Motion stage for scalable imprinting of DNA nanowires

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2012.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 71).This thesis work examines the scalability of an imprinting stage utilizing parallel self-aligning mechanisms in a DNA combing and imprinting (DCl) process. Scalability is vital in developing efficient, low-cost and high-yield manufacturing processes, and improving the scalability of the DCI imprinting process will benefit biomedical research by enabling the affordable and scalable production of micro/nanoarrays for drug discovery, protein isolation, nanofluidics, and other applications. Previous work on the DCI process has primarily focused on the mechanics of the imprinting process rather than scale, and misalignments between the stamp and slide surfaces make it difficult to increase the scale without drastically increasing the complexity of the system, particularly when a 3 degree of freedom positioning device is used. Herein, a 1 degree of motion stage with 3 independent, passive self-aligning mechanisms is demonstrated to achieve high performance at 3 times the scale of previous devices. The influence of kinematic coupling repeatability, parallelism, and linear motion parasitics on the performance of the imprinting device was identified, and the device's performance was measured. The repeatability of the kinematic couplings and the magnitude of the parasitic motions were found to exceed the gage resolution of 12.7 [mu]m, and the initial parallelism variation of the stage is less than 140 [mu]m. A mathematical model to quantify the scalability of the device was also developed by examining its ability to handle misalignments in the stage, stamp, and slide alignment. Analysis with the model demonstrated the ability of the device to accommodate maximum misalignments ranging from 3.9° to 9.3°, confirming the minimal performance-scale tradeoff of a 1 degree of freedom motion stage. Through this analysis, this thesis demonstrates the effectiveness of parallel, self-aligning stamp mechanisms in a scalable DCI process, and provides a framework for future development of scalable imprinting stages.by John J. LaColla.S.B

Light trapping in ultrathin plasmonic solar cells

We report on the design, fabrication, and measurement of ultrathin film a-Si:H solar cells with nanostructured plasmonic back contacts, which demonstrate enhanced short circuit current densities compared to cells having flat or randomly textured back contacts. The primary photocurrent enhancement occurs in the spectral range from 550 nm to 800 nm. We use angle-resolved photocurrent spectroscopy to confirm that the enhanced absorption is due to coupling to guided modes supported by the cell. Full-field electromagnetic simulation of the absorption in the active a-Si:H layer agrees well with the experimental results. Furthermore, the nanopatterns were fabricated via an inexpensive, scalable, and precise nanopatterning method. These results should guide design of optimized, non-random nanostructured back reflectors for thin film solar cells

Nanocarriers made from non-ionic surfactants or natural polymers for pulmonary drug delivery.

Treatment by the pulmonary route can be used for administration of drugs that act locally in the lungs (e.g. treatment of lung cancer, chronic obstructive pulmonary disease, asthma) or non-invasive administration of drugs that act systemically. The potential of drug delivery systems formed from non-ionic surfactants or natural products i.e. proteins and polysaccharides for pulmonary delivery are discussed

An Evaluation of Multi-Component Weft-Knitted Twill Structures for Sensing Tensile Force

We present multi-component knitted resistive sensors for tracking tensile force. The knits were fabricated using a Twill structure, which is a simple pattern featuring anisotropic elastic behavior, providing high stability along course-direction. Our sensors are made of two commercially available conductive yarn types, with highly different linear resistance. We present a variety of integration methods using the proposed Twill structure, all of which can be easily replicated on a two-bed weft-knitting machine. We evaluate the performance of the resulting sensor variations, with respect to consistency, hysteresis, short-term and long-term relaxation and drift, among other metrics. We found that particulars of the knit's loop composition have a crucial effect on the consistency of the sensor readings. Furthermore, we show that knitting resistive yarn more tightly than the substrate material gives superior results and that improving elastic recoil by adding Lycra to the supporting substrate can considerably improve performance

Molecular Imprinting as a tool for producing Molecularly Intelligent Scaffolds for Tissue Engineering

Tissue Engineering creates strategies capable of interacting with cells, to promote tissue regeneration. Cell adhesion is essential in cell communication and regulation, and cell-scaffold interactions occurring at the surface of the material are dependent on the biomolecules adsorbed. This knowledge promotes the biofunctionalization of biomaterials to enhance cellular response. Molecular Imprinting (MI) is an alternative to molecular recognition phenomena present in living systems, such as the antibody-antigen bonding, and has been proposed as a biofunctionalization method to improve scaffolds selectivity and recognition. The principle of MI is the polymerization of monomers and crosslinkers in the presence of the template molecule of interest and the subsequent removal of the template. The crosslinker enables the formation of specific cavities, which enables the material to recognize the template. The challenging in MI is the incorporation of biomacromolecules important for the wound healing. The imprinting of biomacromolecules holds drawbacks associated to the high molecular weight and complex structure. This work proposes a MI system based on methacrylated alginate imprinted with the model protein bovine serum albumin (BSA), using photo-polymerization. A non-imprinted polymer acting as control was also prepared by photo-polymerization without BSA. The effect of two crosslinkers and a monomer on mechanical properties of polymer discs was studied and the results revealed an improvement of the mechanical properties of crosslinked polymers. The template removal and rebinding capacity were also characterized for molecularly imprinted discs. The template removal showed results below 70%, most likely due to the amount of methacrylated alginate (4% w/v) and the bulk imprinting. Results concerning the capacity of the molecularly imprinted material to recognize BSA showed higher results when comparing to non-imprinted polymers. However, the system still needs to be improved, concerning the template removal and rebinding capacity. Still, it enabled the understanding of the effect of different crosslinkers on MI

Direct Laser Written Nano- & Micro-Optical Textures for Photovoltaics Applications

Im Gegensatz zu anderen Technologien, welche der Gewinnung von elektrischer Energie dienen, basierte die Photovoltaik nicht auf einer langen Umwandlungskette. Anstatt einen Kraftstoff zu verbrennen, die Abwärme dieses Prozesses zur Wassererwärmung zu nutzen um schließlich mit Wasserdampf eine Turbine zu betreiben, welche einen elektrischen Generator antreibt, gelingt in der Photovoltaik die Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie direkt. Dieser Vorgang ermöglicht eine Dezentralisierung der elektrischen Energiegewinnung. Des Weiteren besitzt die Photovoltaik mit der Sonne eine erneuerbare Energiequelle, welche auf menschlichen Zeitskalen nicht erlischt. Zusätzlich entstehen im Betrieb keine Treibhausgase, welche den Klimawandel weiter anheizen. Trotz der vielen Vorteile der Photovoltaik loht sich die Produktion von Solarzellen, als Herzstücke der elektrischen Energiegewinnung in der Photovoltaik, erst dann im großen Stil, wenn der Preis pro erzeugte kWh elektrische Energie mit dem anderer herkömmlicher Energieträger mithalten kann. Insbesondere der Wirkungsgrad einer Solarzelle hat signifikanten Einfluss auf die Kosten für die elektrische Energie. Der Wirkungsgrad hängt zum einen ab von der Effizienz, mit der einfallendes Licht in freie Ladungsträger umgewandelt werden kann, und zum anderen davon, mit welcher Effizienz die Ladungsträger extrahiert werden können. Diese Dissertation beschäftigt sich mit Oberflächenstrukturen, welche eine gesteigerte Nutzung des einfallenden Lichtes ermöglichen. Der Vorteil von Oberflächenstrukturen, welche Grenzflächenreflektion senken und den Lichtpfad beeinflussen, ist in der Photovoltaik altbekannt. In modernen, kommerziell erhältlichen kristallinen Siliziumsolarzellen wird auf die Halbleiteroberfläche eine Struktur aufgetragen, welche zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung führt. Strukturen für andere Grenzflächen und Solarzell-Technologien werden hingegen weiterhin erforscht. Insbesondere für die sogenannten Dünnschicht-Technologien gibt es derzeit keine Standardstrukturen, wobei gerade hier eine effizientere Nutzung des einfallenden Lichtes große Vorteile hätte. Die kommerziellen Dünnschicht-Technologien (basierend auf den Halbleitern amorphem Silizium, Kupfer-Indium-(Gallium)-Diselenid /-Disulfid (CIGS) und Cadmium Telluride (CdTe)) haben in den letzten Jahren Marktanteile gegenüber den etablieren kristallinen Silizium-Technologien verloren. Dieser Trend basiert auf den, trotz eines höheren Materialaufwandes, paradoxerweise geringen Kosten für kristallines Silizium. In der Forschung hingegen haben die Dünnschicht-Technologien mit neuen Materialien, wie Perowskiten und Nanokristallen, sowie neuen Anwendungsgebieten, wie der gebäudeintegrierten Photovoltaik, erneut Aufwind erfahren. Es existiert eine große Anzahl an guten Ideen, um Dünnschicht-Solarzellen zu strukturieren. Insbesondere auf der Basis numerischer Modellrechnungen konnte das enorme Potential der verschiedenen Strukturierungsansätze aufgewiesen werden. Auch an im Labor hergestellten Strukturen konnte eine deutliche Steigerung der Absorption von einfallendem Licht nachgewiesen werden, jedoch litt in vielen Fällen (insbesondre bei der Verwendung von Ätzverfahren) die Effizienz mit der Ladungsträger extrahiert werden und somit der Wirkungsgrad der Solarzelle. Außerdem konnten, auf Grund von Grenzen bei den Herstellungsverfahren, bisher nicht alle Strukturierungsansätze umgesetzt werden. Diese Dissertation widmet sich einem vergleichsweise neuen Verfahren zur Herstellung von 3D-Freiform-Strukturen, mit der Idee die Herstellung neuartiger Nano- und Mikrostrukturen für die Photovoltaik zu ermöglichen. Des Weiteren werden Verfahren verwendet, welche keinen (oder nur einen geringen) Einfluss auf die Extrahierung der Ladungsträger haben. Mit dem zum Einsatz kommenden Strukturierungsverfahren „Direktes Laserschreiben“ (eng. direct laser writing (DLW)) lassen sich in einem Polymer (mit Hilfe eines Submikrometer großen Grundbausteins) Nano- und Mikrostrukturen, auf einer Fläche von mehreren Quadratmillimetern, verwirklichen. Das Verfahren benötigt keine lange Vorbereitung und kommt ohne eine Maske aus. Es ist somit gut geeignet um Prototypen zur optischen Charakterisierung zu entwickeln. Es wurde untersucht, inwiefern DLW verwendet werden kann, um optisch kleine und optisch große Strukturen für die Photovoltaik zu erforschen. Optisch kleine Strukturen, mit Größenordnungen im Bereich der Wellenlänge des Lichtes, beugen einfallendes Licht und können es so in Bauelemente der Dünnschicht-Photovoltaik einkoppeln. Eingekoppeltes Licht verweilt lange in der Solarzelle und wird somit stärker absorbiert. Für die Photovoltaik interessante Wellenlängen sind typischerweise im Bereich 300 nm bis 1200 nm vorzufinden. Dieser Bereich befindet sich an der Auflösungsgrenze des DLW-Systems. Ein wichtiger Teil dieser Studie war somit die Bestimmung geeigneter Parameter für die Herstellung der Strukturen. Um den Ladungsträgertransport nicht zu beeinflussen, wurde ein neuartiges Verfahren untersucht, bei dem das lichtabsorbierende Haltleitermaterial nachträglich in die Struktur eingefügt wurde. Dieses Verfahren beruht auf der Möglichkeit die zuvor erwähnten neuen Dünnschichtmaterialen flüssig zu prozessieren. In einer ersten Demonstration wurde eine mit DLW hergestellte Polymerstruktur mit CuInSe2 (CIS) Nanokristallen infiltriert. Die CIS Nanokristalle lagen zunächst in Lösung vor. Nach dem Auftragen verdampfte das Lösungsmittel und hinterließ eine kompakte CIS Schicht welche die Polymerstruktur umschloss. Ein wichtiger Teil der Studie war das Bestimmen der optischen Materialeigenschaften. Im Rahmen dieser Materialuntersuchung wurde für das DLW belichtete Polymermaterial IP-Dip ein Brechungsindex von etwa 1.53 bestimmt. Es wurde außerdem festgestellt, dass IP-Dip einen höheren Brechungsindex von etwa 1.54 besitzt, wenn es mit ultraviolettem (UV) Licht belichtet wurde. Für die CIS Nanokristalle wurde ein Brechungsindex von etwa 2.0 bestimmt. Mittels dieser Parameter war es möglich die Lichteinkopplung in eine erste Teststruktur im Detail numerisch zu untersuchen. Es wurde eine sehr hohe Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnisses gefunden. In einer fertiggestellten Solarzelle, konnte außerdem nachgewiesen werden, dass die Strukturen sich nicht schädlich auf die Ladungsträger-Extraktion auswirken. Bedauerlicherweise konnte, bedingt durch den sich als sehr gering herausgestellten Brechungsindexunterschied zwischen IP-Dip und den CIS Nanokristallen, nur eine sehr geringe Erhöhung der Absorption einfallenden Lichtes (auf Basis der angestrebten Lichteinkopplung) nachgewiesen werden. Andererseits kam es zu einem unerwarteten Kapillareffekt, auf Grund dessen sich die Schichtdicke der CIS Nanokristalle im Bereich der Strukturierung erhöhte. Optisch große Strukturen, die sich in der Größenordnung eines Vielfachen der Wellenlänge bewegen, können die Reflektion an einer Grenzschicht von einem niedrigen Brechungsindex zu einem höheren Brechungsindex (in die Solarzelle hinein) deutlich reduzieren und in die andere Richtung (aus der Solarzelle heraus) deutlich erhöhen und so Licht gefangen halten. Dies ist das Grundprinzip der oben erwähnten Mikrostrukturen auf modernen kristallinen Siliziumsolarzellen. Um die Vorteile dieses Prinzips für die Dünnschicht-Photovoltaik zu nutzen, können Strukturen an der obersten Schicht eines Solarmoduls (Glas) angebracht werden. Der Halbleiter wird so nicht beschädigt und der Ladungsträgertransport nicht beeinflusst. In der im Folgenden beschriebenen Studie wurde DLW als Verfahren zum Erstellen von Freiform-Prototypen voll ausgenutzt, indem Strukturen zunächst mittels DLW erstellt wurden und dann mit Hilfe von Nanoprägelithografie auf verschiedene Substrate transferiert wurden. In vorangegangenen numerischen Studien hatte sich das Aspektverhältnis von Mikrostrukturen als Schlüsselparameter für Anwendungen in der Photovoltaik herauskristallisiert. Mittels DLW konnte ein experimenteller Beweis geliefert werden und eine für die Anwendung optimierte Struktur hergestellt werden. In einer systematischen Studie wurde der Einfluss des Aspektverhältnisses von kegelförmigen Mikrostrukturen auf die Reflektivität der Grenzschicht und das Potential Licht in der Solarzelle einzuschließen, numerisch und experimentell untersucht. Mittels optischer Untersuchungen auf unterschiedlichen Substraten, konnte zunächst eine hohe Übereinstimmung zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen gezeigt werden. So war es möglich eine Struktur mit einem für senkrecht einfallendes Licht optimierten Aspektverhältnis von 0.73 herzustellen. Außerdem konnte eine signifikante Wirkungsgradsteigerung verschiedener Solarzellen durch die Mikrostruktur gezeigt werden. Mit Hilfe von kristallinen Siliziumsolarzellen, wurde die Relevanz der Mikrostrukturen für eine etablierte Technologie gezeigt. Die Mikrostrukturen wurden als zusätzliche Schicht auf einer Siliziumsolarzelle mit bereits strukturierter Halbleiterschicht aufgetragen. Mittels Messungen der externen Quanteneffizienz wurde eine relative Erhöhung der Kurzschlussstromdichte um 5.4% (im Vergleich zu einer Zusatzschicht ohne Strukturierung) bei senkrechtem Lichteinfall nachgewiesen. Die etabliere Technologie der Antireflektionsbeschichtung kommt in einem ähnlichen Vergleich auf eine relative Erhöhung von nur 3%. Bei schrägem Lichteinfall entfalten die Mikrostrukturen ihr volles Potential. In einer Berechnung der Energieausbeute unter realen Bedingungen, kamen die Mikrostrukturen auf eine relative Erhöhung von bis zu 9%, wohingegen 4% für die etablierte Antireflektionsbeschichtung bestimmt worden waren. Zu guter Letzt wurden CIGS Solarzellen verwendet, um das Potential der Mikrostrukturen auf Dünnschicht-Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad zu zeigen. Unter Standardbedingungen wurde eine Erhöhung des Wirkungsgrades von 20.2% auf 20.9% nachgewiesen. Des Weiteren ergab der Vergleich mit einer konventionellen MgF2 Beschichtung eine deutlich stärker reduzierte Reflektion unter senkrechtem Einfall und eine deutlich höhere Kurzschlussstromdichte für große Einfallswinkel

Porous Silicon Photonics for Label-Free Interferometric Biosensing and Flat Optics

This dissertation uses porous silicon as a material platform to explore novel optical effects in three domains: (i) It studies dispersion engineering in integrated waveguides to achieve high performance group index sensing. With proper design parameters, the sensor waveguides can theoretically achieve 6 times larger group index shift compared to the actual bulk effective refractive index shift. We demonstrate the guided mode confinement factor to be a key parameter in design and implementation of these waveguides. (ii) It explores multicolor laser illumination to experimentally demonstrate perceptually enhanced colorimetric sensing, overcoming the limitations faced by many contemporary colorimetric sensors. Our technique allows our sensor to achieve ~ 7 to 30 times higher sensitivities and ~ 30 to 1000 times lower limits of detection compared to current colorimetric sensors. (iii) It develops a novel imprinting technique to laterally pattern arbitrary refractive index on the porous silicon surface to realize nanoscale flat optical components. We demonstrate and characterize imprinted flat lens arrays and show how myriads of possible applications are to be implemented using this nanoimprinting technique. While the material primarily used in this dissertation is porous silicon, many of the demonstrated techniques are generalizable and can be extended towards other materials of interest to achieve high performance patterning and sensing

Flexible pressure sensors via engineering microstructures for wearable human-machine interaction and health monitoring applications

Flexible pressure sensors capable of transducing pressure stimuli into electrical signals have drawn extensive attention owing to their potential applications for human-machine interaction and healthcare monitoring. To meet these application demands, engineering microstructures in the pressure sensors are an efficient way to improve key sensing performances, such as sensitivity, linear sensing range, response time, hysteresis, and durability. In this review, we provide an overview of the recent advances in the fabrication and application of high-performance flexible pressure sensors via engineering microstructures. The implementation mechanisms and fabrication strategies of microstructures including micropatterned, porous, fiber-network, and multiple microstructures are systematically presented. The applications of flexible pressure sensors with microstructures in the fields of wearable human-machine interaction, and ex vivo and in vivo healthcare monitoring are comprehensively discussed. Finally, the outlook and challenges in the future improvement of flexible pressure sensors toward practical applications are presented

Size and shape specific particles toward biomedical imaging: design, fabrication, and characterization

Thesis (Ph.D.)--Boston UniversityThe power of a biomedical imaging modality can be augmented and is, in large part, determined by the capabilities of the available contrast agents. For example, quantum dots represent a colorful palette of powerful contrast agents for optical fluorescence imaging and Raman spectroscopy, given their tunable multiplexing capability and long-term stability compared to traditional organic molecule-based fluorescent labels. On the contrary, as the workhorses in both clinical and research imaging, the full potentials of magnetic resonance imaging and computed tomography have yet to be actualized due to several existing fundamental limitations in the currently available contrast agents, including but not limited to, the lack of multiplexing capability, low sensitivity, as well as the lack of functional imaging capacity. Leveraging both traditional top-down micro- and nanoelectromechanical systems fabrication techniques and bottom-up self-assembly approaches, this dissertation explores the possibility of mitigating these limitations by engineering precisely controllable, size and shape (as well as a host of other materials properties) specific micro- and nanoparticles, for use as the next generation contrast agents for magnetic resonance imaging and computed tomography. Herein, the ways by which engineering approaches can impact the design, fabrication and characterization of contrast agents is investigated. Specifically, different configmations of magnetic micro- and nanoparticles, including double-disk and hollow-cylinder structmes, fabricated using a top-down approach were employed as magnetic resonance imaging contrast agents enabled with a multiplexing capability and improved sensitivity. Subsequently, a scalable nanomanufactming platform, utilizing nanoporous anodized aluminum oxide membranes as templates for pattern transfer as well as thermal/ultraviolet nanoimprinting techniques, was developed for the high throughput fabrication of size and shape specific polymeric nanorods. When ladened with X-ray attenuating tantalum oxide nanoparticle payloads, these polymeric nanorods can be used as contrast agents for computed tomography, yielding prolonged vascular circulation times, improved sensitivity, as well as targeted imaging capabilities. Furthermore, by applying various payload materials, this nanomanufacturing platform also has the flexibility to produce contrast agents for other imaging modalities, as well as the potential to realize dual-purpose agents for both diagnostic and therapeutic applications

Pseudobacterial nanocarriers for intracellular delivery of anti-infectives

Difficulties in the access and effective treatment of sheltered intracellular bacterial infections may potentially be overcome by encapsulating drugs into delivery systems functionalised with bacteria-derived invasive proteins. Although the potential of these proteins is clear, the promising application and indeed characteristics of invasive particles remains to be fully explored. The objectives of this study were therefore to determine the influence of shape on bacteriomimetic system characteristics, using invasive spherical and aspherical polymeric nanocarriers. Aspherical nanoparticles were prepared by an optimised combination of chemical functionalisation and thermomechanical stretching. InvA497, a C-terminal fragment of the Yersinia-derived protein invasin, was covalently coupled onto the surface of both spherical and aspherical nanoparticles. In vitro studies using drug-free nanoparticles indicated shape-dependent differences on receptor-mediated uptake by epithelial cells, being slightly faster for spherical nanoparticles. Both types of nanoparticles were then loaded with a preparation of antibiotic gentamicin, and tested for their ability to kill intracellular Shigella flexneri in human epithelial cells. Aspherical systems led to a higher killing of intracellular bacteria, potentially due to a more favorable drug release profile. This study provides a proof of concept that InvA497-functionalised aspherical bacteriomimetic nanocarriers may efficiently deliver otherwise non-permeable antibiotics across host cell membranes, enabling effective treatment of intracellular infections.Eine wirksame Behandlung von intrazellulärer lokalisierten und auf diese Weise geschützten bakteriellen Infektionen kann mit Hilfe von spezieller nanopartikulären Systemen, die mit invasiven, von Bakterien abgeleiteten Proteinen funktionalisiert sind, erreicht werden. Obwohl das Potenzial dieser Proteinen bereits bekannt ist, sind vielversprechende Anwendungen und Eigenschaften dieser bakteriomimetischen Transportsysteme noch gründlich zu erforschen. Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von zwei unterschiedlichen Partikelformen (sphärisch und asphärisch) auf die Wirksamkeit dieser bakteriomimetischen Systeme zu untersuchen. Asphärische Nanopartikel wurden durch eine optimale Kombination von chemischer Funktionalisierung und thermomechanischer Dehnung vorbereitet. InvA497, ein C-Endfragment des invasiven, von Yersinia abgeleiteten Proteins «Invasin», wurde kovalent an die Nanopartikeloberfläche gekoppelt. In vitro Untersuchungen mit wirkstofffreien Nanopartikeln zeigten formabhängige Unterschiede in der Rezeptor-vermittelten Aufnahme bei Epithelzellen Hep-2. Bei sphärischen Nanopartikeln war die Aufnahme etwas schneller. Beide Nanopartikelsysteme wurden daraufhin mit dem Antibiotikum Gentamicin geladen und auf deren Fähigkeit geprüft, intrazelluläre Shigella flexneri Erreger in menschlichen Epithelzellen zu töten. Asphärische Systeme zeigten eine höhere Fähigkeit zur Abtötung der intrazellulären Bakterien, möglicherweise bedingt durch ein vorteilhaftes Wirkstofffreisetzungsprofil. Mit dieser Untersuchung konnte nachgewiesen werden, dass InvA497-funktionalisierte, asphärische, bakteriomimetische Nanoträger nicht permeable Antibiotika durch die Wirtszellmembran effizient transportieren können, um intrazelluläre Infektionen behandeln zu können