Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Bioengineering

Biomimetisk replikering av rotytans mikrostruktur med ändring av mjuk litografi

doi: 10.3791/61437 Published: August 5, 2020

Summary

Biomimetik har tidigare använts som ett verktyg för att studera bladmikroorganisminteraktioner. Det finns dock inget sådant verktyg för rötter. Här utvecklar vi ett protokoll för att bilda syntetiska ytor som efterliknar rotytans mikrostruktur för studier av root-environment interaktioner.

Abstract

Biomimetik är användningen av kemi och materialvetenskap för att efterlikna biologiska system, särskilt biologiska strukturer, för att förbättra mänskligheten. Nyligen användes biomimetiska ytor som härmar mikrostrukturen av bladytan för att studera effekterna av bladmikrostruktur på bladmiljöinteraktioner. Det finns dock inget sådant verktyg för rötter. Vi utvecklade ett verktyg som gör det möjligt för den syntetiska härmningen av rotytans mikrostruktur till en konstgjord yta. Vi förlitade oss på den mjuka litografimetoden, känd för bladytans mikrostrukturreplikation, med hjälp av en tvåstegsprocess. Det första steget är det mer utmanande eftersom det innebär den biologiska vävnaden. Här använde vi en annan polymer och härdning strategi, förlitar sig på den starka, styva, polyuretan, botas av UV för rotgjutning. Detta gjorde det möjligt för oss att uppnå en tillförlitlig negativ bild av rotytan mikrostruktur inklusive känsliga, utmanande funktioner såsom rot hårstrån. Vi använde sedan denna negativa bild som en mall för att uppnå rotytan mikrostruktur replikering med både väletablerade polydimethyl siloxan (PDMS) samt en cellulosa derivat, etyl cellulosa, som representerar en närmare härma av roten och som också kan brytas ned av cellulasenzymer utsöndras av mikroorganismer. Denna nybildade plattform kan användas för att studera ytans mikrostrukturella effekter i interaktioner mellan rot-mikroorganism på ett liknande sätt som vad som tidigare har visats i löv. Dessutom gör systemet det möjligt för oss att spåra mikroorganismens platser, i förhållande till ytegenskaper, och i framtiden dess aktivitet, i form av cellulassekretion.

Introduction

Replikering av mikrostruktur med bladytor är en känd metod inom forskningsområdet biomimetik1,,2,,3,4. De tidigaste replikeringarna av bladytans mikrostruktur utfördes med hjälp av nagellack och gummimaterial som applicerades på bladytan för bättre visualisering av mikrostrukturen, särskilt stomata5,,6, 7,,7,8,9,10. Metoden förbättrades sedan, och avancerade polymerer användes för att efterlikna bladytans mikrostruktur med hjälp av mjuk litografi, särskilt i samband med biomimetik av super hydrofoba ytor2,,3,4,,11,12. Under de senaste åren har denna metod visat sig vara ett användbart verktyg i studien av samspelet mellan bladytan och mikroorganismer som bor på ytan oavsett om de är patogena13,,14 eller fördelaktigt, som en del av den naturliga bladfyllosfären15. Förenkling av det naturliga systemet har visat sig vara mycket användbart i studien av yt-mikroorganism interaktioner även när rent syntetiska system användes som ytor15,16,17,18.

Medan replikering av bladytan mikrostruktur visade sig vara ett användbart verktyg för att studera samspelet som förekommer på ytan av bladet med olika mikroorganismer, finns inget sådant verktyg för växtrötter. Växtrötter är svårare att studera eftersom de bor under marken och alla interaktioner förekommer i jorden. I likhet med blad, rot yta mikrostruktur kommer sannolikt att spela en roll i rot-mikroorganism interaktioner. För närvarande finns det dock ingen metod för att isolera den specifika rollen för rotyvattenmikrostruktur i de komplexa interaktionerna mellan rot-mikroorganism. Den mest studerade rotytan mikrostrukturella funktionen är rothår19,20,21. Rothår har en viktig roll för att öka ytan och genom att möjliggöra ett effektivare intag av näringsämnen och vatten22, men deras engagemang som ett strukturellt inslag i rot-mikroorganism interaktioner har aldrig testats.

Den mest använda polymeren för mjuk litografi i blad är polydimetylsiloxan (PDMS). PDMS egenskaper liknar de i blad nagelband15,23. Men i växtrötter, det mest rikliga materialet är cellulosa24,25 som har andra egenskaper än PDMS26,27,28. Att använda PDMS för att bygga en syntetisk plattform för att studera ytmikrostruktureffekterna i interaktioner mellan rotmiljöer är därför mindre än idealiskt.

Det protokoll som presenteras här möjliggör bildandet av syntetiska rot yta mikrostruktur replika från olika material. Liksom metoden för bladytan mikrostruktur replikering detta är en tvåstegsprocess. Det första steget använder den biologiska vävnaden (rot) som en källa för gjutning i en polyuretan mögel (en negativ replika). Den polyuretan mögel, som representerar den negativa bilden av rotytan mikrostruktur, kan sedan användas som bas för att generera positiv replikering av rotytan mikrostruktur från en mängd olika material, inklusive PDMS och cellulosa derivat. Denna rotytareplikering kan senare användas som en plattform för att förstå ytstrukturrollen i interaktioner med rot-mikroorganism.

Protocol

1. Odling av växter och rotberedning

  1. Alternativ 1: Förbered oavsiktliga rötter från stammen.
    1. Ta en böka bricka för växande växter.
    2. Fyll brickan med jord.
    3. Tillsätt ett frö av M82 tomat sort till varje cell i facket.
    4. Täck fröna med lite jord.
    5. Vattna facket från botten med en dropper som vattnet fyller botten av facket och jorden absorberar vatten.
    6. Tillsätt 2 ml gödselmedel per 1 L vatten till botten av facket en gång i veckan.
    7. Odla i en växande kammare vid 25 °C (85 °F).
    8. Använd ljusförhållandena på 9 h ljus (7:00-16:00) varvas med 15 h mörker.
    9. Efter 3 veckor ta bort växten från jorden.
    10. Skär rotsystemet från växten vid tidpunkten för interaktion med stammen.
    11. Lägg den rotlösa växten i en bägare fylld med vatten.
    12. Efter några dagar, skär de oavsiktliga rötter som kommer ut från stammen och använda dem för replikering.
  2. Alternativ 2: Förbered frö groning rötter.
    1. Blöta ett filterpapper i petriskålsstorlek med vatten.
    2. Sätt flera M82 frön (högst 10) på papperet, inuti en petriskål.
    3. Inkubera plattan vid 25 °C.
    4. Återfukta papperet varje dag.
    5. Efter grodda rötter är tillräckligt länge (ca 5 dagar), ta bort fröna och använda rötterna för replikering.

2. Beredning av rotnegativ replik från polyuretan

  1. För att generera negativ replika lösning, tillsätt 9,49 g diuretan dimethacrylate till en 20 ml injektionsflaska.
    1. Tillsätt 1,45 ml etylmetakrylat till injektionsflaskan.
    2. Rör om i rumstemperatur (RT) tills lösningen ser klar ut och blir homogen.
      OBS: Ungefär 2 h är tillräckligt för att nå en homogen lösning.
    3. Tillsätt 3 ml av mjukgöraren, dietylftalat, och rör om i 1 h vid RT.
      OBS: Dietylftalat är inkibel i akrylatmonomer.
    4. Tillsätt 300 μL av fotoinitieraren, 2-hydroxy-2-metylpropiofenon, och rör om över natten vid RT. Fortsätt röra om tills alla bubblor tas bort.
      Protokollet kan pausas här. Lösningen kan förvaras på RT.
  2. För att generera den negativa replika av roten, ta en ren glasskiva och häll 1 ml av den negativa replika lösningen på den.
    1. Placera 2\u20123 rötter över lösningen. Låt inte rötterna täckas helt av lösningen.
    2. Håll bilden under 8 W ultraviolett (UV) lampa för 8\u201210 min. Håll inte lösningen under UV-ljus för länge.
      OBS: Det är viktigt att inte hålla lösningen under UV-ljuset för länge eftersom det gör polyuretan för hårt, vilket gör det omöjligt att ta bort roten.
    3. Stäng av UV-lampan, ta bort repliken från glasskivan och lägg den i en petriskål fylld med etanol, för att ta bort oreagerad monomer.
    4. För att få den negativa repliken, ta bort roten från repliken mycket långsamt med pincett.

3. Förbered rotpositiv replik från PDMS.

  1. För att generera blandningen för den positiva replika, placera 10 g dimetylsiloxan i en pappersmugg.
    1. Tillsätt 1 g härdningsmedel och blanda väl.
    2. Håll blandningen i en exsickator under vakuum i 2 h för att ta bort luftbubblor.
  2. Om du vill generera den positiva repliken placerar du den negativa repliken för polyuretan i en petriskål.
    1. Häll PDMS-blandningen ovanpå den negativa repliken.
    2. Applicera vakuum i 2 h för att säkerställa täckningen av mikrostrukturen.
    3. Förvara petriskålen över natten på RT.
    4. Separera den härdat positiva repliken från den negativa repliken för hand.

4. Förbered roten positiv replik från etylcellulosa.

  1. För att generera etylcellulosalösningen, sätt 1,32 ml dietylacetalat som mjukgörare i en 100 ml kopp.
    1. Tillsätt 20 ml etanol och rör om vid RT i 2 h.
    2. Tillsätt 3,3 g etylcellulosa och rör om över natten.
  2. Om du vill generera den positiva repliken placerar du den negativa repliken för polyuretan i en petriskål.
    1. Häll etylcellulosalösningen ovanpå den negativa repliken.
    2. Förvara petriskålen över natten på RT under huven.
    3. Ta bort den positiva repliken från den negativa repliken mycket långsamt av pincett.

Representative Results

För att bilda rotytan mikrostruktur replikering, måste en rot väljas för gjutning. Vi odlar tomatplantor i jord, vilket gör användningen av den naturliga roten från rotsystemet extremt utmanande. Avlägsnande av jord från rotsystemet kan vara svårt och dessutom är rotsystemets rötter ömtåliga och kan bryta på gjutningsförsök. Vi föreslår därför att först använda styvare rötter, för att upprätta protokollet i labbet. Bildandet av sådana rötter beskrivs i figur 1A. Växtrotsystemet avlägsnas efter att växten odlats i 3 veckor och den rotlösa växten placeras i vatten i ungefär en vecka tills oavsiktliga rötter kommer ut ur stammen. Dessa rötter kan användas för replikering under protokolletableringen. När protokollet väl har fastställts, en mer realistisk rot yta struktur önskas. Här föreslår vi att undvika rötter som odlas i jord som fullt avlägsnande av jord i extremt utmanande. I stället föreslår vi att man använder gronde rötter och ger värdefull information om en genetiskt specifik växts mikrostrukturs rotyta. Tillväxten av sådana rötter beskrivs i figur 1B. Fröna placeras på ett vått filterpapper och ruvas vid 25 °C. Efter ca 5 dagar, under vilken filterpapper hålls fuktigt, är de grodda rötterna tillräckligt långa för replikering. Dessa rötter är bräckligare än de tidigare föreslagna rötterna och kräver mer känslig vård.

Produktionen av rotytans mikrostrukturreplik är en tvåstegsprocess. I det första steget den naturliga roten är gjuten i en polyuretan baserad mögel (den negativa replika). Fördelen med detta steg är att alla material för polyuretan mögel håller på att förberedas och roten placeras ovanpå den förberedda lösningen i slutet för en 10 min exponering för UV. Som ett resultat utsätts inte den biologiska vävnaden för hårda förhållanden för länge och kan hanteras försiktigt i slutet av processen. Om alla protokollsteg följs genereras en bra negativ replik. Denna replik kommer att visa cellstrukturen på rotytan samt hål som representerar platsen för rothåren (figur 2A). Om några kritiska steg i protokollet inte följs misslyckas proceduren. Ett sådant steg är placeringen av roten på polyuretanlösningen före härdning. Roten måste placeras mycket försiktigt för att undvika nedsänkning av den i polyuretanlösningen. Sådan nedsänkning, av någon del av roten, kommer att orsaka entrapment av roten i den hårda polymeren utan förmåga att ta bort den. Om en sådan händelse inträffar kommer roten att finnas kvar i den negativa repliken efter att den har härdats (figur 2B). Ett annat avgörande steg är att härda tid av UV-ljus. Den rekommenderade härdningstiden är 8\u201210 min. Att gå förbi 10 min kommer att resultera i en extremt hård polyuretanform, vilket gör det omöjligt att ta bort roten utan att bryta den inom polyuretanformen. Rotens brott kan ibland vara synligt för blotta ögat, t.ex.Figure 2C Men ibland små rotbitar finns kvar i materialet som är svåra att upptäcka med blotta ögat och ett mikroskop måste användas (Figur 2C, botten, märkt med lila pilar). Vi rekommenderar att noggrant undersöka polyuretan negativa replika med ett mikroskop före fortsättningen av protokollet för att se till att inga kvarvarande rot finns.

När polyuretan negativa replika är beredd; många material kan användas för att förbereda den positiva replika. Beredningen av den positiva replika, med hjälp av polyuretan negativa replika som en form, är rakt fram och beror helt på kvaliteten på polyuretan negativa replika. För att generera den positiva repliken har vi använt både PDMS– som det är välkänt inom området mjuk litografi (figur 3A) - och etylcellulosa som ett material som bättre efterliknar egenskaperna hos rotytan som till största delen består av cellulosa (figur 3B). SEM-bilden av PDMS-repliken visar rothåren mycket tydligt. Håren är i töjningszonen, där de börjar dyka upp. Därför varierar längden på rothår längs rotytan när de blir längre, ungefär som i den naturliga roten (Figur 3A). Etylcellulosa genererar hårdare och mindre flexibel film än PDMS. Därför kräver avlägsnandet av det från den negativa formen mer omsorg. Vissa hårstrån och ytmikrostrukturen syns dock under ljusmikroskopet (figur 3B). Vi använde dessa två material för att generera den positiva replika, men allt material som kan bilda en film kommer att vara en bra kandidat för den positiva replika, med hjälp av polyuretan negativa replika.

Figure 1
Figur 1: Tomatväxtrötter för replikation. (A)En tomatplantor (M82) odlas vid 25 °C med 9 h ljus och 15 h mörker. Efter 3 veckor avlägsnas växten från jorden och rotsystemet skärs av. Den rotlösa växten sätts i vatten tills oavsiktliga rötter kommer ut från stammen efter ungefär en vecka. Dessa rötter visar inte den exakta strukturen som rötterna från rotsystemet, men de representerar en bra modell. Dessa rötter är mindre bräckliga än rotsystemet rötter och därmed är att föredra att arbeta med när man fastställer tekniken i labbet. (B)Tomatfrön (M82) läggs på ett vått filterpapper i en petriskål och ruvas vid 25 °C. Papperet är hydrerad varje dag och fröna gror. Rötterna växer och efter ca 5 dagar är tillräckligt långa för att användas för replikering. Dessa rötter är mildare och bör användas när metoden är väl etablerad. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: Mikroskopibilder av polyuretannegativ replik. (A)SEM bild av polyuretan negativa replika görs enligt ett protokoll som följer alla steg. Cellstrukturen syns tydligt. Gula pilar pekar på hål som bildas av håren i roten. (B)Lätta mikroskopi bilder av polyuretan negativa replika med en rot inuti den eftersom det var helt täckt med lösningen och avlägsnandet av det var omöjligt. Polyuretan negativa botades med roten inuti. Roten syns av ögat och använder ljusmikroskopi. Det är omöjligt att ta bort den här roten från den härda repliken. (C)Lätta mikroskopibilder av polyuretannegativ replik som hölls under UV-ljus för länge. Som ett resultat kunde roten inte tas bort helt från polymeren med antingen stora partiklar synliga med ögat (övre bilden, markerad med lila pilar) eller små fraktioner som bara syns av mikroskop (nedre bilden, markerad med lila pilar). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Bild 3: Mikroskopbilder av positiv replik. (A)SEM-mikrograf av en positiv replik tillverkad av PDMS. Utvidgningen visar rothår. ( B)Lätta mikroskopibilder av en positiv replik gjord av etylcellulosa. Hår visas i bilderna till höger medan ytstruktur syns i bilden till vänster. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Vi presenterar en ny metod för replikering av rotytan mikrostruktur. Denna metod bygger på befintliga metoder för mikrostrukturreplikation av bladytor4. För att utveckla denna metod var vi tvungna att justera den befintliga metoden för löv. Vi insåg att det problematiska steget i att kopiera bladreplikeringsmetoden till rötter innebär det första steget i rotgjutningen. Detta är den känsligaste delen av metoden eftersom det innebär den biologiska vävnaden. Som ett resultat ville vi välja en polymer som skulle kräva relativt milda förhållanden för härdning och därmed orsaka minimal skada på den biologiska vävnaden. Vi valde polyuretan eftersom det kan polymeriseras snabbt (inom 10 min) under UV-ljus29. Dessutom är det mycket svårt när polymeriserade30 och vi hoppades att denna egenskap skulle möjliggöra relativt enkelt avlägsnande av roten från polyuretan mögel.

Den presenterade metoden är en tvåstegsmetod där den negativa bilden (negativ replik) bildas i det första steget och replikeringen bildas i det andra steget, baserat på den negativa repliken. Detta utökar utbudet av material vi kan arbeta med. Replikation av bladytans mikrostruktur utfördes huvudsakligen på PDMS- eller epoximaterial11,,31. En del arbete utfördes med andra material, särskilt material som stöder mikroorganismtillväxt13,,32. Detta beror på att denna metod under de senaste åren har använts för att studera interaktioner mellan mikroorganism och yta i samband med bladytans struktur. Emellertid, inga cellulosa-liknande material har använts i denna metod i samband med blad. Vi föreslår användning av en polyuretan negativ replika som en form och en mängd olika material för den positiva replika. Med andra ord, att göra den positiva replika, från en mängd olika material, är relativt lätt när en bra negativ replika görs. Vi använder för närvarande cellulosaderivat, men undersöker möjligheterna att använda mer relevanta material till rotyta som pektin och lignin33,34 i kombination med cellulosaderivat.

Metoden expanderar också på den befintliga metoden för bladyta mikrostruktur replikering eftersom bladet är en 2D yta medan rotytan är böjd och därmed är en 3D-yta. Vår metod gör det inte möjligt att replikering av hela ytan eftersom inbäddning av hela roten i polyuretanlösningen inte tillåter dess frisättning. Därför måste en sida av roten väljas när du replikerar rotytans mikrostruktur. Den genererade syntetiska ytan är böjd och representerar ungefär halva ytan, men inte allt. Vårt antagande är att de strukturella egenskaperna hos rotytan är mestadels symmetriska om axeln längs rotlängden. Men i studier där en sådan symmetri inte antas, bör man vara noga med att välja lämplig sida rot att replikera.

Vi presenterar två alternativ för rötter som ska användas som formar. Den första är möjligheten till oavsiktliga rötter som odlas från stammen och den andra är möjligheten att gro rötter på papper. Det första alternativet är mest tänkt att hjälpa forskare att öva metoden eftersom dessa rötter är mer robusta och lättare att arbeta med. Det andra alternativet representerar de genetiska skillnader som finns mellan rötter av olika sorter, oavsett miljöförhållanden. Dessa ytor kan användas som viktiga forskningsverktyg, men man bör vara medveten om att miljön kan ha en stark inverkan på rotytan struktur, särskilt den jord där rötterna odlas35,36. På grund av den mekaniska stress som orsakas av jorden, vissa morfologiska förändringar är bundna att hända, förutom sår som tillkommer på ytan som roten tränger in i jorden37. Avlägsnande av rötter från jord, samt rengöring dem, utan att skada deras struktur är en mycket svår uppgift. Därför är vi inte optimistiska om förmågan att använda denna metod för att på ett tillförlitligt sätt efterlikna rotytan mikrostrukturen av rötter som odlas i jord. Men för forskning som fokuserar på genetiska skillnader eller miljöskillnader där förändringen i mikrostrukturen är märkbart tydlig, kan denna metod användas som ett verktyg för att studera påverkan av rotytemikrostruktur.

Vår metod producerar en inert yta som härmar endast de mikrostrukturella egenskaperna hos rotytan. Även om denna metod är utformad för att skilja de strukturella effekterna i root-environment interaktioner från alla andra effekter, vi kan inte ignorera de kemiska föreningarna i dessa interaktioner. Vissa mikroorganismer kanske inte överlever eller fungerar på ytan utan tillsats av föreningar, särskilt näringsämnen. Nästa steg i utvecklingen av denna plattform kommer att vara kontrollerad tillsats av kemiska föreningar för att studera deras effekter på de olika interaktionerna i kombination med struktur.

Denna metod utvecklades som ett första steg i utvecklingen av en syntetisk plattform för att studera interaktioner mellan rot-mikroorganism. Här efterliknar vi rotytans mikrostruktur och denna första plattform kan användas för att studera påverkan av ytmikrostruktur på mikroorganismbeteende. Denna plattform är dock begränsad eftersom den saknar många andra element från det naturliga systemet. Denna plattform bör vidareutvecklas med hjälp av rätt material för att generera ytan och med tillsats av andra, kritiska, kemikalier i systemet. I en mer avancerad plattform kan vi också tänka oss rumslig distribution av kemikalierna. Men eftersom det för närvarande inte finns någon annan metod för att isolera strukturella effekter i root-mikroorganism interaktioner, hoppas vi forskare skulle kunna använda denna första plattform för att ställa strukturspecifika frågor i dessa interaktioner.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Forskningen fick stöd av såddfonder från Jordbruksforskningsorganisationen till 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).
Biomimetisk replikering av rotytans mikrostruktur med ändring av mjuk litografi
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).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