Impression jet d’encre réactive et analyse de propulsion de micro-agitateurs automoteurs à base de soie

Nous sommes en mesure de produire des micro-moteurs en soie polyvalents, biocompatibles et biodégradables pour une utilisation dans des applications de micro-mélange telles que l’amélioration des analyses d’enzymes, le diagnostic des copeaux de bois de lave et la surveillance et l’assainissement de l’environnement. L’utilisation de l’impression réactive à jet d’encre pour créer des micro-agitateurs en soie alimentés par l’enzyme et marangoni nous permet de modifier les formes, les tailles, les distributions de catalyseurs et de mélanger d’autres moieties dans les structures rapidement et facilement, contrôlant ainsi la trajectoire, le comportement et les fonctions. L’impression réactive à jet d’encre peut également être appliquée pour produire des dispositifs micro-moteurs avec d’autres encres réactives aqueuse en dehors de la soie, ce qui démontre la grande polyvalence de cette méthode.

La personne qui démontrera la procédure sera la doctorante Ana Jimenez-Franco de mon laboratoire. Tout d’abord, couper cinq grammes de cocons de soie propres en petits morceaux carrés d’un centimètre à l’aide de ciseaux. Dans une hotte d’extraction, faire bouillir deux litres d’eau déionisée dans un bécher de deux litres sur une plaque chaude magnétique.

Ajouter une barre magnétique au bécher d’eau déionisée. Ajouter ensuite lentement 4,24 grammes de carbonate de sodium à l’eau pour éviter de bouillir et lui permettre de se dissoudre. Une fois que la solution recommence à bouillir, ajouter les morceaux coupés des cocons de soie à la solution.

Assurez-vous que toute la soie est submergée et chauffez la solution, en remuant constamment pendant 90 minutes. Couvrir le bécher de papier d’aluminium. Après 90 minutes, retirer les fibres de fibroine extraites de la solution carbonate de sodium à l’aide d’une tige de verre.

Lavez les fibres de fibroine trois fois avec un litre d’eau déionisée préchauffée, diminuant graduellement la température pour chaque lavage. Étendre les fibres de fibroine sur un plat de cristallisation en verre borosilicate de 750 millilitres et les placer dans un four de séchage pendant la nuit à 60 degrés Celsius sous pression atmosphérique. Une fois sèches, conserver les fibres de fibroine dans un récipient fermé à température ambiante.

Préparer une solution ternaire contenant 4,8 grammes d’eau déionisée, 3,7 grammes d’éthanol et 3,1 grammes de chlorure de calcium. Dissoudre d’abord le chlorure de calcium dans l’eau déionisée, puis ajouter l’éthanol. Placer un flacon à deux cols de 100 millilitres dans un bain d’eau au-dessus d’une plaque magnétique chaude.

Ajoutez ensuite la solution ternaire au flacon. Ensuite, placez un thermomètre dans l’un des cous du flacon pour surveiller avec précision la température de la solution. Couvrir l’autre cou de papier d’aluminium pour éviter le dessèchement de la solution en raison de l’évaporation.

Ensuite, chauffer la solution à 80 degrés Celsius. Lorsque la température de la solution est stable à 80 degrés Celsius, retirer le papier d’aluminium et ajouter un gramme de fibroine séchée à la solution. Ajouter une petite barre magnétique pour s’assurer que la solution est bien mélangée tout au long du processus de dissolution.

Couvrir le deuxième cou du flacon de papier d’aluminium pour minimiser l’évaporation et laisser dissoudre pendant 90 minutes. Après 90 minutes de dissolution, laisser refroidir la solution fibroine à température ambiante pendant 10 minutes. Faites un nœud sur l’une des extrémités d’un tube de dialyse de 15 centimètres de long.

Lavez le tube pendant quelques minutes avec de l’eau déionisée du robinet. Ouvrez l’autre extrémité du tube de dialyse et ajoutez la solution fibroine. À l’aide d’une pince métallique, fermer l’autre extrémité du tube de dialyse en s’assurant qu’il est fermé aussi étroitement que possible.

Fixez l’une des extrémités du tube de dialyse par un bouchon à vis à un flacon en plastique vide de 30 millilitres pour permettre au tube de dialyse de flotter dans l’eau. Ensuite, placez le tube de dialyse dans un bécher de deux litres contenant deux litres d’eau déionisée. Changez l’eau à intervalles réguliers et vérifiez la conductivité de l’eau chaque fois qu’elle est changée pour suivre le processus de dialyse.

Une fois la dialyse terminée, couper une extrémité du tube de dialyse avec des ciseaux et verser la solution dans une série de tubes de 1,5 millilitre. Centrifugeuse pendant cinq minutes à 16000 x G pour enlever les particules à l’intérieur de la solution fibroine. Ensuite, recueillez le supernatant dans un flacon en plastique de 30 millilitres et rangez-le à quatre degrés Celsius.

Pour imprimer le corps principal des micro-agitateurs artificiels automoteurs, ou spms, mélanger la solution fibroine, polyéthylène glycol 400 et l’eau déionisée pour faire 1,5 millilitres d’encre A.Pour imprimer le moteur catalytique des spms, mélanger la solution de fibroine, le polyéthylène glycol 400, la catalase et l’eau déionisée pour faire 1,5 millilitre d’encre B.Préparez 1,5 millilitres d’encre C en dissolvant 0,05 mg par millilitre de Coomassie Brilliant Blue et de méthanol. Utilisez des dispositifs de mouillage d’un diamètre de buse de 80 micromètres pour imprimer les encres sur le substrat en silicium, placées sur la scène à une distance de travail entre la buse et le substrat de gaufrettes de silicium d’environ cinq millimètres. Chargez les encres A, B et C dans trois réservoirs, puis ajustez la pression arrière à l’aide de la vanne de pression arrière pour chaque canal individuel pour vous assurer que l’encre ne coule pas des dispositifs de mouillage.

Ensuite, ajustez les paramètres de mouillage pour chaque canal pour vous assurer que chaque encre donne une bonne formation stable de gouttelettes. Imprimez la couche d’encre de fibroine de soie par couche en alternant avec du méthanol sur un substrat de gaufrettes de silicium poli propre. Imprimez deux lots de spms de fibroine avec 200 couches et 100 couches d’épaisseur respectivement.

Pour enlever les échantillons des plaquettes de silicium, plongez-les dans de l’eau déionisée et agitez doucement jusqu’à ce que le détachement se produise. Nettoyez une boîte de Pétri en verre de neuf centimètres avec de l’eau déionisée et assurez-vous que la surface est exempte de poussière. Ajouter 10 millilitres de peroxyde d’hydrogène pré-filtré à cinq pour cent à la boîte de Pétri propre et sèche et laisser s’installer.

Allumez le fond de la boîte de Petri avec une source blanche fraîche de lumière de LED. Ensuite, utilisez une caméra à grande vitesse avec objectif macro-zoom pour capturer le mouvement d’en haut. Maintenant, lavez les agitateurs de soie imprimés pendant 10 minutes en les arrosant dans de l’eau déionisée pour enlever tout polyéthylène non lié glycol 400.

Prenez soigneusement un agitateur lavé avec le bout d’une aiguille stérile de seringue et placez-le au centre de la boîte de Petri. Lorsque l’agitateur lavé touche le carburant au peroxyde d’hydrogène, des bulles commencent à se former autour du moteur et le mouvement circulaire de l’agitateur est observé. Lorsque le système apparaît stable, appuyez sur enregistrer dans le logiciel d’enregistrement pour commencer à capturer la vidéo.

Effectuez le suivi des micro-agitateurs image par image, en suivant chaque extrémité des agitateurs. Les gouttelettes stables formées à partir des dispositifs de mouillage permettront la définition plus élevée des échantillons imprimés comme indiqué ici. Selon les imprimantes à jet d’encre utilisées dans la taille de la gouttelette, la distance entre chaque gouttelette imprimée doit être ajustée de manière à ce qu’elles se chevauchent pour générer des lignes connectées.

Lorsque les micro-agitateurs de soie sont placés dans la solution de carburant au peroxyde d’hydrogène, la morphologie de surface des agitateurs est modifiée en raison des bulles libérées des structures intérieures, générant de petits pores. Des images vidéo de deux micro-agitateurs représentatifs de 100 couches et de 200 couches et de cinq pour cent de peroxyde d’hydrogène sont présentées ici. Les lignes rouges et vertes indiquent les trajectoires suivies.

La vitesse de rotation peut être déterminée par le changement de vitesse d’orientation comme indiqué ici. La comparaison des micro-agitateurs dopés catalase de 100 couches et de 200 couches montre une augmentation distinctive de la vitesse de rotation d’environ 0,6 fois, de 60 plus ou moins six rpm à 100 plus ou moins 10 rpm. Pour produire des encres imprimables pour cette procédure, il est important que les fibres soient complètement dissoutes pendant le processus de dissolution.

Cette technique nous a permis de produire des micro-agitateurs alimentés par divers mécanismes, adaptés aux études d’agitation et de détection de la contamination publiées récemment par nous dans la revue Small.