Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Biomimetisk replikering af root surface mikrostruktur ved hjælp af ændring af blød litografi

Published: August 5, 2020 doi: 10.3791/61437
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Institute of Plant Sciences, Agricultural Research Organization (Volcani Center), 2Agro-NanoTechnology and Advanced Materials Center, Agricultural Research Organization (Volcani Center)

Summary

Biomimetik er tidligere blevet brugt som et redskab til at studere blad-mikroorganisme interaktioner. Men, ikke et sådant værktøj findes for rødder. Her udvikler vi en protokol til at danne syntetiske overflader efterligne rodoverflade mikrostruktur til undersøgelse af rod-miljø interaktioner.

Abstract

Biomimetik er brugen af kemi og materialevidenskab til at efterligne biologiske systemer, specielt biologiske strukturer, for at forbedre menneskeheden. For nylig, biomimetiske overflader efterligne mikrostruktur af bladoverflade, blev brugt til at studere virkningerne af blad mikrostruktur på blad-miljø interaktioner. Men, ikke et sådant værktøj findes for rødder. Vi udviklede et værktøj, der tillader syntetisk efterligning af rodoverfladen mikrostruktur i en kunstig overflade. Vi stolede på den bløde litografi metode, kendt for blad overflade mikrostruktur replikation, ved hjælp af en to-trins proces. Det første skridt er den mere udfordrende, da det involverer det biologiske væv. Her brugte vi en anden polymer og hærdning strategi, bygger på den stærke, stive, polyurethan, hærdet af UV til rodstøbning. Dette gav os mulighed for at opnå et pålideligt negativt billede af rodoverfladens mikrostruktur, herunder de delikate, udfordrende funktioner som rodhår. Vi brugte derefter dette negative billede som en skabelon for at opnå rodoverfladen mikrostruktur replikation ved hjælp af både den veletablerede polydimethyl siloxane (PDMS) samt en cellulose derivat, ethyl cellulose, som repræsenterer en tættere efterligne af roden, og som også kan nedbrydes af cellulase enzymer udskilles af mikroorganismer. Denne nydannede platform kan bruges til at studere de mikrokonstruktionelle virkninger af overfladen i root-mikroorganisme interaktioner på samme måde som hvad der tidligere har været vist i blade. Derudover gør systemet det muligt for os at spore mikroorganismens placeringer i forhold til overfladefunktioner og i fremtiden dets aktivitet i form af cellulasekretion.

Introduction

Replikering af mikrostrukturer af bladoverfladen er en kendt metode i biomimetikforskningsfelt1,,2,,3,4. De tidligste replikationer af bladoverfladens mikrostruktur blev udført ved hjælp af neglelak og gummimaterialer , der blev anvendt på bladoverfladen for bedre visualisering af mikrokonstruktionen , specielt stomata5,6,7,8,9,10. Metoden blev derefter forbedret, og avancerede polymerer blev anvendt til at efterligne mikrostrukturer af bladoverfladen ved hjælp af blød litografi, især i forbindelse med biomimetik af super hydrofobiskeoverflader 2,,3,4,11,12. I de seneste år, denne metode blev bevist som et nyttigt redskab i undersøgelsen af samspillet mellem bladets overflade og mikroorganismer bosat påoverfladen,om de er patogene13,14 eller gavnlige, som en del af det naturlige blad phyllosfæren15. Forenkling af natursystemet har vist sig at være yderst nyttig i forbindelse med undersøgelsen af samspillet mellem overflade og mikroorganisme , selv når rent syntetiske systemer blev anvendt somoverflader 15,16,17,18.

Mens replikering af bladoverflademikrostruktur viste sig at være et nyttigt redskab til at studere den interaktion, der forekommer på bladets overflade med forskellige mikroorganismer, findes der ikke et sådant værktøj til planterødder. Planterødder er sværere at studere, da de bor under jorden og alle interaktioner forekommer i jorden. Svarende til blade, rod overflade mikrostruktur vil sandsynligvis spille en rolle i rod-mikroorganisme interaktioner. Men på nuværende tidspunkt findes der ingen metode til at isolere den specifikke rolle, som rodoverflademikrostruktur spiller i de komplekse rodmikroorganismeinteraktioner. Den mest undersøgte rod overflade mikrostrukural funktion er roden hår19,,20,,21. Rodhår har en vigtig rolle i at øge overfladearealet og ved at tillade mere effektiv indtagelse af næringsstofferog vand 22,men deres engagement som et strukturelt træk i root-mikroorganisme interaktioner er aldrig blevet testet.

Den mest udbredte polymer til blød litografi i blade er polydimethyl siloxan (PDMS). PDMS-egenskaber ligner egenskaberne i bladstulatet15,23. I planterødder er det mest rigelige materiale imidlertid cellulose24,25, som har andre egenskaber end PDMS26,27,28., Brug pdms til at opbygge en syntetisk platform til at studere overfladen mikrostruktur effekter i rod-miljø interaktioner er derfor mindre end ideel.

Den protokol, der præsenteres her, gør det muligt at danne syntetisk rodoverflademikrostrukturreplika fra forskellige materialer. Ligesom metoden til blad overflade mikrostruktur replikering dette er en to-trins proces. Det første skridt bruger det biologiske væv (rod) som en kilde til støbning i en polyurethan skimmel (en negativ replika). Polyurethanformen, som repræsenterer det negative billede af rodoverfladens mikrostruktur, kan derefter bruges som base for at generere den positive replikation af rodoverfladens mikrostruktur fra en række forskellige materialer, herunder PDMS og cellulosederivater. Denne rodoverfladereplikering kan senere bruges som en platform til at forstå overfladestrukturens rolle i root-microorganism interaktioner.

Protocol

1. Dyrkning af planter og rodforberedelse

  1. Mulighed 1: Forbered utilsigtede rødder fra stilken.
    1. Tag en rode bakke til dyrkning af planter.
    2. Fyld bakken med jord.
    3. Tilføj et frø af M82 tomatkult i hver celle i bakken.
    4. Dæk frøene med lidt jord.
    5. Vand bakken fra bunden med en dropper som vandet fylder bunden af bakken og jorden absorberer vand.
    6. Tilsæt 2 ml gødning pr. 1 L vand til bunden af bakken en gang om ugen.
    7. Dyrk i et vækstkammer ved 25 °C.
    8. Brug lysforhold på 9 timer lys (7:00-16:00) vekslede med 15 h mørke.
    9. Efter 3 uger fjerne planten fra jorden.
    10. Skær rodsystemet fra anlægget på det sted, hvor samspillet med stilken.
    11. Læg den rodløse plante i et bægerglas fyldt med vand.
    12. Efter et par dage, skære utilsigtede rødder, der kommer ud af stilken og bruge dem til replikation.
  2. Mulighed 2: Forbered frø spirende rødder.
    1. Våd en petriskål størrelse filterpapir med vand.
    2. Sæt flere M82 frø (ikke mere end 10) på papiret, inde i en petriskål.
    3. Pladen inkuberes ved 25 °C.
    4. Fugt papiret hver dag.
    5. Efter spirede rødder er lange nok (ca. 5 dage), fjerne frøene og bruge rødderne til replikation.

2. Forberedelse af roden negative replika fra polyurethan

  1. For at generere negativ replika opløsning, tilsættes 9.49 g diurethan dimethacrylat til en 20 ml hætteglas.
    1. Der tilsættes 1,45 ml ethylmetryrylat til hætteglasset.
    2. Rør ved stuetemperatur (RT), indtil opløsningen ser klar og bliver homogen.
      BEMÆRK: Ca. 2 timer er tilstrækkeligt til at nå en homogen opløsning.
    3. Tilsæt 3 ml af blødgøreren, diethylphthalat, og rør i 1 time på RT.
      BEMÆRK: Diethylphthalat er miscible i acrylat monomer.
    4. Der tilsættes 300 μL fotoinitiativtager, 2-hydroxy-2-methylpropiophenon, og der omrøres natten over ved RT. Fortsæt omrøringen, indtil alle bobler er fjernet.
      BEMÆRK: Protokollen kan sættes på pause her. Løsningen kan opbevares på RT.
  2. For at generere den negative kopi af roden, tage en ren glas dias og hæld 1 ml af den negative replika løsning på det.
    1. Placer 2\u20123 rødder over løsningen. Lad ikke rødderne være helt dækket af opløsningen.
    2. Hold diaset under 8 W ultraviolet (UV) lampe i 8\u201210 min. Opløsningen må ikke opbevares for længe under UV-lys.
      BEMÆRK: Det er vigtigt ikke at holde opløsningen under UV-lyset for længe, da det gør polyurethan for hårdt, hvilket gør det umuligt at fjerne roden.
    3. Sluk for UV-lampen, fjern replikaen fra glasrutsjebanen og læg den i en petriskål fyldt med ethanol for at fjerne ureageret monomer.
    4. Hvis du vil hente den negative replika, skal du fjerne roden fra replikaen meget langsomt ved hjælp af en yp.

3. Forbered roden positive replika fra PDMS.

  1. For at generere blandingen til den positive replika, placere 10 g dimethyl siloxan i et papir kop.
    1. Tilsæt 1 g hærdemiddel og bland grundigt.
    2. Blandingen opbevares i en eksikator under vakuum i 2 timer for at fjerne luftbobler.
  2. For at generere den positive replika skal du placere den negative polyurethanregikat i en petriskål.
    1. Hæld PDMS-blandingen oven på den negative replika.
    2. Påfør vakuum i 2 timer for at sikre dækning af mikrokonstruktionen.
    3. Hold petriskålen natten over på RT.
    4. Adskil den hærdede positive replika fra den negative replika i hånden.

4. Forbered roden positive replika fra ethyl cellulose.

  1. For at generere ethylcelluloseopløsningen sættes 1,32 ml diethylpthalat som blødisator i en 100 ml kop.
    1. Der tilsættes 20 ml ethanol og omrøres ved RT i 2 timer.
    2. Der tilsættes 3,3 g ethylcellulose og omrøres natten over.
  2. For at generere den positive replika skal du placere den negative polyurethanregikat i en petriskål.
    1. Ethylcelluloseopløsningen hældes oven på den negative replika.
    2. Hold petriskålen natten over på RT under kølerhjelmen.
    3. Fjern den positive replika fra den negative replika meget langsomt ved hjælp af fingpper.

Representative Results

For at danne roden overflade mikrostruktur replikation, skal en rod vælges til støbning. Vi dyrker tomatplanter i jorden, hvilket gør brugen af den naturlige rod fra rodsystemet ekstremt udfordrende. Fjernelse af jord fra rodsystemet kan være svært og derudover rodsystemet rødder er skrøbelige og kan bryde ved støbning forsøg. Vi foreslår derfor først at bruge mere stive rødder, at etablere protokollen i laboratoriet. Dannelsen af sådanne rødder er beskrevet i figur 1A. Planterodssystemet fjernes, efter at planten blev dyrket i 3 uger, og den rodløse plante anbringes i vand i ca. en uge, indtil utilsigtede rødder kommer ud af stilken. Disse rødder kan bruges til replikering under protokolvirksomheden. Når protokollen er veletableret, ønskes en mere realistisk rodoverfladestruktur. Her foreslår vi at undgå rødder dyrket i jord som fuld fjernelse af jord i ekstremt udfordrende. I stedet foreslår vi brugen af spirende rødder, der leverer værdifulde oplysninger om roden overflade mikrostruktur af en genetisk specifik plante. Væksten i sådanne rødder er beskrevet i figur 1B. Frøene anbringes på et vådt filterpapir og inkuberes ved 25 °C. Efter ca. 5 dage, hvor filterpapiret holdes fugtigt, er de spirede rødder lange nok til replikation. Disse rødder er mere skrøbelige end de tidligere foreslåede rødder og kræver mere delikat pleje.

Produktionen af roden overflade mikrostruktur replika er en to-trins proces. I det første skridt den naturlige rod bliver støbt ind i en polyurethan baseret skimmel (den negative replika). Fordelen ved dette trin er, at alle materialer til polyurethanformen er under forberedelse, og roden er placeret oven på den forberedte opløsning til allerlig ende for en 10 min eksponering for UV. Som følge heraf udsættes det biologiske væv ikke for barske forhold for længe og kan forsigtigt håndteres ved afslutningen af processen. Hvis alle protokoltrinne følges, genereres der en god negativ replika. Denne replika vil vise cellestrukturen af roden overflade samt huller, der repræsenterer placeringen af rodhår (Figur 2A). Hvis nogle kritiske trin i protokollen ikke følges, mislykkes proceduren. Et sådant skridt er placeringen af roden på polyurethan opløsning før hærdning. Roden skal placeres meget forsigtigt for at undgå nedsænkning af det i polyurethanopløsningen. En sådan nedsænkning, af nogen del af roden, vil forårsage fastklemer af roden i den hårde polymer uden evne til at fjerne det. Hvis en sådan hændelse indtræffer, forbliver roden inden for den negative replika, efter at den er blevet helbredt (Figur 2B). Et andet afgørende skridt er med hensyn til hærdningstiden med UV-lys. Den anbefalede hærdningstid er 8\u201210 min. Går forbi 10 min vil resultere i en ekstremt hård polyurethan skimmel, hvilket gør det umuligt at fjerne roden uden at bryde det inden for polyurethan skimmel. Bruddet på roden kan undertiden være synligt for det blotte øje, fx når et stort stykke er brudt (Figur 2C, top, markeret med lilla pile). Men nogle gange små rodstykker er tilbage i materialet, som er vanskelige at få øje på med det blotte øje og et mikroskop skal anvendes(Figur 2C, bund, markeret med lilla pile). Vi anbefaler nøje at undersøge polyurethan negative replika med et mikroskop før fortsættelsen af protokollen for at sikre, at ingen resterende rod er til stede.

Når polyurethan negative replika er forberedt; mange materialer kan bruges til fremstilling af den positive replika. Udarbejdelsen af den positive replika, ved hjælp af polyurethan negative replika som en form, er ligetil og afhænger helt af kvaliteten af polyurethan negative replika. For at generere den positive replika har vi brugt både PDMS- som det er velkendt inden for blød litografi (Figur 3A)- og ethylcellulose som et materiale, der bedre efterligner egenskaberne af rodoverfladen, som for det meste er sammensat af cellulose (Figur 3B). SEM-billedet af PDMS-replikaen viser rodhårene meget tydeligt. Hårene er i forlængelse zone, hvor de begynder at dukke op. Derfor længden af rodhår varierer langs rodoverfladen, da de bliver længere, meget gerne i den naturlige rod (Figur 3A). Ethylcellulose genererer hårdere og mindre fleksibel film end PDMS. Derfor er fjernelsen af det fra den negative mug kræver mere omhu. Nogle hår og overflademikrifturen er dog synlige under det lysemikroskop (figur 3B). Vi brugte disse to materialer til at generere den positive replika, men ethvert materiale, der kan danne en film vil være en god kandidat til den positive replika, ved hjælp af polyurethan negative replika.

Figure 1
Figur 1: Tomatplanterødder til replikation. (A) En tomatplante (M82) dyrkes ved 25 °C med 9 h lys og 15 timer mørke. Efter 3 uger fjernes planten fra jorden, og rodsystemet afskæres. Den rodløse plante er sat i vand, indtil utilsigtede rødder kommer ud af stilken efter omkring en uge. Disse rødder viser ikke den nøjagtige struktur som rødderne fra rodsystemet, men de repræsenterer en god model. Disse rødder er mindre skrøbelige end rodsystemet rødder og dermed foretrækkes at arbejde med, når oprettelse af teknikken i laboratoriet. (B) Tomatfrø (M82) sættes på et vådt filterpapir i en petriskål og inkuberes ved 25 °C. Papiret er hydreret hver dag, og frøene spirer. Rødderne vokser, og efter ca 5 dage er lange nok til at blive brugt til replikation. Disse rødder er blidere og bør anvendes, når metoden er veletableret. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: Mikroskopi billeder af polyurethan negativ replika. (A) SEM billede af polyurethan negativ replika lavet i henhold til en protokol efter alle trin. Cellestrukturen er tydeligt synlig. Gule pile peger på huller dannet af hårene i roden. (B) Lys mikroskopi billeder af polyurethan negativ replika med en rod inde i det, da det var fuldt dækket med opløsningen og fjernelse af det var umuligt. Polyurethan negative blev helbredt med roden indeni. Roden er synlig med øjet og ved hjælp af lys mikroskopi. Det er umuligt at fjerne denne rod fra den hærdede replika. (C) Lys mikroskopi billeder af polyurethan negativ replika, der blev holdt under UV-lys for længe. Som følge heraf kunne roden ikke fjernes helt fra polymeren med enten store partikler synlige med øjet (øverste billede, markeret med lilla pile) eller små fraktioner, der kun er synlige ved mikroskop (lavere billede, markeret med lilla pile). Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Mikroskopbilleder af positiv replika. (A) SEM mikrograf af en positiv replika fremstillet af PDMS. Udvidelsen viser rodhår. (B) Lys mikroskopi billeder af en positiv replika fremstillet af ethyl cellulose. Hår vises på billederne til højre, mens overfladeteksturen er synlig i billedet til venstre. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Vi præsenterer en ny metode til replikering af rodoverfladen mikrostruktur. Denne metode bygger på eksisterende metoder til bladoverfladens mikrostrukturreplikation4. For at udvikle denne metode, vi var nødt til at justere den eksisterende metode til blade. Vi indså, at det problematiske skridt i at kopiere bladet replikering metode til rødder indebærer det første skridt i roden støbning. Dette er den mest følsomme del af metoden, da det involverer det biologiske væv. Som følge heraf ønskede vi at vælge en polymer, der ville kræve relativt skånsomme betingelser for hærdning og dermed forårsage minimal skade på det biologiske væv. Vi valgte polyurethan, fordi det kan polymeriseres hurtigt (inden for 10 min) under UV-lys29. Derudover er det meget svært, når polymeriseret30, og vi håbede, at denne egenskab ville give mulighed for relativt nem fjernelse af roden fra polyurethanformen.

Den præsenterede metode er en to-trins tilgang, hvor det negative billede (negativ replika) dannes i det første trin, og replikeringen dannes i det andet trin, baseret på den negative replika. Dette udvider den vifte af materialer, vi kan arbejde med. Replikation af bladoverfladens mikrostruktur blev hovedsagelig udført på PDMS - eller epoxymaterialer11,31. Noget arbejde blev udført med andre materialer , specielt materialer, der understøtter mikroorganismevækst 13,32. Dette skyldes, at denne metode i de senere år er blevet anvendt til at studere mikroorganisme-overflade interaktioner i forbindelse med bladoverfladestruktur. Der er imidlertid ikke anvendt celluloselignende materialer i denne metode i forbindelse med blade. Vi foreslår brug af en polyurethan negativ replika som en støbeform og en række materialer til den positive replika. Med andre ord, hvilket gør den positive replika, fra en række forskellige materialer, er relativt let, når en god negativ replika er lavet. Vi bruger i øjeblikket cellulose derivater, men er ved at undersøge mulighederne for at bruge mere relevante materialer til rodoverfladen såsom pektin og lignin33,34 i kombination med cellulose derivater.

Metoden udvider også den eksisterende metode til bladoverflade mikrostruktur replikation, da bladet er en 2D-overflade, mens rodoverfladen er buet og dermed er en 3D-overflade. Vores metode gør det ikke muligt at replikere hele overfladen, da indlejring af hele roden i polyurethanopløsningen ikke giver mulighed for dens frigivelse. Derfor skal den ene side af roden vælges, når roden overflade mikrostruktur. Den genererede syntetiske overflade er buet og repræsenterer omkring halvdelen af overfladen, men ikke det hele. Vores antagelse er, at de strukturelle træk ved rodoverfladen er for det meste symmetriske om aksen langs rodlængden. Men i undersøgelser, hvor en sådan symmetri ikke antages, bør man være omhyggelig med at vælge den passende side rod til at replikere.

Vi præsenterer to muligheder for rødder, der skal bruges som forme. Den første er muligheden for utilsigtede rødder dyrket fra stilken og den anden er muligheden for spirede rødder på papir. Den første mulighed er for det meste beregnet til at hjælpe forskere med at praktisere metoden, da disse rødder er mere robuste og lettere at arbejde med. Den anden mulighed repræsenterer de genetiske forskelle, der kan findes mellem rødderne af forskellige sorter, uanset de miljømæssige forhold. Disse overflader kan bruges som vigtige forskningsværktøjer, men man skal være opmærksom på, at miljøet kan have en stærk indflydelse på rodens overfladestruktur, især den jord, hvor rødderne dyrkes35,36. På grund af den mekaniske belastning, som jorden, nogle morfologiske ændringer er bundet til at ske, ud over sår påfængt på overfladen som roden trængerind i jorden 37. Fjernelse af rødder fra jorden, samt rengøring dem, uden at beskadige deres struktur er en meget vanskelig opgave. Derfor er vi ikke optimistiske med hensyn til evnen til at bruge denne metode til pålideligt at efterligne roden overflade mikrostruktur af rødder dyrket i jord. Men for forskning, der fokuserer på genetiske forskelle eller miljømæssige forskelle, hvor ændringen i mikrostruktur er mærkbart klar, kan denne metode bruges som et redskab til at undersøge indflydelsen af rodoverfladen mikrostruktur.

Vores metode producerer en inert overflade efterligner kun de mikrostrulige egenskaber af rodoverfladen. Mens denne metode er designet til at adskille de strukturelle virkninger i rod-miljø interaktioner fra alle andre effekter, Vi kan ikke ignorere de kemiske forbindelser i disse interaktioner. Nogle mikroorganismer kan ikke overleve eller fungere på overfladen uden tilsætning af forbindelser, specielt næringsstoffer. Det næste skridt i udviklingen af denne platform vil være kontrolleret tilsætning af kemiske forbindelser til at studere deres virkninger på de forskellige interaktioner, når de kombineres med struktur.

Denne metode blev udviklet som et første skridt i udviklingen af en syntetisk platform til at studere root-mikroorganisme interaktioner. Her efterligner vi mikrokonstruktionen af rodoverfladen, og denne første platform kan bruges til at studere overfladens mikrostrukturs indflydelse på mikroorganismens adfærd. Men denne platform er begrænset, da den mangler mange andre elementer fra det naturlige system. Denne platform bør videreudvikles ved hjælp af de rigtige materialer til at generere overfladen og med tilsætning af andre, kritiske kemikalier i systemet. I en mere avanceret platform kan vi også forestille os rumlig fordeling af kemikalierne. Men da der i øjeblikket ikke findes nogen anden metode til at isolere strukturelle virkninger i root-mikroorganisme interaktioner, vi håber forskere kunne bruge denne oprindelige platform til at stille struktur-specifikke spørgsmål i disse interaktioner.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Forskning blev støttet af frø midler fra The Agricultural Research Organization til MK.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
2-hydroxy-2-methylpropiophenone Sigma 405655
Diethyl phthalate Across 114520010
Diurethane dimetharylate Sigma 436909
Ethyl cellulose Across 232705000
Ethyl methacrylate Sigma 234893
Shaphir Solution GAT fertilizer 6-2-4
Sylgard 184 kit Polymer-G 510018400500

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bhushan, B., Jung, Y. C., Niemietz, A., Koch, K. Lotus-Like Biomimetic Hierarchical Structures Developed by the Self-Assembly of Tubular Plant Waxes. Langmuir. 25, 1659-1666 (2009).
  2. Koch, K., Barthlott, W. Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 367, 1487-1509 (2009).
  3. Schulte, A. J., Koch, K., Spaeth, M., Barthlott, W. Biomimetic replicas: Transfer of complex architectures with different optical properties from plant surfaces onto technical materials. Acta Biomaterialia. 5, 1848-1854 (2009).
  4. Koch, K., Schulte, A., Fischer, A., Gorb, S., Barthlott, W. A fast, precise and low-cost replication technique for nano- and high-aspect-ratio structures of biological and artificial surfacese. Bioinspiration & Biomimetics. 3, 046002 (2008).
  5. Weyers, J. D. B., Johansen, L. G. Accurate Estimation of Stomatal Aperture From Silicone Rubber Impressions. New Phytology. 101, 109-115 (1985).
  6. Hilu, K. W., Randall, J. L. Convenient Method for Studying Grass Leaf Epidermis. Taxon. 33, 413-415 (1984).
  7. Sampson, J. A. Method of replicating Dry or Moist Surfaces for Examination by Light. Nature. 191, 932-933 (1961).
  8. Weyers, J. B. D., Travis, A. J. Selection and Preparation of Leaf Epidermis for Experiments on Stomatal Physiology. Journal of experimental botany. 32, 837-850 (1981).
  9. Groot, J. The Use of Silicone Rubber Plastic for Replicating Leaf Surfaces. Acta Botanica. Neerlandica. 18, 703-708 (1969).
  10. Wu, S., Zhao, B. Using Clear Nail Polish to Make Arabidopsis Epidermal Impressions for Measuring the Change of Stomatal Aperture Size in Immune Response. Plant Pattern Recognition Receptors. , 243-248 (2017).
  11. Wu, W., Guijt, R., Silina, Y., Koch, M., Manz, A. Plant leaves as templates for soft lithography. RSC Advances. 6, 22469-22475 (2016).
  12. Barthlott, W., Mail, M., Bhushan, B., Koch, K. Plant Surfaces: Structures and Functions for Biomimetic Innovations. Nano-Micro Letters. 9, 23 (2017).
  13. Zhang, B., et al. Fabrication of biomimetically patterned surfaces and their application to probing plant-bacteria interactions. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, 12467-12478 (2014).
  14. Szyndler, M. W., Haynes, K. F., Potter, M. F., Corn, R. M., Loudon, C. Entrapment of bed bugs by leaf trichomes inspires microfabrication of biomimetic surfaces. Journal of the Royal Society Interface. 10, 20130174 (2013).
  15. Doan, H. K., Leveau, J. H. J. Artificial Surfaces in Phyllosphere Microbiology. Phytopathology. 105, 1036-1042 (2015).
  16. Chung, K. K., et al. Impact of engineered surface microtopography on biofilm formation of Staphylococcus aureus. Biointerphases. 2, 89-94 (2007).
  17. Sirinutsomboon, B., Delwiche, M. J., Young, G. M. Attachment of Escherichia coli on plant surface structures built by microfabrication. Biosystems Engineering. 108, 244-252 (2011).
  18. Bhattacharjee, A., Khan, M., Kleiman, M., Hochbaum, A. I. Effects of Growth Surface Topography on Bacterial Signaling in Coculture Biofilms. ACS Applied Materials and Interfaces. 9, 18531-18539 (2017).
  19. Measuring roots: an updated approach. Mancuso, S. , Springer Science & Business Media. (2011).
  20. Schneider, K., Wells, B., Dolan, L., Roberts, K. Structural and genetic analysis of epidermal cell differentiation in Arabidopsis primary roots. Development. 1798, 1789-1798 (1997).
  21. Dolan, L., et al. Clonal relationships and cell patterning in the root epidermis of Arabidopsis. Development. 2474, 2465-2474 (1994).
  22. Leitner, D., et al. A dynamic model of nutrient uptake by root hairs. New Phytology. 185, 792-802 (2010).
  23. Soffe, R., Bernach, M., Remus-emsermann, M. N. P., Nock, V. Replicating Arabidopsis Model Leaf Surfaces for Phyllosphere Microbiology. Scientific Reports. 9, 1-12 (2019).
  24. Sorieul, M., Dickson, A., Hill, S. J., Pearson, H. Plant fibre: Molecular structure and biomechanical properties, of a complex living material, influencing its deconstruction towards a biobased composite. Materials. 9, 618 (2016).
  25. Gibson, L. J. The hierarchical structure and mechanics of plant materials. Journal of the Royal Society Interface. 9, 2749-2766 (2012).
  26. Poletto, M., Pistor, V., Zattera, A. J. Structural characteristics and thermal properties of native cellulose. Cellulose-fundamental aspects. , 45-68 (2013).
  27. Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J. A., Simonsen, J., Youngblood, J. Cellulose Nanomaterials Review: Structure, Properties. Chemical Society Reviews. 40, 3941-3994 (2011).
  28. Johnston, I., McCluskey, D., Tan, C., Tracey, M. Mechanical characterization of bulk Sylgard 184 for microfluidics and microengineering. Journal of Micromechanics and Microengineering. 24, 035017 (2014).
  29. Yan-yan, W., Ying-wu, L., Bao-fang, L., Bo-geng, L. Water-soluble UV curable urethane methyl acrylate coating: preparation and properties. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 5, 906-911 (2004).
  30. Bao, L., Huang, Y. Synthesis and Properties of UV Curable Waterborne Polyurethane Acrylate Based on Modified Castor Oil. The pharmaceutical and chemical journal. 4, 34-40 (2017).
  31. Sharma, V., Orejon, D., Takata, Y., Krishnan, V., Harish, S. Gladiolus dalenii Based Bioinspired Structured Surface via Soft Lithography and Its Application in Water Vapor Condensation and Fog Harvesting. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6, 6981-6993 (2018).
  32. Soffe, R., Altenhuber, N., Bernach, M., Remus-Emsermann, M. N. P., Nock, V. Comparison of replica leaf surface materials for phyllosphere microbiology. PloS one. 14, 1-19 (2019).
  33. Whitehead, D. C., Buchan, H., Hartlay, R. D. Composition and decomposition of roots of ryegrass and red clover. Soil Biology and Biochemistry. 11, 619-628 (1979).
  34. Ververis, C., Georghiou, K., Christodoulakis, N., Santas, P., Santas, R. Fiber dimensions, lignin and cellulose content of various plant material and their suitability for paper production. Industrial crops and products. 19, 245-254 (2004).
  35. Croser, C., Bengough, A. G., Pritchard, J. The effect of mechanical impedance on root growth in pea (Pisum sativum). II. Cell expansion and wall rheology during recovery. Physiologia Plantarum. 109, 150-159 (2000).
  36. Lipiec, J., Horn, R., Pietrusiewicz, J., Siczek, A. Effects of soil compaction on root elongation and anatomy of different cereal plant species. Soil and Tillage Research. 121, 74-81 (2012).
  37. Potocka, I., Szymanowska-Pulka, J. Morphological responses of plant roots to mechanical stress. Annals of botany. 122, 711-723 (2018).

Tags

Bioengineering Rod Overflade Mikrostruktur Syntetisk Biomimetisk Interaktion
Biomimetisk replikering af root surface mikrostruktur ved hjælp af ændring af blød litografi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M.… More

Kumari, P., Sayas, T., Kleiman, M. Biomimetic Replication of Root Surface Microstructure using Alteration of Soft Lithography. J. Vis. Exp. (162), e61437, doi:10.3791/61437 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter