Patroonvorming Cellen op optisch transparant Indium Tin Oxide Elektroden
August 20th, 2007
Niet-fouling PEG silaan monolaag werd gedesorbeerd uit individueel adresseerbare ITO elektroden op glas door toepassing van een reductieve potentieel. Elektrochemische strippen van de PEG-silaan laag van ITO-micro-elektroden toegestaan voor celadhesie te laten plaatsvinden in een ruimtelijk bepaalde manier, met cellulaire patronen overeenkomt nauw aan bij elektrode patronen.
Hallo, ik ben Isha. Ik ben een afgestudeerde student in het tweede jaar in het lab van Dr. Zen. We zijn hier bij de afdeling Biomedische Technologie aan de Universiteit van Californië Davis.
Vandaag laat ik u het beheersen van Ian op microfabricage van optisch transparante Indium 10 oxide elektroden in weefsel engineering en regeneratie-inspanningen die zijn gedaan om het micro-omgeving van het orgaan na te bootsen. Om dit micro-omgeving in vitro te creëren, is het essentieel om cellen op een substraat ruimtelijk en tijdelijk te isoleren. We zijn geïnteresseerd in het ontwerpen van oppervlakken waar we de locatie van verschillende leverceltypen kunnen controleren.
In het huidige experiment zullen we oppervlaktemodificatie, microfabricage en elektrochemie gebruiken om een oppervlak te vormen dat kan worden geschakeld van cel-niet-adhesieve naar cel-adhesieven. De eerste stap is fotolithografie. Hier is een stroomdiagram van hoe dat proces gaat werken.
Het blauwe is het glaslicht, het groene is indium 10 oxide dat is gecoat op het glaslicht. Eerst wat we gaan doen is spincoat fotoweerstand rood hier getoond op het indium 10 oxide gecoate glaslicht. Dan gaan we dat door een fotomasker naar ultraviolet licht passeren en de blootgestelde gebieden zullen worden ontwikkeld in een ontwikkelingsoplossing.
De ITO-gebieden die niet worden beschermd door fotoweerstand zullen worden verwijderd in IT oing. En dan eindelijk, zal al de resterende fotoweerstand worden verwijderd in aceton om onze ITO-elektroden te vormen. Hier is het stroomdiagram van de resterende drie stappen.
Eerst gaan we het hele oppervlak met peg cylin gaan modificeren. Dit gaat het oppervlak niet-fouling maken en geen cellen of eiwitten zullen eraan binden. Vervolgens gaan we elektrochemie gebruiken om specifiek peg cylin te absorberen van de I twee elektroden die we eerder hebben gemaakt.
En ten slotte gaan we fibroblasten op het oppervlak incuberen en ze zullen selectief alleen aan de stripgebieden binden. Dus nu zijn we klaar om ons experiment te beginnen. De eerste stap omvat fotolithografie, die in een cleanroom wordt uitgevoerd.
Dus laten we doorgaan en de cleanroom binnengaan. Dus hier zijn we in onze cleanroom. Voordat we ons experiment starten, gaan we onze indium tin oxide of ITO gecoate monsters bakken bij 200 C in onze oven.
Op die manier kunnen we al onze oppervlakken dehydrateren. En nadat we het hebben gebakken bij 200 C, gaan we het op onze spin tech plaatsen en eigenlijk de fotoweerstand toepassen. Dus na het dehydrateren van ons ITO-substraat, gaan we het nemen en op de chuck van de spin tech plaatsen.
Deze chuck is net groot genoeg om een kwart van een glaslicht te houden. Dan gaan we, we gaan vacuüm toepassen. Daarna passen we positieve toon, fotoweerstand op het substraat toe.
Na de toepassing van de fotoweerstand, gaan we gewoon door. Dit omvat twee stappen. De eerste is het spreiden, en de tweede is het spincoaten in de spreidingsstap.
De chuck draait met 800 RPM en dat verspreidt de fotoweerstand uniform over het hele oppervlak. De volgende stap is echter de spin, die op 4.000 RPN staat en op 4.000 RPM vormt het een heel dunne laag. Met dun bedoel ik ongeveer een micron.
Als je het woord foto, weerstand, breekt, wordt het foto en weerstand. Het wordt geactiveerd door licht. Daarom werken we in de cleanroom en gebruiken we gefilterd licht, zodat onze fotoweerstand niet door het licht wordt geactiveerd en het resistent is tegen activa, die we later zullen gebruiken wanneer we etsen.
Dus nu zijn we klaar met spincoaten, fotoweerstand op het oppervlak, en we gaan het eruit halen en naar onze volgende stap gaan. Dus na het bakken van het monster gedurende een minuut en 45 seconden, gaan we het van de hotplate halen en naar onze kanonmaskerliner verplaatsen. Hier nemen we een masker dat we nodig hebben en plaatsen we het masker bovenop ons substraat om een contactprint tussen ons substraat met portweerstand en het masker te krijgen, we plaatsen het met een vierduims glaswafer om er gewoon gewicht aan toe te voegen.
En zodra we daarmee klaar zijn, zetten we de sluiter weer op en stellen we het monster bloot aan UV-licht. Zodra de blootstelling voltooid is, verplaatsen we de deksel in omgekeerde volgorde weg. We nemen onze glaswafer, we nemen onze masker eruit, en dan verwijderen we ons substraat en nemen het mee voor ontwikkeling.
Na het blootstellen van het monster, plaatsen we het in een ontwikkelingsoplossing. Toen het monster werd blootgesteld aan UV-licht, werden er waterstofionen gevormd, die geneutraliseerd werden met de basis en de ontwikkelingsoplossing en daadwerkelijk van het oppervlak werden verwijderd. Dus nu moet u ervoor zorgen dat u, wanneer u het monster doet, constant het substraat zwaait.
En als u dat doet, kunt u zien dat in ongeveer de eerste minuut of minuut en een half, de ex-blootgestelde gebieden daadwerkelijk zijn ontwikkeld en van het oppervlak zijn verwijderd. Maar om een complete ontwikkeling te laten gebeuren, laten we het ongeveer vijf minuten in de ontwikkelingsoplossing zitten. Nadat de ontwikkeling voltooid is, gaan we het eruit halen, we gaan het wassen met di-water en dan drogen met een stikstofpistool.
Zodra we ons monster hebben gedroogd, gaan we het overnemen en visualiseren onder onze microscoop. Hier kijken we naar het monster onder een microscoop. We hebben het net eruit gehaald na vijf minuten te hebben ontwikkeld.
Er zijn twee gebieden die je hier kunt zien, een donkerder gebied dat bedekt is met fotoweerstand en het lichtere gebied waar de fotoweerstand is verwijderd. In relatie tot het masker dat we eerder hebben gebruikt, waren de donkere gebieden op het masker de donkere gebieden die we nu onder de microscoop zien, terwijl de heldere gebieden die we hier zien, transparant waren op het mask
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie onderzoekt de desorptie van non-fouling PEG-silaan monolagen van ITO-elektroden om celadhesie op een gecontroleerde manier te vergemakkelijken. Door een reductief potentieel toe te passen, wordt de PEG-silaanlaag verwijderd, waardoor nauwkeurige cellulaire modelleringen mogelijk zijn die overeenkomen met elektrodeontwerpen.
Belangrijkste Studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Biomedische Technologie
- Weefselkunde
- Cellulaire Modellering
Achtergrond
- Het creëren van een micro-omgeving in vitro is cruciaal voor weefselkunde.
- Ruimtelijke en temporele controle van celplaatsing is essentieel voor het nabootsen van orgaanstructuren.
- Indium tin oxide (ITO) elektroden bieden een platform voor dergelijke controle.
- PEG-silaan monolagen kunnen ongewenste celadhesie voorkomen.
Doel van de Studie
- Om een methode te ontwikkelen voor ruimtelijk gedefinieerde celadhesie op ITO-elektroden.
- Om de effecten van elektrochemische verwijdering op celmodellering te onderzoeken.
- Om weefselkundetoepassingen te verbeteren door gecontroleerde cellulaire omgevingen.
Gebruikte Methoden
- Toepassing van reductief potentieel om PEG-silaan van ITO-elektroden te desorberen.
- Elektrochemische technieken om oppervlakte-eigenschappen te manipuleren.
- Celcultuurmethoden om adhesie en modellering te beoordelen.
- Microscopie om cellulaire arrangementen te visualiseren.
Belangrijkste Resultaten
- Succesvolle desorptie van PEG-silaan leidde tot verbeterde celadhesie.
- Cellulaire patronen kwamen nauw overeen met de onderliggende elektrodeontwerpen.
- Elektrochemische controle bleek effectief voor ruimtelijk gedefinieerde celplaatsing.
- Deze methode toont belofte voor toekomstige weefselkundetoepassingen.
Conclusies
- Elektrochemische verwijdering van PEG-silaan is een haalbare techniek voor het controleren van celadhesie.
- Ruimtelijk gedefinieerde cellulaire patronen kunnen worden bereikt met behulp van ITO-elektroden.
- Deze aanpak kan het veld van weefselkunde aanzienlijk bevorderen.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
This method enables precise spatial and temporal control of cell adhesion on optically transparent ITO electrodes, supporting the assembly of multi-cellular constructs for in vitro tissue models. By electrochemically switching surface properties from non-adhesive to adhesive, it provides a scalable approach to engineer defined cellular microenvironments. This capability advances target validation and phenotypic screening in early discovery by improving the physiological relevance of cell-based assays.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through spatially isolated cell patterning on conductive substrates.
- Operational Value: Supports functional target validation by isolating specific cell types to assess pathway activity in a controlled microenvironment.
- Predictive Value: Enhances predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in co-culture systems through precise spatial control.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Prepares validated biological systems with addressable electrode sites for downstream compound screening.
- Operational Value: Ensures assay standardization and reproducibility via electrochemical control of surface adhesion properties.
- Scalability: Facilitates platform reuse through reversible surface modification and selective cell attachment to patterned regions.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports disease-relevant systems by enabling assembly of three or more cell types in precise geometric configurations.
- Mechanistic De-risking: Allows spatial isolation of immature and mature cell types to study differentiation and niche interactions.
- Preclinical Model: Improves risk-adjusted advancement decisions by creating instructive environments that mimic in vivo microenvironments.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early hypothesis testing through lead identification to preclinical validation by providing a tunable interface for cellular organization.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling spatially defined co-cultures of liver cell types.
- Screening: Delivers assay readiness and quantitative outputs through optically transparent, addressable electrode arrays compatible with microscopy.
- Analytics: Enables comparison of cellular responses via localized electrochemical stimulation and patterned readouts.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by allowing geometric assembly of multiple cell types to model tissue architecture.
- Enterprise Reuse: Functions as a reversible, adaptable platform for repeated use across different cell types and experimental conditions.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through reduced biological noise and enhanced target validation in multi-cellular systems.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability via electrochemical switching and surface regeneration.
- Strategic Value: Better go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk through improved model fidelity.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization and advancement decisions based on physiologically relevant cellular responses.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfabrication, surface chemistry, and electrochemical cell culture techniques.
- Depends on access to cleanroom facilities, potentiostats, and microscopy for patterning and validation.
- Necessitates cross-team standardization of PEG silane incubation, stripping protocols, and cell seeding procedures.
- Involves adaptation considerations when extending to primary cells or 3D constructs beyond fibroblast and hepatocyte models.
- Practical limitations include PEG layer stability under prolonged culture and potential fouling from serum proteins during incubation.
