Burada için geniş alan tarama prob nanolithography sonda diziler yinelemeli hizalama gibi hücre yüzeyine etkileşim çalışmaları için taş desen kullanımı tarafından etkinleştirilmiş bir iletişim kuralı mevcut.
Prob mikroskobu tarama çeşitli yöntemler nanometre-ölçek özellikleri yapıcı (‘katkı’) yukarıdan aşağıya imalatı için oluşturulmasını sağlamıştır. Tarihsel olarak, sonda litografi tarama büyük bir dezavantaj tek sonda sistemlerin özünde düşük işlem hacmi oldu. Bu artan nanolithography üretilen iş etkinleştirmek için birden çok probları bir dizi kullanımı ile ele vardır. Böylece tüm Probe prob paralelleştirilmiş böyle nanolithography uygulamak için substrat yüzeyli sonda dizilerin doğru hizalama, çok önemlidir aynı anda tekniğinde desenlendirme başladığında yüzeyi ile temas. Bu iletişim kuralı polimer kalem litografi sonda dizileri hızlı, doğru ve otomatik hizalama için bir algoritma kullanılarak kolaylaştırdı, santimetre büyüklüğünde alanlar üzerinde nanometre-ölçek özellikleri üretmek için kullanımını açıklar. Burada, thiols altın yüzeyler üzerinde nanolithography özellikleri nesil ile yüksek homojenlik göstermektedir. Bu kalıpları sonra yüzey Yönetmen: hücre morfolojisi çalışmaların içeriğinde fibronektin ile functionalized.
Nanoteknoloji bağlı olarak verimli ve güvenilir bir şekilde nano Özellikler yüzeylerde imalatı yetenekli yöntemlerin geliştirilmesi sayesinde çalışıyor. 1 , 2 ancak, böyle üreten ve güvenilir bir şekilde geniş alanlara (birden çok cm2) özellikleri olmayan önemsiz bir çaba, nispeten düşük maliyetli. Yarıiletken Endüstrisi türetilmiş çoğu mevcut teknikleri ‘sert’ malzeme imal etmek ablatif fotolitografi güveniyor. Daha yakın zamanlarda, taş teknikleri prob mikroskobu (SPM) tarama elde edilen nano tasarımları hızlı prototipleme için kullanışlı ve çok yönlü bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. 3 SPM tabanlı teknikleri rahat ve hızlı bir şekilde ‘herhangi bir kullanıcı tarafından tanımlanan desen yazmak ‘ edebiliyoruz. En iyi bilinen bu Mirkin vd., nerede bir tarama sonda ‘kalem’ moleküler ‘mürekkep’ bir şekilde yazmaya benzer özellikler üreten yüzeye aktarmak için kullanılan4 tarafından öncülük daldırma-kalem nanolithography (DPN), olduğunu. Bir sonda bir yüzey üzerinde taranmış ortam koşulları altında ‘mürekkep’ molekülleri yüzey yolu ile için transfer formları sonda ve yüzey (Şekil 1) arasında bir su menisküs. DPN böylece malzemeler, polimerler ve biomolecules gibi “yumuşak” malzemeler de dahil olmak üzere geniş bir nanolithographic birikimi sağlar. 5 ilgili teknikleri sıvı tesliminde kanalları ile mühendislik probları kullanarak çeşitli anılacaktır ‘nanopipettes’ ve ‘nano-Çeşme kalemler’ da bildirilmiştir. 6 , 7 , 8
SPM kaynaklı litografi daha geniş uygulama için ana engel çıktı, tek bir sonda ile desen santimetre çaplı alanlara aşırı uzun bir zaman gerektirir gibidir. Bu sorunu gidermek için erken çabaları ile her ikisi ‘tek-boyutlu’ ve ‘iki boyutlu’ (2D) prob diziler santimetre büyüklüğünde alanlar litografi için bildirilen konsol tabanlı DPN parallelization üzerinde duruldu. 5 , 9 ancak, bu konsol diziler oldukça karmaşık multistep imalat yöntemleri ile üretilen ve oldukça kırılgandır. Polimer kalem litografi (PPL) icadı yumuşak siloxane elastomer probları cam slayda gümrüklü 2D bir dizi standart SPM cantilevers değiştirerek bu sorunu ele aldı. 10 bu basit sonda kurulumu önemli ölçüde geniş alanlar, nanolithography daha geniş bir uygulama yelpazesi için açılması biçimlenme karmaşıklığını ve maliyetini azaltır. Bu konsol ücretsiz mimarisi de ipucu zor yumuşak-bahar litografi, yumuşak kullanılarak üretilen modelleri ile karşılaştırıldığında geliştirilmiş çözünürlük vermek zor silikon ipuçları ile yumuşak elastomerik destek melez sağlayan11 genişletildi Elastomer ipuçları.
Önemli bir faktör bu 2D array teknolojilerin yürütülmesine böylece litografi kullanılmaktadır zaman tüm probları yüzey temas gelen sonda dizi aynı anda tam olarak yüzey substrat paralel olması gerektiğidir. Diğerleri daha sonra veya hiç kişiye gelecek iken bazı probları ile temas yüzeyi daha önce dizi, iniş sırasında gelecek bu yana bile küçük bir kayma özelliği boyutu büyük bir fark dizinin bir taraftan diğerine, neden olabilir. 12 tam hizalama nerede temas yüzeyi daha önce probları sıkıştırılır, PPL ile özellikle yumuşak elastomer probları deformasyon nedeniyle önemlidir yüzeyinde büyük bir ayak izi bırakarak.
PPL erken çalışmaları tamamen görsel muayene olarak onlar temas yüzeyi getirilen piramit probları deformasyon gözlemlemek için dizinin monte edilmiş bir kamera ile hizalama işlemi size yol istihdam. 10 hizalama sondalar hangi tarafında ilk, yüzeyi ile temas geldi gözlemleyerek sonra açı ayarlama ve sonda her tarafında temas halinde aradaki fark kadar yordamı yinelemeli bir şekilde yinelenen karar oldu gözünün içine bakarak ayırt edilemez. Öznel görsel denetim işleci tarafından bu hizalama yordamı kullanır gibi tekrarlanabilirlik düşüktür.
Daha sonra temas yüzeyi probları, üzerine uygulanan kuvvet ölçmek için belgili tanımlık substrate altında monte bir kuvvet sensör oluşan daha objektif bir yaklaşım geliştirilmiştir. 12 hizalama böylece hangi tüm probları aynı anda temas halinde olduğunu göstermiştir sarf, kuvvet en üst düzeye çıkarmak için tilt açıları ayarlayarak elde edildi. Bu yöntem yüzey paralel 0,004 ° içinde için hizalama mümkün olduğunu gösterdi. Bu ‘güç geribildirim tesviye’ Şimdi iki bağımsız raporlar tam otomatik sistemlerine uygulanmıştır. 13 , 14 hem kuvvet sensörleri substrat altında veya üstünde dizi takılı bir üçlü kullanın ve temas yüzeyi ve sonda diziler arasında üzerine sarf güç miktarını ölçmek. Bu sistemler yüksek hassasiyetli, 1 cm uzunluk ölçek,14 veya ° sağlamak bu otomatik hizalama sistemleri aynı zamanda 1.4 cm.13 üzerinde büyük tasarruf Operatör süresinin ve tamamlamak için geçen toplam süre ≤ 0,0003 misalignments ≤0.001 ° raporlama vermek taş baskı işlemi.
Bir büyük yüksek üretilen iş yüzey imalat bu teknoloji tarafından etkin hücre kültür yüzeylerde nesil uygulamadır. Şimdi de kurulan bu hücre fenotip hücreler ve yüzey özellikleri arasındaki ilk etkileşim kontrol ederek manipüle edilebilir ve bu-ebilmek var olmak arttırmak nano. 15 özel olarak, tarama prob litografi yöntemleri gibi hücre kültürü deneyleri için nanofabricated yüzeyler çeşitli üretmek için uzun facile yöntemi gösterilmiştir. 16 Örneğin, nano şekillerinin kendi kendine monte monolayers ve hücre dışı matriks proteinleri şablonu esas alan PPL ve DPN nano değiştirilme tarihi malzemeleri malzeme potansiyelini çalışmaya kullanılmıştır sunulması yüzeyler farklılaşma indüklenen. kök hücreler. 17
Bu iletişim kuralı geniş alan PPL sağlar değiştirilmiş atomik kuvvet mikroskobu (AFM) sistem kullanımını açıklar. Sonda-yüzey teması, yinelemeli hizalama işlemini otomatikleştiren bir algoritması ile birlikte belirleme aracı olarak birden fazla kuvvet sensörleri kullanarak güç tespiti detay. Bu desen hücre dışı matriks proteini fibronektin ile sonraki functionalization ve insan mezenkimal kök hücre (hMSC) kültürü açıklanmıştır, PPL fabrikasyon yüzeyler hücre kültürü için uygulanan bir gösteri olarak.
Bu protokol kullanıcılara hızlı bir şekilde yüksek homojenlik ve kontrol edilebilir özelliği boyut üzerinde büyük biçimlenme nanolithographic gerçekleştirmek için uygun bir metodoloji sağlamak için hizmet vermektedir (cm2) alanları. Bu geniş bir alan nanopatterns taşıyan yüzeylerde sonra daha da çeşitli uygulamalar için gelişmiş. Bu teknolojinin bir büyük uygulama nanofabricated yüzeyler üretimi için hücre yüzeyine etkileşim çalışmaları mevcuttur. Bu raporu hMSC morfoloji kontrolünü nanofabricated yüzeylerde tarafından gösteren bu malzemeler, hücre kültürü bazı açıklayıcı örnekler gösterir.
Bu protokol anahtar enabler yüzeylerde, hücre kültürü deneyleri hızlı ciro sağlayan nano çözünürlük aşağı özellikleri son derece düzgün ve yüksek üretilen iş üretimini sağlayan otomasyon hizalama yordam (adım 4) olduğunu. Bu hizalama algoritma kullanılarak yapılan polimer kalem litografi yaklaşık 30 dakika içinde Nano özellikleri oluşturmak yapabiliyor. Tekrarlanabilirlik ve otomatik hizalama doğruluğunu ve böylece desenli özellikleri tekdüzelik olduğunu ancak eleştirel üretilen bağımlı olan sonda dizilerin kalitesi için (adım 1 ve 2). Künt, kırık veya eksik probları neden herhangi bir kusurları onların hazırlık; gibi kapana kısılmış hava kabarcıklar (adım 1.5) veya sondalar uygunsuz ayrılması (adım 1.8) yöneticisinden yanlış hizalama ve kalitesiz litografi neden olabilir.
Bu yöntem bir sınırlama güç geribildirim güvenmek diğer hizalama yöntemleri ile ortak hisse bildirdi. Sondalar yüzeyi ile temas olduğunda doğru belirlenmesi arka plan titreşimler ortam çevrenin ve örnek sahne hareketinin neden olduğu için hesap gerektiğinden sınırlıdır. Genel olarak, sensörler bir kuvvet duyarlılık µN rejimi (Bu durumda 2 µN) var, ama hizalama algoritma yalnızca herhangi bir ‘yanlış mutlak’ resul önlemek için sondalar ve yüzey arasında kesin ilgili kişi olarak en az 490 µN bir kuvvet kaydetmek için tasarlanmıştır arka plan gürültü ting. 13 böylece, bu yöntem büyük özellikleri (1-2 µm) üretmek eğilimi gerekir sondalar genişletilmiş beri büyük bir mesafe üzerinde z-eksen (bir kuvvetle sonucu daha yüksek) amacıyla ilgili kişi kayıt. Telafi etmek için zazaltarak daha küçük özellikler oluşturulabilir-eksen mesafe seyahat sırasında litografi adım (5 mikron yerine 3 µm olarak adım 5.2.3.2 ‘Siyah’ ayarı girerekÖrneğin,).
Hizalama, daha önce en zaman zorlu ve imprecise adımda olduğu gibi yine de, bu sınırlama ile otomasyon algoritması paralelleştirilmiş tarama prob litografi yöntemleri, uygulamada önemli bir özelliği hitap edebilmektedir Bu tekniklerin uygulanması. Şimdi bu Otomasyon imalat işleminin hızı sınırlaması adımı tekniğinde kendisi yazma için hizalama geçer. Bu iletişim kuralı bu hizalama yordamını uygulama PPL gösterir iken, çerçeve lipid-DPN26 ve matris destekli litografi27 yanı sıra potansiyel gelecek katalitik gibi SPL teknikleri bir dizi için uygulanabilir sonda sistemleri. 28
The authors have nothing to disclose.
Yazarlar çeşitli kaynaklardan İngiltere’de mühendislik ve Fizik Bilimleri Araştırma Konseyi (refs ver. dahil olmak üzere mali desteği kabul EP/K011685/1, 1/K024485/EP) ve yüksek lisans öğrencilik için JH; Leverhulme güven (RPG-2014-292); Wellcome Trust kurumsal stratejik destek fonu (105610/Z/14/Z); British Council (216196834); ve University of Manchester Üniversitesi Manchester Araştırma Enstitüsü (UMRI pompa astar Fonu) ve SW teknik yardım Dr. Andreas Lieb (Nanosurf AG) tarafından başkanlık doktora burs için de minnetle kabul edilmektedir.
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 |