Electronic effects at the interface between biomolecules, cells and diamond

Abstract

Pro biomedicínské aplikace, jako jsou biosenzory, bioelektronika, tkáňové inženýrství, optimalizace materiálů pro implantáty, monitorování životního prostředí atd., je zásadní interakce mezi biologickým prostředím (buňky, proteiny, tkáně, membrány, elektrolyty apod.) a povrchem pevné látky. Diamant může v tomto směru poskytnout unikátní kombinaci výborných polovodičových, mechanických, chemických, biokompatibilních a dalších vlastností. V této dizertační práci charakterizujeme elektronické vlastnosti rozhraní protein- diamant pomocí polních tranzistorů na bázi diamantu zakončeného vodíkem, jehož hradlo je vystaveno biologickému médiu (SGFET). Objasňujeme roli adsorbované proteinové vrstvy na elektronickou odezvu diamantového tranzistoru. Zkoumáme vliv buněk (převážně osteoblastů jako modelových buněk) na převodní charakteristiky a na svodové proudy diamantových polních tranzistorů. Pro posouzení vlivu hranic zrn a sp2 fáze na bio-elektronickou funkci diamantových SGFETů jsme použili vrstvy nanokrystalického diamantu o různých velikostech zrn (80 nm - 250 nm). Studujeme vliv gamma záření na funkci a stabilitu diamantových polních tranzistorů s proteiny a buňkami, což může být užitečné pro monitorování biochemických procesů během radiační léčby. Vyvinuli a otestovali jsme přenosné zařízení pro měření...

Understanding and control of interactions between biological environment (cells, proteins, tissues, membranes, electrolytes, etc.) and solid-state surfaces is fundamental for biomedical applications such as bio-sensors, bio-electronics, tissue engineering and implant materials as well as for environmental monitoring, security and other fields. Diamond can provide unique combination of semiconducting, chemical, optical, biocompatible and other properties for this purpose. In this thesis we characterize electronic properties of protein-diamond interface by employing a solution-gated field-effect transistor (SGFET) based on hydrogen-terminated diamond, surface of which is exposed to biological media. We elucidate the role of adsorbed protein layer on the electronic response of the diamond transistor. We investigate effects of cells (using mainly osteoblast cells as model) on diamond SGFETs transfer characteristics and gate currents. We employ nanocrystalline diamond (NCD) thin films of different grain sizes (80 - 250 nm) to characterize and discuss influence of grain boundaries and sp2 phase on bio- electronic function of SGFETs. We investigate effects of gamma irradiation on function and stability of hydrogen-terminated diamond SGFETs interfaced with proteins and cells, showing feasibility of...