Ανάπτυξη οπτικών διατάξεων για τεχνολογικές και βιοϊατρικές εφαρμογές

Abstract

In this PhD thesis, optical trapping setup was developed for applications in optical trapping micro/nanoparticles as well as biological samples (cells, proteins, DNA, etc.) for the study of their physical properties and their impact on biological and clinical processes. Optical trapping is used for contactless immobilization of microscopic and nanoscopic objects at the focus of a tightly focused laser beam via the gradient force, which arises from the electromagnetic field gradient at the vicinity of the laser focus. The development of optical tweezers and their applications in biological systems were awarded the Physics Nobel prize in 2018 (Arthur Ashkin). Optical tweezers have been used for the immobilization of cells, viruses, bacteria, organelles, DNA, etc., and the study of their basic physical and chemical properties, the study of biological processes, the response to treatments, among others. In this PhD thesis, the optical trapping setup was employed for the trapping and investigation of biological samples, such as cells, whose mechanical properties determine their functionality and are directly associated with the onset and progression of human medical conditions. Furthermore, laser processing has been employed to develop microstructured silicon surfaces (Black Si) with applications in technological fields. Laser structuring of the silicon surface has demonstrated that these substrates can also be utilized to optimize the photocatalytic performance of titanium dioxide films, providing increased active surface area and enhanced light absorption. These findings highlight Black Si as a promising substrate for multiple applications, ranging from advanced antibacterial materials to high-efficiency photocatalytic systems.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύξαμε διάταξη οπτικής παγίδευσης για την ακινητοποίηση μικρο/νανοσωματιδίων και βιολογικών δειγμάτων (κύτταρα, πρωτεΐνες, DNA κλπ.) που αποσκοπεί στη μελέτη των φυσικών τους ιδιοτήτων καθώς και την επίδρασή βιολογικών και κλινικών διεργασιών. Η μέθοδος της οπτικής παγίδευσης επιτυγχάνει την ανέπαφη ακινητοποίηση μικροσκοπικών και νανοσκοπικών αντικειμένων στην εστία μιας ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ μέσω της δύναμης βαθμίδας που προκύπτει από τη βαθμίδα του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στην περιοχή της εστίας. Η ανάπτυξη της μεθόδου οπτικής παγίδευσης και η ανάδειξη των εφαρμογών της σε βιολογικά συστήματα τιμήθηκαν με το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 2018 (Arthur Ashkin). H οπτική παγίδα έχει χρησιμοποιηθεί σύμφωνα με την βιβλιογραφία, για την ακινητοποίηση κυττάρων, ιών, βακτηρίων, οργανιδίων, DNA κλπ., και τη μελέτη βασικών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους, τη μελέτη βιολογικών διεργασιών, και την απόκριση τους σε θεραπείες. Στην παρούσα διατριβή η διάταξη οπτικής παγίδευσης χρησιμοποιήθηκε για την παγίδευση και μελέτη βιολογικών δειγμάτων, (π.χ. κυττάρων) οι μηχανικές ιδιότητες των οποίων καθορίζουν τη λειτουργικότητά τους και συνδέονται με ανθρώπινες παθήσεις. Επιπλέον, μέσω κατεργασιών λέιζερ έχουν αναπτυχθεί μικροδομημένες επιφάνειες πυριτίου (Black Si) για τεχνολογικές εφαρμογές. H διαμόρφωση της επιφάνειας του πυριτίου μέσω λέιζερ κατέδειξε ότι τα υποστρώματα αυτά μπορούν να αξιοποιηθούν και για τη βελτιστοποίηση της φωτοκαταλυτικής απόδοσης υμενίων διοξειδίου του τιτανίου, προσφέροντας αυξημένη ενεργό επιφάνεια και βελτιωμένη απορρόφηση φωτός. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν το Black Si ως υποψήφιο υπόστρωμα για πολλαπλές εφαρμογές, όπως παραδείγματος χάριν προηγμένα αντιβακτηριακά υλικά έως υψηλής απόδοσης φωτοκαταλυτικά συστήματα.