我々は、基礎となる研究の部分的なサポートについては、この原稿のサポートのためにとONR、DTRA、およびNSFからDTRAからの資金調達を認める。

<ol>
	<li>Luo, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+generation+of+pH+gradients+in+microfluidic+devices+for+biofabrication+of+freestanding,+semi-permeable+chitosan+membranes.">In situ generation of pH gradients in microfluidic devices for biofabrication of freestanding, semi-permeable chitosan membranes.</a> Lab Chip. 10, 59-65 (2010).</li><li>Javvaji, V., Baradwaj, A. G., Payne, G. F., Raghavan, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light-Activated+Ionic+Gelation+of+Common+Biopolymers.">Light-Activated Ionic Gelation of Common Biopolymers.</a> Langmuir. 27, 12591-12596 (2011).</li><li>Dowling, M. B., Javvaji, V., Payne, G. F., Raghavan, S. 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M., Elibol, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alginate+as+an+immobilization+material+for+MAb+production+via+encapsulated+hybridoma+cells.">Alginate as an immobilization material for MAb production via encapsulated hybridoma cells.</a> Crit Rev Biotechnol. 30, 145-159 (2010).</li><li>Braschler, T., Johann, R., Heule, M., Metref, L., Renaud, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gentle+cell+trapping+and+release+on+a+microfluidic+chip+by+in+situ+alginate+hydrogel+formation.">Gentle cell trapping and release on a microfluidic chip by in situ alginate hydrogel formation.</a> Lab Chip. 5, 553-559 (2005).</li><li>Yang, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In-Film+Bioprocessing+and+Immunoanalysis+with+Electroaddressable+Stimuli-Responsive+Polysaccharides.">In-Film Bioprocessing and Immunoanalysis with Electroaddressable Stimuli-Responsive Polysaccharides.</a> Adv. 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この記事への生産とフリーアクセスは、米国の国防脅威削減局が主催しています。

私たちの手順では、高分子膜の電着と官能、biofabrication我々は長期的なプロセスを示しています。細胞や生体分子の機能化を通して、私たちはお互いに、それらが上に組み立てられる電極のアドレスと相互作用することができる生物学的な表面を作成します。最初のステップは、電着は、電気信号​​に応答して、我々の研究では生体高分子、アルギン酸塩、キトサンのトリガ自己組織化を介して行われます。述べたように、以前のpH勾配は6,17フィルムの寸法と特性を詳細に制御を提供し、電流密度と成膜時間で制御することができる生成されます。我々は電流密度の多様性と堆積時間の組み合わせは表1に示した電極に使用することができることを発見した。他の電極の使用は可能ですが、プロシージャへの調整が必要であろう。膜形成の他の技術electrodeposiのプロセスと比較してるには、単純、迅速かつ反応試薬である。高価な装置と骨の折れる準備の豊富なレパートリーの必要はありません。重要なのは、プロセスでは、マイナーな実験的な偏差を耐えることができ、問題が発生した場合、簡単に上を開始することができます。 キトサンは、第一級アミンの含有量が高いことによって、それに付与される重要な機能的特性に起因する高い陰極のpH勾配に応答することができます。高いpH（〜6.3のそのpKaがより大きい）で、アミンが脱プロトン化とキトサンは膜形成が可能になり、不溶化されています。堆積後、フィルムが電極に接続されたままになります。しかし、能力は必要に応じてそれらを剥離するために存在します。フィルムは、溶液のpHがpKa値を下回らない限り、安定したままになります。酸性溶液は、アミンをプロトン化し、それが18を溶解するまで、後続の静電反発は、ゲルを膨潤させる。つまり、組立/分解プロセスでは、需要と同種で可逆的である蒸着膜と電極の再利用を除去するためのWS。好都合なことに、ゾル - ゲル転移が行われるのpHの範囲は、ほとんどの生物学的なコンポーネントが最適に機能しているに近いです。これは、アセンブリ6時の機能の保持のためのプロセスが理想的です。 アルギン酸膜の形成は、水の陽極電解と同様に炭酸カルシウム7の存在によって促進される。アノードではローカライズされた低pHは、リリースカルシウムカチオンにつながる炭酸カルシウムを溶解。これらのイオンは電極表面上に架橋ネットワークを形成し、アルギン酸塩でキレートされています。アルギン酸塩フィルムは、基礎となる電極の再利用を可能にし、フィルムを溶解するために使用することができるようにクエン酸やEDTAなどの他のキレート化合物からのカルシウムイオンの競合により、特に可逆的である。カルシウムイオンが容易に秒であるため、このように、アルギン酸塩フィルムは、生理学的条件にさらされたとき比較的脆いその構造を弱体化、フィルム剥離や再溶解を促進し、ゲルマトリックスからcavenged。この制限を克服するために、我々はゲルを強化するため、1 M CaCl 2でのフィルムのためのインキュベーションステップが含まれている。さらに、我々は映画の培養液（細胞培地など）は、500μM-3 mMの濃度でCaCl 2を補足することをお勧めします。 番目の主要な手順は、関連する生物学的成分と堆積膜の機能化である。これには二つの方法は、最初である電気化学的接合、卓越した空間的制御10のタンパク質の迅速、反応試薬アセンブリを可能にする戦略で達成することができます。しかし、このように官能は、Clの拡散によって制限されます-電極に膜を介してイオンだけでなく、HOClの拡散、溶液中に戻って生成された反応性中間体、アウト。渡すための電気化学的に活性な分子の能力膜を介して読みやすい電気信号15に化学的および生物学的シグナルの伝達を可能にします。我々は、共有AI-2酵素を取り付けることによって実証し、キトサンの酵素機能化のために第二の戦略​​としてチロシナーゼを介したカップリングを示している。チロシンタグ9を含む蛋白質で差別的役割を果たし、特定の試薬 ​​、チロシナーゼに依存-この戦略は、官能化プロセスが制御され、選択にすることができます。 我々は、チップ上に自然な経路を複製することによって、マルチアドレスシステムの有用性と生体適合性を示しています。まず、異なるアドレスで2つの細胞集団（すなわち、 &quot;送信者&quot;と &quot;受信機&quot;）を組織し、彼らはAI-2を提供し、蛍光応答を生成するために、隣接する電極間に相互作用することを示した。この概念はまた、チェンらによって実証されています。マイクロ流体チップ14インチまた、相互作用を模倣するのではなく、使用配信のためにAI-2を合成する酵素。このように、合成細胞内経路、AI-2の合成に、biofabrication介してレプリケートして、溶液中と同じように非常に機能した。 両方のケースでは、複数のアドレスのアセンブリは、それぞれの堆積溶液が電着が1つだけのアドレスで意図されているにもかかわらず、全体の電極アレイを導入する必要があるため、アドレスの間の非特異的結合を回避するための課題となっています。穏やかな、まだ徹底した洗浄では、非バイアス電極からの残液の大部分を削除することができます。マイクロチャネル内の流れの使用は、さらに非特異性を最小限に抑えることができます。特にキトサンとアルギン酸アドレスの隣接biofabricationために、我々は、アルギン酸塩を電着、最初のキトサン膜を堆積biofunctionalizationの手順でこれを後にし、この後をお勧めします。私たちはそうここに行っていないが、我々は、ミルのような不活性蛋白質（キトサンフィルムを阻止することを見出したK、BSAなど）が大幅にキトサンのアミノ表面に不要な分子の非特異的結合を減少させる。 我々は、細胞や生体分子の複雑な配置のための &quot;青写真&quot;として、多くの場合、バイオMEMSデバイスに見られるパターン化電極を、確立するユーティリティを発見した。バイオMEMSデバイスにキトサンを電着の用途はよく19ここで説明した例を越えて行くことができます。このようなマイクロおよび非平面20,15上と-キトサンは、様々なマイクロジオメトリ上に堆積することができます。フィルムはまた、他のポリマーとの様々な蛋白質、DNA、ナノ粒子、および新規のプロパティ21,22,23ためのレドックス活性分子を変更することができます。バイオMEMSデバイスでは、キトサンフィルムは、薬物送達、レドックスおよび小分子の検出、生体触媒、およびセルの研究20,23,24,25に使用されています。同様に、アルギン酸塩は、広く細胞封入マトリックスとして使用されているとの可逆的流体封じ込めのために検討されている細胞集団との膜免疫分析26,27,28。組織工学アプリケーション用の複合フィルムは、そのような整形外科用インプラント29ハイドロキシアパタイトと同様に、コンポーネントを使用して、アルギン酸電を用いて作製されています。 biofabricationの我々のデモでは、生体成分の間に、バイオ、電子インタフェースを介して相互作用の両方が等しく適用可能であることが示されているが、これはオンチップの信号伝送で洗練されたパフォーマンスを得るために相互作用のすべての品種を統合するための見通しを達するにもたらします。したがって、biofabricationフォローオンとしてしばしばコンシューマエレクトロニクスによって動機づけられて微細加工の急速な発展に直接に低減 &quot;最小特徴サイズ&quot;でデバイスの製造を容易にすることができる。つまり、次の次世代デバイスは、実際にはさらに小さい長さSCAにおける自然の絶妙な組み立ておよび認識機能を提供する不安定な生体成分が含まれる場合があります人工システムに比べてレ。我々は、分析機器、環境センサー、さらには生体適合性植込み型デバイスの短期的なアプリケーションを想定。

<table border="1"><tbody><tr><td> コンポーネントの名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td></tr><tr><td>パワーサプライ</td><td>ケースレー</td><td>ソースメータ2400 </td></tr><tr><td> 3電極ポテンショスタット</td><td> CHインスツルメンツ</td><td>ポテンシオスタット/ガルバノスタット600D </td></tr><tr><td>フレキシブルコネクタ付きRE-5B Ag / AgCl参照電極</td><td>バシ</td><td> MF-2052 </td></tr><tr><td>ゴールドコーティングされたシリコンウェハ、500umのSi、12nmのCrを、120nMのAu、絶縁用のSiO 2 </td><td>カスタム製作</td><td></td></tr><tr><td>インジウムスズ酸化物被覆ガラススライド、長方形、8から12オーム抵抗する</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> 578274 </td></tr><tr><td>プラチナシート/箔（0.002） </td><td> SurepureのChemetals </td><td> 1897 </td></tr><tr><td>スリムライン2 &quot;アリゲーター·クリップ</td><td>ラジオシャック</td><td> 270から346 </td></tr> &lt;TR&gt; <td>マルチスタッキングバナナプラグパッチコード</td><td> TSElectronic </td><td> B-36から02 B-24から02 </td></tr><tr><td> SYLGARD 184シリコーンエラストマーキット</td><td>ダウコーニング</td><td> NC9020938 フィッシャーから</td></tr><tr><td> Fluorescecenceの実体顕微鏡</td><td>オリンポス</td><td> MVX10 MacroView </td></tr><tr><td> cellSens標準</td><td>オリンポス</td><td>バージョン1.3 </td></tr></tbody></table> 表1電と蛍光可視化装置。 <table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td></tr><tr><td>キトサン、中分子量</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> 448877 </td></tr><tr><td>塩酸、ARISTAR。 ACS、NF、FCCグレード</td><td> VWR </td><td> BDH3030 </td></tr><tr><td>水酸化ナトリウム、ソリューション。 10.00N </td><td>VWR </td><td> VW3247 </td></tr><tr><td>アルギン酸、ナトリウム塩</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> 180947 </td></tr><tr><td> Multifex-MMは、沈殿 炭酸カルシウム、70nmの粒子</td><td>特殊 ミネラル株式会社</td><td> 100-3630-3 </td></tr></tbody></table> 表2。キトサンとアルギン酸塩溶液試薬。 <table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名前 </td><td> 会社 </td><td> カタログ番号 </td></tr><tr><td>塩化カルシウム二水和物</td><td> JTベーカー</td><td> 0504 </td></tr><tr><td>塩化ナトリウム、認定 結晶ACS </td><td>フィッシャー 科学的な</td><td> S271 </td></tr><tr><td>リン酸二水素カリウム、無水</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> P9791 </td></tr><tr><td>リン酸カリウム二塩基、無水</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> P3786 </td></tr><tr><td>リン酸緩衝生理食塩水</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td> P4417 </td></tr></tbody></table> 表3その他のソリューションコンポーネントとバッファ試薬。 <table border="1"><tbody><tr><td> 試薬の名前 </td><td> 会社/ソース </td><td> カタログ番号 </td></tr><tr><td> アスペルギルスニジェールからのグルコースオキシダーゼ</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> G2133 </td></tr><tr><td>キノコからのチロシナーゼ</td><td> Sigma-Aldrich社</td><td> T3824 </td></tr><tr><td> LBブロス、ミラー（粒状） </td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td> BP9723-2 </td></tr><tr><td> &quot;AI2-シンターゼ&quot;（HGLPT） </td><td>ラボ株式16 </td><td></td></tr><tr><td> W3110野生型細胞</td><td>ラボ株式30 </td><td></td></tr><tr><td> MDAI2 + pCT6-LSRR - AMP R + PET- <eM&gt; DsRedを- 館 r細胞</td><td>ラボ株式30 </td><td></td></tr><tr><td>蛍光粒子：1μmの直径、EX / EM：515分の505 </td><td>インビトロジェン</td><td> F8765 </td></tr><tr><td> 5 - （および6） - カルボキシ6Gスクシンイミジルエステル、EX / EM：560分の525 </td><td>インビトロジェン</td><td> C-6157 </td></tr><tr><td> DyLight抗体ラベリングキット、405 </td><td>サーモフィッシャーサイエンティフィック</td><td> PI-53020 </td></tr></tbody></table> 表4。酵素、細胞、および他の官能試薬。

bridging the bio-electronic interface with biofabrication

低コスト、優れた感度、移植性、および高いスループットによる研究と医学の両方を変革するためのラボオンチップ技術の約束の進歩。生物学的微小電気機械システム（バイオMEMS）の上に生体成分の混入は、これらの目標を達成するための大きな可能性を示している。微細加工、電子チップは、マイクロメートルスケールでの機能に加えて、センシングおよびアクチュエーションのための電気的接続を可能にします。機能的な生物学的なコンポーネントは、システムの測定対象化合物、酵素の機能、および全細胞機能の特異的検出のための能力を与える。標準的な微細加工プロセスとバイオ分析技術が正常に、それぞれのコンピュータと生物学的な産業における数十年にわたって利用されている。ラボオンチップ環境でそれらの組み合わせとのインタフェースは、しかし、など新たな課題をもたらします。電極と生物学的compon間のインタフェースを構築できる技術のための呼び出しがあります穏やかで、作製したパターンが容易であるENT。 Biofabricationは、ここで説明され、有効になっているオンチップ機能に汎用性を備えた生体成分のその、簡単に組み立てるの取り込みのために偉大な約束を示しているそのようなアプローチである。 Biofabricationは、ボトムアップの階層的なアセンブリに生物学的物質および生物学的メカニズム（自己組織化、酵素のアセンブリ）を使用します。私たちのラボは多くのフォーマット1,2,3にこれらの概念を実証しているが、ここでは、シグナル·ベースの相互作用の複数のアプリケーションに続いて電着に基づいて、組立工程を示しています。組立工程は、電極及びそのようなDNA、酵素、または4,5 -生きている細胞などの生体成分とのその後の官能基に生体適合性の刺激応答性高分子膜の電着で構成されています。電着は、電解からバイアス電極の表面で作成されたpH勾配を利用しています、水6,7の。キトサンおよびアルギン酸塩は、8課した電気信号に応答して、ハイドロゲルフィルムに自己集合するようにトリガーすることができる刺激応答性の生物学的ポリマーである。これらのハイドロゲルの厚さは、pH勾配が電極から延びるする程度によって決定されます。これは、様々な電流密度と堆積時間6,7を使用して変更できます。このプロトコルは、キトサンフィルムは共有結合酵素的または電気化学的方法9,10のいずれかを介してフィルム上に存在する豊富な第一級アミン基に生体成分を付加することによって堆積し、官能化され方法について説明します。アルギン酸塩フィルムと生細胞のそれらの捕捉も11を対処されることになります。最後に、biofabricationのユーティリティは、化学 - 電気、細胞から細胞へ、また酵素の細胞信号伝送を含む信号ベースの相互作用の例を通じて実証されています。 両方の電と官能基は、試薬を必要とせずに近い生理的条件下で行うため、過酷な条件から不安定な生体成分を割くことができます。さらに、キトサン、アルギン酸塩の両方が長い生物学的に関連の目的で12,13のために使用されている。全体として、biofabrication、単にベンチ上で実行することができます急速な技術は、電極上に機能的な生体成分のミクロンスケールのパターンを作成するために使用することができ、ラボ·オン·チップのさまざまなアプリケーションに使用することができます。

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Bridging the Bio-Electronic Interface with Biofabrication

細胞やタンパク質と機能化することができる生体適合性フィルムを作成するためのバイアス電極の存在下で刺激応答性多糖類の沈着：この資料では、biofabricationアプローチを説明しています。我々は、ラボ·オン·チップ·アプリケーション用の対話biofunctionalizedサーフェスを作成するためのフィルムだけでなく、その基本的な用途を生成するためのベンチトップ型の戦略を示しています。

Biofabricationとバイオエレクトロニック·インタフェースをブリッジする

Advancements in lab-on-a-chip technology promise to revolutionize both research and medicine through lower costs, better sensitivity, portability, and ...

bridging-the-bio-electronic-interface-with-biofabrication

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JoVE Journal

Bioengineering

16.6K ビュー.  University of Maryland. 細胞やタンパク質と機能化することができる生体適合性フィルムを作成するためのバイアス電極の存在下で刺激応答性多糖類の沈着：この資料では、biofabricationアプローチを説明しています。我々は、ラボ·オン·チップ·アプリケーション用の対話biofunctionalizedサーフェスを作成するためのフィルムだけでなく、その基本的な用途を生成するためのベンチ?...