In der Vergangenheit hat sich JoVE, The Journal of Visualized Experiments, hauptsächlich auf die biomedizinische Forschung konzentriert und Unterabschnitte für Bioengineering, klinische und translationale Medizin, Immunologie und Infektion sowie Neurowissenschaften entwickelt. Im Juli dieses Jahres startet JoVE seine Sektion Angewandte Physik, die eine Reihe von Inhalten von Plasmaphysik bis hin zu Materialwissenschaften umfasst. Wir beginnen den neuen Abschnitt mit einem bemerkenswerten Artikel der Purdue University, an der Forscher des Center for Laser-Based Manufacturing forschen.
Materie existiert in drei bekannten Zuständen: fest, flüssig und gasförmig. Wenn ein Gas mit genügend Energie getroffen wird, können Atome Elektronen verlieren oder ionisiert werden, um einen vierten Zustand namens Plasma zu bilden. Plasma ist die am häufigsten vorkommende Form von Materie; sie nimmt etwa 99,999 % des sichtbaren Universums ein. Mit ultrakurzen Laserpulsen von 100 Femtosekunden oder 100 Billiardstel Sekunden demonstrieren unsere Autoren eine Technik namens Pump-Probe-Shadowgraphy, die es ermöglicht, das frühe Plasma zu visualisieren, während es sich aus Metalloberflächen entwickelt. Durch die Konstruktion eines Simulationsmodells sind diese Forscher in der Lage, die frühe Plasmadynamik zu untersuchen und so besser zu verstehen, wie Materie ionisiert wird.
Für die Unterkategorie Materialwissenschaften der angewandten Physik entsteht JoVE an der University of Michigan, wo Forscher neue Methoden in der Mikrofabrikation entwickeln. Unsere Autoren demonstrieren eine Methode, um komplexe, dreidimensionale Mikrostrukturen aus Kohlenstoffnanoröhren zu züchten, die als Urformen verwendet werden können, um Nachbildungen aus Polymeren oder biologischen Materialien zu gießen. Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt, dass die Karbon-Nanoröhren-Urformen in den aus diesen Formen hergestellten Polymerrepliken mit hoher Wiedergabetreue in mikroskaliger Form und nanoskaliger Textur reproduziert werden. Die Mikrofabrikationstechnologie ermöglicht es, Laboroperationen in kleinem Maßstab durchzuführen – im Wesentlichen ein Labor auf einem Chip zu platzieren.
Im Wechsel von angewandter Physik zur kardialen Physiologie besucht JoVE die George Washington University, um ein modifiziertes Langendorff-Präparat aufzunehmen. JoVE hat mehrere Artikel veröffentlicht, die diese physiologische Vorbereitung demonstrieren, die es dem Herzen ermöglicht, stundenlang isoliert zu schlagen. Der Ansatz beinhaltet eine retrograde Perfusion des Herzens über die Aorta, die die Aortenklappe schließt und sauerstoffreiches Perfusat durch den Koronarkreislauf zwingt, um das Herzgewebe zu erhalten.
Unsere Autoren stellen eine Modifikation dieses Präparats vor, bei der das linke Vorhofohr, die untere Hohlvene und die Lungenarterie kanüliert werden. In diesem Zustand sind alle vier Herzkammern kanüliert, wodurch beide Ventrikel physiologisch belastet werden und das Herz nicht mehr retrograd durch die Aorta geleitet werden muss. Daher erfolgt die Durchblutung des Herzens in die normale Richtung, und das Herz sorgt für seinen eigenen Druck für die koronare Perfusion.
Sobald dieses biventrikuläre funktionierende Herzmodell erreicht ist, fahren unsere Autoren mit der Bildgebung der Nictonamid-Adenindinukleoutid-Fluoreszenz (NADH) fort. Dieses Coenzym, das in den Mitochondrien vorkommt, emittiert im reduzierten Zustand Fluoreszenz und liefert eine Anzeige für die lokale Sauerstoffkonzentration und damit den Herzstoffwechsel. Diese Forscher demonstrieren Messungen der NADH-Fluoreszenz während verschiedener Stimulationsraten und veranschaulichen damit das Potenzial dieses physiologisch relevanten Modells, Einblicke in kardiale Pathologien zu geben.
In unserer Rubrik Bioengineering besucht JoVE die University of the Pacific, um einen Artikel über die Herstellung von synthetischer Spinnenseide zu veröffentlichen. Bereits im Jahr 2010 veröffentlichte JoVE einen Artikel aus dem Vierra-Labor, in dem Mikrodissektionstechniken zur Isolierung der 12 seidenproduzierenden Drüsen der Schwarzen Witwe demonstriert wurden. Die Isolierung dieser Drüsen ermöglicht die Durchführung von Analysetechniken, um spezifische Spinnenseidenproteine zu identifizieren. Da Spinnen giftig und kannibalistisch sind, ist es unrealistisch, sie für die großflächige Produktion von Spinnenseide zu züchten. Daher transformiert das Vierra-Labor Bakterien mit Seidenprotein-haltigen Plasmiden und exprimiert rekombinante Spinnenseidenproteine in Bakterien.
Diesen Juli führt uns die Vierra-Gruppe in JoVE durch eine Methode zur Isolierung und Reinigung von Spinnenseidenprotein von diesen Bakterien. Anschließend zeigen sie uns, wie gereinigtes Protein zu Fasern gesponnen wird, und demonstrieren Methoden zum Sammeln dieser Fasern sowie zur Beurteilung ihrer Festigkeit. Spinnenseide ist für Biomaterialwissenschaftler von großem Interesse, da sie aufgrund ihrer Biokompatibilität und ihrer mechanischen Eigenschaften, die sie stärker als Zugstahl machen, von großem Interesse ist. Das Vierra-Labor hat uns die Produktion von Spinnenseide im Labormaßstab gezeigt, die möglicherweise auf einen großtechnischen Herstellungsprozess ausgeweitet werden kann. Diese kurze Zusammenfassung fasst vier der fünfzig Artikel zusammen, die JoVE im Juli veröffentlichen wird. Weitere bemerkenswerte Veröffentlichungen sind die Demonstration der Ex-Ovo-Elektroporation in Hühnerembryonen im späten Stadium, die Produktion von sezernierten Proteinen aus menschlichen Zellen und die Ex-vivo-Kultivierung von Fruchtfliegengehirnen.