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Bioengineering

Espansione nanostrutturati Substrati utilizzando la tecnica del punto per Nanotopographical Modulazione di Cell Comportamento

Published: December 8, 2016 doi: 10.3791/54840

Protocol

1. La replica del PDMS Stampo di uno stampo EBL

  1. Realizzare stampo in silicone 29
    1. cappotto Spin 200 microlitri polimetilmetacrilato (PMMA) soluzione su un substrato 1 cm x 1 cm di silicio (Si) a 2.500 rpm per 1 min per formare una pellicola sottile.
    2. Cuocere il film PMMA sul substrato di Si a 180 ° C per 2 min.
    3. Scrivere il nanopattern disegnato sulla pellicola PMMA utilizzando un fascio elettronico focalizzato ad una dose di 300 uC / cm 2 zona.
    4. Sviluppare la nanopattern PMMA in sviluppo per 80 sec.
    5. Depositare lo nanopattern PMMA con uno strato di nichel di 50 nm di spessore usando un evaporatore E-fascio in uscita una tensione di 10 kV, corrente di emissione di 0,5 mA e una velocità di deposizione di 0,5 Å / sec.
    6. Sollevare la parte PMMA in 20 ml di rimozione a 80 ° C per 20 min.
    7. Reactive etch ioni (RIE) il nanopattern nel substrato di Si per ottenere uno stampo Si di profondità desiderata.
      NOTA: la miscela di gas di tetrafluoromethane (CF 4) / ossigeno (O 2) (90% / 10%) ad un plasma accoppiato induttivamente (ICP) potenza di 400 W e RIE potenza di 150 W viene utilizzato per incidere substrato di Si ad una profondità di 560 nm.
  2. muffa silanizzata Si
    1. Mettere un vetrino di vetro e lo stampo di Si in da 100 mm piatto di PS di Petri e trasferirle in un essiccatore di vetro situato in una cappa aspirante.
    2. Goccia 10 ml 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane sul vetrino.
      Attenzione: 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane può causare corrosione della pelle e gravi lesioni oculari. Indossare dispositivi di protezione adeguati (DPI).
    3. Coprire la piastra di Petri parzialmente.
    4. Mantenere un essiccatore sotto vuoto per 5 ore in una cappa aspirante per completare la silanizzazione dello stampo Si.
  3. Preparare PDMS prepolimero
    1. Pesare 10 g di resina PDMS e 1,05 g vulcanizzante in una barca pesata monouso.
    2. Mescolare il prepolimero PDMS accuratamente utilizzando un cucchiaio di plastica.
    3. Degassare la prepolimero PDMS in un essiccatore di plastica sotto vuoto per circa 20 minuti fino a quando si osserva una miscela chiaro.
  4. Replicare stampi PDMS
    1. Mettere lo stampo Si silanizzata in 60 millimetri piastra di Petri.
    2. Versare il prepolimero PDMS sullo stampo Si nella piastra di Petri.
    3. Posizionare la piastra di Petri in un essiccatore di plastica e Degas per circa 10 minuti fino a quando tutte le bolle scompaiono.
    4. Trasferire la piastra di Petri a una piastra e curare il prepolimero PDMS a 70 ° C per 4 ore.
    5. Staccare lo stampo PDMS dallo stampo Si accuratamente utilizzando una pinzetta.
      NOTA: stampi PDMS possono essere conservati in condizioni ambiente per un massimo di una settimana. Dopo il trattamento, ci sono alcune molecole di resina PDMS non reticolato e agente indurente residui negli stampi PDMS 30. Le molecole a basso peso molecolare gradualmente diffondere fuori e si accumulano in superficie nel tempo. Questo influisce sulle proprietà topografiche e meccaniche della superficie PDMS 31. DIFla fusione non è significativo entro una settimana.

2. cucitura di PDMS Stampi in una grande, Mold singolo

  1. Preparare multipli PDMS stampi ripetendo passo 1.4.
    NOTA: Pesare stessa quantità di miscela PDMS ogni momento di ottenere stampi PDMS di uguale spessore.
  2. Determinare l'orientamento anisotropi PDMS nanopatterns come nanogratings sotto un microscopio ottico e segnare sul retro degli stampi PDMS con un pennarello.
    NOTA: Non è necessario marcare l'orientamento nanotopography isotropo come nanopillars.
  3. Pulire un substrato di Si con etanolo in una cappa aspirante e asciugarlo con aria compressa.
  4. Tagliare le aree nanostrutturata di ogni stampo PDMS con una lama.
    NOTA: Per gli stampi PDMS che verranno messi alla periferia dello stampo cucito, solo le aree nanostrutturata a contatto con altri dovrebbero essere tagliati fuori.
  5. Mettere lo stampo PDMS rifinito con la nanopattern a faccia in giù sulato specchio del substrato di Si e quindi allineare altri stampi vicino a, ma non toccare lo stampo circostante (s).
  6. Preparare uno strato adesivo PDMS
    1. Cast 1 g degassata PDMS prepolimero (resina PDMS e curare rapporto agente: 10: 1,05) su un vetrino pulito (7,5 cm × 2,5 cm) per formare uno strato dello spessore di 0,5 mm.
    2. Cuocere lo strato PDMS a 100 ° C su una piastra per 3-5 min. Utilizzare un ago per toccare il livello e garantire che il livello è parzialmente ma non completamente guarita.
      NOTA: PDMS parzialmente indurito non può fluire come affinati prepolimero PDMS, ma è appiccicoso confronto con PDMS curato.
  7. Posizionare lo strato PDMS sul retro di PDMS stampi allineati e invertire rapidamente questa assemblea e trasferirlo alla piastra.
  8. Applicare una forza di compressione (5 kPa) utilizzando un blocco di metallo sulla parte superiore del complessivo per assicurare un buon contatto tra lo strato adesivo PDMS e retro di stampi PDMS, e curare le PDMS strato adesivo a 100 ° C per 1 ora. <br /> NOTA: regolare accuratamente la posizione del blocco metallico per evitare l'inclinazione del complesso.
  9. Rimuovere il blocco di metallo e staccare il singolo, di stampo PDMS cucita dal substrato di Si.

3. Generazione di uno stampo master su PS substrati

Nota: Lo stampo PDMS cucita immobilizzato su un vetrino può essere utilizzato per generare uno stampo master su un piatto di PS o un film sottile PS, da cui possono essere prodotti lavorativi substrati nanostrutturati.

  1. Generare uno stampo master su un piatto di PS
    1. Preparare un piatto di PS
      1. Essiccare i granuli PS in un forno sotto vuoto a 80 ° C per due giorni.
      2. Preriscaldare una pressa a 230 ° C.
      3. Assemblare una piastra di alluminio, un foglio di politetrafluoroetilene (PTFE) e il distanziatore di alluminio in un ordine dal basso verso l'alto.
      4. Carico 3,5 g pellets PS del distanziatore di alluminio con una apertura quadrata di 3 cm (L) × 3 cm (W) × 0,3 cm (H).
        NOTA: Il distanziatore è di circa 0.1 cm di spessore maggiore di stampi PDMS, e quindi il substrato finale nanostrutturati PS ha uno spessore di circa 0,1 cm.
      5. Posizionare un altro foglio di PTFE e poi un altro piatto di alluminio sul distanziatore di alluminio.
      6. Posizionare il gruppo nella macchina stampa.
      7. Preriscaldare i pellet PS a 230 ° C per 30 min.
      8. Applicare una pressione di compressione (0,1 MPa) sul gruppo per 5 min.
      9. Rilasciare la pressione e poi riapplicare una pressione di compressione di 0,5 MPa sul gruppo.
      10. Ripetere il passaggio 3.1.1.9 con un aumento di pressione di 0,5 MPa fino alla pressione desiderabile di 1,5 MPa è raggiunto.
      11. Spegnere il riscaldatore della macchina pressa e raffreddarlo sotto i 70 ° C ad una pressione costante di 1,5 MPa.
      12. Prendere l'assieme e conservare la piastra di PS in stufa da vuoto a 80 ° C per evitare che l'umidità rientrare la piastra PS.
    2. Nanoimprint lo stampo PDMS cucito in piatto di PS
      1. Posizionare la piastra di PS in un distanziale in alluminioimpostato su 3 pollici Si wafer.
        NOTA: Le dimensioni interne del distanziale sono uguali a quelli della lastra PS modo la piastra PS adatta a destra nel distanziatore.
      2. Riscaldare la lastra PS su una piastra riscaldante a 250 ° C per 30 min.
      3. Mettere lo stampo PDMS cucita con nanopatterns a faccia in giù sulla lastra PS fuso.
        NOTA: Un lato dello stampo PDMS è messo in contatto con la superficie della lastra PS primo e un altro lato si abbassa progressivamente a contatto con la superficie PS per evitare la formazione di bolle d'aria all'interfaccia.
        Attenzione: La superficie della piastra è caldo. Indossare thermogloves durante il processo nanoimprinting.
      4. Inserire una piastra di alluminio sul vetrino dello stampo PDMS cucita.
      5. Applicare una pressione di compressione (12,5 kPa) utilizzando blocchi di metallo sulla piastra di alluminio e attendere 3 min.
        NOTA: Assicurarsi che la piastra di alluminio non sia inclinato.
      6. Sollevare e sostituire il blocco di metallo dalla piastra di alluminio e ioaumentare l pressione di compressione a 25 kPa.
      7. Ripetere il passaggio 3.1.2.6 con la pressione aumentata a 50 kPa.
        NOTA: Questo passaggio è quello di rimuovere l'aria intrappolata tra lo stampo PDMS e la piastra di PS.
      8. Mantenere la temperatura della piastra tra 240 e 250 ° C sotto la pressione costante di 50 kPa per 15 min.
      9. Spegnere la piastra e raffreddare l'intero setup.
        NOTA: La ventola può essere utilizzato per accelerare il processo di raffreddamento.
      10. Rimuovere i blocchi di metallo dopo che la temperatura è inferiore a 50 ° C, e con attenzione staccare lo stampo PDMS cucita dalla piastra di PS.
        NOTA: Il substrato PS ha le nanopatterns inversa e può essere usato come stampo master per produrre lavoro PDMS substrati.
  2. Generare uno stampo master su un film sottile PS
    1. Preparare una sottile pellicola PS
      1. Sciogliere 1 g PS in 10 ml di toluene in una cappa aspirante.
        Attenzione: Toluene può causare irritatio pellen e gravi lesioni oculari, e possono provocare danni agli organi in caso di esposizione prolungata o ripetuta. Indossare adeguato DPI.
      2. Spin-coat soluzione PS 1 ml su un wafer 2-in a 2.500 rpm per 1 min per formare ~ 1 micron di spessore PS film sottile.
      3. Evaporare toluene dal film impostando il film PS su Si wafer in una cappa aspirante per 3 giorni.
      4. Ricuocere il film sottile PS in stufa da vuoto a 80 ° C per una notte.
    2. Nanoimprint lo stampo PDMS su una sottile pellicola PS
      1. Mettere lo stampo PDMS cucita con nanotopography a faccia in giù sul film sottile PS, che è impostato su una piastra.
      2. Applicare una pressione di compressione di 12 kPa sullo stampo PDMS utilizzando blocchi di metallo sul lato di vetro dello stampo PDMS.
      3. Aumentare la temperatura della piastra riscaldante a 180 ° C e mantenere per 15 min.
        Attenzione: La pellicola PS fuso può funzionare come lubrificante. Prestare attenzione per evitare che i blocchi di metallo di scivolare fuori.
      4. Spegnere la piastrae raffreddare l'intero setup.
        NOTA: La ventola può essere utilizzato per accelerare il processo di raffreddamento.
      5. Rimuovere i blocchi di metallo dopo che la temperatura scende al di sotto di 50 ° C, e attentamente staccare lo stampo PDMS cucita dal film PS.
        NOTA: Il film nanostrutturati PS servirà come uno stampo maestro per produrre substrati PDMS di lavoro.

4. Nanotopographical Modulazione di Cell Comportamento

Nota: le cellule epiteliali umane sono coltivate sulle nanotopographies rappresentativi per dimostrare la modulazione nanotopographical di diffusione delle cellule.

  1. Cast substrati lavoro PDMS dallo stampo matrice generata da entrambi Fase 3.1 o 3.2 a seconda dell'applicazione.
  2. Utilizzando una conca arco in acciaio pugno, tagliare i PDMS nanostrutturati substrati in dischi per adattare la configurazione di un piatto multi-ben specifici (ad esempio targa, 24 pozzetti).
  3. Utilizzare le pinzette per posizionare i dischi PDMS nei pozzetti oFa piatto multi-bene.
  4. Sterilizzare i substrati PDMS utilizzando etanolo al 70% e quindi l'esposizione UV, ciascuno per 30 min.
  5. Lavare le PDMS substrati con 1x fosfato sterile salina tamponata (PBS) per tre volte.
  6. Rivestire le PDMS substrati con proteine della matrice extracellulare (cioè, 20 ug / ml fibronectina) per 30 min a temperatura ambiente.
  7. Sciacquare i PDMS substrati tre volte con PBS sterile, ciascuno per 5 min.
  8. Sospendere A549 delle cellule del cancro del polmone umano in media aquila Dulbecco modificato con il 10% di siero fetale bovino e contare le cellule utilizzando un emocitometro.
  9. Piastra le cellule ad una densità di semina di 2.000 cellule / cm 2 sui PDMS substrati e li coltura a 37 ° C in atmosfera umidificata contenente il 5% di CO 2 per un giorno.
  10. Lavare le cellule con PBS per tre volte.
  11. Fissare le cellule in una miscela di 4% paraformaldeide e glutaraldeide al 2% in PBS per 4 ore e disidratare le cellule utilizzando un CO 2 PO criticaint asciugatrice per la scansione elettronica osservazione al microscopio 29.
    Attenzione: Paraformaldeide e glutaraldeide possono causare gravi ustioni cutanee e gravi lesioni oculari. Operare in una cappa chimica e all'usura adeguata DPI.

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Representative Results

La tecnica del punto può generare una grande superficie di substrati nanostrutturati con alta fedeltà. Figura 1a e 1b visualizzare la grande area di nanopatterns trasferite dallo stampo PDMS cucita piastra PS e PS film sottile su un substrato di Si, rispettivamente. Il confronto tra lo stampo originale EBL-scritta (figura 1c) e le PDMS finali lavorativi substrato (Figura 1d) conferma che le nanopatterns EBL-scritte possono essere fedelmente trasferiti al substrato lavorare. Nanotopography di varie geometrie e dimensioni può essere utilizzato per modulare il comportamento cellulare. Come mostrato nella Figura 2 con A549, una linea di cellule epiteliali basali adenocarcinomic come cellule modello, le nanogratings anisotropi può allungare le cellule lungo la direzione nanograting confronto con la morfologia multipolare che le cellule A549 visualizzare sul nanopillars isotropo.

nt "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figura 1
Figura 1. Generazione di una vasta area di substrati nanostrutturati usando la tecnica del punto. (A, b) le immagini ottiche delle nanopatterns trasferiti al piatto di PS e PS film sottile, rispettivamente. Le frecce indicano l'aumento del polimero negli interstizi degli stampi PDMS cucite. (C, d) immagini SEM delle nanopatterns su stampo EBL e PDMS finali substrato di lavoro, rispettivamente. Le barre di scala sono 1 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. Nanotopographical modulata cella diffusione delle cellule A549. (a) nanogratings di 500 Nm a spessore della linea, 500 nm a distanza e 560 nm in altezza e (b) nanopillars di 500 nm di diametro, 450 nm a distanza da bordo a bordo e 560 nm in altezza rispettivamente. Le barre di scala sono 10 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

Vi presentiamo un metodo semplice, economico, ma versatile per generare una vasta area di substrato nanostrutturati. Per espandere fedelmente nanopatterns altamente definite, grande attenzione deve essere rivolta a diversi passaggi critici. Il primo è quello di tagliare le molteplici stampi PDMS. aree nanostrutturata degli stampi PDMS devono essere rimossi. Inoltre, le pareti laterali degli stampi devono essere tagliati verticalmente perfetto possibile per minimizzare gli spazi tra gli stampi. Collettivamente, la porzione di aree nanostrutturata nello stampo del punto finale può essere ridotto. In secondo luogo, la superficie nanostrutturati di questi PDMS stampi deve essere allineata senza distorsioni sul substrato di silicio. Poiché le PDMS nanostrutture sono inclini a deformarsi, è fondamentale per posizionare le superfici nanostrutturati contro un lato specchio del substrato di silicio delicatamente e uniformemente (evitare di intrappolare aria tra lo stampo PDMS e superficie di silicio). Gli stampi PDMS saranno allineate il più vicino possibile, ma non tocca il niaghboring stampi per minimizzare ulteriormente la porzione nanostrutturata dello stampo punto finale. In caso contrario, le nanostrutture toccati si deformano durante nanoimprinting. In terzo luogo, lo spessore degli stampi PDMS può variare da lotto a lotto, e quindi è fondamentale per uniformare lo spessore oltre a rendere lo spessore di ogni uniforme stampo livellando il piccolo stampo Si perfettamente prima PDMS colata. Anche se la variazione di spessore di tutti gli stampi PDMS può essere compensato regolando lo spessore del prepolimero (adesivo) PDMS strato gettato su un vetrino, uno strato prepolimero spessore potrebbe essere problematico. Il prepolimero può essere tirato attraverso gli interstizi tra gli stampi PDMS alla superficie modellata dalla forza capillare, e di conseguenza danneggiare i nanopatterns. La variazione di spessore può essere minimizzato preparare la stessa quantità di miscela PDMS quando lancia dallo stampo EBL. Come risultato, un sottile strato di prepolimero PDMS può essere utilizzato. In alternativa, parzialmente curare la prepolymer strato aumenterà la viscosità, e quindi ridurre la sua raise ed eventualmente eliminare il possibile danneggiamento delle superfici nanostrutturati.

La tecnica del punto è limitata dalla natura elastomerica del PDMS. Sebbene litografia soft è stato applicato per replicare dimensioni caratteristiche piccolo come 2 nm 32 e, in linea di principio, può raggiungere una risoluzione di meno di 0,5 nm 18, le caratteristiche PDMS nanoscala non possono essere replicate perfettamente quando il rapporto tra altezza e larghezza è troppo alta (> 2) o troppo bassa (<0,2). I nanofeatures può crollare quando il formato è troppo alto, o provocano sollievo insufficiente quando il timbro PDMS di un <rapporto di 0,2 viene utilizzato 33. Inoltre, più PDMS stampi non possono essere cuciti senza causa degli interstizi e rifilatura incompleta degli stampi PDMS, e quindi non vi sono aree nanostrutturata e disallineati (in particolare per nanopatterns continui come nanogratings). Data la piccola percentuale della Defectedzona sopra la superficie totale, la tecnica del punto ancora fornisce un modo semplice e conveniente per produrre una grande area di substrati nanostrutturati. Inoltre, quando lo stampo viene cucita nanoimprinted nel substrato di polimero, polimero fuso possa scorrere nell'interstizio, causando una superficie irregolare (Figura 1a). La superficie irregolare rende difficile per raccogliere campioni per analisi biologiche cellulari o molecolari. Nelle applicazioni di microfluidica, l'aumento provoca anche una sigillatura incompleta quando microcanali sono sigillati contro il substrato fantasia. Il problema superficie irregolare può essere facilmente risolto applicando polimero tecnica del film sottile per minimizzare l'aumento attraverso sintonizzazione lo spessore del film (Figura 1b).

Anche se la tecnica del punto ha bisogno di uno stampo master definito per l'espansione, è semplice e conveniente rispetto ad altre tecniche quali la litografia step-and-flash e un nanoimprinting lithogra roll-to-rollPHY. La tecnica di cucitura richiede solo piastre elettriche e un modo di esercitare forze di compressione durante i processi di cucitura e nanoimprinting, ma non costose attrezzature. Inoltre, il processo di cucitura può essere condotta in un ambiente pulito, ma non necessariamente in una camera sterile.

La tecnica punto è anche versatile. Oltre ad ampliare un nanopattern identica ad una vasta area, la tecnica del punto può essere applicato per gli stampi costituiti caratteristiche micro e / o nanoscala di varie forme, dimensioni e disposizioni. A questo proposito, una biblioteca combinatoria di micro / nanotopographies può essere costruito per fornire la piattaforma high-throughput per indagare le interazioni cellula-topografia. Questa tecnica di punto semplice, conveniente e versatile può potenzialmente essere esteso per creare dispositivi micro / nanoscala con componenti ibridi.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
JEOL field emission SEM JEOL JSM-7600F EBL
E-beam evaporator Kurt J. Lesker Model: LAB 18 e-beam evaporator nickel deposition
Trion Minilock III ICP/RIE Trion technology Model: Minilock-phantom III
Press machine PHI Hydraulic Press Molde: SQ-230H
Spin coater Laurell Technologies Modle: WS-400A-6NPP-LITE
CO2 critical dryer Tousimis Modle: Autosamdri-815
Silicon wafer University Wafer 1080
Aluminum plates McMaster-carr 9057K123
Teflon sheets McMaster-carr 8711K92
100 mm Petri dish FALCON 353003
60 mm Petri dish FALCON 353004
Glass coverslip Fisher Scientific 12-542-B
Glass slide Fisher Scientific 12-550-34
Disposable weighing boats Fisher Scientific 13-735-743
Glass desiccator Fisher Scientific 02-913-360
Plastic desiccator Bel-Art Products F42025-000
Hotplate Fisher Scientific 1110049SH
Tweezer Ted Pella, inc. 5726
Blade Fisher Scientific S17302
Metal blocks McMaster-carr
Punch Brettuns Village Leather Craft Supplies Arch punch
Poly(methyl methacrylate) MicroChem 495 PMMA A4
PDMS Dow Corning Sylgard 184 kit
Polystyrene Dow Chemical Styron 685D
1H,1H,2H,2H-perfluorooctylmethyldichlorosilane Oakwood Chemical 7142
Developer MicroChem MIBK/IPA at 1: 3 ratio
Remover MicroChem Remover PG
Ethanol Fisher Scientific BP2818500
Toluene Fisher Scientific T324-500
Phosphate buffered saline Sigma Aldrich D8537
Dulbecco’s modified eagle medium Sigma Aldrich D5796
Fetal bovine serum Atlanta Biologicals S11550
Paraformaldehyde Electron Microsopy Science 15712-S
Glutaraldehyde  Fisher Chemical G151-1
Fibronectin Corning 356008
A549 cells ATCC ATCC CCL-185

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Wang, K., Leong, K. W., Yang, Y.More

Wang, K., Leong, K. W., Yang, Y. Expanding Nanopatterned Substrates Using Stitch Technique for Nanotopographical Modulation of Cell Behavior. J. Vis. Exp. (118), e54840, doi:10.3791/54840 (2016).

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