Název: Nové organické materiály pro aplikace v bioelektronice
Překlad názvu: Novel organic materials for bioelectronic applications
Autoři: Tumová, Šárka ; Vojtová, Lucy (oponent) ; Humpolíček,, Petr (oponent) ; Weiter, Martin (vedoucí práce)
Typ dokumentu: Disertační práce
Rok: 2022
Jazyk: eng
Nakladatel: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická
Abstrakt: [eng] [cze]
Tato práce je zaměřena na materiálový výzkum v oblasti organické bioelektroniky. Jejím cílem je charakterizovat a optimalizovat nové materiály pro budoucí generaci bioelektronických tranzistorových zařízení. Tato zařízení jsou v práci nejdříve představena. Následně jsou uvedeny nejvyužívanější materiály používané jako jejich aktivní vrstva a výzvy, které s sebou přinášejí a které tato práce řeší. Pozornost je věnována zejména polymeru PEDOT:PSS, který patří mezi nejstudovanější a nejpoužívanější materiály pro bioelektroniku. Přes všechny výhodné vlastnosti ale tento materiál vykazuje nedostatečnou slučitelnost s živým organismem. Tato práce diskutuje možnosti, jak tento problém překonat a shrnuje přístupy, které již byly k tomuto účelu využity. V experimentální části jsou pak navrženy a realizovány konkrétní úpravy materiálu PEDOT:PSS, jejichž cílem je poskytnout nový materiál vhodný pro využití v bioelektronice, představující zdokonalenou náhradu polymeru PEDOT:PSS, zejména s ohledem na slučitelnost s živým organismem. Nejdříve je ukázána úprava povrchu materiálu PEDOT:PSS peptidem RGD s cílem optimalizovat interakce materiálu s buňkami. Peptid je na povrch polymeru vázán za využití fotochemického přístupu pomocí molekuly sulfo-SANPAH. Úspěšnost této povrchové úpravy byla studována několika metodami a její vliv na slučitelnost materiálu s živými organismy byl zjišťován MTT testem. Dále se experimentální část zabývá charakterizací a optimalizací vlastností materiálu PEDOT:DBSA. Pro zvýšení dlouhodobé stability tohoto materiálu bylo studováno jeho síťování za využití síťovadel GOPS a DVS. Proces zahrnující molekulu GOPS byl následně detailněji studován, bylo zjišťováno optimální množství tohoto dopantu pro získání stabilní tenké vrstvy, jeho dopad na elektrické vlastnosti polymeru PEDOT:DBSA, vliv teploty na aktivitu dopantu a mechanismus síťování. Elektrické vlastnosti tenkých vrstev studovaných materiálů byly následně upraveny ošetřením kyselinou sírovou. Dlouhodobá stabilita takto připravených vrstev ve vodném prostředí byla zkoumána delaminančním testem, jejich slučitelnost s živým organismem MTT testem a elektrické vlastnosti čtyřbodovou sondou. Studované materiály byly následně aplikovány jako aktivní materiál modelových tranzistorů a jejich chování bylo pozorováno s cílem zjistit potenciál připravených PEDOT:DBSA vrstev pro bioelektroniku. Poslední kapitola experimentální práce je věnována přípravě vodivého PEDOT:PSS hydrogelu za využití molekuly DBSA. Cílem této studie bylo připravit stabilní hydrogelové struktury umožňující snadnou manipulaci, a navrhnout platformu pro jejich spolehlivou elektrickou charakterizaci. Za využití reologických měření byla zjišťována optimální koncentrace DBSA dopantu vedoucí k požadované struktuře a závislost mechanických vlastností hydrogelu na jeho složení. Poté probíhala optimalizace platformy pro elektrická měření. Byla studována vhodnost interdigitovaného elektrodového systému a optimální materiál elektrod. Platforma byla upravena tak, aby se zamezilo vysychání hydrogelu v průběhu jeho charakterizace a bylo dosaženo rovnováhy systému. Vhodnost navržené platformy byla testována dlouhodobým měřením volt-ampérových charakteristik studovaného hydrogelu. This thesis is dedicated to material research focused on the field of organic bioelectronics. It aims to characterize and optimize novel materials for the future generation of bioelectronic transistor devices. Such devices are introduced first. Materials that are often used as their active layer and the challenges they bring and which this thesis addresses are mentioned. The attention is focused mainly on PEDOT:PSS, which is one of the most studied and most promising materials for bioelectronics. But despite all its advantageous properties, this material exhibits insufficient biocompatibility. This thesis discusses the possibilities of how to overcome such a drawback and shows approaches that have already been used for this. The specific PEDOT:PSS material modifications are then designed and implemented in the experimental part, aiming to provide a novel material suitable for bioelectronic applications that would represent an improved substitute for PEDOT:PSS, especially with regard to its biocompatibility. First, the modification of the PEDOT:PSS surface with the RGD peptide is shown, targeting the optimization of interactions of material with living cells. The immobilization of the peptide to the polymer surface was achieved using a photochemical approach and the sulfo-SANPAH molecule. The efficiency of such surface modification was studied using several methods, and its effect on the biocompatibility of the material was investigated by an MTT test. The experimental part further deals with the characterization and optimization of PEDOT:DBSA. To enhance its long-term stability, the cross-link using cross-linker DVS and GOPS was studied. The process involving molecule GOPS was investigated in detail, determining the optimal amount of such a dopant to obtain the stable PEDOT:DBSA thin film, its impact on the electrical properties of the resultant material, the effect of temperature on GOPS activity and the mechanism of cross-link. The electrical properties of studied materials were subsequently optimized using sulphuric acid post-treatment. The long-term stability of prepared films in an aqueous environment was examined by a delamination test, their biocompatibility was studied using the MTT test, and their electrical properties were investigated by the four-point probe method. To reveal the potential of proposed thin films for bioelectronic transistor applications, they were used as active layers of model devices and their performance was observed. The last chapter of the experimental part is devoted to the preparation of a conductive PEDOT:PSS hydrogel using DBSA molecule. The aim of this work was to prepare stable, easy-to-handle structures and to design a platform for their reliable electrical characterization. The rheology measurement was used to determine the optimal amount of DBSA leading to the formation of desired structure and to investigate the dependence of the mechanical properties of the hydrogel on its composition. Afterwards, the optimization of the platform for electrical measurement was conducted. The suitability of the interdigitated electrode system was studied together with the optimal electrode material. The platform was modified to prevent extensive evaporation of the dispersion medium from the hydrogel and to achieve system equilibrium. The appropriateness of the proposed platform was tested by long-term measurement of the I-V characteristics of the studied hydrogel.
Klíčová slova: biocompatibility; conductive hydrogels; Organic bioelectronics; PEDOT:DBSA; PEDOT:PSS; RGD peptide; biokompatibilita; Organická bioelektronika; PEDOT:DBSA; PEDOT:PSS; RGD peptid; vodivé hydrogely

Instituce: Vysoké učení technické v Brně (web)
Informace o dostupnosti dokumentu: Plný text je dostupný v Digitální knihovně VUT.
Původní záznam: http://hdl.handle.net/11012/204995

Trvalý odkaz NUŠL: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-502276


Záznam je zařazen do těchto sbírek:
Školství > Veřejné vysoké školy > Vysoké učení technické v Brně
Vysokoškolské kvalifikační práce > Disertační práce