Wir erkennen die finanzielle Unterstützung der NSF Auszeichnung CMMI-1000724.

1A. Primäre Monoschichtbildung on Silicon <ol><li> Cut Silizium-Wafer in 1 cm 2 Substraten, Staub und mit Wasser abspülen und gefiltert Ethanol. </li><li> Entfernen organischer Verunreinigungen durch das Eintauchen des Silizium-Substrate in einer Glasschale mit Nano Streifen bei 75 º C. Nach 15 Minuten spülen jedes Substrat mit entionisiertem, gefiltertem Wasser. </li><li> Legen Sie jedes Substrat in einer 5% igen HF-Lösung (Achtung: HF ist ein extrem gefährliches Material) auf die native Oxidschicht zu entfernen. Nach 5 Minuten trocknen oxidfreie Silizium mit Stickstoff </li><li> Um ein chloriertes Substrat zu erzeugen, sofort tauchen jedes oxidfreie Silizium Stück in einem Szintillationszähler Fläschchen mit 2 ml gesättigter PCl 5 in Chlorbenzol. Diese Lösung sollte bis 0,2 um gefiltert werden. </li><li> Montieren Sie ein Fläschchen Kondensator auf jeder Flasche und legen Sie sie in einem heatblock gesetzt bis 112 ° C für eine Stunde. </li><li> Nach beendeter Reaktion lassen Fläschchen kühl und spülen jedes Oberfläce mit Chlorbenzol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li><li> Zur Bildung einer Propenyl-endet Substrat, statt jedes chlorierte Silizium-Oberfläche in einem Druck Fläschchen mit 4 ml propenyl Magnesiumchlorid. Platzieren Sie jede Druck Fläschchen in einem heatblock bei 130 ° C für 24 Stunden. </li><li> Nehmen Sie jede Druck Durchstechflasche aus dem heatblock und abkühlen lassen. </li><li> Spülen Sie jede Oberfläche schnell mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 1B. Primäre Monoschichtbildung auf Germanium <ol><li> Cut-Germanium-Wafer in 1cm2 Substrate, Staub und mit Wasser abspülen und gefiltert Ethanol. </li><li> Entfernen organischer Verunreinigungen durch Eintauchen der Oberfläche in einer Glasschale mit Aceton für 20 Minuten </li><li> Platzieren Sie jede Oberfläche in eine 10% ige HCl-Lösung für 15 Minuten. Dieser Prozess entfernt gleichzeitig die native Oxidschicht und chloriert der Oberfläche. Nach 5 Minuten trocknen die Substrate mit Stickstoff. </li><li> Um eine Octyl-terminierte Substrat, pla Formce jeder Germanium Oberfläche in einem Druck Fläschchen mit 4 ml Octyl Magnesiumchlorid (2 mM) chloriert. Platzieren Sie jede Druck Fläschchen in einem heatblock bei 130 ° C für 48 Stunden. </li><li> Nehmen Sie jede Druck Durchstechflasche aus dem heatblock und lassen auf Raumtemperatur abkühlen. </li><li> Spülen Sie jede Oberfläche schnell mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 2. NHS Substrat Funktionalisierung auf Silizium und Germanium <ol><li> Bereiten Sie eine gefilterte 0,1 M NHS-Diazirin Lösung in Tetrachlorkohlenstoff. Warnung: Halten Sie Belichtung auf ein Minimum. </li><li> Pipet ein paar Tropfen der Lösung auf die Methyl-terminierten Oberflächen. Anschließend Lösung über die gesamte Fläche verteilt. </li><li> Legen Sie die Oberflächen unter einer UV-Lampe (☐ = 254 nm, 4400/cm2 bei 0,74 Zoll). Lassen Sie die Flächen unter UV-Licht für 30 Minuten reagieren, dann fügen Sie mehr NHS-Diazirin an die Oberfläche und lassen Sie die Reaktion für weitere 30 Minuten gehen. </li><li> Spülen Sie das NHS modifiziert surfaces mit DCM und Ethanol und trocken unter gefiltertem Stickstoff. </li></ol> 3. Small Molecule Funktionalisierung <ol><li> React NHS-modifizierten Substraten in einem 20 mM tert-Butyl-Carbamoyl (Boc-) Ethylendiamin-Lösung in Dichlormethan (DCM) für zwei Stunden bei Raumtemperatur. </li><li> Nach der Reaktion, spülen Sie die Boc-modifizierte Substrat mit DCM und Ethanol. </li><li> DEPROTECT der Boc veränderte Substrat mit 25% Trifluoressigsäure (TFA) in DCM für 1 Stunde bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die resultierende Oberfläche mit DCM, Ethanol und 10% (w / v) Kaliumhydrogencarbonat in Wasser und trocknen Sie unter gefiltertem Stickstoff. </li><li> Analysieren Sie alle Oberflächen mit XPS auf die elementare Zusammensetzung zu bestimmen. </li></ol> 4. Saure Polyurethanacrylat Stamp (PUA) Vorbereitung <ol><li> Verdünnen Acrylat-A um 30% mit Trimethylolpropan Ethoxylat Triacrylat B zur Verringerung der Viskosität. Add Photoinitiatoren C und D der Reaktionsmischung (Abb.Abbildung 6). </li><li> Add Natrium-2-mercaptoethanesulfonate (0,2 g, 1,22 mmol) zu einer 4N HCl-Lösung in Dioxan (10 ml) zugegeben und bei Raumtemperatur für 2 Minuten. </li><li> Filter aus dem Natriumchlorid zuerst durch ein feines Glas-Filter und dann durch einen 0,2 μ m PTFE-Membran Spritzenfilter, um eine klare Lösung von 2-Mercaptoethansulfonsäure in Dioxan leisten. </li><li> Man dampft Dioxan unter vermindertem Druck </li><li> React die daraus resultierenden sulfonsäure mit 2 ml des Polyurethan-Acrylat-präpolymeren Mischung bei Raumtemperatur und anschließend unter Vakuum bei 50 ° C. Achten Sie darauf, völlig frei das Gemisch aus Luftblasen. </li><li> Kühlen Sie die resultierende Lösung auf Raumtemperatur erwärmt und polymerisieren zwischen zwei Objektträger aus Glas oder einem Glasträger und ein Meister durch Bestrahlung mit UV-Licht für 2 Stunden bei Raumtemperatur. </li><li> Nach der Polymerisation, sorgfältig schälen Stempel aus dem Master und waschen Sie den Stempel mit Ethanol und Wasser und trocknen Sie mit gefilterter nitrogen. </li></ol> 5. Katalytische Druck-und SEM / AFM-Analyse <ol><li> Legen Sie die entsprechenden Polyurethan-Acrylat-Stempel auf der Oberseite des NHS-modifizierte Substrat bei Raumtemperatur für 1 Minute ohne externe Last, um sie zusammenzuhalten. </li><li> Nach der Reaktion trennen die Stempel und Substrat. </li><li> Spülen Sie das Substrat mit Ethanol, Wasser und Ethanol dann trocken mit gefiltertem Stickstoff. </li><li> Spülen Sie den Stempel mit Ethanol, Wasser und Ethanol dann trocken mit gefiltertem Stickstoff. </li><li> Halten Briefmarken bei Raumtemperatur vor der nächsten Anwendung. </li><li> Analysieren Sie die erzeugte Muster mit Kontakt-Modus seitlichen atomic force microsopy (AFM) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) </li></ol> 6. Protein Strukturierung und Fluoreszenz-Mikroskopie <ol><li> Tauchen Sie die NHS-gemusterten bifunktionellen Substrat in Lysin-N, N-diessigsäure (20 mM) und Et 3 N (100 mM) in DMF: H20 (1:1) bei Raumtemperatur für 1 Stunde und danach mitWasser und Ethanol. </li><li> Inkubieren Sie die Substrate in einem 50 mM NiSO4 Lösung für 5 min bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die Chelat-Substrate übermäßig mit Wasser und Bindungspuffer (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM Imidazol, pH 7,5) und tauchen Sie in eine gefilterte GFP-Lösung (~ 40 μ M) für 1 Stunde bei 0 ° C. </li><li> Sofort gründlich die Substrate mit Bindungspuffer durch PBS (pH 7,4) folgten. </li><li> Keep Substrate hydriert in PBS bei 0 ° C, bis sie bereit für die Fluoreszenzmikroskopie Analyse wurden. </li></ol> 7. Protein Strukturierung und Fluoreszenz-Mikroskopie <ol><li> Tauchen Sie die NHS-gemusterten bifunktionellen Substrat in Lysin-N, N-diessigsäure (20 mM) und Et 3 N (100 mM) in DMF: H 2 0 (1:1) bei Raumtemperatur für 1 Stunde und anschließend mit Wasser gespült und Ethanol. </li><li> Inkubieren Sie die Substrate in einem 50 mM NiSO 4-Lösung für 5 min bei Raumtemperatur. </li><li> Spülen Sie die Chelat-Substrate übermäßig wit Wasser und Bindungspuffer (20 mM NaP, 250 mM NaCl, 10 mM Imidazol, pH 7,5) und tauchen Sie in eine gefilterte GFP-Lösung (~ 40 pM) für 1 Stunde bei 0 ° C. </li><li> Sofort gründlich die Substrate mit Bindungspuffer durch PBS (pH 7,4) folgten. </li><li> Keep Substrate hydriert in PBS bei 0 ° C, bis sie bereit für die Fluoreszenzmikroskopie Analyse wurden. </li></ol> 8. Repräsentative Ergebnisse: Ein Beispiel für Soft-Lithographie katalytische Nanostrukturierung ist in Abbildung 7 gezeigt. Der Ansatz schafft chemoselektive Muster auf oxidfreie Silizium und Germanium, die orthogonal mit ungleichen chemischen und biologischen Einheiten funktionalisiert werden können. Die Reaktion zwischen dem NHS-functioanlized Substrat und die katalytische gemusterten Stempel führt zur Hydrolyse von NHS-Reste in den Bereichen konformen Kontakt, was zu einem gemusterten bifunktionellen Substrat tragenden Regionen NHS aktiviert und freie Carbonsäuren. Aufgrund der diffusion der freien Natur unserer Methode erreichen wir Auflösung nahe, dass der Photolithographie. Zum Beispiel zeigt Abbildung 7 125 nm Features, die gleichmäßig über die gesamte Siliziumsubstratoberfläche reproduziert wurden. Bemerkenswert ist, kann die katalytische Stempel mehrfach ohne Effizienz wiederverwendet werden. Chemoselektive Funktionalisierung von gemusterten Halbleitern mit Biomolekülen eröffnet sich die Möglichkeit der Integration von traditionellen elektronischen Materialien mit hochselektiver biologischen Substraten für Anwendungen in der Sensorik, Diagnostik und analytischen Bereichen der Forschung. Ein Beispiel einer solchen Funktionalisierung ist in Abbildung 8, wo NHS-gemusterten Silizium selektiv mit Eiweißmolekülen funktionalisiert wurde gezeigt. Durch die Ausnutzung der Differential Reaktivitäten aktiviert und freie Carbonsäuren wir zunächst angebracht Nitrilotriessigsäure-terminierte (NTA) heterobifunktionelle Linker an die NHS-funktionalisierte Regionen und dann die daraus resultierendenNTA-strukturierte Oberfläche als Vorlage für die selektive Bindung von Hexa-Histidin-markierten GFP. Abbildung 8b zeigt deutlich, Differential Fluoreszenzintensität zwischen GFP-modifizierte und hydrolysierte freie Carbonsäure Regionen. Die Größe und Form der replizierten Funktionen sind konsistent zwischen den beiden NHS gemusterte Oberfläche (Abbildung 8a) und GFP-modifizierte Oberfläche (Abbildung 8b), bestätigt die bemerkenswerte Stabilität der Kohlenstoff-passivierte Oberflächen und die Selektivität der Stanz-Ansatz. Das Protokoll ist nicht auf His-getaggten Proteinen begrenzt und kann auf Muster anderen Biomolekülen wie DNA und Antikörpern verwendet werden. <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig1.jpg" alt="Abbildung 1"/> Abbildung 1. Allgemeine Regelung darstellt katalytische Mikrokontaktdrucken <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig2.jpg" alt="Abbildung 2"/> Abbildung 2. Aufbau des zweischichtigen molecular System auf Ge und Si. Primäre Alkyl Monoschicht bildet stabile Ge-C-oder Si-C-Bindungen mit dem Substrat und stellt eine chemisch inert und dicht gepackte System, das den Untergrund vor dem Abbau schützt. (B) Sekundäre Deckschicht stabil CC-Bindungen bildet mit primären Schutzschicht und bietet terminalen funktionellen Gruppen <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig3.jpg" alt="Abbildung 3"/> Abbildung 3. Reaktionsschemata vertreten Bildung von primären Schutzfunktion Monoschichten auf Si (A) und Ge (B) <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig4.jpg" alt="Abbildung 4"/> Abbildung 4. Chemische Funktionalisierung der primären schützenden Monoschicht mit einer hetero-Carben Spender <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig5.jpg" alt="Abbildung 5"/> Abbildung 5. Reaktionsschema zeigt kleines Molekül Modifikationen NHS-funktionalisierten subSubstrate und die entsprechenden XPS-Spektren <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig6.jpg" alt="Abbildung 6"/> Abbildung 6. Zusammensetzung der katalytischen Pre-polymeren Mischung, Polymerisationsbedingungen und REM-Aufnahmen des strukturierten Sulfonsäure-modifizierte Stempel und die entsprechende PMMA-Si-Master <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig7.jpg" alt="Abbildung 7"/> Abbildung 7. SEM und AFM Reibung Bilder von strukturierten SAMs auf Si-und Ge mit einem sauren Stempel <img src="/files/ftp_upload/3478/3478fig8.jpg" alt="Abbildung 8"/> Abbildung 8 Soft-lithographische Strukturierung und Funktionalisierung von passivierten Silizium mit organischen und biologischen Molekülen a:.. REM-Aufnahme der gemusterten NHS modifiziertes Substrat b:. Fluorescent Aufnahme von GFP veränderte Substrat.

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B., Biebuyck, H., Delamarche, E., Michel, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Order+in+microcontact+printed+self-assembled+monolayers.">Order in microcontact printed self-assembled monolayers.</a> J Am Chem Soc. 119 (13), 3017-3026 (1997).</li><li>Michel, B., Bernard, A., Bietsch, A., Delamarche, E., Geissler, M., Juncker, D., Kind, H., Renault, J. P., Rothuizen, H., Schmid, H., Schmidt-Winkel, P., Stutz, R., Wolf, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Printing+meets+lithography:+Soft+approaches+to+high-resolution+printing.">Printing meets lithography: Soft approaches to high-resolution printing.</a> IBM Journal of Research and Development. 45 (5), 697-719 (2001).</li><li>Libioulle, L., Bietsch, A., Schmid, H., Michel, B., Delamarche, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Contact-Inking+Stamps+for+Microcontact+Printing+of+Alkanethiols+on+Gold.">Contact-Inking Stamps for Microcontact Printing of Alkanethiols on Gold.</a> Langmuir. 15 (2), 300-304 (1999).</li><li>Sharpe, R. B. A., Burdinski, D., Huskens, J., Zandvliet, H. J. W., Reinhoudt, D. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft-Lithographic+Approach+to+Functionalization+and+Nanopatterning+Oxide-Free+Silicon.">Soft-Lithographic Approach to Functionalization and Nanopatterning Oxide-Free Silicon.</a> Langmuir. 27 (10), 6478-6485 (2011).</li></ol>

Wir haben nichts zu offenbaren

Das vorgestellte Protokoll ist eine Form oder tintenlosen Mikrokontaktdrucken, die universell auf jedem Untergrund, das einfache wohlgeordneten Monoschichten angewendet werden kann. In diesem Verfahren überträgt ein Stempel-immobilisierte Katalysator ein Muster auf einer Oberfläche tragen entsprechenden funktionellen Gruppen. Da der Prozess nicht auf Farbübertragung von der Stempelsteuer verlassen, um die diffusive Auflösung Begrenzung der traditionellen und reaktive mCP Oberfläche vermieden wird, erlaubt Routine Herstellung von nanoskaligen Objekten. Der Einbau eines primären hoch geordneten molekularen Systems bietet umfassenden Schutz der darunter liegenden Halbleiter vor Oxidation Schäden. Gleichzeitig unterstützt die Methode Immobilisierung von sperrigen reaktiven Gruppen durch die Verwendung eines sekundären reaktiven Deckschicht, die zusammen das System lässt sich sowohl Schutz und Funktionalisierung. Die Technik beginnt mit der Bildung von stabilen Kohlenstoff-Bindungen Oberfläche ermöglicht für chemisch inert Primary Monoschicht, die als eine wirksame Barriere gegen Oxidbildung dient. Die Bildung einer sekundären reaktiven Deckschicht bietet Terminal NHS funktionellen Gruppen, die als Befestigungspunkte für eine Vielzahl von chemischen und biologischen Einheiten dienen. Diese stabile doppelschichtigen molekularen System wird anschließend strukturiert mit unseren katalytischen mCP Ansatz. Der Ansatz in dieser Studie präsentierten bietet eine allgemeine Methode zur Strukturierung von Halbleiter-Substraten mit einer breiten Palette von organischen und biologischen Materialien. Die Möglichkeit, gemusterte organische Halbleiter-Schnittstellen ohne aufwendige, komplexe Instrumente zu schaffen bietet zahlreiche Möglichkeiten in Bereichen wie Elektronik, Nanotechnologie, Biochemie und Biophysik.

<table border="1"><tbody><tr><th> Name des Reagenzes </th><th> Firma / Modell </th></tr><tr><td> XPS-Spektrometer </td><td> Kratos Axis-Ultra- </td></tr><tr><td> Atomic Force Microscope </td><td> Veeco D3100 </td></tr><tr><td> SEM-FEG Mikroskop </td><td> FEI XL30 </td></tr><tr><td> Fluoreszenzmikroskop </td><td> Zeiss Axio Imager </td></tr><tr><td> Heatblock </td><td> VWR </td></tr><tr><td> Vakuumpumpe </td><td> BOC Edwards </td></tr><tr><td> Wasserreinigungssystem </td><td> Millipore </td></tr><tr><td> TESP Silizium-Sonden </td><td> Veeco </td></tr><tr><td> Silizium </td><td></td></tr><tr><td> Pressure Vials </td><td> Chemglass </td></tr><tr><td> Vakuumkammer </td><td> Chemglass </td></tr><tr><td> UV-Lampe </td><td> UVP </td></tr><tr><td> Stamp Werkstoff </td><td> Siehe Referenzen 20 und 18 </td></tr><tr><td> PFTE Spritzenvorsatzfilter </td><td> VWR </td></tr><tr><td> Nano-Streifen </td><td> Cyantek </td></tr><tr><td> HCl </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Ethanol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Aceton </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> HF </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Chlorbenzol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> PCl5 </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Propenyl Magnesiumchlorid </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Octyl Magnesiumchlorid </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Tetrachlorkohlenstoff </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Boc geschützten Ethylendiamin </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> TFA </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Natrium-2-mercaptoethanesulfonate </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> 4N HCl-Lösung in Dioxan </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Lysin-N, N-diessigsäure </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Et 3 N </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> DMF </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NiSO 4 </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NaP </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> NaCl </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> Imidazol </td><td> Sigma </td></tr><tr><td> PBS </td&gt; <td> Sigma </td></tr></tbody></table>

soft lithographic functionalization and patterning oxide-free silicon and germanium

Die Entwicklung von Hybrid-elektronischen Geräten beruht zu einem großen Teil auf die Integration von (bio) organische Materialien und anorganische Halbleiter durch eine stabile Schnittstelle, die eine effiziente Elektronentransport ermöglicht und schützt die darunter liegenden Substrate vor oxidativem Abbau. Gruppe IV-Halbleitern können effektiv mit hoch geordneten selbstorganisierten Monoschichten (SAMs) von einfachen Alkyl-Ketten, die als undurchlässige Sperren sowohl organische als auch wässrige Lösungen handeln komponiert geschützt werden. Einfache Alkyl SAMs sind jedoch inert und nicht zugänglich zu traditionellen Mustern Techniken. Die Motivation zur Immobilisierung von organischen molekularen Systemen auf Halbleiterbasis ist, um neue Funktionen an die Oberfläche, die optische, elektronische und mechanische Funktion, sowie chemische und biologische Aktivität liefern verleihen können. Mikrokontaktdruck (μ CP) ist ein soft-lithographischen Technik zur Strukturierung SAMs auf unzähligen Oberflächen. 1-9 Trotz seiner einfhohen Oxophilie und Vielseitigkeit hat der Ansatz weitgehend auf edle Metalloberflächen begrenzt und ist nicht gut für die Strukturübertragung auf technologisch wichtigen Substraten wie oxidfreie Silizium und Germanium entwickelt. Darüber hinaus, weil diese Technik beruht auf der Diffusion von Tinte auf Muster aus dem Elastomer auf das Substrat übertragen, ist die Auflösung einer solchen traditionellen Druck im Wesentlichen auf nahe 1 μ m. 10-16 begrenzt Im Gegensatz zu traditionellen Druckverfahren setzt tintenlosen μ CP Muster auf eine bestimmte Reaktion zwischen einer Oberfläche immobilisierten Substrat und einem Stempel-Katalysators gebunden. Da die Technik nicht auf diffusive SAM-Bildung angewiesen, es erweitert die Vielfalt der strukturierbare Oberflächen. Darüber hinaus entfällt die tintenlosen Technik die Funktion Größenbeschränkungen durch molekulare Diffusion auferlegt, die Erleichterung der Replikation von sehr kleinen (&lt;200 nm) Funktionen. 17-23 jedoch bis jetzt, tintenlosen μ CP wurde in erster Linie zur Strukturierung relativ ungeordneten molekularen Systemen, die nicht schützen Untergründe vor dem Abbau verwendet. Hier berichten wir über eine einfache, zuverlässige High-Throughput-Verfahren zur Strukturierung passiviert Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und zeigen selektive Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit beiden kleinen Molekülen und Proteinen. Die Technik nutzt eine vorgeformte NHS-reaktiven zweischichtigen System auf oxidfreie Silizium und Germanium. Die NHS-Einheit ist in einem Muster-spezifischen Art und Weise mit einer Sulfonsäure-modifiziertem Acrylat Stempel auf chemisch unterschiedliche Muster von NHS-aktiviert und freie Carbonsäuren produzieren hydrolysiert. Eine erhebliche Einschränkung der Auflösung vieler μ CP-Techniken ist die Verwendung von PDMS Material, das die mechanische Festigkeit, die für High-Fidelity-Transfer fehlt. Zur Linderung dieser Einschränkung haben wir ausgenutzt einem Polyurethan-Acrylat-Polymer, einem relativ starren Material, das zuleicht mit verschiedenen organischen Resten funktionalisiert. Unsere Strukturierung Ansatz vollständig schützt sowohl Silizium und Germanium aus der chemischen Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Form und Größe der gemusterten Features und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster, die weiter mit organischen und biologischen Molekülen funktionalisiert werden kann. Der Ansatz ist allgemein und für andere technologisch relevanten Flächen.

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Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

Hier beschreiben wir eine einfache Methode zur Strukturierung oxidfreie Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und demonstrieren Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit kleinen Molekülen und Proteinen. Der Ansatz vollständig schützt Oberflächen durch chemische Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über Funktion Morphologie und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster.

Soft-Lithographie Funktionalisierung und Strukturierung Oxydfreie Silizium und Germanium

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

14.6K Aufrufe.  Duke University. Hier beschreiben wir eine einfache Methode zur Strukturierung oxidfreie Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und demonstrieren Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit kleinen Molekülen und Proteinen. Der Ansatz vollständig schützt Oberflächen durch chemische Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über Funktion Morphologie und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster.

Serie: Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

Plasma Lithography Surface Patterning for Creation of Cell Networks

Systematic manipulation of a cell microenvironment with micro- and nanoscale resolution is often required for deciphering various cellular and molecular phenomena. To address this requirement, we have developed a plasma lithography technique to manipulate the cellular microenvironment by creating a patterned surface with feature sizes ranging from 100 nm to millimeters. The goal of this technique is to be able to study, in a controlled way, the behaviors of individual cells as well as groups of cells and their interactions.
This plasma lithography method is based on selective modification of the surface chemistry on a substrate by means of shielding the contact of low-temperature plasma with a physical mold. This selective shielding leaves a chemical pattern which can guide cell attachment and movement. This pattern, or surface template, can then be used to create networks of cells whose structure can mimic that found in nature and produces a controllable environment for experimental investigations. The technique is well suited to studying biological phenomenon as it produces stable surface patterns on transparent polymeric substrates in a biocompatible manner. The surface patterns last for weeks to months and can thus guide interaction with cells for long time periods which facilitates the study of long-term cellular processes, such as differentiation and adaption. The modification to the surface is primarily chemical in nature and thus does not introduce topographical or physical interference for interpretation of results. It also does not involve any harsh or toxic substances to achieve patterning and is compatible for tissue culture. Furthermore, it can be applied to modify various types of polymeric substrates, which due to the ability to tune their properties are ideal for and are widely used in biological applications. The resolution achievable is also beneficial, as isolation of specific processes such as migration, adhesion, or binding allows for discrete, clear observations at the single to multicell level.
This method has been employed to form diverse networks of different cell types for investigations involving migration, signaling, tissue formation, and the behavior and interactions of neurons arraigned in a network.

A versatile plasma lithography technique has been developed to generate stable surface patterns for guiding cellular attachment. This technique can be applied to create cell networks including those that mimic natural tissues and has been used for studying several, distinct cell types.

Plasma Lithography Oberflächenstrukturierung für die Erzeugung von Cell Networks

Systematic manipulation of a cell microenvironment with micro- and nanoscale resolution is often required for deciphering various cellular and molecular ...

Forschung

Biotechnik

High-throughput Synthesis of Carbohydrates and Functionalization of Polyanhydride Nanoparticles

Transdisciplinary approaches involving areas such as material design, nanotechnology, chemistry, and immunology have to be utilized to rationally design efficacious vaccines carriers. Nanoparticle-based platforms can prolong the persistence of vaccine antigens, which could improve vaccine immunogenicity1. Several biodegradable polymers have been studied as vaccine delivery vehicles1; in particular, polyanhydride particles have demonstrated the ability to provide sustained release of stable protein antigens and to activate antigen presenting cells and modulate immune responses2-12.
The molecular design of these vaccine carriers needs to integrate the rational selection of polymer properties as well as the incorporation of appropriate targeting agents. High throughput automated fabrication of targeting ligands and functionalized particles is a powerful tool that will enhance the ability to study a wide range of properties and will lead to the design of reproducible vaccine delivery devices.
The addition of targeting ligands capable of being recognized by specific receptors on immune cells has been shown to modulate and tailor immune responses10,11,13 C-type lectin receptors (CLRs) are pattern recognition receptors (PRRs) that recognize carbohydrates present on the surface of pathogens. The stimulation of immune cells via CLRs allows for enhanced internalization of antigen and subsequent presentation for further T cell activation14,15. Therefore, carbohydrate molecules play an important role in the study of immune responses; however, the use of these biomolecules often suffers from the lack of availability of structurally well-defined and pure carbohydrates. An automation platform based on iterative solution-phase reactions can enable rapid and controlled synthesis of these synthetically challenging molecules using significantly lower building block quantities than traditional solid-phase methods16,17.
Herein we report a protocol for the automated solution-phase synthesis of oligosaccharides such as mannose-based targeting ligands with fluorous solid-phase extraction for intermediate purification. After development of automated methods to make the carbohydrate-based targeting agent, we describe methods for their attachment on the surface of polyanhydride nanoparticles employing an automated robotic set up operated by LabVIEW as previously described10. Surface functionalization with carbohydrates has shown efficacy in targeting CLRs10,11 and increasing the throughput of the fabrication method to unearth the complexities associated with a multi-parametric system will be of great value (Figure 1a).

In this article, a high throughput method is presented for the synthesis of oligosaccharides and their attachment to the surface of polyanhydride nanoparticles for further use in targeting specific receptors on antigen presenting cells.

Hochdurchsatz-Synthese von Kohlenhydraten und Funktionalisierung von Nanopartikeln Polyanhydrid

Transdisciplinary approaches involving areas such as material design, nanotechnology, chemistry, and immunology have to be utilized to rationally design ...

Visualization of Cortex Organization and Dynamics in Microorganisms, using Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

TIRF microscopy has emerged as a powerful imaging technology to study spatio-temporal dynamics of fluorescent molecules in vitro and in living cells1. The optical phenomenon of total internal reflection occurs when light passes from a medium with high refractive index into a medium with low refractive index at an angle larger than a characteristic critical angle (i.e. closer to being parallel with the boundary). Although all light is reflected back under such conditions, an evanescent wave is created that propagates across and along the boundary, which decays exponentially with distance, and only penetrates sample areas that are 100-200 nm near the interface2. In addition to providing superior axial resolution, the reduced excitation of out of focus fluorophores creates a very high signal to noise ratios and minimizes damaging effects of photobleaching2,3. Being a widefield technique, TIRF also allows faster image acquisition than most scanning based confocal setups.
At first glance, the low penetration depth of TIRF seems to be incompatible with imaging of bacterial and fungal cells, which are often surrounded by thick cell walls. On the contrary, we have found that the cell walls of yeast and bacterial cells actually improve the usability of TIRF and increase the range of observable structures4-8. Many cellular processes can therefore be directly accessed by TIRF in small, single-cell microorganisms, which often offer powerful genetic manipulation techniques. This allows us to perform in vivo biochemistry experiments, where kinetics of protein interactions and activities can be directly assessed in living cells.
We describe here the individual steps required to obtain high quality TIRF images for Saccharomyces cerevisiae or Bacillus subtilis cells. We point out various problems that can affect TIRF visualization of fluorescent probes in cells and illustrate the procedure with several application examples. Finally, we demonstrate how TIRF images can be further improved using established image restoration techniques.

Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) microscopy is a powerful approach to observe structures close to the cell surface at high contrast and temporal resolution. We demonstrate how TIRF can be employed to study protein dynamics at the cortex of cell wall-enclosed bacterial and fungal cells.

Visualisierung von Cortex Organisation und Dynamik in Mikroorganismen, mit Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy

TIRF microscopy has emerged as  a powerful imaging technology to study spatio-temporal dynamics of fluorescent molecules  in vitro and in living cells1. ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In particular, light-mediated click reactions, such as photoinitiated thiol&#8722;ene and thiol&#8722;yne reactions, afford spatiotemporal control over material properties and allow the design of systems with a high degree of user-directed property control. Fabrication and modification of hydrogel-based biomaterials using the precision afforded by light and the versatility offered by these thiol&#8722;X photoclick chemistries are of growing interest, particularly for the culture of cells within well-defined, biomimetic microenvironments. Here, we describe methods for the photoencapsulation of cells and subsequent photopatterning of biochemical cues within hydrogel matrices using versatile and modular building blocks polymerized by a thiol&#8722;ene photoclick reaction. Specifically, an approach is presented for constructing hydrogels from allyloxycarbonyl (Alloc)-functionalized peptide crosslinks and pendant peptide moieties and thiol-functionalized poly(ethylene glycol) (PEG) that rapidly polymerize in the presence of lithium acylphosphinate photoinitiator and cytocompatible doses of long wavelength ultraviolet (UV) light. Facile techniques to visualize photopatterning and quantify the concentration of peptides added are described. Additionally, methods are established for encapsulating cells, specifically human mesenchymal stem cells, and determining their viability and activity. While the formation and initial patterning of thiol-alloc hydrogels are shown here, these techniques broadly may be applied to a number of other light and radical-initiated material systems (e.g., thiol-norbornene, thiol-acrylate) to generate patterned substrates.

We describe a sequential process for light-mediated formation and subsequent biochemical patterning of synthetic hydrogel matrices for three-dimensional cell culture applications. The construction and modification of hydrogels with cytocompatible photoclick chemistry is demonstrated. Additionally, facile techniques to quantify and observe patterns and determine cell viability within these hydrogels are presented.

Licht-vermittelte Bildung und Musterung von Hydrogelen für Zellkulturanwendungen

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

A Versatile Method of Patterning Proteins and Cells

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning techniques work well only with simple shapes, small areas and selected bio-materials. This article describes a method to distribute cell suspensions as well as substrate solutions into complex, long, closed (dead-end) polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels using negative pressure. This method enables researchers to pattern multiple substrates including fibronectin, collagen, antibodies (Sal-1), poly-D-lysine (PDL), and laminin. Patterning of substrates allows one to indirectly pattern a variety of cells. We have tested C2C12 myoblasts, the PC12 neuronal cell line, embryonic rat cortical neurons, and amphibian retinal neurons. In addition, we demonstrate that this technique can directly pattern fibroblasts in microfluidic channels via brief application of a low vacuum on cell suspensions. The low vacuum does not significantly decrease cell viability as shown by cell viability assays. Modifications are discussed for application of the method to different cell and substrate types. This technique allows researchers to pattern cells and proteins in specific patterns without the need for exotic materials or equipment and can be done in any laboratory with a vacuum.

This report describes a simple, easy to perform technique, using low pressure vacuum, to fill microfluidic channels with cells and substrates for biological research.

Eine vielseitige Methode von Patterning Proteinen und Zellen

Substrate and cell patterning techniques are widely used in cell biology to study cell-to-cell and cell-to-substrate interactions. Conventional patterning ...

Soft Lithographic Procedure for Producing Plastic Microfluidic Devices with View-ports Transparent to Visible and Infrared Light

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable microfluidic devices. Here, a protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices is demonstrated, where soft lithographic techniques are used to embed transparent Calcium Fluoride (CaF2) view-ports in connection with observation chamber(s). The method is based on a replica casting approach, where a polydimethylsiloxane (PDMS) mold is produced through standard lithographic procedures and then used as the template to produce a plastic device. The plastic device features ultraviolet/visible/infrared (UV/Vis/IR) -transparent windows made of CaF2 to allow for direct observation with visible and IR light. The advantages of the proposed method include: a reduced need for accessing a clean room micro-fabrication facility, multiple view-ports, an easy and versatile connection to an external pumping system through the plastic body, flexibility of the design, e.g., open/closed channels configuration, and the possibility to add sophisticated features such as nanoporous membranes.

A protocol for the fabrication of plastic microfluidic devices with transparent view-ports for visible and infrared light imaging is described.

Weichen lithografischen Verfahren zur Herstellung von Kunststoff mikrofluidischen Geräte mit Ansicht-Ports für sichtbaren und infraroten Licht durchlässig

Infrared (IR) spectro-microscopy of living biological samples is hampered by the absorption of water in the mid-IR range and by the lack of suitable ...

Designing Porous Silicon Films as Carriers of Nerve Growth Factor

Despite the great potential of NGF for treating neurodegenerative diseases, its therapeutic administration represents a significant challenge as the protein does not cross the blood-brain barrier, owing to its chemical properties, and thus requires long-term delivery to the brain to have a biological effect. This work describes fabrication of nanostructured PSi films as degradable carriers of NGF for sustained delivery of this sensitive protein. The PSi carriers are specifically tailored to obtain high loading efficacy and continuous release of NGF for a period of four weeks, while preserving its biological activity. The behavior of the NGF-PSi carriers as a NGF delivery system is investigated in vitro by examining their capability to induce neuronal differentiation and outgrowth of PC12 cells and dissociated DRG neurons. Cell viability in the presence of neat and NGF-loaded PSi carriers is evaluated. The bioactivity of NGF released from the PSi carriers is compared to the conventional treatment of repetitive free NGF administrations. PC12 cell differentiation is analyzed and characterized by the measurement of three different morphological parameters of differentiated cells; (i) the number of neurites extracting from the soma (ii) the total neurites' length and (iii) the number of branching points. PC12 cells treated with the NGF-PSi carriers demonstrate a profound differentiation throughout the release period. Furthermore, DRG neuronal cells cultured with the NGF-PSi carriers show an extensive neurite initiation, similar to neurons treated with repetitive free NGF administrations. The studied tunable carriers demonstrate the long-term implants for NGF release with a therapeutic potential for neurodegenerative diseases.

Here, we present a protocol to design and fabricate nanostructured porous silicon (PSi) films as degradable carriers for the nerve growth factor (NGF). Neuronal differentiation and outgrowth of PC12 cells and mice dorsal root ganglion (DRG) neurons are characterized upon treatment with the NGF-loaded PSi carriers.

Gestaltung von porösem Silizium Filme als Träger von Nerve Growth Factor

Despite the great potential of NGF for treating neurodegenerative diseases, its therapeutic administration represents a significant challenge as the ...

Bioinspired Soft Robot with Incorporated Microelectrodes

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics paradigm, especially in biomedical research. Recreating artificial life-like actuation dynamics is crucial for a soft-robotic system. However, the precise control and tuning of actuation behavior still represents one of the main challenges of modern soft robotic systems. This method describes a low-cost, highly scalable, and easy-to-use procedure to fabricate an electrically controllable soft robot with life-like movements that is activated and controlled by the contraction of cardiac muscle tissue on a micropatterned sting ray-like hydrogel scaffold. The use of soft photolithography methods makes it possible to successfully integrate multiple components in the soft robotic system, including micropatterned hydrogel-based scaffolds with carbon nanotubes (CNTs) embedded gelatin methacryloyl (CNT-GelMA), poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA), flexible gold (Au) microelectrodes, and cardiac muscle tissue. In particular, the hydrogels alignment and micropattern are designed to mimic the muscle and cartilage structure of the sting ray. The electrically conductive CNT-GelMA hydrogel acts as a cell scaffold that improves the maturation and contraction behavior of cardiomyocytes, while the mechanically robust PEGDA hydrogel provides structural cartilage-like support to the whole soft robot. To overcome the hard and brittle nature of metal-based microelectrodes, we designed a serpentine pattern that has high flexibility and can avoid hampering the beating dynamics of cardiomyocytes. The incorporated flexible Au microelectrodes provide electrical stimulation across the soft robot, making it easier to control the contraction behavior of cardiac tissue.

A bioinspired scaffold is fabricated by a soft photolithography technique using mechanically robust and electrically conductive hydrogels. The micropatterned hydrogels provide directional cardiomyocyte cell alignment, resulting in a tailored direction of actuation. Flexible microelectrodes are also integrated into the scaffold to bring electrical controllability for a self-actuating cardiac tissue.

Bioinspirierter Softroboter mit integrierten Mikroelektroden

Bioinspired soft robotic systems that mimic living organisms using engineered muscle tissue and biomaterials are revolutionizing the current biorobotics ...

Silicon Nanowires and Optical Stimulation for Investigations of Intra- and Intercellular Electrical Coupling

Myofibroblasts can spontaneously internalize silicon nanowires (SiNWs), making them an attractive target for bioelectronic applications. These cell-silicon hybrids offer leadless optical modulation capabilities with minimal perturbation to normal cell behavior. The optical capabilities are obtained by the photothermal and photoelectric properties of SiNWs. These hybrids can be harvested using standard tissue culture techniques and then applied to different biological scenarios. We demonstrate here how these hybrids can be used to study the electrical coupling of cardiac cells and compare how myofibroblasts couple to one another or to cardiomyocytes. This process can be accomplished without special equipment beyond a fluorescent microscope with coupled laser line. Also shown is the use of a custom-built MATLAB routine that allows the quantification of calcium propagation within and between the different cells in the culture. Myofibroblasts are shown to have a slower electrical response than that of cardiomyocytes. Moreover, the myofibroblast intercellular propagation shows slightly slower, though comparable velocities to their intracellular velocities, suggesting passive propagation through gap junctions or nanotubes. This technique is highly adaptable and can be easily applied to other cellular arenas, for in vitro as well as in vivo or ex vivo investigations.

This protocol describes the use of silicon nanowires for intracellular optical bio-modulation of cell in a simple and easy to perform method. The technique is highly adaptable to diverse cell types and can be used for in vitro as well as in vivo applications.

Silizium-Nanodrähte und optische Stimulation für Untersuchungen der intra- und interzellulären elektrischen Kopplung

Myofibroblasts can spontaneously internalize silicon nanowires (SiNWs), making them an attractive target for bioelectronic applications. These ...

Simple, Affordable, and Modular Patterning of Cells using DNA

The relative positioning of cells is a key feature of the microenvironment that organizes cell-cell interactions. To study the interactions between cells of the same or different type, micropatterning techniques have proved useful. DNA Programmed Assembly of Cells (DPAC) is a micropatterning technique that targets the adhesion of cells to a substrate or other cells using DNA hybridization. The most basic operations in DPAC begin with decorating cell membranes with lipid-modified oligonucleotides, then flowing them over a substrate that has been patterned with complementary DNA sequences. Cells adhere selectively to the substrate only where they find a complementary DNA sequence. Non-adherent cells are washed away, revealing a pattern of adherent cells. Additional operations include further rounds of cell-substrate or cell-cell adhesion, as well as transferring the patterns formed by DPAC to an embedding hydrogel for long-term culture. Previously, methods for patterning oligonucleotides on surfaces and decorating cells with DNA sequences required specialized equipment and custom DNA synthesis, respectively. We report an updated version of the protocol, utilizing an inexpensive benchtop photolithography setup and commercially available cholesterol modified oligonucleotides (CMOs) deployed using a modular format. CMO-labeled cells adhere with high efficiency to DNA-patterned substrates. This approach can be used to pattern multiple cell types at once with high precision and to create arrays of microtissues embedded within an extracellular matrix. Advantages of this method include its high resolution, ability to embed cells into a three-dimensional microenvironment without disrupting the micropattern, and flexibility in patterning any cell type.

Here we present a protocol to micropattern cells at single-cell resolution using DNA-programmed adhesion. This protocol uses a benchtop photolithography platform to create patterns of DNA oligonucleotides on a glass slide and then labels cell membranes with commercially available complementary oligonucleotides. Hybridization of the oligos results in programmed cell adhesion.

Einfache, erschwingliche und modulare Musterung von Zellen mit DNA

The relative positioning of cells is a key feature of the microenvironment that organizes cell-cell interactions. To study the interactions between cells ...