Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Ciências dos Materiais e Divisão de Engenharia (n º Prêmio DEFG-02-07ER46471) eo DOE Energia Centro de Investigação de Luz Materiais Interações em Conversão de Energia (Prêmio n º DE-SC0001293 ), e se beneficiou do acesso ao Centro de Microanálise de Materiais dentro da Seitz Frederick Materials Research Laboratory (FSMRL).

1. Introdução <ol><li> Este trabalho demonstra o 1E, 2D, 3D e impressão de microeletrodos condutora via direto escrever montagem. </li><li> Direct-escrever a montagem é um método de construção de 1D para 3D estruturas impressas pela deposição de tintas concentradas através de bicos finos. </li><li> Nosso sistema é composto de um computador controlado estágio tradução de 3 eixos, um reservatório de tinta e bico, e lente telescópica 10x para imagens (Figura 1). </li><li> Direct-escrever a montagem é uma abordagem impressão filamentosos em que as tintas concentradas são extrudados através de orifícios cilíndricos, cujos diâmetros gama 0,1-250 mM (Figura 2). Nomeadamente, devido às características de tinta viscoelástico, direta e escrita de montagem permite auto-sustentável abrangendo características (Figura 3). Até à data, uma vasta gama de tintas, incluindo os compostos de cerâmica 6,7, 8-10 orgânicos, metálicos 11-15, poliméricos 16,17, e sol-gel 18,19 materiais foramdesenvolvido para esta abordagem de impressão (Figura 4). </li></ol> 2. Preparação de tintas de nanopartículas altamente concentrada de prata <ol><li> Tintas de nanopartículas de prata são preparados por dissolução primeiro uma mistura de 5000 e 50.000 de peso molecular de poli (ácido acrílico) em uma mistura de 50 g de água e 40 g dietanolamina (Vídeo 2.1). </li><li> O polímero atua como um agente de nivelamento para controlar o tamanho das nanopartículas de prata. </li><li> Em seguida, uma solução aquosa de nitrato de prata é injetado na solução de polímero. Depois disso, uma solução amarelo-claro transparente é obtida (Vídeo 2.2). </li><li> Depois de ter agitado durante 24 horas à temperatura ambiente, a solução desenvolve uma cor marrom-avermelhada (Vídeo 2.3), que coincide com a formação de nanopartículas de prata de 5 nm de diâmetro, conforme determinado por microscopia eletrônica de transmissão. </li><li> Em seguida, a solução é sonicado a 65 ° C em banho-maria durante 2 horas para o crescimento de partículas ainda mais (Video 2.4). </li><li> After sonicação, a solução é transferida para um copo de 500 ml e resfriado à temperatura ambiente. Em seguida, 300 ml de etanol é titulada a uma taxa de 30 ml / min. Como o etanol é um solvente para o pobre (ácido acrílico) poli nivelamento agente, as partículas coagulam rapidamente e precipitam da solução (Vídeo 2.5). </li><li> Após decantação do sobrenadante, o precipitado é coletado em um tubo de centrífuga e centrifugado a 9000 rpm por 20 minutos (Video 2.6). </li><li> Após esta etapa, uma tinta de nanopartículas altamente concentrada de prata com um carregamento de sólidos ~ 85% em peso é obtido (Vídeo 2.7). </li><li> Maior controlo sobre a viscosidade da tinta e módulo de elasticidade pode ser obtida por diluição, seguido de homogeneização. Por exemplo, uma solução umectante, tal como etilenoglicol, pode ser adicionado à tinta e, em seguida, homogeneizou-se em 2000 rpm por 3 minutos usando um mixer homogeneização Thinky. Após este processo, uma tinta uniforme de um azulado a cor magenta é obtido (Vídeo 2.8). </li><li> A imagem mostra TEMnanopartículas de prata obtida por este procedimento de síntese (Figura 5_left). As partículas têm um diâmetro médio de 20 nm com uma distribuição de tamanho de 50-50 nm. Estruturas impressas exigem pós-recozimento para melhorar a sua condutividade. Após o recozimento a 250 ° C por menos de 30 min, as nanopartículas de prata microeletrodos forma condutora com uma resistividade elétrica se aproximando a 10 -5 Ω • cm (Figura direito 5_bottom). A evolução microestrutural do microeletrodos prata impressa em função da temperatura de recozimento é mostrado na Figura direito 5_top. Como a temperatura aumenta de 150 ° a 550 ° C, a densificação microeletrodos sofrer com uma contração volumétrica total de ~ 30% 11. </li><li> A reologia da tinta, que depende fortemente da sua carga de sólidos, determina a sua capacidade de impressão. A tinta a viscosidade aumenta com o aumento da carga de sólidos (Figura 6). Porque diluir tintas com baixa viscosidade resultado em uma significativa propagação lateral, Concentrtintas ciado a uma carga de sólidos variando de 70 a 85% em peso são necessários para impressão de filamentos de tinta planar e expansão. </li><li> A tinta elástica aumenta com o aumento do módulo de carga de sólidos (Figura 7). Na região viscoelástica linear, o módulo de elasticidade aumenta quase três ordens de grandeza que os sólidos de carregamento aumenta 60 a 75% em peso. Um módulo mínimo elástico de 2000 Pa é necessário para produzir auto-sustentável ou que medem características. </li></ol> 3. Direct-escrever montagem <ol><li> Direct-escrever a montagem é realizada por primeira carga de tinta em uma seringa. Depois de anexar um bocal de deposição, a tinta-carregado o corpo da seringa é montado na fase de impressão de 3 eixos (Vídeo 3.1). </li><li> Usando um programa de computador, desenhos arbitrários, incluindo linear, planar, e complexas estruturas tridimensionais podem ser facilmente gerados (Vídeo 3.2). </li><li> Em seguida, a altura do bico é ajustada com o auxílio de lente de telescópio com um zoom 10x (Vídeo 3.3). </li&gt; <li> Após a aplicação de pressão, com um ar-powered fluido do sistema de distribuição, a tinta é depositada sobre o substrato com uma velocidade de impressão controlada (Vídeo 3.4). A pressão necessária depende de reologia da tinta, o diâmetro do bico e velocidade de impressão, mas valores típicos faixa 1-10 psi a 2-50 M / s. Esta impressão é feita no ar à temperatura ambiente. Usando este procedimento de impressão, a impressão de microeletrodos de prata em layouts diferentes escalas de tamanho e é demonstrada. </li><li> Para um exemplo, a impressão de grades de prata condutora com um espaçamento entre linhas de centro a centro de 100 mm, modelado por um bocal de 5 mícrons em um substrato de pastilha de silício é demonstrado (Vídeo 3.5). </li><li> Além disso, este vídeo mostra como criar uma estrutura com uma elevada relação de aspecto cilíndrico por um bocal de 30 mícrons usando um método de impressão camada por camada (Vídeo 3.6). </li><li> Além disso, a impressão omnidirecional de microeletrodos de prata entre dois substratos de vidro compensado por uma altura de 1 mm diferença é demonstrado através de um bocal de 30 mícrons (Vídeo 3.7). </li><li> Completamente free-standing, microspikes prata verticalmente impressa pode ser criado por um bocal de 30 mícrons em um substrato de wafer Si (Vídeo 3.8). </li><li> Finalmente, este vídeo mostra a escrita direta de um microeletrodo de prata que medem através de um bocal de 10 mícrons (Vídeo 3.9). O recurso impresso pode se estender por distâncias de até um centímetro com o mínimo de inclinação ou flambagem. </li></ol> 4. Resultados representativos: Nós preparamos uma tintas de nanopartículas altamente concentrado de prata e demonstrou características condutoras impressas em motivos para planar e 3D para eletrônicos e optoeletrônicos aplicações com resolução de impressão ~ 2 - 30 mm. Por exemplo, a Figura 8 exibe a resolução de impressão desta técnica. Características impressas com largura mínima de eletrodo ~ 2 micra (1,4 mm de espessura) são obtidas em uma única passagem através de um bocal 1-M 11. Figura 9 mostrams grades transparentes prata condutora, modelado por um bico de 5 mm em um filme de poliimida flexível 12. Os textos abaixo as grades impressos são claramente visíveis. Estas grades de prata transparente poderia ser alternativas atraentes para a realização de óxido transparente (TCO) dos materiais. Impressão conformada em um substrato não-planar também é habilitado por esse método. Figura 10 demonstra a impressão conformada de uma antena eletricamente pequena 3D. A 100 bico de metal M é usado para imprimir meandro da linha de padrões na superfície de um copo hemisfério 13. Esta abordagem pode encontrar diversas aplicações, incluindo antenas implantáveis ​​e wearable, eletrônicos e sensores. Aplicações de microeletrodos de prata que mede em três dimensões a energia fotovoltaica e diodos emissores de luz são demonstradas (Figura 11-14). Primeiro, a Figura 11 é um exemplo de silício casca esférica. Este filme com uma tênue t 2 mícronshickness podem ser fios ligados a um circuito externo, imprimindo omnidirecional 14. Este método utiliza a pressão de contato mínimo, que é altamente vantajoso para dispositivos delicados. Em seguida, a Figura 12 demonstra um exemplo de impressão de uma interconexão de spanning para um array de silício microcell solar no qual os elementos silício microribbon estão separados por 33 mícrons gap 15. Em seguida, a Figura 13 mostra interconexões de prata para o arsenieto de gálio-base matriz de LEDs com 4 por 4 pixels, onde cada pixel (500 x 500 x 2,5 mM 3) é espaçado 200 mM além 11. A imagem inferior mostra a matriz de LEDs, que emitem luz vermelha uniforme sob um viés aplicado de 6 V a partir de um único pixel. A capacidade de imprimir eletrodos que medem permite a interligação multicamadas sem o uso de camadas de apoio ou sacrificial (imagens acima). Como uma demonstração final, SEM A Figura 14 mostra as imagens para o microfone 3D complexasroperiodic lattice prata impresso por um bocal de 5m. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" /> Figura 1. Óptico de imagem de aparelhos direto tinta de escrever. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" /> Figura 2. Escrito a tinta direto de uma característica filamentosos. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" /> Figura 3. Escrito a tinta direto da auto-sustentável abrangendo características. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" /> Figura 4. Designs de tinta para a escrita a tinta direto. Uma vasta gama de tintas viscoelástico concentrados têm sido desenvolvidos para a escrita direta de planar e complexas estruturas 3D com recursos de microescala. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" /> Figura 5. (Esquerda) microscopia eletrônica de transmissão de imagem (TEM) de nanopartículas de prata. (Canto superior direito) SEM imagens de microeletrodos prata modelado com um bocal de 15 mícrons em função da temperatura de recozimento. (Abaixo, à direita) resistividade elétrica de microeletrodos de prata como uma função da temperatura e do tempo de recozimento. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" /> Figura 6. Viscosidade aparente (η) das tintas de nanopartículas de prata como uma função da carga de sólidos. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" /> Figura 7. Cisalhamento elástico (G &#39;) como uma função da tensão de cisalhamento para tintas de nanopartículas de prata de diferentes carregamento de sólidos. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" /> Figura 8. MEV de matrizes de microeletrodos planar prata modeladosem um wafer de Si com um bico de uma mícrons. <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" /> Figura 9. Óptico de imagem de grades transparentes prata condutora (esquerda) e imagens de SEM das grades impressas em função do tom de linha (à direita). <img alt="Figura 10" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" /> Figura 10. Ótica de Imagem capturada durante a impressão conformada de antenas eletricamente pequenas em um substrato de vidro hemisféricas. <img alt="Figura 11" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" /> Figura 11. Óptico de imagem obtidos durante a impressão de que abrange microeletrodos de prata em uma fina casca de silício (2 mm) esférica. <img alt="Figura 12" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" /> Figura 12. SEM imagem de um microeletrodo prata abrangendo impressa em um de silício de modolar conjunto microcélula. <img alt="Figura 13" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" /> Figura 13. SEM imagens (acima) e de imagem ótica (em baixo) de um quatro-por-4 série de chips de LED interligados por microeletrodos de prata. <img alt="Figura 14" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" /> Figura 14. SEM imagem de 3D ​​lattice prata microperiodic.

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Mater. 21, 47-54 (2011).</li><li>Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-write+assembly+of+biomimetic+microvascular+networks+for+efficient+fluid+transport.">Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.</a> Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).</li><li>Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Omnidirectional+Printing+of+3D+Microvascular+Networks.">Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.</a> Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).</li></ol>

Não há conflitos de interesse declarados.

Convencionais abordagens baseadas em gotículas de impressão, tais como a impressão a jato de tinta, são limitados para a fabricação de eletrodos de planar com relação de aspecto baixo, devido à natureza diluir e baixa viscosidade das tintas utilizadas. Recentemente, dip-pen nanolithography (DPN) 20-22 e e-jet impressão 23-25 ​​têm sido usados ​​para recursos de padrão condutivo. Essas rotas também empregam diluir, tintas de baixa viscosidade. Pearton e colegas de trabalho utilizado DPN para depositar uma tinta de nanopartículas de prata disponível comercialmente em escrever velocidades de até 1.600 M s -1 e larguras de linha de aproximadamente 0,5 m 22. No entanto, a fabricação de padrões reproduzíveis em grandes áreas ainda não foi demonstrado por esta abordagem. Tintas de nanopartículas de prata também têm sido depositados por e jet-impressão para formar traços condutores com larguras de linha de 1,5 M ~ 25. No entanto, como com impressão a jato de tinta, não homogênea características impressas podem surgir devido a formação da gota de satélite e não-uniforme gota dtia escriturada 24,25. Como demonstrado acima, montagem direta e escrita de tintas de nanopartículas de prata concentrada supera estas limitações através de uma abordagem baseada em impressão filamentosos. Esta técnica permite a fabricação de microeletrodos condutora com uma alta razão de aspecto (h / w ≈ 1,0) em um único passes permitindo a criação de 1D, 2D, 3D e arquiteturas. O tamanho das características impressas depende diâmetro do bico, o carregamento de sólidos de tinta, a pressão aplicada, e velocidade de impressão. Até o momento, traços condutores tão pequeno quanto ~ 2 m foram modelados usando um bico M 1 a velocidades modestas (&lt;2 mm s -1). Ao adaptar a composição da tinta e da geometria do bocal, velocidades de impressão máxima superior a -1 10 cm s são possíveis. No entanto, alta velocidade de impressão de usar bicos finos (&lt;5 mm) continua a ser um desafio significativo. Para demonstrar as aplicações de gravação direta de montagem, que fabricou grades condutoras, electrically antenas pequenas, células solares, e diodos emissores de luz com planar e abrangendo eletrodos impressos (Figura 8-14). Nomeadamente, a nossa abordagem não se restringe à criação de estruturas metálicas. Usando desenhos de tinta, tais como aqueles baseados em fibroína seda, hidrogel e fugitivo tintas orgânicas, temos construído andaimes 3D e redes microvascular para engenharia de tecidos e cultura de células através de direct-escrever montagem 26-30. Olhando para o futuro, há muitas oportunidades e desafios. Avanços requerem projetos de tinta novo, melhor modelagem da dinâmica do fluxo de tinta, e aprimorados sistemas de robótica e controle. Grande área de fabricação de estruturas 1D para 3D com alto rendimento e resolução nanométrica (&lt;100 nm) continua a ser um desafio significativo.

<table border="1"><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> Poli (ácido acrílico) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 06519 </td><td> mw 5000 g / mol </td></tr><tr><td> Poli (ácido acrílico) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 00627 </td><td> mw 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Nitrato de prata </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Fonte de prata </td></tr><tr><td> Dietanolamina </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Solvente / agente de redução </td></tr><tr><td> Etilenoglicol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Umectante </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Centrifugador </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti J-25 TM I </td><td> - </td></tr><tr><td> Estágio robótico </td><td> Aerotech Inc. </td><td> ABL 900010 </td><td> 3 eixos-motion </td></tr><tr><td>Seringa </td><td> EFD Inc. </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Bico </td><td> EFD Inc. </td><td> - </td><td> id = 0,1-250 mM </td></tr><tr><td> Distribuidor </td><td> EFD Inc. </td><td> 800 </td><td> Movido a ar </td></tr><tr><td> Software de design </td><td> Personalizados </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

planar and three-dimensional printing of conductive inks

Eletrônica impressa contam com baixo custo, as rotas da grande-área de fabricação para criar eletrônicos flexíveis ou multidimensional, optoeletrônica, dispositivos biomédicos e 1-3. Neste artigo, nos concentramos em uma (1D), duas (2D) e tridimensionais de impressão (3D) condutora de tintas metálicas em forma de microeletrodos flexível, elástica e estendida. Direct-escrever montagem 4,5 é uma técnica de impressão 1-to-3D que permite a fabricação de características que vão desde linhas simples de estruturas complexas pela deposição de tintas concentradas através de bicos finos (~ 0,1-250 mm). Este método de impressão consiste de uma fase de tradução controlado por computador de 3 eixos, um reservatório de tinta e bico, e lente telescópica 10x para visualização. Ao contrário da impressão a jato de tinta, um processo baseado em gota, direto escrever montagem envolve a extrusão de filamentos de tinta ou em ou fora do plano. Os filamentos impressos normalmente em conformidade com o tamanho do bico. Hence, recursos de microescala (&lt;1 mm) podem ser estampados e montados em matrizes de maiores e arquiteturas multidimensional. Neste artigo, primeiro sintetizar uma tinta de nanopartículas altamente concentrada de prata para impressão planar e 3D via direto escrever montagem. Em seguida, um protocolo padrão para impressão de microeletrodos em motivos multidimensional é demonstrada. Finalmente, as aplicações de microeletrodos impressos para antenas eletricamente pequenas, células solares, e diodos emissores de luz são realçados.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Impressão de planar e tridimensional de tintas metálicas condutoras é descrito. Nossa abordagem fornece novas pistas para a fabricação de eletrônicos impressos, optoeletrônica, dispositivos biomédicos e em layouts incomuns em microescala.

Impressão de planar e tridimensional de tintas condutoras

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

planar-and-three-dimensional-printing-of-conductive-inks

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

37.0K visualizações.  University of Illinois at Urbana-Champaign. Impressão de planar e tridimensional de tintas metálicas condutoras é descrito. Nossa abordagem fornece novas pistas para a fabricação de eletrônicos impressos, optoeletrônica, dispositivos biomédicos e em layouts incomuns em microescala.

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Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

Tridimensional Optical resolução Microscopia Fotoacústica

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

Bioengenharia

Alginate Hydrogels for Three-Dimensional Organ Culture of Ovaries and Oviducts

Ovarian cancer is the fifth leading cause of cancer deaths in women and has a 63% mortality rate in the United States1. The cell type of origin for ovarian cancers is still in question and might be either the ovarian surface epithelium (OSE) or the distal epithelium of the fallopian tube fimbriae2,3. Culturing the normal cells as a primary culture in vitro will enable scientists to model specific changes that might lead to ovarian cancer in the distinct epithelium, thereby definitively determining the cell type of origin. This will allow development of more accurate biomarkers, animal models with tissue-specific gene changes, and better prevention strategies targeted to this disease.
Maintaining normal cells in alginate hydrogels promotes short term in vitro culture of cells in their three-dimensional context and permits introduction of plasmid DNA, siRNA, and small molecules. By culturing organs in pieces that are derived from strategic cuts using a scalpel, several cultures from a single organ can be generated, increasing the number of experiments from a single animal. These cuts model aspects of ovulation leading to proliferation of the OSE, which is associated with ovarian cancer formation. Cell types such as the OSE that do not grow well on plastic surfaces can be cultured using this method and facilitate investigation into normal cellular processes or the earliest events in cancer formation4.
Alginate hydrogels can be used to support the growth of many types of tissues5. Alginate is a linear polysaccharide composed of repeating units of &beta;-D-mannuronic acid and &alpha;-L-guluronic acid that can be crosslinked with calcium ions, resulting in a gentle gelling action that does not damage tissues6,7. Like other three-dimensional cell culture matrices such as Matrigel, alginate provides mechanical support for tissues; however, proteins are not reactive with the alginate matrix, and therefore alginate functions as a synthetic extracellular matrix that does not initiate cell signaling5. The alginate hydrogel floats in standard cell culture medium and supports the architecture of the tissue growth in vitro.
A method is presented for the preparation, separation, and embedding of ovarian and oviductal organ pieces into alginate hydrogels, which can be maintained in culture for up to two weeks. The enzymatic release of cells for analysis of proteins and RNA samples from the organ culture is also described. Finally, the growth of primary cell types is possible without genetic immortalization from mice and permits investigators to use knockout and transgenic mice.

Culture of normal cells in their three-dimensional context represents an alternative method to study early events required for cellular transformation and tumorigenesis. This method is used to grow normal ovarian and oviductal cells to study early events in ovarian cancer formation.

Hidrogéis alginato para Tridimensional Cultura Órgão de ovários e tubas uterinas

Ovarian cancer is the fifth leading cause of cancer deaths in women and has a 63% mortality rate in the United States1. The cell type of origin for ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

Cartilagem Human Tissue Fabricação Usando tridimensional Inkjet Tecnologia de Impressão

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Analysis of Cell Migration within a Three-dimensional Collagen Matrix

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic development, wound healing, and immune responses. However, cell migration is also a key mechanism in cancer enabling these cancer cells to detach from the primary tumor to start metastatic spreading. Within the past years various cell migration assays have been developed to analyze the migratory behavior of different cell types. Because the locomotory behavior of cells markedly differs between a two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) environment it can be assumed that the analysis of the migration of cells that are embedded within a 3D environment would yield in more significant cell migration data. The advantage of the described 3D collagen matrix migration assay is that cells are embedded within a physiological 3D network of collagen fibers representing the major component of the extracellular matrix. Due to time-lapse video microscopy real cell migration is measured allowing the determination of several migration parameters as well as their alterations in response to pro-migratory factors or inhibitors. Various cell types could be analyzed using this technique, including lymphocytes/leukocytes, stem cells, and tumor cells. Likewise, also cell clusters or spheroids could be embedded within the collagen matrix concomitant with analysis of the emigration of single cells from the cell cluster/ spheroid into the collagen lattice. We conclude that the 3D collagen matrix migration assay is a versatile method to analyze the migration of cells within a physiological-like 3D environment.

Cell migration is a biological phenomenon that is involved in a plethora of physiological, such as wound healing and immune responses, and pathophysiological processes, like cancer. The 3D-collagen matrix migration assay is a versatile tool to analyze the migratory properties of different cell types within in a 3D physiological-like environment.

Análise da migração celular dentro de uma matriz de colagénio tridimensional

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models reflect the human wound situation better than animal models. Although two-dimensional models are widely used to investigate processes such as cellular migration and proliferation, models that are more complex are required to gain a deeper knowledge about wound healing. Besides a suitable model system, the generation of precise and reproducible wounds is crucial to ensure comparable results between different test runs. In this study, the generation of a three-dimensional full thickness skin equivalent to study wound healing is shown. The dermal part of the models is comprised of human dermal fibroblast embedded in a rat-tail collagen type I hydrogel. Following the inoculation with human epidermal keratinocytes and consequent culture at the air-liquid interface, a multilayered epidermis is formed on top of the models. To study the wound healing process, we additionally developed an automated wounding device, which generates standardized wounds in a sterile atmosphere.

The goal of this protocol is to build up a three-dimensional full thickness skin equivalent, which resembles natural skin. With a specifically constructed automated wounding device, precise and reproducible wounds can be generated under maintenance of sterility.

Geração de espessura completa tridimensional Pele Equivalente e Automated Ferimento

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Preparation and Analysis of In Vitro Three Dimensional Breast Carcinoma Surrogates

Three dimensional (3D) culture is a more physiologically relevant method to model cell behavior in vitro than two dimensional culture. Carcinomas, including breast carcinomas, are complex 3D tissues composed of cancer epithelial cells and stromal components, including fibroblasts and extracellular matrix (ECM). Yet most in vitro models of breast carcinoma consist only of cancer epithelial cells, omitting the stroma and, therefore, the 3D architecture of a tumor in vivo. Appropriate 3D modeling of carcinoma is important for accurate understanding of tumor biology, behavior, and response to therapy. However, the duration of culture and volume of 3D models is limited by the availability of oxygen and nutrients within the culture. Herein, we demonstrate a method in which breast carcinoma epithelial cells and stromal fibroblasts are incorporated into ECM to generate a 3D breast cancer surrogate that includes stroma and can be cultured as a solid 3D structure or by using a perfusion bioreactor system to deliver oxygen and nutrients. Following setup and an initial growth period, surrogates can be used for preclinical drug testing. Alternatively, the cellular and matrix components of the surrogate can be modified to address a variety of biological questions. After culture, surrogates are fixed and processed to paraffin, in a manner similar to the handling of clinical breast carcinoma specimens, for evaluation of parameters of interest. The evaluation of one such parameter, the density of cells present, is explained, where ImageJ and CellProfiler image analysis software systems are applied to photomicrographs of histologic sections of surrogates to quantify the number of nucleated cells per area. This can be used as an indicator of the change in cell number over time or the change in cell number resulting from varying growth conditions and treatments.

Preparation and Analysis of In Vitro Three Dimensional Breast Carcinoma Surrogates

We demonstrate a method to generate 3D breast cancer surrogates, which can be cultured using a perfusion bioreactor system to deliver oxygen and nutrients. Following growth, surrogates are fixed and processed to paraffin for evaluation of parameters of interest. The evaluation of one such parameter, cell density, is explained.

Elaboração e análise de<em&gt; In Vitro</em&gt; Três mama Dimensional Carcinoma Surrogates

Three dimensional (3D) culture is a more physiologically relevant method to model cell behavior in vitro than two dimensional culture. Carcinomas, ...

Engineering Three-dimensional Epithelial Tissues Embedded within Extracellular Matrix

The architecture of branched organs such as the lungs, kidneys, and mammary glands arises through the developmental process of branching morphogenesis, which is regulated by a variety of soluble and physical signals in the microenvironment. Described here is a method created to study the process of branching morphogenesis by forming engineered three-dimensional (3D) epithelial tissues of defined shape and size that are completely embedded within an extracellular matrix (ECM). This method enables the formation of arrays of identical tissues and enables the control of a variety of environmental factors, including tissue geometry, spacing, and ECM composition. This method can also be combined with widely used techniques such as traction force microscopy (TFM) to gain more information about the interactions between cells and their surrounding ECM. The protocol can be used to investigate a variety of cell and tissue processes beyond branching morphogenesis, including cancer invasion.

This manuscript describes a soft lithography-based technique to engineer uniform arrays of three-dimensional (3D) epithelial tissues of defined geometry surrounded by extracellular matrix. This method is amenable to a wide variety of cell types and experimental contexts and allows for high-throughput screening of identical replicates.

Engenharia tridimensionais tecidos epiteliais incorporado dentro Matriz Extracelular

The architecture of branched organs such as the lungs, kidneys, and mammary glands arises through the developmental process of branching morphogenesis, ...

Culturing Mammalian Cells in Three-dimensional Peptide Scaffolds

A useful technique for culturing cells in a self-assembling nanofiber three-dimensional (3D) scaffold is described. This culture system recreates an environment that closely mimics the structural features of non-polarized tissue. Furthermore, the particular intrinsic nanofiber structure of the scaffold makes it transparent to visual light, which allows for easy visualization of the sample under microscopy. This advantage was largely used to study cell migration, organization, proliferation, and differentiation and thus any development of their particular cellular function by staining with specific dyes or probes. Furthermore, in this work, we describe the good performance of this system to easily study the redifferentiation of expanded human articular chondrocytes into cartilaginous tissue. Cells were encapsulated into self-assembling peptide scaffolds and cultured under specific conditions to promote chondrogenesis. Three-dimensional cultures showed good viability during the 4 weeks of the experiment. As expected, samples cultured with chondrogenic inducers (compared to non-induced controls) stained strongly positive for toluidine blue (which stains glycosaminoglycans (GAGs) that are highly present in cartilage extracellular matrix) and expressed specific molecular markers, including collagen type I, II and X, according to Western Blot analysis. This protocol is easy to perform and can be used at research laboratories, industries and for educational purposes in laboratory courses.

Here, we present a protocol to obtain 3D-culture systems in self-assembling peptide scaffolds to promote the differentiation of dedifferentiated human articular chondrocytes into cartilage-like tissue.

Cultivo de células de mamíferos em andaimes tridimensionais do Peptide

A useful technique for culturing cells in a self-assembling nanofiber three-dimensional (3D) scaffold is described. This culture system recreates an ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic experimentation is a stable fluid handling system capable of accurately providing an inlet flow rate or inlet pressure. Here, we have developed a syringe pump system capable of controlling and regulating the inlet fluid pressure delivered to a microfluidic device. This system was designed using low-cost materials and additive manufacturing principles, leveraging three-dimensional (3D) printing of thermoplastic materials and off-the-shelf components whenever possible. This system is composed of three main components: a syringe pump, a pressure transducer, and a programmable microcontroller. Within this paper, we detail a set of protocols for fabricating, assembling, and programming this syringe pump system. Furthermore, we have included representative results that demonstrate high-fidelity, feedback control of inlet pressure using this system. We expect this protocol will allow researchers to fabricate low-cost syringe pump systems, lowering the entry barrier for the use of microfluidics in biomedical, chemical, and materials research.

Here we present a protocol to construct a pressure-controlled syringe pump to be used in microfluidic applications. This syringe pump is made from an&#160;additively manufactured body, off-the-shelf hardware, and open-source electronics. The resulting system is low-cost, straightforward to build, and delivers well-regulated fluid flow to enable rapid microfluidic research.

Tridimensional de impressão de materiais termoplásticos para criar automatizado bombas de seringa com controle de gabarito para aplicações microfluídicos

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...

Evaluation of Keratinocyte Proliferation on Two- and Three-dimensional Type I Collagen Substrates

Type I collagen, useful as a substrate for cell culture, exists in two forms: the two-dimensional, non-fibrous form and three-dimensional, fibril form. Both forms can be prepared with the same type I collagen. In general, the non-fibrous form promotes cell adhesion and proliferation. The fibril form (gels) provides more physiological conditions in many types of cells; therefore, gel culture is useful for examining physiological behaviors of cells, such as drug efficacy.
Researchers can select the appropriate form according to the purpose of its use. For example, in the case of keratinocytes, on-gel culture has been used as a wound healing model. FEPE1L-8, a keratinocyte cell line cultured on the non-fibrous form of type I collagen, promote cell adhesion. Notably, keratinocyte proliferation is slower on the fibril form than the non-fibrous form. Protocols for the preparation of type I collagen for cell culture are simple and have wide applications depending on the experimental needs.

Here, we present a protocol for the preparation of two different forms of culture substrates utilizing type I collagen. Depending on how collagen is handled, collagen molecules either maintain two-dimensional, non-fibrous form or reassemble into three-dimensional, fibril form. Cell proliferation on type I collagen is drastically affected by fibril formation.

Avaliação da proliferação queratinócito em duas e três dimensões tipo I colágeno substratos

Type I collagen, useful as a substrate for cell culture, exists in two forms: the two-dimensional, non-fibrous form and three-dimensional, fibril form. ...