Name: photopatterning proteins and cells in aqueous environment using tio2 photocatalysis
Uploaded: 2015-10-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 26 s
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Authors thank Mr. Kotaro Okubo for the kind assistance with SEM imaging. This work was supported by the Japan Society for the Promotion of Science Grant-in-Aid for Basic Research (B) (20310069), Grant-in-Aid for Research Activity Start-up (25880021), and by research grants from the Kurata Memorial Hitachi Science and Technology Foundation and the Nippon Sheet Glass Foundation for Materials Science and Engineering.

이산화 티탄 1. 준비 유리 커버 슬립을 피복 된 <ol><li> 번호 다이아몬드 스크 라이버를 이용하여 커버 슬립. 이것은 각 커버 슬립 추적 할뿐만 아니라, 시료의 정확한면이 위를 향하게되도록뿐만 돕는다. 제 피라니아 용액에 침지하여이를 다음, DDH 2 O 흐르는, 커버 슬립을 청소 (H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 4 : 1). 10 분 후, 2 DDH O.에서 철저 8 번 커버 슬립 린스 N이 흐름에 따라 커버 슬립을 건조. </li><li> 무선 주파수 (RF) 스퍼터링 시스템에 이산화 티탄 목표를 설정합니다. 폴리이 미드 테이프를 사용하는 스퍼터링 장치의 샘플 홀더에 부착 된 커버를. 스퍼터링 챔버에 샘플 홀더를 놓습니다. 압력이 2.0 × 10에 도달 할 때까지 실을 대피 -4 아빠를. </li><li> 챔버 내에 Ar 가스를 도입하고 4.0 mTorr로에 증착 압력을 설정합니다. 셔터 폐쇄 유지하면서 서서히 증가(70) W.에 RF 전력 </li><li> 셔터를 열고 120-150 나노 미터 (도 1 : 단계 A)의 두께의 필름을 얻기 위해 15 분 동안 스퍼터. 피막의 성장 속도는 각각의 시스템에 대해 유도 될 필요가있다. </li></ol> 세포 발수 필름 2. 표면 코팅 <ol><li> 플라즈마 반응기의 제조에 의해 제공되는 지시에 따라, O 2 플라즈마에 의해 시료를 처리하여 이산화 티탄 표면을 친수성으로. 우리는 100 SCCM의 O 2 흐름 (W) (200)에서 5 분의 샘플을 취급합니다. DDH 2 O에서 샘플을 담그고 표면이 초 친수성인지 확인합니다. 철저 N이 흐름에 따라 표면을 건조시킵니다. </li><li> 100 ml의 톨루엔 39.6 μL OTS를 추가하여 1 MM의 옥타 데실 트리클로로 실란 (OTS) 솔루션을 준비합니다. RT에서 1 시간 동안 용액의 시료를 담그. N 2 - 채워진 장갑 가방 (: 단계 B 그림 1) 내부에이 단계를 실시한다. </li><li> physisorbed 분자를 제거하려면, sonicat전자 톨루엔, 아세톤, 에탄올 샘플, 그 순서대로 5 분 각각에 대한 DDH 2 O. 신선한 DDH 2 O에서 샘플 네 번 씻어 N 2의 흐름에 따라 표면을 건조. 표면 100-110 °의 접촉각과 소수성이어야한다. </li></ol> 3. 현지 외 표면 패터닝 <ol><li> 층류 후드에서 작업, 표면에 다이아몬드 스크 라이버 여러 긁힌 자국을 그립니다. 마크 처리 된 영역을 추적하고 또한 초점 현미경을 가져에 도움이됩니다. 5 분 동안 70 % 에탄올에 침지시켜 샘플을 OTS 코팅 이산화 티탄 살균. 그런 다음 멸균 DDH 2 O 두 번 샘플을 씻어 </li><li> 35 mm의 접시에 샘플을 놓고 PC12 성장 매체 2 ㎖를 추가 (단계 4.2 참조). CO 2 배양기에서 3 시간 이상 (37 ° C)에 대해 품어. 이 절차는 혈청 알부민은 표면 상에 흡수하도록하기위한 것이다. 흡착 된 알부민은 다른 보호 자전거의 후속 흡착을 억제기능과 세포 (그림 1 : 단계 C). </li><li> 기다리는 동안, 반전 형광 현미경을 설정합니다. <ol><li> 아크 램프를 켜고 UV 필터 큐브를 삽입하고 20 배에 대물 렌즈를 설정합니다. </li><li> 광 강도 I (W cm -2)을 사용하여 UV 강도 측정기를 측정하고 (J의 형상 -2)에서 D의 투여 량 (초) 조사 시간 t를 계산한다 : t = D / I. 예를 들어, 200 J의 cm의 도즈 량 조사하는 -2 Mw가 600 cm -2의 광원을 사용하여 333 초간 조사가 필요하다. </li><li> 스테이지 마이크로 미터를 사용하여 영역의 크기가 예를 들면 200 μm의, 조사되도록 설정하는 필드 조리개를 닫는다. </li></ol></li><li> (; 최종 농도 300 μg의 ml의 골 -1-IV)에서 3 시간 배양 후, 3.0 mL의 밀리그램 -1-IV 형 콜라겐 200 μL와 매체를 보충. </li><li> 현미경 단계로 35 밀리미터 접시를 전송합니다. 스크래치 M 찾기아크는, 샘플 표면에 초점 현미경, 200 J의 cm -2 (도 1 스텝 D)의 용량으로 UV 광을 조사한다. UV 조사의 영역은 필드 조리개의 개구를 조정함으로써, 또는 중재 형상의 메탈 마스크 필드 조리개를 대체함으로써 변경하거나 할 수있다. </li><li> (골-IV)없이 새로운 성장 매체와 매체를 교체하고 다시 인큐베이터에서 샘플을 놓습니다. </li></ol> 4. 세포 배양 <ol><li> PC12 세포의 루틴 배양 콜라겐 코팅 된 플라스틱 접시에 수행된다. <ol><li> 코트 골-IV와 60 mm의 조직 배양 접시에 먼저 DDH 2 O로 표면을 적시고 모든 DDH 2 O를 대기음 </li><li> 300 μg의 용액을 준비 -1 골-IV를 DDH 2 O (3 mg의 용액 1) 10 배 원액을 희석하여 </li><li> 300 μg의 ml의 -1 60 밀리미터 접시 당 골-IV의 200 μl를 추가합니다. 표면을 통해 확산 솔루션을 보자. </li><li> 드라이 T그는 약 1 시간 동안 층류 후드에서 요리. </li><li> 둘 베코 인산염 완충 식염수 (D-PBS) 4 ㎖로 두 번 표면을 씻어. 바로 코팅 된 접시를 사용하지 않을 경우, 2 DDH O. 4 ㎖로 한번 씻어 접시 DDH 2 O 흡입 한 후, 인큐베이터에서 접시를 저장합니다. 이 2 주 이상 보관 유지하지보십시오. </li></ol></li><li> PC12 세포로 구성 성장 배지에서 성장시킨다 : 둘 베코 변형 이글 배지 (저 글루코즈) + 10 % 소 태아 혈청 + 5 % 말 혈청 + 1 % 페니실린 - 스트렙토 마이신 용액. CO 2 배양기에서 세포를 품어 (37 ℃, 5 % CO 2), 그리고 매일 매체의 절반을 교체합니다. 통로 세포는 그들이 합류에 도달하기 전에. <ol><li> 흡 인물은 성장 배지 및 추가 2ml의 PBS + (D-PBS + 10 mg을 -1 ml의 소 혈청 알부민 (BSA) + 10 mM의 EDTA)을 37 ℃로 데워진. 37 ℃에서 5 분 동안 배양한다. 부드럽게 CE를 분리 접시를 누릅니다LLS. </li><li> 15 ML 원뿔 튜브에 세포를 수집합니다. 37 ℃로 데워진 신선한 D-PBS의 3 ㎖와 접시를 씻어. </li><li> 4 분 동안 150 × g에서 원심 분리 튜브. </li><li> 상등액을 흡인하고, 성장 배지 1 ㎖를 추가한다. </li><li> 1~3 : 루틴 배양, 세포 1 분할 5. </li></ol></li><li> , UV-수정 OTS / 이산화 티탄 샘플 세포를 플레이트 세포 밀도를 계산하고 35 밀리미터 접시 (그림 1 단계 : E) 3.0 × 10 5 세포를 추가합니다. 1-2일위한 가습 인큐베이터 접시 (37 ° C를, 5 % CO 2) 배양한다. 나이브 모두 신경 성장 인자 (NGF) -differentiated PC12 세포 패터닝 실험에 사용될 수있다. NGF 차별화, 7S-NGF NG 100 ml의 시료 -1에 도금 전에 세포 성장 배지 며칠에 첨가된다. NGF 분화는 PC12 세포의 점착력을 증가시키는 것, 특히 시츄 패터닝 E에서 용이하게 취급xperiments. </li></ol> 5. 원위치 표면 패터닝 <ol><li> 전 현장 표면 개질에 문화 1 ~ 2 일 후, 세포 부착 및 자외선 조사 지역에서만 성장하고 있는지 확인합니다. 단계 3.4에 설명 된대로, 현미경을 설정합니다. </li><li> 성장 배지를 함유하는 새로운 35-mm 조직 배양 접시에 시료를 이동시켜, (NGF-분화 된 세포를 사용하는 경우) 100 NG ml의 -1 NGF, 및 100 μg의 용액 -1 골-IV. </li><li> 현미경의 무대에서 접시를 놓습니다. 적절한 위치를 찾아 200 J 센티미터 -2 (그림 1 단계 : F, G)의 용량으로 자외선을 조사. 새로 생성 허용 영역은 그림 1에서 별표로 표시됩니다 : 단계 G. </li><li> 30 분 내에 단일 샘플의 처리를 완료하려고합니다. 조사 후, 골-IV없이 다시 매체에 샘플을 전송합니다. </li><li> CU와 함께 요리를 운반 할 때는 특히 조심ltured 세포 접시에서 샘플을 전송은 패턴 화 된 세포의 분리 방지하기 위해 접시. </li></ol><img alt="그림 1" src="/files/ftp_upload/53045/53045fig1highres.jpg" width="700" /> 전체 프로세스의 도식 그림을 그림. 자세한 내용은 텍스트를 참조하십시오. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53045/53045fig1large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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The authors have nothing to disclose.

현재의 프로토콜에서, 이산화 티탄 막을 RF 마그네트론 스퍼터링에 의해 형성 하였다. 그것은 우리가 재현 서브 나노 거칠기 광촉매 이산화 티탄 필름을 제조 할 수 있기 때문에 우리는 증착이 방법을 선호. 스퍼터 증착 공정은 재료 과학자 및 전자 엔지니어 잘 알고 있지만, 생물 학자에 매우 액세스 할 수 없습니다. 이 경우에, 스핀 코팅 이산화 티탄 필름 (23)의 대안의 선택이 될 것이다. 이 방법에서, 용매에 용해 된 이산화 티탄 나노 입자는 원심력에 의해 기판 표면 상에 확산된다. 필요한 특수 장비는 스퍼터링 시스템보다 훨씬 저렴 스핀 코터이다. 우리는 자신을 위해 스핀 코팅 된 이산화 티탄 나노 입자 필름을 사용한 필름과 유사한 실험을 수행하기 위해 사용될 수 있음을 확인 하였다 (데이터는 보이지 않음). 스핀 - 코팅 된 이산화 티탄 막의 표면은 수십의 RMS 거칠기와 비교적 거친nm 인들, 그리고 다수의 재현성, 특히 스핀 코팅이 두꺼운 필름을 수득하기 위해 필요한 경우에 균일하게 코팅 된 기판을 연습을한다. 그럼에도 불구하고,이 방법은 생물에 대한 제 1 후보가 될 수도있다. 지금까지, 우리는 패터닝뿐만 PC12 세포뿐만 아니라 인간 췌장암 세포주 ASPC-1 및 배아 래트 해마 (19)로부터 얻어지는 차 뉴런에이 방법을 이용 하였다. ASPC-1 세포의 점착력이 PC12 세포 또는 해마 뉴런 및 비계 분자, 예컨대 콜라겐,이를 패터닝하는 단계가 필요하지 않은 보충의보다 훨씬 더 강하다. 우리는 아직 인해 OTS SAM의 결함으로 아마 때때로 관찰되었다 미 조사 지역에 세포의 비 특정 부착을 확인합니다. 그 점착력이 약하기 때문에 패터닝 차 뉴런 훨씬 더 도전했다. 사실, 현재 프로세스의 중요한 단계는 적절한 흡착에 놓여의 분자를 캐 폴딩입니다. 콜라겐 또는 라미닌 간단한 보충 뉴런 개질 영역의 친 화성을 증가시키는 것이 불충분했다. 해마의 신경 세포의 배양은 통상적 인 코팅 커버 슬립 (24)의 표면을 양전하 펩티드 폴리 리신에 의존한다. 이러한 맥락에서, UV 조사 된 영역에 폴리 라이신 유도 선택적 부착이 요망되고 있지만, 물론 그대로 OTS SAM의 영역에 폴리 리신 흡착 때문에 불가능했다. 우리는 이들의 아무도 오염 방지 없었다 폴리 라이신을 찾기 위해, 폴리에틸렌 글리콜 - 실란 SAM에 퍼플 루오로 실란 SAM을 다른 표면 코팅을 시도했다. 이 문제를 해결하기 위해서, 우리는 매우 최근 가교 분자가 자외선 조사 영역 (19) 상에 발판 활성 분자의 흡착을 유도하는데 사용될 수 있음을 보여 주었다. 비계 분자 농도의 최적화의 이러한 선택은 각 실험에 대해 수행되어야한다. UV 조사량강하게 단백질 흡착의 양에 영향을 받기 때문에 또한 최적화되어야한다. 우리의 경우에는 형광 강도 측정은 200 J의 cm -2 (18)의 최적의 UV 조사량을 유도하기 위해 사용 하였다. 값은 두께 및 이산화 티탄 막의 결정으로서 실험적 파라미터에 따라 다를 가능성이있다. 지금까지 개발 된 인 - 시츄 표면 개질 다양한 기술 중에서도, 본 발명의 방법의 주요 장점은 표면 처리 용 특수 분자의 유기 합성을 필요로하지 않는다는 것이다. 여기에 제시된 방법은 시판 중합체, 펩타이드 및 SAM 전구체 거대한 라이브러리에서 제작 한 유기 막과 호환 원칙적이다. 또한, 여기에 도시 된 바와 같이, 표면 개질 공정은, 예컨대 수은 아크 램프가 구비 된 넓은 필드 형광 현미경으로서, 종래의 실험실 장비를 사용하여 수행 될 수있는 점에서 바람직하다. 사용광원 UV 레이저, ~ 3 ㎛ 인 다운 아세포 해상도가 달성 될 수있다 (데이터는 미도시). 현재 방법의 몇 가지 제한 사항이 ROS의,이 매체에 발판 분자를 보충에 필요한 표면 개질의 비가역성과 세대를 포함한다. 여기에 설명 된 프로세스는 표면의 허용 변환 비 허용에 적용 가능하지만, 변환은 단방향이고, 반전 될 수 없다. 세포 친화 반전 변환을 필요로 실험에, 다른 방법 (15)은 고려 될 필요가있다. 또한, 우리의 방법은 세포 배양 배지에 목욕 적용될 콜라겐 분자로서 발판을 필요로한다. 프리 패터닝 된 세포 집단은 필연적 분자에 노출 될 수 있기 때문에, 이는 본 방법의 일부 응용을 제한 할 수있다. UV 조사 된 영역에서의 수산기 라디칼 Photocatalyzed ROS의 생성은, 주변 셀에 독성이있을 수 있지만, 적어도,이 효과는 없었다우리의 실험에서 관찰했다. 이 다른 애플리케이션에 띄는 져도,이 문제는 성장 배지에 탈산 소제를 보충에 의해 해결한다. 분자 산소 소기 이산화 티탄 및 표면에 비 허가 분자 사이에 위치되지 않을 것이기 때문에, 이들은 패터닝 공정 동역학에 영향을주지 않고 과도한 ROS를 제거하는 것으로 예상된다.

반도체 리소그래피 공정 및 그 유도체 - 포토 리소그래피 1,2, 전자빔 리소그래피 3-6 및 7-10 인쇄 마이크로 콘택트로서 - 이제 정의 된 위치 및 형상에 살아있는 세포가 성장하는 세포 생물학에서 확립 도구가되었다. 패터닝 방법은, 비 허용 세포에서 배경 허용 코팅 마이크로 섬 이루어진 미세 가공 된 기판의 사용에 의존한다. 이러한 기판 패턴 세포에 템플릿 역할을합니다. 이러한 기술은 우리에게 세포의 고유 특성을 추출하고, 세포 기반 약물 검사 (11)의 처리량을 증가시키기 위해, 단일 및 다중 세포 수준에서 세포와 그 기능을 설계 할 수있는 새로운 방법을 제공하고 있습니다. 템플릿 패턴 형상이 즉, 현장에서 변경 될 수 있다면 세포의 배양 동안 자유도 셀 패턴에서 크게 증가 할 것urface. 그들은 분위기 또는 진공에서 샘플을 처리 이후 패턴 형성 방법은 종래의 직접 여기에 적용 할 수 없다. 따라서 여러 새로운 표면 개질 기술들은 단지 몇 가지 이름을, 광 반응성 화합물 (12, 13) 또는 레이저 어블 5,14에, 예를 들면, 기준이되는, 제안되어있다. 제안 된 방법은 잘 최 등. (16)와 나카니시 (17)에 의해 최근에. Robertus 등의 알 15을 검토하고있다. 다음은이 문서에서, 우리는 이산화 티타늄에 유기 분자의 광촉매 분해의 활용에 현장 표면 개질 (이산화 티탄) 표면 (18, 19)의 새로운 프로토콜을 설명합니다. 이 방법에서, 이산화 티탄 막은 유리 기판과 세포 인터페이스 유기 막 사이에 삽입되고, 상기 유기 막 국소 자외선 (UV)을 조사하여 그 자리에서 분해되어관심 영역 (λ &lt;388 ㎚)에 빛. 우리는 새로운 프로토콜은 세포 외 기질 단백질과 살아있는 세포 모두 외부 계와 시츄 미세 패턴을 생성하는데 사용될 수 있음을 보여준다. 이산화 티탄은 세포 배양 실험에서 소개가 친절하게 기능이있는, 생체 적합성 화학적으로 안정하고, 광학적으로 투명하다. 이 프로토콜은 세포 배양 환경에서 세포 배양 지지체를 수정하기위한 재료 과학 기반의 대안을 제공합니다.

<table><tbody><tr><td>Glass coverslip</td><td>Warner Instruments</td><td>CS-15R15</td><td>15 mm diameter, #1.5 thickness</td></tr><tr><td>Diamond scriber</td><td>Ogura Jewel Industry</td><td>D-Point Pen</td><td></td></tr><tr><td>RF sputtering system</td><td>ANELVA</td><td>SPC350</td><td></td></tr><tr><td>TiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; sputtering target</td><td>Kojundo Chemical Lab</td><td>Titanium (IV) oxide, target</td><td>Purity, 99.9%</td></tr><tr><td>Plasma reactor</td><td>Yamato</td><td>PR301</td><td></td></tr><tr><td>n-octadecyltrichlorosilane (OTS)</td><td>Aldrich</td><td>104817</td><td></td></tr><tr><td>Toluene</td><td>Wako</td><td>204-01866</td><td></td></tr><tr><td>Tissue-culture dish (35&amp;#160;mm)</td><td>Greiner</td><td>627160</td><td></td></tr><tr><td>Tissue-culture dish (60&amp;#160;mm)</td><td>BD Falcon</td><td>353002</td><td></td></tr><tr><td>Type-IV collagen</td><td>Nitta Gelatin</td><td>Cellmatrix Type IV</td><td></td></tr><tr><td>D-PBS</td><td>Gibco</td><td>14190-144</td><td></td></tr><tr><td>Dulbecco&#039;s modified Eagle&#039;s medium (DMEM)</td><td>Gibco</td><td>11885-084</td><td></td></tr><tr><td>Fetal bovine serum</td><td>Gibco</td><td>12483-020</td><td>Heat-inactivate and pass through a 0.22&amp;#160;&amp;#956;m filter before use</td></tr><tr><td>Horse serum</td><td>Gibco</td><td>26050-088</td><td>Pass through a 0.22&amp;#160;&amp;#956;m filter before use</td></tr><tr><td>Penicillin-streptomycin (100x)</td><td>Nacalai tesque</td><td>26253-84</td><td></td></tr><tr><td>7S nerve growth factor (NGF)</td><td>Alomone Labs</td><td>N-130</td><td></td></tr><tr><td>Bovine serum albumin (BSA)</td><td>Sigma</td><td>A2153</td><td></td></tr><tr><td>EDTA</td><td>Dojindo</td><td>N001</td><td>Stock solution in 0.5 M</td></tr><tr><td>TiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; nanoparticle</td><td>Tayca</td><td>TKD-701</td><td></td></tr></tbody></table>

photopatterning proteins and cells in aqueous environment using tio2 photocatalysis

이산화 티타늄의 표면 (이산화 티탄)에 흡착 된 유기 오염 물질은 자외선 (UV) 광 하에서 광촉매 작용에 의해 분해 될 수있다. 여기에서 우리는 로컬 기판 표면의 세포 친 화성을 ​​변경할 수있는 이산화 티탄 광촉매를 사용하는 새로운 프로토콜을 설명합니다. 이 실험을 위해, 얇은 이산화 티탄 막은 스퍼터 - 코팅 유리 커버 슬립이며, 이산화 티탄 표면은 후속 적으로 세포 부착을 억제 옥타 데실 트리클로로 실란 (OTS)로부터 유도 된 단일 층 오가 노 실란으로 개질 하였다. 샘플은 세포 배양 배지에 침지하고, UV 광이 각형 영역에 집중 조사 하였다. 신경 세포주 PC12 세포 샘플에서 도금 될 때, 셀은 UV 조사 된 영역에 부착. 우리는 상기 셀이 상기 기판 상에 성장하는 경우에도,이 표면 개질도 즉, 인 시츄로 수행 될 수 있음을 보여준다. 표면의 적절한 수정은 세포 외 기질 P 필요콜라겐 rotein하면 UV 조사시의 중간에 존재한다. 여기에 제시된 기술은 잠재적 하에서 배양 세포를 공 배양 시스템을 구축하거나 임의로 조작 패터닝 여러 세포 유형에 이용 될 수있다.

도 2a는 스퍼터 - 증착 된 이산화 티탄 필름의 단면 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지를 나타낸다. 관찰로부터, 필름의 두께는 약 150 nm 인 것으로 추정되었다. 여기에 띄는 증착 이산화 티탄 막의 평탄성이다. 원자력 현미경 (AFM)에 의한 추가 분석은면의 제곱 평균 제곱근 (RMS) 조도는 0.2nm의 (도 2B)이한다고 밝혀졌다. 이산화 티탄의 표면은 OTS로 개질하고 혈청 함유 증식 배지에 침지되는 경우, 혈청 알부민은 OTS 표면에 흡착 및 후속 단백질 흡착과 세포 부착 (18,20)을 억제한다. 집중 UV 광이 표면에 조사 될 때 계속해서, 반응성 산소 종 (ROS)은 이산화 티탄에 OTS 자기 조립 단분자막 (SAM)을 분해 SAM 및 흡착 제거 티오 2면 (21)에서 생성 된표면에서 lbumins. 이 친수성과 단백질 흡착을 허용 조사 영역을 렌더링합니다. 알부민과 ROS의 직접적인 상호 작용이 동시에 발생 될 수도 있지만 OTS SAM은 알부민과 이산화 티탄을 인터페이싱하기 때문에 OTS의 분해는 주 반응해야한다. 현재의 프로토콜에서, 세포 외 기질 단백질 안부-IV는 조사 중에 배지에 첨가되고, 골-IV는 알부민이 제거 된 UV가 조사 된 영역 (도 3a)에 우선적으로 흡착한다. 피브로넥틴과 같은 다른 단백질은이 방법의 다양성을 나타내는, 동일한 프로토콜 (도 3B)으로 패터닝 될 수있다. 또한 자외선 조사시의 배지에 존재하는 혈청 알부민은 또한 조사 영역에 흡착해야하지만, 그 결과는 양이 그대로 OTS SAM 해당 높은 아니라는 것을 시사한다. 이것을 확인하기 위해 BSA의 친화력의 차이를 조사염료 표지 BSA의 형광 현미경에 의한 자외선 조사 그대로 OTS SAM에. 이 실험을 위해, 집중 UV 광이 혈청 함유 배지에 침지되지 않은 OTS / 이산화 티탄 시료에 조사하고, 다음 샘플을 표지 fluorescein-의 용액에 침지 BSA.도 3c는 흡착 패턴을 나타낸다 BSA. UV 조사부보다 그대로 OTS SAM 영역 밝게 형광 BSA의 흡착 량이 본래 영역 높다는 것을 나타낸다. 우선적 인 흡착 메카니즘은 두 영역의 소수성의 차이에 의해 알 수있다. BSA 흡착 량은 소수성 표면 (22) 상에 더 높은 것으로 공지되어 있고, 그대로 OTS SAM 영역은 UV 조사 된 영역 (18)보다 더 소수성이다. 이렇게 생성 된 골-IV의 패턴은 세포 접착을위한 발판 역할을한다. 그림 4a는 배양 NGF 차별화 된 PC12 세포를 보여줍니다<html> N 전 현장은 1 일 지역을 패턴. 다음에, UV 광은 미세 패턴의 측면에 조사하고, 세포를 추가로 5 일간 배양 하였다. 도 4B-D에 도시 된 바와 같이, 상기 세포는 세포 표면의 친 화성이 성공적 세포 배양 환경에서 수정 된 것을 나타내는, 개질 영역 마이그레이션. <img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/53045/53045fig2highres.jpg" width="700" /> 그림 이산화 티탄 필름 2. 특성. (A) 샘플의 교차 단면 SEM 이미지. 이산화 티탄 표면의 (B) AFM 이미지. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53045/53045fig2large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> OAD / 53,045 / 53045fig3highres.jpg &quot;폭 =&quot;700 &quot;/&gt; UV 조사 된 영역 상 단백질도 3 사이트 선택적 흡착. (A) 플루 오레 신 - 표지 된 콜라겐 (200 ㎛의 팔각형 패턴) 및 (B) 피브로넥틴 로다 민 - 표지 (100 ㎛ 정사각형 패턴). 이 단백질들의 우선적 인 흡착 단백질 흡착 (C)를 ​​차단하는 알부민의 유무에 의존한다. (C)에서 p OTS SAM은 플루 오레 신 - 표지 BSA의인가 전에 혈청 함유 배지에 침지되지 않았다. 스케일 바, 100 μm의 (A)와 50 μm의 (B, C). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53045/53045fig3large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <img alt="그림 4" src="/files/ftp_upload/53045/53045fig4highres.jpg" width="700" /> 도 4 및 현지 외 PC12 세포의 원위치 패터닝. 계외 영역 상으로 패터닝 된 PC12 세포의 (A)의 접착. 점선 팔각형은 원위치 자외선 조사의 위치를 나타냅니다. (B - D) 조사 후 2일 (B) 3 일 (C), 및 오일 (D)에서 인 - 시튜 패터닝 영역 PC12 세포의 이주. 스케일 바, 200 μm의. 야마모토 등. (18)로부터 허가를 수정. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/53045/53045fig4large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Photopatterning Proteins and Cells in Aqueous Environment Using TiO2 Photocatalysis

We describe a protocol for modifying cell affinity of a scaffold surface in aqueous environment. The method takes advantage of titanium dioxide photocatalysis to decompose organic film in the photo-irradiated region. We show that it can be used to create microdomains of scaffolding proteins, both ex situ and in situ.

산화 티타늄을 사용하여 수성 환경에서 단백질과 세포를 포토 패터닝<sub&gt; 2</sub&gt; 광촉매

Organic contaminants adsorbed on the surface of titanium dioxide (TiO2) can be decomposed by photocatalysis under ultraviolet (UV) light. Here we describe ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Photopatterning Proteins and Cells in Aqueous Environment Using TiO2 Photocatalysis

7.8K 조회수.  Tohoku University. We describe a protocol for modifying cell affinity of a scaffold surface in aqueous environment. The method takes advantage of titanium dioxide photocatalysis to decompose organic film in the photo-irradiated region. We show that it can be used to create microdomains of scaffolding proteins, both ex situ and in situ.

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Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and reduction half reactions, and fast electron (hole) diffusion and charge separation. Nanowires present suitable architectures to meet these requirements. Axially segmented Ag|ZnO and radially segmented (coaxial) TiO2-Ag nanowires with a diameter of 200 nm and a length of 6-20 &#181;m were made by templated electrodeposition within the pores of polycarbonate track-etched (PCTE) or anodized aluminum oxide (AAO) membranes, respectively. In the photocatalytic experiments, the ZnO and TiO2 phases acted as photoanodes, and Ag as cathode. No external circuit is needed to connect both electrodes, which is a key advantage over conventional photo-electrochemical cells. For making segmented Ag|ZnO nanowires, the Ag salt electrolyte was replaced after formation of the Ag segment to form a ZnO segment attached to the Ag segment. For making coaxial TiO2-Ag nanowires, a TiO2 gel was first formed by the electrochemically induced sol-gel method. Drying and thermal annealing of the as-formed TiO2 gel resulted in the formation of crystalline TiO2 nanotubes. A subsequent Ag electrodeposition step inside the TiO2 nanotubes resulted in formation of coaxial TiO2-Ag nanowires. Due to the combination of an n-type semiconductor (ZnO or TiO2) and a metal (Ag) within the same nanowire, a Schottky barrier was created at the interface between the phases. To demonstrate the photocatalytic activity of these nanowires, the Ag|ZnO nanowires were used in a photocatalytic experiment in which H2 gas was detected upon UV illumination of the nanowires dispersed in a methanol/water mixture. After 17 min&#160;of illumination, approximately 0.2 vol% H2 gas was detected from a suspension of ~0.1 g of Ag|ZnO nanowires in a 50 ml 80 vol% aqueous methanol solution.

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Procedures are outlined to prepare segmented and coaxial nanowires via templated electrodeposition in nanopores. As examples, segmented nanowires consisting of Ag and ZnO segments, and coaxial nanowires consisting of a TiO2 shell and a Ag core were made. The nanowires were used in photocatalytic hydrogen formation experiments.

준비 및 광촉매 활성 분단 자세의 사용 | ZnO의 동축 티오<sub&gt; 2</sub템플릿 기반 전착에 의해 만들어진&gt; - 자세 나노 와이어

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and ...

연구

공학

Patterning Cells on Optically Transparent Indium Tin Oxide Electrodes

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular constructs serving as in vitro mimics of native tissues.  In this study, photolithography and wet etching techniques were used to fabricate individually addressable indium tin oxide (ITO) electrodes on glass substrates.  The glass substrates containing ITO microelectrodes were modified with poly(ethylene glycol) (PEG) silane to make them protein and cell resistive.  Presence of insulating PEG molecules on the electrode surface was verified by cyclic voltammetry employing potassium ferricyanide as a redox reporter molecule.  Importantly, the application of reductive potential caused desorption of the PEG layer, resulting in regeneration of the conductive electrode surface and appearance of typical ferricyanide redox peaks.    Application of reductive potential also corresponded to switching of ITO electrode properties from cell non-adhesive to cell-adhesive. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.  Micropatterning of several cell types was demonstrated on these substrates.   In the future, the control of the biointerfacial properties afforded by this method will allow to engineer cellular microenvironments through the assembly of three or more cell types into a precise geometric configuration on an optically transparent substrate.

Non-fouling PEG silane monolayer was desorbed from individually addressable ITO electrodes on glass by application of a reductive potential. Electrochemical stripping of PEG-silane layer from ITO microelectrodes allowed for cell adhesion to take place in a spatially defined fashion, with cellular patterns corresponding closely to electrode patterns.

광학 투명 인듐 틴 산화물 전극에 Patterning 셀

The ability to exercise precise spatial and temporal control over cell-surface interactions is an important prerequisite to the assembly of multi-cellular ...

생물학

Ambient Method for the Production of an Ionically Gated Carbon Nanotube Common Cathode in Tandem Organic Solar Cells

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two solution-processed polymeric cells connected in parallel by a transparent carbon nanotubes (CNT) interlayer. This structure includes improvements in fabrication techniques for tandem OPV devices. First the need for ambient-processed cathodes is considered. The CNT anode in the tandem device is tuned via ionic gating to become a common cathode. Ionic gating employs electric double layer charging to lower the work function of the CNT electrode. Secondly, the difficulty of sequentially stacking tandem layers by solution-processing is addressed. The devices are fabricated via solution and dry-lamination in ambient conditions with parallel processing steps. The method of fabricating the individual polymeric cells, the steps needed to laminate them together with a common CNT cathode, and then provide some representative results are described. These results demonstrate ionic gating of the CNT electrode to create a common cathode and addition of current and efficiency as a result of the lamination procedure.

A method of fabricating, in ambient conditions, organic photovoltaic tandem devices in a parallel configuration is presented. These devices feature an air-processed, semi-transparent, carbon nanotube common cathode.

탠덤 유기 태양 전지의 이온 정문 탄소 나노 튜브의 공통 음극의 생산을 위해 주위 방법

A method of fabricating organic photovoltaic (OPV) tandems that requires no vacuum processing is presented. These devices are comprised of two ...

Photochemical Oxidative Growth of Iridium Oxide Nanoparticles on CdSe@CdS Nanorods

We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide (CdSe@CdS) nanorod photocatalysts. Seeded rods are grown using a colloidal hot-injection method and then moved to an aqueous medium by ligand exchange. CdSe@CdS nanorods, an iridium precursor and other salts are mixed and illuminated. The deposition process is initiated by absorption of photons by the semiconductor particle, which results with formation of charge carriers that are used to promote redox reactions. To insure photochemical oxidative growth we used an electron scavenger. The photogenerated holes oxidize the iridium precursor, apparently in a mediated oxidative pathway. This results in the growth of high quality crystalline iridium oxide particles, ranging from 0.5 nm to about 3 nm, along the surface of the rod. Iridium oxide grown on CdSe@CdS heterostructures was studied by a variety of characterization methods, in order to evaluate its characteristics and quality. We explored means for control over particle size, crystallinity, deposition location on the CdS rod, and composition. Illumination time and excitation wavelength were found to be key parameters for such control. The influence of different growth conditions and the characterization of these heterostructures are described alongside a detailed description of their synthesis. Of significance is the fact that the addition of iridium oxide afforded the rods astounding photochemical stability under prolonged illumination in pure water (alleviating the requirement for hole scavengers).

A protocol for the photochemical oxidative growth of small crystalline iridium oxide nanoparticles on the surface of CdSe@CdS seeded rod nanoparticles is presented.

의 CdSe @ CdS와 나노 막대에 이리듐 산화물 나노 입자의 광 화학적 산화 성장

We demonstrate a procedure for the photochemical oxidative growth of iridium oxide catalysts on the surface of seeded cadmium selenide-cadmium sulfide ...

화학

Digital Printing of Titanium Dioxide for Dye Sensitized Solar Cells

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less environmentally damaging with lower processing temperatures presenting a viable and low cost alternative to conventional production. This paper further enhances these environmental credentials by evaluating the digital printing and therefore additive production route for these cells. This is achieved here by investigating the formation and performance of a metal oxide photoelectrode using nanoparticle sized titanium dioxide. An ink-jettable material was formulated, characterized and printed with a piezoelectric inkjet head to produce a 2.6 &#181;m thick layer. The resultant printed layer was fabricated into a functioning cell with an active area of 0.25 cm2 and a power conversion efficiency of 3.5%. The binder-free formulation resulted in a reduced processing temperature of 250 &#176;C, compatible with flexible polyamide substrates which are stable up to temperatures of 350 &#730;C. The authors are continuing to develop this process route by investigating inkjet printing of other layers within dye sensitized solar cells.

This paper investigates the suitability of inkjet printing for the manufacturing of dye-sensitized solar cells. A binder-free TiO2 nanoparticle ink was formulated and printed onto a FTO glass substrate. The printed layer was fabricated into a cell with an active area of 0.25 cm2 and an efficiency of 3.5%.

염료 감응 형 태양 전지에 대한 이산화 티타늄의 디지털 인쇄

Silicon solar cell manufacturing is an expensive and high energy consuming process. In contrast, dye sensitized solar cell production is less ...

Cell Patterning on Photolithographically Defined 
Parylene-C: SiO2 Substrates

Cell patterning platforms support broad research goals, such as construction of predefined in vitro neuronal networks and the exploration of certain central aspects of cellular physiology. To easily combine cell patterning with Multi-Electrode Arrays (MEAs) and silicon-based &#8216;lab on a chip&#8217; technologies, a microfabrication-compatible protocol is required. We describe a method that utilizes deposition of the polymer parylene-C on SiO2&#160;wafers. Photolithography enables accurate and reliable patterning of parylene-C at micron-level resolution. Subsequent activation by immersion in fetal bovine serum (or another specific activation solution) results in a substrate in which cultured cells adhere to, or are repulsed by, parylene or SiO2 regions respectively. This technique has allowed patterning of a broad range of cell types (including primary murine hippocampal cells, HEK 293 cell line, human neuron-like teratocarcinoma cell line, primary murine cerebellar granule cells, and primary human glioma-derived stem-like cells). Interestingly, however, the platform is not universal; reflecting the importance of cell-specific adhesion molecules. This cell patterning process is cost effective, reliable, and importantly can be incorporated into standard microfabrication (chip manufacturing) protocols, paving the way for integration of microelectronic technology.

Cell Patterning on Photolithographically Defined 
Parylene-C: SiO2 Substrates

This protocol describes a microfabrication-compatible method for cell patterning on SiO2. A predefined parylene-C design is photolithographically printed on SiO2 wafers. Following incubation with serum (or other activation solution) cells adhere specifically to (and grow according to the conformity of) underlying parylene-C, whilst being repulsed by SiO2 regions.

포토 리소그래피 정의 파릴 렌-C에 대한 세포 패터닝 : 그런가<sub&gt; 2</sub&gt; 기판

Cell patterning platforms support broad research goals, such as construction of predefined in vitro neuronal networks and the exploration of certain ...

생체공학

Morphology Control for Fully Printable Organic&#8211;Inorganic Bulk-heterojunction Solar Cells Based on a Ti-alkoxide and Semiconducting Polymer

The photoactive layer of a typical organic thin-film bulk-heterojunction (BHJ) solar cell commonly uses fullerene derivatives as the electron-accepting material. However, fullerene derivatives are air-sensitive; therefore, air-stable material is needed as an alternative. In the present study, we propose and describe the properties of Ti-alkoxide as an alternative electron-accepting material to fullerene derivatives to create highly air-stable BHJ solar cells. It is well-known that controlling the morphology in the photoactive layer, which is constructed with fullerene derivatives as the electron acceptor, is important for obtaining a high overall efficiency through the solvent method. The conventional solvent method is useful for high-solubility materials, such as fullerene derivatives. However, for Ti-alkoxides, the conventional solvent method is insufficient, because they only dissolve in specific solvents. Here, we demonstrate a new approach to morphology control that uses the molecular bulkiness of Ti-alkoxides without the conventional solvent method. That is, this method is one approach to obtain highly efficient, air-stable, organic-inorganic bulk-heterojunction solar cells.

A method for fully printable, fullerene-free, highly air-stable, bulk-heterojunction solar cells based on Ti alkoxides as the electron acceptor and the electron-donating polymer fabrication is described here. Moreover, a method for controlling the morphology of the photoactive layer through the molecular bulkiness of the Ti-alkoxide units is reported.

에 Ti-알콕사이드와 반도체 성 고분자를 기반으로 어느 정도의 인쇄 가능한 유기 - 무기 대량 이종 접합 태양 전지에 대한 형태 제어

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Electrospinning of Photocatalytic Electrodes for Dye-sensitized Solar Cells

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of electrospun titanium dioxide nanofibers (TiO2-NFs) on top of a blocking layer made of commercially available titanium dioxide nanoparticles (TiO2-NPs). This is achieved by first electrospinning a solution of titanium (IV) butoxide, polyvinylpyrrolidone (PVP), and glacial acetic acid in ethanol to obtain composite PVP/TiO2 nanofibers. These are then calcined at 500 &#176;C to remove the PVP and to obtain pure anatase-phase titania nanofibers. This material is characterized using scanning electron microscopy (SEM) and powder X-ray diffraction (XRD). The photoanode is prepared by first creating a blocking layer through the deposition of a TiO2-NPs/terpineol slurry on a fluorine-doped tin oxide (FTO) glass slide using doctor blading techniques. A subsequent thermal treatment is performed at 500 &#176;C. Then, the light-scattering layer is formed by depositing a TiO2-NFs/terpineol slurry on the same slide, using the same technique, and calcinating again at 500 &#176;C. The performance of the photoanode is tested by fabricating a dye-sensitized solar cell and measuring its efficiency through J-V curves under a range of incident light densities, from 0.25-1 Sun.

The overall goal of this project was to use electrospinning to fabricate a photoanode with improved performance for dye-sensitized solar cells.

염료 감응 태양 전지용 광촉매 전극의 전기 방사

This work demonstrates a protocol to fabricate a fiber-based photoanode for dye-sensitized solar cells, consisting of a light-scattering layer made of ...

The Effect of Interfacial Chemical Bonding in TiO2-SiO2 Composites on Their Photocatalytic NOx Abatement Performance

The chemical bonding of particulate photocatalysts to supporting material surfaces is of great importance in engineering more efficient and practical photocatalytic structures. However, the influence of such chemical bonding on the optical and surface properties of the photocatalyst and thus its photocatalytic activity/reaction selectivity behavior has not been systematically studied. In this investigation, TiO2 has been supported on the surface of SiO2 by means of two different methods: (i) by the in situ formation of TiO2 in the presence of sand quartz via a sol-gel method employing tetrabutyl orthotitanium (TBOT); and (ii) by binding the commercial TiO2 powder to quartz on a surface silica gel layer formed from the reaction of quartz with tetraethylorthosilicate (TEOS). For comparison, TiO2 nanoparticles were also deposited on the surfaces of a more reactive SiO2 prepared by a hydrolysis-controlled sol-gel technique as well as through a sol-gel route from TiO2 and SiO2 precursors. The combination of TiO2 and SiO2, through interfacial Ti-O-Si bonds, was confirmed by FTIR spectroscopy and the photocatalytic activities of the obtained composites were tested for photocatalytic degradation of NO according to the ISO standard method (ISO 22197&#8722;1). The electron microscope images of the obtained materials showed that variable photocatalyst coverage of the support surface can successfully be achieved but the photocatalytic activity towards NO removal was found to be affected by the preparation method and the nitrate selectivity is adversely affected by Ti-O-Si bonding.

The Effect of Interfacial Chemical Bonding in TiO2-SiO2 Composites on Their Photocatalytic NOx Abatement Performance

The focus of the present work is to establish means to generate and quantify levels of Ti-O-Si linkages and to correlate these with the photocatalytic properties of the supported TiO2.

TiO에서의 계면 화학 결합의 효과<sub&gt; 2</sub&gt; -SiO<sub&gt; 2</sub&gt; 광촉매 NOx 저감 성능 복합 재료

The chemical bonding of particulate photocatalysts to supporting material surfaces is of great importance in engineering more efficient and practical ...

Developing Photosensitizer-Cobaloxime Hybrids for Solar-Driven H2 Production in Aqueous Aerobic Conditions

Developing photocatalytic H2 production devices is the one of the key steps for constructing a global H2-based renewable energy infrastructure. A number of photoactive assemblies have emerged where a photosensitizer and cobaloxime-based H2 production catalysts work in tandem to convert light energy into the H-H chemical bonds. However, the long-term instability of these assemblies and the need for hazardous proton sources have limited their usage. Here, in this work, we have integrated a stilbene-based organic dye into the periphery of a cobaloxime core via a distinct axial pyridine linkage. This strategy allowed us to develop a photosensitizer-catalyst hybrid structure with the same molecular framework. In this article, we have explained the detailed procedure of the synthesis of this hybrid molecule in addition to its comprehensive chemical characterization. The structural and optical studies have exhibited an intense electronic interaction between the cobaloxime core and the organic photosensitizer. The cobaloxime was active for H2 production even in the presence of water as the proton source. Here, we have developed a simple airtight system connected with an online H2 detector for the investigation of the photocatalytic activity by this hybrid complex. This photosensitizer-catalyst dyad present in the experimental setup continuously produced H2 once it was exposed in the natural sunlight. This photocatalytic H2 production by the hybrid complex was observed in aqueous/organic mixture media in the presence of a sacrificial electron donor under complete aerobic conditions. Thus, this photocatalysis measurement system along with the photosensitizer-catalyst dyad provide valuable insight for the development of next generation photocatalytic H2 production devices.

Developing Photosensitizer-Cobaloxime Hybrids for Solar-Driven H2 Production in Aqueous Aerobic Conditions

We have directly incorporated a stilbene-based organic dye into a cobaloxime core to generate a photosensitizer-catalyst dyad for photocatalytic H2 production. We have also developed a simple experimental setup for evaluating the light-driven H2 production by photocatalytic assemblies.

수성 에어로빅 조건에서 태양광 구동 H2 생산을 위한 광전지-코발록시메 하이브리드 개발

Developing photocatalytic H2 production devices is the one of the key steps for constructing a global H2-based renewable energy infrastructure. A number ...

산화 티타늄을 사용하여 수성 환경에서 단백질과 세포를 포토 패터닝

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