Development of responsive biomimetic polymer surfaces

Abstract

The design of multifunctional surfaces based on biomimetic structures has gained the interest of the scientific community. This is mainly due to potential applications like self-cleaning surfaces, microfluidics. nanomedicine and catalysis. Such biomimetic structures can be achieved by using “smart” coatings, which can respond to external stimuli, such as light, temperature, electric field, pH or solvent selectivity, onto appropriately structured substrates. Novel multifunctional surfaces have been developed, able to alter their wetting properties in response to both temperature and pH as well as light illumination, by combining proper chemistry and surface micro/nano-structuring. For this purpose, dual scale micro/nano-roughened surfaces have been prepared by irradiating Si wafers using ultrafast (femtosecond) laser under a reactive atmosphere; polymeric or inorganic coatings were subsequently introduced to provide the desired functionality. The combination of the hierarchical surface with a ZnO coating and/or a pH- or temperature-responsive polymer results in efficient photo-active properties as well as reversible superhydrophobic / superhydrphilic surfaces in response to the external stimuli. Such surfaces can be optimized to exhibit high or zero water adhesion and/or controllable directionality as well. Moreover, such surfaces can be seeded with human fibroblasts in order to examine the cellular response on both the surface roughness and the surface chemistry. In parallel, the investigation of the catalytic properties and the attachment of electrostatically stabilized polymeric microgel particles based on poly(acrylic acid), PAA, poly(methacrylic acid), PMAA, and poly(2-(diethylamino)ethyl methacrylate), PDEAEMA, onto inorganic surfaces. These microgels have been synthesized as hosts for the impregnation of metal nanoparticles (Ru, Pd, Au etc.), which will be utilized as nanocatalysts, when attached onto the walls of microfluidic reactors, for various catalytic reactions of industrial interest. The catalytic properties of the metal nanoparticle containing microgel particles were investigated by using model reactions, as hydrogenation reaction. The reactions products were analyzed with Ultraviolet- Visible spectrometry (UV-Vis). The deposition of microgel particles on glass substrates was achieved after utilization of the microgel functional groups, such as the carboxylic acid moieties, present on the surface of the microgels; these functionalities allow the binding of the carriers onto solid substrates. The durability of microgel particles attached onto the surfaces against hydration and shear forces was tested utilizing repeated immersion of the surfaces into water undergoing mechanically-generated hydrodynamic flow.

Ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση καινοτόμων, πολύ-λειτουργικών επιφανειών, οι οποίες θα έχουν την ικανότητα να αλλάζουν τις ιδιότητες διαβροχής τους και να μετατρέπονται από υπερ-υδρόφιλες σε υπερ-υδρόφοβες και υδατοαπωθητικές αποκρινόμενες σε ένα ή περισσότερα εξωτερικά ερεθίσματα, αποτελούν σημαντική επιστημονική πρόκληση. Το ενδιαφέρον σε αυτό το πεδίο έγκειται στο μεγάλο εύρος εφαρμογών που έχουν, το οποίο περιλαμβάνει διατάξεις μικροροής και “lab-on-chip”, μεταφορά φαρμάκων, βιοδιαχωρισμό, πρόσφυση κυττάρων, χημικές και βιοχημικές πύλες, ανάπτυξη αισθητήρων, αντιθαμβωτικά επιστρώματα και αυτό-καθαριζόμενες επιφάνειες.Στη παρούσα εργασία, ιεραρχικά δομημένες επιφάνειες με μικρο- και νάνο- δόμηση, παρασκευάστηκαν με ακτινοβόληση των ανόργανων επιφανειών με υπερ-βραχείς (femtosecond) παλμούς laser υπό ατμόσφαιρα αντιδρώντος αερίου. Αυτές οι ιεραρχικά δομημένες επιφάνειες, επικαλύφθηκαν στη συνέχεια με λειτουργικά επιστρώματα τα οποία εισήγαγαν την ικανότητα μεταβολής στις ιδιότητες διαβροχής. Για το σκοπό αυτό, πολυμερικά στρώματα αποκρίσιμα είτε στο pH (πολυ(2-βινυλοπυριδίνη), P2VP) είτε στη θερμοκρασία (πολυ(Ν-ισοπροπυλακρυλαμίδιο), PNIPAm), προσδέθηκαν στις σμιλευμένες επιφάνειες με τη μέθοδο “grafting to”. Παράλληλα, επιφάνειες αποκρίσιμες στην ακτινοβολία, παρασκευάστηκαν με τη χρήση λειτουργικών επιστρωμάτων οξειδίων του ψευδαργύρου, ZnO, με μια απλή διαδικασία sol-gel. Ο χαρακτηρισμός των επιφανειών πραγματοποιήθηκε με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης ενώ η διαβροχή των επιφανειών εξετάστηκε με τη μέτρηση της γωνίας επαφής σταγόνων ύδατος επί των επιφανειών. Οι ιεραρχικά σμιλευμένες επιφάνειες πυριτίου τροποποιημένες με τα αντίστοιχα πολυμερή χρησιμοποιήθηκαν για εναπόθεση ινοβλαστών για χρονικό διάστημα επτά ημερών. Σκοπός της καλλιέργειας των κυττάρων αυτών στις επιφάνειες ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς τους όσον αφορά την επιβίωση τους και του κυτταρικού πολλαπλασιασμού. Ο χαρακτηρισμός της κυτταρικής συμπεριφοράς μελετήθηκε με χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης.Παράλληλα μικροπηκτώματα που αποκρίνονται σε μεταβολές του pH, με ενσωματωμένους νανοκαταλύτες, χρησιμοποιήθηκαν ως μικρο-αντιδραστήρες για καταλυτικές αντιδράσεις. Για το σκοπό αυτό, τα πολυμερικά μικροπηκτώματα προσδέθηκαν σε επιφάνειες και ελέγχθηκε η σταθερότητά τους στις συνθήκες πρότυπης αντίδρασης. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι επιφάνειες εξετάστηκαν ως προς την σταθερότητά τους σε επαναλαμβανόμενες εκθέσεις στα ερεθίσματα.