Herstellung von reaktiven Oberflächen mit Pinsel-Like und querverbunden Filme von Azlactone funktionalisiert Block-Copolymere

Oberfläche Herstellungsmethoden für gemusterte Ablagerung von Nanometer dicken Pinsel oder Mikrometer dick, querverbunden Filme von einer Azlactone-Block-Copolymer werden gemeldet. Kritischen experimentellen Schritte, repräsentative Ergebnisse und Grenzen der einzelnen Methoden werden diskutiert. Diese Methoden sind hilfreich für die Erstellung von funktionaler Schnittstellen mit maßgeschneiderten Körpermerkmale und einstellbaren Oberfläche Reaktivität.

In diesem Papier, Herstellungsmethoden, die neuartige Oberflächen mit Azlactone-basierten Block-Copolymer, Poly (glycidylmethacrylat Methacrylat) generieren -Block- Poly (Vinyl-Dimethyl-Azlactone) (PGMA -b- PVDMA), werden vorgestellt. Aufgrund der hohen Reaktivität der Azlactone Gruppen in Richtung Amin, Thiol und Hydroxyl-Gruppen modifizierbar PGMA -b- PVDMA Oberflächen mit sekundären Moleküle chemisch oder biologisch funktionalisierten Schnittstellen für eine Vielzahl von Anwendungen zu erstellen. Frühere Berichte der gemusterten PGMA -b- PVDMA Schnittstellen haben traditionellen Top-Down-Musterung Techniken verwendet, die ungleichmäßige Filme und schlecht kontrollierten Hintergrund Chemikalien erzeugen. Hier beschreiben wir individuelle Musterung Techniken, die es präzise Ablagerung von sehr einheitliche PGMA -b- PVDMA Filme im Hintergrund ermöglichen, sind chemisch inert oder das Biomolekül-abweisende Eigenschaften haben. Wichtig ist, sollen diese Methoden Kaution PGMA -b- PVDMA-Filme in einer Art und Weise, die völlig Azlactone Funktionalität durch jeden Bearbeitungsschritt bewahrt. Gemusterte Filme zeigen gut kontrollierte stärken, die Polymer-Bürsten entsprechen (~ 90 nm) oder hoch vernetzte Strukturen (~ 1 – 10 μm). Pinselmuster entstehen mit entweder der Parylene abheben oder Schnittstelle Regie Montageverfahren beschrieben und sind nützlich für präzise Modulation von insgesamt Reaktivität Oberfläche entweder die PGMA -b- PVDMA Muster Dichte einstellen oder die Länge des VDMA Blocks. Im Gegensatz dazu die dicken querverbunden PGMA -b- PVDMA Muster stammen mit einer angepassten Mikro-Kontakt-Drucktechnik und bieten den Vorteil der höheren Belastung oder Erfassung von Sekundärmaterial aufgrund höherer von Oberfläche zu Volumen-Verhältnis. Experimentelle Anleitung, kritischen Film Charakterisierungen und Fehlersuche Führer für jede Herstellung Methode diskutiert.

Entwicklung von Fertigungstechniken, die vielseitige und präzise Steuerung der chemischen und biologischen Oberflächenfunktionalität zulassen ist wünschenswert, dass eine Vielzahl von Anwendungen, von der Aufnahme von Umweltkontaminanten zur Entwicklung der nächsten generation Biosensoren, Implantate und Gewebetechnik Geräte^1,2. Funktionelle Polymere sind hervorragende Materialien für Oberflächeneigenschaften durch "Pfropfen aus" oder "Pfropfen auf" Techniken³-tuning. Diese Ansätze ermöglichen Kontrolle der Oberfläche Reaktivität anhand der chemische Funktionalität von Monomeren und Molekulargewicht Polymer^4,5,6. Azlactone-basierte Polymere sind in diesem Zusammenhang intensiv untersucht worden, wie Azlactone Gruppen schnell mit verschiedenen nukleophile Ringöffnende Reaktionen zu koppeln. Dazu gehören primäre Amine, Alkohole und Thiole Hydrazin Gruppen, wodurch eine vielseitige Route für weitere Oberfläche Funktionalisierung^7,8. Azlactone-basierte Polymerfolien wurden in verschiedene ökologische und biologische Anwendungen einschließlich Analyten zu erfassen,^9,10, Zelle Kultur^6,11und Antifouling-/ Anti-Haft Beschichtungen¹². In vielen Anwendungen in der Biologie ist die Musterung Azlactone Polymerfolien bei Nano Mikrometer Länge Skalen wünschenswert räumliche Kontrolle über Biomolekül Präsentation, zellulären Interaktionen zu erleichtern oder Oberfläche Interaktionen^{13modulieren, 14,15,16,17,18}. Daher sollten Herstellungsmethoden entwickelt werden, um hohe Muster Gleichförmigkeit und gut kontrollierte Schichtdicke zu bieten, ohne chemische Funktionalität¹⁹.

In letzter Zeit entwickelt Lokitz Et Al. eine PGMA -b- PVDMA-Block-Copolymer die Oberfläche Reaktivität zu manipulieren konnte. PGMA Blöcke paar oxid-Auflageflächen, Gewinnung hoch und einstellbaren Oberfläche Dichte von Azlactone Gruppen²⁰. Früher gemeldeten Methoden zur Strukturierung dieses Polymers für die Schaffung von biofunktionellen Schnittstellen traditionellen Top-Down-Photolithographie Ansätze, die ungleichmäßige Polymerfolien mit Hintergrund Regionen mit Rückständen kontaminiert generiert Photoresist Material, verursachen hohe chemische und biologische Interaktionen unspezifisch^21,22,23. Hier verursacht Versuche, Hintergrund Regionen passiviert Kreuzreaktionen mit Azlactone Gruppen, Kompromisse bei der Polymer-Reaktivität. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen haben wir vor kurzem entwickelt Techniken zur Musterung Pinsel (~ 90 nm) oder hoch vernetzt (~ 1 – 10 μm) Filme PGMA -b- PVDMA in chemisch oder biologisch inert Hintergründe in einer Weise, die die Chemikalie vollständig bewahrt Funktionalität der Polymer-²⁴. Diese vorgestellten Methoden nutzen Parylene-Lift-Off, unter der Regie von Schnittstelle Montage (IDA) und benutzerdefinierte Microcontact Drucktechniken (μCP). Sehr detaillierte experimentelle Methoden für diese Musterung Ansätze sowie kritischen Film Charakterisierungen und Herausforderungen und Einschränkungen verbunden mit jeder Technik werden hier in schriftlicher und video-Format vorgestellt.

(1) PGMA -b- PVDMA Synthese²⁰

1. Synthese von PGMA Makro-Kette Transferstelle (Makro-CTA)
   1. Verwenden Sie ein 250-mL Rundboden Reaktion flask mit Polytetrafluorethylen beschichtet magnetische Stir Bar ausgestattet.
   2. Kombinieren Sie 14,2 g glycidylmethacrylat Methacrylat GMA (142.18 g/Mol) mit 490,8 mg 2-Cyano-2-Propyl-Dodecyl-trithiocarbonates (CPDT) (346.63 g/Mol) und 87,7 mg 2, 2′-Azobis (4-Methoxy-2,4-Dimethyl-Valeronitrile) (V-70) (308.43 g/Mol) (Molverhältnis von CPDT: V-70 = 5:1), und Benzol (100 mL) in die Luft frei um unteren Kolben.
   3. Das Reaktionsgemisch mit Argon entgasen und 30 min köcheln. Anschließend setzen Sie die Lösung in einem temperierten Ölbad bei 30 ° C und für 18 h reagieren.
      Hinweis: Das gezielte Molekulargewicht für die Makro-CTA ist 10.000 g/mol 18 Stunden war entschlossen, die notwendige Zeit, um angemessene Umwandlung zu erreichen. Die Farbe der Polymerlösung ist transparent hellgelb.
   4. Kündigen Sie nach 18 h die Reaktion durch Eintauchen der Rundboden-Küvette in Flüssigkeit N₂.
   5. Auszufällen Sie das Polymer durch Gießen die hellgelbe Lösung von Polymer/Benzol (~ 100 mL) in 400 mL Hexan.
   6. Rühren Sie die Mischung für 5 min. Niederschlag an der Unterseite des Bechers beglichen werden und wird durch Filtration gewonnen.
   7. Trocknen Sie die voreilige Übernachtung unter Vakuum. Verdünnen Sie es dann in 400 mL Tetrahydrofuran (THF). Neu in Hexan auszufällen.
   8. Trocknen Sie diese neuen Niederschlag wieder mit Argon über Nacht.
      Hinweis: Makro-CTA ist ein feines gelbes Pulver. Die Produktausbeute der Reaktion werden ~ 43,8 %. M_n des PGMA Makro-CTA ist 7.990 g/Mol mit einer Polydispersität (PDI) von 1.506 (M_W = 12.030 g/Mol).
2. Synthese von PGMA -b- PVDMA
   1. Geringfügig Destillieren Sie VDMA unter vermindertem Druck zu, und reservieren Sie den mittleren Anteil (~ 70 %) für den Einsatz.
      Hinweis: Dies ist erforderlich, um die Polymerisation Inhibitor zu entfernen. Die Destillation Apparat wird an eine Schlenk-Linie und das Luftventil Dichtung teilweise geöffnet, die Vakuumleitung. Minimale Wärme wird mit einem Varistat und heizpilz bis das VDMA-Monomer mit einer Rate von 1 Tropfen pro Sekunde beginnt über Destillation angewendet.
   2. Kombinieren Sie das 2-Vinyl-4,4-Dimethyl Azlactone (VDMA) (139.15 g/Mol) Monomer (10,436 g) mit PGMA-MacroCTA (1,669 g), V-70 (14,5 mg; molare Verhältnis von PGMA-MacroCTA: V-70 = 3:1) und Benzol (75,0 mL) in ein Single-Hals 250 mL Rundboden Reaktion flask, ausgestattet mit einem Teflon-beschichtete magnetische rühren Bar.
      Hinweis: Molekulargewicht Informationen, PVDMA: 139.15 g/Mol, PGMA-MacroCTA: 12.030 g/Mol, Benzol: 78.11 g/Mol.
   3. Entgasen Sie die Mischung mit hochreinem Argon und rühren für 30 min, und dann im Ölbad bei 32 ° C für 18 h.
   4. Beenden Sie die Reaktion durch Eintauchen der Rundboden-Küvette in Flüssigkeit N₂.
   5. Niederschlag des Polymers dreimal in Hexan und trocknen Sie sie bei Raumtemperatur unter Vakuum.
   6. Prägen das Molekulargewicht und PDI des Produkts mithilfe Größe Ausgrenzung Chromatographie (S) (siehe Tabelle der Materialien) nach dem Verfahren in Lokitz Et Al. ²⁰. Die Größe Ausgrenzung Chromatograph (S) ist ausgestattet mit drei PLgel 5 µm gemischt-C Spalten (300 x 7,5 mm) in Serie, einen Brechungsindex-Detektor (Wellenlänge = 880 nm), eine Photodiode Array-Detektor, Multiwinkel Lichtstreuung (MALS)-Detektor (Wellenlänge = 660 nm), und eine Viskosimeter (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Alle Experimente durchgeführt in diesem Manuskript verwendet Produkt mit PGMA und PVDMA Blocklängen von 56 und 175, beziehungsweise. Das Molekulargewicht des Block copolymers war 37.620 g/Mol und die PDI war 1.16.

2. Generation der Parylene Schablone Muster über Silizium-Substraten

1. Parylene-Beschichtung
   1. Beschallen Sie Silizium-Wafer in 50 % WT Aceton im Wasser für 5 min, gefolgt von Beschallung in 50 % WT Isopropanol (IPA) im Wasser für 5 min.
   2. Silizium-Wafer mit entionisiertem Wasser (DI) und fönen mit Stickstoff zu spülen.
   3. 80 nm und 1 µm dicken Parylene N auf 4-Zoll-Silizium-Wafer mit einem Parylene-Coater zu hinterlegen (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Die Dicke der Parylene Filme mithilfe einer Oberfläche Profilometer charakterisieren (siehe die Tabelle der Materialien).
      1. Parylene Schichtdicke mit Parylene Dimer Masse für jedes einzelne Parylene-Beschichtung-System zu kalibrieren.
         Hinweis: Im aktuellen System ~ 80 mg und ~ 1000 mg Parylene N Dimer bedurfte, um 80 nm und 1 µm Schichtdicke, bzw. zu erhalten (basierend auf der Kalibrierkurve erhalten).
      2. Verwenden Sie die folgenden Einstellungen während des Betriebs der Parylene-Coater: Druck: 80 mTorr, Dauer: 1 h, Ofentemperatur: 690 ° C, Verdampfer-Temperatur: 160 ° C.
2. Photolithographie
   1. Backen Sie Wafer in einem Ofen bei 100 ° C 20 min.; dann lassen Sie Wafer für weitere 3 Minuten bei Raumtemperatur sitzen.
      Hinweis: Zusätzliche Wartezeit verbessert die Haftung von der Fotolack.
   2. Fügen Sie 2 mL positiven Photoresist (siehe die Tabelle der Materialien) und in der Mitte des beschichtet Parylene Wafers zu verzichten. Spin zu beschichten die Wafer bei 3000 u/min für 30 s.
      Hinweis: Spin Beschichtung muss unter der Haube erfolgen.
   3. Warten Sie 1 min, Backen Wafer auf einer heißen Platte bei 105 ° C für 1 min.
   4. Fotomaske in eine Maske Ausrichtungssystem zu laden (siehe die Tabelle der Materialien). Wafer mit UV-Licht aussetzen (λ = 325 nm) für 10 s mit einer Dosierung von 65 mJ/cm².
   5. Lassen Sie die Wafer für weitere 5 Minuten bei Raumtemperatur sitzen.
   6. Wafer zu entwickeln durch Eintauchen in Entwickler (siehe die Tabelle der Materialien) Lösung für 2 min. die Wafer mit entionisiertem Wasser spülen und dann trocknen Sie mit N₂. Tun Sie dies unter der Haube.
      Hinweis: Nach der Entwicklung erscheint Photoresist aus UV-exponierten vollständig entfernt. Ein optisches Mikroskop zu verwenden (siehe die Tabelle der Materialien), die Wafer zu überprüfen.
3. Reaktive Ionen Ätzen
   1. Verwenden Sie eine reaktive Ionen Ätzen (RIE) Werkzeug (siehe die Tabelle der Materialien) entwickelten Wafer mit Sauerstoffplasma Ätzen.
   2. Gelten Sie eine Sauerstoff-Durchflussmenge von 50 cm3/min bei einem Kammerdruck von 20 mTorr.
   3. Für eine Parylene-Schichtdicke von 1 µm verwenden HF-Leistung von 50 W und induktiv gekoppelte (ICP) plasmaleistung von 500 W für 100 s wurde an exponierten Parylene aus gemusterten Bereichen zu entfernen. Dies entsprach einem Parylene Rate von 1,0-1,15 µm/min Ätzen.
   4. Für eine Parylene-Dicke von 80 nm, Nutzung HF-Leistung von 50 W und ICP-Leistung von 200 W für 55 s, exponierten Parylene aus gemusterten Bereichen zu entfernen. Dies entspricht einem Parylene Rate von 570-620 nm/min Ätzen.
      Hinweis: Für eine effiziente Parylene Entfernung bestimmen die Parylene Ätzen Rate für jedes RIE-System.
   5. Geätzte Substrate mit einem optischen Mikroskop zu inspizieren. Die Siliziumoberfläche wird glänzend angezeigt, nachdem der Parylene exponierten Regionen vollständig entzogen wird.
   6. Überprüfen Sie Tiefe mit einem Oberflächen Profilometer Ätzen (siehe die Tabelle der Materialien).

(3) Parylene-Lift-Off-Verfahren

1. Vorbereitung der Polymertechnik
   1. Auflösen von PGMA -b- PVDMA in Chloroform (1 % Gew.). Chloroform sollte wasserfreie Hydrolyse Azlactone Gruppen zu verhindern.
      Hinweis: Chloroform ist das bevorzugte Lösungsmittel weil es hat eine hohe Löslichkeit für das Polymer ermöglicht mehr einheitliche Oberfläche Ablagerung von einzelnen Polymerketten, die im Vergleich zu anderen organischen Lösungsmitteln²⁵.
2. Parylene Schablonen mit dem Plasma Reiniger Reinigung
   1. Plasma Reiniger (siehe die Tabelle der Materialien) Hauptschalter schalten Sie ein und Parylene beschichtete Substrate in der Plasmakammer sauberer.
   2. Schalten Sie die Vakuumpumpe und evakuieren Sie der Luft in der Kammer zu, bis das Manometer weniger als 400 mTorr ist.
   3. Leicht öffnen Sie das Dosierventil und lassen Sie die Luft in das Plasma Reiniger eingeben, bis das Manometer 800-1000 mTorr zeigt.
   4. Wählen Sie RF mit Hi-Modus und setzen Sie der Substrate für 3 min aus.
   5. Am Ende des Prozesses die HF-Leistung und Vakuumpumpe ausschalten.
   6. Schalten Sie das Plasma Reiniger und entfernen Sie Substrate zu.
      Hinweis: Nach Plasma Reinigung, zeigt die Oberfläche hydrophile Verhalten (Abbildung 1 b). Das Wasser Kontaktwinkel von nackten Silizium Oberflächen vor und nach Plasma Reinigung sind 27° ± 2 ° c und 0 ° c, beziehungsweise.
3. Spin-Coating PGMA -b- PVDMA, Glühen und Beschallung über Parylene-Schablonen
   1. Sofort Spin-Mantel der Substrate mit 100 µL 1 % WT PGMA -b- PVDMA in wasserfreien Chloroform bei 1500 u/min, für 15 s mit einem Spin Coater (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Führen Sie Spin-Coating innerhalb 1-2 s von pipettieren der Polymerlösung um Film Uneinheitlichkeit verursacht durch schnelle Chloroform Verdunstung zu minimieren.
   2. Tempern Polymerfolien bei 110 ° C in einem Vakuumofen (siehe die Tabelle der Materialien) für 18 h.
      Hinweis: Glühen für Polymer Microphase Segregation und Oberfläche Befestigung des GMA-Block an der Oberfläche²⁶ermöglicht.
      1. Charakterisieren Sie nach dem glühen die Polymerbeschichtung durch die Messung der Kontaktwinkel von Substraten. Oberflächen zeigen einen Kontaktwinkel von 75° ± 1° (Abbildung 1)²⁰.
   3. Beschallen Sie die Substrate im 20 mL Aceton oder Chloroform für 10 min bis zum Entfernen der Parylene-Schicht und Physisorbed Polymer.
      Hinweis: Verwenden Sie die folgenden Bedingungen Beschallung: ultra-sonic-Power, 284 W; Betriebsfrequenz, 40 kHz (siehe die Tabelle der Materialien).
      Hinweis: Parylene kann auch aus dem Substrat geschält werden durch Anwendung ein Stück Tesafilm am Rand des Substrats dann ziehen das Klebeband entfernt²⁷.
   4. Lagern Sie die Substrate unter Vakuum in den Exsikkator gestellt bis zur Charakterisierung.

Abbildung 1: kontaktieren Sie Winkelmessungen für behandelten Silizium-Substraten. (A) Bare Silizium, (B) Plasma gereinigt Silizium, (C) Spin-beschichteten Silizium mit PGMA-b-PVDMA (nach glühen und Beschallung in Chloroform). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

4. PGMA -b- PVDMA unter der Regie von Schnittstelle Montageschritte

Hinweis: Dieses Verfahren kann auf Untergründen mit einem chemisch inert Hintergrund (Abschnitt 4.1) oder einen biologisch inert Hintergrund (Abschnitt 4.2), abhängig von der Anwendung durchgeführt werden.

1. Vorbereitung der chemisch inert Hintergrund auf Silizium-Substraten
   1. Verwenden Sie Sauerstoffplasma Reiniger um die nackten Silizium (Abschnitt 3.2) zu reinigen.
   2. Pipette 100 µL trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) Silan (TPS) auf einer Petrischale und legen Sie die Silizium-Substraten im Inneren ein Vakuum Exsikkator neben der Petrischale.
   3. 1 h für chemical Vapor Deposition (CVD) Vakuum (-750 Torr) beantragen.
      Achtung: TPS ist hochgiftig und CVD-Verfahren in einem Abzug erfolgen soll.
      Hinweis: Nach 1 h zeigt das Substrat hydrophobe Verhalten. Ein Kontaktwinkel von 109° ± 3° wird in der Regel nach dem CVD-Verfahren gemessen. Die Dicke des Films TPS ist 1,5 ± 0,5 nm.
      Hinweis: TPS blockiert Reaktion der reaktiven Oberfläche Oxide mit PGMA -b- PVDMA.
   4. Bestreichen Sie die Waffeln mit Parylene (1 µm Dicke). Durchführen Sie Photolithographie und reaktive Ionen Ätzen, Parylene Muster (Abschnitt 2) zu generieren und entfernt die TPS-Schicht in den exponierten Regionen Ätzen.
2. Vorbereitung von Polyethylenglykol (PEG)-Hintergrund auf Silizium-Substraten.
   1. Verwenden der Sauerstoffplasma Reiniger für 3 min um den nackten Silizium-Substraten (Abschnitt 3.2) zu reinigen.
   2. CVD TPS für 1 h (Abschnitt 4.1.2) durchführen.
   3. Tauchen Sie Substrate in einer 0,7 % wt/V Lösung von Pluronic F-127 Reinstwasser für 18 h um eine PEG-Schicht auf der Oberfläche^28,29zu generieren.
      Hinweis: Pluronic enthält einen hydrophoben Polypropylen-oxid (PPO) Polymer Block zwischen zwei PEG-Ketten. PPO-Block Anker das Polymer an die TPS-Oberfläche, während die PEG-Ketten Lösung²⁸ausgesetzt sind.
   4. Waschen Sie und spülen Sie das Substrat für 5 min bei 100 mL von Reinstwasser.
   5. Hinterlegen Sie 80 nm und 1 µm dicken Parylene N auf 4-Zoll-Silizium-Wafer mit einem Parylene-Coater.
   6. Führen Sie Photolithographie und reaktive Ionen Ätzen Parylene Muster (Abschnitt 2) zu generieren.
3. Beschallung, Spin-Coating PGMA -b- PVDMA Polymer und glühen die Substrate
   1. Beschallen Sie chemisch inert (TPS) Substraten (Abschnitt 4.1) oder PEG-funktionale Substrate (Abschnitt 4.2) für 10 min in Aceton, der Parylene-Schicht zu entfernen.
   2. Spin-Mantel der beschallten Substrat mit 100 µL 1 % WT PGMA -b- PVDMA in wasserfreien Chloroform bei 1500 u/min für 15 s.
   3. Tempern Sie Polymerfolien bei 110 ° C unter Vakuum für 18 h.
   4. Beschallen Sie die Substrate in Aceton oder Chloroform für 10 min, Physisorbed Polymer im Hintergrund Regionen auf der Oberfläche zu entfernen.
   5. Speichern Sie die Substrate in ein Vakuum Exsikkator bis zur weiteren Verwendung.

5. Custom PGMA -b- PVDMA Micro-Kontakt Drucken (μCP)

1. PDMS Stempel Herstellung
   1. Die Silizium-Meister nach dem standard Photolithographie Verfahren³⁰zu fabrizieren. Verwenden Sie CVD-Verfahren (Abschnitt 4.1.2), um Anti-Adhäsiv TPS auf die Silizium-Meister zu hinterlegen.
      Hinweis: Die Silikon-Form behandelt werden mit TPS zum ersten Mal verwendet und neu aufgetragen, wenn es aufgebraucht ist 5-10 mal.
   2. Führen Sie standard weichen Lithographie Methoden für die Herstellung von Briefmarken (PDMS Vorläufer zur Heilung Agent-Masse-Verhältnis 10:1)³¹.
      Hinweis: In dieser Studie verwendeten Stempel bestehen aus Micropillar Arrays (Durchmesser = 5-50 µm, Höhe = 20 µm).
   3. Schneiden Sie einen einzigen Stempel. Reinigen Sie den Stempel beschallen für 10 min in HCl (1 M), 5 min in Aceton, gefolgt von 5 min in Ethanol.
   4. Trocknen Sie die Briefmarken in einem Umluftofen bei 80 ° C für 20 min, um verbleibende organische Lösungsmittel zu entfernen.
2. MicroContact Druck von PGMA -b- PVDMA auf Silizium-Substraten
   1. TPS Einzahlung auf die Oberfläche des PDMS Briefmarken mit der CVD-Verfahren (Abschnitt 4.1.2).
      Hinweis: Die TPS-Schicht wird verwendet, um die Kupplung des Polymers auf der Stempel-Oberfläche zu verhindern.
      Hinweis: Kontakt Winkelmessungen lässt sich charakterisieren Briefmarken nach TPS Adsorption, wie in Abbildung 2 (Einschub A, B)dargestellt.
   2. Lösen sich die PGMA -b- PVDMA Polymer in wasserfreien Chloroform in einer Konzentration von 0,25-1 Gew.-%.
   3. Die Briefmarken in 5 mL der Polymerlösung für 3 min eintauchen.
   4. Plasma Reinigen 2 × 2 cm nackten Silizium Substrate für 3 min, saubere Oberfläche zur Kopplung mit PGMA Blöcke (Abschnitt 3.2).
   5. Nehmen Sie die Polymer beschichtet Briefmarken von der Polymerlösung.
      Hinweis: Briefmarken müssen verwendet werden, für den Druck, während sie noch feucht sind und eine Schicht der Lösung vorhanden, über sie ist.
   6. Legen Sie Tinte Stempel direkt auf Silizium-Substrat.
   7. Verwendung eine manuellen Bohrmaschine stehen (siehe die Tabelle der Materialien) (Abbildung 3) drücken, die Polymer beschichtet Briefmarken auf der Siliziumoberfläche Muster Transfer zu fördern. Sofort auftragen Sie den Stempel auf das Substrat (innerhalb 1 bis 2 s) nach Herausnehmen der beschichteten Briefmarken von Polymerlösung.
      Hinweis: Sowohl das Silizium und PDMS-Stempel kann auf doppelseitigem Klebeband Unterstützung PDMS Stempel Verformung durch ungleichmäßige oder Hochdruck Stempeln³²zu minimieren.
   8. Winkeltreue Kontakt zwischen Polymer-Tinte Stempel anwenden und Silizium-Substrat für 1 min. die geschätzte Druck von 75 g/cm²(7,35 kPa) drücken.
   9. Trennen Sie vorsichtig den Stempel von der Siliziumoberfläche.
   10. Tempern Sie gedruckten Silizium-Substraten sofort in einem Vakuumofen bei 110 ° C für 18 h.
   11. Beschallen Sie die gedruckten Silizium-Substrate in Aceton oder Chloroform für 10 min physikalisch adsorbiert PGMA -bentfernen - PVDMA und dann trocken mit N₂.
       1. Oberflächencharakterisierung Analysen für PDMS-Stempel (nach Druck Schritt) und gedruckt-Silizium (nach glühen und Beschallung Schritten) durchführen, um zu überprüfen, die erfolgreiche Übertragung der PGMA -b- PVDMA.
          Hinweis: Oberflächen Sie Profilometer und abgeschwächte totale Reflexion Fourier-Transform Infrarotspektroskopie (ATR-FTIR) Analyse verwendet werden, um die gedruckt-Silizium-Substrat und PDMS-Stempel, bzw. zu analysieren.
   12. Lagern Sie die Substrate unter Vakuum in den Exsikkator gestellt bis zur Charakterisierung.

Abbildung 2 : ATR-FTIR-Messungen für die behandelten PDMS Briefmarken (Relative Intensität). (Kleines Foto A) Kontaktieren Sie Winkelmessungen für bloßen PDMS-Stempel. (Einschub B) Kontakt Winkelmessungen für TPS behandelt PDMS Stempel. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Setup für μCP PGMA -b- PVDMA Lösungen auf Silizium-Substraten. Das Verfahren beinhaltet die Nutzung einer (A) manuelle bohrgerätpresse, (B) einen TPS funktionalisiert PDMS-Stempel mit dem PGMA -b- PVDMA Polymer beschichtet, (C) ein Plasma gereinigt, 2 × 2-cm-Silizium-Substrat, und (D) doppelseitiges Klebeband.

Kontaktwinkel Messungen können verwendet werden, um die Funktionalisierung von Silizium mit PGMA-b-PVDMA zu bewerten. Abbildung 1 zeigt die Kontaktwinkel der Silizium-Substrat während die verschiedenen Bearbeitungsschritte. Hydrophile Verhalten der Plasma gereinigt-Silizium-Substrat wird in Abbildung 1 bgezeigt. Der Kontaktwinkel nach Polymer Spin coating und Glühen 75° ± 1 ist °(Figur 1C) ²⁰Oberflächen mit den Werten für PVDMA von Lokitz Et Al. berichtet konsistent ist.

Abbildung 2 zeigt die FTIR-ATR Spektren und Kontaktwinkel Messung von PDMS Briefmarken während der verschiedenen Schritte des Verfahrens µCP. Nach dem Druck verringert die Azlactone Carbonyl stretching Vibration am ~ 1818 cm^-1 um 34 9 %. Abbildung 2 (Einschub A, B) zeigt auch die Änderung im Hydrophobie von PDMS Briefmarken nach TPS Behandlung.

Stempel-Substrat drücken ist ein entscheidender Schritt im µCP. Abbildung 3 Exponate verschiedener Teile des manuellen Drehwerkzeugs notwendig, einheitliche Kontakt zwischen Polymer beschichtet Stempel und Silizium-Substrat zu erreichen.

Abbildung 4: Details der entwickelten Techniken zur Erzeugung von PGMA -b- PVDMA gemusterten, vernetzt oder Pinsel verfilmt. Diese Zahl wurde von Masigol Et Al. modifiziert ²⁴ . (A) schematische Darstellung des Protokolls Parylene Lift-Off für Musterung Polymer Bürsten auf Silizium-Substraten, 1. -Silizium-Wafer (w/Native-Oxid), 2. Parylene Ablagerung (1 µm oder 80 nm), 3 . Photoresist spin coating, 4. UV-Exposition und Entwicklung, 5. Sauerstoffplasma Ätzen, 6. Polymer spin coating, 7. glühen und Parylene abheben. (B) IDA Verfahren zur Strukturierung Polymer Bürsten auf biologisch/chemische (PEG/TPS) inerte Substrate, 1. Silizium-Wafer (w/Native-Oxid), 2. PEG/TPS Ablagerung, 3. Parylene Ablagerung (1 µm oder 80 nm), 4. Photolack spin coating, 5. UV Belichtung und Entwicklung, 6. Sauerstoff Plasmabehandlung, 7. Parylene abheben, 8. Polymer spin Coating, 9. glühen und Beschallung. (C) Generation der vernetzte Polymere Strukturen auf Silizium mit der µCP-Methode, 1. Soft-Lithographie zur Herstellung von PDMS Stempel gefolgt von TPS-Beschichtung, 2. Polymer Freihandeingabe auf TPS funktionalisiert PDMS, 3 . Stempel/Substrat-Kontakt, 4. glühen und Beschallung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 zeigt die schrittweisen Verfahren zur Erzeugung von Polymer Muster²⁴. Diese Verfahren sollen: (1) Muster einheitliche Pinsel Strukturen PGMA -b- PVDMA Polymere auf chemisch/biologisch inerten Substraten mittels Parylene abheben und IDA Techniken ()Abbildung 4A, 4 B), oder (2) dicker Film Muster von Mikron-Skala Dicke ()Abbildung 4generieren).

Abbildung 5: Repräsentative Ergebnisse des Verfahrens Parylene-Lift-Off. (A) Hellfeld Bilder PGMA -b- PVDMA Polymer Muster auf Silizium mit ()Einschub glühen ich) und ohne glühen (Einschub Ii) (Maßstabsleiste = 40 µm). (B) Polymer Dicke gemessen nach 10 min Beschallung in Chloroform mit oder ohne glühen. (C) Cross-Sectional Polymer Höhenprofil für 1 µm dicken Parylene Schablonen. (D) Cross-Sectional Polymer Höhenprofil für 80 nm dicken Parylene Schablonen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Parylene-Lift-Off-Technik kann verwendet werden, um Pinsel Strukturen der PGMA -b- PVDMA Block Copolymere, entspricht ca. 90 nm Schichtdicke zu erreichen. Abbildung 5 A (inset ich) zeigt die gemusterten Flecken umgeben von Polymer-freien Hintergrund. Glühen ist der entscheidende Schritt führenden Polymer Phase-Segregation und starke kovalente Oberfläche Bindung durch Reaktion von Epoxy-Gruppen auf der GMA-Block mit Oberfläche oxid²⁴. Wie Abbildung 5zeigtein (Inset Ii) ohne glühen, Beschallung in Chloroform wird ein Großteil der gemusterten Polymer zu entfernen. Um die Wirkung des Glühens genauer zu untersuchen, wurde eine Konzentration von 1 % WT Polymer in Chloroform Spin-beschichtete über ein Plasma gereinigt Silizium-Substrat (ohne Parylene). Dicke Polymer wurde durch Ellipsometrie gemessen (siehe die Tabelle der Materialien). Während Beschallung in Chloroform zur Entfernung von die meisten des Polymers aus Substraten nicht geglüht führte, wurde keine signifikante Veränderung in der Stärke des Polymers für geglühten Substrate ()Abbildung 5 b() beobachtet. Im Vergleich zu 1 µm Parylene Schablonen, 80 nm Parylene Schablonen generiert höhere Film Einheitlichkeit ()Abbildung 5, 5D).

Abbildung 6: Repräsentative Ergebnisse der IDA-Methode zur Erzeugung von Pinsel-Mustern PGMA -b- PVDMA in chemisch und biologisch inert Hintergründe. Diese Zahl wurde von Masigol Et Al. modifiziert ²⁴ . (A) PGMA -b- PVDMA Muster in TPS und PEG Hintergründe. (B) AFM Messung von Polymer-Muster und repräsentative Polymer Schichtdicke über TPS-beschichteten Substraten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die IDA-Technik kann verwendet werden, um einheitliche Filme PGMA -b- PVDMA Polymer Co über chemisch oder biologisch inert Hintergründe anzuordnen. Abbildung 6 A zeigt die PGMA -b- PVDMA Muster auf PEG/TPS Hintergründen. Dieser Ansatz führt zu gemusterten Filme von 90-100 nm Dicke, ohne die Kante Mängel beobachtet von der vorherigen Methode ()Abbildung 5, 5D). AFM-Profile in Abbildung 6B zeigen Polymer Schichtdicken erzielt mit der IDA-Methode.

Abbildung 7: Repräsentative Ergebnisse der μCP Technik zur Herstellung von vernetzten Filme PGMA -b- PVDMA. Diese Zahl wurde von Masigol Et Al. modifiziert ²⁴. (A) Höhenprofile von Polymeren auf Silizium Substrate (1 % WT Polymer)gedruckt. (ich eingelassen) PGMA -b- PVDMA Muster erhalten, nachdem µCP mit Glüh- und (Inset Ii) ohne Glühen (Maßstabsleiste = 30 µm). (B) ATR-FTIR Analyse der nackten Silizium und Silizium-Substrat nach dem PGMA -b- PVDMA drucken. (C) Wirkung des Einsatzes von verschiedenen Polymer Farbwerk Konzentrationen auf die durchschnittliche vernetzt Film Höhe (Fehlerbalken beschreiben Standardabweichung vom Durchschnitt). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

µCP wurde als der Endanflug zur Musterung PGMA -b- PVDMA Polymere auf Silizium-Oberflächen entwickelt. Im Gegensatz zu Parylene abheben und IDA Techniken führt dieser Ansatz Polymerfolien gemustert bei Mikron-Skala Dicke ()Abbildung 7A(). Es gab mehrere wichtige Schritte, die erforderlich waren, um effiziente Übertragung von Polymer aus den Stempel auf das Substrat während des Druckvorgangs zu versichern. Erstens PDMS Funktionalisierung mit TPS musste PGMA -b- PVDMA-Kupplung an den Stempel ()Abbildung 2hemmen, Einfügung von A, B). Zweitens musste Plasmabehandlung auf dem Substrat eine Oxidschicht Oberfläche für Reaktion mit Epoxy-Gruppen im PGMA Block des Polymers ()Abbildung 1 b()zu bilden. Schließlich Glühen von gestempelten Polymerfolien musste Vernetzung im Laufe des Films zu fördern; Abbildung 7 A (inset i und Ii) zeigen geglüht und nicht geglüht Substrate nach Beschallung, wo erhebliche Schäden an den Filmen nicht geglüht beobachtet wurde. Eine weitere Anforderung für die Musterung Technik war die Azlactone Funktionalität bewahren die geprüft wurden, durch die Messung der Carbonylgruppe stretching Vibration am ~ 1818 cm^-1 ()Abbildung 7 b(). Schließlich die µCP Technik ermöglichte auch Microscale Kontrolle der Dicke Polymerfolien durch Variation der Konzentrationen von PGMA -b- PVDMA in Chloroform im Farbwerk SchrittAbbildung 7() ().

Dieser Artikel stellt drei Ansätze zur Strukturierung PGMA -b- PVDMA, jeweils mit einem Satz von vor- und Nachteile. Parylene-Lift-Off-Methode ist eine vielseitige Methode zur Strukturierung von Block-Copolymere im Mikro-bis nanoskaligen Auflösung und wird als eine Ablagerung Maske in andere Musterung Systeme^33,34,35. Aufgrund seiner relativ schwachen Oberflächenhaftung kann Parylene-Schablone leicht durch Ultraschallbehandlung in einem Lösungsmittel nach Polymerbeschichtung, die Hintergrund-Regionen verfügbar zu machen von der Oberfläche entfernt werden. Hintergrund-Regionen erscheinen stets sauber und frei von passives Polymer. Da Parylene inert gegenüber einer Vielzahl Oberflächen^36,37ist dieser Ansatz eignet sich für die Hinterlegung PGMA -b- PVDMA in einer Vielzahl von unterschiedlichen Hintergrund Oberfläche Chemikalien. Ein Faktor, der Film Einheitlichkeit betroffen war Parylene Schablone Dicke. Zwei verschiedene Parylene-dicken (1 µm und 80 nm) dienten (Methode A, Abbildung 4( ), die Wirkung der Schablone Dicke auf die generierte PGMA -b- PVDMA Strukturen zu untersuchen. Verglichen mit 1 µm, 80 nm dicken Parylene erstellt Polymerfolien mit höheren Einheitlichkeit Rand Mängel um jedes Polymer vor Ort in beiden Fällen ()Abbildung 5, 5 beobachtetD). Dies ist wahrscheinlich auf eine Ansammlung von Polymer gegen die Schablone während der Spin-Coating-Schritt, der dann vernetzt in dickeren Schichten an den Rändern Muster beim glühen Schritt war. Glühen ist jedoch äußerst wichtig für Erhalt stabiler Polymer ()Abbildung 5A, 5 MusterB), Rand Mängel waren somit unvermeidbar mit dieser Methode.

Als Alternative, die IDA Musterung Methode verwendet Parylene Schablonen oxid Muster erzeugen, die leiten die Selbstmontage des PGMA -b- PVDMA Polymers an der Oberfläche in einem maskless Abscheidung (Methode B, Abbildung 4(). Physisorbed Polymere im Hintergrund Regionen unmittelbar nach der Spin-Coating-Schritt werden durch Ultraschallbehandlung in organischen Lösungsmittel entfernt. Nachdem diese Schritte durchgeführt, Hellfeld, SEM, und AFM Bilder der Oberfläche offenbaren PGMA-b-PVDMA-Muster, die die Silizium-oxid Muster ()Abbildung 6A() entsprechen. Im Gegensatz zu der bisherigen Methode zeigen gemusterte Filme hohe Gleichmäßigkeit ohne Rand-Fehler, da keine Maske während der Spin-Coating-Schritt anwesend war. Die daraus resultierende Dicke von Polymerfolien ist 90-100 nm, im Einvernehmen mit der gemeldeten Dicke Bürsten für PGMA -b- PVDMA Polymer dieser Molekulargewicht²⁰. Dieses ausgezeichnete Merkmal ermöglicht präzise Manipulation der chemischen Reaktivität durch Anpassen der PGMA -b- PVDMA Muster Dichte oder das Molekulargewicht der PVDMA Kette.

Während die IDA-Methode bevorzugt für Anwendungen wo Film Einheitlichkeit wichtig ist wird, gibt es zwei inhärente Nachteile der Methode. Erstens kann Bildung von passives PGMA -b- PVDMA Polymer im Hintergrund Regionen auftreten, wie in den TPS-Hintergrund-Regionen in Abbildung 6Afestgestellt werden können. Wenn Hintergrund Polymer ein Problem darstellt, sollte die chemische Integrität des Hintergrunds zunächst mit ATR-FTIR oder Wasser Kontaktwinkel Messung³⁹überprüft werden. Zusätzliche Beschallung kann auch zum Entfernen von passives Polymer nützlich. Zweitens ist die IDA-Methode beschränkt sich nur auf die Hintergründe, die Plattierung PGMA oder PVDMA Gruppen in das Polymer sind. Weitere Hintergründe mit reaktiven Moieties (Amine, Thiole, etc.) würde wahrscheinlich paar auf das Polymer, Muster Integrität.

Zur Ergänzung der Parylene und IDA Musterung Methoden, das angepasste µCP Protokoll generiert dickere PGMA -b- PVDMA Strukturen (Verfahren C, Abbildung 4(), eine höhere Oberflächen-Volumen-Verhältnis, die das Laden verbessern können von chemischen oder biologischen Analyten in Anwendungen zu erfassen oder zu verbessern, Zellhaftung, Rentabilität und Verbreitung in Zelle Kultur Anwendungen^41,42. Hier die Oberflächenchemie den Stempel und das Substrat waren wichtig für die Wahrung von effizienten Polymer-Transfer unter Beibehaltung hoher Muster Integrität. PGMA -b- PVDMA Transfer wurde erleichtert durch die Behandlung des Stempels mit einer TPS-Schicht der freien Oberflächenenergie der Stempel⁴⁴, zu verringern, während der Behandlung auch die Silizium-Substrate mit Sauerstoffplasma unmittelbar vor dem Drucken zu reaktiven Oberflächen Hydroxylgruppen für Kupplung, Epoxid-Gruppen in den PGMA block²³.

Eine Hauptherausforderung in das µCP-Protokoll kommt durch die Verwendung von Chloroform Lösungsmittel, das Polymer Farbwerk Lösung vorzubereiten. Rasche Lösungsmittel Verdunstung über den Stempel kann ungleichmäßige Polymer Farbwerk, Kompromisse bei der Muster Reproduzierbarkeit^24,43verursachen. Um dies zu vermeiden, war es wichtig, dass Briefmarken in 5 mL Volumen der Freihand-Lösung, im Gegensatz zu pipettieren kleine Volumen der Lösung über den oberen Teil der Stempel-Oberfläche vollständig untergetaucht waren. Verschiedene untertauchen Zeiten wurden untersucht, und 3 min erwies sich als optimal für diesen Prozess sein. Es war notwendig, dann legen Sie den nassen Stempel direkt auf dem Substrat innerhalb 1-2 Sekunden nach Entnahme aus der Lösung und der Stempel mit dem Dremel Tool Setup (Abbildung 3) manuellen Druck hinzufügen. Dabei durfte für die Übertragung unter nassen Bedingungen, die entscheidend für die Aufrechterhaltung der auftragswirkungsgrad und Gleichmäßigkeit. Strukturierung von diesem Prozess noch ungleichmäßiger erscheint, dürfte Stempel Verformung. In diesem Fall kann das Verhältnis von PDMS Base/Aushärtung Agent in Soft-Lithographie Schritt geändert werden, um härtere Stempel⁴⁶zu generieren.

Zusammenfassend lässt sich sagen beschreiben die Methoden und Ergebnisse, die hier mehrere Ansätze für die Erstellung von gemusterter Schnittstellen mit dem PGMA -b- PVDMA Polymer. Die Methoden können eingesetzt werden, um gemusterte Filme mit Pinsel oder vernetzte Strukturen, je nach Anwendung zu generieren. Polymer kann chemisch oder biologisch inert Hintergrund angeordnet werden. Da Ablagerung des Polymers der letzte Schritt bei der Abscheidung ist, ist die Azlactone-Funktionalität in jedes Muster Protokoll erhalten. Nach der Musterung sind Substrate für Post-functionalization mit anderen chemischen oder biologischen Gruppen bereit.

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Diese Forschung wurde unterstützt von der Kansas State University. Ein Teil dieser Forschung wurde in der Mitte für Anwendungspotential Materialwissenschaften durchgeführt am Oak Ridge National Laboratory von wissenschaftlichen Benutzer Einrichtungen Division, Büro der grundlegenden Energiewissenschaften sowie U.S. Department of Energy gesponsert wird.