本研究では、食と農の国立研究所（NIFA）、助成金番号2007-35504-05381を通じて米国農務省によってサポートされているサポートされています。noを付与することによって。 USDA NIFAからコーネル大学農業試験場の連邦式ファンドを通じて、NYSERDAとNYC-123444から58872。

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利害の衝突が宣言されません。

この記事で紹介した嫌気性消化システムは、実験的なコンテキストで一般的な紹介と、ほとんどの基板の治療のためのいくつかの基本的なガイドラインを提供しています。基板の種類、消化の構成、動作パラメータ、また、これらのシステムの基礎となるミックスド·微生物群集のユニークな生態系の多種多様な普遍的に適用することができるハード定量的なメトリクスを、アウトライン排?...

嫌気性消化（AD）は、エネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機性廃棄物の基質の生物学的に媒介変換を含む成熟した技術です。好気性処理10に比べて最小限のエネルギーや栄養素の入力および縮小ソリッド生産を含む嫌気性処理の多くの利点があります。さらに、これらのシステムに固有の混合微生物群集の多様性は、原料11,12のような適当な有機基質の多種多様をレンダリングします。確かに、それは、ADのアプリケーションの増加は、特に工業では、従来の下水処理の外で採用されていることを市町村のこれらの利点によるものである（例えば、食品廃棄物）と、農業部門4,7,13。 ADは、以前の十年の国家エネルギー危機に​​対応して1980年に最初の主要な増殖の始まりを経験しました。世界は、成長しているグローバルなエネルギー危機に​​直面しているとして環境の悪化と相まって、より大きな焦点は、現在バイオ燃料技術、特に廃棄物のエネルギーの概念上に配置されています。たとえば、米国では、嫌気性消化は、総電力の5.5％を生成することができます8を必要とします。 これは、新しい有機性廃棄物と嫌気性消化14廃棄物の混合物の適合性を評価するために、パイロットと実験室スケールでよく制御された実験的研究の需要が増加している。我々は、建設、接種、操作、および堅牢な評価のための適しているであろう実験室規模の嫌気性消化の監視のための一般的なモデルを提供する予定です。嫌気性消化は、さまざまな構成で存在しています。継続的に定期的に流入する栄養と嫌気性消化（CSAD）を攪拌し;プラグフロー（PF）、上向流嫌気性スラッジブランケット（U連続流入給餌と槽型反応器（CSTR）を連続的に攪拌した：いくつかの一般的な構成は次のとおりASB）、嫌気性移行ブランケット炉（AMBR）嫌気困惑原子炉（ABR）、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター（ASBR）構成9,15。 CSTRとCSAD構成が広く設定し、良好な動作条件の容易さのために実験室規模の実験のために採用されています。ため、連続混合、水理学的滞留時間（HRT）は、汚泥滞留時間（SRT）と等しくなります。 SRTは、ADSのための重要な設計パラメータである。構成もあるためそのような化学種の濃度、温度、および拡散速度などのパラメータの大空間的均一性の制御実験を助長している。これは、嫌気性消化のために最適なフルスケールの設定は、ターゲット放流水質などの他の非技術的な側面の間で有機基板の特定の物理的および化学的性質に依存していること、しかし、留意すべきである。例えば、比較的高い水溶性有機コンテンツやlittlと廃棄物の流れを希釈このような醸造廃水などの電子微粒子は、通常、高レートの上昇流リアクターの構成（例えば、UASB）ではなくCSAD設定に大きなエネルギー変換を体験。かかわらず、成功した消化に欠かせないと、この設定を使用しての一般的な解明を正当化するすべての構成、に関連する基本的な動作パラメータがあります。 確かに、嫌気性微生物の多様性、オープンなコミュニティを含むすべてのADシステムでは、メタン（電子あたりの使用可能な最小自由エネルギーを持つ最終製品の最終的な）に基板を連続的に代謝されます。 ; acidogenesis、acetogenesisおよびメタン加水分解：このプロセスに関与する代謝経路は、大まかに4栄養段階に分類し、複雑な食物網を構成しています。加水分解では、複雑な有機ポリマー（例えば、炭水化物、脂質、タンパク質）は、HYDによって、それぞれのモノマー（例えば、糖、長鎖脂肪酸、アミノ酸）に分解される、発酵菌をrolyzing。 acidogenesisでは、これらのモノマーはacetogenesisでは、さらに丁重5 homoacetogenicと義務的水素生産菌によって酢酸と水素に酸化される揮発性脂肪酸（VFAを）とアルコールに酸生成細菌によって発酵されています。メタン生成の最終段階では、酢酸と水素がacetoclasticとhydrogenotrophicメタン、メタンに代謝されています。それは全体としてシステムが最適に実行される前に全体的なADのプロセスは、微生物の異なるグループによる代謝の相互接続されたシリーズに頼ることによって、各メンバーの正常な機能に依存していることを認識することが重要です。 ADバイオリアクターシステムの設計と建設は、常に完全にバイオリアクターを密封するために考慮要件を取る必要があります。バイオリアクターの上部（ヘッドスペースを分離する）、またはガスハンドリングシステムの小さな漏れを検出することは難しいかもしれない、したがって、システムが圧力でなければなりません必ず使用前にテストされています。リークフリーのセットアップを確認した後、嫌気性消化の研究と失敗が頻繁に接種、培養し、日常の操作中にエラーに起因します。その結果、消化は、本質的に不安定で、予期しない障害が発生しやすいものとして評価されています。なぜそれが本格的な消化が何十年も13の安定した条件下で動作されていることをしますか？失敗は、特に微生物群集が徐々に有機性廃棄物の組成と強さに順応しなければならない時にスタートアップ期間中に、オペレータが不適切な取り扱いに起因する可能性があります。したがって、私たちの目標は、ADシステムを構築するための方法論を提供するだけでなく、予防接種、操作、およびこれらのシステムの監視のプロセスを解明する。 2番目のセクションはアクティブmethanogで消化接種するための手順を提供しながら、記事の最初のセクションでは、CSTRまたはCSADシステムを構築する方法について説明しますenicバイオマス。それは初期の培養液から十分なバイオマスを開発しようとするよりも、同様の基板を処理されているオペレーティング·消化の混合酒や廃水からのアクティブなメタン生成バイオマスを蒸解釜に接種するために時間がかかり、より実用的と少なくなります。記事の第三節では廃液をデカントし、様々な原子炉の問題をトラブルシューティングする、そのような基質を供給するように動作上の考慮事項を説明します。基板を供給し、このシステムの排水デカントは（すなわち、周期的な摂食とバイオマスとの混合酒のほとんどは、バイオリアクター内に留まりながら、デカント）半連続的に実施されます。消化をデカント/供給されている周波数は、オペレータの特権です。一般的に、より頻繁にそして定期的に供給/デカントと供給サイクル間の性能でより消化の安定性と一貫性を推進していきます。第四節では、EXPE時に使用する基本的な監視プロトコルを紹介しますrimental期間。 水と廃水 16（ 表1、2） の検討のための標準法に概説されているいくつかの標準的な分析は、基板と適切なシステム監視の特性評価に必要となります。測定された変数に加えて、モニタリングの重要な側面は、消化システムのコンポーネントが正しく機能していることを確認することです。消化システムの定期メンテナンスは、特に消化の長期的なパフォーマンスと安定性を損なう可能性がある主要なシステムの問題を先取りします。例えば、温度の低下につながる発熱体の障害は、メタンの代謝率を減らすことにより、揮発性脂肪酸の蓄積を引き起こす可能性があります。システムは、メタン菌に対する阻害レベルを超えるpHを維持するのに十分なアルカリ性に欠けていた場合は、この問題は悪化するだろう。これは、バイオガスの生産ラットの予期しないドロップした後、リークの可能性を検出し、クローズすることも重要であるES。したがって、別の実験デザイン内の重複は、例えば、正確な動作条件の下にある2つのバイオリアクターのサイドバイサイドを実行すると、このような小さなリークなどのシステムの誤動作によって引き起こされる予期せぬパフォーマンスの損失を検出することが重要です。

<table border="1"><tbody><tr><td> 原子炉設備 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td>加熱された再循環</td><td> VWRサイエンティフィック</td><td> 13271-063 VWR </td><td>加熱ジャケット炉システムで使用するために</td></tr><tr><td>可変速度電気ラボスターラー</td><td>クリーブランドミキサー（株） </td><td> （モデル5VB） </td><td>このミキサーのモデルでは、リングスタンドに取り付けが容易</td></tr><tr><td>湿式精​​密ガスメータ</td><td>リッターGasmeters </td><td> （モデルTG-01） </td><td>このモデルは、最小流量（0.1 L / h）を必要とし、30 L / hの最大流量を処理することができます</td></tr><tr><td>ガスバブラー</td><td> Chemglass </td><td> （モデルAF-0513-20） </td><td></td></tr><tr><td>ガスサンプリングチューブ</td><td> Chemglass </td><td> （モデルCG-1808） </td><td></td></tr><tr> &lt;TD&gt;軸インペラ</td><td>ライトニン</td><td> R04560-25コール·パーマー</td><td> 7.9375ミリメートルの穴径の羽根</td></tr><tr><td>インペラシャフト</td><td>グレンジャー</td><td> 2EXC9グレンジャー</td><td> 7.9375ミリメートル外径1.83メートルのステンレス鋼棒（適切なサイズにカットする必要があります） </td></tr><tr><td>鋳鉄のサポートスタンド</td><td>アメリカの教育製品</td><td> （モデル7-G16） </td><td>ミキサー取付用</td></tr><tr><td>三つ又拡張クランプ</td><td>タロン</td><td> 21572-803 VWR </td><td>ミキサー取付用</td></tr><tr><td>正規のクランプホルダー</td><td>タロン</td><td> 21572-501 VWR </td><td>ミキサー取付用</td></tr><tr><td>蠕動ポンプ</td><td> Masterflex </td><td> WU-07523から80コール·パーマー</td><td>デカント排水の</td></tr><tr><td> L / S標準のポンプヘッド</td><td> Masterflex </td><td> EW-07018から21コール·パーマー</td><td>排水のためにデカント蠕動ポンプにる - アクセサリー</td></tr><tr><td> L / S精密ポンプチューブ</td><td> Masterflex </td><td> EW-06508から18コール·パーマー</td><td>蠕動ポンプの付属品 - デカント排水の</td></tr><tr><td> 分析機器/試薬 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td><td> コメント </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> pHの分析</td></tr><tr><td> pHメーター</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック - オリオン</td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>合計と揮発性固体分析（標準メソッド：2540-B、E） </td></tr><tr><td>ガラス真空デシケーター</td><td> Kimax </td><td> WU-06536から30コール·パーマー</td><td></td></tr><tr><td>料理を蒸発磁器</td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td>ラボオーブン</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック</td><td> （モデル13から246-516GAQ） </td><td></td></tr><tr><td>培地チャンバーマッフル炉</td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010サーモフィッシャーサイエンティフィック</td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>総揮発性脂肪酸の分析（標準メソッド：5560-C） </td></tr><tr><td>大容量可変速遠心</td><td>シグマ</td><td> WU-17451から00コール·パーマー</td><td></td></tr><tr><td>実験室ホットプレート</td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック</td><td> （モデルHP53013A） </td><td></td></tr><tr><td>大型コンデンサー</td><td> Kemtechアメリカ</td><td> （モデルC150190） </td><td></td></tr><tr><td>酢酸試薬[CAS：64-19-7] </td><td>アルファAesar社</td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;TD&gt;化学的酸素要求量（標準的な方法：5520-C） </td></tr><tr><td> CODブロックヒーター</td><td> HACH </td><td> （モデルDRB-200） </td><td></td></tr><tr><td>ホウケイ酸培養管</td><td>パイレックス</td><td> （モデル9825から13） </td><td></td></tr><tr><td>二クロム酸カリウム試薬[CAS：7778-50-9] </td><td> Avantorのパフォーマンス·マテリアル</td><td> 3090から01 </td><td></td></tr><tr><td>マーキュリーII硫酸試薬[CAS：7783-35-9] </td><td> Avantorのパフォーマンス·マテリアル</td><td> 2640から04 </td><td></td></tr><tr><td>フェロインインジケータソリューション[CAS：14634-91-4] </td><td> Ricca化学</td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td>アンモニウム硫酸鉄（II）六水和物[CAS：7783-85-9] </td><td>アルファAesar社</td><td> 13448から36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td>ガスクロマトグラフィー分析によるガス組成</td></tr><tr><td>ガスクロマトグラフ</td><td> SRIインスツルメンツ</td><td>モデル8610C </td><td> 105℃の等温温度で作動下記のカラムとキャリアガスを使用して、熱伝導性検出器（TCD）を備えている必要があり</td></tr><tr><td>ヘリウム気体</td><td> Airgasの</td><td>彼はHP300 </td><td>キャリアガスとして使用する</td></tr><tr><td>パックドカラム</td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> N 2、CH 4、CO 2分離に使用される</td></tr></tbody></table>

continuously-stirred anaerobic digester to convert organic wastes into biogas: system setup and basic operation

嫌気性消化（AD）は、一般に1から3のエネルギー担体としてのメタンと有用バイオガスに複雑な有機廃棄物を変換するために使用されるバイオプロセスです。ますます、ADは4,5、工業、農業、および一般廃棄物（水）処理アプリケーションで使用されています。 AD技術の使用は、植物の演算子は、廃棄物処理コストを削減し、エネルギーの光熱費を相殺することができます。有機性廃棄物の治療に加えて、エネルギー作物は、エネルギーキャリアメタン6,7に変換されています。 ADテクノロジーのアプリケーションは、新しい基板との共同基質混合物8の治療のために広げるようにパイロットと実験室規模で信頼できるテスト方法への需要を行います。 嫌気性消化システムは、連続攪拌タンク反応器（CSTR）、プラグフロー（PF）、および嫌気性シーケンスのバッチリアクター（ASBR）構成9を含む様々な構成を持っている</suP&gt;。 CSTRは頻繁に起因する設計と運用において、そのシンプルさにだけでなく、実験でその利点のための研究で使用されています。他の構成に比べ、CSTRは、混合温度などのシステム·パラメータ、、、化学物質濃度、基質濃度のより均一性を提供しています。最終的には、フルスケールの原子炉を設計する際に、最適な原子炉の構成は、他の多くの非技術的な考慮事項の中で与えられた基板の特性に依存します。しかし、すべての構成は、ほとんどの予備的評価のための適切なCSTRをレンダリングする基本的な設計上の特徴、および、動作パラメーターを共有しています。研究者やエンジニアは、固体の比較的高濃度で流入ストリームを使用する場合は、ラボスケールリアクターの構成が原因で固体で実験室規模のポンプの問題を抜き差しチューブ中の固形分の沈降に連続的に供給することはできません。連続混合要件とそのシナリオでは、実験室規模のリアクターを定期的に供給され、我々は継続的に攪拌した嫌気性消化（CSADs）などの構成を参照してください。 この記事では、建設接種、運用、および長期の嫌気性消化のために与えられた有機基質の適合性をテストする目的で、CSADシステムを監視するための一般的な方法論を提示します。この記事の建設セクションでは、ラボスケールリアクターシステムを構築して説明します。接種セクションでは、アクティブなメタン接種して播種に適した嫌気性の環境を作成する方法を説明します。操作部は操作、保守、およびトラブルシューティングを説明します。モニタリング·セクションは、標準的な分析を用いて試験プロトコルを紹介します。これらの措置の利用は、ADの基質適合性、信頼性の高い実験的な評価が必要である。このプロトコルは、原子炉の故障が基板によって引き起こされたと結論することでADの研究で行われた一般的な間違い、に対して強力な保護を提供する必要があります私は本当にそれは不適切なユーザの操作10であったnが使用。

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Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation

実験室規模の嫌気性消化は、科学者が嫌気性バイオテクノロジーの既存のアプリケーションを最適化する新しい方法を研究するために、様々な有機性廃棄物のメタン生成ポテンシャルを評価することができます。この資料では、継続的に嫌気性消化の攪拌実験室規模の建設、接種、操作、および監視するための一般的なモデルを導入しています。

システムのセットアップと基本操作：バイオガスに有機性廃棄物を変換するために連続的に攪拌した嫌気性消化

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ...

continuously-stirred-anaerobic-digester-to-convert-organic-wastes

Research

JoVE Journal

Bioengineering

33.6K ビュー.  Cornell University. 実験室規模の嫌気性消化は、科学者が嫌気性バイオテクノロジーの既存のアプリケーションを最適化する新しい方法を研究するために、様々な有機性廃棄物のメタン生成ポテンシャルを評価することができます。この資料では、継続的に嫌気性消化の攪拌実験室規模の建設、接種、操作、および監視するための一般的なモデルを導入しています。

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Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic valve leaflets are composed of interstitial cells suspended within an extracellular matrix (ECM) and are lined with an endothelial cell monolayer. The valve withstands a harsh, dynamic environment and is constantly exposed to shear, flexion, tension, and compression. Research has shown calcific lesions in diseased valves occur in areas of high mechanical stress as a result of endothelial disruption or interstitial matrix damage1-3. Hence, it is not surprising that epidemiological studies have shown high blood pressure to be a leading risk factor in the onset of aortic valve disease4. 
The only treatment option currently available for valve disease is surgical replacement of the diseased valve with a bioprosthetic or mechanical valve5. Improved understanding of valve biology in response to physical stresses would help elucidate the mechanisms of valve pathogenesis. In turn, this could help in the development of non-invasive therapies such as pharmaceutical intervention or prevention. Several bioreactors have been previously developed to study the mechanobiology of native or engineered heart valves6-9. Pulsatile bioreactors have also been developed to study a range of tissues including cartilage10, bone11 and bladder12. The aim of this work was to develop a cyclic pressure system that could be used to elucidate the biological response of aortic valve leaflets to increased pressure loads. 
The system consisted of an acrylic chamber in which to place samples and produce cyclic pressure, viton diaphragm solenoid valves to control the timing of the pressure cycle, and a computer to control electrical devices. The pressure was monitored using a pressure transducer, and the signal was conditioned using a load cell conditioner. A LabVIEW program regulated the pressure using an analog device to pump compressed air into the system at the appropriate rate. The system mimicked the dynamic transvalvular pressure levels associated with the aortic valve; a saw tooth wave produced a gradual increase in pressure, typical of the transvalvular pressure gradient that is present across the valve during diastole, followed by a sharp pressure drop depicting valve opening in systole. The LabVIEW program allowed users to control the magnitude and frequency of cyclic pressure. The system was able to subject tissue samples to physiological and pathological pressure conditions. This device can be used to increase our understanding of how heart valves respond to changes in the local mechanical environment.

Design of a Cyclic Pressure Bioreactor for the Ex Vivo Study of Aortic Heart Valves

A cyclic pressure bioreactor capable of subjecting heart valve tissue to physiological and pathological pressure conditions has been designed. A LabVIEW program allows users to control pressure magnitude, amplitude and frequency. This device can be used to study the mechanobiology of heart valve tissue or isolated cells.

のための周期的圧力のバイオリアクターの設計生体外で</em大動脈心臓弁の>研究

The aortic valve, located between the left ventricle and the aorta, allows for unidirectional blood flow, preventing backflow into the ventricle. Aortic ...

生物工学

Microfluidic Picoliter Bioreactor for Microbial Single-cell Analysis: Fabrication, System Setup, and Operation

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described in detail. The PLBR can be utilized for the analysis of single bacteria and microcolonies to investigate biotechnological and microbiological related questions concerning, e.g.&#160;cell growth, morphology, stress response, and metabolite or protein production on single-cell level. The device features continuous media flow enabling constant environmental conditions for perturbation studies, but in addition allows fast medium changes as well as oscillating conditions to mimic any desired environmental situation. To fabricate the single use devices, a silicon wafer containing sub micrometer sized SU-8 structures served as the replication mold for rapid polydimethylsiloxane casting. Chips were cut, assembled, connected, and set up onto a high resolution and fully automated microscope suited for time-lapse imaging, a powerful tool for spatio-temporal cell analysis. Here, the biotechnological platform organism Corynebacterium glutamicum&#160;was seeded into the PLBR and cell growth and intracellular fluorescence were followed over several hours unraveling time dependent population heterogeneity on single-cell level, not possible with conventional analysis methods such as flow cytometry. Besides insights into device fabrication, furthermore, the preparation of the preculture, loading, trapping of bacteria, and the PLBR cultivation of single cells and colonies is demonstrated. These devices will add a new dimension in microbiological research to analyze time dependent phenomena of single bacteria under tight environmental control. Due to the simple and relatively short fabrication process the technology can be easily adapted at any microfluidics lab and simply tailored towards specific needs.

In this protocol the fabrication, setup and basic operation of a microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) for single-cell analysis of prokaryotic microorganisms is introduced. Industrially relevant microorganisms were analyzed as proof of principle allowing insights into growth rate, morphology, and phenotypic heterogeneity over certain time periods, hardly possible with conventional methods.

In this protocol the fabrication, experimental setup and basic operation of the recently introduced microfluidic picoliter bioreactor (PLBR) is described ...

Operation of a Benchtop Bioreactor

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to carefully control temperature, pH, and dissolved oxygen concentrations in particular makes them essential to efficient large scale growth and expression of fermentation products. This video will briefly describe the advantages of the fermentor over the shake flask. It will also identify key components of a typical benchtop fermentation system and give basic instruction on setup of the vessel and calibration of its probes. The viewer will be familiarized with the sterilization process and shown how to inoculate the growth medium in the vessel with culture. Basic concepts of operation, sampling, and harvesting will also be demonstrated. Simple data analysis and system cleanup will also be discussed.

Fermentors are used to increase culture yield and productivity of bioengineered cells. After screening multiple microbial or animal cell culture candidates in shake flasks, the next logical step is to increase the selected culture&#x2019;s biomass with the fermentor. This video demonstrates the setup and operation of a typical benchtop bioreactor system.

ベンチトップリアクターの操作

Fermentation systems are used to provide an optimal growth environment for many different types of cell cultures. The ability afforded by fermentors to ...

Wet Chemistry and Peptide Immobilization on Polytetrafluoroethylene for Improved Cell-adhesion

Endowing materials surface with cell-adhesive properties is a common strategy in biomaterial research and tissue engineering. This is particularly interesting for already approved polymers that have a long standing use in medicine because these materials are well characterized and legal issues associated with the introduction of newly synthesized polymers may be avoided. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is one of the most frequently employed materials for the manufacturing of vascular grafts but the polymer lacks cell adhesion promoting features. Endothelialization, i.e., complete coverage of the grafts inner surface with a confluent layer of endothelial cells is regarded key to optimal performance, mainly by reducing thrombogenicity of the artificial interface.
This study investigates the growth of endothelial cells on peptide-modified PTFE and compares these results to those obtained on unmodified substrate. Coupling with the endothelial cell adhesive peptide Arg-Glu-Asp-Val (REDV) is performed via activation of the fluorin-containing polymer using the reagent sodium naphthalenide, followed by subsequent conjugation steps. Cell culture is accomplished using Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) and excellent cellular growth on peptide-immobilized material is demonstrated over a two-week period.

Cell-adhesiveness is key to many approaches in biomaterial research and tissue engineering. A step-by-step technique is presented using wet-chemistry for the surface modification of the important polymer PTFE with peptides.

改善された細胞接着のためのポリテトラフルオロエチレンにウェットケミストリーおよびペプチドの固定化

Endowing materials surface with cell-adhesive properties is a common strategy in biomaterial research and tissue engineering. This is particularly ...

Dry Film Photoresist-based Electrochemical Microfluidic Biosensor Platform: Device Fabrication, On-chip Assay Preparation, and System Operation

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An easy-to-use and low-cost sensor platform is highly desired to measure various types of analytes (e.g., biomarkers, hormones, and drugs) quantitatively and specifically. For this reason, dry film photoresist technology - enabling cheap, facile, and high-throughput fabrication - was used to manufacture the microfluidic biosensor presented here. Depending on the bioassay used afterwards, the versatile platform is capable of detecting various types of biomolecules. For the fabrication of the device, platinum electrodes are structured on a flexible polyimide (PI) foil in the only clean-room process step. The PI foil serves as a substrate for the electrodes, which are insulated with an epoxy-based photoresist. The microfluidic channel is subsequently generated by the development and lamination of dry film photoresist (DFR) foils onto the PI wafer. By using a hydrophobic stopping barrier in the channel, the channel is separated into two specific areas: an immobilization section for the enzyme-linked assay and an electrochemical measurement cell for the amperometric signal readout.
The on-chip bioassay immobilization is performed by the adsorption of the biomolecules to the channel surface. The glucose oxidase enzyme is used as a transducer for electrochemical signal generation. In the presence of the substrate, glucose, hydrogen peroxide is produced, which is detected at the platinum working electrode. The stop-flow technique is applied to obtain signal amplification along with rapid detection. Different biomolecules can quantitatively be measured by means of the introduced microfluidic system, giving an indication of different types of diseases, or, in regard to therapeutic drug monitoring, facilitating a personalized therapy.

A microfluidic biosensor platform was designed and fabricated using low-cost dry film photoresist technology for the rapid and sensitive quantification of various analytes. This single-use system allows for the electrochemical readout of on-chip-immobilized enzyme-linked assays by means of the stop-flow technique.

ドライ フィルムのレジストを用いた電気化学マイクロ流体バイオ プラットフォーム: デバイス作製、チップの試金の準備、およびシステム操作

In recent years, biomarker diagnostics became an indispensable tool for the diagnosis of human disease, especially for the point-of-care diagnostics. An ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of sophisticated microelectrodes with greater resolution and expanded capabilities. The progress in fabrication technology has supported the development of biomimetic electrodes, which aim to seamlessly integrate into the brain parenchyma, reduce the neuroinflammatory response observed after electrode insertion and improve the quality and longevity of electrophysiological recordings. Here we describe a protocol to employ a biomimetic approach recently classified as nano-architecture. The use of focused ion beam lithography (FIB) was utilized in this protocol to etch specific nano-architecture features into the surface of non-functional and functional single shank intracortical microelectrodes. Etching nano-architectures into the electrode surface indicated possible improvements of biocompatibility and functionality of the implanted device. One of the benefits of using FIB is the ability to etch on manufactured devices, as opposed to during the fabrication of the device, facilitating boundless possibilities to modify numerous medical devices post-manufacturing. The protocol presented herein can be optimized for various material types, nano-architecture features, and types of devices. Augmenting the surface of implanted medical devices can improve the device performance and integration into the tissue.

We have shown that the etching of nano-architecture into intracortical microelectrode devices may reduce the inflammatory response and has the potential to improve electrophysiological recordings. The methods described herein outline an approach to etch nano-architectures into the surface of non-functional and functional single shank silicon intracortical microelectrodes.

マイクロ電極へのエッチングナノアーキテクチャへの集束イオンビームリソグラフィー

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...

Self-Assembly of Gamma-Modified Peptide Nucleic Acids into Complex Nanostructures in Organic Solvent Mixtures

Current strategies in DNA and RNA nanotechnology enable the self-assembly of a variety of nucleic acid nanostructures in aqueous or substantially hydrated media. In this article, we describe detailed protocols that enable the construction of nanofiber architectures in organic solvent mixtures through the self-assembly of uniquely addressable, single-stranded, gamma-modified peptide nucleic acid (&#947;PNA) tiles. Each single-stranded tile (SST) is a 12-base &#947;PNA oligomer composed of two concatenated modular domains of 6 bases each. Each domain can bind to a mutually complimentary domain present on neighboring strands using programmed complementarity to form nanofibers that can grow to microns in length. The SST motif is made of 9 total oligomers to enable the formation of 3-helix nanofibers. In contrast with analogous DNA nanostructures, which form diameter-monodisperse structures, these &#947;PNA systems form nanofibers that bundle along their widths during self-assembly in organic solvent mixtures. Self-assembly protocols described here therefore also include a conventional surfactant, Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), to reduce bundling effects.

This article provides protocols for the design and self-assembly of nanostructures from gamma-modified peptide nucleic acid oligomers in organic solvent mixtures.

有機溶媒混合物中の複雑なナノ構造へのガンマ修飾ペプチド核酸の自己集合

Current strategies in DNA and RNA nanotechnology enable the self-assembly of a variety of nucleic acid nanostructures in aqueous or substantially hydrated ...

Assembly and Operation of an Acoustofluidic Device for Enhanced Delivery of Molecular Compounds to Cells

Efficient intracellular delivery of biomolecules is required for a broad range of biomedical research and cell-based therapeutic applications. Ultrasound-mediated sonoporation is an emerging technique for rapid intracellular delivery of biomolecules. Sonoporation occurs when cavitation of gas-filled microbubbles forms transient pores in nearby cell membranes, which enables rapid uptake of biomolecules from the surrounding fluid. Current techniques for in vitro sonoporation of cells in suspension are limited by slow throughput, variability in the ultrasound exposure conditions for each cell, and high cost. To address these limitations, a low-cost acoustofluidic device has been developed which integrates an ultrasound transducer in a PDMS-based fluidic device to induce consistent sonoporation of cells as they flow through the channels in combination with ultrasound contrast agents. The device is fabricated using standard photolithography techniques to produce the PDMS-based fluidic chip. An ultrasound piezo disk transducer is attached to the device and driven by a microcontroller. The assembly can be integrated inside a 3D-printed case for added protection. Cells and microbubbles are pushed through the device using a syringe pump or a peristaltic pump connected to PVC tubing. Enhanced delivery of biomolecules to human T cells and lung cancer cells is demonstrated with this acoustofluidic system. Compared to bulk treatment approaches, this acoustofluidic system increases throughput and reduces variability, which can improve cell processing methods for biomedical research applications and manufacturing of cell-based therapeutics.

This protocol describes the assembly and operation of a low-cost acoustofluidic device for rapid molecular delivery to cells via sonoporation induced by ultrasound contrast agents.

細胞への分子化合物の送達を強化するためのアキュトー流体デバイスの組立と操作

Efficient intracellular delivery of biomolecules is required for a broad range of biomedical research and cell-based therapeutic applications. ...

The Fabrication and Operation of a Continuous Flow, Micro-Electroporation System with Permeabilization Detection

Current therapeutic innovations, such as CAR-T cell therapy, are heavily reliant on viral-mediated gene delivery. Although efficient, this technique is accompanied by high manufacturing costs, which has brought about an interest in using alternative methods for gene delivery. Electroporation is an electro-physical, non-viral approach for the intracellular delivery of genes and other exogenous materials. Upon the application of an electric field, the cell membrane temporarily allows molecular delivery into the cell. Typically, electroporation is performed on the macroscale to process large numbers of cells. However, this approach requires extensive empirical protocol development, which is costly when working with primary and difficult-to-transfect cell types. Lengthy protocol development, coupled with the requirement of large voltages to achieve sufficient electric-field strengths to permeabilize the cells, has led to the development of micro-scale electroporation devices. These micro-electroporation devices are manufactured using common microfabrication techniques and allow for greater experimental control with the potential to maintain high throughput capabilities. This work builds off a microfluidic-electroporation technology capable of detecting the level of cell membrane permeabilization at a single-cell level under continuous flow. However, this technology was limited to 4 cells processed per second, and thus a new approach for increasing the system throughput is proposed and presented here. This new technique, denoted as cell-population-based feedback control, considers the cell permeabilization response to a variety of electroporation pulsing conditions and determines the best-suited electroporation pulse conditions for the cell type under test. A higher-throughput mode is then used, where this 'optimal' pulse is applied to the cell suspension in transit. The steps for fabricating the device, setting up and running the microfluidic experiments, and analyzing the results are presented in detail. Finally, this micro-electroporation technology is demonstrated by delivering a DNA plasmid encoding for green fluorescent protein (GFP) into HEK293 cells.

This protocol describes the microfabrication techniques required to build a lab-on-a-chip, microfluidic electroporation device. The experimental setup performs controlled, single-cell-level transfections in a continuous flow and can be extended to higher throughputs with population-based control. An analysis is provided showcasing the ability to electrically monitor the degree of cell membrane permeabilization in real-time.

透過処理検出機能付き連続フローマイクロエレクトロポレーションシステムの構築と運用

Current therapeutic innovations, such as CAR-T cell therapy, are heavily reliant on viral-mediated gene delivery. Although efficient, this technique is ...

Setup of Consumer Wearable Devices for Exposure and Health Monitoring in Population Studies

Wearable sensors, which are often embedded in commercial smartwatches, allow for continuous and non-invasive health measurements and exposure assessments in clinical studies. Nevertheless, the real-life application of these technologies in studies involving a large number of participants for a significant observation period may be hindered by several practical challenges. 
In this study, we present a modified protocol from a previous intervention study for the mitigation of health effects from desert dust storms. The study involved two distinct population groups: asthmatic children aged 6-11 years and elderly patients with atrial fibrillation (AF). Both groups were equipped with a smartwatch for the assessment of physical activity (using a heart rate monitor, pedometer, and accelerometer) and location (using GPS signals to locate individuals in indoor "at home" or outdoor microenvironments). The participants were required to wear the smartwatch equipped with a data collection application on a daily basis, and data were transmitted via a wireless network to a centrally administered data collection platform for the near real-time assessment of compliance. 
Over a period of 26 months, more than 250 children and 50 patients with AF participated in the aforementioned study. The main technical challenges identified included restricting access to standard smartwatch features, such as gaming, internet browser, camera, and audio recording applications, technical issues, such as loss of GPS signal, especially in indoor environments, and the internal smartwatch settings interfering with the data collection application.
The aim of this protocol is to demonstrate how the use of publicly available application lockers and device automation applications made it possible to address most of these challenges in a simple and cost-effective way. In addition, the inclusion of a Wi-Fi received signal strength indicator significantly improved indoor localization and largely minimized GPS signal misclassification. The implementation of these protocols during the roll-out of this intervention study in the spring of 2020 led to significantly improved results in terms of data completeness and data quality.

Commercial smartwatches equipped with wearable sensors are increasingly being used in population studies. However, their utility is often constrained by their limited battery duration, memory capacity, and data quality. This report provides examples of cost-effective solutions to real-life technical challenges encountered during studies involving asthmatic children and elderly cardiac patients.

人口調査における曝露および健康モニタリングのための消費者向けウェアラブルデバイスのセットアップ

Wearable sensors, which are often embedded in commercial smartwatches, allow for continuous and non-invasive health measurements and exposure assessments ...