Name: preparation of light-responsive membranes by a combined surface grafting and postmodification process
Uploaded: 2014-03-21T16:00:00.000+00:00
Duration: 12 min
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この作品は、財政的にスイス国立科学財団（ - スマートマテリアルNRP 62）によってサポートされていました。また、B.ハンゼルマン、K.ケール、U.シュッツとBロイトホルトのサポートがあると認めた。

1。プラズマ開始重合<ol><li>モノマー溶液の準備。 <ol><li> 200mlの水に分液ロートにヘキサン（100ml）で3回洗浄し、HEMA（0.718モル100ml）に溶解する。塩化ナトリウムで水相を飽和させ、ジエチルエーテル（50ml）でHEMAを抽出する。 MgSO 4で有機相を乾燥させ、 真空内で溶媒を除去し、（100ミリバール、40℃）。減圧下でHEMAを蒸留（15ミリバール、99℃）。 </li><li>第1.1.1項で生産阻害剤を含まないHEMAの0.62 Mのメタノール溶液を調製する。 1口フラスコに溶液30mlを注ぎ、1時間溶液を通してアルゴンをバブリングすることによって酸素を除去。 </li></ol></li><li>表面誘導重合。 <ol><li>位置プラズマチャンバ内に互いに隣接する2枚のポリカーボネート膜（ 図2）。気相の方を向いた膜の光沢面を配置します。 </li><li>ああにプラズマチャンバを接続5分間IGH真空（20ミリバール）。真空バルブを閉じ、アルゴンと酸素ガスに接続されており、15 SCCMのアルゴンと2.5 SCCM酸素と2時間、この混合物を用いて室内をパージされ、他のバルブを開きます。 </li><li>プラズマを開始し、（ポリカーボネートメンブレンの場合：12 W）の所望の電力への電力を削減し、プラズマで4分間の膜を処理する。対応するバルブを開くことにより、チャンバーとモノマー溶液を接続します。プラズマを切り、チャンバを排気。 </li><li>対応するバルブを開放することによってチャンバとモノマー溶液を接続し、チャンバー内に溶液を注ぐ。膜はモノマー溶液で覆われていることを確認してください。アルゴンに接続されたバルブを開いて、20℃（エアコンの部屋）で12時間、反応混合物を保存する。 </li><li>モノマー溶液を除去します。 5分間の超音波浴中でメタノールで膜を洗浄します。水で洗浄操作を繰り返します。 </li><li> メンブレンを乾燥さ2時間モレキュラーシーブ上で真空。 </li></ol></li></ol> 2。被覆膜の後置修飾<ol><li> tert-ブチル butylmetyletherおよびジメチルアミノピリジン（DMAP）（33、0.27ミリモル）、N、N-ジシクロヘキシルカルボジイミド（DCC）（0.27ミリモル55 mg）を、スピロベンゾピラン1の溶液（ 図1）（0.27ミリモル100mg）を調製（TBME）（12 ml）を加えた。 </li><li>丸底フラスコに保護スターラーバーと保護グリッドを配置します。フラスコを乾燥させ、アルゴンでフラスコをあふれさせる。 </li><li>コー​​ティングされた膜に続いてフラスコに溶液を注ぐ。 </li><li> 12時間室温で穏やかに撹拌する。 </li><li>溶液を除去し、5分間超音波浴中のtert-butylmetyletherを有する膜を洗う。エタノールと水で洗浄操作を繰り返します。 </li><li> 2時間モレキュラーシーブ上で真空中で膜を乾燥させます。 </li></ol> 3。表面張力の測定<ol><lI&gt;金属製のOリングの標準テープで膜を固定します。位置Oリングに接触していない膜表面の一部にナノ純水（3.3μl）を一滴を、。膜の5つの異なる箇所での接触角（CA）を測定します。 </li><li>サンプルの長期安定性を試験するために、3つの異なる0後の膜の斑点、1、2、3、7、14、および21日目に接触角を測定する。 </li></ol> 4。フォトクロミック膜の透過性試験<ol><li>水（12ml）でフランツ拡散セルのレセプターチャンバーを埋める。 </li><li>フランツ拡散セルに膜を固定します。膜受容体室の水と接触していることを確認してください。水溶液カフェイン溶液（; 3.0ミリリットル20 mM）を有するドナー室（膜の上室）埋める。白色光（ 図3）を有するドナーチャンバーの上部から、膜を照射する。受容体細胞からのサンプル（200μl）を収集し、FO200nmの細孔直径を有するr​​個のトラックエッジのポリカーボネート膜、試料を10分ごとに収集する。 </li><li>ステップ4.2で説明したように実験を繰り返す。しかし、全体の透過性試験の間にUV光（366ナノメートル、80 W / m 2）を用いて、膜を照射する。 </li><li>収集されたサンプルのカフェイン濃度の決定。 <ol><li> UV /可視分光計を用いて（0.05 mg / mlの1.5 mMの/ Lの間）に15種類のカフェイン濃度の較正曲線をプロットする。 293 nmで校正します。 </li><li>検量線を用いて収集したサンプルのそれぞれの濃度を測定。 </li><li> 対決定された濃度をプロットします。収集されたサンプルの時間。点を通る直線近似を行い、傾きからΔcのを決定します。 </li></ol></li></ol>

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	<li>d'Agostino, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Basic Approaches to Plasma Production and Control. , (2008).</li><li>Liston, E. M., Martinu, L., Wertheimer, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+surface+modification+of+polymers+for+improved+adhesion:+a+critical+review.">Plasma surface modification of polymers for improved adhesion: a critical review.</a> J. Adh. Sci. Technol. 7 (10), 1091-1127 (1993).</li><li>Siow, K. S., Britcher, L., Kumar, S., Griesser, H. 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P., Cupelli, D., Formoso, P., De Filpo, G., Colella, V., Gugliuzza, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+Responsive+Polymer+Membranes:+A+Review.">Light Responsive Polymer Membranes: A Review.</a> Membranes. 2 (1), 134-197 (2012).</li></ol>

著者らは、開示することは何もありません。

プラズマ処理は、アルゴンイオン化によって引き起こされる紫色のガスを生成する。オレンジ色が漏れから望ましくない窒素の存在を示すであろう。プラズマ処理は、表面上にラジカルを形成するだけでなく、膜7,12をエッチングしないだけでなく。あまりにも多くのエッチングは、膜の透過性に影響を与えるであろう、かなりの細孔径を変更することができる。提示され、セットアップの制御された反応条件は、プラズマ開始グラフト化プロセスの再現性を高めることを可能にする。それにもかかわらず、プラズマチャンバ内の膜の正確な位置は、依然として、プラズマの不均一に表面に形成されたラジカルの密度に影響を与えることができる。エッジ·レートを適用しても、電源オンと正確なガス組成に依存している。 このような薄いコーティングの特性は、市販の膜の比較的粗い表面に容易ではありません。 12,21前に説明したように、層厚さは、エリプソメトリー及びXPS実験を用いて決定した。平坦な表面を分析するために、ポリカーボネートをスピンコートモデルポリカーボネート表面のSi-ウエハ上にあった。これらのポリカーボネートコーティングは次に記載された手順でポリカーボネート膜のように処理した。また、多光子顕微鏡試験は、コーティングが21ならびに細孔内に行われた場合に、膜の外表面部のみが被覆されているかどうかを評価するための非常に貴重な測定技術であることが明らかになった。 による官能基を有するランダム重合の高い互換性のために、アクリレートの多種多様なモノマーとして使用することができる。これは、官能基を有するモノマーの使用を可能にする。本実施例において、アルコール基は、カルボン酸基でエステル化することができる。グラフト化プロセスの制限を使用することができる溶媒である。ポリカーボネート膜は、例えば、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、クロ等の多くの有機溶媒に溶解するので、roform、またはアセトン、これらの溶媒は、重合のた​​めだけでなく、後に後置修飾プロセスのために避けるべきである。適した溶媒は、例えばヘキサン、キシレン、およびいくつかのエーテル類、メタノール、エタノール、プロパノール、脂肪族及び芳香族溶媒などのアルコール類、水である。モノマー溶液の濃度が有意にコーティング厚さを変化させない。したがって、この方法は、厚いコーティングの形成に適していない。しかしながら、薄いコーティングは、バルクフレキシブル膜の柔軟性に影響を与えることなくコーティング材料として脆い硬質ポリマー（ 例えば 。PMMA）の使用を可能にする。先に示したように、ポリマーはまた、コポリマー17を形成するために異なるモノマーからなることができる。 ポリカーボネート膜がわずかにジエチルエーテル中で膨潤するので、TBMEは、後置修飾手順のための本発明の場合に使用される。後置修飾は、電子のためのカップリング剤として、溶媒としてTBMEおよびDCCを用いて室温で行われる。スピロベンゾピラン化合物1 17のカルボン酸部分とアルコールのsterification。非極性溶媒としては、TBME細孔壁を湿潤していないので、唯一の外膜表面は、スピロベンゾピランで官能化されている。後置修飾処理は、表面の表面張力を変更したり、表面12上に他の機能をもたらすために使用することができる。実証例は、光応答性膜への膜を変更します。 pH、温度、化学物質や電気などの他の刺激に対する応答性が想定できるである。 実証方法では、光応答性膜は、カフェインの透過率に関して顕著な応答を用いて製造されている。スピロベンゾピラン部が一工程でHEMAと共重合されたときに興味深いことに、応答は、17はるかに低い。コー​​ティングは、細孔直径（水中で膨潤させた場合であっても）の変化よりもはるかに薄いので、孔径は、透過性の変化の理由として除外することができる。より極性のメロは、その極性の低いスピロピランの状態よりも水に優れたグラフトポリマーを膨潤さになるので、とにかく、逆にフォトスイッチは、予想されるであろう。透過性の変化の理由は、以前12に示すように、水性系の透過率を定義する表面張力の変化、である。 刺激応答性のこの種の膜は、切り替え可能な薬物送達システム内またはスマートセンサシステムにおける用途を見出すことができる。スマート薬物送達システムは、早産新生児21の無呼吸を防止するために使用することができる。光応答性膜を使用することができる他の領域は、バイオテクノロジー、マイクロ流体または光パワーの分子シャトル22のためのものです。

材料のプラズマ改質は、多くの産業分野で重要なプロセスとなっています。材料のバルク特性を変えることなく、表面や表面 ​​の機能化の洗浄は、プラズマ処理表面科学1-8での本質的なプロセスになりました。 ポリマーのプラズマ処理はホモリシス結合開裂をもたらす。これは、ポリマー材料の縁にラジカルリッチ表面の形成をもたらす。酸素分子を含有するプラズマを用いて、表面を酸素に富むため、より親水性の9-11なる。しかし、表面の親水性は、時間12以上安定していない。長期安定性を高めるために、プラズマ処理された表面は、化学的に13-15後に、プラズマ処理中に変更することができる。この処理は、通常、プラズマ処理中のガス相への反応性モノマー種を添加することによって行われ、これらのモノマーは、その後重合さポリマー表面の作成ラジカルから。化学的処理は、不揮発性のモノマーを用いて実施されている場合、グラフトポリマーは、プラズマ改質後に行わなければならない。ラジカルが表面に形成された後、制御されたグラフト化を行うために、プラズマセットアップが制御された条件の下で、溶液中の12,16の表面からプラズマが開始した表面誘起重合を可能にする、記載されている。 プレゼンテーションでは、トラックエッジの高分子膜12,17の修正に焦点を当てています。これらの膜の表面張力を変更することによって、透過速度は、12を変化させることができる。これきれいで、高速プロセスは、高分子膜のバルク特性を変えることなく、膜表面全体を覆​​う非常に薄い層（&lt;5nm程度）の作成を可能にする。 、プラズマプロセス中のエッジングに、トラックエッジの膜の孔径がわずかに12を増大させる。エッジング率はdependiですポリマー上ngのとリニアな動作を持っています。 反応性官能基を有するモノマーを用いる場合、グラフトポリマーはさらに官能化することができる。これは、カルボン酸官能化スピロピランとPHEMA-グラフト膜の後置修飾によって実証される。スピロピランをUV光を照射するとメロシアニン種に変換することが知られているので、このことは、フォトクロミック表面をもたらす。スピロピラン形態は、可視光でメロシアニン形態（ 図1）18,19 を照射することによって再確立することができる。メロシアニン形態はスピロピラン状態よりも極性であるため、塗膜の表面張力は、光20をトリガすることができる。表面張力の変化は、水溶液に向かって膜の透過性に影響を与える。セットアップこれらの光応答性膜の透過性試験を行​​うためにどのように表示され、透過性抵抗の有意な変化は、（iを減少させる97％によりn透過性）が示される。このような膜は、薬物送達のセットアップでまたはスマート検知システムに組み込むことができる。 <img alt="図1" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig1highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig1.jpg" /> スピロベンゾピラン化合物1の図1。光異性化。

<table><tbody><tr><td>2-Hydroxyethyl methacrylate, 97%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>128635</td><td></td></tr><tr><td>Hexane 99%</td><td>Biosolve</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Magnesium sulfate (MgSO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;, anhydrous)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M7506</td><td></td></tr><tr><td>Methanol, 99%&amp;nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>14262</td><td>dried over molecular sieves</td></tr><tr><td>N,N-Dicylcohexylcarbodiimide, 99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>D8002</td><td></td></tr><tr><td>Dimethyl aminopyridine, 99%</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>107700</td><td></td></tr><tr><td>Tert-butylmethylether, 98%</td><td>Fluka</td><td>306975</td><td></td></tr><tr><td>Polycarbonate membrane</td><td>Whatman</td><td></td><td>Nanopore Track Etched (TE) (1.0 &amp;mu;m, 0.2 &amp;mu;m, 0.1 &amp;mu;m, 50 nm, 30 nm, and 15 nm pore diameter; 47 mm or 25 mm membrane diameter)</td></tr><tr><td>Caffeine (reagent plus)</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>C0750</td><td></td></tr><tr><td>Franz diffusion cell (12 ml)</td><td>SES-Analysesysteme</td><td>6C010015</td><td>15 mm unjacheted Franz Cell, 12 ml Receptor volume, Flat ground, clear glass, stirbar and clamp</td></tr><tr><td>UV-Lamp</td><td></td><td></td><td>UV irradiation (366 nm, 15 W/m&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt;)</td></tr><tr><td>White light lamp</td><td></td><td></td><td>White light irradiation (500 W bulb)</td></tr><tr><td>UV/Vis spectrophotometer</td><td>Varian 50Bio/50MPR</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polyester membranes</td><td>Sterlitech</td><td>PET0225100</td><td>Polyester Membrane Filters, 0.2 &amp;mu;m pore diameter, 25 mm diameter</td></tr><tr><td>Polyvinylidene fluoride membranes</td><td>Millipore</td><td></td><td>PVDF Membranes Durapore (0.22 &amp;mu;m pore diameter; 47 mm membrane diameter)</td></tr><tr><td>Argon (99.9995%)</td><td>Alphagaz</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Dressler Cesar RF Power Generator</td><td></td><td></td><td>Plasma chamber setup</td></tr><tr><td>MKS Multi Gas Controller 647C</td><td></td><td></td><td>Plasma chamber setup</td></tr><tr><td>MKS Mass-Flow controllers</td><td></td><td></td><td>Plasma chamber setup</td></tr><tr><td>Vacuubrand RE 2.5 rotary vane vacuum pump</td><td></td><td></td><td>Plasma chamber setup</td></tr><tr><td>Contact angle measurement device</td><td>Kr&amp;uuml;ss</td><td>G10</td><td></td></tr><tr><td>Balances</td><td>Mettler Toledo</td><td>AB204-S and Mettler ME30</td><td></td></tr></tbody></table>

preparation of light-responsive membranes by a combined surface grafting and postmodification process

市販のトラックエッジのポリマー膜の表面張力を修正するために、表面開始重合の方法が提示される。膜表面からの重合は、2 - ヒドロキシエチルメタクリレート（HEMA）のメタノール溶液で膜表面を反応させ、続いて、膜のプラズマ処理によって誘導される。特別な注意が前に表面上に重合プラズマ処理のためのプロセスパラメータに与えられる。例えば、膜の異なるタイプ（ 例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン）に対するプラズマ処理の影響が検討されている。さらに、表面グラフト化膜の経時安定性は、接触角測定によって示されている。このように、ポリ（2 - ヒドロキシエチルメタクリレート）（PHEMA）をグラフトすると、表面はさらに、所望の物質のカルボン酸官能基を有するポリマーのアルコール部分エステル化することにより修飾することができる。これらの反応は、したがって、膜表面の官能化のために使用することができる。例えば、膜の表面張力を変化させることができる、または提示光反応性等の所望の機能を挿入することができる。これは、光応答性膜をもたらすスピロベンゾピラン部官能化カルボン酸とPHEMAを反応させることによって実証される。溶媒の選択は、後置修飾工程において主要な役割を果たしており、本稿で詳しく説明されている。そのような官能化された膜の透過測定は外部光源にフランツセルを用いて行われる。 UV-可視範囲の光の波長を変化させることにより、水性カフェイン溶液の透磁率の変化が観察される。

エッチング速度は、異なる期間の後に、膜を秤量することによって追跡することができる。 図4から分かるように、エッチング速度は、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネートのために、以下の質量損失対エッチング時間の線形相関の傾きから求めることができるリニアエッチング速度を、膜。 図4に示すように、ポリカーボネート膜は、すべての3つのポリマー膜の最も低いエッチング速度を示す。エッチングつの結果は、孔径の変化である。約20％の12,17によるプラズマ処理後に増加する孔の直径。その後のポリマーグラフト化は、一方で1-4 12nm の非常に薄いポリマー層に起因する細孔直径、に有意な影響を及ぼさない。最も重要なことは、全体のプロセスは、膜の細孔構造に影響を与えない。 全体のコーティングプロセスを容易にMEASを追跡することができる接触角をuring。元のポリカーボネート膜は、市販のポリカーボネート膜のポリビニルピロリドン（PVP）のコーティングによるものであり、約60°低い接触角を有する。プラズマ処理時のエッジングは、PVPコーティングを破壊し、ポリマーをグラフトする前に、結果としての接触角は、酸素を含むプラズマに（25°）より親水性になる。不安定な表面は12（21日後80°）以上と時間でより多くの疎水性になる。後続PHEMAグラフトは、膜の孔サイズにも依存して約90°の接触角を有するコーティングをもたらす。 図5において（0.2から1μmの孔径を有する）非被覆膜及びPHEMAグラフト化膜の間の接触角の差が示されている図6に示す、時間に対する PHEMAコーティングされたポリカーボネート膜のさらに接触角を図 。なお、接触角がないことをはっきりと見える長期安定的なコーティングのための指標である、時間の経過とともに変化していない。化合物1と後置修飾は、100°の接触角を向上させます。しかし、スピロベンゾピラン（ 図1）UV-光で照射することにより、より極性のメロシアニン種に転送することができ、この変換は、90℃に再び膜表面の接触角を減少させる。 膜の透過性は、フランツ拡散セル（ 図3）を用いて測定される。試料は、膜の透過性を決定するために、レセプターチャンバーから取り出される。スピロベンゾピラン変性膜の膜透過性は、UV光照射下で、白色光照射下で検討されている。 図7から分かるように、膜が白色光で照明されたときに、透磁率変化の抵抗が97％減少する。これは、光責任の存在を示していますメンブレンを見る。 また、フランツ拡散セル（ 図3）に追加の光源を取り付けることができる。この装置では、光ファイバ束は速くを別の波長に切り替えることができ、白色光およびUV光（360 nm）のソースに接続されている。光ファイバは、照射中に温度を維持するので、温度の増加は、白色光照明のいずれかによって、またはUV光の照射により観察されない。 <img alt="図2" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig2.jpg" /> 図2：T彼は、それぞれ、チャンバ内の2位置決め膜および真空およびガス混合物への2つの弁を備えたプラズマチャンバ。 <img alt="図3" fo:con10トン幅FO = &quot;5インチ&quot;：SRC = &quot;/ files/ftp_upload/51680/51680fig3highres.jpg&quot; SRC = &quot;/ files/ftp_upload/51680/51680fig3.jpg&quot; /&gt; 図3。 （：UV光ここ） レセプターチャンバー（底部）及びドナー室（上部）との間の固定された膜を有するフランツ拡散セルは、光源は、フランツ拡散セルの上部に固定されている。 <img alt="図4" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig4highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig4.jpg" /> 図4は、種々のポリマーからなる膜の10 Wにエッチング速度。 <img alt="図5" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig5highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig5.jpg" /> 図5。多孔ときにポリカーボネート膜（上部ロ水滴の接触角が変化する重量：孔径0.2μm、下段：重合前、右側：重合後）は1μmの孔径）は、プラズマ誘導重合（左側介しPHEMAで被覆されている。 <img alt="図6" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig6highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig6.jpg" /> 図6。 PHEMAの接触角測定は、コーティングの長時間の安定性を示す膜グラフト。 <img alt="図7" fo:content-width="5in" fo:src="/files/ftp_upload/51680/51680fig7highres.jpg" src="/files/ftp_upload/51680/51680fig7.jpg" /> 白色光を照射し、膜を通してUV光を介して水性カフェイン溶液（20mM）を図7に透過性の測定は、膜を照射する。

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Preparation of Light-responsive Membranes by a Combined Surface Grafting and Postmodification Process

プラズマ誘導重合手順は、高分子膜の表面開始重合について記載されている。フォトクロミック物質とグラフトポリマーの更後置修飾は、光応答性膜の透過性測定を行うプロトコルが提示される。

複合表面グラフトと後置修飾法による光応答膜の調製

In order to modify the surface tension of commercial available track-edged polymer membranes, a procedure of surface-initiated polymerization is ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

11.8K ビュー.  Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology. プラズマ誘導重合手順は、高分子膜の表面開始重合について記載されている。フォトクロミック物質とグラフトポリマーの更後置修飾は、光応答性膜の透過性測定を行うプロトコルが提示される。 

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Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in combination with their outstanding thermal and chemical stability, and low densities. However, their insoluble nature causes problems in their processing since usually applied techniques such as spin coating are not available. Especially for membrane applications, where the processing of CMP as thin films is desirable, the processing problems have hindered their commercial application.
Here we describe the interfacial synthesis of CMP thin films on functionalized substrates via molecular layer-by-layer (l-b-l) synthesis. This process allows the preparation of films with desired thickness and composition and even desired composition gradients.
The use of sacrificial supports allows the preparation of freestanding membranes by dissolution of the support after the synthesis. To handle such ultra-thin freestanding membranes the protection with sacrificial coatings showed great promise, to avoid rupture of the nanomembranes. To transfer the nanomembranes to the desired substrate, the coated membranes are upfloated at the air-liquid interface and then transferred via dip coating.

In this paper we describe the interfacial synthesis of conjugated microporous polymers (CMP) on sacrificial substrates, and the dissolution of the substrate for the preparation of freestanding CMP nanomembranes. In addition, we will describe how the fragile nanomembranes can be transferred to other substrates.

層ごとの合成と自立共役高分子ナノ薄膜マイクロポーラスの譲渡

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

化学

Combination of Microstereolithography and Electrospinning to Produce Membranes Equipped with Niches for Corneal Regeneration

Corneal problems affect millions of people worldwide reducing their quality of life significantly. Corneal disease can be caused by illnesses such as Aniridia or Steven Johnson Syndrome as well as by external factors such as chemical burns or radiation. Current treatments are (i) the use of corneal grafts and (ii) the use of stem cell expanded in the laboratory and delivered on carriers (e.g., amniotic membrane); these treatments are relatively successful but unfortunately they can fail after 3-5 years. There is a need to design and manufacture new corneal biomaterial devices able to mimic in detail the physiological environment where stem cells reside in the cornea. Limbal stem cells are located in the limbus (circular area between cornea and sclera) in specific niches known as the Palisades of Vogt. In this work we have developed a new platform technology which combines two cutting-edge manufacturing techniques (microstereolithography and electrospinning) for the fabrication of corneal membranes that mimic to a certain extent the limbus. Our membranes contain artificial micropockets which aim to provide cells with protection as the Palisades of Vogt do in the eye.

We report a technique for the fabrication of micropockets within electrospun membranes in which to study cell behavior. Specifically, we describe a combination of microstereolithography and electrospinning for the production of PLGA (Poly(lactide-co-glycolide)) corneal biomaterial devices equipped with microfeatures.

角膜再生のためのニッチを装備膜を製造するためのマイクロ光とエレクトロスピニングの組み合わせ

Corneal problems affect millions of people worldwide reducing their quality of life significantly. Corneal disease can be caused by illnesses such as ...

生物工学

Fabricating Reactive Surfaces with Brush-like and Crosslinked Films of Azlactone-Functionalized Block Co-Polymers

In this paper, fabrication methods that generate novel surfaces using the azlactone-based block co-polymer, poly (glycidyl methacrylate)-block-poly (vinyl dimethyl azlactone) (PGMA-b-PVDMA), are presented. Due to the high reactivity of azlactone groups towards amine, thiol, and hydroxyl groups, PGMA-b-PVDMA surfaces can be modified with secondary molecules to create chemically or biologically functionalized interfaces for a variety of applications. Previous reports of patterned PGMA-b-PVDMA interfaces have used traditional top-down patterning techniques that generate non-uniform films and poorly controlled background chemistries. Here, we describe customized patterning techniques that enable precise deposition of highly uniform PGMA-b-PVDMA films in backgrounds that are chemically inert or that have biomolecule-repellent properties. Importantly, these methods are designed to deposit PGMA-b-PVDMA films in a manner that completely preserves azlactone functionality through each processing step. Patterned films show well-controlled thicknesses that correspond to polymer brushes (~90 nm) or to highly crosslinked structures (~1-10 &#956;m). Brush patterns are generated using either the parylene lift-off or interface directed assembly methods described and are useful for precise modulation of overall chemical surface reactivity by adjusting either the PGMA-b-PVDMA pattern density or the length of the VDMA block. In contrast, the thick, crosslinked PGMA-b-PVDMA patterns are obtained using a customized micro-contact printing technique and offer the benefit of higher loading or capture of secondary material due to higher surface area to volume ratios. Detailed experimental steps, critical film characterizations, and trouble-shooting guides for each fabrication method are discussed.

Surface fabrication methods for patterned deposition of nanometer thick brushes or micron thick, crosslinked films of an azlactone block co-polymer are reported. Critical experimental steps, representative results, and limitations of each method are discussed. These methods are useful for creating functional interfaces with tailored physical features and tunable surface reactivity.

ブラシのような反応性表面を加工し、アズラクトン官能基化ブロック共重合体の架橋膜

In this paper, fabrication methods that generate novel surfaces using the azlactone-based block co-polymer, poly (glycidyl methacrylate)-block-poly (vinyl ...

工学

Photopatterning Proteins and Cells in Aqueous Environment Using TiO2 Photocatalysis

Organic contaminants adsorbed on the surface of titanium dioxide (TiO2) can be decomposed by photocatalysis under ultraviolet (UV) light. Here we describe a novel protocol employing the TiO2 photocatalysis to locally alter cell affinity of the substrate surface. For this experiment, a thin TiO2 film was sputter-coated on a glass coverslip, and the TiO2 surface was subsequently modified with an organosilane monolayer derived from octadecyltrichlorosilane (OTS), which inhibits cell adhesion. The sample was immersed in a cell culture medium, and focused UV light was irradiated to an octagonal region. When a neuronal cell line PC12 cells were plated on the sample, cells adhered only on the UV-irradiated area. We further show that this surface modification can also be performed in situ, i.e., even when cells are growing on the substrate. Proper modification of the surface required an extracellular matrix protein collagen to be present in the medium at the time of UV irradiation. The technique presented here can potentially be employed in patterning multiple cell types for constructing coculture systems or to arbitrarily manipulate cells under culture.

Photopatterning Proteins and Cells in Aqueous Environment Using TiO2 Photocatalysis

We describe a protocol for modifying cell affinity of a scaffold surface in aqueous environment. The method takes advantage of titanium dioxide photocatalysis to decompose organic film in the photo-irradiated region. We show that it can be used to create microdomains of scaffolding proteins, both ex situ and in situ.

TiOを使用して水性環境中のタンパク質や細胞を光パターニング<sub&gt; 2</sub&gt;光触媒

Organic contaminants adsorbed on the surface of titanium dioxide (TiO2) can be decomposed by photocatalysis under ultraviolet (UV) light. Here we describe ...

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer (SALB) Method

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related processes while conferring biocompatibility and biofunctionality to solid substrates. The spontaneous adsorption and rupture of phospholipid vesicles is the most commonly used method to form SLBs. However, under physiological conditions, vesicle fusion (VF) is limited to only a subset of lipid compositions and solid supports. Here, we describe a one-step general procedure called the solvent-assisted lipid bilayer (SALB) formation method in order to form SLBs which does not require vesicles. The SALB method involves the deposition of lipid molecules onto a solid surface in the presence of water-miscible organic solvents (e.g., isopropanol) and subsequent solvent-exchange with aqueous buffer solution in order to trigger SLB formation. The continuous solvent exchange step enables application of the method in a flow-through configuration suitable for monitoring bilayer formation and subsequent alterations using a wide range of surface-sensitive biosensors. The SALB method can be used to fabricate SLBs on a wide range of hydrophilic solid surfaces, including those which are intractable to vesicle fusion. In addition, it enables fabrication of SLBs composed of lipid compositions which cannot be prepared using the vesicle fusion method. Herein, we compare results obtained with the SALB and conventional vesicle fusion methods on two illustrative hydrophilic surfaces, silicon dioxide and gold. To optimize the experimental conditions for preparation of high quality bilayers prepared via the SALB method, the effect of various parameters, including the type of organic solvent in the deposition step, the rate of solvent exchange, and the lipid concentration is discussed along with troubleshooting tips. Formation of supported membranes containing high fractions of cholesterol is also demonstrated with the SALB method, highlighting the technical capabilities of the SALB technique for a wide range of membrane configurations.

Biomembrane Fabrication by the Solvent-assisted Lipid Bilayer SALB Method

We present an experimental protocol to form a supported lipid bilayer on solid substrates without using lipid vesicles. We demonstrate a one-step method to form a lipid bilayer on silicon dioxide and gold as well as supported membranes with cholesterol-enriched domain for various biological applications.

溶剤アシスト脂質二重（SALB）法による生体膜の作製

In order to mimic cell membranes, the supported lipid bilayer (SLB) is an attractive platform which enables in vitro investigation of membrane-related ...

Preparation of Thermoresponsive Nanostructured Surfaces for Tissue Engineering

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the Langmuir-Schaefer method. Amphiphilic block copolymers composed of polystyrene and PIPAAm (St-IPAAms) were synthesized by reversible addition-fragmentation chain transfer (RAFT) radical polymerization. A chloroform solution of St-IPAAm molecules was gently dropped into a Langmuir-trough apparatus, and both barriers of the apparatus were moved horizontally to compress the film to regulate its density. Then, the St-IPAAm Langmuir film was horizontally transferred onto a hydrophobically modified glass substrate by a surface-fixed device. Atomic force microscopy images clearly revealed nanoscale sea-island structures on the surface. The strength, rate, and quality of cell adhesion and detachment on the prepared surface were modulated by changes in temperature across the lower critical solution temperature range of PIPAAm molecules. In addition, a two-dimensional cell structure (cell sheet) was successfully recovered on the optimized surfaces. These unique PIPAAm surfaces may be useful for controlling the strength of cell adhesion and detachment.

Nanoscaled sea-island surfaces composed of thermoresponsive block copolymers were fabricated by the Langmuir-Schaefer method for controlling spontaneous cell adhesion and detachment. Both the preparation of the surface and the adhesion and detachment of cells on the surface were visualized.

組織工学のための熱応答性ナノ構造表面の調製

Thermoresponsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm)-immobilized surfaces for controlling cell adhesion and detachment were fabricated by the ...

Automated Lipid Bilayer Membrane Formation Using a Polydimethylsiloxane Thin Film

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for biosensor applications. However, conventional BLM formation techniques have several drawbacks and they often require specific expertise and laborious processes. In particular, conventional BLMs suffer from low formation success rates and inconsistent membrane formation time. Here, we demonstrate a storable and transportable BLM formation system with controlled thinning-out time and enhanced BLM formation rate by replacing conventionally used films (polytetrafluoroethylene, polyoxymethylene, polystyrene) to polydimethylsiloxane (PDMS). In this experiment, a porous-structured polymer such as PDMS thin film is used. In addition, as opposed to conventionally used solvents with low viscosity, the use of squalene permitted a controlled thinning-out time via slow solvent absorption by PDMS, prolonging membrane lifetime. In addition, by using a mixture of squalene and hexadecane, the freezing point of the lipid solution was increased (~16 &#176;C), in addition, membrane precursors were produced that can be indefinitely stored and readily transported. These membrane precursors have reduced BLM formation time of &#60; 1 hr and achieved a BLM formation rate of ~80%. Moreover, ion channel experiments with gramicidin A demonstrated the feasibility of the membrane system.

We demonstrate a storable, transportable lipid bilayer formation system. A lipid bilayer membrane can be formed within 1 hr with over 80% success rate when a frozen membrane precursor is brought to ambient temperature. This system will reduce laborious processes and expertise associated with ion channels.

ポリジメチルシロキサン薄膜を用いた自動化された脂質二重膜の形成

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In particular, light-mediated click reactions, such as photoinitiated thiol&#8722;ene and thiol&#8722;yne reactions, afford spatiotemporal control over material properties and allow the design of systems with a high degree of user-directed property control. Fabrication and modification of hydrogel-based biomaterials using the precision afforded by light and the versatility offered by these thiol&#8722;X photoclick chemistries are of growing interest, particularly for the culture of cells within well-defined, biomimetic microenvironments. Here, we describe methods for the photoencapsulation of cells and subsequent photopatterning of biochemical cues within hydrogel matrices using versatile and modular building blocks polymerized by a thiol&#8722;ene photoclick reaction. Specifically, an approach is presented for constructing hydrogels from allyloxycarbonyl (Alloc)-functionalized peptide crosslinks and pendant peptide moieties and thiol-functionalized poly(ethylene glycol) (PEG) that rapidly polymerize in the presence of lithium acylphosphinate photoinitiator and cytocompatible doses of long wavelength ultraviolet (UV) light. Facile techniques to visualize photopatterning and quantify the concentration of peptides added are described. Additionally, methods are established for encapsulating cells, specifically human mesenchymal stem cells, and determining their viability and activity. While the formation and initial patterning of thiol-alloc hydrogels are shown here, these techniques broadly may be applied to a number of other light and radical-initiated material systems (e.g., thiol-norbornene, thiol-acrylate) to generate patterned substrates.

We describe a sequential process for light-mediated formation and subsequent biochemical patterning of synthetic hydrogel matrices for three-dimensional cell culture applications. The construction and modification of hydrogels with cytocompatible photoclick chemistry is demonstrated. Additionally, facile techniques to quantify and observe patterns and determine cell viability within these hydrogels are presented.

細胞培養アプリケーションのためのヒドロゲルの光媒介形成とパターニング

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Reconstitution of Septin Assembly at Membranes to Study Biophysical Properties and Functions

Most cells can sense and change their shape to carry out fundamental cell processes. In many eukaryotes, the septin cytoskeleton is an integral component in coordinating shape changes like cytokinesis, polarized growth, and migration. Septins are filament-forming proteins that assemble to form diverse higher-order structures and, in many cases, are found in different areas of the plasma membrane, most notably in regions of micron-scale positive curvature. Monitoring the process of septin assembly in vivo is hindered by the limitations of light microscopy in cells, as well as the complexity of interactions with both membranes and cytoskeletal elements, making it difficult to quantify septin dynamics in living systems. Fortunately, there has been substantial progress in the past decade in reconstituting the septin cytoskeleton in a cell-free system to dissect the mechanisms controlling septin assembly at high spatial and temporal resolutions. The core steps of septin assembly include septin heterooligomer association and dissociation with the membrane, polymerization into filaments, and the formation of higher-order structures through interactions between filaments. Here, we present three methods to observe septin assembly in different contexts: planar bilayers, spherical supports, and rod supports. These methods can be used to determine the biophysical parameters of septins at different stages of assembly: as single octamers binding the membrane, as filaments, and as assemblies of filaments. We use these parameters paired with measurements of curvature sampling and preferential adsorption to understand how curvature sensing operates at a variety of length and time scales.

Cell-free reconstitution has been a key tool to understand the cytoskeleton assembly, and work in the last decade has established approaches to study septin dynamics in minimal systems. Presented here are three complementary methods to observe septin assembly in different membrane contexts: planar bilayers, spherical supports, and rod supports.

生物物理学的特性と機能を研究するための膜でのセプチンアセンブリの再構成

Most cells can sense and change their shape to carry out fundamental cell processes. In many eukaryotes, the septin cytoskeleton is an integral component ...

生化学

Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors (GPCRs)

Robust in vitro investigations of the structure and function of integral membrane proteins has been a challenge due to the complexities of the plasma membrane and the numerous factors that influence protein behavior in live cells. Giant unilamellar vesicles (GUVs) are a biomimetic and highly tunable in vitro model system for investigating protein-membrane interactions and probing protein behavior in a precise, stimulus-dependent manner. In this protocol, we present an inexpensive and effective method for fabricating GUVs with the human serotonin 1A receptor (5-HT1AR) stably integrated in the membrane. We fabricate GUVs using a modified hydrogel swelling method; by depositing a lipid film on top of a mixture of agarose and 5-HT1AR and then hydrating the entire system, vesicles can be formed with properly oriented and functional 5-HT1AR incorporated into the membrane. These GUVs can then be used to examine protein-membrane interactions and localization behavior via microscopy. Ultimately, this protocol can advance our understanding of the functionality of integral membrane proteins, providing profound physiological insight.

Construction of Model Lipid Membranes Incorporating G-protein Coupled Receptors GPCRs

This protocol utilizes agarose swelling as a powerful and generalizable technique for incorporating integral membrane proteins (IMPs) into giant unilamellar lipid vesicles (GUVs), as described here for the reconstitution of the human 1A serotonin receptor protein (5-HT1AR), one of the classes of pharmacologically important G protein-coupled receptors.

Gタンパク質共役受容体(GPPC)を組み込んだモデル脂質膜の構築

Robust in vitro investigations of the structure and function of integral membrane proteins has been a challenge due to the complexities of the plasma ...