ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU KAN ZA ROK 2009

Transkript

1 ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU KAN ZA ROK 2009 Podle stanoveného časového harmonogramu grantového projektu AV KAN 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 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 C 60 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.

2 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 a) Hybridizace a modifikace kompozitů Ni/C 60 V práci [1] byla studována hybridizace a evoluce struktury kompozitů Ni+C 60 v závislosti na teplotě žíhání připravených vzorků. Tenké vrstvy Ni+C 60 byly deponovány na monokrystal Si(001) při pokojové teplotě. Ukázalo se, že vzorky Ni+C 60 mají granulovanou strukturu s nanočásticemi Ni uzavřenými v polymerizované slupce C 60. 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. C 60, 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 (C 60 ). 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 Counts per channel 10 4 RT - Ni+C60 / Si as deposited Si bulk RT - Ni+C 60 / Si annealed for 1 hr at 340 o C RT - Ni+C 60 / Si annealed for 1 hr at 450 o C simulated (by SIMNRA) Ni Si Hg Channels Obr. 1. Spektra RBS kompozitu Ni+C 60 /Si(001) připraveného při pokojové teplotě a žíhaného za přítomnosti par Hg při teplotách 340ºC a 450ºC. b) Spontánní rozdělení fází v kompozitu Ni+ C 60 V práci [2] byla pozorována samoorganizace tenké vrstvy kompozitů Ni+C 60 deponovaných při pokojové teplotě na monokrystal MgO(001). S pomocí metody MFM (Magnetic Force Microscopy) byla pozorována

3 periodická struktura magnetických domén, svědčící o skryté separaci zón s vyšším obsahem fází Ni resp. C 60. Pozorovaný efekt ukazuje na to, že i při pokojové teplotě depozice dochází u hybridních kompozitů typu Ni+C 60 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 C 60 a rozrušení samoorganizovaných útvarů. c) Vliv iontového ozáření na termální vývoj hybridních systémů Ni-C 60 V práci [3] byla analyzována reakce tenkých multivrstev kompozitů Ni/C 60 /Ni a Ni/a-C/Ni na termální žíhání. Multivrstvy Ni/C 60 /Ni byly deponovány na MgO(001), multivrstvy Ni/a-C/Ni byly připraveny iontovým ozářením Ni/C 60 /Ni (7 MeV C +, 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/C 60 /Ni docházelo při teplotách < 500ºC ke značnému úniku fullerenů ze vzorku. Při teplotách 500ºC však již únik C 60 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/C 60 /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 cm -2 a žíhané při teplotě 1000ºC. d) Sebeorganizace nanočástic při kopdepozici co a fullerenů Tenké vrstvy nanokompozitů Co-C 60 připravených simultánní depozicí Co a C 60 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 C 60. 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-C 60 ). Jiným pozorovaným jevem je relaxace struktury uvolněním vnitřního napětí. Ramanovská spectra ukazují na pokles efektivity polymerizace Co-C 60 s rostoucí teplotou v rozmezí RT 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 C 60 V práci [5] byla studována struktura a biokompatibilita binárních kompozitů C 60 /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

4 adheze a proliferace. Bylo zjištěno, že na kompozitech C 60 /Ti kostní buňky rostou a proliferují velmi dobře a lze je tak považovat za vhodný materiál pro jejich použití v tkáňovém inženýrství. Vrstvy C 60 /Ti vykazovaly podobnou úroveň biokompatibility jako kompozity složené z amorfního uhlíku a Ti, příznivější než samostatné fullerenové (C 60 ) vrstvy. Obr. 3. Ramanova spektra kompozitu Ti+C 60 s nízkým, středním a vysokým obsahem Ti. f) Polymerizace tenké vrstvy fullerenů v důsledku ozáření klastry C 60 + V práci [6] byla studována transformace tenkých vrstev fullerenů bombardovaných ionty klastrů C 60 + 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 C 60. 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 C g) Modifikace nanostruktury vrstvy fullerenů ozářením klastry C 60 + Podobně i v práci [7] byly iontové klastry C 60 + s energií 50 kev použity pro modifikaci tenké struktury fullerenů C 60. Ukázalo se, že modifikace vrstvy je radiačně velmi citlivá a reaguje významně na fluenci iontových klastrů. Bombardování klastry C 60 + s fluencí menší než 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 C x H y. Ozáření s fluencí vyšší než 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 C Obr. 4. AFM morfologie tenké vrstvy fulleritu ozářené ionty C 60 s energií 50 kev a fluencí 1.6 x cm -2.

5 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) SiO 2 na povrchu ozařován ionty Au s energií MeV v širokém rozsahu fluencí (10 13 cm cm -2 ). Charakterizace pomocí Ramanovské spektroskopie ukázala, že ve vrstvě SiO 2 ozářené jen s malou fluencí < 5x10 14 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 < 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 cm cm -2 bylo dále pozorováno, že bombardování ionty Au způsobuje červený posun s výrazným nárůstem intensity emitovaného záření, pro fluence > 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 < 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 MgF 2 ozářených ionty B + s energií 390 kev a fluencí cm -2 [11]. Ozářené vzorky byly postupně žíhány (isochronně resp. isotermálně) při teplotách 200ºC - 700ºC po dobu 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) 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)

6 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) J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, Fullerene (C 60 ) Transitional Metal (Ni, Co, Ti) Composites - Synthesis and Structural Properties of the Thin Films, Diamond and Related Materials, in press, doi: /j.diamond V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi, Polymerization of solid C60 under C+60 cluster ion bombardment, Appl. Phys. A95 (2009) V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, K. Narumi, Fullerene nanostructure design with cluster ion impacts, Journal of Allys and Compounds 483 (2009) 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) J. Vacik, V. Hnatowicz, J. Cervena, S. Posta, U. Koster, and G. Pasold, On Boron Diffusion in MgF 2, AIP Conference Proceedings 1099 (2009) 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, ; 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, ; poster. 14. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, K. Narumi, Effect of ion irradiationon structure and thermal evolution of the Ni-C 60 hybrid system, Book of Abstracts (2009) Tu058, p. 237, International Conference on Ion Beam Analysis (IBA 2009), Cambridge, ; 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, ; přednáška. 16. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Vorlicek, L. Bacakova, Fullerene (C 60 ) - 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, ; 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, ; 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, ; přednáška. Elektronické výstupy 20. Vědecká aktivita řešitelského týmu grantového projektu KAN je prezentována na stránkách

7 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

8 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 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 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) 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) 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) 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) 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, , 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-J03-05.R1, , 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, , Boston; poster. 10. M. Nesládek, Transportní vlastnosti diamantu: od krystalů po nanorozměry, Univerzita Stuttgart,

9 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 (2x10 19 až 1x10 20 cm -3 ) až po kovové (6x10 20 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

10 z projektu KAN ). 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 nm), ultrananojehlany (průměr nm, Z-výška nm) a nanosloupky (průměr nm, Z-výška 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.

11 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: /j.diamond ). 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) 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) 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) 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) 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 , Florencie, Italy; ISBN ; 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, , 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 , Progress in Applied Surface, Interfaces and Thin Film Science 2009 (SURFINT-SREN II), , Florence, Italy (ISBN ); 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, , 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 Special Issue, Part A; ISBN ; 2009, CVUT, Praha, Workshopy 15. Organizování workshopu s podporou grantového projektu KAN Czech Workshop on Diamond Nanotechnology and Science (DINAS 2009) , ISBN

12 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 C 60, na binárních kompozitech fullerenů C 60 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 µm 2, 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 β 1 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].

13 b) Interakce buněk linie MG 63 s vrstvami kompozitů fullerenů C 60 a titanu Hybridní mikrostrukturované C 60 /Ti filmy byly připraveny na pracovišti hlavního řešitele Ústavu jaderné fyziky AVČR simultánní depozicí C 60 a Ti v koncentraci 25%, 45% a 70%, tj. 25, 45 a 70 atomů Ti na 75, 55 a 25 molekul C 60. Mikrostruktura vrstev byla podobně jako v bodě 1.2 navozena depozicí C 60 a Ti přes kovovou masku s obdélníkovými otvory 128 µm x 98 µm, plochou µm 2 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 C 60 měla za následek fragmentaci molekul C 60, jejich polymerizaci, hybridizaci i oxidaci [8, 15]. Pokud jde o interakci vrstev C 60 /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 C 60 /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: , 2009). Podobně jako mikrostrukturované vrstvy čistých molekul C 60, i hybridní vrstvy C 60 /Ti navozovaly regionálně-selektivní adhesi a růst buněk v brázdách mezi vyvýšeninami deponovaného materiálu [8, 15]. Hybridní C 60 /Ti filmy byly mohly být využity pro pokryv kostních implantátů pro zvýšení jejich atraktivity pro osteoblasty a zlepšení jejich integrace do kostní tkáně. Mikrostrukturované C 60 /Ti filmy by mohly být využity pro navození regionálně selektivní adheze a řízeného růstu buněk pro různé biotechnologické aplikace. Práce o C 60 /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 80 o. 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,

14 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 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 ), 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 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

15 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 (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 D 3 (385 ng/ml), 10-8 M dexamethason (393 ng/ml) a a rovněž faktor BMP-7 ( 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

16 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 A B C 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 C 2 maleimidu a Hoechst 33342, a fotografovány v mikroskopu Nikon T i -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 C 60 films of continuous and micropatterned morphology as substrates for adhesion and growth of bone cells, Diamond Relat. Mater. 18 (2009) IF = 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) IF = 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) IF = 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) IF 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) IF

17 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) 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) 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 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 Vagaská, L. Bačáková, E. Filová, K. Balík, Osteogenic cells on bio-inspired materials for bone tissue engineering, Physiol. Res., 2009, přijato, v tisku; IF 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 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 , 2009, Traverse City, Michigan, USA. Symposium B: Nanocarbon Science and Technology; poster. str 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 , 2009, Traverse City, Michigan, USA. Symposium E: Biological and Electrochemical Applications; poster str 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, 2 nd Asian Biomaterials Congress, Singapore, ; 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, , elektronický abstrakt č. A 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, 2 nd Asian Biomaterials Congress, Singapore, 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, ;. poster.

18 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, ; 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, , Glasgow, Velká Británie; 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, , Glasgow, Velká Británie; poster. 24. L. Bacakova, Bioactive materials as carriers of cells for tissue regeneration, Abstract Book, 128, 2009 E- MRS 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,

19 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 C 2 B 10 H 12, 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-b 18 H Thiol deriváty odvozené od klastrů C 2 B 10 H 12 Soupis těchto látek je následující: 8,9,12-(HS) 3-1,2-C 2 B 10 H 9, 9,12-(HS) 2-1,2-C 2 B 10 H 10, 9-HS-1,2-C 2 B 10 H 11, 1,2-(HS) 2-1,2-C 2 B 10 H 10, 1-HS-1,2-C 2 B 10 H 11, 9-HS-1,7-C 2 B 10 H 11, 1-HS-1,7-C 2 B 10 H 11, 1,7-(HS) 2-1,7-C 2 B 10 H 10, 1- HS-1,12-C 2 B 10 H 11, 1,12-(HS) 2-1,12-C 2 B 10 H 10. 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 (B 10 H 14 ) 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-B 10 H 13, 2-HS-B 10 H 13 a 1,2-(HS) 2 -B 10 H 12 (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. O 2, CO, CO 2, SO 2. Tato vlastnost je unikátní a představuje analogii vybraných bio-systémů schopných selektivně vázat a aktivovat např. právě molekuly kyslíku (O 2 ). 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)B 10 (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-b 18 H 22 Jedná se o prostorově robustnější molekuly [1] než ostatní deriváty zmiňované výše. V projektu byl připraven a plně charakterizován dithiolový funkční derivát B 18 H 20 (SH) 2. Jeho vázání ke stříbrnému povrchu bylo prokázáno měřením pomocí XPS, povrch byl charakterizován i meřením kontaktních úhlů vody.

20 Obr. 1. Schématické znázornění několika vybraných thiol derivátů boranových klastrů studovaných pro účely modifikace povrchů. A) molekula 1,7-(HS) 2-1,7-C 2 B 10 H 10. (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 C 2 B 10 H 12 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 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-b 18 H 22 ) a metallaboranů odvozených od (ML) 2 B 10 H 10, které mají schopnost selektivně a reverzibilně zachytávat molekuly plynů jako jsou např. 0 2, CO, SO 2 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.

21 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 ( 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 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 Konference, semináře 4. T. Baše, Carboranethiol Isomers Providing Molecular Protection for Silver Surfaces - Potential for Nanoenabled Sensors, přednáška, Nano and Green Technologies, , Javits Convention Center, New York, USA. 5. T. Baše, Surface Modification with Carborane Clusters, přednáška, National Laboratory Berkeley, , California, USA ( 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, , Houston, USA. 7. ICMCTF 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, , 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), , 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, J. Bould, Self-assembled Thin Layer Inorganic and Inorganometallic Compounds on Metal Surfaces, invited talk, ICONN 2010 (International Conference On Nanoscience and Nanotechnology), , 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 (NH 3 + ). 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

22 připravených derivátů a příslušných monovrstev těchto derivátů imobilizovaných na rovných zlatých površích. Kromě techto derivátů budou studovány i boránové klastry nesoucí náboj (např. [B 12 H 11 (SH)] 2- nebo [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-C 2 B 10 H 10 a 9,12-(HS) 2-1,2-C 2 B 10 H 10, 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 (R s ) včetně závislosti R s exp [(T 0 /T) 1/4 ], jejich volt-ampérová (V-A) charakteristika a šířka zakázaného pásu (E g opt ). 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 K se odehrává podle modelu variable range hopping. Podle Tacovy rovnice byla z UV-Vis spekter stanovena hodnota šířky E g opt napařené C-vrstvy E g opt = 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 ). 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.

23 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 (T g ) a teploty tečení (T f ) PMMA s cílem zvýšit jeho indexu lomu (n) po ochlazení vrstvy pod T g. 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 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 F 2. 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 F 2, 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 F 2 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 R a =19. F 2 R a =4.3 B - irradiated and sputtered PET Au/KrF R a =20.2 Au/F 2 R a =4.2 Obr. 1. AFM analýza PET modifikovaného KrF resp. F 2 laserem. Vzorky byly naprášeny Au. Ra je hodnota drsnosti v nm.

24 Obr. 1. FIB-SEM analýza PET modifikovaného KrF (a) resp. F 2 (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: 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 C 60 Films of Continuous and Micropatterned Morphology as Substrates for Adhesion and Growth of Bone Cells, Diamond Rel. Mater. 18 (2009) 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) 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) 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) O.Lyutakov, V.Prajzler, I.Huttel, A.Jančárek, V.Švorčík, Pattern formation PMMA films by electric field, J. Polym. Sci. B 47 (2009) 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) P.Slepička, Z.Kolská, J. Náhlík, V.Hnatowicz, V.Švorčík, Properties of Au nanolayers on PET and PTFE, Surf. Interf. Anal. 41 (2009) M.Parizek, N.Kasalkova, L.Bacakova, P.Slepicka, M.Blazkova, V.Svorcik, Improved adhesion, growth and