Fabrication of (bio)molecular patterns with contact printing techniques

Abstract

Patterns are a collection of forming units predictably repeated over a defined magnitude. Researchers have used patterns to guarantee the functionality and repeatability of their study. For that, the obtained data is purposely compared over and over in hope that the results are comparable. Two main research approaches are based on patterns: The initial requires a single substrate with localized and repeated units to create multiple testing sites, obtaining a repeated, multi-analysis system. The second approach uses fixed localization with different testing motifs, creating a diverse multi-analysis platform. The miniaturization of these assays provides an alternative to reduce cost, maximize efficiency, and increase repeatability. Micropatterns consist on immobilized (bio)molecular motifs constrained in small areas over a solid substrate. These fixed spots provide up to thousands of reaction sites for parallel detection. Micropatterns were first developed to study the interaction between Deoxyribonucleic acid (DNA) strands and the study of the genome. Afterwards, this technology was used to create miniaturized protein patterns. Today, this technology is essential for large-scale and high-throughput biological and biochemical studies. Single-feature microarrays are routinely reproduced at many laboratories using various contact, non-contact, or alternatively methods. The foundation is to transfer a (bio)molecule in a solution onto a solid substrate obtaining a defined feature shape. This Thesis aims to expand the current contact replication techniques for microarray fabrication. Initially, an automatized microcontact printing tool was characterized to create complex patterns on a wide range of substrates. Thiols, silanes, and various biomolecules were printed on glass, silicon oxide or gold. The printing properties were explored to create a definitive protocol for further applications. The effect of the printing force and dwell time were thoroughly studied to form a mathematical expression to understand all the variables involved during contact printing. The miniscule resolution provided by the automatized tool allowed the creation of complex micropatterns with single or multiple printings steps. This tool was later upgraded and fitted with new controllers to create smaller patterns. An alternatively contact printing technique called polymer pen lithography was used to pattern the surface of specialized substrates to create micropatterns on constricted areas. The miniaturized microarrays were later liberated to create functionalized microparticles. These microparticles can be tuned for many biochemical applications, such as protein interaction studies, drug discovery or life science. Lastly, a new contact replication method was established to fabricate DNA arrays. An initial DNA master arrays was fabricated with known contact printing techniques. Then, either hybridized or in situ synthesized strands were transported to an intermediate substrate. A second hybridization or synthesis was used to transport a replica of the master array to a new substrate, maintaining the chemical and spatial information present on the original array.

Un patrón es una colección de unidades formadoras que se repiten predeciblemente en una magnitud definida. Los investigadores han utilizado patrones para garantizar la funcionalidad y repetitividad de sus estudios. Para conseguir eso, los datos obtenidos de los estudios se comparan entre varios resultados, esperando así una correlación. Dos métodos de investigación están basados en patrones: uno requiere un sustrato con unidades repetidas localizadas en un plano cartesiano definido, obteniendo una plataforma de análisis múltiple. El segundo método utiliza localizaciones definidas con diferentes áreas de prueba, creando así una plataforma de multianálisis. La miniaturización de estas pruebas permiten reducir el costo, maximizar la eficiencia e incrementar la repetitividad de los ensayos. Los micropatrones consisten en puntos de (bio)moléculas limitados en pequeñas áreas para crear zonas de reacción múltiples. Esta tecnología fue inicialmente utilizada para crear las interacciones del ADN para estudios genómicos. La técnica evolucionó para crear patrones de proteínas y actualmente se utiliza para estudios bioquímicos a gran escala y de muy alto rendimiento. Patrones de una (bio)molécula repetida a través del sustrato son fabricados rutinariamente en muchos laboratorios utilizando técnicas de impresión por contacto, por inyección u otro métodos. El cimiento de estas técnicas es transferir una (bio)molécula de una solución a un sustrato. Esta Tesis pretende expandir los métodos de creación de micropatrones por técnicas de impresión por contacto. Inicialmente se caracterizó una máquina automatizada de impresión por microcontacto para crear patrones y estudiar las variables que afectan al momento de la impresión. Se correlacionaron la presión y el tiempo de impresión para entender la morfología del patrón resultante. Igualmente se caracterizó el posicionamiento micrométrico de los patrones para crear estructuras complejas. Posteriormente, la máquina se modificó para incluir la técnica de impresión con plumas poliméricas. Esta técnica permitió crear micropatrones en superficies minúsculas. Estos micropatrones fueron luego liberados para crear micropartículas que pueden ser personalizadas para aplicaciones diversas. Finalmente, se formuló una nueva técnica de replicación de patrones de ADN desde un patrón inicial, manteniendo la información química y espacial presente en éste.