Laser interference lithography : micropatterning of polymer surface for cell adhesion

Abstract

Wechselwirkungen zwischen Zellen und fremden Oberflächen sind die grundlegenden Aspekte, um die Funktionen der Oberflächenchemie und -Topographie der Biomaterialien zu verstehen. Wenn sich die Zellen in ihren Reaktionen zu den topographischen Veränderungen unterscheiden, kann dieses Phänomen ausgenutzt werden, die Zellfunktionen zu regulieren und Materialien für Implantate zu entwickeln. Zellreaktionen zur Oberflächentopographie, insbesondere die Orientierung und Differenzierung, die durch Oberflächenmikrostrukturen induziert werden, werden als "Contact Guidance" genannt. In dieser Arbeit wurde die Laserinterferenzlithographie eingesetzt, um periodische lineare und punktförmige Mikrostrukturen zur Untersuchung von "Contact Guidance" der Säugetierzellen aufzubereiten. Dieser Prozess gewährleistet eine direkte Mikrostrukturierung, die auf gezielter Laserabtragung der Polymerwerkstoffe basiert, welche die periodische Energieverteilung der Interferenzmuster von zwei oder mehr Laserstrahlen ausnutzt. Die Laserablations-Mechanismen wurden mit Flugzeitmassenspektroskopie, Röntgenelektronenspektroskopie, bzw. durch Laserablation einer Dünnpolymerlösung untersucht. Der Mikrostrukturierungs-Prozess wurde in Bezug auf Polymereigenschaften, Energiedichte und Pulsanzahl optimiert. Die Mikrostrukturen wurden durch Atomkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Weißlichtinterferometerie charakterisiert. Mäusefibroblasten und menschliche Lungenfibroblasten wurden auf 2D- und 3D-Mikrostrukturen mit unterschiedlichen Perioden gezüchtet, die durch Laserinterferenz-Lithographie angefertigt wurden. Die Morphologie der gezüchteten Zellen wurde direkt mit Atomkraftmikroskopie oder nach Färbung und Lufttrocknung mit Weißlichtmikroskopie aufgenommen. Die Zellen, die auf 2D-Mikrostrukturen von Polyethylenterephthalat, Thermanox und Polycarbonat gezüchtet wurden, waren länglich orientiert und entlang der Linie ausgerichtet. Demgegenüber dehnten sich die Zellen auch aus, die auf 3D-Punktmustern gezüchtet wurden, aber zeigten nur einigermaßen Ausrichtung. Die physiologische Reaktion wurde durch E-Selectin-Expression untersucht. Schließlich wurden die Ergebnisse und die verbleibenden Fragen in Bezug auf Laserablations- und Zellentzündungsmechanismen zusammengefasst.

Cell-surface interactions are fundamental aspects to understand the role of surface chemistry and topography of biomaterials. If cells differ in their response to topographic variations, this phenomenon may be exploited to regulate cell functions and to design implant materials. Cell responses to surface topography, especially the orientation and differentiation induced by surface micropatterns, are called contact guidance. In this work laser interference lithography was introduced to prepare periodic linear and point micropatterns for study of contact guidance of mammalian cells. This process provides a straightforward micropatterning technique based on selective laser ablation of polymers utilizing the periodic energy distribution of two or more beam interference patterns. The ablation mechanisms of polymers were studied with time of flight mass spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and by using thin polymer solution followed by spectroscopic analysis and molecular weight measurement. The micropatterning process was optimised with respect to polymer properties, laser fluence and pulse number. The micropatterns were characterized by atomic force microscopy, scanning electron microscopy and white light interferometry. Mouse fibroblasts and human pulmonary fibroblasts were cultured on linear and point patterns with different periods induced by laser interference lithography. Photographs were taken by using atomic force microscopy directly or with white light microscopy after being stained and air-dried. The cells cultured on linear micropatterns of poly(ethylene terephthalate), Thermanox™ and polycarbonate were elongated, spindle-like, and aligned along the linear patterns with all different groove widths. In contrast, cells cultured on point patterns were also bipolar but showed only limited orientation. The physiological responses have also been studied by E-selectin expression. At last the results are summarized and the remaining questions with respect to laser ablation and inflammation mechanisms were discussed.