Dieses Material ist auf der Arbeit von der US-Department of Energy, Materials Sciences and Engineering Division (Preis Nr. DEFG-02-07ER46471) und dem DOE Energy Research Center on Light-Material-Interaktion in Energy Conversion (unterstützt Basis-Preis Nr. DE-SC0001293 ) und profitiert vom Zugang zum Center for Mikroanalyse von Materialien innerhalb des Frederick Seitz Materials Research Laboratory (FSMRL).

1. Einführung <ol><li> Dieses Papier zeigt die 1D-, 2D-und 3D-Drucken von leitfähigen Mikroelektroden via Direct-Write-Montage. </li><li> Direct-schreiben Montage ist eine Methode zum Aufbau 1D-zu 3D-gedruckten Strukturen durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen. </li><li> Unser System besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Bildgebung (Abbildung 1). </li><li> Direct-schreiben Assembly ist eine fadenförmige Druck Ansatz, bei dem konzentrierten Farben sind durch zylindrische Düsen mit Durchmessern von 0,1 bis 250 um (Abbildung 2) extrudiert. Insbesondere aufgrund der viskoelastischen Eigenschaften Tinte, ermöglicht den direkten Schreib-Montage freitragend überspannt Funktionen (Abbildung 3). Bis heute haben eine breite Palette von Farben, einschließlich derjenigen aus Keramik 6,7 komponierte, organische 8-10, metallic 11-15, polymere 16,17 und Sol-Gel 18,19 Materialienentwickelt für dieses Druckverfahren Ansatz (Abbildung 4). </li></ol> 2. Herstellung von hochkonzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten <ol><li> Silber-Nanopartikel-Tinten sind indem zunächst eine Mischung aus 5.000 und 50.000 Molekulargewicht von Poly (acrylsäure) in einer Mischung aus 50 g Wasser und 40 g Diethanolamin (Video 2,1) vorbereitet. </li><li> Das Polymer wirkt als Verkappungsmittel, um die Größe des Silber-Nanopartikeln zu steuern. </li><li> Als nächstes wird eine wässrige Lösung von Silbernitrat in die Polymerlösung injiziert. Nach der Zugabe ist eine hellgelbe transparente Lösung erhalten (Video 2,2). </li><li> Nach Rühren für 24 Stunden bei Raumtemperatur, entwickelt die Lösung eine rötlich-braune Farbe (Video 2,3), dass mit der Bildung von Silber-Nanopartikeln von 5 nm Durchmesser, durch Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt zusammenfällt. </li><li> Anschließend wird die Lösung bei 65 ° C in einem Wasserbad für 2 Stunden für weitere Partikelwachstum (Video 2,4) beschallt. </li><li> After Ultraschall ist die Lösung für ein 500 ml Becherglas überführt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wird 300 ml Ethanol mit einer Geschwindigkeit von 30 ml / min titriert. Da Ethanol ist ein schlechtes Lösungsmittel für das Poly (acrylsäure) Verkappungsmittel, die Partikel schnell gerinnt und aus der Lösung ausfällt (Video 2,5). </li><li> Nach dem Dekantieren des Überstands wird der Niederschlag in ein Zentrifugenröhrchen gesammelt und zentrifugiert bei 9000 rpm für 20 Minuten (Video 2,6). </li><li> Nach diesem Schritt ist eine hoch konzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinte mit einem Festgehalt Laden von ~ 85 Gew.% erhalten (Video 2,7). </li><li> Weitere Kontrolle über Viskosität und Elastizitätsmodul kann durch Verdünnung erreicht werden, gefolgt durch Homogenisierung. Ein Beispiel kann ein Feuchthaltemittel Lösung, wie Ethylenglykol, um die Tinte hinzugefügt werden und dann bei 2000 rpm für 3 Minuten mit einem Thinky Homogenisierung homogenisiert. Nach diesem Verfahren wird eine einheitliche Farbe von bläulich bis magenta Farbe erhalten (Video 2,8). </li><li> Die TEM-Aufnahme zeigtSilber-Nanopartikel durch diese Synthese-Verfahren (Abbildung 5_left) erhalten. Die Teilchen haben einen mittleren Durchmesser von 20 nm mit einer Größenverteilung von 5-50 nm. Gedruckt Strukturen erfordern post-Glühen auf ihre Leitfähigkeit zu verbessern. Nach dem Glühen bei 250 ° C für weniger als 30 min, bilden die Silber-Nanopartikel leitenden Mikroelektroden mit einem spezifischen elektrischen Widerstand nähert sich bis 10 -5 Ω • cm (Abbildung 5_bottom rechts). Die mikrostrukturellen Entwicklung der gedruckten Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur ist in Abbildung 5_top rechts dargestellt. Mit zunehmender Temperatur von 150 ° bis 550 ° C, unterzogen die Mikroelektroden Verdichtung mit insgesamt Volumenschrumpfung ~ 30%. 11 </li><li> Die Tinte Rheologie, die stark abhängig von seiner Feststoffe Laden, bestimmt seine Bedruckbarkeit. Die Tinte Viskosität mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 6). Da verdünnter Tinten mit niedriger Viskosität zu einer erheblichen seitliche Ausbreitung, konzentrEINZELNEN SEKTOREN Tinten mit einem Festgehalt Laden reicht von 70 bis 85 Gew.% sind für den Druck von planaren und Spanning Tinte Filamente benötigt. </li><li> Die Tinte Elastizitätsmodul mit zunehmender Feststoffbelastung (Abbildung 7). In der linearen viskoelastischen Bereich, steigt der Elastizitätsmodul nahezu drei Größenordnungen wie die Feststoffe Laden steigt von 60 bis 75 Gew.%. Ein Minimum Elastizitätsmodul von 2000 Pa ist erforderlich, um freitragende oder Spanning Features zu produzieren. </li></ol> 3. Direct-schreiben Montage <ol><li> Direct-schreiben die Montage erfolgt, indem zunächst das Laden der Tinte in eine Spritze durchgeführt. Nach dem Anbringen einer Ablagerung Düse wird die Farbe beladene Spritze auf den 3-Achsen-Druckphase (Video 3,1) montiert. </li><li> Mit Hilfe eines Computerprogramms, beliebige Designs, einschließlich linear, planar, und komplexe dreidimensionale Strukturen können einfach erzeugt werden (Video 3,2). </li><li> Als nächstes wird die Düse Höhe mit Hilfe von Teleskop-Objektiv mit einem 10fach-Zoom (Video 3,3) eingestellt. </li&gt; <li> Nach Anwendung von Druck mit Hilfe eines Druckluft-Fluid-Dosiersystem wird die Farbe auf das Substrat mit einer kontrollierten Druckgeschwindigkeit (Video 3,4) hinterlegt. Der erforderliche Druck hängt von Tinte Rheologie, Düsendurchmesser und Druckgeschwindigkeit, sondern typische Werte liegen im Bereich von 10 bis 100 psi bei 20-500 mu m / s. Dieser Druck ist in der Luft bei Raumtemperatur durchgeführt. Mit diesem Druckverfahren wird das Drucken von Silber Mikroelektroden in verschiedenen Layouts und Größenskalen demonstriert. </li><li> Ein Beispiel ist das Drucken von Leitsilber Gitter mit einer Mitte-zu-Mitte-Zeilenabstand von 100 um, von einem 5-um Düse auf einem Silizium-Wafer-Substrat strukturiert gezeigt (Video 3,5). </li><li> Darüber hinaus zeigt dieses Video, wie man ein hohes Aspektverhältnis zylindrische Struktur mit einem 30-um Düse mit einem Layer-by-Layer-Druckverfahren (Video 3,6) zu schaffen. </li><li> Darüber hinaus die omnidirektionale Druck von Silber Mikroelektroden zwischen zwei Glas-Substrate mit einem 1-mm Höhe di Offsetfference nachgewiesen wird mit einem 30-um-Düse (Video 3,7). </li><li> Völlig frei stehend, kann vertikal gedruckt Silber microspikes von einem 30-Düse um auf einem Si-Wafer-Substrat (Video 3,8) erstellt werden. </li><li> Schließlich zeigt dieses Video direktes Schreiben eines Spanning Silber Mikroelektroden mit einem 10-um-Düse (Video 3,9). Die gedruckte Feature kann Spannweiten bis zu einem Zentimeter mit minimalem hängenden oder Knicken. </li></ol> 4. Repräsentative Ergebnisse: Wir bereiteten eine hochkonzentrierte Silber-Nanopartikel-Tinten und demonstrierte gedruckten Leiterbahnen Funktionen in planaren und 3D-Motive für elektronische und optoelektronische Anwendungen mit Druck-Auflösung ~ 2 bis 30 um. Ein Beispiel, Abbildung 8 zeigt die Druckauflösung von dieser Technik. Gedruckt Funktionen mit einem Minimum an Elektrode Breite von ~ 2 pm (1,4 &amp;mgr; m dick) werden in einem einzigen Durchlauf mit einem 1-Düse um 11 erhalten. Abbildung 9 zeigts transparente leitfähige Silber Gitter, durch einen 5 um Düse auf eine flexible gemusterte Polyimid-Folie 12. Die Texte unter den gedruckten Netze sind deutlich sichtbar. Diese transparenten Silber Netze könnten attraktive Alternativen für transparente, leitfähige Oxide (TCO) Materialien. Conformal Druck auf eine nicht-planaren Substraten wird auch durch diese Methode aktiviert. Abbildung 10 zeigt die konforme Drucken von 3D elektrisch kleine Antenne. A 100 um Metalldüse wird verwendet, um Mäander-Linienmuster auf der Oberfläche eines Glashalbkugel 13 Drucken. Dieser Ansatz kann sich mehrere Anwendungen wie implantierbare und tragbare Antennen, Elektronik und Sensorik. Anwendungen von Spanning Silber Mikroelektroden in dreidimensionale Photovoltaik und Leuchtdioden sind nachgewiesen (Abb. 11-14). Zuerst wird Abbildung 11 ein Beispiel für Silizium Kugelschale. Diese dürftige Film mit einer 2-um thickness werden kann, um einen äußeren Stromkreis durch omnidirektionale Druck 14 Draht-gebunden. Diese Methode verwendet geringem Anpressdruck, was sehr vorteilhaft für empfindliche Geräte. Als nächstes zeigt Abbildung 12 ein Beispiel für das Drucken eines Spanning-Interconnect für einen Silizium-Solarzellen Mikrozelle Array, in dem Silizium-microribbon Elemente durch 33-um Spalt 15 voneinander getrennt sind. Als nächstes Abbildung 13 zeigt Silber-Verbindungen für die Gallium-Arsenid-Basis LED-Array mit 4-by-4 Pixel, wobei jedes Pixel (500 x 500 x 2,5 mu m 3) ist 200 pm Abstand 11 beabstandet. Das untere Bild zeigt das LED-Array, emitting einheitliche rote Licht bei einer angelegten Vorspannung von 6 V von einem einzelnen Pixel. Die Fähigkeit, Spanning Elektroden print ermöglicht mehrschichtige Verbindung ohne den Einsatz von Stütz-oder Opferschichten (top Bilder). Als letzte Demonstration, Abbildung 14 zeigt REM-Aufnahmen für die komplexen 3D-microperiodic silber Gitter durch einen 5 um Düse gedruckt. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" /> Abbildung 1. Optical Image der direkten Tintenschreibgeräte Apparat. <img alt="Abbildung 2" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" /> Abbildung 2. Direkte Tinte Schreiben eines fadenförmigen Funktion. <img alt="Abbildung 3" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" /> Abbildung 3. Direkte Tinte Schreiben von freitragenden Spanning Funktionen. <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" /> Abbildung 4. Ink Designs für die direkte Tinte schreiben. Eine breite Palette von konzentrierten viskoelastischen Farben wurden für das direkte Schreiben von planaren und komplexe 3D-Strukturen mit mikro-Features entwickelt. <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" /> Abbildung 5 (links). Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Aufnahme von Silber-Nanopartikeln. (Oben rechts) REM-Aufnahmen von Silber Mikroelektroden mit einem 15-um Düse als Funktion der Glühtemperatur gemustert. (Unten rechts) Elektrischer Widerstand von Silber Mikroelektroden als Funktion der Glühtemperatur und Zeit. <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" /> Abbildung 6. Scheinbare Viskosität (η) der Silber-Nanopartikel-Tinten als Funktion von Festkörpern loading. <img alt="Abbildung 7" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" /> Abbildung 7. Shear Elastizitätsmodul (G &#39;) als Funktion der Schubspannung für Silber-Nanopartikel-Tinten unterschiedlicher Feststoffe loading. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" /> Abbildung 8. REM-Aufnahmen von planaren Arrays aus Silber Mikroelektroden gemustertenauf einem Si-Wafer mit einem 1-Düse um. <img alt="Abbildung 9" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" /> Abbildung 9. Optical Image der transparenten leitfähigen Silber Gitter (links) und REM-Aufnahmen der Netze als Funktion der Zeilenabstand (rechts) gedruckt. <img alt="Abbildung 10" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" /> Abbildung 10. Optical Bild während konformen Druck von elektrisch kleine Antennen auf einer halbkugelförmigen Glassubstrat eingefangen. <img alt="Abbildung 11" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" /> Abbildung 11. Optical Image während des Druckens von Spanning Silber Mikroelektroden auf eine dünne (2-um) Silizium Kugelschale erhalten. <img alt="Abbildung 12" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" /> Abbildung 12. REM-Aufnahme eines Spanning Silber Mikroelektroden auf einem Silizium so gedrucktlar Mikrozelle Array. <img alt="Abbildung 13" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" /> Abbildung 13. REM-Bilder (oben) und optischen Bild (unten) eines 4-by-4 LED-Chip-Arrays durch Silber Mikroelektroden miteinander verbunden. <img alt="Abbildung 14" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" /> Abbildung 14. REM-Aufnahme von 3D-microperiodic silber Gitter.

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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>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Konventionelle Tröpfchen-basiertes Drucken Ansätze, wie Tintenstrahldruck, sind die Herstellung von planaren Elektroden mit niedrigem Aspektverhältnis durch die verdünnte Natur und niedrige Viskosität der Druckfarben verwendet begrenzt. Vor kurzem haben Dip-Pen-Nanolithographie (DPN) 20-22 und e-Jet-Druck 23-25 ​​bis Pattern leitenden Funktionen eingesetzt. Diese Routen auch verdünnte, niedrige Viskosität Tinten. Pearton und Mitarbeiter verwendeten DPN mit einem kommerziell erhältlichen Silber-Nanopartikel Tinte schreiben Geschwindigkeiten von bis zu 1600 um s -1 und Linienbreiten von etwa 0,5 um 22 einzahlen. Allerdings hat die Herstellung von reproduzierbaren Mustern auf großen Flächen noch von diesem Ansatz nachgewiesen werden. Silber-Nanopartikel-Tinten sind auch per E-Jet-Druck hinterlegt worden, um Leiterbahnen mit Linienbreiten von ~ 1,5 um 25 zu bilden. Jedoch, wie mit Inkjet-Druck kann inhomogene gedruckten Funktionen entstehen durch Satelliten Tropfenbildung und ungleichmäßige drop drying 24,25. Wie oben dargelegt, Direktwahltelefon, schreiben Montage von konzentrierten Silber-Nanopartikel-Tinten überwindet diese Einschränkungen durch eine fadenförmige-basiertes Drucken Ansatz. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von leitfähigen Mikroelektroden mit einem hohen Seitenverhältnissen (h / w ≈ 1,0) in einem einzigen geht, die die Erstellung von 1D-, 2D-und 3D-Architekturen. Die Größe der gedruckten Funktionen hängt von Düsendurchmesser, Tinte Feststoffe Laden, Anpressdruck und Druckgeschwindigkeit. Bis heute Leiterbahnen so klein wie ~ 2 pm wurden gemustert mit einem 1 um Düse zu moderaten Geschwindigkeiten (&lt;2 mm s -1). Durch Anpassung der Farbzusammensetzung und Düsengeometrie, maximale Druckgeschwindigkeit von über 10 cm s -1 sind möglich. Allerdings bleibt Hochgeschwindigkeitsdruck der Verwendung von feinen Düsen (&lt;5 um) eine große Herausforderung. Um zu demonstrieren, Anwendungen der direkten Schreib-Montage, wir leitfähigen Gitter, el hergestelltectrically kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden mit planaren und Spanning gedruckten Elektroden (Abbildung 8-14). Bemerkenswert ist, dass unser Ansatz nicht zur Schaffung von metallischen Strukturen beschränkt. Die Verwendung anderer Tinte entwickelt, wie sie auf Seidenfibroin, Hydrogel und flüchtigen organischen Tinten basieren, haben wir 3D-Gerüsten und mikrovaskuläre Netzwerke für das Tissue Engineering und Zellkulturen mittels direkter Schreib-Montage 26-30 errichtet. Blick in die Zukunft, es gibt viele Möglichkeiten und Herausforderungen. Weitere Fortschritte erfordern neue Tinte entwickelt, bessere Modellierung von Tinte fließen Dynamik und verbesserten Roboter-und Steuerungssysteme. Großflächige Herstellung von 1D bis 3D-Strukturen mit hohem Durchsatz und nanoskaliger Auflösung (&lt;100 nm) bleibt eine große Herausforderung.

<table border="1"><tr><td> Name des Reagenzes </td><td> Firma </td><td> Katalog-Nummer </td><td> Kommentare </td></tr><tr><td> Poly (acrylsäure) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 06519 </td><td> mw 5.000 g / mol </td></tr><tr><td> Poly (acrylsäure) </td><td> Polysciences, Inc. </td><td> 00627 </td><td> mw 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Silbernitrat </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Silber-Quelle </td></tr><tr><td> Diethanolamin </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Solvent / Reduktionsmittel </td></tr><tr><td> Ethylenglykol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Feuchthaltemittel </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Zentrifuge </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti TM J-25 I </td><td> - </td></tr><tr><td> Robotic Bühne </td><td> Aerotech Inc. </td><td> ABL 900010 </td><td> 3-Achsen-Bewegung </td></tr><tr><td>Spritzenzylinder </td><td> EFD Inc. </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Düse </td><td> EFD Inc. </td><td> - </td><td> id = 0,1 bis 250 um </td></tr><tr><td> Spender </td><td> EFD Inc. </td><td> 800 </td><td> Air-powered </td></tr><tr><td> Design-Software </td><td> Kundenspezifische </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

planar and three-dimensional printing of conductive inks

Gedruckte Elektronik setzen auf kostengünstige, großflächige Herstellung Routen flexibel oder mehrdimensionale elektronische, optoelektronische und biomedizinische Geräte 1-3. In diesem Papier konzentrieren wir uns auf ein-(1D), zwei-(2D) und dreidimensionale (3D) Drucken von leitfähigen metallischen Farben in Form von flexiblen, dehnbaren und Spanning Mikroelektroden. Direct-schreiben Montage 4,5 ist eine 1-zu-3D-Drucktechnik, die die Herstellung von Funktionen reichen von einfachen Linien bis hin zu komplexen Strukturen, die durch die Ablagerung von konzentrierten Farben durch feine Düsen (~ 0,1 bis 250 um) ermöglicht. Dieses Druckverfahren besteht aus einem computergesteuerten 3-Achs-Übersetzung Bühne, ein Tintenreservoir und Düse, und 10x Teleobjektiv für die Visualisierung. Im Gegensatz zu Inkjet-Druck, ein Tröpfchen-basierten Prozess beinhaltet direkte Schreib-Montage der Extrusion von Tinte Filamente entweder in-oder out-of-plane. Die gedruckte Fäden in der Regel erfüllen die Düsengröße. Hence können mikro-Funktionen (&lt;1 m) strukturiert und in größere Arrays und mehrdimensionale Architekturen aufgebaut werden. In diesem Papier haben wir zunächst Synthese einer hoch konzentrierten Silber-Nanopartikel Tinte für ebene und 3D-Druck mittels direkter Schreib-Montage. Als nächstes ist ein Standardprotokoll für den Druck Mikroelektroden in multidimensionalen Motiven demonstriert. Schließlich werden Anwendungen gedruckter Mikroelektroden für elektrisch kleine Antennen, Solarzellen und Leuchtdioden markiert.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Planar-und dreidimensionalen Drucken von leitfähigen metallischen Farben beschrieben wird. Unser Ansatz bietet neue Wege zur Herstellung von gedruckten elektronischen, optoelektronischen und biomedizinische Geräte in ungewöhnlichen Layouts auf der Mikroebene.

Planar-und Drei-Dimensional Printing von Leitfähige Druckfarben

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

36.9K Aufrufe.  University of Illinois at Urbana-Champaign. Planar-und dreidimensionalen Drucken von leitfähigen metallischen Farben beschrieben wird. Unser Ansatz bietet neue Wege zur Herstellung von gedruckten elektronischen, optoelektronischen und biomedizinische Geräte in ungewöhnlichen Layouts auf der Mikroebene.

Serie: Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

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.

Dreidimensionale Optische Auflösung photoakustische Mikroskopie

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

Forschung

Biotechnik

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.

Alginat Hydrogele für Three-Dimensional Organ Culture der Eierstöcke und Eileitern

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 ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

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.

Menschliches Knorpelgewebe Herstellung unter Verwendung von dreidimensionalen Inkjet-Drucktechnologie

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.

Analyse der Zellmigration in eine dreidimensionale Kollagenmatrix

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.

Erzeugung eines dreidimensionalen Vollhaut Equivalent und automatisierte Verwundung

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.

Herstellung und Analyse von<em&gt; In Vitro</em&gt; Three Dimensional Mammakarzinoms 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.

Technik Dreidimensionale Epithelgewebe Eingebettet in extrazellulären Matrix

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

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

Herstellung von dreidimensionalen Papierbasis Microfluidic Devices für Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

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.

Dreidimensionaler Druck von thermoplastischen Materialien erstellen automatisiert Spritzenpumpen mit Feedback-Kontrolle für mikrofluidische Anwendungen

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