Esta pesquisa é apoiada é suportado pelo USDA através do Instituto Nacional de Alimentação e Agricultura (Nifa), conceda número 2007-35504-05381; por concessão não. 58872 de NYSERDA e NYC-123444 através de fundos da Cornell University Estação Experimental Agrícola da fórmula federais do Nifa USDA.

<ol>
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Não há conflitos de interesse declarados.

O sistema de digestão anaeróbia apresentada neste artigo fornece uma introdução geral e algumas orientações básicas para o tratamento da maioria dos substratos em um contexto experimental. A grande variedade de tipos de substrato, configurações do digestor, parâmetros de funcionamento, e também a ecologia única da comunidade misto-microbiana subjacente a estes sistemas se opõe delineando rígidos métricas quantitativas, que podem ser aplicados universalmente. Apesar de toda a variabilidade isso, todos os s...

A digestão anaeróbia (DA) é uma tecnologia madura, envolvendo a conversão biológica mediada por complexos substratos de resíduos orgânicos em biogás úteis com o metano como transportador de energia. Há muitos benefícios de tratamento anaeróbio, incluindo um mínimo de energia e nutrientes e produção de biossólidos reduzido em comparação ao tratamento aeróbio 10. Além disso, a versatilidade da comunidade microbiana misto inerente a estes sistemas torna uma grande variedade de substratos orgânicos adequados como matérias-primas 11,12. De fato, é devido a esses benefícios que um número crescente de pedidos de AD estão sendo adotadas fora do tratamento de esgoto convencional municipal, particularmente nos sectores industrial, municipais (por exemplo, resíduos de alimentos) e agrícola 4,7,13. AD experimentou seu primeiro grande proliferação início na década de 1980 em resposta à crise nacional de energia da década anterior. Enquanto o mundo enfrenta uma crise energética global crescente,juntamente com a degradação ambiental, maior foco agora está sendo colocado em tecnologias de biocombustíveis eo conceito de lixo em energia, em particular. Por exemplo, em os EUA, a digestão anaeróbia pode gerar 5,5% da potência eléctrica total necessita de 8. Isso aumentou a demanda para o bem-controlado de pesquisa experimental para o piloto e em escala de laboratório para avaliar a adequação de novos materiais de resíduos orgânicos e misturas de resíduos de digestão anaeróbia 14. Nós pretendemos fornecer um modelo genérico para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de um digestor anaeróbio à escala laboratorial, que será adequado para avaliações robustos. Digestores anaeróbicos existir em várias configurações diferentes. Algumas configurações comuns incluem:-continuamente reator tanque agitado (CSTR), com alimentação contínua influente; continuamente agitada digestor anaeróbico (CSAD) com alimentação influente periódico; fluxo plug (PF), de fluxo ascendente com manta de lodo anaeróbio (UASB); reator anaeróbio de manta de migrar (AMBR); reator compartimentado anaeróbio (ABR) e reator anaeróbio de batelada seqüencial (ASBR) configurações 9,15. A configuração do CSTR e CSAD têm sido amplamente adotado para laboratório de experimentos em escala, devido à sua facilidade de configuração e condições operacionais favoráveis. Devido a mistura contínua, o tempo de retenção hidráulica (TRH) é igual ao tempo de retenção de lamas (TSA). A SRT é o parâmetro de projeto importante para anúncios. A configuração é também favorável à experiências controladas por causa de uma maior uniformidade espacial dos parâmetros, tais como concentrações químicas espécies, temperatura, e as taxas de difusão. Deve-se notar, no entanto, que a configuração em grande escala óptima para um digestor anaeróbico depende das qualidades particulares físicas e químicas do substrato orgânico entre outros aspectos não técnicos, tais como a qualidade do efluente alvo. Por exemplo, diluir fluxos de resíduos com relativamente alto teor orgânico solúvel e littlpartículas electrónicos, tais como cerveja de águas residuais, tipicamente experiência de conversão de energia maior numa configuração bioreactor de alta taxa de fluxo ascendente (por exemplo, UASB) em vez de uma configuração CSAD. Independentemente disso, há parâmetros operacionais fundamentais que são essenciais à digestão bem-sucedida e relevantes para todas as configurações, o que justifica uma explicação genérica de usar essa configuração. Na verdade, todo sistema de AD contendo uma comunidade diversa, aberto de microorganismos anaeróbicos irá série metabolizar o substrato em metano (a final do produto final com a menor energia disponível gratuitamente por elétron). As vias metabólicas envolvidas neste processo constituem uma intricada teia alimentar vagamente classificados em quatro estágios tróficos: hidrólise, acidogênese; acetogénese e metanogênese. Em hidrólise, complexos de polímeros orgânicos (por exemplo, hidratos de carbono, lípidos e proteínas) são desagregadas aos seus respectivos monómeros (por exemplo, açúcares, ácidos gordos de cadeia longa, e aminoácidos) por HYDrolyzing, as bactérias fermentativas. Em acidogênese, estes monómeros são fermentadas por bactérias acidogênicas para ácidos gordos voláteis (AGV) e álcoois, que, em acetogénese, são oxidado para acetato e hidrogénio por homoacetogenic e obrigatório hidrogénio produtoras de bactérias, respeitosamente 5. No passo final de metanogênese, acetato e hidrogénio são metabolizados em metano por metanógenos acetoclástica e hydrogenotrophic. É importante reconhecer que o processo geral do anúncio, baseando-se uma série interligada de metabolismos por diferentes grupos de micróbios, vai depender da função bem sucedida de cada membro antes que o sistema como um todo será um desempenho óptimo. O projeto ea construção de um sistema biorreator AD deve sempre levar em consideração a exigência para fechar completamente o biorreator. Vazamentos pequenos no topo do bioreactor (que separa o espaço superior) ou no sistema de tratamento de gás pode ser difícil de detectar, e, por conseguinte, o sistema deve ser prescerteza testado antes da utilização. Depois de garantir uma instalação livre de vazamentos, falhas com estudos digestor anaeróbico muitas vezes resultam de erros durante a inoculação, cultura e dia-a-dia operação. Como resultado, digestores têm uma reputação como sendo intrinsecamente instável e propensa ao fracasso inesperado. Por que é então que em escala biodigestores foram operados sob condições estáveis ​​por décadas de 13? O fracasso é provável que resultam de manuseio impróprio por parte do operador, especialmente durante o período de inicialização durante o qual a comunidade microbiana deve lentamente aclimatar para a composição de resíduos orgânicos e força. Portanto, nosso objetivo não é apenas para fornecer uma metodologia para a construção de um sistema de AD, mas também para elucidar os processos de inoculação, operação e monitoramento desses sistemas. A primeira seção do artigo irá explicar como construir o CSTR ou sistema CSAD, enquanto a segunda seção irá fornecer um procedimento para digestor inoculação com ativo methanogbiomassa enic. É mais prático e menos demorado para inocular digestores com biomassa metanogênica activo a partir da. Misto licor ou efluente de um digestor de funcionamento que é o tratamento de um substrato semelhante a tentar desenvolver um biomassa suficiente a partir de uma cultura incipiente A terceira seção do artigo abrange considerações operacionais, como substrato de alimentação, decantação de efluentes, e solucionar problemas de reatores diferentes. Alimentando substrato e decantação do efluente para este sistema será conduzida numa base semi-contínua (isto é, alimentando periódica e decantação, enquanto a maioria da biomassa e licor misto permanece no bioreactor). A freqüência em que o digestor é alimentado / decantado é prerrogativa do operador. Em geral, alimentando / decantação mais frequentemente e com intervalos regulares vai promover uma maior estabilidade do digestor e consistência de desempenho entre ciclos de alimentação. A quarta secção irá introduzir um protocolo de controlo básico a ser utilizado durante o experimental período. Várias análises padrão, que são descritas no Standard Methods para o Exame de Água e de Águas Residuais 16 (Tabela 1, 2), serão necessários para a caracterização do substrato e sistema de monitoramento adequado. Além dos parâmetros medidos, um aspecto importante da monitorização é verificar que os componentes do sistema digestor estão a funcionar correctamente. A manutenção regular para o sistema digestor vai antecipar os problemas principais do sistema que poderiam comprometer o desempenho a longo prazo e estabilidade do digestor. Por exemplo, uma falha do elemento de aquecimento, levando a uma queda na temperatura, pode causar a acumulação de ácidos gordos voláteis através da redução da taxa metabólica de metanogenos. Este problema seria composto se o sistema não tinha a alcalinidade suficiente para manter o pH acima dos níveis de inibição para metanogenos. É também importante para detectar e fechar possíveis vazamentos depois de quedas inesperadas na produção de biogás ratoes. Portanto, a duplicação dentro do projeto experimental, por exemplo, executar dois biorreatores lado a lado nas condições de funcionamento exatas, é importante para detectar perdas inesperados de desempenho causadas por mau funcionamento do sistema, tais como pequenos vazamentos.

<table border="1"><tbody><tr><td> Equipamentos Reactor </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td> Recirculador aquecida </td><td> VWR Scientific </td><td> 13271-063 VWR </td><td> Para utilização com um sistema de reactor de aquecimento revestimento </td></tr><tr><td> Elétricos de velocidade variável Lab Agitador </td><td> Cleveland Mixer Co. </td><td> (Modelo 5VB) </td><td> Este modelo de misturador facilita a montagem de um estande anel </td></tr><tr><td> Wet-Type Medidor de Gás de precisão </td><td> Ritter Gasmeters </td><td> (Modelo TG-01) </td><td> Este modelo necessita de um fluxo mínimo de (0,1 L / h) e pode lidar com um fluxo máximo de 30 L / h </td></tr><tr><td> Gás Bubbler </td><td> Chemglass </td><td> (Modelo AF-0513-20) </td><td></td></tr><tr><td> Tubo de amostragem de gás </td><td> Chemglass </td><td> (Modelo CG-1808) </td><td></td></tr><tr> &lt;td&gt; impulsor axial </td><td> Lightnin &#39; </td><td> R04560-25 Cole-Parmer </td><td> Palhetas da turbina com 7,9375 milímetros diâmetro do furo </td></tr><tr><td> Eixo do impulsor </td><td> Grainger </td><td> 2EXC9 Grainger </td><td> 1,83 m em aço inoxidável com 7,9375 milímetros OD (precisa ser cortado para o tamanho apropriado) </td></tr><tr><td> Suporte Ferro Fundido Stands </td><td> Produtos americanos Educacionais </td><td> (Modelo 7-G16) </td><td> Para o misturador de montagem </td></tr><tr><td> Três pinos Pinça Extensão </td><td> Garra </td><td> 21572-803 VWR </td><td> Para o misturador de montagem </td></tr><tr><td> Titular Grampo regular </td><td> Garra </td><td> 21572-501 VWR </td><td> Para o misturador de montagem </td></tr><tr><td> Bomba peristáltica </td><td> Masterflex </td><td> WU-07523-80 Cole-Parmer </td><td> Para efluente decantado </td></tr><tr><td> L / S Cabeça bomba padrão </td><td> Masterflex </td><td> EW-07018-21 Cole-Parmer </td><td> Para decantar efluentesing acessório para bomba peristáltica </td></tr><tr><td> L / S de tubulação da bomba de precisão </td><td> Masterflex </td><td> EW-06508-18 Cole-Parmer </td><td> Por decantação de efluentes - acessório para bomba peristáltica </td></tr><tr><td> Equipamento de análise / Reagentes </td><td> Companhia </td><td> Número de catálogo </td><td> Comentários </td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Análise de pH </td></tr><tr><td> medidor de pH </td><td> Thermo Fisher Scientific - Orion </td><td> 1212000 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Total e volátil Análise de Sólidos (Standard Methods: 2540-B, E) </td></tr><tr><td> Exsicador vácuo de vidro </td><td> Kimax </td><td> WU-06536-30 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Porcelana evaporação Pratos </td><td> VWR </td><td> 89038-082 VWR </td><td></td></tr><tr><td> Forno Lab </td><td> Thermo Fisher Scientific </td><td> (Modelo 13-246-516GAQ) </td><td></td></tr><tr><td> Mufla Médio Câmara </td><td> Barnstead / Thermolyne </td><td> F6010 Thermo Scientific </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Análise de ácidos graxos voláteis (Standard Methods: 5560-C) </td></tr><tr><td> Grande Capacidade Centrífuga de Velocidade Variável </td><td> Sigma </td><td> WU-17451-00 Cole-Parmer </td><td></td></tr><tr><td> Laboratório Hot Plate </td><td> Thermo Scientific </td><td> (Modelo HP53013A) </td><td></td></tr><tr><td> Condensador Grande </td><td> Kemtech América </td><td> (Modelo C150190) </td><td></td></tr><tr><td> Reagente ácido acético [CAS: 64-19-7] </td><td> Alfa Aesar </td><td> AA33252-AK </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> &lt;td&gt; Demanda Química de Oxigênio (Standard Methods: 5520-C) </td></tr><tr><td> Aquecedor Bloco COD </td><td> HACH </td><td> (Modelo DRB-200) </td><td></td></tr><tr><td> Borosilicato tubos de cultura </td><td> Pyrex </td><td> (Modelo 9825-13) </td><td></td></tr><tr><td> Reagente dicromato de potássio [CAS: 7778-50-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 3090-01 </td><td></td></tr><tr><td> Mercury Reagente Sulfato II [CAS: 7783-35-9] </td><td> Performance Materials Avantor </td><td> 2640-04 </td><td></td></tr><tr><td> Indicador Ferroína Solution [CAS: 14634-91-4] </td><td> Ricca Química </td><td> R3140000-120C </td><td></td></tr><tr><td> Amónio e de ferro (II) hexa-sulfato de [CAS: 7783-85-9] </td><td> Alfa Aesar </td><td> 13448-36 </td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> Composição de gás por cromatografia gasosa </td></tr><tr><td> Cromatógrafo de Gás </td><td> SRI Instruments </td><td> Modelo 8610C </td><td> Deve estar equipado com um detector de condutibilidade térmica (TCD), utilizando coluna abaixo mencionado e gás transportador operado a uma temperatura isotérmica de 105 ° C </td></tr><tr><td> Hélio Gás </td><td> Airgas </td><td> Ele HP300 </td><td> Para ser usado como gás de transporte </td></tr><tr><td> Packed Column- </td><td> Restek </td><td> 80484-800 </td><td> Para ser usado para N 2, CH 4, e CO 2 separação </td></tr></tbody></table>

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

A digestão anaeróbia (DA) é um bioprocesso que é comumente usado para converter resíduos orgânicos complexos em um biogás úteis com o metano como o portador de energia 1-3. Cada vez mais, AD está sendo usado em resíduos industriais, agrícolas e urbanos (água) aplicações de tratamento de 4,5. O uso da tecnologia AD permite que os operadores para reduzir os custos de eliminação de resíduos e compensar as despesas de utilidade de energia. Além disso para o tratamento de resíduos orgânicos, as culturas de energia estão a ser convertida em energia a transportadora metano 6,7. Como a aplicação de tecnologia AD amplia para o tratamento de substratos novos e co-substrato misturas 8, o mesmo acontece com a demanda por uma metodologia de teste de confiança ao piloto e à escala laboratorial. Sistemas de digestão anaeróbia ter uma variedade de configurações, incluindo o reactor de tanque continuamente agitado (CSTR), o fluxo de ficha (PF), eo reactor anaeróbio lote sequenciação (ASBR) configurações 9 </sup&gt;. O CSTR é bastante utilizado em pesquisas devido à sua simplicidade no projeto e operação, mas também por suas vantagens em experimentação. Em comparação com outras configurações, o CSTR proporciona uma maior uniformidade de parâmetros do sistema, tais como temperatura, concentração, a mistura química, e concentração do substrato. Em última análise, ao projetar um reator em escala total, a configuração do reator ideal vai depender do caráter de um determinado substrato entre muitas outras considerações não-técnicos. No entanto, todas as configurações compartilham características fundamentais do projeto e parâmetros operacionais que tornam o CSTR apropriado para avaliações mais preliminares. Se os investigadores e engenheiros usar um fluxo afluente com concentrações relativamente elevadas de sólidos, em seguida, configurações escala laboratório de reactores biológicos não pode ser alimentado continuamente devido a problemas de entupimento escala laboratório bombas com sólidos ou sedimentação de sólidos em tubos. Para esse cenário com contínuas exigências de mistura, escala laboratório biorreatores são alimentados periodicamentee nós nos referimos a essas configurações como continuamente agitada digestores anaeróbios (CSADs). Este artigo apresenta uma metodologia geral para a construção, inoculando, operação e monitoramento de um sistema CSAD com a finalidade de testar a adequação de um determinado substrato orgânico a longo prazo de digestão anaeróbia. A seção de construção deste artigo abrange a construção do sistema de reator de escala de laboratório. A seção de inoculação irá explicar como criar um ambiente anaeróbico adequado para semear com um inóculo ativo metanogênica. A seção operacional irá cobrir a operação, manutenção e solução de problemas. A seção de monitoramento irá introduzir protocolos de ensaio por meio de análises padrão. O uso dessas medidas é necessário para avaliações confiáveis ​​experimentais de adequação do substrato para a AD. Este protocolo deve proporcionar uma maior protecção contra um erro comum feito em estudos AD, que é de concluir que a falha do reator foi causado pelo substrato in uso, quando na realidade foi a operação do usuário impróprio 10.

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

Laboratório escala biodigestores permitem aos cientistas para pesquisar novas formas de otimização de aplicações existentes de biotecnologia anaeróbia e avaliar o potencial de produção de metano de vários resíduos orgânicos. Este artigo apresenta um modelo generalizado para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de uma escala laboratorial continuamente agitada digestor anaeróbico.

Continuamente agitada digestor anaeróbico para converter resíduos orgânicos em biogás: Configuração do Sistema e Operação Básica

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

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

33.7K visualizações.  Cornell University. Laboratório escala biodigestores permitem aos cientistas para pesquisar novas formas de otimização de aplicações existentes de biotecnologia anaeróbia e avaliar o potencial de produção de metano de vários resíduos orgânicos. Este artigo apresenta um modelo generalizado para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de uma escala laboratorial continuamente agitada digestor anaeróbico.

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

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

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

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

Projeto de um biorreator de pressão cíclica para o Ex Vivo Estudo de válvulas cardíacas Aórtica

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

Bioengenharia

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

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

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

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

Operation of a Benchtop Bioreactor

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

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

Funcionamento de um biorreator de bancada

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

Sensing of Barrier Tissue Disruption with an Organic Electrochemical Transistor

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the passage of necessary ions and molecules. A breach in this barrier can be caused by a reduction in the extracellular calcium concentration. This reduction in calcium concentration causes a conformational change in proteins involved in the sealing of the barrier, leading to an increase of the paracellular flux. To mimic this effect the calcium chelator ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N&#39;,N&#39;-tetra acetic acid (EGTA) was used on a monolayer of cells known to be representative of the gastrointestinal tract. Different methods to detect the disruption of the barrier tissue already exist, such as immunofluorescence and&#160;permeability assays. However, these methods are time-consuming and costly and not suited to dynamic or high-throughput measurements. Electronic methods for measuring barrier tissue integrity also exist for measurement of the transepithelial resistance (TER), however these are often costly and complex. The development of rapid, cheap, and sensitive methods is urgently needed as the integrity of barrier tissue is a key parameter in drug discovery and pathogen/toxin diagnostics. The organic electrochemical transistor (OECT) integrated with barrier tissue forming cells has been shown as a new device capable of dynamically monitoring barrier tissue integrity. The device is able to measure minute variations in ionic flux with unprecedented temporal resolution and sensitivity, in real time, as an indicator of barrier tissue integrity. This new method is based on a simple device that can be compatible with high throughput screening applications and fabricated at low cost.

The Organic Electrochemical Transistor is integrated with live cells and used to monitor ion flux across the gastrointestinal epithelial barrier. In this study, an increase in ion flux, related to disruption of tight junctions, induced by the presence of the calcium chelator EGTA (ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N',N'-tetra acetic acid), is measured.

Sensoriamento de Barreira rompimento do tecido com um transistor Eletroquímica Orgânica

The gastrointestinal tract is an example of barrier tissue that provides a physical barrier against entry of pathogens and toxins, while allowing the ...

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

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

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

Wet Chemistry and Peptide Imobilização em Polytetrafluoroethylene para Melhoria de adesão celular

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

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

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

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

Película seca baseada em fotorresiste eletroquímica Microfluidic Biosensor plataforma: Fabricação de dispositivo, ensaio em-microplaqueta preparação e operação de sistema

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

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps compared to standard metallographic sample preparation procedures. The paper proposes a novel bespoke rig for dynamic domain imaging with in situ BH (magnetic hysteresis) measurements and elaborates the protocols for the sensor preparation and the use of the rig to ensure accurate BH measurement. The protocols for static and ordinary dynamic domain imaging (without in situ BH measurements) are also presented. The reported method takes advantage of the convenience and high sensitivity of the traditional Bitter method and enables in situ BH measurement without interrupting or interfering with the domain wall movement processes. This facilitates establishing a direct and quantitative link between the domain wall movement processes&#8211;microstructural feature interactions in ferritic steels with their BH loops. This method is anticipated to become a useful tool for the fundamental study of microstructure&#8211;magnetic property relationships in steels and to help interpret the electromagnetic sensor signals for non-destructive evaluation of steel microstructures.

Optimized Setup and Protocol for Magnetic Domain Imaging with In Situ Hysteresis Measurement

This paper elaborates the sample and sensor preparation procedures and the protocols for using the test rig particularly for dynamic domain imaging with in situ BH measurements in order to achieve optimal domain pattern quality and accurate BH measurements.

Configuração otimizada e protocolo para a imagem latente magnética domínio em Situ histerese medicão

This paper elaborates the sample preparation protocols required to obtain optimal domain patterns using the Bitter method, focusing on the extra steps ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

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

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

Litografia de feixe de íons focada para etch nano-arquiteturas em microeletrodos

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

Magnetic-, Acoustic-, and Optical-Triple-Responsive Microbubbles for Magnetic Hyperthermia and Pothotothermal Combination Cancer Therapy

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has been challenged. Here, we fabricate iron oxide nanoparticle shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform. Iron oxide nanoparticles serve as both magnetic and photothermal agents. Once intravenously injected, NSMs can be magnetically guided to the tumor site. Ultrasound triggers the release of iron oxide nanoparticles, facilitating the penetration of nanoparticles deep into the tumor due to the cavitation effect of microbubbles. Thereafter, magnetic hyperthermia and photothermal therapy can be performed on the tumor for combinational cancer therapy, a solution for cancer resistance due to the tumor heterogeneity. In this protocol, the synthesis and characterization of NSMs including structural, chemical, magnetic and acoustic properties were performed. In addition, the anti-cancer efficacy by thermal therapy was investigated using in vitro cell cultures. The proposed delivery strategy and combination therapy holds great promise in cancer treatment to improve both delivery and anticancer efficacies.

Presented here is a protocol for the fabrication of iron oxide nanoparticle-shelled microbubbles (NSMs) through self-assembly, synergizing magnetic, acoustic, and optical responsiveness in one nanotherapeutic platform for magnetic hyperthermia and photothermal combination cancer therapy.

Microbolhas magnéticas, acústicas e óptica-tripla-responsivas para hipertermia magnética e terapia de câncer de combinação pothototérmica

The precision delivery of anti-cancer agents which aim for targeted and deep-penetrated delivery as well as a controlled release at the tumor site has ...

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

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

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

Auto-montagem de ácidos nucleicos de peptídeos modificados gama em nanoestruturas complexas em misturas de solventes orgânicos

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

Continuamente agitada digestor anaeróbico para converter resíduos orgânicos em biogás: Configuração do Sistema e Operação Básica

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