我々はまた内に記載された方法のほとんどを開発するための暁ミャオ族とベンウィルソンに感謝したい。この作品は、国立科学財団（DBI 0454324）と国立衛生研究所（R21 EB005183）でとECKへNIGMSからPHS NRSA T32 GM07270によって賄われていた。

1。ランダムな金ナノ粒子アレイの作製8,10,12,14 <ol><li> Auナノ粒子の配列は、最初の454 nmの平均直径を持つランダムに吸着ラテックス球の緻密層で作られてテンプレートを作成することによって形成される。これは、まず、接着層としてのクロムを使用して20nmの厚さにカバーガラス上に金を蒸発させることによって達成されます。 </li><li>ポリスチレン球の単層は、1 - エチル-3 - （3 - ジメチルアミノプロピル）カルボジイミド塩酸塩（EDC）、ラテックス球懸濁液と脱イオン水の混合物に、金でコーティングされた基板を公開することにより、自己集合しています。 </li><li>吸着プロセスは、約1時間持続することが許可されており、非吸収球は大量の水で洗い流されている。 </li><li>形成された単分子層を乾燥空気に許可されています。 </li><li>最後に、金の別の20nmのは、ランダムな金ナノ粒子アレイを形成するために、ラテックス球の単層上に蒸発させる。 </li><li> SEMが使用可能な場合は、AuNPの配列は、図1とプロセスのダイアグラムは、図8に示すようにSEMで見ることができます。 </li></ol> 2。生物学的サンプルの準備9,11 <ol><li>光学的にトラップマウスの細胞核のための試料調製が表示されるようになりました。 </li><li>アクリジンオレンジ色素でタグ付けされた3T3マウス細胞の核は、フレッドハッチンソンがん研究センターのTewariグループから得た。 </li><li> 10（BSA：：マウスの​​細胞核）10％リン酸のウシ血清アルブミン（BSA）は、（PBS）緩衝生理食塩水が約1の濃度でマウスの細胞核に追加されます。 BSAは、基板に付着するから核を防ぐことができます。 </li><li>超音波を使用してソリューションを混ぜる。 </li><li>当社のソリューションの5 ULは、アルミ格子の配列のカバースリップ上に堆積される。解決策が堆積した後にサンプルを輸送する必要がないように、それは顕微鏡のステージ上にアルミ格子でこの手順を実行することをお勧めします。 </li><li>カバースリップを&quot;1から&quot;2個の1の2つのスタックは、サンプルが表示されている通過第五カバースリップをサポートするために使用されます。 </li><li>鑑賞するために顕微鏡下でサンプルを置きます。 </li></ol> 3。トラップする方法<ol><li>光ピンセットは、サンプルに到達する633 nmのレーザー照射を可能にするために変更されたGFP 17フィルターセットを装備したツァイスAxioはImager.D1Mを通じて、35 mWのヘリウムネオンレーザーを送信することによって構築されています。 </li><li>ツァイスLD EC Epiplan - NEOFLUAR 50倍の目標は、画像、直径約5ミクロンである細胞核をするために使用されます。 </li><li>サンプルが客観下に配置された後、金ナノ粒子の配列または回折格子に顕微鏡の焦点を合わせる。 </li><li>フォーカスがトラップすることを望む核を達成するまで垂直に顕微鏡を翻訳。 </li><li>粒子と粒子上の位置のレーザートラップのスポットは、ステージが翻訳されていてもレーザースポットでの地位を維持する必要があります。 </li></ol> 4。代表的な結果： ランダムな金ナノ粒子の配列の手順は、図1のようにSEM下で観察することができますAuNPのの単層をデポジットしてください。これらのプラズモニックピンセットで作成されたトラッピング力は、標準の光ピンセットによって生成された10〜20倍の力になります。粒子の閉じ込めを達成するためにプラズモニックピンセットで必要とされる最低限の強度は、図4の様々なサイズの粒子のために示されている。9,10回折格子は、金のナノドットよりも20倍も高い捕集効率との整合性とトラッピングを達成し、少しのようにトラップ達成できる17 UW / UM 2（図7）。11など<img alt="図1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" /> 図1 10（）自己組織化金ナノ粒子のSEM写真。個々の金ナノ粒子の直径は約450nmである。近接場光を示すナノ粒子の分布が疎であるプラズモン基板の（b）のNSOM像、。励起レーザーの波長は633 nmです。 （b）の赤い四角でマークされたエリアの（c）高倍率ビュー。 624 nmにピークを示すプラズモン基板の（d）の散乱効率スペクトル、。 668 nmにピークを示すプラズモン基板の（e）の吸収効率スペクトル、。 <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" /> 図2 13（）金ナノ粒子は、ランダムに2次元ドメイン1の分散× 1μm2である 。それぞれの青い点は、ナノ粒子の中心（= 60 nm）を表す。ランダムナノスフェアの配列に平行な観測平面上の散乱電界の分布は（b）に示す - （E）。ナノスフェアの配列が均一に540nmの波長における平面波が照射される。周囲の媒質の屈折率は1.33です。ポーラX軸（（）で水平方向）に沿って平面波のポイントのrization方向。事件電界の大きさは計算で1と想定されます。観測面とナノ粒子の配列の間の分離は、hのように定義されます。 B）H = A。 C）、H = 2A。 D）H =λ。 e）はH =2λ。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" /> 図3バイパス励起フィルターと交換したダイクロイックビームスプリッターを含むカスタマイズされた蛍光顕微鏡の構成9回路図。これは、同時トラップと蛍光イメージングのために使用される構成です。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" /> 図4 10プラズモニックトラッピングを利用した流体を周囲の流量の関数としてトラップを維持するための最小のレーザー強度。すべての光強度は、顕微鏡対物下で試料面で測定されています。 （A） - （f）にそれぞれ、直径7.3、6.3（非球面）、5.0、3.9、2.5および1.1μmの単一のポリスチレンビーズの測定結果を示す。インセットは、粒子の対応する顕微鏡画像を示す。すべての画像のスケールバーの長さは5μmを表す。 <img alt="図5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" /> 図の原点を通る図5近似直線の傾き。プラズモニックトラッピングのための粒子サイズ対4。エラーバーは、線形近似の標準偏差を示す。図中の近似直線の傾き（光強度のしきい値と流量との比）。 4は、特に小さい粒子のプラズモントラッピングの利点を示す、この図に示すように粒径とほぼ直線関係を持っています。 <img alt="図6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" /> 図6 1次元周期的ナノ構造を利用した強化された光トラッピングの11（）模式図。入射ビームは、遠方界での周期的ナノ構造によって回折される。 （B）ファーフィールドでの二つの直交偏光のナノ構造と光の強度分布。 （b）のFDTDシミュレーションを用いて得られた417 nmの周期を持つアルミ格子の表面に二つの直交偏光を持つ光の強度分布。分布は平坦なアルミニウム表面上に強度に正規化されています。 （C）と（c）350 nmのポリスチレンビーズとビーズ（D）が1μmのポリスチレンのための直接粒子の格子面に対する位置の上の粒子のための（d）のトラッピングポテンシャル。白い丸は、粒子の大きさを示しています。挿入図は、比較と同じ粒径のフラットアルミの表面上のトラップの可能性を示しています。値は、各粒径のために正規化されます。すべてのFDTDシミュレーションの数値の場合はビューのフィールドには、10 ×8μmの2です。 <img alt="図7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" /> 図7 11（）トラップの効率性と格子線のビームの偏光に垂直で、さまざまなサイズのポリスチレンビーズのために測定された最小トラッピング強度。挿入図のトラップは、格子の規則に3.87 UMポリスチレンビーズ垂直と平行を変換するための捕集効率の非対称性。実線は（大型の非対称性）格子への入射光偏光に対して垂直で得られ、および破線は、（小は非対称性）格子への入射光偏光パラレルで得られる。単位は（PN [MW /μm2である ] -1）になります。 （B） - 蛍光590nmのポリスチレンビーズの（d）のトラッピングデモンストレーション。赤い円は、レーザー光が見られるには余りにも暗くなったようにレーザースポットの位置を示します。最初は粒子がパワーが低くなるにつれ、粒子のブラウン運動は粒子が脱出できるように、トラップ力を克服し、より高い電力でのスポット内に捕捉される。 （E） - 蛍光卵巣癌の細胞核の（g）をトラッピングデモンストレーション。トラッピングを開始するために必要な最低限の強度は16μW/ 20倍対物レンズを用いて得られたμmの2であった。 <img alt="図8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" /> ガラスカバースリップ上にCrおよびAu薄膜層の）蒸発：キャップの形をした金ナノ粒子の図8 14作製の手順。 B）1時間球のポリスチレン球懸濁液と吸着への曝露。 c）非吸着ポリスチレン球と表面の乾燥の除去。テンプレートの球体の上に金の別の層のd）蒸発。金だけテンプレートの球体の上面を覆うキャップ状のAuナノ粒子の配列、の電子）回路図。

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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. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images.">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-370 (2005).</li><li>Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phototransistor-based+optoelectronic+tweezers+for+dynamic+cell+manipulation+in+cell+culture+media.">Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media.</a> Lab Chip. 10, 165-172 (2010).</li><li>Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. 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>

利害の衝突は宣言されません。

トラッピングのこれらのメソッドの意義は、彼らが持続的な10 3μW10μW/μm2であるの順番でどこかへ/μm2であるの順番のどこかからのトラップのために必要な光強度を減少させることです。10,11は、これらの技術上の制約金ナノ粒子の配列は、克服しなければならないの加熱の問題を経験することです。この問題を克服するために、誘電体材料で構成されている2次元フォ...

<table border="1"><tr><td>材料名</td><td>タイプ</td><td>会社</td><td>カタログ番号</td><td>コメント</td></tr><tr><td>アクシオイメージャ顕微鏡</td><td> D1M </td><td>ツァイス</td><td> D1M </td><td>ツァイスアクシオImager.D1M </td></tr><tr><td>顕微鏡対物</td><td> 50x/0.55 </td><td>ツァイス</td><td></td><td> LD EC Epiplan - NEOFLUAR 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td>ツァイスの顕微鏡カメラ</td><td> AxioCam MRC </td><td>ツァイス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ヘリウムネオンレーザー</td><td> 35 mWの</td><td>研究エレクトロオプティクス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>可変減衰器</td><td>連続可変ND </td><td> ThorLabs </td><td> NDC - 100C - 4M </td><td>顕微鏡の強度を調整するための</td></tr><tr><td>ツァイスフィルターセット</td><td>フィルターセット＃17 </td><td>ツァイス</td><td> 488017-9901-000 </td><td>フィルターセット＃17 </td></tr><tr><td>顕微鏡のスライド</td><td> 0.5 mmの厚さ</td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> 3T3マウス細胞核</td><td></td><td colspan="2">フレッドハッチンソンがん研究センター</td><td>できるだけ冷たい店</td></tr><tr><td>アクリジンオレンジ色素</td><td></td><td colspan="2">フレッドハッチンソンがん研究センター</td><td></td></tr><tr><td>ウシ血清アルブミン</td><td> PBS 1〜10配給</td><td colspan="2">フレッドハッチンソンがん研究センター</td><td></td></tr><tr><td> 454 nmのポリスチレンラテックス球</td><td></td><td> Polysciences、（株） </td><td></td><td></td></tr><tr><td>カルボジイミド塩酸塩（EDC） </td><td> 1 - エチル-3 - （3 - ジメチルアミノプロピル） </td><td> G -バイオサイエンス</td><td> BC25 - 1 </td><td></td></tr><tr><td>金（堆積用） </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>反射支配回折格子</td><td></td><td>エドモンドオプティクス</td><td></td><td></td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水（PBS） </td><td>ダルベッコのリン酸緩衝食塩水（D - PBS）（1X） </td><td>インビトロジェン</td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

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

サブミクロン粒子の位置と方向を操作する方法は、非破壊的に基本的な生物学的研究のための非常に便利なツールとなります。おそらく、小さな粒子の非侵襲的操作を実現するために最も広く使用されている物理的な力は、しかし、誘電泳動（DEP）1をされている、それ自身のDEPは、それが伝統的に固定電極を用いて行われるので、細胞を操作するときに望まれる汎用性と精度を欠いている。この目的の汎用性と精度を達成するため、小さな粒子の力を発揮する3次元電磁界勾配を利用した光ピンセット、2しかし、このアプローチの主な欠点は、どの粒子をトラップするために必要な力を達成するために必要な高い放射強度である生体試料を損傷することが3トラップし、より低い光強度でソート可能にするソリューションは、光ピンセット（OET）がOETのは、小さな粒子の細かい操作に制限があるもの、。。というDEPベースの技術は、ソリューションのプロパティに制約を置く4 5 このビデオの記事では、生きた細胞の光学的操作のために必要な放射線の強度を低下させ、また、配向制御のための方法を説明する2つの方法を説明します。最初の方法は、図1に示すように試料用の基板として、ランダムな金ナノ粒子（AuNP）配列を使用するプラズモニックピンセットです。 AuNPの配列は、その共振ダイポールモーメントから構成される局在表面プラズモン（LSP）に入射光子を変換し放射し、細胞溶液に大きな勾配を持つパターン化された放射線のフィールドを生成する。 Righiniらと我々自身のモデリングによる表面プラズモン増強のトラップの最初の仕事は、トラップ粒子。6,7,8プラズモンアプローチは罰金にできることプラズモン基板で生成されるフィールドは、傾斜磁場を高めることにより、必要な初期強度を減少さが示されているために機械的エネルギーと双極子に依存する照射野へのより効率的な光エネルギー変換の低い光強度を持つ楕円体粒子と細胞の配向制御。これらのフィールドは、図2に示されていると低トラップの強度は、図4と図5に詳しく説明されています。プラズモニックピンセットで主要な問題は、LSPのは熱のかなりの量を生成することで、トラップは、二次元です。この熱は、トラップからサ ​​ブミクロン粒子を追い出すような強力なものにできる対流の流れと熱泳動を生成します。9,10我々が記述できることを第二のアプローチは、図6に示すように、回折モードに非常に効率的に散乱の入射光に周期的な誘電体のナノ構造を利用している理想的には11、一プラズモニックピンセットで経験した同じ加熱の問題を回避するために、誘電体材料から、この構造を理解するだろうが、私たちのアプローチではアルミコーティングされた回折格子は、一次元の周期的な誘電体のナノ構造として使用されます。それは半導体ではありませんが、それはかなりの発熱を経験し、効果的に図7に示すように、低トラッピング強度、小さな粒子を捕捉していない。格子の基板を有する粒子の整列は、概念的に2次元フォトニック結晶に非球面ミクロンサイズの粒子の正確な回転を可能にすることができるという命題を検証します。これらの光トラップの10効率が原因で説明されているナノ構造で生成された拡張されたフィールドに増加しているこの紙。

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

プラズモニックピンセットとフォトニック結晶のナノ構造は、光学的にマイクロおよびナノ粒子を捕集の効率性と配向制御に有用な機能強化を作成することが示されている。

強化されたマイクロおよびナノ操作のためのプラズモニックとフォトニック結晶ナノ構造の利用

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

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

12.2K ビュー.  University of Washington. プラズモニックピンセットとフォトニック結晶のナノ構造は、光学的にマイクロおよびナノ粒子を捕集の効率性と配向制御に有用な機能強化を作成することが示されている。

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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.

導電性インクの平面および三次元印刷

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

生物工学

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).

合成、組立、および単分子膜のキャラクタリゼーションは、タンパク質単分子層の電気化学のための金ナノ粒子膜を保護

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.

ナノ粒子トラッキング分析とハイスループットフローサイトメトリーによる高分子遺伝子デリバリーナノ粒子の評価

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.

マイクロ血流の速度プロファイル測定用マイクロ粒子画像流速

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.

表面開始アセンブリの使用ECMタンパク質のナノファイバーおよびナノ構造エンジニア

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.

モノドメイン液晶エラストマーおよび液晶エラストマーナノコンポジットの調製

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.

エタノールへのリグノセルロースの生物変換のための堅牢なペントース発酵酵母の進化のための技術

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.

干渉のないマイクロ/ナノ粒子の細胞工学のためのマイクロ流体緩衝液交換

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.

液晶ナノ粒子キャリアにおける疎水性貨物カプセル化の標的細胞膜配達

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.

3D空間の細胞培養のための細胞骨格などの生体適合性液晶エラストマー発泡体の合成

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 ...