Diese Arbeit wurde von NSF / DOE Partnership in Plasma Science and Technology unterstützt (NSF Grant No CBET-0853777 und DOE Grant No DE-SC0001169), STTR Projekt in Phase I (NSF STTR PHASE I No.1010133). Die Autoren möchten die PPPL Offsite Research Program des Office of Fusion Energy Sciences zur Unterstützung arc Experimente unterstützt haben.

1. Anode Vorbereitung <ol><li> Scale-Nickel-Pulver (99,8%, 300 mesh) und Yttrium Pulver (99,9%, 40 mesh) nach dem molaren Radio von 4,2:1 als Katalysator Pulver. </li><li> Mix der Katalysator-Pulver mit Graphit-Pulver (99,9995%, 200 mesh) sehr gut. Füllen Sie das gemischte Pulver in hohle Graphitstab (5 mm Außendurchmesser, 2,5 mm Innendurchmesser und 75 mm Länge) fest. Achten Sie darauf, die gesamte molare Radio von C: Ni: Y in Anodenstange ist 94.8:4.2:1, ist die optimale Verhältnis zu SWCNT 9 zu synthetisieren. </li><li> Installieren Kathodenstange (reine Graphit, 13 mm Durchmesser) und die gefüllten Anodenstange innen zylindrischen Kammer (Edelstahl, 152 mm Durchmesser und 254 mm Länge). Passen Sie die Lücke Abstand zwischen Kathode und Anode auf etwa 3 mm. </li></ol> 2. Substrat-Setup <ol><li> Legen Sie einen quaderförmigen Permanentmagneten (25 mm × 25 mm × 100 mm) in der Kammer bei etwa 25 mm Abstand von der interelectrode Achse. Der Ultra-High-Temp Alnico Magneten verwendetin Experiment hat das Gewicht von 650 Gramm. Verwenden Sie die Konfiguration, wenn der Lücke zwischen den im Abstand von ca. h = 75 mm (Abbildung 1a) von der Unterseite des Permanentmagneten befindet. </li><li> Schneiden Sie die 0,3 mm Dicke Molybdänblech (99,95%) als die 25 mm × 100 mm rechteckige Form. Entfernen Sie Oberflächenkontamination durch Ultraschall Dismembrator in Aceton und Ethanol für 30 min mit 50% Beschallung Amplitude, 150 W Ausgangsleistung und 40 kHz-Frequenz. </li><li> Installieren Molybdänblech Anbringen einer Seite des Permanentmagneten, und schalten Sie diese Seite in Richtung Elektroden. </li><li> Messen Sie das magnetische Feld in der Lücke zwischen den von einem Gaussmeter. Halten Sie die mittlere magnetische Feld zwischen den Elektroden ist etwa 0,06 T. </li></ol> 3. Die Zündung des Lichtbogens Plasma <ol><li> Abpumpen des zylindrischen Kammer, um den Druck von weniger als 10 -1 Torr Vakuum und füllte ihn mit Helium (99,995%) bis 500 Torr. </li><li> Connect Lichtbogenelektroden zu DC Welding Stromversorgung und Einrichten der Stromversorgung auf Lichtbogenstrom von etwa 75 A. </li><li> Notieren Sie die Echtzeit-Werte von arc, Lichtbogenspannung und Kammerdruck für post-Experiment Analyse. </li><li> Starten Sie das Video von Lichtbögen von der rechten Seite und Front Ansichtsfenster durch zwei digitale Kameras gleichzeitig. Die Snapshots nach 1 Bogensekunde ab, sind in Abbildung 1b gezeigt (von rechts Viewport) und Abbildung 1d (von vorne Viewport). </li><li> Führen Sie den Bogen für 15 Sekunden. Cool down Kammer durch natürliche Konvektion für mindestens 20 Minuten. </li></ol> 4. Post-Synthese-Analyse und Charakterisierung <ol><li> Pinzette zum Abreißen der Ablagerung Flocken von der Oberfläche des Molybdän-Blatt, wo der Lichtbogen-Plasmen jet gerichtet war. Eine weitere Probe wird aus dem schwarzen Kragen der Kathode gesammelt. Beachten Sie die Morphologie der beiden Seiten der Ablagerung Flocke unter SEM (Beschleunigung von 30 kV verwendet wurde). </li><li> Bezüglich der Probenvorbereitung für die<html> TEM-Analyse, die dünnen Schichten der Probe wurden für Tropfen Gießen einer Suspension von Methanol-dispergierten SWCNT Lösung nach Beschallung für 60 Minuten mittels Ultraschall Dismembrator mit 50% Beschallung Amplitude erhalten. Beachten Sie die Morphologie der Dünnschicht unter JEOL TEM mit der Spannung von 100 KV nach der Verflüchtigung von Methanol-Lösung. Für die Position von Interesse in der Probe, kann Elektronenbeugung Muster mit der CCD-Kamera Länge von 50 cm mit TEM verbundenen bezogen werden. </li><li> Wellenlänge 514 nm, die dem entspricht, Raman-Spektroskopie wurde an einem Mikro-Raman-System auf einem 200 mW Lexel 3000 Ar-Ionen-Laser (abstimmbare Single-Line-Ausgang), mit holografischen Optik, einem 0,5 m-Spektrometer und einem flüssigem Stickstoff gekühlte CCD-Detektor durchgeführt Energie von 2,33 eV. Raman-Messungen erfasst den Bereich von 100 cm -1 bis 3100 cm -1, und wurden auf der Oberfläche der Graphenflocken durchgeführt. </li></ol> 5. Repräsentative Ergebnisse &quot;&gt; Die Video-Schnappschüsse gleichzeitig von rechts und vorne Ansichtsfenster der Kammer erhalten in Abbildung 1b gezeigt, d für h = 75 mm. Diese Bilder zeigen signifikante Störung des Lichtbogen-Plasma-Spalte in Anwesenheit eines externen magnetischen Feldes im Vergleich mit axialsymmetrischen Lichtbogensäule beobachtet in dem Fall ohne Magnetfeld 10. Abbildung 2a und 2b zeigen die typische Morphologie der SWCNT und Katalysatorteilchen auf dem Kragen der Kathode ohne Magnetfeld und mit dem Magnetfeld von B = 0,06 Tesla unter TEM erhoben, bzw.. Man erkennt, dass SWCNT mit Magnetfeld in Bündeln mit einem Durchmesser von 2 bis 20 nm durch die van der Waals-Wechselwirkung zwischen den einzelnen SWCNT dicht gepackten werden. Im Vergleich dazu haben die SWCNT ohne Magnetfeld mit dem größeren Durchmesser in Bündeln und größere individuelle Durchmesser, die im Einklang mit der Analyse von Raman-Spektrum ist. Auch das Magnetfeld can Ergebnis in der SWCNT mit höherer Reinheit in Abbildung 2a und 2b gezeigt. Die interessantesten Einfluss des Magnetfeldes ist, dass Graphenflocken von der Oberfläche der Ablagerung Flocken, die in der Nähe von Molybdän Blech wird in den gleichen Verfahren erhalten werden. Abbildung 2c und 2d zeigen die SEM-und TEM-Aufnahmen von Graphen Flocken sowie einige- Schicht Graphen von der Probe an der Stelle entnommen wurden entsprach arc Plasmen Jets. Der Einschub in Abbildung 2d zeigt die Elektronen Beugungsmuster mit dem Graphen verbunden. Die sechseckige Muster aus der Elektronenbeugung präsentiert die Beweise des wohlgeordneten Kristallstrukturen. Raman-Spektrum ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Charakterisierung von Graphen Flocken und SWCNT. Die typische Spitzen im Graphen beobachtet sind die G-und 2D-Peaks bei ~ 1600 cm -1 und ~ 2700 cm -1 bzw. mit der Anregungswellenlänge von 514 nm. Der GHöhepunkt ergibt sich aus in der Ebene Schwingungen, die in allen sp2 Kohlenstoff-Materialien beobachtet werden kann. Die 2D-Gipfel ist ein zweiter Ordnung der D Spitze, sondern ist auch in nicht ungeordneten Systemen, aufgrund der vierten Ordnung Phonon Impulsaustausch Doppelresonanz Prozess gesehen. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Charakterisierung von Graphen. Die Intensität I (2D) / I (G) ist ca. 4 für Monolayer Graphen und nimmt mit der Zugabe von weiteren Schichten, wodurch es möglich ist, die Dicke der Graphenschichten zu schätzen. 11 Abbildung 3 zeigt, dass der Wert von I (2D) / I (G) ist etwa 1, was den Nachweis der Graphen-Mehrfachschichten werden. Die radial breathing mode (RBM) zwischen 120 und 350 cm -1 in der Raman-Spektrum lässt sich die Nanoröhrchen Durchmesser durch die kohärente Schwingungsfrequenz der C-Atome in radialer Richtung zu identifizieren. Der experimentelle Zusammenhang zwischen der Häufigkeit und SWCNT Durchmesser ω RBM = A / d t + B, wobei die Parameter of A und B gleich 234 und 10 cm -1, für die typische SWCNT in Bündeln gebildet. Aus Abbildung 3 sind die RBM Frequenzen von SWCNT mit und ohne Magnetfeld 163,8 und 215,2 cm -1, entsprechend der durchschnittlichen individuellen SWCNT Durchmessern von 1,52 und 1,14 nm auf. <img alt="Abbildung 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> Abbildung 1. Vertrieb von magnetischen Feldes simuliert FEMM 4.2 Software (a), Foto des Bogens Plasmen Strahl aus der rechten Ansichtsfenster (b), schematische Darstellung von Elektroden Position und Richtung Magnetfeld in die Lücke für den Fall, wenn die Lücke zwischen den positioniert ist ca. 75 mm über dem Boden des Permanentmagneten (c), und ein Foto des Bogens Plasmen Strahl aus der frontalen Ansicht (d). <img alt="Abbildung 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> Abbildung 2. TEM-Bild von der SyntheseSWCNT Bundles ohne Magnetfeld (a) und SWCNT Bundles mit Magnetfeld (b), typische REM-Aufnahme von Graphen-Plättchen mit Magnetfeld (c) und TEM-Aufnahme von Graphen mit Magnetfeld synthetisiert. Inset ist der ausgewählte Bereich Elektronenbeugungsbild zeigt die kristalline Struktur von Graphen. <img alt="Abbildung 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> Abbildung 3. Raman-Spektrum der Proben mit magnetischen Feldes im Bereich von 100 bis 3100 cm -1. Inset: Raman-Spektrum der Proben ohne Magnetfeld um RBM Frequenzen. <img alt="Abbildung 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> Abbildung 4. Nanostruktur Wachstumsregion und Anzahldichte von Kohlenstoff und Nickel für Bogen von 60 A. Beachten Sie, dass die Dichten von Kohlenstoff und Nickel auf der linken und rechten Seite der Elektroden gezeigt, in der gleichen Region koexistieren.

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	<li>Dai, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+transport+properties+and+field+effect+transistors+of+carbon+nanotubes.">Electrical transport properties and field effect transistors of carbon nanotubes.</a> Nano. 1, 1-13 (2006).</li><li>Lai, K. W. C., Xi, N., Fung, C. K. M., Chen, H. Z., Tarn, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+the+band+gap+of+carbon+nanotube+for+infrared+sensors.">Engineering the band gap of carbon nanotube for infrared sensors.</a> Applied Physics Letters. 95, 221107-221107 (2009).</li><li>Gabor, N. M., Zhong, Z. H., Bosnick, K., Park, J., McEuen, P. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extremely+Efficient+Multiple+Electron-Hole+Pair+Generation+in+Carbon+Nanotube+Photodiodes.">Extremely Efficient Multiple Electron-Hole Pair Generation in Carbon Nanotube Photodiodes.</a> Science. 325, 1367-1371 (2009).</li><li>Liu, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+storage+in+single-walled+carbon+nanotubes+at+room+temperature.">Hydrogen storage in single-walled carbon nanotubes at room temperature.</a> Science. 286, 1127-1129 (1999).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic-field-enhanced+synthesis+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+arc+discharge.">Magnetic-field-enhanced synthesis of single-wall carbon nanotubes in arc discharge.</a> Journal of Applied Physics. 103, 094318-094318 (2008).</li><li>Li, J., Volotskova, O., Shashurin, A., Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+Diameter+Distribution+of+Catalyst+Nanoparticles+in+Arc+Discharge.">Controlling Diameter Distribution of Catalyst Nanoparticles in Arc Discharge.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 11, 10047-10052 (2011).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tailored+Distribution+of+Single-Wall+Carbon+Nanotubes+from+Arc+Plasma+Synthesis+Using+Magnetic+Fields.">Tailored Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes from Arc Plasma Synthesis Using Magnetic Fields.</a> Acs. Nano. 4, 5187-5192 (2010).</li><li>Volotskova, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-step+synthesis+and+magnetic+separation+of+graphene+and+carbon+nanotubes+in+arc+discharge+plasmas.">Single-step synthesis and magnetic separation of graphene and carbon nanotubes in arc discharge plasmas.</a> Nanoscale. 2, 2281-2285 (2010).</li><li>Farhat, S., Scott, C. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Review+of+the+arc+process+modeling+for+fullerene+and+nanotube+production.">Review of the arc process modeling for fullerene and nanotube production.</a> Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 6, 1189-1210 (2006).</li><li>Keidar, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increasing+the+length+of+single-wall+carbon+nanotubes+in+a+magnetically+enhanced+arc+discharge.">Increasing the length of single-wall carbon nanotubes in a magnetically enhanced arc discharge.</a> Applied Physics Letters. 92, 043129-043129 (2008).</li><li>Ferrari, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Raman+spectrum+of+graphene+and+graphene+layers.">Raman spectrum of graphene and graphene layers.</a> Physical Review Letters. 97, 187401-187401 (2006).</li></ol>

Wir haben nichts zu offenbaren.

In der Video-Schnappschüsse in Abbildung 1b und 1d gezeigt, für den Fall, dass die Lücke zwischen den im Abstand von ca. h = 75 mm von der Unterseite des Dauermagneten gebracht wurde, ist anzumerken, dass Veränderung der Position des Magneten (wir Magneten Verschiebung getestet werden entlang der z-Achse und Drehen des Magneten über) Ergebnisse in Abweichung von arc jet flow in x-Richtung, die Richtung der J × B Kraft in Abbildung 1c dargestellt. Es wurde auch beo...

Tabelle der spezifischen Reagenzien und Geräte: <table border="1"><tbody><tr><th> Name des Reagenzes </th><th> Firma </th><th> Katalog-Nummer </th><th> Kommentare (optional) </th></tr><tr><td> Methanol </td><td> Acros Organics </td><td> 423950010 </td><td></td></tr><tr><td> Nickelpulver </td><td> Alfa Aesar </td><td> 10581 </td><td></td></tr><tr><td> Yttrium Pulver </td><td> Acros Organics </td><td> 318060050 </td><td></td></tr><tr><td> Graphitpulver </td><td> Alfa Aesar </td><td> 40799 </td><td></td></tr><tr><td> Hohle Graphitstab </td><td> Saturn Industries </td><td> POCO EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> Permanentmagnet </td><td> McMaster-Carr </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> Molybdän Blech </td><td> Dingqi Sci. und Tech. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> Ultraschall- Dismembrator </td><td> Fisher Scientific </td><td> Modell 150T </td><td></td></tr><tr><td> Hall-Effekt-Gaussmeter </td><td> AI </td><td> Model 100 </td><td></td></tr><tr><td> Welding Stromversorgung </td><td> Miller Electric </td><td> Gold Star 600SS </td><td></td></tr><tr><td> Vakuumpumpe </td><td> J / B </td><td> DV-85N </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> Zeiss </td><td> LEO 1430VP </td><td></td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> 1200 EX </td><td></td></tr><tr><td> Raman </td><td> Horiba </td><td> HR800 </td><td></td></tr></tbody></table>

simultaneous synthesis of single-walled carbon nanotubes and graphene in a magnetically-enhanced arc plasma

Kohlenstoff-Nanostrukturen wie Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNT) und Graphen ziehen eine Flut von Interesse von Gelehrten heutzutage aufgrund ihrer sehr vielversprechende Anwendung für molekulare Sensoren, Feldeffekt-Transistor und super dünne und flexible elektronische Geräte 1-4. Anodische Bogenentladung durch die Erosion des Anodenmaterials unterstützt ist eines der praktischsten und effizientesten Methoden, die bestimmte Nicht-Gleichgewichts-Prozessen und einem hohen Zustrom von Kohlenstoff-Material auf die Entwicklung von Strukturen bei relativ höheren Temperaturen bieten kann, und somit die as- synthetisierten Produkte haben einige strukturelle Mängel und bessere Kristallinität. Zur weiteren Verbesserung der Steuerbarkeit und Flexibilität der Synthese von Kohlenstoff-Nanostrukturen in Bogenentladung, können magnetische Felder während der Synthese-Prozess nach dem starken magnetischen Reaktionen der Bogen Plasmen angewendet werden. Es konnte gezeigt werden, dass der magnetisch-enhanced arc discharge erhöhen die durchschnittliche Länge der SWCNT 5, schmalen Durchmesser Verteilung der metallischen Katalysators Partikel und Kohlenstoff-Nanoröhren 6, und ändern Sie das Verhältnis von metallischen und halbleitenden Kohlenstoff-Nanoröhren 7, sowie an Graphen-Synthese 8 führen. Darüber hinaus lohnt es sich, zu bemerken, dass, wenn wir eine ungleichmäßige Magnetfeld vorstellen mit der Komponente normal zur Strom in Bogen, die Lorentz-Kraft entlang der J × B Richtung kann die Plasmen jet generieren und effiziente Bereitstellung von Kohlenstoff-Ionen-Partikeln und Wärmestrom zu Proben. Als Folge wurden umfangreiche Graphenflocken und hochreine einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren gleichzeitig durch solche neuen magnetisch-enhanced anodischen Lichtbogen-Verfahren erzeugt. Arc Bildgebung, Rasterelektronenmikroskop (SEM), wurden Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) und Raman-Spektroskopie eingesetzt, um die Charakterisierung von Kohlenstoff-Nanostrukturen zu analysieren. Diese Ergebnisse deuten auf einebreites Spektrum an Möglichkeiten, mit den Eigenschaften von Nanostrukturen in Plasmen durch Steuerung des Lichtbogens Bedingungen hergestellt manipulieren.

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Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Anodische Bogenentladung ist eines der praktischsten und effizientesten Methoden, um verschiedene Kohlenstoff-Nanostrukturen zu synthetisieren. Zur Erhöhung der Bogen Steuerbarkeit und Flexibilität, wurde ein nicht-homogenes Magnetfeld eingeführt, um die Ein-Schritt-Synthese von großflächigen Graphenflocken und hochreine einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren-Prozess.

Simultane Synthese von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Graphen in einem magnetisch-enhanced Arc Plasma

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

15.2K Aufrufe.  The George Washington University. Anodische Bogenentladung ist eines der praktischsten und effizientesten Methoden, um verschiedene Kohlenstoff-Nanostrukturen zu synthetisieren. Zur Erhöhung der Bogen Steuerbarkeit und Flexibilität, wurde ein nicht-homogenes Magnetfeld eingeführt, um die Ein-Schritt-Synthese von großflächigen Graphenflocken und hochreine einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren-Prozess.

Serie: Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Graphene Coatings for Biomedical Implants

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene for applications as a stent material. Graphene was grown on copper substrates via chemical vapor deposition and then transferred onto nitinol substrates. In order to understand how the graphene coating could change biological response, cell viability of rat aortic endothelial cells and rat aortic smooth muscle cells was investigated. Moreover, the effect of graphene-coatings on cell adhesion and morphology was examined with fluorescent confocal microscopy. Cells were stained for actin and nuclei, and there were noticeable differences between pristine nitinol samples compared to graphene-coated samples. Total actin expression from rat aortic smooth muscle cells was found using western blot. Protein adsorption characteristics, an indicator for potential thrombogenicity, were determined for serum albumin and fibrinogen with gel electrophoresis. Moreover, the transfer of charge from fibrinogen to substrate was deduced using Raman spectroscopy. It was found that graphene coating on nitinol substrates met the functional requirements for a stent material and improved the biological response compared to uncoated nitinol. Thus, graphene-coated nitinol is a viable candidate for a stent material.

Graphene offers potential as a coating material for biomedical implants. In this study we demonstrate a method for coating nitinol alloys with nanometer thick layers of graphene and determine how graphene may influence implant response.

Atomically smooth graphene as a surface coating has potential to improve implant properties. This demonstrates a method for coating nitinol alloys with ...

Forschung

Biotechnik

Localization and Relative Quantification of Carbon Nanotubes in Cells with Multispectral Imaging Flow Cytometry

Carbon-based nanomaterials, like carbon nanotubes (CNTs), belong to this type of nanoparticles which are very difficult to discriminate from carbon-rich cell structures and de facto there is still no quantitative method to assess their distribution at cell and tissue levels. What we propose here is an innovative method allowing the detection and quantification of CNTs in cells using a multispectral imaging flow cytometer (ImageStream, Amnis). This newly developed device integrates both a high-throughput of cells and high resolution imaging, providing thus images for each cell directly in flow and therefore statistically relevant image analysis. Each cell image is acquired on bright-field (BF), dark-field (DF), and fluorescent channels, giving access respectively to the level and the distribution of light absorption, light scattered and fluorescence for each cell. The analysis consists then in a pixel-by-pixel comparison of each image, of the 7,000-10,000 cells acquired for each condition of the experiment. Localization and quantification of CNTs is made possible thanks to some particular intrinsic properties of CNTs: strong light absorbance and scattering; indeed CNTs appear as strongly absorbed dark spots on BF and bright spots on DF with a precise colocalization.
This methodology could have a considerable impact on studies about interactions between nanomaterials and cells given that this protocol is applicable for a large range of nanomaterials, insofar as they are capable of absorbing (and/or scattering) strongly enough the light.

In this study, the main purpose was to monitor the cellular uptake and eventual exocytosis of carbon nanotubes (CNTs). From this perspective, we proposed here a unique method using multispectral imaging flow cytometry allowing a quantification and localization of CNTs in a statistically relevant number of cells.

Lokalisierung und Relative Quantifizierung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Zellen mit multispektrale Imaging Durchflusszytometrie

Carbon-based nanomaterials, like carbon nanotubes (CNTs), belong to this type of nanoparticles which are very difficult to discriminate from carbon-rich ...

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of this hydrogel are two protein block-copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. A highly hydrophilic random coil is inserted into one of the block-copolymers for water retention. Mixing of the two protein block copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit with crosslinkers at either end that rapidly self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is very stable under both acidic and basic conditions, at temperatures up to 50 &#176;C, and in organic solvents. The hydrogel rapidly reforms after shear-induced rupture. Incorporation of a &#34;docking station peptide&#34; into the hydrogel building block enables convenient incorporation of &#34;docking protein&#34;-tagged target proteins. The hydrogel is compatible with tissue culture growth media, supports the diffusion of 20 kDa molecules, and enables the immobilization of bioactive globular proteins. The application of the intein-mediated protein hydrogel as an organic-solvent-compatible biocatalyst was demonstrated by encapsulating the horseradish peroxidase enzyme and corroborating its activity.

We present the synthesis of a split-intein-mediated protein hydrogel. The building blocks of this hydrogel are two protein copolymers each containing a subunit of a trimeric protein that serves as a crosslinker and one half of a split intein. Mixing of the two protein copolymers triggers an intein trans-splicing reaction, yielding a polypeptide unit that self-assembles into a hydrogel. This hydrogel is highly pH- and temperature-stable, compatible with organic solvents, and easily incorporates functional globular proteins.

Synthese einer Intein-vermittelten Protein-Hydrogel Künstliche

We present the synthesis of a highly stable protein hydrogel mediated by a split-intein-catalyzed protein trans-splicing reaction. The building blocks of ...

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of these porous nanofibers is of great interest due to their unique physiochemical properties. Here we elaborate on the fabrication of keratin containing poly (&#949;-caprolactone) (PCL) nanofibers (i.e., PCL/keratin composite fiber). Water soluble keratin was first extracted from human hair and mixed with PCL in different ratios. The blended solution of PCL/keratin was transformed into nanofibrous membranes using a laboratory designed electrospinning set up. Fiber morphology and mechanical properties of the obtained nanofiber were observed and measured using scanning electron microscopy and tensile tester. Furthermore, degradability and chemical properties of the nanofiber were studied by FTIR. SEM images showed uniform surface morphology for PCL/keratin fibers of different compositions. These PCL/keratin fibers also showed excellent mechanical properties such as Young&#39;s modulus and failure point. Fibroblast cells were able to attach and proliferate thus proving good cell viability. Based on the characteristics discussed above, we can strongly argue that the blended nanofibers of natural and synthetic polymers can represent an excellent development of composite materials that can be used for different biomedical applications.

Electrospun nanofibers have a high surface area to weight ratio, excellent mechanical integrity, and support cell growth and proliferation. These nanofibers have a wide range of biomedical applications. Here we fabricate keratin/ PCL nanofibers, using the electrospinning technique, and characterize the fibers for possible applications in tissue engineering.

Synthese von Keratin-basierten Nanofaser für Biomedizinische Technik

Electrospinning, due to its versatility and potential for applications in various fields, is being frequently used to fabricate nanofibers. Production of ...

Engineering Molecular Recognition with Bio-mimetic Polymers on Single Walled Carbon Nanotubes

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the optical window where biological samples are most transparent. Here, we outline techniques to adsorb amphiphilic polymers and polynucleic acids onto the surface of SWNTs to engineer their corona phases and create novel molecular sensors for small molecules and proteins. These functionalized SWNT sensors are both biocompatible and stable. Polymers are adsorbed onto the nanotube surface either by direct sonication of SWNTs and polymer or by suspending SWNTs using a surfactant followed by dialysis with polymer. The fluorescence emission, stability, and response of these sensors to target analytes are confirmed using absorbance and near-infrared fluorescence spectroscopy. Furthermore, we demonstrate surface immobilization of the sensors onto glass slides to enable single-molecule fluorescence microscopy to characterize polymer adsorption and analyte binding kinetics.

We present a protocol for engineering the corona phase of near infrared fluorescent single walled carbon nanotubes (SWNTs) using amphiphilic polymers and DNA to develop sensors for molecular targets without known recognition elements.

Technik Molekulare Erkennung mit Bio-Mimetikum Polymers auf einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWNTs) are a class of optically active nanomaterial that fluoresce in the near infrared, coinciding with the ...

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

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

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

Gezielte Plasma Membrane Lieferung eines Hydrophobic Transport Encapsulated in einem Liquid Crystal Nanoparticle Träger

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

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology with great potential for biomedical applications. The technique facilitates the direct deposition of biocompatible polymer fibers to fabricate well-ordered scaffolds in the sub-micron to micro scale range. The establishment of a stable, viscoelastic, polymer jet between a spinneret and a collector is achieved using an applied voltage and can be direct-written. A significant benefit of a typical porous scaffold is a high surface-to-volume ratio which provides increased effective adhesion sites for cell attachment and growth. Controlling the printing process by fine-tuning the system parameters enables high reproducibility in the quality of the printed scaffolds. It also provides a flexible manufacturing platform for users to tailor the morphological structures of the scaffolds to their specific requirements. For this purpose, we present a protocol to obtain different fiber diameters using melt electrospinning writing (MEW) with a guided amendment of the parameters, including flow rate, voltage and collection speed. Furthermore, we demonstrate how to optimize the jet, discuss often experienced technical challenges, explain troubleshooting techniques and showcase a wide range of printable scaffold architectures.

Melt Electrospinning Writing of Three-dimensional Poly(&amp;#949;-caprolactone) Scaffolds with Controllable Morphologies for Tissue Engineering Applications

This protocol serves as a comprehensive guideline to fabricate scaffolds via electrospinning with polymer melts in a direct writing mode. We systematically outline the process and define the appropriate parameter settings for achieving targeted scaffold architectures.

Elektrospinnen Schreiben von dreidimensionalen Poly(ε-caprolactone) Gerüste mit steuerbaren Morphologien für Tissue Engineering Anwendungen zu schmelzen

This tutorial reflects on the fundamental principles and guidelines for electrospinning writing with polymer melts, an additive manufacturing technology ...

Microhoneycomb Monoliths Prepared by the Unidirectional Freeze-drying of Cellulose Nanofiber Based Sols: Method and Extensions

Monolithic honeycomb structures have been attractive to multidisciplinary fields due to their high strength-to-weight ratio. Particularly, microhoneycomb monoliths (MHMs) with micrometer-scale channels are expected as efficient platforms for reactions and separations because of their large surface areas. Up to now, MHMs have been prepared by a unidirectional freeze-drying (UDF) method only from very limited precursors. Herein, we report a protocol from which a series of MHMs consisting of different components can be obtained. Recently, we found that cellulose nanofibers function as a distinct structure-directing agent towards the formation of MHMs through the UDF process. By mixing the cellulose nanofibers with water soluble substances which do not yield MHMs, a variety of composite MHMs can be prepared. This significantly enriches the chemical constitution of MHMs towards versatile applications.

Here, we present a general protocol to prepare a variety of microhoneycomb monoliths (MHMs) in which fluid can pass through with an extremely low pressure drop. MHMs obtained are expected to be used as filters, catalyst supports, flow-type electrodes, sensors and scaffolds for biomaterials.

Microhoneycomb Monolithen vorbereitet durch die unidirektionale Gefriertrocknung von Zellulose Nanofaser basierte Sols: Methode und Erweiterungen

Monolithic honeycomb structures have been attractive to multidisciplinary fields due to their high strength-to-weight ratio. Particularly, microhoneycomb ...

Synthesis of Multi-walled Carbon Nanotubes Modified with Silver Nanoparticles and Evaluation of Their Antibacterial Activities and Cytotoxic Properties

In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were treated with an aqueous sulfuric acid solution to form an oxygen-based functional group. Silver MWCNTs were prepared by the reductive deposition of silver from an aqueous solution of AgNO3 on the oxidized MWCNTs. Given the unique color of the CNTs, it was not possible to apply them to the minimum inhibitory concentration or mitochondrial toxicity assays to evaluate the toxicity and antibacterial properties, since they would interfere with the assays. The inhibition zone and minimum bactericidal concentration for the Ag-MWCNTs were measured and Live/Dead and Trypan Blue assays were used to measure the toxicity and antibacterial properties without interfering with the color of the CNTs.

In this study, antimicrobial nanomaterials were synthesized by acidic oxidation of multiwalled carbon nanotubes and subsequent reductive deposition of silver nanoparticles. Antimicrobial activity and cytotoxicity tests were performed with the as-prepared nanomaterials.

Synthese von Multi-walled Carbonnanotubes mit Silber-Nanopartikeln und Bewertung ihrer antibakteriellen Aktivitäten und zytotoxische Eigenschaften modifiziert

In this study, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were treated with an aqueous sulfuric acid solution to form an oxygen-based functional group. Silver ...