This research was financially supported by Ministry of Science and Technology, Taiwan (104-2514-S-009 -001, 104-2627-M-009-001 and 102-2311-B-009-004-MY3). We thank the National Nano Device Laboratories (NDL) for its valuable assistance during device fabrication and analysis.

1. Realizzazione e conservazione dei dispositivi pSNWFET <ol><li> fabbricazione di dispositivi Nota: Il pSNWFET è stato fabbricato utilizzando una tecnica parete laterale distanziale come precedentemente riportato 23,24. <ol><li> Preparare lo strato dielettrico di gate. <ol><li> Cap un ossido 100 nm di spessore termica (SiO 2) strato su un substrato di Si tramite (gas di processo O 2 e H 2 a 980 ° C per 4 ore) bagnato processo di ossidazione 25. </li><li> Depositare un nitruro di 50 nm di spessore (Si 3 N 4) Strato utilizzando bassa pressione di deposizione chimica da fase vapore (LPCVD) 25 a 980 ° C per 4 ore. </li></ol></li><li> Depositate 100 nm di spessore tetraetilortosilicato strato (TEOS) utilizzando LPCVD 25 a 780 ° C per 4 ore. </li><li> Eseguire litografia normale mediante stepper I-linea per definire le strutture di ossido fittizi. <ol><li> Rivestire la superficie del wafer con uno strato di resina fotosensibile 830 nm di spessore. </li><li> ioNSERT un photomask modello definito in I linea passo-passo. </li><li> Elaborare l&#39;esposizione utilizzando la I-line stepper (lunghezza d&#39;onda: 365 nm) al dosaggio di 1,980 J a temperatura ambiente. </li><li> Sviluppare il wafer all&#39;interno di uno sviluppatore per 5 min. </li><li> Eseguire il processo di attacco isotropo utilizzando uno standard ad accoppiamento induttivo plasma 25 incisore con HBr e Cl gas plasma per 1 min. </li></ol></li><li> Depositare uno strato di 100 nm di spessore di silicio amorfo (α-Si) utilizzando LPCVD 25. </li><li> Eseguire una fase di ricottura a 600 ° C in N 2 ambiente per 24 ore per trasformare l&#39;α-Si in una struttura policristallina. </li><li> Gli ioni di impianto di fosforo attraverso source / drain (S / D) il doping a bassa energia (5E 15 cm -2) 25. </li><li> Eseguire litografia standard utilizzando lo stepper I-linea per rimuovere lo strato poly-Si e formare il nanowire polisilicio (pSNW) 25. Nota: ripetere il punto 1.1.3 di impiantare dopformiche in luoghi diversi dalle regioni S / D con la rimozione di poli-Si e formare i canali di fianco Si in maniera auto-allineato. </li><li> Eseguire il processo di passivazione (200-nm-spesso strato di ossido TEOS) utilizzando LPCVD a 780 ° C per 5 ore 25. </li><li> Eseguire la litografia standard utilizzando lo stepper I-line per esporre i canali nanowire, e pastiglie di test modulo utilizzando il processo di attacco in due fasi secco / umido. <ol><li> Ripetere il punto 1.1.3. </li><li> Eseguire il processo di incisione a umido (DHF: HF / H 2 O per 1 min). </li></ol></li></ol></li><li> conservazione Wafer <ol><li> Sigillare il wafer in un sacchetto di immagazzinaggio di vuoto e memorizzarlo in un armadietto asciutto elettronico (umidità relativa &lt;40% a temperatura ambiente). </li></ol></li></ol> 2. Pretrattamento del dispositivo <ol><li> pulizia dispositivo <ol><li> Risciacquare il dispositivo con acetone puro. </li><li> Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in acetone puro per 10 min. </li> &lt;li&gt; Sonicare (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo puro (99,5%) per 5 min. </li><li> Blow-asciugare la superficie del dispositivo con azoto. </li></ol></li><li> plasma di ossigeno <ol><li> Trattare il dispositivo con O 2 al plasma a 18 W per 30 sec. </li></ol></li></ol> 3. Immobilizzazione del DNA sonda sulla superficie periferica <ol><li> Modifica gruppo amminico <ol><li> Immergere il dispositivo in un 2,0% (3-amminopropil) trietossisilano (APTES) / soluzione di etanolo per 30 min. </li><li> Lavare il dispositivo con etanolo per tre volte, e poi ultrasuoni (46 kHz, 80 W) il dispositivo in etanolo per 10 min. </li><li> Riscaldare il dispositivo su una piastra calda a 120 ° C per 10 min per creare gruppi amminici sulla SNWs. </li></ol></li><li> Modifica gruppo aldeidico <ol><li> Immergere il dispositivo nel 12,5% glutaraldeide per 1 ora a temperatura ambiente per creare gruppi aldeidici in superficie. Evitare l&#39;esposizione alla luce. </li><li> Lavare il dispositivo di ingegnoh 10 mM tampone fosfato di sodio (Na-PB; pH 7,0) tre volte e quindi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto. </li></ol></li><li> Sonda di DNA di immobilizzazione <ol><li> Immergere il dispositivo in una soluzione contenente 1 mM sonde di DNA durante la notte. </li><li> Immergere il dispositivo in 10 mM tampone Tris (pH 8,0) con 4,0 mM NaBH 3 CN per 30 minuti per bloccare i gruppi aldeidici reagiti. </li><li> Lavare il dispositivo con Na-PB (pH 7,0) tre volte, e poi asciugarsi la superficie del dispositivo con azoto. </li></ol></li></ol> 4. Conferma e analisi di modifica della superficie su pSNWFET <ol><li> profilo pH dopo ogni fase di modifica della superficie <ol><li> Preparare 10 mM Na-PB in pH 3,0-9,0. <ol><li> Preparare 10 mM sodio fosfato tribasico dodecaidrato (Na 3 PO 4) in acqua deionizzata (pH 11.60). </li><li> Preparare 10 mM di acido fosforico (H 3 PO 4) in acqua deionizzata(PH 2.35). </li><li> Posizionare l&#39;elettrodo pH in 500 ml di 10 mM Na 3 PO 4 tampone, e mescolare questa soluzione con diversi volumi di 10 mm H 3 PO 4 buffer durante la misurazione del valore del pH per ottenere buffer con valori di pH di 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 , 7.0, 8.0 e 9.0. </li></ol></li><li> la misura della conduttanza AC Nota: Il circuito di misura comprendeva un piccolo generatore di segnale in corrente alternata ed un microconduttori Au che serviva come elettrodo di gate liquido. <ol><li> Determinare l&#39;ottimale tensione di gate liquido (V LG) per misure 26 ad ogni fase di modifica (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3). Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW sono stati misurati come descritto in questa sezione. Nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 comporta la modifica del dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 prevede la modifica con la unchargedgruppo funzionale di glutaraldeide; e passo 3,3 coinvolge DNA modifica della sonda. <ol><li> Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW. </li><li> Misurare la conduttanza tempo reale del dispositivo durante la spazzata V LG 0,80-1,30 V. <ol><li> Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente. </li><li> Convertire i segnali di corrente CA in un segnale di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente. </li><li> Raccogliere dati sulla conduttanza (G) su aumento V LG 0,80-1,30 V (intervallo = 0,02 V). </li></ol></li><li> Determinare la LG V ottimale (più sensibile V LG) del dispositivo 26. <ol><li> Tracciare le curve GV LG dal punto 4.1.2.1.2.3 per ottenere l&#39;equazione della curva. </li><li> Differentiate l&#39;equazione, e calcolare i valori in ogni punto del V LG. </li><li> Dividere il valore dal punto 4.1.2.1.3.2 da G, e determinare l&#39;ottimale V LG base al numero massimo. </li></ol></li></ol></li><li> Misurare la conduttanza in tempo reale del profilo di pH ad ogni passo della modifica superficiale. <ol><li> Eseguire misura conduttanza utilizzando la tecnica lock-in 27 a temperatura ambiente. </li><li> Convertire il segnale in corrente alternata in segnali di tensione alternata utilizzando un basso rumore preamplificatore corrente. </li><li> Impostare l&#39;ottimale V LG per ogni fase di modifica della superficie (punto 2.2: V LG = 1,02, passo 3.1: V LG = 0.98, punto 3.2: V LG = 0,98, e passo 3.3: V LG = 1.0). </li><li> Offrire la soluzione di 10 mM Na-PB con valori di pH 3,0-9,0 alla superficie SNW (portata: 5,0 ml / h), E raccogliere i dati relativi conduttanza ad una tensione di drain di 0,01 V. </li></ol></li></ol></li></ol></li><li> Misurazione delle proprietà elettriche (la curva I D -V BG) del dispositivo a 10 mM Na-PB (pH 7,0) seguito ogni fase della modifica della superficie (passi 2.2, 3.1, 3.2, e 3.3.) Nota: Le proprietà elettriche del dispositivo dopo quattro modificazioni superficiali sulla SNW stati misurati: nel passo 2.2, la pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo viene modificata; passo 3.1 tratta di modificare il dispositivo con il gruppo amminico di APTES; punto 3.2 comporta la modifica con il gruppo funzionale uncharged di glutaraldeide; e passo 3.3 comporta DNA modifica della sonda. <ol><li> Fornire il 10 mM Na-PB (pH 7,0) la soluzione alla superficie SNW (fasi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3) utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h) per il contatto diretto con il SNW. </li><li> Misurare la I D </em&gt; Del dispositivo (passi 2.2, 3.1, 3.2 e 3.3) utilizzando un analizzatore di semiconduttori commerciale e software. <ol><li> Selezionare la modalità &quot;NMOSFET&quot;. </li><li> Seleziona &quot;I D - V BG&quot; moduli. Nota: I D è la corrente di drain / source, e V BG è la tensione cancello posteriore. </li><li> Impostare una tensione di polarizzazione costante (V D = 0,5 V), mentre spazzare il cancello potenziale (V BG) da -1 a 3,0 V (intervallo = 0,2 V). </li><li> Fare clic sull&#39;icona Esegui per ottenere I D - curve V BG. </li></ol></li></ol></li></ol> 5. DNA biopercezione Nota: In un tipico esperimento, l&#39;ho D - curva B G V è determinata per tre volte per garantire che nessun ulteriore variazione è observ ati. <ol><li> Determinazione della linea di base <ol><li> Somministrare la soluzione 10 mM Na-PB (pH 7,0) alla superficie SNW sonda immobilizzata DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min. </li><li> Misurare la I D del dispositivo (ripetere il punto 4.2.2). </li></ol></li><li> Percependo di DNA / DNA ibridazione <ol><li> Carico 22:00 obiettivo complementare del DNA sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti utilizzando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare il SNW per 30 min. </li><li> Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr) per lavare il DNA bersaglio non legato distanza. </li><li> Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo. </li></ol></li><li> Riconfermare il segnale di ibridazione DNA / DNA. <ol><li> Carico 1 nM recupero del DNA su tegli DNA probe-immobilizzato superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e poi incubare la SNW per 30 min. </li><li> Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr). </li><li> Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo. </li></ol></li><li> controllo negativo <ol><li> Carico 100 pM DNA non complementare sulla sonda-immobilizzato superficie SNW DNA per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / h), e quindi incubare l&#39;SNW per 30 min. </li><li> Fornire il 10 soluzione mM Na-PB (pH 7.0) sulla superficie SNW per 10 minuti usando una pompa a siringa (portata: 5,0 ml / hr). </li><li> Ripetere passaggio 4.2.2 per misurare la I D del dispositivo. </li></ol></li></ol>

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M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanowire-based+biosensors.">Nanowire-based biosensors.</a> Anal Chem. 78, 4260-4269 (2006).</li><li>Hsiao, C. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+poly-silicon+nanowire+field+effect+transistor+for+biosensing+application.">Novel poly-silicon nanowire field effect transistor for biosensing application.</a> Biosens Bioelectron. 24, 1223-1229 (2009).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Commercializzazione del top-down e bottom-up fabbricazione approcci per sSNWFETs è considerato difficile a causa del suo costo 32,33, SNW controllo di posizione 34,35, e la sua bassa produzione di scala 36. Al contrario, la fabbricazione pSNWFETs è semplice e di basso costo 37. Attraverso l&#39;approccio top-down e la combinazione con la tecnica di formazione laterale distanziale (figura 1), la dimensione del SNW può essere controllata regolando la durata di attacco in plasma reattivo. Le procedure per la preparazione dei nanofili del pSNWFET illustrato nella figura 1a possono essere facilmente adattati alle strutture di semiconduttori commerciali. Di conseguenza, pSNWFETs hanno diversi vantaggi tra cui l&#39;efficacia dei costi, una semplice tecnica di costruzione, e un processo di fabbricazione CMOS-compatibile e quindi possono essere applicati in biosensori. In contrasto con la fabbricazione del dispositivo a semiconduttore, un processo ben definito commestrutture rciale, l&#39;immobilizzazione del Bioprobe sul dispositivo possono variare per ogni specifica applicazione. L&#39;immobilizzazione della sonda di DNA sulla superficie SNW è illustrato nella figura 2a come esempio. Altri bioprobes, come gli anticorpi, aptameri ed enzimi, possono essere immobilizzati sulla superficie SNW per rilevare obiettivi diversi. I seguenti passaggi sono fondamentali per immobilizzare con successo la sonda di DNA. Nel nostro protocollo, il dispositivo pSNWFET as-fabbricato viene pulito e trattato con plasma di ossigeno e quindi immerso in una soluzione / etanolo APTES per creare gruppi amminici sulla SNWs. Successivamente, il dispositivo viene immerso in una soluzione di glutaraldeide per creare gruppi aldeidici in superficie. Questi gruppi sono successivamente coniugati alla sonda di DNA 5&#39;-aminomodified. congiunzioni più stadi tra le molecole di cross-linker e l&#39;Bioprobe erano tenuti a trasformare il dispositivo a semiconduttore di un biosensore. Pertanto, è fondamentale per garantire che ogni passo è successo. Ad ogni passodi DNA probe immobilizzazione XPS stato utilizzato per analizzare e confermare la composizione e la chimica della superficie. Le concentrazioni atomiche di carbonio, ossigeno e azoto sono stati determinati sulla base di XPS scansioni dei rispettivi picchi, come mostrato nella Figura 2b. Dopo aggiunta della sonda di DNA, i cambiamenti più significativi erano un aumento delle concentrazioni di carbonio e azoto. Una crescente tendenza è stata osservata nelle concentrazioni di carbonio e di azoto in ogni fase della procedura di immobilizzazione della sonda di DNA. La concentrazione di ossigeno è diminuita durante la procedura perché il gruppo ossidrile nativa venne coperto attraverso la modifica della superficie. Questi risultati hanno rivelato che la sonda di DNA è stato immobilizzato, che è coerente con la modifica delle proprietà elettriche, come mostrato in figura 2c, d ed e. Le procedure di cui sopra sono utili per la risoluzione dei problemi in caso di modifica della superficie senza successo. Tuttavia, di solito sono eseguite su un separato wafer rivestito con un materiale simile a quella sulla superficie nanofili. La prova diretta delle variazioni delle proprietà elettriche del dispositivo modificato è necessario per confermare il risultato della modifica della superficie del dispositivo, come descritto nei seguenti paragrafi. Uno dei metodi più frequentemente utilizzati per monitorare direttamente cambiamenti nella superficie periferica FET è pH sensing, come mostrato in figura 2d e d. Diverse modifiche superficiali determinano variazioni nella carica sulla superficie SNW, influenzando notevolmente il potenziale superficiale della pSNWFET in ambienti differenti. Abbiamo utilizzato le soluzioni tampone pH ad ampio raggio per rilevare i cambiamenti nella conduttanza corrispondenti ai gruppi funzionali sulla superficie SNW. Dal punto di vista meccanico, l&#39;aumento della conduttanza di modificare il pH (aumento di ioni idrogeno) è coerente con l&#39;aumento della carica superficiale positiva, che &quot;attiva&quot; del tipo n FET attraverso il accumulatisu elettroni. Le risposte elettriche in tempo reale alla conduttanza del pSNWFET possono essere misurati in soluzioni tampone di pH che vanno da 3.0 9,0. I metodi descritti in questo rapporto sono utili per esaminare se un sensore a semiconduttore-based è pronta per l&#39;applicazione biosensori. Figura 2e illustra un metodo conveniente per determinare il risultato della modifica superficiale attraverso la misurazione diretta delle proprietà elettriche del dispositivo. Le variazioni di I D - curve G V mostrate nella figura 2e sono coerenti con ogni fase della sonda di DNA di immobilizzazione sulla superficie SNW. Secondo i risultati, pSNWFETs possono essere utilizzati direttamente per confermare la procedura ad ogni passo Bioprobe immobilizzazione. Questo risultato indica altresì che il pSNWFET modificato viene preparato per l&#39;applicazione biosensori. Queste procedure sono particolarmente utili quando il immissio immobilizzazioneES sono ben stabiliti. La funzione di un biosensore pSNWFET basata stata esaminata rilevando AIV DNA sottotipo H1 come esempio (Figura 3). Utilizzando sonda e DNA bersaglio è adatto per illustrare lo sviluppo di un nuovo biosensore per la stabilità delle molecole di DNA e le tecniche disponibili per ottenere facilmente la sequenza desiderata di DNA. Oltre a utilizzare DNA noncomplementary come controllo negativo, abbiamo dimostrato ibridazione DNA sul pSNWFET con un sistema di recupero. Ciò è particolarmente utile quando un nuovo sistema o nuovo dispositivo viene utilizzato per esperimenti biosensori. Molti passi sono coinvolti nel processo di fabbricazione di dispositivi di applicazione biosensori. Ogni passo influisce sul risultato finale. Inoltre, risultati falsi positivi o falsi negativi sono solitamente ottenuti in esperimenti biosensori a causa della complessità dell&#39;ambiente biosensori. Così, esperimenti controllati sono critici, e il sistema di recupero dimostrato in questo studio può essere di grande facilitate identificare i fattori inaspettati che interferiscono con i risultati sperimentali. Le principali limitazioni attualmente utilizzato biosensore pSNWFET basata sono la disponibilità del dispositivo pSNWFET e la strumentazione utilizzata per la misura. Tuttavia, queste due limitazioni possono essere facilmente superate nel prossimo futuro. Molti tipi di SNWFETs sono stati riportati in letteratura. Il pSNWFET dimostrato in questo studio è già stato fabbricato utilizzando il processo dei semiconduttori standard e può essere prodotta in serie con solo piccole modifiche al processo di fabbricazione dei wafer commerciale. La strumentazione utilizzata per la misura in questo studio era un analizzatore chip semiconduttore standard. Ciò implica che, con un adeguato circuito integrato installato sul dispositivo, strumentazione portatile può essere progettato e realizzato con tecnologia elettronica corrente. In conclusione, si descrive la procedura completa per il rilevamento del DNA su un pSNWFET. Perché il immobProcedura Sterilizza- influenza fortemente la capacità di un biosensore per rilevare in modo efficace biomolecole, questo protocollo prevede step-by-step di conferma Bioprobe immobilizzazione e la disponibilità del dispositivo per applicazioni di biosensori DNA. Procedure analoghe possono essere adattati da questa relazione per molte applicazioni biosensori simili, per i quali sono necessari aggiustamenti. Questo rapporto descrive anche i protocolli per la conferma e la risoluzione dei problemi della immobilizzazione dei Bioprobe e dei dispositivi modificazioni superficiali. La domanda di vari biosensori è in aumento. I metodi descritti in questo rapporto sono un riferimento adeguato per la preparazione e lo sviluppo di biosensori basati su semiconduttori.

transistor ad effetto di campo Silicon nanowire (SNWFETs) presentano i vantaggi di ultra-elevata sensibilità e risposte elettriche scalo a variazione tassa ambientale. In tipo n SNWFETs per esempio, quando una molecola negativo (o positivo) addebitato avvicina alla nanowire silicio (SNW), i vettori nel SNW sono esauriti (o accumulano). Di conseguenza, la conduttività della SNWFET diminuisce (o aumenta) 1. Pertanto, qualsiasi molecola carica vicino alla superficie SNW del dispositivo SNWFET può essere rilevato. biomolecole vitali tra cui enzimi, proteine, nucleotidi, e molte molecole sulla superficie cellulare sono portatori di carica e possono essere monitorati utilizzando SNWFETs. Con opportune modifiche, in particolare immobilizzanti una sonda biomolecolare sul SNW, un SNWFET può essere sviluppato in un biosensore senza etichetta. Sorveglianza utilizzando biomarcatori è fondamentale per la diagnosi delle malattie. Come mostrato nella Tabella 1, diversi studi hanno utilizzato NWFEBiosensori T-based per label-free, ultra-alta sensibilità, e la rilevazione in tempo reale dei vari bersagli biologici, tra cui un singolo virus 2, adenosina trifosfato e chinasi vincolante 3, i segnali neuronali 4, ioni metallici 5,6, tossine batteriche 7, 8 della dopamina, DNA 9-11, RNA 12,13, enzimi e biomarcatori tumorali 14-19, ormoni umani 20, e citochine 21,22. Questi studi hanno dimostrato che biosensori basati NWFET rappresentano una piattaforma di rilevazione potente per una vasta gamma di specie chimiche e biologiche in una soluzione. In biosensori basati SNWFET, la sonda immobilizzata sulla superficie SNW del dispositivo riconosce una biotarget specifico. Immobilizzare un Bioprobe solito comporta una serie di passaggi, ed è fondamentale che ogni passo viene eseguito correttamente per garantire il corretto funzionamento del biosensore. Varie tecniche sono state sviluppate per analizzare le sComposizione urface, compresi raggi X spettroscopia fotoelettronica (XPS), ellissometria, misura dell&#39;angolo di contatto, microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM). Metodi come AFM e SEM forniscono prove dirette di Bioprobe immobilizzazione sul dispositivo nanofilo, mentre i metodi, come XPS, ellissometria, e la misurazione dell&#39;angolo di contatto dipendono esperimenti paralleli condotti su altri materiali simili. In questo rapporto, descriviamo la conferma di ogni fase di modifica utilizzando due metodi indipendenti. XPS viene usato per esaminare le concentrazioni di atomi specifici su wafer di silicio policristallino, e variazioni nelle proprietà elettriche del dispositivo sono misurate direttamente per confermare la variazione di carica sulla superficie SNW. Impieghiamo biosensing DNA utilizzando SNWFETs policristallini (pSNWFETs) come un esempio per illustrare questo protocollo. Immobilizzare una sonda di DNA sulla superficie SNW comporta tre fasi: ammina modifica gruppo ossidrile sulla superficie nativa del SNW, almodifica gruppo deide, e 5&#39;-aminomodified immobilizzazione della sonda di DNA. Ad ogni fase di modifica, il dispositivo può rilevare direttamente la variazione della carica del gruppo funzionale immobilizzato sulla superficie SNW, perché le cariche superficiali causano variazioni potenziali interfacciali locali oltre il dielettrico di gate che alterano la corrente del canale e conduttanza 1. Spese che circondano la superficie SNW può modulare elettricamente le proprietà elettriche del dispositivo pSNWFET; Pertanto, le proprietà superficiali del SNW giocano un ruolo cruciale nel determinare le caratteristiche elettriche dei dispositivi pSNWFET. Nelle procedure riportate, l&#39;immobilizzazione di un Bioprobe sulla superficie SNW può essere determinata direttamente e confermata attraverso la misurazione elettrica, e il dispositivo è predisposto per applicazioni biosensori.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="862">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Acetone</td>
			<td style="width:191px;">ECHO</td>
			<td style="width:179px;">AH-3102</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:327px;">(3-Amonopropyl)triethoxysilane (APTES), &#8805;98%</td>
			<td style="width:191px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:179px;">A3648</td>
			<td>Danger</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Ethanol, anhydrous, 99.5%</td>
			<td style="width:191px;">ECHO</td>
			<td style="width:179px;">484000203108A-72EC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Glutaraldehyde solution (GA), 50%</td>
			<td style="width:191px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:179px;">G7651</td>
			<td>Avoid light</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Sodium cyanoborohydride, &#8805;95.0%&#160;</td>
			<td style="width:191px;">Fluka</td>
			<td style="width:179px;">71435</td>
			<td>Danger and deliquescent</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:327px;">Sodium phosphate tribasic dodecahydrate, &#8805;98%</td>
			<td style="width:191px;">Sigma</td>
			<td style="width:179px;">04277</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Phosphoric acid, &#8805;99.0%</td>
			<td style="width:191px;">Fluka</td>
			<td style="width:179px;">79622</td>
			<td>Deliquescent</td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;">Photoresist (iP3650)</td>
			<td style="width:191px;">Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD</td>
			<td style="width:179px;">THMR-iP3650 HP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Synthetic oligonucleotides, HPLC purified</td>
			<td style="width:191px;">Protech Technology</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:327px;">Tris(hydroxymethyl)aminomethane (Tris), &#8805;99.8%</td>
			<td style="width:191px;">USB</td>
			<td style="width:179px;">75825</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Keithley 2636 System SourceMeter</td>
			<td style="width:191px;">Keithley</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:327px;">SR830 DSP Lock-In Amplifier</td>
			<td style="width:191px;">Stanford Research Systems</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="40">
			<td height="40" style="height:40px;width:327px;">SR570 Low-noise Current Preamplifier</td>
			<td style="width:191px;">Stanford Research Systems</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:327px;">Ni PXI Express</td>
			<td style="width:191px;">National Instruments</td>
			<td style="width:179px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

preparation of silicon nanowire field-effect transistor for chemical and biosensing applications

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we describe the preparation of polycrystalline silicon nanowire field-effect transistors (pSNWFETs) that serve as biosensing devices for biomarker detection. A protocol for chemical and biomolecular sensing by using pSNWFETs is presented. The pSNWFET device was demonstrated to be a promising transducer for real-time, label-free, and ultra-high-sensitivity biosensing applications. The source/drain channel conductivity of a pSNWFET is sensitive to changes in the environment around its silicon nanowire (SNW) surface. Thus, by immobilizing probes on the SNW surface, the pSNWFET can be used to detect various biotargets ranging from small molecules (dopamine) to macromolecules (DNA and proteins). Immobilizing a bioprobe on the SNW surface, which is a multistep procedure, is vital for determining the specificity of the biosensor. It is essential that every step of the immobilization procedure is correctly performed. We verified surface modifications by directly observing the shift in the electric properties of the pSNWFET following each modification step. Additionally, X-ray photoelectron spectroscopy was used to examine the surface composition following each modification. Finally, we demonstrated DNA sensing on the pSNWFET. This protocol provides step-by-step procedures for verifying bioprobe immobilization and subsequent DNA biosensing application.

Vari SNWFETs sono stati segnalati per servire come trasduttori di biosensori (Tabella 1). SNWFETs Single-cristallini (sSNWFETs) e pSNWFETs mostrano proprietà elettriche comparabili come trasduttori in soluzione acquosa, ed entrambi sono stati segnalati per avere molte applicazioni biosensori. Una caratteristica vantaggiosa del dispositivo pSNWFET utilizzato in questo studio è la sua procedura semplice e di fabbricazione a basso costo. Figura 1a mostra le fasi chiave coinvolti nella fabbricazione della pSNWFET. L&#39;immagine ottica di un dado dal wafer da 6 pollici (Figura 1b) e immagini SEM (Figura 1c) di un singolo dispositivo (due SNWs, a circa 100 nm di larghezza e 1,6 micron di lunghezza) sono stati ottenuti. La figura 2a illustra la procedura di sonda di DNA di immobilizzazione sulla superficie SNW. Ogni fase di modifica è stata confermata tramite XPS (Figura 2b </sTrong&gt;). I profili di pH per tempo reale conduttanza (Figura 2c, d), sono mostrati in diverse fasi di modifica della superficie SNW. Per il pSNWFET non modificato contenente lo strato di ossido nativo sulla superficie SNW, i gruppi ossidrilici (-OH) erano ionizzati per formare gruppi carichi (-O -) all&#39;aumentare valori di pH (linea nera). La diminuzione della conduttanza a pH 6,0 a 9,0 indica che la costante di dissociazione acida (pK a) del gruppo ossidrile può essere impostato a circa 7,0. Conduttanza probabilità aumenta a pH da 3,0 a 6,0 per l&#39;aumento della forza ionica, influenzando le caratteristiche del dispositivo 1. Dopo la modifica APTES, la risposta alla conduttanza del dispositivo APTES modificato mostrato elevata variazione (linea rossa). Il gruppo amminico (pK a = 4.0) del APTES può essere protonato ad un pH basso per produrre una carica positiva 28. Così, la conduttanza SNW diminuita con variazioni discrete pHdal 3.0 9,0. Dopo l&#39;SNW stato modificato con glutaraldeide, la risposta era relativamente stabile per conduttanza a pH compreso tra 3.0 al 9.0 (linea blu). Ciò può essere attribuito al gruppo funzionale uncharged insensibile alla variazione ambienti pH. Infine, dopo che la sonda di DNA caricato negativamente è stato immobilizzato, conduttanza leggermente diminuita, con un aumento dei valori di pH (linea verde). Il cambiamento nelle proprietà elettriche del dispositivo (figura 2e) con diverse modifiche conferma il cambiamento nella superficie SNW. In questi esperimenti, la curva I D -V G del pSNWFET non modificato è stato utilizzato come base di riferimento (linea nera). Dopo l&#39;SNW era immerso in APTES, la curva I D -V G del dispositivo spostata a sinistra (corrente maggiore) per la carica positiva sulla superficie caus snwcato dal gruppo amminico su APTES (nero a linea rossa). Dopo coniugazione glutaraldeide al dispositivo APTES modificato, la curva I D -V G spostato di nuovo verso destra a causa della formazione del legame imide. La corrente è diminuito perché l&#39;ammina carica positiva è stato convertito in immide carica neutra (rosso a linea blu). Infine, la sonda di DNA 5&#39;-amnimodified è stata introdotta per legarsi al dispositivo APTES-glutaraldeide-modificato. La spina dorsale di zucchero-fosfato del DNA ha causato la curva I D -V G per spostare verso l&#39;estrema destra (blu per la linea verde), che è coerente con l&#39;effetto di ioni negativi su n-tipo FET. La rilevazione di ibridazione DNA / DNA sul pSNWFET è mostrata in figura 3. Sonda, obiettivo, il recupero, e le sequenze di DNA noncomplementary progettati per rilevare il virus dell&#39;influenza aviaria (AIV) 29,30 </sup&gt; sono mostrati in Tabella 2. La curva I D -V G del DNA pSNWFET sonda modificato ottenuto in 10 mM Na-PB (pH 7,0) è stata utilizzata come linea di base (nero). Successivamente, 22:00 DNA bersaglio è stato introdotto per ibridare con la sonda di DNA immobilizzato sulla superficie SNW, ed è stata osservata una netta diminuzione della corrente di drain del dispositivo (linea rossa). La diminuzione della I D nel tipo n SNWFET implicava un aumento carica negativa (causata dalla dorsale fosfato) sulla superficie SNW. Il recupero del DNA è stato progettato per rehybridize con il DNA bersaglio e liberare la sonda di DNA 31. Se il DNA di recupero è progettato correttamente, la reazione favorisce la termodinamicamente rehybridization del target recupero DNA duplex, perché nucleotidi più complementari sono disponibili tra queste due filamenti di DNA (Tabella 1) di quelli tra la sonda ed il DNA bersaglio. L&#39;aggiunta di 1 DNA recupero nM (linea blu) Inoltre confermato che la risposta elettrica del DNA bersaglio è dovuto alla ibridazione del DNA probe-target e liberato la sonda di DNA, che è riutilizzabile per successivi esperimenti. Come controllo negativo, il DNA noncomplementary [AIV DNA bersaglio sottotipo H5] (100 PM) è stato anche iniettato e mescolato con la sonda di DNA, e la curva I D -V G è rimasta invariata. La sonda di DNA immobilizzato sulla pSNWFET è insensibile al DNA noncomplementary. Unico obiettivo DNA provoca un cambiamento apprezzabile nel I D - curva G V. L&#39;I D - curva G V ritorna alla linea di base dopo incubazione con il DNA di recupero. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53660/53660fig1highres.jpg" width="700" /> Figura 1. Preparazione del dispositivo pSNWFET. (A) Schema di fabri dispositivocazione. (I) A 6 pollici Si wafer è stato ricoperto con uno strato di ossido termico 100 nm di spessore. Successivamente, il nitruro di 50 nm di spessore e gli strati TEOS 100-nm di spessore sono stati depositati come materiali di partenza utilizzando LPCVD. (Ii) una struttura fittizia TEOS è stato definito e formato utilizzando la litografia di serie; due strati isolanti (ossido e nitruro) è servito come il dielettrico di gate. (Iii) uno strato α-Si 100-n-spessore è stato depositato usando LPCVD, e ricottura stato successivamente condotto per trasformare l&#39;α-Si in poly-Si. (Iv) S / D doping è stata poi effettuata mediante l&#39;impianto di fosforo ionica. (V) I canali Si laterali sono formate in modo autoallineato utilizzando la litografia standard. (Vi) Vista dall&#39;alto della struttura dispositivo fabbricato con pSNW. (B) le immagini ottiche di un chip pSNWFET biosensore. Immagine SEM di un unico dispositivo pSNWFET (c). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53660/53660fig1highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <pclass = &quot;jove_content&quot; fo: keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/53660/53660fig2highres.jpg" width="700" /> Figura 2. modifica superficiale e validazione su pSNWFET. (A) Schema di superficie funzionalizzazione del DNA e DNA / DNA ibridazione. (B) XPS spettri di C1s, O1s, e segnali N1S dal wafer di silicio (campionamento profondità = 7,5 nm), dove è stato eseguito il sequenziale graduale modifica della superficie della sonda di DNA immobilizzato. spettri ad alta risoluzione sono stati ottenuti, e la risoluzione complessiva di energia è stato fissato a 0,1 eV. (C) la curva in tempo reale a diversi valori di pH in ogni fase della modifica della superficie; 10 mM Na-PB è stato iniettato nel seguente ordine: pH 7,0 → pH 6,0 → pH 5,0 → pH 4.0 → pH 3.0 → pH 4.0 → pH 5,0 → pH 6,0 → pH 7,0 → pH 8,0 → pH 9,0 → pH 8,0 → pH 7,0 . (D) conduc mediatanza a valori di pH 3,0-9,0 con 10 mM Na-PB seguito ogni passo della modifica della superficie. (E) le proprietà elettriche (I D - V BG curve) della pSNWFET ad ogni passo di modifica della superficie. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53660/53660fig2highres.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53660/53660fig3highres.jpg" width="450" /> Figura 3. biosensing DNA pSNWFET. Le curve I D -V G del pSNWFET DNA probe-modificato sono stati ottenuti in 10 mM Na-PB (pH 7) (linea nera). La curva I D -V G dopo l&#39;ibridazione della sonda e bersaglio di DNA (linea rossa) è stato ottenuto con l&#39;introduzione di 22:00 DNA bersaglio e lavandolo con 10 mM Na-PB (pH 7). La sonda di DNA (linea blu) è stato recuperato con l&#39;aggiunta di 1 DNA recupero nM per rimuovere il DNA bersaglio. Noncomplementary DNA è stato utilizzato come controllo negativo in questo esperimento (linea verde). <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> Bio-bersaglio </td><td> sensibilità </td><td> Cristallino </td><td> Digitare </td><td> Riferimento </td></tr><tr><td> pH </td><td></td><td> singolo </td><td> p </td><td> 35 </td></tr><tr><td> Cistica Fibrosi AF508 </td><td> 3 basi delezione </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 9 </td></tr><tr><td> Influenza A </td><td> singolo virus </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 2 </td></tr><tr><td> sensing ATP </td><td> 13:00 </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 3 </td></tr><tr><td> La telomerasi </td><td> 10 cellule Hela</td><td> singolo </td><td> p </td><td> 14 </td></tr><tr><td> PSA / CEA / Mucin-1 </td><td> &lt;1,4 / 2/5 ug / ml </td><td> singolo </td><td> n / p </td><td> 14 </td></tr><tr><td> il segnale neuronale </td><td></td><td> singolo </td><td> n / p </td><td> 4 </td></tr><tr><td> Ca 2+ </td><td> 100 nM </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 5 </td></tr><tr><td> tossina batterica (SEB) </td><td> 10 fM </td><td> poli </td><td> p </td><td> 7 </td></tr><tr><td> La dopamina </td><td> 1 fM </td><td> poli </td><td> n </td><td> 8 </td></tr><tr><td> Troponina T- </td><td> 1 fg / ml </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 19 </td></tr><tr><td> Fattore di crescita vascolare endoteliale </td><td> 1.04 / 0.104 nM </td><td> singolo </td><td> n / p </td><td> 18 </td></tr><tr><td> BRAF V599E </td><td> 1-base-disadattamento </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 11 </td></tr><tr><td&gt; DNA AIV </td><td> 1 fM </td><td> poli </td><td> n </td><td> 10 </td></tr><tr><td> Avidina / streptavidina </td><td> 1.48 nm / 167 Fm </td><td> poli </td><td> n </td><td> 37 </td></tr><tr><td> Ca 2+ / Troponina I </td><td> 1 micron / 7 Nm </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 6 </td></tr><tr><td> Dengue sierotipo 2 RNA </td><td> &lt;10 fM </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 12 </td></tr><tr><td> Proteina chinasi CaM </td><td> lisato cellulare espresso </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 16 </td></tr><tr><td> Metalloproteinasi della matrice-2 </td><td> 100 fm </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 15 </td></tr><tr><td> I microRNA (miR-21 / miR-205) </td><td> 1 zeptomole (circa 600 copie) </td><td> singolo </td><td> p </td><td> 13 </td></tr><tr><td> Fattore di crescita vascolare endoteliale </td><td> 1,25 pg / ml </td><td> poli </td><td> n </td><td&gt; 21 </td></tr><tr><td> ormone tireotropo umano </td><td> 12:11 </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 20 </td></tr><tr><td> la proteina apolipoproteina A II </td><td> 6.7 pg / ml </td><td> poli </td><td> n </td><td> 17 </td></tr><tr><td> Interleuchina 8 / tumorali α fattore di necrosi </td><td> 10 fg / ml </td><td> singolo </td><td> n </td><td> 22 </td></tr></tbody></table> Tabella 1. Elenco parziale delle biotargets esaminato utilizzando dispositivi SNWFET. <table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody><tr><td> oligonucleotidi </td><td> Sequenza </td></tr><tr><td> DNA della sonda AIV H1 5&#39;-aminomodified </td><td> 5&#39;-NH 2 -C 6 -CACACTCTGTCAACCTAC-3 &#39; </td></tr><tr><td> AIV H1 DNA bersaglio </td><td> 5&#39;-CCATTGTGACTGTCCTCAAGTAGGTTGACAGAGTGTG-3 &#39; </td></tr><tr><td> DNA recupero AIV H1 </td><td> 5&#39;-CACACTCTGTCAACCTACTTGAGGACAGTCACAATGG-3 &#39; </td></tr><tr><td> DNA non complementare (AIV H5 DNA bersaglio) </td><td> 5&#39;-TGATAACCAATGCAGATTTG-3 &#39; </td></tr></tbody></table> Tabella 2. Le sequenze di oligonucleotidi sintetici.

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Preparation of Silicon Nanowire Field-effect Transistor for Chemical and Biosensing Applications

We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.

Preparazione della Silicon Nanowire effetto di campo transistor per l&#39;industria chimica e biosensing Applicazioni

Surveillance using biomarkers is critical for the early detection, rapid intervention, and reduction in the incidence of diseases. In this study, we ...

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Nanyang Technological University

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11.0K Views.  National Chiao Tung University. We describe key steps for biosensing by using polysilicon nanowire field-effect transistors, including the preparation of the device and the immobilization and confirmation of a DNA molecular probe on the nanowire surface, as well as conditions for DNA sensing.

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Soft Lithographic Functionalization and Patterning Oxide-free Silicon and Germanium

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a stable interface that permits efficient electron transport and protects underlying substrates from oxidative degradation. Group IV semiconductors can be effectively protected with highly-ordered self-assembled monolayers (SAMs) composed of simple alkyl chains that act as impervious barriers to both organic and aqueous solutions. Simple alkyl SAMs, however, are inert and not amenable to traditional patterning techniques. The motivation for immobilizing organic molecular systems on semiconductors is to impart new functionality to the surface that can provide optical, electronic, and mechanical function, as well as chemical and biological activity. 
Microcontact printing (&mu;CP) is a soft-lithographic technique for patterning SAMs on myriad surfaces.1-9 Despite its simplicity and versatility, the approach has been largely limited to noble metal surfaces and has not been well developed for pattern transfer to technologically important substrates such as oxide-free silicon and germanium. Furthermore, because this technique relies on the ink diffusion to transfer pattern from the elastomer to substrate, the resolution of such traditional printing is essentially limited to near 1 &mu;m.10-16
In contrast to traditional printing, inkless &mu;CP patterning relies on a specific reaction between a surface-immobilized substrate and a stamp-bound catalyst. Because the technique does not rely on diffusive SAM formation, it significantly expands the diversity of patternable surfaces. In addition, the inkless technique obviates the feature size limitations imposed by molecular diffusion, facilitating replication of very small (&lt;200 nm) features.17-23 However, up till now, inkless &mu;CP has been mainly used for patterning relatively disordered molecular systems, which do not protect underlying surfaces from degradation.
Here, we report a simple, reliable high-throughput method for patterning passivated silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate selective functionalization of the patterned substrates with both small molecules and proteins. The technique utilizes a preformed NHS-reactive bilayered system on oxide-free silicon and germanium. The NHS moiety is hydrolyzed in a pattern-specific manner with a sulfonic acid-modified acrylate stamp to produce chemically distinct patterns of NHS-activated and free carboxylic acids. A significant limitation to the resolution of many &mu;CP techniques is the use of PDMS material which lacks the mechanical rigidity necessary for high fidelity transfer. To alleviate this limitation we utilized a polyurethane acrylate polymer, a relatively rigid material that can be easily functionalized with different organic moieties. Our patterning approach completely protects both silicon and germanium from chemical oxidation, provides precise control over the shape and size of the patterned features, and gives ready access to chemically discriminated patterns that can be further functionalized with both organic and biological molecules. The approach is general and applicable to other technologically-relevant surfaces.

Here we describe a simple method for patterning oxide-free silicon and germanium with reactive organic monolayers and demonstrate functionalization of the patterned substrates with small molecules and proteins. The approach completely protects surfaces from chemical oxidation, provides precise control over feature morphology, and provides ready access to chemically discriminated patterns.

Morbido Funzionalizzazione litografica e Patterning ossido senza silicio e germanio

The development of hybrid electronic devices relies in large part on the integration of (bio)organic materials and inorganic semiconductors through a ...

Ricerca

Bioingegneria

Preparation of 3D Fibrin Scaffolds for Stem Cell Culture Applications

Stem cells are found in naturally occurring 3D microenvironments in vivo, which are often referred to as the stem cell niche 1. Culturing stem cells inside of 3D biomaterial scaffolds provides a way to accurately mimic these microenvironments, providing an advantage over traditional 2D culture methods using polystyrene as well as a method for engineering replacement tissues 2. While 2D tissue culture polystrene has been used for the majority of cell culture experiments, 3D biomaterial scaffolds can more closely replicate the microenvironments found in vivo by enabling more accurate establishment of cell polarity in the environment and possessing biochemical and mechanical properties similar to soft tissue.3 A variety of naturally derived and synthetic biomaterial scaffolds have been investigated as 3D environments for supporting stem cell growth. While synthetic scaffolds can be synthesized to have a greater range of mechanical and chemical properties and often have greater reproducibility, natural biomaterials are often composed of proteins and polysaccharides found in the extracelluar matrix and as a result contain binding sites for cell adhesion and readily support cell culture. Fibrin scaffolds, produced by polymerizing the protein fibrinogen obtained from plasma, have been widely investigated for a variety of tissue engineering applications both in vitro and in vivo 4. Such scaffolds can be modified using a variety of methods to incorporate controlled release systems for delivering therapeutic factors 5. Previous work has shown that such scaffolds can be used to successfully culture embryonic stem cells and this scaffold-based culture system can be used to screen the effects of various growth factors on the differentiation of the stem cells seeded inside 6,7.
 This protocol details the process of polymerizing fibrin scaffolds from fibrinogen solutions using the enzymatic activity of thrombin. The process takes 2 days to complete, including an overnight dialysis step for the fibrinogen solution to remove citrates that inhibit polymerization. These detailed methods rely on fibrinogen concentrations determined to be optimal for embryonic and induced pluripotent stem cell culture. Other groups have further investigated fibrin scaffolds for a wide range of cell types and applications - demonstrating the versatility of this approach 8-12.

This work details the preparation of 3D fibrin scaffolds for culturing and differentiating plutipotent stem cells. Such scaffolds can be used to screen the effects of various biological compounds on stem cell behavior as well as modified to contain drug delivery systems.

Preparazione del 3D fibrina ponteggi per le applicazioni delle cellule staminali Cultura

Stem cells are found in naturally occurring 3D microenvironments in vivo, which are often referred to as the stem cell niche 1. Culturing stem cells ...

Porous Silicon Microparticles for Delivery of siRNA Therapeutics

Small interfering RNA (siRNA) can be used to suppress gene expression, thereby providing a new avenue for the treatment of various diseases. However, the successful implementation of siRNA therapy requires the use of delivery platforms that can overcome the major challenges of siRNA delivery, such as enzymatic degradation, low intracellular uptake and lysosomal entrapment. Here, a protocol for the preparation and use of a biocompatible and effective siRNA delivery system is presented. This platform consists of polyethylenimine (PEI) and arginine (Arg)-grafted porous silicon microparticles, which can be loaded with siRNA by performing a simple mixing step. The silicon particles are gradually degraded over time, thereby triggering the formation of Arg-PEI/siRNA nanoparticles. This delivery vehicle provides a means for protecting and internalizing siRNA, without causing cytotoxicity. The major steps of polycation functionalization, particle characterization, and siRNA loading are outlined in detail. In addition, the procedures for determining particle uptake, cytotoxicity, and transfection efficacy are also described.

Delivery remains the main challenge for the therapeutic implementation of small interfering RNA (siRNA). This protocol involves the use of a multifunctional and biocompatible siRNA delivery platform, consisting of arginine and polyethylenimine grafted porous silicon microparticles.

Poroso Silicon microparticelle per consegna di siRNA Therapeutics

Small interfering RNA (siRNA) can be used to suppress gene expression, thereby providing a new avenue for the treatment of various diseases. However, the ...

The Synthesis of RGD-functionalized Hydrogels as a Tool for Therapeutic Applications

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and functionalize polymer chains with compounds that are able to improve biocompatibility, mechanical properties, or cell viability allows the design of novel materials to meet new challenges in the biomedical field. With the polymer functionalization strategies, click chemistry is a powerful tool to improve cell-compatibility and drug delivery properties of polymeric devices. Similarly, the fundamental need of biomedicine to use sterile tools to avoid potential adverse-side effects, such as toxicity or contamination of the biological environment, gives rise to increasing interest in the microwave-assisted strategy.
The combination of click chemistry and the microwave-assisted method is suitable to produce biocompatible hydrogels with desired functionalities and improved performances in biomedical applications. This work aims to synthesize RGD-functionalized hydrogels. RGD (arginylglycylaspartic acid) is a tripeptide that can mimic cell adhesion proteins and bind to cell-surface receptors, creating a hospitable microenvironment for cells within the 3D polymeric network of the hydrogels. RGD functionalization occurs through Huisgen 1,3-dipolar cycloaddition. Some PAA carboxyl groups are modified with an alkyne moiety, whereas RGD is functionalized with azido acid as the terminal residue of the peptide sequence. Finally, both products are used in a copper catalyzed click reaction to permanently link the peptide to PAA. This modified polymer is used with carbomer, agarose and polyethylene glycol (PEG) to synthesize a hydrogel matrix. The 3D structure is formed due to an esterification reaction involving carboxyl groups from PAA and carbomer and hydroxyl groups from agarose and PEG through microwave-assisted polycondensation. The efficiency of the gelation mechanism ensures a high degree of RGD functionalization. In addition, the procedure to load therapeutic compounds or biological tools within this functionalized network is very simple and reproducible.

We present a protocol for the synthesis of RGD-functionalized hydrogels as devices for cell and drug delivery. The procedure involves copper catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) between alkyne-modified polyacrylic acid (PAA) and a RGD-azide derivative. The hydrogels are formed using microwave-assisted polycondensation and their physicochemical properties are investigated.

La sintesi di RGD-funzionalizzati idrogeli come strumento per applicazioni terapeutiche

The use of polymers as biomaterials has provided significant advantages in therapeutic applications. In particular, the possibility to modify and ...

Light-mediated Formation and Patterning of Hydrogels for Cell Culture Applications

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In particular, light-mediated click reactions, such as photoinitiated thiol&#8722;ene and thiol&#8722;yne reactions, afford spatiotemporal control over material properties and allow the design of systems with a high degree of user-directed property control. Fabrication and modification of hydrogel-based biomaterials using the precision afforded by light and the versatility offered by these thiol&#8722;X photoclick chemistries are of growing interest, particularly for the culture of cells within well-defined, biomimetic microenvironments. Here, we describe methods for the photoencapsulation of cells and subsequent photopatterning of biochemical cues within hydrogel matrices using versatile and modular building blocks polymerized by a thiol&#8722;ene photoclick reaction. Specifically, an approach is presented for constructing hydrogels from allyloxycarbonyl (Alloc)-functionalized peptide crosslinks and pendant peptide moieties and thiol-functionalized poly(ethylene glycol) (PEG) that rapidly polymerize in the presence of lithium acylphosphinate photoinitiator and cytocompatible doses of long wavelength ultraviolet (UV) light. Facile techniques to visualize photopatterning and quantify the concentration of peptides added are described. Additionally, methods are established for encapsulating cells, specifically human mesenchymal stem cells, and determining their viability and activity. While the formation and initial patterning of thiol-alloc hydrogels are shown here, these techniques broadly may be applied to a number of other light and radical-initiated material systems (e.g., thiol-norbornene, thiol-acrylate) to generate patterned substrates.

We describe a sequential process for light-mediated formation and subsequent biochemical patterning of synthetic hydrogel matrices for three-dimensional cell culture applications. The construction and modification of hydrogels with cytocompatible photoclick chemistry is demonstrated. Additionally, facile techniques to quantify and observe patterns and determine cell viability within these hydrogels are presented.

Formazione Light-mediata ed il modello di idrogel per colture cellulari

Click chemistries have been investigated for use in numerous biomaterials applications, including drug delivery, tissue engineering, and cell culture. In ...

Extraction of Plant-based Capsules for Microencapsulation Applications

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin exine capsules (SECs) are obtained when spores or pollen are processed so as to remove the internal sporoplasmic contents. The resulting hollow microcapsules exhibit a high degree of micromeritic uniformity and retain intricate microstructural features related to the particular plant species. Herein, we demonstrate a streamlined process for the production of SECs from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs. The current SEC isolation procedure has been recently optimized to significantly reduce the processing requirements which are conventionally used in SEC isolation, and to ensure the production of intact microcapsules. Natural L. clavatum spores are defatted with acetone, treated with phosphoric acid, and extensively washed to remove sporoplasmic contents. After acetone defatting, a single processing step using 85% phosphoric acid has been shown to remove all sporoplasmic contents. By limiting the acid processing time to 30 hr, it is possible to isolate clean SECs and avoid SEC fracturing, which has been shown to occur with prolonged processing time. Extensive washing with water, dilute acids, dilute bases, and solvents ensures that all sporoplasmic material and chemical residues are adequately removed. The vacuum loading technique is utilized to load a model protein (Bovine Serum Albumin) as a representative hydrophilic compound. Vacuum loading provides a simple technique to load various compounds without the need for harsh solvents or undesirable chemicals which are often required in other microencapsulation protocols. Based on these isolation and loading protocols, SECs provide a promising material for use in a diverse range of microencapsulation applications, such as, therapeutics, foods, cosmetics, and personal care products.

This protocol/manuscript describes a streamlined process for the production of sporopollenin exine capsules (SECs) from Lycopodium clavatum spores and for the loading of hydrophilic compounds into these SECs.

Capsule Estrazione di Plant-based per applicazioni di microincapsulazione

Microcapsules derived from plant-based spores or pollen provide a robust platform for a diverse range of microencapsulation applications. Sporopollenin ...

Rapid Mix Preparation of Bioinspired Nanoscale Hydroxyapatite for Biomedical Applications

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest regarding the use of bioinspired nanoscale hydroxyapatite (nHA). However, biological apatite is known to be calcium-deficient and carbonate-substituted with a nanoscale platelet-like morphology. Bioinspired nHA has the potential to stimulate optimal bone tissue regeneration due to its similarity to bone and tooth enamel mineral. Many of the methods currently used to fabricate nHA both in the laboratory and commercially, involve lengthy processes and complex equipment. Therefore, the aim of this study was to develop a rapid and reliable method to prepare high quality bioinspired nHA. The rapid mixing method developed was based upon an acid-base reaction involving calcium hydroxide and phosphoric acid. Briefly, a phosphoric acid solution was poured into a calcium hydroxide solution followed by stirring, washing and drying stages. Part of the batch was sintered at 1,000 &#176;C for 2 h in order to investigate the products&#39; high temperature stability. X-ray diffraction analysis showed the successful formation of HA, which showed thermal decomposition to &#946;-tricalcium phosphate after high temperature processing, which is typical for calcium-deficient HA. Fourier transform infrared spectroscopy showed the presence of carbonate groups in the precipitated product. The nHA particles had a low aspect ratio with approximate dimensions of 50 x 30 nm, close to the dimensions of biological apatite. The material was also calcium deficient with a Ca:P molar ratio of 1.63, which like biological apatite is lower than the stoichiometric HA ratio of 1.67. This new method is therefore a reliable and far more convenient process for the manufacture of bioinspired nHA, overcoming the need for lengthy titrations and complex equipment. The resulting bioinspired HA product is suitable for use in a wide variety of medical and consumer health applications.

This paper describes a novel method for the rapid manufacture of high quality bioinspired nanoscale hydroxyapatite. This biomaterial is of great significance in the manufacture of a wide range of innovative medical devices for clinical applications in orthopedics, craniofacial surgery and dentistry.

Rapid Mix Preparazione di bioispirati Nanoscale idrossiapatite per applicazioni biomediche

Hydroxyapatite (HA) has been widely used as a medical ceramic due to its good biocompatibility and osteoconductivity. Recently there has been interest ...

Rapid Fabrication of Custom Microfluidic Devices for Research and Educational Applications

Microfluidic devices allow for the manipulation of fluids, particles, cells, micro-sized organs or organisms in channels ranging from the nano to submillimeter scales. A rapid increase in the use of this technology in the biological sciences has prompted a need for methods that are accessible to a wide range of research groups. Current fabrication standards, such as PDMS bonding, require expensive and time consuming lithographic and bonding techniques. A viable alternative is the use of equipment and materials that are easily affordable, require minimal expertise and allow for the rapid iteration of designs. In this work we describe a protocol for designing and producing PET-laminates (PETLs), microfluidic devices that are inexpensive, easy to fabricate, and consume significantly less time to generate than other approaches to microfluidics technology. They consist of thermally bonded film sheets, in which channels and other features are defined using a craft cutter. PETLs solve field-specific technical challenges while dramatically reducing obstacles to adoption. This approach facilitates the accessibility of microfluidics devices in both research and educational settings, providing a reliable platform for new methods of inquiry.

Here we present a protocol to design and fabricate custom microfluidic devices with minimal financial and time investment. The aim is to facilitate the adoption of microfluidic technologies in biomedical research laboratories and educational settings.

Rapida fabbricazione di dispositivi microfluidici personalizzati per applicazioni di ricerca e didattiche

Microfluidic devices allow for the manipulation of fluids, particles, cells, micro-sized organs or organisms in channels ranging from the nano to ...

Synthesis of Near-Infrared Emitting Gold Nanoclusters for Biological Applications

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been devoted to their development. In this protocol, a recently developed, facile method for preparation of water soluble, biocompatible, and colloidally stable near-infrared emitting AuNCs have been described in detail. This room-temperature, bottom-up chemical synthesis provides easily functionalizable AuNCs capped with thioctic acid and thiol-modified polyethylene glycol in aqueous solution. The synthetic approach requires neither organic solvents or additional ligand exchange nor extensive knowledge of synthetic chemistry to reproduce. The resulting AuNCs offer free surface carboxylic acids, which can be functionalized with various biological molecules bearing a free amine group without adversely affecting the photoluminescent properties of the AuNCs. A quick, reliable procedure for flow cytometric quantification and confocal microscopic imaging of AuNC uptake by HeLa cells also been described. Due to the large Stokes shift, proper setting of filters in flow cytometry and confocal microscopy is necessary for efficient detection of near-infrared photoluminescence of AuNCs.

A reliable and easily reproducible method for preparation of functionalizable, near-infrared emitting photoluminescent gold nanoclusters and their direct detection inside HeLa cells by flow cytometry and confocal laser scanning microscopy is described.

Sintesi di nanocluster d'oro a emissione di infrarossi nel vicino infrarosso per applicazioni biologiche

Over the past decade, fluorescent gold nanoclusters (AuNCs) have witnessed growing popularity in biological applications and enormous efforts have been ...

Injectable Supramolecular Polymer-Nanoparticle Hydrogels for Cell and Drug Delivery Applications

These methods describe how to formulate injectable, supramolecular polymer-nanoparticle (PNP) hydrogels for&#160;use as biomaterials. PNP hydrogels are composed of two components: hydrophobically modified cellulose as the network polymer and self-assembled core-shell nanoparticles that act as non-covalent cross linkers through dynamic, multivalent interactions. These methods describe both the formation of these self-assembled nanoparticles through nanoprecipitation as well as the formulation and mixing of the two components to form hydrogels with tunable mechanical properties. The use of dynamic light scattering (DLS) and rheology to characterize the quality of the synthesized materials is also detailed. Finally, the utility of these hydrogels for drug delivery, biopharmaceutical stabilization, and cell encapsulation and delivery is demonstrated through in vitro experiments to characterize&#160;drug release, thermal stability, and cell settling and viability. Due to its biocompatibility, injectability, and mild gel formation conditions, this hydrogel system is a readily tunable platform suitable for a range of biomedical applications.

This protocol describes the synthesis and formulation of injectable, supramolecular polymer-nanoparticle (PNP) hydrogel biomaterials. Applications of these materials for drug delivery, biopharmaceutical stabilization, and cell encapsulation and delivery are demonstrated.

Idrogel supramolecolari supramolecolari iniettabili per applicazioni di somministrazione di cellule e farmaci

These methods describe how to formulate injectable, supramolecular polymer-nanoparticle (PNP) hydrogels for&#160;use as biomaterials. PNP hydrogels are ...