También nos gustaría agradecer a Xiaoyu Miao y Ben Wilson para el desarrollo de la mayoría de los métodos descritos en su interior. Este trabajo fue financiado por la National Science Foundation (DBI 0454324) y el Instituto Nacional de Salud (R21 EB005183) y PHS NRSA T32 GM07270 de NIGMS de ECK.

1. Nanopartículas de Au matriz aleatoria Fabricación 8,10,12,14 <ol><li> La matriz de nanopartículas de Au se forma en primer lugar, la creación de una plantilla que se hace de una densa capa de azar adsorbido esferas de látex con diámetro medio de 454 nm. Esto se logra primera medalla de oro se evapora en un cubreobjetos de vidrio con un espesor de 20 nm con cromo en forma de la capa de adherencia. </li><li> La monocapa esfera de poliestireno es entonces auto-ensambladas mediante la exposición del sustrato recubierto de oro a una mezcla de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) clorhidrato carbodiimida (EDC), la suspensión de látex esfera y el agua de-ionizada. </li><li> El proceso de adsorción se le permite una duración de aproximadamente una hora y las esferas no absorbido se lavan con agua abundante. </li><li> La monocapa se forma deja secar al aire. </li><li> Por último, otra de 20 nm de oro se evapora en la monocapa esfera de látex para formar la matriz de nanopartículas de oro al azar. </li><li> Si el SEM está disponible, la matriz AUNP se puede ver en la SEM para parecerse a la Figura 1 y un diagrama del proceso se muestra en la figura 8. </li></ol> 2. Preparación de la muestra biológica 9,11 <ol><li> Preparación de muestras para los núcleos celulares de ratón óptico de captura se muestra ahora. </li><li> Núcleos de células de ratón 3T3 etiquetados con tinte naranja de acridina se obtuvieron a partir del grupo Tewari en el Fred Hutchinson Cancer Research Center. </li><li> 10% de albúmina de suero bovino (BSA) en tampón fosfato salino (PBS) se añade a los núcleos de células de ratón en una concentración de aproximadamente 1: 10 (BSA: Los núcleos celulares de ratón). La BSA ayuda a evitar que los núcleos se adhieran al sustrato. </li><li> Mezclar la solución con ultrasonidos. </li><li> 5 uL de nuestra solución se deposita sobre el cubreobjetos de aluminio amplia rejilla. Es mejor realizar este paso con la rejilla de aluminio de la platina del microscopio de modo que usted no tiene que transportar la muestra después de que la solución se deposita. </li><li> Dos pilas de dos 1 &quot;por 1&quot; cubreobjetos son utilizados para apoyar un cubreobjetos quinto a través del cual se considera la muestra. </li><li> Coloque la muestra bajo el microscopio para verlas. </li></ol> 3. Método de captura <ol><li> Las pinzas ópticas son construidos mediante el envío de 35 mW láser de neón helio a través de un Imager.D1M Zeiss Axio equipado con un conjunto de buenas prácticas agrarias 17 de filtro que se ha modificado para permitir que la radiación láser 633 nm para llegar a la muestra. </li><li> A Zeiss LD CE Epiplan - Neofluar objetivo 50x se utiliza para la imagen del núcleo de las células que se encuentran a 5 micras de diámetro. </li><li> Después de la muestra se coloca en el objetivo, enfocar el microscopio en la matriz de las nanopartículas de oro o de rejilla de difracción. </li><li> Traducir microscopio vertical hasta que se logre el enfoque en los núcleos que el deseo de atrapar. </li><li> Láser de posición al contado trampa más de las partículas y las partículas del entonces debe mantener su posición en el punto del láser, aun cuando el escenario se traduce. </li></ol> 4. Los resultados representativos: El oro al azar procedimientos serie de nanopartículas debe depositar una monocapa de AUNP es que se pueden ver en un SEM para parecerse a la Figura 1. La fuerza de captura creados por estas pinzas plasmónica puede ser 10-20 veces la fuerza generada por la norma pinzas ópticas. Las intensidades mínimas requeridas por las pinzas plasmónica para lograr el confinamiento de partículas se muestran para partículas de diferentes tamaños en la Figura 4. 9,10 La red de difracción lograr la alineación y la captura de 20 veces mayor eficiencia de captura de la nanopuntos de oro y podían atrapar con tan poco de 17 uW / um 2 (Figura 7). 11 <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" /> Figura 1 10 (a) Micrografía SEM de las nanopartículas de oro auto-ensambladas. El diámetro de las nanopartículas de oro individual es de unos 450 nm. (B) NSOM imagen del sustrato plasmónica donde la distribución de las nanopartículas es escasa, mostrando que la radiación de campo cercano. La longitud de onda del láser de excitación es de 633 nm. (C) punto de vista de gran aumento del área marcada con el cuadrado rojo en (b). (D) eficiencia del espectro de dispersión del sustrato plasmónica, que muestra el pico a 624 nm. (E) eficiencia del espectro de absorción del sustrato plasmónica, que muestra el pico a 668 nm. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" /> Figura 2 13 (a) Au nanoesferas distribuidos al azar en un dominio 2D 1 x 1 m 2. Cada punto azul representa el centro de la nanoesfera (a = 60 nm). Dispersión de las distribuciones de campo en los aviones de observación, que son paralelas a la matriz nanoesfera al azar se muestran en (b) - (e). La matriz nanoesfera es uniformemente iluminada por una onda plana en la longitud de onda de 540 nm. El índice de refracción del medio circundante es de 1,33. La Polarización dirección de los puntos de la onda plana a lo largo del eje X (horizontal en (a)). La magnitud del campo eléctrico incidente se supone que es uno en el cálculo. La separación entre el plano de la observación y la matriz se define como nanoesfera h. b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" /> Figura 3 9 Esquema de configuración personalizada microscopio de fluorescencia incluyendo un filtro de excitación por alto y una dicroica reemplazado viga-divisor. Esta es la configuración que se utilizan para la captura simultánea de imágenes de fluorescencia. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" /> Figura 4 10 La intensidad del láser mínimo para mantener la trampa en función de la velocidad de flujo de fluido alrededor de la utilización de trampas plasmónica. Todas las intensidades ópticas se miden en el plano de la muestra bajo el objetivo del microscopio. (A) - (f) muestran los resultados de la medición de bolas de poliestireno con un diámetro de solo 7,3, 6,3 (no esférica), 5.0, 3.9, 2.5 y 1.1 micras, respectivamente. El recuadro muestra las imágenes correspondientes microscópica de las partículas. Las barras de escala en todas las imágenes representan el 5 micras de longitud. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" /> Figura 5 10 La pendiente de la línea de ajuste a través de origen en la figura. 4 frente al tamaño de las partículas para la captura de plasmónica. Las barras de error muestran la desviación estándar del ajuste lineal. La pendiente de la línea de ajuste (relación entre el umbral de intensidad y velocidad de flujo óptico) en la figura. 4 tiene una relación aproximadamente lineal con el tamaño de las partículas, como se muestra en esta figura, lo que indica la ventaja de atrapar plasmónica especialmente para las partículas más pequeñas. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" /> Figura 6 11 (a) Esquema de la captura de una mayor utilización de ópticas de nanoestructuras periódicas 1-D. El haz incidente es difractada por la nanoestructura periódicas en campo lejano. (B) La intensidad de la distribución de la luz con dos polarizaciones ortogonales nanoestructura en campo lejano. (B) La distribución de la intensidad de la luz con dos polarizaciones ortogonales a la superficie de una rejilla de aluminio con un período de 417 nm obtenidos mediante simulaciones FDTD. La distribución está normalizada a la intensidad en una superficie plana de aluminio. (C) y (d) el potencial de captura de partículas directamente sobre la superficie de la rejilla frente a la ubicación de la partícula de (c) a 350 nm de poliestireno de cuentas y (d) de poliestireno 1 micra de cuentas. Los círculos blancos muestran el tamaño de las partículas. El recuadro muestra el potencial de captura sobre una superficie plana de aluminio del tamaño de partícula igual que las comparaciones. Los valores están normalizados para cada tamaño de partícula. Para todas las figuras de simulación FDTD el campo de visión es de 10 x 8 m 2. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" /> Figura 7 11 (a) la eficiencia de la trampa y la intensidad de captura mínima medida de poliestireno de varios tamaños con la polarización del haz perpendicular a las líneas de rejilla. El recuadro muestra la trampa de la asimetría en la eficiencia de captura para la traducción de una perpendicular 3,87 um bolas de poliestireno y en paralelo a las reglas de la rejilla. La línea continua (gran asimetría) se obtiene con la luz polarizada incidente perpendicular a la reja, y la línea de guión (pequeña asimetría) se obtiene con la luz polarizada incidente paralelo a la reja. La unidad está en (pN [mW / m 2] -1). (B) - (d) la demostración de captura de un fluorescente de 590 nm de poliestireno de cuentas. El círculo rojo indica la posición del punto del láser como la luz del láser era demasiado débil para ser visto. Al principio, la partícula se encuentra atrapado en el lugar con mayor potencia, como el poder se reduce el movimiento browniano de las partículas supera la fuerza de trampas, lo que permite que la partícula escape. (E) - (g) la demostración de captura de un núcleo de la célula ovárica fluorescentes cáncer. La intensidad mínima necesaria para iniciar la captura de los 16 W / m 2 obtenido usando una lente de objetivo de 20x. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" /> Figura 8 14 procedimiento de fabricación de las nanopartículas de oro en forma de límites máximos: a evaporación) de la capa de Cr y Au fina en el cubreobjetos. b) La exposición a la suspensión esfera de poliestireno y la adsorción de las esferas durante 1 hora. c) La eliminación de las esferas de poliestireno no adsorbida y el secado de la superficie. d) La evaporación de una capa de Au en la parte superior de las esferas de la plantilla. e) Esquema de la matriz de las nanopartículas en forma de tapa de Au, Au, donde sólo cubre la parte superior de las esferas de la plantilla.

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	<li>Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanics of Particles. , (1995).</li><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+neutral+particles+using+lasers.">Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).</li><li>Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+photodamage+to+Escherichia+coli+in+optical+traps.">Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps.</a> Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).</li><li>Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. 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J., Garcia de Abajo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quidant+Nano-optical+Trapping+of+Rayleigh+Particles+Escherichia+coli+Bacteria+with+Resonant+Optical+Antennas.">Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas.</a> Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).</li><li>Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+and+Selective+Trapping+in+a+Patterned+Plasmonic+Landscape.">Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape.</a> Nature Physics. 3, 477-480 (2007).</li><li>Miao, X., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+dielectrophoresis+force+and+torque+induced+by+localized+surface+plasmon+resonance+of+a+cap-shaped+Au+nanoparticle+array.">Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array.</a> Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).</li><li>Wilson, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , (2009).</li><li>Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+manipulation+of+micron/submicron+sized+particles+and+biomolecules+through+plasmonics.">Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics.</a> Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).</li><li>Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructure-enhanced+laser+tweezers+for+efficient+trapping+and+alignment+of+particles.">Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles.</a> Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).</li><li>Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+Rotation+of+Nanowires+Assisted+by+Surface+Plasmons.">Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).</li><li>Miao, X. Y., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+manipulation+of+biological+particles+through+a+plasmonic+platform.">Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).</li><li>Miao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , (2008).</li></ol>

No hay conflictos de interés declarado.

La importancia de estos métodos de trampeo es que disminuyen la intensidad óptica necesarias para la captura sostenida desde algún lugar en el orden de 10 3 W / m 2 y en algún lugar del orden de 10 W / m 2. 10,11 Las limitaciones de estas técnicas es que la matriz de nanopartículas de oro experimenta problemas de calefacción que se deben superar. Para superar este problema, una estructura de cristal fotónico 2D que se compone de un material dieléctrico se puede utilizar. Este ti...

<table border="1"><tr><td> Nombre del Material </td><td> Tipo </td><td> Empresa </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentario </td></tr><tr><td> Axio Imager microscopio </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Objetivo microscopio </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD CE Epiplan - Neofluar 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Zeiss cámara microscopio </td><td> AxioCam MRC </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Láser helio-neón </td><td> 35 mW </td><td> Investigación Electro-Óptica </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Atenuador variable </td><td> ND variable continua </td><td> Thorlabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> Para ajustar la intensidad de microscopio </td></tr><tr><td> Juego de filtros de Zeiss </td><td> Juego de filtros de # 17 </td><td> Zeiss </td><td> 488017-9901-000 </td><td> Juego de filtros de # 17 </td></tr><tr><td> Preparaciones para microscopio </td><td> 0,5 mm de espesor </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Ratón 3T3 núcleos de las células </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Tienda de lo más frío posible </td></tr><tr><td> Naranja de acridina colorante </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Albúmina de suero bovino </td><td> 1 a 10 raciones en PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm esferas de látex de poliestireno </td><td></td><td> Polysciences, Inc. </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimida clorhidrato (EDC) </td><td> 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) </td><td> G-Biosciences </td><td> FC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> de oro (para la deposición) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Reflexivo de difracción gobernó rejilla </td><td></td><td> Edmund Óptica </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tampón fosfato salino (PBS) </td><td> Tamponada con fosfato salino de Dulbecco (D-PBS) (1X) </td><td> Invitrogen </td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

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

Un método para manipular la posición y orientación de las partículas submicrónicas no destructiva sería una herramienta muy útil para la investigación biológica básica. Tal vez la fuerza más utilizado física para lograr la manipulación de pequeñas partículas no invasiva ha sido dielectroforesis (DEP). 1 Sin embargo, el DEP por sí solo carece de la versatilidad y precisión que se desee en la manipulación de las células, ya que se hace tradicionalmente con electrodos estacionarios. Las pinzas ópticas, que utilizan un gradiente de tres dimensiones del campo electromagnético que ejercen fuerzas sobre las partículas pequeñas, lograr esta versatilidad y precisión deseada. 2 Sin embargo, una desventaja importante de este enfoque es la intensidad de radiación de alta necesarias para lograr la fuerza necesaria para atrapar una partícula que puede dañar las muestras biológicas 3 Una solución que permite la captura y clasificación de menores intensidades ópticas son optoelectrónicos pinzas (OET), pero OET tienen limitaciones con la manipulación fina de partículas pequeñas;.. siendo DEP basado en la tecnología también pone restricciones en la propiedad de la solución 4 , 5 En este artículo se describen dos de vídeo métodos que disminuyen la intensidad de la radiación necesaria para la manipulación óptica de las células vivas, y también describe un método para controlar la orientación. El primer método es usar unas pinzas plasmónica que una nanopartícula de oro al azar (AUNP), matriz como un sustrato para la muestra, como se muestra en la Figura 1. La matriz AUNP convierte los fotones incidentes en plasmones de superficie localizados (LSP) que consisten en momentos de dipolo resonante que irradian y generan un campo de radiación con dibujos con un gradiente importante en la solución de células. El trabajo inicial de plasmones de superficie atrapando mejorada por Righini y otros, y nuestro modelo propio han demostrado los campos generados por el sustrato plasmónica reducir la intensidad inicial requerido por el aumento de la gradiente de campo, que atrapa las partículas. 6,7,8 El enfoque plasmónica permite fina orientación de control de partículas elipsoidales y las células con baja intensidad óptica debido a una conversión más eficiente de la energía óptica en energía mecánica y un campo de radiación del dipolo-dependiente. Estos campos se muestran en la figura 2 y la intensidad de captura baja se detallan en las figuras 4 y 5. Los principales problemas con las pinzas plasmónica es que la LSP es generar una considerable cantidad de calor y de la captura es de sólo dos dimensiones. Este calor genera corrientes de convección y thermophoresis que puede ser lo suficientemente potente como para expulsar partículas submicrónicas de la trampa de 9,10. El segundo método que vamos a describir es la utilización de nanoestructuras periódicas dieléctrico para dispersar la luz incidente de manera muy eficiente en los modos de difracción, como se muestra en la figura 6 11. Lo ideal sería que esta estructura de un material dieléctrico para evitar los problemas de calefacción misma experiencia con la plasmónica pinzas, pero en nuestro enfoque de aluminio recubierto de rejilla de difracción se utiliza como dieléctrico una nanoestructura unidimensional periódica. Aunque no es un semiconductor, no ha sufrido un calentamiento significativo y eficaz atrapadas pequeñas partículas con una intensidad baja captura, como se muestra en la figura 7. Alineación de las partículas con el sustrato conceptual rejilla valida la proposición de que un cristal fotónico en 2-D podría permitir la rotación precisa de partículas no esféricas micras de tamaño. 10 La eficiencia de estas trampas ópticas se incrementan debido a los campos de mayor producción de las nanoestructuras se describe en el este trabajo.

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

Pinzas y plasmónica nanoestructuras fotónicas de cristal se muestran para producir mejoras útiles en el control de la eficiencia y la orientación de la óptica de captura de micro-y nano partículas.

Utilización de nanoestructuras fotónicas de cristal plasmónicos y para la manipulación mejorada de Micro y nanopartículas

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

utilization-plasmonic-photonic-crystal-nanostructures-for-enhanced

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Bioengineering

12.2K vistas.  University of Washington. Pinzas y plasmónica nanoestructuras fotónicas de cristal se muestran para producir mejoras útiles en el control de la eficiencia y la orientación de la óptica de captura de micro-y nano partículas.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

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

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

Impresión plana y tridimensional de tintas conductoras

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

Investigación

Bioingeniería

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

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

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

Síntesis, de la Asamblea, y caracterización de una sola capa de nanopartículas de oro protegidas Films de Electroquímica de proteínas monocapa

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

Evaluation of Polymeric Gene Delivery Nanoparticles by Nanoparticle Tracking Analysis and High-throughput Flow Cytometry

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a technology for regenerative medicine2. Unlike viruses, which have significant safety issues, polymeric nanoparticles can be designed to be non-toxic, non-immunogenic, non-mutagenic, easier to synthesize, chemically versatile, capable of carrying larger nucleic acid cargo and biodegradable and/or environmentally responsive. Cationic polymers self-assemble with negatively charged DNA via electrostatic interaction to form complexes on the order of 100 nm that are commonly termed polymeric nanoparticles. Examples of biomaterials used to form nanoscale polycationic gene delivery nanoparticles include polylysine, polyphosphoesters, poly(amidoamines)s and polyethylenimine (PEI), which is a non-degradable off-the-shelf cationic polymer commonly used for nucleic acid delivery1,3 . Poly(beta-amino ester)s (PBAEs) are a newer class of cationic polymers4 that are hydrolytically degradable5,6 and have been shown to be effective at gene delivery to hard-to-transfect cell types such as human retinal endothelial cells (HRECs)7, mouse mammary epithelial cells8, human brain cancer cells9 and macrovascular (human umbilical vein, HUVECs) endothelial cells10.
A new protocol to characterize polymeric nanoparticles utilizing nanoparticle tracking analysis (NTA) is described. In this approach, both the particle size distribution and the distribution of the number of plasmids per particle are obtained11. In addition, a high-throughput 96-well plate transfection assay for rapid screening of the transfection efficacy of polymeric nanoparticles is presented. In this protocol, poly(beta-amino ester)s (PBAEs) are used as model polymers and human retinal endothelial cells (HRECs) are used as model human cells. This protocol can be easily adapted to evaluate any polymeric nanoparticle and any cell type of interest in a multi-well plate format.

A protocol for nanoparticle tracking analysis (NTA) and high-throughput flow cytometry to evaluate polymeric gene delivery nanoparticles is described. NTA is utilized to characterize the nanoparticle particle size distribution and the plasmid per particle distribution. High-throughput flow cytometry enables quantitative transfection efficacy evaluation for a library of gene delivery biomaterials.

La evaluación de la administración de genes nanopartículas poliméricas por nanopartículas de análisis de seguimiento y de alto rendimiento Citometría de Flujo

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a ...

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

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

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

Velocímetro de Micro-partículas para Velocity perfil mediciones de flujos de sangre Micro

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

ECM Protein Nanofibers and Nanostructures Engineered Using Surface-initiated Assembly

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

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

Las nanofibras ECM proteínas y Uso Asamblea Superficie iniciadas Nanoestructuras Engineered

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

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

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

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

Preparación de monodominio de cristal líquido elastómeros y elastómeros de cristal líquido nanocompuestos

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

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

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

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

Las técnicas para la Evolución de la robusta levaduras que fermentan la pentosa para la bioconversión de lignocelulosa en etanol

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

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

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

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

Microfluidos intercambio de tampón para la Micro / célula de nanopartículas Ingeniería sin interferencias

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

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

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

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

Targeted membrana plasmática Entrega de cargo encapsulado hidrofóbico en un cristal líquido portador de nanopartículas

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

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

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

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

Síntesis de biocompatibles de cristal líquido de elastómero Espumas como andamios celulares para 3D espaciales Cultivos Celulares

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