Impressão de jato de tinta reativa e análise de propulsão de micro-agitadores autopropulsionados à base de seda

Somos capazes de produzir micromotores de seda versáteis, biocompatíveis e biodegradáveis para uso em aplicações de micro-mistura, como aprimoramento de ensaios de enzimas, diagnósticos de cavacos de madeira de lava e monitoramento e remediação ambiental. Utilizar a impressão de jato de tinta reativa para criar micro-agitadores de seda alimentados por enzimas e marangoni nos permite alterar formas, tamanhos, distribuições de catalisadores e misturar outras moieties nas estruturas de forma rápida e fácil, controlando assim a trajetória, o comportamento e as funções. A impressão a jato de tinta reativo também pode ser aplicada para produzir dispositivos micromotores com outras tintas reativas aquosas além da seda, o que demonstra a grande versatilidade deste método.

A pessoa que demonstrará o procedimento será a doutoranda Ana Jimenez-Franco do meu laboratório. Primeiro, corte cinco gramas de casulos de seda limpos em pedaços pequenos quadrados de um centímetro usando uma tesoura. Em uma capa de extração, ferva dois litros de água deionizada em um béquer de dois litros em uma placa magnética quente.

Adicione uma barra de agitação magnética ao béquer de água deionizada. Em seguida, adicione lentamente 4,24 gramas de carbonato de sódio à água para evitar ferver e deixe-o dissolver. Uma vez que a solução comece a ferver novamente, adicione os pedaços cortados dos casulos de seda à solução.

Certifique-se de que toda a seda está submersa, e aqueça a solução, com agitação constante por 90 minutos. Cubra o béquer com papel alumínio. Após 90 minutos, remova as fibras de fibroina extraídas da solução de carbonato de sódio com uma haste de vidro.

Lave as fibras de fibroina três vezes com um litro de água deionizada pré-aquecida, diminuindo gradualmente a temperatura para cada lavagem. Espalhe as fibras de fibroin em um prato cristalizador de vidro borossilicato de 750 mililitros e coloque-as em um forno de secagem durante a noite a 60 graus Celsius sob pressão atmosférica. Uma vez seco, armazene as fibras de fibroina em um recipiente fechado à temperatura ambiente.

Prepare uma solução ternária contendo 4,8 gramas de água deionizada, 3,7 gramas de etanol e 3,1 gramas de cloreto de cálcio. Primeiro dissolva o cloreto de cálcio em água desionizada e, em seguida, adicione o etanol. Coloque um frasco de dois pescoços de dois pescoços em um banho de água em cima de uma placa magnética quente.

Em seguida, adicione a solução ternária ao frasco. Em seguida, coloque um termômetro em um dos pescoços do frasco para monitorar com precisão a temperatura da solução. Cubra o outro pescoço com papel alumínio para evitar secar a solução devido à evaporação.

Em seguida, aqueça a solução a 80 graus Celsius. Quando a temperatura da solução estiver estável a 80 graus Celsius, remova a folha de alumínio e adicione um grama de fibroin seca à solução. Adicione uma pequena barra de mexiça magnética para garantir que a solução seja bem misturada durante todo o processo de dissolução.

Cubra o segundo pescoço do frasco com papel alumínio para minimizar a evaporação e deixe dissolver por 90 minutos. Após 90 minutos de dissolução, deixe a solução de fibroina esfriar à temperatura ambiente por 10 minutos. Amarre um nó em uma das extremidades de um tubo de diálise de 15 centímetros de comprimento.

Lave o tubo por alguns minutos com água desionizada da torneira. Abra a outra extremidade do tubo de diálise e adicione a solução de fibroina. Usando um grampo metálico, feche a outra extremidade do tubo de diálise garantindo que ele esteja fechado o mais fortemente possível.

Conecte uma das extremidades do tubo de diálise através de uma tampa de parafuso a um frasco de plástico vazio de 30 mililitros para permitir que o tubo de diálise flutue na água. Em seguida, coloque o tubo de diálise em um béquer de dois litros contendo dois litros de água deionizada. Troque a água em intervalos regulares e verifique a condutividade da água toda vez que ela for alterada para seguir o processo de diálise.

Após a diálise completa, corte uma extremidade do tubo de diálise com uma tesoura e despeje a solução em uma série de tubos de 1,5 mililitro. Centrífuga por cinco minutos a 16000 x G para remover quaisquer partículas dentro da solução de fibroin. Em seguida, colete o supernaspe em um frasco de plástico de 30 mililitros e armazene-o a quatro graus Celsius.

Para imprimir o corpo principal dos micro-agitadores artificiais, autopropulsores, ou spms' s, misture a solução de fibroina, o polietileno glicol 400 e a água deionizada para fazer 1,5 mililitros de Tinta A.Para imprimir o motor catallítico das spms, misture a solução de fibroina, polietileno glicol 400, catalase e água deionizada para fazer 1,5 mililitros de Tinta B.Prepare 1,5 mililitros de Tinta C dissolvendo 0,05 mg por mililitro de Coomassie Azul Brilhante e metanol. Use dispositivos de lançamento com diâmetro de bocal de 80 micrômetros para imprimir as tintas no substrato de silício, colocados no palco a uma distância de trabalho entre o bocal e o substrato de wafer de silício de cerca de cinco milímetros. Carregue as tintas A, B e C em três reservatórios e, em seguida, ajuste a pressão traseira usando a válvula de pressão traseira para cada canal individual para garantir que a tinta não esteja pingando dos dispositivos de lançamento.

Em seguida, ajuste os parâmetros de lançamento de cada canal para garantir que cada tinta dê uma boa formação estável de gotículas. Imprima a camada de tinta de fibroine de seda por camada alternando com metanol em um substrato de wafer de silício polido limpo. Imprima dois lotes de spms de fibroin com 200 camadas e 100 camadas de espessura, respectivamente.

Para remover as amostras dos wafers de silício, mergulhe-as em água desionizada e agitar suavemente até que ocorra o desprendimento. Limpe uma placa de petri de vidro de nove centímetros com água deionizada e certifique-se de que a superfície está livre de poeira. Adicione 10 mililitros de peróxido de hidrogênio pré-filtrado de 5% à placa de Petri limpa e seca e deixe se estabelecer.

Acenda a parte inferior da placa de Petri com uma fonte de luz LED branca legal. Em seguida, use uma câmera de alta velocidade com lente de macro-zoom para capturar o movimento de cima. Agora, lave os agitadores de seda impressos por 10 minutos submergindo-os em água desionizada para remover qualquer polietileno glicol 400.

Pegue cuidadosamente um agitador lavado com a ponta de uma agulha de seringa estéril e coloque-o no centro da placa de Petri. Quando o agitador lavado toca o combustível de peróxido de hidrogênio, bolhas começam a se formar ao redor do motor e o movimento circular do agitador é observado. Quando o sistema aparecer estável, pressione o registro no software de gravação para começar a capturar o vídeo.

Realize o rastreamento dos micro-agitadores em uma base quadro a quadro, rastreando cada extremidade dos agitadores. Gotículas estáveis formadas a partir dos dispositivos de lançamento permitirão a maior definição das amostras impressas, como mostrado aqui. Dependendo das impressoras a jato de tinta usadas no tamanho da gota, a distância entre cada gotícula impressa precisa ser ajustada de tal forma que elas se sobreponham para gerar linhas conectadas.

Quando os micro-agitadores de seda são colocados na solução de combustível de peróxido de hidrogênio, a morfologia superficial dos agitadores é alterada devido à liberação das bolhas das estruturas internas, gerando pequenos poros. Ainda são mostrados quadros de vídeo de dois micro-agitadores de 100 camadas e 200 camadas e 5% de combustível de peróxido de hidrogênio. As linhas vermelha e verde indicam as trajetórias rastreadas.

A velocidade rotacional pode ser determinada pela mudança de taxa de orientação, como mostrado aqui. A comparação de micro-agitadores dopados de 100 camadas e 200 camadas mostra um aumento distinto na velocidade rotacional de aproximadamente 0,6 vezes, de 60 mais ou menos seis rpm para 100 mais ou menos 10 rpm. Para produzir tintas imprimíveis para este procedimento, é importante que as fibras sejam completamente dissolvidas durante o processo de dissolução.

Esta técnica nos permitiu produzir micro-agitadores alimentados por diversos mecanismos, adequados para estudos de agitação e detecção de contaminação, conforme publicado recentemente por nós na revista Small.