Fabriceren van reactieve oppervlakken met borstel-achtige en kruisverwijzende Films van Azlactone-matiemaatschappij blok co-polymeren
Summary
Oppervlakte fabricage methoden voor patroon afzetting van nanometer dik borstels of micron dik, kruisverwijzende films van een azlactone blok co-polymeer worden gemeld. Kritische experimentele stappen, representatieve resultaten en beperkingen van elke methode worden besproken. Deze methoden zijn handig voor het creëren van functionele interfaces met op maat gemaakte fysieke kenmerken en afstembare oppervlakte reactiviteit.
Abstract
In deze paper, fabricage methoden die het genereren van nieuwe oppervlakken met behulp van de azlactone gebaseerde blok co-polymeer, poly (glycidyl methacrylaat) –blok– poly (vinyl dimethyl azlactone) (PGMA –b– PVDMA), worden gepresenteerd. Als gevolg van de hoge reactiviteit van azlactone groepen richting amine, thiol en hydroxylgroepen, kunnen PGMA –b– PVDMA oppervlakken worden gewijzigd met secundaire moleculen maken chemisch of biologisch matiemaatschappij interfaces voor allerlei toepassingen. Eerdere verslagen voor patroon PGMA –b– PVDMA interfaces hebt gebruikt traditionele patronen van de top-down technieken die niet-uniforme films en slecht gecontroleerde achtergrond oplossingen genereren. Hier beschrijven we aangepaste patronen technieken waarmee nauwkeurige afzetting van zeer uniforme PGMA –b– PVDMA films in achtergronden die chemisch inert of die Biomolecuul repellent eigenschappen hebben. Nog belangrijker is, zijn deze methoden ontworpen om storting PGMA –b– PVDMA films op een wijze die volledig azlactone functionaliteit door elke stap van de verwerking behoudt. Gedessineerde films tonen goed gecontroleerde diktes die met polymeer borstels corresponderen (~ 90 nm) of zeer kruisverwijzende structuren (~ 1-10 μm). Penseelpatronen worden gegenereerd met behulp van hetzij de parylene lift-off of interface regie assemblage methoden beschreven en nuttig voor precieze modulatie van de totale chemische reactiviteit van de oppervlakte van beide de PGMA –b– PVDMA patroon dichtheid aan te passen of de lengte van de VDMA blok. In tegenstelling, de dikke, kruisverwijzende PGMA –b– PVDMA patronen zijn verkregen met behulp van een aangepaste micro-contact-Druktechniek en bieden het voordeel van hogere laden of inname van secundair materiaal als gevolg van de hogere oppervlakte tot volume verhoudingen. Gedetailleerde experimentele stappen, kritische film karakterisaties, en oplossen van problemen gidsen voor elke productie-methode worden besproken.
Introduction
Ontwikkeling van fabricage technieken waarmee voor veelzijdige en nauwkeurige bediening van chemische en biologische oppervlakte functionaliteit is het wenselijk dat een scala aan toepassingen, van de vangst van milieucontaminanten tot ontwikkeling van de volgende generatie biosensoren, implantaten en weefsel engineering apparaten1,2. Functionele polymeren zijn uitstekende materialen voor het afstemmen van de oppervlakte-eigenschappen via “van enting” of “enten te” technieken3. Deze benaderingen zorgen voor controle van de oppervlakte reactiviteit op basis van de chemische functionaliteit van het monomeer en molecuulgewicht van het polymeer4,5,6. Azlactone gebaseerde polymeren zijn intens bestudeerd in dit verband, zoals azlactone groepen snel koppel met verschillende nucleofiel in ring-opening reacties. Het gaat hierbij om primaire amines, hydrazine groepen, waardoor een veelzijdige route voor verdere oppervlakte functionalization7,8, alcoholen en thiolen. Azlactone gebaseerde polymeerlagen hebben gewerkt in verschillende milieu en biologische toepassingen met inbegrip van de analyt vangen9,10,6,11van de cultuur van de cel en anti-fouling / anti-lijm coatings12. In veel biologische toepassingen is patronen azlactone polymeerlagen op nano naar micrometer lengte schalen wenselijk ter vergemakkelijking van de ruimtelijke besturing van Biomolecuul presentatie, cellulaire interacties, of te moduleren oppervlakte interacties13, 14,,15,16,17,18. Daarom moeten fabricage methoden worden ontwikkeld om het bieden van hoge patroon uniformiteit en goed gecontroleerde laagdikte, zonder chemische functionaliteit19.
Onlangs, Lokitz et al. ontwikkeld een PGMA –b– PVDMA blokcopolymeer die kon manipuleren van oppervlakte reactiviteit. PGMA blokken paar op oxide-bevattende oppervlakken, opbrengst van hoge en afstembare oppervlakte dichtheden van azlactone20groepen. Eerder gerapporteerde methoden voor de elementen van dit polymeer voor oprichting van biofunctionele interfaces gebruikt traditionele topdown fotolithografie benaderingen die niet-uniforme polymeerlagen gegenereerd met achtergrond gebieden besmet met resterende Fotoresist materiaal, waardoor hoge niveaus van niet-specifieke chemische en biologische interacties21,22,23. Hier, veroorzaakt pogingen om passivate achtergrond regio’s kruisreactie met azlactone groepen, polymeer reactiviteit in gevaar te brengen. Gezien deze beperkingen, wij onlangs ontwikkelde technieken voor borstel patronen (~ 90 nm) of zeer kruisverwijzende (~ 1-10 μm) films van PGMA –b– PVDMA in biologisch of chemisch inert achtergronden op een wijze die volledig de chemische behoudt functionaliteit van de polymeer-24. Deze methoden gepresenteerd gebruiken parylene lanceerraket, interface geleide vergadering (IDA) en druktechnieken (μCP) voor aangepaste microcontact. Zeer gedetailleerde experimentele methoden voor deze patronen benaderingen, evenals de kritische film karakterisaties en de uitdagingen en de beperkingen die zijn gekoppeld aan elke techniek worden hier voorgesteld in schriftelijke en video formaat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel presenteert drie benaderingen voor het patronen PGMA –b– PVDMA, elk met een set van voor- en nadelen. De methode van de astronauten parylene is een veelzijdige methode voor patronen blok co polymeren op micro nanoschaal resolutie, en is gebruikt als een masker van de depositie in andere patronen systemen33,34,35. Als gevolg van de relatief zwakke oppervlakte adhesie, kan de parylene stencil gemakkelijk worde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd gesteund door Kansas State University. Een deel van dit onderzoek werd uitgevoerd in het midden voor Nanophase Materials Sciences, die bij het Oak Ridge National Laboratory wordt gesponsord door de wetenschappelijke gebruiker voorzieningen Division, de Office of Basic Energy Sciences en het Amerikaanse ministerie van energie.
Materials
| Material | |||
| Ethanol, ≥ 99.5% | Sigma-Aldrich | 459844 | – |
| HCL, 1.019 N in H2O | Fluka Analytical | 318949 | – |
| Acetone, ≥ 99.5% | Sigma-Aldrich | 320110 | – |
| Benzene, ≥ 99.9% | Sigma-Aldrich | 270709 | – |
| Isopropanol, ACS reagent, ≥99.5% | Sigma-Aldrich | 190764 | |
| Hexane | Fisher Chemical | H292-4 | – |
| Argon | Matheson Gas | G1901175 | – |
| Tetrahydrofuran (THF), ≥ 99.9% | Sigma-Aldrich | 401757 | – |
| Pluronic F-127 | Sigma-Aldrich | P2443 | – |
| Polydimethyl Siloxane (PDMS) Slygard 184 | Dow Corning | 4019862 | – |
| Trichloro (1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) silane (TPS), 97% | Sigma-Aldrich | 448931 | It is toxic. Work with it under hood |
| Anhydrous Chloroform, ≥ 99% | Sigma-Aldrich | 372978 | – |
| Positive Photoresist AZ1512 | MicroChemicals | AZ 1512 | amber-red liquid, density 1.083 g/cm3, spin coating step should be done under the hood |
| Developer AZ 300 MIF | MicroChemicals | AZ300 MIF | clear colourless liquid with slight amine odor and density of 1 g/cm3 |
| 1,2-Vinyl-4,4- dimethyl azlactone (VDMA) | Isochem North America, LLC | VDMA | – |
| 2-cyano-2-propyl dodecyl trithiocarbonate (CPDT) | Sigma-Aldrich | 723037 | – |
| 2,2′-Azobis (4methoxy-2,4-dimethyl valeronitrile) (V-70) | Wako Specialty Chemicals | CAS NO. 15545-97-8, EINECS No. 239-593-8 | – |
| Parylene N | Specialty Coating Systems | 15B10004 | – |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Parylene Coater | Specialty Coating Systems | SCS Labcoater (PDS 2010) | – |
| Mask alignment system | Neutronix Quintel | NXQ8000 | – |
| Oxygen Plasma Etcher | Oxford Instruments | Plasma Lab System 100 | – |
| Surface Profilometer | Veeco | Dektak 150 | Scan type was standard hill. Scan duration and force were 120 s and 1 mg, respectively. |
| Brightfield Upright Microscope | Olympus Corporation | BX51 | – |
| Oxygen Plasma Cleaner | Harrick Plasma | PDC-001-HP | – |
| Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) | Perkin Elmer | ATR-FTIR 100 | – |
| Atomic Force Microscopy (AFM) | PicoPlus | Picoplus atomic force microscope | Veeco MLCT-E cantilevers with a 0.5 N/m spring constant. Scan speeds varied between 0.25 and 1 Hz. |
| Scanning Electron Microscopy (SEM) | Hitachi Science Systems Ltd., Tokyo, Japan | – | – |
| Rotary Tool Workstation | Dremel | Model 220-01 | – |
| Spin Coater | Smart Coater | SC100 | – |
| Vacuum Oven | Yamato Scientific Co. | PCD-C6(5)000) | – |
| Size Exclusion Chromatography (SEC) | Waters Alliance 2695 Separations Module | 720004547EN | – |
| Refractive Index (RI) detector | Waters | Model 2414 | – |
| Photodiode Array Detector | Waters | Model 2996, 716001286 | – |
| Multi-angle Light Scattering (MALS) Detector | Wyatt Technology | miniDAWN TREOS II | – |
| Viscometer | Wyatt Technology | Viscostar | – |
| PLgel 5 µm mixed-C columns (300 x 7.5 mm) | Agilent | 5 µm mixed-C columns | – |
| Ellipsometer | J. A. Woollam | alpha-SE | Cauchy model, PGMA and PVDMA layers had refractive indices of 1.50 and 1.52 at 632 nm |
| Ultrasonic Sonicator | Fischer Scientific | FS-110H | – |
References
- Faia-Torres, A., Goren, T., Textor, M., Pla-Roca, M. Patterned Biointerfaces. Comprehensive biomaterials. , 181-201 (2017).
- Ogaki, R., Alexander, M., Kingshott, P. Chemical patterning in biointerface science. Materials Today. 13 (4), 22-35 (2010).
- Rungta, A., et al. Grafting bimodal polymer brushes on nanoparticles using controlled radical polymerization. Macromolecules. 45 (23), 9303-9311 (2012).
- Guyomard, A., Fournier, D., Pascual, S., Fontaine, L., Bardeau, J. Preparation and characterization of azlactone functionalized polymer supports and their application as scavengers. European Polymer Journal. 40 (10), 2343-2348 (2004).
- Zayas-Gonzalez, Y. M., Lynn, D. M. Degradable Amine-Reactive Coatings Fabricated by the Covalent Layer-by-Layer Assembly of Poly (2-vinyl-4, 4-dimethylazlactone) with Degradable Polyamine Building Blocks. Biomacromolecules. 17 (9), 3067-3075 (2016).
- Schmitt, S. K., et al. Peptide Conjugation to a Polymer Coating via Native Chemical Ligation of Azlactones for Cell Culture. Biomacromolecules. 17 (3), 1040-1047 (2016).
- Yu, Q., Cho, J., Shivapooja, P., Ista, L. K., López, G. P. Nanopatterned smart polymer surfaces for controlled attachment, killing, and release of bacteria. ACS Applied Materials & Interfaces. 5 (19), 9295-9304 (2013).
- Jones, M. W., Richards, S., Haddleton, D. M., Gibson, M. I. Poly (azlactone)s: versatile scaffolds for tandem post-polymerisation modification and glycopolymer synthesis. Pilymer Chemistry UK. 4 (3), 717-723 (2013).
- Barkakaty, B., et al. Amidine-Functionalized Poly (2-vinyl-4, 4-dimethylazlactone) for Selective and Efficient CO2 Fixing. Macromolecules. 49 (5), (2016).
- Cullen, S. P., Mandel, I. C., Gopalan, P. Surface-anchored poly (2-vinyl-4, 4-dimethyl azlactone) brushes as templates for enzyme immobilization. Langmuir. 24 (23), 13701-13709 (2008).
- Schmitt, S. K., et al. Polyethylene glycol coatings on plastic substrates for chemically defined stem cell culture. Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1555-1564 (2015).
- Yan, S., et al. Nonleaching Bacteria-Responsive Antibacterial Surface Based on a Unique Hierarchical Architecture. ACS Applied Materials & Interfaces. 8 (37), 24471-24481 (2016).
- Li, C., et al. Creating "living" polymer surfaces to pattern biomolecules and cells on common plastics. Biomacromolecules. 14 (5), 1278-1286 (2013).
- Brétagnol, F., et al. Surface functionalization and patterning techniques to design interfaces for biomedical and biosensor applications. Plasma Processes and Polymers. (6-7), 443-455 (2006).
- Thery, M. Micropatterning as a tool to decipher cell morphogenesis and functions. Journal of Cell Science. 123 (Pt 24), 4201-4213 (2010).
- Robertus, J., Browne, W. R., Feringa, B. L. Dynamic control over cell adhesive properties using molecular-based surface engineering strategies. Chemical Soceity Reviews. 39 (1), 354-378 (2010).
- Kane, R. S., Takayama, S., Ostuni, E., Ingber, D. E., Whitesides, G. M. Patterning proteins and cells using soft lithography. Biomaterials. 20 (23), 2363-2376 (1999).
- Cattani-Scholz, A., et al. PNA-PEG modified silicon platforms as functional bio-interfaces for applications in DNA microarrays and biosensors. Biomacromolecules. 10 (3), 489-496 (2009).
- Nie, Z., Kumacheva, E. Patterning surfaces with functional polymers. Nature Materials. 7 (4), (2008).
- Lokitz, B. S., et al. Manipulating interfaces through surface confinement of poly (glycidyl methacrylate)-block-poly (vinyldimethylazlactone), a dually reactive block copolymer. Macromolecules. 45 (16), 6438-6449 (2012).
- Kratochvil, M. J., Carter, M. C., Lynn, D. M. Amine-Reactive Azlactone-Containing Nanofibers for the Immobilization and Patterning of New Functionality on Nanofiber-Based Scaffolds. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (11), 10243-10253 (2017).
- Wancura, M. M., et al. Fabrication, chemical modification, and topographical patterning of reactive gels assembled from azlactone-functionalized polymers and a diamine. Journal of Polymer Science Part A1. 55 (19), 3185-3194 (2017).
- Hansen, R. R., et al. Lectin-functionalized poly (glycidyl methacrylate)-block-poly (vinyldimethyl azlactone) surface scaffolds for high avidity microbial capture. Biomacromolecules. 14 (10), 3742-3748 (2013).
- Masigol, M., Barua, N., Retterer, S. T., Lokitz, B. S., Hansen, R. R. Chemical copatterning strategies using azlactone-based block copolymers. Journal of Vacuum Science and TechnologyB. 35 (6), 06GJ01 (2017).
- Lokitz, B. S., et al. Dilute solution properties and surface attachment of RAFT polymerized 2-vinyl-4, 4-dimethyl azlactone (VDMA). Macromolecules. 42 (22), 9018-9026 (2009).
- Aden, B., et al. Assessing Chemical Transformation of Reactive, Interfacial Thin Films Made of End-Tethered Poly (2-vinyl-4, 4-dimethyl azlactone)(PVDMA) Chains. Macromolecules. 50 (2), 618-630 (2017).
- Hansen, R. H., et al. Stochastic assembly of bacteria in microwell arrays reveals the importance of confinement in community development. Public Library of Science One. 11 (5), e0155080 (2016).
- Vargis, E., Peterson, C. B., Morrell-Falvey, J. L., Retterer, S. T., Collier, C. P. The effect of retinal pigment epithelial cell patch size on growth factor expression. Biomaterials. 35 (13), 3999-4004 (2014).
- Tzvetkova-Chevolleau, T., et al. Microscale adhesion patterns for the precise localization of amoeba. Microelectronic Engineering. 86 (4), 1485-1487 (2009).
- Shelly, M., Lee, S., Suarato, G., Meng, Y., Pautot, S. Photolithography-Based Substrate Microfabrication for Patterning Semaphorin 3A to Study Neuronal Development. Semaphorin Signaling: Methods and Protocols. 1493, 321-343 (2017).
- McDonald, J. C., et al. Fabrication of microfluidic systems in poly(dimethylsiloxane). Electrophoresis. 21 (1), 27-40 (2000).
- Hansen, R. R., et al. High content evaluation of shear dependent platelet function in a microfluidic flow assay. Annals of Biomedical Engineering. 41 (2), 250-262 (2013).
- Segalman, R. A., Yokoyama, H., Kramer, E. J. Graphoepitaxy of spherical domain block copolymer films. Advanced Materials. 13 (15), 1152-1155 (2001).
- Stoykovich, M. P., et al. Directed assembly of block copolymer blends into nonregular device-oriented structures. Science. 308 (5727), 1442-1446 (2005).
- Craig, G. S., Nealey, P. F. Self-assembly of block copolymers on lithographically defined nanopatterned substrates. Journal of Polymer Science and Technology. 20 (4), 511-517 (2007).
- Kodadek, T. Protein microarrays: prospects and problems. Chemical Biology. 8 (2), 105-115 (2001).
- Atsuta, K., Suzuki, H., Takeuchi, S. A parylene lift-off process with microfluidic channels for selective protein patterning. Journal of Micromechanics and Microengineering. 17 (3), 496 (2007).
- Ramanathan, M., Lokitz, B. S., Messman, J. M., Stafford, C. M., Kilbey, S. M. Spontaneous wrinkling in azlactone-based functional polymer thin films in 2D and 3D geometries for guided nanopatterning. Journal of Material Chemistry C. 1 (11), 2097-2101 (2013).
- Suh, K. Y., Jon, S. Control over wettability of polyethylene glycol surfaces using capillary lithography. Langmuir. 21 (15), 6836-6841 (2005).
- Buck, M. E., Lynn, D. M. Layer-by-Layer Fabrication of Covalently Crosslinked and Reactive Polymer Multilayers Using Azlactone-Functionalized Copolymers: A Platform for the Design of Functional Biointerfaces. Advanced Engineering Materials. 13 (10), 343-352 (2011).
- Ma, L., et al. Trap Effect of Three-Dimensional Fibers Network for High Efficient Cancer-Cell Capture. Advanced Healthcare Materials. 4 (6), 838-843 (2015).
- Massad-Ivanir, N., Shtenberg, G., Tzur, A., Krepker, M. A., Segal, E. Engineering nanostructured porous SiO2 surfaces for bacteria detection via "direct cell capture". Analytical Chemistry. 83 (9), 3282-3289 (2011).
- Ilic, B., Craighead, H. Topographical patterning of chemically sensitive biological materials using a polymer-based dry lift off. Biomedical Microdevices. 2 (4), 317-322 (2000).
- Gates, B. D., et al. New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques. Chemical Reviews. 105 (4), 1171-1196 (2005).
- Jonas, U., del Campo, A., Kruger, C., Glasser, G., Boos, D. Colloidal assemblies on patterned silane layers. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 99 (8), 5034-5039 (2002).
- Qin, D., Xia, Y., Whitesides, G. M. Soft lithography for micro-and nanoscale patterning. Nature Protocols. 5 (3), 491-502 (2010).
