研究生: |
楊中堯 Yang, Chung-Yao |
---|---|
論文名稱: |
利用改質氧化矽奈米結構來探討細胞結構之反應 Probing Cellular Structural Responses through Functionalized Oxidized Silicon Nanosponges |
指導教授: |
葉哲良
Yeh, J. Andrew |
口試委員: |
沈湯龍
陳文翔 陳致真 鄭兆珉 饒達仁 周涵怡 |
學位類別: |
博士 Doctor |
系所名稱: |
工學院 - 奈米工程與微系統研究所 Institute of NanoEngineering and MicroSystems |
論文出版年: | 2011 |
畢業學年度: | 99 |
語文別: | 英文 |
論文頁數: | 151 |
中文關鍵詞: | 氧化矽 、表面改質 、細胞 |
相關次數: | 點閱:3 下載:0 |
分享至: |
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報 |
This paper describes the micropatterning of mammalian cells onto silicon surfaces with nanometer-scale regular features made through a nanofabrication approach. The ability to modulate cell–substrate interactions has provided a number of exciting insights in cell-relevant research including stem cell differentiation, cell survival, mechanotaxis, and biomaterials. The propose of this study is twofold; (i) a nanofabrication method, which can be used to create nanometer-scale regular features on silicon surfaces with the surface characteristics of hydrophobicity, has been developed through a combination of the conventional photolithography approach and the chemical-based surface modification, enabling us to probe the cell-substrate interactions; and (ii) the micropatterning of a variety of mammalian cells (Chinese hamster ovary and HIG-82 in this study) on silicon surfaces has been demonstrated. The cytoskeletal and morphologic changes in living cells attached to our nanopatterns on silicon surfaces have been examined as well via fluorescence microscopy. This study, we believe, would provide us a better understanding of the cell-substrate interactions, and have a wide range of applications such as the development of biocompatible nanofabrication methods, biomaterials, functional biomedical devices, as well as tissue engineering.
本篇論文利用改質後的氧化矽奈米海綿結構來探討其對細胞結構之反應,本文所提出的研究有兩個重點,一為製作奈米結構的流程方法,另一為利用此奈米結構來控制細胞的生長。本方法結合物理性的奈米結構以及化學性的表面鍍膜來探討其對於細胞生物學的影響,此奈米結構是以化學蝕刻所製作出來,而表面鍍膜則是利用分子氣相沉積來做改質。不同於物理性製作奈米結構之方法,利用化學蝕刻可以達到晶圓等級的範圍,而分子氣相沉積改質也與以往利用自組裝分子來做改質不相同,不僅大大縮短反應時間,其分子膜的品質也非常良好,不會因為液體自組裝分子的大小而影響到奈米結構的形貌。除此之外,此製作流程也極易整合於目前半導體製程,來達到大量製作實驗樣品的目的。 利用此製程所做出之奈米結構將可以更深入探討細胞生長於三維奈米結構上之行為,本文使用兩種不同的細胞做研究,一為中國倉鼠卵巢細胞(CHO),另一為兔滑液膜細胞(HIG-82),利用此奈米結構並搭配不同表面官能基來探討細胞之結構形貌,並利用此結構成功的引導細胞的生長。此研究將可以使學者更容易了解細胞生物學的一些反應,以及細胞與材料基板之間的交互作用,更可將其應用於組織工程,來達到體外大量培養有方向性的組織細胞,相信本研究可以為生物學家帶來更多的衝擊
1. Langer, R.; Vacanti, J. P. Science 1993, 260, 920.
2. Romanova, E. V.; Oxley, S. P.; Rubakhin, S. S.; Bohn, P. W.; Sweedler, J. V. Biomaterials 2006, 27, 1665.
3. Lan, M. A.; Gersbach, C. A.; Michael, K. E.; Keselowsky, B. G.; Garcia, A. J. Biomaterials 2005, 26, 4523.
4. Hwang, J. J.; Iyer, S. N.; Li, L. S.; Claussen, R.; Harrington, D. A.; Stupp, S. I. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 9662.
5. Chen, C. S.; Mrksich, M.; Huang, S.; Whitesides, G. M.; Ingber, D. E. Science 1997, 276, 1425.
6. Dertinger, S. K.; Jiang, X.; Li, Z.; Murthy, V. N.; Whitesides, G. M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12542.
7. Burdick, J. A.; Khademhosseini, A.; Langer, R. Langmuir 2004, 20, 5153.
8. Zaari, N.; Rajagopalan, S. K.; Kim, S. K.; Engler, A. J.; Wong, J. Y. Adv. Mater. 2004, 16, 2133.
9. den Braber, E. T.; de Ruijter, J. E.; Ginsel, L. A.; von Recum, A. F.; Jansen, J. A. J. Biomed. Mater. Res. 1998, 40, 291.
10. Walboomers, X. F.; Croes, H. J.; Ginsel, L. A.; Jansen, J. A. J. Biomed. Mater. Res. 1999, 47, 204.
11. Van Kooten, T. G.; Whitesides, J. F.; von Recum, A. J. Biomed. Mater. Res. 1998, 43, 1.
12. Teixeira, A. I.; Abrams, G. A.; Bertics, P. J.; Murphy, C. J.; Nealey, P. F. J. Cell. Sci. 2003, 116, 1881.
13. Sato, M.; Webster, T. J. Expert Rev. Med. Devices 2004, 1, 105.
14. de Oliveira, P. T.; Nanci, A. Biomaterials 2004, 25, 403.
15. Thakar, R. G.; Ho, F.; Huang, N. F.; Liepmann, D.; Li, S. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2003, 307, 883.
16. Miller, D. C.; Thapa, A.; Haberstroh, K. M.; Webster, T. J. Biomaterials 2004, 25, 53.
17. Thapa, A.; Webster, T. J.; Haberstroh, K. M. J. Biomed. Mater. Res. A 2003, 67, 1374.
18. McBeath, R.; Pirone, D. M.; Nelson, C. M.; Bhadriraju, K.; Chen, C. S. Dev. Cell 2004, 6, 483.
19. Elbert, D. L.; Hubbell, J. A. Biomacromolecules 2001, 2, 430.
20. Schutt, M.; Krupka, S. S.; Milbradt, A. G.; Deindl, S.; Sinner, E. K.; Oesterhelt, D.; Renner, C.; Moroder, L. Chem. Biol. 2003, 10, 487.
21. Okano, T.; Yamada, N.; Okuhara, M.; Sakai, H.; Sakurai, Y. Biomaterials 1995, 16, 297.
22. Lahann, J.; Mitragotri, S.; Tran, T. N.; Kaido, H.; Sundaram, J.; Choi, I. S.; Hoffer, S.; Somorjai, G. A.; Langer, R. Science 2003, 299, 371.
23. Yeo, W. S.; Yousaf, M. N.; Mrksich, M. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14994.
24. Zhu, X.; Mills, K. L.; Peters, P. R.; Bahng, J. H.; Liu, E. H.; Shim, J.; Naruse, K.; Csete, M. E.; Thouless, M. D.; Takayama, S. Nat. Mater. 2005, 4, 403.
25. Blau, H. M.; Baltimore, D. J. J. Cell Biol. 1991, 112, 781.
26. Ruoslahti, E.; Obrink, B. Exp. Cell. Res. 1996, 227, 1.
27. Geiger, B.; Bershadsky, A.; Pankov, R.; Yamada, K. M. Nature Rev. Mol. Cell Biol. 2001, 2, 793.
28. Zamir, E.; Geiger, B. J. Cell Sci. 2001, 114, 3583.
29. Critchley, D. R. Curr. Opin. Cell Biol. 2000, 12, 133.
30. Giancotti, F. G.; Ruoslahti, E. Science 1999, 285, 1028.
31. Balaban, N. Q.; Schwarz, U. S.; Rivelin, D.; Goichberg, P.; Tzur, G.; Sabanay, L.; Mahalu, D.; Safran, S.; Bershadsky, A.; Addadi, L.; Geiger, B. Nature Cell Biol. 2001, 3, 466.
32. Alberts, B.; Bray, D.; Lewis, J.; Raff, M.; Roberts, K.; Watson, J. D. Molecular Biologyof the Cell, 3rd edn., Garland Publishing, New York, USA, 1994.
33. Lasky, L. A. Nature 1997, 390, 15.
34. Cohen, S.; Bano, M. C.; Cima, L. G.; Allcock, H. R.; Vacanti, J. P.; Vacanti, C. A.; Langer, R. Clin. Mater. 1993, 13, 3.
35. Karp, J.; Dalton, P.; Shoichet, M. MRS Bull 2003, 28, 301.
36. Dalby, M. J.; Riehle, M. O.; Johnstone, H. J. H.; Affrossman, S.; Curtis, A. S. G. Biomaterials 2002, 23, 2945.
37. Dalby, M. J.; Childs, S.; Yarwood, S. J.; Riehle, M. O.; Johnstone, H. J. H.; Affrossman, S.; Curtis, A. S. G. Biomaterials 2003, 24, 927.
38. Dalby, M. J.; Giannaras, D.; Riehle, M. O.; Gadegaard, N.; Affrossman, S.; Curtis, A. S. G. Biomaterials 2003, 25, 77.
39. Qi, S.; Yi, C.; Ji, S.; Fong, C. C.; Yang, M. Appl. Mater. Interfaces 2009, 1, 30.
40. Kwon, N. H.; Beaux, M. F.; Ebert, C.; Wang, L. D.; Lassiter, B. E.; Park, Y. H.; Mcllroy, D. N.; Hovde, C. J.; Bohach, G. A. Nano Lett. 2007, 7, 2718.
41. Pesen, D.; Haviland, D. B. Appl. Mater. Interfaces 2009, 1, 543.
42. Haq, F.; Anandan, V.; Keith, C.; Zhang, G. Int. J. Nanomedicine 2007, 2, 107.
43. Seitz, H.; Rieder, W.; Irsen, S.; Leukers, B.; Tille, C. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2005, 74, 782.
44. Kim, D. H.; Lipke, E. A.; Kim P.; Cheong R.; Thompson S.; Delannoy M.; Suh K. Y.; Tung L.; Levchenko A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 565.
45. Uwe, F.; Andreas, H.; Petra, B. W.; Katja, S.; Sigrid, C. S.; Milauscha, G.; Andrea, Z.; Woranan, P.; Stefan, Z.; Dorit, M.; Alexander, S.; Carsten, W. Biomaterials 2009, 30, 5049.
46. Amado, S.; Simoes, M. J.; Armada da Silva, P. A. S.; Luis, A. L.; Shirosaki, Y.; Lopes, M. A.; Santos, J. D.; Fregnan, F.; Gambarotta, G.; Ramimondo, S.; Fornaro, M.; Veloso, A. P.; Varejao, A. S. P.; Mauricio, A. C.; Geuna, S. Biomaterials 2008, 29, 4409.
47. Haile, Y.; Berski, S.; Drager, G.; Nobre, A.; Stummeyer, K.; Gerardy-Schahn, R.; Grothe, C. Biomaterials 2008, 29, 1880.
48. Novikova, L. N.; Pettersson, J.; Brohlin, M.; Wiberg, M.; Novikov, L. N. Biomaterials 2008, 29, 1198.
49. Lee, J., Cuddihy, M. J.; Kotov, N. A. Tissue Eng. Part B 2008, 14, 61.
50. Oh, S. H.; Kim, J. H.; Song, K. S.; Jeon, B. H.; Yoon, J. H.; Seo, T. B.; Namgung, U.; Lee, I. W.; Lee, J. H. Biomaterials 2008, 29, 1601.
51. Crompton, K. E.; Goud, J. D.; Bellamkonda, R. V.; Gengenbach, T. R.; Finkelstein, D. I.; Hornet, M. K.; Forsythe, J. S. Biomaterials 2007, 28, 441.
52. Schnell, E.; Klinkhammer, K.; Balzer, S.; Brook, G.; Klee, D.; Dalton, P.; Mey, J. Biomaterials 2007, 28, 3012.
53. Duan, X.; McLaughlin, C.; Griffith, M.; Sheardown, H. Biomaterials 2007, 28, 78.
54. Bettinger, C. J.; Orrick, B.; Misra, A.; Langer, R.; Borenstein, J. T. Biomaterials 2006, 27, 2558.
55. Flynn, L.; Dalton, P. D.; Shoichet, M. S. Biomaterials 2003, 24, 4265.
56. Bini, T. B.; Gao, S.; Wang, S.; Ramakrishna, S. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2005, 16, 367.
57. Cheng, M.; Deng, J.; Yang, F.; Gong, Y.; Zhao, N.; Zhang, X. Biomaterials 2003, 24, 2871.
58. Cheng, M.; Cao, W.; Gao, Y.; Gong, Y.; Zhao, N.; Zhang, X. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2003, 14,1155.
59. Rowlands, A. S.; Lim, S. A.; Martin, D.; Cooper-White, J. J. Biomaterials 2007, 28, 2109.
60. Freier, T.; Montenegro, R.; Shan Koh, H.; Shoichet, M. S. Biomaterials 2008, 26, 4624.
61. Bergethon, P. R.; Trinkaus-Randall, V.; Franzblau, C. J. Cell Sci. 1989, 92, 111.
62. Seitz, H.; Rieder, W.; Irsen, S.; Leukers, B.; Tille, C. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2005, 74, 782.
63. Britland, S.; Perezarnaud, E.; Clark, P.; McGinn, B.; Connolly, P.; Moores, G. Biotechnol. Prog. 1992, 8, 155.
64. Kleinfeld, D.; Kahler, K.H.; Hockberger, P.E. J. Neurosci. 1998, 8, 4098.
65. Miura, Y.; Sato, H.; Ikeda, T.; Sugimura, H.; Takai, O.; Kobayashi, K. Biomacromolecules 2004, 5, 1708.
66. Mohammed, J.S.; DeCoster, M.A.; McShane, M.J. Biomacromolecules 2004, 5, 1745.
67. Revzin, A.; Tompkins, R.G.; Toner, M. Langmuir 2003, 19, 9855.
68. Whitesides, G. M.; Ostuni, E.; Takayama, S.; Jiang, X. Y.; Ingber, D. E. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2001, 3, 335.
69. Borenstein, J. T.; Terai, H.; King, K. R.; Weinberg, E. J.; Kaazempur-Mofrad, M. R.; Vacanti, J. P. Biomed. Microdevices 2002, 4, 167.
70. Kaihara, S.; Borenstein, J.; Koka, R.; Lalan, S.; Ochoa, E. R.; Ravens, M.; Pien, H.; Cunningham, B.; Vacanti, J. P. Tissue Eng. 2000, 6, 105.
71. Yoshimoto, H.; Shin, Y. M.; Terai, H.; Vacanti, J. P. Biomaterials 2003, 24, 2077.
72. Fertala, A.; Han, W. B.; Ko, F. K. J. Biomed. Mater. Res. 2001, 57, 48.
73. Zong, X.; Bien, H.; Chung, C. Y.; Yin, L.; Fang, D.; Hsiao, B. S.; Chu, B.; Entcheva, E. Biomaterials 2005, 26, 5330.
74. Yamato, M.; Konno, C.; Utsumi, M.; Kikuchi, A.; Okano, T. Biomaterials 2002, 23, 561.
75. Fukuda, J.; Khademhosseini, A.; Yeh, J.; Eng, G.; Cheng, J.; Farokhzad, O. C.; Langer, R. Biomaterials 2006, 27, 1479.
76. Tan, W.; Desai, T. A. Biomaterials 2004, 25, 1355.
77. Tan, W.; Desai, T. A. J. Biomed. Mater. Res. A 2005, 72, 146.
78. Evans, N. D.; Yamada, K. M. Curr Opin Cell Biol 2005, 17, 524.
79. Friedl, P.; Zӓnker, K. S.; Brӧcker, E. B. Microsc Res Tech 1998, 43, 369.
80. Marks Jr., S. C. Am J Anat 2005, 141, 329.
81. Choi, C. H.; Hagvall, S. H.; Wu, B. M.; Dunn, J. C. Y.; Beygui, R. E.; Kim, C. J. Biomaterials 2007, 28, 1672.
82. Keselowsky, B. G.; Collard, D. M.; García, A. J. Biomaterials 2004, 25, 5947.
83. Peng, K.; Hu, J.; Yan, Y.; Wu, Y.; Fang, H.; Xu, Y.; Lee, S. T.; Zhu, J. Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 387.
84. Chyan, J. Y.; Hsu, W. C.; Yeh, J. A. Opt. Express 2009, 17, 4646.
85. Shen, T. L.; Park, A. Y.; Alcaraz, A.; Peng, X.; Jang, I.; Koni, P.; Flavell, R. A.; Gu, H.; Guan, J. L. J. Cell Biol. 2005, 169, 941.
86. Chou, L.; Firth, J. D.; Uitto, V. J.; Brunette, D. M. J. Cell Sci. 1995, 108, 1563.
87. Mullins, R. D.; Heuser, J. A.; Pollard, T. D. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1998, 95, 6181.
88. Blanchoin, L.; Amann, K. J.; Higgs, H. N.; Marchand, J. B.; Kaiser, D. A.; Pollard, T. D. Nature 2000, 404, 1007.
89. Cary, L. A.; Guan, J. L. Front Biosci. 1999, 4, D102.
90. Schlaepfer, D. D.; Hauck, C. R.; Sieg, D. J. Prog. Biophys. Mol. Biol. 1999, 71, 435.
91. Schaller, M. D.; Hildebrand, J. D.; Shannon, J. D.; Fox, J. W.; Vines, R. R.; Parsons, J. T. Mol. Cell Biol. 1994, 14, 1680.
92. Cobb, B. S.; Schaller, M. D.; Leu, T. H.; Parsons, J. T. Mol. Cell Biol. 1994, 14, 147.
93. Chen, H. C.; Guan, J. L. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1994, 91, 10148.
94. Zhang, X.; Chattopadhyay, A.; Ji, Q. S.; Owen, J. D.; Ruest, P. J.; Carpenter, G.; Hanks, S. K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1999, 96, 9021.
95. Han, D. C.; Guan, J. L. J. Biol. Chem. 1999, 274, 24425.
96. van der Valk, P.; van Pelt, A. W. J.; Busscher, H. J.; de Jong, H. P.; Wildevuur, Ch. R. H.; Arends, J. J. Biomed. Mater. Res. 1983, 17, 807.
97. Webb, K.; Hlady, V.; Tresco, P. A. J. Biomed. Mater. Res. 1998, 41, 422.
98. Webb, K.; Hlady, V.; Tresco, P. A. J. Biomed. Mater. Res. 2000, 49, 362.
99. Arima, Y.; Iwata, H. Biomaterials 2007, 28, 3074.
100. Flemming, R. G.; Murphy, C. J.; Abrams, G. A.; Goodman, S. L.; Nealey, P. F. Biomaterials 1999, 20, 573.
101. Bromberek, B. A.; Enever, P. A. J.; Shreiber, D. I.; Caldwell, M. D.; Tranquillo, R. T. Exp. Cell Res. 2002, 275, 230.
102. Teixeira, A. I.; Abrams, G. A.; Bertics, P. J.; Murphy, C. J.; Nealey, P. F. J. Cell Sci. 2003, 116, 1881.
103. den Braber, E. T.; de Ruijter, J. E.; Smits, H. T. J.; Ginsel, L. A.; von Recum, A. F.; Jansen, J. A. J. Biomed. Mater. Res. 1995, 29, 511.
104. Dunn, G. A.; Health, J. P. Exp. Cell Res. 1976, 101, 1.
105. Clark, P.; Connolly, P.; Curtis, A. S. G.; Dow, J. A. T.; Wilkinson, C. D. W. Development 1987, 99, 439.
106. Kumar, S.; Maxwell, I. Z.; Heisterkamp, A.; Polte, T. R.; Lele, T. P.; Salanga, M.; Mazur, E.; Ingber, D. E. Biophys. J. 2006, 90, 3762.
107. Bellin, R. M.; Kubicek, J. D.; Frigault, M. J.; Kamien, A. J.; Steward Jr., R. L.; Barnes, H. M.; DiGiacomo, M. B.; Duncan, L. J.; Edgerly, C. K.; Morse, E. M.; Park, C. Y.; Fredberg, J. J.; Cheng, C. M.; LeDuc, P. R. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009, 106, 22102.
108. Chen, C. S.; Mrksich, M.; Huang, S.; Whitesides, G. M.; Ingber, D. E. Biotechnol. Prog. 1998, 14, 356.
109. Mora, M.; Cassinelli, C. Plasmas and Polymers 2002, 7, 89.
110. Hoff, J. D.; Cheng, L. J.; Meyhӧfer, E.; Guo, L. J.; Hunt, A. J. Nano Lett. 2004, 4, 853.
111. Kim, E.; Xia, Y.; Whitesides, G. M. Nature 1995, 376, 581.
112. Chin, V. I.; Taupin, P.; Sanga, S.; Scheel, J.; Gage, F.H.; Bhatia, S.N. Biotechnol. Bioeng. 2004, 88, 399.
113. Nelson, C.M.; Jean, R.P.; Tan, J.L.; Liu, W.F.; Sniadecki, N.J.; Spector, A.A.; Chen, C. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 11594.
114. Pancrazio, J. J.; Whelan, J. P.; Borkholder, D. A.; Ma, W.; Stenger, D.A. Ann. Biomed. Eng. 1999, 27, 697.
115. Connolly, P.; Clark, P.; Curtis, A. S. G.; Dow, J. A. T.; Wilkinson, C. D. W. Biosens. Bioelectron. 1990, 5, 223.
116. James, C. D.; Spence, A. J. H.; Dowell-Mesfin, N. M.; Hussain, R. J.; Smith, K. L.; Craighead, H. G.; Isaacson, M. S.; Shain,W.; Turner, J. N. IEEE Trans. Biomed. Eng. 2004, 51, 1640.
117. Bhatia, S. N.; Yarmush, M. L.; Toner, M. J. Biomed. Mater. Res. 1997, 34, 189.
118. Wang, Y. C.; Ho, C. C. FASEB J. 2004, 18.