Microfabrication av nanoporøse Gold Patterns for Cell-materielle Interaksjonsstudier

Summary

Vi rapporterer om teknikker til micropattern nanoporøse gull tynne filmer via sjablong utskrift og photolithography, samt metoder for å dyrke celler på de microfabricated mønstre. I tillegg, beskriver vi Bildeanalysemetoder å karakterisere morfologi av materialet, og de dyrkede celler ved hjelp av scanning elektronmikroskopi og fluorescensmikroskopi teknikker.

Abstract

Nanostrukturerte materialer med funksjonen størrelser i titalls nanometer har forbedret ytelse av flere teknologier, inkludert brenselceller, biosensorer, biomedisinske enheten belegg, og levering av legemidler verktøy. Nanoporøse gull (NP-Au), frembragt av en nano-skala selv-monteringsprosessen, er et relativt nytt materiale som oppviser stor effektiv overflate, høy elektrisk ledningsevne, og katalytisk aktivitet. Disse egenskapene har gjort np-Au et attraktivt materiale til vitenskapelige samfunnet. De fleste studier på np-Au ansette makro-skala prøver og fokusere på fundamental vitenskap av materialet og dets katalytiske og sensor applikasjoner. De makro-skala prøver begrense np-Au potensial i miniatyriserte systemer, inkludert biomedisinsk enheter. For å løse disse problemene, vi først beskrive to ulike metoder for å micropattern np-Au tynne filmer på stive underlag. Den første metoden benytter manuelt produserte sjablong masker for å skape millimeter skala np-Au mønstre, while den andre metoden bruker lift-off photolithography til mønster sub-millimeter-skala mønstre. Som np-Au tynne filmer er innhentet av frese-avsetning prosessen, de er kompatible med konvensjonelle microfabrication teknikker, og dermed mottagelig for lettvinte integrering i mikrosystemer. Disse systemene inkluderer elektrisk adresserbare biosensor plattformer som drar nytte av høy effektiv areal, elektrisk ledningsevne, og gull-tiol-baserte overflaten bioconjugation. Vi beskriver cellekultur, farging og bildebehandling teknikker for å kvantifisere np-Au interaksjon med celler hos pattedyr, som er en viktig måleparameter for noen biosensorer. Vi forventer at teknikkene illustrert her vil hjelpe integreringen av np-Au i plattformer på ulike lengde-skalaer og i en rekke programmer, inkludert biosensorer, energi lagringssystemer, og katalysatorer.

Introduction

<p class="jove_content"> Materialer med nano-skala funksjoner har vist lovende i å forbedre ulike programmer, inkludert brenselceller¹, Sensorer^2,3, Og biomedisinske enheter^4,5. Et relativt nytt materiale er nanoporøse gull (NP-Au), som er produsert av en nano-skala selv-monteringsprosess. Forløperen til np-Au er en gull-legering som oftest består av sølv ved 60% til 80% av atomær prosentandel. Kort fortalt er den karakteristiske åpne porer nanostrukturen resultatet av omleiring av gull atomer i klynger som sølv er oppløst av en sterk syre (<em> F.eks</em> Salpetersyre 70%) eller i henhold til en elektrokjemisk potensial^6-8. Np-Au ytelser fra flere ønskelige egenskaper, inkludert stor effektiv areal, høy elektrisk ledningsevne, veletablerte overflaten funksjonalisering teknikker og biokompatibilitet⁹. Selv om det har vært en rask utvidelse av studier på np-Au, de fleste av dem fokuserer på np-Au mekaniske egenskaper^10,11, Katalytisk aktivitet¹², Og biomolekylære senseytelsen^13-15. Mens de ønskelige egenskaper er svært nyttig for flere biomedisinske verktøy^16,17, Har søknadene i dette området vært begrenset. En mulig årsak til dette er at de fleste studier har hovedsakelig brukt makro-skala eksemplarer (<em> F.eks</em> Ark, folier, og ingots) og teknikker for å innlemme np-Au i miniatyriserte systemer har vært mangelfull. Faktisk er det bare en håndfull eksempler for å bruke konvensjonelle microfabrication teknikker som benytter np-Au filmer^16-20. Med bruk av miniatyrisering og behovet for nye biomedisinske verktøy, har det blitt viktig å være i stand til å integrere inn i nye materialer enheter. Dette krever vanligvis at materialene kan deponeres og mønstret med konvensjonelle microfabrication teknikker. I tillegg er hurtig kvantifisering av celle-materiale interaksjoner som vanligvis nødvendige for å vurdere biokompatibilitet av et nytt materiale. Målet med denne artikkelen er å demonstrere grunnleggende teknikker for å micropattern np-Au filmer og kvantifisere både nanostruktur og celle-materielle interaksjoner via digital bildebehandling.</p>

Protocol

En. Nanoporøse Gold Fabrication Rene substrater i Piranha løsning Tilsett 25 ml hydrogenperoksyd (30%) til 100 ml svovelsyre (96%) i en krystallisering fatet og varme blandingen til 65 ° C på en varmeplate. FORSIKTIG: væsker er ekstremt etsende og må behandles med forsiktighet. Den brukte oppløsningen bør ikke lagres i en forseglet beholder, som kan eksplodere. Place 1-tommers med 3-tommers mikroskopobjektglass inn i blandingen ved hjelp av syrefaste tang og renses for 10 min. Bruk …

Representative Results

Figur 1 skisserer de store prosedyresteg, inkludert oppretting av de np-Au mønstre, dyrking celler, kvantifisere nanostrukturen, og karakterisere celle morfologi. Elastomeren sjablong vist i figur 2a (øverst) blir brukt for å lage de np-AU mønstrene vist på bildene under. Figur 2b er et fotografi av porselen båt for satsvis behandling prøver. Figur 2c viser fargeendring på det avsatte metall mønstre før og etter dealloying. Den sølvoverflaten…

Discussion

Vi viser to forskjellige teknikker til micropattern np-AU filmer for å utvide bruken av disse filmene i mikrosystemer og biologiske studier. Frese-belegg gull og sølv er en anvendelig metode for å lage np-AU mønstre, som sputtering er forenlig med konvensjonell microfabrication prosesser og at legeringen sammensetning og tykkelse kan lett reguleres ved å variere de enkelte sputtering gun krefter (for gull og sølv mål) og deponering tid henholdsvis. Typisk np-Au film tykkelser fra 200 nm til 2 mikrometer. Sjablong…

Materials

Name of Reagent/Material	Company	Catalog Number	Comments
Gold target	Lesker	EJTAUXX403A2	Precursor to alloy for producing np-Au
Chrome target	Lesker	EJTCRXX353A2	Adhesive layer
Silver target	Lesker	EJTAGXX403A2	Precursor to alloy for producing np-Au
Porcelain boat	Thomas Scientific	8542E40	Used for processing small samples
Nitric acid	Sigma-Aldrich	43873	Used at 70% for dealloying
Sulfuric acid	J.T Baker	7664-93-9	Used at 96% for piranha cleaning
Hydrogen peroxide	J.T Baker	7722-84-1	Used at 30% for piranha cleaning
Biopsy punches	Ted Pella	150xx	Available in several sizes
Silicone elastomer sheets	Rogers Corporation	HT 6240	Available in several thicknesses
Hexamethyldisilazane	Sigma-Aldrich	440191-100ML	Used as adhesion promoter for positive resist
Microposit MF CD26	Shipley	38490	Positive photoresist developer
PRS 3000	J.T Baker	JT6403-5	Positive photoresist stripper
Circular glass coverslips (12 mm)	Ted Pella	26023	Used as substrate for metal patterns and cell culture
Glass slides (1 x 3 inch)	Ted Pella	26007	Used as substrate for metal patterns
Kapton polyimide tape	VWR	82030-950	Used for securing elastomer
Transparency masks	Output City		Used in photolithography http://www.outputcity.com/
Plasma cleaner	Harrick Plasma	PDC-32G	Used for activating glass surfaces
Sputtering machine	Kurt J. Lesker	LAB18	Used for depositing metals