Ce travail a été soutenu par la NSF / DOE partenariat dans le plasma Science et Technologie (NSF Grant No. 0853777 CBET-Grant et du DOE n ° DE-SC0001169), STTR phase I du projet (NSF STTR PHASE I No.1010133). Les auteurs tiennent à remercier le Programme de recherche pppl Offsite soutenu par le Bureau de la fusion des sciences de l&#39;énergie pour soutenir des expériences à l&#39;arc.

1. La préparation d&#39;anodes <ol><li> Poudre de nickel d&#39;échelle (99,8%, à 300 mesh) et l&#39;yttrium en poudre (99,9%, 40 mesh) selon la radio molaire de 4,2:1 que la poudre de catalyseur. </li><li> Mélanger la poudre de catalyseur avec de la poudre de graphite (99,9995%, à 200 mesh) très bien. Remplissez la poudre de graphite mélangé à tige creuse (5 mm de diamètre extérieur, 2,5 mm de diamètre interne et 75 mm de longueur) fermement. Assurez-vous que la radio molaire totale de C: Ni: Y en tige d&#39;anode est 94.8:4.2:1, qui est un rapport optimal de synthétiser SWCNT 9. </li><li> Installez la cathode tige (graphite pur, 13 mm de diamètre) et l&#39;anode en peluche à l&#39;intérieur de la chambre cylindrique (acier inoxydable, 152 mm de diamètre et 254 mm de longueur). Réglez la distance écart entre la cathode et l&#39;anode à environ 3 mm. </li></ol> 2. Substrat de configuration <ol><li> Placez un aimant permanent cuboïde (25 mm × 25 mm × 100 mm) à l&#39;intérieur de la chambre à environ 25 mm de distance de l&#39;axe inter-électrodes. L&#39;aimant ultra-haute température utilisés Alnicodans l&#39;expérience a le poids de 650 grammes. Utilisez la configuration lorsque l&#39;écart inter-électrodes est placé à la distance d&#39;environ h = 75 mm (figure 1a) à partir du bas de l&#39;aimant permanent. </li><li> Couper la feuille de 0,3 mm d&#39;épaisseur de molybdène (99,95%) que les 25 mm × 100 mm de forme rectangulaire. Retirez la contamination de surface par les ultrasons dans dismembrator l&#39;acétone et l&#39;éthanol pendant 30 min avec une amplitude de 50% sonication, 150 W et une puissance de sortie de fréquence 40 kHz. </li><li> Installez feuille de molybdène attacher un côté de l&#39;aimant permanent, et tourner de ce côté vers les électrodes. </li><li> Mesurer le champ magnétique dans l&#39;espace inter-électrodes par un Gaussmètre. Gardez le champ magnétique moyen entre les électrodes est d&#39;environ 0,06 T. </li></ol> 3. L&#39;allumage de l&#39;arc plasma <ol><li> Pompe bas de la chambre cylindrique à la pression de moins de 10 -1 à vide Torr et ensuite gonflé à l&#39;hélium (99,995%) à 500 Torr. </li><li> Connectez-électrodes à l&#39;arc à DC weldialimentation ng et mis en place l&#39;alimentation électrique sur l&#39;arc actuel d&#39;environ 75 A. </li><li> Enregistrer les valeurs en temps réel de l&#39;arc à l&#39;arc de tension actuelle, et pression de la chambre de post-expérience d&#39;analyse. </li><li> Démarrer la vidéo d&#39;un arc de la droite et avant fenêtres par deux caméras numériques simultanément. Les instantanés après 1 seconde d&#39;arc de départ sont présentés dans la figure 1b (viewport de droite) et figure 1d (de l&#39;avant viewport). </li><li> Exécutez l&#39;arc pendant 15 secondes. Refroidir la chambre par convection naturelle pendant au moins 20 minutes. </li></ol> 4. Post-synthèse analyse et la caractérisation <ol><li> Utilisez des pinces pour arracher les flocons dépôt de la surface de la feuille de molybdène où le jet d&#39;arc plasma a été réalisé. Un autre échantillon est prélevé à partir du collier noir de cathode. Observez la morphologie des deux côtés de flocon de déposition sous MEB (tension d&#39;accélération de 30 kV a été utilisé). </li><li> Concernant la préparation des échantillons pour<html> TEM analyse, les films minces de l&#39;échantillon ont été obtenus par coulée déposer une suspension de méthanol dispersés solution de SWCNT après sonication pendant 60 minutes à l&#39;aide dismembrator ultrasons avec 50% d&#39;amplitude sonication. Observez la morphologie du film mince sous JEOL TEM avec la tension de 100 KV après la volatilisation de la solution de méthanol. Pour la position de l&#39;intérêt dans l&#39;échantillon, figure de diffraction d&#39;électrons peut être obtenue avec la longueur caméra CCD de 50 cm associée avec le TEM. </li><li> La spectroscopie Raman a été effectuée sur un système de micro-Raman basé sur un 200 mW Lexel 3000 Ar laser ionique (accordable de sortie seule ligne), avec une optique holographique, un spectromètre de 0,5 m et un azote liquide détecteur CCD refroidi; longueur d&#39;onde 514 nm qui correspond à la d&#39;énergie de 2,33 eV. Mesures Raman couvraient la gamme de 100 cm -1 à 3100 cm -1, et ont été réalisées sur la surface de flocons de graphène. </li></ol> 5. Les résultats représentatifs »&gt; Les instantanés vidéo obtenue simultanément à partir des fenêtres de droite et avant de la chambre sont présentés dans la figure 1b, d pour h = 75 mm. Ces images illustrent une perturbation significative de la colonne de plasma d&#39;arc en présence de champ magnétique externe en comparaison avec la colonne d&#39;arc axisymétrique observé dans le cas sans champ magnétique 10. Figure 2a et 2b afficher la morphologie typique des particules et catalyseur SWCNT collectées sur le col de cathode sans champ magnétique et le champ magnétique de B = 0,06 Tesla sous TEM, respectivement. Il peut être vu que SWCNT avec le champ magnétique sont proches-emballés dans des paquets avec des diamètres allant de 2 à 20 nm due à l&#39;interaction de van der Waals entre SWCNT individuels. En comparaison, les SWCNT sans champ magnétique ont le plus grand diamètre en faisceaux et diamètre différents, ce qui est cohérent avec l&#39;analyse du spectre Raman. En outre, le champ magnétique caraison n dans le SWCNT avec une plus grande pureté montré dans la figure 2a et 2b. L&#39;influence la plus intéressante du champ magnétique est que les flocons de graphène peut être obtenu à partir de la surface de flocons de dépôt qui est proche de feuille de molybdène dans le même processus. Figure 2c et 2d montrent les images MEB et MET de flocons de graphène ainsi que quelques- graphène couche obtenue à partir de l&#39;échantillon prélevé à l&#39;emplacement correspondant à l&#39;arc jets plasmas. L&#39;encart de la figure 2d montre la figure de diffraction d&#39;électrons associés à la graphène. Le motif hexagonal points de diffraction d&#39;électrons présente les preuves de structures cristallines bien ordonnée. Spectre Raman est un outil puissant pour la caractérisation des flocons de graphène et SWCNT. Les pics typiques observés dans le graphène sont les sommets G et 2D à ~ 1600 cm -1 et ~ 2700 cm -1 respectivement, en utilisant la longueur d&#39;onde d&#39;excitation de 514 nm. Le Gde pointe provient des vibrations plan qui peut être observé dans tous les matériaux carbone sp2. Le pic 2D est un second ordre de la pointe D, mais est vu même dans les systèmes désordonnés, en raison de la phonons afin quatrième processus d&#39;échange dynamique de double résonance. Il joue un rôle crucial dans la caractérisation de graphène. L&#39;intensité I (2D) / I (G) est d&#39;environ 4 pour graphène monocouche et diminue avec l&#39;ajout de couches successives, ce qui rend possible d&#39;estimer l&#39;épaisseur des couches de graphène. 11 Figure 3 indique que la valeur de I (2D) / I (G) est d&#39;environ 1, qui peut être la preuve de quelques couches de graphène. Le mode de respiration radiale (RBM) entre 120 et 350 cm -1 dans le spectre Raman peut être utilisée pour identifier le diamètre des nanotubes à travers la fréquence de vibration cohérente des atomes de carbone dans la direction radiale. La relation expérimentale entre la fréquence et le diamètre est SWCNT RBM ω = A / D t + B, où les paramètres of A et égale à 234 et 10 cm -1 B, respectivement, pour les SWCNT typiques formées en faisceaux. De la figure 3, les fréquences de la GAR SWCNT avec et sans champ magnétique sont 163,8 215,2 cm et -1, correspondant à la moyenne des diamètres de 1,52 SWCNT individuels et 1,14 nm, respectivement. <img alt="Figure 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> Figure 1. Répartition du champ magnétique simulé par FEMM 4.2 du logiciel (un), photographie de l&#39;arc plasma à jet de la droite viewport (b), schéma de la position des électrodes et le champ magnétique de direction dans le fossé pour le cas où l&#39;écart inter-électrodes est placé d&#39;environ 75 mm au dessus du fond de l&#39;aimant permanent (c), et une photographie de l&#39;arc plasma à jet de l&#39;avant viewport (d). <img alt="Figure 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> Figure 2. Image TEM représentant telle que synthétiséeFaisceaux SWCNT sans champ magnétique (a) et faisceaux SWCNT avec le champ magnétique (b), typique image MEB de flocons de graphène synthétisés avec le champ magnétique (c), et l&#39;image TEM du graphène avec le champ magnétique. En médaillon est le motif de diffraction d&#39;électrons zone sélectionnée montrant la structure cristalline du graphène. <img alt="Figure 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> Figure 3. Spectre Raman des échantillons avec le champ magnétique dans la gamme de 100 à 3100 cm -1. Encart: spectre Raman des échantillons sans champ magnétique autour des fréquences RBM. <img alt="Figure 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> Figure 4. Région de la croissance de nanostructures et de la densité nombre de carbone et de nickel pour l&#39;arc de 60 A. Notez que les densités de carbone et le nickel montré sur le côté gauche et à droite des électrodes, la co-exister dans la même région.

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

Nous n&#39;avons rien à révéler.

Dans les instantanés vidéo montré à la figure 1b et 1d, pour le cas où l&#39;écart inter-électrodes est placé à la distance d&#39;environ h = 75 mm du fond de l&#39;aimant permanent, il convient de noter que le changement de la position de l&#39;aimant (nous avons testé changement aimant long de l&#39;axe z et en tournant l&#39;aimant plus) des résultats de l&#39;écart des flux de jet d&#39;arc dans la direction x correspondant à la direction de J × B vigueur illustré à ...

Table des réactifs spécifiques et des équipements: <table border="1"><tbody><tr><th> Nom du réactif </th><th> Société </th><th> Numéro de catalogue </th><th> Commentaires (optionnel) </th></tr><tr><td> Méthanol </td><td> Acros Organics </td><td> 423950010 </td><td></td></tr><tr><td> Poudre de nickel </td><td> Alfa Aesar </td><td> 10581 </td><td></td></tr><tr><td> Yttrium en poudre </td><td> Acros Organics </td><td> 318060050 </td><td></td></tr><tr><td> Poudre de graphite </td><td> Alfa Aesar </td><td> 40799 </td><td></td></tr><tr><td> Tige creuse en graphite </td><td> Industries de Saturne </td><td> POCO EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> L&#39;aimant permanent </td><td> McMaster-Carr </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> Fiche de molybdène </td><td> Dingqi Sci. et Tech. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> Ultrasons dismembrator </td><td> Fisher Scientific </td><td> Modèle 150T </td><td></td></tr><tr><td> À effet Hall Gaussmètre </td><td> AI </td><td> Modèle 100 </td><td></td></tr><tr><td> Alimentation de soudage </td><td> Miller Electric </td><td> Gold Star 600SS </td><td></td></tr><tr><td> Pompe à vide </td><td> J / B </td><td> DV-85N </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> Zeiss </td><td> LEO 1430VP </td><td></td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> 1200 EX </td><td></td></tr><tr><td> Raman </td><td> Horiba </td><td> HR800 </td><td></td></tr></tbody></table>

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

Les nanostructures de carbone comme les nanotubes de carbone monoparois (SWCNT) et le graphène attirer un déluge d&#39;intérêt des savants de nos jours en raison de leur application très prometteuse pour les capteurs moléculaires, transistors à effet de champ et super mince et flexible des dispositifs électroniques 1-4. Décharge d&#39;arc anodique soutenue par l&#39;érosion du matériau de l&#39;anode est l&#39;une des méthodes les plus pratiques et efficaces, qui peuvent fournir spécifiques non-équilibre des processus et un afflux important de matériel de carbone pour les structures de développement à une température relativement élevée, et par conséquent l&#39;en- produits synthétisés ont quelques défauts structurels et une meilleure cristallinité. Pour améliorer encore la maniabilité et la flexibilité de la synthèse de nanostructures de carbone dans l&#39;arc de décharge, les champs magnétiques peuvent être appliquées pendant le processus de synthèse selon les réponses fortes magnétique de plasmas d&#39;arc. Il a été démontré que le magnétisme à l&#39;arc-enhanced DischARGE peut augmenter la durée moyenne de 5 SWCNT, étroit la distribution du diamètre des particules de catalyseur métallique et 6 nanotubes de carbone, et le changement du ratio d&#39;métalliques et les nanotubes de carbone semi-conducteurs 7, ainsi que conduire à la synthèse de graphène 8. Par ailleurs, il est intéressant de remarquer que lorsque nous introduisons un champ magnétique non-uniforme à la composante normale du courant dans l&#39;arc, la force de Lorentz le long de la J × B direction peut générer le jet plasmas et de faire une prestation efficace des particules de carbone et d&#39;ions flux de chaleur à des échantillons. En conséquence, les flocons de graphène à grande échelle et des nanotubes de carbone de haute pureté à simple paroi ont été simultanément généré par ces nouvelles méthodes à l&#39;arc magnétique amélioré par anodique. Arc imagerie, microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie Raman ont été employées pour analyser la caractérisation des nanostructures de carbone. Ces résultats indiquent unelarge éventail d&#39;opportunités de manipuler les propriétés des nanostructures produites dans les plasmas par des moyens de contrôler les conditions d&#39;arc.

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

Décharge d&#39;arc anodique est l&#39;une des méthodes les plus pratiques et efficaces pour synthétiser des nanostructures de carbone différentes. Pour augmenter la contrôlabilité à l&#39;arc et de flexibilité, un champ magnétique non uniforme a été introduit au processus de la synthèse en une étape de flocons de graphène à grande échelle et des nanotubes de carbone de haute pureté à simple paroi.

Synthèse simultanée de nanotubes de carbone à paroi simple et le graphène dans un plasma d&#39;arc-magnétique améliorée

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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

15.2K vues.  The George Washington University. Décharge d'arc anodique est l'une des méthodes les plus pratiques et efficaces pour synthétiser des nanostructures de carbone différentes. Pour augmenter la contrôlabilité à l'arc et de flexibilité, un champ magnétique non uniforme a été introduit au processus de la synthèse en une étape de flocons de graphène à grande échelle et des nanotubes de carbone de haute pureté à simple paroi.

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Graphene Coatings for Biomedical Implants

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

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

Revêtements de graphène pour les implants biomédicaux

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

Recherche

Bio-ingénierie

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

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

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

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

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

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

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

Synthèse d&#39;une protéine artificielle induite par une intéine Hydrogel

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

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

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

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

Synthèse de nanofibres à base de kératine de génie biomédical

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

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

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

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

Reconnaissance moléculaire Ingénierie avec Polymères Bio-mimétiques sur simple Walled Carbon Nanotubes

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

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. ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

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

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

Nanotubes d’ADN comme un outil polyvalent pour l’étude des polymères semi-flexibles

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

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

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

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

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

Faire fondre électrofilage écrit d’échafaudages Poly(ε-caprolactone) en trois dimensions avec des Morphologies contrôlables pour les Applications de génie tissulaire

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

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

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

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

Monolithes de Microhoneycomb préparés par la lyophilisation unidirectionnel de nanofibres Cellulose basé Sols : méthode et Extensions

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

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

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

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

Synthèse des Nanotubes de carbone Multi modifiés avec des nanoparticules d’argent et de l’évaluation de leurs activités antibactériennes et propriétés cytotoxiques

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