细胞生物学中的微模式，A部分（卷119）——
micropatterning in
cell biology ，partA（Volume
119）
作者：Matthieu Piel，Manuel Théry
出版：academic press
索书号：Q2/M592/2014/V.119/Y
ISBN：
978-0-12-416742-1
藏书地点： 武大外教中心
空间图案减色剂脱墨，我们称之为“压印”的过程，提供了一种生成稀疏的、多组分蛋白质微图案的简单方法。它已被应用于细胞黏附的控制、黏附生物学的研究以及微图案脆性表面的研究。该技术也可用于研究细胞膜受体与表面固定化配体之间的纳米级相互作用。它基于传统的微接触印刷，因此需要相同的试剂，包括光刻法定义的母版、自旋涂布机、聚(二甲基硅氧烷)(PDMS)，以及传统的细胞培养试剂，如玻璃和粘附蛋白。印模在概念上可简化为三个步骤:(1)生成合适的细胞培养基质、PDMS涂覆玻璃(2)印模微图案和(3)细胞沉积。在详细阐述了这三种方法之后，我们讨论了该技术的局限性及其应用。
微模式是研究生物和物理线索对细胞功能影响的一种有效方法。为了研究细胞与细胞之间的相互作用和细胞与物质之间的相互作用，已经发展了多种微模式方法。作为一种有效的方法，基于聚乙烯醇(PVA)的微模式已被用于细胞阵列的预先设计的方式，成为长期的细胞培养方式，在微图案表面可形成细胞群和单细胞阵列。利用微图案表面产生梯度细胞密度、不同程度的细胞扩散、突起和细胞间相互作用以及不同的几何形状，研究它们对骨髓间充质干细胞分化的影响。本章重点介绍了基于PVA的微模式的最新发展及其在干细胞功能操作中的应用。
本章的目的是对生物应用的聚合物图案技术进行综述，并对聚苯乙烯无电阻深紫外光(UV)图案制作进行详细说明。这种聚合物的光化学修饰产生不稳定的过氧化物和稳定的氧化基团。聚合物表面理化性质的改变影响蛋白质吸附和细胞粘附。HepG2(人肝癌细胞系)、成纤维细胞(L929，小鼠成纤维细胞系)和其他细胞系在紫外线照射的聚合物上具有很强的粘附性。掩蔽辐射打开一个简单、快速(细胞模式是在几个小时内获得)、经济的途径，以获得化学模式的细胞培养基质。由于消除了任何化学处理和实现的结构尺寸小，所述方案相对于玻璃上的硅基图案技术或黄金上的硫醇基图案技术具有优势。该方式与一般洁净室技术兼容。然而，即使没有进入洁净室，也可以生产出结构化的基板。所述技术可作为多种细胞培养的有用工具，用于研究细胞间通讯和器官生成等生物过程，以及生物传感或组织工程等应用。
基于对蛋白质友好的光刻胶的显微镜投影光刻(MPP)是一种用于制造蛋白质和细胞微图案表面的通用工具。通过在透明膜上打印特征，可以经济地生产包含各种特征的掩模。特性在光掩模投影显微镜的物镜，导致显著减少的特征尺寸小至~ 1μm，接近光学精密加工的实际限制。在大多数生物实验室使用的荧光显微镜可以用于制造过程中进行一些修改。使用这样的显微镜，多步MPP可以很容易地执行与精确注册的每一个微模式的透明膜掩膜。本文介绍了一种蛋白质友好型光刻胶聚(2，2-二甲氧基硝基苄基甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸甲酯-聚乙二醇)的合成方法和表征方法，以及荧光显微镜的设置和MPP程序。此外，我们描述了用于多淋巴细胞微模式和贴壁细胞动态微模式的实验方案。
等离子体微触模式(PμCP)是一个简单，高效和划算的方法精确模式表面上的分子。它结合了低压等离子体和弹性3D掩模的使用，在空间上控制从表面去除分子如蛋白质。整个PμCP过程细分为三个主要步骤:表面预涂，等离子缩微成像，表面上的一步。表面首先涂上一种分子物质，然后与3D掩模紧密接触。这允许形成两个不同的区域:一个是等离子体可访问的未屏蔽的开放区域，从该开放区域的表层被移除;另一个是物理保护的接触区域，不受等离子体的暴露。在最后一步，添加第二个分子来填充等离子体处理生成的图形。PμCP技术允许任何有机分子的模式在不同的表面材料和几何图形(例如，平面、曲面和三维微观结构)。此外，它是一个简单而清晰的过程。与传统的微接触印刷相比，这种方法的主要优点是双重的：分子与等离子体处理表面结合的稳定性，以及表面功能化步骤与实际微图形化步骤的分离，这使得能够精确控制图形化分子的浓度和均匀性。总之，PμCP是一个简单的方法来生成表面模式高度可再生的、稳定和统一，使之成为一个有用的方法对于许多应用程序。
表面化学和形态梯度是非常有用的细胞生物学研究的大规模筛选工具，例如，暴露一个给定的一组细胞许多不同表面条件，在相同的环境条件下，以监控细胞增殖或特定基因表达等行为。它们还可以用来研究梯度本身对细胞行为的影响，比如迁移。目前已经开发了许多简单、可靠的化学梯度和形态梯度制造技术。
提出一种简单的方法来产生基质结合蛋白模式的微米分辨率。只使用低功率可见光激光器和商业上可用的试剂来获得任意模式的宽浓度范围。提供了有用和详细的信息，如何组装实验设置，以创建工程细胞培养基质使用激光扫描或宽场照明模式。为没有光学工程经验的读者解释了一种包括生物化学、光学和计算机编程的协议，该协议需要制作单组分和多组分的功能微模式。最后，介绍了一种用于制作大型表面图案的新型宽场照明方案，以及如何使用标准的商用共焦显微镜制作简单图案。
光刻技术已广泛应用于细胞和蛋白质微图形化、微流体通道的制备等生物领域。然而，用于投射微模式照明图像掩模的制备往往是费时和昂贵的。因此，开发了无掩模光刻设备，通过修改现有的商用液晶显示器(LCD)投影机的光学从扩大到缩小投影。所开发的第二和第三种器件通过将原来的大掩模图形分割成多个图形，分别同步地暴露在带有电动xy级的衬底上，并将其应用于细胞微图形化和聚二甲基硅氧烷(PDMS)微流控器件的生产，从而产生厘米级的微图形。本章第一部分介绍无掩模光刻器件的发展。第二部分介绍了带电动升降台的曝光控制系统。第三部分介绍了器件在细胞微图形化中的应用。最后介绍了该器件在PDMS微流体通道制造中的应用。无掩模光刻与液晶投影机具有很大的优势，无需掩模。特别是无掩模光刻器件，通过优化图形尺寸和形状条件，显示出更大的功率。
组织工程的目的是生产功能性的三维组织替代物。在组织工程中，细胞密度和细胞空间三维组织结构是影响细胞行为和命运的关键参数。激光辅助生物打印(实验室)允许打印细胞和液体材料与细胞或皮分子水平的分辨率。该技术具有自动化、重现性和高吞吐量等额外优势。它使实验室与工业制造生理相关的三维结构兼容。在这里，详尽地介绍了许多步骤，使打印活细胞与保存良好的微米模式。为了便于实验室对整个细胞制版实验的理解，本论文分为两部分:(1)预处理:激光设置、生物墨盒和生物纸的制备、制版设计；(2)加工:生物油墨在生物纸上的印刷。
生物友好微模式技术的发展使生物和医学研究的许多领域受益，包括定量生物化学分析、定点医疗设备、生物传感和再生医学。传统的微图案技术，例如光刻和软光刻，在过去的几十年里已经看到了令人鼓舞的适应创造生物微图案。然而，它们仍然没有完全满足在不需要洁净室访问的情况下构建单细胞分辨率的多目标生物微阵列的主要需求。在这一章中，我们提出了一种新的多功能生物光刻技术，即立体光刻(SML)，它可以实现高特征分辨率和对各种生物材料的高适应性的集成多目标图形。提出了一种新颖的多目标连续图形三维立体模型。SML由穿孔和非穿孔组成，前者布置新的微图案，后者保护衬底上原有的特征。此外，采用基板与体视镜之间的钉孔设计，实现了多个生物对象之间的高精度可逆对准。作为示范，我们成功地利用SML技术在单细胞分辨率下构建了具有多种生物功能成分的复杂生物微环境。
本本还描述了激光扫描光刻(LSL)的实现，用于制造多面、有图案的表面和图像引导的图案。这种基于光热的模式技术允许选择性地去除金属薄膜上的烷基硫醇自组装单分子层的所需区域，方法是使用商用激光扫描共聚焦显微镜对聚焦的532纳米激光进行光栅扫描。与传统的光刻方法不同，这种技术不需要使用物理母版，而是使用数字“虚拟掩模”，可以“动态”修改，允许快速修改模式。详细描述了创建多面、微图案表面的过程，这些表面显示多个生物分子的图案阵列，每个分子被限制在自己的阵列中。还描述了从用户选择的图像、图像引导的LSL生成模式配置。该协议概述了LSL的四个基本部分。第一部分详细介绍了衬底的制备，包括玻璃腔的清洗、金属沉积和烷基硫醇功能化。第二部分描述了定义模式配置的两种方法，第一种方法是使用Zeiss AIM软件手动输入模式坐标和尺寸，第二种方法是使用自定义编写的MATLAB脚本通过图像引导模式生成。第三部分描述了模式化过程的细节和模式化后功能化的烷硫醇，蛋白质，和两者，第四部分包括细胞播种和培养。最后，我们将对LSL的缺陷进行一般性的讨论，并介绍可以对该技术进行的潜在改进。
微模式技术通过空间上定义的微模式实现了对微型生物对象(如细胞和细菌)的高通量、高定量的研究，在广泛的工程和生物学研究中获得了越来越多的兴趣。然而，大多数现有技术依赖昂贵的仪器或密集的洁净室，这可能不容易在常规生物实验室中使用。在这里，介绍一个简单的通用微打印过程的详细过程，称为打印到打印(P2P)，为潜在的生物应用程序形成多对象微模式。印刷时只使用固相打印机和特制的超疏水性(SH)薄膜，整个印刷过程不涉及热或化学处理。此外，液滴转移和打印步骤的非接触性对敏感的生物用途非常有利。由最小功能解决P2P进程229±17μm已成功实现。此外，该方法已被应用于在生物学中常用的各种底物上形成微图案以及多目标共模。此外，SH基板也被证明是可重用的。
仿生界面工程已成为指导细胞黏附、扩散、运动、增殖、分化、凋亡等过程的重要工具。细胞与细胞外基质(ECM)或其他细胞的相互作用几乎参与了体内的所有细胞反应。最近广泛的证据表明，不同环境刺激之间的串扰可以对各种细胞功能产生巨大的影响。因此，在体外对这些刺激的控制有助于理解细胞执行“智能”任务(如获取、处理和响应环境信息)的机制。本章概述了近年来发展起来的纳米仿生系统，该系统允许对不同的刺激进行独立控制，并说明了它们在细胞研究中的应用。特别关注基于聚乙二醇材料的纳米化二维和三维人工ECM系统。这使得独立控制材料的弹性和纳米级分布的生物寡糖在表面。在工程人造细胞界面的情况下，必须特别注意蛋白质转运调节剂的关键功能，即细胞膜和动态肌动蛋白细胞骨架；它们对于单个蛋白质和整个细胞的信号活动都是必不可少的。
细胞外基质(ECM)是一个复杂的、空间上不均匀的环境，是无数细胞受体相互作用的宿主，促进细胞行为的改变。这些生物系统可以用工程表面进行探测和模拟，但这样做需要仔细控制配体的排列。描述了如何利用聚合物笔光刻(PPL)来制作这样的表面，这是一种利用聚合物笔阵列在大面积上生成图案的无悬臂扫描探针光刻方法。随着PPL的出现，细胞生物学中的基本问题可以通过概括细胞相互作用来回答，以探索这些相互作用如何导致细胞行为的变化。在此，我们描述了一种细胞粘附行为的组合筛选方法，以了解ECM蛋白特征大小如何决定间充质干细胞的成骨分化。本文概述的技术可推广到其他生物系统，并可与定量分析方法相结合，以探测细胞极化、增殖、信号传导和分化等重要过程。
为了发展细胞生物测定的增强技术，以及了解单细胞与其底层基质的相互作用，生物技术领域广泛利用光刻技术在用户定义的几何图形中在表面上对蛋白质进行空间模式。微触印刷(μCP)仍然是一个非常有用的模式方法由于其廉价的特性，可伸缩性和缺乏专业的洁净室设备的大量使用。然而，随着新技术的出现，使各种蛋白质沉积的纳米级的地区，传统的μCP方法可能无法为用户提供所需的分辨率大小。最近，我们小组开发了一种修改“减法μCP”方法仍然保留了许多传统μCP提供的好处。利用这一技术，我们已经能够达到纤维连接素的分辨率大小，小至250纳米，在细胞培养的大间距阵列。在这种沟通中，我们提出一个详细描述我们的减去μCP过程扩展的许多小技巧和窍门，一起让这个过程一个简单而有效的方法控制蛋白质模式。
《细胞生物学中的微模式，A部分（卷119）》一书于2014年由academic press出版，作者为Matthieu Piel，
Manuel Théry。
《细胞生物学中的微模式，A部分（卷119）》一书，作者展现了细胞生物学中的微模式领域中的一些最新研究，讨论的主题主要包括二维微缩图：多组件功能；聚乙烯醇-操纵间充质干细胞功能的微图案表面；聚合细胞培养基质的模式；具有印刷透明掩模和蛋白质友好型光刻胶的光制版；等离子体微触模式(PμCP):技术精确控制的表面在小规模的模式。图案渐变：无掩模微图案：激光辅助光漂白吸附；使用液晶显示器(LCD)投影机进行微缩图；激光辅助生物冲洗细胞模式；立体光刻多蛋白图案；利用激光扫描光刻技术制造多面、微图案表面和图像引导的图案；打印-打印:打印机启用的室外多对象微缩打印方法。二维纳米化：软/弹性纳米介面在细胞生物学中的应用；用聚合物笔光刻技术联合筛选间充质干细胞的粘附和分化；高保真度纳米化蛋白质到明确的表面通过减法接触印刷；利用微阵列和荧光原位杂交技术研究地形的机械转导等主要内容。
《细胞生物学中的微模式，A部分（卷119）》一书作为细胞生物学中的微模式专业研究读物，内容全面，语言浅显易懂，除此之外，还包括一些其他的特点：
1、 本书在每一章的结尾突出对未来潜力的展望，以激发在这一令人兴奋和富有成果的研究领域继续研究的新思想和动机。
2、 本书提供了关于化学、结构、模型系统和用于研究细胞生物学中的微模式的见解。一个主要的焦点是细胞生物学中的微模式在不同的生理过程和疾病中的突出地位，以及在不同学科中的应用。这本书旨在阐明细胞生物学中的微模式聚集科学的意义和美，并为希望从事细胞生物学中的微模式研究的学者以及已经从事该领域工作的科学家提供一个切入点。
总的说来，《细胞生物学中的微模式，A部分（卷119）》一书为想要了解的人员提供了清晰的导读路径，作为细胞生物学中的微模式领域的一本前沿研究图书，是一本值得为想要涉足该领域的人员推荐的专业书籍。
本书目录
第一节：二维微缩图
第1章-多组件功能到微模式稀疏
Ravi A. Desai, Natalia M. Rodriguez, Christopher S.
Chen
第2章-聚乙烯醇-操纵间充质干细胞功能的微图案表面
Guoping Chen
第3章-聚合细胞培养基质的模式
Alexander Welle, Simone Weigel, Özgül Demir
Bulut
第4章-具有印刷透明掩模和蛋白质友好型光刻胶的光制版
Jiwoo Kang,
Jong-Cheol Choi, Miju Kim,
Hong-Ryul Jung, Junsang Doh
第5章-等离子体微触模式(PμCP):技术精确控制的表面在小规模的模式
Remigio Picone, Buzz Baum, Rachel McKendry
第6章-图案渐变
Nagaiyanallur V. Venkataraman, Clément V.M. Cremmel,
Christian Zink, Rebecca P. Huber, Nicholas D. Spencer
第二部分：无掩模微图案
第7章-激光辅助光漂白吸附
Jonathan M. Bélisle,
Javier Mazzaferri, Santiago Costantino
第8章-使用液晶显示器(LCD)投影机进行微缩图
Kazuyoshi Itoga, Jun
Kobayashi, Masayuki Yamato, Teruo Okano
第9章-激光辅助生物冲洗细胞模式
Raphaël Devillard, Emeline Pagès, Manuela Medina Correa, Virginie
Kériquel,
... Fabien Guillemot
第10章-立体光刻多蛋白图案
Siwei Zhao,
Arnold Chen, Alexander Revzin, Tingrui
Pan
第11章-利用激光扫描光刻技术制造多面、微图案表面和图像引导的图案
John H. Slater, Jennifer L. West
第12章-打印-打印:打印机启用的室外多对象微缩打印方法
Siyuan Xing,
Siwei Zhao, Tingrui Pan
第三节：二维纳米化
第13章-软/弹性纳米介面在细胞生物学中的应用
Ilia Platzman, Katarzyna M. Gadomska, Jan-Willi Janiesch, Ilia Louban, ...
Joachim P. Spatz
第14章-用聚合物笔光刻技术联合筛选间充质干细胞的粘附和分化
Maria D. Cabezas, Daniel
J. Eichelsdoerfer, Keith A. Brown, Milan Mrksich, Chad A. Mirkin
第15章-高保真度纳米化蛋白质到明确的表面通过减法接触印刷
José R. García, Ankur Singh, Andrés J. García
第16章-利用微阵列和荧光原位杂交技术研究地形的机械转导
Laura E. McNamara, Matthew J. Dalby,
Monica P. Tsimbouri
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