Novel Devices and Materials for Bioelectronics

Tato dizertace je syntézou hlavních projektů, kterým jsem se věnoval v průběhu mého doktorského studia. Projekty se rozvíjejí kolem širokého spektra témat, z toho důvodu byl zvolen široký a obecný název. Projekty popsané v této práci se zabývají vývojem elektronických zařízení s využitím v řadě bioelektronických aplikací. První část práce se věnuje vývoji, testování a aplikací platforem pro studium mikroorganismů schopných přímé výměny elektronů s elektronickými zařízeními. Druhá část práce se věnuje elektrické stimulaci kmenových buněk pro jejich řízenou diferenciaci. Dále se zabývá fundamentálním studiem potenciálně škodlivých faradaických reakcí, ke kterým dochází v průběhu stimulačních protokolů používaných v klinické praxi. Všechny popsané projekty sdílí společné teoretické a praktické základy vycházející z chemického inženýrství, elektrochemie a materiálových věd. Sjednocující faktor hrající zásadní roli a objevující se napříč všemi projekty je skupina reakcí souvisejících s redukcí kyslíku. Redukce kyslíku je nezbytná reakce odehrávající se v katodovém poločlánku zařízení pro stadium elektroaktivních mikroorganismů. Redukce kyslíku a následná produkce reaktivních forem kyslíku může mít diskutabilně větší vliv na diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace než samotná elektrická stimulace. V neposlední řadě reakce související s redukcí kyslíku byly hlavními reakcemi, které jsme pozorovali při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Disertace prezentuje stručný teoretický úvod nezbytný pro pochopení prezentovaných projektů. Definuje cíle a prezentuje výsledky formou komentovaného seznamu vědeckých publikací. Rovněž nastiňuje budoucí směřování práce. Hlavní dosažené výsledky mohou být shrnuty následujícím způsobem: Prvním cílem bylo vyvinout platformu založenou na poli mikrobiálních palivových článků pro elektrochemickou charakterizaci elektroaktivních mikroorganismů. Po sérii testovacích prototypů byla vyvinuta platforma splňující všechny předem určené parametry. Platforma se osvědčila jako dostatečně přesná a spolehlivá pro zamýšlené biologické experimenty. Dalším cílem bylo vyrobit platformu pro řízenou diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace. Bohužel připravená platforma se ukázala jako nespolehlivá a nevhodná pro daný účel. To vedlo k neúspěšné snaze o diferenci kmenových buněk požadovaným směrem. Nakonec jsme se zabývali reakcemi souvisejícími s redukcí kyslíku na elektrodách připravených z nejčastěji používaných materiálů pro neurální stimulaci. Kyslík může být redukovaný na vodu a na peroxid vodíku v závislosti na katalytické aktivitě daného materiálu a charakteru stimulačního protokolu. Změřili jsme množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu v blízkosti stimulačních elektrod při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Následně jsme porovnali katalytickou aktivitu všech materiálů vzhledem k množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu vodíku. Hlavním zjištěním bylo, že všechny elektrodové materiály a všechny testované stimulační protokoly vedou k redukci kyslíku, v některých případech až k lokální hypoxii a všechny materiály generují peroxid vodíku, některé až v řádech jednotek mM. Tyto zjištění považujeme za velmi významné, jelikož ovlivnění koncentrace kyslíku a generace peroxidu vodíku mohou mít výrazný vliv na tkáň v okolí elektrod