Reaktywny druk atramentowy i analiza napędu samobieżnych mikromieszadeł na bazie jedwabiu

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.