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Polymer Microarrays for High Throughput Discovery of Biomaterials

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a ...

Die Manipulation von Biomolek&uuml;len an der Grenzfl&auml;che fest/fl&uuml;ssig ist wichtig f&uuml;r die verbesserten Leistungsmerkmale von einer Reihe von biomedizinischer Ger&auml;te, einschlie&szlig;lich Biochips. Diese Studie konzentriert sich auf die r&auml;umliche Kontrolle der Oberfl&auml;che Interaktionen DNA als auch die Electro-stimuliert Adsorption und Desorption der DNA durch entsprechende Oberfl&auml;chenmodifizierung hoch dotierten p-Typ-Silicium. Oberfl&auml;chenmodifizierung durch Plasma-Polymerisation von Allylamin ergab eine Fl&auml;che, die DNA-Adsorption und nachhaltige Zelladh&auml;sion unterst&uuml;tzt. Nachfolgende High-Density-Pfropfen von Poly (Ethylene Oxide) bildete eine geringe fouling Schicht resistent gegen Biomolek&uuml;l Adsorption und Zelle-Anlage. R&auml;umlich kontrollierte Excimer Laser-Ablation der Oberfl&auml;che produziert Muster re-exposed Plasma Polymeren mit hoher Aufl&ouml;sung. Gemusterte Oberfl&auml;chen wurde bevorzugt Electro-stimuliert Adsorption von DNA Allylamin Plasma Polymer Oberfl&auml;che und nachfolgende Desorption durch die Anwendung einer negativen Bias beobachtet. Dar&uuml;ber hinaus wurde das hier vorgestellte Konzept f&uuml;r den Einsatz in Transfektion Chips untersucht. Zelle-Kultur-Experimente mit menschlichen embryonalen Nierenzellen, mit dem Ausdruck des gr&uuml;n fluoreszierenden Proteins als Reporter, demonstriert effiziente und kontrollierte Transfektion von Zellen. Elektro-angeregt Desorption der DNA wurde gezeigt, zu erheblich verbesserten Festphasen Transfektion Effizienz auf Werte von bis zu 30 % f&uuml;hren. Die F&auml;higkeit, DNA-Adsorption r&auml;umlich Steuern kombiniert mit der M&ouml;glichkeit, die Bindung und Freisetzung von DNA durch Anwendung einer kontrollierten Spannung erm&ouml;glicht eine fortgeschrittene Kontrolle &uuml;ber DNA Bioaktivit&auml;t auf festen Substraten und eignet sich f&uuml;r Biochip-Anwendungen.

R&auml;umlich kontrollierte Elektro-stimuliert DNA Adsorption und Desorption f&uuml;r Biochip-Anwendungen.

The manipulation of biomolecules at solid/liquid interfaces is important for the enhanced performance of a number of biomedical devices, including biochips. This study focuses on the spatial control of surface interactions of DNA as well as the electro-stimulated adsorption and desorption of DNA by appropriate surface modification of highly doped p-type silicon. Surface modification by plasma polymerisation of allylamine resulted in a surface that supported DNA adsorption and sustained cell attachment. Subsequent high-density grafting of poly(ethylene oxide) formed a low fouling layer resistant to biomolecule adsorption and cell attachment. Spatially controlled excimer laser ablation of the surface produced patterns of re-exposed plasma polymer with high-resolution. On patterned surfaces, preferential electro-stimulated adsorption of DNA to the allylamine plasma polymer surface and subsequent desorption by the application of a negative bias was observed. Furthermore, the concept presented here was investigated for use in transfection chips. Cell culture experiments with human embryonic kidney cells, using the expression of green fluorescent protein as a reporter, demonstrated efficient and controlled transfection of cells. Electro-stimulated desorption of DNA was shown to yield significantly enhanced solid phase transfection efficiencies to values of up to 30%. The ability to spatially control DNA adsorption combined with the ability to control the binding and release of DNA by application of a controlled voltage enables an advanced level of control over DNA bioactivity on solid substrates and lends itself to biochip applications.

Spatially controlled electro-stimulated DNA adsorption and desorption for biochip applications.

Many biological events, such as cellular communication, antigen recognition, tissue repair and DNA linear transfer, are intimately associated with biomolecule interactions at the solid-liquid interface. To facilitate the study and use of these biological events for biodevice and biomaterial applications, a sound understanding of how biomolecules behave at interfaces and a concomitant ability to manipulate biomolecules spatially and temporally at surfaces is required. This is particularly true for cell microarray applications, where a range of biological processes must be duly controlled to maximize the efficiency and throughput of these devices. Of particular interest are transfected-cell microarrays (TCMs), which significantly widen the scope of microarray genomic analysis by enabling the high-throughput analysis of gene function within living cells. This article reviews this current research focus, discussing fundamental and applied research into the spatial and temporal surface manipulation of DNA, proteins and other biomolecules and the implications of this work for TCMs.

Surface manipulation of biomolecules for cell microarray applications.

Viele biologische Ereignisse, wie zellul&auml;re Kommunikation, Antigen-Anerkennung, Reparatur von Gewebe und lineare DNA-Transfer, sind eng mit Biomolek&uuml;l Interaktionen an der fest-fl&uuml;ssig-Schnittstelle. Um das Studium und die Nutzung dieser biologischen Ereignisse f&uuml;r Biodevice und Biomaterial-Anwendungen zu erleichtern, ist ein solides Verst&auml;ndnis von Verhalten von Biomolek&uuml;len zur Schnittstellen und eine damit einhergehende M&ouml;glichkeiten zur Bearbeitung von Biomolek&uuml;len r&auml;umlich und zeitlich an Oberfl&auml;chen erforderlich. Dies gilt insbesondere f&uuml;r Zelle Microarray Anwendungen, wo muss eine Reihe von biologischen Prozessen ordnungsgem&auml;&szlig; gesteuert werden, um die Effizienz und Durchsatz dieser Ger&auml;te zu maximieren. Von besonderem Interesse sind die transfected Zellen Microarrays (TCMs), die deutlich die genomische Analyse von Microarray erweitern durch Aktivieren der Hochdurchsatz-Analysis der Genfunktion in lebenden Zellen. Dieses Aufsatzes dieser aktuellen Forschungsschwerpunkt, Grundlagenforschung und angewandte Forschung in der r&auml;umlichen und zeitlichen Oberfl&auml;che Manipulation von DNA, Proteine und andere Biomolek&uuml;le und die Auswirkungen dieser Arbeit f&uuml;r TCMs diskutieren.

Oberfl&auml;che Manipulation von Biomolek&uuml;len f&uuml;r Zelle Microarray Anwendungen.

The fabrication and characterization of chemical patterns using a technique that can be readily integrated with methods currently used for the formation of microarrays is presented. A high density poly(ethylene glycol) coating was deposited on glass slides as a background exhibiting low cell attachment properties. Phenylazide modified polymers were then printed on this background. UV irradiation of these polymer arrays resulted in the cross-linking of the polymer spots and their covalent attachment to the surface. Cell attachment was shown to follow the resultant surface chemistry pattern. Furthermore, the use of a robotic contact printer enabled the facile deposition of DNA microarrays on top of and aligned with the polymer microarrays. A transfected cell microarray was generated in this way, demonstrating not only the ability of this platform to limit cell attachment to specific regions, but the suitability for chip-based functional genomics, in particular, and high density cell assays in general.

Advanced substrate fabrication for cell microarrays.

Die Herstellung und Charakterisierung von chemischen Muster mit einer Technik, die leicht mit Methoden, die derzeit dienen der Bildung von Microarrays integriert werden kann, wird vorgestellt. Eine hohe Dichte Poly(ethylene glycol) Beschichtung wurde auf Objekttr&auml;gern als niedrige Zelle Anlage Eigenschaften Hintergrund hinterlegt. Phenylazide modifizierte Polymere dann auf diesem Hintergrund gedruckt wurden. UV-Bestrahlung dieser Polymer-Arrays f&uuml;hrte zu der Vernetzung der Polymer-Spots und ihre kovalente Bindung an die Oberfl&auml;che. Zelladh&auml;sion zeigt das resultierende Oberfl&auml;chenchemie Muster folgen. Dar&uuml;ber hinaus ist die Verwendung eines Roboter-Kontakt-Druckers aktiviert die oberfl&auml;chlichen Ablagerung von DNA-Microarrays &uuml;ber und ausgerichtet mit dem Polymer-Microarrays. Ein Microarray transfizierte Zellen wurde generiert auf diese Weise demonstrieren nicht nur die F&auml;higkeit dieser Plattform Zelladh&auml;sion auf bestimmte Regionen beschr&auml;nken, aber die Eignung f&uuml;r Chip-basierten funktionelle Genomik, insbesondere und high-Density-Zelle-Proben im Allgemeinen.

Erweiterte Substrat Fabrikation f&uuml;r Zelle Microarrays.

Polymer microarrays provide a high-throughput format in which to assess biointerfacial interactions. This endeavor greatly assists with the development of advanced biomaterials. In order to increase the scope of this platform technology, the development of analytical tools that are compatible with the microarray format and are capable of analyzing biomolecular interactions in high throughput is needed. Here, we show that surface plasmon resonance imaging (SPRi) is such a tool. SPRi enables spatially resolved, surface sensitive, label free, real-time analysis of multiple surface-biomolecular interactions in parallel. In order to demonstrate this, we first printed phenylazide-modified polymers onto a slide coated with a low fouling base polymer. UV irradiation of the slide resulted in the cross-linking of the printed polymer spots to the surface. SPRi was then employed to study the adsorption and desorption of bovine serum albumin, collagen, and fibronectin to these adhesive microarray spots. The spots were also incubated with an adherent cell line, enabling insight into the underlying mechanisms of cell attachment to the polymers studied. For the system analyzed here, electrostatic interactions were shown to dominate cell attachment.

Surface plasmon resonance imaging of polymer microarrays to study protein-polymer interactions in high throughput.

Polymer-Microarrays bieten einen hohen Durchsatz Format zum Biointerfacial Interaktionen zu beurteilen. Dieses Unterfangen unterst&uuml;tzt stark mit der Entwicklung von fortschrittlichen Biomaterialien. Um den Umfang dieser Plattform-Technologie erh&ouml;hen, ist die Entwicklung der analytischen Werkzeuge, die mit dem Microarray-Format kompatibel sind und Lage zu analysieren Biomolekulare Wechselwirkungen im Hochdurchsatz erforderlich. Hier zeigen wir, dass Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) ein solches Instrument ist. SPRi erm&ouml;glicht Ortsaufgel&ouml;ste, empfindliche Oberfl&auml;che, das Etikett frei, Echtzeit-Analyse von mehreren Oberfl&auml;che-Biomolekulare Wechselwirkungen parallel. Um dies zu demonstrieren, die wir erstmals gedruckt Phenylazide-modifizierte Polymere in eine Folie mit einer niedrigen fouling Basis-Polymer beschichtet. UV-Bestrahlung der Folie f&uuml;hrte die Vernetzung der gedruckten Polymer Spots an die Oberfl&auml;che. SPRi war dann angestellt, die Adsorption und Desorption von Rinderserumalbumin, Kollagen und Fibronektin zu diesen Klebstoff Microarray-Spots zu studieren. Die Spots wurden auch mit eine adh&auml;rente Zelllinie, erm&ouml;glicht einen Einblick in die zugrunde liegenden Mechanismen der Zelladh&auml;sion der Polymere studierte inkubiert. F&uuml;r das System hier analysiert wurden elektrostatische Wechselwirkungen gezeigt, Zelladh&auml;sion dominieren.

Oberfl&auml;chen-Plasmon-Magnetresonanz-Bildgebung von Polymer-Microarrays, Protein-Polymer Interaktionen in hohen Durchsatz zu studieren.

Many fundamental biological processes, including early embryo development, immune responses and the progression of pathogens, are mediated by gradients of biological molecules. Understanding these vital physiological processes requires the development of biomaterial platforms that can mimic them in-vitro. Such platforms include laboratory generated surface gradients of biological molecules. In this work, we report a method for the generation of surface gradients of two proteins. We used a surface grafting density gradient of polyethylene glycol (PEG) to control protein adsorption. In addition, we used protein size as a tool to control the position and the adsorbed amount of both proteins. To demonstrate our concept, we used fibrinogen as an example of a large protein and lysozyme as an example of a small protein. However, we speculate that the same strategy could be extended to any other pair of large and small proteins. We used X-ray photoelectron spectroscopy and sessile drop contact angle measurements to determine the chemical composition and wettability of the gradients. Protein adsorption was studied by surface plasmon resonance imaging.

Creating gradients of two proteins by differential passive adsorption onto a PEG-density gradient.

Viele grundlegende biologische Prozesse, einschlie&szlig;lich der fr&uuml;hen Embryonalentwicklung, Immunantworten und das Fortschreiten der Erreger werden durch Farbverl&auml;ufe von biologischen Molek&uuml;len vermittelt. Diese lebenswichtige physiologische Prozesse zu verstehen, erfordert die Entwicklung der Biomaterial-Plattformen, die sie in Vitro nachahmen k&ouml;nnen. Solche Plattformen sind Labor erzeugte Oberfl&auml;che Gradienten von biologischen Molek&uuml;len. In dieser Arbeit teilen wir Ihnen eine Methode zur Erzeugung von Oberfl&auml;chen Farbverl&auml;ufe zweier Proteine. Wir haben eine Oberfl&auml;che Unterlagsreben Dichte-Gradienten von Polyethylenglykol (PEG) Proteinadsorption steuern. Dar&uuml;ber hinaus haben wir verwendet Protein Gr&ouml;&szlig;e als Werkzeug zur Steuerung der Position und der adsorbierten Menge an beide Proteine. Um unser Konzept zu demonstrieren, haben wir Fibrinogen als Beispiel eines gro&szlig;en Protein und Lysozym als ein Beispiel f&uuml;r ein kleines Protein. Jedoch spekulieren wir, dass die gleiche Strategie auf jedes andere paar gro&szlig;e und kleine Proteine ausgedehnt werden k&ouml;nnte. Wir verwendet Photoelektronenspektroskopie R&ouml;ntgenspektroskopie und sessile Drop Kontaktwinkel Messungen zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und Benetzbarkeit von die Farbverl&auml;ufe. Proteinadsorption wurde von Surface Plasmon Resonance Imaging untersucht.

Erstellen von Farbverl&auml;ufen zweier Proteine durch differenzielle passive Adsorption auf einem PEG-Dichte-Gradienten.

The high throughput discovery of new bio materials can be achieved by rapidly screening many different materials synthesised by a combinatorial approach to identify the optimal composition that fulfils a particular biomedical application. Here we review the literature in this area and conclude that for polymers this process is best achieved in a microarray format, which enable thousands of cell-material interactions to be monitored on a single chip. Polymer microarrays can be formed by printing pre-synthesised polymers or by printing monomers onto the chip where on-slide polymerisation is initiated. The surface properties of the material can be analysed and correlated to the biological performance using high throughput surface analysis, including time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and water contact angle (WCA) measurements. This approach enables the surface properties responsible for the success of a material to be understood, which in turn provides the foundations of future material design. The high throughput discovery of materials using polymer microarrays has been explored for many cell-based applications including the isolation of specific cells from heterogeneous populations, the attachment and differentiation of stem cells and the controlled transfection of cells. Further development of polymerisation techniques and high throughput biological assays amenable to the polymer microarray format will broaden the combinatorial space and biological phenomenon that polymer microarrays can explore, and increase their efficacy. This will, in turn, facilitate the discovery of optimised polymeric materials for many biomaterial applications.

High throughput methods applied in biomaterial development and discovery.

Die high-Throughput-Entdeckung neuer Bio-Materialien kann durch schnell viele verschiedene Materialien, die durch ein kombinatorischer Ansatz f&uuml;r die optimale Zusammensetzung zu identifizieren, die eine bestimmte biomedizinische Anwendung erf&uuml;llt synthetisiert screening erreicht werden. Hier &uuml;berpr&uuml;fen wir die Literatur auf diesem Gebiet und feststellen, dass f&uuml;r Polymere dieser Prozess am besten in einem Microarray-Format erreicht ist die Lage versetzen, Tausende von Zelle-Material Interaktionen auf einem einzigen Chip &uuml;berwacht werden. Polymer-Microarrays kann gebildet werden, indem pre-synthesised Polymere drucken oder Drucken Monomere auf den Chip wo wird in Folie Polymerisation initiiert. Die Oberfl&auml;cheneigenschaften des Materials analysiert und der biologischen Leistung mit hohem Durchsatz Oberfl&auml;chenanalyse korreliert werden k&ouml;nnen, einschlie&szlig;lich Time-of-Flight Sekund&auml;rionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS), R&ouml;ntgenspektroskopie Photoelektronenspektroskopie (XPS) und Wasser Kontakt Winkelmessungen (WCA). Dieser Ansatz erm&ouml;glicht die Oberfl&auml;cheneigenschaften, die f&uuml;r den Erfolg eines Materials verstanden werden, was wiederum die Grundlagen f&uuml;r zuk&uuml;nftige materielle Gestaltung verantwortlich. Die high-Throughput-Entdeckung von Materialien mit Polymer-Microarrays ist f&uuml;r viele Zell-basierte Anwendungen, einschlie&szlig;lich der Isolation bestimmter Zellen aus heterogenen Bev&ouml;lkerung, die Anlage und Differenzierung von Stammzellen und die kontrollierte Transfektion von Zellen untersucht worden. Weiterentwicklung der Polymerisation Techniken und hohen Durchsatz biologische Proben geneigt sein, das Polymer-Microarray-Format wird erweitern, die kombinatorische Raum und biologischen Ph&auml;nomen, dass Polymer-Microarrays erforschen, und ihre Wirksamkeit zu erh&ouml;hen. Dies erleichtert wiederum die Entdeckung des optimierten Polymermaterialien f&uuml;r viele Biomaterial-Anwendungen.

Hochdurchsatz Methoden Biomaterialentwicklung und Entdeckung.

Both human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells can self-renew indefinitely in culture; however, present methods to clonally grow them are inefficient and poorly defined for genetic manipulation and therapeutic purposes. Here we develop the first chemically defined, xeno-free, feeder-free synthetic substrates to support robust self-renewal of fully dissociated human embryonic stem and induced pluripotent stem cells. Material properties including wettability, surface topography, surface chemistry and indentation elastic modulus of all polymeric substrates were quantified using high-throughput methods to develop structure-function relationships between material properties and biological performance. These analyses show that optimal human embryonic stem cell substrates are generated from monomers with high acrylate content, have a moderate wettability and employ integrin alpha(v)beta(3) and alpha(v)beta(5) engagement with adsorbed vitronectin to promote colony formation. The structure-function methodology employed herein provides a general framework for the combinatorial development of synthetic substrates for stem cell culture.

Combinatorial development of biomaterials for clonal growth of human pluripotent stem cells.

Sowohl die menschliche embryonale Stammzellen als auch die induzierten pluripotenten Stammzellen k&ouml;nnen in der Kultur auf unbestimmte Zeit erneuern; jedoch sind gegenw&auml;rtigen klonal wachsen sie ineffizient und schlecht definierten f&uuml;r Genmanipulation und therapeutischen Zwecken. Hier entwickeln wir die erste chemisch definierter, Xeno-freie, Zubringer-freie synthetische Substrate mit vollst&auml;ndiger Unterst&uuml;tzung der robuste Selbsterneuerung von menschlichen embryonalen Stammzellen dissoziiert und induzierte pluripotente Stammzellen. Materialeigenschaften einschlie&szlig;lich Benetzbarkeit, wurden Oberfl&auml;chentopographie, Oberfl&auml;chenchemie und Einzug Elastizit&auml;tsmodul alle polymerer Substrate quantifiziert mit Hochdurchsatz-Methoden, um Struktur-Funktions-Zusammenh&auml;nge zwischen Werkstoffeigenschaften und biologischer Leistung zu entwickeln. Diese Analysen zeigen, dass optimale menschlichen embryonalen Stammzellen Substrate aus Monomeren mit hohen Acrylat-Inhalt generiert werden, haben eine moderate Benetzbarkeit und besch&auml;ftigen Integrin alpha(v)beta(3) und alpha(v)beta(5) Auseinandersetzung mit adsorbierten spezifischer, Kolonie Bildung zu f&ouml;rdern. Die Struktur-Funktions-Methodik besch&auml;ftigt hierin bietet einen allgemeinen Rahmen f&uuml;r die kombinatorische Entwicklung der synthetische Substrate f&uuml;r Stammzell-Kultur.

Kombinatorische Entwicklung von Biomaterialien f&uuml;r klonale Wachstum des menschlichen pluripotenten Stammzellen.

The spatial control over biomolecule- and cell-surface interactions is of great interest to a broad range of biomedical applications, including sensors, implantable devices and cell microarrays. Microarrays in particular require precise spatial control and the formation of patterns with microscale features. Here, we have developed an approach specifically designed for transfected cell microarray (TCM) applications that allows microscale spatial control over the location of both DNA and cells on highly doped p-type silicon substrates. This was achieved by surface modification, involving plasma polymerization of allylamine, grafting of poly(ethylene glycol) and subsequent excimer laser ablation. DNA could be delivered in a spatially defined manner using ink-jet printing. In addition, electroporation was investigated as an approach to transfect attached cells with adsorbed DNA and good transfection efficiencies of approximately 20% were observed. The ability of the microstructured surfaces to spatially direct both DNA adsorption and cell attachment was demonstrated in a functional TCM, making this system an exciting platform for chip-based functional genomics.

Laser-based patterning for transfected cell microarrays.

Die r&auml;umliche Kontrolle &uuml;ber Wechselwirkungen von Biomolek&uuml;len und Zelle-Oberfl&auml;che ist von gro&szlig;em Interesse f&uuml;r ein breites Spektrum von biomedizinischen Anwendungen, einschlie&szlig;lich implantierbare Ger&auml;te, Sensoren und Zelle Microarrays. Insbesondere erfordern Microarrays genaue r&auml;umliche Kontrolle und die Bildung von Mustern mit Microscale Features. Hier haben wir ein Konzept, das speziell f&uuml;r transfizierte Zellen Microarray (TCM) Anwendungen entwickelt, die Microscale r&auml;umliche Kontrolle &uuml;ber die Lage von DNA und Zellen auf Siliziumsubstraten hoch dotierten p-Typ erm&ouml;glicht. Dies wurde erreicht durch Oberfl&auml;chenmodifizierung, mit Plasma-Polymerisation von Allylamin, Poly (Ethylene Glycol) und anschlie&szlig;ende Excimer-Laser-Ablation Pfropfen. DNA konnte in r&auml;umlich definierte Weise mit Tintenstrahldruck &uuml;bermittelt werden. Dar&uuml;ber hinaus wurde Electroporation untersucht, als Ansatz zur bioaktiven angeschlossenen Zellen mit adsorbierten DNA und gute Transfektion, die Wirkungsgrade von ca. 20 % beobachtet wurden. Die F&auml;higkeit der mikrostrukturierte Oberfl&auml;chen, r&auml;umlich direkt beide DNA-Adsorption und Zelle-Anlage wurde in einer funktionalen TCM, machen dieses System eine spannende Plattform f&uuml;r Chip-basierten funktionelle Genomik demonstriert.

Laserbasierte Musterung f&uuml;r transfizierte Zellen Microarrays.

High throughput materials discovery using combinatorial polymer microarrays to screen for new biomaterials with new and improved function is established as a powerful strategy. Here we combine this screening approach with high throughput surface characterization (HT-SC) to identify surface structure-function relationships. We explore how this combination can help to identify surface chemical moieties that control protein adsorption and subsequent cellular response. The adhesion of human embryoid body (hEB) cells to a large number (496) of different acrylate polymers synthesized in a microarray format is screened using a high throughput procedure. To determine the role of the polymer surface properties on hEB cell adhesion, detailed HT-SC of these acrylate polymers is carried out using time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), pico litre drop sessile water contact angle (WCA) measurement and atomic force microscopy (AFM). A structure-function relationship is identified between the ToF SIMS analysis of the surface chemistry after a fibronectin (Fn) pre-conditioning step and the cell adhesion to each spot using the multivariate analysis technique partial least squares (PLS) regression. Secondary ions indicative of the adsorbed Fn correlate with increased cell adhesion whereas glycol and other functionalities from the polymers are identified that reduce cell adhesion. Furthermore, a strong relationship between the ToF SIMS spectra of bare polymers and the cell adhesion to each spot is identified using PLS regression. This identifies a role for both the surface chemistry of the bare polymer and the pre-adsorbed Fn, as-represented in the ToF SIMS spectra, in controlling cellular adhesion. In contrast, no relationship is found between cell adhesion and wettability, surface roughness, elemental or functional surface composition. The correlation between ToF SIMS data of the surfaces and the cell adhesion demonstrates the ability to identify surface moieties that control protein adsorption and subsequent cell adhesion using ToF SIMS and multivariate analysis.

Polymer surface functionalities that control human embryoid body cell adhesion revealed by high throughput surface characterization of combinatorial material microarrays.

Hochdurchsatz-Materialien-Entdeckung mit kombinatorischer Polymer Microarrays auf Bildschirm f&uuml;r neue Biomaterialien mit neuen und verbesserten Funktion ist als eine starke Strategie etabliert. Hier verbinden wir dieser Screening-Ansatz mit hohem Durchsatz Oberfl&auml;chencharakterisierung (HT-SC) Oberfl&auml;che Struktur-Funktionsbeziehungen zu identifizieren. Wir erforschen, wie diese Kombination dazu beitragen, die um Oberfl&auml;chen chemischen Adsorptionseigenschaften dieses Steuerelement Proteinadsorption und nachfolgende zellul&auml;re Antwort zu identifizieren. Die Haftung von menschlichen Embryoid K&ouml;rper (hEB) Zellen zu einer gro&szlig;en Anzahl (496) verschiedene Acrylat-Polymere synthetisiert in einem Microarray-Format ist mit einem high-Throughput-Verfahren gezeigt. Um die Rolle von der Polymer-Oberfl&auml;cheneigenschaften auf hEB Zelladh&auml;sion bestimmen, detaillierte HT-SC diese Acrylat-Polymere erfolgt mit Flug Sekund&auml;rionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS), R&ouml;ntgen-Photoelektronenspektroskopie Spektroskopie (XPS), Pico Liter Drop sessile Wasser Kontaktwinkel (WCA) Messung und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Eine Struktur-Funktions-Beziehung wird zwischen der ToF-SIMS-Analyse der Oberfl&auml;chenchemie nach einem Fibronektin (Fn) pre-conditioning Schritt und die Zelladh&auml;sion an jeder Stelle verwenden die multivariate Analyse Technik partial Least Squares (PLS) Regression identifiziert. Bezeichnend f&uuml;r die adsorbierten Fn sekund&auml;re Ionen korrelieren mit erh&ouml;hter Zelladh&auml;sion, w&auml;hrend Glykol und andere Funktionalit&auml;ten von der Polymere identifiziert werden, die Zelladh&auml;sion reduzieren. Dar&uuml;ber hinaus wird eine starke Beziehung zwischen den ToF-SIMS-Spektren von nackten Polymeren und die Zelladh&auml;sion an jeder Stelle mit PLS-Regression identifiziert. Dies bezeichnet eine Rolle f&uuml;r die Oberfl&auml;chenchemie nackten Polymers und die pre-adsorbed Fn, in den Spektren der ToF-SIMS, bei der Kontrolle der zellul&auml;ren Adh&auml;sion als dargestellt. Im Gegensatz dazu findet sich keine Beziehung zwischen Zelladh&auml;sion und Benetzbarkeit, Rauheit, elementar oder funktionale Oberfl&auml;chen Zusammensetzung. Die Korrelation zwischen ToF-SIMS-Daten der Fl&auml;chen und der Zelladh&auml;sion demonstriert die F&auml;higkeit zum Oberfl&auml;che Adsorptionseigenschaften zu identifizieren, die Proteinadsorption und nachfolgende Zelladh&auml;sion mit ToF-SIMS und multivariate Analyse zu steuern.

Polymer Oberfl&auml;che Funktionalit&auml;ten, die menschliche Embryoid K&ouml;rper-Zell-Adh&auml;sion durch hohen Durchsatz Oberfl&auml;chencharakterisierung von kombinatorischen materiell Microarrays aufgedeckt zu steuern.

The application of high throughput surface characterization (HTSC) to the analysis of polymeric biomaterial libraries is an important advancement for the discovery and development of new biomedical materials and is the focus of this review. The potential for HTSC to identify structure/activity relationships for large libraries of materials can be utilized to accelerate materials discovery as well as providing insight into the underlying biological-material interactions. Furthermore, the correlations identified between surface chemical structure and cellular behavior could not have been predicted by a rational design approach based simply on review of bulk structure, which demonstrates the importance of HTSC in the assessment of cell-material and cell-biomolecular interactions that are dependent on surface properties.

High throughput surface characterization: A review of a new tool for screening prospective biomedical material arrays.

Die Anwendung der hohen Durchsatz Oberfl&auml;chencharakterisierung (HTSL) zur Analyse von Polymeren Biomaterial-Bibliotheken ist ein wichtiger Fortschritt f&uuml;r die Entdeckung und Entwicklung neuer biomedizinischer Materialien und steht im Mittelpunkt dieser &Uuml;berpr&uuml;fung. Das Potenzial f&uuml;r HTSL Struktur/Wirkungs-Beziehungen f&uuml;r gro&szlig;e Bibliotheken Materialien identifizieren kann genutzt werden, um Materialien Entdeckung sowie einen Einblick in die zugrunde liegenden biologischen-Material-Interaktionen zu beschleunigen. Dar&uuml;ber hinaus konnte die Zusammenh&auml;nge zwischen chemischer Struktur und zellul&auml;re Verhalten nicht vorausgesagt haben durch ein rationales Design-Konzept beruht einfach auf &Uuml;berpr&uuml;fung der Massen-Struktur, die die Bedeutung der HTSL bei der Beurteilung der Zelle-Material zeigt und Zelle-Biomolekulare Wechselwirkungen, die Oberfl&auml;cheneigenschaften abh&auml;ngig sind.

Hoher Durchsatz Oberfl&auml;chencharakterisierung: ein &Uuml;berblick &uuml;ber ein neues Tool f&uuml;r das screening von zuk&uuml;nftigen biomedizinischen materiell-Arrays.

DNA, protein and cell microarrays are increasingly used in a multitude of bioassays. All of these arrays require substrates that are suitable for the immobilisation and display of arrayed probe molecules whilst at the same time resisting non-specific interactions of biomolecules with the substrate in areas between printed spots. To meet these conflicting requirements, three different approaches have been developed, all of which were based on low-fouling, high-density poly(ethylene glycol) (PEG) background coatings. In the first approach, the coating was based on allylamine plasma polymerisation (ALAPP) and the subsequent high-density grafting of PEG, followed by the generation of a surface chemical pattern using laser ablation. In the second approach, a photoreactive polymer was printed on the same ALAPP-PEG background. The third approach was based on ALAPP deposition followed by the formation of a multifunctional layer by spin coating a PEG-based polymer that also displayed epoxy groups. The successful demonstration of DNA, protein and cell microarrays has been achieved on each of these coatings.

Plasma polymer and PEG-based coatings for DNA, protein and cell microarrays.

Zelle, DNA und Protein Microarrays werden zunehmend in eine Vielzahl von Bioassays verwendet. Alle diese Arrays erfordern Substrate, die f&uuml;r die Immobilisierung und Darstellung der hierdurch Sonde Molek&uuml;le w&auml;hrend zur gleichen Zeit Widerstand gegen unspezifische Wechselwirkungen von Biomolek&uuml;len mit dem Substrat in den Bereichen gedruckte Flecken geeignet sind. Um diesen widerspr&uuml;chlichen Anforderungen gerecht, drei verschiedene Ans&auml;tze sind entwickelt worden, alle &uuml;ber die auf niedrig-fouling beruhen, mit hoher Dichte Poly(ethylene glycol) (PEG) background Beschichtungen. Bei der ersten M&ouml;glichkeit basierte die Beschichtung auf Allylamin Plasma Polymerisation (ALAPP) und die nachfolgende High-Density-Pfropfen von PEG, gefolgt von der Generation der chemischen Oberfl&auml;chenmuster mit Laserablation. Beim zweiten Ansatz wurde eine Photoreaktive Polymer auf dem gleichen ALAPP-PEG-Hintergrund gedruckt. Der dritte Ansatz basierte auf ALAPP Absetzung folgte die Bildung einer multifunktionalen Schicht von Spin Beschichtung ein PEG-basierte Polymer, das auch Epoxy-Gruppen angezeigt. Die erfolgreiche Demonstration der Zelle, DNA und Protein Microarrays ist auf jedem der diese Lacke erzielt worden.

Plasma-Polymer und PEG-basierten Beschichtungen f&uuml;r Zelle, DNA und Protein Microarrays.

Three different formulations comprising two drugs, felodipine and hydrochlorothiazide (HCT) and two polymers, poly(vinyl pyrolidone) (PVP) and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) were inkjet printed as micro-dot arrays and analysed on an individual micro-spot basis by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). For the HCT/PLGA formulation, the spots showed heterogeneity of the drug and other chemical constituents. To further investigate these heterogeneities, multivariate curve resolution was applied to the ToF-SIMS hyperspectral image datasets. This approach successfully identified distinct chemical components elucidating the HCT, PLGA, substrate material, and contaminants based on sulphur, phosphorous and sodium chloride. Spots printed using either of the drugs with PVP exhibited full substrate coverage and a uniform distribution of the active ingredient along with all other constituents within the printed spot area. This represents the preferred situation in terms of stability and controlling the release of a drug from a polymer matrix.

ToF-SIMS analysis of chemical heterogenities in inkjet micro-array printed drug/polymer formulations.

Drei unterschiedliche Formulierungen, bestehend aus zwei Medikamente, Felodipin und Hydrochlorothiazid (HCT) und zwei Polymere, Poly(vinyl pyrolidone) (PVP) und Poly (Milchs&auml;ure-co-Glycol S&auml;ure) (PLGA) waren Inkjet gedruckt als Mikro-Punkt-Arrays und Mikro-Ort individuell von Time-of-Flight Sekund&auml;rionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) analysiert. F&uuml;r die HCT/PLGA-Formulierung zeigte die Spots Heterogenit&auml;t der Droge und andere chemische Bestandteile. Um diese Ungleichheiten weiter zu untersuchen, wurde die multivariate Kurve Aufl&ouml;sung auf die ToF-SIMS Hyperspectral Bild Datasets angewendet. Dieser Ansatz identifiziert erfolgreich unterschiedliche chemische Komponenten, die die HCT, PLGA Tr&auml;germaterial und Verunreinigungen auf der Grundlage von Schwefel, Phosphor und Natrium-Chlorid. Flecken mit entweder der Drogen mit PVP gedruckt ausgestellt voll Substrat Abdeckung und eine gleichm&auml;&szlig;ige Verteilung der Wirkstoff zusammen mit allen anderen Bestandteile innerhalb des Druckbereichs vor Ort. Dies ist die bevorzugte Lage in Bezug auf Stabilit&auml;t und Kontrolle der Freisetzung von einer Droge aus einer Polymermatrix.

Article	Year
Spatially controlled electro-stimulated DNA adsorption and desorption for biochip applications. Biosensors & bioelectronics\| PubMed ID: 16303297	2006
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Surface plasmon resonance imaging of polymer microarrays to study protein-polymer interactions in high throughput. Langmuir : the ACS journal of surfaces and colloids\| PubMed ID: 19408906	2009
Creating gradients of two proteins by differential passive adsorption onto a PEG-density gradient. Biomaterials\| PubMed ID: 19811821	2010
High throughput methods applied in biomaterial development and discovery. Biomaterials\| PubMed ID: 19815273	2010
Combinatorial development of biomaterials for clonal growth of human pluripotent stem cells. Nature materials\| PubMed ID: 20729850	2010
Laser-based patterning for transfected cell microarrays. Biofabrication\| PubMed ID: 20811112	2009
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Andrew L. Hook

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