Biofabrication ile Bio-Elektronik Arayüz Bridging

Aşağıdaki deneyin genel amacı, biyopolimerik filmleri elektriksel olarak biriktirmek ve bunları proteinler ve hücreler gibi biyolojik bileşenlerle işlevsel hale getirmektir. Elektro biriktirme, pH'a duyarlı bir polisakkarit çözeltisi ile kombinasyon halinde önyargılı bir elektrotta lokal olarak meydana gelen pH değişikliğinden yararlanılarak elde edilir. Katartik veya anodik bir biriktirme stratejisi seçildikten sonra, elektrot, elektro geometri tarafından tanımlanan bir desene sahip ince bir film oluşturan bir ruh jeli geçişini tetiklemek için önyargılıdır.

Ayrıca, proteinler ve hücreler gibi biyolojik bileşenler, elektrot biriktirme işlemi boyunca dahil edilebilir. Filmin biyolojik olarak işlevsel hale getirilmesi için, floresan görüntülemeye dayalı olarak biyolojik bileşenlerin filmlere lokalize edildiğini gösteren sonuçlar elde edilir. Ek olarak, bileşenler işlevseldir ve enzimatik aktivitenin elektrokimyasal tespiti ve raportör hücre tepkisinin kullanılmasıyla gösterilen çevreleriyle etkileşime girebilir.

Biyofabrikasyon, biyoloji ve elektronik arasındaki arayüzü oluşturmak için yeni bir araç kutusu sağlar. Başlıca avantajlarının basitliği ve yakın fizyolojik koşullarda bir araya getirilebilme yeteneği olduğuna inanıyoruz. Biyoloji, kendi kendine montaj ve enzimatik yollarla nano ölçekte üretim konusunda uzmandır Bu yetenekleri kullanarak, diğer montaj tekniklerinin kullandığı karmaşık, tehlikeli ve zaman alıcı sentez yöntemlerini atlatıyoruz.

İşbirlikçi ekibimiz, uçurtmalarının elektrot biriktirebileceğini gözlemlediğimizde biyolojik materyaller ve mekanizmalar kullanarak BioD cihaz arayüzünü oluşturma fikrini aldı. Kitan, cihazın empoze ettiği elektrik sinyallerini tanıyabilen ve ince bir film olarak biriktirebilen, pH'a duyarlı bir film oluşturan polisakkarittir. Kitanın elektrotla biriktirilebileceğini gördüğümüzde, bir BioD cihaz arayüzü oluşturmak için biyokimya ve moleküler biyolojiden daha geniş bir araç setine erişebileceğimizi fark ettik.

Bu tür bir tekniğin uygulanması, fonksiyonel biyolojik bileşenlerin gerekli olduğu labon çip ayarlarına kadar uzanır, çünkü bu tür bileşenleri canlı kalabilecekleri bir elektrot üzerinde lokalize etmek için ucuz ve kolay bir yol sağlarlar. Bu yöntemin görsel gösterimi, biyofabrikasyon bir filmin tahsis edilebileceği ve kolayca zarar görebileceği için kritik öneme sahiptir. Bu nedenle, filmi yıkarken veya çekerken çok sert olmamaya dikkat etmek gerekir.

Film olarak adlandırılabilir, kolayca rahatsız edilebilir. Bununla birlikte, bir avantaj olarak, film kolayca çıkarılabildiği için elektrolar yeniden kullanılabilir. Bu protokole başlamak için, timsah klipsleri kullanarak yama kabloları aracılığıyla özel fabrikasyon elektrotlara bir güç kaynağı bağlayın.

Bir indiyum kalay oksit veya ITO kaplı cam slayt, anot veya çalışma elektrotu olarak işlev görecek, platin folyo katot veya karşı elektrot görevi görecek, elektrotu, işlevselleştirilecek IT o'nun yüzeyi, IT O'nun yüzeyi ya çözeltiye daldırılmak üzere dikey olarak ya da yatay olarak konumlandırılacak şekilde karşı elektroda karşı çıkacak şekilde konumlandıracaktır. Öyle ki çözelti yüzeyde bulunabilir. Daha sonra, %1 aljinat ve %0.5 kalsiyum karbonatı damıtılmış suda karıştırarak ve karışımı otoklavlayarak bir aljinat biriktirme çözeltisi hazırlayın. Daha sonra aljinatı karıştırarak ve girdaplayarak Fluor küreleri ile floresan olarak etiketleyin.

Bu, elde edilen filmin floresan görüntülemesine izin verecektir: Otoklavlamadan sonra, çözelti her iki elektrotu hazırlanan biriktirme çözeltisine batırır, iki dakika boyunca metre kare başına üç amperlik sabit bir akım yoğunluğu uygular. Voltaj iki ila üç volt aralığında değişecektir İki dakika sonra elektrotun bağlantısını kesin ve tortu bırakmayan çözeltiyi çıkarın. Gereksiz aljinatı çıkarmak için filmi sodyum klorür ile nazikçe durulayın.

Jeli güçlendirmek için filmi 0.1 molar kalsiyum klorür içinde kısa bir süre inkübe edin. Film daha sonra istenen depolama çözeltisinde inkübe edilir. Birlikte biriktirmeden önce floresan mikroskobu kullanarak filmi görüntülemeye devam edin.

Bu videoya eşlik eden yazılı protokolde belirtildiği gibi bir sinyal gönderici hücre kültürü ve bir sinyal alıcı hücre kültürü oluşturun. Daha sonra, bir aljinat ve kalsiyum karbonat biriktirme çözeltisi hazırlayın. Çözeltiyi her hücre kültürü ile bire bir oranda% 1 aljinat ve% 0.5 kalsiyum karbonat nihai konsantrasyonuna karıştırın ve hücreler kültür yoğunluğunun yaklaşık yarısına kadar seyreltilir

Bir poli dimetil silan kuyusu ve bir platin karşı elektrot tarafından bulunan iki ITO elektrotu ile desenli bir cam slayt kullanın. Bir ITO elektrodunu ve platin elektrodu bir güç kaynağına bağlayın. Daha önce olduğu gibi, elektrotları alıcı hücreleri içeren biriktirme çözeltisine daldırın.

Güç kaynağını, yüzey alanı boyutunun, biriktirmenin gerçekleşeceği tek elektrot tarafından tanımlandığı, metre kare başına üç amper yoğunlukta sabit bir akıma ayarlayın. Aljinat matrisindeki hücrelerin birlikte birikmesine izin vermek için akımı iki dakika boyunca uygulayın. Filmi daha önce olduğu gibi sodyum klorür ile durulayın, antic bağlantısını bitişik ITO elektroduna geçirin.

İfade verme prosedürünü tekrarlayın, ancak bu sefer. Gönderen hücreleri içeren çözümün tanıtılması. Birlikte biriken hücreleri ve kalsiyum arjenatı içeren iki elektrot çipini gece boyunca 37 santigrat derecede fosfat tamponlu salin içinde inkübe edin.

%10 LB ortamı ve bir milimolar kalsiyum klorür ile desteklenmiştir. İnkübasyondan sonra, kitosan elektrot biriktirmeye başlamak için bir floresan mikroskobu kullanarak çipi görüntüleyin. Güç kaynağını elektrotlara bağlayın.

Yangın timsahı klipsleri. Altın kaplı bir silikon çip katot görevi görecek ve bir platin folyo anot görevi görecektir. Altın elektrot yüzeyini, daha önce olduğu gibi karşı elektrodu boşaltacak şekilde konumlandırın.

Kato kum pullarını suya karıştırarak ve polisakkaritleri çözmek için yavaşça iki molar hidrojen klorür ekleyerek bir Kato kumu çözeltisi hazırlayın. Metinde atıfta bulunulan prosedürü takiben, Kato kum çözeltisi, elektrot biriktirilmiş filmi floresan mikroskobu ile görüntülemek için floresan olarak etiketlenebilir. Elektrotlar kaizan çözeltisine girer ve biriktirme için istenen alanı tamamen batırır.

İki dakika boyunca, çalışma elektrotlarının yüzey alanına bağlı olarak metre kare başına dört amper yoğunlukta hesaplanan sabit bir akım uygulayın. Bu durumda, dört milimetre karelik bir altın elektrot voltajına 16 mikroamperlik bir akım uygulanır, gereksiz kitosanı uzaklaştırmak için elektrotta deiyonize su ile durulandıktan sonra voltaj iki ila üç volt aralığında değişecektir. Desenli bir elektrot üzerine metre kare başına dört rampa akım yoğunluğundaki bir çözeltiden bir floresan mikroskobu, copos chitosan ve glikoz oksidaz kullanarak filmi görüntülemeye devam edin.

Kitosan elektrot biriktirme prosedürüne göre, glikoz oksidaz ile hapsolmuş bir kaizan filmi üretilecektir. İşlem görmüş elektrotu, çalışma elektrodu olarak üç elektrotlu bir sisteme, karşı elektrot olarak bir platin tele ve referans elektrot olarak gümüş, gümüş klorüre takın, elektrotları sodyum klorür içeren bir fosfat tampon çözeltisine daldırın. Konjugasyonu takiben krono pirometri kullanarak 60 saniye boyunca sabit bir voltaj uygulayarak proteini Kazam filmine elektrokimyasal olarak konjuge edin.

Çipi fosfat tamponuna yerleştirin ve reaktif olmayan sodyum klorür ve konjuge olmayan glikoz oksidazları çıkarmak için bir orbital çalkalayıcı üzerinde 10 dakika yıkayın. Üç elektrot sistemini tekrar takın ve beş milimolar glikoz çözeltisine daldırın. Ardından, potansiyeli pozitif yönde 0,7 volta süpürmek için döngüsel vol telemetrisi için arzu parametrelerini ayarlayın.

Elektrotları glikoz çözeltisinden çıkarın ve fosfat tamponu ile durulayın. Ardından, sekiz mililitre fosfat tamponu içeren elektrotları 10 mililitrelik behere manyetik bir karıştırma plakası önyargısı üzerine yerleştirin. GOX, çalışma elektrodu olarak hizmet etmek için çipi 0,6 volta kadar işlevselleştirdi.

İstenen parametreleri ayarladıktan sonra, bir temel kayıt toplayın. Her bir alikot için glikoz konsantrasyonunu dört milimolar artırmak için tampona glikoz alikotları ekleyin Bu deneyde, tampona 80 milimolar glikozdan oluşan 400 mikrolitre alikot eklenir. Akım çıkışını her bir glikoz konsantrasyonuyla ilişkilendirin: Protein fonksiyonelleştirmesini gerçekleştirmek üzere standart bir eğri oluşturmak için, A-P-D-M-S içinde bulunan bitişik bir altın ve ITO elektrotu ile desenli bir cam slayt kullanın.

Daha önce gösterildiği gibi elektrot biriktirme tizeni için katartik bir potansiyele sahip altın elektrotu iyi bir şekilde önyargılılaştırın. Filmi duruladıktan sonra, tirozinaz ile desteklenmiş mavi floresan etiketli otomatik indükleyici iki sentaz çözeltisi ekleyin. Oda sıcaklığında bir saatlik inkübasyonun ardından.

Filmi daha önce olduğu gibi PBS ile durulayın, alıcı hücreleri içeren bir aljinat biriktirme çözeltisine batırılmış ITO elektroduna anodik bir potansiyel uygulayın. İletilen sinyali enzimatik olarak oluşturmak için aljinattaki hücre popülasyonlarının birlikte biriktirilmesinde belirtilen adımlarla devam edin. Durulamadan sonra, filmler,% 10 LB ortamı ve bir milimolar ile desteklenmiş beş mikromolar, SAH ve PBS'den oluşan bir çözelti ekleyin.

Kalsiyum klorür, çözeltinin buharlaşmasını önlemek için elektrotları kaplar ve gece boyunca 37 santigrat derecede inkübe edilir. Bu, bir kırmızı floresan proteini DS üreterek bir alıcı hücre tepkisine izin verecektir, kırmızı bitişik elektrotlar, floresan mikroskobu ile gerekçelendirilerek görüntülenebilir. Aynı zamanda indükleyici iki sentazın mavi floresansını ve birlikte seçilen alıcı hücreler tarafından ifade edilen kırmızı floresansı, empoze edilen elektrik sinyallerini yakalamak için filtreler, bir elektrot yüzeyinin yakınında lokalize mikro ortamlar oluşturabilir ve bu uyaranlar, aljinat ve razan gibi polisakkaritlerin elektrot yüzeyinde bir hidrojel film olarak birikmesini tetikleyebilir.

Bu ruh jeli geçişi elektrot yüzeyinde meydana geldiğinden, ortaya çıkan film, elektrot modeline uyan geometrisi ile elektro adreslidir. Aljinat kullanılarak, benzersiz hücre popülasyonları ayrı adreslerde birlikte biriktirilmiştir. Elektrot adreslerinin kanıtı, gönderici ve alıcı hücre popülasyonu arasındaki etkileşim üzerine gözlemlenir.

Molekül otomatik indükleyici, gönderici hücrelerden iki difüs yapar ve alıcı hücreler tarafından alınır ve bu da DS kırmızı floresan proteininin ekspresyonu ile sonuçlanır. Burada. Kırmızı floresan sadece alıcıların adreslendiği elektrotta gözlenir. Tersine, biyo-algılama enzimi glikoz oksidaz, daha sonra bir çıkış akımı üretmek için elektrokimyasal olarak oksitlenebilen hidrojen peroksit üreterek enzimatik bir reaksiyon yoluyla glikozun tespit edilmesi yeteneğini sağlar.

Bu şekilde, kimyasal bir sinyal elektriğe dönüştürülebilir. Bu grafik, Geo X'in kimyasal olarak konjuge edildiği filmlerin, Geo X içermeyen filmlerin aksine, glikoz varlığında güçlü bir antik sinyal ürettiğini göstermektedir. Ayrıca, artan glikoz konsantrasyonlarına yanıt olarak bir otik akımda bir adım artışı üretilir.

Mevcut standart eğri de, eklenen glikoz miktarına bağlı olarak adım artışlarının neredeyse doğrusal bir şekilde ilerlediğini göstermektedir. Bu sonuçlar, enzimin burada gösterildiği gibi Razza filmine konjugasyon üzerine de duyarlılığını koruduğunu göstermektedir, I iki sentaz bir Penta tirozin etiketi içerir. Tirozinaz, fenol gruplarını o kinonlara oksitleyen tirozin etiketine etki eder, bu daha sonra kazan'ın aminine kovalent olarak bağlanır Kazam filminin Tirozinaz düzeneği ile a i iki sentaz içinde işlevselleştirilmesinin kanıtı, işlevselleştirilmiş I iki sentazın floresan olarak mavi olarak etiketlendiği altın üzerinde bir kaza filmi gösteren bu floresan görüntüsünde gözlenir, çünkü bir I iki sentaz aynı şekilde SAH substratından bir I iki üretir gönderici hücreler olarak, SAK varlığında birlikte seçilen alıcı hücrelere yakınlığı, alıcı hücrelerin ds'yi eksprese ederek floresan olarak yanıt vermesine neden olur.

Alıcı hücrelerin kırmızı floresansı, ai'nin difüzyonu nedeniyle adresler arasındaki etkileşimi, ikisi birinden diğerine gösterir ve ayrıca, kovalent olarak bağlandıktan sonra aktiviteyi korumak için tizen'e hareketsiz hale getirilen 10 enzimin olduğunu gösterir. Bu videoyu izledikten sonra, polisakkarit filmlerin nasıl elektro olarak biriktirileceğini ve çeşitli teknikler kullanılarak nasıl işlevselleştirileceğini iyi anlamış olmalısınız. Bu işlevselleştirme adımlarındaki çok yönlülüğü gösterdik ve daha sonraki testlerde çok sayıda biyolojik bileşenle çalışmamıza izin verdik.

Bir kez ustalaştıktan sonra, bu teknik, biyolojik bileşenlerin hassas bir şekilde aşılanabileceği iyi tanımlanmış film desenleri oluşturmak için birkaç dakika gibi kısa bir sürede gerçekleştirilebilir. Ve bu şekilde, belirlenmiş elektrotlar üzerinde biyolojik olarak desenli ve aktif yüzeyleri çok kolay bir şekilde üretebiliyoruz, hepsi organize bir şekilde yapılıyor ve yine de karmaşık biyolojik etkileşimler elde edebiliyoruz. Bu prosedürü takiben, tasarım etkileşimini sağlamak için hem elektro dizinin tasarımında hem de biyolojik bileşenlerin seçiminde yaratıcılık kullanılabilir.

Umudumuz, biyofabrikasyon araçlarının, her biri hayatımızda ayrı ayrı devrim yaratan biyoteknoloji ve mikroelektronik olmak üzere iki farklı alan arasında köprü kurmasıdır. Bu iki alanı bir araya getirerek, toplumun en acil sorunlarından bazılarına yeni çözümler üreteceğimize inanıyoruz. Örneğin, Biyofabrikasyonun yeni algılama yolları, bakım noktası, hastalık teşhisi ve biyolojik ve kimyasal tehditleri algılama için basit ve çok yönlü yöntemler sağlayabileceğini öngörüyoruz.

Uzak kapsamlı bir örnek, bir sonraki nesil arteriyel stentin metabolik profilinizi izleyebilmesinin yanı sıra arterinizi açık tutabilmesi olabilir.