This work was supported by the internal fund of the Korea Institute of Science and Technology (2E26180) and by the Next Generation Biomedical Device Platform program, funded by the National Research Foundation of Korea (NRF-2015M3A9E202888).

양이온 교환 1. 제작 미세 유체 칩을 멤브레인 통합 <ol><li> 실리콘 마스터의 준비 <ol><li> 디자인 실리콘 마스터 두 종류 : 양이온 교환 수지와 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)와 마이크로 채널을 구축하기위한 다른 하나의 패턴. 주 : 세부 형상은 단계 1.3.1 및 1.4.1에 대해 설명한다. </li><li> 종래의 포토 리소그래피 (27)을 에칭 깊은 반응성 이온을 사용하여 실리콘 마스터를 제작. </li><li> 30 분 동안 진공 항아리에 트리클로로 실란 (~ 30 μL)와 미세 패턴 실리콘 주인을 silanization합니다. 주의 : 트리클로로 실란은 가연성이며 급성 독성 (흡입, 경구 섭취)을 가진 자연 발화성 액체이다. </li></ol></li><li> PDMS 금형의 제조 <ol><li> 10에서 경화제와 실리콘 엘라스토머 기재 믹스 : 1의 비율이 미 경화 PDMS로 컵을 배치(30 ~ 40 mL의 실리콘 4의 웨이퍼에 미세 복제에 대한) 30 분 동안 진공 항아리에 거품을 제거합니다. 주 : 실리콘베이스는 비닐 그룹과 백금 계 촉매로 종료 실록산 올리고머가 포함되어 있습니다. 경화제는 세 가지 실리콘 - 수소 결합 (28)이 올리고머 가교가 포함되어 있습니다. </li><li> 실리콘 마스터의 비경 PDMS를 부어 송풍기 거품을 제거하고, 대류 오븐에서 2 시간 동안 80 ° C에서 PDMS 치료. </li><li> 칼과 PDMS 모양을 제대로 실리콘 마스터에서 경화 된 PDMS를 분리하고 (그림 2a와 b에 나타낸 바와 같이, 제곱 모양을 ⅳ). </li></ol></li><li> 양이온 교환 막을 패터닝 <ol><li> 상기 두 개의 병렬 미세 채널에 수직 PDMS 몰드의 절반을 절단하여 2.0 mm 생검 펀치로 PDMS 채널의 단부에 구멍을 펀치. 참고 : 양이온 선택적 막을 패터닝을위한 PDMS 금형은 두 파가하기 병렬 마이크로 채널 (폭 : 100 μm의; 높이 : 50 μm의, 채널 간 거리 : 100 μm의, 그림 1a). 금형의 원래 형상은 절단 선을 따라 주형 분리 미러링 상상 될 수있다. L 모양의 마이크로 채널은 중복없이 두 개의 구멍을 펀칭 권장합니다. </li><li> 유리 슬라이드와 테이프로 PDMS 금형 및 송풍기를 청소하고 그들 사이의 가역적 인 첨부 파일을 생성하기 위해 유리 슬라이드에 금형을 넣어. </li><li> 마이크로 플로우 패터닝 기술 (29)에 따르면, 단계 분리 된 채널의 개방 단부에서의 양이온 교환 수지 1.3.1 릴리스 ~ 10 μL (도 1B). 펀치 구멍에 주사기 머리를 놓고 플런저 (그림 1b에서 검은 색 화살표)를 당겨; 부드러운 부압 양이온 교환 수지를 끌어, 수지는 두 채널을 채울 것이다. 주 : 마이크로 채널의 높이보다 큰 15 것을 권장합니다81; m, 수지의 점도가 채널을 채우기 위해 고압을 필요로하기 때문이다. 한편, 패터닝 된 이온 선택성 막보다 두껍게 1 ㎛가되기 때문에 높이가 100 μm의 초과하지 않도록 더 나은; 이러한 두꺼운 막은 막과 PDMS 채널 (13) 사이에 갭을 생성 할 수있다. </li><li> 패터닝 된 수지를 건드리지 않고 PDMS 몰드를 분리하고 수지에서 용매를 증발시켜 5 분 동안 95 ℃에서 가열에 유리 슬라이드를 배치했다. 주 : 상기 패터닝 된 막의 두께는, &lt;1 ㎛보다 일반적으로 작다. 금형 부드럽게 개방형 측에 금형 힌지에 의해 분리 된 (점선와 그림 1b에 화살표)된다. 이 수지를 충전 한 후 금형 미만의 1 분을 분리하는 것이 가장 좋습니다. 몰드 몇 분 후에 분리되는 경우, 두꺼운 막을 얻을 수 있지만 인해 모세관 효과에 오목한 형상을 가질 것이다. </li><li> 불필요한 떼어면도날을 가진 패터닝 된 막의 부분을 구분 라인 패턴 (도 1C)를 만드는. 주 : 여기에 사용 된 양이온 교환 물질은 강, 유리에 접착되지 않는 패턴을 의미하는 그룹 퍼 플루오르있다. 따라서, 간단한 방법 블레이 딩 용이 막의 불필요한 부분을 제거 할 수있다. </li></ol></li><li> 마이크로 멤브레인 패터닝 된 기판의 통합 <ol><li> 마이크로 채널의 말단에 두 개의 구멍을 막 패턴을 단계 130에서 제작 한 막 - 패터닝 된 기판 상에 PDMS 채널 접합 후에 위치 할 다른 두 개의 구멍 펀치. 주 : PDMS 마이크로 채널이 하나의 채널을 갖는다 (: 50-100 μm의, 높이 : 폭 10 μm의), 그러나 그것은 이웃하는 채널 (도 1D)의 단부에 결합된다. </li><li> W (100)와 50 mTorr로 40 초 동안 즉시 산소 플라즈마 처리 후의 박막 패터닝 기판에 PDMS 마이크로 채널 접합. 주 : 마이크로의 중앙에 수직으로 패턴 막을 놓습니다. </li></ol></li></ol> 2. ICP 예비 농도 <ol><li> 실험을위한 준비 <ol><li> 1-100 밀리미터의 KCl, 1 mM의 NaCl을 포함하여 여러 시험 용액을 제조 (PH ~ 7), 1 mM의 염화나트륨 및 0.2 mM의 염산 (약 pH 3.7), 1 mM의 염화나트륨 및 0.2 mM의 수산화 나트륨 (PH의 혼합물의 혼합물을 ~ 10.3), 및 1X 인산염 완충 식염수. </li><li> 테스트 솔루션에 음으로 하전 된 형광 염료 (~ 1.55 μM)를 추가합니다. 주 : 염료 충전 전류 (30), (31)에 기여하지 않도록 첨가 된 염료의 농도는 염 이온 (&lt;10 μM)보다 훨씬 낮아야한다. </li><li> 상기 채널 중 하나를 저장조의 샘플 용액로드 및 용액과 채널을 채우는 다른 저장조에 부압을 적용한다. 연구에 의해 유체 역학적으로 두 개의 저수지를 연결큰 방울을 eleasing 것은 채널 (도 2a)을 따라 압력 구배를 제거한다. </li><li> 저수지의 ICP 효과를 보상하기 위해 주사기 또는 피펫을 사용하여 완충 용액 (1 M KCl을, 1 M의 NaCl)에, 양이온 교환 패턴에 연결되어있는 두 개의 저장조를 채운다. </li><li> 두 패턴 화 막 (오른쪽 왼쪽 저장조 캐소드에서 애노드)를 통해 상기 저장소에서 와이어를 배치하고, 소스 측정 유닛 (도 2a)로 연결한다. </li></ol></li><li> 유도 결합 플라스마 현상과 ICP의 농축의 시각화 <ol><li> 반전 표면 형광 현미경에 ICP 장치를로드합니다. 전압 (0.5100 V)를 적용하고, 소스 측정 유닛과 전류 반응을 측정한다. </li><li> 전하 결합 소자 카메라로 형광 이미지를 캡처 및 이미징 소프트웨어 (32)를 사용하여 형광 강도를 분석한다. </li></ol></li></ol>

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S., Kim, B., Lan, C., Han, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+salt+removal+by+unipolar+ion+conduction+in+ion+concentration+polarization+desalination.">Enhanced salt removal by unipolar ion conduction in ion concentration polarization desalination.</a> Sci. Rep. 6, 25349 (2016).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

우리는 10,000 배 달성 제조 프로토콜과인가 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을 범위의 시공간 정의 된 예비 집 신기의 성능과의 pH (3.7-10.3)를 설명했다 10 분 내에서 염료 및 단백질의 농축. 이전 ICP 장치 등으로, 농축 성능은 높은 전압에서 더 낮은 이온 강도로된다. 우리가 여기에서 고려할 수있는 하나의 추가 매개 변수는이 양이온 교환막 사이의 거리입니다. 우리는 층간 막 거리를 증가 시키면, 전계가 농축 속도 (26)의 감소의 결과로, 동일한인가 전압에 따라 감소한다. 본 연구에 사용 된 마이크로 플로우 패터닝 기술 (29)은 패터닝 양이온 교환 수지에 대한 강력한 방법이므로 마이크로 유체 시스템에 이온 교환 물질을 통합 금 표준 방법 중 하나이다. 엔evertheless, 짧은 막간 거리 (미만인 수백 마이크로 미터) 두 병치 양이온 교환 막을 제조 할 필요가있다. 1.3.3-1.3.4 단계에서, 상기 양이온 교환 수지는 액상이다. 따라서, 두 개의 미세 채널에서 수지가 축소 될 수 있고, 채널의 개방 단부에 남은 수지 강하는 몰드 착탈시 범람있다 (단계 1.3.4.). 높은 패턴 충실도 두 양이온 교환막을 구축하기 위해 상대적으로 높은 점도 (용매의 양이온 교환 물질의 20 %)로 수지를 사용하고 신중 지정된 분리 방향과 탈착 공정을 설정한다. 이 플랫폼의 높은 운영 유연성이 증명되었다하더라도, 독자는 운영 창에서 넓은 범위에서 최적의 조건을 확인하는 방법에 대한 염려 할 수 있습니다. 하나의 대표 절충은 농축 속도 및 ICP 효과의 안정성 사이이다. 할 수있는곽 등의 알에 그림 5에서 볼 수. 26, 높은인가 전압 (&gt; 50 V)을 신속하게 목표 응축 수있다; 그러나, 이것은 또한 시료 농축의 안정성을 감소 공핍 영역 (1 ㎜ /도 7a에서의 pH 7)에 강한 소용돌이를 유도한다. 따라서, 농축 속도가 33을 예측하기 어려워진다. 현재 단계에서, 우리는 안정적인 예측 및 시공간으로 고정 농축에 대한 상대적으로 낮은 전압 (&lt;30 V) 및 이온 강도 (&lt;10 밀리미터)와 실험 조건을 사용하는 것이 좋습니다. 농축 속도 및 농축 정도 플러그의 안정성 간의 트레이드 오프는 비선형의 ICP 소스 (표면 전도 EOF 및 전기 삼투 불안정성)에 관한 것이다. 비교적 작은 전압 (&lt;50 V)에서의 비선형 ICP의 주요 소스 공핍 영역의 코 히어 런트 와류 쌍을 생성 EOF이다 (도 3b), 이는 르안정적인 농축에 광고를 게재합니다. 비교적 높은 전압 (&gt; 50 V)에서, 비선형 ICP의 주요 소스는 전기 삼투하는 불안정성의 농축의 안정성을 감소 혼란 다중 와류를 생성 변경된다. 최근, 종이 기반 플랫폼은 ICP 등의 판 등에 의해 개발되었다. 34, 공 등. 19 일 및 한 등. 21. 미세 다공성 구조와 이러한 용지 장치는 전기 삼투 불안정성 4 35 억제 및 안정성 문제를 해소 할 수있다. 그러나, 용지 채널의 크기는 일반적으로 종래의 미세 유체 채널보다 더 큰 약 0.5 mm이다. 임의의 섬유 네트워크와이 넓은 용지 채널은 농축 정도 플러그의 불규칙한 움직임을 발생합니다. 이것은 종이 기반 ICP의 예비 집 신기에 피할 수 있었다 최소 기능 때문에(종이 채널을 구축 즉, 제조 방법) 왁스 패턴 종이 절단의 크기는 몇 백 마이크로 미터에 관한 것입니다. 유도 결합 플라스마 예비 집 신기는 다양한 바이오 에이전트 preconcentrating biomicrofluidic위한 다양한 플랫폼에 사용되어왔다; 각종 분석의 신호를 증폭하는 단계; 이러한 치료 용 단백질 36, 펩티드 37, 등 검출 대상 (17)을 압 타머, 38 효소. 이러한 이전 작품 형광 표지 된 생체 분자를 대상으로. 우리는 실제 운전 조건 지정 (즉, 전압을 유량)을 농축 사이트를 유지하기 위해, 우리는 먼저 예비 집 신기 대상에 적절한 조건을 찾아 낼 필요가 없기 때문이다. 이전 연구에서 벗어나지 병합 ICP 현상은 높은 유연성을 유지하면서, 우리는 항상 작동 조건의 넓은 범위의 농축 정도 플러그를 고정 할 수 있도록ICP 장치. 예를 들어, 우리는 접선 유체 흐름과 병합 ICP 시스템을 조절할 수 있고, 연속 흐름 모드 (39)로 동작한다. 이것은 우리가 지금 시각화 악기와 추적자를 사용하지 않고 탐지 기술이없는 레이블을 ICP의 예비 집 신기의 애플리케이션을 확장 할 수 있음을 나타냅니다. 시공간 제어 성의 독특한 장점은 중합 효소 연쇄 반응 기계 및 질량 분광계와 같은 일반적인 탁상 플랫폼 갖는 ICP 장치를 통합하는 강한 상업적 기회를 제공한다.

이온 농도 분극 (ICP)의 이온 농도 기울기 1, 2 부가 전위 강하의 결과로 이온 투과성 막에 농축 이온 고갈 중에 발생하는 현상을 말한다. 이 농도 구배는 직선이며, 더 높은 전압이 막에 이온 농도까지 (오믹 체제)인가로 급격하게 제로 (제한 체제)에 접근한다. 확산이 제한된 상태에서, 기울기 (및 대응하는 이온 플럭스) / 최대화 한 포화되는 것으로 알려져있다. 전압 (또는 전류) 더 증가 할 때, 종래의 이해를 넘어, overlimiting 전류가 존 경계 1,3- 평평한 공핍 영역과 매우 날카로운 농도 기울기로 관측되었다. 평면 영역은 매우 낮은 이온 농도를 갖고 있지만 표면 전도 전자 osmoti<html> C 흐름 (EOF) 및 / 또는 전기 삼투 불안정 이온 플럭스를 촉진하고 overlimiting 전류 3, 4, 5를 유도한다. 6, 7, 8, 9 및 / 또는 preconcentrates 걸러 정전 장벽, 10, 11을 대상으로 흥미롭게 평탄 공핍 영역이 작용한다. (전기적 중성을 만족 용) 대전 입자의 표면 전하를 선별하는 이온의 양이 부족하기 때문에, 입자가이 공핍 영역을 통과하기 때문에 그 경계에서 줄 수 없다. 이 비선형 ICP 효과는, 막 10, 11, 12, 13, 다양한 종류의 일반적인 현상&gt; 14 기하학 6, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; 연구자 여과 6, 7, 8의 다양한 형태를 개발할 수 있었던 이유는, 9이며 상기 비선형 ICP를 이용하여 10, 11, 농축 장치. 심지어 높은 유연성 및 견고성 여전히 비선형 ICP 장치에 대한 운전 조건을 명확히하기위한 실용적인 도전이다. 유도 결합 플라스마의 비선형 체제 신속 음극쪽으로 이동하는 음이온의 변위를 야기하는 양이온 교환 막을 통해 양이온을 제거한다. 로그 결과, 평탄 공핍 영역은 충격 전파 22 연상하는 빨리 전파한다. 마니 등. 이 역동적 인 탈 이온화 (또는 고갈) (23)를 충격했다. 이온 공핍 영역의 확장을 방지 지정된 위치에서 촬상 대상 preconcentrate 것은 예를 들면, 확장 영역 (24)에 대해 EOF 또는 압력 구동 흐름을 적용하여 필요하다. Zangle 등은. 22은 1 차원 모델에서 ICP 전파 기준을 명확히하고, 고도로 전기 영동 이동도 17, 이온 강도 (18) 등의 pH 25, 및에 의존한다. 이것은 적절한 작동 조건 샘플 조건에 따라 변경 될 것을 나타냅니다. 여기, 우리는 spatiotemp 내 목표를 preconcentrates 신규 ICP 플랫폼을위한 상세 설계 및 실험 프로토콜을 제시구두 위치 (26)을 정의했다. 이온 공핍 영역의 확장이없이 작동 시간의 지정된 위치에 고정 농축 플러그두고 이온 풍부 영역에 의해인가 전압, 이온 강도 및 pH가 차단된다. 상세한 영상 프로토콜은 미세 유체 소자로 양이온 교환막를 통합하고, 종래에 비해 새로운 ICP 플랫폼 농축 성능을 입증하기 위해 단순한 방법을 도시하기위한 것이다.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="720">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:239px;">Sylgard 184 Silicone Elastomer kit</td>
			<td style="width:195px;">Dow Corning</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:239px;">Trichlorosilane</td>
			<td style="width:195px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">175552</td>
			<td>Highly toxic</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Nafion perfluorinated resin, 20 wt%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">527122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Sodium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">71394</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Potassium chloride</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">60121</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Alexa Fluor 488 carboxylic acid, succinimidyl ester</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td style="width:119px;">A20000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Isothiocyanate-conjugated albumin</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">A9771</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Phosphate buffer saline, 1X</td>
			<td>Wengene</td>
			<td style="width:119px;">LB004-02</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Tween 20&#160;</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">P1379</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Epifluorescence microscope</td>
			<td>Olympus</td>
			<td style="width:119px;">IX-71</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Charged-coupled device camera</td>
			<td>Hamamtsu Co.</td>
			<td style="width:119px;">ImageEM X2</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Source measurement unit</td>
			<td>Keithley Instruments</td>
			<td style="width:119px;">2635A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:239px;">Covance-MP</td>
			<td style="width:195px;">Femto Science</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

merging ion concentration polarization between juxtaposed ion exchange membranes to block the propagation of the polarization zone

이온 농도 분극 (ICP) 현상은 미량의 생체 시료를 preconcentrate하는 가장 지배적 인 우세한 방법 중 하나입니다. 유도 결합 플라스마 충전 생체 분자 (즉, 이온 고갈 영역)에 대한 비 침습적 영역을 유도하고, 대상은이 지역 경계에 농축 정도 할 수 있습니다. ICP로 농축 높은 성능에도 불구하고, 비 증식 이온 공핍 영역의 동작 조건을 검색하는 것이 곤란하다. 이 좁은 운영 창을 극복하기 위해, 우리는 최근 시공간으로 고정 농축을위한 새로운 플랫폼을 개발했다. 단 이온 고갈 사용 방법 이전과는 달리,이 플랫폼은 이온 공핍 영역의 전파를 중지 ICP (즉, 이온 농축)의 반대 극성을 이용한다. 공핍 영역이있는 농축 영역을 마주하여 두 영역이 함께 병합하고 멈춘다. 본 논문에서는이 시공간으로 정의 ICP의 platf을 구축 할 수있는 자세한 실험 프로토콜을 설명ORM 종래 장치들과 그들을 비교함으로써 새로운 플랫폼의 농축 동력학을 특성화. 질적 이온의 농도 프로파일 및 현재 시간 응답이 성공적으로 병합 ICP 및 독립형 ICP의 다른 다이나믹 캡처. 만 ~ 5 V로 농축 위치를 고정 할 수있는 통상적 인 것과 대조적으로, 새로운 플랫폼은 동작 조건의 넓은 범위 내의 특정 위치에서 목표 응축 플러그를 생성 할 수있다 : 전압 (0.5 내지 V), 이온 강도 (1-100 mM)을하여 pH (3.7-10.3).

멤브레인 통합 마이크로 유체 예비 집 신기의 개략적 인 제조 단계는도 1에 도시된다. 제조에 대한 상세한 설명은 프로토콜에 주어진다. 디자인과 시공간으로 정의 된 예비 집 신기 (26)의 장치 이미지는 종래의 예비 집 신기 (11) (그림 2)의 것과 대조된다. 시공간 정의 된 예비 집 신기의 ICP 현상은 전류 - 전압 응답 시간과 형광 강도 프로파일 (도 3-4)의 관점에서 연구되었다. 유도 결합 플라스마 단일 막 예비 집 신기 (3), (11), 세 개의 다른 정권과 현상 (오믹, 제한 및 overlimiting) 전류 - 전압 곡선에서 관찰되었다 유사 : 0.5 V (오믹 한정) 및 5 V (overlimiting) . 그러나, 비 인습적 인 현재 복구했다이온 농축 이온 공핍 영역이 병합으로 현재 시간에서 검출 된 곡선. 다음으로, ICP의 농축은 시공간으로 정의 된 예비 집 신기 (그림 5)과 종래의 멤브레인 장치 (그림 6)와 다른 시간과 전압에서 시험 하였다. 농축 역학 형광 이미지, 현재 시간 응답 및 다른 거리와 시간 이상 형광 강도 그래프에 의해 정량화 하였다. 두 플랫폼을 비교하면 새 ICP 플랫폼은 항상 두 양이온 선택성 막 패턴 사이 타겟 (형광 색소)를 수집하는 장점을 보여준다. 또한,이 농축 플러그가 작동 조건의 넓은 범위 (도면에서 병합 ICP 된 예비 집 신기의 가용성을 확인하는 다른 이온 강도 (1-100 mM의 염화나트륨) 및 pH 값 (3.7-10.3)에서 동일하게 유지하는 것이 확인되었다 7). 그림 8에서, 10,000 배의 단백질 preconcentrATION도 증명되었다. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig1.jpg" /> 도 양이온 교환막 통합 마이크로 유체 칩의 제조 단계 1. 29 막의 패터닝 된 유리 기판을 산소 플라즈마 처리 (d)에 의해 PDMS 마이크로 채널과 결합는 - PDMS 몰드 마이크로 플로우 패터닝 기술 (C A)를 사용하여 양이온 교환 수지를 충전 한 후. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig2.jpg" /> 그림 시공간 정의 된 예비 집 신기 (a)와 종래의 예비 집 신기 2. 회로도 (b). (a)에서 회전자 새로운 플랫폼은 두 개의 막 패턴 (I), 이온 고갈 사이에 / 농축 영역은 개발 및 선형과 함께 합병 (옴과 정권을 제한, ⅱ) 또는 비선형 (정권을 overlimiting, ⅲ) 농도 프로파일을. 세 현재 정권 이온 농축 구역 블록 공핍 영역 및 대상의 전파 (중공 원; I) 이온 고갈과 보충 영역 (나는 곡선, 점선)의 계면에서의 농축 정도된다. PDMS의 채널의 벽은 음으로 대전되고,이 전계에 따라 두 개의 양이온 교환막 사이의 전기 삼투 흐름 (EOF)을 생성한다. EOF를 지속적으로 고갈과 보충 영역의 계면쪽으로 목표를 제공한다. (b) 종래의 플랫폼에서, 단지 이온 공핍 영역이 선형으로 막 근처 개발 (오믹 정권 제한, II)는 비선형 (정권 overlimiting; III)의 농도 구배. EOF가 대상을 제공 바와 같이, 농축 알그래서 공핍 영역의 경계에서 발생하지만,이 영역 (및 농축 정도 플러그) (검은 화살표; I) 멀리 양이온 교환막으로 이동한다. 이는 이온 풍부 영역없이 여기 이온 농도의 증가가 있다는 것을 알 수있다 (II-III). (AB)에서, 상기 장치는 화상을 (IV)를 나타낸다. C 0은 초기의 이온 농도를 나타낸다. V +와 G는 각각 양극과 음극을 나타낸다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 26t에서 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig3.jpg" /> 그림 3. 두 개의 양이온 교환 막을 사이에 ICP 현상을 병합. (a)는 전류 - 전압 곡선은 세 가지 regim를 도시ES는 (옴은 제한 및 overlimiting). 현재의 반응은 3 회 반복하여 0.25 V마다 40 S, 이산 간격으로 전압을 램핑에 의해 측정된다. 오류 바로 현재의 응답의 표준 편차를 나타냅니다. (b는 c) 세 정권 형광 화상 (b)와 채널 (C)의 중간에서 &#39;AA 따라 강도 프로파일을 얻었다. 노란색, 점선 상자는 양이온 선택 막의 위치를 ​​나타냅니다. 1.55 μM (1 μg의 / mL)을 음으로 하전 된 형광 염료와 1 mM의 KCl을 용액을 사용 하였다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig4.jpg" /> 그림 4. <stroNG&gt; 이온 고갈과 농축 영역을 병합 과도 역학. (a, b)는 오믹 한정 체제에서, 선형 농도 구배 &lt;(1S) 양이온 교환막으로부터 (1S을하고 서로 겹치지)&gt; 성장. overlimiting 정권에서 (다)의 두 ICP 영역은 더 빠르게 (0.2 초에서 검은 색 화살표) 고갈 충격과 (&lt;0.6의) 병합됩니다. (d - F)의 응답은 전류가 초기에 의한 낮은 전기 전도도에 대응 저농도 공핍 영역의 성장에 적하 보여 현재 시간. 현재 강하는 다음 인해 두 막 사이에 밀폐 된 와류에 의해 대류 전송에 회수된다. 미국 화학 협회의 허가 참조 된 26 일부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> &lt;유지-together.within 페이지 = &quot;1&quot;&gt; : FO P 클래스 = &quot;jove_content&quot; <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig5.jpg" /> 그림 5. 시공간 5, 10에서 농축 고정, 20 V. (A - C) 병합 된 ICP의 형광 이미지와 현재 시간 응답 (D - F) 시간 (0 ~ 100의) 이상. 노랑, 점선은 양이온 교환막의 위치를 ​​나타낸다. (g) 시간 경과 형광 강도 프로파일 ( &#39;AA) 마이크로 채널을 따라 그려. 피크 강도는 시간이 고정 된 위치에, 통과 증가한다. (시간) 피크 강도 배 (즉, 초기 형광 강도보다 몇 배 이상). 높은 전압에서 빠른 EOF 이온 고갈과 보충 영역의 계면쪽으로 목표를 제공하므로 농축 속도가 증가한다. 20 V에서의 스파이크가 고갈 충격에 의해 유도된다 ( <strong&gt;도 4c). 이 염료를 푸시으로하는 형광 염료가 충격 경계에 축적된다. 공핍 충격 피크 강도 곡선에서 스파이크를 생성 이온 풍부 영역을 충족 할 때 초기 축적 후 다소 분산된다. 도 4c에서 볼 수있는 바와 같이, 0.8 s의 피크는 0.4 S에서보다 넓게 하였다. 왼쪽 피온 패턴 (도 2a)의 좌측이 전기적으로 부유하고, 축적 된 염료가 확산 할 수 있기 때문일. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig5large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig6.jpg" /> 5, 10 및 20 V에서 종래의 ICP 예비 집 신기도 6 ICP 현상. (a - c) 이온 공핍 영역의 형광 이미지 및 현재 시간 응답 (d - f)는 시간 경과 (0-100 S). 공핍 영역 및 농축 플러그의 전파 명확 형광 이미지를 시각화한다. 현재 복구에도 overlimiting 정권에 발생하지 않도록 따라서, 와류는 제한되지 않습니다. 황색, 점선은 양이온 교환막의 위치를 ​​표시한다. (g) 시간 경과 형광 강도 프로파일 ( &#39;AA) 마이크로 채널을 따라 그려. 시간이 지남에 따라, 피크 강도는 증가하지만, 위치는 막으로부터 멀리 이동한다. 종래의 ICP 장치 (H) 피크 강도 배. 염료가 농축 정도되었을 때 형광 강도가 증가하기 때문에 병합 ICP 장치 (도 5H)과 달리, ICP 영역의 한정 없이는 강도 스파이크 없다. t의 증가그 강도가 배 (특정 전압) 동시에 병합 ICP 장치와 유사하다 피크. 이 농축 정도 플러그가 제 위치에 유지되는 시간은 농축 성능에 결정적임을 나타낸다. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig6large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig7.jpg" /> 다양한 이온 강도에서 그림 7. 시공간으로 정의 농축 (1-100 mM의 염화나트륨) 및 pH 값 (3.7-10.3). (a) 50 V. 된대로 동작 100 초 후에 얻어지는 형광 이미지를 볼 수 있고, 농축 플러그의 위치는 강도 이온 높은하에 약해져, 비록 두 개의 양이온 교환막 (황색 점선) 사이에 여전히 강도와 강한 산성 또는 염기성의해결책. (나, 다)의 피크 강도의 위치와 강도 배 (예. 몇 번 더 초기 강도보다) 하나의 조건 (1, 10, 20, 10에서 50 매핑, 100 V., 100 밀리미터 및 / 또는 pH를 3.7, 7, 10), 네 개의 전압 조건에 대응하여 4 개의 데이터 포인트가 존재한다. 보다 높은 전압에서보다 높은 피크가 모든 경우에 배 강화있다. 100 V는 피크 강도가 이미 피크 강도 프로파일에서 50 V.에서 (인해 카메라의 포화) 가장 높은 값을 접촉하기 때문에 1 mM의 염화나트륨 (pH가 7)에서 시험하지 않은 피크 영역은도 1, 식별 오차 막대 (b, c)로 표시되는 피크 강도, % 미만. 높은 전압과 강한 EOF 높은 강도 접어 선명 농축 플러그, 우측의 피크 위치를 이동. 회색 박스는 양이온 교환막의 위치를 ​​나타낸다. 0의 거리 (a)는 X 축의 원점을 나타내고, (b, c), 이는 인왼쪽 양이온 교환막의 오른쪽 가장자리에. 거리의 원점 왼쪽 멤브레인의 오른쪽 에지이다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig7large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/55313/55313fig8.jpg" /> 시공간으로 고정 된 단백질 농축 8. 데모 그림. 1X 인산 완충 생리 식염수에 FITC 알부민 (1 μg의 / ㎖)을 사용 하였다. 0.1 % 트윈 20과 같은 비특이적 인 결합을 방지하기 위해 첨가 하였다. 농축 거의 높은 이온 강도 (그림 7)에서 달성되지 않기 때문에, 우리는 피온 패턴 (200 μm의)의 폭을 두 배로 좁은 PDMS 채널 (50 μm의)를 사용했다. 이와 같이, ICP의 농축의 성능에 의해 향상시켰다이온 통로를 확대하여 채널 이온의 절대량을 감소시킬 수있다. 100 V의 최대 형광 강도를 평균화의인가 전압에서 두 개의 양이온 교환막 사이의 영역 흰 점선 박스로 추적 하였다. 동작 10 분 이내에, 단백질은 각각 10,000 및 100 배 preconcentrations를 나타내는, 10 ㎎ / ㎖ (피크) 및 ~ 0.1 ㎎ / ㎖ (평균화)까지시켜 농축 하였다. 삽입 된 형광 화상은 0, 10, 20 분에서 얻었다. 본 연구에서는 20 분 작업은 표적 분자를 preconcentrate에 충분했다, 그래서 우리는 더 이상 운영 시간을 포함하지 않았다. 미국 화학 협회의 허가를 참조 (26)로부터 재판. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55313/55313fig8large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Merging Ion Concentration Polarization between Juxtaposed Ion Exchange Membranes to Block the Propagation of the Polarization Zone

작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다.

나란히 이온 교환 멤브레인 사이의 이온 농도 분극을 병합하면 편광 영역의 전파를 차단하는

The ion concentration polarization (ICP) phenomenon is one of the most prevailing methods to preconcentrate low-abundance biological samples. The ICP ...

merging-ion-concentration-polarization-between-juxtaposed-ion

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

8.4K 조회수.  Korea Institute of Science and Technology.  작동 조건에 관계없이 상기 ICP 대역의 전파를 정지 할 수있는 신규 한 이온 농도 분극 (ICP) 플랫폼에 대한 프로토콜을 설명한다. 플랫폼의 독특한 능력은 ICP 현상이 극성은 이온 고갈과 농축, 병합의 사용에있다. 

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Fluorescent Nanoparticles for the Measurement of Ion Concentration in Biological Systems

Tightly regulated ion homeostasis throughout the body is necessary for the prevention of such debilitating states as dehydration.1 In contrast, rapid ion fluxes at the cellular level are required for initiating action potentials in excitable cells.2 Sodium regulation plays an important role in both of these cases; however, no method currently exists for continuously monitoring sodium levels in vivo 3 and intracellular sodium probes 4 do not provide similar detailed results as calcium probes. In an effort to fill both of these voids, fluorescent nanosensors have been developed that can monitor sodium concentrations in vitro and in vivo.5,6 These sensors are based on ion-selective optode technology and consist of plasticized polymeric particles in which sodium specific recognition elements, pH-sensitive fluorophores, and additives are embedded.7-9 Mechanistically, the sodium recognition element extracts sodium into the sensor. 10 This extraction causes the pH-sensitive fluorophore to release a hydrogen ion to maintain charge neutrality within the sensor which causes a change in fluorescence. The sodium sensors are reversible and selective for sodium over potassium even at high intracellular concentrations.6 They are approximately 120 nm in diameter and are coated with polyethylene glycol to impart biocompatibility. Using microinjection techniques, the sensors can be delivered into the cytoplasm of cells where they have been shown to monitor the temporal and spatial sodium dynamics of beating cardiac myocytes.11 Additionally, they have also tracked real-time changes in sodium concentrations in vivo when injected subcutaneously into mice.3 Herein, we explain in detail and demonstrate the methodology for fabricating fluorescent sodium nanosensors and briefly demonstrate the biological applications our lab uses the nanosensors for: the microinjection of the sensors into cells; and the subcutaneous injection of the sensors into mice.

Fluorescent nanoparticles produced in our lab are used for imaging ion concentrations and ion fluxes in biological systems such as cells during signaling and interstitial fluid during physiological homeostasis.

생물 학적 시스템에서 이온 농도의 측정을위한 형광 Nanoparticles

Tightly regulated ion homeostasis throughout the body is necessary for the prevention of such debilitating states as dehydration.1 In contrast, rapid ion ...

연구

생체공학

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

의 순환 압력 생물 반응기 설계 예 VIVO</em대동맥 심장 밸브> 학습

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

Alginate Microcapsule as a 3D Platform for Propagation and Differentiation of Human Embryonic Stem Cells (hESC) to Different Lineages

Human embryonic stem cells (hESC) are emerging as an attractive alternative source for cell replacement therapy since they can be expanded in culture indefinitely and differentiated to any cell types in the body. Various types of biomaterials have also been used in stem cell cultures to provide a microenvironment mimicking the stem cell niche1-3. The latter is important for promoting cell-to-cell interaction, cell proliferation, and differentiation into specific lineages as well as tissue organization by providing a three-dimensional (3D) environment4 such as encapsulation. The principle of cell encapsulation involves entrapment of living cells within the confines of semi-permeable membranes in 3D cultures2. These membranes allow for the exchange of nutrients, oxygen and stimuli across the membranes, whereas antibodies and immune cells from the host that are larger than the capsule pore size are excluded5. Here, we present an approach to culture and differentiate hESC DA neurons in a 3D microenvironment using alginate microcapsules. We have modified the culture conditions2 to enhance the viability of encapsulated hESC. We have previously shown that the addition of p160-Rho-associated coiled-coil kinase (ROCK) inhibitor, Y-27632 and human fetal fibroblast-conditioned serum replacement medium (hFF-CM) to the 3D platform significantly enhanced the viability of encapsulated hESC in which the cells expressed definitive endoderm marker genes1. We have now used this 3D platform for the propagation of hESC and efficient differentiation to DA neurons. Protein and gene expression analyses after the final stage of DA neuronal differentiation showed an increased expression of tyrosine hydroxylase (TH), a marker for DA neurons, &gt;100 folds after 2 weeks. We hypothesized that our 3D platform using alginate microcapsules may be useful to study the proliferation and directed differentiation of hESC to various lineages. This 3D system also allows the separation of feeder cells from hESC during the process of differentiation and also has potential for immune-isolation during transplantation in the future.

Alginate Microcapsule as a 3D Platform for Propagation and Differentiation of Human Embryonic Stem Cells hESC to Different Lineages

We have optimized a microencapsulation technique as an effective 3D platform for propagation and differentiation of embryonic stem cells to endoderm and dopaminergic (DA) neurons. It also provides an opportunity for immune-isolation of cells from the host during transplantation. This platform can be adapted for other cell types.

다른 Lineages로 인간 배아 줄기 세포 (hESC)의 전파 및 차별 화를위한 3D 플랫폼으로서 알긴산의 Microcapsule

Human embryonic stem cells (hESC) are emerging as an attractive alternative source for cell replacement therapy since they can be expanded in culture ...

Multi-analyte Biochip (MAB) Based on All-solid-state Ion-selective Electrodes (ASSISE) for Physiological Research

Lab-on-a-chip (LOC) applications in environmental, biomedical, agricultural, biological, and spaceflight research require an ion-selective electrode (ISE) that can withstand prolonged storage in complex biological media 1-4. An all-solid-state ion-selective-electrode (ASSISE) is especially attractive for the aforementioned applications. The electrode should have the following favorable characteristics: easy construction, low maintenance, and (potential for) miniaturization, allowing for batch processing. A microfabricated ASSISE intended for quantifying H+, Ca2+, and CO32- ions was constructed. It consists of a noble-metal electrode layer (i.e. Pt), a transduction layer, and an ion-selective membrane (ISM) layer. The transduction layer functions to transduce the concentration-dependent chemical potential of the ion-selective membrane into a measurable electrical signal.
The lifetime of an ASSISE is found to depend on maintaining the potential at the conductive layer/membrane interface 5-7. To extend the ASSISE working lifetime and thereby maintain stable potentials at the interfacial layers, we utilized the conductive polymer (CP) poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) 7-9 in place of silver/silver chloride (Ag/AgCl) as the transducer layer. We constructed the ASSISE in a lab-on-a-chip format, which we called the multi-analyte biochip (MAB) (Figure 1).
Calibrations in test solutions demonstrated that the MAB can monitor pH (operational range pH 4-9), CO32- (measured range 0.01 mM - 1 mM), and Ca2+ (log-linear range 0.01 mM to 1 mM). The MAB for pH provides a near-Nernstian slope response after almost one month storage in algal medium. The carbonate biochips show a potentiometric profile similar to that of a conventional ion-selective electrode. Physiological measurements were employed to monitor biological activity of the model system, the microalga Chlorella vulgaris.
The MAB conveys an advantage in size, versatility, and multiplexed analyte sensing capability, making it applicable to many confined monitoring situations, on Earth or in space.
Biochip Design and Experimental Methods
The biochip is 10 x 11 mm in dimension and has 9 ASSISEs designated as working electrodes (WEs) and 5 Ag/AgCl reference electrodes (REs). Each working electrode (WE) is 240 &mu;m in diameter and is equally spaced at 1.4 mm from the REs, which are 480 &mu;m in diameter. These electrodes are connected to electrical contact pads with a dimension of 0.5 mm x 0.5 mm. The schematic is shown in Figure 2.
Cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic deposition methods are used to electropolymerize the PEDOT films using a Bioanalytical Systems Inc. (BASI) C3 cell stand (Figure 3). The counter-ion for the PEDOT film is tailored to suit the analyte ion of interest. A PEDOT with poly(styrenesulfonate) counter ion (PEDOT/PSS) is utilized for H+ and CO32-, while one with sulphate (added to the solution as CaSO4) is utilized for Ca2+. The electrochemical properties of the PEDOT-coated WE is analyzed using CVs in redox-active solution (i.e. 2 mM potassium ferricyanide (K3Fe(CN)6)). Based on the CV profile, Randles-Sevcik analysis was used to determine the effective surface area 10. Spin-coating at 1,500 rpm is used to cast ~2 &mu;m thick ion-selective membranes (ISMs) on the MAB working electrodes (WEs).
The MAB is contained in a microfluidic flow-cell chamber filled with a 150 &mu;l volume of algal medium; the contact pads are electrically connected to the BASI system (Figure 4). The photosynthetic activity of Chlorella vulgaris is monitored in ambient light and dark conditions.

Multi-analyte Biochip MAB Based on All-solid-state Ion-selective Electrodes ASSISE for Physiological Research

All-solid-state ion-selective electrodes (ASSISEs) constructed from a conductive polymer (CP) transducer provide several months of functional lifetime in liquid media. Here, we describe the fabrication and calibration process of ASSISEs in a lab-on-a-chip format. The ASSISE is demonstrated to have maintained a near-Nernstian slope profile after prolonged storage in complex biological media.

생리 연구를위한 모든 고체 이온 선택성 전극 (ASSISE)를 기반으로 다중 분석 바이오칩 (MAB)

Lab-on-a-chip (LOC) applications in environmental, biomedical, agricultural, biological, and spaceflight research require an ion-selective electrode (ISE) ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

액적 병합 후 형광 복구 인지질 단분자막 이차원 확산을 측정하도록

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Synthesis of Hydrogels with Antifouling Properties As Membranes for Water Purification

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and thus achieving stable water permeability through membranes over time. Here, we report a facile method to prepare hydrogels based on zwitterions for membrane applications. Freestanding films can be prepared from sulfobetaine methacrylate (SBMA) with a crosslinker of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) via photopolymerization. The hydrogels can also be prepared by impregnation into hydrophobic porous supports to enhance the mechanical strength. These films can be characterized by attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR) to determine the degree of conversion of the (meth)acrylate groups, using goniometers for hydrophilicity and differential scanning calorimetry (DSC) for polymer chain dynamics. We also report protocols to determine the water permeability in dead-end filtration systems and the effect of foulants (bovine serum albumin, BSA) on membrane performance.

This paper reports practical methods to prepare hydrogels in freestanding films and impregnated membranes and to characterize their physical properties, including water transport properties.

물 정화를위한 막으로 방오 특성을 가진 히드로 겔의 합성

Hydrogels have been widely utilized to enhance the surface hydrophilicity of membranes for water purification, increasing the antifouling properties and ...

Assembly and Characterization of Biomolecular Memristors Consisting of Ion Channel-doped Lipid Membranes

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the cognitive powers of the brain with comparable efficiency and density. To date, silicon-based three-terminal transistors and two-terminal memristors have been widely used in neuromorphic circuits, in large part due to their ability to co-locate information processing and memory. Yet these devices cannot achieve the interconnectivity and complexity of the brain because they are power-hungry, fail to mimic key synaptic functionalities, and suffer from high noise and high switching voltages. To overcome these limitations, we have developed and characterized a biomolecular memristor that mimics the composition, structure, and switching characteristics of biological synapses. Here, we describe the process of assembling and characterizing biomolecular memristors consisting of a 5 nm-thick lipid bilayer formed between lipid-functionalized water droplets in oil and doped with voltage-activated alamethicin peptides. While similar assembly protocols have been used to investigate biophysical properties of droplet-supported lipid membranes and membrane-bound ion channels, this article focuses on key modifications of the droplet interface bilayer method essential for achieving consistent memristor performance. Specifically, we describe the liposome preparation process and the incorporation of alamethicin peptides in lipid bilayer membranes, and the appropriate concentrations of each constituent as well as their impact on the overall response of the memristors. We also detail the characterization process of biomolecular memristors, including measurement and analysis of memristive current-voltage relationships obtained via cyclic voltammetry, as well as short-term plasticity and learning in response to step-wise voltage pulse trains.

Soft, low-power, biomolecular memristors leverage similar composition, structure, and switching mechanisms of bio-synapses. Presented here is a protocol to assemble and characterize biomolecular memristors obtained from insulating lipid bilayers formed between water droplets in oil. The incorporation of voltage-activated alamethicin peptides results in memristive ionic conductance across the membrane.

The ability to recreate synaptic functionalities in synthetic circuit elements is essential for neuromorphic computing systems that seek to emulate the ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of sophisticated microelectrodes with greater resolution and expanded capabilities. The progress in fabrication technology has supported the development of biomimetic electrodes, which aim to seamlessly integrate into the brain parenchyma, reduce the neuroinflammatory response observed after electrode insertion and improve the quality and longevity of electrophysiological recordings. Here we describe a protocol to employ a biomimetic approach recently classified as nano-architecture. The use of focused ion beam lithography (FIB) was utilized in this protocol to etch specific nano-architecture features into the surface of non-functional and functional single shank intracortical microelectrodes. Etching nano-architectures into the electrode surface indicated possible improvements of biocompatibility and functionality of the implanted device. One of the benefits of using FIB is the ability to etch on manufactured devices, as opposed to during the fabrication of the device, facilitating boundless possibilities to modify numerous medical devices post-manufacturing. The protocol presented herein can be optimized for various material types, nano-architecture features, and types of devices. Augmenting the surface of implanted medical devices can improve the device performance and integration into the tissue.

We have shown that the etching of nano-architecture into intracortical microelectrode devices may reduce the inflammatory response and has the potential to improve electrophysiological recordings. The methods described herein outline an approach to etch nano-architectures into the surface of non-functional and functional single shank silicon intracortical microelectrodes.

마이크로 전극에 에칭 나노 아키텍처에 초점을 맞춘 이온 빔 리소그래피

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...

Silicon Nanowires and Optical Stimulation for Investigations of Intra- and Intercellular Electrical Coupling

Myofibroblasts can spontaneously internalize silicon nanowires (SiNWs), making them an attractive target for bioelectronic applications. These cell-silicon hybrids offer leadless optical modulation capabilities with minimal perturbation to normal cell behavior. The optical capabilities are obtained by the photothermal and photoelectric properties of SiNWs. These hybrids can be harvested using standard tissue culture techniques and then applied to different biological scenarios. We demonstrate here how these hybrids can be used to study the electrical coupling of cardiac cells and compare how myofibroblasts couple to one another or to cardiomyocytes. This process can be accomplished without special equipment beyond a fluorescent microscope with coupled laser line. Also shown is the use of a custom-built MATLAB routine that allows the quantification of calcium propagation within and between the different cells in the culture. Myofibroblasts are shown to have a slower electrical response than that of cardiomyocytes. Moreover, the myofibroblast intercellular propagation shows slightly slower, though comparable velocities to their intracellular velocities, suggesting passive propagation through gap junctions or nanotubes. This technique is highly adaptable and can be easily applied to other cellular arenas, for in vitro as well as in vivo or ex vivo investigations.

This protocol describes the use of silicon nanowires for intracellular optical bio-modulation of cell in a simple and easy to perform method. The technique is highly adaptable to diverse cell types and can be used for in vitro as well as in vivo applications.

실리콘 나노 와이어 및 세포 간 전기 커플링의 조사를위한 광학 자극

Myofibroblasts can spontaneously internalize silicon nanowires (SiNWs), making them an attractive target for bioelectronic applications. These ...

Propagation of Dental and Respiratory Cells and Organs in Microgravity

Gravity is one of the key determinants of human cell function, proliferation, cytoskeletal architecture and orientation. Rotary bioreactor systems (RCCSs) mimic the loss of gravity as it occurs in space and instead provide a microgravity environment through continuous rotation of cultured cells or tissues. These RCCSs ensure an un-interrupted supply of nutrients, growth and transcription factors, and oxygen, and address some of the shortcomings of gravitational forces in motionless 2D (two dimensional) cell or organ culture dishes. In the present study we have used RCCSs to co-culture cervical loop cells and dental pulp cells to become ameloblasts, to characterize periodontal progenitor/scaffold interactions, and to determine the effect of inflammation on lung alveoli. The RCCS environments facilitated growth of ameloblast-like cells, promoted periodontal progenitor proliferation in response to scaffold coatings, and allowed for an assessment of the effects of inflammatory changes on cultured lung alveoli. This manuscript summarizes the environmental conditions, materials, and steps along the way and highlights critical aspects and experimental details. In conclusion, RCCSs are innovative tools to master the culture and 3D (three dimensional) growth of cells in vitro and to allow for the study of cellular systems or interactions not amenable to classic 2D culture environments.

This protocol presents a method for the culture and 3D growth of ameloblast-like cells in microgravity to maintain their elongated and polarized shape as well as enamel-specific protein expression. Culture conditions for the culture of periodontal engineering constructs and lung organs in microgravity are also described.

미세중력에서 치과 및 호흡기 세포와 장기의 전파

Gravity is one of the key determinants of human cell function, proliferation, cytoskeletal architecture and orientation. Rotary bioreactor systems (RCCSs) ...