Preparation of Nanostructured Interface by Polymer Grafting on Various Solid Substrates for Biosensor Applications

Abstract

This thesis presents the utilization, various applications, and characterization of the soft material-based coating formed on the gold surface with varying thickness and chemical properties resulting from the isocyanate-gold interaction. Theoretical calculations regarding the interaction of isocyanate with the gold surface revealed the character of the bond formed and the orientation of the functional groups on the surface. Results by X-ray photoelectron spectroscopy showed the tendency to shift to the high energy at N 1s and C 1s binding energies in the gold-interacting isocyanate group. In the next steps, the isocyanate-activated gold substrate was subjected to sequential incubation of 1,4-butanediol/hexamethylene diisocyanate, and thin-film formation was achieved by surface assisted (SurfAst) urethane polymerization. It was revealed with three different applications that a nano-porous polyurethane (PU) structure was formed on the gold substrate and could be postmodified by using SurfAst polymerization method. In the first application, modification with polyethylene glycol (PEG) was provided to obtain antifouling properties. The PEG-terminated PU structure on the gold surface was shown to reduce protein adhesion by approximately ten-fold. In the second application, SurfAst was applied on the 11-mercaptodecanoic acid incubated surface and grafting onto the poly (N-allyl-N-methyl-N-(3-((4-methylthiophen-3-yl)oxy)propyl) prop-2-en-1-aminium surface was characterized. As a result of PT grafting, PT nanowires with an average height of 100 nm, a width of 250 nm, and a length of 7 μm were obtained on the gold surface. In the last application, a soft nanogel was obtained by a reactive layer-layer (rLBL) coating method using the aza-Michael addition reaction of branched polyethyleneimine and polyester on the isocyanate functional surface. The mechanical and electrical permeability and coating properties of the nanogel layer were assessed. In conclusion, the high potential of isocyanate in surface activation has been demonstrated theoretically and experimentally. Effective modification of gold surfaces by polymer grafting with the SurfAst method and rLBL coating techniques has been achieved.

Bu tezde, izosiyanat-altın etkileşimi sonucu altın yüzeyde değişen kalınlık ve kimyasal özelliklerde oluşan yumuşak madde temelli kaplamanın eldesi, çeşitli uygulamaları ve karakterizasyonu sunulmuştur. İzosiyanatın, altın yüzeyle etkileşimi ile ilgili teorik hesaplamalar oluşan bağın karakterini ve fonksiyonel grupların yüzeyde yönelimlerini ortaya çıkarmıştır. X-ışını fotoelektron spektroskopisi ile elde edilen deneysel veriler altın ile etkileşen izosiyanat grubundaki N 1s ve C 1s bağlanma enerjilerinde yüksek enerjiye kayma eğilimini göstermiştir. İzosiyanat ile aktifleştirilmiş altın alttaş sonraki adımlarda 1,4-bütandiol/hekzametilen diizosiyanat sıralı inkübasyonuna uğratılarak, yüzey destekli (SurfAst) üretan polimerizasyonu ile ince film oluşumu sağlanmıştır. SurfAst polimerizasyon metodu ile altın alttaş üzerinde nano gözenekli poliüretan (PU) yapı oluştuğu ve sonradan modifiye edilebilir olduğu, üç farklı uygulama ile ortaya çıkarılmıştır. Birinci uygulamada kirlenme önleyici özellikler elde etmek için polietilen glikol (PEG) ile modifikasyon sağlanmış ve altın yüzeydeki PEG-sonlu PU yapısının protein yapışmasını yaklaşık 10 kat azalttığı gösterilmiştir. İkinci uygulamada SurfAst, 11-merkaptoundekanoik asit inkübe edilmiş yüzeyde çalışılarak poli (N-allil-N-metil-N-(3-((4-metiltiofen-3-il)oksi)propil) prop-2-en-1-aminyum bromür'ün (PT) yüzeye aşılaması karakterize edilmiştir. PT aşılaması sonucunda altın yüzey üzerine ortalama 100 nm yükseklik, 250 nm genişlik ve 7μm uzunlukta PT nanoteller elde edilmiştir. Son uygulamada ise, izosiyanat fonksiyonel yüzeyi üzerinde dallanmış polietilenimin ve polyesterin aza-Michael katılma reaksiyonu kullanılarak reaktif katman-katman kaplama yöntemi ile yumuşak bir nanojel elde edilmiştir. Nanojel katmanın, mekanik ve elektriksel geçirgenlik ve kaplama özellikleri çalışılmıştır. Sonuç olarak, yüzey aktifleştirmede izosiyanatın yüksek potansiyeli teorik ve uygulamalı olarak gösterilmiş ve altın, yüzeylerin SurfAst metodu ile polimer aşılaması ve reaktif katman-katman kaplama teknikleri ile etkin modifikasyonu sağlanmıştır.