우리는 또한 시간 설명한 방법의 대부분을 개발하기 위해 샤오유 미아오와 벤 윌슨 감사하고 싶습니다. 이 작품은 국립 과학 재단 (DBI 0,454,324) 및 보건 국립 연구소 (R21 EB005183)와 ECK에 NIGMS에서 PHS NRSA T32 GM07270에 의해 투자되었다.

1. 임의의 Au Nanoparticle의 어레이 제작 8,10,12,14 <ol><li> 의 Au nanoparticle의 배열이 처음 454 nm의 직경의 의미 무작위 adsorbed 라텍스 분야의 고밀도 레이어 만든 템플릿을 생성하여 형성됩니다. 이것은 점착 층으로 크롬을 사용하여 20 nm의 두께의 유리 coverslip 첫 증발 금에 의해 이루어진다. </li><li> 폴리스티렌 구체를 monolayer 다음의 혼합물에 골드 코팅 기판을 노출하여 자체 조립은 1 - 에​​틸 -3 - (3 - 디메틸 아미노) carbodiimide 하이드로 클로라이드 (EDC), 라텍스 영역 서스펜션 및 취소 이온화 물. </li><li> 흡착 과정은 1 시간 정도 지난 수 있으며 이외의 흡수 분야는 물이 풍부한 양의 씻겨 있습니다. </li><li> 형성 monolayer는 건조 공기를 허용됩니다. </li><li> 마지막으로, 황금의 20 nm의은 임의 금 nanoparticle 배열을 형성하는 라텍스 영역의 monolayer에 증발됩니다. </li><li> SEM을 사용할 경우, AuNP 배열은 그림 1과 프로세스의 다이어그램은 그림 8에 표시됩니다처럼 보이게하기 위해 SEM 아래에서 볼 수 있습니다. </li></ol> 2. 생물 학적 샘플 준비 9,11 <ol><li> 광학 트래핑 마우스 세포 핵에 대한 샘플 준비가 이제 표시됩니다. </li><li> Acridine 오렌지 염료와 태그 3T3 마우스 세포 핵은 프레드 허치슨 암 연구 센터에서 Tewari 그룹에서 얻은되었습니다. </li><li> 10 (BSA : 마우스 세포 핵) 10 % 정도가 혈청 알부민 (BSA) 인산의이 식염수 (PBS)를 버퍼 소의는 약 1의 농도로 마우스 세포 핵에 추가됩니다. BSA는 기판에 고집에서 핵을 막는 데 도움이됩니다. </li><li> sonication을 사용하여 솔루션을 섞는다. </li><li> 우리 솔루션의 5 UL은 알루미늄 격자 배열 coverslip에 입금됩니다. 솔루션 입금 후 당신이 샘플을 수송하지 않도록 이것은 현미경 무대에 알루미늄 격자로이 단계를 수행하는 것이 좋습니다. </li><li> coverslips &quot;1&quot;두 1 두 스택은 샘플이 많이되는 통하여 오분의 일 coverslip을 지원하는 데 사용됩니다. </li><li> 볼 수있는 현미경 샘플을 위치. </li></ol> 3. 트래핑을위한 방법 <ol><li> 광학 핀셋은 633 NM 레이저 방사가 시료에 도달하는 수 있도록 수정 GFP 17 필터 설정을 갖춘 자이스 혈구 Axio Imager.D1M을 통해 35 MW 헬륨 네온 레이저를 전송하여 건설하고 있습니다. </li><li> 자이스 혈구 LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x의 목적은 이미지의 직경이 약 5 미크론의 세포 핵을하는 데 사용됩니다. </li><li> 샘플이 목적에 따라 배치되면 황금 nanoparticle 배열이나 회절 격자의 현미경을 중점을두고 있습니다. </li><li> 초점이 트랩에 원하는 핵에 달성 때까지 수직 현미경을 번역. </li><li> 입자와 입자를 통해 위치 레이저 트랩 지점 다음 무대가 번역도 레이저 스폿의 위치를​​ 유지한다. </li></ol> 4. 대표 결과 : 무작위 골드 nanoparticle 배열 절차는 그림 1처럼 보이게하기 위해 SEM에 따라 볼 수 있습니다 AuNP의 monolayer를 입금해야합니다. 이러한 plasmonic 핀셋으로 만들어 트래핑 힘을 평균의 10 배에서 20 배를 표준 광학 핀셋에 의해 생성되는 강제 수 있습니다. 입자 감금을 달성하기 plasmonic 핀셋에 필요한 최소 농도는 그림 4에서 다양한 크기의 입자에 대해 표시됩니다. 9,10 회절 격자는 골드 nanodots보다 20 배 이상 트래핑 효율적으로 정렬하고 트래핑을 달성하고 거의 마찬가지로 트래핑 얻을 수있는 17 uW / 음 ... 2 (그림 7). 11로 <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" /> 그림 1 10 자기 조립 금 nanoparticles의 (A) SEM의 현미경. 개인 금 nanoparticles의 직경은 약 450 nm의 수 있습니다. 가까운 필드 방사선을 보여주 nanoparticle 분포가 희박한있는 plasmonic 기판의 (B) NSOM 이미지. 여기 레이저의 파장은 633 nm의 수 있습니다. (B)에있는 빨간색 사각형으로 표시된 영역 (C) 높은 배율 볼 수 있습니다. 624 NM에서 피크를 보여주는 plasmonic 기판의 (D) 산란 효율 스펙트럼. 668 NM에서 피크를 보여주는 plasmonic 기판의 (E) 흡착 효율 스펙트럼. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" /> 그림 2 13 ()의 Au nanospheres가 임의로 2D 도메인 1 배포 × 1 μm의 2. 각 파란색 점이 nanosphere의 중심 (A = 60 나노미터)를 나타냅니다. 임의 nanosphere 배열에 평행 관측 비행기에 산란 필드 배포판은 (B)로 표시됩니다 - (E). nanosphere 배열이 균일하게 540 nm의 파장의 비행기 파도에 의해 조명입니다. 주위 매체의 굴절률은 1.33이다. 폴라X - 축 ((A)에서 수평) 함께 비행기 파 포인트 rization 방향. 사건 전기장의 크기는 계산 1로 간주됩니다. 관측 비행기와 nanosphere 배열 사이의 분리는 H.으로 정의됩니다 B) H =. C) H = 2A. D) H = λ. E) H = 2λ. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" /> 무시 여기 필터 및 빔 - 스플리터 대체 이색성 포함한 맞춤형 형광 현미경 구성의 그림 3 9 도식. 이것은 동시 트래핑 및 형광 이미징에 사용되는 구성입니다. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" /> 그림 4 10 plasmonic 트래핑을 이용하여 액체를 주변의 유속의 함수로 트랩을 유지하기 위해 최소 레이저 강도. 모든 광학 농도는 현미경 목표 아래 샘플 비행기에서 측정됩니다. (A) - (F) 각각 직경 7.3, 6.3 (비 구형), 5.0, 3.9, 2.5 및 1.1 μm의 단일 폴리스티렌 구슬에 대한 측정 결과를 표시합니다. insets는 입자의 해당 미세한 이미지를 보여줍니다. 모든 이미지의 스케일 바의 길이는 5 μm의를 나타냅니다. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" /> 그림 출처 통해 장착되어 라인 5 10 경사면을 그림. 4 plasmonic 트래핑에 대한 입자 크기 비교. 오차 막대는 선형 맞는의 표준 편차를 보여줍니다. 그림에 장착되어 라인의 기울기 (광 강도 임계값 및 유량 사이의 비율). 4 특히 작은 입자에 대한 plasmonic 트래핑의 이점을 나타내는 본 그림 입자 크기가 약 선형 관계가 있습니다. <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" /> 그림 1 - D nanostructures 정기를 이용한 향상된 광학 트래핑 6 11 () 도식 도면. 입사 빔은 지금까지 현장에서 정기 nanostructure에 의해 diffracted 있습니다. 지금까지 현장에서 두 직교 polarizations의 nanostructure과 조명 (B) 강도 분포. (B) FDTD 시뮬레이션을 사용하여 얻은 417 NM 기간과 알루미늄 격자의 표면에 두 직교 polarizations과 빛의 강도 분포. 배포는 평면 알루미늄 표면에 농도로 표준입니다. (C)와 (C) 350 NM의 폴리스티렌 구슬과 구슬 (D) 1 μm의의 폴리스티렌에 대한 직접 입자의 격자 표면 대 위치 이상의 입자 (D) 트래핑 가능성. 흰색 동그라미는 입자의 크기를 보여줍니다. Insets은 비교와 같은 입자 크기에 대한 평면 알루미늄 표면 위의 트래핑 가능성을 보여줍니다. 값은 각각의 입자 크기에 대한 표준입니다. 모든 FDTD 시뮬레이션 수치에 대한보기의 필드는 10 X 8 μm의 2입니다. <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" /> 그림 7 11 격자 라인 빔 편광 직각 다양한 크기의 폴리스티렌 비즈를위한 측정 (A) 트랩 효율 및 최소 트래핑 강도. 삽입 보여줍니다 트랩은 격자의 규칙 3.87 음 ... 폴리스티렌 비드 직각 및 병렬 번역을위한 트래핑 효율성 비대칭성. 실선은 (대형이 비대칭) 격자에 입사 광 편광 직각과 획득이며, 대시 라인 (작은이 비대칭) 격자에 입사 광 편광 병렬로 얻을 수 있습니다. 단위 (PN [MW / μm의 2] -1)입니다. (B) - 형광 590 nm의 폴리스티렌 비드의 (D) 트래핑 데모. 빨간색 동그라미는 레이저 빛이 볼 수 너무 희미로 레이저 스폿의 위치를​​ 나타냅니다. 전원이 입자 트래핑 힘을 극복의 브라운 운동을 저하므로 처음에는 입자는 입자가 탈출 수 있도록, 높은 전력 자리 안에 갇혀있다. (E) - 형광 난소 암 세포 핵의 (G) 트래핑 데모. 트래핑를 시작하는 데 필요한 최소 강도는 16 μW / 20x 목적 렌즈를 사용하여 얻은 μm의 두되었습니다. <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" /> 유리 coverslip에 죽겠어 및 au 얇은 레이어의) 증발 : 캡 모양의 금 nanoparticles의 8 14 제조 절차를 그림. B) 1 시간 동안 분야의 폴리스티렌 구체 서스펜션 및 흡착에 노출. C) 비 adsorbed 폴리스티렌 분야와 표면 건조 제거. 템플릿 분야의 위에 끊을 또 다른 레이어의 D) 증발. 끊을은 템플릿 분야의 상단 측면을 커버 캡 모양의 Au nanoparticle의 배열의 E) 도식.

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	<li>Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanics of Particles. , (1995).</li><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+neutral+particles+using+lasers.">Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).</li><li>Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+photodamage+to+Escherichia+coli+in+optical+traps.">Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps.</a> Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).</li><li>Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. 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Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+dielectrophoresis+force+and+torque+induced+by+localized+surface+plasmon+resonance+of+a+cap-shaped+Au+nanoparticle+array.">Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array.</a> Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).</li><li>Wilson, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , (2009).</li><li>Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+manipulation+of+micron/submicron+sized+particles+and+biomolecules+through+plasmonics.">Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics.</a> Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).</li><li>Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructure-enhanced+laser+tweezers+for+efficient+trapping+and+alignment+of+particles.">Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles.</a> Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).</li><li>Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+Rotation+of+Nanowires+Assisted+by+Surface+Plasmons.">Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).</li><li>Miao, X. Y., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+manipulation+of+biological+particles+through+a+plasmonic+platform.">Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).</li><li>Miao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , (2008).</li></ol>

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

트래핑 이러한 방법의 의미는 그들이 10 μW / μm의 2의 순서에 10 3 μW / μm의 2 곳으로의 순서에 어딘가에서 지속적인 트래핑에 필요한 광학 강도를 감소한다는 것입니다. 이러한 기술에 10,11 제한 금 nanoparticle 배열이 극복되어야 난방 문제를 경험한다는 점입니다. 이 문제를 극복하기 위해 유전 물질로 구성되어 있습니다 2 차원 광자 결정 구조를 사용할 수 있습니다. 이러한 구조는 이론적으로 낮은 광학 농도 및 제어에 트래핑 생산할 수있는 마이크로 및 나노 입자 회전과 입력 편광을 제어하여 정확한 방법으로 위치. 그림 6과 7의 격자 결과 이​​것은 1D 사건에 대한 사실 게재. 다음 단계는 2D 광자 크리스탈을 생성하고 많은 생물 학적 연구 애플 리케이션을 용이하게 수있는 광자 결정 핀셋 배열을 입증하는 것입니다.

<table border="1"><tr><td> 재료 이름 </td><td> 유형 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 논평 </td></tr><tr><td> Axio 영상기 현미경 </td><td> D1M </td><td> 자이스 혈구 </td><td> D1M </td><td> 자이스 혈구 Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> 현미경 목표 </td><td> 50x/0.55 </td><td> 자이스 혈구 </td><td></td><td> LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> 자이스 혈구 현미경 카메라 </td><td> AxioCam MRC </td><td> 자이스 혈구 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 헬륨 네온 레이저 </td><td> 35 MW </td><td> 연구 전자 광학 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 가변 감쇠기 </td><td> 지속적인 가변 ND </td><td> ThorLabs </td><td> NDC - 100C - 4M </td><td> 현미경 강도를 조절하는 </td></tr><tr><td> 자이스 혈구 필터 설정 </td><td> 필터 세트 # 17 </td><td> 자이스 혈구 </td><td> 488017-9901-000 </td><td> 필터 세트 # 17 </td></tr><tr><td> 현미경 슬라이드 </td><td> 0.5 mm 두께 </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3 마우스 세포 핵 </td><td></td><td colspan="2"> 프레드 허치슨 암 연구 센터 </td><td> 가능한 한 차가운 스토어 </td></tr><tr><td> Acridine 오렌지 염료 </td><td></td><td colspan="2"> 프레드 허치슨 암 연구 센터 </td><td></td></tr><tr><td> 소 혈청 알부민 </td><td> PBS에서 1-10 배급 </td><td colspan="2"> 프레드 허치슨 암 연구 센터 </td><td></td></tr><tr><td> 454 NM의 폴리스티렌 라텍스 분야 </td><td></td><td> Polysciences 주식 회사 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimide 하이드로 클로라이드 (EDC) </td><td> 1 - 에​​틸 -3 - (3 - 디메틸 아미노) </td><td> G - Biosciences </td><td> BC25 - 1 </td><td></td></tr><tr><td> 금 (증착을위한) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> 반사 지배 회절 격자 </td><td></td><td> 에드먼드 광학 </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 인산염은 염분 (PBS)를 버퍼 </td><td> Dulbecco의 인산 버퍼 염분 (D - PBS) (1X) </td><td> Invitrogen </td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

utilization of plasmonic and photonic crystal nanostructures for enhanced micro- and nanoparticle manipulation

submicron 입자의 위치와 방향을 조작하는 방법은 nondestructively 기초 생물 학적 연구에 매우 유용한 도구가 될 것입니다. 아마도 작은 입자의 비침 투 조작을 달성하기 위해 가장 널리 사용되는 물리적인 힘 (DEP) dielectrophoresis 왔습니다. 1 단, 자체 DEP는 세포를 조작하면 그것이 전통적으로 고정 전극과 함께 이루어지기 때문에 원하는 수있는 다재 다능한 및 정밀도를 부족합니다. 작은 입자의 힘을 발휘하기 위해 3 차원 전자기 필드 기울기를 활용 광학 핀셋은이 원하는 다목적과 정밀도를 얻을 수 있습니다. 2 단,이 방법의 주요 단점은 입자를 트랩하는 데 필요한 힘을 달성하는 데 필요한 높은 방사선 강도되는 생물 학적 샘플을 손상시킬 수 3 트래핑 낮은 광학 농도와 정렬 가능 솔루션 광전자 핀셋 (OET)하지만 OET의 작은 입자의 미세 조작 제한이되며..되고 DEP 기반 기술은 또한 솔루션의 속성에 제약을두고 사 5 이 동영상이 문서에서는 살아있는 세포의 광학적 조작에 필요한 방사선의 강도를 감소 또한 오리 엔테이션을 제어하는​​ 방법을 설명하는 두 가지 방법을 설명합니다. 첫 번째 방법은 그림 1과 같이 샘플을위한 기판으로 무작위로 금색 nanoparticle (AuNP) 배열을 사용 plasmonic 핀셋입니다. AuNP 배열은 공진 다이폴 순간으로 이루어져화된 표면 plasmons (LSP)로 입사 광자로 변환 방출하고 세포 솔루션에 큰 그라디언트와 패턴 방사선 필드를 생성합니다. Righini 외과 우리 자신의 모델링에 의해 표면 plasmon 향상 트래핑에 초기 작업 트랩 입자. 6,7,8 plasmonic 접근 벌금을 허용하는 plasmonic 기판에 의해 생성된 필드는 그라디언트 필드를 강화하여 필요한 초기 강도를 줄일 수 보였습니다 때문에 기계적 에너지와 쌍극자 - 종속 방사선 분야에보다 효율적인 광학 에너지 변환의 낮은 광학 농도와 ellipsoidal 입자와 세포의 방향을 제어합니다. 이 필드는 그림 2에 표시됩니다 낮은 트래핑의 농도는 그림 4와 5에 대한 자세한 있습니다. plasmonic 핀셋있는 주요 문제 LSP이 열의 상당한을 생성 있다고하고 트래핑은 2 차원이다. 이 열이 트랩에서 submicron 입자를 추방 정도로 강력한 수 있습니다 대류 흐름과 thermophoresis를 생성합니다. 우리가 설명됩니다 9,10 두 번째 접근 방식은 그림 6에서와 같이 회절 모드로 매우 효율적으로 분산형 입사 광에 주기적으로 유전체 nanostructures을 활용합니다 . 11 이상적으로, 하나는 plasmonic 핀셋 경험 같은 난방 문제를 방지하기 위해 유전 물질의 구조를 만들 것입니다하지만 우리 접근법에 알루미늄 코팅 회절 격자는 1 차원 주기적으로 유전체 nanostructure로 사용됩니다. 그것은 반도체 아니지만, 그것은 상당한 가열을 경험하고 효과적으로 그림 7과 같이 낮은 트래핑의 농도와 작은 입자를, 갇힌하지 않았다. 격자 기판과 입자의 정렬은 개념적으로 2 - D 광자 결정이 아닌 구면 미크론 크기의 입자의 정확한 회전을시킬 수있는 제안을 확인합니다. 이러한 광학 트랩의 10 효율성 인해에 설명된 nanostructures 제작한 고급 분야로 증가 아르 본 논문.

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Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

Plasmonic 핀셋 및 광자 크리스탈 nanostructures는 광학 트래핑 마이크로 및 나노 입자의 효율성과 방향 제어에 유용 향상을 생산하기 위해 표시됩니다.

향상된 마이크로 및 Nanoparticle 조작에 대한 Plasmonic 및 광자 크리스탈 Nanostructures 활용

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

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Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

12.2K 조회수.  University of Washington. Plasmonic 핀셋 및 광자 크리스탈 nanostructures는 광학 트래핑 마이크로 및 나노 입자의 효율성과 방향 제어에 유용 향상을 생산하기 위해 표시됩니다.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

전도성 잉크의 평면 및 3 차원 인쇄

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical ...

연구

생체공학

Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently incorporated into film assemblies that serve as adsorption platforms for protein monolayer electrochemistry (PME). PME is utilized as the model system for studying electrochemical properties of redox proteins by confining them to an adsorption platform at a modified electrode, which also serves as a redox partner for electron transfer (ET) reactions. Studies have shown that gold nanoparticle film assemblies of this nature provide for a more homogeneous protein adsorption environment and promote ET without distance dependence compared to the more traditional systems modified with alkanethiol self-assembled monolayers (SAM).1-3 In this paper, MPCs functionalized with hexanethiolate ligands are synthesized using a modified Brust reaction4 and characterized with ultraviolet visible (UV-Vis) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and proton (1H) nuclear magnetic resonance (NMR). MPC films are assembled on SAM modified gold electrode interfaces by using a "dip cycle" method of alternating MPC layers and dithiol linking molecules. Film growth at gold electrode is tracked electrochemically by measuring changes to the double layer charging current of the system. Analogous films assembled on silane modified glass slides allow for optical monitoring of film growth and cross-sectional TEM analysis provides an estimated film thickness. During film assembly, manipulation of the MPC ligand protection as well as the interparticle linkage mechanism allow for networked films, that are readily adaptable, to interface with redox protein having different adsorption mechanism. For example, Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) can be adsorbed hydrophobically to dithiol-linked films of hexanethiolate MPCs and cytochrome c (cyt c) can be immobilized electrostatically at a carboxylic acid modified MPC interfacial layer. In this report, we focus on the film protocol for the AZ system exclusively. Investigations involving the adsorption of proteins on MPC modified synthetic platforms could further the understanding of interactions between biomolecules and man-made materials, and consequently aid the development of biosensor schemes, ET modeling systems, and synthetic biocompatible materials.5-8

Alkanethiolate stabilized gold colloids known as monolayer protected clusters (MPCs) are synthesized, characterized, and assembled into thin films as an adsorption interface for protein monolayer electrochemistry of simple redox protein like Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) and cytochrome c (cyt c).

Monolayer의 합성, 조립, 그리고 특성화는 단백질 Monolayer의 전기에 대한 골드 Nanoparticle 필름을 보호

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

Micro-particle Image Velocimetry for Velocity Profile Measurements of Micro Blood Flows

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to give an accurate velocity profile. A protocol is presented for &mu;PIV measurements of blood flows in microchannels. At the scale of the microcirculation, blood cannot be considered a homogeneous fluid, as it is a suspension of flexible particles suspended in plasma, a Newtonian fluid. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate can be derived from these measurements. Several key parameters such as focal depth, particle concentration, and system compliance, are presented in order to ensure accurate, useful data along with examples and representative results for various hematocrits and flow conditions.

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows which are cross-correlated to give an accurate velocity profile. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate, each of which has clinical applications, can be derived from these measurements.

마이크로 혈액 흐름의 속도 분포 측정을위한 마이크로 입자 이미지 유속계

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to ...

ECM Protein Nanofibers and Nanostructures Engineered Using Surface-initiated Assembly

The extracellular matrix (ECM) in tissues is synthesized and assembled by cells to form a 3D fibrillar, protein network with tightly regulated fiber diameter, composition and organization. In addition to providing structural support, the physical and chemical properties of the ECM play an important role in multiple cellular processes including adhesion, differentiation, and apoptosis. In vivo, the ECM is assembled by exposing cryptic self-assembly (fibrillogenesis) sites within proteins. This process varies for different proteins, but fibronectin (FN) fibrillogenesis is well-characterized and serves as a model system for cell-mediated ECM assembly. Specifically, cells use integrin receptors on the cell membrane to bind FN dimers and actomyosin-generated contractile forces to unfold and expose binding sites for assembly into insoluble fibers. This receptor-mediated process enables cells to assemble and organize the ECM from the cellular to tissue scales. Here, we present a method termed surface-initiated assembly (SIA), which recapitulates cell-mediated matrix assembly using protein-surface interactions to unfold ECM proteins and assemble them into insoluble fibers. First, ECM proteins are adsorbed onto a hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) surface where they partially denature (unfold) and expose cryptic binding domains. The unfolded proteins are then transferred in well-defined micro- and nanopatterns through microcontact printing onto a thermally responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm) surface. Thermally-triggered dissolution of the PIPAAm leads to final assembly and release of insoluble ECM protein nanofibers and nanostructures with well-defined geometries. Complex architectures are possible by engineering defined patterns on the PDMS stamps used for microcontact printing. In addition to FN, the SIA process can be used with laminin, fibrinogen and collagens type I and IV to create multi-component ECM nanostructures. Thus, SIA can be used to engineer ECM protein-based materials with precise control over the protein composition, fiber geometry and scaffold architecture in order to recapitulate the structure and composition of the ECM in vivo.

A method to obtain nanofibers and complex nanostructures from single or multiple extracellular matrix proteins is described. This method uses protein-surface interactions to create free-standing protein-based materials with tunable composition and architecture for use in a variety of tissue engineering and biotechnology applications.

ECM 단백질 나노 섬유 및 나노 구조 엔지니어링 사용하여 표면 시작 회의

The extracellular matrix (ECM) in tissues is synthesized and assembled by cells to form a 3D fibrillar, protein network with tightly regulated fiber ...

Hydrogel Nanoparticle Harvesting of Plasma or Urine for Detecting Low Abundance Proteins

Novel biomarker discovery plays a crucial role in providing more sensitive and specific disease detection. Unfortunately many low-abundance biomarkers that exist in biological fluids cannot be easily detected with mass spectrometry or immunoassays because they are present in very low concentration, are labile, and are often masked by high-abundance proteins such as albumin or immunoglobulin. Bait containing poly(N-isopropylacrylamide) (NIPAm) based nanoparticles are able to overcome these physiological barriers. In one step they are able to capture, concentrate and preserve biomarkers from body fluids. Low-molecular weight analytes enter the core of the nanoparticle and are captured by different organic chemical dyes, which act as high affinity protein baits. The nanoparticles are able to concentrate the proteins of interest by several orders of magnitude. This concentration factor is sufficient to increase the protein level such that the proteins are within the detection limit of current mass spectrometers, western blotting, and immunoassays. Nanoparticles can be incubated with a plethora of biological fluids and they are able to greatly enrich the concentration of low-molecular weight proteins and peptides while excluding albumin and other high-molecular weight proteins. Our data show that a 10,000 fold amplification in the concentration of a particular analyte can be achieved, enabling mass spectrometry and immunoassays to detect previously undetectable biomarkers.

Several pathological biomarkers cannot be easily detected by current techniques because of their low concentration in biological fluids, the presence of degrading enzymes, and large amounts of high molecular weight proteins. Chemically functionalized hydrogel nanoparticles can harvest, preserve and concentrate low abundance proteins enabling the detection of previously undetectable biomarkers.

낮은 풍부 단백질을 검출하기위한 플라즈마 또는 소변의 하이드로 겔 나노 입자 수확

Novel biomarker discovery plays a crucial role in providing more sensitive and specific disease detection. Unfortunately many low-abundance biomarkers ...

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and as soft robots. Here, we demonstrate the preparation of shape-responsive liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites along with characterization of their shape-responsiveness, mechanical properties, and microstructure. Two types of LCEs &#8212; polysiloxane-based and epoxy-based &#8212; are synthesized, aligned, and characterized. Polysiloxane-based LCEs are prepared through two crosslinking steps, the second under an applied load, resulting in monodomain LCEs. Polysiloxane LCE nanocomposites are prepared through the addition of conductive carbon black nanoparticles, both throughout the bulk of the LCE and to the LCE surface. Epoxy-based LCEs are prepared through a reversible esterification reaction. Epoxy-based LCEs are aligned through the application of a uniaxial load at elevated (160 &#176;C) temperatures. Aligned LCEs and LCE nanocomposites are characterized with respect to reversible strain, mechanical stiffness, and liquid crystal ordering using a combination of imaging, two-dimensional X-ray diffraction measurements, differential scanning calorimetry, and dynamic mechanical analysis. LCEs and LCE nanocomposites can be stimulated with heat and/or electrical potential to controllably generate strains in cell culture media, and we demonstrate the application of LCEs as shape-responsive substrates for cell culture using a custom-made apparatus.

We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.

모노 도메인 액정 탄성체 및 액정 엘라스토머 나노 복합 재료의 제조

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

Techniques for the Evolution of Robust Pentose-fermenting Yeast for Bioconversion of Lignocellulose to Ethanol

Lignocellulosic biomass is an abundant, renewable feedstock useful for production of fuel-grade ethanol and other bio-products. Pretreatment and enzyme saccharification processes release sugars that can be fermented by yeast. Traditional industrial yeasts do not ferment xylose (comprising up to 40% of plant sugars) and are not able to function in concentrated hydrolyzates. Concentrated hydrolyzates are needed to support economical ethanol recovery, but they are laden with toxic byproducts generated during pretreatment. While detoxification methods can render hydrolyzates fermentable, they are costly and generate waste disposal liabilities. Here, adaptive evolution and isolation techniques are described and demonstrated to yield derivatives of the native Scheffersomyces stipitis strain NRRL Y-7124 that are able to efficiently convert hydrolyzates to economically recoverable ethanol despite adverse culture conditions. Improved individuals are enriched in an evolving population using multiple selection pressures reliant on natural genetic diversity of the S. stipitis population and mutations induced by exposures to two diverse hydrolyzates, ethanol or UV radiation. Final evolution cultures are dilution plated to harvest predominant isolates, while intermediate populations, frozen in glycerol at various stages of evolution, are enriched on selective media using appropriate stress gradients to recover most promising isolates through dilution plating. Isolates are screened on various hydrolyzate types and ranked using a novel procedure involving dimensionless relative performance index (RPI) transformations of the xylose uptake rate and ethanol yield data. Using the RPI statistical parameter, an overall relative performance average is calculated to rank isolates based on multiple factors, including culture conditions (varying in nutrients and inhibitors) and kinetic characteristics. Through application of these techniques, derivatives of the parent strain had the following improved features in enzyme saccharified hydrolyzates at pH 5-6: reduced initial lag phase preceding growth, reduced diauxic lag during glucose-xylose transition, significantly enhanced fermentation rates, improved ethanol tolerance and accumulation to 40 g/L.

Adaptive evolution and isolation techniques are described and demonstrated to yield derivatives of Scheffersomyces stipitis strain NRRL Y-7124 that are able to rapidly consume hexose and pentose mixed sugars in enzyme saccharified undetoxified hydrolyzates and to accumulate over 40 g/L ethanol.

에탄올에 리그 노 셀룰로즈의 생물에 대한 강력한 펜 토스 발효 효모의 진화를위한 기술

Lignocellulosic biomass is an abundant, renewable feedstock useful for production of fuel-grade ethanol and other bio-products. Pretreatment and enzyme ...

Microfluidic Buffer Exchange for Interference-free Micro/Nanoparticle Cell Engineering

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic properties, enable bio imaging and control cell phenotype. A critical yet inadequately addressed issue is the significant number of particles that remain unbound after cell labeling which cannot be readily removed by conventional centrifugation. This leads to an increase in bio imaging background noise and can impart transformative effects onto neighboring non-target cells. In this protocol, we present an inertial microfluidics-based buffer exchange strategy termed as Dean Flow Fractionation (DFF) to efficiently separate labeled cells from free NPs in a high throughput manner. The developed spiral microdevice facilitates continuous collection (&#62;90% cell recovery) of purified cells (THP-1 and MSCs) suspended in new buffer solution, while achieving &#62;95% depletion of unbound fluorescent dye or dye-loaded NPs (silica or PLGA). This single-step, size-based cell purification strategy enables high cell processing throughput (106 cells/min) and is highly useful for large-volume cell purification of micro/nanoparticle engineered cells to achieve interference-free clinical application.

This protocol describes the use of an inertial microfluidics-based buffer exchange strategy to purify micro/nanoparticle engineered cells with efficient depletion of unbound particles.

간섭이없는 마이크로 / 나노 입자의 세포 공학을위한 미세 유체 버퍼 교환

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic ...

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. Recently, nanoparticles (NPs) have shown significant promise in the development of such delivery systems. Here, a liquid crystal NP (LCNP)-based delivery system has been employed for the controlled delivery of a water-insoluble dye, 3,3&#8242;-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO), from within the NP core to the hydrophobic region of a plasma membrane bilayer. During the synthesis of the NPs, the dye was efficiently incorporated into the hydrophobic LCNP core, as confirmed by multiple spectroscopic analyses. Conjugation of a PEGylated cholesterol derivative to the NP surface (DiO-LCNP-PEG-Chol) enabled the binding of the dye-loaded NPs to the plasma membrane in HEK 293T/17 cells. Time-resolved laser scanning confocal microscopy and F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) imaging confirmed the passive efflux of DiO from the LCNP core and its insertion into the plasma membrane bilayer. Finally, the delivery of DiO as a LCNP-PEG-Chol attenuated the cytotoxicity of DiO; the NP form of DiO exhibited ~30-40% less toxicity compared to DiOfree delivered from bulk solution. This approach demonstrates the utility of the LCNP platform as an efficient modality for the membrane-specific delivery and modulation of hydrophobic molecular cargos.

A liquid crystal nanoparticle (LCNP) nanocarrier is exploited as a vehicle for the controlled delivery of a hydrophobic cargo to the plasma membrane of living cells.

액정 나노 입자 캐리어의 소수성화물 캡슐화의 대상 플라즈마 멤브레인 배달

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...

Synthesis of Biocompatible Liquid Crystal Elastomer Foams as Cell Scaffolds for 3D Spatial Cell Cultures

Here, we present a step-by-step preparation of a 3D, biodegradable, foam-like cell scaffold. These scaffolds were prepared by cross-linking star block co-polymers featuring cholesterol units as side-chain pendant groups, resulting in smectic-A (SmA) liquid crystal elastomers (LCEs). Foam-like scaffolds, prepared using metal templates, feature interconnected microchannels, making them suitable as 3D cell culture scaffolds. The combined properties of the regular structure of the metal foam and of the elastomer result in a 3D cell scaffold that promotes not only higher cell proliferation compared to conventional porous templated films, but also better management of mass transport (i.e., nutrients, gases, waste, etc.). The nature of the metal template allows for the easy manipulation of foam shapes (i.e., rolls or films) and for the preparation of scaffolds of different pore sizes for different cell studies while preserving the interconnected porous nature of the template. The etching process does not affect the chemistry of the elastomers, preserving their biocompatible and biodegradable nature. We show that these smectic LCEs, when grown for extensive time periods, enable the study of clinically relevant and complex tissue constructs while promoting the growth and proliferation of cells.

This study presents a methodology to prepare 3D, biodegradable, foam-like cell scaffolds based on biocompatible side-chain liquid crystal elastomers (LCEs). Confocal microscopy experiments show that foam-like LCEs allow for cell attachment, proliferation, and the spontaneous alignment of C2C12s myoblasts.

3D 공간 세포 배양을위한 세포 발판으로 생체 적합성 액정 엘라스토머 거품의 합성

Here, we present a step-by-step preparation of a 3D, biodegradable, foam-like cell scaffold. These scaffolds were prepared by cross-linking star block ...