Formowanie, ograniczanie i obserwacja aktywnych nematyk opartych na mikrotubulach

Aktywna nematyka stała się ekscytującym tematem badawczym, który rozszerza dziedziny dynamiki nieliniowej i ciekłych kryształów. Istnieją złożone płyny, które wykazują śmiertelne defekty topologiczne i chaotyczną dynamikę. W literaturze przedmiotu znajduje się wiele najnowszych badań teoretycznych poświęconych ograniczonej nematyce aktywnej.

Jednak dla eksperymentatorów wyzwaniem było ograniczenie materiału do geometrii w mikroskali. Nasza technika sprawia, że konfiguracja eksperymentalna jest prostsza, dzięki czemu nowe grupy mogą wejść w teren i wypróbować te ekscytujące materiały. Techniki te mogą być stosowane w innych systemach materii aktywnej EQUIS, na przykład w celu utworzenia kompozycji fazowej efektów, a ponieważ w przyszłości opracowywane są bardziej aktywne fazy, eksperymentatorzy muszą znaleźć sposoby na ograniczenie materiału za pomocą podobnych nematyki.

Procedurę zademonstrują Derek Hammar i Fereshteh Memarian, doktoranci z mojego laboratorium. Aby przygotować hydrofilowe szkiełka nakrywkowe z powłoką akrylową, należy rozpocząć od dokładnego oczyszczenia szkiełek nakrywkowych wodą z mydłem, etanolem i 0,1 molowym wodorotlenkiem sodu z naprzemiennym płukaniem przy użyciu wody o czystości nano. Po spłukaniu pokryć okładkę roztworem silanu składającym się ze 100 mililitrów etanolu, jednego mililitra kwasu ascetycznego i 500 mikrolitrów metakrylanu trimetoksysililopropylu a przez 15 minut.

Następnie spłucz nano czystą wodą. Przygotuj roztwór akrylamidu z 95 mililitrów nano czystej wody i pięciu mililitrów 40-procentowego akryloamidu. Następnie odgazowywać roztwór przez 30 minut w piecu próżniowym, dodać 0,07 grama amonu na siarczyn i 35 mikrolitrów tetrametyloetylenodiaminy, aby uzyskać końcowe stężenie 2,3 milimola.

Wlać roztwór akrylamidu na szkiełka nakrywkowe skierowanymi do góry i inkubować przez noc w temperaturze pokojowej. Aby przygotować hydrofobowe szkiełka mikroskopowe, należy odpipetować 100 mikrolitrów roztworu hydrofobowego na czyste szklane szkiełko mikroskopowe. Następnie umieść na wierzchu kolejne czyste szkiełko podstawowe.

Zapewnia to równomierne pokrycie roztworu hydrofobowego na powierzchni, na której się znajduje przez dwie minuty. Wyjmij drugie szkiełko podstawowe i dokładnie spłucz pierwsze szkiełko wodą o czystości nano. Następnie wysuszyć gazowym azotem.

Przygotuj mieszaninę oleju inżynieryjnego, która zawiera 1,8% fluorowego środka powierzchniowo czynnego. Zamontuj szkiełko i szkiełko nakrywkowe za pomocą dwustronnych przekładek samoprzylepnych o długości 40 mikrometrów. Umieść przekładki w odległości 1.5 milimetra od siebie na hydrofobowym szkiełku mikroskopowym.

Następnie umieść szkiełko nakrywkowe pokryte akrylamidem na podkładkach dystansowych stroną zaimpregnowaną do dołu, aby przylegało. Po zbudowaniu komory przepływowej natychmiast odpipetować mieszaninę oleju do komory przepływowej, wypełniając zamkniętą przestrzeń za pomocą pipety w osobnej fiolce, delikatnie wymieszać sześć mikrolitrów materiału aktywnego z 3,73 mikrolitra mieszanki. Jeden mikrolitr roztworu mikrotubul, 0,6 mikrolitra roztworu ATP i 0,67 mikrolitra pipety buforowej M two B wypełnia sześć mikrolitrów świeżo zmieszanego materiału aktywnego do jednego otwartego końca komory przepływowej.

Część oleju zostanie wyparta przez roztwór wodny, gdy zostanie on wstrzyknięty do kanału. Można to usunąć na przeciwległym końcu kanału przepływowego za pomocą małego kawałka bibuły. Po napełnieniu uszczelnij obie strony komory przepływowej klejem epoksydowym, który twardnieje pod wpływem światła UV przez 20 sekund.

Ograniczenie warstwy czynnej między dwoma dopuszczalnymi płynami w warstwie quasi-2D. Umieścić komórkę przepływową w wirówce z odchylanym wiadrem z fazą wodną na górze i gęstszą warstwą oleju pod spodem, odwirować pod ciśnieniem 212 G na 10 minut. Po zakończeniu tego kroku komórkę przepływową można przenieść do mikroskopu epifluorescencyjnego w celu zobrazowania z obiektywem o powiększeniu 10 x lub 20 x.

Najpierw zaprojektuj główną formę dla PDMS. Można to osiągnąć poprzez drukowanie 3D filarów na podłożu. Po wydrukowaniu 3D formy głównej żywicy, wyczyść ją izopropanolem, a następnie utwardź formę pod lampą UV przez 45 minut i w piekarniku w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez dwie godziny, przygotuj poli barwnik metylowocyjan za pomocą utwardzacza elastomerowego i bazy elastomerowej.

Wymieszaj oba składniki w stosunku 1 do 10 za pomocą metalowej szpatułki. Aby usunąć te pęcherzyki, umieść mieszaninę w próżni w celu odgazowania na jedną godzinę, po czym nieutwardzony PDMS powinien wydawać się przezroczysty. Wlej PDMS do odpowiedniej formy i pozostaw na noc do utwardzenia w temperaturze 60 stopni Celsjusza.

Aby przygotować hydrofilową powierzchnię PDMS, wyczyść PDMS przez 10 minut zarówno etanolem, jak i izopropanolem, a następnie dokładnie spłucz trzykrotnie wodą dejonizowaną i wysusz. Użyj myjki plazmowej przez pięć minut, aby wyczyścić utwardzony na sucho PDMS. To sprawia, że powierzchnia jest bardziej hydrofilowa.

Następnie należy przygotować roztwór silanu i zanurzyć podłoże w tym roztworze na 15 minut w celu przygotowania powłoki akrylowej, dokładnie spłukać podłoże wodą dejonizowaną i zanurzyć w roztworze akrylamidu. Gdy jest gotowy do użycia, spłucz powierzchnię wodą dejonizowaną i osusz azotem do natychmiastowego użycia. Przymocuj PDMS do szkiełka za pomocą kleju epoksydowego, odpipetuj jeden mikrolitr mieszaniny aktywnej na podłoże PDM i natychmiast dodaj olej silikonowy na kroplę aktywnej sieci.

Aktywna sieć przeniesie się do studni. Ten proces trwa do 60 minut. Umieść urządzenie PDMS w wirówce z odchylanym wiadrem z warstwą oleju nad warstwą wody i wiruj przez 12 minut w temperaturze 212 G. Po zakończeniu tego kroku zabierz materiał do mikroskopu w celu zobrazowania, aby zarejestrować postęp materiału.

Gdy się równoważy. Reprezentatywny obraz przedstawia krótkie mikrotubule o podobnej długości. Poszczególne mikrotubule mogą być trudne do zobrazowania ze względu na ich mały rozmiar.

Do tego zastosowania najlepiej nadaje się kamera o wysokiej czułości przeznaczona do mikroskopii fluorescencyjnej. Dobrze uformowana aktywna warstwa pneumatyczna ma jednorodną teksturę, bez znaczących pustych przestrzeni i ruchomych wad topologicznych. Należy jednak pamiętać, że w uszkodzonych rdzeniach mogą występować pewne dopuszczalne małe puste przestrzenie.

Właściwa obróbka powierzchni, aby uzyskać powierzchnię hydrofilową lub hydrofobową. Dzięki tej metodzie można łatwo omówić geometrię walcowania, a aktywną strukturę można kontrolować, zmieniając tylko fizyczne unieruchomienie.