Formen, Einschließen und Beobachten von Mikrotubuli-basierten aktiven Nematiken

Aktive Nematik hat sich zu einem spannenden Forschungsthema entwickelt, das die Bereiche der nichtlinearen Dynamik und der Flüssigkristalle erweitert. Es gibt komplexe Flüssigkeiten, die tödliche topologische Defekte und chaotische Dynamik aufweisen. Es gibt viele neuere theoretische Studien in der Literatur, die sich auf beschränkte aktive Nematik konzentrieren.

Für Experimentatoren war es jedoch eine Herausforderung, das Material in mikroskaligen Geometrien einzuschränken. Unsere Technik macht den Versuchsaufbau einfacher, so dass die neuen Gruppen das Feld betreten und diese aufregenden Materialien ausprobieren können. Die Techniken könnten auf andere EQUIS-Aktivmateriesysteme angewendet werden, um beispielsweise eine Phasenzusammensetzung aus wirkenden und Da in Zukunft mehr aktive Phasen entwickelt werden, müssen Experimentatoren Wege finden, das Material mit ähnlichen Nematiken einzuschließen.

Derek Hammar und Fereshteh Memarian, Doktoranden aus meinem Labor, demonstrieren das Verfahren. Zur Herstellung hydrophiler Deckgläser mit einer Acrylamidbeschichtung beginnen Sie mit der gründlichen Reinigung der Deckgläser mit Seifenwasser, Ethanol und 0,1 molärem Natronlauge mit abwechselnden Spülungen unter Verwendung von Nanoreinwasser. Nach dem Spülen gleitet der Bezug mit der Silanlösung aus 100 Milliliter Ethanol, einem Milliliter Asketsäure und 500 Mikrolitern Trimethoxysilylpropylmethacrylat a für 15 Minuten.

Anschließend mit nanoreinem Wasser abspülen. Bereiten Sie eine Acrylamidlösung aus 95 Milliliter Nanoreinstwasser und fünf Milliliter 40 Gewichtsprozent Acrylamid her. Dann entgasen Sie die Lösung für 30 Minuten in einem Vakuumofen, fügen Sie 0,07 Gramm Ammonium pro Sulfit und 35 Mikroliter Tetramethylethylendiamin für eine Endkonzentration von 2,3 Millimolar hinzu.

Gießen Sie Acrylamidlösung mit dem Gesicht nach oben über die Deckgläser und inkubieren Sie über Nacht bei Raumtemperatur. Zur Herstellung hydrophober Objektträger pipetten Sie 100 Mikroliter einer wasserabweisenden Lösung auf einen sauberen Glasobjektträger. Legen Sie dann einen weiteren sauberen Glasobjektträger darauf.

Dies gewährleistet eine gleichmäßige Beschichtung der wasserabweisenden Lösung auf der Oberfläche, wo sie zwei Minuten lang sitzt. Entfernen Sie den zweiten Objektträger und spülen Sie den ersten Objektträger gründlich mit nanoreinem Wasser ab. Anschließend mit Stickstoffgas trocknen.

Bereiten Sie eine Mischung aus technisch hergestelltem Öl vor, das 1,8% Fluortensid enthält. Glasobjektträger und Deckglas mit doppelseitigen 40 Mikrometer langen Klebeabstandshaltern montieren. Platzieren Sie die Abstandshalter im Abstand von 1,5 Millimetern auf dem hydrophoben Objektträger.

Legen Sie dann den acrylamidbeschichteten Abdeckstreifen mit einer behandelten Seite nach unten auf die Abstandshalter, um zu haften. Nachdem die Durchflusszelle aufgebaut wurde, pipetten Sie sofort das Ölgemisch in die Durchflusszelle, die den geschlossenen Raum mit einer Pipette in einer separaten Durchstechflasche füllt, mischen Sie vorsichtig sechs Mikroliter Aktivmaterial mit 3,73 Mikrolitern Mischung. Ein Mikroliter Mikrotubuli-Lösung 0,6 Mikroliter ATP-Lösung und 0,67 Mikroliter M-Zwei-B-Puffer pipettieren sechs Mikroliter frisch gemischtes Aktivmaterial in ein offenes Ende der Durchflusszelle.

Etwas Öl wird durch die wässrige Lösung verdrängt, wenn es in den Kanal injiziert wird. Dieser kann am gegenüberliegenden Ende des Strömungskanals mit einem kleinen Stück Seidenpapier aufgestaut werden. Versiegeln Sie nach dem Befüllen beide Seiten der Durchflusszelle mit einem Epoxidkleber, der bei UV-Licht für 20 Sekunden aushärtet.

Die aktive Schicht zwischen den beiden zulässigen Fluiden in einer quasi 2D-Schicht einzuschließen. Legen Sie die Durchflusszelle für 10 Minuten in eine schwingende Eimerzentrifuge mit der wässrigen Phase oben und der dichteren Ölschicht unter der Zentrifuge bei 212 G. Nach Abschluss dieses Schritts kann die Flusszelle zu einem Epifluoreszenzmikroskop gebracht werden, um sie mit einem 10-fachen oder 20-fachen Vergrößerungsobjektiv abzubilden.

Entwerfen Sie zunächst eine Masterform für das PDMS. Dies kann durch 3D-Drucksäulen auf einem Substrat erreicht werden. Nach dem 3D-Druck der Harz-Masterform reinigen Sie sie mit Isopropanol und härten Sie die Form dann unter einer UV-Lampe für 45 Minuten und im Ofen bei 120 Grad Celsius für zwei Stunden aus, bereiten Sie den Polyfarbstoff Methylcyan mit einem Elastomerhärter und einer Elastomerbasis vor.

Mischen Sie die beiden Komponenten im Verhältnis 1 zu 10 mit einem Metallspatel. Um diese Blasen zu entfernen, stellen Sie die Mischung unter ein Vakuum, um eine Stunde lang zu entgasen, danach sollte das nicht ausgehärtete PDMS transparent erscheinen. Gießen Sie das PDMS in eine geeignete Form und lassen Sie es über Nacht bei 60 Grad Celsius aushärten.

Um eine hydrophile PDMS-Oberfläche herzustellen, reinigen Sie das PDMS für 10 Minuten mit Ethanol und Isopropanol, spülen Sie es dann dreimal gründlich mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie es. Verwenden Sie einen Plasmareiniger für fünf Minuten, um das trocken ausgehärtete PDMS zu reinigen. Dies macht die Oberfläche hydrophiler.

Als nächstes bereiten Sie eine Silanlösung vor und tauchen das Substrat für 15 Minuten in diese Lösung, um die Acrylamidbeschichtung vorzubereiten, spülen Sie das Substrat gründlich mit entionisiertem Wasser ab und tauchen Sie in Acrylamidlösung. Wenn Sie gebrauchsfertig sind, spülen Sie die Oberfläche mit entionisiertem Wasser ab und trocknen Sie sie mit Stickstoff für den sofortigen Gebrauch. Befestigen Sie das PDMS mit Epoxidkleber auf einem Objektträger, pipetten Sie einen Mikroliter der aktiven Mischung auf das PDM-Substrat und fügen Sie sofort Silikonöl auf den aktiven Netzwerktropfen hinzu.

Das aktive Netzwerk wird in den Brunnen einziehen. Dieser Vorgang dauert bis zu 60 Minuten. Legen Sie das PDMS-Gerät in eine schwingende Eimerzentrifuge mit der Ölschicht über der Wasserschicht und drehen Sie es 12 Minuten lang bei 212 G. Nachdem dieser Schritt abgeschlossen ist, bringen Sie das Material zum Mikroskop, um den Fortschritt des Materials abzubilden.

Wie es sich ausbalanciert. Das repräsentative Bild zeigt kurze Mikrotubuli ähnlicher Länge. Die einzelnen Mikrotubuli können aufgrund ihrer geringen Größe schwierig abzubilden sein.

Die Verwendung einer hochempfindlichen Kamera, die für die Fluoreszenzmikroskopie entwickelt wurde, ist für diese Anwendung am besten geeignet. Eine gut geformte aktive pneumatische Schicht ist homogen in der Textur ohne signifikante Hohlraumbereiche und mobile topologische Defekte. Beachten Sie jedoch, dass es einige akzeptable kleine Hohlräume in den Fehlerkernen geben kann.

Richtige Oberflächenbehandlung, um eine hydrophile oder hydrophobe Oberfläche zu haben. Mit dieser Methode kann die Rolle der Geometrie leicht diskutiert werden und die aktive Struktur kann gesteuert werden, indem nur die physikalische Begrenzung geändert wird.