Biofabrication와 바이오 전자 인터페이스 브리지

다음 실험의 전반적인 목표는 바이오 고분자 필름을 전기적으로 증착하고 단백질 및 세포와 같은 생물학적 성분으로 기능화하는 것입니다. 전기 증착은 pH 반응성 다당류 용액과 함께 바이어스된 전극에서 국부적으로 발생하는 pH 변화를 활용하여 달성됩니다. 카타르시스 또는 양극 증착 전략을 선택하면 전극이 바이어스되어 소울 겔 전이를 트리거하여 전기 기하학에 의해 정의된 패턴을 가진 박막을 생성합니다.

또한, 단백질 및 세포와 같은 생물학적 구성 요소는 전극 증착 공정 전반에 걸쳐 도입될 수 있습니다. 생물학적으로 기능화하기 위해 생물학적 성분이 형광 이미징을 기반으로 필름에 국한되어 있음을 보여주는 필름 결과를 얻습니다. 또한 구성 요소는 기능적이며 효소 활성의 전기화학적 검출 및 리포터 세포 반응의 사용으로 입증된 환경과 상호 작용할 수 있습니다.

바이오패브리케이션(Biofabrication)은 생물학과 전자 공학 간의 인터페이스를 구축하기 위한 새로운 도구 상자를 제공합니다. 우리는 그것의 주요 장점이 단순성과 가까운 생리학적 조건에서 조립할 수 있는 능력이라고 믿습니다. 생물학은 자체 조립 및 효소 수단을 통해 나노 규모로 제작하는 데 전문가입니다.이러한 기능을 활용함으로써 다른 조립 기술이 사용하는 복잡하고 위험하며 시간이 많이 걸리는 합성 방법을 우회

우리 협업 팀은 연이 전극 증착될 수 있음을 관찰했을 때 생물학적 재료와 메커니즘을 사용하여 BioD 장치 인터페이스를 구축한다는 아이디어를 얻었습니다. Kitan은 장치에 가해진 전기 신호를 인식하고 박막으로 증착할 수 있는 pH 반응성 필름 형성 다당류입니다. 키탄이 전극 증착될 수 있다는 것을 확인한 후, 우리는 BioD 장치 인터페이스를 구축하기 위해 생화학 및 분자 생물학의 더 광범위한 도구 모음에 액세스할 수 있다는 것을 깨달았습니다.

이러한 기술의 적용은 실행 가능한 상태로 유지될 수 있는 전극에 이러한 구성 요소를 국소화하는 저렴하고 쉬운 방법을 제공하기 때문에 기능적 생물학적 구성 요소가 필요한 라본 칩 설정으로 확장됩니다. 이 방법의 시각적 시연은 바이오 제작 필름이 전용되어 쉽게 손상될 수 있으므로 매우 중요합니다. 따라서 필름을 씻거나 촬영하는 동안 너무 가혹하지 않도록 주의해야 합니다.

영화는 쉽게 방해받을 수 있습니다. 그러나 장점으로 필름이 쉽게 제거되기 때문에 전기를 재사용 할 수 있습니다. 이 프로토콜을 시작하려면 앨리게이터 클립을 사용하여 패치 코드를 통해 맞춤형 제작 전극에 전원 공급 장치를 연결합니다.

인듐 주석 산화물 또는 ITO로 덮인 유리 슬라이드는 양극 또는 작동 전극 백금 호일로 작용하고, 백금 호일은 음극 또는 상대 전극 위치로 작용하여 기능화될 ITo의 표면이 용액에 담기기 위해 수직으로 또는 수평으로 배치되는 방식으로 상대 전극에 반대되도록 합니다. 용액이 표면에 포함될 수 있습니다. 다음으로, 증류수에 1%알긴산염과 0.5%탄산칼슘을 혼합하고 혼합물을 고압멸균하여 알긴산 증착 용액을 준비합니다. 그런 다음 형광으로 혼합하고 와류하여 알긴산을 Fluor 구체로 표시합니다.

이것은 생성된 필름의 형광 이미징을 가능하게 할 것입니다: 오토클레이빙 후, 용액은 준비된 증착 용액에 두 전극을 모두 담그고 2분 동안 제곱미터당 3암페어의 일정한 전류 밀도를 적용합니다. 전압은 2-3 볼트 범위에서 이동합니다 2 분 후 전극을 분리하고 비 침전물 용액을 제거하십시오. 불필요한 알긴산을 제거하기 위해 염화나트륨으로 필름을 부드럽게 헹굽니다.

겔을 강화하기 위해 0.1 몰 염화칼슘에서 필름을 잠시 배양합니다. 그런 다음 필름을 원하는 저장 용액에서 배양합니다. 공동 증착 전에 형광 현미경을 사용하여 필름의 이미지를 진행하십시오.

신호 송신 세포 배양과 신호 수신기 세포 배양을 이 비디오와 함께 제공되는 서면 프로토콜의 지시에 따라 성장시킵니다. 다음으로, 알긴산과 탄산 칼슘의 증착 용액을 준비합니다. 각 세포 배양과 용액을 1:1 비율로 혼합하여 최종 농도 1%알긴산과 0.5% 탄산칼슘을 만들고 세포를 배양 밀도의 약 절반으로 희석합니다.

폴리 디메틸 실란 웰과 백금 상대 전극에 포함된 두 개의 ITO 전극으로 패턴화된 유리 슬라이드를 사용합니다. 하나의 ITO 전극과 백금 전극을 전원 공급 장치에 연결합니다. 이전과 같이, 수신기 셀을 포함하는 증착 용액에 전극을 담그십시오.

전원 공급 장치를 제곱미터당 3암페어의 밀도에서 정전류로 설정하며, 여기서 표면적 치수는 증착이 발생할 단일 전극에 의해 정의됩니다. 알기네이트 매트릭스에 있는 세포의 공동 증착을 허용하기 위해 2분 동안 전류를 가합니다. 이전과 같이 염화나트륨으로 필름을 헹구고 인접한 ITO 전극에 대한 익살스러운 연결을 전환합니다.

증언 절차를 반복하되 이번에는 반복합니다. 발신자 셀을 포함하는 솔루션을 소개합니다. co에 증착된 세포와 칼슘 아르제네이트를 포함하는 두 개의 전극 칩을 인산염 완충 식염수에서 섭씨 37도에서 하룻밤 동안 배양합니다.

10%LB 배지와 1밀리몰 염화칼슘이 보충되었습니다. 배양 후 형광 현미경을 사용하여 칩을 이미지화하여 키토산 전극 증착을 시작합니다. 전원 공급 장치를 전극에 연결합니다.

파이어 앨리게이터 클립. 금으로 코팅된 실리콘 칩은 음극으로 작용하고 백금 호일은 양극 역할을 합니다. 금 전극 표면을 위치와 같이 카운터 전극을 배치하십시오.

Kato 모래 조각을 물에 섞고 두 개의 염화몰을 천천히 첨가하여 다당류를 용해시켜 Kato 모래 용액을 준비합니다. 본문에 언급된 절차에 따라, Kato 모래 용액은 형광 현미경 검사로 전극 증착 필름을 이미지화하기 위해 형광 표지될 수 있습니다. 전극을 kaizan 용액에 삽입하여 증착을 위해 원하는 영역을 완전히 잠깁니다.

2분 동안 작동 전극 표면적을 기준으로 제곱미터당 4암페어의 밀도로 계산된 정전류를 적용합니다. 이 경우에, 16 microamps의 현재는 4 밀리미터 사각 금 전극 전압에 불필요 키토산을 제거하기 위하여 이온을 제거한 물에 있는 전극에 있는 헹굼 후에 2개에서 3개의 볼트의 범위 안에 이동할 것입니다 적용됩니다. 형광 현미경, copos 키토산 및 포도당 산화효소를 사용하여 패턴이 있는 전극에 제곱미터당 4 램프의 전류 밀도로 용액에서 필름을 이미지화합니다.

키토산 전극 증착 절차에 따라 포도당 산화효소가 갇힌 카이잔 막이 생성됩니다. 처리 된 전극을 작동 전극으로, 백금 와이어를 상대 전극으로,은, 염화은을 기준 전극으로 3 전극 시스템에 부착하고 전극을 염화나트륨을 함유 한 인산염 완충 용액에 전극을 담그십시오. 접합 후 크로노 고온계를 사용하여 60초 동안 일정한 전압을 가하여 단백질을 Kazam 필름에 전기화학적으로 접합합니다.

칩을 인산염 완충액에 넣고 오비탈 셰이커에서 10분 동안 세척하여 불반응성 염화나트륨과 공액화포도당산화효소를 제거합니다. 3전극 시스템을 다시 연결하고 5밀리몰 포도당 용액을 담그십시오. 그런 다음 순환 볼륨 원격 측정에 대한 원하는 매개변수를 설정하여 양의 방향으로 전위를 0.7볼트로 스윕합니다.

포도당 용액에서 전극을 제거하고 인산염 완충액으로 헹굽니다. 그런 다음 8ml의 인산염 완충액이 들어 있는 10ml 비커 사이의 전극을 자기 교반 플레이트 바이어스에 놓습니다. GOX는 작동 전극 역할을 하기 위해 0.6볼트로 기능화된 칩입니다.

원하는 매개변수를 설정한 후 기준선 녹음을 수집합니다. 포도당 분취량을 완충액에 추가하여 각 분취량에 대해 포도당 농도를 4밀리몰씩 증가시킵니다.이 실험에서는 80밀리몰 포도당의 포도당 400마이크로리터 분취량을 완충액에 추가합니다. 전류 출력을 각 포도당 농도와 연관시키고, 단백질 기능화를 수행하기 위한 표준 곡선을 생성하려면 A-P-D-M-S 내에 포함된 인접한 금 및 ITO 전극으로 패턴화된 유리 슬라이드를 사용합니다.

앞서 보여준 바와 같이 전극 침전물 tizen에 카타르시스 전위를 가진 금 전극을 잘 바이어스합니다. 필름을 헹구는 후, 티로시나아제(tyrosinase)가 보충된 청색 형광 표지된 자동 유도제 2 신타아제(auto inducer two synthase) 용액을 첨가합니다. 실온에서 1시간 배양 후.

이전과 같이 PBS로 필름을 헹구고 수신기 세포가 포함된 알긴산 증착 용액에 담근 ITO 전극에 양극 전위를 적용합니다. 전달된 신호를 효소적으로 생성하기 위해 알긴산에서 세포 집단의 공동 증착에 설명된 동일한 단계를 계속합니다. 필름을 헹구는 후 10%LB 매체와 1밀리몰이 보충된 5마이크로몰, SAH 및 PBS 용액을 추가합니다.

염화칼슘은 용액의 증발을 방지하기 위해 전극을 덮고 섭씨 37도에서 밤새 배양합니다. 이것은 적색 형광 단백질을 생성하여 수신기 세포 반응을 허용하며, DS 적색 인접 전극은 저스팅에 의해 형광 현미경으로 이미지화될 수 있습니다. 또한 유도제인 2개의 합성효소의 청색 형광과 동조된 수신기 셀에 의해 발현되는 적색 형광을 포착하기 위한 필터는 전기 신호를 부과하여 전극 표면 근처에 국부적인 미세환경을 생성할 수 있으며, 이러한 자극은 알긴산 및 라잔과 같은 다당류의 자가 조립을 유발하여 전극 표면에 하이드로겔 필름으로 증착할 수 있습니다.

이 소울 겔 전이가 전극 표면에서 발생하기 때문에 생성된 필름은 전극 패턴과 일치하는 기하학적 구조로 전기 주소가 지정됩니다. 알긴산을 사용하여 고유한 세포 집단이 별도의 주소에 공동 증착되었습니다. 그들의 전극 주소의 증거는 송신기와 수신기 세포 집단 사이의 상호 작용에서 관찰됩니다.

분자 자동 유도 인자 2는 송신 세포에서 확산되고 수용 세포에 의해 흡수되어 DS 적색 형광 단백질이 발현됩니다. 여기. 적색 형광은 수신기가 처리되는 전극에서만 관찰됩니다. 반대로, 바이오센싱 효소인 포도당 산화효소(glucose oxidase)는 과산화수소를 생성하여 효소 반응을 통해 포도당을 검출할 수 있는 능력을 제공하며, 과산화수소는 전기화학적으로 산화되어 출력 전류를 생성할 수 있습니다.

이러한 방식으로 화학 신호를 전기로 변환할 수 있습니다. 이 플롯은 Geo X가 화학적으로 접합된 필름이 Geo X를 포함하지 않는 필름과 달리 포도당의 존재 하에서 강한 익살스러운 신호를 생성한다는 것을 보여줍니다. 이러한 결과는 Geo X가 증착된 잼 필름 상에 조립되거나 촉매 활성을 유지할 수 있음을 나타냅니다. 또한, 이변의 단계적 증가는 포도당 농도 증가에 대한 반응으로 생성됩니다.

또한 존재하는 표준 곡선은 단계적 증가가 첨가된 포도당의 양에 따라 거의 선형적인 방식으로 진행되었음을 보여줍니다. 이러한 결과는 효소가 여기에 묘사된 바와 같이 Razza 필름에 대한 접합 시에도 민감성을 유지한다는 것을 보여주며, I 두 synthase는 Penta tyrosine 태그를 포함합니다. 티로시나아제는 티로신 태그에 작용하여 잔류 페놀기를 o 퀴논으로 산화시킨 다음, 카잔의 아민에 공유 결합하고, 티로시나아제 어셈블리에 의한 a i 두 신타제 내에서 카잠 필름 기능화의 증거는 금에 카자 필름을 보여주는 이 형광 이미지에서 관찰되며, 여기서 기능화된 I 두 신타제는 같은 방식으로 기질 SAH로부터 I 2를 생성하기 때문에 형광 표지된 파란색으로 표시되었습니다 송신자 세포로서, SAH가 있는 상태에서 선택된 수신기 세포에 대한 근접성은 또한 수신기 세포가 DS를 발현함으로써 형광 반응을 일으키게 합니다.

수용 세포의 적색 형광은 ai의 확산으로 인한 주소 간의 상호 작용을 다시 보여주고, 하나에서 다른 것으로 2개씩 나타나며, 더 나아가 타이젠에 고정된 10개의 효소가 공유 결합되면 활성을 유지함을 나타냅니다. 이 비디오를 시청한 후에는 다당류 필름을 전기 증착하는 방법과 다양한 기술을 사용하여 기능화하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 우리는 이러한 기능화 단계에서 다양성을 입증하여 추가 테스트에서 다양한 생물학적 성분을 사용할 수 있습니다.

이 기술을 마스터하면 몇 분 만에 수행하여 생물학적 구성 요소를 정확하게 접목할 수 있는 잘 정의된 필름 패턴을 생성할 수 있습니다. 따라서 이러한 방식으로 지정된 전극에서 생물학적으로 패턴화된 활성 표면을 매우 쉽게 생성할 수 있으며, 이 모든 것이 조직화된 방식으로 수행되지만 복잡한 생물학적 상호 작용을 달성할 수 있습니다. 이 절차에 따라 설계 상호 작용을 달성하기 위해 전기 어레이의 설계와 생물학적 구성 요소의 선택 모두에서 창의성을 발휘할 수 있습니다.

우리의 희망은 바이오패브리케이션 도구가 생명공학과 마이크로일렉트로닉스라는 두 가지 이질적인 분야를 연결하는 것이며, 각 분야는 우리의 삶에 개별적으로 혁명을 일으켰습니다. 이 두 분야를 연결함으로써 우리는 사회의 가장 시급한 문제에 대한 새로운 솔루션을 창출할 수 있다고 믿습니다. 예를 들어, 우리는 바이오패브리케이션(Biofabrication)이 새로운 감지 방법, 현장 진료, 질병 진단, 생물학적 및 화학적 위협 감지를 위한 간단하고 다양한 방법을 제공할 수 있을 것으로 예상합니다.

한 가지 예로, 차세대 동맥 스텐트는 신진대사 프로필을 모니터링하고 동맥을 열린 상태로 유지할 수 있습니다.