Algunos óxidos electroactivos pueden ser conductores iónicos mixtos (conductividad iónica-electrónica) con una química de oxido-reducción que involucra procesos con reacciones de intercalación/desintercalación en estructuras abiertas o con vacantes. Estos materiales pueden presentar propiedades físicas relacionadas con los cambios en los estados de oxidación de los elementos involucrados en la estructura de óxido. Algunos de estos óxidos muestran comportamientos biocompatibles, lo que los convierte en materiales ideales para ser usados como electrodos en sistemas biológicos si se combina esta biocompatibilidad con su electroactividad. En el presente trabajo de investigación han sido obtenidas capas finas de TiO2, IrOx y un óxido mixto de los dos componentes anteriores para ser aplicados como substratos para crecimiento neuronal. Una vez sintetizadas, las capas de los tres materiales en estudio fueron caracterizadas estructuralmente mediante GIXRD, Reflectometría de Rayos X, XPS, XAS, Espectroscopía Raman y ATR. La microestructura fue evaluada mediante las técnicas de AFM, SEM y la medida del ángulo de contacto. Posteriormente se realizó una caracterización electroquímica y una evaluación de las propiedades de transporte mediante CV, IS y ECQM y por último se evaluó el posible uso de estos materiales como substratos para el crecimiento neuronal mediante cultivos de células neuronales obtenidas del córtex cerebral de embriones de rata E14 y E18 Wistar. Las capas de TiO2 fueron obtenidas por sol - gel y depositadas por spin coating en substratos de Indium Tin Oxide y cuarzo y se trataron térmicamente a temperaturas de 250oC, 350oC y 450oC en el caso de las muestras depositadas sobre ITO y 350oC, 450oC, 500oC y 600oC en el caso de las muestras depositadas sobre cuarzo. Los estudios de XPS revelan que TiO2 obtenido a 450oC o a largos tiempos de tratamiento térmico contiene cantidades pequeñas, pero significativas en la superficie, de Na+ proveniente del vidrio puede afectar algunas aplicaciones. Las muestras tratadas a 250oc y 350oC son amorfas mientras que las tratadas a 450oC presentaron una estructura anatasa con una microestructura nanoestructurada y homogénea. Las capas de TiO2 obtenidas fueron aislantes y no pasivan el paso de corriente de un substrato conductor y su ventana de acción electroquímica es de -0.7 V a 0.5 V. Los cultivos neuronales muestran que hay crecimiento neuronal sobre las capas obtenidas de TiO2 aunque con inhibición del desarrollo de dendritas que parece estar motivado por la química del material más que por su microestructura. Las capas de IrOx fueron obtenidas por deposición electroquímica a corriente constante (35 μA/cm2) y a potencial dinámico (0.55V, 10mV/s) con 17, 25, 50 y 100 ciclos. La estructura resultante fue amorfa o quasi-amorfa con una estructura local tipo rutilo que permite la inserción de H+ o K+ y con grados de homogeneidad variable. La caracterización electroquímica y eléctrica muestran que el IrOx obtenido es un conductor electro-iónico (mixto) con capacidad de sufrir cambios en el estado de oxidación del Ir, e intercalación simultánea de protones en forma hidratada, con facilidad. Los resultados obtenidos por ECQM muestran que el proceso de formación electroquímica del IrOx consume 4.2 e-/Ir y por tanto involucra un proceso adicional a la oxidación del Ir(III) precursor. Los cultivos celulares sobre IrOx lo muestran como el mejor substrato probado con diferencias significativas con respecto al TiO2. El crecimiento de dendritas no parece estar inhibido ya que la supervivencia neural es muy alta, equivalente a la referencia. Las capas del óxido mixto (Ir-Ti)Ox fueron obtenidas por spin coating en substratos de Pt/cuarzo partiendo de disoluciones de Ti (donde el Ti está en forma de isopropóxido) e Ir (donde el Ir está como cloruro). Las capas depositadas se trataron térmicamente a temperaturas de 600oCy 650oC. Los resultados de GIXRD muestran que las capas del óxido mixto son más cristalinas que los óxidos simples con tres fases presentes: TiO2 anatasa y rutilo e IrOx rutilo. Además diferencias en la intensidad de los picos con la variación del ángulo de incidencia hacen pensar que el material puede ser un compuesto estratificado con IrOx localizado en mayor proporción en la superficie. Las capas presentan una microestructura homogénea menos rugosa y más hidrofílica que en el caso de los óxidos simples. Los cultivos neuronales muestran una buena adhesión de las neuronas a las capas del óxido mixto y es evidente que la supervivencia celular mejora incrementando la cantidad de iridio. Al evaluar los tres materiales en términos de supervivencia y desarrollo neuronal se puede afirmar que el iridio tiene un papel determinante en la aplicación de dichos materiales como posibles substratos para crecimiento celular y electroestimulación. Además las capas de IrOx se muestran como la mejor opción para ser utilizadas como soporte neuronal. / Some electroactive oxide ionic conductors can be mixed ionic conductors (ionic-electronic conductivity) with an oxidation-reduction chemistry involving intercalation/deintercalation processes in open structures or with vacant. These materials may have physical properties related with changes in oxidation states of the elements involved in the oxide structure. Some of these oxides show biocompatible behaviours, which makes them ideal materials to be uses as electrodes in biological systems when combined with its electroactivity and biocompatibility. In this research work thin films of TiO2, IrOX and a mixed oxides of the two previous components have been obtained to be applied as substrates for neuronal growth. Once synthesized, the layers of the three materials under study were structurally characterized by GIXRD, X-ray reflectometry, XPS, XAS, Raman spectroscopy and ATR. The microstructure was evaluated using the techniques of AFM, SEM and contact angle measurement. Subsequently an electrochemical characterization and evaluation of the transport properties by CV, IS and ECQM was done. Finally the possible use of these materials as substrates for neuronal growth was evaluated by neuronal cells cultures of the cerebral cortex of rat embryos Whistar E14 and E18. TiO2 layers were obtained by sol - gel and deposited by spin coating on Indium Tin Oxide and quartz substrates; the films were heat treated at temperatures of 250oC, 350oC and 450oC in the case of samples deposited on ITO and 350oC, 450oC, 500oC and 600oC in the case of samples deposited on quartz. XPS studies reveal that TiO2 films treated at 450oC or with long heat treatment times contains small amounts, but significant on the surface, of Na ions from the glass substrate that may affect some applications. The samples treated at 350oC 250oc and are amorphous while those treated at 450oC showed an anatase structure with a nanostructured and homogeneous microstructure. TiO2 layers obtained do not passive current flow across a conductor substrate and its electrochemical action window is from -0.7 V to 0.5 V Vs Pt. The neuronal cell cultures show that there is neuronal growth on the TiO2 layers although an inhibition in the development of dendrites appears motivated by chemistry of the material rather than microstructure. IrOX layers were obtained by electrochemical deposition at constant current (35μA/cm2) and dynamic potential (0.55V, 10mV / s) with 17, 25, 50 and 100 cycles. The resulting structure was amorphous or quasi-amorphous with a rutile local structure that allows the insertion of H+ or K+, with variable degrees of homogeneity. The electrochemical and electrical characterization show that the IrOX obtained is an electro-ionic conductor (mixed) with the capacity to undergo changes in oxidation state of Ir, and simultaneous intercalation of protons in hydrated form. ECQM results show that the process of electrochemical formation of the IrOX films consumes 4.2 e-/Ir and therefore involves an additional oxidation process of the Ir (III) precursor. Cell cultures on IrOX show this material as the best substrate tested with significant differences respect to the TiO2. The growth of dendrites does not seem to be inhibited and the neural survival is very high, equivalent to the reference. The layers of mixed oxide (Ir-Ti)Ox were obtained by spin coating on substrates of Pt / quartz from solutions of Ti (where Ti is in the isopropoxide form) and Ir (where Ir is as a chloride). The layers deposited were treated at temperatures of 650oC and 600oC. GIXRD results show that the mixed oxide coatings are more crystalline than the simple oxides with three phases: anatase and rutile TiO2 and IrO2 rutile. Besides differences in the intensity of the peaks with the variation of the incidence angle suggest that the material can be laminated with the IrOX located mostly at the surface. The layers have a homogeneous microstructure, less rough and more hydrophilic than in the case of the simple oxides. The neuronal cell cultures show a good adhesion of the neurons on the mixed oxide layers and it is clear that cell survival improves by increasing the iridium amount. When the tree materials are evaluated in terms of neuronal survival and development can be said that the iridium has an important role in the implementation of these materials as potential substrates for cell growth and electrostimulation. Furthermore IrOX layers are shown as the best option to be used as neuronal support.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/3319 |
| Date | 13 September 2010 |
| Creators | Cruz Rodríguez, Ana Milena |
| Contributors | Casañ Pastor, Nieves, Peral Pérez, José, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Química |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | Spanish |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi doctoral i la seva utilització ha de respectar els drets de la persona autora. Pot ser utilitzada per a consulta o estudi personal, així com en activitats o materials d'investigació i docència en els termes establerts a l'art. 32 del Text Refós de la Llei de Propietat Intel·lectual (RDL 1/1996). Per altres utilitzacions es requereix l'autorització prèvia i expressa de la persona autora. En qualsevol cas, en la utilització dels seus continguts caldrà indicar de forma clara el nom i cognoms de la persona autora i el títol de la tesi doctoral. No s'autoritza la seva reproducció o altres formes d'explotació efectuades amb finalitats de lucre ni la seva comunicació pública des d'un lloc aliè al servei TDX. Tampoc s'autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant als continguts de la tesi com als seus resums i índexs. |
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