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Bioengineering

Extension nanostructurées Substrats utilisant la technique de point pour Nanotopographical Modulation of Cell Comportement

Published: December 8, 2016 doi: 10.3791/54840

Protocol

1. La réplication de PDMS Moisissures à partir d'un moule EBL

  1. Fabriquez moule en silicone 29
    1. couche d'essorage 200 ul de polyméthacrylate de méthyle (PMMA) sur un substrat une solution de 1 x 1 cm de silicium (Si) à 2500 tours par minute pendant 1 min pour former un film mince.
    2. Cuire le film de PMMA sur le substrat de silicium à 180 ° C pendant 2 min.
    3. Écrivez le nanopattern conçu sur le film de PMMA en utilisant un faisceau d'électrons focalisé à une dose de surface de 300 uC / cm 2.
    4. Développer le nanopattern PMMA dans le révélateur pour 80 sec.
    5. Déposer le nanopattern PMMA avec une couche de nickel de 50 nm d'épaisseur en utilisant un évaporateur à faisceau d'électrons à une tension de sortie de 10 kV, le courant d'émission de 0,5 mA et une vitesse de 0,5 nm / s ou de dépôt.
    6. Soulevez la partie PMMA dans 20 ml solvant à 80 ° C pendant 20 min.
    7. gravure ionique réactive (RIE) la nanopattern dans le substrat en Si pour obtenir un moule en Si de la profondeur désirée.
      NOTE: Mélange de gaz de tetrafluoromethane (CF 4) / oxygène (O 2) (90% / 10%) à un plasma à couplage inductif (ICP) , puissance de 400 W de puissance et de RIE de 150 W est utilisée pour graver le substrat de Si à une profondeur de 560 nm.
  2. Silaniser Si moule
    1. Mettez une lamelle de verre et le moule Si dans une boîte de 100 mm PS Petri et les transférer dans un dessiccateur en verre situé dans une hotte.
    2. Déposer 10 ul 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane sur la lamelle.
      Attention: 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluorooctyltrichlorosilane peut provoquer la corrosion de la peau et des lésions oculaires graves. Porter un équipement de protection individuelle (EPI).
    3. Couvrir la boîte de Pétri partiellement.
    4. Gardez le dessiccateur sous vide pendant 5 heures dans une hotte pour compléter la silanisation du moule Si.
  3. Préparer PDMS prépolymère
    1. Peser 10 g de résine de PDMS et 1,05 g agent de durcissement dans une nacelle de pesée jetable.
    2. Mélanger le prépolymère PDMS soigneusement à l'aide d'une cuillère en plastique.
    3. Dégazer le prépolymère PDMS dans un dessiccateur en plastique sous vide pendant environ 20 minutes jusqu'à ce qu'un mélange limpide est observée.
  4. Répliquer moules PDMS
    1. Mettre le moule Si silanisé dans une boîte de Pétri de 60 mm.
    2. Verser le prépolymère PDMS sur le moule Si dans la boîte de Pétri.
    3. Placez la boîte de Petri dans un dessiccateur et dégazer en plastique pendant environ 10 min jusqu'à ce que toutes les bulles disparaissent.
    4. Transférer la boîte de Petri vers une plaque chauffante et durcir le prépolymère PDMS à 70 ° C pendant 4 heures.
    5. Décoller le moule PDMS du moule Si soigneusement à l'aide d'une pince à épiler.
      REMARQUE: Les moules en PDMS peuvent être stockés dans des conditions ambiantes pendant jusqu'à une semaine. Après le durcissement, il existe des molécules de résine PDMS non réticulé et un agent de durcissement résiduel dans les moules 30 PDMS. Les molécules de faible poids moléculaire va progressivement diffuser vers l'extérieur et s'accumuler à la surface au cours du temps. Ceci affecte les propriétés topographiques et mécaniques de la surface du PDMS 31. La diffusion est non significatif dans la semaine.

2. Brochage de PDMS Moisissures dans un Grand, Mold Simple

  1. Préparer plusieurs PDMS moules en répétant l'étape 1.4.
    NOTE: Peser même quantité de mélange PDMS à chaque fois pour obtenir des moules PDMS de même épaisseur.
  2. Déterminer l'orientation de anisotropes PDMS nanoschémas tels que nanogratings sous un microscope optique et le marquer sur la face arrière des moules PDMS avec un stylo marqueur.
    NOTE: Il est nécessaire de marquer l'orientation de nanotopographie isotrope tels que nanopiliers.
  3. Nettoyer un substrat en Si avec de l'éthanol dans une hotte et le sécher à l'air comprimé.
  4. Coupez les zones sans motif de chaque moule PDMS avec une lame.
    NOTE: Pour les moules PDMS qui seront placés à la périphérie du moule cousu, seules les zones sans motif en contact avec d'autres doivent être coupés au large.
  5. Placer le moule PDMS garni de la nanopattern face vers le bas surdu côté du miroir du substrat Si et ensuite aligner d'autres moules à proximité de mais ne touchant pas le moule (s) entourant.
  6. Préparer une couche adhésive PDMS
    1. Cast 1 g dégazé PDMS prépolymère (résine PDMS et le durcissement de rapport de l'agent: 10: 1,05) sur une lame de verre propre (7,5 cm x 2,5 cm) pour former une couche épaisse de 0,5 mm.
    2. Cuire la couche de PDMS à 100 ° C sur une plaque chauffante pendant 3 à 5 min. Utiliser une aiguille de toucher la couche et veiller à ce que la couche est partiellement mais pas complètement guéri.
      NOTE: PDMS partiellement durci ne peut pas circuler comme non vulcanisé PDMS prépolymère, mais il est collant par rapport aux PDMS durcis.
  7. Placez la couche PDMS à l'arrière de alignés PDMS moules et inverser rapidement cette assemblée et le transférer sur la plaque chauffante.
  8. Appliquer une force de compression (5 kPa) en utilisant un bloc de métal sur le dessus de l'assemblage afin d'assurer un bon contact entre la couche adhésive PDMS et le côté arrière du moule PDMS et durcir PDMS couche d'adhésif à 100 ° C pendant 1 h. <br /> NOTE: Ajustez soigneusement la position du bloc de métal pour éviter l'inclinaison de l'ensemble.
  9. Retirez le bloc de métal et de décoller l'unique, cousu moule PDMS du substrat Si.

3. Génération d'un moule maître sur PS Substrats

Remarque: Le moule PDMS cousu immobilisé sur une lame de verre peut être utilisé pour générer un moule maître sur une plaque de PS ou un film mince PS, à partir de laquelle travaillent des substrats nanostructurés peuvent être produits.

  1. Générer un moule maître sur une plaque PS
    1. Préparer une plaque PS
      1. Sécher les pastilles PS dans une étuve sous vide à 80 ° C pendant deux jours.
      2. Préchauffer une machine de presse à 230 ° C.
      3. Assembler une plaque d'aluminium, un polytétrafluoroéthylène (PTFE) feuille et l'entretoise en aluminium dans un ordre de bas en haut.
      4. Charger 3,5 g de pastilles PS dans l'entretoise en aluminium avec une ouverture carrée de 3 cm (L) x 3 cm (W) x 0,3 cm (H).
        NOTE: L'entretoise est d'environ 0.1 cm plus épais que les PDMS moules, et donc le substrat nanostructuré PS finale est d'environ 0,1 cm d'épaisseur.
      5. Placez une autre feuille de PTFE puis une autre plaque d'aluminium sur l'entretoise en aluminium.
      6. Placer l'ensemble dans la machine de presse.
      7. Préchauffer les pastilles PS à 230 ° C pendant 30 min.
      8. Appliquer une pression de compression (0,1 MPa) sur l'ensemble pendant 5 min.
      9. Relâchez la pression, puis réappliquer une pression de compression de 0,5 MPa sur l'assemblage.
      10. Répétez l'étape 3.1.1.9 avec une augmentation de pression de 0,5 MPa jusqu'à ce que la pression souhaitable de 1,5 MPa soit atteinte.
      11. Eteignez le chauffage de la machine de la presse et le refroidir en dessous de 70 ° C à une pression constante de 1,5 MPa.
      12. Prenez l'assemblage hors et stocker la plaque de PS dans un four à vide à 80 ° C pour empêcher l'humidité de revenir dans la plaque PS.
    2. Nanoimpression le moule PDMS cousu dans la plaque de PS
      1. Placer la plaque PS dans une entretoise en aluminiummettre sur un 3 pouces Si wafer.
        REMARQUE: Les dimensions intérieures de la pièce d'écartement sont les mêmes que celles de la plaque PS de sorte que la plaque PS correspond à droite dans l'entretoise.
      2. Chauffer la plaque PS sur une plaque chauffante à 250 ° C pendant 30 min.
      3. Mettez le moule PDMS cousu avec nanoschémas face vers le bas sur la plaque PS fondu.
        REMARQUE: L'un des côtés du moule PDMS est mis en contact avec la surface de la plaque PS premier et un autre côté est abaissée progressivement en contact avec la surface PS pour éviter la formation de bulles d'air à l'interface.
        Attention: La surface de la plaque de cuisson est chaude. Porter thermogloves pendant le processus de nanoimpression.
      4. Placez une plaque d'aluminium sur la lame de verre du moule PDMS cousu.
      5. Appliquer une pression de compression (12,5 kPa) en utilisant des blocs de métal sur la plaque d'aluminium et attendre 3 min.
        REMARQUE: Assurez-vous que la plaque d'aluminium est pas incliné.
      6. Soulevez et remplacer le bloc de métal à partir de la plaque d'aluminium et iUGMENTATION la pression de compression à 25 kPa.
      7. Répétez l'étape 3.1.2.6 avec la pression augmentée à 50 kPa.
        REMARQUE: Cette étape est d'enlever l'air emprisonné entre le moule PDMS et la plaque PS.
      8. Maintenir la température de la plaque chauffante entre 240 et 250 ° C sous la pression constante de 50 kPa pendant 15 minutes.
      9. Éteignez la plaque chauffante et refroidir l'ensemble de l'installation.
        REMARQUE: Un ventilateur peut être utilisé pour accélérer le processus de refroidissement.
      10. Retirez les blocs métalliques après que la température est inférieure à 50 ° C, et soigneusement décoller le moule PDMS cousue de la plaque PS.
        NOTE: Le substrat de PS a les nanoschémas inverse et peut être utilisé comme un moule maître pour produire de travail PDMS substrats.
  2. Générer un moule maître sur un film mince PS
    1. Préparer un film mince PS
      1. Dissoudre 1 g de PS dans 10 ml de toluène dans une hotte.
        Attention: Toluène peut causer irritatio de la peaun et des lésions oculaires graves, et peuvent causer des lésions aux organes à une exposition prolongée ou répétée. Porter des EPI appropriés.
      2. Spin-coat solution de PS 1 ml sur un 2-en plaquette à 2500 rpm pendant 1 min pour former ~ 1 um d'épaisseur PS film mince.
      3. Toluène s'évaporer du film en réglant le film PS sur une tranche de Si dans une hotte pendant 3 jours.
      4. Recuire le film mince PS dans une étuve sous vide à 80 ° C pendant une nuit.
    2. Nanoimpression le moule PDMS sur un film mince PS
      1. Mettez le moule PDMS cousu avec nanotopographie face vers le bas sur le film mince PS, qui est fixé sur une plaque chauffante.
      2. Appliquer une pression de compression de 12 kPa, sur le moule PDMS en utilisant des blocs de métal sur le côté de verre du moule PDMS.
      3. Augmenter la température de la plaque chauffante à 180 ° C et la maintenir pendant 15 min.
        Attention: Le film de PS en fusion peut fonctionner en tant que lubrifiant. Faites attention à éviter les blocs métalliques de glisser.
      4. Éteignez la plaqueet refroidir l'ensemble de l'installation.
        REMARQUE: Un ventilateur peut être utilisé pour accélérer le processus de refroidissement.
      5. Retirer les blocs métalliques après que la température descend en dessous de 50 ° C et soigneusement décoller le moule PDMS cousue à partir du film PS.
        NOTE: Le film nanostructuré PS servira de moule maître pour produire des substrats de travail PDMS.

4. Nanotopographical Modulation of Cell Comportement

Remarque: les cellules épithéliales humaines sont cultivées sur les nanotopographies représentatives pour démontrer la modulation nanotopographical de la cellule d'étalement.

  1. Cast substrats de travail PDMS du moule maître généré soit de l'étape 3.1 ou 3.2 en fonction de l'application.
  2. L' utilisation d' un creux arc en acier punch, couper les PDMS nanostructurées substrats en disques pour adapter la configuration d'une plaque multi-puits spécifique (plaque par exemple, 24 puits).
  3. Utilisez des pinces pour placer les disques PDMS dans les puits ofa plaque multi-puits.
  4. Stériliser les substrats PDMS à l'aide d'éthanol à 70%, puis exposition aux UV, chacun pendant 30 minutes.
  5. Laver les PDMS substrats avec 1x phosphate stérile saline tamponnée (PBS) à trois reprises.
  6. Revêtir les substrats avec des PDMS de matrice extracellulaire protéique ( par exemple, 20 pg / ml de fibronectine) pendant 30 min à température ambiante.
  7. Rincer les PDMS substrats trois fois avec du PBS stérile, chacun pendant 5 min.
  8. Suspendre le cancer du poumon cellules A549 humaines dans un milieu Eagle modifié par Dulbecco avec 10% de sérum de veau fœtal et compter les cellules en utilisant un hémocytomètre.
  9. Plaquer les cellules à une densité d'ensemencement de 2.000 cellules / cm2 sur les substrats et la culture PDMS eux à 37 ° C dans une atmosphère humidifiée contenant 5% de CO 2 pendant une journée.
  10. Laver les cellules avec du PBS trois fois.
  11. Fixer les cellules dans un mélange de paraformaldehyde à 4% et 2% de glutaraldéhyde dans du PBS pendant 4 h et déshydrater les cellules en utilisant un groupe CO 2 PO critiqueint sèche pour balayer l' observation microscopique électronique 29.
    Attention: paraformaldéhyde et le glutaraldéhyde peuvent causer de graves brûlures de la peau et des lésions oculaires. Opérer dans une hotte chimique et porter des EPI appropriés.

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Representative Results

La technique de point peut générer une grande surface de substrats nanostructurés avec une grande fidélité. Figure 1a et 1b afficher la grande surface de nanoschémas transférés du moule PDMS cousu à la plaque PS et PS film mince sur un substrat Si, respectivement. La comparaison entre le moule original EBL-écrite (Figure 1c) et les PDMS finaux travaillant substrat (Figure 1d) confirme que les nanoschémas EBL-écrites peuvent être transférées fidèlement au substrat de travail. Nanotopographie de diverses géométrie et les dimensions peuvent être utilisées pour moduler le comportement des cellules. Comme il est démontré sur la figure 2 avec des cellules A549, une lignée de cellules épithéliales de base adenocarcinomic comme cellules modèles, les nanogratings anisotropes peut allonger les cellules dans la direction de nanograting par rapport à la morphologie multipolaires que les cellules A549 présentent des nanopiliers isotropes.

nt "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figure 1
Figure 1. Génération d'une grande surface de substrats nanostructurés en utilisant la technique de point. (A, b) des images optiques des nanoschémas transférées à la plaque PS et PS film mince, respectivement. Les flèches indiquent l'augmentation du polymère dans les interstices du moule PDMS piquées. (C, d) images MEB des nanoschémas sur moule EBL et PDMS finales substrat de travail, respectivement. Les barres d'échelle sont de 1 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Nanotopographical cellulaire modulée propagation des cellules A549. (a) nanogratings de 500 nm de largeur de ligne, 500 nm dans l' espacement et 560 nm en hauteur et (b) nanopiliers de 500 nm de diamètre, 450 nm dans l' espacement bord à bord et 560 nm de hauteur , respectivement. Les barres d'échelle sont 10 um. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Nous présentons une méthode simple, abordable et polyvalent pour générer une grande surface du substrat nanostructuré. Pour développer fidèlement nanoschémas hautement définis, une grande attention doit être accordée à plusieurs étapes critiques. La première est de couper les PDMS moules multiples. les zones sans motif du moule PDMS doivent être enlevés. En outre, les parois latérales des moules doivent être coupés à la verticale aussi parfaite que possible afin de minimiser les écarts entre les moules. Collectivement, la portion des zones sans dessin dans le moule de point final peut être réduite. D'autre part, la surface nanostructurée de ces moules PDMS doit être alignée, sans aucune distorsion sur le substrat de silicium. Du fait que les PDMS nanostructures sont enclins à se déformer, il est essentiel de placer les surfaces nanostructurées contre un côté miroir du substrat doucement et uniformément le silicium (pour éviter d'emprisonner l'air entre le moule PDMS et la surface de silicium). Les moules PDMS seront alignés le plus près possible, mais ne pas toucher le neighboring moules afin de réduire davantage la portion sans motif du moule de point final. Dans le cas contraire, les nanostructures touchés se déforment au cours nanoimpression. Troisièmement, l'épaisseur des moules PDMS peut varier d'un lot à, et il est donc essentiel de faire l'uniforme d'épaisseur en plus de rendre l'épaisseur de chaque uniforme de moule par le nivellement du petit moule Si parfaitement avant PDMS coulée. Bien que la variation d'épaisseur à travers les moules PDMS peut être compensée en ajustant l'épaisseur du prépolymère PDMS (adhésif) couche coulée sur une lame de verre, une couche de pré-polymère d'épaisseur pourrait être problématique. Le prépolymère peut être tiré à travers les interstices entre les moules PDMS à la surface à motif par la force capillaire et par conséquent, les dégâts nanoschémas. La variation d'épaisseur peut être réduite au minimum en préparant la même quantité de mélange PDMS lors de la coulée du moule LBE. Par conséquent, une mince couche de pré-polymère PDMS peut être utilisé. Alternativement, le durcissement partiel du prepolymecouche de r va augmenter sa viscosité, et donc réduire son augmentation et éventuellement éliminer les dommages possibles des surfaces nanostructurées.

La technique de point est limitée par la nature élastomère de PDMS. Bien que la lithographie douce a été appliquée pour reproduire les longs tailles aussi petites que 2 nm 32 et, en principe, peut atteindre une résolution inférieure à 0,5 nm 18, les caractéristiques PDMS à l' échelle nanométrique ne peuvent pas être reproduits parfaitement lorsque le ratio d'aspect de la hauteur à la largeur est trop élevé (> 2) ou trop faible (<0,2). Les nanofeatures peuvent effondrement lorsque le rapport d'aspect est trop élevé, ou entraînent un soulagement insuffisant lorsque le timbre de PDMS d'un <rapport de 0,2 est utilisé 33. En outre, plusieurs PDMS moules ne peuvent pas être cousues de façon transparente en raison des interstices et parage incomplète des moules PDMS, et donc il y a des zones sans motif et désalignement (en particulier pour les nanoschémas continus tels que nanogratings). Étant donné le faible pourcentage de la Defectedzone sur la surface totale, la technique de point fournit encore un moyen simple et abordable pour produire une grande surface de substrats nanostructurés. En outre, lorsque le moule est cousue nanoimprinted dans le substrat polymère, le polymère fondu peut pénétrer dans l'interstice, ce qui entraîne une surface irrégulière (figure 1a). La surface inégale rend difficile de recueillir des échantillons pour des analyses biologiques cellulaires ou moléculaires. Dans les applications microfluidiques, l'augmentation provoque également une étanchéité incomplète lorsque microcanaux sont scellés contre le substrat à motifs. Le problème de la surface irrégulière peut être facilement résolu en appliquant un polymère technique de film mince pour minimiser l'augmentation par réglage de l'épaisseur du film (figure 1b).

Bien que la technique de point a besoin d'un moule maître défini pour l'expansion, il est simple et abordable par rapport à d'autres techniques telles que la lithographie étape et-flash et un nanoimpression lithogra roll-to-rollphy. La technique de point ne nécessite que des plaques chauffantes et un moyen d'exercer des forces de compression au cours des processus de couture et de nanoimpression, mais pas de matériel coûteux. En outre, le processus de point peut être effectué dans un environnement propre, mais pas nécessairement dans une salle blanche.

La technique de point est également polyvalent. En plus de l'expansion d'une nanopattern identique à une grande surface, la technique de point peut être appliqué pour les moules constitués de micro et / ou nanométriques caractéristiques de diverses formes, dimensions et arrangements. A cet égard, une bibliothèque combinatoire de micro / nanotopographies peut être construit pour fournir la plate-forme à haut débit pour étudier les interactions cellule-topographie. Cette technique de point simple, abordable et polyvalent peut potentiellement être étendu pour créer des dispositifs micro / nanométriques avec des composants hybrides.

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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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Extension nanostructurées Substrats utilisant la technique de point pour Nanotopographical Modulation of Cell Comportement
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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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