Herstellung von komplexen Kultursubstrate verwenden Robotic Mikrokontaktdrucken (R-mCP) und Sequential Nucleophile Substitution
Summary
Cell culture substrates functionalized with microscale patterns of biological ligands have immense utility in the field of tissue engineering. Here, we demonstrate the versatile and automated manufacture of tissue culture substrates with multiple, micropatterned poly(ethylene glycol) brushes presenting orthogonal chemistries that enable spatially precise and site-specific immobilization of biological ligands.
Abstract
In tissue engineering, it is desirable to exhibit spatial control of tissue morphology and cell fate in culture on the micron scale. Culture substrates presenting grafted poly(ethylene glycol) (PEG) brushes can be used to achieve this task by creating microscale, non-fouling and cell adhesion resistant regions as well as regions where cells participate in biospecific interactions with covalently tethered ligands. To engineer complex tissues using such substrates, it will be necessary to sequentially pattern multiple PEG brushes functionalized to confer differential bioactivities and aligned in microscale orientations that mimic in vivo niches. Microcontact printing (μCP) is a versatile technique to pattern such grafted PEG brushes, but manual μCP cannot be performed with microscale precision. Thus, we combined advanced robotics with soft-lithography techniques and emerging surface chemistry reactions to develop a robotic microcontact printing (R-μCP)-assisted method for fabricating culture substrates with complex, microscale, and highly ordered patterns of PEG brushes presenting orthogonal ‘click’ chemistries. Here, we describe in detail the workflow to manufacture such substrates.
Introduction
Die Fähigkeit von PEG-gepfropften Oberflächen kovalent gebunden biochemischen Liganden angezeigt während gleichzeitig inhärente Nicht-Fouling-Eigenschaften machen sie zu einer idealen Wahl für Engineering individuelle Mikroumgebungen auf Kultursubstraten 1,2,3. Die biospezifische Wechselwirkungen von Liganden konjugiert PEG vermittelte Bürsten ermöglicht reductionistic Analyse der Wirkungen von biochemischen Hinweisen im Komplex in vivo Gewebemikroumgebung über einzelne Zell Phänotypen gefunden. Weiterhin kann bio-orthogonal "auf" Chemie verwendet werden, um Richt Immobilisierung von Liganden zu erleichtern, so dass sie im nativen Konformationen 4-6 dargestellt werden. So mikroskaligen räumlichen Strukturierung von PEG Bürsten ist ein vielseitiges Werkzeug, um Designer in vitro Nischen schaffen, um Zellsignalisierung durch immobilisierte biochemischen Cues 6,7 induzierte untersuchen.
Ein übliches Verfahren zur Erzeugung von räumlichen Mustern der biochemischen cues bringt Mikrokontakt-Drucken (mCP) gold-beschichteten Substrate mit Mustern von PEG konjugierten Alkanthiole. Dann werden die mikroselbstorganisierte Monoschichten (SAMs) von PEG-ylated Alkanthiole schränkt die physikalische Adsorption von biochemischen Molekülen, zB Proteine, nur für die nicht gemusterten Bereiche des Substrats 8,9. , Die durch diese Technik erzeugt SAMs sind jedoch empfindlich gegenüber Oxidation in der Langzeitzellkulturmedien. Somit μCP'd Alkanthiol SAMs häufig weiter mit PEG Polymerbürsten mit oberflächeninitiierte Atom Transfer Radical Polymerisation (ATRP-SI), um die Region nicht-Fouling-Stabilität 10 zu erhöhen gepfropft. Insbesondere mCP der Alkanthiol Polymerisationsinitiator erzeugt ω-meraptoundecyl bromisobutyrat, auf Gold-beschichteten Oberflächen, gefolgt von SI-ATRP von Poly (ethylenglycol) methylethermethacrylat (PEGMEMA) Monomere Oberflächen mikro langfristig stabil und nicht Fouling PEG Bürsten. Darüber hinaus sind diese sind in der Lage, die weiter modifiziert, um diverse chemische Einheiten 11 zu präsentieren.
Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft, Sha et. al. eine Methode entwickelt, um Kultursubstrate mit Mehrkomponenten PEGMEMA Bürsten präsentiert orthogonal "auf" Chemie-Ingenieur. Bei diesem Verfahren verwendet man eine Reihe von & mgr; CP / SI-ATRP Schritten mit sequentieller Natriumazid, Ethanolamin vermischt und Propargylamin nucleophile Substitutionen Kultursubstrate präsentiert Mikromuster mehrere immobilisierte Liganden 6 zu erstellen. Während das Potential der Verwendung solcher Chemikalien in Verbindung mit manuellen mgr; CP neue Kultursubstrate Ingenieur ist immens, es wird von der Präzision und Genauigkeit, mit welcher mehrere & mgr; CP Schritte können auf einem einzigen Substrat ausgerichtet werden, beschränkt. Ein hohes Maß an Präzision und Genauigkeit erforderlich wäre, um reproduzierbar herzustellen Komplex in vitro Nischen mit diesen vielseitigen Techniken werden.
e_content "> Um diese Einschränkung zu begegnen, haben mehrere automatisierte und halbautomatisierte mCP Systemen erzeugt wurden. Chakra et. al. eine mCP System, in dem kundenspezifische Stempel sind auf einem Schienensystem platziert und mit Gold-beschichtete Objektträger mit in konformen Kontakt gebracht entwickelt ein computergesteuertes pneumatisches Stellglied. Allerdings erfordert dieses Verfahren die präzise Herstellung von kundenspezifischen Stempel entwickelt und berichtet über eine Präzisions 10 um ohne Bericht der erreicht wird, wenn die Durchführung mehrerer Schritte 12 & mgr; CP Genauigkeit. Vor kurzem wurde ein Verfahren unter Verwendung eines integrierten kinematischen Kopplungssystem berichteten Genauigkeit unterhalb von 1 um unter Verwendung eines einzigen Musters, waren aber nicht in der Lage, mehrere Muster genau auszurichten aufgrund des Fehlens einer präzisen Steuerung der Stempelfunktionen von Form zu Form 13. Zusätzlich beiden vorhergehenden Verfahren erfordern das Substrat zwischen den Strukturierungsschritten fest bleiben und damit deutlich die Vielfalt der Oberflächenmodifizierung Chemie, die sein kann, begrenztverwendet. Hier beschreiben wir eine automatisierte R-mCP System in der Lage genau und präzise Ausrichtung mehrerer mCP Schritte und ermöglicht maximale Flexibilität bei der Briefmarkenentwurf und Fertigung. Weiterhin können die gemusterten Substraten wiederholt aus dem System zwischen Stanz entfernt werden, wodurch die Verwendung von verschiedenen Substratmodifikation Chemien, einschließlich sequentieller nucleophile Substitutionen erlaubt. Substrate entwickelt unter Verwendung solcher Chemikalien wurden für Zellkultur zuvor sowohl von uns 6,14 und andere 7 verwendet. So haben wir R-mgr; CP und sequenzielle nukleophile Substitutionsreaktionen zusammengeführt, um ein Verfahren zur Herstellung von skalierbaren Kultursubstrate mit komplexen biochemischen und mikro Signale zu entwickeln.Protocol
Representative Results
Discussion
Ideale Substrate für das Tissue Engineering Bioinspiriertes würde und dadurch die räumliche Verteilung der kritischen bioaktiven Liganden innerhalb der nativen Geweben zu rekapitulieren. Sie würden auch dynamische Eigenschaften besitzen, die zeitliche Änderungen der Liganden und die räumlichen Muster in der sie präsentiert gerichtet Morphogenese ermöglichen und räumlich begrenzte Induktion von Zellschicksal zu ermöglichen. Herstellung solcher Substrate erfordert die Immobilisierung von mehreren biochemischen S…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Funding for this work, GTK, TK, and JDM were provided by the Wisconsin Institute for Discovery and the Wisconsin Alumni Research Foundation.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| SCARA | Epson | LS3-401ST | Higher end models with increased precision are available if desired. |
| (TRIDECAFLUORO-1,1,2,2-TETRAHYDROOCTYL)TRICHLOROSILANE | Gelest | SIT8174.0 | CAUTION, Should only be handled in a chemical fume hood. When silanizing wafers no one should enter the hood until all silane has been evaporated. |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Ellsworth Adhesive Co | NC9020938 | Thouroughly degass solutions via vacuum exposure before use. Alternative kits such as Kit 182 are acceptable. |
| 24mm X 50 mm #1 Cover Glass Slides | Fisher Scientific | 48393106 | These can be purchased from a number of suppliers with varying dimensions to suit need. |
| CHA-600 Telemark Electron Beam Evaporator | Telemark | SEC-600-RAP | Requries specialized training. |
| EPSON LS3 SCARA | EPSON | LS3-401ST | |
| ω-mertcaptoundecyl bromoisobutyrate | Prochimia | FT 015-m11-0.2 | Store at -20°C. Other ATRP initiators may be used as this R-μCP platform is applicable to all micropatterning modalities. |
| Schlenk Tube Flask 50 mL | Synthware | 60003-078 | Requires rubber stoppers with diaphram. |
| Poly(ethylene glycol) methyl ether methacrylate | Sigma Aldrich | 447943 | Shipped containing MEHQ and BHT free readical inhibitors. |
| Methanol (Certified ACS) | Fisher Scientific | A412-4 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Copper(II) Bromide | Sigma Aldrich | 437867 | CAUTION, limit exposure with surgical mask. |
| 2',2-Bipyridine | Sigma Aldrich | D216305 | CAUTION, limit exposure with surgical mask. |
| Sodium L-Ascorbate | Sigma Aldrich | A4034 | |
| 20mL Borosilicate Glass Scintillation Vials | Fisher Scientific | 03-340-4E | |
| Sodium Azide | Sigma Aldrich | S2002 | CAUTION, limit exposure with surgical mask. |
| N,N-dimethyformamide | Sigma Aldrich | 227056 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Ethanolamine | Sigma Aldrich | 398136 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | T0886 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Dimethylsulfoxide | Sigma Aldrich | 276855 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Propargylamine | Sigma Aldrich | P50900 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| 200 Proof Ethanol | University of Wisconsin Material Distribution Services | 2292 | CAUTION, only handle in chemical fume hood. |
| Azide-PEG3-Biotin | ClickChemistryTools | AZ104-100 | Solubilized in DMF |
| Copper(II) Sulfate | Sigma Aldrich | C1297 | CAUTION, limit exposure with surgical mask. |
| Tris[(1-benzyl-1H-1,2,3-triazol-4-yl)methyl]amine (TBTA) | Sigma Aldrich | 678937 | |
| L-Ascorbic Acid | Sigma Aldrich | A7506 | |
| Phosphate Buffer Saline | Invitrogen | 14190144 | |
| Donkey Serum | Sigma Aldrich | D9663 | Donkey serum contaminated items are considered bio-hazardous material and should be disposed of accordingly. Various other compounds (e.g. BSA) are available and serve this purpose. |
| 12-Well Polystyrene Plate | Thermo Scientifit – NUNC | 07-200-81 | Plates can be purchased form a number of suppliers with varying dimensions. |
| DBCO-PEG4-Biotin | Clickchemistytools | A105P4-10 | Solubilized in DMF |
| Streptavidin, Alexa Fluor 488 Conjugate | Life Technologies | S-11223 | Solubilized in PBS |
| Streptavidin, Alexa Fluor 546 conjugate | Life Technologies | S-11225 | Solubilized in PBS |
| Nikon A1-R Confocal Microscope | Nikon | Nikon Eclipse Ti, A1R | An epifluorescent microscope is sufficient to image functionalized micropatterned substrates. |
References
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