Gostaríamos também de agradecer a Xiaoyu Miao e Ben Wilson para o desenvolvimento de mais um dos métodos descritos dentro. Este trabalho foi financiado pela National Science Foundation (DBI 0.454.324) e do Instituto Nacional de Saúde (R21 EB005183) e pelo PHS NRSA T32 GM07270 de NIGMS a ECK.

1. Aleatória Au Fabricação Matriz Nanoparticle 8,10,12,14 <ol><li> A matriz de nanopartículas Au é formada por primeiro criar um modelo que é feito de uma camada densa de forma aleatória adsorvido esferas de látex com diâmetro médio de 454 nm. Isto é conseguido através de evaporação de ouro primeiro em uma lamela de vidro com uma espessura de 20 nm usando o cromo como a camada de adesão. </li><li> A monocamada esfera de poliestireno é então auto-montados, expondo o substrato revestidas de ouro a uma mistura de 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida cloridrato (EDC), látex suspensão esfera e água desionizada. </li><li> O processo de adsorção é permitido para durar cerca de uma hora e as esferas não-absorvidos são lavados com uma quantidade abundante de água. </li><li> A monocamada formada é permitido secar ao ar. </li><li> Finalmente, outro 20 nm de ouro é evaporado sobre a monocamada esfera de látex para formar a matriz de nanopartículas de ouro aleatória. </li><li> Se um SEM está disponível, a matriz AUNP pode ser visto sob a SEM para se parecer com a Figura 1 e um diagrama do processo é mostrado na figura 8. </li></ol> 2. Preparação de amostras biológicas 9,11 <ol><li> Preparação de amostras para núcleos opticamente captura do mouse célula é mostrado agora. </li><li> Núcleos de células 3T3 rato marcado com corante laranja de acridina foram obtidos a partir do grupo Tewari no Fred Hutchinson Cancer Research Center. </li><li> 10% albumina sérica bovina (BSA) em tampão fosfato salino (PBS) é adicionado ao núcleo das células do mouse em uma concentração de aproximadamente 1: 10 (BSA: núcleos de células de rato). A BSA ajuda a prevenir os núcleos de degola ao substrato. </li><li> Misture a solução utilizando sonicação. </li><li> 5 uL da nossa solução é depositada sobre a lamela matriz de alumínio ralar. É melhor para realizar esta etapa com a grade de alumínio no palco microscópio para que você não tem que transportar a amostra após a solução é depositado. </li><li> Duas pilhas de dois 1 &quot;por um&quot; lamínulas são utilizados para apoiar uma lamela quinta através da qual a amostra é visto. </li><li> Posição da amostra sob o microscópio para visualização. </li></ol> 3. Método para Trapping <ol><li> As pinças ópticas são construídas através do envio de 35 mW a laser de hélio neon através de uma Zeiss Axio Imager.D1M equipado com um 17 GFP conjunto de filtros que é modificada para permitir a 633 nm a radiação laser para alcançar a amostra. </li><li> A Zeiss LD CE Epiplan - Neofluar 50x objetivo é utilizado para a imagem do núcleo das células que são cerca de 5 mícrons de diâmetro. </li><li> Após a amostra é colocada no âmbito do objectivo, o foco do microscópio sobre a matriz de nanopartículas de ouro ou grade de difração. </li><li> Traduzir microscópio verticalmente até foco é conseguido sobre os núcleos que você deseja armadilha. </li><li> Posição à vista armadilha do laser sobre a partícula de partícula e deve então manter sua posição na área do laser, mesmo quando a fase é traduzido. </li></ol> 4. Resultados representativos: O aleatório ouro procedimentos variedade de nanopartículas devem depositar uma monocamada de AUNP do que pode ser visto sob um SEM para parecer com a Figura 1. A força de armadilhas criadas por esses pinças plasmonic pode ser 10-20 vezes a força gerada pela norma pinças ópticas. As intensidades mínimas requeridas pela pinça plasmonic para alcançar o confinamento de partículas são mostrados para as partículas de diversos tamanhos na Figura 4. 9,10 A grade de difração obtidos alinhamento e prendendo com 20 vezes maior do que a eficiência de armadilhas nanopontos ouro e poderia conseguir captura com tão pouco como 17 uW um / 2 (Figura 7) 11. <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig1.jpg" /> Figura 1 10 (a) micrografia MEV das nanopartículas auto-montagem de ouro. O diâmetro das nanopartículas de ouro individual é de cerca de 450 nm. (B) imagem NSOM do substrato plasmonic onde a distribuição das nanopartículas é esparsa, mostrando a radiação de campo próximo. O comprimento de onda do laser de excitação é 633 nm. (C) exibir uma ampliação alta da área marcada com o quadrado vermelho em (b). (D) eficiência de espectro de espalhamento do substrato plasmonic, mostrando o pico de 624 nm. (E) o espectro de eficiência de absorção do substrato plasmonic, mostrando o pico em 668 nm. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig2.jpg" /> Figura 2 13 (a) Au nanoesferas distribuídos aleatoriamente em um domínio 2D 1 x 1 2 mM. Cada ponto azul representam o centro da nanosphere (a = 60 nm). Distribuições de campo de espalhamento em aviões de observação que são paralelas à matriz nanosphere aleatórios são mostrados em (b) - (e). A matriz de nanoesferas é uniformemente iluminado por uma onda plana no comprimento de onda de 540 nm. O índice de refração do meio envolvente é 1,33. A polarization direção dos pontos de ondas planas ao longo do eixo X (horizontal no (a)). A magnitude do campo elétrico incidente é assumido como sendo um no cálculo. A separação entre o plano de observação ea matriz nanosphere é definido como h. b) h = a. c) h = 2. d) h = λ. e) h = 2λ. <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig3.jpg" /> Figura 3 9 esquemática da configuração do microscópio de fluorescência personalizado que inclui um filtro de excitação contornado e um divisor de feixe dicróico substituído. Esta é a configuração utilizada para a captura simultânea e imagens de fluorescência. <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig4.jpg" /> Figura 4 10 A intensidade do laser mínimo para manter a armadilha em função da vazão de fluido envolvente utilizando armadilhas plasmonic. Todas as intensidades ópticas são medidos no plano da amostra sob a objetiva do microscópio. (A) - (f) mostram os resultados da medição de esferas de poliestireno único com diâmetro de 7,3, 6,3 (não-esférico), 5,0, 3,9, 2,5 e 1,1 mM, respectivamente. As inserções mostram as imagens correspondentes microscópicas de partículas. As barras de escala em todas as imagens representam 5 mm de comprimento. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig5.jpg" /> Figura 5 10 A inclinação da linha equipada com origem na figura. 4 versus tamanho de partícula para capturar plasmonic. As barras de erro mostram os desvios-padrão dos ajustes linear. A inclinação da linha ajustada (razão entre o limiar de intensidade óptica ea taxa de fluxo) na fig. 4 tem uma relação aproximadamente linear com o tamanho da partícula, como mostrado na figura, indicando a vantagem de captura plasmonic especialmente para partículas menores. <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig6.jpg" /> Figura 6 11 (a) Desenho esquemático das armadilhas ópticas melhorada utilizando 1-D nanoestruturas periódicas. O feixe incidente é difratado pela nanoestrutura periódicas em campo distante. (B) distribuição A intensidade de luz com duas polarizações ortogonais nanoestrutura em campo distante. (B) A distribuição da intensidade da luz com duas polarizações ortogonais na superfície de uma grade de alumínio com um período de 417 nm obtido por meio de simulações FDTD. A distribuição é normalizada com a intensidade sobre uma superfície plana de alumínio. (C) e (d) potencial Trapping de partículas diretamente acima da superfície grating contra localização da partícula para (c) de poliestireno de 350 nm de contas e (d) um poliestireno 1 mícron talão. Os círculos brancos ilustrar o tamanho das partículas. Inserções mostram o potencial de captura acima de uma superfície de alumínio plano para o tamanho de partícula mesma comparação. Os valores são normalizados para cada tamanho de partícula. Para todas as figuras de simulação FDTD o campo de visão é de 10 x 8 2 mM. <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig7.jpg" /> Figura 7 11 (a) eficiência de retenção e intensidade armadilhas mínima medida para esferas de poliestireno de vários tamanhos, com feixe de polarização perpendicular às linhas de grade. O encarte mostra a armadilha de assimetria na eficiência armadilhas para traduzir um 3,87 perpendicular poliestireno hum talão e paralelo às regras da grade. A linha sólida (grande assimetria) é obtido com incide perpendicularmente luz polarizada para a grade ea linha traço (pequena assimetria) é obtido com paralelos incidente luz polarizada para a grade. A unidade está em (pN [mM mW / 2] -1). (B) - (d) demonstração Trapping de um fluorescentes 590 nm de poliestireno talão. O círculo vermelho indica a posição do ponto do laser como a luz do laser era demasiado fraca para ser visto. No início, a partícula é preso dentro do local de maior poder, como o poder é reduzido o movimento browniano das partículas supera a força de armadilhas, permitindo que a partícula de escapar. (E) - (g) demonstração Trapping de um fluorescentes núcleo da célula de câncer de ovário. A intensidade mínima necessária para iniciar captura foi de 16 μW / M 2 obtido usando uma lente objetiva de 20x. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/3390/3390fig8.jpg" /> Figura 8 procedimento de Fabricação 14 das nanopartículas tampa em forma de ouro: a evaporação) da camada de Cr e Au fina na lamela de vidro. b) A exposição à suspensão esfera de poliestireno e adsorção de esferas por 1 hora. c) Remoção de esferas não-adsorvidos poliestireno e secagem da superfície. d evaporação) da outra camada de Au no topo das esferas modelo. e) Esquema da matriz de nanopartículas tampa em forma de Au, Au, onde só cobre o lado superior das esferas modelo.

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	<li>Jones, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Electromechanics of Particles. , (1995).</li><li>Ashkin, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+neutral+particles+using+lasers.">Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 94, 4853-4853 (1997).</li><li>Neuman, K. C., Chadd, E. H., Liou, G. F., Bergman, K., Block, S. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+photodamage+to+Escherichia+coli+in+optical+traps.">Characterization of photodamage to Escherichia coli in optical traps.</a> Biophys. J. 77, 2856-2856 (1999).</li><li>Chiou, P. C., Ohta, A. T., Wu, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Massively+parallel+manipulation+of+single+cells+and+microparticles+using+optical+images.">Massively parallel manipulation of single cells and microparticles using optical images.</a> Nature. 436, 370-370 (2005).</li><li>Hsu, H. Y., Ohta, A. T., Chiou, P. Y., Jamshidi, A., Nealea, S. L., Wua, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phototransistor-based+optoelectronic+tweezers+for+dynamic+cell+manipulation+in+cell+culture+media.">Phototransistor-based optoelectronic tweezers for dynamic cell manipulation in cell culture media.</a> Lab Chip. 10, 165-172 (2010).</li><li>Righini, M., Ghenuche, P. S., Cherukulappurath, V., Myroshnychenko, F. J., Garcia de Abajo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quidant+Nano-optical+Trapping+of+Rayleigh+Particles+Escherichia+coli+Bacteria+with+Resonant+Optical+Antennas.">Quidant Nano-optical Trapping of Rayleigh Particles Escherichia coli Bacteria with Resonant Optical Antennas.</a> Nano Letters. 9, 3387-3391 (2009).</li><li>Righini, M., Zelenina, A. S., Girard, C., Quidant, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Parallel+and+Selective+Trapping+in+a+Patterned+Plasmonic+Landscape.">Parallel and Selective Trapping in a Patterned Plasmonic Landscape.</a> Nature Physics. 3, 477-480 (2007).</li><li>Miao, X., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+dielectrophoresis+force+and+torque+induced+by+localized+surface+plasmon+resonance+of+a+cap-shaped+Au+nanoparticle+array.">Large dielectrophoresis force and torque induced by localized surface plasmon resonance of a cap-shaped Au nanoparticle array.</a> Opt. Lett. 32, 295-297 (2007).</li><li>Wilson, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Manipulation of Nanoparticles and Biological Samples through Enhanced Optical Forces [dissertation]. , (2009).</li><li>Miao, X. Y., Wilson, B. K., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+manipulation+of+micron/submicron+sized+particles+and+biomolecules+through+plasmonics.">Optical manipulation of micron/submicron sized particles and biomolecules through plasmonics.</a> Optics Exp. 16, 13517-13525 (2008).</li><li>Wilson, B. K., Mentele, T., Bachar, S., Knouf, E., Bendoraite, A., Tewari, M., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanostructure-enhanced+laser+tweezers+for+efficient+trapping+and+alignment+of+particles.">Nanostructure-enhanced laser tweezers for efficient trapping and alignment of particles.</a> Optics. Exp. 18, 16005-16013 (2010).</li><li>Miao, X., Wilson, B. K., Cao, G., Pun, S. H., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+Rotation+of+Nanowires+Assisted+by+Surface+Plasmons.">Trapping and Rotation of Nanowires Assisted by Surface Plasmons.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 15, 1515-1520 (2009).</li><li>Miao, X. Y., Lin, L. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Trapping+and+manipulation+of+biological+particles+through+a+plasmonic+platform.">Trapping and manipulation of biological particles through a plasmonic platform.</a> IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 13, 1655-1662 (2007).</li><li>Miao, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Plasmonics for Micro/Nano Manipulation and Optofluidics [dissertation]. , (2008).</li></ol>

Não há conflitos de interesse declarados.

A importância destes métodos de captura é que eles diminuem a intensidade óptica necessária para a captura sustentada de algum lugar na ordem de 10 3 μW M / 2 para algum lugar na ordem de 10 μW / M 2. 10,11 As limitações destas técnicas são de que a matriz de nanopartículas de ouro apresenta problemas de aquecimento que deve ser superado. Para superar este problema, uma estrutura de cristal fotônico 2D que é composto de um material dielétrico pode ser usado. Tal estrutura ...

<table border="1"><tr><td> Nome do material </td><td> Tipo </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentário </td></tr><tr><td> Axio Imager Microscópio </td><td> D1M </td><td> Zeiss </td><td> D1M </td><td> Zeiss Axio Imager.D1M </td></tr><tr><td> Objetivo microscópio </td><td> 50x/0.55 </td><td> Zeiss </td><td></td><td> LD CE Epiplan - Neofluar 50x/0.55 HD DIC </td></tr><tr><td> Microscópio Zeiss Câmera </td><td> AxioCam MRc </td><td> Zeiss </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Helium Neon Laser </td><td> 35 mW </td><td> Pesquisa Electro-Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Atenuador variável </td><td> ND Continuously Variable </td><td> ThorLabs </td><td> NDC-100C-4M </td><td> Para ajustar a intensidade microscópio </td></tr><tr><td> Filtro Zeiss Set </td><td> Filter Set # 17 </td><td> Zeiss </td><td> 488017-9901-000 </td><td> Filter Set # 17 </td></tr><tr><td> Lâminas de microscopia </td><td> 0,5 mm de espessura </td><td> VWR </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Núcleos de células 3T3 do mouse </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td> Loja tão frio quanto possível </td></tr><tr><td> Acridina laranja dye </td><td></td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> Albumina de soro bovino </td><td> 1-10 de racionamento em PBS </td><td colspan="2"> Fred Hutchinson Cancer Research Center </td><td></td></tr><tr><td> 454 nm latex esferas de poliestireno </td><td></td><td> Polysciences, Inc. </td><td></td><td></td></tr><tr><td> carbodiimida cloridrato (EDC) </td><td> 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) </td><td> G-Biosciences </td><td> BC25-1 </td><td></td></tr><tr><td> ouro (para a deposição) </td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td> Grade de difração reflexivo governou </td><td></td><td> Edmund Optics </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Tampão fosfato salino (PBS) </td><td> Fosfato-Buffered Saline Dulbecco (D-PBS) (1X) </td><td> Invitrogen </td><td> 14190-144 </td><td></td></tr></table>

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

Um método para manipular a posição ea orientação das partículas submicrométricas nondestructively seria uma ferramenta incrivelmente útil para a pesquisa biológica básica. Talvez a força mais usado física para conseguir a manipulação de pequenas partículas não-invasiva tem sido dieletroforese (DEP) 1. Entretanto, DEP por conta própria não tem a versatilidade e precisão que são desejados quando da manipulação de células, uma vez que é tradicionalmente feito com eletrodos estacionários. Pinças ópticas, que utilizam um gradiente de campo três dimensional eletromagnética de exercer forças em pequenas partículas, tal versatilidade e precisão desejada. 2 No entanto, uma grande desvantagem desta abordagem é a intensidade da radiação de alta necessário para alcançar a força necessária para prender uma partícula que pode danificar as amostras biológicas 3 A solução que permite captura e classificação com menor intensidade ópticos são optoeletrônicos pinças (OET), mas OET têm limitações com a manipulação fina de pequenas partículas;.. sendo a tecnologia DEP baseada também coloca restrições sobre a propriedade da solução 4 , 5 Este artigo de vídeo irá descrever dois métodos que reduzem a intensidade da radiação necessária para a manipulação óptica de células vivas e também descrevem um método para o controle de orientação. O primeiro método é uma pinça plasmonic que usar um random nanopartículas de ouro array (AUNP) como substrato para a amostra como mostrado na Figura 1. A matriz AUNP converte os fótons incidentes em plasmons de superfície localizada (LSP) que consistem em momentos de dipolo ressonante que irradiam e gerar um campo de radiação modelado com um grande declive na solução celular. Trabalho inicial na superfície prendendo melhor plasmon por Righini et al e nossa modelagem própria têm mostrado os campos gerados pelo substrato plasmonic reduzir a intensidade inicial exigido, aumentando o campo gradiente que armadilhas a partícula. 6,7,8 A abordagem plasmonic permite multa controle de orientação de partículas elipsoidais e células com baixa intensidade óptica por causa da conversão de energia mais eficiente óptica em energia mecânica e um campo de radiação de dipolo-dependente. Estes campos são mostrados na figura 2 e as intensidades baixa armadilhas estão detalhados nas figuras 4 e 5. Os principais problemas com pinças plasmonic são de que o LSP de gerar uma quantidade considerável de calor e as armadilhas é de apenas duas dimensões. Esse calor gera fluxos convectivos e termoforese que pode ser poderoso o suficiente para expelir partículas submicrométricas da armadilha. 9,10 A segunda abordagem que iremos descrever está utilizando nanoestruturas dielétricas periódicas para dispersão de luz incidente de forma muito eficiente em modos de difração, como mostrado na figura 6 11. Idealmente, faria esta estrutura de um material dielétrico para evitar os problemas de aquecimento mesmo experientes com a pinça plasmonic mas em nossa abordagem de alumínio revestido grade de difração é utilizado como uma nanoestrutura dielétrica periódica unidimensional. Embora não seja um semicondutor, não experiência aquecimento significativo e efetivamente preso partículas pequenas armadilhas com intensidades baixa, como mostrado na figura 7. Alinhamento das partículas com o substrato ralar conceitualmente valida a proposição de que um cristal fotônico 2-D pode permitir que a rotação precisa de partículas não esféricas mícron de tamanho. 10 A eficiência destas armadilhas ópticas são aumentadas devido aos campos melhorada produzida pelo nanoestruturas descrito no este papel.

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

Pinças plasmonic e nanoestruturas de cristal fotônico são mostradas para produzir melhorias útil no controle da eficiência e orientação dos opticamente prendendo micro e nano-partículas.

Utilização de Nanoestruturas Cristal plasmônicos e Fotônica para Manipulação de Micro-e Nanopartículas melhorada

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

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Research

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Bioengineering

12.2K visualizações.  University of Washington. Pinças plasmonic e nanoestruturas de cristal fotônico são mostradas para produzir melhorias útil no controle da eficiência e orientação dos opticamente prendendo micro e nano-partículas.

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Planar and Three-Dimensional Printing of Conductive Inks

Printed electronics rely on low-cost, large-area fabrication routes to create flexible or multidimensional electronic, optoelectronic, and biomedical devices1-3. In this paper, we focus on one- (1D), two- (2D), and three-dimensional (3D) printing of conductive metallic inks in the form of flexible, stretchable, and spanning microelectrodes.
Direct-write assembly4,5 is a 1-to-3D printing technique that enables the fabrication of features ranging from simple lines to complex structures by the deposition of concentrated inks through fine nozzles (~0.1 - 250 &mu;m). This printing method consists of a computer-controlled 3-axis translation stage, an ink reservoir and nozzle, and 10x telescopic lens for visualization. Unlike inkjet printing, a droplet-based process, direct-write assembly involves the extrusion of ink filaments either in- or out-of-plane. The printed filaments typically conform to the nozzle size. Hence, microscale features (&lt; 1 &mu;m) can be patterned and assembled into larger arrays and multidimensional architectures.
In this paper, we first synthesize a highly concentrated silver nanoparticle ink for planar and 3D printing via direct-write assembly. Next, a standard protocol for printing microelectrodes in multidimensional motifs is demonstrated. Finally, applications of printed microelectrodes for electrically small antennas, solar cells, and light-emitting diodes are highlighted.

Planar and three-dimensional printing of conductive metallic inks is described. Our approach provides new avenues for fabricating printed electronic, optoelectronic, and biomedical devices in unusual layouts at the microscale.

Impressão de planar e tridimensional de tintas condutoras

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

Bioengenharia

Synthesis, Assembly, and Characterization of Monolayer Protected Gold Nanoparticle Films for Protein Monolayer Electrochemistry

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently incorporated into film assemblies that serve as adsorption platforms for protein monolayer electrochemistry (PME). PME is utilized as the model system for studying electrochemical properties of redox proteins by confining them to an adsorption platform at a modified electrode, which also serves as a redox partner for electron transfer (ET) reactions. Studies have shown that gold nanoparticle film assemblies of this nature provide for a more homogeneous protein adsorption environment and promote ET without distance dependence compared to the more traditional systems modified with alkanethiol self-assembled monolayers (SAM).1-3 In this paper, MPCs functionalized with hexanethiolate ligands are synthesized using a modified Brust reaction4 and characterized with ultraviolet visible (UV-Vis) spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and proton (1H) nuclear magnetic resonance (NMR). MPC films are assembled on SAM modified gold electrode interfaces by using a "dip cycle" method of alternating MPC layers and dithiol linking molecules. Film growth at gold electrode is tracked electrochemically by measuring changes to the double layer charging current of the system. Analogous films assembled on silane modified glass slides allow for optical monitoring of film growth and cross-sectional TEM analysis provides an estimated film thickness. During film assembly, manipulation of the MPC ligand protection as well as the interparticle linkage mechanism allow for networked films, that are readily adaptable, to interface with redox protein having different adsorption mechanism. For example, Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) can be adsorbed hydrophobically to dithiol-linked films of hexanethiolate MPCs and cytochrome c (cyt c) can be immobilized electrostatically at a carboxylic acid modified MPC interfacial layer. In this report, we focus on the film protocol for the AZ system exclusively. Investigations involving the adsorption of proteins on MPC modified synthetic platforms could further the understanding of interactions between biomolecules and man-made materials, and consequently aid the development of biosensor schemes, ET modeling systems, and synthetic biocompatible materials.5-8

Alkanethiolate stabilized gold colloids known as monolayer protected clusters (MPCs) are synthesized, characterized, and assembled into thin films as an adsorption interface for protein monolayer electrochemistry of simple redox protein like Pseudomonas aeruginosa azurin (AZ) and cytochrome c (cyt c).

Síntese, Assembléia e Caracterização de monocamada Protected Films nanopartículas de ouro para Eletroquímica monocamada Protein

Colloidal gold nanoparticles protected with alkanethiolate ligands called monolayer protected gold clusters (MPCs) are synthesized and subsequently ...

Evaluation of Polymeric Gene Delivery Nanoparticles by Nanoparticle Tracking Analysis and High-throughput Flow Cytometry

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a technology for regenerative medicine2. Unlike viruses, which have significant safety issues, polymeric nanoparticles can be designed to be non-toxic, non-immunogenic, non-mutagenic, easier to synthesize, chemically versatile, capable of carrying larger nucleic acid cargo and biodegradable and/or environmentally responsive. Cationic polymers self-assemble with negatively charged DNA via electrostatic interaction to form complexes on the order of 100 nm that are commonly termed polymeric nanoparticles. Examples of biomaterials used to form nanoscale polycationic gene delivery nanoparticles include polylysine, polyphosphoesters, poly(amidoamines)s and polyethylenimine (PEI), which is a non-degradable off-the-shelf cationic polymer commonly used for nucleic acid delivery1,3 . Poly(beta-amino ester)s (PBAEs) are a newer class of cationic polymers4 that are hydrolytically degradable5,6 and have been shown to be effective at gene delivery to hard-to-transfect cell types such as human retinal endothelial cells (HRECs)7, mouse mammary epithelial cells8, human brain cancer cells9 and macrovascular (human umbilical vein, HUVECs) endothelial cells10.
A new protocol to characterize polymeric nanoparticles utilizing nanoparticle tracking analysis (NTA) is described. In this approach, both the particle size distribution and the distribution of the number of plasmids per particle are obtained11. In addition, a high-throughput 96-well plate transfection assay for rapid screening of the transfection efficacy of polymeric nanoparticles is presented. In this protocol, poly(beta-amino ester)s (PBAEs) are used as model polymers and human retinal endothelial cells (HRECs) are used as model human cells. This protocol can be easily adapted to evaluate any polymeric nanoparticle and any cell type of interest in a multi-well plate format.

A protocol for nanoparticle tracking analysis (NTA) and high-throughput flow cytometry to evaluate polymeric gene delivery nanoparticles is described. NTA is utilized to characterize the nanoparticle particle size distribution and the plasmid per particle distribution. High-throughput flow cytometry enables quantitative transfection efficacy evaluation for a library of gene delivery biomaterials.

Avaliação de Entrega Gene Polimérico Nanopartículas por Análise Nanoparticle Rastreamento e alta capacidade de Citometria de Fluxo

Non-viral gene delivery using polymeric nanoparticles has emerged as an attractive approach for gene therapy to treat genetic diseases1 and as a ...

Micro-particle Image Velocimetry for Velocity Profile Measurements of Micro Blood Flows

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to give an accurate velocity profile. A protocol is presented for &mu;PIV measurements of blood flows in microchannels. At the scale of the microcirculation, blood cannot be considered a homogeneous fluid, as it is a suspension of flexible particles suspended in plasma, a Newtonian fluid. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate can be derived from these measurements. Several key parameters such as focal depth, particle concentration, and system compliance, are presented in order to ensure accurate, useful data along with examples and representative results for various hematocrits and flow conditions.

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows which are cross-correlated to give an accurate velocity profile. Shear rate, maximum velocity, velocity profile shape, and flow rate, each of which has clinical applications, can be derived from these measurements.

Micro-partículas Velocimetry Imagem para a velocidade Medidas de fluxos de sangue Micro Perfil

Micro-particle image velocimetry (&mu;PIV) is used to visualize paired images of micro particles seeded in blood flows. The images are cross-correlated to ...

ECM Protein Nanofibers and Nanostructures Engineered Using Surface-initiated Assembly

The extracellular matrix (ECM) in tissues is synthesized and assembled by cells to form a 3D fibrillar, protein network with tightly regulated fiber diameter, composition and organization. In addition to providing structural support, the physical and chemical properties of the ECM play an important role in multiple cellular processes including adhesion, differentiation, and apoptosis. In vivo, the ECM is assembled by exposing cryptic self-assembly (fibrillogenesis) sites within proteins. This process varies for different proteins, but fibronectin (FN) fibrillogenesis is well-characterized and serves as a model system for cell-mediated ECM assembly. Specifically, cells use integrin receptors on the cell membrane to bind FN dimers and actomyosin-generated contractile forces to unfold and expose binding sites for assembly into insoluble fibers. This receptor-mediated process enables cells to assemble and organize the ECM from the cellular to tissue scales. Here, we present a method termed surface-initiated assembly (SIA), which recapitulates cell-mediated matrix assembly using protein-surface interactions to unfold ECM proteins and assemble them into insoluble fibers. First, ECM proteins are adsorbed onto a hydrophobic polydimethylsiloxane (PDMS) surface where they partially denature (unfold) and expose cryptic binding domains. The unfolded proteins are then transferred in well-defined micro- and nanopatterns through microcontact printing onto a thermally responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PIPAAm) surface. Thermally-triggered dissolution of the PIPAAm leads to final assembly and release of insoluble ECM protein nanofibers and nanostructures with well-defined geometries. Complex architectures are possible by engineering defined patterns on the PDMS stamps used for microcontact printing. In addition to FN, the SIA process can be used with laminin, fibrinogen and collagens type I and IV to create multi-component ECM nanostructures. Thus, SIA can be used to engineer ECM protein-based materials with precise control over the protein composition, fiber geometry and scaffold architecture in order to recapitulate the structure and composition of the ECM in vivo.

A method to obtain nanofibers and complex nanostructures from single or multiple extracellular matrix proteins is described. This method uses protein-surface interactions to create free-standing protein-based materials with tunable composition and architecture for use in a variety of tissue engineering and biotechnology applications.

Nanofibras ECM proteínas e Nanoestruturas Engineered Usando Assembléia iniciou-Surface

The extracellular matrix (ECM) in tissues is synthesized and assembled by cells to form a 3D fibrillar, protein network with tightly regulated fiber ...

Preparation of Monodomain Liquid Crystal Elastomers and Liquid Crystal Elastomer Nanocomposites

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and as soft robots. Here, we demonstrate the preparation of shape-responsive liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites along with characterization of their shape-responsiveness, mechanical properties, and microstructure. Two types of LCEs &#8212; polysiloxane-based and epoxy-based &#8212; are synthesized, aligned, and characterized. Polysiloxane-based LCEs are prepared through two crosslinking steps, the second under an applied load, resulting in monodomain LCEs. Polysiloxane LCE nanocomposites are prepared through the addition of conductive carbon black nanoparticles, both throughout the bulk of the LCE and to the LCE surface. Epoxy-based LCEs are prepared through a reversible esterification reaction. Epoxy-based LCEs are aligned through the application of a uniaxial load at elevated (160 &#176;C) temperatures. Aligned LCEs and LCE nanocomposites are characterized with respect to reversible strain, mechanical stiffness, and liquid crystal ordering using a combination of imaging, two-dimensional X-ray diffraction measurements, differential scanning calorimetry, and dynamic mechanical analysis. LCEs and LCE nanocomposites can be stimulated with heat and/or electrical potential to controllably generate strains in cell culture media, and we demonstrate the application of LCEs as shape-responsive substrates for cell culture using a custom-made apparatus.

We demonstrate the preparation of siloxane-based and epoxy-based liquid crystal elastomers (LCEs) and LCE nanocomposites. The LCEs are characterized with respect to reversible strain, liquid crystal ordering, and stiffness. As a potential application, we demonstrate their use as shape-responsive substrates in a custom device for active cell culture.

Preparação de Monodomain cristal líquido elastômeros e de cristal líquido Elastomer nanocompósitos

LCEs are shape-responsive materials with fully reversible shape change and potential applications in medicine, tissue engineering, artificial muscles, and ...

Techniques for the Evolution of Robust Pentose-fermenting Yeast for Bioconversion of Lignocellulose to Ethanol

Lignocellulosic biomass is an abundant, renewable feedstock useful for production of fuel-grade ethanol and other bio-products. Pretreatment and enzyme saccharification processes release sugars that can be fermented by yeast. Traditional industrial yeasts do not ferment xylose (comprising up to 40% of plant sugars) and are not able to function in concentrated hydrolyzates. Concentrated hydrolyzates are needed to support economical ethanol recovery, but they are laden with toxic byproducts generated during pretreatment. While detoxification methods can render hydrolyzates fermentable, they are costly and generate waste disposal liabilities. Here, adaptive evolution and isolation techniques are described and demonstrated to yield derivatives of the native Scheffersomyces stipitis strain NRRL Y-7124 that are able to efficiently convert hydrolyzates to economically recoverable ethanol despite adverse culture conditions. Improved individuals are enriched in an evolving population using multiple selection pressures reliant on natural genetic diversity of the S. stipitis population and mutations induced by exposures to two diverse hydrolyzates, ethanol or UV radiation. Final evolution cultures are dilution plated to harvest predominant isolates, while intermediate populations, frozen in glycerol at various stages of evolution, are enriched on selective media using appropriate stress gradients to recover most promising isolates through dilution plating. Isolates are screened on various hydrolyzate types and ranked using a novel procedure involving dimensionless relative performance index (RPI) transformations of the xylose uptake rate and ethanol yield data. Using the RPI statistical parameter, an overall relative performance average is calculated to rank isolates based on multiple factors, including culture conditions (varying in nutrients and inhibitors) and kinetic characteristics. Through application of these techniques, derivatives of the parent strain had the following improved features in enzyme saccharified hydrolyzates at pH 5-6: reduced initial lag phase preceding growth, reduced diauxic lag during glucose-xylose transition, significantly enhanced fermentation rates, improved ethanol tolerance and accumulation to 40 g/L.

Adaptive evolution and isolation techniques are described and demonstrated to yield derivatives of Scheffersomyces stipitis strain NRRL Y-7124 that are able to rapidly consume hexose and pentose mixed sugars in enzyme saccharified undetoxified hydrolyzates and to accumulate over 40 g/L ethanol.

Técnicas para a Evolução da levedura Pentose-fermentação robusta para bioconversão de transformação de lignocelulose em etanol

Lignocellulosic biomass is an abundant, renewable feedstock useful for production of fuel-grade ethanol and other bio-products. Pretreatment and enzyme ...

Microfluidic Buffer Exchange for Interference-free Micro/Nanoparticle Cell Engineering

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic properties, enable bio imaging and control cell phenotype. A critical yet inadequately addressed issue is the significant number of particles that remain unbound after cell labeling which cannot be readily removed by conventional centrifugation. This leads to an increase in bio imaging background noise and can impart transformative effects onto neighboring non-target cells. In this protocol, we present an inertial microfluidics-based buffer exchange strategy termed as Dean Flow Fractionation (DFF) to efficiently separate labeled cells from free NPs in a high throughput manner. The developed spiral microdevice facilitates continuous collection (&#62;90% cell recovery) of purified cells (THP-1 and MSCs) suspended in new buffer solution, while achieving &#62;95% depletion of unbound fluorescent dye or dye-loaded NPs (silica or PLGA). This single-step, size-based cell purification strategy enables high cell processing throughput (106 cells/min) and is highly useful for large-volume cell purification of micro/nanoparticle engineered cells to achieve interference-free clinical application.

This protocol describes the use of an inertial microfluidics-based buffer exchange strategy to purify micro/nanoparticle engineered cells with efficient depletion of unbound particles.

Microfluídico troca de tampão para Micro / nanopartículas celular Engenharia sem interferências

Engineering cells with active-ingredient-loaded micro/nanoparticles (NPs) is becoming an increasingly popular method to enhance native therapeutic ...

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

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

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

Targeted Plasma Membrane entrega de um hidrofóbica Carga encapsulado em um cristal líquido nanopartículas Transportador

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

Synthesis of Biocompatible Liquid Crystal Elastomer Foams as Cell Scaffolds for 3D Spatial Cell Cultures

Here, we present a step-by-step preparation of a 3D, biodegradable, foam-like cell scaffold. These scaffolds were prepared by cross-linking star block co-polymers featuring cholesterol units as side-chain pendant groups, resulting in smectic-A (SmA) liquid crystal elastomers (LCEs). Foam-like scaffolds, prepared using metal templates, feature interconnected microchannels, making them suitable as 3D cell culture scaffolds. The combined properties of the regular structure of the metal foam and of the elastomer result in a 3D cell scaffold that promotes not only higher cell proliferation compared to conventional porous templated films, but also better management of mass transport (i.e., nutrients, gases, waste, etc.). The nature of the metal template allows for the easy manipulation of foam shapes (i.e., rolls or films) and for the preparation of scaffolds of different pore sizes for different cell studies while preserving the interconnected porous nature of the template. The etching process does not affect the chemistry of the elastomers, preserving their biocompatible and biodegradable nature. We show that these smectic LCEs, when grown for extensive time periods, enable the study of clinically relevant and complex tissue constructs while promoting the growth and proliferation of cells.

This study presents a methodology to prepare 3D, biodegradable, foam-like cell scaffolds based on biocompatible side-chain liquid crystal elastomers (LCEs). Confocal microscopy experiments show that foam-like LCEs allow for cell attachment, proliferation, and the spontaneous alignment of C2C12s myoblasts.

Síntese de biocompatíveis cristal líquido de elastómero Espumas como andaimes celulares para cultura de células 3D espaciais

Here, we present a step-by-step preparation of a 3D, biodegradable, foam-like cell scaffold. These scaffolds were prepared by cross-linking star block ...