Урок технологии в 1 классе по программе УМК «Начальная школа XXI века», курс “Технология. Ступеньки к мастерству» (автор Е.А. Лутцева)
Учитель: Вершинина Наталья Викторовна, МБОУ «СОШ с. Свердлово Калининского района Саратовской области»
ТЕМА: «Оригами. Игрушки без ножниц и клея»
Цель: Научить детей изготовлять «Собачку» в технике оригами.
Задачи:
Образовательные
1) познакомить с технологией изделия «Собачки» в технике оригами;
2) закрепить навыки детей по работе с бумагой, правила сгибания бумаги;
3) упражнять детей в анализе образца, планировании, контроле при выполнении своей работы.
Развивающие
1)
развивать пространственно – логическое мышление обучающихся, творческие
способности, память, воображение, речь.
Воспитательные
Воспитывать любовь и бережное отношение к животным, усидчивость, старательность, трудолюбие.
Оборудование и материалы:
Рисунки, фотографии с изображением различных пород собак; цветная бумага; ножницы; клей.
Тип урока: урок – практикум
ХОД УРОКА.
I. Организационный момент
Начинается урок.
Наши ушки на макушке,
Глазки широко открыты,
Слушаем, запоминаем,
Ни минутки не теряем.
– Ребята, посмотрите, готовы вы к уроку? В порядке ли у вас рабочее место?
II. Познавательно – аналитический момент
1. Познавательно – информационная беседа
– Дети, посмотрите, пожалуйста, на магнитную доску. Что я принесла на урок? (Поделки: игрушки, открытки)
– Из чего они все сделаны? (Из бумаги)
– Что лежит в основе изготовления всех поделок? (Прием сгибания и складывания бумаги)
– А может кто – то знает, как называется техника сгибания бумаги?
– Что такое оригами?
–
Оригами – это старинное народное японское искусство.
Передаваясь из поколения в
поколение, оно получило широкое распространение и является неотъемлемой частью
японской культуры. Состоит из двух слов: «ори» – сложенный, «ками» – бумага,
т.е. складывание из бумаги. Возникло 1800 лет назад в Японии. Это искусство живет до сих пор и любимо во
всех странах мира, всеми людьми. Оригами развивает логическое и
пространственное мышление, творческое воображение, мелкую моторику рук. Это
искусство дарит людям радость и красоту.
– Я предлагаю сегодня на уроке изготовить игрушку в технике оригами.
Это будет животное, название которого вы узнаете, когда отгадаете загадку:
С хозяином дружит,
Дом сторожит.
Спит под крылечком,
А хвост колечком.
– Кто это? (Собака)
– К какой группе животных относится собака? (Домашние животные)
– Какую роль
играют собаки в жизни человека? (Они живут рядом с человеком, охраняют его дом,
защищают, помогают пасти стадо коров или овец).
– Какие бывают собаки? (Служебные, охотничьи,
сторожевые, декоративные и
вовсе беспородные).
(Рассматривание фотографий и рисунков)
– Но все они верно служат человеку.
Если кто с собакой дружит,
Тому собака верно служит,
А верный пес – хороший друг –
Зависит от хороших рук.
-Собака преданный друг человека. Но и вы должны о ней заботиться. Если вы завели себе четвероногого друга, то нельзя его просто так бросить или выгнать на улицу. Помните, ребята, мы в ответе за тех, кого приручили. У каждой собаки должен быть свой хозяин и свой дом. Собака тоже достойна того, чтобы её любили и ценили. Во многих странах за преданность, за верную службу собаке поставлен памятник.
2. Анализ задания (образца изделия)
– Рассмотрите
внимательно образец изделия.
Для чего нам нужна эта поделка? (Кому- то
подарить, просто поставить на стол и любоваться, играть).
– Из чего изготовлена? (Из бумаги)
– А для этого изделия подойдет любая бумага или нет? А картон? Почему?
– Сколько деталей нужно сложить для собачки? (Две)
– Какие? (Голова и туловище)
– Сравните их. Они одинаковые или разные? Как соединены? (Неподвижно)
– Как можно соединить детали? (Склеить).
– Как оформлена? Что можно изменить?
– Какие инструменты вам понадобятся в работе? (Повторить технику безопасности при работе с ножницами).
3. “Открытие” нового знания или практического умения
– С чем вы можете справиться самостоятельно? (По шаблону вырезать заготовки)
– Как вы это сделаете? (Будем рационально использовать бумагу)
– Чему нужно научиться? (Правильно складывать заготовки для получения головы и туловища).
– Кто предложит, как нам поступить, чтобы научиться складывать голову? Туловище? (Разверните заготовку)
III.
Планирование
предстоящей самостоятельной практической работы
Выстраивание последовательности изготовления изделия
– С чего начнем работу? (С изготовления головы).
– Как? (Возьмем основу – квадрат. Согнем «косынкой». Затем отогнем правый и левый уголки. Это будут ушки. Нижний уголок тоже подогнем. Получилась голова).
– Что будем делать дальше? (Туловище)
– Расскажите, как? (Основа – тоже квадрат. Опять сгибаем «косынкой». Разворачиваем и загибаем уголки к середине вниз. Образовавшийся уголок загнем внутрь заготовки. Это туловище).
– Следующий этап какой? ( Сборка изделия)
– С помощью чего вы выполните сборку изделия? (Клей)
– Чего ещё необходимо будет сделать? (Оформить изделие).
– Чтобы вы не забыли, план работы я написала на доске.
План работы.
1.Заготовь две основы.
2.Заготовь голову.
3. Заготовь туловище.
3.Собери изделие: приклей
голову к туловищу.
4. Выполни дополнительные операции (наклей глаза, носик, ротик, лапки).
Физкультурная минутка
IV. Самостоятельная практическая работа
1) Организация рабочего места
– Проверьте, всё ли у вас готово к работе?
2) Самостоятельная практическая работа
– А теперь приступайте к выполнению работы. Не забывайте, что я в любой момент приду к вам на помощь. Желаю, чтобы ваши изделия получились красивыми, аккуратными.
3) Уборка рабочих мест
– Уберите, пожалуйста, свои рабочие места.
4) Обобщение
– Понравился ли вам урок?
-Что вы с удовольствием делали на уроке?
-Захотелось ли вам научиться делать других животных?
V. Оценка
творческо-поисковой или практической деятельности учащихся на уроке.
– Я с удовольствием поместила ваши работы на выставку. Я вами довольна.
(Учитель указывает на то, что не удалось и что получилось).
– Урок окончен. Всем спасибо.
Используемая литература:
1. Е.А. Лутцева «Технология»: 1 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений – 3 издание, переработанное – М.: Вентана – Граф, 2011. – 112 с.: ил. – (Начальная школа 21 века).
2. С.В. Соколова «Оригами для дошкольников», методическое пособие для воспитателей ДОУ, Санкт – Петербург: «ДЕТСТВО – ПРЕСС», 2002.
3. http://www.doggies.ru/articles/
4. Загадка: http://www.dogster.ru/cicero/humor/1027/
| Деятельность педагога | Деятельность детей | УУД | ИКТ |
| I. Организационный момент Цель этапа: мотивация учащихся К учебной деятельности Прозвенел звонок для нас.  Все зашли спокойно в класс, Встали все у парт красиво, Поздоровались учтиво, Тихо сели, спинки прямо. Все легонечко вздохнем, И урок труда начнем. А сейчас проверь дружок, Ты готов начать урок? Все ль на месте? Все ль в порядке? Все ли правильно сидят? Все ль внимательно глядят? — Сегодня мы с вами в технике оригами выполним фигурку. Но, какую, я пока не скажу. — Ребята, кто из вас знает, что такое оригами? Оригами – искусство складывания различных фигурок из бумаги. Показ разных фигурок. | — Это складывание фигурок из бумаги. | Личностные: формирование личного, эмоционального отношения к себе и окружающим. · знать основные моральные нормы поведения; · соблюдать гигиену учебного труда и уметь организовать рабочее место; Коммуникативные: · соблюдать простейшие нормы речевого этикета: здороваться, прощаться, благодарить; · слушать и понимать речь других; | Документ — камера |
II. Актуализация знаний Цель этапа: – сообщить учащимся знания о происхождении Балтийского флота.— Звучит музыка. ( Шум моря ) — Ребята, шум чего мы сейчас слышали? — В нашем классе сегодня не случайно был слышен шум моря. Так как именно сегодня 18 мая день Балтийского флота. — А вы знайте, его создатель сегодня пришел к нам на урок. (Показ картинки с Петром) – Ребята, а кто это? — Русский царь Петр первый по прозвищу Великий. — Но, как же, он создал флот, если с детства страшно боялся воды? — А произошло это так: когда Петр в трехлетнем возрасте, однажды на руках у матери ехал в карете и спал…, проснулся он от того, что мать кричит от ужаса, карета накренилась и в ней плещется вода. Ребенок страшно испугался и на протяжении 11 лет он смертельно боялся воды. Ему больших трудов стоило преодолеть страх.  Бот – это одномачтовое, обычно плоскодонное судно, речное или приморское.Нетерпеливый Пётр хотел сразу отправиться в плавание по реке Яузе, но бот был неисправен. Тотчас отправились искать плотника… Починив его, он пустились в плавание по реке. Но его это уже не удовлетворяло, и он мечтал о море, о больших кораблях, морских путешествиях. Тогда из Голландии выписали мастеров и построили корабельную верфь. Корабельная верфь — место постройки и ремонта судов. III. Физкультминутка для глаз | — Моря. — Нет. Петр первый Ответы детей | Личностные: — знать основные моральные нормы поведения; Познавательные: формирование представления о Балтийском флоте. — извлечение необходимой информации из рассказа учителя. – понимать заданный вопрос, в соответствии с ним строить ответ в устной форме; Коммуникативные: – участвовать в диалоге на уроке и в жизненных ситуациях; — отвечать на вопросы учителя, товарищей по классу. Личностные: мотивация учебной деятельности | Аудиозапись Слайд 1 Слайд 2 Слайд 3 |
III. Практическая работаЦель этапа: Обучение работе по технологической карте. — Ребята, представьте, что вы все кораблестроители и мы с вами сегодня создадим еще одну, а знайте что …ФЛОТИЛИЮ Ходит город-великан | Ответы детей. Корабль Корабль | Регулятивные понимать смысл инструкции учителя и принимать учебную задачу;учиться готовить рабочее место и выполнять практическую работу по предложенному учителем плану с опорой на технологическую карту, умение сопоставлять схему с рассказом учителя; Коммуникативные: слушать и понимать речь других; принимать участие в работе в парах.  | Слайд 10 Документ-камера |
| IV. Рефлексия Цель этапа:формировать у школьников самооценку. — Когда отмечается День Балтийского флота? — Кто основал его? — Кто такой Петр первый? | — 18 мая — Петр первый | ||
| V.Итог урока Цель этапа: |
Есть несколько способов это сделать. Во всех случаях у вас получится шестиугольная снежинка. Так что выбирайте тот вариант, который вам больше нравится.
Вырежьте из бумаги квадрат. Чтобы сделать его из листа формата А4, загните одну короткую сторону к длинной и отрежьте получившийся сбоку прямоугольник.
Согните квадрат по диагонали. Затем сложите фигуру пополам, соединяя два противоположных острых угла. Не сгибайте бумагу полностью, а лишь наметьте место сгиба внизу.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaРазогните фигуру. Загните одну сторону наверх так, чтобы нижний угол получившего треугольника был на отметке.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaДругую часть загните точно так же, но на обратную сторону. Верхние боковые треугольники должны быть одинаковыми, поэтому при необходимости подровняйте фигуру.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaЕсли не получается сложить углы ровно, сделайте карандашную разметку, как показано здесь:
С обратной стороны наложите правую часть фигуры на левую, сложив её пополам.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaПереверните фигуру — вы увидите ровный прямой край. Разрежьте по нему бумагу. Можно для удобства обвести этот край карандашом.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaВот видеоинструкция:
Вырежьте из бумаги квадрат.
Сложите его по диагонали.
Затем согните треугольник пополам.
YouTube‑канал СreativeClubПолучившуюся фигуру поместите прямым углом вверх, а сгибом — влево. Загните правую сторону чуть дальше середины треугольника.
YouTube‑канал СreativeClubЛевую сторону сложите внахлёст на правую. Загнутые треугольники должны получиться одинаковыми.
YouTube‑канал СreativeClubС обратной стороны отрежьте бумагу по линии, как и в предыдущем варианте.
YouTube‑канал СreativeClubНаглядный процесс:
На получившемся треугольнике нужно нарисовать лишь половину одной вершины снежинки. Помните: середина этой вершины располагается на сгибе бумажной заготовки.
Нарисуйте узор карандашом. Не нажимайте на него слишком сильно.
YouTube‑канал Amazing Easy Origami — YakomogaУзор можно придумать самому или воспользоваться готовыми шаблонами. Вот несколько интересных идей. На фото показаны узоры и то, что получится в итоге:
Public domain / Pinterest
Public domain / Pinterest
Public domain / Pinterest
Public domain / Pinterest
Public domain / Pinterest
На самом деле узоров снежинок очень много, ведь всё зависит от фантазии рисующего.
Так что не бойтесь её проявить.
Разрежьте бумагу по нарисованным линиям. Там, где узор мелкий, удобнее воспользоваться маленькими маникюрными ножницами.
Затем аккуратно расправьте бумагу.
Если вам не нравятся сгибы на снежинке, накройте её тканью или пергаментом и прогладьте утюгом.
Все плоские снежинки вырезаются по одному принципу, а вот способы смастерить объёмные фигуры отличаются друг от друга.
Например, для такого пушистого украшения нужно вырезать несколько одинаковых снежинок разного размера и приклеить друг на друга:
Для этой снежинки одинаковые резные детали нужно склеить по кругу:
Похожий вариант:
com/embed/w3fWsDUuETI” frameborder=”0″ allowfullscreen=”allowfullscreen”/>Эта снежинка делается очень просто, но выглядит потрясающе:
Чтобы собрать такую снежинку, понадобится шаблон. Распечатайте его, вырежьте детали и склейте, как показано в видео:
С помощью этого мастер‑класса вы создадите большую ажурную снежинку из шести одинаковый деталей:
Для этого похожего украшения тоже понадобятся шесть бумажных квадратов, но детали склеиваются иначе:
Здесь показано, как склеить снежинку из отдельных бумажных полосок:
youtube.com/embed/rmPC9hHzGQU” frameborder=”0″ allowfullscreen=”allowfullscreen”/>А вот другой вариант зимней фигуры из полос бумаги:
Читайте также 🎄⛄️🎁
Скачать технология оригами 1 клас doc
Оригами”. Предложенный материал может использоваться учителями начальных классов, работающих по УМК “Школа России”. Просмотр содержимого документа «Конспект урока технологии в 1 классе “Золотая рыбка. Оригами”». Тема урока: Оригами.
«Золотая рыбка». Работа с бумагой. Цель урока: познакомить с искусством складывания бумаги – оригами. Задачи: а) образовательные: дать понятие «оригами», изготавливать по технологической карте изделие-оригами «Золотая рыбка». б) развивающие: развивать фантазию, внимание и творческие способности.
Презентация для школьников 1 класса на тему “Оригами ” об оригами.
koohar.ru — удобный каталог с возможностью скачать powerpoint презентацию бесплатно. Даже мы в 1 классе на уроках технологии учимся складывать различные игрушки. Слайд 8. Требования к бумаге для оригами. Бумага при сгибе не должна ломаться. Хорошо держит складку, то есть поделка не раскрывается, а сохраняет форму. После разгибания складки на бумаге виден ровный рубец. Бумага имеет ровный цвет и не пачкает руки.
Урок соответствует требованиям ФГОС НОО. Содержит цели, планируемые результаты, УУД. Оригами из бумаги для начинающих ̶ это один из видов искусства, с помощью которого можно получить неповторимые поделки.
Бабочка из бумаги оригами. В этом мастер-классе мы сделаем поделку в виде бабочки, используя технику оригами. Для создания бабочки приготовим квадратную заготовку бумаги размером 21х21 см. Сначала наш оранжевый квадрат складываем пополам. Причина очевидна — именно Китай является родиной бумаги, именно в этой стране была изобретена сама технология изготовления бумаги.
Чаще всего, основой конструкций всех фигурок оригами является квадрат, а первоначально только квадрат и использовали, — и это не случайно.
В Древней Японии именно квадрат являлся воплощением мира, который находится под куполом мира.
Презентация на тему Оригами 1 класс к уроку по технологии скачать смотреть бесплатно. Оригами Автор: Короленко Марина Владимировна ученица 1- А класса МОУ «СОШ № ЗАТО Александровск» Научный руководитель: Шайхутдинова Светлана Геннадьевна, учитель начальных классов МОУ «СОШ № ЗАТО Александровск».
№ слайда 2. Описание слайда. Конспект урока технологии «Оригами». Изделие: композиция с тюльпанами, выполненными в технике «оригами» (2 класс). Цели деятельности учителя: изготовление тюльпанов в технике «оригами»; повторение технических приемов сгибание, складывание; повторение чтения схемы; изготовление композиции с тюльпанами.П Мне нравится.
Материалы презентации научат младших школьников искусству оригами. Просмотров: просмотров.
Рекомендуем: Для учеников 1 класса. Скачать: Популярные. Технология. Творческий проект «Ночная сорочка» просмотров. Творческий проект «Юбка» просмотра. Творческий проект.
Похожее:
Я вернулся с еще одним постом для серии A-Z STEM for Kids , организованной Little Bins for Little Hands. Каждый день блоггеры будут изучать концепции науки, технологий, инженерии и математики, начиная с A и заканчивая Z.
Я, конечно, превращаю STEM в STE A M, добавляя в свои сообщения A rt.
Я уже писал о C oding for Kids, а сегодня я берусь за «O для оригами».
Когда я размышлял над идеями для сериала, я только недавно посмотрел действительно крутой документальный фильм на PBS под названием Between the Folds об Оригами.
Я нашел этот документальный фильм невероятно завораживающим. Вы просто не поверите, что эти художники могут произвести на одном (огромном) листе бумаги. Мало того, что эти мастера оригами были полностью, непостижимо крутыми, были созданы не только произведения искусства, но и было действительно удивительно видеть всю связь Оригами с областями науки, математики, инженерии и технологий STEM.
Оригами – это искусство складывания бумаги, зародившееся в Японии еще в конце 17 века.Классическое оригами обычно состоит из одного листа бумаги (без разрезов), который сложен с помощью ряда стандартных складок оригами для создания замысловатых дизайнов.
Оригами сейчас практикуют во всем мире, и в 21 веке оно достигло новых высот (см. Видео TED Talk ниже).
Моя любимая традиция оригами – это легенда о тысяче бумажных журавликов. Говорят, что если тот, кто сложит тысячу бумажных журавликов, получит желание или удачу. В одном из наших местных художественных музеев здесь, в Далласе, Crow Collection of Asian Art, есть (или уже давно я не был) коридор с тысячей бумажных журавликов, сложенных школьниками, и он такой радостный и красочный.
Легенда добавила значимости истории молодой девушки Садако, которой было 3 года, когда атомная бомба упала всего в миле от ее дома в Хиросиме, Япония. После того, как в 12 лет у Садако диагностировали лейкоз, она начала складывать бумажных журавликов, чтобы победить рак. Перед смертью она смогла сложить только 644 журавля. Вы можете прочитать о ее истории в классической детской книге «Садако и тысяча бумажных журавликов».
художников-оригами были приглашены для работы во многих областях, чтобы поделиться своим опытом.
Часто оригами приходит на помощь, когда инженерам нужно придать чему-то компактную форму, чтобы превратить это во что-то или куда-нибудь, чтобы они могли развернуть это в месте назначения. Вот только пара, которую я нашел. Ссылки приведут вас к статье, в которой я нашел информацию, если вы хотите узнать больше.
Также ознакомьтесь с этим замечательным выступлением на TED Talk, в котором рассказывается о развитии оригами и о том, как они применили математические принципы к оригами, чтобы сделать его таким невероятным видом искусства, каким оно является сегодня.Может быть, во мне есть кретин, но я не могу насытиться этим.
В моем классе начальных классов была установлена станция оригами, на которой студенты могли поработать, если они закончат свою работу.
Детям это понравилось. Вероятно, это было наиболее часто используемое занятие в моем «Уголок творчества». Я заполнил его бумагой для оригами и ламинированными инструкциями для оригами животных и бумажных самолетиков (теперь вы понимаете, почему им это так понравилось).
Наблюдение за тем, как они занимаются созданием скульптур оригами самостоятельно, действительно показало мне, насколько полезно оригами для мозга учащихся.
Помимо чистого забавного занятия, оригами помогает учащимся с:
Я также видел отличные примеры того, как студенты вместе работали над созданием бумажных скульптур. Было так весело смотреть. Конечно, некоторые студенты были разочарованы и нуждались в помощи, но вызов – это хорошо.
Я попытался найти какое-нибудь исследование по Оригами для детей и наткнулся на эту статью. В нем есть ссылки на исследования, и он рассказывает об этом более подробно.
Я собирался дать ссылку на кучу сообщений в Интернете с замечательными упражнениями в области оригами, но я нашел один, который превосходит их все! Обязательно загляните в Клуб Оригами! В нем есть множество шаблонов (по крайней мере, сотни) с пошаговыми инструкциями для печати, а также анимациями, которые показывают, как это сделать.У него даже есть рейтинговая система от 1 звезды за легкое до 5 звезд за очень сложное. Какой отличный ресурс для вашего класса!
Обратите внимание, что в этом посте есть партнерские ссылки Amazon. Как партнер Amazon я зарабатываю на соответствующих покупках.
Попробуйте сделать оригами дизайн и дайте мне знать, как оно получается, в комментариях. Обязательно посетите эту целевую страницу, чтобы познакомиться с серией A-Z STEM для детей, а также получить ссылки на все другие замечательные публикации за месяц!
ACS Omega.2021, 12 января; 6 (1): 46–54.
, † , ‡ и * ‡ §† Почести Колледж, Школа экологических и биологических наук, Университет Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси 08901, США
‡ Департамент химического машиностроения, Массачусетский университет Lowell, Lowell, Massachusetts 01854, United States
‡ Департамент химического машиностроения, Массачусетский университет Лоуэлл, Лоуэлл, Массачусетс 01854, США
§ Департамент хирургии, Массачусетский университет Медицинская школа, Вустер, Массачусетс 01655, США
† с отличием Колледж, Школа экологических и биологических наук, Университет Рутгерса, Нью-Брансуик, Нью-Джерси 08901, США
‡ Департамент химического машиностроения, Массачусетский университет Лоуэлл, Лоуэлл, Массачусетс 01854, США
§ Департамент хирургии, Массачусетский университет Медицинская школа, Вустер, Массачусетс 01655, США
Автор, ответственный за переписку.Поступило 29.10.2020 г .; Принято 2020 17 декабря
Copyright © 2020 The Авторы. Опубликовано American Chemical Society Это статья в открытом доступе, опубликованная под лицензией Creative Commons Non-Commercial No Derivative Works (CC-BY-NC-ND) с указанием авторства, которая разрешает копирование и распространение статьи, а также создание адаптаций для некоммерческих целей. .Эту статью цитировали в других статьях в PMC.Современные биомедицины приложения требуют прогрессий, которые сочетают передовые технологии с соответствием естественным, сложные биосистемы.Эти достижения приводят к конформационным взаимодействиям. между биомедицинскими устройствами и биологическими организмами » конструкции. Биомедицинские приложения, адаптирующие подходы, вдохновленные оригами накопили желаемые авансы. Наряду с преимуществами для конкретных приложений, наиболее актуальные достижения, обеспечиваемые стратегиями, вдохновленными оригами включать в себя объемные конструкции со способностью соответствовать биосистемам, изменение формы из двухмерного (2D) в трехмерное (3D) структуры и биосовместимость.В этой статье исследование новых исследований, в основном в течение последнего десятилетия, с использованием оригами применения биомедицинских устройств, включая их теории, экспериментальные рассматриваются результаты и планы будущих испытаний. Этот мини-обзор содержит примеры, которые помогают продвижению биомедицинских приложений и держат многообещающие будущие открытия. Аппликации в стиле оригами В этой статье обсуждаются тканевые каркасы, подходы к доставке лекарств, стенты и катетеры, имплантаты, микрофлюидные устройства, биосенсоры, и использование оригами в хирургии.
Оригами определяется как процесс складывания бумаги; значение Этот процесс заключен в корнях японского слова oru , означающего складывать, и kami , означающего бумагу. 1 Традиционное оригами – это упрощенный процесс из исключительно фальцованной бумаги, причем последовательность фальцовки обычно проходит вниз устно или без товарного знака. Впервые практиковался в Японии в шестого века, применение традиционного оригами было развлекательным и церемониальные / религиозные, а оригами стали признаны форма искусства через расширение практики. 1 По мере того как изготовление оригами становится все более распространенным, современное оригами стало основан на дополнениях к складной бумаге, таких как маркировка, резка, склейка и приклеивание ленты, а также художественное мастерство в нанесении товарного знака каждая последовательность создания. Сложность взаимодействия между различными частями конструкции оригами добавляет ей универсальности. 2 Это побуждает к практической реализации таких методологии в средах, требующих минимальной инвазивности, как это видно во многих научных приложениях.Одним из примеров этого является использование оригами в виде микрохирургии желудочно-кишечного тракта робот. Это помогает свести к минимуму инвазивность во время операции и облегчить в производстве. 3 Такая практичность оригами изготовление также используется в инженерных установках. Другой К преимуществам ориентированных на оригами подходов можно отнести изготовление объемных структуры, которые могут соответствовать биосистемам, компактное развертывание, изменение формы возможности от двухмерных (2D) до трехмерных (3D) структур, рентабельность, меньшая сложность и время изготовления, реконфигурируемость, и биосовместимость.Общие применения включают возможности реконфигурируемого хранилища. и упрощение производственных процессов. 4 Далее, в настоящее время используются принципы оригами. и изучены в научных приложениях, таких как медицинские стенты, развертывание подушек безопасности в автомобилях и больших массивов солнечных панелей космических спутников. 5 С приложением оригами на медицинские стенты, гибкий складной способ доставки облегчает маневрирование через каналы различной формы в тело с расширением окончательной формы, происходящим в обозначенном локация, обеспечивающая минимально инвазивные процедуры. 5 Оригами внутри подушек безопасности используется в контрактном состоянии хранилища с раздутым или 3D-расширением, развернутым только тогда, когда активирован. НАСА в настоящее время работает над созданием космических силовых установок для использования энергии на Земле и с приложением оригами, самосборка солнечных панелей в космосе достижима, что исключает необходимость сборка космонавтов. 6 Общая концепция к этим математическим и научным приложениям, меняет форму которые можно получить с помощью оригами. 7 Есть это широкий спектр этих методов, которые используются в настоящее время, и другие, которые изучаются в биомедицинских приложениях.
В синтетических биосистемах методы сборки преимущественно снизу вверх, в котором материалы накладываются слоями и добавляются пошагово процесс. 8 Механизм взят из естественное единство, сложность и трехмерность естественного происходящие биосистемы. Чтобы помочь этой субоптимальности, использование оригами в области медицинского устройства обеспечивает однородность материала, пригодность трансформировать из тонкого листа в объемную структуру, а также как преимущества простой конструкции, низкой стоимости материала и одноразового использования. 3 Математические и технологические приложения, включая структуру и кинематику, оригами, известные как оригамики , также используются для вывода этих биосистем. как и другие биомедицинские устройства. Открытие шести аксиом Хузиты и одна аксиома Хатори, каждая из которых определяет метод сворачивания, максимизирует использование оригамика в его применимости. 3 3D-структуры могут быть дополнительно использованы с помощью программного обеспечения для моделирования и 3D-печать для получения точных рисунков, вариативности и индивидуальности. 8 Ячейка оригами , или трехмерная ячейка с загрузкой микроструктуры, также могут быть разработаны в областях микроструктуры контейнеры, а также каркасы для искусственных тканей. 5 Две формы оригами, 2D и 3D, или процесс изменения формы, удобен для вставки, перемещения, и удаление внутри тела и достигаются внешним сигналом использование химических, электрических или температурных инициаторов. 5 Изменяющие форму конструкции могут минимально помочь инвазивные процедуры и операции за счет уменьшения размеров конструкции компактной форме при входе и навигации.
Существующие биомедицинские устройства, в том числе биосенсоры, тканевые каркасы, и микрофлюидные устройства, перспективны в применении, хотя каждое сталкиваются с ограничениями в своем продвижении. Современные тканевые каркасы может анализировать свойства перспективного биологического организма как на клеточная и субклеточная основа. Биосенсоры могут использоваться для обнаружения различные биомаркеры состояния здоровья, судебно-медицинские исследования или обнаружение химикатов, а также реагентов тестовой среды и безопасность пищевых продуктов и воды. 9 Новые подходы нацеленные на биомолекулярное зондирование in situ в настоящее время изучаются. 8 Одно ограничение, с которым сталкивается традиционный биомедицинские устройства – их структуры 2D, в то время как большинство биосистем имеют трехмерную структуру, что приводит к потере информации. Например, приложение на основе оригами, которое может быть применено к тканевым каркасам это изменение формы от свернутой 2D-структуры к 3D геометрически сложная структура, которая обволакивает клетки или биомолекулы при воздействии к уникальным стимулам, меняющим форму. 8 Микрожидкостный устройства могут имитировать сосудистые сети в человеческом теле, чтобы служить различные приложения, такие как скрининг лекарств, доставка, или для создания васкуляризированных каркасов тканевой инженерии. 8 Однако эти устройства имеют ограничения, которые включать отсутствие поперечных сечений, которые напрямую совместимы с человеческое тело. Это ограничение можно устранить с помощью оригами. решения, в которых изогнутые и складчатые жидкостные сети могут помочь лучше воспроизвести трехмерные сосудистые сети человека. 8 Будущие усовершенствования на основе оригами в биомедицинских приложениях показать многообещающие достижения, включая возможность создания 3D-структуры, улучшающие биосовместимость и позволяющие изменять форму Особенности.
В рамках этого обзора применены современные техники оригами. исследуются выделить ключевые аспекты, способствующие многообещающему будущему в биомедицинские аппараты и синтетические биосистемы. Эти ключевые особенности в приложениях, основанных на оригами, меняют форму, непрерывность материала, биосовместимости, одноразовости и индивидуальной настройки.В обсуждаемые области применения включают тканевые каркасы в стиле оригами, подходы для доставки лекарств, стенты и катетеры, имплантаты, микрофлюидные использование устройств, биосенсоров и оригами в хирургии.
Многообещающий научный применение оригами – это его использование в изготовление 3D-каркасов для тканевой инженерии и регенерации медицина. 10 Обширные повреждения тела часто требует управляемых и усиленных средств регенерации тканей.Для таких средств широко известным подходом было использование каркасов, которые являются вспомогательными материалами шаблона, которые обеспечивают трехмерную среду для клеток, чтобы облегчить формирование ткани. 11 Camci-Unal et al. создал бумагу в стиле оригами шаблонов в управлении отложением фосфата кальция остеобластами для минерализация по шаблону. 12 Ватман фильтровальная бумага (сорт 114) толщиной 190 мкм и средней Размер пор 25 мкм был использован для изготовления каркасов в этом учиться.В качестве материала строительных лесов была выбрана бумага, потому что она состоит из натуральных целлюлозных волокон, биосовместим и гибкий и обладает способностью поддерживать жизнеспособность и рост клеток в трехмерных оригами-сложенных конструкциях. Бумажные подмости стерилизовали, засевают остеобластами в коллагене и культивируют до 21 дня. Отложение гидроксиапатита остеобластами бумажных каркасов затем были оценены с использованием аналитических методов. Например, кальций и фосфатное окрашивание проводились в дополнение к высокому разрешению СЭМ-микроскопия и элементный анализ для подтверждения образования гидроксиапатитовые минералы.Дополнительно микрокомпьютерная томография (микро-КТ) сканирование сыграло решающую роль в установлении распределения минерализованных области внутри сложенных оригами каркасов. 12 Это исследование показало доказательство концепции использования фильтровальной бумаги. для изготовления тканевых каркасов в стиле оригами для биоминерализации. Благодаря широкой доступности бумаги, ее гибкости, низкой стоимости и биосовместимость, этот подход может быть использован в различных приложения тканевой инженерии, разработка персонализированных платформ для лечения заболеваний такие как модели органов на бумаге и аналитическое обнаружение клеточных метаболиты.
В другом исследовании, самосгибание на основе оригами 3D микроструктуры были получены с использованием альгината в качестве жертвенного компонента в каркасе процесс изготовления. Воспроизведение функциональных возможностей человека in vivo тканей обычно достигается с использованием сокультивированных клеток в трехмерных микросредах. He et al. обнаружил, что клеточное оригами выгодно поскольку он может обеспечить очень жизнеспособные условия культивирования в трехмерных условиях чтобы максимально увеличить область взаимодействия между разными типами клеток. 13 Узорчатые микроструктуры были получены с использованием монослой фибробластов (NIH 3T3) на микропланшетах, покрытых альгинатом и гепатоцеллюлярные клетки печени (HepG2).Клетки NIH 3T3 были впервые засеяны и культивировали на микропланшетах с последующим посевом клеток HepG2 на микропланшеты с прикрепленными фибробластами NIH 3T3 в течение 4 часов. Альгинат жертвенный слой облегчил отделение клеток от поверхность микропланшетов с использованием фермента альгинатлиазы. Деградация альгинатного слоя вызвали сворачивание узорчатого NIH 3T3 слой клеток вокруг клеток HepG2 для создания додекаэдра с Клетки NIH 3T3 действуют как шарниры между микроструктурами. Конфокальный микроскопические изображения были получены, чтобы выявить положение каждой клетки тип при формировании трехмерных микроструктур.Жизнеспособность сокультивированных клеток оценивали путем различения живых и мертвые клетки путем окрашивания жизнеспособности. Кроме того, суммы секретируемый альбумин из клеток HepG2 анализировали для оценки функциональность этих ячеек. 13 Всего, это исследование минимизировало процесс самосвертывания клеток с 3 дней. до 2 мин при высокой жизнеспособности клеток. Возможность варьировать микропланшет форма и дизайн придают универсальность производимым микроструктурам, что позволяет применять их в регенеративной медицине, клеточной терапии, и разработка лекарств.
Конструкция и применение самораскладывающейся оригами микрокапсулы с использованием термореактивные полимеры использовались для контролируемого и обратимого захват дрожжевых клеток. Стойчев и др. сообщил о фабрикации биоразлагаемые термореактивные капсулы с использованием поли ( N -изопропилакриламида) (PNIPAM) и поликапролактона (PCL). 14 Полимеры, образованные сшитыми четырех- и шестилучевыми звездообразные бислои с помощью фотолитографии. Полученные результаты показали, что звездообразные бислои изгибаются через 5–10 с при температурах ниже точки помутнения поли (NIPAM-ABP) и сформировали трехмерные капсулы (a – d).a – d демонстрирует термореактивность капсул определенного размера в соответствии с к перепадам температуры. Это было показано для четырех- и шестилучевых звезд. и напоминает обсуждаемое функциональное приложение. Дальше Функциональность бислоев была проверена на дрожжевых клетках, которые были засеяны на бислой полимера при повышенных температурах и инкапсулированы охлаждением полимерного бислоя. 14 Это Таким образом, исследование продемонстрировало термореактивные самоскладывающиеся капсулы. с улучшенными характеристиками для обратимой инкапсуляции ячеек.Такой складной механизм, вдохновленный оригами, показывает многообещающее применение. в контроле активности бактерий и грибков и даже показывает возможность сборки в 3D каркасы, которые можно использовать для клеток доставка и тканевая инженерия.
Примеры сотовой связи в стиле оригами Приложения. Термореактивный самосворачивающаяся капсула с обратимыми структурными изменениями. (а, в) Открыть конфигурация при повышенной температуре. (б, г) Полная инкапсуляция при пониженных температурах. Адаптировано с разрешения ссылки (14).Авторское право 2011 Soft Matter. (e) Пошаговая процедура изготовления бумажных каркасов с клетками. для использования в качестве имплантата (адаптировано с разрешения ссылки (15). Copyright 2015 National Академия наук).
Дальнейшее обучение оригами тканевая инженерия выявила емкость для сборки биофункциональной бумаги в разностороннюю структурированную системы строительных лесов. Kim et al. смог интегрировать и манипулировать бумага с гидрогелем при создании систем каркасов, способных посев клеток. 15 Бумага на целлюлозной основе содержат макропористые структуры, облегчающие транспортировку питательных веществ и оксигенация. Полимерная пленка поли (стирол- co -малеинового ангидрида) (PSMa) была нанесена на бумагу с использованием инициированного химическое осаждение из паровой фазы (iCVD). Пленка ПСМА обеспечила реактивную ангидридные группы с образованием ковалентной связи с аминогруппами в поли-L-лизине (PLL) для иммобилизации. Эффективность химически модифицированная бумага была испытана путем изготовления цилиндрической формы. формованные каркасы и покрытие их суставными хондроцитами кролика для реконструкции трахеи (д).е используется, чтобы показать последовательный процесс создания гидрогеля. и бумажные каркасы с ячейками для возможного внедрения в трахея кролика. Достигнута успешная функциональность in vivo с достаточной воздухонепроницаемостью и прочностью в дыхательных путях при полном замена естественной трахеи трансплантированной тканью. 15 Это исследование, как показано, объединяет концепции оригами. с процессом iCVD для сохранения морфологии и устойчивости бумажных каркасов, необходимых в тканевой инженерии трахеи.Дополнительный применение конструкции с замком и ключом планарных листов при герметизации хондроциты для регенерации тканей демонстрируют универсальность использования подходы тканевой инженерии, основанные на оригами.
Использование оригами в доставке лекарств подходов видела большие успехи через исследование, в котором было внедрено устройство для пероральной доставки на основе самосворачивающиеся гидрогели. He et al. изготовили самосворачивающуюся миниатюру устройство, способное демонстрировать улучшенную мукоадгезию, направленное однонаправленное доставка и защита лекарств через эпителий слизистой оболочки 16 (a – b).демонстрирует функциональность устройства с течением времени в контролируемой параметр. Результаты на рисунке показали повышенную способность складчатость и мукоадгезия. Это указывает на эффективность препарата в будущем. приложения доставки. Устройство изготовлено методом мягкой литографии. с использованием трех функциональных слоев, один из которых представляет собой мукоадгезивный материал, содержащий лекарственное средство слой вверху. PH-чувствительный, набухающий средний слой был сделан полиметакриловой кислоты (PMAA), сшитой с использованием триэтилена диметакрилат гликоля (TEGDMA).Не набухающий нижний слой изготовлен с использованием гидроксиэтилметакрилата (HEMA), поперечно сшитого диэтиленом диметакрилат гликоля (DEGDMA) и действует как диффузионный барьер предотвращение утечки препарата. Мукоадгезивный препарат был химически привязанный к двухслойному гидрогелю. Значительный отек имело место, когда чувствительный к pH PMAA подвергался воздействию жидкостей организма. что облегчило складывание и скручивание устройства при приклеивании к эпителию слизистой оболочки. Тесты эффективности проводились с использованием двух модельные препараты АО8 и БСА на тонком кишечнике свиньи. 16 Результаты показали, что миниатюрные гидрогелевые устройства получили трехмерные складчатые конструкции, способные к однонаправленной доставке и продемонстрировали многообещающие результаты перорального приема белков на основе наркотики.
Использование самосвертывающегося миниатюрного устройства для отображения динамической функциональности на слизистую оболочку. (а) Тестирование поведения складывания и время его берет для эффективного складывания. (б) Мукоадгезивное поведение устройства. со временем при помещении в буфер с pH 6,5 и температуре 25 ° C (адаптировано с разрешения ссылки (16).Авторское право 2005 Elsevier).
В другом исследовании сообщалось о подходе к доставке лекарств, основанном на оригами. складывание с использованием двухслойных гидрогелей для создания настраиваемых микрокапсул. Шим и др. использовали фотолитографию для изготовления бислоев гидрогеля, которые индуцировали инкапсуляцию in situ модельной небольшой молекулы при припухлость. 17 Использовали поли (2-гидроксиэтилметакрилат- со -акриловой кислотой) (p (HEMA- со -AA)). поскольку активный слой, способный набухать и управлять конформацией, изменяется в то время как поли (2-гидроксиэтилметакрилат) (p (HEMA)) использовался в качестве пассивного слой для подавления степени набухания.В форме цветка и снеговика микроструктуры были протестированы с флуоресцентно меченным декстраном как модельный инкапсулянт, чтобы обнаружить, что pH 9 вызывает сильное набухание и закрытый отсек, в то время как pH 4 восстанавливает плоскую конформацию высвободить содержимое микрочастиц. Это исследование, как показано, встроенные настраиваемые микрокапсулы, зависящие от анизотропного объемного расширения для обратимых конформационных изменений в бислое. 17 Результаты оказались многообещающими для применения таких микрокапсулы в доставке лекарств, трехмерная инкапсуляция клеток, тканевые каркасы, и приложения для мягкой робототехники.
Принципы оригами были используется для изготовления стентов и катетеры для биомедицинского использования. В исследовании Taylor et al. исследуя медицинское использование конструкций оригами, применение катетеров при фибрилляции предсердий (ФП) было исследовано нарушение сердечного ритма за помощь в диагностике и лечении. 18 С расширением электрофизиологической (ЭП) терапии аритмии, безопасный и специализированный катетер для картографии необходим для создания точных пространственное распределение напряжения, собранное в разных местах по всему камеры сердца, чтобы найти и лечить источник аномального ткань. 18 В этом исследовании роман расширяемый катетер представлял собой круглый лист из поликапролактона с медным покрытием наносится около края листа для формирования катушек изображения, сложенных в выкройка оригами. Материал конструкции был достаточно гибким входить в сосудистую сеть тела, а также выходить в расширенном форма и достаточно жесткая, чтобы расшириться и принять форму по прибытии внутрь камера сердца. Способность катетера соответствовать тело человека и прохождение дуги аорты было оптимизировано с помощью математических модели, чтобы сравнить высоту, расширенную площадь и складскую площадь с расширенный диаметр, а также количество складок в конструкции.Совместимость полученной 3D-структуры с помощью МРТ была протестирована и подтвержденный. Этот новый катетер на основе оригами, используемый для диагностики и лечение аритмии, оказалось многообещающим с возможностью объединены с настроенными и подобранными катушками для визуализации, что дает катетер Совместимость с МРТ.
В другом исследовании применение оригами конструкции на основе катетера были изучены диагностика и лечение фибрилляции предсердий (ФП) с целью оптимизации внутрисердечной магнитно-резонансной томографии (ICMRI). 19 Радиочастотная абляция (РЧА) терапия, форма малоинвазивной электрофизиологической терапии, определяет местонахождение аномальные ткани и удаляет те ткани, делая их электрически неактивный. Этот метод был реализован в исследовании Taylor et al. al. путем встраивания электродов RFA посредством микротехнологии и лазерной резки квадратные медные цепи прямо в наконечники квадратного поликапролактона лист, который затем был сложен в структуру оригами изо-флешера. 19 Преимущества катетера заключаются в оптимизированном соответствие судну как в походном, так и в развернутом виде, несколько катушек формирования изображений, которые позволяют выполнять параллельную визуализацию, а также недорогой и одноразовый дизайн.Предварительные исследования ex vivo показали многообещающие результаты, обеспечивающие высокое качество контрастного изображения и более быстрая визуализация, что повысило эффективность во время операции. мониторинг ФП. Помимо сердечных катетеров, оригами на основе развертываемые устройства также могут использоваться в приложениях, в которых расширение, развертывание или изменение формы не требуется.
Аналогично другое исследования показали многообещающие возможности применения киригами, разновидность оригами, добавляющая вырезание из сложенной бумаги. состав.Kim et al. созданы раздвоенные стенты с использованием структур киригами изготовлены из полимеров с памятью формы (SMP) на основе полиуретана. 20 Здесь была использована новая стратегия 4D-печати для получения настраиваемых цилиндрических стентов в a – f. На этом рисунке показан кровеносный сосуд (a), раздвоенный стент, напечатанный на 3D-принтере (b, c), в обоих исходных и деформированные формы (d), спроектированные на основе его соответствия 3D репликация кровеносного сосуда. На рисунке показан процесс развертывания, теоретически (д) и экспериментально (е) вставки деформированного стент, боковая ветвь которого находится внутри основной ветви, а смещение к исходной форме при достижении точки разветвления крови судно.4D-печать SMP включала способность материала форма должна быть временной по морфологии, реагируя на инициирующий источник температуры. После формования в настраиваемую негативную копию кровеносного сосуда SMP были нагреты выше температуры стеклования. температура ( T г ), где они могут быть легко формуют и одновременно охлаждают ниже T г , в результате чего получают желаемую форму. Потому что пути крови сосуды подвергаются сжатию, жесткость стента как фактор повторяющегося рисунка и толщины структуры, необходимо быть управляемым для развернутого целевого сайта.Структуры, вдохновленные Киригами обеспечивает гибкость для удобного регулирования жесткости раздвоенные стенты. Это исследование доказало достижимое решение препятствие и препятствие обычных стентов в раздвоении сосудов путем неинвазивного введения тонкой структуры, которая преобразует к раздвоенной объемной форме через внешние раздражители.
Напечатано на 3D-принтере стент для кровеносного сосуда. Стенты в значительной степени основаны на дизайн киригами. (а) Модель кровеносного сосуда. (б) Соответствующий стент дизайн.(c) Стент с печатью с адаптируемыми конфигурациями. Длина и ширина стента 80 и 50 мм соответственно. (d) Этапы трансформации из развернутой в компактную форму. (e) Процедура развертывание стента. (f) Имитационный эксперимент, демонстрирующий адаптируемость после того, как попала в желаемую среду (адаптировано с разрешение из работы (20). Авторские права 2018 Авторы).
Задача создания и интеграция портативных имплантатов с различное поведение при развертывании и втягивании было тщательно проанализировано в исследовании, посвященном применению таких критериев имплантата для in vivo функциональность. 21 Bobbert et al. сфабрикованный развертываемый метаимплант, способный поддерживать компактный размер режим, обеспечивающий минимальную навязчивость. В стиле оригами структура изменила форму при приложении внешней силы (а – б). а – б представляет использование развертываемых мета-имплантатов в контролируемых условиях с использованием флакон и в теоретическом применении в качестве костного имплантата. В обоих настройки, приложенная сила изменяет начальную конформацию на втягиваться или расширяться в зависимости от внешних факторов стресса.Это позволяет имплантат должен быть правильно подогнан к его физическим условиям. Бистабильные структуры использовались из-за их способности объединяться в сложные мультистабильные структуры с более чем двумя устойчивыми положениями равновесия. Бистабильные элементы использовались для получения разворачиваемых в радиальном и осевом направлении структуры наряду с ауксетическими структурами. Поли (молочная кислота) (PLA) использовался как биосовместимый полимер и как основной материал в 3D печать из-за его биоразлагаемости и размещения в качестве шаблона для роста клеток.Тестирование на функциональность этих мета-биоматериалов использовали испытания на сжатие и растяжение. 21 Портативные имплантаты, использованные в этом исследовании, объединяли параметры бистабильного элементы в создании структур с разнообразными силами, необходимыми в процессы развертывания и отзыва. Результаты этих 3D-структур показать потенциальные возможности применения в малоинвазивных хирургических вмешательствах и в использовать в качестве костных имплантатов.
Развертываемый метаимплант с различными возможностями развертывания и отозвать на основе приложенной силы.(а) Развертываемые и убирающиеся функции имплантата в контролируемой настройке с использованием флакона для минимизации навязчивость. (b) Использование имплантата внутри тела в обеих конфигурациях. используется (Адаптировано с разрешения ссылки (21). Copyright 2018 Royal Общество химиков).
Другое исследование усилено выкройки оригами для складных ортопедических имплантаты из алюминия и титана. Вдохновленный русскими куклами, Bobbert et al. представила многослойные развертываемые имплантаты, увеличивающие по размеру с использованием силиконовых воздушных шаров и кубических структур различных размеров. 22 Охарактеризовано успешное развертывание имплантатов при развертывании самого маленького куба до контакта с большим кубом, в результате чего дальнейшее расширение. Бистабильность была вызвана в плоских компонентах разворачиваемых кубиков с помощью выкройки киригами, сделанной лазером резка. Контрольная группа имплантатов из полимолочной кислоты (PLA) был использован для сравнения эффективности с дизайнами на основе оригами. В 3D-конструкции на основе оригами состояли из алюминиевых листов, которые были лазерная резка и дизайн со сложным рисунком поверхности, тогда как титан листы использовались для демонстрации применения разработанных микрорельефов. при сохранении возможности складывания.Коэффициенты масштабирования 30%, 40%, и 50% были использованы для алюминиевых слоев, чтобы воспроизвести матрешку. принцип, помещая меньшие кубики внутрь больших. Оригами После установки имплантаты достигают размеров примерно в два раза больше. 22 Результаты этого исследования показали, что пористый алюминиевые метаимплантаты, изготовленные с использованием оригами и киригами, перспективен для малоинвазивных операций и позволяет избежать стресс-экранирования в ортопедических имплантатах.
Возможность интеграции реагирующих на раздражители отвязанные захваты можно выделить из-за его разнообразных исполнительных механизмов и навигации процедуры.Ghosh et al. расширил тему непривязанного мягкого захваты для доставки лекарств и роботизированной хирургии. 23 Среди исполнительных механизмов встречаются магнитные исполнительные механизмы. чтобы максимизировать возможности для непривязанных приложений. Общее передвижение захватов также является наиболее универсальным и достижимым при использовании магнитные поля. Этого можно добиться, имплантировав магнитные частицы. на корпус захватов. 23 Другое внешние раздражители, такие как тепловое воздействие, pH, свет или ионная сила также может использоваться в захватах в стиле оригами за счет использования композитов полимеров и гидрогелей.
Кроме того, непривязанный Микрогрипперы в стиле оригами могут быть задействованы с помощью термических или химических средств для захвата и извлечения субстратов или выполнить биопсию. Леонг и др. спроектированы металлические микрогрейперы, которые были вдохновлены цифрами членистоногих для достижения конформации всего 190 мкм. 24 Дистанционное тепловое срабатывание микрозахватов достигалось при температурах около 40 ° C, в то время как при срабатывании использовались биологически безопасные реагенты. процесс. Захват и извлечение живых клеток фибробластов L929 были осуществляется с помощью термического и биохимического воздействия.В пробирке биопсия была выполнена на мочевом пузыре крупного рогатого скота с помощью теплового воздействия после образец был извлечен с помощью магнита. 24 Исследование показало функциональность металла без привязи in vivo. микрозахваты для максимальной маневренности в хирургических условиях.
Дополнительные формы функциональности in vivo с использованием без привязки, типа придатка экспериментально и статистически показано, что микрогрейперы улучшают хирургические процедуры биопсии. Gultepe et al. реализован непривязанный эндоскопические микрозахваты в субмиллиметровом масштабе для отбора проб тканей и диагностические цели (a – c). 25 а – с представляет структура и относительный размер микрозахватов для справки. Извлечение собранной ткани показало успешность отбора проб 45% и 95% для захватов 300 и 1500 соответственно, в отличие от ранее рассчитанный 8% успех при использовании обычных методов биопсии. Еще одно приложение той же исследовательской группы использовало вдохновленные оригами ферромагнитные микрогрипперы для проведения биопсии свиней in vivo желчь для генетической диагностики и цитологического анализа 25 (г – е).d – f расширяет представление микрозахватов, чтобы показать широкомасштабное применение, доставка и извлечение микрогрейперов в толстая кишка. Рисунок особенно подчеркивает легкость нанесения большого количество микрогрейперов для эффективной биопсии. Эти примеры предоставляют многообещающая перспектива использования микрогрипперов в стиле оригами у людей как средство улучшения методологий биопсии.
Микрогрипперы используется для отбора образцов тканей и диагностики. (а) Открыть конфигурация. (б) Закрытая конфигурация.(c) Размер микрозахвата, который пропорционально меньше, чем используемые в настоящее время щипцы для биопсии. (d, д) Изображения микрогрипперов на поверхности толстой кишки. (f) Использование магнитного катетер для извлечения микрогриппера (адаптировано с разрешения из работы (25). авторское право 2013 Институт AGA. Опубликовано Elsevier Inc.).
Методология оригами широко использовалась в смягчение разностороннего подхода к производству микрофлюидных устройств.Лю и др. изложил это в исследовании, в котором использовалась бумага на основе оригами. аналитические устройства (oPAD), которые могут быть объединены в несколько резервуаров, швеллеры, рама для складывания (а – г). 26 а – д показывает многочисленные особенности бумаги, используемой для микрожидкостной устройство. Важные характеристики бумаги включают резервуары и угловые формы, специально предназначенные для зажима. Алюминиевый дом, в котором показано устройство в сборе и размещении. Устройство было изготовлены с использованием одного листа бумаги, на который был нанесен рисунок с помощью фотолитографии, собран вручную, что позволило свести к минимуму время и затраты на сборку.Сама бумага имела толщину 100 мкм и имела каналы, которые имели ширину 900 мкм и резервуары диаметром 2,5 мм. Последующий эффективность этих устройств была проверена путем размещения различных растворов различных цветов на oPAD, чтобы наблюдать эффект капиллярной действие в каждом устройстве (e). 26 e подчеркивает эффективность микрофлюидного устройство, позволяя решениям течь через назначенные каналы и резервуары без перемешивания. Результаты были показаны на девятислойной бумага. Слои устройства способствовали параллельному колориметрическому анализу нескольких аналитов, включая глюкозу и бычий сывороточный альбумин.Сходным образом, Gharaghani et al. использовалась микрофлюидная трехмерная тонкослойная хроматография (ТСХ). бумажные аналитические устройства (μPAD) как средство разделения и количественное определение двух азокрасителей для пищевого красителя, тартразина (E102) и индигокармин (E132). 27 Оригами в сложенном виде бумажные устройства были недорогими, портативными и легко одноразовыми. В μPAD, содержащие 23 слоя бумаги, разделяли два красители по ширине бумаги. Образцы были специально размещать на гидрофильных участках устройства перед складыванием, чтобы свести к минимуму различия в уширении полосы и повышении эффективности разделения.Колориметрические результаты были сканированы с помощью недорогого настольного сканера. Соответственно, для анализа и количественной оценки использовался анализ цифровых изображений. отделившихся пятен после раскладывания устройства. 27 Манипуляции с оригами при создании микрофлюидных устройств, как таковая, оказывается эффективной стратегией для обнаружения и разделения аналитов.
Отдельные компоненты, участвующие в трехмерной бумажной микрофлюидике устройство. (а) Хроматографическая бумага с резервуарами, каналами, и рама для складывания.(b, c) Верхний слой и нижний слой с внутренним резервуары и края для зажима. (d) Используемый алюминиевый корпус. для поддержки микрофлюидного устройства с отверстиями для раствора пробы добавление. (e) Развернутое бумажное микрофлюидное устройство, показывающее результаты различные образцы (адаптировано с разрешения ссылки (26). Copyright 2011 American Химическое общество).
Кроме того, оригами было используется для изготовления микрожидкостных устройства для обнаружения мошенничества с добавлением меламина в пищу. Xie et al.использовала технику складывания, вдохновленную оригами, при создании μPAD, в которых использовалась бумага с покрытием из полидиметилсилоксана (PDMS) для создание шаблонов для каналов разделения потока и анализа проб зоны. 28 Сложенная бумага для печати с рисунком с PDMS, а затем хроматографическая бумага была помещена между сложенные слои. Эту сборку нагревали для получения однородного распределения. ПДМС на хроматографической бумаге для создания гидрофобных узоры. Тесты для колориметрического обнаружения меламина в молоке с использованием наночастицы золота (AuNP) показали эффективность недорогих μPAD до 0.Концентрация меламина 1 ppm, что ниже безопасного предел 1 ppm.
Кроме того, было показано, что oPAD используют более короткие каналы и встроенные резервуары для уменьшения объема пробы. Chou et al. использовали трехслойные ОПАД для повышения концентрации эффект за счет использования дополнительной гидрофильной зоны в микрожидкостном устройств. 29 Исследовательская группа проверила возможность использования oPAD с использованием флуоресцеина и флуоресцеина, меченных изотиоцианатом образцы бычьего сывороточного альбумина (FITC-BSA).Результаты показали, что удалось добиться 100-кратного увеличения концентрации образца в микрофлюидных устройствах из бумаги, сложенной оригами. Этот недорогой, быстрый, портативный и простой подход полезен для широкого круга биоаналитических приложения в бумажных устройствах типа “лаборатория на кристалле”, например, для обнаружения, разделение и количественное определение биоаналитов.
Хотя в области биомедицина, технологии и средства соответствующих приложений сложным, трехмерным биологическим системам требуются специальные стратегии для точно интегрировать совместимые биоструктуры в эти технологии.Оригами – это не только увлекательное искусство, но и эти научные потребности. На протяжении всего обзора мы обсуждали различных исследований, проведенных, в том числе in vivo, с использованием оригами адаптации биомедицинских приложений. Мы включили примеры для использование оригами при разработке тканевых каркасов, систем доставки лекарств, стенты и катетеры, хирургические имплантаты и захваты, микрофлюидные приборы и биосенсоры. Несмотря на преимущества использования оригами в биомедицинских исследованиях все еще существуют ограничения в использовании таких новые технологии, как полная степень и эффективность таких приложение еще не расширено.Это можно сделать с помощью различных модели, такие как те, что показаны в этой статье, но больше приложений in vivo еще предстоит открыть. Общее ограничение среди нескольких упомянутых устройств была биосовместимость и биоразлагаемость в интеграции устройств, созданных с использованием методов оригами. Контроль устройств в функциональной и практической среде также является основным точка дальнейших исследований структур на основе оригами. Эти ограничения решаются с помощью науки и техники биоматериалов.Конструкции на основе оригами имеют многообещающее будущее для практического использования. приложений, а также возможности для дальнейших исследований в направлении дополнительных использования и оптимизации. Стратегии, использующие принципы оригами дает возможность собирать биофункциональные материалы в структуры, способные к разнообразию, реагировать на раздражители, самосгибаться механизмы. Эти сложные конструкции минимизируют время сборки, стоимость, и прерывистость материала при оптимизации биосовместимости и форма, которая ограничивает инвазивность родоразрешения и извлечение этих устройств из тела.
Абдор Рахман Ахмед сейчас учится на втором курсе в Колледж с отличием Университета Рутгерса через Школу окружающей среды и биологические науки. Кроме того, Абдор Рахман – Луи Стоукс. Ученый Альянса за участие меньшинств (LSAMP). Его исследования интересы включают микробиологию, биотехнологию, молекулярную биологию, нанотехнологии и оригами. Под руководством доктора Гулдена Камчи-Унала из UMass Lowell, Абдор Рахман получил ценную информацию о различные применения структур, вдохновленных оригами, а также обучение обширные навыки технического письма.
Оливия К. Гаунтлетт изучает химическую инженерию с биологической Концентрация и второстепенное по математике в Массачусетском университете Лоуэлл. Она работает научным сотрудником бакалавриата под руководством доктора В. Гулден Камчи-Унал. С 2019 года ее роль была сосредоточена на оказании помощи в исследованиях разработки костных цементов, культур клеток млекопитающих, аналитические лабораторные методы и приложения на основе оригами для биомедицинских использует.
Исследование профессора Гульден Камчи-Унал на интерфейсе биоматериалов, биоинженерия и диагностика внесли важный вклад в создание инженерных платформ для сердечно-сосудистой и костной ткани инженерия, заживление ран и обнаружение заболеваний, включая бактериальные и вирусные состояния (например,g., обнаружение вируса Covid-19 за 5 мин). Ее текущие исследовательские интересы включают разработку (i) следующего поколения функциональные биоматериалы с использованием нетрадиционных подходов для регенерации инженерия, (ii) новые инструменты для тканевой инженерии, вдохновленные оригами и модели орган на бумаге, (iii) бумажные биоматериалы и медицинские устройства, (iv) модели заболеваний in vitro для персонализированной медицины, и (v) недорогая диагностика в местах оказания медицинской помощи для решения проблем в глобальном масштабе. здоровье. Конечная цель ее исследования – улучшить здоровье человека. и качество жизни.
G.C.-U. задуманный исследования; A.R.A., O.C.G. и G.C.-U. написал, отредактировал и отредактировал рукопись.
Эта работа была при поддержке Трансформационного проекта Американской кардиологической ассоциации Премия (19TPA341) и запуск в Массачусетском университете Лоуэлла средства.
Авторы заявлять об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.
Рис. S1. Схематическое изображение MGM, имеющего структуру двойного градиента с вертикальным и поперечным градиентами.
Рис. S2. Обзорные XPS-спектры GO-PDA / HI и rGO.
Рис. S3. Порошковые рентгенограммы GO, GO-PDA, GO-PDA / HI, rGO и графита.
Рис. S4. Рамановские спектры GO, GO-PDA, GO-PDA / HI и rGO.
Рис. S5. На оптических изображениях показан метод отслаивания липкой ленты (вверху).
Рис. S6. Гравиметрическая прочность на разрыв областей GO-PDA / rGO и rGO.
Рис. S7. Толщина профилей линейки GO-PDA с включенным и выключенным светом.
Рис. S8. Цифровая фотография устройства контроля влажности и характеристики восстановления, проверенные в различных средах относительной влажности.
Фиг.S9. Схематическое изображение θ, γ, L , F и ρ ( L – ширина линии GO-PDA; F – напряжение, создаваемое линией GO-PDA; ρ – радиус кривизна; θ – угол изгиба МГМ; γ – дополнительные углы θ).
Рис. S10. Схематическое изображение изготовления самосворачивающегося ящика.
Рис. S11. Напряжение, создаваемое MGM ( средний и правый ), измеряли на универсальной испытательной машине (Instron, модель 5969) с включенным / выключенным световым излучением в ближнем ИК-диапазоне ( слева, ).
Рис. S12. Поперечное сечение полевых эмиссионных SEM-изображений, показывающих области GO-PDA / rGO для различных линий GO-PDA: ( A ) 1 мм, ( B ) 3 мм и ( C ) 5 мм.
Рис. S13. Кривые изменения температуры и эффективность преобразования энергии MGM.
Рис. S14. Цикл выходного испытания MGM при включении / выключении облучения.
Рис. S15. Оптическое изображение ходьбы пешеходного устройства, приводимого в движение ближним инфракрасным светом.
Рис. S16. Поворот ходящего устройства.
Рис. S17. Угол поворота ходунков в зависимости от времени, когда свет включается и выключается для различных областей освещения.
Рис. S18. Оптические изображения показывают, как устройство для ходьбы перемещается по виртуальной карте, управляемой световым излучением (масштабная линейка, 3 см).
Рис. S19. На схематической иллюстрации и оптическом изображении показано измерение угла изгиба с помощью лазерного датчика перемещения.
Таблица S1. Максимальное выходное напряжение, угол изгиба и теоретический угол изгиба как функция ширины GO-PDA (среднее значение данных).
Примечание S1. Расчеты максимальной эффективности преобразования энергии нашего актуатора.
Методы
Фильм S1. Поведение самосворачивающейся коробки при фотоактивации.
Фильм S2. Ходьба червеобразного устройства для ходьбы, включаемого и выключаемого ближним инфракрасным светом (100 мВт · см −2 ).
Фильм S3. Червячное поведение червеобразного шагающего устройства, управляемого включением и выключением ближнего инфракрасного излучения (100 мВт · см −2 ).
Фильм S4. Поведение червеобразного шагающего устройства, управляемого инфракрасным лазером.
Фильм S5. Захватывающее поведение «искусственной / роботизированной руки», управляемой световым излучением.
Фильм S6. Ползание «микроробота» внутри мини-трубы, управляемой включением и выключением ближнего инфракрасного излучения (100 мВт · см −2 ).
Фото: Skeeze
На протяжении веков культуры изобретали творческие способы художественного подхода, адаптации и адаптации бумажного ремесла. Хотя многие из этих практик, в том числе корейские ханджи, можно по отдельности проследить до конкретных стран происхождения, большинство из них, в том числе papier – mâché , французское ремесло, которое на самом деле было задумано в Древнем Китае, могут похвастаться яркими историями, охватывающими разные культуры , страны и даже континенты.Одна из популярных практик, которая оставила особенно обширный бумажный след по всему миру, – это оригами, искусство складывания бумаги.
Хотя оригами больше всего связано с Японией, оно также имеет корни в Китае и Европе. Здесь мы исследуем уникальную историю практики, чтобы понять, как каждая культура сформировала красивый и любимый вид искусства.
Фото: Дев Бенджамин
Оригами – это искусство складывания бумаги. Его название происходит от японских слов ori («складной») и kami («бумага»).Традиционное оригами состоит из складывания одного листа квадратной бумаги (часто с цветной стороной) в скульптуру без вырезания, склеивания, приклеивания или даже маркировки.
Фото: Публичная библиотека Каламазу
Творцы из нескольких стран помогли превратить оригами в практику, которая используется сегодня.
КитайБумага была изобретена в Китае примерно в 105 году нашей эры, и сложенная бумага – или жежи – скорее всего, появилась вскоре после этого.К 900 году нашей эры бумага юаньбао , или золотые самородки, была основным продуктом традиционных китайских похорон.
Фото: Бенджвонг (собственная работа) [общественное достояние], через Wikimedia Commons
Эти эфемерные украшения, созданные путем скрупулезного складывания золотой или желтой бумаги в слитки, были созданы с намерением бросить в огонь в конце церемонии.Фото: Интернет-архив Книжные изображения
Со временем складывание бумаги станет обычной практикой. Хотя это похоже на японское оригами, более современное китайское складывание бумаги проявляет интерес к изображению неодушевленных предметов, таких как лодки и коробки.
ЯпонияБумага была завезена в Японию в VI веке. В то время складывание бумаги превратилось в церемониальный синтоистский ритуал. Только в период Эдо в Японии (1603–1868 гг.) Оригами также стали рассматривать как неторопливое занятие и вид искусства.
Фото: Метрополитен-музей
Как и японские гравюры на дереве – вид искусства, который также пользовался популярностью в то время, – в оригами часто использовались цветы, птицы и другие природные мотивы.Эти предметы также распространены в современном оригами, которое остается верным традиционной японской практике во всех отношениях, кроме одного: изначально практика позволяла художникам стратегически разрезать листы бумаги. Сегодня, однако, настоящее оригами создается исключительно с помощью складок – признак, заимствованный японцами из Европы.
Фото: Библиотека Конгресса
ЕвропаСчитается, что в Европе складывание бумаги произошло от складывания салфеток – практики, популярной в 17 веке.Как и в случае с японским оригами, складывание салфеток использовало различные методы и техники, которые приводили к появлению множества абстрактных и образных форм.
Фото: Deutsche Fotothek через Wikimedia Commons {PD-1923}
Со временем интерес к складыванию переместился не только на салфетки на званых обедах, но и в школы, а именно в новаторскую программу обучения Фридриха Фребеля.
Как основатель детских садов, Фребель включил в свои институты «игры и активности» несколько практических занятий, в том числе складывание бумаги.Это познакомило детей с оригами и, в конечном итоге, позволило этому виду искусства процветать по всему континенту.
Этот проект покажет студентам, как использование геометрии может создавать множество различных объектов на основе реальных объектов. Сначала они создадут коробку для оригами из листа бумаги для принтера. Это очень простой проект оригами easy . Затем они создадут бумажного журавлика из квадратной бумаги, который представляет собой более продвинутых оригами.В конце концов, они смогут сравнить творения друг друга. Затем они могут сохранить то, что они сделали, например, использовать коробку в качестве мобильного ластика во время урока. Конечный продукт должен выглядеть примерно так, как на фотографиях.
| Коробка для оригами | Оригами журавль |
Первую половину этого проекта может выполнить любой ученик класса K-8 , однако вторая половина рекомендуется для классов 6-8.
(на основе Флоридских и национальных стандартов)
S:
T: Изготовление коробки для оригами, в которой предметы легче держать
E: Создание объектов со специальным сгибом
A: Изготовленная на заказ квадратная бумага и изготовление бумажных предметов
M: Геометрия, лежащая в основе работы и формы складывания
Оригами – это японское искусство складывания бумаги. Считается, что оно возникло в Японии, однако настоящее происхождение неизвестно. Оригами требует точного складывания для создания своего рода 3D-модели, часто основанной на животных или объектах. Для выполнения этого задания учащиеся пройдут этапы изготовления шкатулки для оригами и журавля оригами.
Поскольку это упражнение включает в себя выполнение множества конкретных шагов, было бы легче продемонстрировать, как выполнять каждый из них, с помощью видео или сайта, на котором есть пошаговые изображения. Для коробки оригами это видео или этот веб-сайт хорошо подходят, чтобы показать каждый шаг. Кран можно продемонстрировать с помощью этого видео или этого веб-сайта . На каждом этапе следите за тем, чтобы складки были затянуты плотно.Легкий способ разгладить складки – использовать ногти или линейку.
При создании этой страницы использовалось множество веб-сайтов и видеороликов. На большинство из них ранее были ссылки на странице, но для тех, кто не хочет снова просматривать всю страницу, они также будут скомпилированы здесь.
За последнее десятилетие значительный прогресс был достигнут в практическом использовании наноструктур ДНК для направленной доставки терапевтических лекарств [1–5], в частности для интеркалирования молекул [6–9], включая противораковый препарат доксорубицин (DOX).Для доставки высоких доз лекарственного средства желательно иметь высокую начальную загрузку в наноструктуру носителя ДНК, высокое поглощение желаемой целевой области и высокую скорость высвобождения вблизи целевой клетки.
Наноструктуры ДНК, нагруженные лекарством от лейкемии даунорубицином [10], снижают жизнеспособность клеток-мишеней больше, чем такое же количество свободного соединения, но остаются вопросы об оптимальной конструкции носителя наноструктур ДНК для загрузки лекарственного средства и клеточного поглощения. .Во многих предыдущих исследованиях использовалось ДНК-оригами с клеткообразными структурами, но использование компактных структур с интеркалированными молекулами лекарственного средства могло бы обеспечить более высокую загрузку лекарственного средства, что привело бы к более эффективной доставке активного агента к клеткам-мишеням.
Четко определенные структуры ДНК вместо линейных конфигураций могут быть более устойчивыми к повреждению механизмов, встречающихся в организме. Например, недавнее исследование показало, что тетраэдрические наноструктуры ДНК не вызывают значительных нарушений естественной физиологии [11], вызывая интерес к структурам ДНК с внутренней колонкой для транспортировки лекарств.Другая недавняя работа [12] показала, что большие (~ MDa) наночастицы ДНК с высоким отношением площади внешней поверхности к объему предпочтительно поглощаются линиями клеток млекопитающих, имеющими отношение к терапевтической доставке лекарств. Цзэн и др. [9] обнаружили, что жесткие трехмерные формы оригами ДНК легче воспринимаются клетками и демонстрируют замедленное высвобождение лекарства по сравнению с более гибкими двумерными структурами ДНК.
Здесь мы исследуем взаимодействия интеркалирующих молекул с плотной структурой ДНК-оригами с использованием хорошо изученных красителей YOYO-1 и акридинового оранжевого.Предыдущая работа с преимущественно бисинтеркалирующим YOYO-1 [13] была сосредоточена на взаимодействиях с линейной ДНК (см., Например, [14–17]), в то время как акридиновый оранжевый часто используется для определения того, является ли ДНК одноцепочечной или двухцепочечной [18 ]. Акридиновый оранжевый связывается с двухцепочечной ДНК (дцДНК) посредством интеркаляционного режима [19, 20] и с одноцепочечной ДНК (оцДНК) посредством электростатического связывания с фосфатами [21], вызывая зеленую или красную флуоресценцию соответственно (режимы связывания ДНК схематически показаны на рисунке 1 (а)).
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 1. Экспериментальные методы. (а) Схематическая диаграмма способов связывания ДНК. (б) Схематическая диаграмма, показывающая метод иммобилизации ДНК оригами. (c), (d) изображения топографии AM-AFM неповрежденных плиток оригами ДНК в жидкости (e) изображение источника низкотемпературной плазмы, используемого для индукции повреждения ДНК.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияПлитка ДНК-оригами, используемая в этой работе, адаптирована из работы Ротемунда [22]; в исходной конструкции используется вирусная оцДНК m13mp18ss в качестве матрицы и 216 основных цепей длиной 32 нт, чтобы сложить ее в прямоугольник приблизительно 70 × 100 нм в поперечных размерах с центральным швом.Для этой работы плитка ДНК-оригами была модифицирована, чтобы включить четыре нити с линкером 5 ‘4-T и биотином для поверхностного прикрепления, которые выступают с одной и той же стороны (рисунок 1 (b) и дополнительная информация, доступная онлайн в стопках. iop.org/NANO/31/235605/mmedia) и добавление 4-Т петель к 24 скобам для предотвращения складывания краев, как было ранее описано для других форм ДНК оригами [22]). Три исходных скобы были заменены 4 альтернативными скобами, одна из которых является удлиненной (дополнительная информация), для целей несвязанного эксперимента, который здесь не обсуждается.Плитку ДНК-оригами, использованную в этой работе, можно увидеть на изображениях АСМ на рисунках 1 (c), (d).
Мы использовали гель-электрофорез, флуоресцентную микроскопию и атомно-силовую микроскопию (АСМ) для исследования загрузки интеркалирующих молекул в ДНК оригами с компактной и прочно связанной структурой. Для контролируемого повреждения плиток ДНК мы использовали низкотемпературную плазму (LTP, рис. 1 (e)), чтобы исследовать, как повреждение структуры ДНК изменяет доступные сайты интеркаляции. LTP, частично ионизированный газ и электрически нейтральное состояние вещества, как известно, вызывает повреждение ДНК через одно- и двухцепочечные разрывы [23–25] в зависимости от времени лечения [23, 26].Таким образом, LTP были разработаны для различных терапевтических средств [24, 25]. Компоненты LTP, взаимодействующие с плитками ДНК-оригами, в этом случае являются реактивными нейтралами и фотонами (без заряженных частиц или электрических полей).
Наши результаты показывают, что физические свойства носителей ДНК-оригами необходимо учитывать для обеспечения оптимальной загрузки лекарств и иметь значение для разработки систем ДНК-оригами для доставки интеркалированных лекарств и контроля доз.
Фосфатный буфер (PB), pH 7: 39 частей 0.2 М одноосновного моногидрата фосфата натрия и 61 часть 0,2 М безводного двухосновного фосфата натрия. Буфер для очистки: 10 мМ Трис-HCl, 1 мМ EDTA, 50 мМ NaCl, 10 мМ MgCl 2 . Буфер для синтеза: буфер 1xTAE (40 мМ трис-ацетат и 1 мМ EDTA, pH 8,3), 12,5 мМ ацетат магния.
Одноцепочечная матричная ДНК m13mp18ss (New England BioLabs) была смешана с примерно 100 × избытком небиотинилированных основных цепей (Integrated DNA Technologies, Inc.) в буфере для синтеза и отжигали от 95 ° C до комнатной температуры, 20 ° C, при скорости охлаждения 1 ° C в минуту. После сборки добавляли биотинилированные нити в концентрации, приблизительно в 100 раз превышающей концентрацию каркаса, и смесь гибридизовали в течение ночи в буфере для синтеза при комнатной температуре.
Отдельные скобы и их дополнения, используемые в экспериментах по гель-электрофорезу, отжигали путем нагревания до 95 ° C и охлаждения до комнатной температуры со скоростью 1 ° C в минуту с образованием раствора 10 мкл М в буфере для синтеза.
Излишки скоб были удалены из ДНК оригами с использованием среды высокого разрешения Sephacryl S-300 (GE Healthcare), упакованной в фильтрационные колонки [27, 28]; полные сведения о подготовке фильтрующих сред и насадке спин-колонок приведены в дополнительных методах.
Покровные стекла функционализировали BSA-биотином (0,5 мг / мл -1 в PB). Туннельные слайды были созданы для визуализации образцов (см. Дополнительные методы).Туннель гидратировали 20 мкл мкл PB, затем инкубировали с 10 мкл мкл 1 мг / мл -1 авидина (pH7) в течение 1 часа. Избыток авидина удаляли промыванием 20 мкл мкл буфера для очистки (с использованием кимвипа и капиллярного действия, не пропуская пузырьков воздуха) перед добавлением 7,5 мкл мкл очищенного биотинилированного оригами в буфере для очистки (концентрация приблизительно 0,8 нМ). , инкубировали в течение 5 мин и промывали 20 мкл л буфера для очистки.Мечение флуоресцентным красителем проводили путем пропускания 10 мкл л YOYO-1, разведенного 1: 199 в буфере для очистки, и инкубирования в течение 5 мин. Избыток красителя удаляли промыванием 100 мкл л буфера для очистки. Все этапы инкубации выполнялись при комнатной температуре в камере влажности.
Образцы приблизительно 0,8 нМ очищенной ДНК оригами (оцененные на основе концентрации до очистки) обрабатывали LTP в течение 15, 30 или 60 секунд.Образцы 20 мкм л обрабатывали в крышках пробирок Эппендорфа объемом 500 мл без прикрепленной трубки и помещали по центру [26] и вертикально на 10 мм в окружающем воздухе под электродами в плазменной струе. Источник LTP был прототипом эталонной микроплазменной струи COST [29] (межэлектродный зазор и ширина 1 мм, длина 30 мм) и работал с приложенным размахом напряжения 13,56 МГц 450-500 В с подаваемым газом. 1 слм (стандартный литр в минуту) гелия и 0,5% -ной примеси кислорода.
Повреждение ДНК происходит только во время прямой LTP-обработки образцов ДНК (дополнительные методы, дополнительный рисунок 1), а поврежденные образцы не разлагаются в течение пяти дней после обработки (дополнительные методы, дополнительный рисунок 2).
Флуоресцентная микроскопия выполнялась на специальной оптической системе визуализации, построенной на корпусе коммерческого микроскопа (Nikon Eclipse Ti-S), как описано ранее [30]. Для освещения использовался суперконтинуумный лазер (Fianium, SC-400-6, Fianium Ltd), соединенный с акустооптическим перестраиваемым фильтром, настроенным на 45% на центральной длине волны 491 нм (см. Дополнительный рисунок 3 и дополнительное примечание), удельная мощность на образце 775 Вт · см −2 .Полосовой фильтр с длиной волны 475/50 нм использовался для возбуждения синего света. Для генерации узкопольного эпифлуоресцентного освещения [31] пучок был развернут на полувысоте лазерного возбуждения на образце размером примерно 12 мкм м. В наборе фильтров использовались дихроичное зеркало с длиной волны 515 нм и эмиссионный фильтр с длиной волны 535/15 нм. Объектив 100 × (объектив Nikon oil imTIRF NA 1,49) использовался с дополнительным 2-кратным увеличением для получения общего увеличения 120 нм пиксель –1 на детекторе камеры emCCD (камера Andor iXonEM + DU 860, Andor ООО Технологии).
Изображения были получены при времени экспозиции 10 мс (что соответствует времени кадра 10,06 мс), с предварительным усилителем и коэффициентом усиления ЭМ 4,6 и 300 соответственно.
50 мл гелей 1% агарозы (аналитической степени чистоты, Promega), предварительно окрашенных SYBR-safe (Invitrogen) или после окрашенных акридиновым оранжевым, проводили горизонтально при 100 В (6,7 В см -1 ) в буфере TAE. , в течение 30 мин и визуализировали с помощью автоматической системы визуализации геля (ChemiDoc MP Imaging System, Bio-Rad Laboratories).См. Дополнительные методы для подготовки проб и протоколов окрашивания.
Изображения были проанализированы для определения соотношения красной и зеленой флуоресценции (отношение RG) и стандартного отклонения с использованием специально написанных подпрограмм Matlab (доступны на http://single-molecule-biophysics.org/). Каждая анализируемая полоса была преобразована во фрагмент изображения как в красном, так и в зеленом каналах. Оба изображения были морфологически открыты с использованием диска радиусом 2 пикселя, порогового значения с использованием метода Оцу [32], морфологически открыты диском радиусом 1 пиксель для удаления небольших артефактических отверстий сегментации, а затем расширены для создания масок областей полос.Эти маски были сопоставлены для определения области перекрытия, которая использовалась для сегментации каждой полосы (см. Дополнительный рисунок 4). Стандартное отклонение полосы рассчитывали путем умножения количества пикселей в полосе на стандартное отклонение на пиксель. На некоторых изображениях пыль в исходном изображении должна была быть удалена перед количественной оценкой: профиль горизонтальной линии 15 пикселей был снят через пиксели, содержащие пыль, и подогнан с использованием полинома 5-го порядка с нулевым весом для пикселей, затронутых пылью.Остатки для пикселей, затронутых пылью, были удалены из значений их интенсивности перед вычислением соотношения красной и зеленой флуоресценции. Все изображения до и после коррекции можно увидеть на дополнительном рисунке 5.
Поскольку последующее окрашивание акридиновым оранжевым может привести к разным уровням поглощения красителя гелем, отношения RG сравниваются только для образцов, взятых в одном и том же геле.
Специальное программное обеспечение для точного отслеживания и количественной оценки отдельных молекул, называемое кодом ADEMS [16], использовалось для оценки интенсивности флуоресценции плиток с течением времени.Поскольку плитки ДНК-оригами иммобилизованы конъюгацией биотина, обнаруженные пятна были связаны в флуоресцентные траектории в коде на основе их местоположения в кинетической серии данных изображения. Изображения были скорректированы на неравномерное освещение с использованием профиля луча, созданного растровым сканированием желто-зеленых флуоресцентных шариков 200 нм (F8811, ThermoFisher Scientific) через фокусный объем. Объекты в радиусе 40 пикселей от центра луча использовались для обеспечения плоского поля освещения, минимизируя влияние шума.Объекты, содержащие более 20 локализаций в первых 100 интенсивностях кадров изображения, были подогнаны с использованием экспоненциальной функции вида:
, где C – смещение для учета присутствия фотомигающего поведения YOYO-1 в течение длительного времени [16] , B – характерное время фотообесцвечивания, а I 0 – высота экспоненты фотообесцвечивания над характеристикой фотообесцвечивания. Начальная интенсивность была принята как C + I 0 ; любые кадры с насыщенным изображением были исключены из анализа с подгонкой экспоненциальной функции к остальным точкам.
Интенсивность флуоресценции одиночной молекулы YOYO-1 определяли с использованием графика зависимости интенсивности от времени для плиток ДНК-оригами, редко меченных YOYO-1. Для определения согласованной интенсивности одной молекулы использовались методы множественного анализа (см. Дополнительные методы и дополнительный рисунок 6): положения пиков на гистограмме интенсивности флуоресценции оригами с течением времени; пики в парной интенсивности одних и тех же данных, быстрые преобразования Фурье парной интенсивности и фильтрация Чанга – Кеннеди [33, 34] отдельных трасс с двумя размерами окна, чтобы учесть эффекты фотообесцвечивания и фотомигания YOYO-1. для определения одиночной интенсивности YOYO-1 приблизительно 370 отсчетов детектора (диапазон 356–380).По нашим оценкам, это приводит к относительно низкому отношению сигнал / шум (SNR) примерно 2,5, если предположить, что сигнал представляет собой яркость единственной связанной молекулы YOYO-1, а шум – это фоновый шум считывания. Хотя это отношение сигнал / шум относительно низкое, и поэтому у него больше шансов ошибочного определения шума как «реального» события фотообесцвечивания красителя, оно все же больше единицы и, таким образом, позволяет нам фиксировать ценные количественные детали, превышающие уровень шума. Важным дополнительным наблюдением является то, что отфильтрованный выходной сигнал интенсивности для расширенных временных графиков, таких как дополнительная фигура 6, четко указывает на точки данных, лежащие на тех же уровнях интенсивности, разделенные несколькими секундами времени; указывает на обнаруживаемые реальные сигналы выше уровня шума.
Оценки плотности ядра [35] начального распределения интенсивности отдельных плиток, деленные на характеристическую интенсивность молекулы YOYO-1, были использованы для определения средней стехиометрии. Расположение пиков было объективно определено с помощью функции Matlab findpeaks.m. Полувысота полной ширины (FWHM) первого пика в оценке плотности ядра была подогнана с использованием распределения Гаусса для получения средней стехиометрии (т.е.е. количество обнаруженных молекул красителя, присутствующих в каждом обнаруженном флуоресцентном пятне), при этом ширина сигмы используется в качестве оценки ошибки средней стехиометрии. В случае, когда второй пик был идентифицирован функцией findpeaks.m в пределах FWHM первого пика, данные были усечены, чтобы включить только первый пик.
АСМ-визуализация выполнялась в режиме амплитудной модуляции в жидкости с помощью MFP-3D (Oxford Instruments Asylum Research Co., Ltd, Великобритания) с использованием консольных наконечников из нитрида кремния RC800 (Olympus) с номинальной жесткостью пружины 0,4 Н · м −1 . 5 мкл мкл плиток ДНК-оригами инкубировали при комнатной температуре в буфере для очистки на свежесрезанной слюде в течение 15 мин. Изображения были получены в буфере для очистки при комнатной температуре со скоростью сканирования 1 Гц.
Акридиновый оранжевый флуоресцирует красным при связывании с одноцепочечной ДНК посредством электростатического связывания с фосфатами [21] и зеленым при связывании с дцДНК посредством интеркаляционного режима [19, 20].Чтобы исследовать доступность структуры ДНК-оригами, различные конструкции одно- и двухцепочечной ДНК и плитки ДНК-оригами подвергали электрофорезу в агарозном геле и затем окрашивали акридиновым оранжевым (рисунок 2 и дополнительный рисунок 7).
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 2. Взаимодействие акридинового оранжевого с ДНК оригами, полученное с помощью гель-электрофореза. (а) Зеленый, красный и объединенные изображения интенсивности флуоресценции образцов ДНК в электрофоретическом геле.Полосы очищенной ДНК оригами тусклые и показаны с более высоким контрастом на вставке (b) Отношения красной и зеленой флуоресценции (RG) со стандартными отклонениями полос от геля, показанными в части (a): одноцепочечные виды показаны красным, двухцепочечные – синий, а промежуточное оригами – черным. (c) Зеленый, красный и объединенные изображения интенсивности флуоресценции основных образцов ДНК в электрофоретическом геле. Белая стрелка указывает на гибридизацию комплемента r3t10f и r3t10f без отжига. Все изображения гелей относятся к одному и тому же гелю, полностью показанному на дополнительном рисунке 7.Все изображения в цветовом канале отображаются с одинаковыми уровнями контрастности.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияM13mp18ss (плазмида вирусной ДНК, используемая в качестве основы плитки ДНК-оригами) является одноцепочечной и выглядит красной на объединенном флуоресцентном изображении (рисунок 2 (a)), что дает соотношение интенсивностей красной и зеленой флуоресценции (отношение RG, см. Раздел о методах 1.7. ) 21,54 ± 4,53 (± стандартное отклонение; рисунок 2 (b)) при отображении в красной и зеленой флуоресценции с использованием гелевого имидж-сканера (ChemiDoc MP Imaging System, Bio-Rad Laboratories).Двухцепочечная плазмида pUC19 выглядела зеленой на флуоресцентных изображениях и давала отношение RG 0,33 ± 0,02. Неповрежденный мономер ДНК оригами показал промежуточное поведение, не проявляя ни красного, ни зеленого цвета на объединенных флуоресцентных изображениях и давая отношение RG 5,10 ± 0,83. Таблица соотношений RG для различных конструкций ДНК приведена в таблице 1 и показана на рисунке 2 (b). Мы отмечаем, что полоса очистки мономера относительно слабая, что указывает на относительно низкую эффективность производства, совместимую с эффектами наложения нескольких плиток (рисунок 1 (d)).В нашем случае, однако, этот выход не является решающим для наших экспериментов, но следует отметить, что существуют другие методы, которые могут улучшить очистку, если это необходимо, например, основанные на истощении, вызванном ПЭГ [36].
Таблица 1. Отношения интенсивностей красной и зеленой флуоресценции ДНК-конструкций анализируют при электрофорезе в агарозном геле и окрашивают акридиновым оранжевым, как показано на рисунке 2 (d), со стандартными отклонениями (SD).
| Образец ДНК | Двухрядные (ds) или одноцепочечные (ss) | Отношение интенсивностей красной и зеленой флуоресценции (± стандартное отклонение) |
|---|---|---|
| m13mp18ss | сс | 21.54 ± 4,53 |
| 3kbp band; Лестница на 2 бревна | DS | 0,32 ± 0,01 |
| pUC19 | DS | 0,33 ± 0,02 |
| Оригами Мономер | DS | 5,10 ± 0,83 |
| Оригами Димер | DS | 8,93 ± 2,02 |
Две однонитевые скобы ДНК из оригинальной плитки ДНК-оригами Ротемунда (r3t10f и r3t22f; см. Таблицу 2) были пропущены в геле вместе с их комплементами и дуплексами, полученными путем отжига скоб и комплементов (рис. 2 (c)) .Согласно прогнозам программного обеспечения предсказания структуры NUPACK [34], скоба r3t10f имеет низкую вероятность образования вторичной структуры, в то время как r3t22f имеет высокую вероятность образования вторичной структуры. Следовательно, ожидалось, что r3t10f будет в основном одноцепочечным, а r3t22f – двухцепочечным.
Таблица 2. Олигонуклеотиды, используемые в гель-электрофорезе.
| Название скобы | Последовательность |
|---|---|
| r3t10f | 5′-ATTATTTAACCCAGCTACAATTTTCAAGAACG-3 ‘ |
| r3t10f дополнение | 5′-CGTTCTTGAAAATTGTAGCTGGGTTAAATAAT-3 ‘ |
| r3t22f | 5′-AGGCGGTCATTAGTCTTTAATGCGCAATATTA-3 ‘ |
| r3t22f дополнение | 5′-TAATATTGCGCATTAAAGACTAATGACCGCCT-3 ‘ |
Staple r3t10f флуоресцирует красным, как и его дополнение.Высокая подвижность этих скоб позволяет им диффундировать за пределы своих лунок, и видно, что r3t10f и его дополнение гибридизуются в перекрывающейся области, обозначенной зеленой флуоресцентной областью между этими двумя полосами (рисунок 2 (c), белая стрелка). Дальнейшее обсуждение результатов для скоб приводится в дополнительном примечании. Все контрольные образцы скоб с известным одно- или двухцепочечным поведением показали соотношение RG, соответствующее предсказанному режиму связывания для этой структуры, в то время как мономер и димер ДНК-оригамиллы показали соотношение RG, которое было промежуточным между ожидаемым для интеркалята и фосфата. -обвязка режимов.
Плитка ДНК оригами хорошо сформирована в двойную спиральную структуру на изображениях АСМ (см. Рисунки 1 (c), (d)). Однако не наблюдается доминирования режима связывания интеркалирующей ДНК акридинового оранжевого после окрашивания агарозного геля. Отношение RG находится между значениями, наблюдаемыми для оцДНК или дцДНК, что может указывать на наличие обоих способов связывания. Структура этой плитки ДНК-оригами, как известно, плотно упакована, с измеренным расстоянием между спиралями в диапазоне примерно 0.9–1,2 нм [22], акридиновый оранжевый имеет размеры по длине 1,2 × 0,42 нм [37], поэтому режим связывания фосфата можно наблюдать в областях, где интеркаляция стерически затруднена. Другими возможными объяснениями являются зависящие от концентрации эффекты связывания акридинового апельсина [38], но это маловероятно для диапазонов концентраций, используемых в этой работе, и будет несовместимо с наблюдаемыми результатами для контроля известной многонитевой связи. Существует область каркаса M13mp18ss, которая остается незакрепленной при синтезе ДНК-оригами, но эта область, вероятно, будет содержать большое количество вторичной структуры [22] и быть двухцепочечной, поэтому связывание фосфата акридинового оранжевого с этой областью маловероятно. объясните этот результат.Т-образные петли, добавленные для предотвращения складывания концов, приводят к добавлению 116 отдельных оснований на плитку ДНК оригами, что является небольшим числом по сравнению с ожидаемыми 6480 парами оснований. Т-петли могут быть ответственны за наблюдаемый одноцепочечный режим связывания, но не могут объяснить отсутствие флуоресценции из-за двухцепочечного связывания.
Гель-электрофорез показывает, что акридиновый оранжевый в основном связывается преимущественно в режиме связывания оцДНК с плиткой двухцепочечной ДНК оригами, несмотря на то, что плитка оригами ДНК хорошо сформирована; Одно из возможных объяснений состоит в том, что стерические эффекты упаковки ДНК могут снизить доступность сайтов интеркаляции ДНК.
Для плитки ДНК-оригами, используемой в этой работе, количество интеркалирующих молекул YOYO-1 на плитку можно оценить с помощью флуоресцентной микроскопии в режиме насыщающего красителя; Начальную интенсивность флуоресценции плитки ДНК-оригами можно разделить на общую суммарную интенсивность флуоресценции пикселей (то есть наблюдаемую яркость) одной молекулы YOYO-1 (см. методы и дополнительные методы), чтобы оценить количество загруженных молекул красителя.
Число молекул красителя, необходимое для достижения режима насыщения при интеркаляции YOYO-1, было исследовано с использованием лямбда-ДНК (дополнительная фигура 8, дополнительные методы) и обнаружено, что насыщение находится между 0.13 и 1,3 молекулы YOYO-1 на пару оснований. Используя эти соотношения в качестве руководства, но учитывая доказательства уменьшения интеркаляции в плитку ДНК-оригами, диапазон концентраций 0,05-5 мк M был протестирован на насыщение интенсивности флуоресценции на неповрежденной плитке ДНК-оригами (рисунок 3, дополнительный рисунок 9, таблица 3).
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 3. Одномолекулярная микроскопия интеркалирующего красителя YOYO-1 с ДНК оригами.(а) Изображения флуоресцентной микроскопии ДНК оригами, меченных различными концентрациями YOYO-1, до коррекции профиля освещения, с уровнями контраста, используемыми для отображения. Эти изображения показаны с теми же уровнями контраста на дополнительном рисунке 9. Масштабная шкала 1 мкм м. (б) Оценка плотности ядра стехиометрии маркировки YOYO-1 на плитках ДНК оригами. (c) Пиковая стехиометрия (± стандартное отклонение от гауссовой аппроксимации) как функция концентрации YOYO-1 из данных в (b).
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияТаблица 3. YOYO-1 связывается с ДНК оригами в разных концентрациях, округленных до целых чисел. Количество молекул YOYO-1 и стандартное отклонение (SD).
| Концентрация YOYO-1 ( μ M) | Число интеркалированных молекул YOYO-1 (± стандартное отклонение от гауссиана) | Количество плиток оригами ДНК |
|---|---|---|
| 0.05 | 10 ± 8 | 169 |
| 0,5 | 17 ± 7 | 67 |
| 1 | 61 ± 28 | 326 |
| 5 | 67 ± 25 | 452 |
Было установлено, что насыщающая концентрация YOYO-1 составляет приблизительно 5 мкг М; при этой концентрации среднее заполнение интеркалированного YOYO-1 (± стандартное отклонение) оказалось равным 67 ± 25 молекул на одну плитку ДНК-оригами.Плитка ДНК-оригами содержит примерно 6480 пар оснований, поэтому мы ожидаем насыщающую концентрацию примерно в 1620 молекул при максимальной загрузке. Альтернативно, если бы для связывания красителя была доступна только обращенная наружу половина самых внешних спиралей, мы бы ожидали загрузки ~ 68 молекул, учитывая сообщенное максимальное интеркаляционное мечение одной молекулы YOYO-1 на 4 пары оснований.
Аналог YOYO-1, TOTO, идентичный, за исключением атома серы вместо кислорода, имеет эффективный диаметр около 2 нм [42], что больше, чем ожидаемое расстояние между спиралями, равное 0.9–1,2 нм [22] в этой плитке ДНК оригами. Кроме того, известно, что YOYO-1 требует больше места, чем TOTO, в сайтах интеркаляции [43]. Хотя известно, что интеркаляция YOYO-1 в ДНК нарушает структуру отдельных спиралей ДНК, причем каждая бисинтеркаляция раскручивает спираль на 106 ° [43] и вызывает удлинение на 0,68 ± 0,04 нм [44], неясно, является ли этот эффект или точное позиционирование пересечений спиралей ДНК в этой плитке ДНК-оригами будет иметь большее влияние на структуру ДНК-оригами: известно, что структура не-B формы, наложенная на плитку ДНК-оригами, изменяет связывающие свойства красителей, связывающих малые бороздки [45 ].
Низкая интеркаляция YOYO-1 в плитку ДНК-оригами в сочетании с неинтеркаляционным связыванием акридинового оранжевого с плиткой ДНК-оригами предполагает, что внутренние спирали этой плитки ДНК-оригами недоступны для интеркаляции.
Если внутренние спирали ДНК этой плитки ДНК-оригами недоступны для YOYO-1 интеркаляция из-за стерических затруднений, то уменьшение структуры для увеличения разделения спиралей должно увеличить интеркаляцию красителя.
Чтобы проверить эту гипотезу, LTP был использован для индукции одно- и двухцепочечных разрывов в ДНК. Увеличение стехиометрии, измеренное путем подсчета одиночных молекул ДНК, меченной YOYO-1, когда ДНК повреждена таким образом, будет указывать на то, что после повреждения становится доступным больше структур. Если вся структура уже доступна, увеличения стехиометрии не будет.
Предыдущая работа с LTP показала, что небольшие уровни повреждения ДНК обычно возникают в течение времени от нескольких секунд до нескольких минут [23, 25].Было определено, что продолжительность лечения 60 с является подходящей дозой LTP для нанесения повреждений плиткам ДНК-оригами при сохранении некоторой структуры (дополнительные методы, дополнительные рисунки 10, 11).
Плитки ДНК-оригами, обработанные LTP в течение 60 с и помеченные YOYO-1, показали более высокую интенсивность, чем необработанные плитки ДНК-оригами в анализе флуоресцентной микроскопии (см. Рисунки 4 (а), (b), таблица 4). Это наблюдение указывает на то, что большая часть структуры ДНК-оригами, вероятно, будет доступна для интеркаляции YOYO-1.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 4. LTP повреждает плитки ДНК оригами, обеспечивая большее связывание YOYO-1. (а) Репрезентативные флуоресцентные изображения связывания YOYO-1 с неповрежденными и обработанными 60 с LTP плитками оригами ДНК. Масштабная линейка 1 мкм м (b) Оценка плотности ядра интенсивности флуоресценции YOYO-1-излучения плиток ДНК-оригами до и после обработки LTP. (c) АСМ изображения плиток оригами ДНК, обработанных LTP в течение 60 секунд.
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияТаблица 4. Количество молекул YOYO-1, связанных с плитками ДНК-оригами при концентрации 5 мкМ M YOYO-1 в различных состояниях обработки LTP, округленное до целых чисел и стандартное отклонение.
| Состояние плитки ДНК оригами | Число интеркалированных молекул YOYO-1 | Количество плиток оригами ДНК |
|---|---|---|
| Неповрежденный | 67 ± 25 | 452 |
| 60 с LTP лечение | 108 ± 12 | 224 |
АСМ-изображения плиток ДНК-оригами, обработанных LTP в течение 60 секунд (рисунок 4 (c)), показывают, что многие из поврежденных фрагментов ДНК-оригами сломаны или неполны.Видны несколько дыр в ДНК-оригами, что означает, что часть ДНК удалена из внутренних областей плитки ДНК-оригами (ранее было показано, что пропуск одиночных скоб приводит к образованию небольших отверстий в плитках ДНК [22]). Из экспериментов YOYO-1 невозможно определить, являются ли отверстия одноцепочечными, как в случае отсутствующих скоб, или если область двухцепочечной структуры была удалена, поскольку YOYO-1 не связывается с оцДНК.
Взаимодействие акридинового оранжевого с обработанной LTP ДНК оригами исследовали с помощью гель-электрофореза (рисунки 5 (а), (b), таблица 5).Образцы, образующие полосу при электрофорезе, обязательно одинаковы по электрофоретической подвижности, которая контролируется их формой и зарядом; Таким образом, при сравнении диапазона времени лечения LTP ожидаются лишь небольшие изменения в соотношении RG. После 60-секундной обработки LTP зеленая полоса не может быть сегментирована, и вместо этого большая комета ДНК видна при более низких молекулярных массах, что указывает на сдвиг в электрофоретической подвижности, возможно, из-за структурного изменения плитки ДНК-оригами. Небольшое положительное увеличение отношения RG наблюдается при увеличении времени обработки LTP с 0 до 30 с (рис. 5 (b), таблица 5), но стандартные отклонения значений перекрываются.Увеличение значения RG может быть вызвано более высоким сигналом одноцепочечного связывания или более низким сигналом двухцепочечного связывания. Увеличение значения RG со временем обработки LTP предполагает, что маленькие отверстия, видимые на АСМ-изображениях, являются одноцепочечными.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 5. Взаимодействие акридинового оранжевого с LTP-обработанной ДНК оригами, визуализация которой проводилась с помощью гель-электрофореза. (а) Зеленый, красный и объединенные изображения интенсивности флуоресценции образцов ДНК оригами, обработанных LTP в течение 0, 15, 30 и 60 с в электрофоретическом геле.(b) Отношения красной и зеленой флуоресценции (RG) со стандартными отклонениями полос геля, показанными в части (а).
Загрузить рисунок:
Стандартный образ Изображение высокого разрешенияТаблица 5. Отношения интенсивности красной и зеленой флуоресценции плиток ДНК-оригами, обработанных LTP в течение 0, 15 или 30 с, и конструкций, подвергнутых электрофорезу в агарозном геле и окрашенных акридиновым оранжевым, как показано на рисунке 5 (a), со стандартными отклонениями (SD) .
| Образец ДНК оригами | Отношение интенсивностей красной и зеленой флуоресценции (± стандартное отклонение) |
|---|---|
| 0 мономер | 5.55 ± 1,52 |
| 15-секундный мономер | 7,12 ± 2,30 |
| 30-секундный мономер | 8,55 ± 3,12 |
| 0 s димер | 3,98 ± 0,91 |
| 15-секундный димер | 6,93 ± 3,01 |
| 30-секундный димер | 7,55 ± 3,80 |
Вместе эти результаты показывают, что LTP действительно разрушает плитки ДНК оригами. Механизм повреждения может проявляться в увеличении числа одноцепочечных отверстий до того, как между 30 и 60 секундами обработки LTP произойдет двухцепочечный разрыв, открывая структуру ДНК-оригами для интеркалирующего красителя.Обработка LTP создает больше доступных пар оснований YOYO-1 в пределах одной плитки, поддерживая идею о том, что на интеркаляцию сильно влияют стерические взаимодействия.
Взятые вместе, наши результаты показывают, что внутренние спирали плитки ДНК-оригами, используемые в этой работе, вероятно, будут недоступны для интеркалирующего связывания, но что более высокая нагрузка может быть достигнута, когда плитки повреждены, чтобы обнажить больше спиралей ДНК; мы предполагаем, что интеркаляция предотвращается в неповрежденной плитке либо стерическими, либо электростатическими эффектами из-за близости спиралей, но это может зависеть от размера интеркалятора.В будущем ценная работа по дальнейшему исследованию наших результатов может включать в себя описание нескольких различных наноструктур ДНК, например, с диапазоном различных соотношений сторон исследуемых здесь плиток. Независимо от этого, наноструктуры ДНК-оригами являются явно многообещающими кандидатами для использования в качестве средств доставки лекарств для обеспечения целевой доставки из-за их высокой биосовместимости; Факторы, влияющие на лекарственную нагрузку, такие как описанные здесь, имеют важные последствия для контроля дозы.Недавняя работа показала, что большие плитки ДНК-оригами с высоким отношением площади внешней поверхности к объему легче всего проникают в клетки, но наши результаты показывают, что эти структуры ДНК-оригами могут быть неоптимальными для доставки лекарств из-за недоступности сайты связывания лекарств и открытые сетчатые структуры [46, 47] могут лучше подходить для интеркалирующей доставки лекарств из-за большей доли оснований, доступных для интеркалятора.
Мы благодарны д-ру Стиву Джонсону (факультет электроники Йоркского университета) за обсуждения методов иммобилизации на основе химии поверхности, а также за использование ресурсов Лаборатории биотехнологий.MCL был поддержан BBSRC (гранты BB / N006453 / 1, BB / P000746 / 1 и BB / R001235 / 1) и EPSRC (гранты EP / T002166 / 1). Работа KD над этим документом частично финансировалась EPSRC Platform Grant EP / K040820 / 1.
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
.
Этот день и принято считать днем рождения Балтийского флота России. 