基于丝素蛋白的自驱动微搅拌器的反应性喷墨打印与推进力分析

我们能够制备出适用于微混合应用的多功能、生物相容且可生物降解的丝素微米级马达，这些应用包括酶活性检测增强、熔岩木屑诊断以及环境监测与修复。通过采用反应性喷墨打印技术制备由酶和马兰戈尼效应驱动的丝素微搅拌器，可快速、简便地调节其形状、尺寸、催化剂分布，并将其他官能团掺入结构中，从而实现对运动轨迹、行为及功能的控制。此外，反应性喷墨打印技术还可用于以除丝素外的其他水相反应性墨水制备微米级马达装置，充分体现了该方法的高度通用性。

演示该操作步骤的人员将是我实验室的博士生 Ana Jimenez-Franco。首先，用剪刀将五克干净的蚕茧切成一平方厘米大小的小片。在通风橱中，用磁力加热板将两升去离子水在两升烧杯中煮沸。

将磁力搅拌子加入去离子水烧杯中。然后缓慢加入 4.24 克碳酸钠，以避免溶液沸腾溢出，并使其充分溶解。待溶液再次开始沸腾后，将剪碎的蚕茧 pieces 加入溶液中。

确保所有丝线完全浸没，并在持续搅拌下加热溶液90分钟。用铝箔覆盖烧杯。90分钟后，用玻璃棒将提取的丝素蛋白纤维从碳酸钠溶液中取出。

用一升预热的去离子水将丝素纤维清洗三次，每次清洗时逐渐降低水温。将丝素纤维铺展在750毫升的硼硅酸盐玻璃结晶皿中，于60摄氏度常压条件下在干燥烘箱中过夜干燥。干燥后，将丝素纤维置于密闭容器中，室温保存。

配制一种三元混合溶液，包含4.8克去离子水、3.7克乙醇和3.1克氯化钙。首先将氯化钙溶解于去离子水中，然后加入乙醇。将一个100毫升双颈圆底烧瓶置于磁力加热板上的水浴中。

然后将三元溶液加入烧瓶中。接着，将温度计插入烧瓶的一个瓶口中，以准确监测溶液温度。用铝箔覆盖另一个瓶口，防止溶液因蒸发而干燥。

然后，将溶液加热至 80 摄氏度。当溶液温度稳定在 80 摄氏度时，移去铝箔，并向溶液中加入一克干燥的丝素蛋白。加入一个小型磁力搅拌子，以确保在溶解过程中溶液充分混合。

用铝箔覆盖烧瓶的第二个瓶口以减少蒸发，并静置溶解90分钟。溶解90分钟后，让丝素蛋白溶液冷却至室温，持续10分钟。在一根15厘米长的透析管的一端打一个结。

用自来水流动冲洗试管数分钟。打开透析管的另一端，加入丝素蛋白溶液。使用金属夹夹紧透析管的另一端，确保尽可能紧密封闭。

通过螺旋盖将透析管的一端连接到一个空的30毫升塑料小瓶上，以使透析管能够漂浮在水中。接着，将透析管放入盛有2升去离子水的2升烧杯中。定期更换水，并在每次换水时检测水的电导率，以监测透析过程。

透析完成后，用剪刀剪开透析管的一端，将溶液倒入一系列1.5毫升离心管中。在16000 × g条件下离心5分钟，以去除丝素蛋白溶液中的任何颗粒。然后，将上清液收集至一个30毫升塑料瓶中，并在4°C下保存。

为了打印人工自驱动微搅拌器（spms）的主体部分，将丝素蛋白溶液、聚乙二醇400和去离子水混合，制备1.5毫升的墨水A。为了打印spms的催化发动机部分，将丝素蛋白溶液、聚乙二醇400、过氧化氢酶和去离子水混合，制备1.5毫升的墨水B。通过将浓度为每毫升0.05毫克的考马斯亮蓝溶解于甲醇中，制备1.5毫升的墨水C。使用喷墨装置在硅基底上进行打印，喷嘴直径为80微米，将硅片基底放置于载物台上，喷嘴与硅片基底之间的工作距离约为5毫米。将墨水A、墨水B和墨水C分别装入三个储液器中，然后通过调节每个独立通道的背压阀来调整背压，以确保墨水不会从喷墨装置中滴落。

接下来，调整每个通道的喷射参数，以确保每种墨水均能形成稳定且良好的液滴。在洁净的抛光硅片基底上，将丝素蛋白墨水与甲醇交替逐层打印。分别打印两批厚度为200层和100层的丝素蛋白微针阵列。

将样品从硅片上取下时，将其浸入去离子水中并轻轻搅动，直至样品脱落。用去离子水清洗一个九厘米的玻璃培养皿，并确保表面无尘。向洁净且干燥的培养皿中加入10毫升预先过滤的5%过氧化氢，并静置使其稳定。

使用冷白光LED光源照射培养皿底部，然后利用配备微距变焦镜头的高速相机从上方捕捉其运动。接下来，将打印好的丝素搅拌棒浸入去离子水中清洗10分钟，以去除未结合的聚乙二醇400。

用无菌注射器针头的尖端小心取一个已清洗的搅拌子，将其置于培养皿的中央。当清洗后的搅拌子接触到过氧化氢燃料时，搅拌子周围开始产生气泡，并可观察到搅拌子的圆周运动。当系统趋于稳定后，在录像软件中点击“录制”以开始视频采集。

对微搅拌器进行逐帧跟踪，跟踪搅拌器的每一端。由喷射装置形成的稳定液滴将实现如图所示的更高分辨率打印样品。根据所用喷墨打印机的液滴尺寸，需要调整每个打印液滴之间的距离，使其相互重叠，从而形成连续的线条。

当丝素微搅拌器置于过氧化氢燃料溶液中时，由于内部结构释放气泡，搅拌器的表面形貌发生变化，形成微小孔隙。此处展示了两个具有代表性的100层和200层微搅拌器在5%过氧化氢燃料中的静态视频帧。红色和绿色线条表示追踪的运动轨迹。

旋转速度可通过此处所示的方向变化率来确定。对掺入过氧化氢酶的100层和200层微型搅拌子进行比较，结果显示旋转速度显著提高了约0.6倍，从60 ± 6 rpm增加至100 ± 10 rpm。为本实验制备可打印油墨时，关键在于纤维在溶解过程中必须完全溶解。

该技术已使我们能够制备由多种机制驱动的微搅拌器，适用于搅拌及污染检测研究，我们近期已在期刊《Small》上发表相关成果。