biological, medical and clinical fields with the aim to provide a better protection to the human being. As a consequence, a competition is born between the time necessary to the disease to progress and the time necessary to man to treat such disease. In order to win this competition, it is necessary to act with anticipation, when disease is not too developed yet. This is possible by performing an early-detection. The achievement of this goal paves the way for the development of optical biosensing devices able to detect the presence of certain molecules at extremely low concentrations. Among them, photonic integrated structures are finding a great success due to their considerably high sensitivity. However, the sensing mechanism of these structures is based on the interaction between the evanescent wave, propagating along the structure surface, and the target analyte to detect. In this way, not all the field propagating in the photonic structure is used for sensing purposes, but rather only a small amount of it. This represents a crucial limitation of the integrated photonics based sensors. The aim of this PhD Thesis is to overcome this limitation and to develop more sensitive photonic sensing structures able to detect the lowest concentration possible. To this aim, we focused on the study of porous silicon as platform for the development of optical structures with extremely high sensitivities thanks to the fact that the sensing interaction takes place directly inside the structure itself, allowing to exploit all the field propagating in the structure. / La salut i el benestar sempre han sigut el centre d'atenció de moltes institucions de recerca i empreses de tot el món. Açò va portar a la tecnologia a desenvolupar-se en els camps químic, biològic, mèdic i clínic amb l'objectiu de proporcionar una millor protecció a l'ésser humà. Com a conseqüència, ha sorgit una competició entre el temps necessari per que la malaltia progresse i el temps necessari per que l'home tracte aquesta malaltia. Per a guanyar aquesta competició, és necessari actuar amb anticipació, quan la malaltia encara no està massa desenvolupada. Açò és possible realitzant una detecció precoç de la malaltia. L'assoliment d'aquest objectiu facilita el camí per al desenvolupament de dispositius òptics de biosensat capaços de detectar la presència de certes molècules en concentracions extremadament baixes. Entre ells, les estructures fotòniques integrades estan tenint un gran èxit a causa de la seua considerablement alta sensibilitat. No obstant açò, el mecanisme de detecció d'aquestes estructures es basa en la interacció entre l'ona evanescent, que es propaga al llarg de la superfície de l'estructura, i l'analit a detectar. D'aquesta forma, no tot el camp que es propaga en l'estructura fotònica s'usa amb finalitats de detecció, sinó solament una xicoteta quantitat d'aquest. Açò representa una limitació crucial dels sensors basats en fotònica integrada. L'objectiu d'aquesta tesi doctoral és superar aquesta limitació i desenvolupar estructures fotòniques de sensat més sensibles que siguen capaces de detectar les concentracions més baixes possibles. Amb aquest objectiu, ens centrem en l'estudi del silici porós com a plataforma per al desenvolupament d'estructures òptiques amb sensibilitats extremadament altes gràcies a que la interacció de sensat es realitza directament dins de la pròpia estructura, el que permet explotar tot el camp que es propaga. / Caroselli, R. (2018). Development of high sensitivity photonic sensing structures based on porous silicon substrates [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107318 / TESIS

Title: Bioactive interfaces between synthetic surfaces and biological fluids Author: Andrés de los Santos Pereira Institute: Institute of Macromolecular Chemistry, Czech Academy of Sciences Supervisor of the doctoral thesis: RNDr. Eduard Brynda, CSc., Institute of Macromolecular Chemistry, Czech Academy of Sciences Abstract: The application in medicine of label-free affinity biosensors, advanced implants, and blood-contacting devices requires that their surfaces resist non-specific protein adsorption (fouling) and associated complications in blood-derived fluids while displaying immobilized bioreceptors that provide specific biofunctionality. The aim of this thesis was to explore the strategies for the preparation of these antifouling bioactive surfaces. Various types of recently developed antifouling polymer brushes were synthesized and evaluated in terms of their ability to prevent fouling from blood plasma (obtained from various commercial sources and individual donors) as well as thrombus formation when contacted with whole blood. Moreover, single-cell force spectroscopy was utilized to characterize the bacterial adhesion force and energy on these polymer brushes, which were significantly reduced in comparison to various reference substrates. The immobilization of bioreceptors was tackled by means of a...