Es wird ein Protokoll zur Herstellung einer großen Fläche von nanostrukturiertem Substrat aus kleinen nanostrukturierten Formen zur Untersuchung der nanotopographischen Modulation des Zellverhaltens vorgestellt.
Methodenartikel
Es wird ein Protokoll zur Herstellung einer großen Fläche von nanostrukturiertem Substrat aus kleinen nanostrukturierten Formen zur Untersuchung der nanotopographischen Modulation des Zellverhaltens vorgestellt.
Die Substrat-Nanotopographie hat sich als potenter Modulator des Zellphänotyps und der Zellfunktion erwiesen. Um die Nanotopographie-Modulation des Zellverhaltens zu analysieren, ist eine große Fläche des nanostrukturierten Substrats wünschenswert, damit genügend Zellen auf der Nanotopographie für nachfolgende biochemische und molekularbiologische Analysen kultiviert werden können. Aktuelle Nanofabrikationstechniken haben jedoch Grenzen, um hochdefinierte Nanomuster über einen großen Bereich zu erzeugen. Hier stellen wir eine Methode vor, um nanostrukturierte Substrate von einem kleinen, hochdefinierten Nanomuster auf eine große Fläche mit Hilfe der Stichtechnik zu erweitern. Das Verfahren kombiniert mehrere Techniken, darunter die weiche Lithographie zur Replikation von Poly(dimethylsiloxan) (PDMS)-Formen aus einer genau definierten Form, die Stichtechnik, um mehrere PDMS-Formen zu einer einzigen großen Form zusammenzusetzen, und die Nanoprägung zur Erzeugung einer Masterform auf Polystyrol (PS)-Substraten. Mit der PS-Urform stellen wir PDMS-Arbeitssubstrate her und demonstrieren die nanotopographische Modulation der Zellausbreitung. Diese Methode bietet eine einfache, erschwingliche und dennoch vielseitige Möglichkeit, gut definierte Nanomuster über große Flächen zu erzeugen, und wird möglicherweise erweitert, um mikro-/nanoskalige Bauelemente mit Hybridkomponenten herzustellen.
Eine Reihe neuerer Befunde zeigen, dass die Substrat-Nanotopographie einen ausgeprägten Einfluss auf das Zellverhalten hat, von der Zelladhäsion über die Ausbreitung und Migration bis hin zur Proliferation und Differenzierung1-6. Zum Beispiel wurden in Zellen, die auf tiefen Nanogittern kultiviert wurden, eine kleinere Zellgröße und eine niedrigere Proliferationsrate beobachtet, die sogar zur Apoptose führte, obwohl die Zellausrichtung, -verlängerung und -migration im Vergleich zu den flachen Kontrollen2,7-10 verbessert wurden. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Nanotopographie die Differenzierung von Stammzellen in bestimmte Linien wie Neuron2,11,12, Muskel13 und Knochen3,4 erleichtert. Darüber hinaus besteht aufgrund der zunehmenden Besorgnis über die Toxizität technisch hergestellter Nanomaterialien14,15 die Notwendigkeit, die Nanotopographie in physiologisch relevante In-vitro-Modelle einzubeziehen, um eine genaue Risikobewertung von Nanomaterialien zu ermöglichen. Um die biochemischen und molekularbiologischen Analysen durchzuführen, werden genügend Zellen benötigt, um auf einer großen Fläche nanostrukturierten Substrats gezüchtet zu werden. Herkömmliche Nanofabrikationstechniken haben jedoch Grenzen, um hochdefinierte Nanomuster über einen großen Bereich zu erzeugen.
Selbstorganisation einschließlich Kolloidlithographie16 und Polymerentmischung17 kann problemlos großflächige Nanostrukturen zu geringen Kosten erzeugen. Da die Selbstorganisation auf Wechselwirkungen zwischen den assemblierenden Elementen, wie kolloidalen Partikeln und Makromolekülen, und möglichen Wechselwirkungen zwischen diesen Elementen und dem Substrat beruht, kann sie kein eigenständiges Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen mit präziser räumlicher Positionierung und beliebigen Formen sein18. Auch die damit einhergehende hohe Fehlerdichte ist ein Nachteil. Eine präzise räumliche Kontrolle von Nanomustern kann durch die Verwendung einer schablonenförmigen Selbstorganisation erreicht werden, die lithographische Top-Down-Ansätze verwendet, um die topographische und/oder chemische Schablone bereitzustellen, um die Bottom-up-Assemblierung der Assemblierungselemente19-21 zu leiten. Alternative Nanofabrikationstechniken, wie die Step-and-Flash-Lithographie22 und eine Rolle-zu-Rolle-Nanoimprinting-Lithographie23, wurden entwickelt, sind aber aufgrund ihres ausgeklügelten Prozesses oder des Bedarfs an Spezialgeräten nur begrenzt einsetzbar. Nichtsdestotrotz wird ein Template oder eine Masterform mit definierten nanoskaligen Mustern für schablonenbasierte oder alternative Nanofabrikationstechniken benötigt.
Solche Schablonen und Urformen werden konventionell mit fokussierter Elektronen-, Ionen- oder Photonenstrahllithographie erzeugt. So können beispielsweise mit der Elektronenstrahllithographie (EBL)24 und der fokussierten Ionenstrahllithographie25 definierte Muster mit einer Auflösung von unter 5 nm erzeugt werden. Die Zwei-Photonen-Lithographie hat eine Strukturgröße von nur 30 nm26 gezeigt. Obwohl die fokussierten Strahllithographietechniken die Erzeugung wohldefinierter nanoskaliger Strukturen ermöglichen, schränken die Kapitalinvestitionen und der zeitaufwändige und kostspielige Prozess ihre breite Verwendung in der akademischen Forschung ein27. Daher ist es sehr wünschenswert, ermöglichende und dennoch erschwingliche Techniken zu entwickeln, um eine große Fläche nanostrukturierter Oberflächen mit hoher Wiedergabetreue herzustellen.
Wir haben über eine einfache, kostengünstige Stichtechnik berichtet, mit der eine große Fläche nanostrukturierter Oberfläche aus einer kleinen, gut definierten Formerzeugt werden kann 28. Dieses Protokoll bietet ein schrittweises Verfahren von der Replikation von Poly(dimethylsiloxan) (PDMS)-Formen unter Verwendung eines EBL-geschriebenen Musters über den Zusammenbau mehrerer PDMS-Formen zu einer einzigen großen Form bis hin zur Erzeugung einer Masterform auf polymeren wie Polystyrol (PS)-Substraten und der Herstellung von Arbeitssubstraten. Mit den expandierten nanostrukturierten Substraten konnten wir die nanotopographische Modulation der Zellausbreitung demonstrieren.
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1. Die Replikation von PDMS-Formen aus einer EBL Mold
2. Nähen von PDMS-Formen in einem großen, einzigen Form
3. Erzeugung eines Master-Form auf PS Substrate
Hinweis: Die genähte PDMS-Form auf einem Glasträger immobilisiert kann verwendet werden, eine Mutterform auf einer PS-Platte oder eine PS-Dünnfilm zu erzeugen, aus dem Arbeitsnanostrukturierten Substrate hergestellt werden können.
4. Nanotopographical Modulation des Zellverhaltens
Hinweis: Human-Epithelzellen kultiviert werden auf die repräsentativen Nanotopographien nanotopographical Modulation von Zellausbreitung zu demonstrieren.
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Die Stichtechnik kann einen großen Bereich von nanostrukturierten Substrate mit hoher Genauigkeit erzeugen. Figur 1a und 1b die große Fläche von Nanostrukturen aus dem genähten PDMS - Form zu PS - Platte und PS - Dünnfilm auf einem Si - Substrat bzw. übertragen anzuzeigen. Der Vergleich zwischen dem ursprünglichen EBL geschriebene Form (Abbildung 1c) und die endgültigen PDMS Arbeitssubstrat (Abbildung 1d) bestätigt , das...
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Wir präsentieren Ihnen eine einfache, kostengünstige und dennoch vielseitige Methode einen großen Bereich von nanostrukturierten Substrat zu erzeugen. Um treu hochdefinierte Nano, große Aufmerksamkeit erweitern sollte auf mehrere kritische Schritte bezahlt werden. Die erste ist die mehrere PDMS Formen zu trimmen. Ungemusterten Bereiche der PDMS Formen entfernt werden müssen. Zusätzlich sollten die Seitenwände der Formen geschnitten werden vertikal so perfekt wie möglich, die Lücken zwischen den Formen zu minimieren. Zus...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde teilweise unterstützt von NSF CBET 1227766, NSF CBET 1511759 und Byars-Tarnay Endowment. Wir danken für die Nutzung der West Virginia University Shared Research Facilities, die teilweise durch NSF EPS-1003907 unterstützt werden.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| JEOL Field Emission SEM | JEOL | JSM-7600F | EBL |
| E-Beam-Verdampfer | Kurt J. Lesker | Modell: LAB 18 E-Beam-Verdampfer | Nickelabscheidung |
| Trion Minilock III ICP/RIE | Trion technology | Modell: Minilock-phantom III | |
| Pressmaschine | PHI Hydraulic Press | Molde: SQ-230H | |
| Spin | Coater Laurell Technologien | Modle: WS-400A-6NPP-LITE | |
| CO2 kritischer Trockner | Tousimis | Modle: Autosamdri-815 | |
| Silicon Wafer | University Wafer | 1080 | |
| Aluminiumplatten | McMaster-carr | 9057K123 | |
| Teflonplatten | McMaster-carr | 8711K92 | |
| 100 mm Petrischale | FALCON | ||
| 60 mm Petrischale | FALCON | 353004 | |
| Abdeckglas | Fisher Scientific | 12-542-B | |
| Objektträger Fisher | Scientific | 12-550-34 | |
| Einweg-Wägeschiffchen | Fisher Scientific | 13-735-743 | |
| Exsikkator aus Glas | Fisher Scientific | 02-913-360 | |
| Kunststoff-Exsikkator | Bel-Art Products | F42025-000 | |
| Heizplatte | Fisher Scientific | 1110049SH | |
| Pinzette | Ted Pella, inc. | 5726 | |
| Klinge | Fisher Scientific | S17302 | |
| Metallblöcke | McMaster-Carr | ||
| Punch | Brettuns Village Leather Craft Supplies | Arch Punch | |
| Poly(methylmethacrylat) | MicroChem | 495 PMMA A4 | |
| PDMS | Dow Corning | Sylgard 184 Kit | |
| Polystyrol | Dow Chemical | Styron 685D | |
| 1H,1H,2H,2H-Perfluoroctylmethyldichlorsilan | Oakwood Chemical | 7142 | |
| Entwickler | MicroChem | MIBK/IPA im Verhältnis | |
| Entferner | MicroChem | Entferner PG | |
| Ethanol | Fisher Scientific | BP2818500 | |
| Toluol | Fisher Scientific | T324-500 | |
| Phosphatgepufferte Kochsalzlösung | Sigma Aldrich | D8537 | |
| Dulbecco' s modifiziertes Adlermedium | Sigma Aldrich | D5796 | |
| Fötales Rinderserum | Atlanta Biologicals | S11550 | |
| Paraformaldehyd | Elektronenmikroskopie Wissenschaft | 15712-S | |
| Glutaraldehyd | Fisher Chemical | G151-1 | |
| Fibronektin | Corning | 356008 | |
| A549 Zellen | ATCC | ATCC CCL-185 |
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