DETOMASO COLORATO ATOMICO Bedienungsanleitung

Corso di Laurea Magistrale in Scienza dei Materiali Tesi di Laurea Polimerizzazione via plasma di film sottili biocompatibili Relatore Ch.

8 energia della superficie dei materiali utilizzati, è possibile influenzare le reazioni biologiche in applicazioni in vitro e in vivo [1

98 n. 115, p. 292, 1997. [79] T. M. Ko, J. C. Lin e S. L. Cooper, J. Colloid Interface Sci., n. 156, p. 207, 1993. [80] P. Groening, O. M. Kuette

99 [94] J. Friedrich, Plasma Polymerization Mechanism, Plasma Processes and Polymers, 2011. [95] A. Moshonov e Y. Avny, J. Appl. Polym. Sci., n. 2

100 [112] M. Nardulli, M. Belviso, P. Favia, R. d'Agostino e R. Gristina, J. Biomed. Mater. Res., n. 94B, p. 97, 2010. [113] A. Beck, F. Jone

101 Ringraziamenti Anna. Ester. Sono solo due nomi, che lasciano le rispettive righe alquanto vuote, ma chi conosce queste persone straordinarie sa c

9 Si può ottenere ancoraggio di recettori chimici attraverso diversi fenomeni, tra i quali i più comuni sono l’adsorbimento fisico su di una superfic

10 applicazione al 1863, con la sintesi dell’acetilene tramite arco elettrico da parte di M. Berthelot [22]. Figura 3: Schema dell’ap

11 Tipo di film Gruppo funzionale caratteristico Monomeri utilizzabili come precursori Proprietà del film Carbossilici –COOH Acido acrilico, acido me

12 andranno a generare la risposta biologica voluta [24]. Gli approcci utilizzati sono diversi e le caratteristiche dei film ottenut

13 Oltre a quelle elencate in Tabella 2, le specie chimiche più comunemente utilizzate in questi processi sono gas come 22Ar, N , O ed

14 sia la zona depositata sia il substrato di silicio (rispettivamente a sinistra e a destra), mentre nell’immagine a destra è vis

15 In questo lavoro di tesi si è cercato di sfruttare le potenzialità della tecnica PECVD per ottenere substrati a funzionalizzazione carbossilica

16 2 La tecnica PECVD 2.1 Cenni di teoria e tecnologia del vuoto Il termine vuoto, in scienza, è utilizzato con due diversi significati: - Il concet

17 necessità di livello di vuoto anche molto diversi come appare, a titolo d’esempio, nella Tabella 4 [34]. Applicazione Pressione richiesta (Pa) Pr

A mia madre …

18 I dispositivi utilizzati per produrre il vuoto prendono il nome di pompe da vuoto, anche nel caso di dispositivi non comunemente associati al

19 La roots è una pompa a spostamento di parete, che sposta un volume di gas per effetto della rotazione di due lobi sagomati rotant

20 2.2 Il plasma Il termine “plasma” deriva dal grecoπλασμα, che significa sostanza modellabile. Il termine venne utilizzato inizialmente solo per i

21 La Frequenza di plasma, definita come: 20=Pnem (2.2) rappresenta invece la scala temporale caratteristica dei plasmi. Essa corrisp

22 questa situazione di equilibrio non è possibile in virtù della difficoltà di trasferimento dell’energia elettronica ad altre componenti del plasma

23 Figura 8: Andamento del potenziale di accensione di un plasma in funzione della distanza tra gli elettrodi In regime stazionario i fenomeni

24 Figura 9: Andamento della sezione d'urto totale per il fenomeno di ionizzazione di atomi di argon, a causa di collisione di elettroni[38] Lo

25 2.3 Plasma in regime DC Applicando una sufficiente differenza di potenziale tra due elettrodi si ottiene la ionizzazione del gas presente tra gli

26 Figura 11: Andamento del potenziale all'interno di un plasma In Figura 11 è chiaramente visibile la formazione delle sheaths agli elettrodi,

27 La densità di corrente elettronica (negativa) che raggiunge il substrato è pari a: ,V11= = – = exp44fe e e f e eBeej e e n v en ukT (2

1 Indice ABSTRACT ...

28 Un plasma in regime DC non può venire utilizzato per trattare campioni isolanti, una superficie isolante agisce, infatti, come un substra

29 Figura 14: Andamento temporale del potenziale di elettrodo in un plasma RF Infatti in questo modo i cicli presentano una piccola parte positiva e

30 Spesso gli apparecchi PVD e PECVD, che utilizzano plasmi in regime RF, presentano catodi di area nettamente inferiore alla superficie anodica,

31 Il processo di etching è utilizzato principalmente, come anticipato, nell’industria dei circuiti integrati, in cui permette di scolpir

32 - Composizione dei precursori - Flusso di ciascun precursore - Potenza applicata - Pressione - Duty cycle - Temperatura - Geometria e confi

33 - Copolimerizzazione radicalica con formazione di copolimeri lineari o ramificati, simili alle controparti classiche, con blocchi alternati o str

34 Negli anni successivi si intuì che la struttura del deposito finale è legata all’energia del plasma, in particolare alla quota energetica disponib

35 Figura 19: Strutture tipiche ottenute con polimerizzazioni tradizionali e con tecnica PECVD L’introduzione di plasma in regime pulsato da parte d

36 così sufficiente ad evitare un’eccessiva ritenzione di monomero/oligomero nel deposito, ma i tempi di plasma off permettono la rapida ricombinaz

37 d.c. Frequenza (Hz) ton (s) d.c. Frequenza (Hz) ton (s) 0.20 30 36.7 10 0.20 500 44.0 10 0.10 30 -33.3×10 0.10 500 42.0 10 0.05 30 31.7 10

2 4.3 Procedura di caratterizzazione ... 59 4.3.1 Profi

38 3 Stato dell’arte 3.1 Deposizione di film con funzionalizzazione carbossilica I depositi a funzionalizzazione carbossilica preparati con la

39 I trattamenti al plasma di anidride carbonica o monossido di carbonio sembrano produrre diversi meccanismi di reazione in base al substrato al qua

40 del polipropilene. Trattamenti in plasmi di anidride carbonica su polistirene portano alla degradazione degli anelli aromatici [72].

41 Quanto detto evidenzia la bassa efficienza nel produrre depositi carbossilici posseduta da plasmi di anidride carbonica. L’effetto di tale ga

42 pertanto, da un aspetto decisamente più lineare rispetto a quelli ottenuti da monomeri privi di legami multipli. Figura 21: Situazi

43 Figura 22: Andamento della velocità di deposizione in relazione al duty cycle per i monomeri acido acrilico (quadrati) e acido propanoico (triang

44 due unità ripetitive, come è dimostrato da analisi SIMS statiche, le quali hanno individuato, per basse potenze, strutture fino alle cinque unit

45 Legame E (kJ/mol) E (eV) Legame E (kJ/mol) E (eV) 33CH CH– 370 3.84 32CH CH H– 411 4.27  33CH CH– 385 4.00 3CH H– 435 4.51  32CH CH H– 396 4.1

46 È stato osservato che l’utilizzo di un tensioattivo che non sia in grado di bagnare bene il substrato inibisce il fissaggio dei gruppi funzionali.

47 Si possono ottenere gruppi carbossilici anche in modo indiretto, per esempio tramite grafting dell’acrilammide su substrati trattat

3 Abstract Sono stati preparati diversi depositi a funzionalizzazione carbossilica, mediante polimerizzazione via plasma di acido metacrilico, varian

48 la stabilità in ambiente acquoso [60]. In assenza di un deposito aderente le analisi relative ad adesione cellulare e adsorbimento

49 I processi di copolimerizzazione garantiscono anche un notevole controllo sulla densità dei gruppi funzionali presenti sul deposito [110]. Anche q

50 Figura 25: Velocità di deposizione normalizzata rispetto al duty cycle [75] Dal grafico in Figura 25 si può notare come la velocità di deposizion

51 Figura 26: Struttura del polimero dell'acido acrilico e ritenzione dei gruppi –COOH nel ppAA[75] Anche se la densità dei gruppi carbossi

52 forniti dall’analisi XPS. La curva di assorbimento è stata modellata tramite 3 gaussiane, la principale, centrata –11735cm è attri

53 potenze di plasma nella copolimerizzazione di acido acrilico ed etilene [110], riportando i risultati indicati in Figura 29. 30 40 50 60 70 801E1

54 4 Procedure sperimentali 4.1 Materiali e strumenti 4.1.1 Substrati Le deposizioni di film a funzionalizzazione carbossilica sono state ef

55 4.1.2 Precursori e gas di processo Nel processo di attivazione superficiale sono stati utilizzati:  Azoto  2N  Idrogeno  2H Per effettuare

56 La camera è di forma cubica, con lato pari a 0.9 m e permette grazie, alle notevoli dimensioni, un’ampia flessibilità di utilizzo pe

57 Si può notare come l’area catodica sia notevolmente minore di quella anodica, che è rappresentata dalla superficie di tutte le pareti della

4 1 Introduzione 1.1 Materiali biocompatibili e loro applicazioni Lo studio, la progettazione e la realizzazione di materiali biocompatibili sono set

58 L’attivazione superficiale è stata effettuata tramite plasma in radio frequenza (13.56 MHz), modalità continua, applicando una potenza

59 Tutti i precursori sono stati prelevati direttamente allo stato gassoso, tranne l’acido metacrilico, che è stato introdotto in camera tramite evap

60 Figura 33: immagini catturate per la misura di bagnabilità 4.3.3 Spettroscopia FT – IR Lo spettrometro in trasformata di Fourier utilizzato

61 sono stati estratti dal colorante e sciacquati abbondantemente con soluzione acquosa di NaOH a pH 10 per rimuovere tutte le molecole di TBO non le

62 invece, permette il legame diretto di oligonucleotidi ammino – modificati, attraverso la funzionalizzazione di tipo NHS (N-idrossisufoo

63 depositati vetrini con un anticorpo secondario Goat anti-Mouse IgG H&L (Chromeo™ 546) coniugato a fluoroforo (Abcam, Cambridge, UK)

64 4.3.7 SEM e AFM Il microscopio elettronico a scansione utilizzato è un modello “VEGA TS 5130 LM” (Tescan). Le analisi SEM sono state effettua

65 Figura 37: Fit tramite modello di Cauchy

66 5 Risultati La caratterizzazione delle serie di campioni preparati ha fornito una notevole mole di dati, si è quindi deciso di espo

67 Deposizione Caratterizzazione Potenza (W) MAA (g/h) etilene (sccm) Spessore Angolo di contatto (°) Densità COOH (gruppi/cm2) Densità COOH dopo 7

5 Va ricordato comunque che i concetti di biomateriale e di biocompatibilità non devono intendersi come assoluti, ma vanno valutati in base al

68 L’analisi TBO dei campioni prima del contatto con l’acqua (indicatori neri in Figura 39) ha testimoniato una densità funzionale molt

69 4000 3600 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800C-OC=O Et 0 sccm Et 30 sccm Et 50 sccm Et 70 sccmTransmittance (a.u.)Wavenumber (cm-1)OHC-H Fig

70 Sono state preparate tre serie di campioni a 200 W, ognuna con diversi flussi di etilene. Le caratteristiche dei depositi preparat

71 La bagnabilità di questi film risulta estremamente elevata, probabilmente per la presenza di una quota elevata di gruppi OH, testimoniata

72 dissoluzione del film in acqua, mantenendo soltanto una funzionalizzazione carbossilica superficiale del substrato, spiegando così l

73 I risultati ottenuti dall’analisi dell’angolo di contatto e dalla spettroscopia infrarossa indicano, come atteso, una graduale scomparsa dei grupp

74 due ordini di grandezza passando da 30 a 50 W [110]. Va sottolineato che le potenze utilizzate in questo lavoro non sono confrontabili con a

75 Deposizione Caratterizzazione Potenza (W) MAA (g/h) etilene (sccm) Spessore Angolo di contatto (°) Densità COOH (gruppi/cm2) Densità COOH dopo 7

76 La variazione del flusso di etilene non aveva causato un effetto così marcato, ma questo comportamento viene spiegato dal confro

77 I dati raccolti confermano l’ottima resistenza al contatto con l’acqua di tutti i film depositati per copolimerizzazione di acido metacrilico e

6 Materiali Vantaggi Svantaggi Applicazioni Metallici (acciai, titanio e sue leghe, cobalto e sue leghe). Elevate caratteristiche meccaniche, resiste

78 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160253035404550556065Spessore (nm)Flusso di O2 (sccm) Figura 46: Spessore del deposito in funzione del flusso di oss

79 Contemporaneamente si assiste alla diminuzione e alla perdita di definizione del picco caratteristico del C=O. Ci si aspetta quindi, per flu

80 Oltre alla serie di campioni preparati a diversi flussi di ossigeno è stata prodotta una serie di campioni di ppMAA (omopolimero) per verificare l

81 Figura 50: Immagini SEM di due campioni all'interfaccia tra deposito e substrato non trattato Immagini più ingrandite della superficie del

82 Figura 52: Immagini ottenute tramite microscopia AFM di alcuni film depositati su silicio monocristallino L’elaborazione tramite software (S

83 Figura 53: Profili tridimensionali della superficie di alcuni film depositati su silicio monocristallino

84 5.6 Proprietà ottiche del deposito: ellissometria Per completare il quadro delle caratterizzazioni è stata eseguita anche l’analisi tramite elliss

85 5.7 Interazioni biologiche I campioni preparati con acido metacrilico presentano angoli di contatto generalmente superiori a quelli misurati in le

86 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 1600100002000030000400005000060000 4h 120hFlusso di ossigeno (sccm)Intensità fluorescenza (a.u.) Figura 57: Densità

87 I vetrini trattati a fasce con potenza diversa hanno indicato un comportamento simile a quelli trattati in potenza, con un’ottima stabilità della

7 Un materiale viene definito biostabile se, all’interno dell’ambiente biologico di destinazione, non subisce nel tempo alterazioni di composizione e

88 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 220050001000015000200002500030000350004000045000 4h 120hIntensità di fluorescenza (a.u.)Potenza (W) Figu

89 Sul vetrino non trattato (controllo negativo), invece, la morfologia cellulare più frequente è di tipo tondeggiante, segnale di scarsa adesione al

90 Figura 64: Confronto tra l'adesione cellulare, a 24 ore dalla semina, sulla zona “50 sccm” (a sinistra), sulla zona “100 sccm” (al centro) e

91 Figura 65: Confronto tra l'adesione cellulare, a 48 ore dalla semina, sul materiale trattato per coltura cellulare (a sinistra), sul vetrin

92 6 Conclusioni Questo lavoro di tesi ha riguardato la produzione di film sottili a funzionalizzazione carbossilica, dalle proprietà controllate,

93 Bibliografia [1] M. V. Sefton e N. A. Peppas, «Molecular and cellular foundations of biomaterials,» in Advances in Chemical Enginee

94 [14] R. Langer e N. A. Peppas, «Advances in Biomaterials, Drug Delivery, and Bionanotechnology,» AIChE Journal, vol. 49, n. 12, pp. 29

95 [29] D. Puleo, R. Kissling e M. Sheu, Biomaterials, vol. 23, p. 2079, 2002. [30] M. Mason, K. Vercruysse, K. Kirker, R. Frisch, D. Mar

96 [44] O. Goossens, E. Dekempeneer, D. Vangeneugden, R. Van de Leest e C. Leys, Surf. Coatings Technol., n. 474, pp. 142-144, 2001. [

97 Biomaterials, n. 14, p. 546, 1993. [63] Y. Kinoshita, T. Kuzuhara, M. Kobayashi, K. Shimura e Y. Ikada, Biomaterials, n. 14, p. 209, 1993. [64]