اختﻻق السطوح المتفاعلة مع مثل الفرشاة وأفلام كروسلينكيد فونكتيوناليزيد أزلاكتوني كتلة المشارك البوليمرات
Summary
وترد أساليب تصنيع السطحية لترسب منقوشة نانومتر سميكة الفرش أو ميكرون سميكة، والأفلام كروسلينكيد أزلاكتوني كتلة البوليمر المشارك. وتناقش الخطوات التجريبية الهامة والنتائج الممثل، والقيود المفروضة على كل أسلوب. هذه الأساليب مفيدة لإنشاء واجهات وظيفية مع السمات البدنية مصممة والانضباطي مفاعليه السطحية.
Abstract
في هذه الورقة، وأساليب التصنيع التي تولد رواية الأسطح باستخدام البوليمر المشارك كتلة المستندة إلى أزلاكتوني، بولي (ميتاكريليت جليسيديل)-كتلة-بولي (الفينيل ثنائي ميثيل أزلاكتوني) (PGMA-ب-بفدما)، وترد. سبب مفاعليه عال من مجموعات أزلاكتوني نحو مجموعات هيدروكسيل أمين وثيول، يمكن تعديل PGMA-ب-بفدما الأسطح مع جزيئات الثانوية لإنشاء واجهات فونكتيوناليزيد كيميائيا أو بيولوجيا لمجموعة متنوعة من التطبيقات. واستخدمت التقارير السابقة منقوشة PGMA-ب-بفدما واجهات التقنيات التقليدية من أعلى إلى أسفل الزخرفة التي تولد الأفلام غير موحدة وكيمياء الخلفية الخاضعة للرقابة. هنا، يمكننا وصف تقنيات الزخرفة مخصصة التي تمكن ترسب دقة عالية موحدة PGMA-ب-بفدما الأفلام في الخلفيات خاملة كيميائيا أو التي لها خصائص طارد بيوموليكولي. الأهم من ذلك، تهدف هذه الأساليب إلى إيداع PGMA-ب-بفدما الأفلام بطريقة تحفظ تماما وظيفة أزلاكتوني من خلال كل خطوة من خطوات التجهيز. أفلام منقوشة تبين سمك جيدا الخاضعة للرقابة التي تتوافق مع فرش البوليمر (~ 90 nm) أو للغاية كروسلينكيد الهياكل (~ 1-10 ميكرومتر). حشوات الفرشاة يتم إنشاؤها باستخدام أما زنتها parylene أو واجهة الموجه الأساليب الجمعية المذكورة، وهي مفيدة للتعديل الدقيق من مفاعليه السطحية عموما الكيميائية عن طريق ضبط أما PGMA-ب-بفدما نمط كثافة أو طول كتلة فدما. وفي المقابل، سميكة، كروسلينكيد PGMA-ب-بفدما أنماط يتم الحصول عليها باستخدام تقنية طباعة حسب الطلب الجزئي للاتصال وتتيح الاستفادة تحميل أعلى أو التقاط المواد الثانوية بسبب ارتفاع المساحة السطحية لنسب حجم. وتناقش الخطوات التجريبية مفصلة والأوصاف الفيلم حرجة وأدلة مبسطة لحل المشاكل لكل أسلوب التصنيع.
Introduction
تطوير تقنيات التصنيع التي تسمح بتحكم دقيق وتنوعاً في وظيفة سطح الكيميائية والبيولوجية أمر مرغوب فيه لمجموعة متنوعة من التطبيقات، من القبض على الملوثات البيئية إلى تطوير الجيل القادم أجهزة استشعار العوامل البيولوجية وزرع الأنسجة هندسة الأجهزة1،2. البوليمرات الوظيفية مواد ممتازة لضبط الخصائص السطحية من خلال “التطعيم من” أو “التطعيم إلى” تقنيات3. تسمح هذه النهج للسيطرة على سطح مفاعليه على أساس وظيفة الكيميائية مونومر والوزن الجزيئي للبوليمر4،،من56. قد درسنا البوليمرات المستندة إلى أزلاكتوني مكثف في هذا السياق، كمجموعات أزلاكتوني الزوجان سريعاً مع نوكليوفيليس مختلفة في افتتاح حلقة ردود الفعل. وهذا يشمل الأمينات الأولية والكحوليات وثيولس ومجموعات الهيدرازين، مما يوفر طريقا تنوعاً لمزيد الروغان السطحية7،8. أفلام البوليمر القائم على أزلاكتوني وقد استخدمت في مختلف البيئية والتطبيقات البيولوجية بما في ذلك أكثر التقاط9،10، وخلية الثقافة6،11، والقاذورات/ 12من الطلاءات المضادة مادة لاصقة. في العديد من التطبيقات البيولوجية، الزخرفة أزلاكتوني البوليمر الأفلام في نانو إلى جداول طول ميكرومتر أمر مرغوب فيه تسهيل السيطرة المكانية للعرض بيوموليكولي، التفاعلات الخلوية، أو تعدل التفاعلات السطحية13، 14،،من1516،،من1718. ولذلك، ينبغي وضع أساليب التصنيع لتقديم نمط عال من التوحيد وسمك الفيلم التي تسيطر عليها جيدا، دون المساس بوظائف الكيميائية19.
في الآونة الأخيرة، وضعت لوكيتز et al. PGMA-ب-بفدما كتلة كوبوليمر التي كانت قادرة على التلاعب بمفاعليه السطحية. PGMA زوجين كتل للسطوح الحاملة لأكسيد، تسفر عن الكثافة السطحية العالية والانضباطي من أزلاكتوني المجموعات20. طرق المذكورة سابقا للزخرفة هذا البوليمر لإنشاء واجهات المستخدم بيوفونكشونال التقليدية من أعلى إلى أسفل التصويرية النهج التي ولدت أفلام البوليمر غير موحدة مع خلفية المناطق الملوثة ببقايا المواد مقاوم الضوء، تسبب مستويات عالية من التفاعلات الكيميائية والبيولوجية غير محددة21،،من2223. بسبب محاولات تخميل المناطق الخلفية هنا، كروسريكشن مع مجموعات أزلاكتوني، المساس بمفاعليه البوليمر. ونظرا لهذه القيود، فنحن مؤخرا بوضع تقنيات للزخرفة الفرشاة (~ 90 nm) أو الغاية كروسلينكيد (~ 1-10 ميكرومتر) أفلام PGMA-ب-بفدما إلى خلفيات خاملة كيميائيا أو بيولوجيا في بطريقة تحفظ تماما المادة الكيميائية وظائف البوليمر24. هذه قدم أساليب الاستفادة زنتها parylene والجمعية واجهة الموجه (IDA)، وتقنيات مخصصة ميكروكونتاكت (μCP) الطباعة. وترد أساليب تجريبية مفصلة للغاية لهذه النهج الزخرفة، فضلا عن الأوصاف الفيلم الحرجة والتحديات والقيود المرتبطة بكل أسلوب هنا في شكل مكتوب والفيديو.
Protocol
Representative Results
Discussion
تعرض هذه المقالة الطرق الثلاث للزخرفة PGMA-ب-بفدما، كل منها مجموعة من المزايا والعيوب. الأسلوب زنتها parylene هو أسلوب متعدد الاستخدامات للزخرفة كتلة البوليمرات المشارك في الدقيقة للقرار النانو، وقد استخدمت كقناع لترسب في غيرها الزخرفة نظم33،،من34<sup cl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا البحث جامعة ولاية كانساس. وقد أجرى جزء من هذه البحوث في المركز “علوم المواد نانوفاسي”، الذي شارك في مختبر أوك ريدج الوطني شعبة المرافق المستخدم العلمي و “مكتب العلوم الأساسية في الطاقة” و “وزارة الطاقة في الولايات المتحدة”.
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).
