Synthesis of biphasic Al/Al2O3 nanostructures under microgravity and laser structuring on Al/Al2O3 surfaces for selective cell guidance

Abstract

The first part of this thesis is dealing with gravity effect on the synthesis of biphasic core/shell Al/Al2O3 composites. By chemical vapor deposition of the precursor [tBuOAlH2]2 at 400°C, only spherical nanoparticles were observed on the substrate surface. The formation of nanowires was observed at 600°C. It is a good agreement with our previous results on earth condition and there is no gravity impact on the chemical reaction. At increased gravity levels, the nanoparticles formed large clusters and the nanowires showed bundle formation while the nanowires at microgravity have predominantly linear structures. It is proposed that the chaotic nature of nanowires and cluster formation of nanoparticles were caused by a dominance of gravity over the thermal creep. In the second part the use of Al/Al2O3 nanowire layers for bio applications is considered. Contact cell guidance and alignment were studied to understand how cells recognize and respond to certain surface patterns. Linear micro channels were created on Al/Al2O3 layer by direct laser writing and laser interference patterning. Although surface topography was altered, the surface chemistry was always identical (Al2O3) due to the unique core/shell nature of Al/Al2O3 nanowires. Human osteoblast, normal human dermal fibroblast and neuronal cells were cultured and investigated. The results indicate that different cell types show diverse responses to the topography independent from the surface chemistry of the material.

Der erste Teil dieser Dissertation behandelt die Wirkung der Schwerkraft auf die Herstellung biphasischer Kern-Hülle Al/Al2O3 Verbundwerkstoffen. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung des Präkursor [tBuOAlH2]2 wurden bei 400° C nur sphärische Nanopartikel auf der Substratoberfläche beobachtet. Bei 600° C wurde die Bildung von Nanodrähten beobachtet. Dies bestätigt unsere früheren Ergebnisse. Bei erhöhter Schwerkraft bildeten die Nanopartikel große Cluster und die Nanodrähte formten Bündel. In Schwerelosigkeit wiesen die Nanodrähte meist lineare Strukturen auf. Eine mögliche Erklärung für das chaotische Verhalten der Nanodrähte und das Formen der Cluster könnte eine Dominanz der Schwerkraft gegenüber dem thermischen Kriechen sein. Der zweite Teil behandelt die Verwendung der Al/Al2O3- Nanodrähte als Beschichtungen für Bioanwendungen. Das gerichtete Wachstum von Zellen wurde untersucht um zu verstehen wie Zellen verschiedene Strukturen erkennen und darauf reagieren. Dazu wurden Kanäle auf den Beschichtungen durch direktes Laserschreiben und Laserinterferenzstrukturieren erzeugt. Dabei wurde nur die Topografie verändert. Die Oberflächenchemie (Al2O3) blieb durch den einzigartigen Kern-Hülle Charakter der Beschichtung immer identisch. Menschliche Osteoblast-, Fibroblast- und Nervenzellen wurden kultiviert und untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass bei gleichbleibender Oberflächenchemie die Zellantwort verschiedener Zelltypen unterschiedlich von der Topografie abhängig ist.