1. Przygotowanie wzorowanego mastera (Rysunek 1)
- Umieść podłoże krzemowe w centrum powlekarki rotacyjnej i wypłucz je acetonem podczas pierwszego etapu dwucyklowego programu wirowania zgodnie z Tabelą 1. Aceton wyparuje podczas drugiego etapu programu wirowania, pozostawiając czyste i suche podłoże.
- Nanieś około 1 mL fotorezystu AZ9245 na podłoże i rozprowadź go metodą spin-coatingu, stosując warunki opisane w Tabeli 1.
- Przeprowadź wstępne wygrzewanie (soft-bake) podłoża pokrytego fotorezystem w temperaturze 110°C przez 2 m, używając płyty grzejnej o wysokiej jednorodności temperatury.
- Wykonaj naświetlanie wzoru na podłożu, korzystając z systemu bezpośredniej litografii lub maskownicy z odpowiednią maską. Maski można nabyć z wielu źródeł komercyjnych. Dodatkowo, do tworzenia wzorów o dużych elementach można wykorzystać folie przeźroczyste wydrukowane tuszem absorbującym UV, przyklejone do płaskiego szkła optycznego.
- Wywoływaj wzór na podłożu w roztworze wywoływacza 400K i wody dejonizowanej klasy półprzewodnikowej w stosunku 1:2 przez 1 m 45 s przy delikatnym mieszaniu. Dokładnie wypłucz wodą dejonizowaną klasy półprzewodnikowej i osusz strumieniem gazowego azotu (N2). Poprawność wywołania wzoru można sprawdzić pod mikroskopem z filtrem UV. Jeśli wzór nie został w pełni wywołany, podłoże można ponownie umieścić w roztworze wywołującym na dodatkowy czas.
Uwaga: Aby uzyskać najlepsze wyniki, fotolitografię należy przeprowadzać w warunkach pomieszczenia czystego.
2. Przygotowanie stempla z PDMS (Rysunek 2)
- Przygotować mieszaninę żywicy i utwardzacza Sylgard 182 (PDMS) w stosunku wagowym 10:1 i całkowicie pokryć nią matrycę (wafle z fotolitograficznym wzorem) w jednorazowej szalce Petriego.
- Odgazować matrycę pokrytą PDMS w eksyكاتهrze próżniowym do momentu, aż pęcherzyki powietrza przestaną być widoczne, a następnie utwardzić stempel w piecu w temperaturze 65°C przez 1,5 h. Przed utwardzaniem należy upewnić się, że matryca znajduje się na dnie szalki, ponieważ podczas etapu odgazowywania może ona wypłynąć na powierzchnię.
- Wyciąć stempel z PDMS z matrycy i przyciąć go do odpowiedniego rozmiaru. Przechowywać stempel w zamkniętym pojemniku (stroną z wzorem do góry), aby chronić go przed kurzem i zanieczyszczeniami.
3. Przygotowanie wzorowanego podłoża złota (Rysunek 3)
- Przygotować okrągłe szklane laminki nr 1 o średnicy 25 mm do osadzania metalu, poddając je działaniu plazmy tlenowej przez 10 m. Płukać dwukrotnie wodą dejonizowaną o rezystywności 18,2 MΩ, a następnie dwukrotnie etanolem, osuszając strumieniem gazu N2 pomiędzy każdym etapem.
- Za pomocą wielokomorowego systemu naparowania wiązką elektronową osadzić 50 Å tytanu, a następnie 150 Å złota. Nie wypuszczać powietrza do parownika pomiędzy osadzaniem warstwy tytanu a warstwy złota. Alternatywnie można zakupić laminki pokryte złotem od różnych dostawców, jednak istotne jest, aby warstwy metalu zostały przygotowane metodą naparowania wiązką elektronową, a nie naparowaniem termicznym. W przypadku zakupu z zewnętrznego źródła, podłoża złote można oczyścić przed użyciem poprzez utlenianie plazmowe lub za pomocą roztworu „piranha” (7:3 stężony H2SO4:30% H2O2)11.
Uwaga: roztwór „Piranha” jest wybuchowy w obecności związków organicznych.
- Przygotować roztwór do stemplowania (10 mM heksadekanotiolu w etanolu absolutnym) oraz roztwór do wypełniania tła (1 mM tiolu zakończonego grupą glikolu w etanolu absolutnym).
- Opłukać stempel etanolem i dokładnie wysuszyć gazem N2. Nanosić roztwór do stemplowania na stempel PDMS kroplami, aż zostanie on całkowicie pokryty. Dokładnie wysuszyć stempel gazem N2. Przejść do punktu 5a lub 5b, w zależności od cech stempla PDMS.
-
- Delikatnie docisnąć stempel do złotej podłoża i pozostawić na 15 s w celu utworzenia monowarstwy.
- Umieścić złote podłoże w czałce Petri zawierającej wodę dejonizowaną o rezystywności 18,2 MΩ, dbając o to, aby podłoże było zanurzone. Delikatnie docisnąć stempel do złotej powierzchni i pozostawić na 15 s w celu utworzenia monowarstwy.
- Opłukać ostemplowane podłoże dwukrotnie etanolem, susząc gazem N2 po każdym płukaniu, a następnie umieścić podłoże w czałce Petri.
- Przykryć podłoże roztworem do wypełniania tła i szczelnie zamknąć czałkę parafilmem, aby zapobiec odparowaniu.
- Pozostawić w ciemności na 12-14 h w celu utworzenia monowarstwy w tle.
- Wyjąć wzorowane szkiełko nakrywowe z roztworu do wypełniania tła i opłukać dwukrotnie etanolem, susząc gazem N2 po każdym płukaniu.
4. Nakładanie białek i komórek na wzorowane podłoże
- Umieść wzorcowane szkiełko zakrywe w małej szalce Petriego lub komorze do hodowli komórek i przykryj 500 μL do 1 mL fosforanu soli buforowej Dulbecco (DPBS). DPBS musi całkowicie pokrywać podłoże podczas inkubacji białka, aby zapewnić jego równomierną warstwę.
- Dodaj stężony roztwór białka do DPBS i wymieszaj go, pipetując kilka razy. Inkubuj mieszaninę białka z podłożem w temperaturze 37°C przez 1 h. Końcowe stężenia lamininy i fibronektyny wynoszą zazwyczaj odpowiednio 12 μg/mL i 20 μg/mL. Białko można znakować fluorescencyjnym barwnikiem reaktywnym wobec grup aminowych, aby umożliwić łatwą wizualizację wzoru. Jednak znakowane białko należy mieszać w stosunku 1:1 z białkiem nieznakowanym, ponieważ znakowanie może wpływać na aktywność biologiczną.
- Po inkubacji dokładnie wypłucz podłoże DPBS (4-5x), aby usunąć niezwiązane białko, dbając o to, by nie doprowadzić do wyschnięcia podłoża ani do jego kontaktu z granicą faz powietrze-woda. Po pierwszych trzech płukaniach dodaj około 500 μL pełnej pożywki do wzrostu komórek, aby utrzymać podłoże w stanie wilgotnym.
- Zastąp pożywkę używaną do płukania podłoża świeżą pożywką.
- Dysocjuj i policz komórki do wysiania na podłoże. Można wykorzystać dysocjowane komórki pierwotne, takie jak neurony hipokampa, lub unieśmiertelnione linie komórkowe, np. komórki CHO-K1.
- Wysiej dysocjowane komórki na podłoże. Zazwyczaj stosuje się od 30 do 200 komórek/mm2.
5. Reprezentatywne wyniki:

Rysunek 1.Ogólny schemat fotolitograficznego przygotowania wzorowanej matrycy. W tym procesie płytka krzemowa jest czyszczona acetonem, powlekana fotorezystem, naświetlana w celu uzyskania pożądanego wzoru, a następnie wzór jest wywoływany.

Rysunek 2. Ogólny schemat przygotowania stempla z PDMS. W tym procesie wzorzec struktury zostaje pokryty preparatem Sylgard (żywica:utwardzacz w stosunku 10:1), odgazowany w eksykatorze próżniowym, utwardzony w piecu w temperaturze 60°C i docięty do odpowiedniego rozmiaru.

Rycina 3. Ogólny schemat wzorowania podłoża. W tym procesie podłoża szklane są powlekane tytanem (50Å) i złotem (150Å) przy użyciu odparowacza wiązką elektronową, wzorowane metodą mikrokrzykowania heksadekanotiolu za pomocą stempla PDMS, wypełniane w pozostałych miejscach tiolami alkanowymi z grupą glikolu, a następnie powlekane białkiem znakowanym fluorescencyjnie.

Rysunek 4. Wzorzec strukturalny (A) oraz stempel PDMS (B) przygotowane zgodnie z opisanymi metodami. Paski skali wynoszą 100μm.

Rycina 5. Wzorzyste SAM-y zwizualizowane za pomocą fibonektyny znakowanej AlexaFluor 647 (A) oraz ograniczenie przestrzenne komórek CHO-K1 (B). Paski skali odpowiadają 100 μm.

Rycina 6. Wzorcowana laminina z wysianymi neuronami hipokampa myszy E18 po 4 dniach in vitro. Do wizualizacji wzoru użyto przeciwciała antylamininowego sprzężonego z AlexaFluor 350 (A), a neurony hipokampa myszy E18 zabarwiono MitoTracker Red 580 (B). Paski skali oznaczają 100 μm.

Rysunek 7. Potencjalne problemy podczas przygotowywania wzorowanego podłoża, zwizualizowane poprzez adsorpcję fibronektyny sprzężonej z AlexaFluor 647. (A) Niewystarczające mieszanie prowadzi do nierównomiernej adsorpcji białka. (B) Nierównomierne przyłożenie nacisku podczas stemplowania prowadzi do częściowego przeniesienia wzoru. (C) Nadmierny nacisk podczas stemplowania może prowadzić do zapadnięcia się stempla. (D) Wystawienie wzorowanej powierzchni na granicę faz powietrze-woda podczas płukania może skutkować tła adsorpcją białka. Paski skali wynoszą 100 μm.

Rycina 8. Wzorowanie w zanurzeniu pozwala na tworzenie wzorów z małymi elementami, które są trudne do naniesienia metodą konwencjonalnego mikrostemplowania w powietrzu. Obrazy (A) i (B) przedstawiają różne obszary tego samego wzoru, naniesionego za pomocą tego samego stempla z PDMS w powietrzu (A) lub w wodzie dejonizowanej (B). Na obrazie (A) widoczne są linie wspierające o szerokości 10 μm otaczające wzór (dodane w celu zapobiegania zapadaniu się stempla), jednak mniejsze elementy w formie kropek, widoczne na obrazie (B), nie są obecne. Dowodzi to, że stemplowanie w powietrzu sprawdza się w przypadku większych elementów, natomiast w przypadku wzorów z mniejszymi elementami konieczne może być stemplowanie w wodzie. Paski skali wynoszą 20 μm.
| Cykl | Szybkość przyspieszania (rpm/s) | Prędkość końcowa (rpm) | Czas (s) |
| 1 | 500 | 1000 | 5 |
| 2 | 3800 | 3800 | 30 |
Tabela 1. Dwucyklowy program wirowania użyty do stworzenia powłoki z AZ9245 o grubości 4.5 μm na waflu krzemowym.
Aby przygotować stempla PDMS do tworzenia strukturalnych podłoży, w pierwszej kolejności wykonuje się matrycę z fotorezystu (ryciny 1 i 4A). Matryca jest odwrotnością stempla i jest tworzona przy użyciu systemu litografii bezpośredniej lub urządzenia do wyrównywania masek (mask aligner). W przypadku zastosowania fotorezystu pozytywowego, takiego jak AZ9245, do produkcji matrycy, pokryty rezystem wafelek jest naświetlany wzorem, który ma pojawić się na końcowym podłożu. Choć nie zawsze jest to możliwe, zgłaszano, że idealny stosunek kształtu (rozmiar elementu do grubości rezystu) dla matryc stempli PDMS wynosi 1:2.13 Ustaliliśmy, że w zależności od charakteru wzoru możliwe są stosunki kształtu rzędu 1:40. Wafelki krzemowe pokryte AZ9245 w warunkach opisanych w niniejszym protokole dają fotorezyst o nominalnej grubości 4,5 μm. Stwierdziliśmy, że taka grubość AZ9245 może być wykorzystana do produkcji matryc PDMS z elementami o rozmiarach od >100 μm do 2 μm.
Stemple z PDMS są odlewane z Sylgard 182 (lub Sylgard 184) przy użyciu matrycy wykonanej z fotorezystu (Rysunek 2). Matryce z fotorezystu mogą być używane wielokrotnie do tworzenia wielu kopii tego samego stempla. Po utwardzeniu PDMS stemple są oddzielane od matrycy za pomocą żyletki, a otrzymany stempel można obejrzeć pod mikroskopem, kładąc go stroną z wytłoczeniami na szkiełku nakrywkowym (Rysunek 4B)
Prawidłowe stemplowanie pozwala uzyskać ostry i wyraźny wzór białkowy, który można zwizualizować poprzez zastosowanie białka znakowanego fluorescencyjnie (Rysunki 3 i 5). Alternatywnie, do wizualizacji wzoru białkowego po utrwaleniu komórek można zastosować immunohistochemię (Rysunek 6). Wzrost komórek jest dobrze ograniczony do obszaru wzoru białkowego zarówno w przypadku unieśmiertelnionych linii komórkowych, jak i komórek pierwotnych (Rysunki 5 i 6).
Choć technika ta jest łatwa do opanowania, mogą wystąpić kilka powszechnych problemów. Aplikacja białka bez odpowiedniego wymieszania stężonego roztworu białka w DPBS może prowadzić do powstania nierównomiernych wzorów białkowych (Rysunek 7A). Nieprawidłowe stemplowanie może skutkować częściowym przeniesieniem wzoru lub zapadnięciem się stempla (Rysunek 7B-C). Ponadto wystawienie podłoża z naniesionym wzorem zawierającym zaadsorbowane białko na działanie powietrza może zakłócić monowarstwę, co powoduje spadek rezystancji tła (Rysunek 7D). Wzory składające się z bardzo małych elementów (< 5 μm) i wysokich współczynników kształtu często wymagają zastosowania zanurzonego mikrokontaktowego drukowania. W tej procedurze (3.5b) woda służy jako bariera zapobiegająca osadzaniu się heksadekanotiolu na podłożu poza obszarem wzoru (Rysunek 8).14