ПЕЧАТЬ АДГЕЗИВНОГО ШАБЛОНА НА НЕОБРАСТАЮЩЕЙ ПОДЛОЖКЕ
PRINTING ADHESIVE TEMPLATE ON ANTIFOULING SUBSTRATE

Область техники
Настоящее изобретение относится к области прививки белка на субстрат по шаблону, задаваемому оптически.
Уровень техники
В публикации международной заявки WO2013/135844 (далее называемой "STUDER" или "публикация") раскрывается устройство микроструктурированной прививки белков на субстрат, или фотохимической печати. В этой публикации смесь водного раствора бензофенона (BP) и белка освещают местами в соответствии с шаблоном поверх субстрата и долговременный перенос белка в освещенные места получают путем печати. Однако в способе, описанном в публикации, перенос белка на субстрат осуществляется в присутствии BP и одновременно с освещением.
Это устройство предполагает сочетание в одном и том же месте устройства освещения в соответствии с изображением шаблона на субстрате и микроструйного устройства, позволяющего доставить водный раствор, содержащий одновременно белок и BP. Это приводит к проблеме габаритов печатающей системы, а также к риску повреждения белка в результате совместного действия бензофенона и света от устройства освещения. В идеале хорошо было бы напечатать помощью системы освещения на подложке простой шаблон, адгезивный для белка, но без присоединения белка. Реальный рисунок проявился бы на субстрате позднее, при контакте с водным раствором белка, например, флуоресцентного, причем белок приставал бы предпочтительно к освещенным частям адгезивного шаблона, образуя видимый рисунок. Однако такое решение, что касается белка, обусловлено наличием способа, способного создавать латентный или проявляющийся позднее адгезивный рисунок, который был бы напечатан на подложке, покрытой слоем, "не обрастающим" белками (по-английски "antifouling"), т.е. антиадгезионным для белков. Под слоем, не обрастающим белками, понимается слой, выполненный из материала, к которому не прикрепляются белки на временном интервале осуществления печати, которую предполагается реализовать.
Такой субстрат, покрытый необрастающим слоем, или необрастающий субстрат, может быть образован, в частности, как твердая подложка, например, стекло оптического качества, прозрачное для света системы освещения, или как мягкая подложка, например, из PDMS, стекла или PDMS, покрытая полимерной щеткой или полимером, прикрепляющимся в виде щетки к подложке молекулярными цепями, такими как полиэтиленгликоль (PEG) и поли-N-изопропилакриламид (polyNIPAM). Полимерные цепи для необрастающих субстратов этого типа прикреплены одним из своих концов к подложке, а другой их конец ведет себя подобно щетинкам щетки.
Другие методы уровня техники, такие как фотолитография, применяемые к субстрату, не обрастающему белками, осуществляемые через маску и использующие лазерную абляцию шаблонов из необрастающих материалов на необрастающем субстрате, позволяют получить необрастающие подложки, содержащие шаблоны, позволяющими позднейшую избирательную прививку белка на субстрат на освещенных зонах субстрата, с которых посредством световой энергии были удалены необрастающий материал или полимерная щетка.
Считается, что абляция вещества вызвана освещением субстрата и что полученное различие уровней позволяет получить инверсное изображение более позднего видимого изображения. Когда эти различия обнаруживают оптическим методом фазового контраста, который чувствителен только к длине оптического пути, адгезивный шаблон можно равным образом приписать абляции материала необрастающего слоя или модификации характера материала, изменяющего свой показатель преломления и обеспечивающего позднее предпочтительную адгезию белков на освещавшихся зонах полимерных цепей. Другие методы, позволяющие наблюдать латентное изображение (в частности, атомно-силовая микроскопия, эллипсометрия, рентгеновский анализ и т.д.), в некоторых случаях позволяют установить, что латентное изображение обязано полному удалению слоя PEG в этих методах. Следовательно, такие методы абляции не позволяют получить градиенты концентрации, поскольку абляция слоя PEG или необрастающего слоя априори будет полная.
Наконец, было бы желательно разработать способ получения необрастающей подложки или полимерной щетки, адгезия которых пропорциональна или непрерывно меняется при воздействии на щетку облучения в соответствии с шаблоном, но не требующего прикрепления молекул к щетке одновременно с облучением. Напротив, желательно, чтобы эти молекулы прикреплялись к щетке с запаздыванием во времени.
Общие положения
В настоящей заявке используются следующие определения:
"Адгезивный шаблон" (по-английски "adhesive pattern") означает рисунок на поверхности, в соответствии с которым некоторые молекулы, в частности, белковые (и прежде всего антитела), наносферы, нити ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) или РНК (рибонуклеиновой кислоты), или бактерии стабильно во времени распределяются по подложке, покрытой вне указанного адгезивного шаблона антиадгезионным или необрастающим слоем или полимерной щеткой. Поскольку шаблон ограничен снаружи антиадгезионной или необрастающей зоной или зонами (по-английски "antifouling" или "anti-fouling"), адгезивный шаблон можно также определить на субстрате как совокупность зон или рисунков, которые являются более адгезионными для рассматриваемых молекул, чем поверхность, комплементарная этой совокупности зон на субстрате. Разницу силы адгезии, необходимой для существования шаблона, можно оценить для полимерной щетки, не приводя ее в контакт с водным раствором молекул, с помощью по меньшей мере двух методов, доступных в уровне техники:
- атомно-силовая микроскопия, которая позволяет обнаружить уменьшение длины цепей полимера щетки, такое уменьшение вызывает снижение антиадгезионного эффекта или усиление силы адгезии в этих зонах;
- фазово-контрастная микроскопия, которая позволяет обнаружить изменение длины оптического пути через щетку в наиболее адгезионных зонах, такое изменение связывают затем с изменением силы адгезии.
"Полимерная щетка" означает нанометровый слой (то есть слой толщиной в нанометровом масштабе, то есть обычно от 1 нм до 100 нм) и не способный обрастать, в частности, белками, наносферами, нитями ДНК и бактериями, причем такой нанометровый слой находится на поверхности подложки, образуя необрастающий субстрат. На момент подачи настоящей заявки считается, что такая щетка образована из множества полимерных цепей, привитых к поверхности подложки, это множество простирается на область толщиной от 1 нм до 20 нм на поверхности подложки в случае PEG и толщиной от 1 нм до 30 нм в случае polyNIPAM. Считается, что при толщине от 1 до 20 нм такая щетка обладает антиадгезионными свойствами, или способностью не обрастать или не присоединять, в частности, белки, наносферы, нити ДНК или бактерии. Примерами полимерных щеток являются слой PEG (полиэтиленгликоль) или слой polyNIPAM (поли(N-изопропилакриламид).
"Толщина" в случае полимерной щетки является мерой расстояния от подложки до свободных концов полимерных цепей, образующих щетку. Например, для PEG толщина слоя контролируется длиной цепей PEG, то есть числом звеньев этиленгликоля, образующих эти цепи. Цепи могут быть, в частности, наклонены относительно подложки, или уплотнены, или модифицированы любым способом, подобным действию на щетинки щетки, чтобы выдавить на свободной поверхности щетки рельеф или чтобы изменить толщину.
В этом контексте, изобретение относится к способу печати адгезивного шаблона на полимерной щетке, находящейся на поверхности подложки в виде нанометрового необрастающего слоя, причем способ включает следующие этапы:
- контактирование слоя с первым водным раствором, содержащим бензофенон,
- затем освещение слоя излучением с длиной волны, соответствующей спектру поглощения бензофенона, в соответствии с шаблоном и поверхностной энергией.
В вариантах указанного способа:
- толщина слоя составляет от 1 нм до 20 нм;
- длина волны выбрана в диапазоне от 300 нм до 400 нм;
- полимер представляет собой полиэтиленгликоль (PEG);
- полимер представляет собой polyNIPAM;
- подложка является стеклом;
- подложка является полидиметилсилоксаном (PDMS);
2
2
- поверхностная энергия освещения, передаваемая слою PEG, составляет от 10 мДж/мм до 1000 мДж/мм;
2
2
- поверхностная энергия освещения, передаваемая слою polyNIPAM, составляет от 100 мДж/мм до 10000 мДж/мм;
- модуль Юнга подложки из PDMS меньше 15 кПа.
Изобретение относится также к вышеуказанному способу для печати рисунка белка на полимерной щетке, включающему следующие дополнительные этапы:
- промывка, чтобы устранить контакт между слоем и первым раствором,
- затем контактирование слоя со вторым водным раствором, содержащим белок.
Изобретение относится также к описанному выше способу для печати рисунка наносфер на полимерной щетке, включающему следующие дополнительные этапы:
- промывка, чтобы устранить контакт между слоем и первым раствором,
- затем контактирование слоя со вторым водным раствором, содержащим наносферы.
Изобретение относится также к описанному выше способу для печати рисунка нитей ДНК на полимерной щетке, включающему следующие дополнительные этапы:
- промывка, чтобы устранить контакт между слоем и первым раствором,
- затем контактирование слоя со вторым водным раствором, содержащим нити ДНК.
Изобретение относится также к применению способа печати адгезивного шаблона для получения адгезивного шаблона, имеющего градиент адгезии на поверхности подложки, путем пространственного изменения поверхностной энергии.
Краткое описание рисунков
Изобретение станет более понятным при рассмотрении нижеследующих фигур, на которых:
- Фигура 1 показывает в разрезе необрастающий субстрат, состоящий из стеклянной подложки и слоя необрастающего материала, в частности, не обрастающего белками, наносферами или нитями ДНК, то есть полимерной щетки, привитой или прикрепленной к подложке. Субстрат покрыт каплей водного раствора, содержащего бензофенон, на всей или части полимерной щетки. Зону AB слоя, покрытую бензофеноном, освещают через подложку (можно также освещать через каплю) излучением, содержащим волны с длинами в спектре поглощения бензофенона, то есть излучением с длинами волн от 300 нм до 400 нм.
- Фигура 2 показывает субстрат с фигуры 1, отмытый от капли и содержащий латентное изображение, показанное наглядно углублением в поверхности необрастающего материала на уровне зоны AB. Такой материал подходит для применения для печати, в частности, белка, наносфер или нитей ДНК или РНК по шаблону, соответствующему поверхности зоны AB. Действительно, освещение полимерной щетки в присутствии бензофенона делает полимерную щетку потенциально адгезивной в зоне AB и позволяет позднейшую адгезию, в частности, белка, наносфер или нитей ДНК, в результате боле позднего контактирования слоя полимерной щетки, соответственно с раствором белка, раствором наносфер или нитей ДНК. Таким образом, освещение на уровне совокупности зон, таких как AB, позволяет получить на полимерной щетке адгезивный шаблон или шаблон, адгезивный для молекул, для которых щетка обычно не является адгезивной.
Подробное описание примеров
В первом варианте осуществления, описываемым в связи с фигурой 1 с указанием позиций в скобках, необрастающий субстрат состоит из стеклянной подложки (1) и слоя (2) материала в виде полимерной щетки (по-английски: polymer brush), который в этом первом варианте представляет собой PEG или polyNIPAM.
В этом первом варианте лучи (3) освещают слой (2) в зоне AB (AB), в данном примере через подложку (1), выбранную прозрачной для используемого излучения, капля (4) водного раствора бензофенона, осажденная на слой (2), покрывает зону AB (AB). Эквивалентно можно было бы освещать слой через каплю (4) в этой же зоне AB.
Используемое излучение включает по меньшей мере одну длину волны из спектра поглощения бензофенона, который на практике охватывает длины волн 300 нм до 400 нм. Предпочтительно использовать в этом интервале излучение с длиной волны меньше 390 нм, так как в этом случае время экспозиции слоя излучению будет минимальным.
Чем меньше будет поглощение бензофенона на выбранной длине волны, тем больше должна быть мощность источника света, или тем больше должно быть время экспозиции освещаемой зоны, так как получаемая доза облучения, равная произведению силы света на время воздействия света, является определяющим параметром для достижения эффекта от изобретения.
Так как подлежащий прививке белок не находится в растворе, мощность излучения при необходимости может быть выше мощности, вызывающей деструкцию белка, прививаемого позднее, и будет ограничена только поверхностной плотностью световой энергии, допускаемой для слоя без его повреждения. Однако присутствие бензофенона позволяет в случае PEG использовать оптическую мощность в 10-100 раз меньшую, чем при методах абляции или маскировки.
2
2
2
2
Таким образом, можно использовать плотность энергии в диапазоне от 10 мДж/мм до 1000 мДж/мм, чтобы образовать адгезивный шаблон на PEG. Таким образом, для изобретения годится источник, создающий освещенность 2 мВт на квадрате со стороной 400 микрон на длине волны ультрафиолетового излучения 372 нм полупроводникового лазера. Для polyNIPAM на подложке из PDMS подходящая плотность энергии составляет от 100 мДж/мм до 10000 мДж/мм. В качестве источника можно использовать этот же полупроводниковый лазер, просто увеличив время экспозиции для PEG в 10 раз.
На первом этапе способа в этом варианте осуществления необрастающий субстрат приводят в контакт с каплей водного раствора бензофенона, а затем на втором этапе освещают зону AB необрастающего слоя субстрата источником ультрафиолетового излучения.
Годится любая оптическая система, позволяющая сфокусировать энергию источника на зоне AB или одновременно на совокупности зон, такие системы в уровне техники известны. В качестве системы освещения в этом варианте осуществления допустим также микроскоп с матрицей микрозеркал. Равным образом, каплю можно заменить пленкой водного раствора бензофенона, которую приводят в контакт со слоем, а после освещения смывают известными микроструйными средствами.
Фигура 2 показывает полимерную щетку, сформированную в виде нанометрового слоя, отмытую от капли раствора бензофенона и снабженную латентным рисунком, показанным для наглядности углублением нанометровой толщины, на уровне зоны AB. Чтобы проявить этот латентный или инверсный рисунок, необходимо позднее привести его в контакт с молекулами или ансамблем молекул (белки, наносферы, нити ДНК, бактерии и т.д.), которые способны прилипать к подложке на уровне этого углубления в полимерной щетке, причем адгезия указанных молекул в соответствии с латентным рисунком происходит в присутствии этих молекул в водном растворе, на уровне зон слоя, которые были освещены (в данном случае зона AB) в присутствии бензофенона. Адгезия молекул происходит без внесения световой энергии. Молекулы просто адсорбируются на полимерной щетке на уровне латентного рисунка (адгезивного шаблона). В результате образуется видимый рисунок молекул на щетке. В частности, если молекулы являются флуоресцентными, можно затем создать изображение известными методами уровня техники, чтобы доказать результат адгезии.
Однако предсказать, будет ли получен эффект изобретения после освещения щетки, можно даже без контакта с водным раствором, например, с раствором белков, причем независимо от позднейшего осуществления реального рисунка, определив после освещения, имеются ли углубления нанометровой толщины в щетке в освещенных местах, с помощью атомно-силового микроскопа (AFM), или определив оптически в тех же местах, имеются ли изменения длины оптического пути в щетке, с помощью фазово-контрастной микроскопии. Таким образом, можно без дальнейших экспериментов выбирать полимерные щетки, подходящие для способа по изобретению, в частности, те, у которых после освещения в присутствии бензофенона наблюдается уменьшение длины полимерных цепей в щетке.
Во втором варианте осуществления изобретения устройство с фигуры 2 приводят в контакт с водным раствором белка или водным раствором наносфер. Выбор природы белков или наносфер проводят из белков и наносфер, способных прилипать к подложке, чтобы получить как можно более стабильное видимое изображение.
Таким образом, способ в этом втором варианте позволяет получить видимое изображение зоны AB, используя, например, флуоресцентный белок, в более широком смысле, рисунок белка на субстрате, являющемся необрастающим для используемых белков. Кроме того, свойства необрастающих субстратов под облучением позволяют получить флуоресценцию с непрерывно изменяющейся интенсивностью с помощью непрерывного изменения освещения или дозы оптического излучения, получаемого зоной AB и, в более широком смысле, с концентрацией белков, наносфер или нитей ДНК непрерывно изменяющейся с освещением в указанной зоне, даже если эта зона соответствует пределу разрешения оптической системы освещения, без использования плотностей двоичных точек для имитации переменных концентраций белков.
2
Таким образом, изобретение можно применять для реализации градиентов адгезии в целях получения градиентов концентрации, например, белков, наносфер или нитей ДНК, по поверхности субстрата или необрастающего слоя, организуя в ряд друг за другом несколько зон типа AB, и изменяя поверхностную энергию, доставляемую в эти зоны, например, освещая их с разной поверхностной энергией (в Дж/м) на этапе освещения полимерной щетки в присутствии бензофенона или на этапе печати латентного изображения или адгезивного шаблона.
Например, непрерывно изменяющаяся сила адгезии в отношении белков была достигнута на нитях PEG в результате освещения переменной дозой в присутствии бензофенона, при этом толщина полимерных щеток из PEG, имевших, согласно оценкам, толщину 5 нм вне зон адгезии, уменьшалась на величину от 0 нм (адгезия отсутствует, или зона вне рисунка) до 2 нм (максимальная адгезия).
В представленных вариантах осуществления использовали диапазон концентрации бензофенона (в миллимолях на литр водного раствора, ммоль/л) от 5 ммоль/л до 50 ммоль/л.
Изобретение может применяться в промышленности в области производства субстратов для печати шаблонов, адгезивных для белка, на полимерной щетке.