Nous présentons ici un protocole pour étendus balayage sonde nanolithographie activé par l’alignement itératif de sonde tableaux, ainsi que l’utilisation de modèles lithographiques pour études sur les interactions de surface cellulaire.
Microscopie à sonde a permis la création d’une variété de méthodes pour la fabrication de haut en bas (« additive ») constructive des caractéristiques de l’échelle nanométrique. Historiquement, un inconvénient majeur de lithographie de sonde à balayage a été l’intrinsèquement faible débit des systèmes de sonde unique. Cela a été abordé par l’utilisation de tableaux de plusieurs sondes pour permettre un débit accru nanolithographie. Afin de mettre en œuvre ce nanolithographie parallélisée, l’alignement précis des tableaux de sonde avec la surface du substrat est essentiel, afin que toutes les sondes de prendre contact avec la surface simultanément lorsque lithographique répétition commence. Ce protocole décrit l’utilisation de la lithographie de stylo de polymère pour produire des dispositifs nanométriques sur les zones taille centimètre, facilitées par l’utilisation d’un algorithme pour l’alignement rapide, précise et automatisée des baies de la sonde. Ici, nanolithographie de thiols sur substrats or illustre la génération de fonctions avec grande uniformité. Ces modèles sont ensuite fonctionnalisés avec la fibronectine pour utilisation dans le cadre des études de morphologie axés sur la surface cellulaire.
Progrès en nanotechnologie sont tributaire de l’évolution des techniques capables de fabriquer des dispositifs nanométriques sur surfaces efficace et fiable. 1 , 2 Toutefois, générant ces dispose de manière fiable sur de grandes surfaces (plusieurs cm2) et à un coût relativement faible est un effort non négligeable. La plupart des techniques existantes, dérivés de l’industrie des semi-conducteurs, dépendent de la photolithographie ablative pour fabriquer des matières « dures ». Plus récemment, des techniques lithographiques, dérivés de la microscopie de sonde (SPM) sont apparus comme une approche pratique et polyvalente pour le prototypage rapide des conceptions de l’échelle nanométrique. 3 techniques axées sur le SPM peuvent facilement et rapidement « écrire » n’importe quel modèle défini par l’utilisateur. Le plus connu d’entre eux est dip-pen nanolithographie (DPN), mis au point par Mirkin et al.,4 où une sonde de balayage est utilisée comme une « plume » de transférer un « ink » moléculaire à la surface, produisant des caractéristiques d’une manière analogue à l’écriture. Dans des conditions ambiantes, comme une sonde est analysée à travers une surface, les molécules « ink » sont transférés à la surface via un ménisque de l’eau qui se forme entre la sonde et la surface (Figure 1). DPN permet donc la déposition de nanolithographic d’un large éventail de matériaux, y compris ceux « en douceur » tels que les polymères et les biomolécules. 5 techniques connexes à l’aide de sondes conçues avec des chaînes pour livraison fluide, diversement appelé « nanopipettes » et « nano-stylos », ont également été signalés. 6 , 7 , 8
Le principal obstacle à une application plus large de la lithographie de SPM-dérivé est le débit, car elle exige un temps excessivement long aux zones de modèle à l’échelle du centimètre avec une seule sonde. Premiers efforts visant à résoudre ce problème, axé sur la parallélisation des DPN axée sur le cantilever, avec « one-dimensional » et « bidimensionnelle » tableaux de sonde (2D) signalés pour la lithographie de zones taille centimètre. 5 , 9 Toutefois, ces baies en porte-à-faux sont produites par des méthodes de fabrication de plusieurs étapes relativement complexes et sont relativement fragiles. L’invention de la lithographie de stylo de polymère (PPL) a abordé cette question en remplaçant les encorbellements SPM standards avec un tableau 2D de doux siloxane élastomère sondes collé sur une lame de verre. 10 cette configuration simple sonde diminue considérablement le coût et la complexité de la structuration des grandes surfaces, ouvrant la nanolithographie à un large éventail d’applications. Cette architecture en porte-à-faux-libre a également été élargie à la pointe en dur tendre-printemps de lithographie,11 , qui prévoit un hybride de soutien élastomère souple avec embouts silicone dur donnant une résolution améliorée par rapport aux modèles fabriqués à l’aide de doux conseils d’élastomère.
Un facteur crucial dans l’exécution de ces technologies de tableau 2D, c’est que le tableau de la sonde doit être exactement parallèle à la surface substrat afin que lorsque lithographie est utilisée, toutes les sondes en contact avec la surface simultanément. Même un petit décalage peut provoquer une grande différence dans la taille d’un côté du tableau à l’autre, puisque certaines sondes entrera en contact avec la surface plus tôt au cours de la descente du tableau, tandis que d’autres viendront en contact plus tard ou pas du tout. 12 alignement exact est particulièrement important avec le PPL en raison de la déformabilité des sondes élastomère souple, où les sondes de contact avec la surface plus tôt seront compressés, laissant une plus grande empreinte sur la surface.
Les premiers travaux sur PPL employé contrôle purement visuel pour guider le processus d’alignement, en utilisant une caméra montée au-dessus du tableau d’observer la déformation des sondes pyramidales, comme ils ont été mis en contact avec la surface. 10 l’alignement a été jugé en observant quel côté des sondes est entré en contact avec la surface de tout d’abord, puis en réglage de l’angle et en répétant la procédure de manière itérative jusqu’à ce que la différence de contact de chaque côté de la sonde a été Impossible de distinguer à le œil. Comme cette procédure d’alignement s’appuie sur une inspection visuelle subjective par l’opérateur, la reproductibilité est faible.
Par la suite, une approche plus objective a été développée, composé d’un capteur de force monté sous le substrat pour mesurer la force appliquée au contact de la sonde sur la surface. 12 alignement a été ainsi obtenu en ajustant les angles d’inclinaison afin de maximiser la force exercée, qui a indiqué que toutes les sondes étaient simultanément en contact. Cette méthode a montré que l’alignement à 0,004 ° de la surface parallèle était possible. Cette « force feedback nivellement » a maintenant été implémentée dans des systèmes entièrement automatisés dans deux rapports indépendants. 13 , 14 fois utiliser une triade de capteurs de force montés sous le substrat ou au-dessus du tableau et mesurer la quantité de force exercée lors du contact entre les baies de la sonde et la surface. Ces systèmes donnent de haute précision, rapports des désalignements de 0,001 ° sur une échelle de longueur de 1 cm, le14 ou le ≤ 0,0003 ° sur 1,4 cm.13 ces systèmes d’alignement automatisé prévoient aussi grandes économies en temps opérateur et temps global pris pour compléter le procédé de lithographie.
Une application majeure de fabrication surface haut débit a permis par cette technologie est la génération de substrats de culture cellulaire. Il est maintenant bien établi que phénotype cellulaire peut être manipulé en contrôlant l’interaction initiale entre les cellules et les caractéristiques de la surface, et que cela peut être amélioré à l’échelle nanométrique. 15 précisément, balayage méthodes lithographie de sonde ont démontré qu’une méthode facile pour produire une variété de surfaces nanofabriquées pour de telles expériences de culture cellulaire. 16 par exemple, les surfaces présentant des motifs nanométriques de monocouches auto-assemblées et matrice extracellulaire protéines basé sur un modèle par PPL et DPN ont été utilisés pour étudier le potentiel des matériaux nano-modifiée en matière induit la différenciation des cellules souches. 17
Ce protocole décrit l’utilisation d’une force atomique mis à jour le microscope (AFM) système qui permet de grande surface PPL. Nous détaillons la détection de la force à l’aide de plusieurs capteurs de force comme le moyen de déterminer la sonde-surface de contact, avec un algorithme qui automatise le processus itératif d’alignement. Fonctionnalisation subséquente de ces modèles avec la fibronectine de protéine de matrice extracellulaire et la culture de cellules souches mésenchymateuses humaines (CSAH) sont décrits, comme une démonstration de surfaces fabriqués en PPL, appliqué pour la culture cellulaire.
Ce protocole sert à fournir aux utilisateurs une méthode pratique pour réaliser rapidement nanolithographic le patterning avec grande uniformité et contrôlables taille plus grande des zones (cm2). Substrats portant ces nanopatterns de grande surface peuvent alors être précisées pour une variété d’applications. Une application majeure de cette technologie est de la génération des surfaces nanofabriquées pour les études sur les interactions de surface cellulaire. Ce rapport montre quelques exemples de culture cellulaire sur ces matériaux, démontrant le contrôle du CSAH morphologie par nanofabriquées substrats.
L’élément clé de ce protocole est l’automatisation de la procédure d’alignement (étape 4) qui permet une production très uniforme et à haut débit des caractéristiques sur les surfaces, jusqu’à résolution nanométrique, qui permet la rotation rapide des expériences de culture cellulaire. La lithographie de stylo de polymère réalisée à l’aide de cet algorithme d’alignement est capable de générer les caractéristiques d’échelle nanométrique dans environ 30 min. La reproductibilité et la précision de l’alignement automatique et donc l’uniformité des motifs caractéristiques, est cependant critique dépend de la qualité des tableaux sonde qui sont produites (phases 1 et 2). Les défauts dans leur préparation qui donnent lieu à des sondes émoussés, cassées ou manquantes ; tels que l’air emprisonné bulles (étape 1.5) ou une mauvaise séparation des sondes du maître (étape 1.8) peut entraîner l’alignement imprécis et lithographie de mauvaise qualité.
Cela rapporté méthode partage une limitation en commun avec d’autres méthodes d’alignement qui s’appuient sur le retour de force. La détermination précise de quand les sondes sont en contact avec la surface est limitée par la nécessité de tenir compte de vibrations de fond causées par l’environnement ambiant et le mouvement de la scène de l’échantillon. En général, les capteurs ont une sensibilité de force dans le régime µN (2 µN dans ce cas), mais l’algorithme d’alignement est conçu pour enregistrer seulement une force d’au moins 490 µN définitif de contact entre la sonde et la surface, afin d’éviter toute resul « faux positifs » Ting du bruit de fond. 13 par conséquent, cette méthode tend à produire des grandes fonctions (1 à 2 µm) puisque les sondes doit étendre une grande distance sur le z-axe (avec une force plue conséquente) afin d’enregistrer le contact. Pour compenser, petits éléments peuvent être générés en réduisant le z-axe distance parcourue pendant l’étape de la lithographie (p. ex., entrant dans le paramètre « Noir » à l’étape 5.2.3.2 comme 3 µm au lieu de 5 µm).
Néanmoins, même avec cette restriction, l’algorithme d’automatisation est capable d’aborder un aspect essentiel dans l’application des méthodes de la lithographie de sonde à balayage parallélisée, comme alignement c’était auparavant le plus exigeant et imprécis pas de temps dans la mise en œuvre de ces techniques. Cette automatisation maintenant décale l’étape cinétiquement limitante du processus de fabrication de l’alignement à l’écriture lithographique lui-même. Alors que ce protocole illustre l’application de cette procédure d’alignement à PPL, le cadre pourrait être appliqué à un certain nombre de techniques SPL comme lipides-DPN26 et Lithographie assistée par matrice27 ainsi que futur potentiel catalytique systèmes de sonde. 28
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs reconnaissent l’aide financière de diverses sources, y compris l’UK Engineering and Physical Sciences Research Council (refs de subventions. EP/K011685/1, EP/K024485/1) et une bourse d’étude universitaire pour JH ; le Leverhulme Trust (RPG-2014-292) ; le Fonds de soutien stratégique institutionnel du Wellcome Trust (105610/Z/14/Z) ; le British Council (216196834) ; et l’Université de Manchester pour une Université de Manchester Research Institute (fonds d’amorçage pompe UMRI) et une bourse de doctorat présidentielle à l’assistance technique de SW. par Dr. Andreas Lieb (Nanosurf AG) est également grandement appréciées.
Equipment | |||
FlexAFM mounted on a motorised 5-axis (XYZΘΦ) translation and goniometer stage | NanoSurf | P40008 | |
AFM control software | NanoSurf | C3000 | |
Engraving pen | Sigma-Aldrich | Z225568 | |
Plasma Cleaner | Harrick plasma | PDC-32G-2 | |
PlasmaFlo | Harrick plasma | PDC-FMG-2 | |
Economy Dry Oxygen Service Pump | Harrick plasma | PDC-OPE-2 | |
Tube Rotator | Stuart | SB3 | |
Vacuum Desiccator | Thermo Fisher Scientific | 5311-0250 | |
Milli-Q Water Purification System | Merck Millipore | ZRXQ015WW | |
Modular Humidity Generator | proUmid | MHG32 | |
Proline Plus Pipette 100-1000 µL | Sartorius | 728070 | |
Silicon masters | NIL Technology | custom-made | |
Upright snapshot fluorescence microscope | Olympus | BX51 | |
Microscope objectives | Olympus | 10x and 60x UPlan FLN ∞/-/FN 26.5 | |
Upright bright field microscope | Leica | DM 2500M | |
Ultrasonicator | Ultrawave Ltd. | U95 | |
Spreadsheet for recording and intepreting automated alignment results | Microsoft | Excel | |
Reagent | |||
2-propanol | Sigma-Aldrich | 34863 | FLAMMABLE |
Microscope Sildes, Clear, Ground | Thermo Fisher Scientific | 451000 | |
(7–8% vinylmethylsiloxane)-dimethylsiloxane copolymer, trimethylsiloxy-terminated | Gelest | VDT-731 | |
1,3,5,7-tetramethyl-1,3,5,7-tetravinylcyclotetrasiloxane | Gelest | SIT7900.0 | |
Platinum(0)-1,3-divinyl-1,1,3,3-tetramethyldisiloxane complex solution | Sigma-Aldrich | 479527 | HARMFUL, TOXIC |
(25–35% methylhydrosiloxane)-dimethylsiloxane copolymer, trimethylsiloxane-terminated | Gelest | HMS-301 | |
Weigh Boat 100 mL | Scientific Laboratory Supplies | BALI828 | |
Pasteur pipette | Appleton Woods | KS230 | |
Petri dish | SARSTEDT | 82.1473 | |
Razor blade | Thermo Fisher Scientific | ST10-031T | |
Adhesive Carbon Tape | Agar scientific | AGG3939 | |
16-Mercaptohexadecanoic acid | Sigma-Aldrich | 448303-1G | HARMFUL, TOXIC |
Ethanol | Sigma-Aldrich | 34852 | FLAMMABLE |
Gold coated microscope slide | Sigma-Aldrich | 643203 | Once opened gold will remain reactive to thiols for at least 1 month |
Thiourea | Sigma-Aldrich | T8656 | HARMFUL, TOXIC |
Iron(III) nitrate nonahydrate | Sigma-Aldrich | 529303 | HARMFUL, TOXIC |
Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | 84415 | HARMFUL, TOXIC |
(11-Mercaptoundecyl)hexa(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | 675105 | HARMFUL, TOXIC |
Fibronectin from human plasma | Sigma-Aldrich | F0895 | |
Cobalt(II) nitrate hexahydrate | Sigma-Aldrich | 203106 | HARMFUL, TOXIC |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline | Sigma-Aldrich | D8537 | |
MSCGM Mesenchymal Stem Cell Growth Medium | Lonza UK | PT-3001 | |
Human Mesenchymal Stem Cells | Lonza UK | PT-2501 | |
Trypsin-EDTA | Sigma-Aldrich | T4174 | |
Heraeus Multifuge X1 Centrifuge | Thermo Fisher Scientific | 75004210 | |
CELLSTAR Centrifuge Tubes | Greiner Bio-One | 188261 | |
Paraformaldehyde | Fisher Scientific | P/0840/53 | HARMFUL, TOXIC |
Alexa Fluor 488 Phalloidin | Thermo Fisher Scientific | A12379 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | "Detergent" in manuscript |
VECTASHIELD Antifade Mounting Medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | |
Rabbit anti-fibronectin antibody | Abcam | ab2413 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, Alexa Fluor 594 | Thermo Fisher Scientific | R37117 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A3912 | |
12-well plate | Thermo Fisher Scientific | 10253041 | |
T75 tissue culture flask | Thermo Fisher Scientific | 10790113 | |
cantilever | BudgetSensor | ContAl-G |