Random collagen-like biomimetic nanostructures : Fabrication, characterization and application for biosensors

Abstract

Functionalization of biosensor surfaces with nanostructures is a well-established approach to promote biological entities to adhere, grow and proliferate. The natural adhesion surface of cells is composed of extracellular matrix biomolecules and the organization of the bio-nanostructures is completely random. Therefore, this study focuses on fabrication of randomly organized nanostructures inspired from the dimensions and orientation of natural collagen fibers with nanoimprint lithography. The biomimetic nanostructures subsequently grown by electroplating the nanoimprinted surfaces replicate the topographical randomness of the natural collagen fibers in lateral dimension and organization, but not axial dimension. The nanostructures significantly influence the surface properties by amplifying free surface energy by 33 % and reduction in impedance magnitude by 54 % for frequencies below 1 kHz. The surface modifications open nanostructuring opportunities for biosensor application such as in-vitro microelectrodes used for electrophysiological studies. The biomimetic nanostructured microelectrodes show reduction in impedance magnitude at 1 kHz by 41 % for densely-packed nanostructures. Electrophysiological experiments with mice enteric neurons show a 3-fold amplification in seal impedance and an increase of 35 % in extracellular signal-to-noise ratio. Finally, cell biological experiments show 270 % increase in neuronal growth and up to 50 % increase in focal adhesion coverage induced by the nanostructures.

Die Funktionalisierung der Oberflächen von Biosensoren mit Nanostrukturen ist ein etablierter Ansatz, um die Haftung, das Wachstum und die Vermehrung biologischer Komponenten zu fördern. Die natürliche Adhäsionsfläche von Zellen besteht aus Biomolekülen der extrazellulären Matrix, wobei die Organisation der biologischen Nanostrukturen völlig zufällig ist. Daher konzentriert sich diese Arbeit auf die Herstellung von zufällig organisierten Nanostrukturen, die von den Abmessungen und der Ausrichtung natürlicher Kollagenfasern inspiriert sind und mit Nanoimprintlithografie (NIL) hergestellt werden. Die biomimetischen Nanostrukturen, die durch Galvanisierung der zuvor mittels NIL-geprägten Oberflächen aufgewachsen werden, replizieren die topografische Zufälligkeit der Kollagenfasern in Bezug auf die laterale Dimension und Organisation, jedoch nicht die axiale Dimension. Die Nanostrukturen beeinflussen die Oberflächeneigenschaften erheblich, indem sie die freie Oberflächenenergie um 33 % erhöhen und die Impedanz bei Frequenzen unter 1 kHz um 54 % verringern. Die Oberflächenmodifikationen eröffnen Nanostrukturierungsmöglichkeiten für Biosensoranwendungen wie in-vitro Mikroelektroden, die für elektrophysiologische Studien verwendet werden. Die biomimetisch nanostrukturierten Mikroelektroden zeigen eine Verringerung der Impedanz bei 1 kHz um 41 % für dicht gepackte Nanostrukturen. Elektrophysiologische Experimente mit Darmneuronen von Mäusen zeigen eine dreifache Verstärkung der Dichtungsimpedanz und einen Anstieg des extrazellulären Signal-Rausch-Verhältnisses um 35 %. Schließlich zeigen zellbiologische Experimente eine Zunahme des neuronalen Wachstums um 270 % und eine Zunahme der fokalen Adhäsionsabdeckung um bis zu 50 %.