이 작품은 플라즈마 과학 기술의 NSF / DOE 파트너에 의해 지원되었다 (NSF 그랜트 번호 CBET - 0853777 및 DOE 그랜트 번호 DE - SC0001169), STTR 단계 I 프로젝트 (NSF STTR PHASE I No.1010133). 저자는 아크 실험을 지원하는 퓨전 에너지 과학의 사무실에 의해 지원되는 PPPL 오프 사이트 연구 프로그램을 감사드립니다.

1. 양극 준비 <ol><li> 규모 니켈 분말 (99.8 %, 300 메쉬) 및 촉매 분말로 4.2:1의 어금니 라디오에 따라 이트륨 파우더 (99.9 %, 40 메쉬). </li><li> 잘 흑연 분말과 촉매 분말 (99.9995 %, 200 메쉬)를 섞는다. 단단히 중공 흑연 막대 (5mm 외경, 2.5 mm 내경과 75mm의 길이)로 혼합 분말을 입력합니다. 니켈 : : C의 총 질량 라디오 있는지 확인합니다 Y 양극로드에이 94.8:4.2:1이며, 이는 SWCNT 9 합성하는 최적의 비율입니다. </li><li> 음극로드 (순수 흑연, 13mm 직경)와 원통 챔버 내부의 인형 양극 봉 (스테인레스 스틸, 152mm의 직경 254mm의 길이)을 설치합니다. 약 3 mm까지 음극과 양극 사이의 간격 거리를 조정합니다. </li></ol> 2. 기판 설치 <ol><li> interelectrode 축에서 약 25mm 거리에서 챔버 내부 입방 형의 영구 자석 (25mm × 25mm × 100mm)을 넣으십시오. 사용하는 울트라 - 하이 온도 Alnico 자석실험에 650g의 무게가 있습니다. interelectrode 격차는 영구 자석의 바닥에서 H = 약 75mm (그림 1A)의 거리에 배치되는 구성을 사용합니다. </li><li> 25mm로 0.3 mm 두께의 몰리브덴 시트 (99.95 %) × 100mm 직사각형 모양을 잘라. 50% sonicating 진폭, 150w 출력 전력 40 kHz에서 주파수 30 분 아세톤과 에탄올의 초음파 dismembrator에 의한 표면 오염을 제거합니다. </li><li> 영구 자석의 한쪽을 부착 몰리브덴 시트를 설치하고 전극 방향이 측면을 켜십시오. </li><li> 가우스 미터로 interelectrode 간격에서 자기장을 측정합니다. 전극 사이의 평균 자기장은 0.06에 대한 T.입니다 보관 </li></ol> 3. 아크 플라즈마의 점화 <ol><li> 압력 이하 10 -1 토르 진공 그리고 헬륨 (99.995 %)로 가득 차 500 토르에 원통형 챔버를 펌프. </li><li> DC weldi하는 아크 전극을 연결NG 전원 공급 장치와 약 75 A. 현재의 아크에있는 전원 공급 장치를 설정 </li><li> 아크 전류, 아크 전압 및 사후 실험 분석을 위해 챔버 압력의 실시간 값을 기록합니다. </li><li> 동시에이 디지털 카메라로 오른쪽 앞 viewports에서 arcing의 비디오를 시작합니다. 시작 아크의 일초 후 스냅샷은 (앞면 뷰포트에서) 그림 1B에 표시된 (오른쪽에서 뷰포트)와 그림 1D 있습니다. </li><li> 15 초간 아크를 실행합니다. 최소한 20 분 동안 자연 대류에 의해 챔버를 시원한 시간을 보내세요. </li></ol> 4. 포스트 합성 분석 및 특성화 <ol><li> 아크 plasmas 제트가 감독했다 몰리브덴 시트의 표면에서 증착 플레이크을 찢을에 핀셋을 사용합니다. 또 다른 예제는 음극의 블랙 칼라에서 수집됩니다. SEM에 따라 증착 플레이크의 양쪽의 형태 (KV가 사용된 30 가속 전압)을 관찰합니다. </li><li> 에 대한 샘플 준비에 대해서<html> TEM 분석, 시료의 박막은 50 % 진폭을 sonicating와 초음파 dismembrator를 사용하여 60 분 sonicating 후 메탄올 - 분산된 SWCNT 솔루션의 중지를 캐스팅 드롭하여 얻은했다. 메탄올 용액의 휘발 후 100 KV의 전압과 JEOL TEM에 따라 박막의 형태를 관찰. 샘플에 대한 관심의 위치 들면, 전자 회절 패턴은 TEM과 관련된 50cm의 CCD 카메라 길이 얻을 수 있습니다. </li><li> 파장 514 nm의에 해당하는, 라만 분광법은 홀로그램 광학과 200 MW Lexel 3000 아르곤 이온 레이저 (조정할 수있는 하나의 라인 출력), 0.5 m 분광계와 액체 질소 CCD 검출기를 냉각을 기반으로하는 마이크로 라만 시스템에서 수행되었습니다 2.33 EV 에너지. 라만 측정은 100cm -1 3,100cm -1의 범위를 커버하고, graphene 조각의 표면에 실시했다. </li></ol> 5. 대표 결과 &quot;챔버의 오른쪽 앞에 viewports에서 동시에 얻은&gt; 비디오 스냅샷은 그림 1B로 표시됩니다, H에 대한 D = 75mm. 이러한 이미지 axially 대칭 아크 열에 비해 외부 자기장의 존재에 아크 플라즈마 열 상당한 섭동을 보여주는 자기장 10없는 경우에는 관찰했다. 그림 2A와 2B는 각각, 자계하지 않고 음극의 옷깃과 TEM에 따라 B = 0.06 테슬라의 자장과 수집 SWCNT와 촉매 입자의 전형적인 형태를 표시합니다. 그것은 자장과 SWCNT가 2-20 nm의 인해 각각의 SWCNT 사이의 반 데어 Waals 상호 작용에 이르기까지 직경과 함께 번들로 근접 포장 것을 볼 수 있습니다. 비교에서, 자기장없이 SWCNT는 번들에 더 큰 직경과 라만 스펙트럼의 분석과 일치 큰 개인 직경을 보유하고 있습니다. 또한, 자장 CA그림 2A와 2B와 같이 높은 순도와 SWCNT의 N 결과. 자기장의 가장 흥미로운 영향력은 graphene 조각은 동일한 프로세스에서 몰리브덴 시트에 가까운 증착 조각의 표면에서 얻을 수 있습니다. 그림 2C와 2D의 SEM 및 TEM graphene 조각의 이미지뿐만 아니라 몇 가지 -을 보여 위치에서 찍은 샘플에서 얻은 계층 graphene은 아크 plasmas의 제트로 통신을. 그림 2D의 삽입은 graphene과 관련된 전자 회절 패턴을 보여줍니다. 전자 회절의 육각 점들의 패턴을 잘 주문한 크리스탈 구조의 증거를 제공합니다. 라만 스펙트럼은 graphene 부스러기 SWCNT의 특성위한 강력한 도구입니다. graphene에서 관찰 전형적인 봉우리 514 NM의 여기 파장을 사용하여, ~ 1,600센티미터 -1과 -1 각각 ~ 2천7백cm에서 G와 2D 봉우리입니다. G피크는 모든 SP2 탄소 자료 볼 수 있습니다 비행기 진동에 때문이다. 2D 정상은 D 피크의 두 번째 순서는 그러나 네 번째 주문 phonon의 운동량 교환 이중 공명 과정으로 인해 무질서가 아닌 시스템에서 볼 수 있습니다. 그것은 graphene의 특성에 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 강도 I (2D) / 전 (G) 약 4 monolayer의 graphene위한 것이며 후속 레이어의 추가와 감소, 따라서 그것이 가능한 graphene 레이어의 두께를 추정하고 있습니다. 11 그림 3은 나타냅니다 I의 가치 (2D) / I (G)는 몇 가지 레이어 graphene의 증거가 될 수있는 1 주위이다. 120과 라만 스펙트럼 -1 350cm 사이의 레이디얼 호흡 모드 (RBM)는 요골 방향으로 C 원자의 일관된 진동 주파수를 통해 나노튜브의 직경을 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 주파수 및 SWCNT의 직경 사이의 실험적 관계 ω RBM입니다 = A / D t + B, 매개 변수 O묶음으로 형성된 전형적인 SWCNT에 대한 각각 F와 234와 10cm -1 동일 B,. 그림 3에서없이 자장과 SWCNT의 RBM 주파수가 1.52과 1.14 nm의의 평균 개별 SWCNT의 직경에 해당하는 163.8 및 215.2 cm -1, 각각 있습니다. <img alt="그림 1." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig1.jpg" /> 그림 1. FEMM 4.2 소프트웨어로 시뮬레이션 자계 분포 (A), 오른쪽 뷰포트 (B), interelectrode 격차가 위치하는 경우에 대한 간격의 전극 위치 및 방향을 자기장의 개략도 그림에서 아크 plasmas 제트의 사진 75 영구 자석 (C)의 하단 위에서 mm와 정면 뷰포트 (D)에서 아크 plasmas 제트의 사진에 대해서. <img alt="그림 2." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig2.jpg" /> 그림 2.로서의 합성의 대표 TEM 이미지자기장없이 SWCNT 묶음 (A)과 자기장 (B), 자계 (C) 및 자장과 graphene의 TEM 이미지와 합성 graphene 조각의 전형적인 SEM 이미지와 SWCNT 묶음. 삽입은 graphene의 결정 구조를 보여주는 선택된 지역 전자 회절 패턴이다. <img alt="그림 3." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig3.jpg" /> 그림 3. 100-3,100센티미터 -1의 범위에 자장과 샘플 라만 스펙트럼. 삽입 : RBM 주파수 주위에 자기장없이 샘플 라만 스펙트럼. <img alt="그림 4." src="/files/ftp_upload/3455/3455fig4.jpg" /> 그림 4. 전극의 왼쪽과 오른쪽에 표시된 탄소와 니켈의 밀도가 같은 지역에서 공존할되는 60 A. 참고 아크에 대한 탄소와 니켈의 Nanostructure 성장 지역 및 번호 밀도.

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

우리는 공개 아무것도 없어.

interelectrode 격차는 영구 자석의 하단에서 약 H = 75mm의 거리에 배치했다는 사건에 대해, 그림 1B와 1D에 표시된 비디오 스냅샷에서, 그것은 자석 위치 변경 (우리는 자석의 변화를 테스트 점을 지적해야합니다 그림 1C에서 그림 J × B의 힘을 방향에 해당하는 X - 방향으로 아크 제트 흐름의 편차로 Z 축 이상 자석을 회전) 결과 따라. 또한 아크 플라즈마 칼럼의 기하학은 양극에...

특정 시약 및 장비의 테이블 : <table border="1"><tbody><tr><th> 시약의 이름 </th><th> 회사 </th><th> 카탈로그 번호 </th><th> 댓글 (옵션) </th></tr><tr><td> 메탄올 </td><td> Acros의 생명체 </td><td> 423,950,010 </td><td></td></tr><tr><td> 니켈 분말 </td><td> 알파 Aesar </td><td> 10,581 </td><td></td></tr><tr><td> 이트륨 분말 </td><td> Acros의 생명체 </td><td> 318,060,050 </td><td></td></tr><tr><td> 흑연 분말 </td><td> 알파 Aesar </td><td> 40,799 </td><td></td></tr><tr><td> 중공 흑연 막대 </td><td> 토성 산업 </td><td> 마시고 EDM 3 </td><td></td></tr><tr><td> 영구 자석 </td><td> McMaster - 카 </td><td> 57315K51 </td><td></td></tr><tr><td> 몰리브덴 시트 </td><td> Dingqi 문화. 및 기술. </td><td> 080504-11 </td><td></td&gt; </tr><tr><td> 초음파의 dismembrator </td><td> 피셔 과학 </td><td> 모델 150T </td><td></td></tr><tr><td> 홀 - 이펙트 가우스 미터 </td><td> AI </td><td> 모델 100 </td><td></td></tr><tr><td> 용접 전원 공급 장치 </td><td> 밀러 전기 </td><td> 골드 스타 600SS </td><td></td></tr><tr><td> 배기기 </td><td> J / B </td><td> DV - 85N </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> 자이스 혈구 </td><td> LEO 1430VP </td><td></td></tr><tr><td> TEM </td><td> JEOL </td><td> 1200 EX </td><td></td></tr><tr><td> 라만 </td><td> Horiba </td><td> HR800 </td><td></td></tr></tbody></table>

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

이러한 단일 벽의 탄소 나노튜브 (SWCNT) 및 graphene 같은 탄소 nanostructures는 분자 센서, 전계 효과 트랜지스터 및 슈퍼 얇고 유연한 전자 장치 1-4 위해 매우 유망한 응용 프로그램으로 인해 오늘날 학자들의 관심의 홍수를 유치. 양극 재료의 침식에 의해 지원 양극 아크 방전은 비교적 높은 온도에서 개발 구조에 특정 비 평형 프로세스와 탄소 소재의 높은 유입을 제공할 수있는 가장 실용적이고 효율적인 방법 중 하나를, 그리고 따라서는 AS - 합성 제품은 몇 가지 구조적 결함과 더 결정화 있습니다. 을 추가로 아크 방전에 탄소 nanostructures의 합성의 controllability과 유연성을 향상시키고, 자기 필드는 아크 plasmas의 강한 자기 응답에 따라 합성 과정에서 적용할 수 있습니다. 그것은 보여주 것을 자기 (磁 气) 향상된 아크 discharge는뿐만 아니라 graphene 합성 8 리드, SWCNT 5의 평균 길이를 증가 금속 촉매 입자와 탄소 나노튜브 6 직경 분포 범위를 좁히려하고, 금속의 비율 및 semiconducting 탄소 나노튜브 7 변경할 수 있습니다. 또한, 우리가 아크에서 현재에 정상적인 구성 요소와 비 균일한 자기장을 소개하면 J × B 방향 따라 로렌츠 힘은 plasmas 제트를 생성 및 탄소 이온 입자의 효과적인 전달을 만들 수있다는 발언에 가치가있다 샘플로 열유속. 그 결과, 대규모 graphene 프레 이크와 고순도 단일 벽의 탄소 나노튜브가 동시에 같은 새로운 자기 (磁 气) 향상된 양극 아크 방식에 의해 생성되었습니다. 전자 현미경 (SEM)을 스캔 아크 이미징은, 전송 전자 현미경 (TEM)과 라만 분광는 탄소 nanostructures의 특성을 분석하기 위해 고용되었다. 이러한 연구 결과는을 나타냅니다기회의 넓은 스펙트럼은 아크 조건을 제어하는​​ 방법으로 plasmas에서 생산 nanostructures의 속성과 조작합니다.

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

양극 아크 방전은 다양한 탄소 nanostructures를 합성하기위한 가장 실용적이고 효율적인 방법 중 하나입니다. 아크 controllability과 유연성을 향상시키기 위해 비 균일한 자기장은 대규모 graphene 프레 이크와 고순도 단일 벽의 탄소 나노튜브의 한 단계로 합성을 처리하기 위해 도입되었습니다.

동시 단일 벽의 탄소 나노튜브의 합성과 자기 (磁 气) 향상된 아크 플라즈마에 Graphene

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

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

15.2K 조회수.  The George Washington University. 양극 아크 방전은 다양한 탄소 nanostructures를 합성하기위한 가장 실용적이고 효율적인 방법 중 하나입니다. 아크 controllability과 유연성을 향상시키기 위해 비 균일한 자기장은 대규모 graphene 프레 이크와 고순도 단일 벽의 탄소 나노튜브의 한 단계로 합성을 처리하기 위해 도입되었습니다.

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Graphene Coatings for Biomedical Implants

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

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

생명을 주입 Graphene 코팅

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

연구

생체공학

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

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

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

멀티 스펙트럼 이미징 유동 세포 계측법과 세포의 현지화 및 탄소 나노 튜브의 상대 정량

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

Synthesis of an Intein-mediated Artificial Protein Hydrogel

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

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

테인 매개 인공 단백질 히드로 겔의 합성

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

Synthesis of Keratin-based Nanofiber for Biomedical Engineering

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

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

의 생명 공학에 대한 각질 기반의 나노 섬유의 합성

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

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

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

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

단일 벽 탄소 나노 튜브에 바이오 모방 고분자와 공학 분자 인식

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

Targeted Plasma Membrane Delivery of a Hydrophobic Cargo Encapsulated in a Liquid Crystal Nanoparticle Carrier

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. Recently, nanoparticles (NPs) have shown significant promise in the development of such delivery systems. Here, a liquid crystal NP (LCNP)-based delivery system has been employed for the controlled delivery of a water-insoluble dye, 3,3&#8242;-dioctadecyloxacarbocyanine perchlorate (DiO), from within the NP core to the hydrophobic region of a plasma membrane bilayer. During the synthesis of the NPs, the dye was efficiently incorporated into the hydrophobic LCNP core, as confirmed by multiple spectroscopic analyses. Conjugation of a PEGylated cholesterol derivative to the NP surface (DiO-LCNP-PEG-Chol) enabled the binding of the dye-loaded NPs to the plasma membrane in HEK 293T/17 cells. Time-resolved laser scanning confocal microscopy and F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) imaging confirmed the passive efflux of DiO from the LCNP core and its insertion into the plasma membrane bilayer. Finally, the delivery of DiO as a LCNP-PEG-Chol attenuated the cytotoxicity of DiO; the NP form of DiO exhibited ~30-40% less toxicity compared to DiOfree delivered from bulk solution. This approach demonstrates the utility of the LCNP platform as an efficient modality for the membrane-specific delivery and modulation of hydrophobic molecular cargos.

A liquid crystal nanoparticle (LCNP) nanocarrier is exploited as a vehicle for the controlled delivery of a hydrophobic cargo to the plasma membrane of living cells.

액정 나노 입자 캐리어의 소수성화물 캡슐화의 대상 플라즈마 멤브레인 배달

The controlled delivery of drug/imaging agents to cells is critical for the development of therapeutics and for the study of cellular signaling processes. ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

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

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

Semiflexible 고분자 공부를 다양 한 도구로 DNA 나노튜브

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

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

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

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

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

조직 공학 응용 프로그램에 대 한 제어 형태학과 3 차원 Poly(ε-caprolactone) 장비의 전기 글 녹아

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

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

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

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

셀 루 로스 Nanofiber 단방향 동결에 의해 준비 Microhoneycomb Monoliths 기반 Sols: 메서드 및 확장

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

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

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

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

나노 입자와 그들의 항균 활동 및 세포 독성 속성의 평가 수정 다중 벽 탄소 나노튜브의 합성

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

동시 단일 벽의 탄소 나노튜브의 합성과 자기 (磁 气) 향상된 아크 플라즈마에 Graphene

동시 단일 벽의 탄소 나노튜브의 합성과 자기 (磁气) 향상된 아크 플라즈마에 Graphene