Reaktive Inkjet-Druck-und Antriebsanalyse von seidenbasierten, selbstfahrenden Mikro-Rührern

Wir sind in der Lage, vielseitige, biokompatible und biologisch abbaubare Seiden-Mikromotoren für den Einsatz in Mikromischanwendungen wie Enzym-Assay-Verbesserung, Lava-Holz-Chip-Diagnose sowie Umweltüberwachung und -sanierung herzustellen. Durch den Einsatz von reaktivem Inkjetdruck zur Entwicklung von Enzymen und Von Marangoni angetriebenen Seiden-Mikrorührern können wir Formen, Größen, Katalysatorverteilungen ändern und andere Moieties schnell und einfach in die Strukturen einblenden, wodurch Flugbahn, Verhalten und Funktionen gesteuert werden. Reaktiver Inkjet-Druck kann auch zur Herstellung von Mikromotorgeräten mit anderen wässrigen reaktiven Tinten außer Seide eingesetzt werden, was die große Vielseitigkeit dieser Methode demonstriert.

Die Person, die das Verfahren demonstriert, wird Doktorandin Ana Jimenez-Franco aus meinem Labor sein. Zuerst schneiden Sie fünf Gramm saubere Seidenkokons mit einer Schere in ein Zentimeter quadratische kleine Stücke. In einer Extraktionshaube zwei Liter entionisiertes Wasser in einem Zweiliter-Becher auf einer magnetischen Kochplatte kochen.

Fügen Sie dem Becher mit entionisiertem Wasser einen magnetischen Rührbalken hinzu. Dann langsam 4,24 Gramm Natriumcarbonat in das Wasser geben, um ein Überkochen zu vermeiden und es sich auflösen zu lassen. Sobald die Lösung wieder zu kochen beginnt, fügen Sie die geschnittenen Stücke der Seidenkokons in die Lösung ein.

Stellen Sie sicher, dass die gesamte Seide untergetaucht ist, und erhitzen Sie die Lösung, unter ständigem Rühren für 90 Minuten. Bedecken Sie den Becher mit Aluminiumfolie. Nach 90 Minuten die extrahierten Fibroinfasern mit einem Glasstab aus der Natriumcarbonatlösung entfernen.

Waschen Sie die Fibroinfasern dreimal mit einem Liter vorgewärmten entionisierten Wassers, wodurch die Temperatur für jede Wäsche allmählich sinkt. Die Fibroinfasern auf einer 750-Milliliter-Borosilikatglaskristallisation verteilen und bei Luftdruck über Nacht bei 60 Grad Celsius in einen Trockenofen stellen. Nach dem Trocknen die Fibroinfasern in einem geschlossenen Behälter bei Raumtemperatur aufbewahren.

Bereiten Sie eine ternäre Lösung mit 4,8 Gramm entionisiertem Wasser, 3,7 Gramm Ethanol und 3,1 Gramm Calciumchlorid vor. Zuerst das Calciumchlorid in entionisiertem Wasser auflösen und dann das Ethanol hinzufügen. Legen Sie einen 100-Milliliter-Rundkolben mit zwei Hals in ein Wasserbad auf eine magnetische Kochplatte.

Dann fügen Sie die ternäre Lösung in den Kolben. Als nächstes legen Sie ein Thermometer in einen der Hälse des Kolbens, um die Lösungstemperatur genau zu überwachen. Bedecken Sie den anderen Hals mit Aluminiumfolie, um ein Austrocknen der Lösung durch Verdunstung zu verhindern.

Dann erhitzen Sie die Lösung auf 80 Grad Celsius. Wenn die Temperatur der Lösung bei 80 Grad Celsius stabil ist, entfernen Sie die Aluminiumfolie und fügen Sie ein Gramm getrocknetes Fibroin in die Lösung ein. Fügen Sie einen kleinen magnetischen Rührstab hinzu, um sicherzustellen, dass die Lösung während des gesamten Auflösungsprozesses gut gemischt wird.

Bedecken Sie den zweiten Hals des Kolbens mit Aluminiumfolie, um die Verdunstung zu minimieren und 90 Minuten lang auflösen zu lassen. Nach 90 Minuten Auflösung die Fibroinlösung 10 Minuten auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Binden Sie einen Knoten an einem der Enden eines 15 Zentimeter langen Dialyserohrs.

Waschen Sie das Rohr für ein paar Minuten mit laufen dem Wasser aus dem Wasserhahn. Öffnen Sie das andere Ende des Dialyserohrs und fügen Sie die Fibroinlösung hinzu. Schließen Sie mit einer Metallklemme das andere Ende des Dialyserohrs, um sicherzustellen, dass es so fest wie möglich geschlossen wird.

Befestigen Sie eines der Enden des Dialyserohrs über einen Schraubverschluss an einer leeren 30-Milliliter-Kunststoff-Durchstechflasche, damit das Dialyserohr im Wasser schweben kann. Als nächstes legen Sie das Dialyserohr in einen ZweiliterBecher mit zwei Litern entionisiertem Wasser. Wechseln Sie das Wasser in regelmäßigen Abständen und überprüfen Sie die Leitfähigkeit des Wassers jedes Mal, wenn es geändert wird, um den Dialyseprozess zu folgen.

Nach Abschluss der Dialyse ein Ende des Dialyserohrs mit einer Schere schneiden und die Lösung in eine Serie von 1,5 Milliliter-Röhren gießen. Zentrifugieren Sie fünf Minuten bei 16000 x G, um Partikel innerhalb der Fibroinlösung zu entfernen. Dann den Überstand in einer 30-Milliliter-Plastikflasche sammeln und bei vier Grad Celsius aufbewahren.

Zum Drucken des Hauptkörpers der künstlichen, selbstfahrenden Mikrorührer, oder spms, mischen Sie die Fibroinlösung, Polyethylenglykol 400 und deionisiertes Wasser zu 1,5 Milliliter Tinte A. Für den Druck der Katalysator der spms, Mischen Sie die Fibroin-Lösung, Polyethylenglykol 400, Katalase und deionisiertes Wasser, um 1,5 Milliliter Tinte B.Prepare 1,5 Milliliter Tinte C durch Auflösen von 0,05 mg pro Milliliter Coomassie Brilliant Blue und Methanol. Verwenden Sie Strahlgeräte mit 80 Mikrometer Düsendurchmesser zum Drucken der Tinten auf dem Siliziumsubstrat, die in einem Arbeitsabstand zwischen der Düse und dem Siliziumwafersubstrat von rund fünf Millimetern auf der Bühne platziert werden. Laden Sie die Tinten A, B und C in drei Behälter und stellen Sie dann den Gegendruck mithilfe des Gegendruckventils für jeden einzelnen Kanal ein, um sicherzustellen, dass die Tinte nicht von den Strahlgeräten tropft.

Passen Sie als Nächstes die Jetting-Parameter für jeden Kanal an, um sicherzustellen, dass jede Tinte eine gute stabile Tröpfchenbildung ergibt. Drucken Sie die Seidenfaser-Tintenschicht schichtweise mit Methanol auf einem sauber polierten Siliziumwafersubstrat. Drucken Sie zwei Chargen von Fibroin-Spms mit 200-Schicht- bzw. 100-Schicht-Dicke.

Um die Proben von den Siliziumwafern zu entfernen, tauchen Sie sie in entionisiertes Wasser und rühren Sie sanft, bis die Ablösung auftritt. Reinigen Sie eine neun Zentimeter lange Glas-Petrischale mit entionisiertem Wasser und stellen Sie sicher, dass die Oberfläche staubfrei ist. 10 Milliliter vorgefiltertes Fünf-Prozent-Wasserstoffperoxid in die saubere und trockene Petrischale geben und absetzen lassen.

Leuchten Sie den Boden der Petrischale mit einer kühlen weißen LED-Lichtquelle. Verwenden Sie dann eine Hochgeschwindigkeitskamera mit Makrozoomobjektiv, um die Bewegung von oben zu erfassen. Waschen Sie nun die bedruckten Seidenrührer 10 Minuten lang, indem Sie sie in entionisiertes Wasser tauchen, um ungebundenes Polyethylenglykol 400 zu entfernen.

Nehmen Sie einen gewaschenen Rührer vorsichtig mit der Spitze einer sterilen Spritzennadel und legen Sie ihn in die Mitte der Petrischale. Wenn der gewaschene Rührer den Wasserstoffperoxid-Kraftstoff berührt, bilden sich Blasen um den Motor herum und es wird eine kreisförmige Bewegung des Rührwerks beobachtet. Wenn das System stabil erscheint, drücken Sie die Aufzeichnung in der Aufnahmesoftware, um mit der Aufnahme des Videos zu beginnen.

Führen Sie die Verfolgung der Mikrorührer auf Rahmenbasis durch und verfolgen Sie jedes Ende der Rührwerke. Stabile Tröpfchen, die aus den Spritzvorrichtungen gebildet werden, ermöglichen die höhere Definition der gedruckten Proben, wie hier gezeigt. Abhängig von den Tintenstrahldruckern, die in der Tröpfchengröße verwendet werden, muss der Abstand zwischen den einzelnen gedruckten Tröpfchen so angepasst werden, dass sie sich überlappen, um verbundene Leitungen zu generieren.

Wenn die Seidenmikrorührer in die Wasserstoffperoxid-Brennstofflösung gelegt werden, ändert sich die Oberflächenmorphologie der Rührwerke, da die Blasen aus den inneren Strukturen freigesetzt werden und kleine Poren erzeugen. Hier werden noch Videobilder von zwei repräsentativen 100-Schicht- und 200-Schicht-Mikrorührern und fünf Prozent Wasserstoffperoxid-Brennstoff gezeigt. Die roten und grünen Linien zeigen die verfolgten Flugbahnen an.

Die Rotationsgeschwindigkeit kann durch die hier gezeigte Geschwindigkeitsänderung bestimmt werden. Der Vergleich von 100-Schicht- und 200-Schicht-Kataalase-dotierten Mikrorührern zeigt eine deutliche Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit um etwa das 0,6-fache von 60 plus oder minus sechs Umdrehungen pro Minute auf 100 plus oder minus 10 Umdrehungen pro Minute. Um druckbare Tinten für dieses Verfahren herzustellen, ist es wichtig, dass die Fasern während des Auflösungsprozesses vollständig gelöst werden.

Diese Technik hat es uns ermöglicht, Mikro-Rührer mit verschiedenen Mechanismen zu produzieren, geeignet für Rühr- und Kontaminationserkennungsstudien, wie sie kürzlich von uns in der Zeitschrift Small veröffentlicht wurden.