Name: Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-04-26T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 23 s
Description: Poznaj metodę reaktywnego druku atramentowego do tworzenia samobieżnych mikromieszadeł jedwabnych. Technika ta umożliwia szybką produkcję biokompatybilnych urządzeń do mikromieszania w zastosowaniach biomedycznych i środowiskowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować za wsparcie ze strony EPSRC poprzez nagrody X. Zhao's reactive inkjet printing of silk materials awards (EP/N007174/1 i EP/N023579/1), S. J. Ebbens Career Acceleration Fellowship oraz Healthcare Technology Impact Fellowship (EP/J002402/1 i EP/N033736/1). Autorzy dziękują również dr Qingyou Xia z Państwowego Kluczowego Laboratorium Biologii Genomu Jedwabników na Uniwersytecie Południowo-Zachodnim w Chinach za dostarczenie jedwabnych kokonów.

OSTRZEŻENIE: Przed użyciem nadtlenku wodoru, węglanu sodu, etanolu, chlorku wapnia i metanolu należy zapoznać się z odpowiednimi kartami charakterystyki materiałów. Podczas pracy z odczynnikami chemicznymi wykorzystanymi w tym protokole należy stosować wszelkie odpowiednie środki ochrony osobistej, w tym zabezpieczenia techniczne.
1. Ekstrakcja fibroiny
<ol>
	<li>Za pomocą nożyczek potnij 5 g oczyszczonych kokonów jedwabnika na małe kawałki o wielkości ok. 1 cm2.</li>
	<li>Zagotuj 2 L wody dejonizowanej (DI) w zlewce o pojemności 2 L na magnetycznej płycie grzejnej pod dygestorium.</li>
	<li>Stopniowo i powoli dodawaj 4,24 g węglanu sodu do wrzącej wody, aby zapobiec wykipieniu, i pozostaw do rozpuszczenia przy użyciu magnetycznego mieszadła.</li>
	<li>Odczekaj, aż roztwór ponownie zawrze, a następnie dodaj do niego potniete kawałki kokonów. Upewnij się, że cały jedwab jest zanurzony w roztworze i utrzymuj wrzenie przy ciągłym mieszaniu przez 90 min. Przykryj zlewkę lekko folią aluminiową i regularnie uzupełniaj poziom wstępnie podgrzaną wodą DI, aby zrekompensować ubytki wody wynikające z odparowania.</li>
</ol>
2. Suszenie fibroiny
<ol>
	<li>Wyjąć wyekstrahowane włókna fibroiny z roztworu węglanu sodu za pomocą szklanej rurki lub szpatułki i przemyć 3x w 1 L podgrzanej wody DI podczas każdego płukania, stopniowo obniżając temperaturę w każdym kolejnym etapie (około 60 °C, 40 °C oraz temperatura pokojowa, 25 °C).</li>
	<li>Rozłożyć włókna fibroiny w borokrzemianowej szalce krystalizacyjnej o pojemności 750 mL, umieścić ją w suszarce w temperaturze 60 °C pod ciśnieniem atmosferycznym i pozostawić do wyschnięcia na noc. Po wysuszeniu przechowywać fibroinę w szczelnym pojemniku w temperaturze pokojowej.</li>
</ol>
3. Rozpuszczanie fibroiny
<ol>
	<li>Przygotować roztwór trójskładnikowy (odczynnik Ajisawy) zawierający 4,8 g wody DI, 3,7 g etanolu oraz 3,1 g chlorku wapnia17.</li>
	<li>Dwuszyjkową kolbę okrągłodenną (100 mL) umieścić w łaźni wodnej, przygotowanej poprzez napełnienie 600 mL wody DI w borokrzemianowym naczyniu krystalizacyjnym o pojemności 750 mL, ustawionej na magnetycznej płycie grzejnej. Do kolby wlać roztwór trójskładnikowy.</li>
	<li>W jednej z szyjek umieścić termometr, aby dokładnie monitorować temperaturę roztworu. Drugą szyjkę przykryć folią aluminiową, aby zapobiec wysychaniu roztworu wskutek odparowania (lub zastosować chłodzony wodą chłodnik zwrotny). Podgrzać roztwór do 80 °C. 
	UWAGA: Należy upewnić się, że zbiorniczek termometru znajduje się w roztworze.</li>
	<li>Po ustabilizowaniu się temperatury roztworu na poziomie 80 °C, usunąć folię aluminiową i dodać do roztworu 1 g wysuszonej fibroiny. Dodać niewielki magnetyczny mieszadło, aby zapewnić dokładne mieszanie roztworu podczas procesu rozpuszczania. Ponownie przykryć drugą szyjkę folią aluminiową, aby zminimalizować odparowanie, pozostawiając jednak układ otwarty. Pozostawić do rozpuszczenia na 90 min.</li>
</ol>
4. Dializa roztworu fibroiny
<ol>
	<li>Po 90 min rozpuszczania pozostawić roztwór fibroiny na 10 min, aby ostygł do temperatury pokojowej.</li>
	<li>Wziąć jedną rurkę dializacyjną o długości 15 cm (próg odcięcia masy cząsteczkowej 12 000−14 000 kDa) i zawiązać węzeł na jednym z dwóch końców. Płukać ją przez kilka minut bieżącą wodą DI z kranu.</li>
	<li>Otworzyć drugi koniec i wlać do środka roztwór fibroiny. Za pomocą metalnego zacisku zamknąć drugi koniec rurki dializacyjnej, upewniając się, że jest ona zamknięta tak szczelnie, jak to możliwe. Przymocować jeden z końców rurki dializacyjnej za pomocą zakrętki do pustej plastikowej fiolki o pojemności 30 mL, aby rurka dializacyjna mogła unosić się w wodzie.</li>
	<li>Napełnić zlewkę o pojemności 2 L ilością 2 L wody DI i umieścić w niej rurkę dializacyjną. Wymieniać wodę w regularnych odstępach czasu. Przy każdej wymianie sprawdzać przewodność wody, aby monitorować proces dializy. Etap dializy kończy się, gdy przewodność wody spadnie poniżej 10 µS/cm. 
	UWAGA: Proces ten trwa zazwyczaj od 24 do 36 h przy 5 wymianach wody.</li>
	<li>Po zakończeniu dializy odciąć jeden koniec rurki dializacyjnej nożyczkami i przelać roztwór do serii probówek 1,5 mL. Następnie wirować przez 5 min przy 16 000 x g, aby usunąć wszelkie cząstki z roztworu fibroiny. Zebrać nadsącz do plastikowej fiolki 30 mL i przechowywać w temperaturze 4 °C.</li>
</ol>
5. Oznaczanie stężenia roztworu RSF
<ol>
	<li>Zważ czyste szkiełko przedmiotowe (W1). Dodaj 200 µL roztworu jedwabiu (V1).</li>
	<li>Pozostaw szkiełko w piekarniku w temperaturze 60 °C przez 2 h.</li>
	<li>Zważ ponownie szkiełko przedmiotowe (W2).</li>
	<li>Oblicz stężenie roztworu jedwabiu (w/v), korzystając z poniższego wzoru: 
	<img alt="Wzór na obliczenie stężenia masowego roztworu jedwabiu, równanie: Silk(w/v)=(W2-W1)/V1, do celów edukacyjnych." src="/files/ftp_upload/59030/59030eq1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"></li>
</ol>
6. Przygotowanie tuszów do druku
<ol>
	<li>Przygotuj tusz A (objętość końcowa 1,5 mL), mieszając roztwór fibroiny (40 mg/mL), glikol polietylenowy 400 (PEG400; 14 mg/mL) oraz wodę dejonizowaną w celu wydrukowania głównego korpusu SPMSs.</li>
	<li>Aby wydrukować silnik katalityczny SPMSs, zmieszaj fibroinę (40 mg/mL), PEG400 (12 mg/mL), katalazę (6 mg/mL o aktywności katalitycznej &gt;20 000 jednostek/mg) oraz wodę dejonizowaną, aby otrzymać 1,5 mL tuszu B.</li>
	<li>Przygotuj 1,5 mL tuszu C poprzez rozpuszczenie Coomassie brilliant blue (0,05 mg/mL) w metanolu. 
	UWAGA: Metanol jest stosowany w celu przekształcenia przypadkowych zwojów fibroiny w sztywne harmonijki beta poprzez wydrukowanie tuszu C na wierzchu tuszu A lub tuszu B. Coomassie brilliant blue służy do nadania SPMSs kontrastowego koloru, co ułatwia automatyczne śledzenie SPMSs podczas napędu.</li>
</ol>
7. Reaktywny druk 3D metodą atramentową
UWAGA: Drukarka atramentowa użyta w tych eksperymentach opiera się na urządzeniach do wyrzutu kropli z napędem piezoelektrycznym z dyszami szklanymi. Dostępnych jest na rynku kilka komercyjnych drukarek atramentowych do celów badawczych, które mogą powtórzyć te funkcje.
<ol>
	<li>Do drukowania tuszów na podłożu krzemowym umieszczonym na stole, przy odległości roboczej między dyszą a podłożem z wafla Si wynoszącej około 5 mm, należy użyć urządzeń do nanoszenia kropel (jetting devices) z dyszą o średnicy 80 μm. Kształty geometryczne SPMS są definiowane cyfrowo jako seria punktów współrzędnych X-Y w pliku arkusza kalkulacyjnego. 
	UWAGA: Drukarka odczytuje współrzędne szeregowo i pracuje zgodnie z nimi. Każdy punkt współrzędnych powoduje jednorazowe wyrzucenie kropli przez urządzenie do nanoszenia. Oddzielne pliki arkusza kalkulacyjnego są tworzone dla tuszów A i B (patrz Supplemental Files [SPMS Main Body.xlsx oraz SPMS Engine.xlsx]).</li>
	<li>Należy wprowadzić trzy tusze (A, B i C) do trzech zbiorników (po 1,5 mL każdy), a następnie wyregulować ciśnienie wsteczne za pomocą zaworu ciśnienia wstecznego dla każdego osobnego kanału, aby upewnić się, że tusz nie wycieka z urządzeń do nanoszenia. 
	UWAGA: Wymagane są trzy urządzenia do nanoszenia na niezależnych kanałach.</li>
	<li>Należy dostosować parametry nanoszenia (rise time 1, dwell time, fall time, eco time, rise time 2, idle voltage, dwell voltage, echo voltage) dla każdego kanału, aby zapewnić prawidłowe i stabilne formowanie kropel każdego tuszu (Rycina 2). 
	UWAGA: Parametry te zależą od urządzenia do nanoszenia oraz rodzaju tuszu i muszą być odpowiednio dostosowane.</li>
	<li>Należy drukować warstwowo tusz z fibroiny jedwabnej, naprzemiennie z metanolem, na czystych, polerowanych podłożach z wafli Si: etap 1: drukowanie tuszu A (główny korpus); etap 2: drukowanie tuszu C (tusz utwardzający); etap 3: drukowanie tuszu B (tusz katalityczny dla miejsc silnika); etap 4: drukowanie tuszu C (tusz utwardzający); etap 5: powtórzenie etapów 1-4 dla wymaganej liczby warstw (np. 100). 
	UWAGA: W Supplemental Files zawarto dwa przykładowe projekty dla tych 4 etapów; plik SPMS Main Body.xlsx jest używany do etapu 1 i etapu 2, a plik SPMS Engine.xlsx do etapu 3 i etapu 4.</li>
	<li>Należy wydrukować dwie serie fibroinowych SPMS o grubości odpowiednio 200 warstw i 100 warstw. 
	UWAGA: Silnik katalazowy znajduje się z boku jednego z końców każdego mieszadła. Zatem mieszadła posiadają jeden silnik katalityczny (patrz Rycina 1, obszar czerwony).</li>
	<li>Aby zdjąć próbki z wafli Si, należy zanurzyć je w wodzie DI i delikatnie wstrząsać do momentu ich oddzielenia.</li>
</ol>
8. Pozyskiwanie/śledzenie danych i analiza trajektorii samobieżnych mieszadeł
<ol>
	<li>Oczyścić szklaną szalkę Petriego (o średnicy 9 cm) wodą dejonizowaną (DI), upewniając się, że powierzchnia jest wolna od kurzu.</li>
	<li>Po oczyszczeniu i osuszeniu, wlać do szalki Petriego 10 mL przefiltrowanego (0,45 μm) 5% w/v H2O2 i pozostawić do ustabilizowania. Oświetlić dno szalki Petriego zimnym białym źródłem światła diodowego (LED) i użyć kamery wysokiej prędkości z obiektywem makro, aby zarejestrować ruch z góry. Zapisywać filmy w formacie .avi. 
	UWAGA: Szczegóły dotyczące użytego sprzętu znajdują się w Tabeli materiałów.</li>
	<li>Przemyć wydrukowane jedwabne mieszadła przez 10 min, zanurzając je w wodzie DI w celu usunięcia niezwiązanego PEG400. Ostrożnie pobrać jedno przemyte mieszadło końcówką sterylnej igły strzykawki i umieścić je w centrum szalki Petriego. W momencie, gdy przemyte mieszadło dotknie paliwa H2O2, wokół silnika zaczną tworzyć się pęcherzyki, a zaobserwowany zostanie ruch obrotowy mieszadła. Gdy system wyda się stabilny (zazwyczaj po 10−30 s), nacisnąć record w oprogramowaniu do rejestracji, aby rozpocząć nagrywanie wideo.</li>
	<li>Przeprowadzić śledzenie mikromieszadeł klatka po klatce, śledząc każdy koniec mieszadeł, zgodnie z punktami A i B wskazanymi na Rysunku 3. 
	UWAGA: Można to wykonać ręcznie lub przy użyciu oprogramowania do śledzenia.</li>
	<li>Z uzyskanych danych śledzenia obliczyć prędkość chwilową między dwiema kolejnymi klatkami (np. 1 i 2), korzystając z poniższego równania, a następnie wyciągnąć średnią z uzyskanych prędkości z całej sekwencji, aby otrzymać średnią prędkość chwilową.</li>
	<li>Następnie obliczyć kąt orientacji φ. Potem wykorzystać szybkość zmiany φ do wyznaczenia prędkości obrotowej (Rysunek 3). 
	<img alt="Wzór na prędkość chwilową, v_inst=(sqrt((x2-x1)^2+(y2-y1)^2))/Δt_frame; schemat równania." src="/files/ftp_upload/59030/59030eq2v3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> 
	UWAGA: Przy obliczaniu prędkości chwilowych z danych obrazowych śledzenia ważne jest wykonanie wstępnego zdjęcia obiektu o znanych wymiarach, aby móc obliczyć prawidłowe wartości przelicznika pikseli na mikrometry. Wartości te będą zależeć od zastosowanej kamery, obiektywu i odległości. W zależności od rodzaju wydrukowanej cząstki, do obliczenia prędkości należy wybrać różne punkty śledzenia. Na przykład tutaj punkty śledzenia A, B i C (środek masy) są wszystkie wykorzystywane do wyznaczania prędkości chwilowych (Rysunek 3).</li>
</ol>
9. Charakterystyka SPMS za pomocą SEM
<ol>
	<li>Usunąć niewykorzystane i zużyte SPMS z wafla krzemowego lub roztworu objętościowego i przenieść je na 10 mm szerokie węglowe podkładki lepkie zamocowane na aluminiowych uchwytach do skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). Przesuszyć próbki w suszarce przez 10 min w temperaturze 60 °C.</li>
	<li>Umieścić uchwyty z próbkami na stole napylacza. Napylić (plazma argonowa przy 0,05 Torr) 50–100 nm złota na próbki, zapewniając jednorodne pokrycie powierzchni próbki złotem.</li>
	<li>Wyjąć uchwyty z próbkami z napylacza i obrazować w SEM w próżni przy napięciu 5,0 kV. 
	UWAGA: Bardzo wysokie napięcia przyspieszające mogą przypalić jedwab i doprowadzić do powstania artefaktów.</li>
</ol>

<ol><li>Gregory, D. A., Campbell, A. I., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Catalyst+Distribution+on+Spherical+Bubble+Swimmer+Trajectories%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Physical+Chemistry+C%22%5BJournal%5D)">Effect of Catalyst Distribution on Spherical Bubble Swimmer Trajectories.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 119 (27), 15339-15348 (2015).</li>
<li>Paxton, W. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+Nanomotors%3A+Autonomous+Movement+of+Striped+Nanorods%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Catalytic Nanomotors: Autonomous Movement of Striped Nanorods.</a> Journal of the American Chemical Society. 126 (41), 13424-13431 (2004).</li>
<li>Gao, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Seawater-driven+magnesium+based+Janus+micromotors+for+environmental+remediation%5BTitle%5D)+AND+%22Nanoscale%22%5BJournal%5D)">Seawater-driven magnesium based Janus micromotors for environmental remediation.</a> Nanoscale. 5 (11), 4696-4700 (2013).</li>
<li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water-Driven+Micromotors+for+Rapid+Photocatalytic+Degradation+of+Biological+and+Chemical+Warfare+Agents%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Water-Driven Micromotors for Rapid Photocatalytic Degradation of Biological and Chemical Warfare Agents.</a> ACS Nano. 8 (11), 11118-11125 (2014).</li>
<li>Gregory, D. A., Zhang, Y., Smith, P. J., Zhao, X., Ebbens, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+Inkjet+Printing+of+Biocompatible+Enzyme+Powered+Silk+Micro-Rockets%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Reactive Inkjet Printing of Biocompatible Enzyme Powered Silk Micro-Rockets.</a> Small. 12 (30), 4048-4055 (2016).</li>
<li>Ismagilov, R. F., Schwartz, A., Bowden, N., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Autonomous+movement+and+self-assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie-International+Edition%22%5BJournal%5D)">Autonomous movement and self-assembly.</a> Angewandte Chemie-International Edition. 41 (4), 652-654 (2002).</li>
<li>Li, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+Efficient+Freestyle+Magnetic+Nanoswimmer%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Highly Efficient Freestyle Magnetic Nanoswimmer.</a> Nano Letters. 17 (8), 5092-5098 (2017).</li>
<li>Barbot, A., Decanini, D., Hwang, G. Controllable Roll-to-Swim motion transition of helical Nanoswimmers. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBarbot%2C+A+%222014+IEEE%2FRSJ+International+Conference+on+Intelligent+Robots+and+Systems%22">2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems</a>. , 4662-4667 (2014).</li>
<li>Xuan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Near+Infrared+Light-Powered+Janus+Mesoporous+Silica+Nanoparticle+Motors%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">Near Infrared Light-Powered Janus Mesoporous Silica Nanoparticle Motors.</a> Journal of the American Chemical Society. 138 (20), 6492-6497 (2016).</li>
<li>Garcia-Gradilla, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functionalized+ultrasound-propelled+magnetically+guided+nanomotors%3A+toward+practical+biomedical+applications%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Functionalized ultrasound-propelled magnetically guided nanomotors: toward practical biomedical applications.</a> ACS Nano. 7 (10), 9232-9240 (2013).</li>
<li>Baraban, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+Janus+Motors+on+Microfluidic+Chip%3A+Deterministic+Motion+for+Targeted+Cargo+Delivery%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Catalytic Janus Motors on Microfluidic Chip: Deterministic Motion for Targeted Cargo Delivery.</a> ACS Nano. 6 (4), 3383-3389 (2012).</li>
<li>Ghalanbor, Z., Marashi, S. -A., Ranjbar, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanotechnology+helps+medicine%3A+Nanoscale+swimmers+and+their+future+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Medical+Hypotheses%22%5BJournal%5D)">Nanotechnology helps medicine: Nanoscale swimmers and their future applications.</a> Medical Hypotheses. 65 (1), 198-199 (2005).</li>
<li>Lu, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water-Insoluble+Silk+Films+with+Silk+I+Structure%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Biomaterialia%22%5BJournal%5D)">Water-Insoluble Silk Films with Silk I Structure.</a> Acta Biomaterialia. 6 (4), 1380-1387 (2010).</li>
<li>Wilson, D., Valluzzi, R., Kaplan, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Conformational+Transitions+in+Model+Silk+Peptides%5BTitle%5D)+AND+%22Biophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Conformational Transitions in Model Silk Peptides.</a> Biophysical Journal. 78 (5), 2690-2701 (2000).</li>
<li>Fink, T. D., Zha, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+and+Silk-Like+Supramolecular+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Rapid+Communications%22%5BJournal%5D)">Silk and Silk-Like Supramolecular Materials.</a> Macromolecular Rapid Communications. 0 (0), 1700834(2018).</li>
<li>Chelikani, P., Fita, I., Loewen, P. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diversity+of+structures+and+properties+among+catalases%5BTitle%5D)+AND+%22Cellular+and+Molecular+Life+Sciences+CMLS%22%5BJournal%5D)">Diversity of structures and properties among catalases.</a> Cellular and Molecular Life Sciences CMLS. 61 (2), 192-208 (2004).</li>
<li>Ajisawa, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissolution+of+silk+fibroin+with+calciumchloride%2Fethanol+aqueous+solution%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sericultural+Science+of+Japan%22%5BJournal%5D)">Dissolution of silk fibroin with calciumchloride/ethanol aqueous solution.</a> Journal of Sericultural Science of Japan. 67 (2), 91-94 (1998).</li>
<li>Zhang, Y., Gregory, D. A., Smith, P. J., Zhao, X. Regenerated silk fibroin as an inkjet printable biomaterial. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aZhang%2C+Y+%22Printing+For+Fabrication+%28NIP%29%22">Printing For Fabrication (NIP)</a>. , Society for Imaging Science and Technology. Manchester. 406-409 (2016).</li>
<li>Gregory, D. A., Zhang, Y., Smith, P. J., Ebbens, S. J., Zhao, X. Altering the Bubble Release of Reactive Inkjet Printed Silk Micro-rockets. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGregory%2C+DA+%22Printing+For+Fabrication+%28NIP%29%22">Printing For Fabrication (NIP)</a>. , Society for Imaging Science and Technology. Manchester. 452-456 (2016).</li>
<li>Zhang, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+Inkjet+Printing+of+Functional+Silk+Stirrers+for+Enhanced+Mixing+and+Sensing%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">Reactive Inkjet Printing of Functional Silk Stirrers for Enhanced Mixing and Sensing.</a> Small. , e1804213(2018).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Kluczową cechą SPMS wytwarzanych w tym protokole jest zdolność do szybkiego i łatwego projektowania różnych kształtów i struktur za pomocą RIJ jedwabiu domieszkowanego enzymami, takimi jak katalaza, oraz osiągania ruchu napędzanego chemicznie za pomocą napędu pęcherzykowego5. To, w połączeniu z wysoką biokompatybilnością18 tych mieszadeł, sprawia, że są one bardzo pożądane w przyszłych zastosowaniach zarówno w wyzwaniach związanych z remediacją wody, jak i w zastosowaniach lab-on-a-chip w medycznych urządzeniach diagnostycznych.
W tym przypadku zdolność napędowa jest demonstrowana poprzez wykorzystanie prostej konstrukcji liniowej z częścią silnika wydrukowaną z boku, jak pokazano na rysunku 1. Czerwone kropki reprezentują katalitycznie aktywne części silnika domieszkowane katalazą, a niebieskie kropki reprezentują części nieaktywne. Aby móc generować kształty 3D za pomocą RIJ, konieczne jest wydrukowanie wielu warstw w celu wygenerowania wysokości osi z. W tym przypadku liczba warstw osadzonych na płytce krzemowej wynosiła 100 i 200. Zmieniając liczbę warstw, można uzyskać różnicę w prędkości/rotacji napędu porównywalną do osadzania podwójnej ilości materiału. Aby uzyskać dobrze zdefiniowane struktury podczas drukowania atramentowego, ważne jest, aby wybrać odpowiednie parametry natryskiwania w celu uzyskania dobrze zdefiniowanej kropli, jak pokazano na rysunku 2. Parametry te będą się różnić w zależności od użytego atramentu i urządzeń natryskowych. Jeśli atrament nie wytwarza stabilnych kropel, najprawdopodobniej nie nadaje się już do drukowania i najprawdopodobniej zaczyna zamieniać się w żel. Ważne jest, aby pamiętać, że limit rozdzielczości silnie zależy od rozmiaru użytej dyszy, a mniejsze dysze pozwalają na drukowanie wyższych rozdzielczości i mniejszych struktur/cząstek.
Przykład mieszadła jedwabnego drukowanego przez RIJ pokazano na rysunku 4, gdzie część silnika z domieszką katalazy (oznaczona czerwonym obszarem) jest przymocowana z boku korpusu głównego (szczegóły można również zobaczyć na schemacie na rysunku 1). Drukowane rusztowanie jedwabne jest materiałem, który pozwala na dyfuzję roztworu paliwowego po całej strukturze 3D, a co za tym idzie, podczas rozkładu nadtlenku wodoru za pomocą katalazy powstają pęcherzyki tlenu. Uwalniane pęcherzyki tlenu wytwarzają pory w skali mikronowej w strukturze rusztowania jedwabnego, co można zobaczyć, porównując mikrofotografie SEM przed ekspozycją na paliwo H2O2 (Rysunek 5A) i po ekspozycji na H2O2 (Rysunek 5B). W celu zapewnienia, że ruch jest spowodowany rozkładem paliwaH2O2, ale nie napięciem powierzchniowym napędzanym przez zwolnienie PEG 400, ważne jest, aby mieszadła były początkowo zanurzone w wodzie na okres co najmniej 10 minut i badane w wodzie demineralizowanej pod kątem ruchu napięcia powierzchniowego przed uruchomieniem w roztworze paliwowym.
Zastosowanie PEG400 pozwala na lepsze uwalnianie pęcherzyków z powierzchni jedwabiu19 , jak wcześniej wyjaśnili Gregory i wsp.5 , ale może również powodować powstanie napędu napędzanego napięciem powierzchniowym, co może być pożądane w zależności od zastosowania, jak opisano wcześniej20. Ten drugi mechanizm daje również możliwość wytwarzania SPMS z dwoma mechanizmami, które są zależne od czasu i mogą być korzystne dla niektórych zastosowań, które na przykład oczekują początkowego energicznego mieszania na początku, a następnie wolniejszego dalszego mieszania przez dłuższy czas20.
Podsumowując, wykorzystując RIJ do produkcji autonomicznych urządzeń samojezdnych, można łatwo zaprojektować i wydrukować szeroką gamę kształtów i rozmiarów. Jedwab jako materiał bazowy dla urządzeń daje możliwości łatwego hermetyzowania enzymów i innych ugrupowań w strukturach, dając możliwość dodawania funkcji do tych urządzeń.

Sztuczne mikromieszadła samobieżne (SPMS) wykorzystują różne mechanizmy napędowe do wytwarzania ruchu, które można sklasyfikować jako napęd chemiczny1,2,3,4,5,6 lub fizyczny napęd zewnętrzny. Powszechnym mechanizmem napędu chemicznego jest wykorzystanie aktywności katalitycznej lub enzymatycznej do generowania gradientów wytwarzających ruch lub generowania pęcherzyków, które nadają pęd obiektowi po odłączeniu. Poprzednie badania dotyczyły kilku katalitycznych i chemicznych SPMS, w tym kulek polistyrenowych z nanocząstkami platyny i chromem zaadsorbowanym na powierzchni1, złoto-platynowe bimetaliczne nano-pręty Janusa2, mikromieszadła magnezowe Janus3, mikromieszadła wykonane z rdzenia magnezowego i powłoki z dwutlenku tytanu z osadzonymi nanocząstkami złota4oraz mikrorakiety Janus z fibroiny jedwabnej z katalazą osadzoną w rusztowaniu5. Fizyczne mechanizmy napędowe obejmują systemy napędowe magneticic7,8, optical9 i ultrasonic10, wszystkie kontrolowane przez zewnętrzne źródło fizyczne. W zależności od zamierzonego zastosowania, rozmiar SPMS może wynosić od kilku nanometrów do kilkuset mikrometrów. Przykładami potencjalnych zastosowań tych i innych SPMS są medyczna diagnostyka chorób za pomocą urządzeń lab-on-a-chip11, ładowanie i ukierunkowane dostarczanie leków in vivo12, remediacja środowiska3 (np. czyszczenie wycieków oleju) oraz fotokatalityczna degradacja chemicznych i biologicznych środków bojowych, takich jak Bacillus anthracis i czynniki nerwowe4. W zależności od zastosowania docelowego, pożądana jest zatem możliwość produkcji SPMS, które przechodzą określone trajektorie, takie jak długie trajektorie liniowe w przypadku wyzwań związanych z transportem lub trajektorie obrotowe w zastosowaniach mikromieszania. Nacisk kładziony jest tutaj na ruch obrotowy w zastosowaniach mieszających.
Nie ma jednej ustalonej metody wytwarzania SPMS, ale do zastosowań medycznych i środowiskowych niezbędne jest użycie materiału, który jest biokompatybilny, biodegradowalny, przyjazny dla środowiska, łatwo dostępny, tani i pozwala na łatwe wytwarzanie skomplikowanych SPMS bez konieczności stosowania zaawansowanego sprzętu. Fibroina z regenerowanego jedwabiu (RSF) jest jednym z takich materiałów, który spełnia wszystkie te parametry, a także jest zatwierdzony przez Agencję ds. Żywności i Leków (FDA).
Jedwab to ogólny termin używany dla kilku naturalnie występujących białek włóknistych, z których najbardziej znanym jest to wytwarzane przez larwy jedwabnej, Bombyx mori, przed jej przepoczwarzeniem. Te kokony są zbudowane z fibroiny, włóknistego białka, sklejonego z innym białkiem zwanym serycyną. Stwierdzono, że fibroina jedwabiu (SF) ma doskonałe właściwości mechaniczne, biokompatybilność i biodegradowalność13, co czyni ją idealnym wyborem do produkcji SPMS. SF występuje w trzech formach polimorficznych, a mianowicie jedwabiu I, II i III. Jedwab I jest rozpuszczalną w wodzie metastabilną formą zawierającą głównie helisy i losowe zwoje; jedwab II jest nierozpuszczalną w wodzie formą zawierającą głównie antyrównoległe arkusze β skrystalizowanego jedwabiu; a jedwab III jest potrójną spiralną strukturą poliglicyny II, która występuje na granicy faz woda-powietrze roztworu jedwabiu. Podobnie jak inne białka włókniste, SF ma powtarzające się jednostki sekwencji aminokwasowych. Naturalnie występujący SF kokonu składa się z trzech głównych domen heksapeptydowych takich powtarzających się jednostek (GAGAGX), podczas gdy X może być A, S lub Y. Poprzez wiązanie wodorem, motywy (GA)n z antyrównoległych struktur arkuszowych β dalej kumulują się przez siły van der Waalsa i tworzą hydrofobowe nanokrystalizacje14,15.
Biokompatybilność może być jeszcze bardziej poprawiona, starając się napędzać napęd za pomocą naturalnie występujących enzymów do generowania gradientu stężeń lub pęcherzyków gazu w ciekłym medium (paliwie). W związku z tym w tym badaniu enzym katalaza jest używany jako "silnik" do generowania napędu, a nadtlenek wodoru jest używany jako wodne medium paliwowe. Katalaza jest enzymem występującym w prawie wszystkich organizmach żywych. Katalizuje rozkład nadtlenku wodoru (H2O2) na wodę i tlen16. Uwolnienie pęcherzyków tlenu z miejsc enzymatycznych SPMS generuje siłę działającą na obiekt, powodując jego napęd w kierunku przeciwnym do uwolnienia pęcherzyka5 (<silna klasa="xfig">Rysunek 1).
W trybie SPMS napędzanym katalitycznie różne umiejscowienie miejsca katalitycznego skutkuje odmiennym zachowaniem i trajektoriami napędu1. W dążeniu do uzyskania wydajnych mikromieszadeł konieczne jest zatem wytwarzanie mieszadeł o dobrze zdefiniowanych kształtach geometrycznych i pozycjach silnika oraz porównywanie różnych mocy silnika. Tutaj, aby ułatwić te badania, opisano, w jaki sposób regenerowane fibroiny jedwabiu są wytwarzane w skali milimetrowej przy użyciu technologii reaktywnego druku atramentowego (RIJ). Druk atramentowy to bezkontaktowa metoda osadzania materiałów. To sprawia, że wytwarzanie małych, złożonych struktur z dużą precyzją w generowaniu różnych kształtów jest proste. RIJ ma miejsce, gdy dwa lub więcej różnych reagujących materiałów jest osadzanych i reaguje na podłożu, tworząc pożądany materiał produktu. W związku z tym SPMS drukowane z jednym mieszadłem katalitycznym poza środkiem nadaje obiektowi asymetrię, która powoduje ruch obrotowy. Takie podejście ułatwia również produkcję mikromieszadeł w różnych kształtach i konfiguracjach projektowych zdefiniowanych przez projektowanie wspomagane komputerowo (CAD), umożliwiając w ten sposób łatwiejszą i dokładniejszą kontrolę pożądanego ruchu podczas praktycznych zastosowań. Na koniec wykazano zdolność urządzeń drukujących o różnej grubości, które wykazują różne właściwości napędowe.
To badanie dostarcza planu produkcji SPMS z RSF w skali od mikrometra do milimetra. Zastosowanie technologii RIJ do produkcji mikromieszadeł RSF otwiera drzwi do wysoce wszechstronnej produkcji mikromieszadeł z materiałów takich jak rusztowania produkowane in situ lub hydrożele, które w inny sposób nie mogłyby zostać zdeponowane lub wytworzone za pomocą innych środków, takich jak odparowanie. Po odpowiedniej dalszej funkcjonalizacji (np. enzymów), te SPMS mogą być odpowiednie do remediacji środowiska3, takich jak czyszczenie toksyn biologicznych, zanieczyszczeń organicznych oraz chemicznych i biologicznych środków bojowych4.

<table><tbody><tr><td>Węglan sodu</td><td>Alfa Aesar</td><td>11552</td><td>bezwodny, 99,5%, granulowany</td></tr><tr><td>Chlorek wapnia</td><td>Fluka Analytical</td><td>C1016</td><td>bezwodny, >93%, granulowany</td></tr><tr><td>Etanol</td><td>Fisher Scientific</td><td>10542382</td><td>klasa HPLC</td></tr><tr><td>PEG-400</td><td>Aldrich Chemistry</td><td>202398</td><td>średnia Mn 400, tetramer mol wt ~250 kDa&nbsp;</td></tr><tr><td>Jednostki Catalase</td><td>Sigma Life Science</td><td>E3289</td><td>>20K</td></tr><tr><td>Metanol</td><td>Acros Organics</td><td>268280025</td><td></td></tr><tr><td>Nadtlenek wodoru</td> klasy HPLC <td>Sigma Aldrich</td><td>31642</td><td>30% (w/w)</td></tr><tr><td>Silk</td><td>Southwest University, Chiny</td><td>NA</td><td>Surowo oczyszczone kokony jedwabne, rurki</td></tr><tr><td>do dializy</td> Bombox Mori <td>Sigma Aldrich</td><td>D9777</td><td>Celuloza, średnia, szerokość płaska 25 mm, Typowa granica masy cząsteczkowej = 14000</td></tr><tr><td>Fisherbrand Hoffman Clips&nbsp;</td><td>Fisher Scientific</td><td>12744396</td><td>Klipsy używane do zamykania końcówek rurek dializacyjnych</td></tr><tr><td>Si-Wafer</td><td>Sigma Aldrich</td><td>647535</td><td>Używany jako podłoże drukarskie</td></tr><tr><td>Balance</td><td>OHAUS Pioneer&nbsp;</td><td>PA214C&nbsp;</td><td>Waga analityczna</td></tr><tr><td>Miernik przewodności</td><td>Mettler Toledo</td><td>FG3</td><td>Przenośny miernik przewodności Mettler Toledo FiveGo</td></tr><tr><td>Wirówka Thermo</td><td>Scientific</td><td>10355052</td><td>Fresk Heraeus Biofuge sprzedawany przez Thermo Scientific</td></tr><tr><td>Płyta grzewcza</td><td>Stuart</td><td>US152</td><td>Stuart US152 Mieszadło magnetyczne Stuart US152</td></tr><tr><td></td><td>PixeLink</td><td>PL-D732CU-T</td><td>Szybki kolorowy</td></tr><tr><td>obiektyw</td> <td>do kameryNavitar</td><td>Navitar 1-60135</td><td></td></tr><tr><td>Urządzenia do natryskiwania</td> obiektywów makro <td>Zoom Microfab Technologies Inc.</td><td>MJ-AT-01-40-8MX</td><td>Średnica dyszy 80um Urządzenie natryskowe</td></tr><tr><td>MJ-AT-01-80-8MX</td><td>Średnica dyszy 80um Urządzenie</td><td></td><td></td>natryskowe</tr><tr><td>Lightpad</td><td>AGPTEK</td><td>UN-HL0245-EUUN</td><td>Światło do eksperymentu pływackiego</td></tr><tr><td>Pipety</td><td>Eppendorf</td><td>3123000063</td><td>jednokanałowe, zmienne, &nbsp; 100&nbsp; &ndash; &nbsp; 1 000&nbsp; &mikro; L, niebieski</td></tr><tr><td>3123000055</td><td>jednokanałowy, zmienny, 20&nbsp; &ndash; &nbsp; 200&nbsp; &mikro; L, żółty</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mikroskop</td><td>Nikon</td><td>LV100ND</td><td>Ręczny, pionowy mikroskop</td></tr><tr><td>SEM</td><td>Fei</td><td>F50</td><td>Używany do skaningowych mikrofotografii elektronowych</td></tr></tbody></table>

reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

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

W tym badaniu opisano protokół użycia reaktywnego druku atramentowego do produkcji enzymatycznie napędzanych jedwabnych pływaków o dobrze zdefiniowanych kształtach. Powstałe w ten sposób urządzenia są przykładem samonapędzających się obiektów zdolnych do generowania ruchu bez zewnętrznego uruchamiania i mają potencjalne zastosowania w medycynie i naukach o środowisku do różnych celów, począwszy od mikromieszania, poprzez ukierunkowane dostarczanie terapeutyczne, aż po remediację wody (np. usuwanie wycieków oleju). Metoda ta wykorzystuje reaktywny druk atramentowy do generowania dobrze zdefiniowanych struktur stałego jedwabiu na małą skalę poprzez przekształcanie rozpuszczalnej w wodzie regenerowanej fibroiny jedwabiu (jedwab I) w nierozpuszczalną fibroinę jedwabiu (jedwab II). Struktury te są również selektywnie domieszkowane w określonych regionach enzymem katalazą w celu wytworzenia ruchu poprzez wytwarzanie pęcherzyków i odłączanie. Liczba drukowanych warstw determinuje trójwymiarową (3D) strukturę urządzenia, a stąd w tym miejscu raportowany jest wpływ tego parametru na trajektorie napędu. Wyniki pokazują zdolność do dostrojenia ruchu poprzez zmianę wymiarów drukowanych struktur.

Po zagotowaniu jedwabiu oczekuje się, że wysuszone włókna będą o około jedną trzecią lżejsze niż wcześniej, co wskazuje na skuteczne usunięcie serycyny. Podczas rozpuszczania jedwabiu w odczynniku Ajisawy włókna powinny zostać całkowicie rozpuszczone, a w wyniku procesu powinna zostać otrzymana żółta, lepka ciecz. Po dializie roztwór jedwabiu powinien być mniej lepki, lecz nadal wykazywać lekko żółty kolor. Jeśli jedwab zamienił się w żel, oznacza to, że rozpuszczanie nie przebiegło pomyślnie.
Stabilne krople tworzone przez urządzenia strumieniowe umożliwią uzyskanie wyższej rozdzielczości drukowanych próbek. Rysunek 2 przedstawia przykład stabilnej pojedynczej kropli, która zapewnia dobre wyniki drukowania, takie jak wydrukowane mieszadła jedwabne pokazane na Rysunku 4. W zależności od lepkości tuszu, rozprzestrzenianie się kropli na podłożu jest zjawiskiem normalnym.
W zależności od użytych drukarek atramentowych i wielkości kropli, odległość między poszczególnymi wydrukowanymi kroplami musi zostać dostosowana w taki sposób, aby nakładały się one na siebie, tworząc ciągłe linie. Jeśli krople będą zbyt oddalone, wydrukowana struktura ulegnie przerwaniu. Ponadto, jeśli wydrukuje się zbyt mało warstw, istnieje ryzyko pęknięcia mikromieszadeł po umieszczeniu ich w roztworze paliwa. Po zdjęciu mieszadeł z podłoża i ich przemyciu, umieszczenie ich w roztworze paliwa z nadtlenku wodoru powinno natychmiast spowodować powstawanie pęcherzyków. Skuteczność uwalniania pęcherzyków zależy w dużej mierze od aktywności enzymu; niska aktywność enzymu spowoduje powstanie mniejszej liczby pęcherzyków, co doprowadzi do słabych wyników napędu. Rysunek 5 pokazuje, jak morfologia powierzchni mieszadeł ulega zmianie w wyniku uwalniania pęcherzyków z wewnętrznych struktur, co prowadzi do powstania małych porów. Prawidłowo wykonany mikromieszadło będzie wyglądać podobnie do tych przedstawionych na Rysunku 6 oraz w dwóch Filmach Uzupełniających S1 i S2.
Rysunek 6 przedstawia klatki z nagrań wideo dwóch reprezentatywnych mikromieszadeł posiadających 100 warstw (Rysunek 6A) i 200 warstw (Rysunek 6B) w paliwie 5% H2O2. Linie czerwone i zielone wskazują śledzone trajektorie (patrz Filmy uzupełniające S1 i S2). Prędkość obrotową można wyznaczyć na podstawie szybkości zmiany orientacji (ɸ, Rysunek 3), jak pokazano na Rysunku 7. Porównanie mikromieszadeł domieszkowanych katalazą o strukturze 100 i 200 warstw wykazuje wyraźny wzrost prędkości obrotowej około 0,6-krotnie, z 60 ± 6 rpm do 100 ± 10 rpm (Rysunek 7).
<img alt="Katalityczny rozkład nadtlenku wodoru, 2H2O2→2H2O+O2, schemat ruchu, reakcja chemiczna." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Schematyczna ilustracja katalitycznego rozkładu nadtlenku wodoru do wody i tlenu przez katalazę osadzoną w rusztowaniu mieszadła w wybranych miejscach (zaznaczonych na czerwono). Powstałe pęcherzyki tlenu zapewniają napęd niezbędny do poruszania mieszadłem. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig1v2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Sekwencja tworzenia się kropli w eksperymencie mikrofluidycznym, pokazująca krople w odstępach 100 ms." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig2v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Obrazy z odstępami czasowymi przedstawiające tworzenie się kropli RSF z urządzenia wtryskowego (średnica dyszy 80 µm). Liczby poniżej obrazów reprezentują czas, który upłynął w mikrosekundach (µs), od momentu rozpoczęcia wtrysku kropli tuszu jedwabnego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig2v2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat ruchu mechanicznego pokazujący kąt φ, kierunek ruchu, ścieżki A-B-C i punkty śledzenia." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Schematyczne przedstawienie śledzenia cząsteczki w dwóch kolejnych klatkach. A i B oznaczają punkty śledzenia, a C oznacza środek masy. φ oznacza kąt orientacji. Kierunek trajektorii SPMS jest wskazany przez zakrzywioną czarną strzałkę. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Aktywność katalazy; obraz mikroskopowy; lokalizacja enzymu; miejsce reakcji; analiza biochemiczna." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Mikrofotografia świetlna świeżo wydrukowanego metodą RIJ mikromieszadła (100 warstw) przed myciem. Czerwona ramka oznacza obszar domieszkowany katalazą (obszar silnika). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Skaningowa mikroskopia elektronowa ukazująca zmiany powierzchni włosów przed i po traktowaniu H₂O₂." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5: Obrazy SEM głównego korpusu oraz części silnika katalazowego SPMS po utworzeniu się porów w wyniku uwalniania pęcherzyków. Na obrazach SEM SPMS wyraźnie widoczne są pory na powierzchni silnika powstałe w wyniku uwalniania pęcherzyków tlenu. (A) Jedwabne mikromieszadła przed ekspozycją na 5% w/v roztwór paliwa H2O2. (B) Jedwabne SPMS po ekspozycji na 5% w/v roztwór paliwa H2O2. Obrazy po prawej stronie stanowią powiększenia obszarów zaznaczonych na czerwono. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza trajektorii cząstek w technice time-lapse, schemat eksperymentalny, śledzenie ruchu cząstek." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6: Klatki wideo dwóch mikromieszadeł w 5% roztworze paliwa ukazujące trajektorię w czasie. (A) Mikromieszadła 100-warstwowe. (B) Mikromieszadła 200-warstwowe. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Orientacja kątowa w czasie; wykres porównawczy dla 100 i 200 warstw, analiza danych naukowych." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59030/59030fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Porównanie kąta orientacji (φ) dla mikromieszadeł 100-warstwowych (60 ± 6 rpm) i 200-warstwowych (100 ± 10 rpm). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/59030fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Film uzupełniający S1: Reprezentatywny 100-warstwowy samoporuszający się mikromieszadło w 5% w/v H2O2 podczas napędu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/Video_1.mp4">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>
Wideo uzupełniające S2: Reprezentatywny 200-warstwowy samoporuszający się mikromieszadło w 5% w/v H2O2 podczas napędu. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59030/Video_2.mp4">Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.</a>

Ten protokół demonstruje zdolność do wykorzystania reaktywnego druku atramentowego do drukowania samoruchomych, biokompatybilnych i przyjaznych dla środowiska mikromieszadeł do użytku w zastosowaniach biomedycznych i środowiskowych.

Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

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

Jesteśmy w stanie wyprodukować wszechstronne, biokompatybilne i biodegradowalne mikrosilniki jedwabiu do stosowania w zastosowaniach mikromieszania, takich jak ulepszanie testów enzymatycznych, diagnostyka wiórów lawowych oraz monitorowanie i remediacja środowiska. Wykorzystanie reaktywnego druku atramentowego do tworzenia mikromieszadeł z enzymu i jedwabiu zasilanych przez marangoni pozwala nam szybko i łatwo zmieniać kształty, rozmiary, rozkłady katalizatorów i mieszać inne ugrupowania ze strukturami, kontrolując w ten sposób trajektorię, zachowanie i funkcje. Reaktywny druk atramentowy może być również stosowany do produkcji urządzeń mikromotorycznych z innymi wodnymi atramentami reaktywnymi oprócz jedwabiu, co świadczy o dużej wszechstronności tej metody.Osobą demonstrującą procedurę będzie doktorantka, Ana Jimenez-Franco z mojego laboratorium. Najpierw pokrój nożyczkami pięć gramów czystych jedwabnych kokonów na małe kawałki o powierzchni jednego centymetra do kwadratu. W okapie ekstrakcyjnym zagotuj dwa litry wody dejonizowanej w dwulitrowej zlewce na magnetycznej płycie grzejnej.Dodaj mieszadło magnetyczne do zlewki z wodą dejonizowaną. Następnie powoli dodaj 4,24 grama węglanu sodu do wody, aby uniknąć wykipienia i pozwól mu się rozpuścić. Gdy roztwór zacznie ponownie wrzeć, dodaj do niego pokrojone kawałki jedwabnych kokonów.Upewnij się, że cały jedwab jest zanurzony i podgrzewaj roztwór, ciągle mieszając przez 90 minut. Przykryj zlewkę folią aluminiową. Po 90 minutach usuń wyekstrahowane włókna fibroiny z roztworu węglanu sodu za pomocą szklanej pałeczki.Umyj włókna fibroiny trzykrotnie jednym litrem podgrzanej wody dejonizowanej, stopniowo obniżając temperaturę przy każdym praniu. Rozłóż włókna fibroiny na 750-mililitrowym naczyniu krystalizującym ze szkła borokrzemianowego i umieść je na noc w piecu do suszenia w temperaturze 60 stopni Celsjusza pod ciśnieniem atmosferycznym. Po wyschnięciu przechowuj włókna fibroiny w zamkniętym pojemniku w temperaturze pokojowej.Przygotuj roztwór trójskładnikowy zawierający 4,8 grama wody dejonizowanej, 3,7 grama etanolu i 3,1 grama chlorku wapnia. Najpierw rozpuść chlorek wapnia w wodzie dejonizowanej, a następnie dodaj etanol. Umieść 100-mililitrową kolbę okrągłodenną z dwiema szyjkami w łaźni wodnej na magnetycznej płycie grzejnej.Następnie dodać roztwór trójskładnikowy do kolby. Następnie umieść termometr w jednej z szyjek kolby, aby dokładnie monitorować temperaturę roztworu. Przykryj drugą szyjkę folią aluminiową, aby zapobiec wysuszeniu roztworu w wyniku parowania.Następnie podgrzej roztwór do 80 stopni Celsjusza. Gdy temperatura roztworu ustabilizuje się na poziomie 80 stopni Celsjusza, usuń folię aluminiową i dodaj do roztworu jeden gram suszonej fibroiny. Dodaj małe mieszadło magnetyczne, aby upewnić się, że roztwór jest dobrze wymieszany podczas całego procesu rozpuszczania.Przykryj drugą szyjkę kolby folią aluminiową, aby zminimalizować parowanie i pozostaw do rozpuszczenia na 90 minut. Po 90 minutach od rozpuszczenia pozostaw roztwór fibroiny do ostygnięcia do temperatury pokojowej przez 10 minut. Zawiąż węzeł na jednym z końców rurki do dializy o długości 15 centymetrów.Myj rurkę przez kilka minut bieżącą wodą dejonizowaną z kranu. Otwórz drugi koniec rurki dializacyjnej i dodaj roztwór fibroiny. Za pomocą metalowego zacisku zamknij drugi koniec rurki dializowej, upewniając się, że jest ona jak najszczelniej zamknięta.Przymocuj jeden z końców rurki do dializy za pomocą zakrętki do pustej 30-mililitrowej plastikowej fiolki, aby rurka dializowa mogła unosić się w wodzie. Następnie umieść rurkę dializacyjną w dwulitrowej zlewce zawierającej dwa litry wody dejonizowanej. Zmieniaj wodę w regularnych odstępach czasu i sprawdzaj przewodność wody za każdym razem, gdy jest zmieniana, aby postępować zgodnie z procesem dializy.Po zakończeniu dializy odetnij jeden koniec rurki dializacyjnej nożyczkami i wlej roztwór do szeregu probówek o pojemności 1,5 mililitra. Wirować przez pięć minut przy 16000 x G, aby usunąć wszelkie cząstki z roztworu fibroiny. Następnie zbierz supernatant do 30-mililitrowej plastikowej fiolki i przechowuj go w temperaturze czterech stopni Celsjusza.Aby wydrukować główny korpus sztucznych, samobieżnych mikromieszadeł lub spms, wymieszaj roztwór fibroiny, glikol polietylenowy 400 i wodę dejonizowaną, aby uzyskać 1,5 mililitra atramentu A. Aby wydrukować silnik katalityczny spms, wymieszaj roztwór fibroiny, glikol polietylenowy 400, katalazę i wodę dejonizowaną, aby uzyskać 1,5 mililitra atramentu B. Przygotuj 1,5 mililitra atramentu C, rozpuszczając 0,05 mg na mililitr Coomassie Brilliant Blue i metanolu. Do drukowania farb na podłożu krzemowym należy używać urządzeń natryskowych o średnicy dyszy 80 mikrometrów, umieszczonych na stoliku w odległości roboczej między dyszą a podłożem płytki krzemowej wynoszącej około pięciu milimetrów. Załaduj atramenty A, B i C do trzech zbiorników, a następnie wyreguluj ciśnienie wsteczne za pomocą zaworu zwrotnego dla każdego kanału, aby upewnić się, że atrament nie kapie z urządzeń natryskowych.Następnie dostosuj parametry natryskiwania dla każdego kanału, aby upewnić się, że każdy atrament zapewnia dobre, stabilne tworzenie kropel. Wydrukuj atrament fibroinowy jedwabny warstwa po warstwie, na przemian z metanolem na czystym, polerowanym podłożu wafla krzemowego. Wydrukuj dwie partie fibroiny spm o grubości odpowiednio 200 warstw i 100 warstw.Aby usunąć próbki z płytek krzemowych, zanurz je w wodzie dejonizowanej i delikatnie mieszaj, aż do momentu oderwania. Wyczyść dziewięciocentymetrową szklaną szalkę Petriego wodą dejonizowaną i upewnij się, że powierzchnia jest wolna od kurzu. Dodaj 10 mililitrów wstępnie przefiltrowanego pięcioprocentowego nadtlenku wodoru do czystej i suchej szalki Petriego i pozostaw do osiadania.Rozświetl spód szalki Petriego chłodnym białym źródłem światła LED. Następnie użyj szybkiej kamery z obiektywem makro, aby uchwycić ruch z góry. Teraz umyj wydrukowane jedwabne mieszadełka przez 10 minut, zanurzając je w wodzie dejonizowanej, aby usunąć niezwiązany glikol polietylenowy 400.Ostrożnie weź jedno umyte mieszadło z końcówką sterylnej igły strzykawkowej i umieść je na środku szalki Petriego. Gdy umyte mieszadło styka się z paliwem utlenionym wodorem, wokół silnika zaczynają tworzyć się pęcherzyki i obserwuje się okrężny ruch mieszadła. Gdy system wydaje się stabilny, naciśnij przycisk nagrywania w oprogramowaniu do nagrywania, aby rozpocząć przechwytywanie wideo.Śledź mikromieszadła klatka po klatce, śledząc każdy koniec mieszadeł. Stabilne kropelki utworzone z urządzeń natryskowych umożliwią wyższą rozdzielczość drukowanych próbek, jak pokazano tutaj. W zależności od używanych drukarek atramentowych w rozmiarze kropli, odległość między każdą wydrukowaną kroplą musi być dostosowana w taki sposób, aby nakładały się na siebie w celu wygenerowania połączonych linii.Kiedy jedwabne mikromieszadła są umieszczane w roztworze paliwa z nadtlenkiem wodoru, morfologia powierzchni mieszadeł ulega zmianie z powodu uwalniania pęcherzyków ze struktur wewnętrznych, tworząc małe pory. Pokazane są tu nieruchome klatki wideo dwóch reprezentatywnych 100-warstwowych i 200-warstwowych mikromieszadeł oraz pięcioprocentowego paliwa z nadtlenkiem wodoru. Czerwone i zielone linie wskazują śledzone trajektorie.Prędkość obrotową można określić na podstawie zmiany orientacji szybkości, jak pokazano tutaj. Porównanie 100-warstwowych i 200-warstwowych mikromieszadeł domieszkowanych katalazą wykazuje wyraźny wzrost prędkości obrotowej o około 0,6 raza, z 60 plus minus 6 obr./min do 100 plus minus 10 obr./min. Aby wyprodukować atramenty do druku do tej procedury, ważne jest, aby włókna zostały całkowicie rozpuszczone podczas procesu rozpuszczania.Technika ta pozwoliła nam na wyprodukowanie mikromieszadeł napędzanych różnymi mechanizmami, odpowiednich do badań nad mieszaniem i wykrywaniem zanieczyszczeń, które zostały niedawno opublikowane przez nas w czasopiśmie Small.

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisano płaski oraz trójwymiarowy druk z użyciem przewodzących tuszy metalicznych. Nasze podejście otwiera nowe możliwości wytwarzania drukowanych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i biomedycznych o nietypowych układach w skali mikro.

Planarny i trójwymiarowy druk atramentów przewodzących

Opis metod wykorzystanych do przekształcenia drukarki HP DeskJet 500 w biodrukarkę. Drukarka jest zdolna do przetwarzania żywych komórek, co powoduje powstanie przejściowych porów w błonie. Pory te mogą być wykorzystane do wprowadzania małych cząsteczek, w tym fluorescencyjnej G-aktyny, do wydrukowanych komórek.

Tworzenie przejściowych porów w błonie komórkowej przy użyciu standardowej drukarki atramentowej

Mikroprzepływowe natryskiwanie dwuwarstwy lipidowej na granicy kropelek zapewnia niezawodny sposób generowania pęcherzyków z kontrolą nad asymetrią błony, włączeniem białek transbłonowych i enkapsulacją materiału. Technika ta może być stosowana do badania różnych systemów biologicznych, w których pożądane są biomolekuły podzielone na przedziały.

Wytwarzanie dwuwarstwowych pęcherzyków lipidowych za pomocą natryskiwania mikroprzepływowego

Ten protokół opisuje metodologię biodruku przy użyciu zautomatyzowanego zrobotyzowanego systemu deponowania, który łączy wytrawione wskazówki topograficzne z precyzyjnym osadzaniem biotuszu z hydrożelu na komórce. Wydrukowane komórki są dostarczane bezpośrednio do wytrawionych elementów i są w stanie je wyczuć i zorientować się w sytuacji.

Zautomatyzowana zrobotyzowana technika dozowania do prowadzenia powierzchni i biodruku komórek

Drukarka atramentowa została użyta do produkcji wielowarstwowych poliwarstw alkoholu winylowego. Opracowano tusz na bazie wody na bazie alkoholu poliwinylowego i zbadano główne właściwości fizyczne.

Wielowarstwowe polialkohol winylowy z nadrukiem atramentowym

Tutaj prezentujemy protokół do tworzenia wzorów przewodzących o wysokiej rozdzielczości za pomocą elektrohydrodynamicznego (EHD) druku strumieniowego. Protokół obejmuje dwa tryby druku strumieniowego EHD: ciągłe elektroprzędzenie w bliskim polu (NFES) i drukowanie EHD metodą kropli na żądanie (DOD) oparte na kropkach.

Modelowanie w wysokiej rozdzielczości przy użyciu dwóch trybów strumienia elektrohydrodynamicznego: kropli na żądanie i elektroprzędzenia w bliskim polu

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania drukowanych atramentowo wielowarstwowych struktur czujników na podłożach wytwarzanych addytywnie i folii.

Druk hybrydowy do produkcji inteligentnych czujników

Przedstawiono protokół syntezy hybrydowych perowskitowych atramentów kropek perowskitowych z nieorganiczno-ołowiowo-halogenkowym do druku atramentowego oraz protokół przygotowania i drukowania atramentów z kropkami kwantowymi w drukarce atramentowej z technikami postcharakteryzacji.

Druk atramentowy Wszystkie nieorganiczne atramenty perowskitowe halogenkowe do zastosowań fotowoltaicznych

Prezentowana tutaj jest łagodna technika druku 3D napędzana zmiennymi siłami lepko-inercyjnymi, aby umożliwić budowę mikronośników hydrożelowych. Dysze domowej roboty oferują elastyczność, umożliwiając łatwą wymianę dla różnych materiałów i średnic. Można uzyskać mikronośniki wiążące komórki o średnicy 50-500 μm i pobrać je do dalszej hodowli.

Druk 3D mikronośników hydrożelowych in vitro metodą natryskiwania naprzemienną siłą lepko-inepunktualną

Ten artykuł przedstawia technikę produkcji superkondensatorów opartych na chipach za pomocą drukarki atramentowej. Szczegółowo opisano metodologie syntezy atramentów, dostosowywania parametrów oprogramowania i analizy wyników elektrochemicznych wyprodukowanego superkondensatora.

Zaawansowane sterowanie drukarką atramentową do produkcji superkondensatorów opartych na chipach

Proponowana technika zapewni nowatorskie, wydajne, oszczędne i nieinwazyjne podejście do obrazowania przepływu płynów przez upakowane złoże proszkowe, co zapewni wysoką rozdzielczość przestrzenną i czasową.

Oszczędna technika obrazowania przepływu kapilarnego przez trójwymiarowe polimerowe proszki drukarskie

Poznaj metodę reaktywnego druku atramentowego do tworzenia samobieżnych mikromieszadeł jedwabnych. Technika ta umożliwia szybką produkcję biokompatybilnych urządzeń do mikromieszania w zastosowaniach biomedycznych i środowiskowych.

Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

Przeglądaj więcej filmów