Name: シルクベース自走式マイクロスターラーの反応性インクジェット印刷と推進力解析 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 23 s
Description: 学ぶ 反応性インクジェット印刷によるシルクベース自走式マイクロスターラーの作製法。生体適合性と環境配慮型のシルクマイクロモーターは、酵素アッセイや環境モニタリングなどのマイクロミキシング応用において優れた性能を発揮する。

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著者らは、X EPSRC によるシルク材料賞 (EP/N007174/1 および EP/N023579/1) の反応性インクジェット印刷、s. j. Ebbens キャリア加速フェローシップ、およびヘルスケア技術インパクトフェローシップ (EP/J002402/1および EP/N033736/1)。著者らはまた、絹の繭を提供するために、南西大学のカイコゲノム生物学の州立主要研究所の Qingyou ・霞氏に感謝した。

注意:過酸化水素、炭酸ナトリウム、エタノール、塩化カルシウム、メタノールの使用前には、関連する材料安全シートを参照してください。このプロトコルで使用される化学物質を処理しながら、エンジニアリング制御を含むすべての適切な個人保護具を着用することを保証します。
1. フィブロインの抽出
<ol><li>5 g の洗浄された絹の繭を、はさみを使って約 1cm2の小片に切ります。</li>
	<li>抽出フードの下にある磁気ホットプレート上の 2 L ビーカーに脱イオン (DI) 水を 2 l 沸騰させます。</li>
	<li>沸騰を避けるために徐々に沸騰した水の中にゆっくりとして炭酸ナトリウムの 4.24 g を追加し、それが磁気攪拌バーの助けを借りて溶解させます。</li>
	<li>溶液が再び沸騰を開始し、溶液に繭の小片を追加するまで待ちます。すべての絹が溶液に沈められていることを確認し、90分間一定の攪拌の下で溶液を沸騰させ続けます。ビーカーをアルミホイルで軽く覆い、蒸発による水の損失を補充するために定期的に予熱した DI 水で覆う。</li>
</ol>2. フィブロインの乾燥
<ol><li>抽出されたフィブロイン繊維を、ガラス棒またはスパチュラで炭酸ナトリウム溶液から取り出し、各洗浄のために予熱した DI 水の 1 L で3x 洗浄し、洗浄工程ごとに徐々に温度を下げる (約60° c、40° c、室温、25° C)。</li>
	<li>フィブロイン繊維を 750 mL ホウケイ酸ガラス結晶化ディッシュに広げ、60° c で大気圧下で乾燥炉に入れ、一晩乾燥させておきます。一旦乾燥させたら、フィブロインを室温で密閉容器に保管する。</li>
</ol>3. フィブロインの溶解
<ol><li>4.8 g の DI 水を含有する三元溶液 (Ajisawa 試薬)、3.7 g のエタノール、および 3.1 g の塩化カルシウム17を調製した。</li>
	<li>750 mL のホウケイ酸ガラスを結晶化ディッシュに 600 mL の DI 水で充填し、磁気ホットプレートの上に、2ネックの丸底フラスコ (100 mL) を水浴中に入れます。三元溶液をフラスコ内に置きます。</li>
	<li>1つのネックに温度計を配置して、溶液の温度を正確に監視します。他のネックをアルミホイルで覆い、蒸発による溶液の乾燥を防ぎます (または水冷還流凝縮器を使用)。溶液を80° c に加熱します。 注: 温度計の電球が溶液の中にあることを確認してください。</li>
	<li>溶液の温度が80° c で安定している場合、アルミニウム箔を取り出し、1 g の乾燥フィブロインを溶液に加える。小さな磁気攪拌バーを追加して、溶解プロセス全体を通して溶液がよく混ざり合っていることを確認します。蒸発を最小限に抑え、システムを開いたままにするために、アルミニウム箔で再び第2の首をカバーします。90分間溶解したままにします。</li>
</ol>4. フィブロイン溶液の透析
<ol><li>溶解の90分後、フィブロイン溶液を10分間放置して室温まで冷ました。</li>
	<li>1 15 センチメートルの長い透析チューブ (分子量カットオフ12000− 14000 kDa) を取り、2つの端のいずれかに結び目を結びます。蛇口から DI 水を流しながら数分間洗ってください。</li>
	<li>もう一方の端を開き、フィブロイン溶液を内部に注ぐ。金属クランプを使用して、透析チューブの他端を閉じて、チューブができるだけきつく閉じていることを確認します。透析チューブを水の中に浮遊させるために、ネジキャップを使ってチューブの両端を空の 30 mL のプラスチックバイアルに取り付けます。</li>
	<li>2 l ビーカーに DI 水 2 L を入れ、透析チューブをその中に入れます。一定の間隔で水を変えてください。透析プロセスに従うように変更されるたびに水の導電率を確認してください。透析ステップは、水の伝導率が10μ s/cm 未満になると終了します。 注: このプロセスは通常約24−36時間かかり、5つの水の変化があります。</li>
	<li>透析が完了したら、透析チューブの一端をはさみで切り、溶液を一連の 1.5 mL チューブに注ぎます。次いで、16000 x gで5分間遠心分離し、フィブロイン溶液中の任意の粒子を除去した。30 mL のプラスチックバイアルで上清を収集し、4° c で保存します。</li>
</ol>5. RSF 溶液濃度の測定
<ol><li>きれいなガラススライド (W1) の重量を量る。200μ l のシルク溶液 (V1) を加えます。</li>
	<li>ガラスのスライドは、オーブンで2時間60° c のままにしてください。</li>
	<li>ガラススライドをもう一度計量します (W2)。</li>
	<li>次の式を使用して、シルク溶液 (w/v) の濃度を計算します。 <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/59030/59030eq1.jpg">
</li>
</ol>6. 印刷用インキの製造
<ol><li>フィブロイン溶液 (40 mg/mL)、ポリエチレングリコール 400 (PEG400; 14 Mg/ml) と SPMSs の本体を印刷する脱イオン水とを混合することにより、インク A (最終体積 1.5 mL) を調製する。</li>
	<li>SPMSs の触媒エンジンを印刷するために、フィブロインを混合する (40 mg/mL)、PEG400 (12 Mg/ml)、カタラーゼ (6 Mg/ml &gt; 20000 単位/mg) および脱イオン水を用いて、インク B の 1.5 mL を作る。</li>
	<li>クマシーブリリアントブルー (0.05 mg/mL) をメタノールに溶解して 1.5 mL のインク C を調製した。 注: インク A またはインク B の上にインク C を印刷することによって、フィブロインをランダムコイルから硬質ベータシートに変換するために使用されます。クマシーブリリアントブルーは、推進中の SPMSs の自動追跡を支援するために SPMSs の対照的な色を提供するために使用されます。</li>
</ol>7. 反応性インクジェット3D 印刷
注: これらの実験で使用されるインクジェット・プリンターは、ガラスノズルを備えたピエゾ作動型噴射装置に基づいています。これらの機能を複製することができる研究のためのいくつかの市販のインクジェットプリンタがあります。
<ol><li>ノズルと、約5mm の Si ウエハ基板との間の作動距離でステージ上に配置されたシリコン基板上にインクを印刷するための80μ m ノズル直径のジェッティング装置を使用します。SPMSs の幾何学的形状は、スプレッドシートファイル内の X-y 座標の一連のポイントとしてデジタル定義されています。 注: プリンタは座標を連続して読み取り、それに応じてプリンタを実行します。各座標点によって、プリンタはジェッティングデバイスを一度に噴射します。インク A および B 用に個別のスプレッドシートファイルが作成されています (補足ファイル[SPMS のメインボディを参照してください。 XLSX と SPMS エンジン. xlsx])。</li>
	<li>3つのインク (A、B、および C) を3つの貯留槽 (それぞれ 1.5 mL) にロードしてから、個々のチャンネルごとに背圧バルブを使用して背圧を調整し、噴射装置からインクが垂れていないことを確認します。 注: 独立したチャネルに3つのジェッティング装置が必要です。</li>
	<li>各チャンネルの噴射パラメータ (立ち上がり時間1、滞留時間、落下時間、eco 時間、立ち上がり時間2、アイドル電圧、滞留電圧、エコー電圧) を調整して、各インクが安定した液滴形成を確実にするようにします (図 2)。 注: これらのパラメータは、噴出装置とインクに依存し、それに応じて調整する必要があります。</li>
	<li>きれいな研磨された Si-ウエハ基材にメタノールと交互に積層した絹フィブロインインクを印刷する: ステージ1、インク A (本体) の印刷。ステージ 2: インク C (硬化インキ) の印刷。ステージ 3: インク B の印刷 (エンジンのサイトのための触媒インク);ステージ 4: インク C (硬化インキ) の印刷。ステージ 5: 必要なレイヤーについてステージ1-4 を繰り返します (例えば、100)。 注: 4 段階の2つの計画の例は、補足ファイルに含まれています。SPMS 本体。 xlsx はステージ1とステージ2、および SPMS エンジンに使用されます。 xlsx は、ステージ3およびステージ4に使用されます。</li>
	<li>フィブロイン SPMSs の2つのバッチをそれぞれ200層および100層厚で印刷する。 注: カタラーゼエンジンは、各攪拌機の一端の側に位置しています。したがって、スターラーは1つの触媒エンジンを有する (図 1赤色領域を参照のこと)。</li>
	<li>Si-ウェーハからサンプルを除去するには、サンプルを DI 水に浸し、剥離が起こるまで優しく攪拌します。</li>
</ol>自走式スターラーのデータ集録/トラッキングと軌道解析
<ol><li>ガラスペトリ皿 (直径 9cm) を DI 水で拭き、表面がほこりを含まないことを確認します。</li>
	<li>一旦清潔で乾燥したら、10 mL の事前濾過 (0.45 μ m) 5% w/vh2o- 2 をペトリ皿に入れ、沈殿させておく。クールな白色発光ダイオード (LED) 光源でペトリ皿の底を照らし、上からモーションをキャプチャするためにマクロズームレンズ付きの高速カメラを使用します。Avi ファイルとしてビデオを保存します。 注: 使用する機器の詳細については、資料表を参照してください。</li>
	<li>印刷された絹のスターラーを、沈めるの DI 水に入れて10分間洗浄し、未結合の PEG400を取り除きます。慎重に滅菌注射針の先端に1つの洗浄攪拌機を取り、ペトリ皿の中央に置きます。洗浄された撹拌機がh2 o2燃料に触れると、エンジンのまわりで形成が始まる気泡と攪拌機の円運動が観察される。システムが安定して表示されたら (通常は10−30秒後)、録画ソフトウェアのレコードを押して、ビデオのキャプチャを開始します。</li>
	<li>フレーム単位でマイクロスターラーのトラッキングを行い、図 3の点 a および B で示されるように、攪拌機の各端部を追跡する。 注: これは手動でまたは追跡ソフトウェアの助けを借りて行うことができます。</li>
	<li>得られたトラッキングデータから、次の式を用いて2つの連続したフレーム (例えば1および 2) 間の瞬間速度を計算し、結果として得られた速度をシーケンス全体から平均瞬間速度を得る。</li>
	<li>さらにこれには、方位φの角度を算出する。次に、φの変化率を使用して回転速度を決定します (図 3)。 <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/59030/59030eq2v3.jpg"> 注: トラッキングされた画像データから瞬間的な速度を計算する場合は、既知の寸法を持つオブジェクトの初期イメージが、マイクロメータの値に対して正しいピクセルを計算できるようにすることが重要です。これらの値は、カメラ、目的、使用距離によって異なります。印刷されるパーティクルのタイプに応じて、ベロシティーを計算するための異なるトラッキングポイントを選択します。たとえば、ここでは、トラッキングポイント A、B、C (重心) はすべて、瞬間的な速度を決定するために使用されます (図 3)。</li>
</ol>9. SEM による SPMSs の特徴付け
<ol><li>SPMSs またはバルク溶液から使用していない未使用のものを取り除き、アルミスキャン電子顕微鏡 (SEM) スタブに取り付けられた 10 mm 幅のカーボン粘着パッドに転写します。乾燥炉でサンプルを60° c で10分間乾燥させます。</li>
	<li>スパッタリングコータステージにサンプルスタブをロードします。スパッタコーティング (0.05 トールでのアルゴンプラズマ) 50 〜 100 nm の金をサンプルに、試料の均質な金表面被覆を確保する。</li>
	<li>スパッタリングコータからサンプルスタブを取り出し、真空下で 5.0 kV の SEM で画像を撮影します。 注: 非常に高い加速電圧は絹を燃やし、偽の特徴を生み出すことができます。</li>
</ol>

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</ol>

作者は何も開示することはありません。

このプロトコルで生産される SPMSs の主な特徴は、カタラーゼのような酵素をドープした RIJ を介して様々な形状や構造を迅速かつ容易に設計し、気泡推進力5を介して化学的に駆動された運動を実現する能力である。このようなスターラーの高い生体適合性18とともに、これらの攪拌機は、今後の水浄化の課題のためだけでなく、医療診断装置のためのラボオンチップアプリケーションのための将来のアプリケーションに非常に望ましいです。
ここでは、図 1に示すようにエンジン部を横に印刷した簡単な線路設計を活用して推進力を発揮します。赤色の点は触媒活性カタラーゼドープされたエンジン部品を表し、青色のドットは不活性部品を表します。RIJ を介して3D 形状を生成できるようにするには、z 軸の高さを生成するために複数のレイヤーを印刷する必要があります。ここで、Si −ウェハ上に堆積した層の数は、100および200であった。層の数を変化させることにより、材料の2倍の堆積に匹敵する推進速度/回転の差が見出すことができる。インクジェット印刷中に明確な構造を持つためには、図 2に示すように、適切に定義された液滴を達成するために正しいジェッティングパラメータを選択することが重要です。これらのパラメータは、使用されるインクおよび噴出するデバイスによって異なります。インクが安定した液滴を生成しない場合、インクは、もはや印刷に適しておらず、最も可能性の高いゲルに変わり始めている。解像度の限界は、使用するノズルのサイズに強く依存し、より小さいノズルは、より高い解像度とより小さな構造/粒子の印刷を可能にすることに注意することが重要です。
RIJ 印刷されたシルク攪拌機の一例を図 4に示すが、そこでは、カタラーゼドープしたエンジン部分 (赤色のマーク領域で示される) が本体の側面に取り付けられる (詳細については図 1の概略も参照)。印刷されたシルク足場は、燃料溶液が3D 構造全体に拡散することを可能にする材料であり、したがって、カタラーゼを介して過酸化水素の分解中に酸素泡が形成される。放出された酸素気泡は、H2-2 燃料への曝露前および H2s 暴露 後に SEM 顕微鏡写真を比較することによってわかるように、シルク足場構造にミクロンスケールの細孔を生成する (図 5a)。図 5B)。運動が、PEG400の放出によって駆動された表面張力ではなく、h2o-2 燃料の分解によるものであることを確実にするために、攪拌機が最初に少なくとも10分間水に浸漬され、DI で試験したことが重要である燃料溶液中で推進する前の表面張力運動のための水。
PEG400の使用は、以前にグレゴリー et al.5によって説明されているように、シルク表面19からの気泡のより良い放出を可能にするが、表面張力駆動型の推進力を生じさせることもでき、これは、アプリケーションに応じて望ましいかもしれない前述の20.この2番目のメカニズムはまた時間に依存している2つのメカニズムを使用して SPMSs を生成する機会を与え、たとえば、開始時に最初の激しい攪拌が続いて遅く続くと予想される特定のアプリケーションのために有利なことができます。時間20の長期間撹拌する。
結論として、RIJ を使用して自律自走装置を製造することにより、形状やサイズの広大な範囲を簡単に設計し、印刷することができます。デバイスの基材としてのシルクは、酵素やその他の部分を容易に構造にカプセル化し、これらのデバイスに機能を追加する可能性を与えます。

人工自走式マイクロスターラー (SPMSs) は、運動を生成するために様々な推進機構を採用しており、これは化学推進1、2、3、4のいずれかとして分類することができ、5,6または物理的な外部推進。一般的な化学推進機構は、触媒または酵素活性を使用して、運動を生成するグラデーションを発生させるか、取り外すときに運動量を与える泡を発生させることです。以前の研究は、いくつかの触媒と化学 SPMSs を調査しています, プラチナナノ粒子と表面に吸着したクロムとポリスチレンビーズを含む1, ゴールド-プラチナバイメタルヤヌスナノロッド2, マグネシウムヤヌスマイクロスターラー3は、マグネシウムコアと二酸化チタンシェルからなるマイクロスターラー、埋め込み金ナノ粒子4、および絹フィブロインは、足場5内に埋め込まれたカタラーゼを有するマイクロロケットで構成される。物理推進機構には、磁気7、8、光学9、超音波10推進システム、外部の物理的なソースによって制御されているすべてが含まれます。用途に応じて、SPMS サイズは、数ナノメートルから数百マイクロメートルの範囲であることができます。これらの上記および他の SPMSs の潜在的な用途の例は、ラボ・オン・チップ・デバイス11による疾患の医学的診断、ロードおよびインビボでの治療薬12の送達、環境修復3(例えば、洗浄油流出)、バチルス炭疽および神経剤4などの化学および生物学的戦争剤の光触媒劣化を行う。ターゲットアプリケーションに依存して、したがって、マイクロ混合用途の輸送課題または回転軌道のための長い線形軌道のような特定の軌道を経る SPMSs を生成できるようにすることが望ましい。ここでの焦点は、攪拌用途の回転運動です。
SPMSs を製造するための単一の確立された方法はありませんが、医学的および環境的用途のために、生体適合性、生分解性、環境に優しい、容易に入手可能、安価で複雑な SPMSs の容易な製造を可能にする材料を使用することが不可欠です高度な装置を必要としない。再生絹フィブロイン (RSF) は、食品医薬品局 (FDA) によっても承認されているとともにこれらのすべてのパラメータを満たすような材料の一つである。
絹は、いくつかの天然に存在する繊維状タンパク質に使用される一般的な用語で、そのうちの最も一般的に知られているのは、その pupation の前に、絹の蛾、カイコの幼虫によって作られたものです。これらの繭は、線維性タンパク質であるフィブロインでできており、他のタンパク質とともにセリシンと呼ばれています。絹フィブロイン (SF) は、優れた機械的特性、生体適合性、および生分解性13を有することが見出されており、これは SPMSs を製造するための理想的な選択肢となる。 SF は、3つの多形形態、すなわちシルク I、II、および III に存在する。シルク I は、主にらせんとランダムコイルを含む水溶性の準安定形態である。シルク II は、主に結晶化絹の反平行βシートを含有する水不溶性形態である。そして、silk III は、シルク溶液の水空気界面に存在する三重 polyglycine II らせん構造である。他の線維性タンパク質と同様に、SF はアミノ酸配列の単位を繰り返している。繭の天然に存在する SF は、このような繰り返し単位 (GAGAGX) の3つの主要なヘキサペプチドドメインで構成され、X は A、S、または Y になります。水素結合を介して、反平行βシート構造からの (GA) n モチーフはさらにファンデルワールス力を介してスタックし、疎水性ナノ crystallizations14,15を形成する。
生体適合性は、液体媒体 (燃料) 中の濃度勾配又は気泡を発生するために天然の酵素を用いて推進力を追求することによりさらに向上させることができる。その結果、本研究では、水性燃料媒体として使用されている過酸化水素を用いて推進力を発生させる酵素カタラーゼを「エンジン」として用いる。カタラーゼは、ほぼすべての生物に見られる酵素である。過酸化水素 (H2o-2) を水と酸素16に分解することを触媒する。SPMSs の酵素部位からの酸素気泡の放出は、それが気泡放出5の反対方向に推進を受けることを引き起こす物体上に力を発生させる (図 1)。
触媒的に駆動される SPMS では、接触部位の異なる位置決めは、異なる推進挙動および軌跡1をもたらす。効率的なマイクロスターラーを生成するために、それはよく定義された幾何学的形状とエンジン位置との攪拌機を製造し、エンジンの異なる力を比較する必要があります。ここでは、これらの調査を容易にするために、反応性インクジェット印刷 (RIJ) 技術を用いて SPMSs に再生した絹フィブロインをミリスケールで作製した方法について説明する。インクジェット印刷は、材料の蒸着のための非接触方式です。これにより、小さな複雑な構造物を高精度に加工し、様々な形状を簡単に生成することができます。RIJ は、2つ以上の異なる反応材料が堆積し、所望の製品材料を生成するために基板上に反応したときに行われます。そのため、1つの触媒スターラー部位を中心として印刷された SPMSs は、回転運動をもたらす物体の非対称性を与える。また、このアプローチは、コンピュータ支援設計 (CAD) によって定義された様々な形状および設計構成でマイクロスターラーを製造することを容易にし、実用中の所望の動きに対してより容易でより正確な制御を可能にする。アプリケーション。最後に、異なる推進特性を示すさまざまな厚さの印刷装置の能力が実証されています。
本研究では、RSF を用いた SPMSs 製造の青写真を、マイクロメートルからミリメータスケールで提供する。RSF マイクロ攪拌機を製造するための RIJ 技術の使用は、他の方法で堆積または製造することができない、そのような場で製造された足場またはヒドロゲルなどの材料からのマイクロスターラーの非常に汎用性の高い生産のためのドアを開く蒸発などの他の手段。適切にさらなる官能化 (例えば、酵素) の後、これらの SPMSs は、生物学的毒素、有機汚染物質、および化学および生物学的戦争剤4の洗浄などの環境修復3に適し得る。

<table><tbody><tr><td>炭酸ナトリウム</td><td>Alfa Aesar</td><td>11552</td><td>無水、99.5%、粒状</td></tr><tr><td>塩化カルシウム</td><td>Fluka Analytical</td><td>C1016</td><td>無水、>93%、粒状</td></tr><tr><td>エタ</td><td>ノール フィッシャー サイエンティフィック</td><td>10542382</td><td>HPLC グレード</td></tr><tr><td>PEG-400</td><td>アルドリッチ ケミストリー</td><td>202398</td><td>平均 Mn 400、四量体 mol wt ~250 kDa&nbsp;</td></tr><tr><td>カタラーゼ</td><td>シグマ ライフサイエンス</td><td>E3289</td><td>>20K 単位</td></tr><tr><td>メタノール</td><td>アクロス 有機</td><td>268280025</td><td>HPLC グレード</td></tr><tr><td>過酸化水素</td> シ<td>グマ アルドリッチ</td><td>31642</td><td>30% (w/w)</td></tr><tr><td>シルク</td><td>西南大学、中国</td><td>NA</td><td>生のクリーニング シルク繭、Bombox 森</td></tr><tr><td>透析チューブ</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>D9777</td><td>セルロース、平均、フラット幅25 mm、典型的な分子量カットオフ= 14000</td></tr>フィ<tr><td>ッシャーブランドホフマンクリップ&nbsp;</td><td>フィッシャーサイエンティフィック</td><td>12744396</td><td>透析管の端を閉じるために使用されるクリップ</td></tr><tr><td>Si-Wafer</td><td>Sigma Aldrich</td><td>647535</td><td>印刷基板として使用</td></tr><tr><td>天秤</td><td>OHAUS Pioneer&nbsp;</td><td>PA214C&nbsp;</td><td>分析天びん</td></tr><tr><td>導電率計</td><td>メトラー・トレド</td><td>FG3</td><td>メトラー・トレド FiveGo ポータブル導電率計</td></tr><tr><td>遠心分離機</td><td>Thermo Scientific</td><td>10355052</td><td>Heraeus Biofuge フレスコ画 Thermo Scientific</td></tr><tr><td>Hotplate</td><td>Stuart</td><td>US152</td><td>Stuart US152 マグネティックスターラー</td></tr><tr><td>カメラ</td><td>PixeLink</td><td>PL-D732CU-T</td><td>高速カラーカメラ</td></tr><tr><td>レンズ</td><td>Navitar</td><td>Navitar 1-60135</td><td>マクロズームレンズ</td></tr><tr><td>噴射装置</td><td>Microfab Technologies Inc.</td><td>MJ-AT-01-40-8MX</td><td>80umノズル径 噴射装置</td></tr><tr><td>MJ-AT-01-80-8MX</td><td>80umノズル径 噴射装置</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ライトパッド</td><td>AGPTEK</td><td>UN-HL0245-EUUN</td><td>水泳実験用ライト</td></tr><tr><td>Pipettors</td><td>Eppendorf</td><td>3123000063</td><td>シングルチャンネル、可変、&nbsp;100°C&ndash;&nbsp;1,000円&マイクロ;L、青</td></tr><tr><td>3123000055</td><td>シングルチャンネル、可変、20&nbsp;&ndash;&nbsp;200°C&マイクロ;L、黄色</td><td></td><td></td></tr><tr><td>、顕微鏡</td>、<td>ニコン</td><td>、</td><td>LV100ND、マニュアル、正立顕微鏡</td></tr><tr><td>、SEM</td><td>Fei</td><td>F50</td>、<td>走査型電子顕微鏡写真に使用</td></tr></tbody></table>

シルクベース自走式マイクロスターラーの反応性インクジェット印刷と推進力解析

Reactive Inkjet Printing and Propulsion Analysis of Silk-based Self-propelled Micro-stirrers

本研究では、明確に定義された形状を有する酵素的に推進するシルクスイマーを製造するために反応性インクジェット印刷を使用するためのプロトコルが報告されている。得られた装置は外的な作動なしで動きを発生させることができる自走式の目的の例であり、医学および環境科学の潜在的な適用にマイクロ撹拌から、ターゲットを絞った治療的送達は、水浄化に (例えば、油こぼれを洗浄する)。水溶性の再生絹フィブロイン (シルク I) を不溶性絹フィブロイン (シルク II) に変換することで、反応性のあるインクジェット印刷により、十分に定義された小型の固体シルク構造を生成する方法。これらの構造はまた、気泡生成および剥離を介して運動を生成するために酵素カタラーゼを有する特定の領域に選択的にドープされる。印刷される層の数は、デバイスの三次元 (3D) 構造を決定するので、ここで推進軌道上のこのパラメータの効果が報告されます。結果は、印刷された構造物の寸法を変えることによって動きを調整する能力を実証しています。

絹を沸騰させた後、乾燥した繊維は、前に比べて約3分の1の軽量化、セリシンの正常な除去を示すことが期待されます。Ajisawa 試薬における絹の溶解時には、繊維を完全に溶解し、黄色の粘性液体を回収する必要があります。透析後、絹の溶液は、粘性が低く、まだわずかに黄色の色を示す必要があります。絹がゲル状になった場合、これは溶解が正常に行われなかったことを示す。
噴出装置から形成された安定した液滴は、印刷サンプルのより高い定義を可能にします。図 2は、図 4に示す印刷されたシルク・スターラーなどの良好な印刷結果を得るための安定した単一液滴の例を示す。それは正常であり、インクの粘性がどのようになるかによって、基板上で拡散が起こることである。
使用されるインクジェットプリンタと液滴サイズに応じて、各プリント液滴間の距離は、接続された線を生成するために重なり合うように調整される必要がある。液滴が離れすぎている場合は、印刷された構造が壊れます。これに加えて、十分な層が印刷されていない場合、燃料溶液に入れたときにマイクロスターラーが破断する可能性がある。スターラーが基板から取り除かれ、洗浄されると、過酸化水素燃料溶液にそれらを配置すると、即座に気泡が形成されることになる。良好な気泡放出の成功率は、酵素活性に強く依存する。酵素活性が低いと、より少ない気泡が形成され、従って推進力の低下をもたらす。図 5は、小さな細孔を生成する内部構造から気泡が放出されることによって、スターラーの表面形態がどのように変化するかを示す。成功したマイクロスターラーは、図 6および2つの補足ビデオ S1とS2にそれぞれ見られるものに似ています。
図 6は、2つの代表的なビデオフレーム、100層 (図 6a) および200層 (図 6B) を 5% h2 o2 燃料におけるマイクロスターラーで示す。赤と緑の線は、追跡された軌道を示します (補足ビデオ S1およびS2を参照)。回転速度は図 7に示すように、方向の変化率 (ɸ、図 3) によって決定することができます。100層および200層カタラーゼドープされたマイクロスターラーの比較は、60± 6 rpm から100± 10 rpm への〜0.6 倍の回転速度の顕著な増加を示す (図 7)。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig1v2.jpg"> 図 1: 攪拌機の足場に埋め込まれたカタラーゼによる水と酸素への過酸化水素の触媒分解の概略図 (赤色で示した)。プロダクト酸素の泡はスターラーを動かすために必要な推進力を提供する。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig1v2large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig2v2.jpg"> 図 2: 噴射装置からの RSF の液滴形成の時間経過画像 (ノズル径80μ m)。画像の下の数字は、シルクインク液滴の噴出開始以来の経過時間をマイクロ秒 (μ s) で表している。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig2v2large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig3.jpg"> 図 3: 2 つの連続したフレームにわたる粒子追跡の概略表現。A と B はトラッキングポイントを示し、C は重心を示します。φは向きの角度を示します。SPMS 軌道方向は、湾曲した黒い矢印で示される。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig3large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig4.jpg"> 図 4: 洗浄前の新鮮な RIJ プリントされたマイクロスターラー (100 層) の光顕微鏡写真。赤色のボックスは、カタラーゼドープ領域 (エンジン領域) を示す。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig4large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig5.jpg"> 図 5: 気泡放出により細孔が形成された後の SPMS の本体及びカタラーゼエンジン部分の SEM 画像。酸素バブル放出に由来する SPMSs の SEM 画像では、エンジン表面に細孔が明瞭に見られる。(A) 5% w/v H2o2 燃料溶液への曝露前のシルクマイクロスターラー。(B) 5% w/v H2o2 燃料溶液に曝露した後のシルク SPMS。右の画像は赤い領域の引き伸ばしです。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig5large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig6.jpg"> 図 6: 時間経過による軌跡を示す 5% 燃料溶液中の2つのマイクロスターラーのビデオフレーム。(A) 100 層マイクロスターラー。(B) 200 層マイクロスターラー。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig6large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig7.jpg"> 図 7: 100 層 (60 ± 6 rpm) および200層 (100 ± 10 rpm) のマイクロスターラーの向きの角度 (φ) の比較。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig7large.jpg" target="_blank">この図の大規模なバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足ビデオ S1: 代表的な100層自己運動性マイクロスターラー 5% w/v H2O2推進力を受ける。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/Video_1.mp4">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ビデオ S2: 代表 200-5% w/v H の自己運動性のマイクロスターラー2O2推進力を受ける。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/Video_2.mp4">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

このプロトコルは、反応性インクジェット印刷を使用して、自己運動性生体適合性および環境に優しいマイクロスターラーを印刷し、生物医学的および環境的用途に用いる能力を実証する。

In this study, a protocol for using reactive inkjet printing to fabricate enzymatically propelled silk swimmers with well-defined shapes is reported. The ...

酵素アッセイ強化、溶岩木材チップ診断、環境モニタリング、修復などのマイクロミキシング用途に使用できる、汎用性、生体適合性、生分解性シルクマイクロモーターを製造することができます。反応性インクジェット印刷を利用して酵素とマランゴンを搭載したシルクマイクロスターラーを作成することで、形状、サイズ、触媒分布を変更し、他の部分を構造に素早く簡単にブレンドし、軌道、行動、機能を制御することができます。反応性インクジェット印刷は、シルク以外の水性反応性インクを用いたマイクロモータデバイスの製造にも応用でき、この方法の汎用性を発揮します。手順を示す人は、私の研究室の博士課程の学生、アナ・ヒメネス=フランコです。まず、5グラムのきれいなシルクの繭をハサミを使って1センチメートルの正方形の小片に切ります。抽出フードでは、2リットルのビーカーに2リットルの脱イオン水を磁気ホットプレートで沸騰させます。脱イオン水のビーカーに磁気攪拌棒を追加します。その後、沸騰を避けるためにゆっくりと4.24グラムの炭酸ナトリウムを水に加え、溶解させます。溶液が再び沸騰し始めたら、シルク繭のカット部分を溶液に加えます。すべてのシルクが水没していることを確認し、90分間一定の攪拌で溶液を加熱します。ビーカーをアルミホイルで覆います。90分後、抽出したフィブロイン繊維をガラス棒で炭酸ナトリウム溶液から取り出した。フィブロイン繊維を1リットルの予熱脱イオン水で3回洗浄し、各洗浄の温度を徐々に下げていきます。750ミリリットルのホウケイ酸ガラス結晶皿にフィブロイン繊維を広げ、大気圧下で摂氏60度で一晩乾燥オーブンに入れます。乾燥したら、フィブロイン繊維を室温で密閉容器に保管する。4.8グラムの脱イオン水、3.7グラムのエタノール、3.1グラムの塩化カルシウムを含む三級溶液を調製します。まず塩化カルシウムを脱イオン水に溶かし、エタノールを加えます。100ミリリットルの2本首の丸底フラスコを、磁気ホットプレートの上の水浴に入れます。次にフラスコに三元溶液を加えます。次に、フラスコの首の1つに温度計を置き、溶液温度を正確に監視します。蒸発による溶液の乾燥を防ぐために、他の首にアルミホイルを覆います。その後、溶液を摂氏80度に加熱します。溶液の温度が80°Cで安定したら、アルミニウム箔を取り除き、乾燥フィブロインを1グラム加えて溶液に加えます。溶液が溶解プロセス全体を通してよく混合されていることを確認するために、小さな磁気攪拌棒を追加します。フラスコの第2のネックをアルミニウム箔で覆い、蒸発を最小限に抑え、90分間溶解させます。90分間の溶解後、フィブロイン溶液を室温まで10分間冷却させた。長さ15センチメートルの透析管の端の1つに結び目を結びます。水道から脱イオン水を流してチューブを数分間洗います。透析管の反対側を開き、フィブロイン溶液を加えます。金属クランプを使用して、透析管のもう一方の端を閉じ、できるだけしっかりと閉じます。スクリューキャップを介して透析管の端の1つを空の30ミリリットルのプラスチックバイアルに取り付け、透析管を水中に浮かべるようにします。次に、2リットルの脱イオン水を含む2リットルのビーカーに透析管を入れます。透析プロセスに従うように水を一定間隔で変え、水の導電率を確認します。透析が完了したら、透析管の一端をはさみで切り、溶液を一連の1.5ミリリットルチューブに注ぎます。遠心分離機を16000 x Gで5分間、フィブロイン溶液内の粒子を除去した。その後、30ミリリットルのプラスチックバイアルで上澄み物を収集し、摂氏4度で保存します。人工的な、自走マイクロスターラー、またはspmsの本体を印刷するには、フィブロイン溶液、ポリエチレングリコール400、脱イオン水を混ぜてインクAを1.5ミリリットルにします。 フィブロイン溶液、ポリエチレングリコール400、カタラーゼ、および脱イオン水を混合し、1.5ミリリットルのインクB.1.5ミリリットルのインクCを作り、クマシーブリリアントブルーとメタノールのミリリットル当たり0.05mgを溶解して調製する。シリコン基板上にインクを印刷するために80マイクロメートルのノズル径を持つジェットデバイスを使用し、ノズルとシリコンウエハ基板の約5ミリメートルの間の作業距離でステージ上に配置します。インクA、B、Cを3つのリザーバに積み込み、個々のチャネルの背圧弁を使用して背圧を調整し、インクがジェットデバイスから滴り落ちないようにします。次に、各々のインクが安定した液滴形成を確実に行えるように、各チャンネルの噴射パラメータを調整します。清浄に研磨されたシリコンウエハー基板上にメタノールと交互に層を用いてシルクフィブロインインク層を印刷します。フィブロインspmsの2つのバッチをそれぞれ200層と100層の厚さで印刷します。シリコンウェーハからサンプルを取り除くために、脱イオン水に浸し、剥離が起こるまで穏やかに攪拌する。9センチメートルのガラスペトリ皿を脱イオン水で洗浄し、表面がほこりがないことを確認します。清潔で乾燥したペトリ皿に10ミリリットルの過酸化水素を10ミリリットル加え、落ち着きます。冷たい白いLED光源でペトリ皿の底を照らします。次に、マクロズームレンズ付きの高速カメラを使用して、上から動きをキャプチャします。次に、印刷されたシルクスターラーを脱イオン水に浸して10分間洗浄し、非結合ポリエチレングリコール400を除去します。滅菌注射針の先端で洗浄されたスターラーを慎重に取り、ペトリ皿の中央に置きます。洗浄された攪拌機が過酸化水素燃料に触れると、エンジンの周りに気泡が形成され始め、攪拌機の円運動が観察される。システムが安定しているように見えたら、録画ソフトウェアの記録を押してビデオのキャプチャを開始します。フレーム単位でマイクロスターラーのトラッキングを行い、スターラーの両端を追跡します。噴射装置から形成された安定した液滴は、ここに示すように印刷されたサンプルの高い定義を可能にする。液滴サイズに使用されるインクジェットプリンタに応じて、印刷された各液滴間の距離を、接続されたラインを生成するために重なるように調整する必要があります。シルクマイクロスターラーを過酸化水素燃料溶液に入れると、内部構造から放出される気泡により攪拌機の表面形態が変化し、小さな細孔が生成されます。2つの代表的な100層および200層マイクロスターラーおよび5%の過酸化水素燃料の静止ビデオフレームがここに示されている。赤と緑の線は、軌道が追跡されたことを示します。回転速度は、ここに示すように、方向の速度変化によって決定できます。100層と200層カタラーゼドープマイクロスターラーの比較は、60プラスマイナス6rpmから100プラスマイナス10rpmまで、約0.6倍の回転速度の顕著な増加を示しています。この手順のために印刷可能なインクを製造するには、溶解プロセス中に繊維が完全に溶解することが重要である。この技術により、最近学術誌「Small」に掲載された攪拌および汚染検出研究に適した、様々なメカニズムによって動力を与えられたマイクロスターラーを製造することができました。

reactive-inkjet-printing-propulsion-analysis-silk-based-self

Research

JoVE Journal

Chemistry

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