Plasma enhanced chemical vapor deposition of functional coatings for biomedical applications

Mgr. Miroslav Michlíček, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá několika vzájemně propojenými aspekty plazmochemické depozice funkčních povlaků z plynné fáze, tj. plazmovými polymery, navrženými pro použití v bioaplikacích. Hlavním cílem práce je studium fundamentálních jevů ovlivňujících plazmovou polymeraci a následně jejich využití pro optimalizaci depozice. Studované fundamentálních jevy zejména zahrnují (i) makroskopickou kinetiku a roli povrchových reakcí v plazmové polymeraci za nízkého tlaku, (ii) produkci esterových a karboxylových skupin mechanismem přichycení aktivovaného oxidu uhličitého k uhlovodíkům, (iii) vzájemný vztah koeficientu ulpění částic tvořících deponovanou vrstvu s hloubkou průniku depozice do porézních materiálů a (iv) simulace zachování struktury primárních aminů za podmínek energetického bombardu pomocí molekulární dynamiky. Vzhledem k aplikacím povlaků v biomedicíně se velká pozornost věnuje interakci plazmových polymerů s biologickými systémy. Poslední ze zkoumaných aspektů je vývoj metod pro identifikaci a kvantifikaci chemických skupin v plazmových polymerech, konkrétně spojení chemické derivatizace s rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií. Tato práce prezentuje komentovanou kompilaci recenzovaných publikací, na nichž se autor podílel v průběhu jeho doktorského studia. Sumarizuje hlavní výsledky zahrnutých článků a dává je do kontextu současného vědění. Na několika místech autor identifikuje bílá místa v současném chápání plazmové polymerace a poukazuje na možné směry budoucího výzkumu.

Abstract:

This dissertation thesis investigates few interconnected aspects of plasma enhanced chemical vapor deposition of functional coatings, or simply plasma polymers, intended for biomedical applications. The primary aim is to study the fundamental phenomena affecting the plasma polymerization and, subsequently, exploit them to optimize the deposition. The studied fundamental phenomena namely include (i) the macroscopic kinetics and role of the surface reactions in low-pressure plasma polymerization, (ii) mechanism of activated carbon dioxide attachment to hydrocarbons and production of carboxyl and ester groups, (iii) the interplay of sticking probability of film-forming species and the deposition penetration depth in porous substrates, and (iv) molecular dynamics simulation of primary amine retention under energetic bombardment. Given the application of the coatings in the biomedical field, great interest is also paid to plasma polymers' interaction with biological systems. The final investigated aspect is the development of methods for the identification and quantification of chemical groups in plasma polymers, namely the chemical derivatization coupled with X-ray photoelectron spectroscopy. The thesis presents a commented compilation of peer-reviewed publications to which the author contributed during his doctorate study. The main results of the included papers are summarized and put into the context of the state-of-the-art. In a few places, the author identifies white spaces in the current understanding of plasma polymerization and points to possible future research routes.

Keywords

plazmová polymerace, makroskopická kinetika, funkční povrchy, koeficient ulpění, chemická derivatizace, plasma polymerization, macroscopic kinetics, functional surfaces, sticking probability, chemical derivatization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 11. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 20. 1. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Lenka Zajíčková, Ph.D.
• Reader: Dr. Damien Thiry, prof. Ing. Andrey Shukurov, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Advanced Materials and Nanosciences / Advanced Nanotechnologies and Microtechnologies