이 자료는 에너지 미국학과, 재료 과학 및 공학 부문 (보너스 번호 DEFG - 02 - 07ER46471)와 가벼운 소재의 DOE 에너지 연구 센터 에너지 전환의 상호 작용 (지원 업무를 기반으로 수상 번호 DE - SC0001293 ), 그리고 프레드릭 Seitz 재료 연구소 (FSMRL) 이내에 자료 Microanalysis 센터에 대한 액세스 권한에서 benefitted.

1. 소개 <ol><li> 본 논문은 1D, 2D, 그리고 직접 작성 조립을 통해 전도성 microelectrodes의 3D 프린팅을 보여줍니다. </li><li> 직접 쓰기 조립 잘 노즐을 통해 집중 잉크의 증착에 의해 1D - 투 - 3D 인쇄 구조를 구축하는 방법입니다. </li><li> 저희 시스템은 컴퓨터 제어 3 축 번역 무대, 잉크 탱크와 노즐, 및 이미징에 대한 10X 망원 렌즈 (그림 1)으로 구성되어 있습니다. </li><li> 직접 쓰기 어셈블리 집중 잉크는 그의 직경 0.1 μm의 250 (그림 2) 범위 원통형 노즐을 통해 압출하는 섬사의 인쇄 방식입니다. 특히, 점탄성 잉크의 특성으로 인해, 직접 작성 어셈블리는 자동으로 지원 스패닝 기능 (그림 3) 수 있습니다. 지금까지, 세라믹 6,7로 구성된 이들, 유기농 80-10, 11-15 금속, 고분자 16,17, 및 솔 - 겔 18,19 재료를 포함한 잉크 다양한는있다이러한 인쇄 방식 (그림 4)에 대한 개발. </li></ol> 2. 고농도 실버 nanoparticle 잉크의 준비 <ol><li> 실버 nanoparticle 잉크가 먼저 50g의 물과 40g diethanolamine (비디오 2.1)의 혼합물에 5,000 조화와 폴리 (아크릴 산)의 50,000 분자량을 해소하여 준비가되어 있습니다. </li><li> 폴리머는 은색 nanoparticles의 크기를 제어하는​​ 상한 대리인 역할을합니다. </li><li> 다음 실버 질산염의 수용액은 폴리머 솔루션으로 주입됩니다. 또한 후, 밝은 노란색 투명한 솔루션 (비디오 2.2) 얻습​​니다. </li><li> 상온에서 24 시간을위한 교반 후,이 솔루션은 전송 전자 현미경에 의해 결정 5 나노미터 직경의 은색 nanoparticles의 형성과 일치 붉은 갈색 색상 (비디오 2.3), 개발하고 있습니다. </li><li> 다음 솔루션은 65 ° C 이상 입자 성장 (비디오 2.4)에 대한 2 시간의 물을 욕조에 sonicated됩니다. </li><li> AfteR sonication은 솔루션 500 ML의 비커에 전송하고 실온으로 냉각됩니다. 그런 다음, 에탄올 300 ML 30 ML / 분 속도로 titrated 수 있습니다. 에탄올은 에이전트 상한 폴리 (아크릴산)에 대한 불쌍한 용제이기 때문에, 입자 급속 응고 및 솔루션 (비디오 2.5)에서 침전. </li><li> 뜨는을 decanting 후, 침전물은 원심 튜브에 수집되고 20 분 동안 9000 RPM (비디오 2.6)에서 centrifuged. </li><li> 이 단계 이후 ~ 85 wt %의로드 고체와 고농도 실버 nanoparticle 잉크는 (비디오 2.7) 얻습니다. </li><li> 잉크 점도와 탄성 계수를 통해 추가 제어 균질 다음, 희석에 의해 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 에틸렌 글리콜과 같은 humectant 솔루션, 잉크에 추가할 수 있습니다 다음 Thinky 균질 혼합기를 사용하여 삼분 2000 rpm으로 균질. 이 과정 후, 마젠타 색상에 푸른빛이 도는의 균일한 잉크 (비디오 2.8) 얻습니다. </li><li> TEM 이미지가 표시됩니다은색이 합성 절차 (그림 5_left)에 의해 얻어 nanoparticles. 입자는 50-50 나노미터의 크기 분포 20 NM의 의미 직경 있습니다. 인쇄 구조는 전도성을 향상시키기 위해 사후 풀림 필요합니다. 30 분 250 ° C에서 어닐링 후, 실버 nanoparticles는 전기 저항이 10 -5 Ω • cm (그림 5_bottom 오른쪽)에 접근과 전도성 microelectrodes를 형성하고 있습니다. 온도를 어닐링의 함수로 인쇄된 실버 microelectrodes의 microstructural 진화는 그림 5_top 오른쪽에 표시됩니다. 온도가 150 °에서 550 ° C 증가로서, microelectrodes은 ~ 30 %의 총 판매량의 수축과 densification을 받다 11. </li><li> 강력의 고체 로딩에 따라 잉크 레올로지은 그 printability를 결정합니다. 증가 고체로드와 잉크 점도가 증가 (그림 6). 때문에 중요한 측면 확산, concentr의 낮은 점도의 결과로 희석 잉크70 85 wt %로까지 고체 로딩과 ated 잉크는 평면 및 스패닝 잉크 필라멘트의 인쇄가 필요합니다. </li><li> 증가 고체로드와 잉크 탄성 계수가 증가 (그림 7). 고체가 증가에게 60-75 wt %를 로딩로 선형 점탄성 영역에서 탄성 계수는​​ 진도의 거의 3 명령을 오른다. 2000 아빠의 최소 탄성 계수는​​ 자체 지원 또는 기능을 스팬을 생산하는 데 필요합니다. </li></ol> 3. 직접 작성 어셈블리 <ol><li> 직접 쓰기 어셈블리가 먼저 주사기 배럴에 잉크를 로딩에 의해 수행됩니다. 증착 노즐을 장착 후 잉크 로드된 주사기 배럴은 3 축 인쇄 단계 (비디오 3.1)에 마운트됩니다. </li><li> 컴퓨터 프로그램, 선형, 평면, 복잡한 입체 구조가 쉽게 (비디오 3.2) 생성할 수를 포함하여 임의의 디자인을 사용합니다. </li><li> 다음 노즐의 높이가 10 배 줌 (비디오 3.3)와 망원경 렌즈의 도움으로 조정됩니다. </lI&gt; <li> 공기 구동 유체 분배 시스템을 사용하여 압력을 적용 후, 잉크는 제한된 인쇄 속도 (비디오 3.4)와 기판에 입금됩니다. 필요한 압력이 잉크 레올로지, 노즐 직경 및 인쇄 속도에 달려 있지만, 전형적인 값은 20-500 μm의 / s의에서 10-100 PSI를 범위 이 인쇄가 상온에서 공기에 수행됩니다. 이 인쇄 프로 시저를 사용하여, 다른 레이아웃과 크기의 비늘에서 실버 microelectrodes의 인쇄가 증명됩니다. </li><li> 예를 들어, 실리콘 웨이퍼 기판에 5 μm의 노즐에 의한 패턴 100 μm의의 중심지 - 투 - 센터 라인 간격 전도성 실버 격자의 인쇄 (비디오 3.5) 증명입니다. </li><li> 또한,이 비디오는 계층별로 레이어 인쇄 방법 (비디오 3.6)를 사용하여 30 μm의 노즐로 높은 비율 원통형 구조를 만드는 방법을 보여줍니다. </li><li> 또한, 두 유리 기판 사이에 실버 microelectrodes의 전방향 인쇄 1 mm 높이 DI에 의해 상쇄fference는 30 μm의 노즐 (비디오 3.7)를 사용하여 증명입니다. </li><li> 완전 무료 - 서, 세로 인쇄 실버 microspikes은시 웨이퍼 기판 (비디오 3.8)에 30 μm의 노즐에 의해 만들 수 있습니다. </li><li> 마지막으로,이 비디오는 10 μm의 노즐 (비디오 3.9)을 사용하여 스패닝 실버 microelectrode 직접 작성을 보여줍니다. 인쇄 기능은 최소한의 처진 또는 좌굴과 일cm에 거리를 스팬 수 있습니다. </li></ol> 4. 대표 결과 : 우리는 고도로 집중 실버 nanoparticle 잉크를 준비하고 인쇄 해상도 ~ 2 전자 및 광전자 애플 리케이션을위한 평면 및 3D 그림의 전도성 기능을 인쇄 시연 - 30 μm의. 예를 들어, 8 개의 전시이 기법의 인쇄 해상도를 그림. ~ 2 μm의 (1.4 μm의 두께)의 최소 전극 폭 인쇄 기능은 1 μm의 노즐 11을 사용하여 단일 패스에서 얻을 수 있습니다. 그림 9보기유연한에 5 μm의 노즐에 의한 패턴의 투명 전도성 은색 격자는 필름 12 polyimide. 인쇄된 격자 아래 텍스트는 명확하게 볼 수 있습니다. 이러한 투명 은색 격자는 투명 실시 산화물 (TCO) 재료에 대한 매력적인 대안 수 있습니다. 비 - 평면 기판에 등각 인쇄도이 방법에 의해 활성화됩니다. 그림 10은 3 차원 전기 소형 안테나의 등각 인쇄 보여줍니다. 100 μm의 금속 노즐은 유리의 표면 북반구 13 meander 라인 패턴을 인쇄하는 데 사용됩니다. 이러한 접근 방식은 implantable과 착용할 수있는 안테나, 전자 및 센서 등 여러 응용 프로그램을 찾을 수 있습니다. 입체 태양 전지와 발광 다이오드의 스패닝 실버 microelectrodes의 응용은 (그림 11-14) 시연하고 있습니다. 첫째, 그림 11은 실리콘 구면 껍질의 예입니다. 2 μm의 t이 얇은 필름hickness는 전방향 인쇄 14 외부 회로에 와이어 접착 수 있습니다. 이 방법은 섬세한 장치에 매우 유익 최소한의 접촉 압력을 사용합니다. 다음 그림 12은 실리콘 microribbon 요소가 33 - μm의 간격이 15로 구분되는 실리콘 태양 microcell 배열에 대한 스팬 상호를 인쇄의 예를 보여줍니다. 다음 그림 13 보여주는 실버 4별로 4 픽셀, 각 픽셀 (500 X 500 X 2.5 μm의 3이) 200 μm의 간격 11 간격입니다.와 비소 기반 LED 배열 갈륨에 대한 상호 아래 이미지는 단일 픽셀에서 6 V의 적용 바이어스에 따라 균일 붉은 빛이 방출, LED 배열을 표시합니다. 스패닝 전극을 인쇄하는 기능을 지원하거나 희생 레이어의 사용 (상단 이미지)하지 않고 다층 상호 수 있습니다. 마찬가지로 복잡한 3 차원 마이크에 대한 이미지 SEM 최종 시연, 그림 14 보여줍니다roperiodic 실버 격자는 5μm 노즐에 의해 인쇄. <img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig1.jpg" /> 그림 1. 직접 잉크 쓰기 장치의 광학 이미지. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig2.jpg" /> 그림 2. 섬사의 기능을 직접 잉크 쓰기. <img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig3.jpg" /> 그림 3. 셀프 지원 스패닝 기능을 직접 잉크 쓰기. <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig4.jpg" /> 그림 4. 직접 잉크 쓰기에 대한 잉크 디자인. 집중 점탄성 잉크의 넓은 범위 microscale 기능 평면과 복잡한 3D 구조의 직접 쓰기 위해 개발되었습니다. <img alt="그림 5" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig5.jpg" /> 그림 5. (왼쪽) 실버 nanoparticles의 전송 전자 현미경 (TEM) 이미지. (오른쪽 상단) 어닐링 온도의 함수로 15 μm의 노즐과 패턴 실버 microelectrodes의 이미지 SEM. (아래 오른쪽) 온도 및 시간을 어닐링의 함수로 실버 microelectrodes의 전기 저항. <img alt="그림 6" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig6.jpg" /> 그림 6. 고체 로딩의 기능으로 실버 nanoparticle 잉크의 확실한 점도 (η). <img alt="그림 7" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig7.jpg" /> 그림 7. 고체 로딩 변화의 실버 nanoparticle 잉크에 대한 전단 응력의 ​​함수로 전단 탄성 계수 (G &#39;). <img alt="그림 8" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig8.jpg" /> 패턴 실버 microelectrodes의 평면 배열의 그림 8. SEM 이미지1 μm의 노즐과시 웨이퍼에. <img alt="그림 9" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig9.jpg" /> 그림 9. 투명 전도성 실버 격자 (왼쪽)와 라인 피치 (오른쪽)의 함수로 인쇄된 격자의 SEM 이미지의 광학 이미지. <img alt="그림 10" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig10.jpg" /> 그림 10. 반구형 유리 기판에 전기적 소형 안테나의 등각 인쇄하는 동안 촬영된 광학 이미지. <img alt="그림 11" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig11.jpg" /> 그림 11. 얇게 (2 μm의) 실리콘 구형 쉘에 걸쳐 실버 microelectrodes의 인쇄하는 동안 얻은 광학 이미지. <img alt="그림 12" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig12.jpg" /> 그림 12. 스패닝 실버 microelectrode의 SEM 이미지는 실리콘에 이렇게 인쇄고맙다 microcell 배열. <img alt="그림 13" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig13.jpg" /> 그림 13. SEM 이미지 (위)과 실버 microelectrodes으로 상호 4로 - 4 LED 칩 배열의 광학 이미지 (아래). <img alt="그림 14" src="/files/ftp_upload/3189/3189fig14.jpg" /> 그림 14. 3D microperiodic 은색 격자의 SEM 이미지.

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Mater. 21, 47-54 (2011).</li><li>Wu, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct-write+assembly+of+biomimetic+microvascular+networks+for+efficient+fluid+transport.">Direct-write assembly of biomimetic microvascular networks for efficient fluid transport.</a> Soft. Matter. 6, 739-742 (2010).</li><li>Wu, W., DeConinck, A., Lewis, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Omnidirectional+Printing+of+3D+Microvascular+Networks.">Omnidirectional Printing of 3D Microvascular Networks.</a> Adv. Mater. 23, H178-H183 (2011).</li></ol>

관심 없음 충돌 선언하지 않습니다.

이러한 잉크젯 프린팅과 같은 기존의 비말 기반 인쇄 방식은, 희석 자연과 사용되는 잉크의 낮은 점도로 인해 낮은 비율로 평면 전극의 제조로 제한됩니다. 최근 딥 - 펜 nanolithography (DPN) 20-22 및 e - 제트 인쇄 23-25는 패턴 전도성 기능에 사용되었습니다. 이 노선은 희석, 낮은 점도의 잉크를 사용합니다. Pearton 및 동료는 약 0.5 μm의 22 최대 1600 μm의의 라인 -1과 너비의 쓰기 속도로 상용 실버 nanoparticle 잉크를 입금 DPN를 사용합니다. 그러나, 큰 영역을 통해 재현할 패턴의 제작은이 방법에 의해 입증되지 않았다. 실버 nanoparticle 잉크도 ~ 1.5 μm의 25 라인 폭과 전도성 성분을 형성하기 위해 E - 제트 인쇄하여 입금했습니다. 그러나, 잉크젯 인쇄와 마찬가지로 inhomogeneous 인쇄 기능은 위성 드롭 형성와 비 균일한 드롭 D로 인해 발생할 수24,25을 rying. 집중 실버 nanoparticle 잉크의 시연으로 위, 직접 작성 어셈블리 섬사의 기반 인쇄 방식을 통해 이러한 한계를 극복. 이 기술은 1D, 2D, 3D 및 아키텍처의 생성을 허용 패스 하나에서 높은 가로 세로 비율 (H / W ≈ 1.0)과 전도성 microelectrodes의 제조 수 있습니다. 인쇄 기능의 크기는 노즐 직경, 잉크 고체로드, 적용 압력, 인쇄 속도에 따라 달라집니다. 지금까지 작은 전도성 트레이스가 ~ 2 μm의는 겸손한 속도 (&lt;2mm의 -1)에서 1 μm의 노즐을 사용하여 패턴 되었기 때문입니다. 조정으로 잉크 조성물 및 노즐 형상, 10cm의 -1을 초과하는 최대 인쇄 속도가 가능합니다. 그러나, 좋은 노즐 (&lt;5 μm의)를 사용하는 고속 인쇄 중대한 도전 남아있다. 직접 작성 어셈블리의 응용 프로그램을 입증하기 위해, 우리는 전도성 그리드, 엘 가공ectrically 작은 안테나, 태양 전지, 그리고 평면 및 스패닝 인쇄 전극 (그림 8-14)와 발광 다이오드. 특히, 우리의 접근 방법은 금속 구조물의 제작에 제한되지 않습니다. 같은 실크 피브로인, 히드로겔 및 도망자 유기 잉크를 기반으로 그 같은 다른 잉크 설계, 사용, 우리는 직접 쓰기 조립 26-30를 통해 조직 공학 및 세포 배양을위한 3D 공사장 공중 발판과 microvascular 네트워크를 구축했습니다. 미래를 향해 찾고, 많은 기회와 도전이 있습니다. 또한 진보는 새로운 잉크 디자인, 잉크 흐름 역학에 대한 좋은 모델링 및 향상된 로봇 및 제어 시스템을 필요로합니다. 높은 처리량 및 nanoscale 해상도로 3D 구조에 1D의 대형 광역 제조는 (&lt;100 nm의) 상당한 도전 남아있다.

<table border="1"><tr><td> 시약의 이름 </td><td> 회사 </td><td> 카탈로그 번호 </td><td> 댓글 </td></tr><tr><td> 폴리 (아크릴 산) </td><td> Polysciences 주식 회사 </td><td> 06,519 </td><td> MW 5천g / 몰 </td></tr><tr><td> 폴리 (아크릴 산) </td><td> Polysciences 주식 회사 </td><td> 00,627 </td><td> MW 50,000그램 / 몰 </td></tr><tr><td> 실버 질산염 </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> 209,139 </td><td> 실버 소스 </td></tr><tr><td> Diethanolamine </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> D8885 </td><td> 환원제 / 솔벤트 </td></tr><tr><td> 에틸렌 글리콜 </td><td> 시그마 - 올드 리치 </td><td> 102,466 </td><td> Humectant </td></tr><tr><td> Sonicater </td><td> 피셔 과학 </td><td> FS30H </td><td> - </td></tr><tr><td> 원심 분리기 </td><td> 베크 만 보습 바로 앞에 달린 풀베는 날 </td><td> 아벤티 TM J - 25 I </td><td> - </td></tr><tr><td> 로봇 무대 </td><td> Aerotech 주식 회사 </td><td> ABL 900,010 </td><td> 3 축 모션 </td></tr><tr><td>주사기 배럴 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> 5109LBP - B </td><td> 3 ML </td></tr><tr><td> 노즐 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> - </td><td> ID = 0.1-250 μm의 </td></tr><tr><td> 자동 판매기 </td><td> EFD 주식 회사 </td><td> 800 </td><td> 공군력적인 </td></tr><tr><td> 디자인 소프트웨어 </td><td> 사용자 정의 설계 </td><td> - </td><td> Mingjie 쑤 </td></tr></table>

planar and three-dimensional printing of conductive inks

인쇄 전자는 유연한 또는 다차원 전자, 광전자, 그리고 1-3 생명 의학 장치를 만들 저렴한 비용, 큰 면적 제조 노선에 의존하고 있습니다. 본 논문에서는, 우리는에 초점을 한 (1D), 유연 stretchable 및까지의 microelectrodes의 형태로 전도성 금속 잉크의 2 (2D) 및 입체 (3D) 인쇄. 조립 4,5 괜찮 노즐 (- 250 μm의 ~ 0.1)를 통해 집중 잉크의 증착에 의한 단순한 라인의 복잡한 구조에 이르기까지 기능의 제조를 가능하게 1 - 투 - 3D 인쇄 기술입니다 직접 작성합니다. 이 인쇄 방법은 컴퓨터 제어 3 축 번역 무대, 잉크 탱크와 노즐 및 시각화를위한 10X 망원 렌즈로 구성되어 있습니다. 잉크젯 인쇄와는 달리, 소적 기반의 프로세스는 직접 작성 어셈블리 중 하나 - 또는 밖에서 비행기 잉크 필라멘트의 압출을 포함한다. 인쇄 필라멘트는 일반적으로 노즐 크기에 따릅니다. HencE, microscale 기능 (&lt;1 μm의)가 큰 배열과 다차원 구조로 패턴 및 조립하실 수 있습니다. 본 논문에서는, 우리는 먼저 직접 작성 조립을 통해 평면 및 3D 프린팅을위한 고도의 집중 실버 nanoparticle 잉크를 종합. 다음 그림에서 다차원 인쇄 microelectrodes을위한 표준 프로토콜이 증명됩니다. 마지막으로, 전기적 소형 안테나, 태양 전지와 발광 다이오드를 위해 인쇄 microelectrodes의 응용 프로그램은 강조 표시됩니다.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

전도성 금속 잉크의 평면 및 입체 인쇄가 설명되어 있습니다. 우리의 접근 방식은 fabricating 인쇄 전자, 광전자, 그리고 microscale에서 비정상적인 레이아웃에 생물 의학 장치를위한 새로운 길을 제공합니다.

전도성 잉크의 평면 및 3 차원 인쇄

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

planar-and-three-dimensional-printing-of-conductive-inks

Research

JoVE Journal

Bioengineering

36.9K 조회수.  University of Illinois at Urbana-Champaign. 전도성 금속 잉크의 평면 및 입체 인쇄가 설명되어 있습니다. 우리의 접근 방식은 fabricating 인쇄 전자, 광전자, 그리고 microscale에서 비정상적인 레이아웃에 생물 의학 장치를위한 새로운 길을 제공합니다.

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Three-dimensional Optical-resolution Photoacoustic Microscopy

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As the mainstays of in vivo three-dimensional (3-D) optical microscopy, single-/multi-photon fluorescence microscopy and optical coherence tomography (OCT) have demonstrated their extraordinary sensitivities to fluorescence and optical scattering contrasts, respectively. However, the optical absorption contrast of biological tissues, which encodes essential physiological/pathological information, has not yet been assessable. 
The emergence of biomedical photoacoustics has led to a new branch of optical microscopy optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM)1, where the optical irradiation is focused to the diffraction limit to achieve cellular1 or even subcellular2 level lateral resolution. As a valuable complement to existing optical microscopy technologies, OR-PAM brings in at least two novelties. First and most importantly, OR-PAM detects optical absorption contrasts with extraordinary sensitivity (i.e., 100%). Combining OR-PAM with fluorescence microscopy3 or with optical-scattering-based OCT4 (or with both) provides comprehensive optical properties of biological tissues. Second, OR-PAM encodes optical absorption into acoustic waves, in contrast to the pure optical processes in fluorescence microscopy and OCT, and provides background-free detection. The acoustic detection in OR-PAM mitigates the impacts of optical scattering on signal degradation and naturally eliminates possible interferences (i.e., crosstalks) between excitation and detection, which is a common problem in fluorescence microscopy due to the overlap between the excitation and fluorescence spectra. 
Unique for optical absorption imaging, OR-PAM has demonstrated broad biomedical applications since its invention, including, but not limited to, neurology5, 6, ophthalmology7, 8, vascular biology9, and dermatology10. In this video, we teach the system configuration and alignment of OR-PAM as well as the experimental procedures for in vivo functional microvascular imaging.

Optical-resolution photoacoustic microscopy (OR-PAM) is an emerging technology capable of imaging optical absorption contrasts in vivo with cellular resolution and sensitivity. Here, we provide a visualized instruction on the experimental protocols of OR-PAM, including system configuration, system alignment, typical in vivo experimental procedures, and functional imaging schemes.

입체 광학 해상도 Photoacoustic 현미경

Optical microscopy, providing valuable insights at the cellular and organelle levels, has been widely recognized as an enabling biomedical technology. As ...

연구

생체공학

Alginate Hydrogels for Three-Dimensional Organ Culture of Ovaries and Oviducts

Ovarian cancer is the fifth leading cause of cancer deaths in women and has a 63% mortality rate in the United States1. The cell type of origin for ovarian cancers is still in question and might be either the ovarian surface epithelium (OSE) or the distal epithelium of the fallopian tube fimbriae2,3. Culturing the normal cells as a primary culture in vitro will enable scientists to model specific changes that might lead to ovarian cancer in the distinct epithelium, thereby definitively determining the cell type of origin. This will allow development of more accurate biomarkers, animal models with tissue-specific gene changes, and better prevention strategies targeted to this disease.
Maintaining normal cells in alginate hydrogels promotes short term in vitro culture of cells in their three-dimensional context and permits introduction of plasmid DNA, siRNA, and small molecules. By culturing organs in pieces that are derived from strategic cuts using a scalpel, several cultures from a single organ can be generated, increasing the number of experiments from a single animal. These cuts model aspects of ovulation leading to proliferation of the OSE, which is associated with ovarian cancer formation. Cell types such as the OSE that do not grow well on plastic surfaces can be cultured using this method and facilitate investigation into normal cellular processes or the earliest events in cancer formation4.
Alginate hydrogels can be used to support the growth of many types of tissues5. Alginate is a linear polysaccharide composed of repeating units of &beta;-D-mannuronic acid and &alpha;-L-guluronic acid that can be crosslinked with calcium ions, resulting in a gentle gelling action that does not damage tissues6,7. Like other three-dimensional cell culture matrices such as Matrigel, alginate provides mechanical support for tissues; however, proteins are not reactive with the alginate matrix, and therefore alginate functions as a synthetic extracellular matrix that does not initiate cell signaling5. The alginate hydrogel floats in standard cell culture medium and supports the architecture of the tissue growth in vitro.
A method is presented for the preparation, separation, and embedding of ovarian and oviductal organ pieces into alginate hydrogels, which can be maintained in culture for up to two weeks. The enzymatic release of cells for analysis of proteins and RNA samples from the organ culture is also described. Finally, the growth of primary cell types is possible without genetic immortalization from mice and permits investigators to use knockout and transgenic mice.

Culture of normal cells in their three-dimensional context represents an alternative method to study early events required for cellular transformation and tumorigenesis. This method is used to grow normal ovarian and oviductal cells to study early events in ovarian cancer formation.

난소와 Oviducts의 3 차원 조직 문화 알긴산의 Hydrogels

Ovarian cancer is the fifth leading cause of cancer deaths in women and has a 63% mortality rate in the United States1. The cell type of origin for ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

모델 보컬 폴드 폴립에 의해 유도된 3차원 유동 분리 조사

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and regenerative medicine. With digital control&#160;cells, scaffolds, and growth factors can be precisely deposited to the desired two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) locations rapidly. Therefore, this technology is an ideal approach to fabricate tissues mimicking their native anatomic structures. In order to engineer cartilage with native zonal organization, extracellular matrix composition (ECM), and mechanical properties, we developed a bioprinting platform using a commercial inkjet printer with simultaneous photopolymerization capable for 3D cartilage tissue engineering. Human chondrocytes suspended in poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) were printed for 3D neocartilage construction via layer-by-layer assembly. The printed cells were fixed at their original deposited positions, supported by the surrounding scaffold in simultaneous photopolymerization. The mechanical properties of the printed tissue were similar to the native cartilage. Compared to conventional tissue fabrication, which requires longer UV exposure, the viability of the printed cells with simultaneous photopolymerization was significantly higher. Printed neocartilage demonstrated excellent glycosaminoglycan (GAG) and collagen type II production, which was consistent with gene expression. Therefore, this platform is ideal for accurate cell distribution and arrangement for anatomic tissue engineering.

The methods described in this paper show how to convert a commercial inkjet printer into a bioprinter with simultaneous UV polymerization. The printer is capable of constructing 3D tissue structure with cells and biomaterials. The study demonstrated here constructed a 3D neocartilage.

입체 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 인간의 연골 조직 제작

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Analysis of Cell Migration within a Three-dimensional Collagen Matrix

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic development, wound healing, and immune responses. However, cell migration is also a key mechanism in cancer enabling these cancer cells to detach from the primary tumor to start metastatic spreading. Within the past years various cell migration assays have been developed to analyze the migratory behavior of different cell types. Because the locomotory behavior of cells markedly differs between a two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) environment it can be assumed that the analysis of the migration of cells that are embedded within a 3D environment would yield in more significant cell migration data. The advantage of the described 3D collagen matrix migration assay is that cells are embedded within a physiological 3D network of collagen fibers representing the major component of the extracellular matrix. Due to time-lapse video microscopy real cell migration is measured allowing the determination of several migration parameters as well as their alterations in response to pro-migratory factors or inhibitors. Various cell types could be analyzed using this technique, including lymphocytes/leukocytes, stem cells, and tumor cells. Likewise, also cell clusters or spheroids could be embedded within the collagen matrix concomitant with analysis of the emigration of single cells from the cell cluster/ spheroid into the collagen lattice. We conclude that the 3D collagen matrix migration assay is a versatile method to analyze the migration of cells within a physiological-like 3D environment.

Cell migration is a biological phenomenon that is involved in a plethora of physiological, such as wound healing and immune responses, and pathophysiological processes, like cancer. The 3D-collagen matrix migration assay is a versatile tool to analyze the migratory properties of different cell types within in a 3D physiological-like environment.

세 가지 차원 콜라겐 매트릭스 내에서 세포의 이동 분석

The ability to migrate is a hallmark of various cell types and plays a crucial role in several physiological processes, including&#160;embryonic ...

Generation of a Three-dimensional Full Thickness Skin Equivalent and Automated Wounding

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models reflect the human wound situation better than animal models. Although two-dimensional models are widely used to investigate processes such as cellular migration and proliferation, models that are more complex are required to gain a deeper knowledge about wound healing. Besides a suitable model system, the generation of precise and reproducible wounds is crucial to ensure comparable results between different test runs. In this study, the generation of a three-dimensional full thickness skin equivalent to study wound healing is shown. The dermal part of the models is comprised of human dermal fibroblast embedded in a rat-tail collagen type I hydrogel. Following the inoculation with human epidermal keratinocytes and consequent culture at the air-liquid interface, a multilayered epidermis is formed on top of the models. To study the wound healing process, we additionally developed an automated wounding device, which generates standardized wounds in a sterile atmosphere.

The goal of this protocol is to build up a three-dimensional full thickness skin equivalent, which resembles natural skin. With a specifically constructed automated wounding device, precise and reproducible wounds can be generated under maintenance of sterility.

3 차원 전체 두께 피부의 세대 동등한 및 자동화 부상

In vitro models are a cost effective and ethical alternative to study cutaneous wound healing processes. Moreover, by using human cells, these models ...

Preparation and Analysis of In Vitro Three Dimensional Breast Carcinoma Surrogates

Three dimensional (3D) culture is a more physiologically relevant method to model cell behavior in vitro than two dimensional culture. Carcinomas, including breast carcinomas, are complex 3D tissues composed of cancer epithelial cells and stromal components, including fibroblasts and extracellular matrix (ECM). Yet most in vitro models of breast carcinoma consist only of cancer epithelial cells, omitting the stroma and, therefore, the 3D architecture of a tumor in vivo. Appropriate 3D modeling of carcinoma is important for accurate understanding of tumor biology, behavior, and response to therapy. However, the duration of culture and volume of 3D models is limited by the availability of oxygen and nutrients within the culture. Herein, we demonstrate a method in which breast carcinoma epithelial cells and stromal fibroblasts are incorporated into ECM to generate a 3D breast cancer surrogate that includes stroma and can be cultured as a solid 3D structure or by using a perfusion bioreactor system to deliver oxygen and nutrients. Following setup and an initial growth period, surrogates can be used for preclinical drug testing. Alternatively, the cellular and matrix components of the surrogate can be modified to address a variety of biological questions. After culture, surrogates are fixed and processed to paraffin, in a manner similar to the handling of clinical breast carcinoma specimens, for evaluation of parameters of interest. The evaluation of one such parameter, the density of cells present, is explained, where ImageJ and CellProfiler image analysis software systems are applied to photomicrographs of histologic sections of surrogates to quantify the number of nucleated cells per area. This can be used as an indicator of the change in cell number over time or the change in cell number resulting from varying growth conditions and treatments.

Preparation and Analysis of In Vitro Three Dimensional Breast Carcinoma Surrogates

We demonstrate a method to generate 3D breast cancer surrogates, which can be cultured using a perfusion bioreactor system to deliver oxygen and nutrients. Following growth, surrogates are fixed and processed to paraffin for evaluation of parameters of interest. The evaluation of one such parameter, cell density, is explained.

준비 및 분석<em&gt; 체외</em&gt; 3 차원 유방 암 서로 게이트

Three dimensional (3D) culture is a more physiologically relevant method to model cell behavior in vitro than two dimensional culture. Carcinomas, ...

Engineering Three-dimensional Epithelial Tissues Embedded within Extracellular Matrix

The architecture of branched organs such as the lungs, kidneys, and mammary glands arises through the developmental process of branching morphogenesis, which is regulated by a variety of soluble and physical signals in the microenvironment. Described here is a method created to study the process of branching morphogenesis by forming engineered three-dimensional (3D) epithelial tissues of defined shape and size that are completely embedded within an extracellular matrix (ECM). This method enables the formation of arrays of identical tissues and enables the control of a variety of environmental factors, including tissue geometry, spacing, and ECM composition. This method can also be combined with widely used techniques such as traction force microscopy (TFM) to gain more information about the interactions between cells and their surrounding ECM. The protocol can be used to investigate a variety of cell and tissue processes beyond branching morphogenesis, including cancer invasion.

This manuscript describes a soft lithography-based technique to engineer uniform arrays of three-dimensional (3D) epithelial tissues of defined geometry surrounded by extracellular matrix. This method is amenable to a wide variety of cell types and experimental contexts and allows for high-throughput screening of identical replicates.

세포 외 매트릭스 내에서 임베디드 공학 3 차원 상피 조직

The architecture of branched organs such as the lungs, kidneys, and mammary glands arises through the developmental process of branching morphogenesis, ...

Fabrication of Three-dimensional Paper-based Microfluidic Devices for Immunoassays

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and directed within a layer of paper. Moreover, stacking multiple layers of patterned paper creates sophisticated three-dimensional microfluidic networks that can support the development of analytical and bioanalytical assays. Paper-based microfluidic devices are inexpensive, portable, easy to use, and require no external equipment to operate. As a result, they hold great promise as a platform for point-of-care diagnostics. In order to properly evaluate the utility and analytical performance of paper-based devices, suitable methods must be developed to ensure their manufacture is reproducible and at a scale that is appropriate for laboratory settings. In this manuscript, a method to fabricate a general device architecture that can be used for paper-based immunoassays is described. We use a form of additive manufacturing (multi-layer lamination) to prepare devices that comprise multiple layers of patterned paper and patterned adhesive. In addition to demonstrating the proper use of these three-dimensional paper-based microfluidic devices with an immunoassay for human chorionic gonadotropin (hCG), errors in the manufacturing process that may result in device failures are discussed. We expect this approach to manufacturing paper-based devices will find broad utility in the development of analytical applications designed specifically for limited-resource settings.

We detail a method to fabricate three-dimensional paper-based microfluidic devices for use in the development of immunoassays. Our approach to device assembly is a type of multilayer, additive manufacturing. We demonstrate a sandwich immunoassay to provide representative results for these types of paper-based devices.

면역 측정법에 대한 3 차원 종이 기반 미세 유체 장치의 제작

Paper wicks fluids autonomously due to capillary action. By patterning paper with hydrophobic barriers, the transport of fluids can be controlled and ...

Three-dimensional Printing of Thermoplastic Materials to Create Automated Syringe Pumps with Feedback Control for Microfluidic Applications

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic experimentation is a stable fluid handling system capable of accurately providing an inlet flow rate or inlet pressure. Here, we have developed a syringe pump system capable of controlling and regulating the inlet fluid pressure delivered to a microfluidic device. This system was designed using low-cost materials and additive manufacturing principles, leveraging three-dimensional (3D) printing of thermoplastic materials and off-the-shelf components whenever possible. This system is composed of three main components: a syringe pump, a pressure transducer, and a programmable microcontroller. Within this paper, we detail a set of protocols for fabricating, assembling, and programming this syringe pump system. Furthermore, we have included representative results that demonstrate high-fidelity, feedback control of inlet pressure using this system. We expect this protocol will allow researchers to fabricate low-cost syringe pump systems, lowering the entry barrier for the use of microfluidics in biomedical, chemical, and materials research.

Here we present a protocol to construct a pressure-controlled syringe pump to be used in microfluidic applications. This syringe pump is made from an&#160;additively manufactured body, off-the-shelf hardware, and open-source electronics. The resulting system is low-cost, straightforward to build, and delivers well-regulated fluid flow to enable rapid microfluidic research.

인쇄를 만드는 열가 소성 재료의 3 차원 미세 응용 프로그램에 대 한 피드백 제어와 주사기 펌프를 자동

Microfluidics has become a critical tool in research across the biological, chemical, and physical sciences. One important component of microfluidic ...