Stampa a getto d'inchiostro reattiva e analisi di propulsione di micro-agitatori semoventi a base di seta

Siamo in grado di produrre micromotori di seta versatili, biocompatibili e biodegradabili da utilizzare in applicazioni di micro-miscelazione come il miglioramento del dosaggio enzimatico, la diagnostica dei trucioli di legno di lava e il monitoraggio e la bonifica ambientale. L'utilizzo della stampa a getto d'inchiostro reattiva per creare micro-agitatori di seta enzimatici e alimentati da Marangoni ci consente di alterare forme, dimensioni, distribuzioni di catalizzatori e fondere altre moieties nelle strutture in modo rapido e semplice, controllando così traiettoria, comportamento e funzioni. La stampa a getto d'inchiostro reattiva può essere applicata anche per produrre dispositivi a micromotore con altri inchiostri reattivi acquosi oltre alla seta, il che dimostra la grande versatilità di questo metodo.

La persona che dimostri la procedura sarà la dottoranda Ana Jimenez-Franco del mio laboratorio. In primo luogo, tagliare cinque grammi di bozzoli di seta puliti in piccoli pezzi quadrati di un centimetro usando le forbici. In una cappa di estrazione, far bollire due litri di acqua deionizzata in un becher da due litri su una piastra calda magnetica.

Aggiungere una barra di agitazione magnetica al becher di acqua deionizzata. Quindi aggiungere lentamente 4,24 grammi di carbonato di sodio all'acqua per evitare di bollire e lasciare che si dissolva. Una volta che la soluzione ricomincia a bollire, aggiungere i pezzi tagliati dei bozzoli di seta alla soluzione.

Assicurarsi che tutta la seta sia sommersa e riscaldare la soluzione, mescolando costantemente per 90 minuti. Coprire il becher con un foglio di alluminio. Dopo 90 minuti, rimuovere le fibre di fibroina estratte dalla soluzione di carbonato di sodio con un'asta di vetro.

Lavare le fibre di fibroina tre volte con un litro di acqua deionizzata preriscaldata, diminuendo gradualmente la temperatura per ogni lavaggio. Stendere le fibre di fibroina su un piatto cristallizzante in vetro borosilicato da 750 millilitri e metterli in un forno di essiccazione durante la notte a 60 gradi Celsius sotto pressione atmosferica. Una volta asciutte, conservare le fibre di fibroina in un contenitore chiuso a temperatura ambiente.

Preparare una soluzione ternaria contenente 4,8 grammi di acqua deionizzata, 3,7 grammi di etanolo e 3,1 grammi di cloruro di calcio. Prima sciogliere il cloruro di calcio in acqua deionizzata e quindi aggiungere l'etanolo. Posizionare un pallone a due colli a due colli da 100 millilitri in un bagno d'acqua sopra una piastra calda magnetica.

Quindi aggiungere la soluzione ternaria al pallone. Quindi, posizionare un termometro in uno dei colli del pallone per monitorare con precisione la temperatura della soluzione. Coprire l'altro collo con un foglio di alluminio per evitare di asciugare la soluzione a causa dell'evaporazione.

Quindi, riscaldare la soluzione a 80 gradi Celsius. Quando la temperatura della soluzione è stabile a 80 gradi Celsius, rimuovere il foglio di alluminio e aggiungere un grammo di fibroina essiccata alla soluzione. Aggiungere una piccola barra di agitazione magnetica per assicurarsi che la soluzione sia mescolata bene durante tutto il processo di dissoluzione.

Coprire il secondo collo del pallone con un foglio di alluminio per ridurre al minimo l'evaporazione e lasciare sciogliere per 90 minuti. Dopo 90 minuti di dissoluzione, lasciare raffreddare la soluzione di fibroina a temperatura ambiente per 10 minuti. Legare un nodo su una delle estremità di un tubo di dialisi lungo 15 centimetri.

Lavare il tubo per alcuni minuti con acqua deionizzata corrente dal rubinetto. Aprire l'altra estremità del tubo di dialisi e aggiungere la soluzione di fibroina. Utilizzando un morsetto metallico, chiudere l'altra estremità del tubo di dialisi assicurando che sia chiuso il più strettamente possibile.

Attaccare una delle estremità del tubo di dialisi tramite un tappo a vite a un flaconcino di plastica vuoto da 30 millilitri per consentire al tubo di dialisi di galleggiare in acqua. Quindi, posizionare il tubo di dialisi in un becher da due litri contenente due litri di acqua deionizzata. Cambiare l'acqua a intervalli regolari e controllare la conducibilità dell'acqua ogni volta che viene cambiata per seguire il processo di dialisi.

Al termine della dialisi, tagliare un'estremità del tubo di dialisi con le forbici e versare la soluzione in una serie di tubi da 1,5 millilitri. Centrifugare per cinque minuti a 16000 x G per rimuovere eventuali particelle all'interno della soluzione di fibroina. Quindi, raccogli il supernatante in una fiala di plastica da 30 millilitri e conservalo a quattro gradi Celsius.

Per stampare il corpo principale dei micro-agitatori artificiali semoventi, o spms, mescolare la soluzione di fibroina, polietilene glicole 400 e acqua deionizzata per realizzare 1,5 millilitri di inchiostro A.Per la stampa del motore catalitico delle stecche, mescolare la soluzione di fibroina, polietilene glicole 400, catalasi e acqua deionizzata per fare 1,5 millilitri di inchiostro B.Preparare 1,5 millilitri di inchiostro C sciogliendo 0,05 mg per millilitro di Coomassie Brilliant Blue e metanolo. Utilizzare dispositivi di getto con diametro dell'ugello di 80 micrometri per stampare gli inchiostri sul substrato di silicio, posizionati sul palco a una distanza di lavoro tra l'ugello e il substrato del wafer di silicio di circa cinque millimetri. Caricare gli inchiostri A, B e C in tre serbatoi, quindi regolare la controtendione utilizzando la valvola di contro-pressione per ogni singolo canale per assicurarsi che l'inchiostro non goccioli dai dispositivi di getto.

Quindi, regolare i parametri di getto per ogni canale per assicurarsi che ogni inchiostro dia una buona formazione stabile delle goccioline. Stampare l'inchiostro di fibroina di seta strato per strato alternato al metanolo su un substrato di wafer di silicio lucido pulito. Stampare due lotti di spms di fibroina con spessore rispettivamente a 200 e 100 strati.

Per rimuovere i campioni dai wafer di silicio, immergerli in acqua deionizzata e agitare delicatamente fino a quando non si verifica il distacco. Pulire una piastra di Petri in vetro di nove centimetri con acqua deionizzata e assicurarsi che la superficie sia priva di polvere. Aggiungere 10 millilitri di perossido di idrogeno prefiltrato al cinque per cento alla piastra di Petri pulita e asciutta e lasciare insediarsi.

Illumina il fondo della piastra di Petri con una fresca sorgente luminosa a LED bianca. Quindi, usa una fotocamera ad alta velocità con obiettivo macro-zoom per catturare il movimento dall'alto. Ora, lavare gli agitatori di seta stampati per 10 minuti immergendoli in acqua deionizzata per rimuovere qualsiasi glicole polietilene non legato 400.

Prendere con cura un agitatore lavato con la punta di un ago sterile per siringhe e posizionare al centro della piastra di Petri. Quando l'agitatore lavato tocca il combustibile perossido di idrogeno, le bolle iniziano a formarsi attorno al motore e si osserva il movimento circolare dell'agitatore. Quando il sistema appare stabile, premere registra nel software di registrazione per iniziare a catturare il video.

Eseguire il tracciamento dei micro-agitatori su un telaio per fotogramma, tracciando ogni estremità degli agitatori. Le goccioline stabili formate dai dispositivi di getto consentiranno la definizione più alta dei campioni stampati come mostrato qui. A seconda delle stampanti a getto d'inchiostro utilizzate nelle dimensioni delle goccioline, la distanza tra ogni gocciolamento stampato deve essere regolata in modo tale che si sovrappongano per generare linee collegate.

Quando i micro-agitatori di seta vengono collocati nella soluzione di combustibile perossido di idrogeno, la morfologia superficiale degli agitatori viene alterata a causa del rilascio delle bolle dalle strutture interne, generando piccoli pori. Qui sono mostrati fotogrammi video di due micro-agitatori rappresentativi a 100 strati e 200 strati e il 5% di combustibile perossido di idrogeno. Le linee rosse e verdi indicano le traiettorie tracciate.

La velocità di rotazione può essere determinata dal cambio di orientamento della velocità come mostrato qui. Il confronto tra micro-agitatori drogati di catalasi a 100 strati e a 200 strati mostra un aumento distintivo della velocità di rotazione di circa 0,6 volte, da 60 più o meno sei giri/min a 100 più o meno 10 giri/min. Per produrre inchiostri stampabili per questa procedura, è importante che le fibre siano completamente sciolte durante il processo di dissoluzione.

Questa tecnica ci ha permesso di produrre micro-agitatori alimentati da vari meccanismi, adatti per studi di agitazione e rilevamento della contaminazione come recentemente pubblicato da noi sulla rivista Small.