Reciprocating power generation in a chemically driven synthetic muscle

A scalable synthetic muscle has been constructed that transducts nanoscale molecular shape changes into macroscopic motion. The working material, which deforms affinely in response to a pH stimulus, is a self-assembled block copolymer comprising nanoscopic hydrophobic domains in a weak polyacid matrix. A device has been assembled where the muscle does work on a cantilever and the force generated has been measured. When coupled to a chemical oscillator this provides a free running chemical motor that generates a peak power of 20 mW kg 1 by the serial addition of 10 nm shape changes that scales over 5 orders of magnitude. It is the nanostructured nature of the gel that gives rise to the affine deformation and results in a robust working material for the construction of scalable muscle devices.

Gold nanoparticles decorated with oligo(ethylene glycol) thiols:protein resistance and colloidal stability

The interactions between proteins and gold colloids functionalized with protein-resistant oligo(ethylene glycol) (OEG) thiol, HS(CH(2))(11) (OCH(2)CH(2))(6)OMe (EG(6)OMe), in aqueous solution have been studied by small-angle X-ray scattering (SAXS) and UV-vis spectroscopy. The mean size, 2R, and the size distribution of the decorated gold colloids have been characterized by SAXS. The monolayer-protected gold colloids have no correlations due to the low volume fraction in solution and are stable in a wide range of temperatures (5-70 degrees C, pH (1.3-12.4), and ionic strength (0-1.0 M). In contrast, protein (bovine serum albumin) solutions with concentrations in the range of 60-200 mg/mL (4.6-14.5 vol show a pronounced correlation peak in SAXS, which results from the repulsive electrostatic interaction between charged proteins. These protein interactions show significant dependence on ionic strength, as would be expected for an electrostatic interaction (Zhang et al. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 251). For a mixture of proteins and gold colloids, the protein-protein interaction changes little upon mixing with OEG-decorated gold colloids. In contrast, the colloid-colloid interaction is found to be strongly dependent on the protein concentration and the size of the colloid itself. Adding protein to a colloidal solution results in an attractive depletion interaction between functionalized gold colloids, and above a critical protein concentration, c*, the colloids form aggregates and flocculate. Adding salt to such mixtures enhances the depletion effect and decreases the critical protein concentration. The aggregation is a reversible process (i.e., diluting the solution leads to dissolution of aggregates). The results also indicate that the charge of the OEG self-assembled monolayer at a curved interface has a rather limited effect on the colloidal stabilization and the repulsive interaction with proteins.

Dynamical interplay between ground and excited states in quantum dot laser

Full text: Semiconductor quantum dot lasers are attractive for multipletechnological applications in biophotonics. Simultaneous two-state lasing ofground state (GS) and excited state (ES) electrons and holes in QD lasers ispossible under a certain parameter range. It has already been investigated in steady-stateoperations and in dynamical regimes and is currently a subject of the intesiveresearch. It has been shown that the relaxation frequency in the two-state lasingregime is not a function of the total intensity [1], as could be traditionallyexpected.In this work we study damping relaxation oscillations in QD lasersimultaneously operating at two transitions, and find that under variouspumping conditions, the frequency of oscillations may decrease, increase orstay without change in time as shown in Fig1.The studied QD laser structure wasgrown on a GaAs substrate by molecular-beam epitaxy. The active region includedfive layers of self-assembled InAs QDs separated with a GaAs spacer from a5.3nm thick covering layer of InGaAs and processed into 4mm-wide mesa stripe devices. The 2.5mm long lasers withhigh-and antireflection coatings on the rear and front facets lasesimultaneously at the GS (around 1265nm) and ES (around 1190nm) in the wholerange of pumping. Pulsed electrical pumping obtained from a high power (up to2A current) pulse source was used to achieve high output power operation. We simultaneously detect the total output and merely ES output using aBragg filter transmitting the short-wavelength and reflecting the long-wavelengthradiation. Typical QD does not demonstrate relaxation oscillations frequencybecause of the strong damping [2]. It is confirmed for the low (I<0.68A) andhigh (I>1.2 A) range of the pump currents in our experiments. The situationis different for a short range of the medium currents (0.68A

Quantum dot-based terahertz photoconductive antennas

We present novel Terahertz (THz) emitting optically pumped Quantum Dot (QD) photoconductive (PC) materials and antenna structures on their basis both for pulsed and CW pumping regimes. Full text Quantum dot and microantenna design - Presented here are design considerations for the semiconductor materials in our novel QD-based photoconductive antenna (PCA) structures, metallic microantenna designs, and their implementation as part of a complete THz source or transceiver system. Layers of implanted QDs can be used for the photocarrier lifetime shortening mechanism[1,2]. In our research we use InAs:GaAs QD structures of varying dot layer number and distributed Bragg reflector(DBR)reflectivity range. According to the observed dependence of carrier lifetimes on QD layer periodicity [3], it is reasonable to assume that electron lifetimes can be potentially reduced down to 0.45ps in such structures. Both of these features; long excitation wavelength and short carriers lifetime predict possible feasibility of QD antennas for THz generation and detection. In general, relatively simple antenna configurations were used here, including: coplanar stripline (CPS); Hertzian-type dipoles; bow-ties for broadband and log-spiral(LS)or log-periodic(LP)‘toothed’ geometriesfor a CW operation regime. Experimental results - Several lasers are used for antenna pumping: Ti:Sapphire femtosecond laser, as well as single-[4], double-[5] wavelength, and pulsed [6] QD lasers. For detection of the THz signal different schemes and devices were used, e.g. helium-cooled bolometer, Golay cell and a second PCA for coherent THz detection in a traditional time-domain measurement scheme.Fig.1shows the typical THz output power trend from a 5 um-gap LPQD PCA pumped using a tunable QD LD with optical pump spectrum shown in (b). Summary - QD-based THz systems have been demonstrated as a feasible and highly versatile solution. The implementation of QD LDs as pump sources could be a major step towards ultra-compact, electrically controllable transceiver system that would increase the scope of data analysis due to the high pulse repetition rates of such LDs [3], allowing real-time THz TDS and data acquisition. Future steps in development of such systems now lie in the further investigation of QD-based THz PCA structures and devices, particularly with regards to their compatibilitywith QD LDs as pump sources. [1]E. U. Rafailov et al., “Fast quantum-dot saturable absorber for passive mode-locking of solid-State lasers,”Photon.Tech.Lett., IEEE, vol. 16 pp. 2439-2441(2004) [2]E. Estacio, “Strong enhancement of terahertz emission from GaAs in InAs/GaAs quantum dot structures. Appl.Phys.Lett., vol. 94 pp. 232104 (2009) [3]C. Kadow et al., “Self-assembled ErAs islands in GaAs: Growth and subpicosecond carrier dynamics,” Appl. Phys. Lett., vol. 75 pp. 3548-3550 (1999) [4]T. Kruczek, R. Leyman, D. Carnegie, N. Bazieva, G. Erbert, S. Schulz, C. Reardon, and E. U. Rafailov, “Continuous wave terahertz radiation from an InAs/GaAs quantum-dot photomixer device,” Appl. Phys. Lett., vol. 101(2012) [5]R. Leyman, D. I. Nikitichev, N. Bazieva, and E. U. Rafailov, “Multimodal spectral control of a quantum-dot diode laser for THz difference frequency generation,” Appl. Phys. Lett., vol. 99 (2011) [6]K.G. Wilcox, M. Butkus, I. Farrer, D.A. Ritchie, A. Tropper, E.U. Rafailov, “Subpicosecond quantum dot saturable absorber mode-locked semiconductor disk laser, ” Appl. Phys. Lett. Vol 94, 2511 © 2014 IEEE.

Step and flash imprint lithography: Fabrication of patterned media for extremely high density magnetic data storage devices

Currently the data storage industry is facing huge challenges with respect to the conventional method of recording data known as longitudinal magnetic recording. This technology is fast approaching a fundamental physical limit, known as the superparamagnetic limit. A unique way of deferring the superparamagnetic limit incorporates the patterning of magnetic media. This method exploits the use of lithography tools to predetermine the areal density. Various nanofabrication schemes are employed to pattern the magnetic material are Focus Ion Beam (FIB), E-beam Lithography (EBL), UV-Optical Lithography (UVL), Self-assembled Media Synthesis and Nanoimprint Lithography (NIL). Although there are many challenges to manufacturing patterned media, the large potential gains offered in terms of areal density make it one of the most promising new technologies on the horizon for future hard disk drives. Thus, this dissertation contributes to the development of future alternative data storage devices and deferring the superparamagnetic limit by designing and characterizing patterned magnetic media using a novel nanoimprint replication process called "Step and Flash Imprint lithography". As opposed to hot embossing and other high temperature-low pressure processes, SFIL can be performed at low pressure and room temperature. Initial experiments carried out, consisted of process flow design for the patterned structures on sputtered Ni-Fe thin films. The main one being the defectivity analysis for the SFIL process conducted by fabricating and testing devices of varying feature sizes (50 nm to 1 μm) and inspecting them optically as well as testing them electrically. Once the SFIL process was optimized, a number of Ni-Fe coated wafers were imprinted with a template having the patterned topography. A minimum feature size of 40 nm was obtained with varying pitch (1:1, 1:1.5, 1:2, and 1:3). The Characterization steps involved extensive SEM study at each processing step as well as Atomic Force Microscopy (AFM) and Magnetic Force Microscopy (MFM) analysis.

Toy model to describe the effect of positional blocklike disorder in metamaterials composites

We study theoretically the effect of a new type of blocklike positional disorder on the effective electromagnetic properties of one-dimensional chains of resonant, high-permittivity dielectric particles, where particles are arranged into perfectly well-ordered blocks whose relative position is a random variable. This creates a finite order correlation length that mimics the situation encountered in metamaterials fabricated through self-assembled techniques, whose structures often display short-range order between near neighbors but long-range disorder, due to stacking defects. Using a spectral theory approach combined with a principal component statistical analysis, we study, in the long-wavelength regime, the evolution of the electromagnetic response when the composite filling fraction and the block size are changed. Modifications in key features of the resonant response (amplitude, width, etc.) are investigated, showing a regime transition for a filling fraction around 50%.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

In-situ examination of the selective etching of an alkanethiol monolayer covered Au{111} surface

An examination of the selective etching mechanism of a 1-alkanethiol self-assembled monolayer (SAM) covered Au{111} surface using in-situ atomic force microscopy (AFM) and molecular resolution scanning tunnelling microscopy (STM) is presented. The monolayer self-assembles on a smooth Au{111} surface and typically contains nanoscale non-uniformities such as pinholes, domain boundaries and monatomic depressions. During etching in a ferri/ferrocyanide water-based etchant, selective and preferential etching occurs at SAM covered Au(111) terrace and step edges where a lower SAM packing density is observed, resulting in triangular islands being relieved. The triangular islands are commensurate with the Au(111) lattice with their long edges parallel to its [11-0] direction. Thus, SAM etching is selective and preferential attack is localized to defects and step edges at sites of high molecular density contrast.

Formation of sub-7 nm feature size PS-b-P4VP block copolymer structures by solvent vapour process

The nanometer range structure produced by thin films of diblock copolymers makes them a great of interest as templates for the microelectronics industry. We investigated the effect of annealing solvents and/or mixture of the solvents in case of symmetric Poly (styrene-block-4vinylpyridine) (PS-b-P4VP) diblock copolymer to get the desired line patterns. In this paper, we used different molecular weights PS-b-P4VP to demonstrate the scalability of such high χ BCP system which requires precise fine-tuning of interfacial energies achieved by surface treatment and that improves the wetting property, ordering, and minimizes defect densities. Bare Silicon Substrates were also modified with polystyrene brush and ethylene glycol self-assembled monolayer in a simple quick reproducible way. Also, a novel and simple in situ hard mask technique was used to generate sub-7nm Iron oxide nanowires with a high aspect ratio on Silicon substrate, which can be used to develop silicon nanowires post pattern transfer.

Biologically Inspired Design of Protein-Silica Hybrid Nanoparticles for Drug Delivery Applications

The design and application of effective drug carriers is a fundamental concern in the delivery of therapeutics for the treatment of cancer and other vexing health problems. Traditionally utilized chemotherapeutics are limited in efficacy due to poor bioavailability as a result of their size and solubility as well as significant deleterious effects to healthy tissue through their inability to preferentially target pathological cells and tissues, especially in treatment of cancer. Thus, a major effort in the development of nanoscopic drug delivery vehicles for cancer treatment has focused on exploiting the inherent differences in tumor physiology and limiting the exposure of drugs to non-tumorous tissue, which is commonly achieved by encapsulation of chemotherapeutics within macromolecular or supramolecular carriers that incorporate targeting ligands and that enable controlled release. The overall aim of this work is to engineer a hybrid nanomaterial system comprised of protein and silica and to characterize its potential as an encapsulating drug carrier. The synthesis of silica, an attractive nanomaterial component because it is both biocompatible as well as structurally and chemically stable, within this system is catalyzed by self-assembled elastin-like polypeptide (ELP) micelles that incorporate of a class of biologically-inspired, silica-promoting peptides, silaffins. Furthermore, this methodology produces near-monodisperse, hybrid inorganic/micellar materials under mild reaction conditions such as temperature, pH and solvent. This work studies this material system along three avenues: 1) proof-of-concept silicification (i.e. the formation and deposition of silica upon organic materials) of ELP micellar templates, 2) encapsulation and pH-triggered release of small, hydrophobic chemotherapeutics, and 3) selective silicification of templates to potentiate retention of peptide targeting ability.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Design and Implementation of Tools for STM Studies in UHV and at the Solid-Liquid Interface

This thesis presents details of the design and development of novel tools and instruments for scanning tunneling microscopy (STM), and may be considered as a repository for several years' worth of development work. The author presents design goals and implementations for two microscopes. First, a novel Pan-type STM was built that could be operated in an ambient environment as a liquid-phase STM. Unique features of this microscope include a unibody frame, for increased microscope rigidity, a novel slider component with large Z-range, a unique wiring scheme and damping mechanism, and a removable liquid cell. The microscope exhibits a high level of mechanical isolation at the tunnel junction, and operates excellently as an ambient tool. Experiments in liquid are on-going. Simultaneously, the author worked on designs for a novel low temperature, ultra-high vacuum (LT-UHV) instrument, and these are presented as well. A novel stick-slip vertical coarse approach motor was designed and built. To gauge the performance of the motor, an in situ motion sensing apparatus was implemented, which could measure the step size of the motor to high precision. A new driving circuit for stick-slip inertial motors is also presented, that o ffers improved performance over our previous driving circuit, at a fraction of the cost. The circuit was shown to increase step size performance by 25%. Finally, a horizontal sample stage was implemented in this microscope. The build of this UHV instrument is currently being fi nalized. In conjunction with the above design projects, the author was involved in a collaborative project characterizing N-heterocyclic carbene (NHC) self-assembled monolayers (SAMs) on Au(111) films. STM was used to characterize Au substrate quality, for both commercial substrates and those manufactured via a unique atomic layer deposition (ALD) process by collaborators. Ambient and UHV STM was then also used to characterize the NHC/Au(111) films themselves, and several key properties of these films are discussed. During this study, the author discovered an unexpected surface contaminant, and details of this are also presented. Finally, two models are presented for the nature of the NHC-Au(111) surface interaction based on the observed film properties, and some preliminary theoretical work by collaborators is presented.

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy as a Probe of the Surface Chemistry of Nanostructured Materials

Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) is now widely used as a rapid and inexpensive tool for chemical/biochemical analysis. The method can give enormous increases in the intensities of the Raman signals of low-concentration molecular targets if they are adsorbed on suitable enhancing substrates, which are typically composed of nanostructured Ag or Au. However, the features of SERS that allow it to be used as a chemical sensor also mean that it can be used as a powerful probe of the surface chemistry of any nanostructured material that can provide SERS enhancement. This is important because it is the surface chemistry that controls how these materials interact with their local environment and, in real applications, this interaction can be more important than more commonly measured properties such as morphology or plasmonic absorption. Here, the opportunity that this approach to SERS provides is illustrated with examples where the surface chemistry is both characterized and controlled in order to create functional nanomaterials.

Immunoassays, optical and electrochemical immunosensorsfor tetrodotoxin determination in puffer fish samples

Tetrodotoxin (TTX) is a low molecular weight and potent marine neurotoxin which is usually present in some species of puffer fish. TTX selectively binds to voltage-sensitive sodium channels (VSGCs), blocking the influx of sodium into the cell and affecting neural transmission. The bioaccumulation of this toxin in seafood can poses a risk to human safety. With the purpose of achieving cheap, specific and reliable tools to determine TTX in puffer fish samples, a self-assembled dithiol-based immunoassay, an electrochemical immunosensor and an optical Surface Plasmon Resonance (SPR) immunosensor are proposed. The immunoassay for TTX based on the use of dithiols self-assembled on maleimide-plates (mELISA) has been able to detect as low as 2.28 μg/L of TTX. The effect of different puffer fish matrixes on this mELISA has been quantified and the corresponding correction factors have been established. This
mELISA has enabled to establish the cross-reactivity factors for four TTX analogues: 5,6,11-trideoxy-TTX, 5,6,11-trideoxy-4-anhydro-TTX, 11-nor-TTX-6-ol and 5,11-deoxy-TTX. The crossreactivity factors have also been established by the optical SPR immunosensor previously reported, which had a limit of detection (LOD) of 4.27 μg/L. The mELISA and the SPR immunosensor have then been tested with spiked-puffer fish matrixes, providing an effective
LOD of 0.23 and 0.43 mg/kg respectively, well below the limit set in Japan (2 mg/kg). The mELISA and the SPR immunosensor have also been applied to the analysis of naturally contaminated puffer fish samples, providing similar TTXs contents between techniques and also compared to LC-MS/MS. The suitability of these immunochemical techniques has been demonstrated not only for screening purposes, but also for research activities. Currently, given that dithiols could improve the electron transfer and the sensitivity of an electrochemical assay, the mELISA strategy is being transferred to gold electrodes for the electrochemical detection of TTX and the subsequent development of the multiplexed electrochemical immunosensor.

Valves cardiaques par génie tissulaire - Simplification des essais et concept tubulaire

Les substituts valvulaires disponibles actuellement comportent encore plusieurs lacunes. La disponibilité restreinte des allogreffes, les risques de coagulation associés aux valves mécaniques et la durabilité limitée des bioprothèses en tissu animal sont toutes des problématiques que le génie tissulaire a le potentiel de surmonter. Avec la méthode d’auto-assemblage, le seul support des cellules consiste en leur propre matrice extracellulaire, permettant la fabrication d’un tissu entièrement libre de matériau exogène. Ce projet a été précédé par ceux des doctorantes Catherine Tremblay et Véronique Laterreur, ayant respectivement développé une méthode de fabrication de valves moulées par auto-assemblage et une nouvelle version de bioréacteur. Au cours de cette maîtrise, le nouveau bioréacteur a été adapté à une utilisation stérile avec des tissus vivants et la méthode de fabrication de valves moulées a été modifiée puis éprouvée avec la production de 4 prototypes. Ces derniers n’ont pas permis d’obtenir des performances satisfaisantes en bioréacteur, motivant la conception d’une nouvelle méthode. Plutôt que de tenter de répliquer la forme native des valves cardiaques, des études récentes ont suggéré une géométrie tubulaire. Cela permettrait une fabrication simplifiée, une implantation rapide, et un encombrement minimal en vue d’opérations percutanées. Cette approche minimaliste s’accorde bien avec la méthode d’auto-assemblage, qui a déjà été utilisée pour la production de vaisseaux de petits diamètres. Un total de 11 tubes ont été produits par l’enroulement de feuillets fibroblastiques auto-assemblés, puis ont été transférés sur des mandrins de diamètre inférieur, leur permettant de se contracter librement. La caractérisation de deux tubes contrôles a démontré que cette phase de précontraction était bénéfique pour les propriétés du tissu en plus de prévenir la contraction en bioréacteur. Les prototypes finaux pouvaient supporter un écoulement physiologique pulmonaire. Cette nouvelle méthode montre que le procédé d’auto-assemblage a le potentiel d’être utilisé pour fabriquer des valves cardiaques tubulaires.