The influence of surface topography elaborated by prism optics based laser interference modification on cell differentiation

• Autorzy: Czyż K. , Marczak J. , Major R. , Mzyk A. , Rycyk A. , Sarzyński A. , Strzelec M. , Wachulak P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2016.4.2

Warianty tytułu

Wpływ topografii powierzchni wytworzonej przez laserową modyfikację interferencyjną na różnicowanie komórek

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The direct laser interference lithography, based on bi-prism, tetragonal pyramid and an axicon was used as a tool for periodical structuring of different bioscaffolds. The simple, source laser system with stable Nd:YAG laser resonator, amplifying system (energy up to 1 J) and prism-based interferometer optics gave possibility to create periodical, linear, dotted and even circular surface structures, with high degree of periods, width and depth control. The general idea consists of the imitation of the structure and function of tissues and adoption of these solutions for the material science. It is well known that the influence of the artificial material on the cellular processes related to the differentiation, proliferation and growth are dependent on the chemical composition and surface topography as well as mechanical properties of applied materials. The most recent studies focus on the cell interaction with flat scaffolds. However, cells are found covering a highly rough surface in the blood vessels. The work was related to reconstruction of the structure and function and topography of luminal side of the blood vessels. The most important aspect was to recreate cellular niches which plays specific function on the activation and differentiation of stem cells. The mechanical stresses generated at any certain site depend on the surface micropatterns of the material as well as the other signals that cell receives from chemical stimuli. This work is one of the first attempts to determine correlation of surface micro-topography with biochemical stimulation by adsorbed on the materials surface molecules and both factors potential influence on cellular response. The study was aimed at showing the mechanism of human endothelial progenitor cells adhesion, morphology and function control in response to surface patterning. It was found that micro-channels enhanced intercellular connections forming tight junctions and the appropriate progenitor cell differentiation.

PL

W bioinżynierii występuje wpływ składu chemicznego, topografii powierzchni oraz właściwości mechanicznych materiału podłoża na procesy komórkowe związane z różnicowaniem, proliferacją i wzrostem są zależne od składu chemicznego, topografii powierzchni oraz właściwości mechanicznych zastosowanych materiałów. Celem przedstawionych w artykule eksperymentów było zastosowanie bezpośredniej laserowej litografii interferencyjnej do kształtowania periodycznych struktur na powierzchni biozgodnych warstw amorficznego węgla (DLC — diamond like carbon). W pracach wykorzystano wcześniejsze wyniki eksperymentów zespołu autorów dotyczące topograficznej odpowiedzi proliferacji i wzrostu komórek mięśni gładkich i komórek śródbłonka na periodyczne wzory i formy kształtowania powierzchni DLC. Choć najnowsze publikowane badania koncentrują się raczej na oddziaływaniu komórek z płaskimi rusztowaniami/podłożami przygotowanymi do ich wzrostu, w mikroskali na powierzchni naturalnych naczyń krwionośnych występują duże nierówności. Uwzględniono to w przedstawionych wynikach badań podstawowych związanych z rekonstrukcją struktury, funkcjonowania i topografii wewnętrznej strony naczynia krwionośnego. Najważniejszym aspektem było odtworzenie nisz komórkowych odgrywających istotną rolę w aktywacji i różnicowaniu komórek macierzystych. Naprężenia mechaniczne powstające w tak określonych obszarach zależą od mikrowzoru powierzchni oraz od innych sygnałów, które komórki otrzymują w wyniku stymulacji chemicznej. Praca stanowi jedną z pierwszych prób określenia związków pomiędzy mikrotopografią powierzchni a biochemiczną stymulacją przez zaabsorbowane na powierzchni molekuły oraz potencjalnym wpływem obu tych czynników na odpowiedź komórkową. Opisane badania były ukierunkowane na wstępne ukazanie mechanizmu adhezji, morfologii i kontroli funkcjonowania ludzkich komórek progenitorowych śródbłonka w odpowiedzi na periodyczne ukształtowanie powierzchni podłoża.

Słowa kluczowe

EN

direct laser interference lithography method; laser micromachining; prism optics; bioengineering; progenitor endothelial cells

PL

bezpośrednia laserowa litografia interferencyjna; mikroobróbka laserowa; optyka pryzmatyczna; bioinżynieria; progenitorowe komórki śródbłonka

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 37, nr 4
• Strony: 156--162
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., fig.

Twórcy

autor

Czyż K.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

autor

Marczak J.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

autor

Major R.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Mzyk A.

• Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

autor

Rycyk A.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

autor

Sarzyński A.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

autor

Strzelec M.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

autor

Wachulak P.

• Institute of Optoelectronics, Military University of Technology, Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Lu C., Lipson R. H.: Interference lithography: a powerful tool for fabricating periodic structures. Laser and Photonics Review 4 (2010) 568÷580.
• [2] Roch T., Weihnacht V., Scheibe H. J., Roch A. and Lasagni A. F.: Direct Laser Interference Patterning of tetrahedral amorphous carbon films for tribological applications. Diam. Rel. Mater. 33 (2013) 20÷26.
• [3] Xu J., Wang Z., Zhang Z., Wang D., Weng Z.: Fabrication of motheye structures on silicon by direct six-beam laser interference lithography. J. Appl. Physics 115 (2014) 203101.
• [4] Dahotre N. B., Paital S. R., Samant A. N., Daniel C.: Wetting behavior of laser synthetic surface microtextures on Ti–6Al–4V for bioapplication. Phil. Trans. R. Soc. A 368 (2010) 1863÷1889.
• [5] Yu F., Li P., Shen H., Mathur S., Lehr C. M., Bakowsky U., Mücklich F.: Laser interference lithography as a new and efficient technique for micropatterning of biopolymer surface. Biomaterials 15 (2005) 2307÷2312.
• [6] Burrow G. M., Gaylord T. K.: Multi-beam interference advances and applications: nano-electronics, photonic crystals, metamaterials, subwavelength structures, optical trapping, and biomedical structures. Micromachines 2 (2011) 221÷257.
• [7] Sidharthan R., Chollet F., Murukeshan V. M.: Periodic patterning using multi-facet prism based laser interference lithography. Laser Physics 19 (2009) 505÷510.
• [8] Zhou Q., Yang W., He F., Stoian R., Hui R., Cheng G.: Femtosecond multi-beam interference lithography based on dynamic wavefront engineering. Opt. Express. 21 (2013) 9851÷9861.
• [9] Marczak J., Firak J., Rycyk A., Sarzyński A., Strzelec M., Kusiński J., Major R., Zasada D.: Utilisation of direct interference lithography in creation of periodical structures on the Surface of different materials. Inżynieria Materiałowa Materials Engineering 35 (2014) 13÷18, in Polish.
• [10] Marczak J., Czyż K., Kusiński J., Onyszczuk T., Rycyk A., Sarzński A., Strzelec M.: Selected methods of laser periodical surface structuring. Inżynieria Materiałowa Materials Engineering 35 (2014) 523÷526, in Polish.
• [11] Marczak J., Kusiński J., Major R., Rycyk A., Sarzyński A., Strzelec M., Czyż K.: Laser interference patterning of DLC layers for directed migration and growth of smooth muscle cell depositions. Opt. Appl. 44 (2014) 575÷586.
• [12] Czyż K., Marczak J., Major R., Mzyk A., Rycyk A., Sarzyński A., Strzelec M.: Selected laser methods for surface structuring of biocompatible diamond-like carbon layers. Diam. Relat. Mater. 67 (2016) 26÷40.
• [13] Lutolf M. P., Gilbert P. M., Blau H. M.: Designing materials to direct stem-cell fate. Nature 462 (2009) 433÷441.
• [14] Blau H. M., Sacco A., Gilbert P. M.: Skeletal muscle stem cells. In: Essentials of Stem Cell Biology, 2nd Edition (R. Lanza et al., eds.), Academic Press Inc., San Diego, CA (2009) 249÷257.
• [15] Sacco A., Glbert P. M., Blau H. M.: Self-renewal, stem cell. In: Encyclopedia of Stem Cell Research (Svendsen and Ebert, eds.), SAGE Publications, Thousand Oaks, CA (2008) 493÷496.
• [16] Trembecka-Wójciga K., Major R., Lackner J. M., Major B.: Biomedical inspired surface modification. Inżynieria Materiałowa 6 (2014) 560÷563.
• [17] Wu F., Zhao Y. Jiao T., Shi D., Zhu X., Zhang M., Shi M., Zhou H.: CXCR2 is essential for cerebral endothelial activation and leukocyte recruitment during neuroinflammation. J. Neuroinflammation 12 (98) (2015) 1÷15.
• [18] Kirui D. K., Mai J., Palange A. L., Qin G., van de Ven A. L., Liu X., Shen H., Ferrari M.: Transient mild hyperthermia induces E-selectin mediated localization of mesoporous silicon vectors in solid tumors. PLoS One 9:e86489 (2014) 1÷10.
• [19] Hsu C. C., Hen L. F., Lin M. T. Tian Y. F.: Honokiol protected against heatstroke-induced oxidative stress and inflammation in diabetic rats. Int. J. Endocrinol. 2014:134575 (2014) 1÷10.
• [20] Huber T. B., Schmidts M., Gerke P., Schermer B., Zahn A., Hartleben B., Sellin L., Walz G., Benzing T.: The carboxyl terminus of Neph family members binds to the PDZ domain protein zonula occludens-1. The Journal of Biological Chemistry 278 (2003) 13417÷13421.
• [21] Yamamoto T., Harada N., Kawano Y., Taya S., Kaibuchi K.: In vivointeraction of AF-6 with activated Ras and ZO-1. Biochemical and Biophysical Research Communications 259 (1999) 103÷107.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.