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Soft Lithographie

Zellen sind in der Lage, über ihr Zytoskelett und ihre Fokaladhäsionen die Topographie und sogar die Elastizität des umgebenden Substrats zu erkennen. Veränderungen dieser Parameter haben einen großen Einfluss auf die Organisation, Morphologie und Differenzierung der Zellen.
In unserem Institut werden mittels soft replica molding mikrostrukturierte Oberflächen zur Kultivierung von Zellen hergestellt. Dazu wird ein Layout, mit der gewünschten Mikrostruktur erstellt und mittels eines Elektronenstrahlschreibers in eine Chrommaske übertragen.
Unter Reinraumbedingungen wird mit Hilfe dieser Chrommaske das Layout durch photolithografische Techniken zuerst in eine Fotolackschicht auf einem Siliziumwafer übertragen. Nach der Belichtung und Entwicklung des Fotolacks wird mittels Reaktiven-Ionen-Ätzens (RIE) die gewünschte Struktur in die Siliziumoxidschicht des Wafers übertragen. Die Dicke der Siliziumoxidschicht variiert dabei zwischen 50 nm bis zu 500 nm. Diese mikrostrukturierten Oberflächen werden anschließend mit einem hochtransparenten Silikonkautschuk mit unterschiedlichen Steifigkeiten abgeformt (soft replica molding). Die so hergestellten zweidimensional mikrostruktrierten Oberflächen eignen sich in besonderem Maße für verschiedenste zellbiologische Analysen. Strukturen im Bereich bis 100 nm sind für Zellen nicht detektierbar, können aber hervorragend durch mikroskopische Techniken wie Phasenkontrastmikroskopie oder RICM abgebildet werden. Damit können beispielsweise Kraftanalysen an schlagenden Herzmuskelzellen durchgeführt werden.

Um noch einen Schritt weiter zu gehen, ist es außerdem möglich, dreidimensionale Substrate mit unterschiedlichen Steifigkeiten zur Zellkultivierung herzustellen. Dazu wird das Layout der Chrommaske mit fotolithographischen Techniken in einen bis zu 45 µm dicken Fotolack (SU-8) übertragen. Durch das Abformen mit einem Silikonkautschuk entstehen bis zu 45 µm hohe Säulen mit einem Durchmesser von 10 µm zwischen denen Zellen, wie ein Segel aufgespannt, kultiviert werden können. Die so hergestellten Substrate bieten die Möglichkeit, die oben beschrieben Kraftanalysen unter dreidimensionalen und somit „natur-näheren“ Bedingungen durchzuführen.

HerzmuskelzelleRaster-Elektronen-Mikroskopie-Aufnahme einer Herzmuskelzelle, die zwischen elastischen 3D-Mikrosäulen aufspannt.

Herzmuskelzelle 2DHerzmuskelzelle auf zweidimensionaler mikrostruktrierter Oberfläche. Symmetrisches Gitter unterhalb der Zelle wurde durch einen Abdruck von 100 nm tiefen Mikrostrukturen erzeugt. Die Zelle verformt das regelmäßige Gitter an Ihren Anheftungspunkten; die Zellkraft wird sichtbar. Der Abstand zweier Punkte beträgt 3,5 µm.

WaferherstellungWaferherstellung unter Reinraumbedingungen zur Abformung mikrostrukturierter elastischer Oberflächen.


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