ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU KAN ZA ROK 2010

ZPRÁVA O PRŮBĚŽNÉM PLNĚNÍ GRANTOVÉHO PROJEKTU KAN400480701 ZA ROK 2010 Podle stanoveného časového harmonogramu grantového projektu AV KAN400480701 byly v roce 2010 řešitelským týmem (složeným z týmů ÚJF AV ČR Řež, FZÚ AV ČR Praha, FGÚ AV ČR Praha, ÚACH AV ČR Řež a VŠCHT Praha) řešeny následující úkoly: A3: Příprava nanočástic iontovou implantací; stanovení podmínek pro vytváření uspořádaných nanostruktur vhodných pro bioaplikace. A4: Kontrolovaná syntéza spontánně organizovaných povrchových nanostruktur vytvořených ozářením nízkoenergetickými ionty. B1: Studium biologických vlastností uhlíkových nanostruktur na polymerech pro tkáňové inženýrství, studium roubování těchto struktur aminokyselinami. A1-A2-A3-A4-B2: Hodnocení adhese, růstu, diferenciace a životaschopnosti osteogenních buněk na trojrozměrných substrátech (porézních trojrozměrných kompozitech s hierarchicky organizovanou mikro- a nanostrukturou) B3: Konstrukce jednoduchých bioelektronických součástek, založených na modifikaci vlastností povrchového kanálu nízkoenergetickou iontovou implantací. C3: Modifikace karboranových monovrstev vytvořených na zlatých substrátech. C4: Studium cílených biosyntéz a výstavbových procesů na upravených vrstvách substrátu. Zpráva informuje: o nejdůležitějších výsledcích získaných při řešení uvedených úkolů, dále o hospodaření jednotlivých týmů za rok 2010, o návrhu jejich dalšího postupu a o financování na rok 2011. V závěrečném roce 2011 grantového projektu budou pak řešeny zbývající úkoly grantového projektu: A3-A4-B1: Závěrečné hodnocení biologických vlastností aminokyselinami modifikovaných uhlíkových nanostruktur na polymerech pro aplikace v medicíně (pěstování kožního krytu a materiály pro cévní protézy). A1-A2-A3-A4-B2: Hodnocení adhese, růstu, diferenciace a životaschopnosti lidských osteoblastu na vybraných 2D a 3D strukturovaných substrátech. Výběr nejnadějnějších materiálu pro budoucí aplikovaný a klinický výzkum. B3: Konstrukce jednoduchých bioelektronických součástek jako napr. aktivní nanoelektrody ci polní transistory typu ISFET, založené na modifikaci vlastností povrchového kanálu nízkoenergetickou iontovou implantací. Vývoj a ověření této metody, charakterizace součástek a demonstrace přenosu elektrických signálu mezi polovodičovou součástkou a živou buněčnou tkání v přímém kontaktu. C3: Modifikace karboranových monovrstev vytvořených na zlatých substrátech. C4: Studium cílených biosyntéz a výstavbových procesu na upravených vrstvách substrátu.

ÚJF – Ústav jaderné fyziky AV ČR Řež (řešitel-koordinátor Mgr. Jiří Vacík, CSc.) 1. Tvorba hybridních nanostruktur na bázi kovů a fulerenů. Příprava dobře definovaných nanostruktur je jedním z nejzajímavějších a nejslibnějších úkolů materiálové vědy s cílem získat technologii funkčních materiálů se zajímavými a aplikovatelnými vlastnostmi. V rámci řešení grantového projektu byla část pozornosti věnována na přípravu tenkých vrstev binárních kompozitů na bázi (tranzitních) kovů a fullerenů (C60). Tyto struktury byly připravovány v systému MBE metodou střídavé nebo současné depozice kovových a fullerenovývh fází. Strukturní analýzy byly prováděny relevantními metodami. Vliv iontového ozařování na strukturu a vývoj hybridních systémů Ni-C60. V práci [A1] byla studována reakce kompozitů Ni/C60/Ni a Ni/a-C/Ni (a-C amorfní uhlík) na teplotu žíhání. Multivrstvy Ni/C60/Ni byly připraveny postupnou depozicí niklu a fullerenů, multivrstvy Ni/a-C/Ni ozářením Ni/C60/Ni vysokoenergetickými ionty uhlíku (7 MeV C+, 1016 cm-2). Oba kompozity byly postupně žíhány a jejich struktura sledována relevantními metodami. Měření ukázalo, že existuje významný rozdíl ve strukturním vývoji multivrstev (což svědčí o odlišných procesech transformace struktury v průběhu žíhání). U neozářeného vzorku docházelo při teplotách < 500°C k úniku fullerenů ze vzorku, pro teploty ≥ 500°C k jejich rychlé fragmentaci a přeměně na a-C. Při velmi vysokých teplotách se hybridní struktura změnila na soustavu nanoobjektů (protáhlých útvarů a pravoúhlých jamek) náhodně rozsetých v transformovaném kompozitu Ni – aC. U ozářené struktury Ni/a-C/Ni nebyla pro teploty < 500°C pozorována téměř žádná změna. Při vyšších

1

teplotách se však začalo projevovat rychlé fázové rozdělení (a-C a Ni) a při nominální teplotě 1000°C se vytvořila síť navzájem separovaných nanoobjektů tvořených krystalky Ni, které byly pokryté tenkou vrstvou a-C. Strukturní a biologické vlastnosti tenkých vrstev kompozitů fullerenů a tranzitních kovů. V práci [A2] byla studována struktura a biokompatibilita hybridních kompozitů C60/Ti připravených kodepozicí C60 a Ti s různým poměrem fází. Připravené vrstvy byly osety kostními buňkami MG-63 a byla sledována jejich adheze a proliferace. Bylo zjištěno, že kostní buňky rostou a proliferují na C60/Ti velmi dobře, a lze je tak považovat za vhodné rozhraní pro jejich použití v tkáňovém inženýrství. Vznik samoorganizovaných domén Ni-C skrytých v epitaxní vrstvě Ni. V pracech [C1, E1] byl sledován vývoj struktury tenkých vrstev hybridních materiálů se složitou architekturou (Ni/C60/Ni+C60/Ni) v závislosti na teplotě žíhání. Proces strukturní modifikace byl monitorován nukleárními analytickými metodami (např. RBS, RBS/kanálování, NDP) a dále skenovací mikroskopií (SEM) a Ramanovskou spektroskopií. Výsledky studia potvrdily postupnou degradaci uspořádaného systému (fragmentaci fullerenů, tvorbu amorfního uhlíku, difúzi a únik fullerenů ze systému, fázovou separaci ap.), která se urychlovala se vzrůstající teplotou. Překvapujícím jevem však byla (při nominální teplotě žíhání 500°C) spontánní samoorganizace nanoskopických domén (šířka domén byla cca 100 nm, délka několik mm) vytvořených na rozhraní mezi substrátem (monokrystalem MgO) a první deponovanou vrstvou (Ni). Tyto domény tvoří paralelní soustavu rozdělených fází (epitaxně rostlých zrn Ni seřazených do podélných domén, které jsou odděleny fází a-C) a pokrývají celou sledovanou oblast (10 x 10 mm). V práci je diskutován mechanismus vzniku samoorganizovaných domén spočívající v koordinované fázové separaci v podmínkách epitaxně rostlé vrstvy Ni. Spontánní tvorba polyhedrálních krystalů fullerenů v tenké vrstvě Ni+C60. V práci [C2, E2] byla studována otázka spontánního vývoje hybridních struktur připravených jako tenké vrstvy kodeponovaných soustav kovů a fullerenů. Vzhledem k tomu, že komponenty tranzitních kovů a uhlíkových allotropů (a-C, C60, ap.) jsou nemísitelné, lze očekávat, že vrstvy kompozitů budou silně vnitřně stresované. Vysoké hodnoty vnitřního pnutí mohou v kompozitech způsobit spontánní vývoj a postupné rozdělování fází. Otevřenou otázkou je, jak rychlý může být takový proces. Pro řešení tohoto problému byly připraveny vzorky typu Ni+C60, které byly ponechány svému vývoji v normální atmosféře, v temnotě a při pokojové teplotě. Jejich povrchová morfologie byla v delším časovém intervalu pravidelně sledována vybranými analytickými technikami. Ukázalo se, že již v průběhu několika prvních měsíců došlo u některých vzorků k výrazným změnám. Na původním vyrovnaném povrchu se začaly vytvářet nepravidelné submikroskopické útvary - polyhedrální krystalky fullerénů. Velikost těchto krystalků rostla s časem a po roce dosahovala až 10 µm. Hustota krystalků byla cca 2000 mm-2. Proces spontánní transformace binárního hybridu v soustavu krystalických útvarů C60 vrostlých do původního hybridu spočívá (podle předpokladu) v postupném oddělování fází a jejich kumulace. V případě fullerenů dochází k jejich povrchové difúzi a tvorbě společných strukturních útvarů – krystalků. Analýza volného protoru stresované struktury hybridních kompozitů pomocí difúzních markrů. Jak bylo v předchozí práci [C2, E2] potvrzeno, jsou syntetizované tenké vrstvy binárních kompozitů silně stresované, což způsobuje pomalou a postupnou změnu v jejich vnitřní struktuře. S tím souvisí i vývoj vnitřních poruch a defektů. Stresovaná struktura vykazuje snahu po relaxaci, která může být urychlena termálním žíháním, resp. ozářením svazky energetických iontů či fotonů. V práci [E3] byla studována otázka volného objemu v hybridních soustavách (tvořenému defekty), který ovlivňuje jejich integritu a vlastnosti. Připravené vzorky hybridů byly dopovány tzv. difúzními markry, které pronikají do deponovaných soustav a vyplňují existující volný objem. Analýzou těchto difúzních markrů lze následně ocenit distribuci defektů ve zkoumaných materiálech. Jako difúzní markry byly zvoleny prvky Hg a I (v plynné fázi) a Li (v kapalné fázi – 5 M/l vodní roztok). Jednotlivé vzorky byly dále žíhány a opětovně dopovány markry. Výsledky analýz ukázaly, že v nežíhaných hybridech jsou difúzní markry distribuovány podél komponenty C60, po termálním žíhání však dochází k jejich redistribuci a k prudkému poklesu jejich celkového množství (viz Obr. 1, kde je naznačen vývoj distribuce volného objemu v závislosti na teplotě žíhání, měřenému pomocí difúzního markru Hg). To odpovídá představě, že po žíhání je hybridní soustava méně stresovaná díky rozdělování fází a následné redukci strukturních defektů.

2

o

o

RT - Ni+C 60 (340 C/1 hr, 450 C/1 hr) 0

doped w ith Hg (15 min / 250 C) 0.020

RT

0.018

Relative Concentration (%)

0

340 C / 1 hr

0.016

0

450 C / 1 hr 0.014

Hg marker

0.012 0.010 0.008

40.9 x E15 cm

-2

0.006

7.6 x E14 cm

-2

0.004

9.9 x E14 cm

-2

0.002

10

2

10

3

10

4

-2

Depth (1E15 cm )

Obr. 1 2. Tvorba nanočástic Ni na povrchu Al2O3. Depozice atomů Ni metodou MBE byla prováděna při vysokém vakuu (< 10-5 Pa) bombardováním čistých tablet Ni (99.99 %) elektronovým svazkem. Vrstva Ni byla deponována na monokrystaly α-Al2O3 s orientací (0001). Při přípravě byly zvoleny následující parametry depozice (určující depoziční kinetiku): čas depozice (td), depoziční rychlost R (daná zvoleným proudem elektronů elektronového děla, Ie) a depoziční teplota (teplota substrátu, Ts). Vzhledem k tomu, že nukleace nanočástic nastává v prvních okamžicích růstu tenké vrstvy, byl pro jejich tvorbu zvolen krátký depoziční čas, který se měnil v rozsahu 5 – 30 vteřin. Analýza deponovaných vrstev Ni byla prováděna pomocí mikroskopu atomových sil AFM (NT-NDT). . Závislost na depozičním čase. Charakter nukleace vrstvy Ni. V první studii byla zkoumána závislost nanostruktur ultratenkých vrstev Ni na depozičním čase Ts. Depozice vrstev Ni byla prováděna při pokojové teplotě (RT, Ts = 25ºC) a při stejné depoziční rychlosti (dané proudem dopadajících elektronů na tablety Ni, Ie = 40 mA). Efektivní depoziční rychlost (100 at/(nm2 s)) byla stanovena ze střední tloušťky tenké vrstvy získané profilovou analýzou AFM. Bylo zjištěno, že i pro krátké časy depozice td vznikají (při vysokých hodnotách depozičních rychlostí R) relativně velké nanočástice, jejichž velikost se zmenšuje s časem depozice td. Průměrná velikost nanočástic byla pro depoziční čas td = 30 s cca 120 nm, pro td = 5 s poklesla na hodnotu 50 nm. Tento výsledek naznačuje možnost kontrolovat velikost nanočástic (a jejich povrchové hustoty, tj. pokrytí substrátu) změnou depozičního času td. Důležitý závěr vyplývá z podrobné analýzy snímků AFM. Ukázalo se, že lze v povrchové morfologii vrstev rozeznat dva typy strukturních útvarů. Jeden typ reprezentují vyvýšená oblá místa, která odpovídají nanočásticím Ni, druhý tvoří 2D ploché ostrůvky, které se vztahují k tvorbě monovrstev (teras) deponovaného Ni. Zatímco první typ objektů (nanočástice Ni) svědčí o růstu 3D klastrů, který je popsán modelem VW (VolmerWeber – tvorba vícevrstvých objemových ostrůvků), druhý typ naznačuje existenci 2D struktur vznikajících odlišným mechanismem FM (Frank-van der Merwe – postupná tvorba úplných monovrstev). Oba dva typy objektů jsou ve vrtsvě odděleny, což naznačuje, že existuje u obou mechanismů růstu vrstvy podobná efektivita. To však svědčí o existenci dalšího mechanismu interakce (např. magnetické interakce), který umožňuje odlišný růst vrstvy v sousedních ostrůvcích.

3

Zvýšená teplota depozice. Uspořádání nanostruktur Ni. Efekt re-evaporace. V dalším experimentu byla analyzována morfologie vrstev Ni deponovaných na substrát α-Al2O3 (0001) při stejné rychlosti depozice (dané proudem bombardujících elektronů Ie= 40 mA) za zvýšené depoziční teploty Ts = 200ºC a proměnných časech depozice td = 10, 20, 30 s. Ukázalo se, že zvýšená teplota depozice Ts významně ovlivňuje morfologii nanostruktur: se zvýšenou hodnotou td se velikost nanočástic zmenšuje a vyrovnává, a tvar se uniformuje. Zajímavé je dále to, že pro delší depoziční časy (např. td = 30 s) se v deponované vrstvě Ni vytvářejí shluky nanočástic, které nukleují v místech defektů povrchu substrátu (na růstových schodech) a zůstávají navzájem oddělené. Pro krátké depozice (20 s) se klastry nanočástic nevytvářejí. Střední velikost jednotlivých nanočástic je pro krátké depozice cca 12 nm. Jejich plošná hustota je přitom velmi vysoká, což vede k tomu, že jsou nanočástice navzájem v kontaktu. Efektivní rychlost depozice je v tomto případě pouze 0.65 at/(nm2 s), což je téměř o 3 řády nižší hodnota než pro depozice Ni při pokojové teplotě. Vzhledem k tomu, že depoziční rychlosti Ni jsou v obou případech stejné (parametr Ie je stejný), musí pro vyšší hodnoty Ts existovat mechanismus, který výrazně redukuje efektivní rychlost depozice. Předpokládá se, že efektivní depozice je složitý process, ve kterém koexistují dva mechanismy s opačnou tendencí: absorpce a reevaporace. Je zřejmé, že při zvýšených teplotách depozice se efekt re-evaporace významně projevuje a v důsledku toho je efektivní depozice potlačena. Nízká rychlost depozice. Efekt povrchových defektů substrátu. V následujícím experimentu byl studován růst vrstvy Ni při nízkých hodnotách rychlosti depozice (Ie = 30 mA) a malých depozičních časech (tj. malém pokrytí povrchu). AFM skeny potvrdily, že nanočástice vznikají a shlukují se především podél růstových schodů, tj. podél strukturních defektů na povrchu monokrystalu α-Al2O3 (0001). Střední velikost nanočástic (pro rychlost depozice Ie = 30 mA) byla pro depoziční čas td = 10 s cca 7.8 nm a pro td = 30 s cca 9.8 nm. Efekt teploty depozice. Potvrzení re-evaporace. Byla provedena podrobná analýza závislosti strukturních parametrů nanočástic Ni na depoziční kinetice. Ukázalo se, že zvýšení Ts vedlo k evidentnímu poklesu velikosti nanočástic a v důsledku toho i k omezení plochy pokrytí. Výsledky analýz názorně demonstrovaly existenci procesu re-evaporace Ni a jeho závislosti na teplotě depozice Ts. Lineární závislost pokrytí na Ts je přímým potvrzením tohoto jevu. Potvrdila se I tendence vyrovnávání (uniformita) tvaru nanočástic s rostoucí teplotou depozice Ts, což je patrně způsobeno zvýšenou povrchovou difúzí atomů Ni. Velmi vysoká rychlost depozice. Nukleace epitaxní vrstvy. Efekt rychlosti depozice. V dalším experimentu byla zjištěna závislost re-evaporace na teplotě depozice a depoziční rychostí. Tento jev byl dokumentován na vzorcích tenkých vrstev Ni připravených při stejné (velmi vysoké) depoziční rychlosti (Ie = 50 mA), ale různých teplotách depozice. Při velmi vysoké rychlosti depozice nanočástice na povrchu substrátu rychle nukleují. Pokud je teplota depozice optimalizována tak, že interakce kovu s povrchem substrátu je silná, dochází ke vzniku 2D epitaxní vrstvy. V případě Ni vzniká epitaxní vrstva v důsledku koalescence malých klastrů, které mají stejný rozměr. Detailní rozbor ukázal, že mezi plochými oblastmi deponované vrstvy Ni lze pozorovat i malé nanočástice, což svědčí o tom, že nukleace a růst tenké vrstvy Ni je na povrchu α-Al2O3 (0001) dána také mechanismem VW. 3. Tvorba nanočástic Co metodou bombardování klastry C60++. Epitaxní vrstvy Co byly deponovány na monokrystaly α-Al2O3 (0001) ve vysokovakuovém systému MBE bombardováním tablet Co o vysoké čistotě (99.999 %) elektrony s proudem 30 – 40 mA. Byly vytvořeny tenké epitaxní vrstvy hcp-Co (krystalografická struktura vrstvy Co byla kontrolována pomocí metody XRD), které byly následně ozářeny klastry C60++ s energií 400 keV a s fluencí od 1×1014 iontů/cm2 do 2×1015 iontů/cm2. Ozáření vzorků svazky klastrů bylo provedeno v Japan Atomic Energy Agency (JAEA, Takasaki, Japan). Povrchová morfologie ozářených vrstev byla analyzována pomocí AFM, strukturní modifikace vrstvy a její odprašování byly studovány pomocí metody RBS a RBS/kanálování. Tvorba nanočástic Co bombardováním klastry C60++. Obr. 1 ukazuje morfologii epitaxních vrstev Co před a po ozáření klastry C60++. Parketová struktura povrchu neozářeného vzorku (Obr. 1a) se po ozáření klastry (i pro nízké fluence 1.2×1014 iontů/cm2)

4

transformovala do souborů velmi malých nanočástic se sférickým resp. oválným tvarem a uniformní velikostí (Obr. 1b). Bližší pohled na strukturu nanočástic ukazuje sken AFM (200 nm × 200 nm) uvedený na Obr. 1c.

a

b

c

Obr. 1. Snímky AFM epitaxních vrstev Co před ozářením (a) a po ozáření klastry C60++ s energií 400 keV s fluencí 1.2×1014 iontů/cm2 (b) a 5.6×1014 iontů/cm2 (c). Velikosti skenů AFM jsou 1 µm × 1 µm (a,b) a 200 nm ×200 nm (c). Velikost nanočástic. Profilová analýza snímků AFM umožnila stanovit velikost nanočástic cca 5 nm. Příklad profilové analýzy pro vrstvu Co ozářené klastry C60++ s fluencí 1.2×1014 iontů/cm2 je demonstrován na Obr. 2. Tři páry značek (červená, zelená a modrá) označují tři nanočástice situované podél naznačené linky. Profilová analýza povrchu podél linky je uvedena na Obr. 2 pod skenem AFM. Barevné značky (křížky) na skenu odpovídají vertikálním linkám v profilové analýze.Vzdálenosti mezi stejnými barevnými linkami určují velikosti nanočástic a tyto hodnoty jsou sumarizovány v přilehlé tabulce (viz označení ‘Length’).

Obr. 2. Profilová analýza morfologie epitaxně rostlé vrstvy Co ozářené klastry C60++ s energií 400 keV s fluencí 1.2×1014 iontů/cm2.

Vliv fluence ozáření na velikost nanočástic. Povrchové vyhlazování. Detailní analýza povrchu ozářené vrstvy Co (pomocí AFM) ukázala, že velikost nanočástic Co (vytvořených v důsledku bombardování vrstvy Co klastry C60++) nezávisí na fluenci klastrů. Při vysokých fluencích však dochází k vyhlazování vrstvy Co (surface smoothening), o čemž svědčí dramatický pokles hrubosti RMS povrchu vrstvy.

Na základě získaných výsledků a jejich úspěšné prezentaci na několika mezinárodních konferencích lze konstatovat, že cíle grantového projektu (stanovené pro řešitelský tým ÚJF AVČR Řež) byly v roce 2010 splněny. Podařilo se upravit a inovovat depoziční systémy, které umožnily přípravu kvalitních kompozitů na bázi kovů a fullerenů a využít nízkoenergetický zdroj iontů pro kontrolované ozařování vzorků. Struktura kompozitů

5

a její vývoj v závislosti na termálním žíhání a iontovém ozařování byly sledovány pomocí nukleárních analytických metod a dalších relevantních technik. To umožnilo detailně pozorovat proces degradace struktury hybridních soustav (multivrstev, mixů resp. jejich kombinací), redukce strukturních defektů (volného prostoru) a rovněž proces spontánní samoorganizace Ni (a-C) domén a polyhedrálních krystalků C60. Kromě strukturních a dalších fyzikálních vlastností vzorků byla zkoumána i biokompatibilita některých kompozitů - ukázalo se např, že. hybridní kompozity Ti+C60 a Ti-(a-C) vykazují velmi dobré biologické vlastnosti, které mohou mít v oblasti tkáňového inženýrství zajímavé aplikace. Dále byly provedeny rozsáhle studie tvorby nanostruktur bombardováním epitaxních vrstev Co hmotnými klastry fullerenů a depozicí tranzitních kovů Ni a Co na povrchy vybraných oxidů keramik (α-Al2O3) metodou MBE s přísně vybranou depoziční kinetikou. Získaná data jsou nebo budou publikována v několika impaktovaných článcích v mezinárodních odborných časopisech.

ÚJF – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Články v odborných časopisech a ve sbornících 1.

2.

3.

4. 5.

6.

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 B268 (2010) 1976–1979. J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Novotna, L. Bacakova, V. Lisa, V. Vorlicek, R. Fajgar, Fullerene (C60) – Transitional Metal (Ni) Composites - Structural and biological properties of the thin films, Abstract Book PB3.11 (50), New Diamond and Nano Carbon Conference (NDNC) 2009, Traverse City, Michigan, 7-11 June, 2009; Diamond and Related Materials 19 (2010) 242–246. V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto, S. Sakai, Thermal Effect on Structure Organizations in CobaltFullerene Nanocomposition, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Volume 10, Number 4 (2010) 2624-2629. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlicek, V. Vosecek: Raman scattering in silicon disordered by gold ion implantation, Phys. Status Solidi B 247 (2010) 2022-2026. D. Fink, A. Kiv, D. Fuks, A. Saad, J. Vacik, V. Hnatowicz, A. Chandra, Conducting swift heavy ion track networks, Radiation Effects & Defects in Solids: Incorporating Plasma Science & Plasma Technology, Vol. 165, No. 3 (2010) 227-244. D. Fink, J. Vacik, V. Hnatowicz, G.H. Munos, L. Alfonta, I. Klinkovich, Funnel-type etched ion tracks in polymers, Radiation Effects & Defects in Solids: Incorporating Plasma Science & Plasma Technology Vol. 165, No. 5 (2010) 343-361.

B. Knihy 1. L. Bacakova, J. Vacik, A. Kromka, H. Biederman, A. Choukourov, V. Stary, Nanocomposite and nanostructured carbon-based films as growth substrates for bone cells, Chapter Number 8806, book Nanocomposite Materials, Theory and Applications, 978-953-7619-X-X, InTech, Zieglergasse 14, 1070 Vienna, Austria. C. Články v recenzním řízení 1. 2.

J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Narumi, Fabrication of Buried Self-Organized Stripes, AIP Proceedings 2011. J. Vacik, V. Lavrentiev, H. Naramoto, RT Growth of Polyhedral Fullerene Particles in Supersaturated Fullerene-Metal Composites, Journal of Alloys and Compounds, 2011.

D. Články zaslané do odborných časopisů 1.

V. Lavrentiev, J. Vacik, A. Dejneka, L. Jastrabik, V. Vorlicek, D. Chvostova, Z. Potucek, K. Narumi, H. Naramoto. Creation of quantum dots on silicon surface by energetic C60 cluster ion impacts. Submitted to Applied Physics Letters.

E. Abstrakta publikovaná ve sbornících 1.

2.

3.

J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Narumi, Fabrication of Buried Self-Organized Stripes, ID number #440, International Conference on Application of Accelerators in Research and Industry (CAARI 21), Forth Worth, USA, 8.8.-13.8.2010. Přednáška. J. Vacik, V. Lavrentiev, H. Naramoto, RT Growth of Polyhedral Fullerene Particles in Supersaturated Fullerene-Metal Composites, 17th International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM 2010), Zurich, 4.-9.7.2010. Přednáška. J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, K. Narumi, Free Volume Distribution Analysis of the Stressed

6

4.

5.

6.

Hybrid Films by Profiling of the Hg and Li Diffusion Markers, 10th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART 10), Athens, 13.-17.9.2010. Přednáška. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlicek, H. Naramoto: Structure control of cobalt-fullerene nanocomposite fabricated by method of simultaneous deposition. IV International Conference on Molecular Materials, MOLMAT 2010, Montpellier, France, July 5-8 2010, Program and Abstract Book, p. 271. V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlicek: Creation of silicon quantum dots by conventional ion implantation. X International Conference on Nanostructured Materials, NANO 2010, Roma, Italy, September 13-17, 2010, Abstract book, p. 109. V. Lavrentiev, J. Vacik, H. Naramoto: Nanostructuring of cobalt film surface by C60 cluster ion bombardment. 11th European Vacuum Conference, EVC-11, 8th Iberian Vacuum Meeting, IVM-8, 6th European Topical Conference on Hard Coatings, Salamanca, Spain, September 20-24, 2010, Program and Abstract Book, p. 136.

Plán činnosti na rok 2011 V roce 2011 bude podle plánu zakončeno systematické studium přípravy, modifikace a charakterizace nanostruktur na bázi kombinací kovů a uhlíkových allotropů (fullerenů) a studium vzniku a růstu dalších nanostruktur vzniklých implantací energetických iontů do vybraných substrátů. Experimenty budou prováděny podle následujícího rozpisu: 1.

2.

Příprava, modifikace a charakterizace tenkých vrstev hybridních nanostruktur připravených střídavou resp. současnou depozicí vybraných kovů (Ni, Co, Au, Ag aj.) a fullerenů na zvolené substráty (MgO, α-Al2O3, SiO2, Si aj.). Příprava nanočástic kovů (Ni, Co, Au, Ag aj.) na vhodných substrátech (např. α-Al2O3 a SiO2) metodou implantace nebo depozice s proměnnou depoziční kinetikou (tj. depozičním časem, depoziční teplotou, rychlostí depozice ap.).

ÚJF – Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady Z grantového projektu nebyly v roce 2010 pořízeny žádné investice. 2. Mzdové náklady V roce 2010 byly vyplaceny následující odměny proporcionální k výšce platu a skutečnému podílu kapacity tvůrčích a technických pracovníků: Vědečtí pracovníci: J. Vacík – 60 000,- Kč, V. Hnatowicz – 21 000,- Kč, K. Turek – 21 000,- Kč, I. Tomandl – 17 000,- Kč, V. Lavrentěv – 26 000,- Kč, V. Voseček – 5 000,- Kč, Z. Pulec – 17 000,- Kč, R. Wagner – 8 000,- Kč, Techničtí a administrativní pracovníci: A. Dvořák – 14 000,- Kč, B. Michalcová – 8 000,- Kč, H. Orčíková – 14 000,- Kč, P. Soukup – 7 000,- Kč, V. Sýkora – 10 000,- Kč, V. Bejšovec – 13 000,- Kč, P. Čaloun – 5 000,- Kč, J. Blahova – 4 000,- Kč. Celkem odměny činily 250 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady (OON) V roce 2010 byly uzavřeny následující dohody o provedení práce (DPP): J. Červená: Zpracování spekter iontové transmise a neutronového hloubkového profilování (30 000,- Kč) I. Johanisová (ÚJF) – Mimořádné administrativní práce, editace posterů (8 000,- Kč) E. Kodetová – Mimořádné administrativní práce – příprava a editace posterů (14 000,- Kč) J. Cajzl (VŠCHT Praha) – Analýza vzorků vidovou spektroskopií (3 000,- Kč) V. Tyrpekl (ÚACH AV ČR Řež) – Mimořádné administrativní práce (5 000,- Kč) Celkem byly v rámci OON zadány práce v ceně 52 000,- Kč. 4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek Pro potřeby projektu byl v roce 2010 plánován nákup drobného majetku ve výši 550 000,- Kč. Pořízen byl majetek v celkové hodnotě 474 971,- Kč. Jednalo se o vakuovou komoru pro přípravu vzorků metodou iontového odprašování (39 852,- Kč), diagnostiku vakua depozičních systémů – 2 vakuometry (57 883,- Kč), membránovou vývěvu (34 824,- Kč), monitor tlouštěk (39 108,- Kč) s pneumatickým uzavíracím šoupátkem (34

7

864,- Kč). Dále byl zakoupen elektronický modul Keithley pro měření velmi nízkých elektrických odporů deponovaných vrstev (39 960,- Kč) a pro mikroskop AFM vakuovou soupravu (vacuum kit) (38 240,- Kč), externí elektromagnet (39 195,- Kč) a ovládací senzor (30 850,- Kč). Pro účely komunikace depozičních systémů byl pořízen výkonný stolní počítač (33 683,- Kč) s monitorem LCD (13 559,- Kč) a operačním programem (3 048,- Kč). Pro kontrolované leptání pórů v ozářených polymerech byl zakoupen konduktometr (39 746,- Kč) s odpovídajícím softwarem (16 600,- Kč). Pro multidetektorový spektrometr reakčních produktů (pro metody NRA a NDP) byl zakoupen speciální držák předzesilovačů (13 560,- Kč). Nedočerpaná částka (75 029,- Kč) byla použita pro zvýšené náklady v položce Další provozní níklady. 4.2. Provoz a údržba Na provoz a údržbu depozičních a analytických systémů bylo na rok 2010 požadováno celkem 100 000,- Kč. V důsledku náhlých poruch bylo nutné u systému MBE provést opravu vývěvy (35 520,- Kč) a vakuového stojanu (22 200,- Kč), dále byla provedena oprava detektoru neutronů (25 000,- Kč) a byl uhrazen plánovaný servis mikroskopu AFM (25 920,- Kč). Celkové náklady na provoz a údržbu činily 108 640,- Kč. 4.3. Další provozní náklady V plánu na rok 2010 byla navržena částka 300 000,- Kč. Tato částka však byla překročena vzhledem ke zvýšeným potřebám prováděných experimentů. Celkem činily další provozní náklady 396 820,- Kč Z této položky byly hrazeny: - bankovní poplatky (3 374,- Kč) a kurzové rozdíly (5 648,- Kč) - drobný kancelářský a laboratorní materiál – toner do tiskárny (1 324,- Kč), externí disk (2 699,- Kč), ventilátor (632,- Kč), laboratorní sklo – exikátory, kádinky apod. (9 156,- Kč), čistící tkanina (195,Kč), čistící prostředky (2 514,- Kč), popisovač (91,- Kč), lepenky (20,- Kč), - těsnící materiál pro příruby vakuových systémů (50 832,- Kč) - vakuový ventil (39 840,- Kč) - vakuové propojovací komponenty (10 314,- Kč) - drobný elektromateriál – kabely, baterie, rozvody, konektory apod. (24 791,- Kč) - kovový materiál – Al desky (3 860,- Kč), Al spojovací profily pro nosnou konstrukci zdroje nízkoenergetických iontů (89 811,- Kč) - železný plát pro rekonstrukci separačního magnetu (61 914,- Kč) - plastový materiál – desky PMMA a PC pro zakrytí VN zdrojů (21 896,- Kč) - terčíkové materiály – kovové tablety vysoké čistoty – Co, Au, Ag, In, Ti, Cu, Zn aj. (52 364,- Kč) - grafitové disky pro měření metodou SEM (5 904,- Kč) - měřící hroty AFM (73 104,- Kč) 4.4. Služby Na položku Služby byla na rok 2010 požadována částka 168 000,- Kč. Z přidělených prostředků bylo vedle drobných nákladů na poštovné (839,- Kč) a dopravné (980,- Kč) hrazeno chemické čištění a balotinování vakuových částí depozičních systémů (15 180,- Kč) a stanovení jejich vakuových parametrů (45 120,- Kč), dále byla hrazena analýza elektrického odporu leptací komůrky (6 600,- Kč) a práce na náhradních částí separačního magnetu u zdroje nízkoenergetických iontů (50 880,- Kč). Celkem bylo za služby vydáno 119 599,- Kč. Nedočerpaná částka (48 401,- Kč) byla využita pro financování účasti na mezinárodních konferencích (19 970,Kč) a částečně na překročenou položku Provoz a údržba (8 640,- Kč) a položku Další provozní náklady (19 791,Kč). 4.5. Zveřejnění výsledků Z grantových prostředků nebyly v roce 2010 hrazeny žádné publikační a ediční náklady. Ušetřené náklady (2 000,- Kč) byly přesunuty do položky Další provozní náklady. 4.6. Cestovné V roce 2010 byla vynaložena částka 219 970,- Kč, která pokryla aktivní účast některých členů týmu na několika mezinárodních konferencích (CAARI 21, ISMANAM 17, ECAART 10, IBMM 17, MOLMAT 4 a NANOCON 2010): 21st International Conference on Application of Accelerators in Research and Industry (CAARI 21), Forth Worth, USA, 8.8.-13.8.2010: J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Narumi, Fabrication of Buried Self-Organized Stripes. (přednáška). J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, K. Narumi, Structural Evolution of the Doped MetalFullerene Composites (poster). 17th International Symposium on Metastable, Amorphous and Nanostructured Materials (ISMANAM 17), Zurich, 4.-9.7.2010: J. Vacik, V. Lavrentiev, H. Naramoto, RT Growth of Polyhedral Fullerene Particles in

8

Supersaturated Fullerene-Metal Composites (přednáška). J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, R. Fajgar, Laser-induced modification of the fullerene hybrid composites (poster). 10th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART 10), Athens, 13.17.9.2010: J. Vacik, V. Lavrentiev, V. Hnatowicz, K. Narumi, Free Volume Distribution Analysis of the Stressed Hybrid Films by Profiling of the Hg and Li Diffusion Markers (přednáška). J. Vacik, V. Hnatowicz, S. Dahiwale, S. D. Dhole, V. N. Bhoraskar, Effect of high energy electron bombardment on iodine and lithium penetration into PEEK, HDPE and PI (poster). 17th International Conference on Ion Beam Modification of Materials (IBMM17), Montreal, 22.8.-27.8.2010: J. Vacik, V. Lavrentiev, K. Narumi, Metal - fullerene composite modification by energy beam irradiation (poster). IV International Conference on Molecular Materials (MOLMAT 4), Montpellier, 5.6.-8.6.2010: V. Lavrentiev, J. Vacik, V. Vorlicek, H. Naramoto: Structure control of cobalt-fullerene nanocomposite fabricated by method of simultaneous deposition (poster). NANOCON 2010, Olomouc, 12.-14.10.2010: J. Vacík, V. Lavrentiev, P. Horák, I. Kopová, L. Bačáková, Fabrication, modification and characterization of the transitional metal - fullerene composites (poster). Dále byly hrazeny cestovní výdaje člena řešitelského týmu (K. Turek) do ATOMKI, Debrecen, Maďarsko. 4.7. Doplňkové náklady (režie) V roce 2010 činil příspěvek na režii pracoviště 107 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody V roce 2009 bylo na sociální a zdravotní pojištění vynaloženo 89 999,- Kč (tj. 36% mzdových nákladů). 4.9. Neveřejné zdroje financování V roce 2009 financoval ÚJF AV ČR Řež grantový projekt částkou celkem 425 000,- Kč. Projekt byl dále podporován i firmou Beznoska s.r.o, která poskytla dotaci ve výši 125 000,- Kč. Fond FÚUP Do fondu FÚUP nebyla v roce 2010 převedena žádná částka.

ÚJF – Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady Na rok 2011 nejsou plánovány žádné investiční náklady. 2. Mzdy a platy Položka bude i nadále zahrnovat odměny proporcionální k výšce platu a plánovanému podílu kapacity 11 tvůrčích a 4 technických pracovníků. Celkem je na odměny plánováno 250 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady Na dohody o provedení práce (DPP) s externími spolupracovníky je požadováno celkem 54 000,- Kč. Bude se jednat o analýzu vzorků speciálními metodami (např. SEM), vyhodnocování spekter metodami NDP (Neutron Depth Profilig) a ITS (Ion Transmission Spectroscopy), práce na zhotovení speciálních komponent, údržbě a seřízení depozičních systémů, editace a příprava publikací (posterů, přednášek apod.), speciální administrativní práce (jazykové korektury), apod. 4. Věcné náklady Na rok 2011 je celkem plánováno 1 627 000,- Kč. 4.1. Drobný majetek Na drobný majetek a materiál je plánovaná částka ve výši 570 000,- Kč. Předpokládá se, že tato částka pokryje náklady na depoziční materiály (uhlíkové alotropy, tranzitní a jiné kovy s vysokou čistotou, monokrystalické substráty, polymery apod.), speciální měřící hroty pro mikroskop AFM, a dále na nákup drobných diagnostickými a jiných přístrojů, které jsou nutné pro efektivní provoz laboratoře. 4.2. Provoz a údržba Na provoz a údržbu depozičních a analytických systémů je plánována částka celkem 110 000,- Kč. Kromě běžných provozních nákladů (opravy a čištění některých vakuových částí depozičních komor) je plánována revize ÚHV průchodek depozičních systémů a zdrojů VN.

9

4.3. Další provozní náklady Předpokládají se náklady v částce 400 000,- Kč, ze které se budou hradit kancelářské a čistící potřeby, náplně do laserové tiskárny, nosiče informací (diskety, CD-ROMy, USB porty, externí paměti), specializovaná literatura, těsnící a spojovací materiál, laboratorní sklo, chemikálie, terčíkový materiál, některé drobné přístroje, doplňkové náklady na analýzy a výrobu speciálních komponent depozičních a analytických systémů ap. 4.4. Služby Předpokládají se náklady ve výši cca 120 000,- Kč. Bude se jednat o náklady na specifickou činnost (např. ozařování a analýzy vzorků v jiných laboratořích, kalibrace přístrojů ap.) a dále náklady na aktuální opravy a čištění systémů potřebných pro řešení plánovaných úkolů grantového projektu apod. 4.5. Zveřejnění výsledků Na pokrytí možných nákladů požadovaných pro publikaci výsledků je plánovaná částka 5 000,- Kč. 4.6. Cestovné Pro řešitelský tým ÚJF je na rok 2011 požadována částka celkem 225 000,- Kč, která bude pokrývat cestovní náklady několika členů týmu na významných mezinárodních konferencí. Předpokládá se, že výsledky studia nanostruktur na bázi allotropů uhlíku, polymerů a kovů budou prezentovány na významných mezinárodních konferencích, např. Hybrid Materials 2011 (Strassbourg, 6.3.-11.3.2011), Ion Beam Analysis 2011 (Itapema, Brazil, 10.4.-16.4.2011), European Materials Research Society 2011 (Nice, 9.5.-13.5.2011), International Symposium on Physics of Materials (Prague, 4.9.-8.9.2011). 4.7. Doplňkové náklady Doplňkové náklady budou zahrnovat režijní náklady požadované ÚJF AV ČR. Celkem je plánovaná částka 107 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody Jsou plánovány stejné jako v roce 2010, tj. 90 000,- Kč. 4.9. Neveřejné zdroje financování ÚJF AV ČR Řež bude financovat grantový projekt částkou celkem 425 000,- Kč, firma Beznoska částkou 125 000,- Kč a VŠCHT částkou 71 000,- Kč. Celková částka financování z neveřejných zdrojů bude činit 621 000,Kč.

FZÚ – Fyzikální ústav AV ČR Praha (řešitel Dr. František Fendrych) 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 jejich využitím v biologických studiích. FZÚ – Práce plánované na rok 2010 B3: Konstrukce jednoduchých bioelektronických součástek jako např. aktivní nanoelektrody či polní tranzistory typu ISFET, založené na modifikaci vlastností povrchového kanálu nízkoenergetickou iontovou implantací. Vývoj a ověření této metody, charakterizace součástek a demonstrace přenosu elektrických signálů mezi polovodičovou součástkou a živou buněčnou tkání v přímém kontaktu. FZÚ Slovanka – Výsledky dosažené v roce 2010 (Dr. František Fendrych, Prof. Miloš Nesládek) Spoluřešitelská skupina z FZÚ se podle plánu soustředila na konstrukci jednoduchých bioelektronických součástek založených na bázi: 1. Optické detekce pomocí modifikaci vlastností povrchu implantací. 2. Polních transistorů typu ISFET a impedometricých sensorů s pokusem umělé konstrukce buněčné membrány. 3. Další aktivitou (původně neplánovanou) bylo použití mikrovlnové reaktivní depozice a magnetonového naprašování uhlíkových nanovrstev pro aktivní biologické povrchy se sníženou otěruvzdorností.

10

1. Optická detekce pomocí modifikaci vlastností povrchu implantací Ve vědecké literatuře bylo publikováno několik základních systémů pro elektronickou detekci biomolekul v biologických systémech při využívání nanodiamantových tenkých vrstev. Většinou jsou tyto systémy založené na principu polního jevu v polovodičích , tj. součástkách typu ISFET, resp. na impodetrické detekci. V obou systémech je základ změny nábojového stavu v úzkém kanálu u povrchu diamantu, spínaného pomocí elektrického pole, vyvinutého v těsné blízkosti povrchu v chemickém či biologickém prostředí. V tomto případě biochemické procesy na povrchu vedou ke změně náboje v polovodiči, což vede k ochuzené, resp. obohacené vrstvě nositelů u povrchu polovodiče, kterou je možno detekovat buď elektricky (polní jev pomocí FET či ISFET tranzitorů) nebo impedometricky ( electrochemická detekce). V rámci pokusu hledání nového principu bioelektronických součástek jsme přišli s myšlenkou, jak využívat polního jevu k optické detekci. Tato práce byla uskutečněna ve spolupráci s ÚJF (Dr. J. Vacík). Specificky je náš princip založený na nábojových změnách hluboko ležících optických center, jako jsou dusíkové vakance (NV), které je možno připravit iontovou implantací. Tyto hluboké defekty mají 2 nábojová centra neutrální NV0 a záporně nabité NV-. Každé toto centrum emituje luminiscenci na jiné vlnové délce. Proto jsme přisli s návrhem, že pomocí náboje indukovaného biochemickou interakcí u povrchu se změní polním jevem potenciálový profil v subpovrchu diamantu, vedoucí ke změně obsazení hlubokých center s následnou změnou luminiscence. Navíc při implantaci do subpovrchu nanodiamantu při současném vytvoření proudových elektrod (Source/Drain) očekáváme možnost kombinace optické a elektrické detekce, resp. možnost nastavení operačního bodu polního transistoru tak, aby došlo při biochemické reakci s biomolekulami k co největší změně luminescence. Pro konstrukci této součástky jsme využili vysoce kvalitních diamantvých krystalů získaných od firmy Element Six Ltd a současně jsme porovnávali tento materiál s nanokrystalickým diamantem, deponovaným v naší laboratoři pomocí nového mikrovlnného systému s lineárním aplikátorem [1,2,5]. Tyto vrstvy byly ozářeny nízkoenergetickým iontovým svazkem dusíku v ÚJF Řež [3,4,5]. Energie dusíkových atomů byly voleny tak, aby došlo k implantaci v různé hloubce, v řádech nanometru od povrchu. Následující obrázek Obr. 1 ukazuje stimulaci TRIM vedoucí k profilu dusíku v monokrystalické vrstvě.

Obr. 1. Implantační profil ( TRIM) dusíku v monokrystalckém diamantu po ozáření různými energiemi 1 a 6 keV (a, b). Povrch po vodíkové terminaci (hydrofobní) a a po kyslíkové terminaci (hydrofilní). V první etapě návrhu jsme měřili luminiscence jako funkci iontové implantační energie. Bylo zjištěno, že při implantaci vetšími energiemi 6 keV s hloubkou průniku kolem 10 nm, jsem dostali vetší změnu v luminiscenci mezi stavy NV- (červená) a NV0 (oranžová) pro H a O kyslíkem ukončené povrchy. Specificky Hukončený povrch vedl ke zhášení či snížení NV- luminescence. Tuto situaci jsme modelovali matematicky pomocí ohýbání pásu u povrchu s použitím kvantově mechanického modelování na bázi DFT s výsledkem potvrzení efektu [5]. Tento efekt je způsoben profilem koncentrace dusíku, který funguje jako hluboký donor a kompenzuje povrchové akceptory na vodíkem ukončeném povrchu, viz publikace [1, 2, 3, 4, 5] Tato práce byla prezetována na několika konferencích a na evropské diamantové konferenci DIAMOND 2010 v Budapešti s ní získala Ing. Vlaďka Petráková první cenu za nejlepší orální prezentaci mladých pracovníků (Young Investigator Award) . Rovněž stejnou první cenu získala na prestižní konferenci Materials Research Society (MRS 2010) v Bostonu, USA, kde kromě matematického modelu prezentovala experimentální výsledky potvrzující tento model. Následující obrázek Obr. 2 ukazuje změny luminiscence v diamantu pro 1 keV a 6 keV ozáření dusíkovým svazkem a následné generování defektů NV-/NV0 pomocí migrace vakancí po vysokoteplotním žíhání (650 ˚C).

11

Obr. 2. Raman a PL spektra 1 a 6 keV N-implantovaného diamantu s NV vakancemi generovanými migrací vakancí. Signál u 575 nm odpovídá luminiscenci z NV0 a signál u 636 nm luminiscenci z NV-, která je ovlivěna vodíkovou terminací a zachycením absorbátů vedoucí ke změně elektrického pole. Tento efekt byl publikován v několika publikacích [1,2,5] a je připravována publikaci pro ACS Nano (podána). V další etapě se budeme snažit vytvořit celou struktuu FETu, který bude kombinovat elektrickou detekci s optickou detekcí na základě NV center, které jsou naimplantované do kanálu tranzistoru. Očekáváme publikaci tohoto efektu v časopise s velkým impaktem. 2. Konstrukce polních tranzistorů typu ISFET a impedometrických sensorů s pokusem umělé konstrukce buněčné membrány Náplní této práce bylo vytvoření modelového systému pro senzorické aplikace založeného na bórem dopované tenké diamantové vrstvě. V roce 2010 jsme se soustředili na optimalizace přípravy a charakterizace nanodiamantových vrstev připravených depozicí z plynné fáze. V rámci této jsme charakterizovali základní elektrické a optické vlastnosti deponovaných vrstev a morfologie povrchu pomocí rastrovací mikroskopie atomárních sil (AFM). Pro studium fundamentálních elektrochemických a spektroelektrochemických vlastností bórem dopované diamantové vrstvy bez a s povrchovou funkcionalizací byly využity metody cyklické voltametrie, impedanční spetroskopie pri současném měření Ramanovy spektroskopie in-situ. První aplikací této práce byl návrh a realizace jednoduché bioelektronické součástky na základě bórem dopovaného diamantu využívající elektrochemické principy detekce pro studium resp. modelování procesů probíhajících na biologických membránách založených na lipidní dvouvrstvě. Tento modelový systém umožní kontrolovat na diamantu umělé buněčné mebrány a používat tyto bioelektronické součástky k výzkumu nových antibiotik odvozených od polykationických peptidů, jejichž biologická aktivita je spojena s řízenou destrukcí buněčné membrány. Tato práce je důležitá pro kontrolu antibiotické rezistence bakteriálních buňěk. V první práci na této součástce byly B-NCD vrstvy deponovány pomocí “plasma enhanced-chemical vapor deposition (PECVD)”. Následně byl použit neutrální dioleoyl-phosphatidylcholine (DOPC) a negativně nabitý dioleoyl-phosphatidyl-serine/dioleoyl-phosphatidyl-choline (20% DOPS / 80% DOPC) k syntéze umělé biologické membrány z lipidových dvouvrstev (SLB), které byly připraveny ultrazvukovou sonifikací na povrchu B-NCD pomocí fúze liposomů. Formace SLB byla monitorována pomocí konfokální fluorescenční mikrosopie. K detekci vytvoření SLB jsme používali Electrochemickouo Impedanční Spectroskoopii (EIS). Ke studiu in-situ změn spojených s formací, resp. destrukcí umělé buněčné membrány pomocí peptidy indukovanými interakcemi. Bylo zjištěno, že pro B-NCD, které byly prvně oxidovány, tj. pro hydrofobické, byly pozorované změny impedance minimální, i když detekovatelné v nízkofrekvečním impedančním spektru. Pro vodíkově terminované (hydrofilní) povrchy bylo ukázáno, že tyto změny jsou podstatně výraznější a umožňující detekce formace SLB či petidové destrukce SLB membrány na B-NCD površích, což je včetně impedančních spekter dokumentováno v následujících obrázcích Obr. 3 a,b,c.

12

(a)

(b)

(c)

Obr. 3

13

(a) (b) (c)

Schéma konstrukce lipidové membrány na B-NCD vzorcích, Zkonstruovaná detekční impedační cela, EIS spectra pro SLB deponované na B-NCD substrátu.

Matematické modelování efektu ukázalo, že dochází k velkým změnám povrchového náboje v B-NCD vrstvách, které jsou hydrogenizovány a následně ovlivněny biochemickými reakcemi na povrchu při konstrukci, resp. destrukci SLB buněčné membrány. Toto je způsobeno změnami v původně elektrony ochuzené nábojové vrstvě (pozitivní prostorový náboj a ohnutí pásu vzhůru u vodíkově terminovaného povrchu). Tento jev jsme vysvětlili pomocí generace dvojité vrstvy (ionic double layer) u B-NCD/SLB povrchu, vytvořené pomocí iontové absorbce, a následném ohnutí pásu. V případě destrukce povrchu se elektrolyt dostane póry přímo k povrchu a redox potenciál roztoku ovlivní ohnutí pásu u povrchu B-NCD, kterážto změna je detekována pomocí EIS jako změna impedance. V případě kyslíkového ukončení povrchu jsou pásy původně ohnuté dolů ( elektrony obohacené vrstva), a proto je ovlivnění dodatečným záporným nábojem minimální, tj. detekované změny jsou malé. V následujícím období plánujeme demonstrovat tuto novou techniku pro interakci umělé SLB s různými antibiotiky a použít tuto bioelektornickou součástku pro destrukci membrán některých bakterií. Tato práce byla publikována na několika konferencích a je současně podána k publikaci do časopisu “Biomaterials”. 3. Mikrovlnová reaktivní depozice a magnetonové naprašování uhlíkových nanovrstev pro aktivní biologické povrchy se sníženou otěruvzdorností Práce na grantovém projektu dále pokračovala též v oblasti dokončování depozičních systémů pro přípravu nanodiamatových vrstev s možností depozic na velké plochy a 3D substráty. Bylo docíleno homogenní depozice na velké plochy, kruhové substráty s průměrem cca 6 inchů, a na speciální substráty komplexních 3D tvarů (cévní stenty a ortodontické šrouby TADs), což podstatně převyšuje možnosti stávajících používaných systémů k depozici diamantových vrstev. Podle plánu jsou na všech těchto vrstvách studovány jejich vlastnosti podíl sp3 a sp2 vazeb (Ramanovská spektrosopie), luminiscence NV center a dalších bodových defektů (PL), SEM (morfologie vrstev), AFM (nanotopografie vrstev) , KFM (povrchový potenciál), XPS/UPS (povrchové vazby), RTG difrakce (struktura vrstev), elektrická měření / vodivost, resp. izolační schopnosti, optická transmise a reflexe (spektrální elipsometrie a FTIR k určení indexu lomu). Optická měření byla prováděna ve FZÚ Dr.Z.Remešem a na UP Dr.J.Mistríkem, navíc byly měřeny i optické vlastnosti dalších různých vrstev připravovaných v ÚJF. Pokračovaly také experimenty s dopací NCD vrstev bórem, tj. vytvoření p-typového materiálu MW depozicemi používajícími nestandardní plynové zdroje, trimethylboran. Příkladem prakticky aplikovatelného NCD pokrývání na nové MWLAPECVD aparatuře je depozice biokompatibilních NCD vrstev na speciální ortodontické šroubky TADS (Temporary Anchorage Devices), vyráběné americkou firmou 3M Unitek Corp. a testované na růst fibroblastů ve spolupráci s 2. lékařskou fakultou UK v Praze. První výsledky těchto experimentů byly prezentovány na MRS Fall Meeting, Boston 2010, viz dále Konferenční prezentace, MRS Boston, POSTER 4). Skupina vedená Prof. J. Musilem pracovala v roce 2010 v rámci projektu KAN400480701 na magnetonovém naprašování nanokrystalických TiC/a-C nanokompozitních tenkých vrtsev vhodných i pro aktivní biologické povrchy se sníženou otěruvzdorností. Výsledky jejich práce jsou shrnuty v publikaci [7].

FZÚ Slovanka – Návrh postupu prací na rok 2011 1) Demonstrace konstrukce celé součástky s optickou a elektrickou detekcí založenou na NV centrech implantovaných do kanálu FETu. 2) Dokončení optimalizace B-dopovaných vrstev a jejich paternování. 3) Demonstrace impedometrické detekce destrukce mebrány v bakteriálních buňkách pomocí B-NCD součástky a porovnání s detekcí používající uměle připravené lipidové buněčné membrány , tato práce bude použit k výzkumu rezistence buněk při interakci s antibiotiky.

FZÚ Slovanka – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Články vyšlé impaktované (acknowledged to KAN400480701) 1.

F. Fendrych, A. Taylor, L. Peksa, I. Kratochvilova, J. Vlcek, V. Rezacova, V. Petrak, Z. Kluiber, L. Fekete, M. Liehr and M. Nespadej, Growth and characterization of nanodiamond layers prepared using the plasmaenhanced linear antennas microwave CVD system, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 374018 (6pp). DOI:10.1088/0022-3727/43/37/374018.

14

2.

3.

4.

5.

6.

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, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1203 © 2010 Materials Research Society, 1203-J05-05. I. Kratochvílová, A. Taylor, F. Fendrych, A. Kovalenko and M. Nesládek, Surface potential of functionalised nanodiamond layers, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1203 © 2010 Materials Research Society, 1203-J17-01. I. Kratochvílová, A. Taylor, F. Fendrych, A. Kovalenko, V. Řezáčová, V. Petrák, S. Záliš, J. Šebera, M. Nesládek, Physico-chemical Properties of Diamond Surfaces Related to the Surface Chemisorbed Species on the Surface - Quantum Chemistry Modelling, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1203 © 2010 Materials Research Society, 1203-J03-05. I. Kratochvílová, A. Kovalenko, A. Taylor, F. Fendrych, V. Řezáčová, J. Vlček, S. Záliš, J. Šebera, P. Cígler, M. Ledvina, and M. Nesládek, The fluorescence of variously terminated nanodiamond particles: Quantum chemical calculations, Phys. Status Solidi A 207, No. 9 (2010) 2045–2048 / DOI 10.1002/pssa.201000012. (without KAN400480701 acknowledgement) J. Musil, P. Novák, R. Čerstvý, and Z. Soukup, Tribological and mechanical properties of nanocrystallineTiC/a-C nanocomposite thin films, J. Vac. Sci. Technol. A - Vacuum, Surfaces and Films, Vol. 28, No. 2 (2010) 244-249. DOI: 10.1116/1.3294717.

B. Články impaktované přijaté a v tisku 1.

Taylor, F. Fendrych, L. Fekete, L. Peksa, J. Vlček, V. Řezáčová, V. Petrák, J. Krucký, M. Nesládek, M. Liehr, Novel high frequency pulsed MW-linear antenna plasma-chemistry: Routes towards large area, low pressure nanodiamond growth, Diamond and Related Materials, accepted for publication in 2011.

C. Konference MRS 2010, Boston, USA 1. M. Liehr (INVITED), F. Fendrych, A. Taylor, M. Nesladek, Routes Towards Large Area, Low Pressure Nanodiamond Growth via Pulsed MW-linear Antenna Plasma-chemistry. 2. J. Vlček (ORAL), F. Fendrych, A. Taylor, P. Fitl, M. Vrňata, V. Myslík, M. Nesládek, UV-Laser Treatment for Patterning of Nanodiamond Seeded Surfaces. 3. V. Řezáčová Petráková (ORAL), M. Nesládek, P. Cígler, M. Ledvina, J. Kučka, J. Štursa, J. Rališ, J. Vacík, P. Mojzes, A. Taylor, I. Kratochvílová, F. Fendrych, On the Mechanism of Charge Transfer between Neutral and Negatively Charged Nitrogen-vacancy Color Centers in Diamond. 4. J. Fendrychová (POSTER), V. Kopelent, T. Dostálová, M. Kuklová, P. Fendrych, J. Vlček, L. Fekete, A. Taylor, M. Nesládek, Temporary Anchorage Devices (TADs) Coated with Nanocrystalline Diamond Films Using Low Temperature PE Linear Antennas MW CVD System. 5. V. Petrák (POSTER I), P. Cígler, M. Ledvina, V. Petráková, F. Fendrych, J. Mašek, J. Turánek, S.D. Janssens, K. Haenen, M. Nesládek, Ionic strength as a driving force of nanodiamond aggregation in aqueous solution. 6. V. Petrák (POSTER II), L. Grieten, A. Taylor, F. Fendrych, M. Ledvina, P. Wagner, M. Nesládek, Detection of melittin induced disruptions of supported lipid bilayers on boron doped nanocrystalline diamond film. 7. I. Kratochvílová (POSTER), A. Kovalenko, V. Řezáčová, L. Fekete, F. Fendrych, S. Záliš, P. Cígler, J. Štursa, M. Nesládek, Parameters Affecting the Fluorescence of Nanodiamond Particles: Experiment and Quantum Chemical Calculations. NDNC 2010, Suzhou, China 8. Taylor (ORAL), F. Fendrych, J. Vlček, M. Liehr, M. Nesládek, Novel high frequency pulsed MW-linear antenna plasma-chemistry: Routes towards large area, low pressure nanodiamond growth. DIAMOND 2010, European Diamond Conference, Budapest, Hungary 9. F. Fendrych (ORAL), F. Fendrych, A. Taylor, J. Vlček, M. Nesládek, M. Liehr, Novel Routes towards Large Area, Low Temperature & Low Pressure NanoDIAMOND Growth using High Frequency Pulsed MW-Linear Antenna Plasmas. 10. V. Petráková (ORAL), M. Nesládek, A. Taylor, F. Fendrych, I. Kratochvílová, P. Cígler, M. Ledvina, J. Vacík, J. Kučka, Effect of surface termination on photoluminescence of nanodiamond. 11. V. Petrák (POSTER I), L. Grieten, M. Nesládek, P. Wagner, F. Fendrych, M. Hof, Study of biosensing properties of supported lipid bilayer formed on nanocrystalline diamond thin film. 12. V. Petrák (POSTER II), L. Grieten, P. Wagner, K. Haenen, A. Taylor, F. Fendrych, M. Hof, M. Ledvina and M. Nesládek,Impedimetric sensing of chemical disruption of supported lipid bilayers formed on NCD films.

15

SBDD XV, 2010, Hasselt, Belgium 13. A. Taylor (ORAL), F. Fendrych, J. Vlček, M. Nesládek and M. Liehr, Novel concepts for Low-pressure, Low-temperature Nanodiamond Growth Using MW-linear Antenna Plasma. 14. V. Řezáčová (ORAL), A. Taylor, I. Gregora, Z. Remeš, I. Kratochvílová, F. Fendrych, J. Vacík, J. Poltierová Vejpravová, M. Nesládek, Raman and Luminescence Imaging of Treated Nanocrystalline Diamond Film and Single Crystal Diamond. 15. V. Petrák (POSTER), A. Taylor, M. Ledvina, P. Cígler, Z. Remeš, F. Fendrych, M. Nesládek, Optimization of sonicaton process in monodispersed diamond seeding. 16. J. Vlček (POSTER), M. Novotný, F. Fendrych, A. Taylor, L. Peksa and M. Nesládek, Linear antenna pulsed microwave plasma diagnostics by optical emission spectroscopy during nano-crystalline diamond film growth. 17. I. Kratochvílová (POSTER), A. Kovalenko, A. Taylor, F. Fendrych, V. Řezáčová, J. Vlček, S. Záliš, J. Šebera, P. Cígler, M. Ledvina, and M. Nesládek,The fluorescence of variously terminated nanodiamond particles: Quantum chemical calculations. DeBeers Diamond Conference 2010, Warwick, Great Britain 18. A. Taylor (INVITED), F. Fendrych, L. Fekete, J. Vlček, V. Řezáčová, V. Petrák, J. Krucký, M. Nesládek, M. Liehr, High frequency pulsed MW-linear antenna plasmas: Routes towards large area, low temperature & low pressure nanodiamond growth. E-MRS 2010, Strasbourg, France 19. M. Nesládek (INVITED), Nanodiamond colour centres for cell-marker applications. 20. A. Kovalenko (ORAL), A. Taylor, I. Kratochvílová, F. Fendrych, S. Záliš, J. Šebera, Parameters Affecting Nanodiamond Particles Fluorescence: Quantum Chemical Calculations. NanoIsrael 2010, Tel Aviv, Israel 21. F. Fendrych (POSTER), A. Taylor, I. Kratochvilova, M. Nesladek, M. Liehr: High Frequency Pulsed Microwave Linear Antennas Plasma, Routes Towards Large Area, Low Temperature & Low Pressure Nanodiamond Films Growth. 22. I. Kratochvílová (POSTER), A. Kovalenko, V. Řezáčová, L. Fekete, F. Fendrych, S. Záliš, P. Cígler, J. Štursa, M. Nesládek, Parameters Affecting the Fluorescence of Nanodiamond Particles: Experiment and Quantum Chemical Calculations.

FZÚ - Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady Investiční náklady nebyly v roce 2010 plánovány. 2. Mzdové náklady Mzdové náklady zahrnovaly plat za 10% úvazek pro vedoucího vědeckého pracovníka Prof. Ing. J. Musila, DrSc. v celkové roční výši 33 000,- Kč a plat za 30% úvazek pro odborného technického pracovníka M. Crhána v celkové roční výši 65 000,- Kč. Celkem byly platy ve výši 98 000,- Kč. Položka dále zahrnovala odměny proporcionální k výšce platu, plánovanému podílu kapacity a reálnému přínosu k řešení projektu pro 4 tvůrčí pracovníky a 1 technického pracovníka. Tvůrčí pracovník z původního týmu FZÚ AV ČR Ing. Š. Potocký, Ph.D. stále zústává na vědecké stáži v Japonsku, podle dohody mu grantové odměny nebyly vypláceny. Příslušná částka byla proporcionálně přidána také k odměnám pro ostatní technicko-administrativní personál podílející se na projektu. Celkově bylo na odměnách vyplaceno 178 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady OON plánované v roce 2010 ve výši 40 000,- Kč nebyly čerpány. Odpovídající práce se podařilo zajistit pracovníky FZÚ AV ČR. Celá částka 40 000,- Kč bude proto převedena přes FÚUP do posledního roku řešení projektu a poslouží k financování externích prací na úkolech projektu. 4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek. Drobný majetek zahrnoval jednotlivé části potřebné k dostavbě depoziční aparatury, a to vakuové komponenty, řídicí ventily, průtokoměry, senzory, řídicí jednotky, výkonový síťový transformátor, externí paměťová zařízení, blok vývěv, příruby, speciální propojovací kabely, atd. Celkem bylo vyčerpáno 232 000,- Kč.

16

4.2. Provoz a údržba V této položce byla vyčerpáno 16 000,- Kč, a to na opravu magnetronu v aparatuře SEKI Technotron k přípravě bórem dopovaných NCD vrstev. 4.3. Další provozní náklady Byly zakoupeny chemikálie, materiály na podložky, pracovní plyny, čisté materiály pro depozice, hutní a spojovací materiál pro vlastní konstrukce přípravků do aparatur, elektronické součástky, kabely, adaptéry, baterie do ovladačů zařízení. Celkem bylo vynaloženo 194 000,- Kč. 4.4. Služby Celkem bylo vyčerpáno 8 000,- Kč. Služby zahrnovaly především dlouhodobý pronájem nových plynových lahví, kterých je v budované technologické laboratoři celkem 12. 4.5. Zveřejnění výsledků Na zveřejnění výsledků bylo utraceno 87 000,- Kč. 4.6. Cestovné Zahraniční cesty v rámci projektu se týkaly jednak pracovních stáží na (v tuzemsku dosud nedostupných) technologických a měřicích aparaturách v Hasselt University v Belgii a na Univerzitě ve Stuttgartu. Dále pak prezentací výsledků na mezinárodních konferencích – SBDD XV Hasselt 2010, NDNC 2010 V Suzhou (Čína), MRS Fall Meeting Boston 2010 a DeBeers Diamond Conference Warwick 2010. Ty byly velmi přínosné především z hlediska diskuse o dosažených výsledcích na mezinárodním fóru, získávání vědeckých partnerů pro zahraniční spolupráci a pro získávání zkušeností mladších vědeckých pracovníků. Na MRS 2010 v Bostonu získala naše doktorandka první cenu za nejlepší vědeckou práci mladých výzkumníků (do 28 let). Konference rovněž umožnily následnou publikaci výsledků v impaktovaných časopisech a sbornících uvedených (s ISBN) na Web Of Science. Celkem byla za cestovné vyčerpána částka 254 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady Doplňkové náklady zahrnovaly režijní náklady požadované FZÚ AV ČR, které činily 15 % neinvestičních nákladů, tj. 220 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody Povinné zákonné odvody činily 36 % z mezd a odměn. OON nebyly v roce 2010 vůbec vypláceny (jako DPP, by nepodléhaly odvodům). Celkem tedy činily povinné zákonné odvody 99 000,- Kč.

FZÚ - Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady Investiční náklady nejsou na rok 2011 plánovány. 2. Mzdové náklady Mzdy, platy a odměny budou v roce i nadále zahrnovat 10% úvazek pro vedoucího vědeckého pracovníka Prof. Ing. J. Musila, DrSc. v celkové roční výši 50 000,- Kč a plat za 30% úvazek pro odborného technického pracovníka M. Crhána v celkové roční výši 70 000,- Kč. Platy v roce 2011 tedy činí celkově 120 000,- Kč. Položka bude zahrnovat i odměny proporcionální k výšce platu, plánovanému podílu kapacity a reálnému přínosu k řešení projektu pro 5 tvůrčích pracovníků a 1 technického pracovníka v celkovém objemu 170 000,Kč. Celkem budou mzdy, platy a odměny činit 290 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady Jsou plánovány pouze dohody o provedení práce (DPP). Bude se jednat o další speciální měření, úpravy vzorků, bioelektronické testy či konstrukční práce na aparaturách, které bude třeba zadat externím spolupracovníků např. z Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT, lékařských fakult Univerzity Karlovy, z Matematicko-fyzikální fakulty UK, Západočeské univerzity v Plzni, apod. Celkem je na rok 2010 plánována částka 42 000,- Kč.

17

4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek Jako drobný hmotného majetek budou nakupovány další vakuové komponenty a přístroje pro vylepšení funkce a inovaci elementů dvou stávajících depozičních aparatur (MW LA PECVD a SEKI Technotron). Půjde zejména o vakuové díly (membránové vlnovce, fitinky, příruby, sady počítačem řiditelných průtokoměrů, vysokoproudové průchodky, izolační breaky), speciální vakuová těsnění jedno- a vícenásobně použitelná, díly SWAGELOK pro připojení plynů atd., speciální materiály (kysličníkové keramiky typu, speciální izolanty do UHV apod.) ke konstrukci vlnovodů a mikrovlnných antén. Položka bude zahrnovat i speciální substráty k depozici nanodiamantů a diamantové nanočástice k “seedingu“ povrchu pro nukleaci před růstem vrstvy. Plánujeme celkovou částku 350 000,- Kč. 4.2. Provoz a údržba Tato položka bude zahrnovat případné opravárenské práce na depozičních a měřicích zařízeních, dále čištění a seřizování přístrojů a další laboratorní techniky podle aktuální potřeby. Plánovaná částka je 50 000,- Kč. 4.3. Další provozní náklady K provozu technologických aparatur bude nutné nakupovat vysoce čisté materiály a pracovní plyny (zejména metan, argon, vodík a speciální trimethylboron TMB pro dopování vrstev bórem) k depozičním procesům. Počítá se s nákupem čistých chemikálií pro povrchové úpravy a čištění materiálů. Dále budou nakupovány elektronické součástky, hutní materiál, Podle aktuální nabídky bude zakoupena i odborná literatura o plazmových technologiích, nanodiamantových biomateriálech a jejich přípravě a použití. Plánovaná částka je 130 000,- Kč. 4.4. Služby Služby budou zahrnovat pronájem plynových lahví a nutné konstrukční a údržbářské práce na zařízeních laboratoře (rozvody plynů, klimatizace, vodovodů, elektrické instalace, atd.), dále opravy, čištění a seřizování diagnostických přístrojů, mikroskopické techniky a další laboratorní techniky podle aktuální potřeby. Služby budou případně zahrnovat i poplatky za pronájem sálu při workshopech, kopírovací služby, poštovné, telefon a fax přímo související s přípravou publikací, bankovní poplatky, apod. Plánovaná částka je 80 000,- Kč. 4.5. Zveřejnění výsledků V této položce (po zkušenostech z minulých let) výdaje neplánujeme. 4.6. Cestovné Předpokládá se aktivní účast tvůrčích pracovníků na konferencích o technologii a aplikacích diamantových vrstev či biomateriálů, tkáňového inženýrství, plazmových nanotechnologi, atp., jako budou např. konference 1. Hasselt Diamond Workshop 2011 SBDD-XVI, Belgie, 2. NDNC 2011, Sendai, Japonsko, 3. DeBeers Diamond Conference, Warwick, GB, 4. DIAMOND 2011, Garmisch-Partenkirchen, Německo, 5. MRS (Materials Research Society) Fall Meeting 2011, Boston, apod. či na jiných zahraničních i tuzemských konferencích. Účast na konferenci bude spojená s publikací práce v impaktovaném časopise nebo konferenčním sborníku. Plánovaná částka ve finálním roce řešení projektu je 230 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady Doplňkové náklady budou zahrnovat režijní náklady požadované FZÚ AV ČR, které činí 15 % z neinvestičních nákladů (včetně mezd). V této položce jsou zahrnuty ceny energií, výkony dílen a údržby. Bude se jednat o částku 225 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody Povinné zákonné odvody počítáme jako 36% z mezd a odměn. OON bude vypláceny jako DPP, tudíž nepodléhají odvodům. Celkem tedy budou povinné zákonné odvody v roce 2011 činit 104 000,- Kč.

18

FZÚ Cukrovarnická – Výsledky dosažené v roce 2010 (Ing. Alexandr Kromka, Ph.D.) Popis prováděných experimentů a dosažených výsledků: Studie č. 1. Systematicky se pokračovalo v optimalizaci technologie růstu NCD vrstev pro biologické a senzorické aplikace. V rámci pokračování vývoje chemického senzorového prvku se skupina Dr. Kromky věnovala studiu vlivu morfologie NCD vrstvy na její schopnost detekce plynů. Realizovaný chemický senzor pracoval na principu změny povrchové vodivosti NCD vrstvy v důsledku transferu nosičů náboje v „pod-povrchové“ vrstvě diamantu. Testování realizovaného chemického senzoru, zejména sledování jeho odezvy na přítomnost agresivních plynů jako je fosgen, probíhalo na spolupracujícím pracovišti TU Liberec (skupina Dr. Exnara). Koncept studie vlivu morfologie vycházel z předpokladu, že zvětšení povrchu NCD vrstvy povede ke zvýšení citlivosti, tj. k vyšší změně vodivosti. Obr. 1 schematicky zobrazuje morfologii testované NCD vrstvy tvořenou povrchově souvislou vrstvou (obr. 1a) a nano-strukturované vrstvy (obr. 1b). Nano-strukturování bylo dosaženo reaktivním iontovým plazmatickým leptáním za použití technologického procesu, který byl vyvinut a optimalizován naší skupinou. Obrázky 1c a 1d reprezentují reálnou povrchovou morfologii souvislé (Obr. 1c) a plazmaticky strukturované (Obr. 1d) NCD vrstvy.

Me Me Al2O3

a)

Me

Me

Al2O3

b)

50 nm

20 µm d)

c)

Obr. 1: Schematické zobrazení chemického senzoru tvořeného souvislou (a) a plazmaticky strukturovanou NCD vrstvou (b). Snímek z elektronového rastrovacího mikroskopu reálné povrchové morfologie souvislé (a) a plazmaticky strukturované (b) NCD vrstvy (eLine, Raith). Obr. 2 zobrazuje grafickou závislost povrchové vodivosti chemického senzoru na typu jeho morfologie. Je zřetelné, že struktura tvořená souvislou NCD vrstvou nevykazovala významnou změnu povrchové vodivosti v přítomnosti fosgenu. Testovaný rozsah koncentrace fosgenu byl 5 až 20 ppm. Naopak, plazmaticky nanostrukturovaná NCD vrstva vykazovala změnu vodivosti v závislosti na koncentraci plynu, a pro koncentraci fosgenu 20 ppm bylo pozorováno zvýšení vodivosti až o jeden řád (z 10-7 na 10-6 S). Uvedená studie prokázala, že odezva senzorového prvku je přímo úměrná celkové ploše, které bylo dosaženo nano-strukturováním ve formě kolmých nano-sloupků (M. Davydova, A. Kromka, B. Rezek, O. Babchenko, M. Stuchlik, K. Hruska: Fabrication of diamond nanorods for gas sensing applications, Applied Surface Science 256 (10) (2010) 5602– 5605).

19

T=25°C

-4

Conductivity [S]

10

-5

20 ppm

10

10 ppm

-6

5 ppm

10

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

T=25°C

COCl2Off

COCl2On

Conductivity [S]

10

-7

COCl2Off 20 ppm COCl2On 5 ppm

SA

10

a)

SA

-8

0

10 ppm

300

600

900

10

1200 1500 1800

Time [s]

b)

-8

0

300

600

900

1200 1500 1800

Time [s]

Obr. 2: Změna povrchové vodivosti NCD senzorového elementu nacházejícího se v agresivní atmosféře fosgenu v závislosti na typu použité morfologie, a) NCD vrstva jako nestrukturovaná plocha (plošně rovinný povrch) a b) NCD vrstva jako plazmaticky strukturovaná morfologie z nano-sloupků. Studie č. 2. Nezbytnou součástí tvorby elektronických prvků je jejich strukturování za účelem definování jednotlivých částí elektronických prvků (např. sběrná elektroda-kolektor, hradlová elektroda-gate, atd.). Systematicky se optimalizovala technologie růstu NCD struktur strategií „zdola-nahoru“ (bottom-up). V uvedené strategii se buď nukleace provádí selektivně na před-definované ploše, anebo se nanukleovaná podložka procesuje s cílem odstranění nukleačních zárodků z ploch, na kterých se má potlačit růst NCD vrstvy (Obr. 2a2b). Někdy je daná strategie znama jako „před-růstové“ opracování substrátu. Samotný CVD růst následuje jako poslední technologický krok vedoucí k přímému strukturovanému růstu NCD vrstev. Skupina Dr. Kromky systematicky studovala oba technologické směry. V prvním případě se nejdříve podložka pokryla diamantovými nano-částicemi v důsledku ultrazvukového působení vodní emulze. Následně se uvedená podložka litograficky a plazmaticky modifikovala reaktivním iontovým leptáním v různých směsích plynů (Obr. 3a). Cílem bylo lokální odstranění (odleptání) nano-částic diamantu z definovaných ploch. V druhém případě se podložka nejdříve litograficky procesovala a následně se zárodkovala v ultrazvukové lázni. Nano-částice diamantu se z nežádoucích ploch odstranily v procesu „lift-off“ (tj. rozpuštěním polymeru) – viz Obr. 3b. Výsledná morfologie narostlé diamantové struktury byla zřetelně ovlivněna zvolenými technologickými kroky. V prvním případě, kdy se vrstva diamantových zárodků plazmaticky leptala, se dosáhlo souvislé vrstvy v požadované oblasti. V důsledku použití polymeru jako maskovacího materiálu pro selektivní leptání byl omezen maximální čas leptání. V důsledku zkráceného plazmatického leptání nebyly odstraněny všechny diamantové zárodky a pozoroval se růst izolovaných ostrůvků diamantu na nežádoucích plochách (viz kontrastní bílé plochy na Obr. 3c). Hustota těchto nežádoucích ostrůvků byla v řádu 109 cm-2. Vhodnou optimalizací leptacích plynů se dosáhlo snížení parazitického růstu s hustotou 8x106 cm-2. V případě tzv. lift-off procesu, byla lokálně potlačena tvorba parazitního růstu diamantu na téměř nulovou hodnotu (Obr. 3d). Bohužel, hranice NCD struktur byly nezřetelné, vykazovaly prorůstání struktur a výsledná hustota těchto nežádoucích diamantových struktur byla opět v řádu 8x106 cm-2. Vhodnou kombinací lift-off procesu s plazmatickým leptáním se dosáhlo nejlepšího selektivního růstu NCD vrstev s velmi nízkou hustotou parazitických diamantových komponentů v řádu 105 cm-2. Uvedená hodnota je technologické maximu, protože dosahuje téměř stejnou hodnotu jako proces samovolné tvorby diamantových zárodků na nediamantových podložkách. Uvedené výsledky byly prezentovány na mezinárodní konferenci XXIvth International Winterschool on "Electronic Properties of Novel Materials: Molecular Nanostructures"– IWEPNM 2010, ve dnech 6.-13. 3. 2010 v Kirchbergu, Rakousko a publikovány v impaktovaném časopise (O.Babchenko, T.Izak, E.Ukraintsev, K.Hruska, B.Rezek, and A.Kromka: Toward surface-friendly treatment of seeding layer and selected-area diamond growth, physica status solidi (b) 247 (11-12) 2010 3026-3029).

20

a)

b)

c)

d)

Obr. 3: Schematické zobrazení přímého růstu strukturovaných diamantových vrstev (a-b) a výsledná povrchová morfologie NCD vrstvy narostlé technikou CVD (c-d).

FZÚ Cukrovarnická – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Články vyšlé impaktované 1. 2.

3.

M. Davidova, A. Kromka, B. Rezek, O. Babchenko, M. Stuchlik, K. Hruska, Fabrication of diamond nanorods for gas sensing applications, Applied Surface Science 256 (10) (2010) 5602–5605 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 19 (2010) 190-195. O.Babchenko, T.Izak, E.Ukraintsev, K.Hruska, B.Rezek, and A.Kromka, Toward surface-friendly treatment of seeding layer and selected-area diamond growth, physica status solidi (b) 247 (11-12) (2010) 3026-3029.

B. Články neimpaktované 1.

Z. Remes, A. Kromka, O. Babchenko, B. Rezek, K. Hruska, A. Purkrt, Comparison between chemical and plasmatic treatment of seeding layer for patterned diamond growth, in Diamond Electronics and Bioelectronics - Fundamentals to Applications III, edited by P. Bergonzo, J.E. Butler, R.B. Jackman, K.P. Loh, M. Nesladek (Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Volume 1203, Warrendale, PA, 2010), 1203-J17-13 (doi: 10.1557/PROC-1203-J17-53) (http://www.mrs.org/s_mrs/bin.asp?CID=24691&DID=319332&DOC=FILE.PDF)

C. Články zaslané do časopisu a články v přípravě 1. 2.

T. Izak, A. Kromka, O. Babchenko, M. Ledinsky, K. Hruska, E. Verveniotis: Comparative study on dry etching of polycrystalline diamond thin films, submitted for revision to Vacuum (2010). L. Bačáková, J. Vacík, A. Kromka, H. Biederman, A. Choukourov, V. Stary: Nanocomposite carbon-based films as growth substrates for bone cells, kapitola v knize.

21

D. Konference: 1.

2.

3.

4.

M. Davydova, A. Kromka, B. Rezek, M. Stuchlik, Comparative study between nanocrystalline diamond in porous and nanorod form on their gas sensing properties, 15th International Conference Hasselt Diamond Workshop 2010, Surface and bulk defects in CVD diamond film (SBDD) in Hasselt, Belgium, 22 – 24.2.2010. POSTER. O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruska, T. Izak, E. Ukraintsev, Towards to surface friendly selected area diamond seeding, XXIvth International Winterschool on "Electronic Properties of Novel Materials: Molecular Nanostructures"– IWEPNM 2010 (6-13 March), Kirchberg – Austria. POSTER. T. Izak, A. Kromka, O. Babchenko, M. Ledinsky, K. Hruska, E. Verveniotis, Comparative study on dry etching of polycrystalline diamond thin films in different plasma systems, Programme and Book of Abstracts 13th Joint Vacuum Conference, June 20-24 2010, Strbske Pleso, Slovak Republic, Editors: Marian Vesely, Andrej Vincze, Ivo Vavra, Printed: Tribun EU s.r.o Brno, ISBN 978-80-7399-969-8. POSTER. O. Babchenko, E. Verveniotis, K. Hruska, M. Ledinsky, A. Kromka, B. Rezek, Direct growth of submicron diamond structures, Programme and Book of Abstracts 13th Joint Vacuum Conference, June 20-24 2010, Strbske Pleso, Slovak Republic, Editors: Marian Vesely, Andrej Vincze, Ivo Vavra, Printed: Tribun EU s.r.o Brno, ISBN 978-80-7399-969-8. POSTER.

E. Semináře: 1.

2.

T. Izak, O. Babchenko, A. Kromka, K. Hruška, and M. Michalka, Using of self-assembled gold nano-sized droplets for fabrication of vertically aligned diamond nanorods, Proceedings of the 20th Joint Seminar Development of Materials Science in Research and Education, Eds. K. Nitsch, Z. Kožíšek, September 1 - 3, 2010, Bořetice, pp. 21-22, ISBN 978-80-254-7237-8. PŘEDNÁŠKA. T. Ižák, A. Kromka, K. Hruška, M. Ledinský, O. Babchenko, E.Ukraintsev, Etching of Polycrystalline Diamond Thin Films at FZÚ AVČR, v.v.i.: a Brief Review, Sborník příspěvků zimního odborného a vzdělávacího semináře, Rokytnice nad Jizerou, 11-12. února 2010, Editor: Mgr. Zdeněk Remeš, Ph.D., pp. 18-19, ISBN 978-80-254-8633-7.

FZÚ Cukrovarnická – Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady Investiční náklady nebyly v roce 2010 plánovány. 2. Mzdové náklady Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 3. Ostatní osobní náklady Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4. Věcné náklady Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4.1. Drobný majetek Zahrnoval koupi křemenných substrátů určených pro depozici NCD vrstev v celkové výši 33 000,- Kč a elektronický člen určený k modifikaci impedančního měřícího senzorového systému v hodnotě 39 000,- Kč. 4.2. Provoz a údržba Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4.3. Další provozní náklady Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4.4. Služby Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701.

22

4.5. Zveřejnění výsledků Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4.6. Cestovné Zahrnovalo náklady na aktivní účast O. Babchenka na mezinárodní konferenci IWEPNM, konanou ve dnech 6.-13.3.2010 v Kirchbergu, Rakousko, kde byly presentovány výsledky projektu formou posteru. Byly hrazeny konferenční poplatky, ubytování a diety. Z projektu KAN400480701 byla za cestovné vyčerpána částka 30 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701. 4.8. Povinné zákonné odvody Nebyly čerpány žádné finance v rámci grantového projektu KAN400480701.

FZÚ Cukrovarnická – Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady Investiční náklady nejsou na rok 2011 plánovány. 2. Mzdové náklady Novým členem grantového projektu je Ph.D. doktorand Oleg Babchenko, který je místo Dr. Potockého členem řešitelského týmu FZÚ Cukrovarnická. Požadovaná částka na odměnu je 15 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady Nejsou požadovány žádné finanční náklady. 4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek Pro nákup drobného materiálu je požadovaná částka 100 000,- Kč. 4.2. Provoz a údržba Nejsou požadovány žádné finanční náklady. 4.3. Další provozní náklady Nejsou požadovány žádné finanční náklady. 4.4. Služby Nejsou požadovány žádné finanční náklady. 4.5. Zveřejnění výsledků V této položce (po zkušenostech z minulých let) výdaje neplánujeme. 4.6. Cestovné Předpokládáme účast na mezinárodní konferenci jednoho studenta. Požadovaná částka je 30 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady Režijní náklady budou v rámci Doplňkových nákladů FZÚ Slovanka. 4.8. Povinné zákonné odvody Povinné zákonné odvody (37%) z odměny O. Babchenkovi. Celkem budou povinné zákonné odvody činit 5 500,- Kč.

23

FGÚ – Fyziologický ústav AV ČR Praha (řešitel MUDr. Lucie Bačáková, CSc.) FGÚ Praha – Výsledky dosažené v roce 2010 (MUDr. Lucie Bačáková, CSc.) V roce 2010 jsme pokračovali ve studiích adhese, růstu, životaschopnosti, fenotypické maturace a imunitní aktivace kostních nebo cévních buněk na následujících materiálech: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Kompozitní vrstvy fullerenů C60 a kovů Vrstvy nanokrystalického diamantu dopovaného bórem Nanovlákenné polymerní nosiče buněk vyztužené nanodiamanty Kompozity syntetických polymerů a uhlíkových nanotrubiček Syntetické polymery aktivované ozářením plasmou a roubované biomolekulami a nanočásticemi Polymery s mikro- a nanopóry a povrchovou nanostrukturou vytvořenou ozářením ionty

1. Kompozitní vrstvy fullerenů C60 a kovů Vrstvy kompozitů C60/Ti nebo C60/Ni byly deponovány na mikroskopická krycí sklíčka ve vakuovém systému Univex-300 na pracovišti hlavního řešitele Ústavu jaderné fyziky AVČR. Obsahovaly různé koncentrace příslušného kovu, a to obvykle kolem 25%, 50% a 75% kovu, tj. 25, 50 či 75 atomů kovu na 75, 50 a 25 molekul fullerenů C60. Vrstvy byly deponovány v podobě kontinuální či mikrostrukturované. Mikrostrukturované vrstvy byly vytvořeny depozicí materiálu přes kovovou mřížku (obdélníkové otvory 128 µm x 98 µm, plocha 12 500 µm2, vzdálenost stran otvorů 50 µm). Tyto vrstvy obsahovaly výstupky, jejichž výška závisela na teplotě a době expozice a pohybovala se od několika desítek nm do cca 300 nm. Kompozity C60/kov byly přítomny i v brázdách mezi vyvýšeninami, tj. i v místech původně zastíněných kovovými částmi mřížky, třebaže jejich vrstva byla obvykle o 1 až 2 řády tenčí než na vyvýšeninách. Kompozity C60/Ti přestavovaly vhodný substrát pro kultivaci lidských kostních buněk linie MG 63. Buňky na kompozitech adherovaly a rostly v míře obdobné jako na standardních kultivačních polystyrénových miskách i kontrolních nepokrytých mikroskopických krycích sklech. Avšak na mikrostrukturovaných kompozitních vrstvách byl pozorován zajímavý jev, podobně jako v našich dřívějších studiích na vrstvách čistých fullerenů C60: buňky přednostně adherovaly a rostly v brázdách mezi vyvýšeninami. První den po nasazení byla populační hustota buněk v brázdách zhruba 3x vyšší než na vyvýšeninách. Ačkoliv brázdy zaujímaly pouze 63.8% povrchu materiálu, obsahovaly 76–78% všech buněk. Tato regionálně selektivní kolonizace materiálu bunkami by mohla být prakticky využita v různých biotechnologiích, jako je tkáňové inženýrství, konstrukce biosenzorů či technika „microarrays“ pro moderní proteomiku a genomiku. Kontinuální C60/Ti filmy byly mohly být využity i pro pokryv kostních implantátů pro zvýšení jejich atraktivity pro osteoblasty a zlepšení jejich integrace do kostní tkáně [A1]. Příznivým zjištěním pro případné praktické biomedicíncké využití kompozitů C60/Ti bylo, že tyto kompozity nevyvolávají poškození DNA, které bylo dříve popsáno při působení fullerenů na buňky (pro přehled sumarizováno v našich studiích [A3, B1, C3, E1, F1]). Jednou z příčin absence poškození DNA u buněk na C60/Ti by mohl být fakt, že při kodepozici fullerenů a kovu jsou mnohé molekuly C60 fragmentovány, konvertovány na amorfní uhlík, polymerizovány či oxidovány [A1, A2]. Avšak poškození DNA v našich studiích nebylo nalezeno ani u buněk kultivovaných na čistých vrstvách C60, u nichž Ramanova spektroskopie prokázala přítomnost čistých fullerenů prakticky bez příměsi jiných forem uhlíku. V našich studiích bylo poškození DNA hodnoceno imunofluorescenčním barvením markerů odpovědi buněk na poškození DNA, jako je fosforylace histonu H2AX a fokální seskupování proteinu vázajícího p53 [G1, G7]. Kompozity C60/Ni však byly vysoce cytotoxické (alespoň tedy v čerstvém stavu těsně po depozici – budou hodnoceny ještě po několikatýdenním či několikaměsíčním uležení) a vyvolávaly buněčnou smrt jak u buněk nasazených přímo na materiál, tak u buněk adherujících v kultivační misce v okolí materiálu. 2. Vrstvy nanokrystalického diamantu dopovaného bórem Vrstvy nanokrystalického diamantu dopované borem byly jako nosiče pro osteogenní buňky zvoleny z důvodu jejich elektrické vodivosti, která už sama o sobě podporuje kolonizaci materiálu buňkami i fenotypickou maturaci buněk včetně osteogenní diferenciace. Tyto účinky mohou být dále zvýšeny aktivní elektrickou stimulací buněk proudem procházejícím skrze materiál. 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 6700 ppm. Vzorky byly osazeny lidskými kostními buňkami linie MG 63. Nižší koncentrace bóru zvyšovaly především proliferaci a populační hustotu buněk na vrstvách, kdežto vyšší koncentrace vedly především ke zvýšení produkce osteokalcinu, tvorbě nápadně vyvinutých fokálních adhesních plaků obsahujících talin (protein asociovaný s integrinovými adhesními receptory a považovaný za specifický

24

pro kontakty buňka-matrix) a zvýšené koncentraci dalšího fokálního adhesního proteinu vinkulinu. Podobně jako vrstvy čistého diamantu, ani bórem dopované vrstvy nevyvolaly významnou imunitní aktivaci buněk. Naše články o vrstvách nanokrystalického diamantu dopovaných bórem vyšly časopisech Diamond and Related Materials [A4], Engineering of Biomaterials [C1], a další článek byl zaslán do časopisu PLoS ONE [D1]. Uvedené výsledky byly prezentovány i na mezinárodních konferencích [G5, G6] a sumarizovány v přehledných článcích [C3, E1] a zvané knižní kapitole [F1]. Vrstvy nanokrystalického diamantu čistého i dopovaného bórem 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. Vrstvy dopované bórem jsou i perspektivním substrátem pro konstrukci biosenzorů, například pro monitoring adhese a růstu buněk či uvolňování a depozice různých biomolekul apod. 3. Nanovlákenné polymerní nosiče buněk vyztužené nanodiamanty Dalšími nadějnými strukturami pro inženýrství kostní tkáně, vytvořenými v rámci tohoto projektu, jsou nanovlákenné sítě vyztužené nanodiamanty. Tyto sítě byly vytvořeny technologií elektrospiningu ze směsi kopolymeru laktidu a glykolidu (PLGA, rozpuštěného v methylenchloridu a dimethylformamidu) a nanodiamantů, přidaných do roztoku PLGA. Nanočástice diamantu, připravené metodou RF PACVD, byly získány od prof. Stanislawa Mitury, Technical University of Lodz, Polsko. Výsledná koncentrace nanodiamantů v PLGA po odpaření rozpouštědla byla 23 hmotnostních %. Kompozitní sítě PLGA s nanodiamanty byly připraveny na přístroji Nanospider (Elmarco s.r.o.) na externě spolupracujícím pracovišti Dept of Oral and Maxillofacial Surgery, Universitatsklinikum Schleswig-Holstein, Kiel, Německo (dr. Timothy Douglas, dr. Andrea Renzing, dr. Mariea Brady, dr. Eske Voss, prof. Patrick Warnke – v rámci stáže ERASMUS M. Pařízka na tomto proacovišti). Fyzikálně-chemické vlastnosti sítí, zejména přítomnost nanodiamantů v materiálu, byly zkoumány na Fyzikálním ústavu AVČR (dr. Alexander Kromka). Kompozitní nanovlákenné nosiče z PLGA a nanodiamantů významně podpořily adhesi a růst lidských osteogenních buněk MG 63 (obr. 1), a lze je tedy považovat za perspektivní pro inženýrství kostní tkáně [C2, D3, G3].

B

A

C

D

E

25

F

G

H

Obr. 1. Morfologie kompozitních nanovlákenných sítí z PLGA a nanočástic diamantu. Skenovací elektronová mikroskopie čistých vláken PLGA (A) a PLGA s nanodiamanty (B). Transmisní elektronová mikroskopie vlákna z čistého PLGA (C), PLGA s nanodiamanty uvnitř vlákna (D) a nanodiamanty ve shlucích na povrchu vláken (E). Imunofluorescenční barvení talinu v buňkách MG 63 v kulturách na nanovlákenné síti z čistého PLGA (F), z PLGA a nanodiamantů (G) a na kontrolním mikroskopickém krycím skle (H). Měřítka: A, B: 10µm; C: 1µm; D, E: 200nm; F-H: 100 µm. 4. Interakce buněk MG 63 s kompozity polysulfonu a uhlíkových nanotrubiček V rámci externí spolupráce s AGH University of Science and Technology, Krakov, Polsko, jsme pokračovali ve studiu adhese, růstu, životaschopnosti, osteogenní diferenciace a potenciální imunitní aktivace 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 80o. 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 [D2]. Výsledky byly rovněž prezentovány na mezinárodní konferenci [G6]. 5. Syntetické polymery aktivované ozářením plasmou a roubované biomolekulami a nanočásticemi 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 lze následně z vodných roztoků roubovat různé biomolekuly či nanočástice, např. aminokyselina glycin (Gly), polyetylén glykol (PEG), bovinní sérový albumin (BSA), koloidní nanočástice uhlíku (C) či zlata (Au). 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. Ozáření plasmou obvykle podpořilo adhesi, růst a fenotypickou maturaci hladkých svalových buněk směrem ke kontraktilnímu fenotypu, a tyto účiny byly dále zvýšeny roubováním zmíněnými biomolekulami a nanočásticemi [A5, D4, D5,

26

H1, I1; pro přehled viz B2, E1]. V případě PEG a BSA považujeme tyto výsledky za poněkud překvapivé, 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 buď relativně krátké řetězce (molekulová hmotnost 300), které neumožňovaly výraznou mobilitu, a nebo řetězce příliš dlouhé (molekulová hmotnost 20 000), které byly zřejmě na plasmou aktivovaném polyetylénu uchyceny na více místech. Nemohla se tak rovněž uplatnit jejich mobilita, a u krátkých dlouhých řetězců pak zřejmě převládl příznivý účinek chemických funkčních skupin s obsahem kyslíku a zvýšení smáčivosti materiálu 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 [D4, D5]. 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 [D5]. 6. Polymery s mikro- a nanopóry a povrchovou nanostrukturou vytvořenou ozářením ionty Nadějně se rozvíjela i spolupráce s pracovištěm hlavního řešitele ÚJF AVČR na polymerních mikro – a nanoporézních materiálech (dr. Karel Turek, ÚJF AVČR). Jedná se zejména 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, například Cf). Porézní polymerní folie 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 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. Bylo zjištěno, že fólie z PET s mikro- a nanopóry vytvořenými ozářením ionty a štěpnými troskami umožňují adhesi a růst cévních endotelových a hladkých svalových buněk.V případě endotelových buněk na PET ozářeném Cf a s póry 0,6 µm bylo dosaženo i vyšší populační hustoty buněk než na nemodifikovaném PET. Oba buněčné typy na porézních polymerech zachovávaly markery fenotypické maturace, tj. α-aktin u hladkých svalových buněk a von Willebrandův faktor u buněk endotelových [G2, G8, H2]. 7. Vypracování technologie kultivace primárních a nízce pasážovaných lidských osteoblastů V roce 2011 plánujeme ověřit vybrané výsledky získané na buněčných liniích a v kulturách zvířecích buněk v primárních a nízce pasážovaných kulturách lidských osteoblastů, bylo třeba vypracovat techniku jejich kultivace. primární a nízce pasážované lidské osteoblasty jsou komerčně dostupné například od firmy Lonza, Clonetics, český prodejce East Port, s.r.o. Iniciální adhese těchto buněk po rozmrazení a nasazení do lahviček byla výrazně zlepšena preadsorpcí kolagenu na dna lahviček. Pro namnožení těchto buněk jsme použili médium DMEM doplněné 10% fetálního telecího séra, a osteogenní diferenciaci (měřenou produkcí osteokalcinu, osteopontinu a aktivitou alkalické fosfatázy) jsme u nich navodili výše zmíněným médiem doplněným 10 mM βglycerolfosfát (2,16 mg/ml), 2 mM L-glutamin (292 µg/ml), kyselinu askorbovou (50 µg/ml), 10-6 M dihydroxyvitamin D3 (385 ng/ml), 10-8 M dexamethason (393 ng/ml) a rovněž faktor BMP-7 (10-100 ng/ml). Ve spolupráci s Ortopedickou klinikou Fakultní nemocnice na Bulovce se nám podařilo izolovat i buňky z fragmentů kostí získaných po informovaném souhlasu od pacientů podstupujících operaci pro náhradu kyčelního kloubu. Pro izolaci buněk byla použita metoda sekvenciální enzymatické disociace fragmentů pomocí kolagenózy, trypsinu a dispázy (Meikle a spol., Bone 17: 255-260, 1995). Lidské kostní buňky byly kultivovány nejen v klasickém statickém, ale i ve dvou typech dynamického kultivačního systému, a to průtokové či perfusní komoře systému firmy Provitro GmbH, Berlín, Německo, a v třepacím systému SSM1 Stuart (český dealer PLAB a.s.), který je možno vložit do inkubátoru buněk s atmosférou CO2, teplotou 37°C a 80% vlhkostí atmosféry. 8. Spolupráce pracovišť zúčastněných v projektu. Jak vyplývá z výše uvedeného textu, Fyziologický ústav AVČR spolupracoval prakticky se všemi dalšími pracovišti zapojenými do projektu. Na kompozitních vrstvách C60/kov a na porézních polymerech spolupracoval s ÚJF AVČR, na vrstvách nanokrystalického diamantu a nanovlákenných nosičích buněk vyztužených nanodiamanty s FzÚ AVČR, na syntetických polymerech ozářených plasmou a roubovaných biomolekulami a nanočásticemi s VŠCHT). S ÚACH AVČR jsme pokračovali v hodnocení bioaktivity vrstev nanočástic zlata a stříbra funkcionalizovaných karborany, třebaže jsme v roce 2010 nezveřejnili žádnou společnou práci.

27

FGÚ Praha – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Články vyšlé impaktované 1.

2.

3. 4.

5.

J. Vacík, V. Lavrentiev, K. Novotná, L. Bačáková, V. Lisá, V. Vorlíček, R. Fajgar: Fullerene (C60)–tr ansitional metal (Ti) composites, Structural and biological properties of the thin films, Diamond Relat. Mater. 19 (2010) 242–246. IF 2.092 J. Vacík, V. Lavrentiev, V. Vorlíček, L. Bačáková, K. Narumi, Effect of ion irradiation on structure and thermal evolution of the Ni–C60 hybrid systéme, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B268 (2010) 1976–1979. IF= 1.090 Vagaská, L. Bačáková, E. Filová, K. Balík: Osteogenic cells on bio-inspired materials for bone tissue engineering. Physiol. Res. 59 (2010) 309-322. IF = 1.653 A. Kromka, L. Grausová, L. Bačáková, J. Vacík, B. Rezek, M. Vaněček, O. A. Williams, K. Haenen, Semiconducting to metallic-like boron doping of nanocrystalline diamond films and its effect on osteoblastic cells, Diamond Relat. Mater. 19 (2010) 190–195. IF 2.092 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. 24 (2010) 743–754. IF 1.122

B. Články impaktované přijaté a v tisku 1. 2.

M. Vandrovcová, L. Bačáková: Adhesion, growth and differentiation of osteoblasts on surface-modified materials developed for bone implants. A review. Physiol Res., přijato, vyjde cca červen 2011. IF=1.653 M. Pařízek, K. Novotná, L. Bačáková: The role of smooth muscle cells in vessel wall pathophysiology and reconstruction using bioactive synthetic polymers. A review. Physiol Res., přijato, vyjde cca červen 2011. IF=1.653

C. Články neimpaktované 1.

2.

3.

L. Bačáková, L. Grausová, A. Kromka, J. Vacik, V. Lisá, B. Rezek, K. Haenen, Boron-doped nanocrystalline diamond films as substrates for adhesion, growth and differentiation of human osteoblastlike cells. Inzynieria Biomaterialów-Engineering of Biomaterials XIII (96-98) (2010) 138-139. M. Pařízek, T. E. L. Douglas, A. Kromka, A. Renzing, E. Voss, M. A. Brady, P. H. Warnke. L. Bačáková, Human osteoblast-like MG 63 cells in cultures on nanofibrous PLGA membranes loaded with nanodiamonds. Inzynieria Biomaterialów-Engineering of Biomaterials XIII (94) (2010) 11-13. L. Bačáková, L. Grausová, J. Vacík, V. Lavrentiev, S. Blazewicz, A. Fraczek, A., K. Haenen, Adhesion and growth of human osteoblast-like cell in cultures on nanocomposite carbon-based materials. Přijato do Nanoscience and Nanotechnology Letters (ve stádiu korektury)

D. Články zaslané do časopisu a články v přípravě 1.

2.

3.

4. 5.

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. Zasláno do PLoS ONE (IF = 4.3). L. Grausova, L. Bacakova, E. Filova, A. Fraczek, M. Blazewizc, S. Blazewicz, V. Lisa, Human Osteoblastlike MG 63 Cells on Carbon Nanotube-Polysulfone Composites. V recenzním řízení v časopisu Carbon (IF 4.3). M. Pařízek, T. E .L. Douglas, A. Kromka, M. A. Brady, A. Renzing, E. Voss, M. Jarošová, L. Bačáková*, Patrick H. Warnke, Nanofibrous poly (lactide-co-glycolide) scaffolds combined with nanodiamond as substrates for adhesion and growth of human bone-derived cells. Článek v přípravě. 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. M. Pařízek, N. Kasálková, L. Bačáková, K. Kolářová, V. Lisá, V. Švorčík, Improved adhesion, growth and maturation of vascular smooth muscle cells on plasma-irradiated low density polyethylene grafted with biomolecules. Článek v přípravě.

E. Zvané review 1.

L. Bacakova, E. Filova, T. Ruml, V Svorcik, Control of cell adhesion, proliferation and differentiation on materials designed for body implants. Zvané review pro Biotechnology Advances (IF ~ 8).

28

F. Zvaná kapitola do knihy 1.

L. Bacakova, L. Grausova, J. Vacik, A. Kromka, H. Biederman, A. Choukourov, V. Stary, Nanocomposite and nanostructured carbon-based films as growth substrates for bone cells . Chapter for the book "Nanocomposite Materials, Theory and Applications", ISBN 978-953-7619-X-X, Chapter Number: 8806, InTech, Zieglergasse 14, 1070 Vienna, Austria. Zvaná kapitola do knihy, přijato, po 1. korektuře.

G. Abstrakta z mezinárodních konferencí 1. Kopová, L. Bačáková, J. Vacík, V. Lavrentiev, No evidence for DNA damage by fullerene (C60)–transitional metal (Ti) composites developed for potential bone tissue engineering. Poster na mezinárodní konferenci 2nd International Conference on Cellular and Molecular Bioengineering (ICCMB2); 2 - 4. srpen 2010, Singapore, abstrakt č. C1013 publikován v Book of Abstracts, str. 140. 2. J. Havlíková, K. Turek, L. Bačáková, Porous polyethylene terephtalate scaffolds - promising materials for vascular tissue engineering. Poster na mezinárodní konferenci 2nd International Conference on Cellular and Molecular Bioengineering (ICCMB2); 2 - 4. srpen 2010, Singapore, abstrakt č. C1009 publikován v Book of Abstracts, str. 139. 3. L. Bačáková, M. Pařízek, T.E.L. Douglas, A. Kromka, M. Jarošová, M.A. Brady, A. Renzing, E. Voss, P.H. Warnke, Nanofibrous scaffolds loaded with nanodiamond as substrates for adhesion and growth of human bone-derived cells. Přednáška a poster na konferenci Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society, Asian-Pacific Meeting (TERMIS-AP 2010 Annual Conference), 15. – 17. září 2010, Sheraton on the Park, Sydney, Austrálie. Abstrakt č. 94, publikován v Abstract Book na str. 95. 4. L. Bačáková, E. Filová, F. Straka, J. Chlupáč, Vascular endothelial and smooth muscle cells in static and dynamic cultures on electrospun nanofibrous scaffolds. Poster č. 28 na konferenci Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society, Asian-Pacific Meeting (TERMIS-AP 2010 Annual Conference), 15. – 17. září 2010, Sheraton on the Park, Sydney, Austrálie. Abstrakt č. 95, publikován v Abstract Book na str. 152. 5. L. Grausová, L. Bačáková, A. Kromka, M. Vaněček, V. Lisá, Boron-Doped Nanodiamond Films as Potential Material for Bone Regeneration. Poster č. 24 na konferenci Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society, Asian-Pacific Meeting (TERMIS-AP 2010 Annual Conference), 15. – 17. září 2010, Sheraton on the Park, Sydney, Austrálie. Abstrakt č. 87, publikován v Abstract Book na str. 150. 6. L. Grausová, L. Bačáková, A. Kromka, M. Vaněček, A. Fraczek, E. Filová, M. Blazewicz, V. Lisá, Carbon Nanoparticles as Substrates for Bone Regeneration. Poster na konferenci “International Microscopy Congress”, 19.-24. září, Rio de Janeiro, Brazílie. Abstrakt č. M2.32, publikován elektronicky na http://www.imc-17.com/accepted_abstracts.php 7. I. Kopová, L. Bačáková, J. Vacík, V. Lavrentiev, Fullerene-titanium (C60/Ti) composites cause no DNA damage response in human osteoblast-like MG 63 cells. Poster na “XX Conference on Biomaterials in Medicine and Veterinary Medicine", 14.-17. října 2010, Rytro, Polsko. Abstrakt publikován v Inzynieria Biomaterialów-Engineering of Biomaterials XIII (99-101): 109-110, 2010. 8. J. Havlíková, K. Turek, G. Dajkó, L. Bačáková, Adhesion and growth of vascular cells on porous polyethylene terephthalate scaffolds. Poster na “XX Conference on Biomaterials in Medicine and Veterinary Medicine", 14.-17. října 2010, Rytro, Polsko. Abstrakt publikován v Inzynieria BiomaterialówEngineering of Biomaterials XIII (99-101): 108-109, 2010. 9. E. Filová, F. Straka, L. Bačáková, J. Svobodová, M. Juklíčková, K. Hubáčková, Adhesion and Growth of Valve Interstitial Cells on Oriented and Randomly Oriented Degradable Nanofibres. Poster na konferenci Biologic Scaffolds for Regenerative Medicine, 6th Symposium, Silverado Resort, Napa Valley, California, USA, 25.-27. duben 2010. Abstrakt publikován ve sborníku na str. 55. H. Přednášky bez publikovaných abstrakt 1.

2. 3.

M. Pařízek, N. Kasálková, L. Bačáková, K. Kolářová, V.Lisá, V. Švorčík, Syntetické polymery funkcionalizované biomolekulami pro potenciální konstrukci cévních náhrad. Předneseno na Konferenci Centra výzkumu chorob srdce a cév, 10.-12.11. Harrachov. J. Havlíková, K. Turek, G. Dajkó, L. Bačáková: Adheze a růst cévních buněk na porézních PET fóliích. Předneseno na Konferenci Centra výzkumu chorob srdce a cév, 10.-12.11. Harrachov. F. Straka, E. Filová, J. Mašín, Y.-T. Tseng, L. Bacakova, E. Honsova: Novel Porous Collagen Scaffold for Heart Valve Tissue Engineering under Static and Dynamic Conditions. Přednáška na konferenci Biologic Scaffolds for Regenerative Medicine, 6th Symposium, Silverado Resort, Napa Valley, California, USA, 25.27. duben 2010. Abstrakt publikován ve sborníku na str. 18.

29

I. Diplomová práce 1.

M. Bačáková: „Adhese a růst kožních fibroblastů na planárních a nanovlákenných polylaktidových nosičích modifikovaných ozářením plasmou a roubováním nanočástic zlata“. Diplomová práce, vypracovávaná na FgÚ AVČR ve spolupráci s VŠCHT Praha.

FGÚ Praha – Návrh postupu prací na rok 2011 V roce 2011 systematicky dokončíme a budeme publikovat všechny studie v přípravě, uvedené v seznamu publikací pod bodem D a studie na nanostrukturovaných zlatých a stříbrných a karborany funkcionalizovaných površích ve spolupráci s ÚACH AVČR. Dále zhodnotíme adhesi, růst, diferenciaci a životaschopnost lidských osteoblastů na vybraných substrátech. Vybereme nejnadějnější materiály pro budoucí aplikovaný a klinický výzkum v oblasti biomateriálů.

FGÚ Praha – Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady. Investiční náklady nebyly pro rok 2010 požadovány, a tudíž ani čerpány. 2. Mzdové prostředky zahrnovaly plat pro celý úvazek pro vysokoškolskou odbornou pracovnici Mgr. Katarínu Novotnou ve výši 25 000,- Kč měsíčně. Celkem činily v roce 2010 mzdy 300 000,- Kč. Položka dále zahrnovala odměny proporcionální k výšce platu a plánovanému podílu kapacity vědeckých pracovníků (Lucie Bačáková, Věra Lisá, Elena Filová), PGS studentů (Martin Pařízek, Marta Vandrovcová, Jana Havlíková, Ivana Kopová, Milan Kopeček), a technickým pracovníkům Ivaně Zajanové, Janě Voborníkové a počítačovému technikovi Petru Mackovi. Kromě toho bylo nutno odměny vyplatit i třem dalším krátkodobým technicko-administrativním silám, jejichž pomoc se ukázala jako nezbytná zejména při administrativních pracích spojených s účetnictvím grantu a mytí tkáňového skla. Rovněž jsme zaměstnali 3 techniky konfokálního mikroskopu a dalších speciálních optických zobrazovacích metod nutných pro řešení projektu. Odměna těchto krátkodobých pracovníků činila celkem 36 000,- Kč, což nepřesáhlo 15% částky určené na odměny. Celkem bylo v roce 2009 na odměnách vyplaceno 262 000,- Kč, a celkově na mzdových prostředcích 562 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady. Byly uzavřeny následující dohody o provedení práce (DPP): • Rutinní počítačové vyhodnocení počtu a plochy adhese buněk na uhlíkových a polymerních materiálech (Bc. Markéta Bačáková, Bc. Lucie Abelová, studentky-brigádnice z VŠCHT Praha); • Příprava biofunkcionalizovaných polymerních materiálů (Ing. Tomáš Riedel, ÚMCH AVČR) • Charakterizace fyzikálně-chemických vlastností materiálů (smáčivost, drsnost, elipsometrická hodnocení, infračervená spektroskopie; Ing. Zdeněk Plichta, ÚMCH AVČR) • Statistická analýza výsledků programy ANOVA a STATISTICA, instalace zářivek a elektrické sítě v laboratorních stolech (Miroslav Bačák, student-brigádník z FEL ČVUT) • Předběžné pokusy s implantacemi biomateriálů do laboratorních zvířat (MUDr. Ivo Skalský, IKEM Praha) Celkem bylo na DPP podle plánu vynaloženo 34 000,- Kč. 4. Věcné náklady: 4.1. Drobný majetek zahrnoval počítač k zařízení pro RT-PCR (Nanodrop), novou elektrodu k pH-metru, nový deionizátor Solpure 7/7 k přípravě vody na kultivační média na místo již opotřebeného zařízení, a speciální držák na biomateriály v dynamickém kultivačním systému od firmy Beznoska s.r.o. Celkem bylo za drobný hmotný majetek vyčerpáno 84 000,- Kč. Původní plán byl 50 000 Kč. Přečerpané finance byly dorovnány z nedočerpaných položek, a to položek „Provoz a údržba”, “Služby” a “Zveřejnění výsledků”. 4.2. Provoz a údržba. Tato položka zahrnovala údržbu zařízení digitální analýzy obrazu a výpočetní techniky, servis přístroje VI-CELL XR Beckman a opravu UV lampy v laminárním boxu pro přípravu buněčných kultur firmou LAB Systém. Celkem bylo vyčerpáno 38 000,- Kč (původní plán byl 50 000 Kč; zůstatek byl použit k dorovnání přečerpaných položek Věcných nákladů, zejména položky “Drobný majetek” „Další provozní náklady” a „Cestovné“).

30

4.3. Další provozní náklady: byly zakoupeny kultivační média, nádobky na kultivaci buněk, protilátky pro imunocytochemické barvení (primární proti beta1-integrinům, beta-aktinu, osteopontinu, osteokalcinu, fosforylovanému paxillinu, gamma H2AX; dále protilátky sekunární), kit MTT pro hodnocení mitochondriální aktivity buněk, chemikálie na hodnocení poškození DNA a stárnutí buněk, speciální polymerní úchyty pro materiály ve statických kulturách, kultivační média a jejich součásti (fetální telecí sérum), potřeby pro real timePCR (DNA polymeráza, PCR Oligo-kit), drobný laboratorní materiál (mikroskopická krycí skla, laboratorní nůžky, buničité přířezy, laboratorní rukavice, pufrovací roztoky, střičky, eppendorfky), drobné kancelářské potřeby (obálky, obaly, papír, tužky, popisovací pásky, tonery do tiskárny počítače), 2 knihy o biomateriálech a tkáňovém inženýrství. Celkem bylo vynaloženo 334 000,- Kč (původní plán byl 315 000,- Kč; přečerpání bylo dorovnáno z nedočerpaných položek „Provoz a údržba”, “Služby” a “Zveřejnění výsledků”). 4.4. Služby zahrnovaly poštovné a telefon související s plněním projektu, poplatky za stažení elektronických článků z odborných časopisů, opravu přístroje na úpravu vody na kultivační média, poplatky za užívání konfokálního mikroskopu Leica. Celkem bylo vyčerpáno 22 000,- Kč (původní plán byl 60 000,- Kč; zůstatek byl použit k dorovnání přečerpaných položek Věcných nákladů, a to položky “Drobný majetek” „Další provozní náklady” a „Cestovné“). 4.5. Zveřejnění výsledků: položka zahrnovala poplatky za jazykové korektury publikací, tisk konferenčních posterů a jejich barevných zmenšenin. Celkem bylo vyčerpáno 23 000,- Kč (původní plán byl 30 000,- Kč; zůstatek byl použit k dorovnání přečerpaných položek Věcných nákladů, a to položky “Drobný majetek” „Další provozní náklady” a „Cestovné“). 4.6. Cestovné. Zahraniční cesty uskutečněné v rámci projektu byly velmi přínosné z hlediska získání zkušeností mladých vědeckých pracovníků a diskuse dosažených výsledků na mezinárodním fóru. V rámci projektu byly zcela či částečně hrazeny následující cesty: • Aktivní účast I. Kopové a M. Vandrovcové na mezinárodní konferenci “The 2nd International Conference on Cellular and Molecular Bioengineering” (ICCMB2); 2 - 4. srpen 2010, Singapore (presentace posterů) • Aktivní účast L. Bačákové (přenáška, poster) a L. Grausové (poster) na mezinárodní konferenci Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society, Asian-Pacific Meeting (TERMIS-AP 2010 Annual Conference), 15. – 17. září 2010, Sheraton on the Park, Sydney, Austrálie. • Aktivní účast E. Filové (poster) a F. Straky (přednáška) na konferenci Biologic Scaffolds for Regenerative Medicine, 6th Symposium, Silverado Resort, Napa Valley, California, USA, 25.-27. duben 2010. Celkem byla za cestovné vyčerpána částka 154 000,- Kč (původní plán byl 150 000,- Kč). 4.7. Doplňkové náklady zahrnovaly režijní náklady požadované Fyziologickým ústavem AVČR, které činily max. 15 % věcných nákladů (tj. položka 4.1.-4.6. a 4.8), tj.128 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody činily 36% mezd a odměn. OON byly vypláceny jako DPP, tudíž nepodléhaly odvodům. Celkem tedy činily povinné zákonné odvody 202 000,- Kč.

FGÚ Praha – Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady nejsou pro rok 2011 plánovány. 2. Mzdové náklady budou zahrnovat (1) plat pro celý úvazek pro Mgr. Katarínu Novotnou ve výši 25 000,- Kč měsíčně, tj. 300 000,- Kč ročně. Položka bude dále zahrnovat (2) odměny proporcionální k výšce platu a plánovanému podílu kapacity tvůrčích a technických pracovníků (celkem 236 000,- Kč). Milan Kopeček ukončil své působení na tomto projektu a přestoupil na pracoviště do Brna. Na projektu budou nadále pracovat RNDr. Lubica Grausová, PhD., a MUDr. František Straka, kteří na něm pracovali již dříve. Tým bude tedy pracovat v následujícím složení:

31

Jméno a příjmení pracovníka Vědečtí pracovníci: MUDr. Lucie Bačáková, CSc. Mgr. Elena Filová, PhD RNDr. Lubica Grausová, PhD. Prom. biol. Věra Lisá PGS studenti: Mgr. Jana Havlíková MUDr. František Straka Mgr. Ivana Kopová Mgr. Katarína Novotná Mgr. Martin Pařízek Mgr. Marta Vandrovcová Techničtí pracovníci: Petr Macek Jana Voborníková Ivana Zajanová Celkem budou mzdy a odměny činit 536 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady. Jsou plánovány dohody o provedení práce (DPP) s externími spolupracovníky ohledně funkcionalizace materiálů biomolekulami, hodnocení fyzikálně-chemických vlastností povrchu materiálů a rutinního počítačového hodnocení počtu a plochy buněk na materiálech. Dále plánujeme stavbu, inovace a nastavení optimálních parametrů dynamických kultivačních systémů, implantace vybraných materiálů do laboratorních zvířat, statistické hodnocení výsledků a jazykové korektury anglicky publikovaných článků, posterů, abstrakt a textů přednášek rodilými mluvčími. Celkem plánováno 38 000,- Kč. 4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek. Podle aktuální potřeby budou inovována zařízení pro kultivaci buněk, sterilizaci (autokláv, horkovzdušný sterilizátor, statické a dynamické kultivační systémy), pro mikroskopickou a výpočetní techniku a další laboratorní zařízení nutné pro plnění projektu (např. pro imunocytochemii, elektroforézu, imunoblotting, RT-PCR, pro destilaci a deionizaci vody na přípravu kultivačních médií, váhy, pH metr, ELISA Reader, Vi-Cell Analyser apod.). Podle aktuální potřeby zakoupíme i drobný nehmotný majetek, zejména software, např. pro obrazovou analýzu či statistiku. Plánujeme částku 50 000,- Kč. 4.2. Provoz a údržba. Položka bude zahrnovat nákup náhradních dílů pro opravu a provoz zařízení uvedených v bodě 4.1. Plánujeme částku 50 000,- Kč. 4.3. Další provozní náklady. Tato položka bude zahrnovat především materiál: jako jsou buněčné linie a komerčně dostupné primokultivované a nízce pasážované zvířecí i lidské kostní buňky, laboratorní potkani (dárci tkání pro primární kultury), kultivační nádobky a další výměnné součásti do statických i dynamických kultivačních systémů, ostatní laboratorní nádoby a pomůcky, pipety, špičky, eppendorfky, plastové ampule na uchování mrazených buněk, jednorázové injekční stříkačky a jehly pro manipulaci s kultivačním médiem, kultivační média a jejich součásti (např. fetální telecí sérum, růstové faktory), chemikálie a protilátky pro biochemické, imunocytochemické, histologické a elektronmikroskopické studie, komerčně dostupné kity pro hodnocení viability, metabolické aktivity a proliferace buněk, chemikálie pro hodnocení poškození DNA a stárnutí buněk, chemikálie a pomůcky pro RT-PCR, fluorescenční barviva pro zviditelnění buněk na neprůhledných materiálech, CO2 do inkubátoru pro buňky, tekutý dusík, suchý led, speciální mycí prostředky pro tkáňové sklo, papírové a hliníkové fólie pro balení kultivačního skla před sterilizací, kovové podložky pro nanášení tvrdých biokompatibilních vrstev, držáky biomateriálů v kultivačních systémech, náplně do destilačního a deionizačního přístroje, drobné chirurgické nástroje, náplně a kyvety do analyzátoru počtu a viability buněk Vi-Cell, plastové 96-jamkové destičky do přístroje ELISA Reader, kancelářské potřeby, náplně do laserové a inkoustové tiskárny, nosiče informací (diskety, CD-ROMy, DVD, USB porty). Podle aktuální nabídky zakoupíme i knihy o biomateriálech a tkáňovém inženýrství. Plánujeme částku 353 000,- Kč.

32

4.4. Služby budou zahrnovat opravárenské a údržbářské práce na zařízeních nutných ke kultivaci tkání (čištění filtru laminárního boxu, adjustace parametrů termoboxů, opravy a údržba lednic a mrazicích boxů, centrifug, sterilizačních přístrojů, destilačního a deionizačního přístroje), dále opravy, čištění a seřizování mikroskopické techniky, opravy a údržba laboratorních vah, pH metru, ELISA Reader, ViCell Analyseru, PCR cycleru a další laboratorní techniky podle aktuální potřeby. Služby budou dále zahrnovat poplatky za kopírovací služby, poštovné, telefon a fax přímo související s přípravou publikací, bankovní poplatky, poplatky za užívání konfokálního mikroskopu, poplatky za stažení elektronických článků, konferenční poplatky (pokud nebudou hrazeny z položky Cestovné). Plánujeme částku 40 000,- Kč. 4.5. Zveřejnění výsledků. Položka bude zahrnovat publikační poplatky v odborných časopisech, poplatky za separáty, poplatky za zhotovení posterů. Plánujeme částku 30 000,-Kč. 4.6. Cestovné: Plánujeme aktivní účast na zahraničních i tuzemských konferencích týkajících se nanotechnologií, biomateriálů a tkáňového inženýrství podle aktuální nabídky v roce 2011 (např. International Conference "Regenerative Medicine" v Dubaji, únor 2011; Second World Conference on Nanomedicine, Kerala, Indie, duben 2011; 4th International Conference on Tissue Engineering na Krétě, květen 2011, Řecko, apod.). Plánujeme částku 165 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady budou zahrnovat režijní náklady požadované Fyziologickým ústavem AVČR, které činí nejvýše 15 % věcných nákladů (tj. položka 4.1.-4.6. a 4.8, tj. 134 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody se v roce 2011 předpokládají na 36% mezd a odměn. OON bude vypláceny jako DPP, tudíž nepodléhají odvodům. Celkem je na povinné zákonné odvody plánováno 212 000,- Kč.

VŠCHT Praha – Vysoká škola chemicko-technologická Praha (řešitel prof. Václav Švorčík, DrSc.) VŠCHT Praha – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 V letošním roce byla studována následující témata: a) Depozice uhlíkové nanovrstvy na polymerní substrát a jejich interakce s buňkami Uhlíkové vrstvy na polyethylenetereftalátu (PET) byly připraveny třemi různými depozičními technikami: napařování, naprašování a metodou CVD (photo induced chemical vapor deposition). UV-VIS, Ramanova a Rutherford backscattering spektroskopie, goniometrie a meření electrické sheet resistance bylo použito pro charakterizaci těchto připravených vrstev. Povrchová morfologie vrstev byla studována AFM technikou, jejich tloušťka byla sledována SEM a profilometricky. Adheze a proliferace 3T3 buněk byla studována metodou in vitro. Bylo ukázáno, že vlastnosti deponovaných uhlíkových vrstev závisí na depozičních technikách. Vrstvy připravené naprašováním jsou tvořeny oxidovaným amorfním uhlíkem ve formě neuspořádaného grafitu. Kontaktní úhel deponovaných uhlíkových vrstev výrazně klesá v porovnání s původním PET. Elektrická resistance uhlíkových vrstev klesá rovněž, její dramatický pokles byl pozorován zejména u uhlíku deponovaného napařováním. Nanesená vrstva C nemá významný vliv na povrchovou drsnost vzorků ale výrazně ovlivňuje jejich povrchovou morfologii. Adheze 3T3 fibroblastů nevykazuje zásadní rozdíl mezi PET, naprášenou a CVD-deponovanou vrstvou C. Naproti tomu proliferace 3T3 fibroblastů je různá díky povrchové morfologii a také smáčivosti povrchu vzorků díky jejich různému chemickému složení. b) Roubování Au nano-částic na polymer modifikovaný v plasmě a následná interakce s buňkami Lze předpokládat, že modifikace polyethylenu (PE) v plasmě a následné roubování Au nanonanočásticemi (viz schéma) způsobuje dramatické změny povrchové morfologie, drsnosti a snášivosti povrchu polymeru, což by mohlo výrazně zvyšovat atraktivitu povrchu pro buňky. PE byl exponován v inertní argonové plasmě. Modifikovaný povrch PE byl bezprostředně chemicky roubován bifenyldithiolem přes radikály a následně z roztoku Au nano-částicemi. Změny v chemické struktuře modifikovaného PE byly studovány za použití XPS spektroskopie a elektrokinetické analýzy (ζ-potenciálu). Povrchová smáčivost modifikovaných vzorků PE byla studována pomocí měření kontaktního úhlu standardní goniometrií. Povrchová morfologie PE modifikovaného v plasmě i následně roubovaného Au nano-částicemi byly studovány pomocí AFM. Na modifikované PE vzorky byly nasazeny myší srdeční buňky hladkého svalstva (VSMC) a byla studována metodou in vitro jejich adheze a proliferace. Chemicky navázaný bifenyldithiol dramaticky zvyšuje množství

33

inkorporovaných Au nano-nanočástic a povrchových vlastností modifikovaného PE. Přítomnost bifenyldithiolu a Au nano-nanočástic na povrchu PE dramaticky zvyšuje rovněž adhezi a proliferaci VSMC buněk. Tato práce je příspěvkem k potenciální možnosti léčby ztráty kožního krytu.

plasma

R

R

R

R

R

R

polymer

Au-grafting

cell adhesion

Fig. Schema of Au nano-particle grafting and cell adhesion on plasma modified PE

c) Zvýšení adheze Au nano-vrstev modifikací a roubováním polymeru Polyethylen (PE) byl modifikován Ar plasmou. Aktivovaný povrch byl roubován z methanolu 1,2ethandithiolem. Poté byly vzorky umístěny do čerstvě připraveného koloidního roztoku Au-nanočástic. Nakonec byla naprášena na povrch vzorků Au vrstva o tloušťce 50 nm. Vlastnosti modifikovaného PE byly studovány různými metodami: AFM, EPR, RBS a nanoindentací. Bylo ukázáno, že modifikace v plasmě způsobuje degradaci polymerních řetězců (AFM) a tvoří se volné radikály (EPR). Po roubování dithiolem klesá koncentrace radikálů. Přítomnost Au a S atomů v povrchové vrstvě po roubování Au-nanočástic byla potvrzena RBS. Modifikace v plasmě dramaticky mění povrchovou morfologii PE a zvyšuje povrchovou drsnost. Výraznější změny povrchové morfologie a drsnosti byly pozorovány (AFM) po depozici Au-nanočástic. Nanoindentační měření ukazují, že roubování Au-nanočástic zvyšuje adhezi naprášených Au vrstev. plasma

R

R

R

R

R

R

polymer grafting

Au nanoparticles

Au sputtering

Au-layer

Fig. Schema of Au nano-particle grafting and gold sputtering on plasma modified PE.

34

d) Žíhání deponovaných Au nano-struktur Vliv žíhání na Au struktury deponované na sklo byl studován pomocí AFM, UV-Vis spektroskopie a elektrických měření. Barva nanesených filmů se mění od žluté do zelené s rostoucí dobou naprašování. Po 1 hod žíhání při 300°C získá struktura červenou barvu v závislosti na tloušťce struktury. Žíhání se projeví I dramatickou změnou povrchové morfologie a drsnosti, tvoří se relativně velké “sférolitické a homolovité“ struktury na Au vrstvách. Deponované Au struktury vykazovaly nenulovou hodnotu optické šířky zakázaného pásu Egopt, která byla měřena UV-Vis spektroskopií za použití Taucova modelu. To indikuje polovodivý charakter připravených struktur. Žíhání způsobuje nárůst Egopt. Elektrická resistance nežíhaných struktur klesá dramaticky po 50 s depozice, u žíhaných struktur resistance klesá až po 250 s depozice. Dále byla studována i krystalická struktura Au nano-struktur připravených naprašováním na skleněný substrát. Vlastnosti těchto struktur byly studovány před a po žíhání při 300°C. XRD analýza poskytla informace o Au nano-krystalech. Významný rozdíl v závislosti mřížkového parametru na době naprašování byl pozorován u vzorků před a po jejich žíhání. XRD metodou byla studována i textura, rozměr krystalů a stres v krystalové mřížce. S rostoucí dobou naprašování roste tloušťka připravené vrstvy a rozměr krystalů. Další dramatický nárůst velikosti krystalů je patrný po žíhání. Je patrné, že naprášené a posléze žíhané struktury jsou přednostně orientovány ve směru [111]. Bylo ukázáno, že po žíhání dochází k dramatické změně povrchové morfologie a nárůst povrchové drsnosti související s relaxací Au struktur při jejich žíhání za zvýšené teploty.

10

20

30

40

50

60

80

RT

1 cm

300°C

Fig. Images of the glass samples with gold structures sputtered for increasing times. The as sputtered (RT) and annealed samples (300°C) are shown for comparison.

←□

○

Fig. Dependence on the sputtering time of the optical band gap of gold structures before (RT) and after annealing (300°C) (-□- for RT and -■- for 300°C) and thickness [7] (-○-).

35

RT

300°C Ra = 26.8 nm

Ra = 0.8 nm

Fig. AFM scans of gold structures sputtered for 250 s on glass substrate before (RT) and after annealing (300°C). Ra is average surface roughness in nm.

A

B

Fig. „3D“ XRD-diffractograms of the gold nano-structures sputtered for 50-500 s on glass before (A) and after 1 hour annealing at 300°C (B)

36

e) Úhlová závislost nano-strukturovaného povrchu polymeru stimulovaná laserem Interference laserového světla na povrchu substrátu je využita k tvorbě vlnitých struktur na povrchu polyethylenterefthalátu (PET). PET byl ozařován lineárně polarizovaným světlem pulzního F2-laser o vlnové délce 157 nm. Za našich experimentálních podmínek dochází po expozici k tvorbě koherentních pravidelných vln. Jejich rozměry závisí na úhlu dopadu laserového světla na substrát. Povrchová morfologie nanostrukturovaného povrchu byla studována AFM a FIB-SEM. Koncentrace kyslíku v povrchové vrstvě byla sledována úhlovou AR-XPS. Zlaté nano-vrstvy byly poté naprášeny na laserem strukturovaný povrch. Bylo ukázáno (AFM), že morfologie Au nano-vrstev závisí na struktuře exponovaného povrch PET. Tvorba Au “nano-kopců” kopíruje vyvýšeniny na strukturovaném povrchu. V porovnání s expozicí KrF laserem je vytvořená Au vrstva souvislá. Koncentrace kyslíku na F2 laserem modifikovaném vzorku je významně nižší než při expozici KrF laserem. Z toho vyplývá, že koncentrace kyslíku společně s povrchovou morfologií laserem modifikovaného PET ovlivňují morfologii Au nano-vrstev deponovaných na nano-strukturovaný PET.

A

Ra=4.3 nm

Ra=12.0 nm

B

Ra=26.5 nm

C

Fig. AFM images of PET samples irradiated with F2-laser (4.40 mJ/cm2) by different angles of laser incidence (A - angle of incidence 0°, B - 22.5° and C - 45°) and sputtered with 100 nm of gold. Ra is average surface roughness in nm. f) Charakterizace polymeru, jejich modifikaci v plasmě a depozice zlatem 1. povrchové vlastnosti folií PTFE Povrchové vlastnosti různě tlustých (5-100 µm) komerčně dostupných folií PTFE byly studovány třemi různými metodami: AFM, měřením elektrokinetického ζ-potenciálu a goniometrií (kontaktní úhel). Bylo ukázáno, že folie z obou stran vykazují odlišnou povrchovou morfologii a drsnost, různé hodnoty ζ-potenciálu a kontaktního úhlu. Kontaktní úhel i ζ-potenciál klesají s rostoucí tloušťkou PTFE folie.

37

-46

124

st

1 side nd 2 side

st

1 side nd 2 side

122

-48

Contact angle (°)

Zeta potential (mV)

120 -50 -52 -54

118 116 114 112

-56

110 -58

108 0

20

40

60

80

100

0

Thickness (µm)

20

40

60

80 100 120

Thickness (µm)

Fig. Dependence of the ζ-potential and the contact angle on the foil thickness for the 1st (■) and 2nd (●) foil sides. 2. Zlaté nano-vrstvy na polymerech modifikovaných plasmou Byl charakterizován polypropylen (PP) exponovaný plasmou a následně deponovaný zlatou nano-vrstvou. Au vrstva byla připravena naprašováním. Chemická struktura modifikovaného PP byla studována X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) a Rutherford backscattering (RBS). Povrchová smáčivost a stárnutí vzorků bylo sledováno goniometricky. Povrchová morfologie PP i deponovaných Au vrstev byla studována pomocí AFM. Souvislost resp. nesouvislost Au nanostruktur byla charakterizována měřením jejich elektrické resistance. S rostoucí dobou modifikace PP v plasmě klesá hodnota kontaktního úhlu a povrch polymeru se stává hydrofilnějším. Během stárnutí modifikovaných vzorků kontaktní úhel narůstá díky rotaci kyslíkatých struktur do objemu vzorku. Modifikace způsobuje pokles povrchové drsnosti PP a způsobuje tvorbu kyslíkatých – polárních skupin na povrchu PP.

Concentration [at.%]

12

50 s 100 s 150 s 300 s

PP/plasma

10 8 6 4 2 0 0

20

40

60

80

100

Depth [nm]

Fig. Oxygen concentration depth profiles for the PP modified by the plasma discharge at 8.3W power and exposure times (50, 100, 150 and 300 s). The profiles were obtained from RBS measurement. AFM, XRD, zeta (ζ) potenciál a spektroskopická elipsometrie byly použity pro charakterizaci tenkých (20 nm) Au vrstev naprášených na polyethylentereftalát (PET). Naprašování Au vrstvy způsobí výrazné změny v povrchové morfologii a drsnosti vzorků v porovnání s původním PET. Z XRD měření 20 nm tlustých Au vrstev je patrné, že Au krystaly jsou dominantně orientovány v rovině (111) s mřížkovým parametrem a = 0.40769 nm, hustotou ρ = 19.338 g cm-3 a stresem mřížky ca 230 MPa. Bylo ukázáno, že po depozici Au/PET má povrch vyšší elektrickou vodivost i ζ-potenciál. Tloušťka deponované vrstvy (20 nm, měřeno metodou vrypu na AFM) byla potvrzena i elipsometricky (19.4 nm).

38

(111)

20000 18000

Au/PE

16000

(220)

10000 8000 6000

(311)

12000

(200)

Intensity

14000

(222)

4000 2000 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

2ϑ ϑsputtered onto PET substrate. Dominant (111) orientation Fig. XRD-diffractogram of gold nanolayer, 20 nm thick, of gold crystals is apparent. VŠCHT Praha – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Kapitoly v knihách 1.

2.

V. Švorčík, Z. Kolská, P. Slepička, J. Siegel, V. Hnatowicz, From gold nano-particles through gold nanowire to gold nano-layers on substrate, In: Gold Nanoparticles: Properties, Characterization and Fabrication (Ed. P.E. Chow), Nova Sci. Publ., New York, pp.1-57 (2010). ISBN: 978-1-61668-009-1 P. Havelka, T. Sopuch, V. Hnatowicz, P. Suchý, M. Milichovský, V. Švorčík, Chapter 6, Chemistry, technology and applications of oxidized celluloses, In: Cellulose: Structure and Properties, Derivatives and Industrial Uses (Eds. A.Lejeune & T.Deprez), Nova Sci. Publ., New York, pp. 205-257 (2010). ISBN: 9781-60876-388-7

B. Články vyšlé impaktované 1.

T. Hubáček, O. Lyutakov, V. Rybka, V. Švorčík, Electrical properties of flash evaporated carbon nanolayers on PTFE, J. Mater. Sci. 45, 279 (2010). 2. V. Švorčík, Z. Kolská, T. Luxbacher, J. Mistrík, Properties of Au nano-layer sputtered on PET, Mater. Lett. 64, 611 (2010). 3. J. Siegel, P. Slepička, J. Heitz, Z. Kolská, P. Sajdl, V. Švorčík, Gold nano-wires and nano-layers at laser induced nano-ripples on PET, Appl. Surf. Sci. 256, 2205 (2010). 4. V. Švorčík, A. Chaloupka, P. Řezanka, P. Slepička, Z. Kolská, N. Kasálková, T. Hubáček, J. Siegel, Aunanoparticles grafted on plasma treated PE, Rad. Phys. Chem. 79, 315 (2010). 5. N. Kasálková, Z. Makajová, P. Slepička, K. Kolářová, L. Bačáková, M. Pařízek, V. Švorčík, Cells adhesion and proliferation on plasma-treated and PEG-grafted PE, J. Adhes. Sci. Technol. 24, 743 (2010). 6. A. Vasina, P. Slepička, J. Švorčíková, P. Sajdl, V. Švorčík, Gold Nanolayers on Plasma Treated Polypropylene, J. Adhes. Sci. Technol. 24, 731 (2010). 7. Z. Kolská, J. Říha, V. Hnatowicz, V. Švorčík, Lattice parameter and expected density of Au nanostructures sputtered on glass, Mater. Lett. 64, 1160 (2010). 8. A. Chaloupka, P. Šimek, P. Šutta, V. Švorčík, Influence of substrate on properties of gold nanolayers, Mater. Lett. 64, 1316 (2010). 9. Z.Kolská, J.Siegel, V.Švorčík, Size dependent density of gold nano-clusters and nano-layers deposited on solid surface, Coll.Czech. Chem. Commun. 75, 517 (2010). 10. P. Slepička, A. Vasina, Z. Kolská, T. Luxbacher, A. Macková, P. Malinský, V. Švorčík, Argon plasma irradiation of polypropylene, Nucl. Instrum. Meth. B 268, 2111 (2010). 11. O. Lyutakov, I. Huttel, J. Siegel, V. Prajzler, J. Oswald, V. Švorčík, CNTs manipulation on polymer stimulated by laser, Thin Solid Films 519, 1452 (2010). 12. V. Švorčík, A. Řezníčková, Z. Kolská, P. Slepička, Variable surface properties of PTFE foils, e-Polymers 133, 1 (2010).

39

C. Články impaktované přijaté a v tisku • • • • • •

V. Švorčík, O. Kvítek, O. Lyutakov, J. Siegel, Z. Kolská, Annealing of sputtered gold nano structures, Appl. Phys. A, 2011. A. Řezníčková, Z. Kolská, V. Hnatowicz, P. Stopka, V. Švorčík, Comparison of argon plasma-induced surface changes of thermoplastic polymers, Nucl. Instrum. Meth., DOI 10.1016/j.nimb.2010.11.018 J. Siegel, O. Lyutakov, Z. Kolská, V. Rybka, V.Švorčík, Properties of gold nano-layers sputtered on glass, Nanoscale Res. Lett., 2011. J. Siegel, O. Kvítek, P. Slepička, J. Náhlík, J. Heitz, V. Švorčík, Ar+ sputtering of gold nanostructures and its characterization, Nucl. Instr. Meth. B., 2011. N. Slepičková, P. Slepička, Z. Kolská, P. Sajdl, L. Bačáková, V. Švorčík, Cells adhesion and proliferation on Au nano-particles grafted polyethylene, Nucl. Instr. Meth. B, 2011. A. Řezníčková, Z. Kolská, V. Hnatowicz, V. Švorčík, PTFE treated by Ar plasma, etched and sputtered with gold, J. Nanopar. Res., 2011.

D. Články zaslané do časopisu • • • • • • • • • • •

O. Lyutakov, J. Tuma, V. Prajzler, I. Huttel, V. Švorčík, Preparation of Rib Channel Waveguides on Polymer in Electric Field, Mater. Lett., 2011. Z. Kolská, A. Řezníčková, V. Hnatowicz, V. Švorčík, PTFE surface modification by Ar plasma and its characterization, Vaccum, 2011. V. Švorčík, O. Kvítek, J. Říha, Z. Kolská, Nano-structured gold layers sputtered on glass, Vacuum, 2011. P. Malinsky, A. Mackova, V. Hnatowicz, R.I. Khaibullin, V.F. Valeev, P. Slepicka, V. Svorcik, M. Slouf, V. Perina, Properties of PI, PEET and PET implanted by Ni ions to high fluences, Nucl. Instrum. Meth. B, 2011. V. Švorčík, J. Siegel, Z. Kolská, J. Mistrík, P. Janíček, P.Worsch, Annealing of gold nano-structures sputtered on glass substrate, Appl, Phys. A, 2011. Z. Kolská, A. Řezníčková, A. Vasina, P. Slepička, V.Švorčík, Surface properties of Au thin layers sputtered on polymers, J. Nanosci. Nanotechnol., 2011. V. Švorčík, Z. Makajová, N. Kasalková, Z. Kolská, L. Bačáková, Biocompatibility of plasma modified and PEG-grafted polymers, J. Nanosci. Nanotechnol., 2011. O. Fryčková, T. Hubáček, P. Slepička, V. Švorčík, Properties of different carbon films on polyethyleneterephtalate, J. Nanosci. Nanotechnol., 2011. A. Vasina, P. Slepička, P. Sajdl, Z. Kolská, V. Švorcik, Argon plasma modification of polystyrene surface and subsequent deposition of gold nanolayers, J. Nanopar. Res., 2011. P. Slepička, A. Chaloupka, P. Sajdl, J. Heitz, V.Švorčík, Angle dependent laser nanopatterning of PET surface, Appl. Surf. Sci. 2011. J. Siegel, J. Heitz, V. Švorčík, Self-organized gold nanostructures on laser patterned PET, Surf. Coat. Technol., 2011.

E. Sborníky konferencí (plný text, popř.zkrácený text resp. abstrakty příspěvků) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

9.

V. Švorčík, J. Siegel, P. lepička, O. Lyutakov, Z. Kolská, Příprava Au nano-struktur na skle a polymeru, 62. sjezd chem. spol., Pardubice, 28.-30. června, 2010. Chem. Listy 6, 500 (2010). V. Švorčík, J. Siegel, P. Slepička, O. Lyutakov, Z. Kolská, Příprava nano-struktur na polymeru pro fotoniku, Aprochem 2010, 19.-21.4.2010, Kouty nad Desnou. Z. Kolská, A. Řezničková, V. Švorčík, Stanovení elektrokinetického potenciálu povrchů pevných látek, Aprochem 2010, 19.-21.4.2010, Kouty nad Desnou. T. Hubáček, K. Šupová, A. Řezníčková, J. Siegel, V. Švorčík, Biokompatibilita napařených uhlíkových vrstev, 62. sjezd chem. spol., Pardubice, 28.-30. června, 2010. Chem. Listy 6, 516 (2010). A.Chaloupka, A.Vasina, A.Řezníčková, T.Hubáček, Roubování Au nanočástic na polymery, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 518 (2010). Z. Kolská, A. Řezničková, V. Švorčík, Charakterizace povrchů polymerů modifikovaných plasmou, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 519 (2010). O. Kvítek, V. Švorčík, J. Siegel, O. Lyutakov, P. Slepička, Tepelně namáhané tenké vrstvy Au na skle, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 521 (2010). Z. Makajová, N. Slepičková Kasálková, L. Bačáková, V. Švorčík, Studium povrchových vlastností a biokompatibility polymeru roubovaného PEG, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 522 (2010). A. Řezníčková, A. Vasina, P. Sajdl, Z. Kolská, V. Švorčík, Povrchové vlastnosti polymerů modifikovaných

40

Ar plazmatem, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 530 (2010). 10. J. Siegel, P.Slepička, V. Švorčík, Au vrstvy na nano-strtukturovaném PET, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 531 (2010). 11. P. Slepička, J. Siegel, V. Švorčík, Periodické struktury na povrchu PET, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 531 (2010). 12. N. Slepičková Kasálková, M. Pařízek, P. Slepička, P. Řezanka, L. Bačáková, V. Švorčík, Vliv nanočástic na biokompatibilitu polymerů, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 518 (2010). 13. A. Vasina, P. Slepička, V. Švorčík, P. Sajdl, Z. Kolská, Vliv výkonu Ar na povrchové vlastnosti modifikovaného polypropylenu, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Chem. Listy 6, 534 (2010). F. Přednášky 1. 2. 3.

Z. Kolská, A. Řezníčková, V. Švorčík, Charakterizace povrchů polymerů modifikovaných plazmou, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. V. Švorčík, J. Siegel, P. Slepička, O. Lyutakov, Z. Kolská, Příprava nano-struktur na polymeru pro fotoniku, Aprochem 2010, 19.-21.4.2010, Kouty nad Desnou. Z. Kolská, A. Řezničková, V. Švorčík, Stanovení elektrokinetického potenciálu povrchů pevných látek, Aprochem 2010, 19.-21.4.2010, Kouty nad Desnou.

G. Postery 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

15.

16.

17.

Z. Kolská, A. Řezníčková, V. Švorčík, Charakterizace povrchů polymerů modifikovaných plazmou, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Z. Kolská, A. Řezníčková, V. Švorčík, PTFE Surface Modification by Ar Plasma, JVC 13 Conference, Štrbské Pleso, June 20–24, 2010. V. Švorčík, O. Kvítek, Z. Kolská, J. Říha, P. Šutta, J. Mistrík, P. Janíček, Nano-structured Gold Layers Sputtered on Glass, JVC 13 Conference, Štrbské Pleso, June 20–24, 2010. T. Hubáček, K. Šupová, A. Řezníčková, J. Siegel, V. Švorčík, Biokompatibilita napařených uhlíkových vrstev na polymerním substrátu, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. A. Chaloupka, A. Vasina, A. Řezníčková, T. Hubáček, Roubování Au nanočástic na polymery, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. O. Kvítek, V. Švorčík, J. Siegel, O. Lyutakov, P. Slepička, Tepelně namáhané tenké vrstvy Au na skle, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. Z. Makajová, N. Slepičková Kasálková, L. Bačáková, V. Švorčík, Studium povrchových vlastností a biokompatibility polymeru roubovaného PEG, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. A. Řezníčková, A. Vasina, P. Sajdl, Z. Kolská, V. Švorčík, Povrchové vlastnosti polymerů modifikovaných Ar plazmatem, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. J. Siegel, P. Slepička, V. Švorčík, Au vrstvy na nano-strtukturovaném PET, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. P. Slepička, J. Siegel, V. Švorčík, Periodické struktury na povrchu PET, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. N. Slepičková Kasálková, M. Pařízek, P. Slepička, P. Řezanka, L. Bačáková, V. Švorčík, Vliv nanočástic na biokompatibilitu polymerů, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. A.Vasina, P.Slepička, V. Švorčík, P. Sajdl, Z. Kolská, Vliv výkonu Ar na povrchové vlastnosti modifikovaného polypropylenu, 62. sjezd chem. společností, Pardubice, 28.-30.6.2010. J. Siegel, P. Slepička, O. Kvítek, V. Švorčík, Ar+ sputtering of gold nanostructures and its characterization, 17th Int. Conf. on Ion Beam Modification of Materials, 2010, 22.-27.8, Montreal, Kanada. P. Malinský, A. Macková, V. Hnatowicz, R.I. Khaibullin, V.F. Valeev, P. Slepička, V. Svorčík, M. Šlouf, V. Perina, Effects of Ni+ ion implantation and post annealing in PEEK, PET and PI: the morphology, the microstructure and the electric properties, 17th Int. Conf. on Ion Beam Modification of Materials, 2010, 22.27.8, Montreal, Kanada. N.S lepičková Kasálková, P. Slepička, L. Bačáková, Z. Kolská, V. Švorčík, Adhesion and proliferation of Au nano-particles grafted polymer, 17th Int. Conf. on Ion Beam Modification of Materials, 2010, 22.-27.8, Montreal, Kanada. V. Švorčík, Z. Makajová, N. Kasalková, Z. Kolská, L. Bačáková, Biocompatibility of plasma modified and PEG-grafted polymers, 3th Int. Conf. Advanced Nanomaterials (ANM 2010), 12-15 September 2010, Agadir, Marocco. Z. Kolská, A. Řezníčková, A. Vasina, P. Slepička, V.Š vorčík, Surface properties of Au thin layers sputtered on polymers, 3th Int. Conf. Advanced Nanomaterials (ANM 2010), 12-15 September 2010,

41

Agadir, Marocco. 18. A. Vasina, P. Slepička, P. Sajdl, Z. Kolská, V. Švorcik, Argon plasma modification of polystyrene surface and subsequent deposition of gold nanolayers, NANO 2010, Rome, September13-17, 2010. 19. A. Řezníčková, Z. Kolská, V. Hnatowicz, V. Švorčík, PTFE treated by Ar plasma, etched and sputtered with gold, NANO 2010, Rome, September13-17, 2010. 20. A. Chaloupka, P. Simek, V. Svorcik, Gold Nanolayers Growing on Polyethylene and Glass, Junior Euromat 2010, Lausanne, 26.-30.7.2010. 21. A. Reznickova, P. Sajdl, A. Vasina, V. Svorcik, Surface properties of plasma modified polymers, Junior Euromat 2010, Lausanne, 26.-30.7.2010. 22. A. Vasina, P. Slepicka, A. Reznicková, P. Sajdl, V. Svorcik, Surface Modification of Polypropylene Foil by Argon Plasma, Junior Euromat 2010, Lausanne, 26.-30.7.2010. 23. Z. Makajová, N. Slepicková-Kasálková, V. Švorčík, Physico-Chemical Properties and Biocompatibility of Grafted Polyethylene, Junior Euromat 2010, Lausanne, 26.-30.7.2010. Obhájené diplomové práce 1. 2. 3.

O. Kvítek, Vliv teploty na vlastnosti Au-nanostruktur, 2010. Z. Makajová, Studium adheze buněk na roubovaném PS a PE, 2010. K. Górecká, Studium adheze buněk na uhlíkové vrstvě deponované na polymer, 2010.

Obhájené bakalářské práce 1. 2. 3.

L. Splítková, Nasákavost medicinálně používaných celulóz, 2010. V. Strnadová, Sterilizace polymerů modifikovaných plasmou, 2010. H. Žďárová, Ablace PTFE v plasmě, 2010.

Obhájené doktorské práce 1.

J. Siegel, Zlaté nanovrstvy na modifikovaných substrátech, 2010.

VŠCHT – Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady. Investiční prostředky na rok 2010 nebyly plánovány. 2. Mzdy a platy Mzdy a platy zahrnovaly mzdu na celý úvazek pro vysokoškolské a odborné pracovníky: Ing. K.Kolářová, dr. O. Lyutakov (100%) a na 50% úvazek byl zaměstnán Doc. V.Rybka. Dále byly odměněni výše citovaní pracovníci, spoluřešitel a další spolupracovník (dr. Slepička) a 2 techničtí pracovníci (O.Kesselová a V.Lískovec), mzdové níklady činily 852 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady Byly uzavřeny dohody o provedení práce (DPP) s pracovníky, kteří prováděli jednotlivé analýzy a administrativní práce, celkem 46 000,- Kč. 4. Věcné náklady: 4.1. Drobný majetek Monitor 2 kusy 9 000,- Kč, komponenty PC 13 000,- Kč, nářadí 2 000,- Kč, sada labor. pinzet 3 000,- Kč, ext. disk 3 000,- Kč, nalep.termočlánek 3 000,- Kč, zdroj a procesor 7 000,- Kč, celkem 48 000,- Kč. 4.2. Provoz a údržba Údržba digestoře 5 000,- Kč, AFM hroty 13 000,- Kč, zhotovení litografické masky 5 000,- Kč, zhotovení držáku vzorků 8 000,- Kč, zhotovení VN zdroje 5 000,- Kč, čisticí a kancelářské potřeby 4 000,- Kč, celkem 40 000,- Kč. 4.3. Další provozní náklady Nákup polymerů 6 000,- Kč, tonery vč. barevných 8 000,- Kč, nákup chemikálií 9 000,- Kč, material vč. spojovacího 10 000,- Kč, drobná vydání 5 000,- Kč, materiál na zhotovení držáků 11 000,- Kč, materiál na komoru 6 000,- Kč, polymerní disperze „red“ 9 000,- Kč, držák AFM hrotů 26 000,- Kč, příspěvek na nákup Au targetů 15 000,- Kč, celkem 103 000,- Kč.

42

4.4. Služby Ubytování pracovníka 3 000,- Kč, servis, doprava a pojištění AFM hlavice 22 000,- Kč, servis napařovacího zařízení 11 000,- Kč, celkem 36 000,- Kč. 4.5. Zveřejnění výsledků Tisk posterů na konference 3 000,- Kč. 4.6. Cestovné Zahraniční cesty: příspěvek na akt. účast V.Švorčíka na konferenci JVC 13 Conference, Štrbské Pleso, June 20– 24, 2010, 25 000,- Kč, částečně byla hrazena (Slepička, Kasálková) aktivní účast na 17th Int. Conf. on Ion Beam Modification of Materials 2010, 22.-27.8, Montreal, 49 000,- Kč, částečně byla hrazena aktivní účast (V.Švorčík)na 3th Int. Conf. Advanced Nanomaterials, 12-15 September 2010, Agadir, Marocko 23 000,- Kč. Domácí cesty: 2x UJEP Ústí n/Labem 2 000,- Kč. Domácí konference: příspěvek na aktivní účast na 62. sjezd chem. spol., Pardubice, 28.-30. června, 2010 (Švorčík, Kolářová) vložné, ubytování a cestovné 10 000,- Kč, aktivní účast (Švorčík) na konf. Aprochem 2010, 19.-21.4.2010, Kouty nad Desnou 7 000,- Kč, tj. celkem 116 000,- Kč. 4.7. Doplňkové náklady Doplňkové náklady zahrnovaly režijní náklady požadované VŠCHT Praha ve výši 20% nákladů projektu ve výši 383 000,- Kč. 4.8. Povinné zákonné odvody Povinné zákonné odvody činily 34% mezd a odměn. OON byly vypláceny jako DPP, tudíž nepodléhaly odvodům. Celkem činily povinné zákonné odvody 290 000,- Kč.

VŠCHT Praha – Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady Investiční náklady nejsou plánovány. 2. Mzdy a platy Mzdy a platy budou i nadále zahrnovat plat pro 50% úvazek Doc. V.Rybky a 2 celé úvazky pro mladé spolupracovníky, Ing. K.Kolářová a Ing. N.Slepičkovou Kasálkovou. Položka dále zahrnuje odměny pro spoluřešitele a spolupracovníky (dr. Slepička) a 2 technické pracovníky (O.Kesselová, V.Lískovec). 3. Ostatní osobní náklady Jsou plánovány dohody o provedení práce (DPP) se spolupracovníky, kteří provádějí speciální analýzy (RBS, AAS) a touto formou budou odměněni i studenti, kteří spolupracují na řešení projektu (T.Hubáček, A.Řezníčková). 4. Věcné náklady 4.1. Drobný majetek Podle aktuální potřeby budou inovována zařízení pro mikroskopickou a výpočetní techniku a další laboratorní zařízení nutné pro plnění projektu, podle aktuální potřeby zakoupíme i drobný nehmotný majetek, zejména software, např. pro obrazovou analysu či statistiku. 4.2. Provoz a údržba Budou nakupovány náhradní díly pro opravu a provoz zařízení uvedených v bodě 4.1. 4.3. Další provozní náklady Tato položka bude zahrnovat především materiál jako jsou polymery, jejich folie, kovové a uhlíkové targety, laboratorní sklo a nosné plyny a chemikálie, tekutý dusík, suchý led, kancelářské a čistící potřeby, náplně do laserové a inkoustové tiskárny, nosiče informací. 4.4. Služby Služby budou zahrnovat údržbářské práce na zařízeních nutných k depozici struktur, dále čištění a seřizování mikroskopické techniky, opravy a údržba laboratorních vah a další laboratorní techniky podle aktuální potřeby. Služby budou dále zahrnovat poplatky za kopírovací služby, související s přípravou publikací, bankovní poplatky, repase PC.

43

4.5. Zveřejnění výsledků Položka bude zahrnovat publikační poplatky v časopisech, poplatky za zhotovení posterů. 4.6. Cestovné Plánujeme aktivní účast na konferencích týkajících se nanomateriálů a tkáňového inženýrství, bude hrazena část nákladů pro spoluřešitele a spolupracovníky aktivní účast na konferencích Zing Nanoscience konference, 19.22.2.2011 v Sharm el Sheikh, Egypt a 8th ECCE 2011, September 25–29, 2011, Berlin. Dále bude hrazena aktivní účast na 62. sjezdu chem. společností v Tatranské Lomnici a Vrstvy a povlaky 2011 v Koutech nad Desnou. 4.7. Doplňkové náklady Doplňkové náklady budou zahrnovat režijní náklady požadované VŠCHT Praha, které činí 20 % věcných nákladů. 4.8. Povinné zákonné odvody Povinné zákonné odvody činí 34% mezd a odměn.

ÚACH – Ústav anorganické chemie AV ČR Řež (řešitel Mgr. Tomáš Baše, Ph.D.) ÚACH – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 V roce 2010 jsme pokračovali ve studiu kovových povrchů modifikovaných karboranthiolovými deriváty. Řešeny byly zejména následující práce: 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Výpočetní studie karborandithiolů na povrchu Au (111). Studium stability karboranthiolových derivátů při zahřívání; porovnání se stabilitou příslušných monovrstev na Au površích. Příprava nových boranových thiol derivátů a jejich charakterizace na zlatých a stříbrných površích. Studium protikorozních schopností karboranthiolových derivátů na stříbrném povrchu. Studium změny povrchového potentiálu modifikovaných stříbrných filmů. Optimalizace podmínek pro přípravu vzorků na testování růstu buněk.

1.1. Výpočetní studie karborandithiolů na zlatém 111 povrchu Poprvé byla výpočetně zkoumána vazba ortho-karboranových dithiolátů 1,2-S2-1,2-C2B10H10(2-) (1) a 9,12-S2-1,2-C2B10H10(2-) (2) na povrch Au (111). Thiolátové skupiny na drahých kovech patří k nejstudovanějším samoorganizovaným monomolekulárním vrstvám, významného odvětví nanotechnologie posledních desetiletí. Řada experimentálních i teoretických prací o vazbě organických thiolů na povrchu kovů ukazuje, že povrchové vrstvy jsou s největší pravděpodobností tvořeny thioláty vázanými ke kovu přes atom síry a jejich vznik může být spojen s rekonstrukcí povrchu kovu. Thioly odvozené od mnohostěnových boranů byly do tohoto oboru zavedeny nedávno v našem ústavu. Experimentálně u nich byly pozorovány některé mimořádné vlastnosti, zejména výjimečná stabilita vrstev tvořených skupinami 1 a 2 na stříbře. Tato studie, která je prvním krokem k bližšímu objasnění vazby karboranových dithiolů ke kovovému povrchu, pracuje s klasickým modelovým systémem povrchu zlata, ale vzhledem k silné analogii mezi zlatem a stříbrem lze její výsledky vztáhnout i k experimentům na stříbře. Byla optimalizována struktura periodického modelu v rámci teorie funkcionálu hustoty, jak ji implementuje program Abinit. Pro začátek byla zvolena nejjednodušší aproximace lokální hustoty v parametrizaci podle Tetera a Padého (S. Goedecker, M. Teter, J. Hutter, Phys. Rev. B. 54, 1703, 1996) a s pomocí Troullierových a Martinsových pseudopotenciálů (N. Troullier, J.L. Martins, Phys. Rev. B. 43, 1993, 1991) zachovávajících normu. Modelová buňka byla zvolena tak, aby odpovídala řídkému pokrytí, při němž do vazby molekul k povrchu nezasahuje vzájemné působení sousedících molekul. Byl použit výřez (111) povrchu zlata s adsorbovanými molekulami izomerů 1 nebo 2. Pro výpočet byla použita superbuňka 4x2√3R90° (tři vrstvy atomů zlata s celkovou výškou buňky 17 Å, což odpovídá přibližně 11 Å mezi pláty zlata a zhruba 3 Å vakua nad adsorbovanou molekulou). Výchozí geometrii pro první optimalizaci tvořila dithiolátová skupina 1, v geometrii převzaté z experimentální struktury popsaného zlatitého komplexu, umístěná 3 Å nad povrchem zlata, v geometrii odpovídající kubické plošně centrované krystalické struktuře optimalizované zvolenou výpočetní

44

metodou. Výchozí struktury pro další výpočty byly odvozeny z předchozích mezivýsledků.

výchozí geometrie

klešťová konfigurace ukročená konfigurace

Obr. 1: Výchozí a optimalizované geometrie pro 1 Pro oba izomery, 1 i 2, byly nalezeny dvě rovnovážné struktury, jejichž energetický rozdíl odpovídá (za laboratorní teploty) hodnotě Boltzmanova faktoru ~ 40. Rozhodujícím činitelem pro způsob vazby se ukázala vzdálenost atomů síry, závislá na geometrii karboranových skupin: jeden atom síry se váže v poloze nad mezerou mezi trojicí atomů, která odpovídá kubické plošně centrované mřížce, druhý blízko můstkové pozici mezi dvěma atomy zlata. V prvním nalezeném (méně stálém) uspořádání obklopují oba atomy síry jako kleště jeden společný atomu zlata, ve stabilnějším uspořádání je dithiolátová skupina pootočena oproti klešťové konfiguraci tak, že atomy síry se dostávají jakoby úkrokem do kontaktu každý se zcela jinou trojicí atomů zlata (Obr. 1). Vazba má vliv jak na uspořádání povrchové vrstvy kovu, tak na geometrii adsorbované molekuly. Především vzdálenost atomů síry se oproti volné molekule thiolu významně prodlouží. Přestože rozdíly v geometrii obou optimalizovaných struktur jsou mezi 1 a 2 prakticky nepozorovatelné, vypočtené adsorpční energie jsou pro 2 přibližně o čtvrtinu vyšší než pro 1. Atomy síry vázané k atomům boru ve 2 jsou pro vazbu k povrchu zlata umístěny vhodněji než vázané k atomům uhlíku v 1, geometrie na první pohled blízké se významně liší napětím v deformovaných strukturách. Tyto výsledky odpovídají experimentálním datům o ochranném působení karboranových dithiolů na kovech a nabízejí vysvětlení pozorovaného rozdílu. Výsledky této studie byly sepsány a odeslány do časopisu Surface Science [B-1], kde nyní probíhá recenzní řízení. 1.2. Studium stability karboranthiolových derivátů při zahřívání; porovnání se stabilitou příslušných monovrstev na Au površích Byla studováno chování karboranových thiol derivátů při zahřívání. U těchto látek byly pozorovány izomerizační reakce, kterým byla věnována vetší pozornost s ohledem na možnost podobného chování na Au površích. Pro studium byly použity zejména mono-thiol deriváty (1-HS-1,2-C2B10H11, 9-HS-1,2-C2B10H11, 1-HS1,7-C2B10H11, 9-HS-1,7-C2B10H11, 1-HS-1,12-C2B10H11), ale pro srovnání také některé di-thiol deriváty (1,2(HS)2-1,2-C2B10H10, 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10, 1,7-(HS)2-1,7-C2B10H10, 1,12-(HS)2-1,2-C2B10H10). Pro jednoduchost a přehlednost popisu chování je uvedeno chování mono-SH derivátů orto-karboranu, které mají celkem 5 pozičních izomerů. Významný rozdíl byl pozorován v chování mezi prvními dvěma výše zmíněnými izomery, 1-HS-1,2-C2B10H11 a 9-HS-1,2-C2B10H11. Zatímco první izomer, který má SH skupinu vázanou ke karboranovému skeletu přes atom uhlíku, ztrácel SH skupinu (dethiolace) již při relativně nízké teplotě (cca 300°C, druhý izomer s SH skupinou vázanou na protilehlý atom bóru vykazoval velkou stabilitu i při 400°C, kdy stále ještě nebyla pozorována ztráta SH skupiny, ale probíhala izomerizace karboranového skeletu z orto- na meta-karboran. U druhé dvojice izomerů, 1-HS-1,7-C2B10H11 a 9-HS-1,7-C2B10H11, byl pozorován podobný trend. Z důvodu obecně větší stability meta-karboranu byla ztráta SH skupiny pozorována při vyšších teplotách (nad 500°C). Jednotlivé izomery vznikající při zahřívání byly identifikovány na základě korelace mezi jejich retenčními časy a velikostí dipól momentu. Při porovnání mono- s di-thiol deriváty, jejichž interakce s Au povrchem byly studovány výpočetně a jsou uvedeny v předchozí části zprávy, s SH skupinou vázanou

45

k jednomu nebo dvěma uhlíkovým atomům karboranového skeletu (1-HS-1,2-C2B10H11 a 1,2-(HS)2-1,2C2B10H10) byla pozorována podobnost chování obou těchto derivátů. Kvantově chemické výpočty stabilit byly v souladu s pozorovaným trendem v chování jednotlivých derivátů při zahřívání. V současné době jsou všechny experimentální i výpočetní práce na tomto úkolu dokončeny a je z nich sepisována práce [C-2], která bude odeslána začátkem roku 2011. 1.3. Příprava nových boranových thiol derivátů a jejich charakterizace na zlatých a stříbrných površích V uplynulém roce jsme se také zabývali studiem nových boranových struktur vázaných ke zlatým povrchům, které by přinášely nové možnosti do této oblasti. K tomuto účelu jsme využili thiol deriváty odvozené od dekaboranu. Dekaboran má otevřenou reaktivní strukturu, do které je možné inzerovat různé další heteroatomy. Na Obr. 3 je ukázán model této klastrové reaktivní molekuly uchycené na zlatém povrchu. Celkem byly připraveny a studovány na zlatém povrchu 3 deriváty (1-HS-B10H13, 2-HS-B10H13 a 1,2-(HS)2-B10H12). Dále byly v rámci tohoto grantu studovány bimetalické borany (odvozené od molekuly dekaboranu) se schopností vázat malé molekuly plynů (SO2, O2 a další). Jedná se o boranové klastry obsahující kovy (Pd, Pt), např. diplatinový klastr [{(PMe2Ph)2Pt)}2B10H10], které kvantitativně a reverzibilně vážou malé molekuly. Tato schopnost může být ovlivněna vhodnou kombinací kovových atomů, jeho substituenty a modifikací ligandů vázaných na kovové atomy. Výše uvedený klastr tvoří adukty např. s O2, SO2 nebo CO. V rámci studia těchto sloučenin jsme se zaměřili na na jejich uchycení na povrchu zlatých nebo stříbrných substrátů a na konstrukci molekul. Tyto molekuly dokáží také malé molekuly plynů uvolňovat za předem definovaných podmínek. Jednou z možností je využití fotochemických vlastností. Podstatou procesu je, že externím spouštěčem uvolnění plynné molekuly v daném prostoru, je snadno laditelný světelný pulz. Při studiu tohoto procesu jsme zjistili, že přetržení vazby mezi klastrovou sloučeninou a molekulou plynu probíhá v pikosekundové časové škále. Třetí skupinou látek, které jsme v této souvislosti studovali, jsou polyedrální sloučeniny odvozené od izomerů syn a anti- B18H22.

Obr. 3: Obrázek molekuly 2-HS-B10H13 na zlatém povrchu. V rámci těchto aktivit jsme vytvořili tři publikace [A-1, B-2, C-2]. Jedna pojednává o bimatalických boranech a jejich fotochemických vlastnostech, druhá se týká thiolovaných dekabornů imobilizovaných na Au površích a třetí se týká polyedrálních klastrů odvozených od izomerů syn- a anti-B18H22. 1.4. Studium protikorozních schopností karboranthiolových derivátů na stříbrném povrchu Thiolované karboranové klastry se vážou ke stříbrnému povrchu a vytvářejí samouspořádané monomolekulární vrstvy. Byly studovány zejména dva deriváty (1,2-(HS)2-1,2-C2B10H10 a 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10) s rozdílným způsobem vazby k povrchu (C-S-Ag a B-S-Ag). Protikorozní vlastnosti monovrstev byly testovány vystavením modifikovaných povrchů korozivnímu prostředí se zvýšeným obsahem H2S. Byla použita řada technik, které se vzájemně doplňují. Rychlost koroze byla sledována pomocí reflexní UV-Vis spektrometrie, chemické změny na povrchu byly analyzovány pomocí X-ray fotoelektronové spektroskopie, změny topografie stříbrného povrchu byly sledovány v mikroskopu atomárních sil a hloubka zasažení stříbrného filmu sulfidovými ionty byla měřena pomocí Rutherfordova zpětného rozptylu. Monomolekulární vrstvy vykazovaly schopnost výrazně zpomalit rychlost koroze; účinnost karboranových thiolů byla porovnána s organickými analogy, které byly v minulosti pro ochranu stříbrného povrchu testovány. Výsledky ukázaly, že monovrstvy složené z karboranových thiolů jsou odolnější než srovnatelné vrstvy jejich organických analogů. Provedené analýzy nepřímo ukazují na několik faktorů ovlivňujících schopnost monomolekulárních vrstev chránit povrchy stříbra. Zajímavým zjištěním je, že vazba B-S-Ag v případě derivátu 9,12-(HS)2-1,2-C2B10H10 se zdá být silnějsí než vazba derivátů vázaných k povrchu přes atomy uhlíku, která je běžná pro organické deriváty. Naše další pozornost se zaměřila na potvrzení (pomocí kvantově chemických výpočtů) větší stability derivátu vázaného vazbou B-S-Ag ke kovovému povrchu. První výsledky jsou s experimentálním pozorováním v souladu, přičemž stabilitu výše zmíněných dithiolů k

46

povrchu kovu vysvětlují na základě jejich geometrie. Jednou z výhod těchto monomolekulárních vrstev je jejich snadná příprava. Jedná se o chemickou reakci, kterou lze provádět například z roztoku nebo z plynné fáze. V současné době se zaměřujeme na lepší porozumění struktury rovného modifikovaného povrchu a testování tohoto molekulárního systému v reálných procesech. Studie ukazující stability jednotlivých karboranových thiol derivátů a jejich schopnost zabránit korozi stříbrného filmu byla publikována v roce 2010 [A-2].

ÚACH – Výsledky vědeckých aktivit v roce 2010 A. Články vyšlé impaktované 1.

2.

M.G.S. Londesborough, J. Bould, T. Baše, D. Hnyk, M. Bakardjiev, J. Holub, I. Císařová, J. D. Kennedy, An Experimental Solution to the "Missing Hydrogens" Question Surrounding the Macropolyhedral 19Vertex 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. Inorg. Chem. 49 (2010) 4092–4098. IF 6.6 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 & Coatings Technology 204 (2010) 2639–2646. IF 1.8

B. Články zaslané k recenznímu řízení 1. 2.

J. Macháček, A computational study of polyhedral dicarbadodecaborane dithiolate moieties on a (111) gold surface, Surface Science, odesláno do časopisu (2010). IF 1.8 J. Bould, K. Lang, T. Baše, M. G. S. Londesborough, L. Oro, R. Macías, J. D. Kennedy, P. Kubát, M. Fuciman, T. Polívka, Reversible Capture of Small Molecules On Bimetallaborane Clusters: Synthesis, Structural Characterization and Photophysical Aspects, J. Am. Chem. Soc. 2010, odesláno do časopisu (2010). IF 8.6

C. Články v přípravě 1. 2.

J. Bould, T. Baše, et al: Decaboranethiol-modified gold and silver surfaces. T. Baše, J. Macháček, et al: Thermal isomerisation of carboranethiol derivatives.

D. Abstrakta z mezinárodních konferencí 1. 2. 3. 4.

J. Bould, konference: ICONN 2010, 22.-26.2., Sydney, Australia, forma prezentace: přednáška. J. Macháček, konference: Euroboron 5, 29.8.-2.9. 2010, Edinburgh, Skotsko, UK, forma prezentace: poster. M.G.S. Londesborough a T.Baše, konference: Challenges in Inorganic and Materials Chemistry, Hong Kong, China, forma prezentace: poster (2 x). T. Baše, konference: Solid State Chemistry, Prague, ČR, forma prezentace: přednáška.

ÚACH – Návrh postupu prací na rok 2011 V roce 2011 bude hlavní část experimentální práce věnována přípravě většího množství vzorků pro testování růstu buněk. Tato část bude prováděna společně s FGÚ AVČR. Plánuje se dokončení společného odborného článku, který se bude týkat růstu buněk na zlatých površích upravených karboranthiolovými deriváty. Společně s ÚJF AVČR bude dokončeno měření kinetiky adsorpce karboranthiolových derivátů na povrchu Au a naše pozornost bude dále zaměřena na studium struktury povrchu. Plánujeme dále publikovat probíhající studie týkající se vlastností zlatých povrchů modifikovaných boranovými nebo karboranovými driváty.

ÚACH – Čerpání finančních prostředků v roce 2010 1. Investiční náklady nebyly požadovány ani čerpány. 2. Mzdové prostředky nebyly požadovány Položka zahrnovala pohyblivou složku mzdy neboli odměny pro vědecké a technické pracovníky.

47

Vědečtí pracovníci Tomáš Baše (80 000,- Kč) Michael G.S. Londesborough (80 000,- Kč) Jan Macháček (80 000,- Kč) Jonathan Bould (20 000,- Kč) Technický pracovník Petr Vorm (23 000,- Kč) Celkem bylo v roce 2009 na odměnách vyplaceno celkem 283 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady V rámci dohod o provedení práce byly finance využity na rešeršní práce a přípravu speciální skleněné aparatury pro izomerizace karboranthiolů. V souladu s plánem bylo tímto způsobem využito 46 000,- Kč. 4. Věcné náklady Provozní náklady představovaly nejnákladnější část z věcných nákladů a zahrnovaly zejména spotřební materiál. Významnými finančními položkami byly karboranové a boranové sloučeniny (např. FESAN, karboranthioly, dekaboránthioly, desetivrcholový orto-karborán), zlaté granálie pro přípravu tenkých zlatých filmů napařením, speciální křemenné destičky pro depozici zlata a zlaté substráty na slídové podložce. Dále byly zakoupeny inertní plyny (dusík, argon) na provádění chemických reakcí, suchý led na chlazení reakčních směsí a titanové destičky pro elektrochemickou depozici zlata. Dálší náklady mely drobnější charakter (misky do laboratoře na přípravu olejových lázní a různé drobné kancelářské potřeby (papírové ubrousky, papíry, tužky). Celkem činily provozní náklady 497 000,- Kč oproti původně plánovaným 505 000,- Kč a byly hrazeny z položek „Provoz a údržba“ a „Další provozní náklady“, které jsou si velice podobné. Položka doplňkové režijní náklady, požadované Ústavem anorganické chemie, činila 202 000,- Kč a byla vyčerpána podle plánu. Položka povinné zákonné odvody činila 102 000,- Kč a byla vyčerpána. 4.4. Služby zahrnovaly poštovné za přepravu vzorků a za korespondenci, nájem tlakových lahví pro inertní plyny, tisk posteru na konferenci. Celkem bylo vyčerpáno 39 000,- Kč (původní plán byl 40 000,- Kč). 4.6. Cestovné zahrnovalo náklady spojené s aktivní účastí na konferencích, kde byly prezentovány výsledky práce, zejména výsledky výzkumu modifikovaných zlatých a stříbrných povrchů pomocí karboranthiolových derivátů. Konference 1. J. Bould, konference: ICONN 2010, 22.-26.2., Sydney, Australia, forma prezentace: přednáška 2. J. Macháček, konference: Euroboron 5, 29.8.-2.9. 2010, Edinburgh, Skotsko, UK, forma prezentace: poster 3. M.G.S. Londesborough a T.Baše, konference, Challenges in Inorganic and Materials Chemistry, Hong Kong, China, forma prezentace: poster (2 x) 4. T. Baše, konference: Solid State Chemistry, Prague, ČR, forma prezentace: přednáška Semináře na univerzitách a ve výzkumných laboratořích: 1) Empa – St. Gallen, Švýcarsko, 18.11. 2010 2) Korea Univerzity, Seoul, South Korea, Department of Chemistry, 16.7. 2010 Dále byla hrazena účast na letní škole teoretické chemie pro Dr. J. Macháčka. 11th Sostrup Summer School "Quantum Chemistry and Molecular Properties" 3.-17.7. 2010, Aarhus University, Dánsko Celkem bylo na cestovném vyčerpáno 269 000,- Kč. Rozdíl oproti původnímu předpokladu (220 000,- Kč) byl řešen v rámci položky Drobný majetek. 4.7. Doplňkové režijní náklady, požadované Ústavem anorganické chemie, činila 202 000,- Kč a byla vyčerpána podle plánu. 4.8. Povinné zákonné odvody Položka povinné zákonné odvody činila 102 000,- a byla vyčerpána.

48

Fond FÚUP Do fondu FÚUP nebyla v roce 2010 převedena žádná částka.

ÚACH – Finanční plán na rok 2011 1. Investiční náklady Investiční náklady nejsou pro rok 2011 plánovány. 2. Mzdové náklady Mzdové náklady budou zahrnovat pohyblivou složku mzdy, tj. odměny pro vědecké a technické pracovníky. Výzkumný tým bude pracovat v nezměněném složení jako v předchozím roce. Celkem budou odměny činit 297 000,- Kč. 3. Ostatní osobní náklady Ostatní osobní náklady jsou plánovány dohody o provedení práce (DPP) ohledně přípravy výzkumných rešerší, přípravy pozlacených substrátů a přípravy speciální skleněné aparatury. Celkem jsou na tyto práce plánovány finance ve výši 48 000,- Kč.

4. Věcné náklady Provozní náklady Hlavní část financí požadovaných v položce provozní náklady bude tvořit spotřební materiál. Budou nakoupeny boranové sloučeniny a zlaté substráty pro pokračování studia samouspořádaných monomolekulárnách vrstev. Budou zakoupeny selenové a tellurové sloučeniny (Se2Cl2, Se, Te, ...) pro přípravu selenových a tellurových derivátů karboranů. Ze zlatých substrátů se jedná především o Au granálie potřebné pro přípravu zlatých filmů na křemenných podložkách, dále pak budou zakoupeny pozlacené titanové destičky pro modifikace a následné testování růstu buněk. Tyto výchozí materiály jsou nejnákladnější z plánovaného spotřebního materiálu. Dále budou finanční prostředky použity pro nákup běžného spotřebního materiálu do chemické laboratoře (inertní plyny, suchý led, kapalný dusík, organická rozpouštědla) a na běžné kancelářské potřeby (náplně do tiskáren, papíry, nosiče informací jako USB porty, tužky, zvýrazňovače). Provozní náklady jsou ve srovnání s rokem 2010 mírně navýšeny z důvodu přípravy většího množství vzorků pro testování biologické kompatibility a růstu buněk. V Celkově plánujeme částku 220 000,- Kč. 4.4. Služby Služby budou zahrnovat opravárenské a údržbářské práce na zařízeních nutných k řešení grantu (např. seřízení vah), poplatky za kopírovací služby, poštovné, poplatky za stažení elektronických článků a další činnost vztahující se k vypracovávání výzkumných rešerší. Dále pak za případné publikační poplatky v odborných časopisech, mezinárodní rešeršní poplatky, poplatky za separáty, poplatky za zhotovení posterů, konferenční poplatky (pokud nebudou hrazeny z položky Cestovné). Plánujeme částku 40 000,- Kč. Částka je ponechána na stejné výši jako v předcházejícím roce. 4.6. Cestovné Vzhledem k závěrečnému roku plánujeme prezentace výsledků na řadě konferencích zaměřujících se na problematiku povrchů a nanotechnologií. Jmenovitě se jedná např. o konferenci ECOSS 2011 (European Conference on Surface Science) v Polsku. Dále pak konference Imeboron, která patří mezi nejprestižnější v oboru borové chemie, konající se v roce 2011 v Kanadě a konference Nanotech, která se bude konat v příštím roce v Bostonu, USA. V rámci dlouhodobé spolupráce se Švýcarskou Empou (Empa – St. Gallen) plánujeme seminář o výsledcích výzkumu na této výzkumné organizaci. Plánován je krátkodobý pobyt (cca 2 dny). Celkově plánujeme na cestovné částku 220 000,- Kč. Tato částka je ponechána ve stejné výši jako v roce 2010. 4.7. Doplňkové režijní náklady Doplňkové režijní náklady činí 232 000,- Kč. V souladu s pravidly poskytovatele i uchazeče do 20% částky na neinvestiční náklady. 4.8. Povinné zákonné odvody. Sociální a zdravotní pojištění a SF (FKSP) činí 107 000,- Kč, tj. 36 % ze mzdových nákladů.

49