在光刻技术定义的聚对二甲苯-C细胞图案：二氧化硅<sub&gt; 2</sub&gt;基板

摘要

本协议描述了一个微加工兼容的方法在SiO ₂细胞图案。预定义聚对二甲苯-C设计光刻印刷在SiO ₂晶片。温育后用血清（或其它活化溶液）细胞粘附具体地（和根据的符合性生长）相关的聚对二甲苯-C，而被排斥由SiO ₂区。

摘要

细胞图案平台支持广泛的研究目标，如建设预定义的体外神经网络和细胞生理学的某些主要方面的探索。要轻松地结合细胞图案用多电极阵列（MEA）和技术的硅基'在一个芯片上的实验室“，进行精微兼容协议是必需的。我们描述了利用了在SiO ₂晶片的聚合物聚对二甲苯-C沉积的方法。光刻使的聚对二甲苯-C精确和可靠的图案在微米级的分辨率。通过浸渍在胎牛血清（或另一特定活化溶液）中的衬底的结果，其中培养的细胞粘附，或由聚对二甲苯或SiO ₂区分别被击退后续激活。这种技术允许范围广泛的细胞类型（包括主要鼠海马细胞，HEK 293细胞系，人类神经元样畸胎的图案细胞系，原代鼠小脑颗粒细胞和​​原代人脑胶质瘤衍生的干细胞样细胞）。然而有趣的是，该平台是不通用的，反映了细胞特异性粘附分子的重要性。此细胞图案化工艺是成本有效的，可靠的，并且重要的是可结合到标准的微细加工（芯片制造）协议，集成微电子技术铺平了道路。

引言

可以理解，听写细胞粘附和形成图案的合成材料的机制是用于诸如组织工程，药物发现和生物传感器^1-3的制造中很重要的。许多技术可用，演变，影响细胞粘附的无数生物，化学和物理因素的每次服用的优势。

在这里，我们描述了一个，利用微电子制造的目的最初开发过程中的细胞图案化技术。因此，该平台是占尽天时地利，使微电子技术，如多边环境协定下游一体化，进入图形化平台。

细胞膜和相邻材料之间的界面是双向的和复杂的。 在体内 ，胞外基质蛋白提供结构和强度，并通过与细胞粘附受体的相互作用在细胞行为的影响。同样，细胞v中ITRO与合成底物通过蛋白⁴的吸收的层相互作用而物理-化学影响也调节粘合力。例如，聚合物表面可以呈现更多的“润湿”（亲水的）通过离子或紫外线照射，或蚀刻用酸或氢氧化⁵治疗。用于细胞图案建立的方法利用这些和其他细胞粘附介质。例子包括喷墨印刷^6，微接触压印^7，物理固定^8，微流体^9，实时操作^10，和选择性的分子组装形成图案^{（SMAP）11。}每个人都有特定的优点和局限性。在我们工作的一个关键驱动因素，但是，是细胞图案集成微机电系统（MEMS）。

微机电系统是指由电力驱动的非常小的机械装置。这与纳米相当于nanoelectromech重叠anical系统。这个概念变成了现实，只有当半导体的策略使制造要发生在微尺度。半导体电子独自开发的微​​细加工技术已在不经意间被发现的其他用途，如细胞电很有用，例如。一个关键的下游目标是这样的微电子技术，具有高的保真度细胞图案化工艺（形成微机电装置）结合。几个现有的及以其他方式可靠，实用的细胞图案化技术是这种想法不兼容。例如，任意的嵌入式微电子学或生物传感器的精确对齐是至关重要的它们的功效，但极难实现使用技术如微接触压印。

为了解决这个问题，我们正在使用光刻印刷聚对二甲苯-C的SiO ₂为基础的图形平台。光刻涉及的几何特征从转让掩模，通过紫外线照射的基片。蒙版是使用适当的计算机辅助设计程序设计。后的玻璃板上，薄薄的一层不透明的铬的代表所需的几何图案（1-2毫米的特征分辨率是可能的）。要形成图案的基板上涂有一薄层光阻剂（紫外线敏感的聚合物）。涂覆的聚合物然后对准并使其与掩模紧密接触。可以用紫外线源被应用，使得未受保护的区域进行照射，因此变得可溶并可除去在接下来的显影步骤，使掩模图案的聚对亚二甲苯-C表示后面。这个过程起源的半导体器件的开发期间。因此，硅晶片被频繁用作基板。的聚对二甲苯-C在SiO ₂光刻沉积，因此是一个简单而可靠的过程，通常发生在微电子洁净室设施。

虽然聚对二甲苯有几个理想的生物工程特性（化学惰性，非生物降解的），一个限制其在细胞图案直接使用的因素是其天生的穷细胞的粘附性，部分归因于它的极端疏水性。然而，聚对二甲苯-C先前已经间接地用于细胞图案化，例如作为可剥离的蜂窝模板^12,13。这种方法是通过分辨率差的限制，需要多个步骤。这里所描述的过程，而不是利用酸蚀刻步骤，随后血清孵育，以确保聚对二甲苯-C的区域成为细胞粘接性，通过降低疏水性和血清蛋白结合的结合。

最终的结果是一个两个不同基材其中，生物活化后，表现出各自的细胞质粘性或细胞质-斥力等特性代表一个有效的细胞图案化平台组成的构建体。重要的是，没有必要引入生物股份公司ENTS进入无尘室设施作为图案化衬底可被存储为使用无限期之前（于是他们正在使用的胎牛血清或另一个激活溶液激活）。

因此，本parylene-C/SiO ₂图案平台是一个很好的候选人与MEMS元件的联盟，因为制造工艺如此密切反映那些用于微电子制造。

研究方案

1。制作在SiO ₂的Parylene模式的：处理流程（见图1）

1. 使用布局编辑软件，能够读/写到岸价（加州理工学院的中级形态）或GDS-II（图形数据库系统-II）的文件设计所需的聚对二甲苯-C的配置。 CIF和GDS-II是行业标准文件格式为集成电路艺术品布局。
2. 委员会光罩制造到适当的微电子设备，或使内部设施是否存在。
3. 在950℃下氧化的硅晶片在常压卧式炉（H ₂ 1.88 SLM和O ₂ 1.25 SLM）40分钟，以产生一200 nm的SiO ₂层（厚度确认用小点的光谱反射率计）。
4. 素的氧化晶片用硅烷粘合促进剂。现在沉积的聚对二甲苯-C在22℃时的二聚物1.298纳米/毫克使用专门设计以沉积聚对二甲苯真空沉积系统的速度。 A 100nm厚的聚对二甲苯-C涂层用于如下所示的所有例子。
5. 下一个存款六甲基二硅氮烷（HMDS），粘合促进剂使用合适的光致抗蚀剂涂层系统中的聚对二甲苯涂覆的晶片上。
6. 现在旋转晶片以4,000 rpm离心30秒，而施加正光刻胶（导致1μm的理论厚度），使用相同的光致抗蚀剂涂层系统如上述。
7. 在90℃下软烘烤该晶片60秒
8. 插入两个晶片和预制造光掩模成掩模对准器。
9. 暴露的光致抗蚀剂涂覆的晶片用所需的聚对二甲苯-C结构的紫外负表示。
10. 在110℃下烘烤曝光的晶片60秒
11. 删除所有暴露的晶圆在适当的显影液显影光致抗蚀剂。
12. 蚀刻掉未受保护的聚对二甲苯。使用氧等离子体刻蚀系统（在50毫托腔室压力，49 sccm的O _2，100瓦的RF功率13.56MHz，并且为100nm /分钟）的蚀刻速率，以露出底下的SiO _2。
13. 使用适当的切割锯（主轴转速30,000 rpm，填料速度7毫米/秒）切块的晶圆。
14. 芯片冲洗用去离子H ₂ O和氮气吹干。
15. 存储芯片（无限期）在无尘箱，直到需要。

2。芯片的清洗和激活：协议

1. 洗丙酮，持续10秒从芯片去除残留的光刻胶。
2. 在冲洗用去离子H _{2 O}的3倍。
3. 弥补新鲜食人鱼酸（5:3比例的30％过氧化氢和98％硫酸）。
   注意：准备食人鱼酸小心翼翼。它是一个非常强大的氧化剂，是强酸性，并混合过氧化氢与硫酸反应是放热反应。在酸性通风柜执行这个阶段。允许2分钟通过混合食人鱼酸，但后20分钟内使用。
4. 清洁和蚀刻芯片浸入PIranha酸10分钟。
5. 冲洗3倍筹码在去离子H ₂ O和转移到无菌培养皿中。
6. 现在激活芯片细胞图案。例如，添加每孔两个芯片到6孔板，然后加入2ml胎牛血清，充分沉浸在所有的筹码。执行此操作，和所有随后的细胞培养阶段，在层流组织培养罩在无菌条件下。
7. 在孵育血清3-12小时的芯片在37°C
   注：步骤2.4-2.7应按顺序和无级之间的延迟执行。如果血清激活由≥24小时后延迟食人鱼处理，细胞图案是由于来自SiO ₂区减少细胞排斥减值。
   可以代替胎牛血清的可以使用含有特定细胞粘附蛋白替代激活解决方案。这样的解决方案改变的两种截然不同的底物（见代表性的结果的例子）的细胞粘附特性。

3。电镀细胞系片：协议

1. 从它们的活化溶液中除去芯片和洗一次，持续​​10秒的Hank平衡盐溶液。
2. 芯片放置在一个良好的文化和板选择的细胞类型作为其一贯的生长介质的悬浮液。最佳细胞铺板密度既取决于细胞类型和片上的聚对二甲苯-C的几何图案。 5×10 ^4个细胞/ ml的密度是一个明智的起点。
3. 成像是针对底层的动机细胞图案，但活细胞的行为可以很容易地使用解剖显微镜和数码相机用合适的中继透镜评估。

结果

图案化的SiO ₂用聚对二甲苯-C的光刻工艺示于图1。一旦准备，活化的胎牛血清的芯片能够广泛的文化图案化的细胞类型。我们小组已经成功地图案化的原代鼠海马细胞^14-16的HEK 293细胞系^17，人的神经元样畸胎癌（HNT）细胞系^18，原代鼠小脑颗粒细胞和原代人脑胶质瘤来源的干细胞样细胞。

图3显示的HEK 293细胞的组成上以“十字型”圆形扩展节点的聚对二甲苯模式强大的图形。芯片激活在这个例子中是胎牛血清。与此相反， 图4示出了通过使用替代的活化溶液，以增加图案形成平台的潜力。使用牛血清白蛋白（3毫克/毫升）的溶液和纤连蛋白（1微克/毫升）在HBSS中，前面的图案形成信条已经反转。

图5示出了不同的细胞类型（从高级别胶质瘤衍生的主要来自人的干细胞样细胞系）。这里，底层的图案影响细胞行为的几何形状，与图4A中所示的模式促进细胞生长过程中沿薄的聚对二甲苯-C跟踪， 如图4B和4C。

某些细胞类型使用已建立的胎牛血清激活协议时不要格局。 图6说明3T3 L1细胞成长至汇合与聚对二甲苯-C和SiO ₂区之间没有明显细胞质，排斥或细胞质粘性差。

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图1。流示出的过程中在SiO ₂上的聚对二甲苯-C的模式制造图。

图2示出了用于在芯片激活步骤图案化聚对二甲苯-C和SiO ₂结构域的变化的接触角。

图3。 HEK 293细胞后在体外三天parylene-C/SiO ₂培养的活细胞成像。薯条温育3小时的胎牛血清后的细胞以5×10 ⁴个细胞/ ml的浓度接种在悬浮液中。聚对二甲苯-C促进细胞黏附，而裸露的SiO ₂排斥细胞。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4。 HEK的活细胞成像293细胞培养于parylene-C/SiO ₂后在体外 3天芯片3小时在不同的理性化活化激活解决方案：A：胎牛血清，B：玻连蛋白（1微克/毫升）在HBSS， C：牛血清白蛋白（3毫克/毫升）+玻连蛋白（1微克/毫升）在HBSS中，D：牛血清白蛋白（3毫克/毫升）+纤连蛋白（156克/毫升）的HBSS中。细胞接种是在悬浮液以5×10 ⁴个细胞/ ml的密度。请注意如何处理不同的芯片，导致逆转先前的图案教条，与SiO ₂的现在粘合剂和聚对二甲苯-C排斥的。聚对二甲苯-C节点直径250微米，改编自Hughes 等 ¹⁷ 请点击此处查看该图的放大版本。

图5。原代人脑胶质瘤来源的干细胞样细胞的免疫荧光图像上生长的聚对二甲苯-C上的SiO ₂甲各种图案。示意示出在B和C所示的网状的聚对二甲苯设计 B：固定细胞的荧光显微照片（ 体外后4天）染色胶质纤维酸性蛋白（GFAP）C：活细胞在同一芯片上的光显微镜D：荧光图像说明在不同的聚对二甲苯GFAP染色细胞。设计E：该节点的反射图像并讲话聚对二甲苯设计成像在D中，请点击这里查看该图的放大版本。

图6。 3T3 L1细胞体外后四天parylene-C/SiO ₂培养的活细胞成像。芯片后，瓦特在胎牛血清3小时激活HICH细胞接种在悬浮液（3×10 ⁴个细胞/ ml）。在这种情况下，该平台不使图案，与细胞变得同样融合于聚对二甲苯-C和SiO ₂区。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

芯片在食人鱼酸浸不仅用于除去任何残余的有机材料，但也蚀刻在衬底表面上。这是关键，为了能够有效地激活胎牛血清。如果不这样做可防止细胞图案化和深刻地改变芯片上细胞的行为。有没有要求清洗与食人鱼酸后消毒芯片。确实杀菌的紫外线照射已显示出削弱以剂量依赖的方式¹³细胞图案。必须注意的光刻工艺后洗掉所有的残余光致抗蚀剂。坚持光刻胶可以充当覆盖图案由parylene-C/SiO ₂的几何形状决定的不必要的细胞质粘合层。使用上面，并与规定的试剂中所述的光刻工艺时，丙酮是有效的。然而，其他类型的光致抗蚀剂可能需要不同的溶剂中进行。

评估differe的影响，并成功nt的制造步骤中，有两种截然不同的基板的接触角可以被测量。 图2示出在芯片激活过程中发生的改变。这是有可能的，但是，在特定的血清粘合剂和排斥力蛋白质组分最终使聚对二甲苯图案芯片以发挥其各自的细胞质粘性或细胞质推斥特性。

所有代表性的成果使用的芯片为100 nm的聚对二甲苯厚度，尽管我们已经同时使用较厚和较薄的聚对二甲苯层成功地图案。重要的是，这种光刻技术允许的聚对二甲苯配置更大的三维控制比这里的说明。例如，在使用光掩模的组合，它可以创建混合厚度的聚对二甲苯的区域。这将打开的方式与定义的三维地形生成的细胞培养，超越的细胞粘附/斥力简单地发号施令地区锡永，潜在地提供集成的微流体通道到所述构建的一种手段。

如图所示，但是，该图案化平台不是普遍横跨细胞类型有效。不同的细胞系，与他们不同的细胞粘附分子型材，勿庸置疑有不同的行为在这个平台上培养时。我们还没有发现血清中的关键部件，也没有免费的细胞膜受体，它巩固这种细胞图案化平台。在未来这样做的承诺，以扩大其实用性和特异性。例如，一个“非图案化”的细胞系可被遗传修饰，以表达所需的粘附分子，因此促进形成图案。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Layout editor software package	CleWin 5.0 from WieWeb		Capable of reading/writing CIF or GDS-II files. Used to create parylene design for photo mask manufacture. http://www.wieweb.com/ns6/index.html
Bespoke photo mask	Compugraphics International Ltd, Glenrothes, Scotland		Either fabricate in-house of facilities exist or commission. www.compugraphics-photomasks.com
3 in Silicon wafers	Siltronix, Archamps, France		http://www.siltronix.com
Atmospheric horizontal furnace	Sandvik		For oxidizing silicon wafer. http://www.mrlind.com
Small spot spectroscopic reflectometer	Nanometrics		To measure depth of silicon dioxide layer. www.nanometrics.com/
Silane adhesion promoter	Merck Chemicals	1076730050	Preapplied to wafer to encourage parylene deposition. www.merck-chemicals.de/
Parylene-C	Ultra Electronics		www.ultra-cems.com
SCS Labcoter 2 deposition Unit, Model PDS2010	SCS Equipment, Surrye, UK	Model PDS2010	www.scscoatings.com/
Hexamethyldisilazane (HMDS) adhesion promoter	SpiChem		www.2spi.com
Automated track system for dispensing photoresist on wafers; 3 in photo-resist track	SVG (silicon Valley Group)		Automated track system for dispensing photoresist on wafers. A prime oven bakes the wafer and dispenses the adhesion promoter, HMDS. A combination spinner dispenses photoresist. Prebake oven cures the resist.
Photo-resist	Rohm & Haas	SPR350-1.2 positive photo-resist	www.rohmhaas.com/
MA/BA8 photo-mask aligner	Suss Microtech		www.suss.com
Microchem MF-26A developer	Microchem		Removes exposed regions of photoresist. www.microchem.com
JLS RIE80 plasma etch system	JLS Designs		Removes exposed regions of parylene. www.jlsdesigns.co.uk
[header]
DISCO DAD 680 Wafer dicing saw	DISCO Corporation, Japan		www.disco.co.jp
Acetone	Fisher Scientific	A929-4	To wash off residual photoresist.
30% Hydrogen Peroxide	Sigma-Aldrich	H1009	www.sigmaaldrich.com
98% Sulfuric Acid	Sigma-Aldrich	435589	www.sigmaaldrich.com
Fetal Bovine Serum	Gibco-Invitrogen	10437	Standard chip activation. www.invitrogen.com
Hank's Balanced Salt Solution	Gibco-Invitrogen	14170	www.invitrogen.com