Ce matériau est basé sur le travail soutenu par le Département américain de l&#39;Énergie, des Sciences et Génie des Matériaux Division (n ° Prix DEFG-02-07ER46471) et le DOE Energy Research Center sur la lumière-Matériaux Interactions en conversion d&#39;énergie (Prix n ° DE-SC0001293 ), et a bénéficié de l&#39;accès au Centre de microanalyse des matériaux dans le Frederick Seitz Matériaux Laboratoire de recherche (FSMRL).

1. Présentation <ol><li> Ce document démontre les codes 1D, 2D, 3D et l&#39;impression de microélectrodes via conducteur écriture directe assemblage. </li><li> Direct-écriture de l&#39;Assemblée est une méthode de construction de 1D à 3D des structures imprimées par le dépôt d&#39;encres concentrées à travers des buses fines. </li><li> Notre système se compose d&#39;un ordinateur contrôlé par platine de translation 3 axes, un réservoir d&#39;encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour l&#39;imagerie (figure 1). </li><li> Direct-écriture de l&#39;Assemblée est une approche dans laquelle l&#39;impression filamenteux encres concentrées sont extrudés à travers des buses cylindriques dont les diamètres vont de 0,1 à 250 mm (figure 2). Notamment, en raison des caractéristiques viscoélastiques d&#39;encre, écriture directe permet l&#39;assemblage autoportant caractéristiques couvrant (figure 3). À ce jour, une large gamme d&#39;encres, y compris celles qui sont composées de céramique 6,7, 8-10 organiques, métalliques 11-15, polymériques 16,17, et sol-gel 18,19 matériaux ont étédéveloppées pour l&#39;impression de cette approche (figure 4). </li></ol> 2. Préparation des encres très concentrées de nanoparticules d&#39;argent <ol><li> Encres de nanoparticules d&#39;argent sont préparés en dissolvant d&#39;abord un mélange de 5000 et de 50 000 poids moléculaire (acide acrylique) poly dans un mélange de 50 g d&#39;eau et 40 g de diéthanolamine (vidéo 2.1). </li><li> Le polymère agit comme un agent de coiffage pour contrôler la taille des nanoparticules d&#39;argent. </li><li> Ensuite, une solution aqueuse de nitrate d&#39;argent est injecté dans la solution de polymère. Après l&#39;addition, une lumière solution jaune transparente est obtenue (vidéo 2.2). </li><li> Après agitation pendant 24 heures à température ambiante, la solution développe une couleur rouge-brun (vidéo 2.3), qui coïncide avec la formation de nanoparticules d&#39;argent de 5 nm de diamètre, tel que déterminé par microscopie électronique à transmission. </li><li> Ensuite, la solution est soniquée à 65 ° C dans un bain d&#39;eau pendant 2 heures pour la croissance des particules supplémentaires (vidéo 2.4). </li><li> After sonication, la solution est transférée dans un bécher de 500 ml et refroidi à température ambiante. Puis, 300 ml d&#39;éthanol est titrée à un taux de 30 ml / min. Depuis l&#39;éthanol est un mauvais solvant pour le poly (acide acrylique) agent de coiffage, les particules coagulent rapidement et précipiter de la solution (vidéo 2.5). </li><li> Après décantation du surnageant, le précipité est recueilli dans un tube de centrifugeuse et centrifugés à 9000 rpm pendant 20 minutes (vidéo 2.6). </li><li> Après cette étape, une encre argentée très concentrées de nanoparticules solides avec un chargement de ~ 85% en poids est obtenue (Vidéo 2,7). </li><li> Un contrôle supplémentaire sur la viscosité de l&#39;encre et le module d&#39;élasticité peut être obtenue par dilution, suivie d&#39;une homogénéisation. Pour un exemple, une solution humectant tel que l&#39;éthylène glycol, peuvent être ajoutées à l&#39;encre et ensuite homogénéisé à 2000 rpm pendant 3 minutes en utilisant un mélangeur homogénéisation Thinky. Après ce processus, une encre uniforme d&#39;un bleu à la couleur magenta est obtenue (Vidéo 2,8). </li><li> L&#39;image TEM montrenanoparticules d&#39;argent obtenue par ce procédé de synthèse (figure 5_left). Les particules ont un diamètre moyen de 20 nm avec une distribution de taille de 5-50 nm. Imprimé structures nécessitent post-recuit pour améliorer leur conductivité. Après recuit à 250 ° C pendant au moins 30 min, les nanoparticules d&#39;argent sous forme de microélectrodes conductrice avec une résistivité électrique s&#39;approche à 10 -5 Ω • cm (figure 5_bottom droite). L&#39;évolution de la microstructure de l&#39;argent microélectrodes imprimés en fonction de la température de recuit est montré dans la figure 5_top droite. Comme la température augmente de 150 ° à 550 ° C, les microélectrodes subissent une densification avec un retrait volumique total de ~ 30% 11. </li><li> La rhéologie d&#39;encre, qui dépend fortement de son chargement solides, détermine son imprimabilité. Les augmentations de viscosité de l&#39;encre avec un chargement de solides augmente (figure 6). Parce que diluer les encres à faible viscosité avec un résultat dans une importante propagation latérale, concentrencres ATED avec un chargement solides allant de 70 à 85% sont nécessaires pour l&#39;impression de filaments d&#39;encre planaire et couvrant. </li><li> L&#39;encre module élastique augmente avec chargement des solides augmente (figure 7). Dans la région viscoélastique linéaire, le module d&#39;élasticité s&#39;élève à près de trois ordres de grandeur que la charge augmente solides 60 à 75% en poids. Un module minimum élastique de 2000 Pa est nécessaire pour produire l&#39;auto-soutien ou enjambant fonctionnalités. </li></ol> 3. Direct-écriture de l&#39;Assemblée <ol><li> Direct-écriture de montage est effectué par du premier chargement de l&#39;encre dans une seringue. Après avoir attaché une buse dépôt, l&#39;encre-chargé seringue est monté sur la scène d&#39;impression 3-axes (vidéo 3.1). </li><li> En utilisant un programme informatique, dessins arbitraires, y compris linéaire, planaire, et complexe en trois dimensions des structures peuvent être facilement générés (vidéo 3.2). </li><li> Ensuite, la hauteur est ajustée buse à l&#39;aide de lentilles de télescope avec un zoom 10x (vidéo 3.3). </li&gt; <li> Après l&#39;application de la pression en utilisant un avion alimenté par du fluide du système de distribution, l&#39;encre est déposée sur le substrat avec une vitesse d&#39;impression contrôlée (vidéo 3.4). La pression requise dépend de la rhéologie d&#39;encre, diamètre de la buse, et la vitesse d&#39;impression, mais les valeurs typiques vont de 10 à 100 psi à 20 à 500 um / s. Cette impression est effectuée dans l&#39;air à température ambiante. L&#39;utilisation de ce procédé d&#39;impression, l&#39;impression des microélectrodes d&#39;argent dans différents modèles et échelles de taille est démontrée. </li><li> Pour un exemple, l&#39;impression des grilles argent conductrice avec un interligne de centre à centre de 100 pm, modelée par une buse de 5 um sur un substrat plaquette de silicium est démontré (vidéo 3.5). </li><li> De plus, cette vidéo montre comment créer une structure aspect ratio élevé cylindrique par une buse de 30 um en utilisant une méthode d&#39;impression couche par couche (vidéo 3.6). </li><li> Par ailleurs, l&#39;impression omnidirectionnelle des microélectrodes d&#39;argent entre deux substrats de verre compensée par une hauteur de 1 mm différences est démontrée en utilisant une buse de 30 um (vidéo 3.7). </li><li> Complètement autonome, microspikes d&#39;argent à la verticale imprimée peut être créé par une buse de 30 um sur un substrat silicium plaquette (Vidéo 3,8). </li><li> Enfin, cette vidéo montre l&#39;écriture directe d&#39;une microélectrode d&#39;argent couvrant l&#39;aide d&#39;une buse de 10 um (Vidéo 3,9). La fonction imprimée peut s&#39;étendre sur des distances allant jusqu&#39;à un centimètre avec un minimum d&#39;affaissement ou de flambage. </li></ol> 4. Les résultats représentatifs: Nous avons préparé un encres hautement concentré de nanoparticules d&#39;argent et a démontré des caractéristiques conductrices imprimées de motifs planaires et 3D pour des applications électroniques et optoélectroniques avec une résolution d&#39;impression ~ 2 - 30 um. Pour un exemple, la figure 8 montre la résolution d&#39;impression de cette technique. Imprimé avec des fonctionnalités largeur d&#39;électrode minimum de ~ 2 um (1,4 um d&#39;épaisseur) sont obtenues en une seule passe en utilisant une buse de 1 um 11. Figure 9 montrents transparente grilles argent conductrice, modelée par une buse 5 um sur un film polyimide souple 12. Les textes sous les grilles imprimées sont clairement visibles. Ces grilles d&#39;argent transparente pourraient constituer des alternatives attrayantes pour l&#39;oxyde conducteur transparent (TCO) des matériaux. Impression conforme sur un substrat non-planaire est également activée par cette méthode. La figure 10 montre l&#39;impression conformationnelle 3D d&#39;une antenne électriquement petite. Une buse 100 um métal est utilisé pour imprimer des méandres en ligne des motifs sur la surface d&#39;un verre hémisphère 13. Cette approche peut trouver plusieurs applications y compris les antennes implantables et portables, l&#39;électronique et les capteurs. Les demandes de microélectrodes d&#39;argent couvrant en trois dimensions photovoltaïque et les diodes électroluminescentes sont démontrées (Figure 11-14). Premièrement, la figure 11 est un exemple de silicium sphériques coquille. Ce film ténu avec un t 2-umPAISSEUR peut être fil lié à un circuit externe par l&#39;impression omnidirectionnel 14. Cette méthode utilise la pression de contact minimale, qui est très avantageux pour les appareils délicats. Ensuite, la Figure 12 montre un exemple d&#39;impression d&#39;une interconnexion couvrant une gamme de silicium solaire dans laquelle Microcell éléments silicium microruban sont séparés par 33 um écart de 15. Ensuite, la Figure 13 montre en argent pour les interconnexions arséniure de gallium à base large LED avec 4-en-4 pixels, où chaque pixel (500 x 500 x 2,5 um 3) est espacé 200 um en dehors 11. L&#39;image du bas affiche le tableau de LED, émettant une lumière rouge uniforme, sous une tension appliquée de 6 V à partir d&#39;un seul pixel. La possibilité d&#39;imprimer des électrodes couvrant permet l&#39;interconnexion multicouches sans l&#39;utilisation de couches de support ou sacrificiels (images du haut). Comme une démonstration finale, la figure 14 montre des images SEM pour le micro 3D complexestreillis d&#39;argent roperiodic imprimé par une buse 5 um. <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" /> Figure 1. Image optique de l&#39;appareil de l&#39;encre d&#39;écriture directe. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" /> Figure 2. Écrit d&#39;encre directe d&#39;une caractéristique filamenteux. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" /> Figure 3. Écrit d&#39;encre directe de l&#39;auto-support fonctionnalités couvrant. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" /> Figure 4. Conceptions d&#39;encre pour l&#39;écriture d&#39;encre directe. Une large gamme d&#39;encres viscoélastique concentrés ont été développés pour l&#39;écriture directe de structures planaires et complexes en 3D avec des fonctions micro-échelle. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" /> Figure 5. (Gauche) par microscopie électronique à transmission (MET) l&#39;image de nanoparticules d&#39;argent. (En haut à droite) SEM images de microélectrodes d&#39;argent à motifs avec une buse de 15 um en fonction de la température de recuit. (En bas à droite) Résistivité électrique de microélectrodes d&#39;argent en fonction de la température de recuit et de temps. <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" /> Figure 6. Viscosité apparente (η) des encres de nanoparticules d&#39;argent comme une fonction de chargement des solides. <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" /> Figure 7. Shear module élastique (G &#39;) en fonction de la contrainte de cisaillement pour les encres de différentes nanoparticules d&#39;argent de chargement solides. <img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" /> Figure 8. Images MEB de tableaux de microélectrodes planaire d&#39;argent à motifssur une plaquette de silicium avec une buse de 1-um. <img alt="Figure 9" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" /> Figure 9. Optique d&#39;image de la transparence des grilles d&#39;argent conducteur (à gauche) et images MEB des grilles imprimées en fonction de la hauteur de ligne (droite). <img alt="Figure 10" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" /> Figure 10. Optique d&#39;image capturée pendant l&#39;impression d&#39;antennes conforme électriquement petites sur un substrat de verre hémisphérique. <img alt="Figure 11" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" /> Figure 11. Optique d&#39;image obtenue lors de l&#39;impression des microélectrodes couvrant d&#39;argent sur ​​un mince (2-um) de silicium coquille sphérique. <img alt="Figure 12" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" /> Figure 12. Image MEB d&#39;une micro-électrode d&#39;argent couvrant imprimées sur un substrat de silicium afinarray Microcell LAR. <img alt="Figure 13" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" /> Figure 13. Images MEB (en haut) et d&#39;image optique (en bas) d&#39;un 4-en-4 puce à LED interconnectés par microélectrodes argent. <img alt="Figure 14" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" /> Figure 14. Image MEB de treillis 3D d&#39;argent microperiodic.

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

Pas de conflits d&#39;intérêt déclarés.

Approches conventionnelles d&#39;impression à base de gouttelettes, tels que l&#39;impression jet d&#39;encre, sont limitées à la fabrication d&#39;électrodes planaires à faible rapport d&#39;aspect en raison de la nature diluer et à faible viscosité des encres utilisées. Récemment, la nanolithographie dip-pen (DPN) 20-22 et e-impression à jet d&#39;23-25 ​​ont été utilisés à des fonctionnalités motif conducteur. Ces routes aussi employer diluées, les encres à faible viscosité. Pearton et co-travailleurs ont utilisé DPN pour déposer une encre argent disponible dans le commerce des nanoparticules à des vitesses d&#39;écriture allant jusqu&#39;à 1600 um largeurs s -1 et une ligne d&#39;environ 0,5 um 22. Toutefois, fabrication de modèles reproductibles sur de grandes surfaces n&#39;a pas encore été démontrée par cette approche. Encres de nanoparticules d&#39;argent ont également été déposés par e-impression à jet pour former des traces conductrices avec des largeurs de ligne de ~ 1,5 um 25. Cependant, comme avec l&#39;impression jet d&#39;encre, inhomogène caractéristiques imprimées peuvent survenir en raison de la formation de gouttes satellites et non uniforme Drop Drying 24,25. Comme démontré ci-dessus, écriture directe assemblage de nanoparticules d&#39;argent concentrée encres surmonte ces limitations par une approche basée sur l&#39;impression filamenteux. Cette technique permet la fabrication de microélectrodes conducteur avec un aspect ratio élevé (h / w ≈ 1,0) en un seul passage permettant la création de codes 1D, 2D, 3D et des architectures. La taille des caractéristiques imprimées dépend de diamètre de la buse, l&#39;encre solide de chargement, la pression appliquée et la vitesse d&#39;impression. À ce jour, des traces conductrices aussi petit que ~ 2 um ont été modelée en utilisant une buse de 1 um à une vitesse modérée (&lt;2 mm s -1). En adaptant la composition d&#39;encre et de géométrie de la tuyère, des vitesses d&#39;impression maximales supérieures à 10 cm -1 s sont possibles. Toutefois, l&#39;impression haute vitesse de l&#39;utilisation de buses fines (&lt;5 um) reste un défi important. Pour démontrer les applications de montage écriture directe, nous avons fabriqué des grilles conductrices, elantennes ectrically petites cellules solaires, et des diodes électroluminescentes avec des surfaces planes et couvrant les électrodes imprimées (figure 8-14). Notamment, notre approche n&#39;est pas limitée à la création de structures métalliques. L&#39;utilisation d&#39;encre conçoit d&#39;autres, telles que celles basées sur la fibroïne de soie, d&#39;hydrogel et fugitives des encres organiques, nous avons construit des échafaudages 3D et des réseaux microvasculaires pour l&#39;ingénierie tissulaire et de culture cellulaire par écriture directe Assemblée 26-30. En regardant vers l&#39;avenir, il ya de nombreuses opportunités et de défis. D&#39;autres avancées exigent une conception nouvelle encre, une meilleure modélisation de la dynamique des flux de l&#39;encre, et le renforcement des systèmes robotisés et de contrôle. Grande surface de fabrication de structures 1D à 3D avec un débit élevé et résolution nanométrique (&lt;100 nm) demeure un défi important.

<table border="1"><tr><td> Nom du réactif </td><td> Société </td><td> Numéro de catalogue </td><td> Commentaires </td></tr><tr><td> Poly (acide acrylique) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 06519 </td><td> MW 5000 g / mol </td></tr><tr><td> Poly (acide acrylique) </td><td> Polysciences, Inc </td><td> 00627 </td><td> MW 50.000 g / mol </td></tr><tr><td> Le nitrate d&#39;argent </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 209139 </td><td> Source d&#39;Argent </td></tr><tr><td> Diéthanolamine </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> D8885 </td><td> Solvant / agent réducteur </td></tr><tr><td> L&#39;éthylène glycol </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 102466 </td><td> Humectant </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> Fisher Scientific </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> Centrifugeuse </td><td> Beckman Coulter </td><td> Avanti TM J-25, je </td><td> - </td></tr><tr><td> Stade de robotique </td><td> Aerotech Inc </td><td> ABL 900010 </td><td> 3-axe de mouvement </td></tr><tr><td>Seringue </td><td> EFD Inc </td><td> 5109LBP-B </td><td> 3 ml </td></tr><tr><td> Buse </td><td> EFD Inc </td><td> - </td><td> id = 0,1 à 250 um </td></tr><tr><td> Distributeur </td><td> EFD Inc </td><td> 800 </td><td> Air-alimentés </td></tr><tr><td> Le logiciel de conception </td><td> Spécialement conçu </td><td> - </td><td> Mingjie Xu </td></tr></table>

planar and three-dimensional printing of conductive inks

L&#39;électronique imprimée fier à faible coût, les voies de fabrication de grande surface pour créer des flexibles ou multidimensionnelles électroniques, optoélectroniques et de dispositifs biomédicaux 1-3. Dans ce papier, nous nous concentrons sur une seule (1D), deux (2D), et en trois dimensions (3D) d&#39;impression des encres métalliques conductrices sous la forme de micro-électrodes souples, extensibles, et couvrant. Direct-écriture de montage 4,5 est une technique d&#39;impression de 1 à 3D qui permet la fabrication de fonctionnalités allant de simples lignes de structures complexes par le dépôt d&#39;encres concentrées à travers des buses fines (~ 0,1 à 250 um). Cette méthode d&#39;impression se compose d&#39;une étape contrôlée par ordinateur de traduction à 3 axes, un réservoir d&#39;encre et de la buse, et 10x lentille télescopique pour la visualisation. Contrairement à l&#39;impression jet d&#39;encre, un procédé à base de gouttelettes, écriture directe implique l&#39;assemblage de l&#39;extrusion de filaments d&#39;encre soit dans ou hors du plan. Les filaments imprimés généralement conformes à la taille de la buse. Hence, les caractéristiques micro (&lt;1 micron) peut être modelé et assemblés en plus des tableaux multidimensionnels et les architectures. Dans ce papier, nous avons d&#39;abord synthétiser une encre argentée très concentrées de nanoparticules pour l&#39;impression planaires et 3D VIA écriture directe assemblage. Ensuite, un protocole standard pour l&#39;impression de microélectrodes en motifs multidimensionnelle est démontrée. Enfin, les applications de microélectrodes imprimés pour les antennes électriquement petites, les cellules solaires, et les diodes électroluminescentes sont en surbrillance.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Impression Planar et en trois dimensions du conducteur encres métalliques est décrite. Notre approche offre de nouvelles avenues pour la fabrication d&#39;imprimés électroniques, optoélectroniques et appareils biomédicaux dans les présentations inhabituelles à l&#39;échelle microscopique.

Impression Planar et en trois dimensions des encres conductrices

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 vues.  University of Illinois at Urbana-Champaign. Impression Planar et en trois dimensions du conducteur encres métalliques est décrite. Notre approche offre de nouvelles avenues pour la fabrication d'imprimés électroniques, optoélectroniques et appareils biomédicaux dans les présentations inhabituelles à l'échelle microscopique.

Vidéo: 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.

Tridimensionnelle optique résolution microscopie photoacoustique

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

Recherche

Bio-ingénierie

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.

Les hydrogels d&#39;alginate de culture d&#39;organe en trois dimensions des ovaires et des trompes

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.

Étude de la séparation d’écoulement tridimensionnelle induite par un polype de pli vocal modèle

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.

Fabrication de tissus de cartilage humain en utilisant trois dimensions jet d&#39;encre Technologie d&#39;impression

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 de la migration cellulaire dans un tridimensionnelle Matrice Collagène

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.

Génération d&#39;une épaisseur en trois dimensions équivalent de peau et automatisé Blessant

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.

Préparation et analyse des<em&gt; In vitro</em&gt; Trois Breast Dimensional Carcinome 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.

Ingénierie en trois dimensions des tissus épithéliaux incorporés au sein de la matrice extracellulaire

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.

Fabrication de dispositifs microfluidiques à base de papier en trois dimensions pour les immunoessais

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.

En trois dimensions d’impression de matériaux thermoplastiques pour créer automatisé pompes à seringue avec commande de rétroaction pour des Applications de microfluidique

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