Search

The nanofabrication of organic layers on metal and metal alloy surfaces was studied in this thesis by employing photoelectron spectroscopy (PES) as the main analysis method. The motivation for this research is to introduce new properties to metal and metal alloy surfaces via self-assembly driven adsorption processes of organic molecules. Trimesic acid (TMA) and glycine adsorption on single crystal Cu(100) surface was investigated with PES and scanning tunnelling microscopy (STM). TMA on Cu(100) exhibits coverage dependent surface phases with drastic changes in the molecular orientation. The mobile TMA molecules at low coverage transform into Cu atom coordinated TMA networks and finally into carboxyl (COOH) functionalized, densely packed TMA monolayers. This is enabled due to three equivalent COOH groups symmetrically around a rigid benzene ring. Homo- and heterochiral surface phases of achiral glycine on Cu(100) were observed, and a new structural model for glycine bonding on Cu(100) based on STM and density functional theory calculations is presented. The coadsorption of aminopropyl trimethoxysilane (APS) and mercaptopropyl trimethoxysilane (MPS) on stainless steel was studied with an aim to incorporate MPS in APS matrix with tuneable distribution. In addition to the determination of elemental and chemical states at the surface, PES data was also used to determine the surface morphology by employing inelastic electron energy-loss background analysis. Synchrotron radiation mediated PES enabled the study of the in-depth distribution of the chemical states in non-destructive manner. The functionality of the APS/MPS overlayers on stainless steel was studied with chemical derivatization. The studies of TMA and glycine on Cu(100) provide important knowledge of the adsorption behaviour of small molecules on surfaces, which is crucial for understanding the adsorption phenomena of larger molecules, such as proteins on more complex substrates. The fabricated surface structures may also be applicable to molecular electronics or catalytic surfaces. The bifunctional silanization of stainless steel, on the other hand, is directly transferrable to industrial scale processes. The bifunctional APS/MPS nanomolecular layer on stainless steel works as a template, to which biomolecules can be covalently coupled with tuneable distribution. Hence, the stainless steel surface can be biofunctionalized for a range of applications, depending on the properties of the biomolecules.

Työssä tutkitaan sähkökemiallisesti passivoidun ruostumattoman AISI 316L -teräksen pinnalle rakentuvan seossilaaniohutkalvon kemiallista koostumusta. Silaanikalvon avulla voidaan parantaa teräksen bioyhteensopivuutta ja luoda pinnalle esimerkiksi biomolekyylien tarttumista edistäviä funktionaalisuuksia. Tällaisia teräksestä ja orgaanisista pinnoitteista koostuvia hybridimateriaaleja voidaan käyttää muun muassa lääketieteellisinä implantteina tai kudosteknologiassa. Työn tavoitteena oli kehittää silaaniohutkalvojen tuottamiseen vaadittavia laitteistoja, jotta näytteiden valmistus olisi nykyistä nopeampaa ja toistettavampaa. Kehitettyjä laitteistoja käyttäen tutkittiin silanointiprosessiin liittyvien parametrien, kuten silaaniliuoksen koostumuksen, liuoksen hydrolyysiajan ja silanointiajan vaikutusta pinnalle muodostuvan itsejärjestyvän ohutkalvon rakenteeseen. Tutkittavina silaanityyppeinä käytettiin aminopäätteistä (3-aminopropyyli)trimetoksisilaania (APS) sekä tiolipäätteistä (3-merkaptopropyyli)trimetoksisilaania (MPS). Näytteiden silanointi suoritettiin liuosaltistuksena ilmakehän paineessa, jolloin valmistusmenetelmä on helposti siirrettävissä kaupallisiin sovelluksiin. Toisaalta mittaukset tehtiin ultratyhjiöolosuhteissa käyttäen sekä synkrotronisäteilyherätteistä että perinteistä röntgenviritteistä fotoelektronispektroskopiaa (XPS). Menetelmillä saatujen spektrien avulla voitiin tehdä päätelmiä esimerkiksi silaanikalvon kemiallisesta sitoutumisesta, paksuudesta sekä funktionaalisten ryhmien jakaumasta ja suuntautumisesta pinnalla. Tulosten perusteella työssä käytetty silanointimenetelmä mahdollistaa lähellä monokerroksen paksuutta olevien kalvojen toistettavan tuottamisen. Lisäksi kalvossa olevien funktionaalisten ryhmien määrään voidaan vaikuttaa sekä hydrolyysiliuoksen silaanikonsentraatiota että silanointiaikaa muuttamalla. Sen sijaan hydrolyysiajan muuttaminen ei vaikuta funktionaalisten ryhmien määrään vaan ainoastaan silaanien ja teräspinnan väliseen kemialliseen sitoutumiseen. Pintaherkkyyden muuttamiseen perustuvissa mittauksissa pystyttiin todentamaan, että pääosa pinnalla olevista molekyyleistä on sitoutunut funktionaalinen ryhmä ulospäin. Tämä on tärkeä tulos pinnalle tuotavien biomolekyylien sitoutumisen kannalta. Tutkimuksen perusteella eri silaanityyppien hydrolysoituminen vaihtelee merkittävästi, vaikka molekyylien perusrakenne on hyvin samankaltainen. Jatkossa hydrolyysikäyttäytymistä tulisikin tutkia entistä tarkemmin jo liuosfaasissa. Samalla hydrolyysireaktioiden ymmärtäminen edistäisi näytteenvalmistuksen toistettavuutta.

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia huokoisen komposiitin biohajoavuuden alkuvaiheita materiaalin pinnalla. Materiaalista kehitetään huokoisia, biohajoavia kudostukirakenteita lääketieteellisiin sovelluksiin. Materiaalien pinta-analyyttisellä tutkimuksella pyritään selvittämään biomateriaalin pinnan rakennetta ja rakenteen muutoksia biohajoavuuden alussa. Tässä työssä tutkittu materiaali on poly(L-laktidi-co-kaprolaktoni):n β-trikalsiumfosfaattikomposiittia ja tutkimuksen kohteena on sekä ylikriittisellä hiilidioksidilla (scCO 2 ) huokoistettuja että huokoistamattomia näytteitä. Pinta-analyyttisenä tutkimusmenetelmänä on käytetty röntgenviritteistä fotoelektronispektroskopiaa (XPS) ja näytteiden biohajoaminen on toteutettu upottamalla tutkittavat näytteet suunnitelluiksi ajoiksi hydrolyysiliuokseen, joka jäljittelee biomateriaalin ympäristöä ihmiskehossa. Varsinaisten biohajoamisen alkuvaiheiden tutkimusten lisäksi on määritetty materiaalin sopivuutta elektronispektrokooppiseen tutkimukseen sekä röntgenviritteisen fotoelektronispektroskopian vaikutuksia tutkittavan materiaalin pinnalle. Röntgensäteilyn on todettu muokkaavan materiaalin pintaa ja se on huomioitava mittauksissa, vaikka se ei merkittävästi rajoitakaan mittauksia. Työn tulosten analysoinnissa on kehitetty sovitusparametrit erottamaan kopolymeerin eri monomeereista tulevat signaalit. Tämän työn tutkimuksissa on havaittu, että materiaalin biohajoaminen hydrolyysiliuoksessa käynnistyy 2 ja 12 viikon välisenä aikana. Biohajoamisen käynnistyminen voidaan havaita hydroksyyliryhmien suhteellisen pintakonsentraation kasvuna ja komonomeerien suhteiden muutoksena. Tulos on biomateriaalin ja biologisen ympäristön vuorovaikutuksen kannalta hyvä, koska tavoitteena on biomateriaalin biohajoamisen eteneminen kudoksen kasvun kanssa samassa tahdissa. Lisäksi pinta-analyyttisissä tutkimuksissa on havaittu, että β-trikalsiumfosfaatti on materiaalissa kopolymeerikalvon peittämänä. Tässä työssä saavutettujen tulosten avulla voidaan ymmärtää materiaalin pinnan koostumus ja biohajoaminen, ja tulosten avulla materiaalin ominaisuuksia voidaan parantaa entistä biofunktionaalisemmiksi.