This work was supported by the Swedish governmental strategic research program Trees and Crops for the Future (TC4F), VINNOVA, and the EC FP7 project ICON. Hannah Rasel is gratefully acknowledged for performing most of the experiments in the previous paper (Reference 5).

HINWEIS: Crambe Samen (Sorte Galactica) wurden von der Plant Research International, Wageningen, Niederlande geliefert. Öl wird aus den Samen durch das Verfahren von Appelqvist 13 extrahiert. Sowohl die crambe Mehl und Weizengluten wurden bei -18 ° C bis zur weiteren Verwendung gelagert. 1. Teigzubereitung <ol><li> Siebung crambe <ol><li> Sieb die crambe Mahlzeit mit einem runden, feinmaschigen Edelstahl Küchensieb (Porengröße: ~ 1,5 mm, 14 mesh), große Faserfraktionen und ungebrochenem Samen zu entfernen. Lagern Sie das gesiebte Mehl bei -18 ° C zu Materialalterung zu verhindern. </li></ol></li><li> Fräsen crambe <ol><li> Um die Partikelgröße zu reduzieren und machen das Material homogener, Mühle das gesiebte crambe Mahlzeit in einer Rotationskugelmühle. </li><li> Mühle 250 g crambe Mahlzeit jedes Mal in einem 7 L Glas mit 21 bis 25 mm Durchmesser Keramikkugeln eine 53 Umdrehungen pro Minute jar Umdrehungsgeschwindigkeit und eine Mahldauer von 24 Stunden verwendet wird. </li></ol></li><li><strong&gt; Anlage <ol><li> Vor der weiteren Verarbeitung bedingen alle Kugelmühle gemahlen crambe Mehl und Weizengluten Pulver in offenen Gläsern für mindestens 48 Stunden bei 23 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% in einem klimatisierten Raum. </li></ol></li><li> Beim Vermischen der Komponenten <ol><li> Grind der Harnstoff-Pulver (gespeichert in einem geschlossenen Becher bei Umgebungsbedingungen) zu feinen Teilchen mit einem Mörser und Stößel. </li><li> Mischung Harnstoff und Glycerin (25,5 g Glycerin und 15 g Harnstoff pro 100 g der Endmischung). <ol><li> Erhitzen Sie das Glycerin auf 65 ° C in einem Glaskolben in einem Ölbad und fügen Sie langsam das Harnstoffpulver. </li><li> Rühren Sie die Mischung mit einem Magnetrührer bei 65 ° C, bis der Harnstoff-Pulver vollständig gelöst ist. </li></ol></li></ol></li><li> Das Mischen der crambe und Weizengluten <ol><li> Mischen Sie die crambe Mahlzeit Pulver und Weizengluten Pulver in einer Küche Mischmaschine für 5 min. Beispielsweise für eine 60/40 (w / w) crambe / g WeizenLuten Verhältnis verwenden 35,7 g crambe Mehl und 23,8 g Weizengluten pro 100 g der Endmischung. </li></ol></li><li> Mischen Glycerin / Harnstoff mit crambe / Weizengluten <ol><li> Langsam fügen Sie das Glycerin / Harnstoff-Mischung Maschine zum crambe / Weizengluten Mischung in der Küche mischen, während die Mischung gerührt wurde. Nach ca. 2 min Mischen, bis eine homogene Masse entsteht. Bereiten 500 g der Mischung jedes Mal. </li><li> Für das Material mit 60/40 (w / w) crambe und Weizengluten, verwenden Sie die folgenden relativen Anteile der jeweiligen Bestandteile: 35,7 g crambe Mehl, 23,8 g Weizengluten, 25,5 g Glycerin und 15 g Harnstoff ( pro 100 g). Bei den beiden anderen Materialkombinationen (dh 70/30 und 80/20), ändern nur die crambe und Weizengluten Inhalt. Halten Sie die Glycerin und Harnstoff Inhalte die gleichen wie in der 60/40 Kombination. </li></ol></li></ol> 2. Folienextrusion <ol><li> Niedertemperaturprofil &lt;ol&gt; <li> Führen der Folienextrusion in einem Doppelschneckenextruder. Set Zonen 1-10 (jeweils 80 mm lang) entlang des Extruderzylinders auf einem niedrigen Temperaturprofil (in der Folge &quot;low-T-Profil&quot; bezeichnet wird), wie folgt: 75-75-75-80-80-80-80-85 -85-85 ° C. Dies verhindert, dass das Weizengluten in den Lauf von Vernetzung. </li><li> Verwenden Sie eine Breitschlitzdüse (45 mm x 0,7 mm), um die Filme zu extrudieren. </li><li> Wählen Sie eine Schneckendrehzahl von 30 Umdrehungen pro Minute und 200 Umdrehungen pro Minute und notieren Sie den Düsendruck. </li><li> Führen Sie den Teig von Hand durch den Trichter mit Hilfe eines hölzernen Schieber den Materialfluss zu den Schrauben zu unterstützen. </li><li> An der Düse, hebe das Extrudat mit einem Förderband mit einer Geschwindigkeit von 2,0 m / min betrieben wurde. Setzen Belüftung Kühlung (Lüfter) entlang des Bandes. </li><li> Laufen verschiedene Düsentemperaturen (105 ° C- (105 ° C), 110 ° C- (110 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 130 ° C- (120 ° C) und 140 ° C- (125 ° C)), um die Bedingungen zu wählen, die die glatte extruda gebente mit einer minimalen Menge an Hohlräumen. HINWEIS: Die Werte in den Klammern entsprechen der Temperatur in der Zone 11 neben der Düse. Es wird eingestellt, um die Zieltemperatur in der Düse zu erreichen. </li><li> Nach der Extrusion, lagern die Stränge in verschlossenen Polyethylenbeutel bis zur weiteren Verarbeitung oder Analyse, um das Altern und atmosphärische Wasseraufnahme zu verhindern. </li></ol></li><li> Folienextrusion des Hochtemperaturprofils unter Verwendung <ol><li> Extrudieren Filme, wie in Abschnitt 2.1 beschrieben, aber eine Hochtemperaturprofil verwenden (nachfolgend &quot;high-T-Profil&quot; genannt), wie folgt: 85-85-85-100-100-100-110-110-120-120-120 ° C für die Zonen 1 bis 11 des Extruders. </li><li> Verwenden Düsentemperaturen von 125 ° C und 130 ° C. </li></ol></li><li> Folienextrusion nach Pelletierung <ol><li> Um Pellets zu erhalten, extrudieren, das Material als kontinuierliche Stränge im Extruder ein Zweistrang-Matrize verwendet wird. <ol><li> Verwenden Sie die Low-T-Profil für die Extruder barrel, wie oben beschrieben, und eine 60-min-Schneckendrehzahl. </li><li> Verwenden verschiedene Die- (Zone 11), Temperaturen (130 ° C- (125 ° C), 125 ° C- (115 ° C), 105 ° C- (100 ° C) und 85 ° C (85 ° C) ) die Stränge mit den weichsten Oberflächen zu erhalten. </li></ol></li><li> Pelletierung <ol><li> Nach dem Passieren des Förderbandes (das Band nach dem Extruder liegt das Material aus dem Extruder zu füttern hilft), füttern die Stränge in einem Granulator mit einer Schnittgeschwindigkeit von m / min 7 betrieben. </li></ol></li><li> Folienextrusion aus den Pellets <ol><li> Futtermittel die Pellets manuell in den Extruder und Extrudieren-Filme mit dem Nieder T-Profil innerhalb des Zylinders und mit einer 125 ° C- (115 ° C) Breitschlitzdüse Temperatur. Verwenden Sie eine Schraube Drehgeschwindigkeit von 30 Umdrehungen pro Minute. </li></ol></li></ol></li><li> Folienextrusion volumetrische Dosieranlagen mit <ol><li> Um die automatische Zuführung zu simulieren (üblicherweise in der Industrie verwendet wird), EinsatzDie Pellets zuvor bei 85 ° C (Schritte 2.3.1-2.3.2.1) extrudiert. </li><li> Schließen Sie die Zuführung in den Extruder und wählen Sie den Meßbeschickungsvorrichtung Modus des Trichters. </li><li> Verwenden Sie ein Fördervolumen von 35 kg / h und Trichter und Extruderschneckengeschwindigkeiten von 16 bis 120 Umdrehungen pro Minute auf. </li><li> Extrudieren mit dem Niedertemperaturprofil des Zylinders und mit einem Die- (Zone 11) Temperatur von 125 ° C- (115 ° C). </li></ol></li></ol> 3. Post-Extrusionsverfahren (Compression Molding) <ol><li> Durch Drücken mit dem Rahmen <ol><li> Für die erste Einrichtung, schneiden zwei Stränge in Stücke von 4,4 cm x 7,0 cm und 2,6 cm x 7,0 cm. ANMERKUNG: Dies ist erforderlich, da der Rahmen breiter als die Extrudate ist. </li><li> Legen sie nebeneinander in einem rechteckigen Aluminiumrahmen (70 x 70 x 0,5 mm 3). </li><li> Sandwichartig den Rahmen zwischen zwei Aluminiumplatten Poly (ethylenterephthalat) unter Verwendung von (PET) Filme auf beiden Seiten Adhäsion zu verhindern, und dannlegen Sie sie in die Presse. </li><li> Stellen Sie die Manometer an der Presse auf 200 oder 400 bar. </li><li> Für jede Formdruck, drücken Sie die Filme mit einer Plattentemperatur von 110, 120 und 130 ° C für 10 und 20 Minuten. </li><li> Als Hinweis auf die vorge extrudierten Proben, drücken Sie Filme aus nicht extrudierten Material. Zentrum 7,2 g frisches Material (aus dem Abschnitt 1.6) im Aluminium-Rahmen. </li><li> Presse mit den gleichen Parametereinstellungen wie für die pre-extrudierte Folien oben (Schritte 3.1.4- 3.1.5). </li></ol></li><li> Pressen ohne Rahmen <ol><li> Ausschneiden und Sandwich rechteckigen Proben (4,4 cm x 4,4 cm) zwischen zwei Aluminiumplatten mit PET-Folien auf beiden Seiten Haftung zu verhindern. </li><li> Legen Sie sie in die Presse. Stellen Sie die Manometer bis 50 bar, 75 bar oder 100 bar. </li><li> Für jede Formdruck, Pressfolien für 5 oder 10 min unter Verwendung von 110 ° C, 120 ° C und 130 ° C Plattentemperatur. </li></ol></li></ol>

<ol>
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Sci. 133, 42442 (2016).</li><li>Appelqvist, L. -. &. #. 1. 9. 7. ;. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Further+studies+on+a+multisequential+method+for+determination+of+oil+content+in+oilseeds.">Further studies on a multisequential method for determination of oil content in oilseeds.</a> J. Am. Oil Chem. Soc. 44, 209-214 (1967).</li><li>Verbeek, C. J. R., van den Berg, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extrusion+Processing+and+Properties+of+Protein-Based+Thermoplastics.">Extrusion Processing and Properties of Protein-Based Thermoplastics.</a> Macromol. Mater. Eng. 295, 10-21 (2010).</li><li>Ralston, B. E., Osswald, T. 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Die Methoden und die Ergebnisse wurden bisher als einem Artikel von Rasel et al. 5.

Der Grund, der Düsendruck von so hoher Bedeutung war, wahrscheinlich aufgrund der Tatsache, dass das Material ein bestimmter Druck erforderlich Blasenbildung zu vermeiden. Jedoch könnten die verschiedenen Komponenten Phasentrennung, wenn der Druck zu hoch war. Wenn bei einer zu niedrigen Temperatur extrudiert wird, war der Zusammenhalt gering, möglicherweise aufgrund eines niedrigen Vernetzungsgrad, während eine zu hohe Temperatur in der Freisetzung von Gas geführt (wahrscheinlich mit Harnstoff und Protein-Abbauprodukte Feuchtigkeit zusammen). Das zweistufige Extrusion (dh wo Stränge wurden zunächst extrudiert, pelletiert und dann erneut extrudiert) führte zu einer homogeneren Extrudat wegen der umfangreicheren Misch , dass die erste Extrusionsschritt zur Verfügung gestellt. Der arme Teig Zusammenhalt, wenn die Harnstoffkonzentration von 15 auf 10 Gew% Abnahme war wahrscheinlich aufgrund einer geringeren Vernetzungsdichte. In Analogie dazu wird ein geringer Glycerinkonzentration und damit eine geringere Fähigkeitdie Harnstoff, führte in den ärmeren Schichten aufzulösen, es sei denn eine höhere Düsendruck aufgebracht wurde. Erhöhen der crambe meal Konzentration und damit die Verringerung der Weizenglutenkonzentration resultierte in einem geringeren Grad der Aggregation / Netzwerkbildung. Dies verringert die Viskosität des Materials in dem Extrudat, in der Notwendigkeit, sich ergeb die Düsentemperatur auf 130 ° C zu erhöhen, um die Viskosität und erzeugen homogene Filme zu erhöhen. Es ist schwierig, wenn nicht unmöglich, plastifizierte crambe zu Folien von ausreichender Qualität für die weitere Verwendung zu extrudieren. Wir zeigen hier, dass diese crambe durch Mischen überwunden werden kann, mit einer leicht extrudierbare Protein wie Weizengluten. Für die beste Qualität, müssen die Extrudate kompressionsgeformt in einem separaten Schritt nach der Extrusion zu sein. Es wird hier gezeigt, dass die Extrusion in einem kleineren Maßstab funktioniert, und Upscaling ist wahrscheinlich anspruchsvoller zu sein. Extrusion, zusammen mit dem Spritzgießen sind die most wichtige kommerzielle Verfahren zur Herstellung von Kunststoffen. Um bestehende herkömmliche Kunststoffe zu ersetzen, ist es notwendig , dass das Proteinmaterial mit den gleichen Techniken , 14-16 hergestellt werden kann. Wir zeigen hier, dass es möglich ist crambe oilseed Mahlzeit mit Hilfe von Weizengluten zu extrudieren. Mögliche Anwendungen sind Verpackungen und Anwendungen für verschiedene extrudierte Profile (zB Stäbe und Zylinder). Wir betrachten die kritischste Schritt bei der Herstellung der Proben der Extrusionsschritt zu sein. Die endgültige Qualität der Filme hing stark von den Extrusionsparametern und den Eigenschaften des Materials vor der Extrusion.

Wenn ein Material von einem niedrigen Wert auf einen höheren Wert aktualisieren, müssen zwei Hauptfragen berücksichtigt werden: die Art der möglichen End-Produkt (e) und die geforderten Eigenschaften. Diese Untersuchung konzentriert sich auf die Extrusion von Protein-basierten Kunststoffe für mögliche Verwendung in Verpackungen aus zwei Gründen. Die vorliegende Vielzahl von Paketen ist umfangreich, aber der Antrag auf erneuerbare und biologisch abbaubare Low-Cost-Verpackungsmaterial hat in den letzten zehn Jahren rapide zugenommen. Dieser Trend scheint sich fortzusetzen, da die meisten Markenartikler und Gesetzgeber für Optionen suchen Kunststoffe aus Erdöl 1 zu schaffen. Die erforderlichen Materialeigenschaften für die Verpackung sind, in vielen Fällen anspruchsvoller als für andere Kunststoffprodukte. Wenn jedoch ein erfolgreiches Material erhalten wird, ist der potentielle Markt sehr groß. Verpackungsmaterial muss eine Reihe von Kriterien zu erfüllen, geeignet sein. Die genauen Kriterien unterscheiden sich nach der Art der Verpackung abhängig, Füll- / Versiegelungssysteme, transport, Lagerung, Inhalt, Aussehen, Produkt - Design, etc. Alle diese Parameter sollten von einem Verpackungsentwickler in Betracht gezogen werden, aber alle können nicht auf einmal von höchster Priorität sein , wenn die Entwicklung eines neuen und unerforschten Material zu initiieren. Die Eigenschaften im Fokus für diese Studie waren die mechanischen und Barriereeigenschaften. Extrusion ist das Verarbeitungsverfahren der Wahl aus zwei Gründen: Extrusion ist eine häufige und effizientes Verfahren zum Verpacken Kunststoffe machen, und es ist im Allgemeinen kein Lösungsmittel beinhalten, wie es in Lösungsgießen. Somit wird kein Trocknungsschritt am Ende des Verfahrens 2 benötigt. Weizengluten ist auch ein Seitenstrom Material aus einem 3 - Produktstärke kommen. Es hat sich als Verpackungs Kunststoff in einer Reihe von Studien Potential gezeigt. Trotzdem bleiben einige Herausforderungen 4. Krambe ist eine interessante Ölpflanze, dass es nicht eine Nahrungsquelle und kann in vielen verschiedenen ag angebaut werdenronomic Bedingungen 5,6. Wie bei Weizengluten ist crambe Protein ein Nebenprodukt, in diesem Fall aus der Ölproduktion. Es wird als ein entfettetes crambe Mahlzeit erhalten wird, mit dem Protein als größte Komponente. Es enthält auch eine beträchtliche Menge an stickstofffreien Extrakten, wie Kohlenhydrate und Faser 7,8. Die Mahlzeit hat relativ schlechte Kohäsionseigenschaften und muss mit einem Material höherer Kohäsions vermischt werden. In dieser Studie, Weizengluten wird als unterstützende Zusatzstoff zur crambe Mahlzeit verwendet. Um die Zähigkeit / Dehnbarkeit des Proteinmaterials zu verbessern, wird ein Weichmacher üblicherweise als Additiv zum Einsatz. In dieser Studie wird Glycerin verwendet, das ein Nebenprodukt der Pflanzenölindustrie (beispielsweise Rapsmethylester fuels) und ist bei niedrigen Kosten 9 leicht verfügbar. Harnstoff, auch erneuerbare, als Denaturierungsmittel verwendet wird , um das Extrudat den richtigen Zusammenhalt 2,10,11 zu geben. Es kann auch als Weichmacher wirken. Nachwachsende Rohstoffe, Insbesondere diejenigen, die direkt aus der Natur verwendet werden, ohne Reinigung, Modifizierung oder chemische Synthese, sind in den meisten Fällen nicht geeignet für Hochtemperaturbehandlung. Die Herausforderung besteht darin, geeignete Verarbeitungsparameter und Zusammensetzungen zu finden, die mit den Eigenschaften in einem Extrudat führen, dass es mit Produkten aus Erdöl konkurrieren können. Diese Studie konzentriert sich auf die Charakterisierung der mechanischen und Barriereeigenschaften eines neuen biobasierten Material aus crambe Mahlzeit mit verschiedenen Zusätzen und bei unterschiedlichen Bedingungen 12 verarbeitet hergestellt. Die vollständigen Einzelheiten der mechanischen und Sauerstoffbarriereeigenschaften sind in Rasel et al. 12.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="889">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td>Crambe meal</td>
			<td>Plant Research International</td>
			<td></td>
			<td>Defatted crambe meal, Residual from oil extraction of cultivar Galactica seeds</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Wheat gluten</td>
			<td>Lantm&#228;nnen Reppe AB</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>It contains 77 % (w/w) gluten, 8.1 % (w/w) starch and 1.34 % (w/w) fat.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Glycerol</td>
			<td>Karlshamn Tefac AB</td>
			<td style="width:119px;">99.5 % purity</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Urea</td>
			<td style="width:169px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">purity &#8805; 99.5 %</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">The dough&#160;</td>
			<td style="width:169px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>(per 100 g) prepared with 35.7 g crambe meal, 23.8 g wheat gluten, 25.5 g glycerol and 15 g urea, hence with a liquid (glycerol/urea) to solid (crambe/wheat gluten) ratio of 0.342.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td colspan="2" height="21" style="height:21px;">Round, fine meshed stainless steel kitchen sieve</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Sieve the crambe meal</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Rotary ball mill</td>
			<td>Pascal Engineering</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Milling crambe/The volume of the mill house is 7 l and it contained 215 ceramic balls, each with a diameter of 25 mm.&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Mortar and pestle</td>
			<td style="width:169px;"></td>
			<td></td>
			<td>Grinding urea</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Kitchen machine Cloer 660</td>
			<td>Cloer</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Blending crambe and wheat gluten</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;">Twin-screw extruder Type LTE20-48</td>
			<td style="width:169px;">Labtech Engineering LTD</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Compounding and film extrusion</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Flat sheet die</td>
			<td style="width:169px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Produce extruded flat films with a cross-section of 45 mm x 0,7 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Air Cooling Conveyor Unit type LAC-2.6</td>
			<td>Labtech Engineering LTD</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Used in the extrusion</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:307px;">Pelletizer Type LZ-120</td>
			<td>Labtech Engineering LTD</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Making pellets</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Polystat 200T Hot Press&#160;</td>
			<td>Servitec Machine GmbH</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Hot press to press extrudates</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

film extrusion of crambe abyssinica/wheat gluten blends

Crambe abyssinica is a plant with potential for use in industrial (non-food) plant oil production. The side stream from this oil production is a high-protein crambe meal that has limited value, as it is not fit for food or feed use. However, it contains proteins that could potentially make it a suitable raw material for higher-value products. The purpose of this study was to find methods of making this side stream into extruded films, showing that products with a higher value can be produced. The study mainly considered the development of material compositions and methods of preparing and extruding the material. Wheat gluten was added as a supportive protein matrix material, together with glycerol as a plasticizer and urea as a denaturant. The extrudate was evaluated with respect to mechanical (tensile testing) and oxygen barrier properties, and the extrudate structure was revealed visually and by scanning electron microscopy. A denser, more homogeneous material had a lower oxygen transmission rate, higher strength, and higher extensibility. The most homogeneous films were made at an extruder die temperature of 125-130 &#176;C. It is shown here that a film can be extruded with promising mechanical and oxygen barrier properties, the latter especially after a final compression molding step.

Die vermischten Materialien (60 Gew% crambe Mehl und 40 Gew% Weizengluten) führte zu einem zähen Teig nach der ersten Mischvorgang. Das Material wurde für einige Minuten vor der ersten Extrusions ruhte. Jedoch hatte der Teig eine zu hohe Viskosität der Lage sein, in den Extrudertrichter in einer regelmäßigen Weise zugeführt zu werden. Daher wurde Stück-für-Stück zugeführt wird, direkt in die Schraube. Die Schnecken hatten einen konstanten Geschwindigkeit, und der resultierende Film Extrudat war kontinuierlich und hatte eine optisch glatte Oberfläche. Ein Beispiel für eine extrudierte Folie ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Düsendruck und die Temperatur wurden die beiden wichtigsten Verfahrensparameter zu steuern, um erwiesen homogenen und glatten Film Extrudate zu erhalten. Zu einer Düsentemperatur niedrig, typischerweise unter 110 ° C, ergab keine kontinuierlichen Film Extrudate, während eine Temperatur von über 130 ° C in th resultiertee Bildung von Blasen in dem Material. Die am besten geeignete Düsentemperatur homogene und glatte Filme zu erhalten, wurde um 125 ° C erwiesen. Um die homogensten Extrudate zu erhalten, ein zweistufiges Verfahren wurde als vorteilhaft herausgestellt, wobei in dem ersten Schritt Stränge bei einer niedrigeren Temperatur extrudiert wurden (typischerweise 85 ° C) und granuliert. Die Pellets wurden dann im zweiten Extrusionsschritt in den Trichter zugeführt. Wenn der Harnstoffgehalt von 15 bis 10 wt% 12 verringert wurde, verringerte sich der Zusammenhalt des Teiges im wesentlichen, in einem pulverförmigen Material ergibt; kein kontinuierlicher Film konnte 12 extrudiert werden. Wenn die Glycerinkonzentration (mit 15 Gew% zurückgehalten harnstoff) verringert wurde, wurde der Teig gefunden spröder zu sein, und der Harnstoff in der Glycerin nicht vollständig auflösen. Auch ist eine erheblichhöhere Düsendruck war erforderlich, homogene Filme zu bekommen. Allerdings wurden diese Filme mit einem höheren Glyceringehalt sein glatter und homogener als die gefunden. Wenn die crambe Mahlzeit Pulverkonzentration zu erhöhen und die Weizengluten - Konzentration abnimmt, zeigten sich die extrudierten Folien dunkler, aber auch glatter und homogener 5. Die Vorschubgeschwindigkeit könnte auch 12 erhöht werden. Der Nachteil war, dass die Filme nur zum Teil kontinuierlich waren, und erschien Film Brüche ein paar Meter voneinander entfernt. Wenn jedoch die Formtemperatur auf etwa 130 ° C steigt, könnte kontinuierliche Filme hergestellt werden, wenn auch mit einigen Entfärbungen 12. Druckformen ohne Rahmen ergab dünn (Dicke: 0,1-0,2 mm) Filme , die waren sehr flexibel und durchscheinend (Abbildung 2). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; Je nachdem , wie die Stränge gemacht wurden und was sie enthalten sind , lag die Steifigkeit von 4,9 bis 5,6 MPa und der Stärke von 0,3 bis 0,7 MPa, während die Dehnbarkeit von 7 bis 16% 12 reichte. Die entsprechenden Werte für die Extrudate nach dem Preßformen waren 6,4-15,0 MPa, 0,3 bis 1,1 MPa, und 8-19% 5. Einzelheiten der mechanischen Messungen werden in Bezug auf 12 gegeben. 64 mm lange Proben wurden hantel Zugversuch gemäß ASTM D882-02 bei 23 ± 1 ° C und 50 ± 1% RH, mit einer Traversengeschwindigkeit von 10 mm / min. Abbildung 3 zeigt die Bedeutung des Extrudierens crambe mit der Zugabe von Weizengluten. Die Festigkeit, insbesondere die Dehnbarkeit, nahm mit Weizenglutengehalt abnimmt. Die Sauerstoffdurchlässigkeit betrug 17 bis 39 cm 3 mm / (Tag m 2 atm), je nach Zusammensetzung und ob ein Kompressionsformschritt (mit einem Rahmen) verwendet wurde oder nicht. Abbildung 1: Strangmaterial. Extrudierte Film mit einer Düsentemperatur von 130 ° C verwendet wird. Es enthält 35,7 Gew% Crambe, 23,8 wt% Weizengluten, 25,5 Gew% Glycerin und 15 Gew% Harnstoff. Die Breite des Films beträgt 44 mm. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54770/54770fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54770/54770fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54770/54770fig2.jpg" /> Abbildung 2: Pressfolien. Extrudiertem Material druckgeformt, ohne Rahmen, in dünne, durchscheinende Filme mit einer 130 ° C Presstemperatur für 10 min bei 75 bar mit. Die flachen und faltig Filme sind aus dem gleichen Material. Die Breite der linken Film ist ~ 17 mm. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54770/54770fig2large.jpg" target="_blank">bitte klicken</a>hier, um eine größere Version dieser Figur sehen. <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54770/54770fig3.jpg" /> Abbildung 3: Mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit von crambe Inhalt. Maximale Beanspruchung (ausgefüllte Kreise) und Dehnung bei maximaler Beanspruchung (offene Kreise) als Funktion der crambe Gehalt im crambe / wheat gluten-Gemisch. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichungen. Die maximale Spannung wurde von der maximalen Kraft pro anfänglichen Probenquerschnitt des schmalen Teils der Hantelprobe (schmale Abschnitt: 16 mm lang und 4 mm breit) erhalten. Das Tieftemperaturprofil wurde mit einer Anfangsformtemperatur von 125 ° C und eine Zone 11 Temperatur von 115 ° C verwendet. Die Schneckendrehzahl betrug 30 UpM, und die Extrusion wurde ohne vorherige Granulierung durchgeführt. Die Daten aus Referenz 12 erhalten. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/54770/54770fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken sie</a>e eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Film Extrusion of Crambe abyssinica/Wheat Gluten Blends

Der Seitenstrom aus Pflanzenölproduktion von Krambe hat begrenzte Wert. Das Ziel dieser Studie war es, Methoden zu finden Materialien auf der Basis dieser Seitenstrom extrudiert, dass können Produkte mit einem höheren Wert zeigt, hergestellt werden. Die Stränge wurden zu haben vielversprechende Eigenschaften gefunden.

Folienextrusion von<em&gt; Krambe</em&gt; / Weizen-Gluten-Mischungen

Crambe abyssinica is a plant with potential for use in industrial (non-food) plant oil production. The side stream from this oil production is a ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Film Extrusion of Crambe abyssinica/Wheat Gluten Blends

9.9K Aufrufe.  SIG Combibloc.  Der Seitenstrom aus Pflanzenölproduktion von Krambe hat begrenzte Wert. Das Ziel dieser Studie war es, Methoden zu finden Materialien auf der Basis dieser Seitenstrom extrudiert, dass können Produkte mit einem höheren Wert zeigt, hergestellt werden. Die Stränge wurden zu haben vielversprechende Eigenschaften gefunden. 

Serie: Film Extrusion of Crambe abyssinica/Wheat Gluten Blends

Fabrication of Micro-tissues using Modules of Collagen Gel Containing Cells

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized tissues.  The modules can be made of collagen as well as other gelable or crosslinkable materials.  They are approximately 2 mm in length and 0.7 mm in diameter upon fabrication but shrink in size with embedded cells or when the modules are coated with endothelial cells.  The modules individually are small enough that the embedded cells are within the diffusion limit of oxygen and other nutrients but modules can be packed together to form larger tissues that are perfusable.  These tissues are modular in construction because different cell types can be embedded in or coated on the modules before they are packed together to form complex tissues.  There are three main steps to making the modules: (1) neutralizing the collagen and embedding cells in it, (2) gelling the collagen in the tube and cutting the modules and (3) coating the modules with endothelial cells.

Creation of micro-tissues using cylindrical collagen gels, called modules, that contain embedded cells and which surface is coated with endothelial cells.

Herstellung von Micro-Gewebe mit Modulen von Collagen Gel enthaltenden Zellen

This protocol describes the fabrication of a type of micro-tissues called modules.  The module approach generates uniform, scalable and vascularized ...

Forschung

Biotechnik

A Chitosan Based, Laser Activated Thin Film Surgical Adhesive, 'SurgiLux': Preparation and Demonstration

Sutures are a 4,000 year old technology that remain the 'gold-standard' for wound closure by virtue of their repair strength (~100 KPa). However, sutures can act as a nidus for infection and in many procedures are unable to effect wound repair or interfere with functional tissue regeneration.1 Surgical glues and adhesives, such as those based on fibrin and cyanoacrylates, have been developed as alternatives to sutures for the repair of such wounds. However, current commercial adhesives also have significant disadvantages, ranging from viral and prion transfer and a lack of repair strength as with the fibrin glues, to tissue toxicity and a lack of biocompatibility for the cyanoacrylate based adhesives. Furthermore, currently available surgical adhesives tend to be gel-based and can have extended curing times which limit their application.2 Similarly, the use of UV lasers to facilitate cross-linking mechanisms in protein-based or albumin 'solders' can lead to DNA damage while laser tissue welding (LTW) predisposes thermal damage to tissues.3 Despite their disadvantages, adhesives and LTW have captured approximately 30% of the wound closure market reported to be in excess of US $5 billion per annum, a significant testament to the need for sutureless technology.4
In the pursuit of sutureless technology we have utilized chitosan as a biomaterial for the development of a flexible, thin film, laser-activated surgical adhesive termed 'SurgiLux'. This novel bioadhesive uses a unique combination of biomaterials and photonics that are FDA approved and successfully used in a variety of biomedical applications and products. SurgiLux overcomes all the disadvantages associated with sutures and current surgical adhesives (see Table 1).
In this presentation we report the relatively simple protocol for the fabrication of SurgiLux and demonstrate its laser activation and tissue weld strength. SurgiLux films adhere to collagenous tissue without chemical modification such as cross-linking and through irradiation using a comparatively low-powered (120 mW) infrared laser instead of UV light. Chitosan films have a natural but weak adhesive attraction to collagen (~3 KPa), laser activation of the chitosan based SurgiLux films emphasizes the strength of this adhesion through polymer chain interactions as a consequence of transient thermal expansion.5 Without this 'activation' process, SurgiLux films are readily removed.6-9 SurgiLux has been tested both in vitro and in vivo on a variety of tissues including nerve, intestine, dura mater and cornea. In all cases it demonstrated good biocompatibility and negligible thermal damage as a consequence of irradiation.6-10

The fabrication of a novel, flexible thin film surgical adhesive from FDA approved ingredients, chitosan and indocyanine green is described. Bonding of this adhesive to collagenous tissue through a simple activation process with a low-powered infra-red laser is demonstrated.

A Chitosan Based, Laser Activated Thin Film Surgical Adhesive &quot;SurgiLux &#39;: Vorbereitung und Demonstration

Sutures are a 4,000 year old technology that remain the 'gold-standard' for wound closure by virtue of their repair strength (~100 KPa). However, sutures ...

Silk Film Culture System for in vitro Analysis and Biomaterial Design

Silk films are promising protein-based biomaterials that can be fabricated with high fidelity and economically within a research laboratory environment 1,2 . These materials are desirable because they possess highly controllable dimensional and material characteristics, are biocompatible and promote cell adhesion, can be modified through topographic patterning or by chemically altering the surface, and can be used as a depot for biologically active molecules for drug delivery related applications 3-8 . In addition, silk films are relatively straightforward to custom design, can be designed to dissolve within minutes or degrade over years in vitro or in vivo, and are produce with the added benefit of being transparent in nature and therefore highly suitable for imaging applications 9-13. The culture system methodology presented here represents a scalable approach for rapid assessments of cell-silk film surface interactions. Of particular interest is the use of surface patterned silk films to study differences in cell proliferation and responses of cells for alignment 12,14 . The seeded cultures were cultured on both micro-patterned and flat silk film substrates, and then assessed through time-lapse phase-contrast imaging, scanning electron microscopy, and biochemical assessment of metabolic activity and nucleic acid content. In summary, the silk film in vitro culture system offers a customizable experimental setup suitable to the study of cell-surface interactions on a biomaterial substrate, which can then be optimized and then translated to in vivo models. Observations using the culture system presented here are currently being used to aid in applications ranging from basic cell interactions to medical device design, and thus are relevant to a broad range of biomedical fields.

Silk Film Culture System for in vitro Analysis and Biomaterial Design

Silk films are a novel class of biomaterials readily customizable for an array of biomedical applications. The presented silk film culture system is highly adaptable to a variety of in vitro analyses. This system represents a biomaterial design platform offering in vitro optimization before direct translation to in vivo models.

Silk Film Culture-System für In-vitro- Analyse und Design-Biomaterial

Silk films are promising protein-based biomaterials that can be fabricated with high fidelity and economically within a research laboratory environment ...

Combinatorial Synthesis of and High-throughput Protein Release from Polymer Film and Nanoparticle Libraries

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with conventional one-sample-at-a-time synthesis techniques, a more recent high-throughput approach has been developed enabling the synthesis and testing of large libraries of polyanhydrides1. This will facilitate more efficient optimization and design process of these biomaterials for drug and vaccine delivery applications. The method in this work describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries. In this robotically operated method (Figure 1), linear actuators and syringe pumps are controlled by LabVIEW, which enables a hands-free automated protocol, eliminating user error. Furthermore, this method enables the rapid fabrication of micro-scale polymer libraries, reducing the batch size while resulting in the creation of multivariant polymer systems. This combinatorial approach to polymer synthesis facilitates the synthesis of up to 15 different polymers in an equivalent amount of time it would take to synthesize one polymer conventionally. In addition, the combinatorial polymer library can be fabricated into blank or protein-loaded geometries including films or nanoparticles upon dissolution of the polymer library in a solvent and precipitation into a non-solvent (for nanoparticles) or by vacuum drying (for films). Upon loading a fluorochrome-conjugated protein into the polymer libraries, protein release kinetics can be assessed at high-throughput using a fluorescence-based detection method (Figures 2 and 3) as described previously1. This combinatorial platform has been validated with conventional methods2 and the polyanhydride film and nanoparticle libraries have been characterized with 1H NMR and FTIR. The libraries have been screened for protein release kinetics, stability and antigenicity; in vitro cellular toxicity, cytokine production, surface marker expression, adhesion, proliferation and differentiation; and in vivo biodistribution and mucoadhesion1-11. The combinatorial method developed herein enables high-throughput polymer synthesis and fabrication of protein-loaded nanoparticle and film libraries, which can, in turn, be screened in vitro and in vivo for optimization of biomaterial performance.

This method describes the combinatorial synthesis of biodegradable polyanhydride film and nanoparticle libraries and the high-throughput detection of protein release from these libraries.

Kombinatorische Synthese von und High-Throughput-Protein Release von Polymer Film-und Nanopartikel-Bibliotheken

Polyanhydrides are a class of biomaterials with excellent biocompatibility and drug delivery capabilities. While they have been studied extensively with ...

Constant Pressure-controlled Extrusion Method for the Preparation of Nano-sized Lipid Vesicles

Liposomes are artificially prepared vesicles consisting of natural and synthetic phospholipids that are widely used as a cell membrane mimicking platform to study protein-protein and protein-lipid interactions3, monitor drug delivery4,5, and encapsulation4. Phospholipids naturally create curved lipid bilayers, distinguishing itself from a micelle.6 Liposomes are traditionally classified by size and number of bilayers, i.e. large unilamellar vesicles (LUVs), small unilamellar vesicles (SUVs) and multilamellar vesicles (MLVs)7. In particular, the preparation of homogeneous liposomes of various sizes is important for studying membrane curvature that plays a vital role in cell signaling, endo- and exocytosis, membrane fusion, and protein trafficking8. Several groups analyze how proteins are used to modulate processes that involve membrane curvature and thus prepare liposomes of diameters &lt;100 - 400 nm to study their behavior on cell functions3. Others focus on liposome-drug encapsulation, studying liposomes as vehicles to carry and deliver a drug of interest9. Drug encapsulation can be achieved as reported during liposome formation9. Our extrusion step should not affect the encapsulated drug for two reasons, i.e. (1) drug encapsulation should be achieved prior to this step and (2) liposomes should retain their natural biophysical stability, securely carrying the drug in the aqueous core. These research goals further suggest the need for an optimized method to design stable sub-micron lipid vesicles.
Nonetheless, the current liposome preparation technologies (sonication10, freeze-and-thaw10, sedimentation) do not allow preparation of liposomes with highly curved surface (i.e. diameter &lt;100 nm) with high consistency and efficiency10,5, which limits the biophysical studies of an emerging field of membrane curvature sensing. Herein, we present a robust preparation method for a variety of biologically relevant liposomes.
Manual extrusion using gas-tight syringes and polycarbonate membranes10,5 is a common practice but heterogeneity is often observed when using pore sizes &lt;100 nm due to due to variability of manual pressure applied. We employed a constant pressure-controlled extrusion apparatus to prepare synthetic liposomes whose diameters range between 30 and 400 nm. Dynamic light scattering (DLS)10, electron microscopy11 and nanoparticle tracking analysis (NTA)12 were used to quantify the liposome sizes as described in our protocol, with commercial polystyrene (PS) beads used as a calibration standard. A near linear correlation was observed between the employed pore sizes and the experimentally determined liposomes, indicating high fidelity of our pressure-controlled liposome preparation method. Further, we have shown that this lipid vesicle preparation method is generally applicable, independent of various liposome sizes. Lastly, we have also demonstrated in a time course study that these prepared liposomes were stable for up to 16 hours. A representative nano-sized liposome preparation protocol is demonstrated below.

This protocol describes an extrusion method for preparing lipid vesicles of sub-micron sizes with a high degree of homogeneity. This method uses a pressure-controlled system with controlled nitrogen flow rates for liposome preparation. The lipid preparation1,2, liposome extrusion, and size characterization will be presented herein.

Constant Pressure-gesteuerte Extrusionsverfahren zur Herstellung von Nano-Größe Lipidvesikeln

Liposomes are artificially prepared vesicles consisting of natural and synthetic phospholipids that are widely used as a cell membrane mimicking platform ...

Patient-specific Modeling of the Heart: Estimation of Ventricular Fiber Orientations

Patient-specific simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered by the absence of in vivo imaging technology for clinically acquiring myocardial fiber orientations. The objective of this project was to develop a methodology to estimate cardiac fiber orientations from in vivo images of patient heart geometries. An accurate representation of ventricular geometry and fiber orientations was reconstructed, respectively, from high-resolution ex vivo structural magnetic resonance (MR) and diffusion tensor (DT) MR images of a normal human heart, referred to as the atlas. Ventricular geometry of a patient heart was extracted, via semiautomatic segmentation, from an in vivo computed tomography (CT) image. Using image transformation algorithms, the atlas ventricular geometry was deformed to match that of the patient. Finally, the deformation field was applied to the atlas fiber orientations to obtain an estimate of patient fiber orientations. The accuracy of the fiber estimates was assessed using six normal and three failing canine hearts. The mean absolute difference between inclination angles of acquired and estimated fiber orientations was 15.4 &deg;. Computational simulations of ventricular activation maps and pseudo-ECGs in sinus rhythm and ventricular tachycardia indicated that there are no significant differences between estimated and acquired fiber orientations at a clinically observable level.The new insights obtained from the project will pave the way for the development of patient-specific models of the heart that can aid physicians in personalized diagnosis and decisions regarding electrophysiological interventions.

A methodology to estimate ventricular fiber orientations from in vivo images of patient heart geometries for personalized modeling is described. Validation of the methodology performed using normal and failing canine hearts demonstrate that that there are no significant differences between estimated and acquired fiber orientations at a clinically observable level.

Patienten-spezifischer Modellierung des Herz: Schätzung der Ventrikuläre Faserorientierungen

Patient-specific  simulations of heart (dys)function aimed at personalizing cardiac therapy are hampered  by the absence of in vivo imaging technology for ...

Automated Lipid Bilayer Membrane Formation Using a Polydimethylsiloxane Thin Film

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for biosensor applications. However, conventional BLM formation techniques have several drawbacks and they often require specific expertise and laborious processes. In particular, conventional BLMs suffer from low formation success rates and inconsistent membrane formation time. Here, we demonstrate a storable and transportable BLM formation system with controlled thinning-out time and enhanced BLM formation rate by replacing conventionally used films (polytetrafluoroethylene, polyoxymethylene, polystyrene) to polydimethylsiloxane (PDMS). In this experiment, a porous-structured polymer such as PDMS thin film is used. In addition, as opposed to conventionally used solvents with low viscosity, the use of squalene permitted a controlled thinning-out time via slow solvent absorption by PDMS, prolonging membrane lifetime. In addition, by using a mixture of squalene and hexadecane, the freezing point of the lipid solution was increased (~16 &#176;C), in addition, membrane precursors were produced that can be indefinitely stored and readily transported. These membrane precursors have reduced BLM formation time of &#60; 1 hr and achieved a BLM formation rate of ~80%. Moreover, ion channel experiments with gramicidin A demonstrated the feasibility of the membrane system.

We demonstrate a storable, transportable lipid bilayer formation system. A lipid bilayer membrane can be formed within 1 hr with over 80% success rate when a frozen membrane precursor is brought to ambient temperature. This system will reduce laborious processes and expertise associated with ion channels.

Automatisierte Lipid Bilayer Membrane Formation eines Polydimethylsiloxans Dünnschicht unter Verwendung

An artificial lipid bilayer, or black lipid membrane (BLM), is a powerful tool for studying ion channels and protein interactions, as well as for ...

Fabricating Degradable Thermoresponsive Hydrogels on Multiple Length Scales via Reactive Extrusion, Microfluidics, Self-assembly, and Electrospinning

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), their ultimate clinical use has been hampered by the lack of biologically-relevant degradation observed for most smart materials. This is particularly true for temperature-responsive hydrogels, which are almost uniformly based on polymers that are functionally non-degradable (e.g., poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) or poly(oligoethylene glycol methacrylate) (POEGMA)). As such, to effectively translate the potential of thermoresponsive hydrogels to the challenges of remote-controlled or metabolism-regulated drug delivery, cell scaffolds with tunable cell-material interactions, theranostic materials with the potential for both imaging and drug delivery, and other such applications, a method is required to render the hydrogels (if not fully degradable) at least capable of renal clearance following the required lifetime of the material. To that end, this protocol describes the preparation of hydrolytically-degradable hydrazone-crosslinked hydrogels on multiple length scales based on the reaction between hydrazide and aldehyde-functionalized PNIPAM or POEGMA oligomers with molecular weights below the renal filtration limit. Specifically, methods to fabricate degradable thermoresponsive bulk hydrogels (using a double barrel syringe technique), hydrogel particles (on both the microscale through the use of a microfluidics platform facilitating simultaneous mixing and emulsification of the precursor polymers and the nanoscale through the use of a thermally-driven self-assembly and cross-linking method), and hydrogel nanofibers (using a reactive electrospinning strategy) are described. In each case, hydrogels with temperature-responsive properties similar to those achieved via conventional free radical cross-linking processes can be achieved, but the hydrazone cross-linked network can be degraded over time to re-form the oligomeric precursor polymers and enable clearance. As such, we anticipate these methods (which may be generically applied to any synthetic water-soluble polymer, not just smart materials) will enable easier translation of synthetic smart materials to clinical applications.

Protocols are described for the fabrication of degradable thermoresponsive hydrogels based on hydrazone cross-linking of polymeric oligomers on the bulk scale, microscale, and nanoscale, the latter for preparation of both gel nanoparticles and nanofibers.

Herstellung von abbaubaren Thermoresponsive Hydrogele auf mehreren Längenskalen über reaktive Extrusion, Mikrofluidik, Selbstmontage und Elektrospinnen

While various smart materials have been explored for a variety of biomedical applications (e.g., drug delivery, tissue engineering, bioimaging, etc.), ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

Trockenen Film Photoresist-basierte elektrochemische mikrofluidischen Biosensor Plattform: Gerät Fertigung, On-Chip-Test Vorbereitung und Systembetrieb

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

Rat Model of Adhesive Capsulitis of the Shoulder

This proposal aims to create an in vivo rat model of adhesive capsulitis for researching potential treatment options for this condition and other etiologies of comparable arthrofibrosis. The model includes extra-articular fixation of the shoulder in rats via scapular to humeral suturing, resulting in a secondary contracture without invading the intra-articular space and resulting in decreased rotational ROM and increased joint stiffness.
We used 10 Sprague-Dawley rats for the purpose of this study. Baseline ROM measurements were taken before glenohumeral immobilization. The rats were subjected to 8 weeks of immobilization before the fixation sutures were removed and changes in ROM and joint stiffness were evaluated. To evaluate whether immobilization resulted in a significant reduction in ROM, changes in kinematics were calculated. ROM was measured at each time point in the follow-up period and was compared to the baseline internal and external ROM measurements. In order to evaluate the stiffness, joint kinetics were calculated by determining the differences in torque (text and tint ) needed to reach the initial external rotation of 60&#176; and initial internal rotation of 80&#176;.
After the removal of the extra-articular suture fixation on follow-up day 0, we found a 63% decrease in total ROM compared to baseline. We observed continuous improvement until week 5 of follow-up, with the progress slowing down around a 19% restriction. On week 8 of follow-up, there was still an 18% restriction of ROM. Additionally, on follow-up day 0, we found the torque increased by 13.3 Nmm when compared to baseline. On week 8, the total torque was measured to be 1.4 &#177; 0.2 Nmm higher than initial measurements. This work introduces a rat model of shoulder adhesive capsulitis with lasting reduced ROM and increased stiffness.

This protocol presents an in vivo rat model of adhesive capsulitis. The model includes an internal fixation of the glenohumeral joint with extra-articular suture fixation for an extended time, resulting in a decreased rotational range of motion (ROM) and increased joint stiffness.