Microfabrication von Nanoporöse Gold-Patterns für Zell-Material-Interaktion Studies

Summary

Wir berichten über Techniken zur Mikrostruktur nanoporöse Gold Dünnschichten durch Schablonendruck und Photolithographie, sowie Verfahren zur Kultivierung von Zellen auf den mikrofabrizierten Muster. Darüber hinaus beschreiben wir Bildanalysemethoden der Morphologie des Materials und der kultivierten Zellen mit dem Rasterelektronenmikroskop und Fluoreszenzmikroskopie zu charakterisieren.

Abstract

Nanostrukturierte Materialien mit Strukturgrößen in zehn Nanometern haben die Leistung von mehreren Technologien, einschließlich Brennstoffzellen, Biosensoren, biomedizinischen Beschichtungen und Drug-Delivery-Tools erweitert. Nanoporöse Gold (np-Au), durch eine Nano-Self-Assembly-Verfahren hergestellt, ist ein relativ neues Material, das großen wirksamen Oberfläche, hohe elektrische Leitfähigkeit und katalytische Aktivität aufweist. Diese Eigenschaften haben np-Au ein attraktives Material für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Die meisten Studien auf np-Au beschäftigen Makroebene Proben und konzentrieren sich auf die Grundlagenforschung des Materials und seiner katalytischen und Sensor-Anwendungen. Die Makro-Skala Exemplare begrenzen np-Au Potenzial in miniaturisierten Systemen, einschließlich biomedizinische Geräte. Um diese Probleme anzugehen, haben wir zunächst beschreiben zwei verschiedene Methoden zur Mikrostruktur np-Au Dünnschichten auf starren Substraten. Die erste Methode beschäftigt manuell hergestellt Stencilmasken zum Erstellen Millimeter-Skala np-Au-Muster, while die zweite Methode verwendet lift-off Photolithographie Muster Sub-Millimeter-Skala-Muster. Da die np-Au Dünnschichten durch Sputter-Abscheidung erhalten werden, sind sie kompatibel mit herkömmlichen Mikrofabrikationstechniken, wodurch zugänglich facile Integration in Mikrosysteme. Diese Systeme umfassen elektrisch adressierbaren Biosensorplattformen profitieren vom hohen effektiven Oberfläche, die elektrische Leitfähigkeit und Gold-Thiol-basierte Oberfläche Biokonjugation. Wir beschreiben Zellkultur, Immunfärbung und Bildverarbeitung Techniken np-Au Interaktion mit Säugerzellen, die ein wichtiger Performance-Parameter für einige Biosensoren ist zu quantifizieren. Wir erwarten, dass die hier dargestellten Techniken wird die Integration von np-Au in Plattformen unterstützen auf verschiedenen Längenskalen und in zahlreichen Anwendungen, einschließlich Biosensoren, Energiespeicher und Katalysatoren.

Introduction

<p class="jove_content"> Materialien mit nanoskaligen Eigenschaften haben Versprechen in Weiterentwicklung von verschiedenen Anwendungen, einschließlich Brennstoffzellen gezeigt¹, Sensoren^2,3 Und biomedizinische Geräte^4,5. Ein relativ neues Material nanoporöse Gold (Au-np), die durch eine nanoskalige Selbstorganisation hergestellt wird. Der Vorläufer np-Au ist eine Goldlegierung, die am häufigsten aus Silber bei 60% bis 80% bezogen auf Atomprozent. Kurz gesagt, ist die charakteristische offenporigen Nanostruktur das Ergebnis der Neuordnung der Goldatome in Clustern als Silber mit einer starken Säure aufgelöst wird (<em> ZB</em> Salpetersäure 70%) oder in einem elektrochemischen Potenzial^6-8. Np-Au Nutzen verschiedener wünschenswerte Eigenschaften, einschließlich der großen effektiven Oberfläche, eine hohe elektrische Leitfähigkeit, etablierte Oberfläche Funktionalisierungstechniken und Biokompatibilität⁹. Auch wenn es eine schnelle Ausweitung der Studien auf np-Au, die meisten von ihnen auf die mechanischen Eigenschaften np-Au Konzentrieren^10,11, Katalytische Aktivität¹² Und molekularbiologische Erfassungsleistung^13-15. Während die wünschenswerte Eigenschaften sind sehr nützlich für verschiedene biomedizinische Werkzeuge^16,17 Haben die Anwendungen in diesem Bereich begrenzt. Ein möglicher Grund dafür ist, dass die meisten Studien haben überwiegend Makroebene Proben verwendet (<em> ZB</em> Der Bleche, Folien und Barren) und die Techniken zur Einarbeitung np-Au in miniaturisierten Systemen blieben unzureichend. In der Tat gibt es nur eine Handvoll Beispiele für die Verwendung herkömmlicher Mikrofabrikationstechniken die np-Au Filme beschäftigen^16-20. Mit dem Aufkommen der Technologie Miniaturisierung und die Notwendigkeit für neue biomedizinische Tools, hat es von entscheidender Bedeutung, um in der Lage sein, um neue Materialien in die Geräte zu integrieren. Dies erfordert in der Regel, dass die Materialien aufgebracht und strukturiert werden können mit herkömmlichen Mikrofabrikationstechniken. Außerdem ist eine schnelle Quantifizierung von Zellmaterial Wechselwirkungen häufig notwendig, die Biokompatibilität eines neuen Materials zu bewerten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, grundlegende Techniken zur Mikrostruktur np-Au Filme zeigen und zu quantifizieren sowohl Nanostruktur und Zell-Material-Wechselwirkungen über digitale Bildverarbeitung.</p>

Protocol

1. Gold-Fabrication Nanoporöse Saubere Substrate in Piranha-Lösung In 25 ml Wasserstoffperoxid (30%) auf 100 ml Schwefelsäure (96%) in einem Kristallisationsschale und die Mischung auf 65 ° C auf einer Heizplatte. ACHTUNG: Die Flüssigkeiten sind extrem ätzend und muss mit Vorsicht behandelt werden. Die verbrauchte Lösung sollte nicht in einem verschlossenen Behälter aufbewahrt werden, da sie explodieren können. Platz 1-Zoll mit 3-Zoll-Objektträgern in die Mischung unter Verwendung…

Representative Results

Abbildung 1 fasst die wichtigsten Verfahrensschritte, einschließlich der Erstellung der np-Au-Muster, das Kultivieren von Zellen, die Quantifizierung der Nanostruktur und Charakterisierung Zellmorphologien. Das Elastomer Schablone in 2a gezeigt (oben) ist für die Erstellung der np-Au-Muster in den Bildern unten gezeigt werden. 2b ist ein Foto von der Porzellan-Boot für die Batch-Verarbeitung Proben. Abbildung 2c zeigt die Farbänderung der abgeschied…

Discussion

Wir zeigen zwei verschiedene Techniken, um Mikrostruktur np-Au Filme für den Ausbau der Nutzung dieser Filme in der Mikrosystemtechnik und biologische Studien. Sputter-Beschichtung Gold und Silber ist eine vielseitige Methode, um np-Au-Muster zu erstellen, wie Sputtern ist kompatibel mit konventionellen microfabrication Prozesse und die Legierung Zusammensetzung und Dicke leicht durch Variation der einzelnen Sputterkanone Mächten gesteuert werden kann (für Gold-und Silber-Ziele) und die Abscheidung jeweils. Typische …

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