Micropatterning of Nanoengineered Surfaces to Study Neuronal Cell Attachment in Vitro


Download 0.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet3/8
Sana01.10.2017
Hajmi0.87 Mb.
#16919
1   2   3   4   5   6   7   8

199146, 321-327.

(8) Decher, G.; Hong, J. D. Buildup of ultrathin multilayer films by a

self-assembly process: II. Consecutive adsorption of anionic and

cationic bipolar amphiphiles and polyelectrolytes on charged surfaces.



Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem. 199195, 1430-1434.

(9) Yang, S. Y.; Mendelsohn, J. D.; Rubner, M. F. New Class of

Ultrathin, Highly Cell-Adhesion-Resistant Polyelectrolyte Multilayers

with Micropatterning capabilities. Biomacromolecules 20034(4),

987-994.

(10) Vautier, D.; Karsten, V.; Egles, C.; Chluba, J.; Schaaf, P.; Voegel,

J. C.; Ogier, J. Polyelectrolyte multilayer films modulate cytoskeletal

organization in chondrosarcoma cells. Journal of Biomaterials



Science-Polymer Edition 200213, 713-732.

(11) Chluba, J.; Voegel, J.-C.; Decher, G.; Erbacher, P.; Schaaf, P.; Ogier,

J. Peptide Hormone Covalently Bound to Polyelectrolytes and

Embedded into Multilayer Architectures Conserving Full Biological

Activity. Biomacromolecules 20012(3), 800-805.

(12) Ostuni, E.; Chen, C. S.; Ingber, D. E.; Whitesides, G. M. Selective

Deposition of Proteins and Cells in Arrays of Microwells. Langmuir

200117(9), 2828-2834.

(13) Inerowicz, H. D.; Howell, S.; Regnier, F. E.; Reifenberger, R.

Multiprotein Immunoassay Arrays Fabricated by Microcontact Print-

ing. Langmuir 200218(13), 5263-5268.

(14) Renault, J. P.; Bernard, A.; Juncker, D.; Michel, B.; Bosshard, H.

R.; Delamarche, E. Fabricating Microarrays of Functional Proteins

Using Affinity Contact Printing. Angew. Chem., Int. Ed. 200241(13),

2320-2323.

(15) Chiu, D. T.; Jeon, N. L.; Huang, S.; Kane, R. S.; Wargo, C. J.; Choi,

I. S.; Ingber, D. E.; Whitesides, G. M. Patterned deposition of

cells and proteins onto surfaces by using three-dimensional micro-

fluidic systems. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 200097(6), 2408-

2413.

(16) Bernard, A.; Michel, B.; Delamarche, E. Micromosaic Immunoassays.



Anal. Chem. 200173(1), 8-12.

(17) McDonald, J. C.; Chabinyc, M. L.; Metallo, S. J.; Anderson, J. R.;

Stroock, A. D.; Whitesides, G. M. Prototyping of Microfluidic

Devices in Poly(dimethylsiloxane) Using Solid-Object Printing. Anal.



Chem. 200274(7), 1537-1545.

(18) McDonald, J. C.; Whitesides, G. M. Poly(dimethylsiloxane) as a

Material for Fabricating Microfluidic Devices. Acc. Chem. Res. 2002,

35(7), 491-499.

(19) Ostuni, E.; Kane, R.; Chen, C. S.; Ingber, D. E.; Whitesides, G. M.

Patterning Mammalian Cells Using Elastomeric Membranes. Lang-

muir 200016(20), 7811-7819.

(20) Folch, A.; Toner, M. Cellular Micropatterns on Biocompatible

Materials. Biotechnol. Prog. 199814(3), 388-392.

(21) Jiang, X.; Zheng, H.; Gourdin, S.; Hammond, P. T. Polymer-on-

Polymer Stamping: Universal Approaches to Chemically Patterned

Surfaces. Langmuir 200218(7), 2607-2615.

(22) Jiang, X.-P.; Clark, S. L.; Hammond, P. T. Side-by-Side Directed

Multilayer Patterning Using Surface Templates. AdV. Mater. 2001,



13(22), 1669-1673.

(23) Lee, C.-S.; Lee, S.-H.; Park, S.-S.; Kim, Y.-K.; Kim, B.-G. Protein

patterning on silicon-based surface using background hydrophobic

thin film. Biosens. Bioelectron. 200318(4), 437-445.

(24) Douvas, A.; Argitis, P.; Diakoumakos, C. D.; Misiakos, K.; Dimo-

tikali, D.; Kakabakos, S. E. Photolithographic patterning of proteins

with photoresists processable under biocompatible conditions. J. Vac.

Sci. Technol., B 200119(6), 2820-2824.

(25) Argitis, P.; Douvas, A.; Misiakos, K.; Kakabakos, S. E. Patterning

of Biomolecules with a New Photolithographic Methodology. BJ

Forum on Nanosized Technology 2002, pp 245, 250.

Figure 9. Specific attachment of neurons to FITC-labeled sPLA

2

nanofilm micropatterns. In all images, green squares are FITC-labeled



sPLA

2

nanofilm micropatterns, and cells are at 1 day in vitro. Panels



A and B show merged images of phase and FITC-labeled sPLA

2

nanofilm micropatterns. Panel C shows a merged image of cells plated



onto TRITC

-

BSA nanofilms. Original microscope magnification



)

100


×

(panel A), 400

×

(panel B), and 200



×

(panel C). Scale bars

indicate 160 microns in panel A, 40 microns in panel B, and 80

microns in panel C.



1754

Biomacromolecules, Vol. 5, No. 5, 2004

Shaikh Mohammed et al.


(26) Douvas, A.; Argitis, P.; Misiakos, K.; Dimotikali, D.; Petrou, P.

Biocompatible photolithographic process for the patterning of bio-

molecules. Biosens. Bioelectron. 200217(4), 269-278.

(27) Havard, J. M.; Vladimirov, N.; Fre’chet, J. M. J.; Yamada, S.;

Willson, C. G.; Byers, J. D. Photoresists with Reduced Environmental

Impact: Water-Soluble Resists Based on Photo-Cross-Linking of a

Sugar-Containing Polymethacrylate. Macromolecules 199932(1),

86-94.


(28) Diakoumakos, C. D.; Douvas, A.; Raptis, I.; Kakabakos, S.; Dimo-

tikalli, D. Dilute aqueous base developable resists for environmentally

friendly and biocompatible processes. Microelectron. Eng. 200261-

62, 819-827.

(29) Hua, F.; Lvov, Y. M.; Cui, T. Spatial Patterning of Colloidal

Nanoparticle-based Thin Film by A Combinative Technique of Layer-

by-layer Self-assembly and Lithography, J. Nanosci. Nanotechnol.



20022(3), 357-361.

(30) Ai, H.; Meng, H.; Ichinose, I.; Jones, S. A.; Mills, D. K.; Lvov, Y.

M.; Qiao, X. Biocompatibility of layer-by-layer self-assembled

nanofilm on silicone rubber for neurons. J. Neurosci. Methods 2003,



128, 1-8.

(31) Li, M.; Kondabatni, K.; Cui, T.; McShane, M. J. Fabrication of 3-D

gelatin-patterned glass substrates with layer-by layer and lift-off (LbL-

LO) technology. IEEE Trans. Nanotechnol. 20043, 115-123.

(32) DeCoster, M. A. Group III secreted phospholipase A

2

causes



apoptosis in rat primary cortical neuronal cultures. Brain Res. 2003,

988, 20-28.

(33) Yagami, T.; Ueda, K.; Asakura, K.; Hayasaki-Kajiwara, Y.; Nakazato,

T.; Sakaeda, T.; Hata, S.; Kuroda, T.; Takasu, N.; Hori, Y. Group

IB secretory phospholipase A

2

induces neuronal cell death via



apoptosis. J. Neurochem. 200281, 449-461.

(34) Yagami, T.; Ueda, K.; Asakura, K.; Hata, S.; Kuroda, T.; Sakaeda,

T.; Takasu, N.; Tanaka, K.; Gemba, T.; Hori, Y. Human group IIA

secretory phospholipase A

2

induces neuronal cell death via apoptosis.



Mol. Pharmacol. 200261, 114-126.

(35) Copic, A.; Vucemilo, N.; Gubensek, F.; Krizaj, I. Identification and

purification of a novel receptor for secretory phospholipase A

2

in



porcine cerebral cortex. J. Biol. Chem. 1999274, 26315-26320.

(36) Lambeau, G.; Barhanin, J.; Schweitz, H.; Qar, J.; Lazdunski, M.

Identification and properties of very high affinity brain membrane

binding sites for a neurotoxic phospholipase from Taipan venom, J.



Biol. Chem. 1989264, 11503-11510.

(37) Lambeau, G.; Schmid-Alliana, A.; Lazdunski, M.; Barhanin, J.

Identification and purification of a very high affinity binding protein

for toxic phospholipases A

2

in skeletal muscle. J. Biol. Chem. 1990,



265, 9526-9532.

(38) Molecular Probes. Amine-ReactiVe Probes.

(39) Sauerbrey, G. Z. Verwendung von Schwingquarzen zur Wgung dnner

Schichten und zur Mikrowaage. Z. Phys. Verhandl. 1959155, 206-

222.

(40) Lvov, Y.; Ariga, K.; Ichinose, I.; Kunitake, T. Assembly of



multicomponent protein films by means of electrostatic layer-by-

layer adsorption. J. Am. Chem. Soc. 1995117, 6117-6123.

(41) Caruso, F.; Niikura, K.; Furlong, D. N.; Okahata, Y. Ultrathin

multilayer polyelectrolyte films on gold: construction and thickness

determination. Langmuir 199713, 3422-3426.

(42) Boyan, B. D.; Lossdorfer, S.; Wang, L.; Zhao, G.; Lohmann, C. H.;

Cochran, D. L.; Schwartz, Z. Osteoblasts generate an osteogenic

microenvironment when grown on surfaces with rough microtopog-

raphies. Eur. Cell Mater200324, 22-27.

BM0498631

Study of Neuronal Cell Attachment in Vitro

Biomacromolecules, Vol. 5, No. 5, 2004



1755

Fabrication of Interdigitated Micropatterns of Self-Assembled Polymer

Nanofilms Containing Cell-Adhesive Materials

Javeed Shaikh Mohammed,

Mark A. DeCoster,



and Michael J. McShane*

,†,§

Institute for Micromanufacturing, Louisiana Tech UniVersity, Ruston, Louisiana 71272, Neuroscience

Center, Louisiana State UniVersity Health Sciences Center, New Orleans, Louisiana 70112, and

Biomedical Engineering Program, Louisiana Tech UniVersity, Ruston, Louisiana 71272

ReceiVed September 19, 2005. In Final Form: December 27, 2005

Micropatterns of different biomaterials with micro- and nanoscale features and defined spatial arrangement on a

single substrate are useful tools for studying cellular-level interactions, and recent reports have highlighted the strong

influence of scaffold compliance in determining cell behavior. In this paper, a simple yet versatile and precise patterning

technique for the fabrication of interdigitated micropatterns of nanocomposite multilayer coatings on a single substrate

is demonstrated through a combination of lithography and layer-by-layer (LbL) assembly processes, termed polymer

surface micromachining (PSM). The first nanofilm pattern is constructed using lithography, followed by LbL multilayer

assembly and lift-off, and the process is repeated with optical alignment to obtain interdigitated patterns on the same

substrate. Thus, the method is analogous to surface micromachining, except that the deposition materials are polymers

and biological materials that are used to produce multilayer nanocomposite structures. A key feature of the multilayers

is the capability to tune properties such as stiffness by appropriate selection of materials, deposition conditions, and

postdeposition treatments. Two- and four-component systems on glass coverslips are presented to demonstrate the

versatility of the approach to construct precisely defined, homogeneous nanofilm patterns. In addition, an example

of a complex system used as a testbed for in vitro cell adhesion and growth is provided: micropatterns of poly(sodium

4-styrenesulfonate)/poly-L-lysine hydrobromide (PSS/PLL) and secreted phospholipase A

2

/poly(ethyleneimine) (sPLA



2

/

PEI) multilayers. The interdigitated square nanofilm array patterns were obtained on a single coverslip with poly-



(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) as a cell-repellent background. Cell culture experiments show that

cortical neurons respond and bind specifically to the sPLA

2

micropatterns in competition with PLL micropatterns.



The fabrication and the initial biological results on the nanofilm micropatterns support the usefulness of this technique

for use in studies aimed at elucidating important biological structure-function relationships, but the applicability of

the fabrication method is much broader and may impact electronics, photonics, and chemical microsystems.

Introduction

Discoveries in the areas of cell-biomaterial and cell-cell

interactions are highly significant

1

because of the great insight



they can provide into fundamental cell biology

2

and their potential



value for medicine and biotechnology. It is generally understood

that the ability to engineer and control cellular behavior is highly

dependent on the presentation of physical and chemical cues.

1-3


Therefore, the development of complex functional biointerfaces,

where the positioning of and interaction between cells of different

types can be precisely controlled, requires the placement of

biomaterials with differing functionality in specific configurations

on the same substrate.

2

The capability to capture and maintain a permissive environ-



ment for multiple cell types is particularly important for cases

where coculture is desired, such as patterned neuronal networks,

where the incorporation of neuron-supporting glial cells is

required,

4

and hepatocyte cultures, where the presence of



fibroblasts is critical for preserving characteristics of native liver

tissue.


5

While randomly oriented cocultures of multiple cell types

have been used to better mimic in vivo systems, the type and

degree of cell-cell interactions in such systems are not typically

controllable at a desirable level. Therefore, recent efforts have

targeted the development of approaches to obtain cell cultures

employing adhesive patterns to enhance microenvironmental

control through the spatial localization of multiple cell types

relative to each other.

4,6,7


In addition to engineering systems that achieve patterning of

cells on surfaces, controlling the compliance of the underlying

substrate is also important. While mechanical forces have long

been known to play a critical role in cellular interactions with

the extracellular matrix, particularly for adherent cells,

8-12


an

appreciation of substrate stiffness as a significant factor in

* Corresponding author. Mailing address: P.O. Box 10137, 911 Hergot

Avenue, Ruston, LA 71272. Tel.: 318-257-5100. Fax: 318-257-5104.

E-mail: *mcshane@coes.latech.edu.

Institute for Micromanufacturing, Louisiana Tech University.



Louisiana State University Health Sciences Center.

§

Biomedical Engineering Program, Louisiana Tech University.



(1) Magnani, A.; Priamo, A.; Pasqui, D.; Barbucci, R. Mater. Sci. Eng., C

200323, 315-328.

(2) Kane, R. S.; Takayama, S.; Ostuni, E.; Ingber, D. E.; Whitesides, G. M.



Biomaterials 199920, 2363-2376.

(3) Dowell-Mesfin, N. M.; Abdul-Karim, M. A.; Turner, A. M. P.; Schanz,

S.; Craighead, H. G.; Roysam, B.; Turner, J. N.; Shain, W. J. Neural Eng. 2004,

1, 78-90.

(4) Yang, I. H.; Co, C. C.; Ho, C. C. J. Biomed. Mater. Res. 200575, 976-

984.

(5) Bhatia, S. N.; Balis, U. J.; Yarmush, M. L.; Toner, M. Biotechnol. Prog.



199814, 378-387.

(6) Khademhosseini, A.; Suh, K. Y.; Yang, J. M.; Eng, G.; Yeh, J.; Levenberg,

S.; Langer, R. Biomaterials 200425, 3583-3592.

(7) Fukuda, J.; Khademhosseini, A.; Yeh, J.; Eng, G.; Cheng, J.; Farokhzad,

O. C.; Langer, R. Biomaterials 200627, 1479-1486.

(8) Tan, J. L.; Tien, J.; Pirone, D. M.; Gray, D. S.; Bhadriraju, K.; Chen, C.

S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2003100, 1484-1489.

(9) Parker, K. K.; Brock, A. L.; Brangwynne, C.; Mannix, R. J.; Wang, N.;

Ostuni, E.; Geisse, N. A.; Adams, J. C.; Whitesides, G. M.; Ingber, D. E. FASEB

J. 200216, 1195-1204.

(10) Brock, A.; Chang, E.; Ho, C.-C.; LeDuc, P.; Jiang, X.; Whitesides, G.

M.; Ingber, D. E. Langmuir 200319, 1611-1617.

(11) Galbraith, C. G.; Yamada, K. M.; Sheetz, M. P. J. Cell Biol. 2002159,

695-705.

(12) Balaban, N. Q.; Schwarz, U. S.; Riveline, D.; Goichberg, P.; Tzur, G.;

Sabanay, I.; Mahalu, D.; Safran, S.; Bershadsky, A.; Addadi, L.; Geiger, B. Nat.

Cell Biol. 20013, 466-472.

2738


Langmuir 2006, 22, 2738-2746

10.1021/la0525473 CCC: $33.50

© 2006 American Chemical Society

Published on Web 02/18/2006



modulating cell behavior has only recently developed.

13

For



example, recent work has demonstrated that myocytes sense

differences between surfaces of varied elasticity, and express

native phenotype only when exposed to substrates of stiffness

typical of normal muscle.

14

These findings support the concept



that mechanical factors influence different cell types in funda-

mentally different ways, and can trigger specific changes similar

to those stimulated by soluble ligands.

15

The above points may be summarized by stating two key



general requirements for in vitro systems aimed at providing

scaffolding for multiple cell types: (1) the patterns must possess

the appropriate physical-chemical properties to support the cells

of interest and (2) the patterns must be oriented properly relative

to one another.

6

The former factor involves adhesive moieties



that will selectively capture cells, nontoxicity, stability, and

appropriate stiffness for the cells of interest. The second point

requires a strategy for constructing the patterns that has desirable

features with regard to materials that may be deposited and the

relative alignment of multiple patterns.

The most commonly used biomaterial patterning techniques

are based on soft lithography (i.e., microcontact printing (

µCP),


patterning using microfluidic networks (

µFNs), elastomeric

membranes, and laminar flow patterning),

16-20


and employ

elastomeric micromolds made of poly(dimethylsiloxane) (PDMS),

as well as conventional photolithography.

21

The soft lithography



techniques have advantages that include rapid prototyping, low

cost, and the ability to pattern on nonplanar substrates. Of these,

microstamping is one that has found widespread use in biological

studies; however, alignment of separate elastomeric stamps across

large areas is difficult to achieve, and therefore deposition of

patterns of different types with desired relative alignment is not

practiced.

A handful of examples of multicomponent patterning of

adjacent biomaterial patterns on a single substrate have been

reported, including multilevel stamps,

22

two-dimensional (2D)



and three-dimensional (3D)

µFNs,


23-25

photolithography,

21

thermobiolithography,



26

and photochemical reactions

27-30

com-


bined with lithography. These approaches may potentially be

adapted to pattern multilayer films; however, each has its own

advantages and disadvantages. For example, because of the

elastomeric nature of PDMS, large-area patterning with 2D or

3D microfluidics is problematic. Thermobiolithography suffers

from low resolution and difficulty in the alignment of multiple

stamps during pattern transfer.

In addition to the disadvantages noted, none of the techniques

described above can provide significant control over the elasticity

of the materials deposited. In contrast, the ionic layer-by-layer

(LbL) self-assembly technique,

31,32


an elegant method with the

ability to deposit multilayer films that are highly interpenetrated,

precise, and uniform in nature with minimal constraints on the

size, geometry, or materials,

33

can be applied to obtain multilayer



structures with varying composition, thickness (from a few

nanometers to microns), roughness, elasticity, porosity, and so

forth. The compliance of multilayer nanofilms is highly tunable,

as the effective modulus depends not only on the constituent

molecules, but also on the assembly conditions and the number

of adsorbed layers. Multilayer films have been shown to exhibit

thickness-dependent stiffness when deposited on solid substrates,

and the effective modulus was found to increase 10-fold after

cross-linking (e.g.,

∼50 kPa up to ∼800 kPa for native and

cross-linked poly-L-lysine/hyaluranon multilayers, respec-

tively).


34

Much higher moduli have been reported for poly-

(allylamine hydrochloride)/poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PAH/

PSS) nanofilms, ranging from hundreds of megapascals in the

hydrated state to gigapascals when dried.

35

These nanofilms can



be constructed from functionalized macromolecules, enzymes,

and proteins embedded at different depths to obtain complex

biomimetic nanoarchitectures,

36-42


and a number of recent studies

have described the use of multilayers of biomaterials for cell-

related applications.

43-46


However, several of these studies share

a common limitation in that the multilayer films are homogeneous

across the plane. Thus, while LbL can enable the tuning of

substrate physical-chemical properties, including stiffness, a

suitable micropatterning technique is required for the spatial

definition of multicomponent micropatterns of these multilayers.

Two-component multilayer films have been patterned using

a technique based on

µCP. Chemically patterned surfaces were

utilized to construct polymer-on-polymer

47

structures and side-



(13) Discher, D. E.; Janmey, P.; Wang, Y. L. Science 2005310, 1139-1143.

(14) Engler, A. J.; Griffin, M. A.; Sen, S.; Bo¨nnemann, C. G.; Sweeney, H.

L.; Discher, D. E. J. Cell Biol. 2004166, 877-887.

(15) Yeung, T.; Georges, P. C.; Flanagan, L. A.; Marg, B.; Ortiz, M.; Funaki,

M.; Zahir, N.; Ming, W.; Weaver, V.; Janmey, P. A. Cell Motil. Cytoskeleton


Download 0.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   2   3   4   5   6   7   8




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling