Fabrikere reaktive overflater med børste som og krysskoblet filmer av Azlactone-Functionalized blokk co polymerer
Summary
Overflaten fabrikasjon metoder for mønstret deponering av nanometer tykk børster eller mikron tykk, krysskoblet filmer av en azlactone blokk co polymer rapporteres. Kritisk eksperimentelle trinn, representant resultater og begrensningene for hver metode diskuteres. Disse metodene er nyttige for å lage funksjonelle grensesnitt med skreddersydd fysiske funksjoner og tunable overflaten reaktivitet.
Abstract
I dette papiret, fabrikasjon metoder som genererer romanen flater med den azlactone-baserte blokk co polymer, poly (glycidyl methacrylate) –blokk– poly (vinyl dimethyl azlactone) (PGMA –b– PVDMA), presenteres. På grunn av den høye reaktivitet av azlactone mot Amin, thiol og hydroksyl grupper, kan PGMA –b– PVDMA overflater endres med sekundær molekyler å lage kjemisk eller biologisk functionalized grensesnitt for en rekke applikasjoner. Tidligere rapporter om mønstret PGMAb– PVDMA grensesnitt har brukt tradisjonelle ovenfra og ned mønstre teknikker som genererer ikke-uniform filmer og dårlig kontrollert bakgrunn kjemikalier. Her beskriver vi tilpasset mønstre teknikker som nøyaktig deponering av svært ensartet PGMA –b– PVDMA filmer i bakgrunner som er kjemisk inert eller som har biomolecule frastøtende egenskaper. Disse metodene er viktigere, utformet innskudd PGMA –b– PVDMA filmer på en måte som helt bevarer azlactone funksjonalitet gjennom hvert. Mønstret filmene godt kontrollerte tykkelser som tilsvarer polymer børster (~ 90 nm) eller svært krysskoblet strukturer (~ 1-10 μm). Pensel mønstre genereres ved hjelp av enten parylene lift-off eller grensesnitt regissert montering metoder beskrevet og er nyttig for presis modulering av samlet kjemiske overflaten reaktivitet ved å justere enten PGMA –b– PVDMA mønster tetthet eller lengden på VDMA blokken. Derimot tykke, krysskoblet PGMA –b– PVDMA mønstre er hentet ved hjelp av tilpassede Utskriftsteknikk som mikro-kontakt og tilbyr nytte av høyere lasting eller fangst av sekundær materiale på grunn av høyere areal til volum prosenter. Detaljert fremgangsmåte for eksperimentell, kritiske filmen karakteristikkene og feilsøking guider for hver fabrikasjon metode diskuteres.
Introduction
Utvikle fabrikasjon teknikker som tillater for allsidig og presis kontroll av kjemiske og biologiske overflaten funksjonalitet er ønskelig for en rekke applikasjoner, fra fangst av miljøgifter til utvikling av neste generasjon biosensors, implantater og vev engineering enheter1,2. Funksjonell polymerer er utmerket materiale for tuning overflateegenskaper gjennom “pode fra” eller “pode å” teknikker3. Disse metodene tillater kontroll over overflaten reaktivitet basert på kjemiske funksjonaliteten til monomer og molekylvekt av polymer4,5,6. Azlactone-baserte polymerer har vært intenst undersøkt i denne sammenheng som azlactone grupper raskt par med forskjellige nucleophiles i ring-åpning reaksjoner. Dette inkluderer primære aminer, alkoholer, thiols og hydrazine grupper, derved skaffer en allsidig rute for ytterligere overflate functionalization7,8. Azlactone-baserte polymer filmer har vært ansatt i ulike miljø og biologisk programmer inkludert analytt fange9,10, celle kultur6,11og anti-fouling / anti-lim belegg12. Mange biologiske programmer er mønstre azlactone polymer filmer på nano til mikrometer lengde skalaer ønskelig å lette romlige kontroll over biomolecule presentasjon, mobilnettet interaksjoner, eller å modulere overflaten interaksjoner13, 14,15,16,17,18. Fabrikasjon metoder bør derfor bygges for å tilby høy mønster ensartethet og godt kontrollerte filmen tykkelse, uten at kjemiske funksjonalitet19.
Nylig utviklet Lokitz et al. en PGMA –b– PVDMA blokk kopolymer som var i stand til å manipulere overflaten reaktivitet. PGMA blokker par oksid rentebærende overflater, gir høy og tunable overflaten tettheter av azlactone grupper20. Tidligere brukt rapporterte metoder for mønstre dette polymer for etableringen av biofunctional grensesnitt tradisjonell topp-ned klima og jordsmonn tilnærminger som genererte ikke-uniform polymer filmer med bakgrunn områder forurenset med gjenværende photoresist materiale, forårsaker høye nivåer av ikke-spesifikk kjemiske og biologiske interaksjoner21,22,23. Her, forårsaket forsøk på å passivate bakgrunn regioner kryssreaksjon med azlactone grupper, akkord polymer reaktivitet. Vurderer disse begrensningene vi nylig utviklet teknikker for mønstre pensel (~ 90 nm) eller svært krysskoblet (~ 1-10 μm) filmer av PGMA –b– PVDMA i kjemisk eller biologisk inert bakgrunner på en måte som helt bevarer kjemiske funksjonaliteten til polymer24. Dette presenterte metoder benytter parylene lift-off grensesnitt-rettet montering (IDA) og egendefinerte microcontact utskrift (μCP) teknikker. Svært detaljerte eksperimentelle metoder for disse mønstre tilnærminger, samt kritiske filmen karakterisering og utfordringer og begrensninger forbundet med hver teknikk presenteres her i skriftlig og video format.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikkelen presenterer tre tilnærminger til mønster PGMA –b– PVDMA, hver med sitt sett med fordeler og ulemper. Metoden parylene lift-off er en allsidig metode for mønstre blokk co polymerer på micro nanoskala oppløsning, og har vært brukt som deponering maske i andre mønstre systemer33,34,35. På grunn av sin relativt svake overflaten vedheft, kan sjablongen parylene enkelt fjernes fra overflaten av sonica…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble støttet av Kansas State University. En del av denne forskningen ble utført ved Center for Nanophase materialer fag, som er sponset ved Oak Ridge National Laboratory av vitenskapelige bruker fasiliteter divisjon, Office for energi basalfag og U.S. Department of Energy.
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).
