Nous tenons également à remercier Xiaoyu Miao et Ben Wilson pour le développement le plus des méthodes décrites à l&#39;intérieur. Ce travail a été financé par la National Science Foundation (DBI 0.454.324) et le National Institute of Health (R21 EB005183) et par PHS NRSA T32 GM07270 partir NIGMS d&#39;ECK.

1. Au hasard de fabrication de nanoparticules tableau 8,10,12,14 <ol><li> Le tableau est formé de nanoparticules de Au en créant d&#39;abord un modèle qui est constitué d&#39;une couche dense de sphères de latex adsorbées au hasard avec un diamètre moyen de 454 nm. Ceci est réalisé par évaporation d&#39;or d&#39;abord sur une lamelle de verre d&#39;une épaisseur de 20 nm à l&#39;aide de chrome comme couche d&#39;adhérence. </li><li> La monocouche sphère en polystyrène est alors auto-assemblés en exposant le substrat recouvert d&#39;or à un mélange de 1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl) carbodiimide (EDC), la suspension de latex et la sphère de l&#39;eau déminéralisée. </li><li> Le processus d&#39;adsorption est autorisé à durer environ une heure et les sphères non absorbées sont emportés avec une grande quantité d&#39;eau. </li><li> La monocouche formé est séché à l&#39;air. </li><li> Enfin, un autre de 20 nm d&#39;or est évaporée sur la monocouche sphère latex pour former le tableau d&#39;or aléatoire des nanoparticules. </li><li> Si une SEM est disponible, le tableau peut être vu AUNP sous la SEM pour ressembler à la figure 1 et un diagramme du processus est illustré à la figure 8. </li></ol> 2. Préparation des échantillons biologiques 9,11 <ol><li> La préparation des échantillons pour des noyaux de cellules de souris optique piégeage est maintenant affichée. </li><li> Noyaux de cellules 3T3 souris marqués à l&#39;acridine orange colorant ont été obtenus à partir du groupe Tewari au Fred Hutchinson Cancer Research Center. </li><li> 10% albumine sérique bovine (BSA) en tampon phosphate salin (PBS) est ajouté aux noyaux de cellules de souris à une concentration d&#39;environ 1: 10 (BSA: les noyaux des cellules de la souris). Le BSA permet d&#39;éviter les noyaux de coller au substrat. </li><li> Mélanger la solution avec sonication. </li><li> 5 uL de notre solution est déposé sur la lamelle en aluminium large réseau. Il est préférable d&#39;effectuer cette étape avec le réseau d&#39;aluminium sur la platine du microscope de sorte que vous n&#39;avez pas à transporter l&#39;échantillon après la solution est déposée. </li><li> Deux piles de deux 1 &quot;par une&quot; lamelles sont utilisés pour soutenir une lamelle cinquième à laquelle l&#39;échantillon est considéré. </li><li> Position de l&#39;échantillon au microscope pour le visionnement. </li></ol> 3. Méthode de piégeage <ol><li> Les pinces optiques sont construits par l&#39;envoi d&#39;un 35 mW d&#39;hélium néon laser à travers un Imager.D1M Zeiss Axio équipé d&#39;un ensemble de filtres GFP 17 qui est modifié pour permettre le rayonnement laser 633 nm pour atteindre l&#39;échantillon. </li><li> Un Zeiss LD EC Epiplan - Neofluar 50x objectif est utilisé pour l&#39;image du noyau des cellules qui sont d&#39;environ 5 microns de diamètre. </li><li> Après l&#39;échantillon est placé sous l&#39;objectif, se concentrer au microscope sur la baie de nanoparticules d&#39;or ou de réseau de diffraction. </li><li> Traduire microscope verticalement jusqu&#39;à ce point est effectuée sur les noyaux que vous le désir de piège. </li><li> Spot laser sur la position piège à particules et les particules doivent alors maintenir sa position dans le spot laser, même lorsque la scène est traduite. </li></ol> 4. Les résultats représentatifs: Les procédures aléatoires d&#39;or nanoparticules tableau doit déposer une monocouche de AUNP qui peuvent être visualisées sous une SEM pour ressembler à la Figure 1. La force de piégeage créés par ces pinces plasmonique peut être 10-20 fois la force générée par la norme pinces optiques. Les intensités minimales requises par la pince à épiler plasmonique pour atteindre confinement des particules sont présentés pour des particules de différentes tailles dans la figure 4. 9,10 Le réseau de diffraction obtenu l&#39;alignement et le piégeage avec 20 fois l&#39;efficacité du piégeage élevé que le nanoplots or et pourrait atteindre le piégeage avec aussi peu que 17 uW / um 2 (figure 7). 11 <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" /> Figure 1 10 (a) Micrographie MEB des nanoparticules d&#39;or auto-assemblés. Le diamètre des nanoparticules d&#39;or individuelles est d&#39;environ 450 nm. L&#39;image SNOM (b) de la plasmonique substrat où la distribution des nanoparticules est clairsemée, en montrant le rayonnement de champ proche. La longueur d&#39;onde du laser d&#39;excitation est 633 nm. (C) Vue à fort grossissement de la zone marquée avec le carré rouge en (b). (D) spectre d&#39;efficacité de diffusion du substrat plasmonique, montrant le pic à 624 nm. (E) spectre d&#39;efficacité d&#39;absorption du substrat plasmonique, montrant le pic à 668 nm. <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" /> Figure 2 13 (a) Au nanosphères distribuées au hasard sur un domaine 2D 1 x 1 um 2. Chaque point bleu représente le centre de la nanosphère (a = 60 nm). Distributions de champ de diffusion sur avions d&#39;observation qui sont parallèles à la baie de nanosphère aléatoire sont présentés dans (b) - (e). Le tableau nanosphère est uniformément éclairé par une onde plane à la longueur d&#39;onde de 540 nm. L&#39;indice de réfraction du milieu environnant est de 1,33. La Polala direction risation des points onde plane le long de l&#39;axe X (horizontal (a)). L&#39;ampleur du champ incident électrique est supposé être une dans le calcul. La séparation entre le plan d&#39;observation et le tableau est défini comme nanosphère h. b) h = a. c) h = 2a. d) h = λ. e) h = 2λ. <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" /> Figure 3 9 Schéma de la configuration du microscope à fluorescence personnalisé incluant un filtre d&#39;excitation et d&#39;un court-circuité dichroïque remplacé séparateur de faisceau. Ceci est la configuration utilisée pour le piégeage simultanée et l&#39;imagerie de fluorescence. <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" /> Figure 4 10 L&#39;intensité du laser minimum pour maintenir le piège en fonction du débit de fluide entourant l&#39;utilisation piégeage plasmonique. Toutes les intensités optiques sont mesurées à l&#39;avion échantillon sous l&#39;objectif du microscope. (A) - (f) montrent les résultats de mesure pour des billes de polystyrène avec un diamètre de 7,3 seule, 6,3 (non sphérique), 5,0, 3,9, 2,5 et 1,1 um, respectivement. Les cartons montrent les images correspondantes de particules microscopiques. Les barres d&#39;échelle dans toutes les images représentent 5 um de longueur. <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" /> Figure 5 10 La pente de la droite d&#39;ajustement passant par l&#39;origine dans la Fig. 4 versus la taille des particules pour le piégeage plasmonique. Les barres d&#39;erreur indiquent les déviations standard de l&#39;s&#39;adapte linéaire. La pente de la droite d&#39;ajustement (rapport entre le seuil d&#39;intensité optique et débit) dans la Fig. 4 a une relation approximativement linéaire avec la taille des particules comme le montre cette figure, indiquant l&#39;avantage de piégeage plasmonique surtout pour les petites particules. <img alt="Figure 6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" /> Figure 6 11 (a) Schéma du piégeage optique améliorée en utilisant 1-D des nanostructures périodiques. Le faisceau incident est diffracté par la nanostructure périodique au champ lointain. (B) La distribution de l&#39;intensité de la lumière avec deux polarisations orthogonales nanostructure au champ lointain. (B) La distribution de l&#39;intensité de la lumière avec deux polarisations orthogonales à la surface d&#39;un caillebotis en aluminium avec une période de 417 nm obtenue en utilisant des simulations FDTD. La distribution est normalisée à l&#39;intensité sur une surface plate en aluminium. (C) et (d) le potentiel de piégeage des particules directement au-dessus la surface du réseau par rapport emplacement de la particule pour (c) un polystyrène de 350 nm de perles et (d) un polystyrène 1 um perle. Les cercles blancs montrent les tailles des particules. Des cartons intérieurs montrent le potentiel piégeage dessus d&#39;une surface plate en aluminium pour la même granulométrie que les comparaisons. Les valeurs sont normalisées pour chaque taille de particule. Pour tous les chiffres de simulation FDTD le champ de vision est de 10 x 8 um 2. <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" /> Figure 7 11 (a) l&#39;efficacité du piège et l&#39;intensité minimale mesurée pour le piégeage des billes de polystyrène de différentes tailles avec polarisation perpendiculaire à la poutre lignes du réseau. Encart piège montre l&#39;asymétrie dans l&#39;efficacité du piégeage pour traduire une perpendiculaire 3,87 um perles en polystyrène et en parallèle aux règles de la grille. La ligne solide (grande asymétrie) est obtenu avec la lumière incidente polarisée perpendiculairement à la grille, et la ligne de trait (petite asymétrie) est obtenue avec la lumière incidente polarisée parallèlement au grillage. L&#39;appareil est en (pN [mW / um 2] -1). (B) - (d) la démonstration de piégeage d&#39;une lampe fluorescente 590 nm polystyrène perle. Le cercle rouge indique la position du spot laser comme la lumière du laser a été trop faible pour être vu. Au début, la particule est piégée dans l&#39;endroit à plus haute puissance, comme la puissance est baissé, le mouvement brownien de la particule dépasse la force du piégeage, la particule permettant d&#39;échapper. (E) - démonstration de piégeage (g) d&#39;un noyau de la cellule du cancer ovarien fluorescentes. L&#39;intensité minimale requise pour initier le piégeage a été de 16 uW / um deux obtenus à l&#39;aide d&#39;une lentille 20x objectif. <img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" /> Figure 8 14 procédé de fabrication des nanoparticules d&#39;or en forme de chapeau: une évaporation) de la couche de Cr et Au mince sur la lamelle de verre. b) Exposition à la suspension sphère de polystyrène et d&#39;adsorption des sphères pendant 1 heure. c) Retrait de sphères de polystyrène non adsorbées et le séchage de la surface. d) l&#39;évaporation d&#39;une autre couche de Au-dessus des sphères modèle. e) Schéma de la matrice en forme de chapeau de nanoparticules de Au, où Au ne couvre que la partie supérieure de la sphère modèle.

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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>

Aucun conflit d&#39;intérêt déclaré.

L&#39;importance de ces méthodes de piégeage est qu&#39;ils diminuent l&#39;intensité optique nécessaires pour le piégeage soutenue de quelque part sur ​​l&#39;ordre de 10 3 uW / um de 2 à quelque part sur ​​l&#39;ordre de 10 uW / um 2. 10,11 Les limitations de ces techniques sont que le tableau de nanoparticules d&#39;or les expériences de chauffage des questions qui doivent être surmontés. Pour surmonter ce problème, une structure cristalline 2D photoniques qui est co...

<table border="1"><tr><td> Nom du produit </td><td> Tapez </td><td> Société </td><td> Nombre de catalogue </td><td> Commentaire </td></tr><tr><td> Microscope Axio Imager </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Objectif de microscope </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD EC Epiplan - Neofluar 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Caméra microscope Zeiss </td><td> AxioCam MRc </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Laser hélium-néon </td><td> 35 mW </td><td> Recherche Électro-Optique </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Atténuateur variable </td><td> ND à variation continue </td><td> Thorlabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> Pour le réglage de l&#39;intensité de microscope </td></tr><tr><td> Jeu de filtres Zeiss </td><td> Définir le filtre # 17 </td><td> Zeiss </td><td> 488017-9901-000 </td><td> Définir le filtre # 17 </td></tr><tr><td> Lames de microscope </td><td> 0,5 mm d&#39;épaisseur </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3 noyaux de cellules de souris </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Magasin le plus froid possible </td></tr><tr><td> Colorant orange d&#39;acridine </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Albumine de sérum bovin </td><td> 1 à 10 la ration en PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm sphères de latex de polystyrène </td><td></td><td> Polysciences, Inc </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimide (EDC) </td><td> 1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl) </td><td> G-Biosciences </td><td> BC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> or (pour les dépôts) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Réfléchissantes réseau de diffraction a statué </td><td></td><td> Edmund Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tampon phosphate salin (PBS) </td><td> Dulbecco tampon phosphate salin (PBS-D) (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

Une méthode pour manipuler la position et l&#39;orientation des particules submicroniques non destructive serait un outil incroyablement utile pour la recherche biologique fondamentale. Peut-être la force la plus largement utilisée pour réaliser la manipulation physique non invasif de petites particules a été diélectrophorèse (DEP). 1 Cependant, DEP sur son propre manque de la polyvalence et la précision qui sont souhaités lors de la manipulation des cellules, car il se fait traditionnellement avec des électrodes fixes. Pinces optiques, qui utilisent une durée de trois dimensions du gradient du champ électromagnétique d&#39;exercer des forces sur de petites particules, de réaliser cette polyvalence souhaitée et la précision. 2 Toutefois, un inconvénient majeur de cette approche est l&#39;intensité du rayonnement élevées requises pour atteindre la force nécessaire pour piéger une particule qui peut endommager les échantillons biologiques 3 Une solution qui permet de piégeage et de tri avec une intensité moindre optiques sont optoélectroniques pincettes (OET), mais OET ont des limites à la manipulation fine de petites particules;.. étant DEP technologie basée met également contrainte sur la propriété de la solution 4 , 5 Cet article vidéo décrivent deux méthodes qui diminuent l&#39;intensité du rayonnement nécessaire pour la manipulation optique des cellules vivantes et aussi de décrire une méthode pour le contrôle de l&#39;orientation. La première méthode est une pince à épiler plasmonique qui utilisent une nanoparticule d&#39;or aléatoire (AUNP) tableau comme un substrat pour l&#39;échantillon comme dans la Figure 1. Le tableau AUNP convertit les photons incidents dans les plasmons de surface localisés (LSP) qui se composent de résonance moments dipolaires qui rayonnent et de générer un champ de rayonnement à motifs avec un gradient important dans la solution de cellules. Le travail initial sur les plasmons de surface améliorée piégeage par Righini et al et de notre propre modélisation ont montré les champs générés par le substrat plasmonique de réduire l&#39;intensité initiale requise par l&#39;amélioration du champ de gradient qui piège les particules. 6,7,8 L&#39;approche plasmonique permet de bien contrôler l&#39;orientation des particules ellipsoïdales et les cellules avec de faibles intensités optiques à cause de la conversion d&#39;énergie plus efficaces optiques en énergie mécanique et un champ de rayonnement dipolaire-dépendante. Ces champs sont présentés dans la figure 2 et les intensités faibles piégeage sont détaillés dans les figures 4 et 5. Les principaux problèmes avec des pincettes plasmonique sont que le LSP générer une quantité considérable de chaleur et le piégeage est à seulement deux dimensions. Cette chaleur génère des flux de convection et thermophorèse qui peut être assez puissant pour expulser les particules submicroniques du piège de 9,10. La seconde approche que nous allons décrire est l&#39;utilisation des nanostructures périodiques diélectriques à la lumière incidente dispersent de façon très efficace dans des modes de diffraction, comme le montre la figure 6 11. Idéalement, il faudrait rendre cette structure d&#39;un matériau diélectrique pour éviter les problèmes de chauffage mêmes expérimentés avec les pincettes, mais plasmonique dans notre approche en aluminium revêtu de réseau de diffraction est utilisé comme une nanostructure unidimensionnelle diélectriques périodiques. Même s&#39;il n&#39;est pas un semi-conducteur, il n&#39;a pas l&#39;expérience de chauffage importants et efficacement les petites particules piégées avec des intensités faibles piégeage, comme le montre la figure 7. L&#39;alignement des particules avec le substrat grille valide conceptuellement l&#39;idée que un cristal photonique en 2-D pourraient permettre une rotation précise des particules non sphériques microns de taille 10. L&#39;efficacité de ces pièges optiques sont augmentées en raison de l&#39;amélioration des champs produits par les nanostructures décrites dans ce document.

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

Brucelles plasmonique et nanostructures cristaux photoniques sont présentés à produire des améliorations utiles dans le contrôle de l&#39;efficacité et l&#39;orientation de piégeage optique des micro-et nano-particules.

L&#39;utilisation de nanostructures cristal plasmonique et photoniques pour la manipulation des micro-et nanoparticules améliorée

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

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Research

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Bioengineering

12.2K vues.  University of Washington. Brucelles plasmonique et nanostructures cristaux photoniques sont présentés à produire des améliorations utiles dans le contrôle de l'efficacité et l'orientation de piégeage optique des micro-et nano-particules.

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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.

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 ...

Recherche

Bio-ingénierie

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).

Synthèse, l&#39;Assemblée, et caractérisation des nanoparticules Monocouche protégées Films d&#39;or pour Electrochimie monocouche de protéines

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.

Évaluation de livraison Gene polymère nanoparticules d&#39;analyse de suivi par des nanoparticules et de cytométrie en flux à haut débit

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.

Micro-particules vélocimétrie par image de profil de vitesse pour mesures de débits Micro sang

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.

Nanofibres ECM de protéines et Utilisation de l&#39;assemblage de la surface à l&#39;initiative Nanostructures 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.

Préparation de monodomaine à cristaux liquides élastomères et élastomères cristaux liquides nanocomposites

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.

Techniques pour l&#39;évolution de la levure robuste Pentose-fermentation pour la bioconversion de lignocellulose en éthanol

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.

Microfluidique Buffer Exchange pour sans interférence Micro / Nanoparticules ingénierie cellulaire

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 Plasma Membrane Livraison d&#39;un Hydrophobe Cargo encapsulé dans un cristal liquide Nanoparticules Transporteur

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.

Synthèse de cristaux liquides biocompatibles mousses élastomères comme échafaudages cellulaires pour les cultures de cellules spatiales 3D

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 ...