Korean Chemical Engineering Research

The Korean Institute of Chemical Engineers (한국화학공학회)
권호 표지

Cell Patterning on Various Substrates Using Polyelectrolyte Multilayer and Microstructure of Poly(Ethylene Glycol)

다양한 기판 위에서 고분자 전해질 다층 막과 폴리에틸렌글리콜 미세 구조물을 이용한 세포 패터닝 방법

  • Shim, Hyun-Woo (Department of Chemical Engineering, Chungnam National University) ;
  • Lee, Ji-Hye (Department of Chemical Engineering, Chungnam National University) ;
  • Choi, Ho-Suk (Department of Chemical Engineering, Chungnam National University) ;
  • Lee, Chang-Soo (Department of Chemical Engineering, Chungnam National University)
  • 심현우 (충남대학교 공과대학 바이오응용화학부 화학공학과) ;
  • 이지혜 (충남대학교 공과대학 바이오응용화학부 화학공학과) ;
  • 최호석 (충남대학교 공과대학 바이오응용화학부 화학공학과) ;
  • 이창수 (충남대학교 공과대학 바이오응용화학부 화학공학과)
  • Received : 2008.04.23
  • Accepted : 2008.08.01
  • Published : 2008.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

In this study, we presented rapid and simple fabrication method of functionalized surface on various substrates as a universal platform for the selective immobilization of cells. The functionalized surface was achieved by using deposition of polyelectrolyte such as poly(allyamine hydrochloride) (PAH), poly(diallyldimethyl ammonium chloride) (PDAC), poly(4-ammonium styrene sulfonic acid) (PSS), poly(acrylic acid) (PAA) and fabrication of poly(ethylene glycol) (PEG) microstructure through micro-molding in capillaries (MIMIC) technique on each glass, poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and poly(dimethyl siloxane) (PDMS) substrate. The polyelectrolyte multilayer provides adhesion force via strong electrostatic attraction between cell and surface. On the other hand, PEG microstructures also lead to prevent non-specific binding of cells because of physical and biological barrier. The characteristic of each modified surface was examined by using static contact angle measurement. The modified surface onto several substrates provides appropriate environment for cellular adhesion, which is essential technology for cell patterning with high yield and viability in the micropatterning technology. The proposed method is reproducible, convenient and rapid. In addition, the fabrication process is environmentally friendly process due to the no use of harsh solvent. It can be applied to the fabrication of biological sensor, biomolecules patterning, microelectronics devices, screening system, and study of cell-surface interaction.

본 연구는 표면에 세포를 부착하는데 있어서, 다양한 기판 표면에 보편적인 플랫폼으로써 적용될 수 있는 세포 부착을 위한 기능성 표면의 제작 기술 및 이를 이용한 세포의 선택적인 고정과 편리한 세포 패터닝의 방법을 보여주었다. 세포 부착에 적합한 기능성 표면의 제작은 산소 플라즈마 처리를 이용한 다양한 기판의(유리, PMMA, PS, PDMS) 표면 활성화 및 상반되는 고분자 전해질의(PAH, PDAC, PSS, PAA) 정전기적 인력을 통한 증착으로 이루어진 다층의 고분자 전해질 층을 통해 제작될 수 있었다. 또한, 고분자 전해질로 증착된 표면 위로 마이크로 몰딩 인 케필러리 방법을 사용하여 PEG 마이크로 구조물을 제작함으로써 세포의 선택적인 고정이 이루어질 수 있었다. 다층의 고분자 전해질로 증착된 표면은 세포와의 강한 정전기적 인력으로 세포 부착에 유리한 표면을 제공하였다. 반면에, 제작된 PEG 마이크로 구조물은 물리적, 생물학적인 장애물의 역할로써 세포의 비 특이적인 흡착을 방지하였다. 세포 부착을 위한 기능성 표면을 제작하는 동안 표면의 특성은 접촉각 측정을 통해 이루어 졌다. 다양한 기판 상에서 개질된 표면은 세포 부착을 위한 적합한 환경의 제공과 함께 세포의 마이크로 패터닝 기술에서 높은 수율의 세포 패터닝을 제공한다. 상기의 제안된 세포 부착을 위한 기능성 표면 제작 기술 방법은 제작 과정이 매우 간단하고, 편리하여 손쉽게 구현이 가능하며, 제작 공정에서 어떠한 해로운 용매도 사용하지 않기 때문에 친환경적이다. 또한, 이를 이용하여 세포를 이용하는 바이오 칩 및 바이오 센서, 세포를 기반으로 하는 시스템 등에서 기본이 되는 기술로 사용될 수 있는 넓은 응용 범위를 갖는다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 보건복지부, 한국학술진흥재단

References

  1. Park, H. G., Ji, H. S., Yim, S. C. and Chang, H. N., 'DNA Chip and Immobilization Technologies,' HWAHAK KONGHAK, 40(3), 281-288(2002)
  2. Kimberly, L. C. and Gary S. S., 'Environmental Application of Array Technology: Promise, Problems and Practicalities,' Curr. Opin. Biotechnol., 14(3), 311-318(2003) https://doi.org/10.1016/S0958-1669(03)00057-0
  3. Park, H. K. and Chung, B. H., 'Nanobiotechnology,' Korean Chem. Eng. Res., 44(1), 10-15(2006)
  4. Lee, C. S., Lee, S. H., Kim, Y. G., Lee, J. H., Kim, Y. K. and Kim, B. G., 'A Method of Binding Kinetics of a Ligand to Micropatterned Proteins on a Microfluidic Chip,' Biosens. Bioelectron., 22(6), 891-898(2007) https://doi.org/10.1016/j.bios.2006.03.020
  5. Willner, I. I. and Katz, E., 'Integration of Layered Redox Proteins and Conductive Supports for Bioelectronic Applications,' Angew. Chem. -Int. Edit., 39(7), 1180-1218(2000) https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-3773(20000403)39:7<1180::AID-ANIE1180>3.0.CO;2-E
  6. Choi, J. W. and Lee, B. H., 'Biodevice Technology,' Korean Chem. Eng. Res., 44(1), 1-9(2006)
  7. Wang, C., Yap, F. L. and Zhang, Y., 'Micropatterning of Polystyrene Nanoparticles and Its Bioapplications,' Colloid Surf. BBiointerfaces, 46(4), 255-260(2005)
  8. Lee, C. S., Lee, S. H., Park, S. S., Kim, Y. K. and Kim, B. G., 'Protein Patterning on Silicon-based Surface Using Background Hydrophobic Thin Film,' Biosens. Bioelectron., 18(4), 437-444(2003) https://doi.org/10.1016/S0956-5663(02)00147-1
  9. Falconnet, D., Csucs, G., Grandin, H. M. and Textor, M., 'Surface Engineering Approaches to Micropattern Surfaces for Cellbased Assays,' Biomaterials, 27(16), 3044-3063(2006) https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2005.12.024
  10. Reyes, D. R., Perruccio, E. M., Becerra, S. P., Locascio, L. E. and Gaitan, M., 'Micropatterning Neuronal Cells on Polyelectrolyte Multilayers,' Langmuir, 20(20), 8805-8811(2004) https://doi.org/10.1021/la049249a
  11. Boura, C., Muller, S., Vautier, D., Dumas, D., Schaaf, P., Claude, V. J., Francois, S. J. and Menu, P., 'Endothelial Cell--interactions with Polyelectrolyte Multilayer Films,' Biomaterials, 26(22), 4568-4575(2005) https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.11.036
  12. Chaudhury, M. K., 'Self-assembled Monolayers on Polymer Surfaces,' Biosen. Bioelectron., 10(9-10), 785-788(1995) https://doi.org/10.1016/0956-5663(95)99216-8
  13. Whitesides, G. M., Ostuni, E., Takayama, S., Jiang, X. and Ingber, D. E., 'Soft lithography in Biology and Biochemistry,' Annu. Rev. Biomed. Eng., 3, 335-373(2001) https://doi.org/10.1146/annurev.bioeng.3.1.335
  14. Schuy, S. and Janshoff, A., 'Microstructuring of Phospholipid Bilayers on Gold Surfaces by Micromolding in Capillaries,' J. Colloid Interface Sci., 295(1), 93-99(2006) https://doi.org/10.1016/j.jcis.2005.07.071
  15. Yoo, P. J., Lee, S. H., Park, M. K., Kwon, S. J., Kang, H. W. and Lee, H. H., 'New Unconventional Nanolithographic Methods,' HWAHAK KONGHAK, 41(1), 1-14(2003)
  16. Lee, K. B., Kim, D. J., Yoon, K. R., Kim, Y. and Choi, I. S., 'Patterning Si by Using Surface Functionalization and Microcontact Printing with a Polymeric Ink,' Korean J. Chem. Eng., 20(5), 956-959(2003) https://doi.org/10.1007/BF02697305
  17. Suh, K. Y., Jeong, H. E., Park, J. W. Lee, S. H. and Kim, J. K., 'Fabrication of High Aspect Ratio Nanostructures Using Capillary Force Lithography,' Korean J. Chem. Eng., 23(4), 678-682(2006) https://doi.org/10.1007/BF02706814
  18. Shim, H. W., Lee, J. H., Hwang, T. S., Rhee, Y. W., Bae, Y. M., Choi, J. S., Han, J. and Lee, C. S., 'Patterning of Proteins and Cells on Functionalized Surfaces Prepared by Polyelectrolyte Multilayers and Micromolding in Capillaries,' Biosens. Bioelectron., 22(12), 3188-3195(2007) https://doi.org/10.1016/j.bios.2007.02.016
  19. Porcel, C., Lavalle, P., Decher, G., Senger, B., Voegel, J. C. and Schaaf, P., 'Influence of the Polyelectrolyte Molecular Weight on Exponentially Growing Multilayer Films in the Linear Regime,' Langmuir, 23(4), 1898-1904(2007) https://doi.org/10.1021/la062728k
  20. Schonhoff, M., 'Self-assembled Polyelectrolyte Multilayers,' Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 8(1), 86-95(2003) https://doi.org/10.1016/S1359-0294(03)00003-7
  21. Cho, J., Kim, S. and Char, K., 'Fabrication of Highly Ordered Multilayer Thin Films and Its Applications,' Korean J. Chem. Eng., 20(1), 174-179(2003) https://doi.org/10.1007/BF02697205
  22. Jung, D. Y., 'Self-assembled Monolayer (SAM) and Micro-contact Printing,' J. Korea Ind. Eng. Chem., 11(5), 451-457(2000)
  23. Shim, H. W., Lee, J. H. and Lee, C. S., 'Microcontact Printing of Bacteria Using Hybrid Agarose Gel Stamp,' Korean J. Biotechnol. Bioeng., 21(4), 273-278(2006)
  24. Razatos, A., Ong, Y. L., Sharma, M. M. and Georgiou, G., 'Molecular Determinants of Bacterial Adhesion Monitored by Atomic Force Microscopy,' Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 95(19), 11059-11064(1998)
  25. Vigeant, M. A. and Ford, R. M., 'Interactions Between Motile Escherichia Coli and Glass in Media with Various Ionic Strengths, as Observed with a Three-dimensional-tracking Microscope,' Appl. Environ. Microbiol., 63(9), 3474-3479(1997)