בדיית משטחים תגובתי עם מברשת, תפור סרטים של פולימרים שיתוף בלוק Azlactone-Functionalized
Summary
שיטות ייצור משטח בדוגמת הפקדת ננומטר מברשות עבה או מיקרון עבה, תפור סרטים של פולימר שיתוף בלוק azlactone מדווחים. שלבים קריטיים ניסיוני, התוצאות נציג, מגבלות של כל שיטת נידונות. שיטות אלה שימושיים ליצירת בממשקים פונקציונליים עם מאפיינים פיזיים המותאמים תגובתיות משטח tunable.
Abstract
בנייר זה, שיטות ייצור המייצרים הרומן משטחים באמצעות בלוק מבוססי azlactone שיתוף הפולימר, פוליפוני (glycidyl methacrylate) –רחוב– פולי (ויניל דימתיל azlactone) (PGMA –b– PVDMA), מוצגים. בשל תגובתיות גבוהה של קבוצות azlactone כלפי אמין תיול, שלו קבוצות הידרוקסיל, PGMA –b– PVDMA משטחים יכול להיות שונה עם מולקולות משנית ליצירת ממשקי כימית או ביולוגית functionalized למגוון רחב של יישומים. בדו”חות קודמים מממשקי בדוגמת PGMA –b– PVDMA השתמשו טכניקות מסורתיות המתבנת מלמעלה למטה לייצר סרטים לא אחידה, בדיקות רקע לקוי מבוקרת, הביוכימיה. כאן, אנו מתארים המתבנת מותאם אישית טכניקות המאפשרות התצהיר מדויק מאוד אחיד PGMA –b– PVDMA הסרטים ברקעים אינרטי מבחינה כימית או בעלי מאפיינים biomolecule-דוחה חרקים. חשוב, שיטות אלה נועדו הפיקדון PGMA –b– PVDMA סרטים באופן לגמרי השומרת azlactone פונקציונליות בכל שלב העיבוד. סרטים בדוגמת להראות עוביים ומבוקרות היטב התואמים פולימר מברשות (~ 90 ננומטר) או מבנים תפור במיוחד (μm ~ 1-10). דוגמאות מילוי של מברשות מופקות בעזרת בהמראה או parylene או ממשק מכוונת מכלול השיטות המתוארות והם שימושי עבור אפנון מדויק של בסך הכל כימיים תגובתיות פני השטח על-ידי התאמת גם PGMA –b– PVDMA תבנית צפיפות או אורך הרחוב VDMA. לעומת זאת, העבה, תפור PGMA –b– PVDMA דפוסי מתקבלים באמצעות טכניקה הדפסה מותאמת אישית מיקרו-צור קשר, ומציעים את היתרון של העמסה גבוה יותר או לכידה של חומר משני עקב גבוה יותר שטח על יחסי נפח. השלבים המפורטים ניסיוני, אפיוני קולנוע ביקורתית, ומדריכים וגישה לפתרון בעיות עבור כל שיטת ייצור הם דנו.
Introduction
פיתוח טכניקות ייצור המאפשרים שליטה צדדי ומדויק של פונקציונליות משטח כימית וביולוגית רצוי עבור מגוון של יישומים, לכידה של מזהמים סביבתיים, להתפתחות של הדור הבא ביולוגיים, שתלים, ורקמות הנדסה מכשירים1,2. פולימרים פונקציונלית הם חומרים מצוינים עבור כוונון דרך “הרכבה מן” או “הרכבה כדי” טכניקות3תכונות פני השטח. גישות אלה מאפשרים שליטה על פני השטח תגובתיות מבוסס על הפונקציונליות כימי של מונומר משקל מולקולרי של פולימר4,5,6. פולימרים מבוססי Azlactone בעוצמה נחקרו בהקשר זה, כפי azlactone קבוצות במהירות זוג עם נוקלאופילים עם שונות בתגובות פתיחת הטבעת. זה כולל ראשי אמינים, כהלים, תיולים וקבוצות הידרזין, ובכך מספק מסלול רב-גוני יותר משטח functionalization7,8. סרטים פולימריים מבוססי Azlactone יש כבר מועסקים שונים סביבתיים וללכוד יישומים ביולוגיים, לרבות analyte9,10, תא תרבות6,11, ו- anti-עכירות / ציפויים אנטי-דבק12. ביישומים ביולוגיים רבים, תכנים azlactone סרטים פולימריים-ננו כדי מיקרומטר פיסיקליות רצוי להקל על השליטה במרחב של biomolecule מצגת, אינטראקציות סלולרי, או כדי לווסת את האינטראקציות משטח13, 14,15,16,17,18. לכן, צריך לפתח שיטות ייצור להציע תבנית גבוהה אחידות עובי הסרט ומבוקרות היטב, מבלי להתפשר על פונקציונליות כימי19.
לאחרונה, Lokitz. ואח פיתח את PGMA –b– PVDMA בלוק קופולימר שהיה מסוגל לתמרן תגובתיות משטח. PGMA כמה בלוקים תחמוצת מניבי משטחים, מניב צפיפויות משטח גבוהה ו- tunable של azlactone קבוצות20. שיטות דיווח עבור תכנים הפולימר הזה עבור יצירה של ממשקים biofunctional השתמש בעבר גישות מסורתיות פוטוליתוגרפיה מלמעלה למטה להפיק סרטים פולימריים לא אחידה עם רקע אזורים מזוהמים עם ממסר חומר photoresist, גורם לרמות גבוהות של אינטראקציות כימיים וביולוגיים שאינם ספציפיים21,22,23. כאן, ניסיונות passivate הרקע אזורים גרמה cross-reaction עם קבוצות azlactone, להתפשר על פולימר תגובתיות. בהתחשב מגבלות אלו, אנו לאחרונה פיתח טכניקות תכנים מברשת (~ 90 ננומטר) או מאוד תפור (μm ~ 1-10) סרטים של PGMA –b– PVDMA לתוך רקעים אינרטי מבחינה כימית או ביולוגית באופן לגמרי השומרת את הכימיקל פונקציונליות של פולימר24. אלה הציגו שיטות לנצל parylene ההמראה, הרכבה מכוון ממשק (אידה) וטכניקות microcontact מותאם אישית ההדפסה (μCP). שיטות נסיוניות מפורטות מאוד עבור אלה גישות המתבנת, כמו גם הסרט קריטי אפיוני אתגרים, מגבלות הקשורות כל טכניקה מוצגים כאן בתבנית בכתב ווידאו.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מציג שלוש גישות תכנים PGMA –b– PVDMA, כל אחד עם ערכת שלו של היתרונות והחסרונות. השיטה ההמראה parylene היא שיטה רב-תכליתי עבור תכנים בלוק פולימרים שותף ב מיקרו לרזולוציה ננו, שימש כמסיכה לעדות אחרות המתבנת מערכות33,34,35. עקב הידבקות משטח חל?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה נתמך על ידי אוניברסיטת מדינת קנזס. חלק של מחקר זה נערך במרכז עבור Nanophase חומרים מדעי, אשר ממומנת ב אוק רידג המעבדה הלאומית על ידי מדעי משתמש מתקני החלוקה, משרד בסיסי אנרגיה למדעים של משרד האנרגיה האמריקני.
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).
