Het overbruggen van de Bio-elektronische interface met Biofabrication
6 juni 2012
Dit artikel beschrijft een biofabrication benadering: depositie van stimuli reagerende polysachariden in de aanwezigheid van voorgespannen elektroden biocompatibel films kan worden gefunctionaliseerd met cellen of eiwitten te maken. We tonen een bench-top strategie voor de generatie van de films en hun fundamentele toepassingen voor het maken van interactieve biofunctionalized oppervlakken voor lab-on-a-chip toepassingen.
Het algemene doel van het volgende experiment is om biopolymere films elektrisch af te zetten en ze te functionaliseren met biologische componenten zoals eiwitten en cellen. Elektrodeposition wordt bereikt door gebruik te maken van de pH-verandering die lokaal optreedt bij een beïnvloede elektrode in combinatie met een pH-responsieve polysacharide-oplossing. Na het kiezen van een kathartische of anodische depositiestrategie, wordt de elektrode beïnvloed om een soul gel-overgang te activeren, waardoor een dunne film ontstaat met een patroon dat wordt gedefinieerd door de elektrogeometrie.
Bovendien kunnen biologische componenten zoals eiwitten en cellen gedurende het hele elektrodepositionsproces worden geïntroduceerd. Om de film biologisch te functionaliseren, worden resultaten verkregen die aantonen dat biologische componenten op de films zijn gelokaliseerd op basis van fluorescentiebeeldvorming. Bovendien zijn de componenten functioneel en in staat om te interageren met hun omgeving, wat wordt aangetoond door elektrochemische detectie van enzymatische activiteit en het gebruik van reporter-celrespons.
Biofabricage biedt een nieuwe toolbox voor het bouwen van de interface tussen biologie en elektronica. We geloven dat de belangrijkste voordelen ervan zijn de eenvoud en de mogelijkheid om te assembleren onder bijna fysiologische omstandigheden. Biologie is expert in het fabriceren op nanoschaal door middel van zelfassemblage en enzymatische middelen. Door deze capaciteiten aan te wenden, omzeilen we complexe, gevaarlijke en tijdrovende synthesemethoden die andere assemblagetechnieken gebruiken.
Ons samenwerkende team kwam op het idee om de BioD-apparaatinterface te bouwen met behulp van biologische materialen en mechanismen toen we zagen dat hun vliegers in kleur konden worden geelektrodeponeerd. Kitan is een pH-responsieve filmvormende polysacharide die apparaatgeïnduceerde elektrische signalen kan herkennen en als dunne film kan afzetten. Toen we zagen dat kitan geelektrodeponeerd kon worden, realiseerden we ons dat we toegang hadden tot een breder scala aan hulpmiddelen uit de biochemie en moleculaire biologie om een BioD-apparaatinterface te bouwen.
De toepassing van deze techniek strekt zich uit naar labon-chip-instellingen waar functionele biologische componenten vereist zijn, omdat ze een goedkope en eenvoudige manier bieden om dergelijke componenten op een elektrode te lokaliseren waar ze levensvatbaar kunnen blijven. Visuele demonstratie van deze methode is cruciaal omdat een biofabricagefilm gewijd en gemakkelijk kan worden beschadigd. Daarom moet men voorzichtig zijn om niet te hard te zijn tijdens het wassen of schieten van de film.
Omdat de film gemakkelijk kan worden verstoord. Echter, als voordeel kunnen de electro's worden hergebruikt omdat de films gemakkelijk kunnen worden verwijderd. Om dit protocol te beginnen, sluit u een voeding aan op de op maat gemaakte elektroden via patchkabels met behulp van alligatorklemmen.
Een met indiumtinoxide of ITO bedekte glazen plaat zal fungeren als de anode of werkende elektrode, zal platinafolie dienen als kathode of tegenelektrode. Positioneer de elektrode zodat het IT o's oppervlak om functioneel te zijn, zich tegenover de tegenelektrode bevindt op een manier dat het IT O's oppervlak of verticaal is gepositioneerd om in de oplossing te worden gedompeld of horizontaal, zodat de oplossing op het oppervlak kan worden gehouden. Bereid vervolgens een alginaatdepositie-oplossing voor door 1% alginaat en 0,5% calciumcarbonaat in gedistilleerd water te mengen en het mengsel te autoclaveren. Label vervolgens alginaat fluorescentie met Fluor-sferen door te mengen en te vortexen.
Dit zal fluorescentiebeeldvorming van de resulterende film mogelijk maken. Na autoclavage dompelt u beide elektroden onder in de bereide depositie-oplossing. Breng een constante stroomdichtheid van drie ampère per meter vierkant aan gedurende twee minuten. De spanning zal verschuiven in het bereik van twee tot drie volt. Na twee minuten ontkoppelt u de elektrode en verwijdert u de niet-afgezette oplossing. Spoel de film voorzichtig met natriumchloride om overtollig alginaat te verwijderen.
Incubeer de film kort in 0,1 molair calciumchloride om de gel te versterken. De film wordt vervolgens geïncubeerd in de gewenste opslagoplossing. Ga door met het afbeelden van de film met behulp van fluorescentiemicroscopie voorafgaand aan co-depositie.
Laat een signaal-afzendende celcultuur en een signaalontvangende celcultuur groeien zoals aangegeven in het geschreven protocol dat bij deze video hoort. Bereid vervolgens een depositie-oplossing van alginaat en calciumcarbonaat voor. Meng de oplossing met elke celcultuur in een een-op-eenverhouding tot een eindconcentratie van 1% alginaat en 0,5% calciumcarbonaat met de cellen verdund tot ongeveer de helft van de kweekdichtheid.
Gebruik een glazen plaat met twee ITO-elektroden gepatternd en bevat in een polydimethylsilane-putje en een platina-tegenelektrode. Verbind een ITO-elektrode en de platina-elektrode met een voeding. Duik de elektroden zoals eerder in de depositie-oplossing met de ontvangende cellen.
Stel de voeding in op een constante stroom bij een dichtheid van drie ampère per meter vierkant, waarbij de oppervlaktedimensie wordt gedefinieerd door de enkele elektrode waarop de depositie zal plaatsvinden. Breng de stroom gedurende twee minuten aan om co-depositie van de cellen in de alginaatmatrix mogelijk te maken. Spoel de film met natriumchloride zoals eerder, schakel de antic-verbinding over naar de aangrenzende ITO-elektrode.
Herhaal de depositieprocedure, maar introduceer dit keer de oplossing die de afzendende cellen bevat. Incubeer de twee elektrodechip met de co-gedeponeerde cellen en calciumargenate een nacht bij 37 graden Celsius in fosfaatgebufferde zoutoplossing. Aangevuld met 10% LB-media en één millimolair calciumchloride. Na incubatie beeld de chip af met behulp van een fluorescentiemicroscoop om te beginnen met chitosan-elektrodeposition. Verbind de voeding met de elektroden.
Vuur alligatorklemmen af. Een met goud bekleed siliciumchip zal fungeren als de kathode en een platinafolie zal fungeren als de anode. Positioneer het gouden elektrodeoppervlak zodat het de tegenelektrode deponeert zoals eerder. Bereid een Kato-zandoplossing voor door Kato-zandkorrels in water te mengen en langzaam twee molaren waterstofchloride toe
Overzicht
Dit artikel presenteert een biofabricagetechniek voor het creëren van biocompatibele films met behulp van stimuli-responsieve polysacchariden en beïnvloede elektroden. De methode maakt de functionele bewerking van deze films met biologische componenten mogelijk, waardoor ze kunnen worden gebruikt in lab-on-a-chip-toepassingen.
Belangrijkste Studieonderdelen
Wetenschapsgebied
- Biofabricage
- Elektrochemie
- Biomaterialen
Achtergrond
- Elektrodepositie maakt gebruik van pH-veranderingen bij beïnvloede elektroden.
- Polysacchariden kunnen films vormen die reageren op elektrische signalen.
- Biologische componenten kunnen tijdens het depositieproces worden geïntegreerd.
- Deze aanpak vereenvoudigt de assemblage van biologische interfaces.
Doel van de Studie
- Om een methode te ontwikkelen voor het deponeren van biopolymere films.
- Om deze films te functionaliseren met eiwitten en cellen.
- Om de toepassing van deze films in lab-on-a-chip-instellingen te demonstreren.
Gebruikte Methoden
- Bereiding van polysacharide-oplossingen voor elektrodepositie.
- Toepassing van constante stroom om filmvorming te faciliteren.
- Fluorescentiebeeldvorming om biologische componenten te visualiseren.
- Incubatie van films met celculturen voor functionele testen.
Belangrijkste Resultaten
- Succesvolle depositie van gefunctionaliseerde films met gelokaliseerde biologische componenten.
- Gedemonstreerde enzymatische activiteit en celinteracties.
- Visuele bevestiging van de integriteit van de film en biologische functionaliteit.
- Herbruikbaarheid van elektroden voor meerdere depositiecycli.
Conclusies
- Deze biofabricagemethode biedt een eenvoudige en effectieve manier om interactieve oppervlakken te creëren.
- Het maakt gebruik van biologische zelf-assemblage voor fabricage op nanoschaal.
- De techniek heeft potentiële toepassingen in verschillende biomedische apparaten.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
Biofabrication enables the creation of functional biological interfaces on electrodes under near-physiological conditions, supporting lab-on-a-chip development for diagnostic and sensing applications. This approach reduces reliance on harsh chemical synthesis, preserving labile biomolecules while enabling precise spatial patterning of biological components. The technique bridges biotechnology and microelectronics, offering a scalable, reusable platform for early-stage target validation and assay development in pharmaceutical R&D.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through localized delivery of enzymes, DNA, or live cells onto electrode surfaces for functional readouts.
- Operational Value: Supports biological de-risking by maintaining biomolecule viability during assembly, reducing false negatives in target engagement studies.
- Predictive Value: Facilitates mechanistic de-risking by enabling real-time transduction of biochemical signals (e.g., glucose to electrical) for pathway confirmation.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates reproducible, micron-scale patterns of functionalized biological components on electrodes, enabling standardized compound screening.
- Quantitative Output: Enables electrochemical detection of enzymatic activity (e.g., glucose oxidase) and fluorescent reporter signals for dose-response analysis.
- Platform Reuse: Electrodes can be cleaned and reused across multiple deposition cycles, supporting cost-effective assay iteration.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Supports progression from discovery to preclinical by maintaining biological function in fabricated interfaces, enabling validation of cell-cell signaling (e.g., autoinducer-mediated DSRed expression).
- Biomarker Alignment: Enables monitoring of metabolite fluxes (e.g., glucose) as translational biomarkers in engineered tissue-mimetic systems.
- Risk-Adjusted Advancement: Provides early functional validation of biological components in device-compatible formats, informing go/no-go decisions.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into early discovery workflows by enabling hypothesis-driven assembly of biological sensors, supporting lead identification through functional readouts, and informing preclinical continuity via signal transduction validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing via spatially controlled presentation of biological components (e.g., enzymes, signaling molecules) to assess target engagement and pathway activity.
- Screening: Enables assay standardization through reproducible hydrogel film thickness and uniform biological component localization via electrodeposition parameters.
- Analytics: Provides quantitative electrochemical and fluorescent readouts (e.g., current response to glucose, DSRed fluorescence) for comparing experimental conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical validation by demonstrating cell-to-cell signal transmission (e.g., AI-2 diffusion triggering receiver cell response) in device-relevant formats.
- Enterprise Reuse: Electrode reusability and simple benchtop execution position biofabrication as a scalable, cross-project capability rather than a single-use technique.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence through direct transduction of biological signals to measurable electrical or fluorescent outputs, reducing mechanistic ambiguity.
- Operational Value: Standardization and reproducibility via controlled electrodeposition (current density, time) and near-physiological assembly conditions.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions by enabling early functional validation of biological components in assay-compatible formats, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization through generation of quantitative, reproducible data on biomolecule activity and interaction in microelectronic interfaces.
Implementation Considerations
- Requires expertise in electrochemistry, biomaterials, and fluorescence microscopy for solution preparation, deposition, and functionalization.
- Depends on potentiostat/galvanostat equipment, patterned electrodes (e.g., ITO, gold), and microfluidic-compatible chambers for current-controlled assembly.
- Necessitates standardization of deposition solutions (e.g., chitosan, alginate concentrations) and crosslinking conditions (e.g., CaCl2) across teams for film consistency.
- Adaptation to different biological components (e.g., proteins vs. cells) requires optimization of functionalization chemistry (e.g., enzymatic vs. electrochemical conjugation) and incubation conditions.
- Practical limitation: Hydrogel films may be mechanically delicate, requiring gentle handling during rinsing and imaging to prevent delamination or damage.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:57
Alginate Electrodeposition
4:40
Codeposition of Communication Cell Populations in Alginate
6:29
Chitosan Electrodeposition
7:51
Electrochemical Transduction with a Functionalized Chitosan Film
9:58
Protein Functionalization using Enzymatic Assembly
11:32
Results: Interactive Biofunctionalized Surfaces for Lab-on-a-chip Applications
14:41
Conclusion
