Reactieve Inkjet Printing en voortstuwings analyse van zijde-gebaseerde zelfrijdende micro-roeren

We zijn in staat om veelzijdige, biocompatibele en biologisch afbreekbare zijdemicromotoren te produceren voor gebruik in micromengtoepassingen zoals enzymtestverbetering, lavahoutsnippersdiagnostiek en milieubewaking en -herstel. Met behulp van reactieve inkjetprinten om enzym en Marangoni-aangedreven zijdemicro-roerders te creëren, kunnen we vormen, maten, katalysatordistributies en andere moieties snel en gemakkelijk in de structuren mengen, waardoor traject, gedrag en functies worden beheerst. Reactieve inkjetafdrukken kan ook worden toegepast om micromotorische apparaten te produceren met andere waterige reactieve inkten, afgezien van zijde, wat de grote veelzijdigheid van deze methode aantoont.

De persoon die de procedure demonstreert zal promovendus Ana Jimenez-Franco zijn uit mijn laboratorium. Snijd eerst vijf gram schone zijdecoconons in vierkante stukjes van één centimeter met een schaar. In een afzuigkap, kook twee liter gedeïoniseerd water in een twee-liter beker op een magnetische hete plaat.

Voeg een magnetische roerstaaf toe aan het bekerglas van gedeïïsiseerd water. Voeg vervolgens langzaam 4,24 gram natriumcarbonaat toe aan het water om te voorkomen dat het overkookt en laat het oplossen. Zodra de oplossing weer begint te koken, voeg je de gesneden stukken van de zijdecoconons toe aan de oplossing.

Zorg ervoor dat alle zijde onder water staat en verwarm de oplossing, met constant roeren gedurende 90 minuten. Bedek het bekerglas met aluminiumfolie. Verwijder na 90 minuten de geëxtraheerde vezelfibroinevezels uit de natriumcarbonaatoplossing met een glasstang.

Was de vezelfibroine drie keer met een liter voorverwarmd gedeïmiseerd water, waardoor de temperatuur voor elke wasbeurt geleidelijk daalt. Verspreid de fibroine vezels op een 750-milliliter borosilicaat glas kristalliseren schotel en leg ze in een droogoven 's nachts op 60 graden Celsius onder atmosferische druk. Eenmaal droog, bewaar de vezelfibroine in een gesloten container op kamertemperatuur.

Bereid een ternaire oplossing met 4,8 gram gedeïsized water, 3,7 gram ethanol en 3,1 gram calciumchloride. Los eerst het calciumchloride op in gedeïsized water en voeg vervolgens de ethanol toe. Plaats een 100-milliliter twee-hals ronde fles in een waterbad op de top van een magnetische hete plaat.

Voeg vervolgens de ternaire oplossing toe aan de kolf. Plaats vervolgens een thermometer in een van de nekken van de kolf om de temperatuur van de oplossing nauwkeurig te controleren. Bedek de andere hals met aluminiumfolie om uitdroging van de oplossing als gevolg van verdamping te voorkomen.

Verwarm vervolgens de oplossing tot 80 graden Celsius. Wanneer de temperatuur van de oplossing stabiel is bij 80 graden Celsius, verwijder de aluminiumfolie en voeg een gram gedroogde fibroine toe aan de oplossing. Voeg een kleine magnetische roerstaaf toe om ervoor te zorgen dat de oplossing goed wordt gemengd tijdens het ontbindingsproces.

Bedek de tweede hals van de kolf met aluminiumfolie om verdamping te minimaliseren en laat 90 minuten oplossen. Laat de fibroinoplossing na 90 minuten van ontbinding 10 minuten afkoelen tot kamertemperatuur. Bind een knoop op een van de uiteinden van een 15 centimeter lange dialysebuis.

Was de buis een paar minuten met stromend gedeïsized water uit de kraan. Open het andere uiteinde van de dialysebuis en voeg de fibroineoplossing toe. Sluit met behulp van een metalen klem het andere uiteinde van de dialysebuis zodat deze zo goed mogelijk wordt gesloten.

Bevestig een van de uiteinden van de dialysebuis via een schroefdop aan een lege plastic flacon van 30 milliliter om de dialysebuis in water te laten zweven. Plaats vervolgens de dialysebuis in een tweeliter beker met twee liter gedeïmiseerd water. Verander het water regelmatig en controleer de geleidbaarheid van het water elke keer dat het wordt veranderd om het dialyseproces te volgen.

Nadat de dialyse is voltooid, snijd het ene uiteinde van de dialysebuis met een schaar en giet de oplossing in een reeks van 1,5 milliliter buizen. Vijf minuten centrifugeren bij 16000 x G om eventuele deeltjes in de fibroineoplossing te verwijderen. Verzamel vervolgens de supernatant in een plastic flacon van 30 milliliter en bewaar het op vier graden Celsius.

Voor het afdrukken van het hoofdlichaam van de kunstmatige, zelfrijdende microroeraars, of spms's, meng de fibroine oplossing, polyethyleenglycol 400 en gedeïoniseerd water om 1,5 milliliter inkt A.Voor het afdrukken van de katalytische motor van de spms's, meng de fibroineoplossing, polyethyleenglycol 400, catalase en gedeïoniseerd water om 1,5 milliliter inkt B.Bereid 1,5 milliliter inkt C door 0,05 mg per milliliter Coomassie Brilliant Blue en methanol op te lossen. Gebruik straalapparatuur met een nozzlediameter van 80 micrometer voor het afdrukken van de inkten op het siliciumsubstraat, die op het podium worden geplaatst op een werkafstand tussen het mondstuk en het siliciumwafersubstraat van ongeveer vijf millimeter. Laad inkten A, B en C in drie reservoirs en pas vervolgens de tegendruk aan met behulp van de terugdrukklep voor elk individueel kanaal om ervoor te zorgen dat de inkt niet druipt van de straalinrichtingen.

Pas vervolgens de jettingparameters voor elk kanaal aan om ervoor te zorgen dat elke inkt een goede stabiele druppelvorming geeft. Print de zijdefibroine inktlaag voor laag afgewisseld met methanol op een schoon gepolijst silicium wafersubstraat. Print twee batches fibroin spms's met respectievelijk 200-laags en 100-laags dikte.

Om de monsters uit de siliciumwafers te verwijderen, dompel ze onder in gedeïioneerd water en roer je zachtjes tot er loslating optreedt. Maak een negen centimeter grote glazen petrischaal schoon met gedeïoniseerd water en zorg ervoor dat het oppervlak stofvrij is. Voeg 10 milliliter voorgefilterde vijf procent waterstofperoxide toe aan de schone en droge petrischaal en laat zich vestigen.

Verlicht de onderkant van de petrischaal met een koele witte LED-lichtbron. Gebruik vervolgens een high-speed camera met macro-zoomlens om de beweging van bovenaf vast te leggen. Nu, was de gedrukte zijde roerstokers voor 10 minuten door ze onder te dompelen in gedeïoniseerd water om een niet-gebonden polyethyleenglycol 400 te verwijderen.

Neem voorzichtig een gewassen roerder met het puntje van een steriele spuitnaald en plaats deze in het midden van de petrischaal. Wanneer de gewassen roerder de waterstofperoxidebrandstof raakt, beginnen er bellen rond de motor te vormen en wordt de cirkelvormige beweging van de roerder waargenomen. Wanneer het systeem stabiel wordt weergegeven, drukt u op opnemen in de opnamesoftware om te beginnen met het vastleggen van de video.

Voer het volgen van de micro-roerders op frame voor frame basis, het bijhouden van elk uiteinde van de roerderen. Stabiele druppels gevormd uit de jetting apparaten zal de hogere definitie van de gedrukte monsters zoals hier getoond. Afhankelijk van de inkjetprinters die in de druppelgrootte worden gebruikt, moet de afstand tussen elke geprinte druppel zodanig worden aangepast dat ze elkaar overlappen om verbonden lijnen te genereren.

Wanneer de zijdemicroroerders in de waterstofperoxidebrandstofoplossing worden geplaatst, wordt de oppervlaktemorfologie van de roerrelaars veranderd doordat de bellen uit de binnenstructuren vrijkomen, waardoor kleine poriën ontstaan. Nog steeds worden hier videoframes van twee representatieve 100-laags- en 200-laags microroeraars en vijf procent waterstofperoxidebrandstof getoond. De rode en groene lijnen geven de gevolgde trajecten aan.

De rotatiesnelheid kan worden bepaald door de koerswijziging zoals hier weergegeven. Vergelijking van 100-laags en 200-laags catalase gedrogeerde micro-roerderen toont een onderscheidende toename van de rotatiesnelheid van ongeveer 0,6 keer, van 60 plus of min zes rpm tot 100 plus of min 10 rpm. Om afdrukbare inkten voor deze procedure te produceren, is het belangrijk dat de vezels volledig worden opgelost tijdens het ontbindingsproces.

Deze techniek heeft ons in staat gesteld om micro-roerders aangedreven door verschillende mechanismen te produceren, geschikt voor roeren en contaminatie-detectie studies zoals onlangs gepubliceerd door ons in het tijdschrift, Small.